盧振利 謝亞飛 張國(guó)棟 張 凱 劉 超 馮大宇 李 斌

(*常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 常熟 215500)(**中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽(yáng) 110014)(***常熟理工學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院 常熟 215500)(****中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 徐州 221116)(*****阿威羅大學(xué)電子和信息通信工程研究所 阿威羅 3810-193，葡萄牙)(******大連國(guó)通電氣有限公司 大連 116650)

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蛇形機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)性能研究①

盧振利②********謝亞飛*****張國(guó)棟******張 凱***劉 超*馮大宇*李 斌**

(*常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 常熟 215500)(**中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽(yáng) 110014)(***常熟理工學(xué)院汽車(chē)工程學(xué)院 常熟 215500)(****中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院 徐州 221116)(*****阿威羅大學(xué)電子和信息通信工程研究所 阿威羅 3810-193，葡萄牙)(******大連國(guó)通電氣有限公司 大連 116650)

為研究蛇形機(jī)器人常用的典型步態(tài)——伸縮運(yùn)動(dòng)的性能與不同摩擦系數(shù)環(huán)境的關(guān)系，分別用單向被動(dòng)輪和雙向被動(dòng)輪設(shè)計(jì)正交串聯(lián)蛇形機(jī)器人地面接觸機(jī)構(gòu)。通過(guò)蛇形曲線公式控制蛇形機(jī)器人垂直關(guān)節(jié)節(jié)律實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了摩擦系數(shù)對(duì)單向被動(dòng)輪和雙向被動(dòng)輪接觸面型蛇形機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)步態(tài)的影響及對(duì)應(yīng)的蛇形曲線參數(shù)的調(diào)節(jié)策略。

蛇形機(jī)器人, 單向被動(dòng)輪, 雙向被動(dòng)輪, 摩擦系數(shù), 伸縮運(yùn)動(dòng)

0 引 言

蛇形機(jī)器人是模仿蛇細(xì)長(zhǎng)無(wú)肢的身體設(shè)計(jì)而成。重心低以及和地面有多個(gè)接觸點(diǎn)，使蛇形機(jī)器人在環(huán)境適應(yīng)性方面優(yōu)于輪式機(jī)器人和腿式機(jī)器人[1]。蛇形機(jī)器人的研究在國(guó)內(nèi)外引起高度關(guān)注，由于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制方法日趨成熟，因而蛇形機(jī)器人應(yīng)用成為必然[2,3]。蛇形機(jī)器人在不同環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)和分析是實(shí)現(xiàn)蛇形機(jī)器人實(shí)用化的基石。研究環(huán)境摩擦系數(shù)和蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能關(guān)系的工作往往集中在重單體在不同控制策略下的運(yùn)動(dòng)效果。 關(guān)于伸縮運(yùn)動(dòng)，國(guó)內(nèi)中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所從仿生學(xué)角度探究了蛇在不同環(huán)境下的伸縮運(yùn)動(dòng)，給出了實(shí)現(xiàn)垂直伸縮和水平伸縮運(yùn)動(dòng)的機(jī)理和運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生方法，但未給出具體環(huán)境下伸縮運(yùn)動(dòng)的性能。該研究從概念上給出了單線被動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)機(jī)理，而未進(jìn)行相關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]。

本研究使用單被動(dòng)輪和雙向被動(dòng)輪分別構(gòu)成了正交串聯(lián)蛇形機(jī)器人的接觸結(jié)構(gòu)。通過(guò)蛇形曲線控制該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)步態(tài)，研究了不同地面與接觸機(jī)構(gòu)摩擦系數(shù)對(duì)步態(tài)的影響及步態(tài)參數(shù)調(diào)節(jié)策略，而且對(duì)使用單向輪和雙向輪的蛇形機(jī)器人在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)中的性能進(jìn)行了研究。

1 蛇形機(jī)器人接觸機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

蛇可以用不同的節(jié)律運(yùn)動(dòng)來(lái)適應(yīng)環(huán)境，例如在樹(shù)干上通過(guò)節(jié)律伸縮自己的軀體，實(shí)現(xiàn)攀爬，如圖1所示。典型的伸縮運(yùn)動(dòng)如圖2所示。

本設(shè)計(jì)中蛇形機(jī)器人本體采用正交串聯(lián)關(guān)節(jié)構(gòu)成，如圖3所示。通常采用雙向被動(dòng)輪，如圖4所示，改變縱橫向摩擦比實(shí)現(xiàn)蜿蜒運(yùn)動(dòng)。

