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        形狀可變救助型機器人的結構及其越障能力的分析與實驗

        2011-07-10 06:54:52王曼莉黃小剛余曉鑫田聯(lián)房
        制造業(yè)自動化 2011年15期
        關鍵詞:履帶樓梯臺階

        張 勤,王曼莉,黃小剛,余曉鑫,田聯(lián)房

        (1.華南理工大學 機械與汽車工程學院,廣州 510640;2.深圳市特種設備安全檢驗研究院,深圳 518029;3.華南理工大學 自動化科學與工程學院,廣州 510640)

        0 引言

        近年來多發(fā)的自然災害如地震、火災、洪水等,人為的恐怖禍害如恐怖活動、武力沖突等嚴重危害著人們的安全。在這種緊急而危險的救援工作中,救助型機器人起著越來越重要的作用[1]。它們的參與可以有效地提高救援效率,減小災難的損失?,F(xiàn)有的救災機器人移動機構主要有:無肢運動(以蛇形運動為主)、輪式、腿式、輪腿式和履帶式等。其中,蛇形機器人具有運動穩(wěn)定性好,適應地形能力強和牽引力高等特點,但多自由度控制困難,運動速度低;輪式機器人具有結構簡單,重量輕,輪式滾動摩擦阻力小和機械效率高等特點,但越過溝渠、臺階的能力差;腿式機器人具有適應地形能力強的特點,能越過大的溝壕和臺階,其缺點是穩(wěn)定性差,速度慢;輪腿式機器人融合了腿式機構的適應地形能力和輪式機構的高速高效性能,其缺點是結構相對復雜;履帶式機器人地形適應能力強,但要越過大的溝壕,自身的尺寸就要做得很大,能耗大。這些機器人的移動機構有各自的優(yōu)勢,但翻越相當于自身高度的障礙的能力都較差[2~4]。本文提出了形狀可變/多方位驅動救助型機器人的結構,它兼有蛇形機器人和履帶式機器人的優(yōu)點,可以根據(jù)災難現(xiàn)場的情況,改變其形狀,調整其姿態(tài),實現(xiàn)上、下樓梯,翻越障礙物,跨越溝壑,從溝壑中脫出等功能,從而勝任瓦礫和廢墟等惡劣路面上行走。在此基礎上,本文詳細分析了該機器人翻越臺階、樓梯典型障礙的運動過程及其最大越障能力;討論了形狀可變救助型機器人結構的重量配置布局、越障過程中機器人的形狀,各面姿態(tài)等因素對越障能力的影響;提出了形狀可變救助型機器人在典型障礙下的越障策略,并通過實驗驗證了所提策略的可行性。

        1 形狀可變救助型機器人的結構

        形狀可變救助型機器人兼有履帶式機器人和蛇形機器人的特點。它由五個面組成,如圖1所示,即四個側面和一個中心面。各個側面與中心面之間通過轉動軸連接,使得各個側面相對于中心面可以自由轉動,進而可以改變機器人的形狀。機器人每個面上分別安裝獨立的履帶式移動機構,且履帶式移動機構與其相連接的面之間可以相對轉動,使得機器人能自由地改變運動方向,實現(xiàn)多方位驅動[5,6]。這種結構的救助型機器人可以根據(jù)災害現(xiàn)場的情況,通過改變各個面之間的相對姿態(tài),變換機器人的形狀,實現(xiàn)在瓦礫和廢墟等惡劣路面上的移動。例如:狹窄,低矮的地方,各面伸展成扁平型通過,如圖2所示;平坦的地方,各個面閉合,縮成小立方體行走;跨越溝壕時,可以展成蛇形,如圖3所示;由于各個面上都安裝有履帶,使其不怕滾落和翻倒,無論其哪個面與地面接觸,都能正常移動,不需要將機器人恢復到可行走面,如圖4所示[6,7]。機器人的驅動輪的數(shù)目也可以選擇,使其在滿足運動要求的前提下,節(jié)省能耗[8]。

        圖1 形狀可變救助型機器人機械結構簡圖

        圖2 機器人進入低矮地方的示意圖

        圖3 機器人跨越溝壕的示意圖

        圖4 機器人滾落、翻倒后繼續(xù)正常行駛的示意圖

        2 越障能力分析

        越障性能是影響救助型機器人運動能力的重要因素之一。機器人在復雜地形中運動,會遇到各式各樣的障礙物,包括斜坡、臺階、凸臺、溝壕、樓梯及這些障礙的組合等。這就要求機器人必須具備很強的越障能力,使機器人不但能夠翻越這些障礙,還能保持越障過程中的穩(wěn)定性。形狀可變救助型機器人可以根據(jù)障礙物的特點,變換形狀,調整各面的姿態(tài),使其在越障過程中,各面分別發(fā)揮支撐,攀爬等不同的功能,以使機器人最大限度地發(fā)揮其越障能力,穩(wěn)定地翻越障礙物。下文以翻越臺階和樓梯為例對形狀可變救助型機器人的越障能力進行分析。