圖1 蛇在樹(shù)干上運(yùn)動(dòng)

圖2 典型的伸縮運(yùn)動(dòng)

圖3 蛇形機(jī)器人

圖4 雙向被動(dòng)輪接觸機(jī)構(gòu)

圖5 單向被動(dòng)輪接觸機(jī)構(gòu)

圖6 蛇形機(jī)器人

相較于雙向輪既可順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)也可逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，單向輪卻只能沿其中一種方式轉(zhuǎn)動(dòng)，更貼近生物蛇的鱗片單向制動(dòng)特性。

二者均采用同樣的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)采用Arduino單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，之后通過(guò)串口把垂直關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度發(fā)到電機(jī)控制器，電機(jī)控制器直接驅(qū)動(dòng)各個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)機(jī)器人本體實(shí)現(xiàn)設(shè)定的動(dòng)作，見(jiàn)文獻(xiàn)[5]。

2 伸縮運(yùn)動(dòng)控制

2.1 節(jié)律生成

伸縮運(yùn)動(dòng)的節(jié)律和蜿蜒運(yùn)動(dòng)類(lèi)似，換言之，蜿蜒運(yùn)動(dòng)是水平關(guān)節(jié)擺動(dòng)，帶動(dòng)身體運(yùn)動(dòng)，伸縮運(yùn)動(dòng)是垂直關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)身體運(yùn)動(dòng)。二者的節(jié)律是相同的，只是作用的對(duì)象空間不同。同樣可以采用日本東京工業(yè)大學(xué)Hirose教授提出的蛇形曲線公式[6]控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)的垂直電機(jī)節(jié)律公式如下：

βi(s)=-2αsin(knπ/N)[sin(2knπs/L+2knπi/N)]

(1)

其中βi(s)為第i個(gè)垂直關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)角；i=1,…8,為電機(jī)號(hào)；π=3.1415926；α為起始彎角；kn為S形曲線個(gè)數(shù)；L為機(jī)器人總長(zhǎng)度；N為機(jī)器人總節(jié)數(shù)。改變變量s的變化率δs可以改變蛇形機(jī)器人的前行速率。

2.2 α變化對(duì)蛇形機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)的影響

改變式(1)中參數(shù)α和kn的值，研究該參數(shù)對(duì)蛇形機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)波形和運(yùn)動(dòng)的影響。選取接觸機(jī)構(gòu)為雙向被動(dòng)輪的蛇形機(jī)器人來(lái)做此實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)背景中選取一塊豎直放置的長(zhǎng)木板作為參考對(duì)象，板上兩條豎直紅線之間的距離為1m作為蛇形機(jī)器人實(shí)驗(yàn)運(yùn)行參考距離。實(shí)驗(yàn)如下：

(1)當(dāng)α=0.1、kn=2時(shí)，蛇形機(jī)器人以2個(gè)S波形進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，前進(jìn)速率約為0.0045m/s, 實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖7所示。

(2)當(dāng)α=0.2、kn=2時(shí)，前進(jìn)速率約為0.011m/s，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖8所示。

首先使用乙醚將實(shí)驗(yàn)大鼠麻醉，選定胸正中為手術(shù)區(qū)域，去毛備皮消毒，做好關(guān)閉胸腔的荷包縫合準(zhǔn)備，之后沿鎖骨正中線做2 cm縱向切口切開(kāi)皮膚，在第四或第五肋間將大鼠胸部肌肉進(jìn)行鈍性分離，使胸骨、肋骨充分暴露，將胸腔打開(kāi)，心包剪開(kāi)，在胸廓輕輕按壓以將大鼠心臟擠出。使用無(wú)創(chuàng)性縫合線在動(dòng)脈圓錐與左心耳之間冠狀靜脈處進(jìn)行冠狀動(dòng)脈的結(jié)扎，之后將心臟迅速放回原位，將胸腔氣體擠出，并迅速將縫合線拉緊，將胸腔逐層進(jìn)行關(guān)閉，將外皮縫合好，保證開(kāi)胸時(shí)間＜60 s。

(3)當(dāng)α=0.3、kn=2時(shí)，前進(jìn)速率約為0.018m/s,實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖9所示。