        2.1 翻越臺階能力分析

        形狀可變救助型機器人翻越臺階時,為了提高其越障過程中的穩(wěn)定性,機器人的各個面展開成扁平狀,使其重心降低。其中面0,3,4在同一平面上,面1,2根據(jù)翻越的過程,變換其姿態(tài)。翻越臺階時機器人姿態(tài)和受力如圖5(a)所示。為了成功翻越臺階,機器人的整體重心(ZMP)位置必須位于履帶與臺階的接觸點的前方。考慮能夠翻越臺階的臨界狀態(tài),機器人的整體重心應在臺階與機器人履帶接觸點M的垂線延長線PM上,由機器人各面的幾何關系和臨界越障姿態(tài)的靜力學方程可得:

        式中X為機器人的整體重心與中心面攀爬段之間的水平距離,ι為面0的邊長,G0、G1、G2分別為面0,3,4、面1、面2面板及其附屬機構的重量, θ1為面2相對于面0所偏轉的角度,θ2為面0與臺階水平方向所成的角度,θ3為面0相對于面1所偏轉的角度。

        圖5 機器人翻越臺階的姿態(tài)和受力圖

        由圖5(a)和式(1)可知,X越小,也就是機器人的整體重心越靠近攀爬面1,越有利于翻越臺階。當機器人的驅動力足夠大時,面0與臺階面所成的角度θ2取決于臺階與履帶之間的摩擦系數(shù)。當θ2一定時,考察面2和面1的姿態(tài)對其翻越臺階能力的影響:由式(1)可知,若面1與面0的所夾角度θ3與面0與臺階面的接觸角度θ2相等,即面1與臺階面平行時,機器人的整體重心最靠近攀爬端,機器人最容易翻越臺階;在此過程中,面2主要起抬起和支撐作用;面2與支撐面所成角度θ1+θ2≤90°時,面2與面0所成的角度θ1越大,面2與支撐面所成角度θ1+θ2越大,面0和面1被撐起的高度越高,越有利于機器人翻越臺階。

        考慮機器人整體重心與X的關系,由圖5(b)的幾何關系可得:

        式中dx為機器人的整體重心沿前進方向的偏移;dy為機器人的整體重心沿垂直于前進方向的偏移;R為履帶輪的半徑。

        由式(2)可知,機器人重心的位置直接影響機器人翻越臺階的能力,機器人的整體重心位置越低,即dy越小,其整體重心的位置越靠近攀爬端;dx越小,機器人的翻越臺階能力越強。

        由上述的分析可知,在機器人的驅動能力相同的情況下,機器人的越障能力與機器人的重量,整體重心的位置,各面的相對姿態(tài)以及機器人履帶與接觸面之間的摩擦系數(shù)有關,調整機器人各個面之間的相對姿態(tài),適當匹配相關參數(shù),可以調整機器人整體重心的位置,獲得最大的越障高度。由圖5(a)的幾何關系可得機器人的越障高度為:

        式中H、H'、H''如圖5所示。

        其中,H由面0的幾何關系如圖5(b)可得:

        式中ι'為同側履帶前后兩履帶輪的中心距。H'由面2的幾何關系圖5(c)確定:

        H''由面0的幾何關系圖5(d)可求得:

        式中b1為面0上最左側履帶輪的中心到與面2相連接一側的面0的邊的距離,b2為履帶輪中心到相應面板中心面的距離。

        機器人翻越障礙物的過程中,面0與臺階面的夾角θ2∈(0°,90°)。

        將式(4)、(5)、(6)代入式(3)化簡得:

        式(7)分別對θ1、θ2求偏導可得到

        即當機器人面0與臺階面所夾角度θ2一定時,機器人的越障能力與θ1,θ2之和有關,調整面2與面0所成角度θ1使其滿足式(8)時,機器人可獲得最大越障高度Himax;當θ1一定,且0<θ2<90°時,隨著θ2的增大,越障高度Hi增大。但考慮到實際情況,θ2的最大值受限于機器人的驅動能力,臺階面與機器人履帶之間的摩擦系數(shù),翻越臺階的回旋空間大小等參數(shù),綜合考慮上述因素可以求得機器人的最大越障高度Himax。

        當機器人姿態(tài)一定時,翻越臺階的高度與機器人整體重心位置(dx,dy)有關,適當調整機器人各面的硬件分布,可以使其整體重心位置靠近攀爬端,提高其翻越障礙的能力。

        2.2 爬樓梯能力分析

        機器人爬樓梯時的情況與翻越臺階情況不同。機器人在爬樓梯時,由于回旋空間有限,其越障能力受到一定的限制。公共建筑或者住宅建筑內樓梯的坡度一般在20~38度之間,而且每節(jié)樓梯的寬度LT和高度HT通常是固定的。根據(jù)不同的情況,機器人爬樓梯的策略也不同,可以采用直接爬越方式或者變換姿態(tài)爬越方式。