(a) t=0s

(b) t=90s

(c) t=220s

(a) t=0s

(b) t=30s

(c) t=95s

(a) t=0s

(b) t=30s

(c) t=55s

(4)當(dāng)α=0.4、kn=2時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖10所示。

(a) t=0s

(b) t=23s

(c) t>24s

根據(jù)上述改變蛇形曲線參數(shù)α的實(shí)驗(yàn)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)允許且能完整實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)的前提下，改變變量α的值，從而可以改變蛇形機(jī)器人的S形曲線的弧度，α越大，S波幅值越大，運(yùn)動(dòng)速率越大，蛇形機(jī)器人的前進(jìn)速率V與起始彎角α的關(guān)系曲線如圖11所示。其中α=0.4該機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)出錯(cuò)，因?yàn)橛布l件限制使α值再加大時(shí)將導(dǎo)致機(jī)器人出現(xiàn)故障及原件損壞。所以α=0.4可看作該蛇形機(jī)器人樣機(jī)伸縮運(yùn)動(dòng)的最大起始彎角。

圖11 α與V關(guān)系曲線

2.3 kn變化對(duì)蛇形機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)的影響

改變蛇形曲線參數(shù)kn的值，從而改變了蛇形機(jī)器人體內(nèi)S波個(gè)數(shù)。通過(guò)觀察不同S波個(gè)數(shù)形態(tài)下的蛇形機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)，得出只在變化蛇形曲線參數(shù)kn的情況下，蛇形機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)的前進(jìn)速率V與kn的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)如下：

(1)當(dāng)kn=1.5、α=0.2時(shí)，蛇形機(jī)器人以1.5個(gè)S波形進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，前進(jìn)速率約為0.029m/s, 實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖12所示。

(2)當(dāng)kn=2、α=0.2時(shí)，蛇形機(jī)器人以2個(gè)S波形進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，前進(jìn)速率約為0.011m/s, 實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖13所示。

(a) t=0s

(b) t=20s

(c) t=35s

(a) t=0s

(b) t=30s

(c) t=95s

(3)當(dāng)kn=2.5、α=0.2時(shí)，蛇形機(jī)器人以2.5個(gè)S波形進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，前進(jìn)速率約為0.0095m/s, 實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖14所示。

(a) t=0s

(b) t=60s

(c) t=105s

從變化蛇形曲線參數(shù)kn的伸縮運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中可看出，由于自身機(jī)構(gòu)的限制，在kn變化合理的范圍內(nèi)，蛇形機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)的前進(jìn)速率隨著體內(nèi)S波的增大而減小。kn與前進(jìn)速率V的關(guān)系曲線如圖15所示。

圖15 kn與V的關(guān)系曲線

3 伸縮運(yùn)動(dòng)與摩擦系數(shù)關(guān)系實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)定機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)行進(jìn)相同距離，采用單向被動(dòng)輪型和雙向被動(dòng)輪型蛇形機(jī)器人，在相同的控制指令下完成對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)性能對(duì)比。

3.1 摩擦系數(shù)對(duì)蛇形機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)步態(tài)的影響

研究了蛇形機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系，選取一組蛇形曲線參數(shù)，如表1所示。

表1 蛇形曲線參數(shù)表

應(yīng)用具有不同摩擦系數(shù)材質(zhì)做成的膠帶粘附在被動(dòng)輪表面，模擬不同摩擦系數(shù)環(huán)境來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中離豎直木板較近的是單向輪蛇，較遠(yuǎn)的則是雙向輪蛇，具體實(shí)驗(yàn)如下所示：

實(shí)驗(yàn)一 透明膠帶貼合：此時(shí)μ(滾動(dòng))=0.0487，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖16所示。

(a) t=0s

(b) t=20s

(c) t=38s

(a) t=0s

(b) t=20s

(c) t=35s

(a) t=0s

(b) t=20s

(c) t=30s

實(shí)驗(yàn)二 橡膠膠帶：此時(shí)μ(滾動(dòng))=0.0769，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖17所示。

實(shí)驗(yàn)三 鐵砂膠帶：此時(shí)μ(滾動(dòng))=0.1154，實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖18所示。

據(jù)上述不同摩擦系數(shù)對(duì)伸縮運(yùn)動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)，得出數(shù)據(jù)如表2所示。

μV(m/s)類(lèi)型0．04870．07690．1154雙向輪0．01430．01470．0152單向輪0．02630．02860．0333

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

上述實(shí)驗(yàn)表明：隨著摩擦系數(shù)μ的增大，蛇形機(jī)器人的前行速率V增大。

基本結(jié)論如下：蛇形伸縮運(yùn)動(dòng)雙向輪蛇形機(jī)器人前行摩擦系數(shù)μ與速率V之間的關(guān)系如圖19所示；單向輪蛇形機(jī)器人摩擦系數(shù)μ與速率V之間的關(guān)系如圖20所示。

實(shí)驗(yàn)表明：?jiǎn)蜗虮粍?dòng)輪型接觸結(jié)構(gòu)的蛇形機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速率在相對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)下要高于雙向被動(dòng)輪型蛇形機(jī)器人。

圖19 雙向輪μ與V關(guān)系曲線

圖20 單向輪μ與V關(guān)系曲線

4 結(jié) 論

本文通過(guò)正交連接關(guān)節(jié)構(gòu)成蛇形機(jī)器人，針對(duì)單向被動(dòng)輪和雙向被動(dòng)輪作為接觸機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行了伸縮運(yùn)動(dòng)性能研究。通過(guò)蛇形曲線公式控制蛇形機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)的垂直關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)節(jié)律。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了蛇形曲線起始彎角α和S波個(gè)數(shù)kn對(duì)蛇形機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)的影響；粘貼不同介質(zhì)，改變被動(dòng)輪與地面間的摩擦系數(shù)，針對(duì)不同摩擦系數(shù)環(huán)境對(duì)蛇形機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出摩擦系數(shù)μ與伸縮運(yùn)動(dòng)速率V與之間的關(guān)系。

[1] 葉長(zhǎng)龍，馬書(shū)根，李斌等. 蛇形機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎和側(cè)移運(yùn)動(dòng)研究. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004,40(10):119-128

[2] 劉華，顏國(guó)正，丁國(guó)清．仿蛇變體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究．機(jī)器人，2002，24(2)：154-158

[3] 張玲玲，曲澤超.蛇形機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析. 機(jī)電工程，2012,29(5):512-515

[4] 劉金國(guó)，王越超，李斌等. 蛇形機(jī)器人伸縮運(yùn)動(dòng)仿生研究. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2005,41(5):108-113

[5] 盧振利,劉超,謝亞飛等. 蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)及摩擦力對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能影響的分析, 2015,3: 293-299

[6] Hirose S. Biologically Inspired Robots (Snake-like Locomotor and Manipulator). Oxford: Oxford University Press， 1993

Study on concertina locomotion performance of a snake-like robot

Lu Zhenli********, Xie Yafei*****, Zhang Guodong******, Zhang Kai***, Liu Chao*, Feng Dayu*, Li Bin**

(*School of Electrical Engineering and Automation, Changshu Institute of Technology, 215500 Changshu)(**State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, CAS, Shenyang 110014)(***School of Automotive Engineering, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500)(****School of Information and Electrical Engineering China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116)(*****Institute of Electronics and Telematics Engineering of Aveiro,University of Aveiro, Aveiro 3810-193, Portugal)(******Dalian Guo Tong Electric Co., LTD, Dalian 116650)

In order to study the relationship between the performance of a snake-like robot’s concertina locomotion and the friction coefficient, the ground contact mechanisms of orthogonal series snak-like robots were designed by using the unidirectional passive wheel and the bidirectional passive wheel, respectively. The serpenoid curve formula was used to control the rhythm of vertical joints to realize the concertina locomotion. The influence of the frictional coefficient on the concertina locomotion gait of the robot using unidirectional passive wheel and the robot using bidirectional passive wheel, as well as the corresponding parameter adjustment strategies of the serpenoid curve formula, were found through aseries of experiments.

snake-like robot, unidirectional passive wheel, bidirectional passive wheel, frictional coefficient, concertina locomotion

10.3772/j.issn.1002-0470.2016.04.008

①國(guó)家自然科學(xué)基金(61333016)，機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(2014-O08)，校新引進(jìn)教師科研啟動(dòng)項(xiàng)目(XZ1306)和葡萄牙科技部基金(CIENCIA2007)資助項(xiàng)目。

2015-08-10)

②男，1974年生，博士，碩士生導(dǎo)師；研究方向：機(jī)器人智能控制；聯(lián)系人，E-mail: zhenlilu@cslg.cn(