        當機器人的驅動力足夠大,且機器人的尺寸滿足一定條件時,才能采用直接爬越的方式,即機器人展開為扁平狀,面0,1,2,3,4在同一平面內,并一直保持此姿態(tài)爬越,如圖6所示。為了確保機器人直接爬越時的穩(wěn)定性,爬越過程中機器人應滿足前后至少有兩個面和樓梯同時接觸??紤]其臨界狀態(tài):面1將要離開臺階時,面2剛好搭上臺階,由圖6所示的幾何關系可得直接爬越方式中機器人的尺寸ι',履帶輪中心距ι'和樓梯尺寸應滿足式(9)關系:

        式中LT為樓梯的踏步寬度,HT為樓梯的踏步高度。

        按照公共設施的樓梯尺寸LT=300mm,HT=150mm計算,由(9)式可得,當機器人尺寸ι≥503mm,履帶輪中心距離ι'≥503mm時,才能采用直接爬越方式。若機器人的參數(shù)不滿足式(9)時,機器人需要在爬越過程中變換姿態(tài)才能爬越樓梯。

        圖6 機器人直接爬越樓梯圖

        圖7 機器人變換姿態(tài)爬越樓梯圖

        機器人采用變換姿態(tài)爬越樓梯方式如圖7所示,在臨界狀態(tài)如圖7(a)所示時,為了保證同時有兩個面與樓梯接觸,面1轉動,使其與樓梯面接觸,對機器人起牽拉的作用,如圖7(b)所示;在面1和2的驅動下,面0,3,4搭上臺階2,如圖7(c)所示;然后在面0和面2驅動下,面1伸展前爬,搭上臺階3,如圖7(d)所示。在圖7所示的爬越過程中,通過調整面1的姿態(tài)可以確保機器人穩(wěn)定地爬越樓梯。此時,機器人參數(shù)需滿足式(10):

        當機器人的尺寸更小,不滿足式(9)、式(10)時,需要變換機器人面2,面1的姿態(tài),實現(xiàn)穩(wěn)定的爬樓梯動作。當機器人的尺寸足夠小,使機器人在樓梯的臺階寬度上有足夠的回旋空間時,可以采用第2.1節(jié)所述翻越臺階的策略爬越樓梯。

        3 越障實驗

        根據(jù)以上的分析,對形狀可變救助型機器人進行了翻越臺階和爬樓梯的實驗。救助型機器人的實物如圖8所示[3]。機器人的參數(shù)如表1所示。

        圖8 救助型機器人

        表1 救助型機器人的各結構參數(shù)

        當臺階面為水泥面,履帶的材料為橡膠時,根據(jù)實驗可知機器人翻越臺階的最大高度為262mm,爬越過程如圖9所示??紤]到實際機器人的結構,面0與面1,2之間的角度限制θ1,θ3小于45°,根據(jù)式(7),式(8),可求得機器人翻越臺階最大高度為260.5mm。與理論計算值比較,實際翻越高度略大。因為在實驗過程中,略調整了面3和面4的位置,使機器人的重心高度發(fā)生變化,進而使其越障能力有所提高。爬越樓梯的實驗如圖10所示,木質樓梯LT=300mm,HT=150mm,此時主要通過調整面1的姿態(tài),實現(xiàn)穩(wěn)定地爬越樓梯。

        圖9 機器人翻越臺階

        圖10 機器人爬越樓梯

        4 結論

        本文提出了一種形狀可變/多方位驅動救助型機器人的結構,分析了該機器人翻越臺階、樓梯典型障礙的運動過程及其最大越障能力,提出了不同障礙下的越障策略。得出如下結論:

        1)形狀可變救助型機器人翻越障礙過程中,通過變換機器人各面的姿態(tài),可以使其各面分別發(fā)揮支撐,攀爬等不同的作用,最大限度地發(fā)揮其越障能力。

        2)越障過程中形狀可變救助型機器人的重心位置對其越障能力有很大的影響。合理安排機器人硬件的安裝布局,改變機器人各面的姿態(tài),變換機器人的形狀,可以動態(tài)地調整機器人越障過程中的整體重心,提高機器人的越障能力。

        3)爬越樓梯時,由于機器人的回旋空間有限,機器人的越障能力受到限制。根據(jù)機器人的幾何尺寸,確立合適的爬越策略,可使其越障能力得到充分的發(fā)揮,實現(xiàn)穩(wěn)定地爬越樓梯動作。

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        [7] 張勤,曲寧璽,王曼莉.一種形狀可變/多方位驅動救助型機器人的結構[P].中國:實用新型專利,ZL200920215031.3.

        [8] Tabata K,Inaba A, Zhang Q,et al.Development of a Transformational Mobile Robot to Search Victim under Debris and Rubbles,Proc.of the IEEE/RSJ Int.Conference on Intelligent Robots and System(IROS2004),2004:46-51.

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