常 健 王亞珍 李 斌

(*中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽 110016)(**浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 杭州 310015)

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可變形機(jī)器人自主攀爬樓梯控制研究①

常 ?、?王亞珍**李 斌*

(*中國科學(xué)院沈陽自動化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽 110016)
(**浙江省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 杭州 310015)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種機(jī)器人自主攀爬樓梯系統(tǒng)，研究了復(fù)雜環(huán)境下可變形機(jī)器人自主攀爬樓梯的控制方法。通過分析樓梯面與機(jī)器人履帶的接觸方式，包括梯面打滑、棱刺打滑、履帶打滑等，確定了機(jī)器人進(jìn)行梯面翻越、梯面行走時(shí)不打滑的條件，以提高機(jī)器人的爬行效率。對傳感器的感知信息進(jìn)行濾波，以提高機(jī)器人的感知能力，確定樓梯的首末臺階，進(jìn)而制定有效的爬行策略。通過對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，建立了系統(tǒng)的軟件流程圖；通過對多種典型樓梯環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的有效性及較好的魯棒性。

可變形機(jī)器人， 攀爬樓梯， 自主控制， 履帶接觸

0 引 言

災(zāi)后復(fù)雜的救援環(huán)境嚴(yán)重阻礙了搜救人員快速有效地進(jìn)行救援，因而有效利用機(jī)器人輔助搜救的研究得到廣泛的關(guān)注。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的應(yīng)用，必須研究機(jī)器人的控制。本人研究了可變形機(jī)器人自主攀爬樓梯的控制，因?yàn)闃翘菔菑U墟樓宇環(huán)境中的典型阻礙物之一。機(jī)器人攀爬樓梯的過程較為復(fù)雜，難以對其進(jìn)行有效控制，因而研究機(jī)器人爬樓梯控制具有重要的實(shí)際意義。機(jī)器人能否有效爬樓梯是評價(jià)機(jī)器人運(yùn)動性能的重要指標(biāo)之一。

通過與參加蘆山地震搜救任務(wù)者的交流發(fā)現(xiàn)，采用遠(yuǎn)程遙控的方式操作機(jī)器人攀爬樓梯易出現(xiàn)以下問題：樓梯環(huán)境狹小時(shí)難以準(zhǔn)確有效控制機(jī)器人；通信及視頻信號被阻斷時(shí)機(jī)器人無法繼續(xù)行進(jìn)作業(yè)任務(wù)。因此研究機(jī)器人自主攀爬樓梯的控制方法能夠極大地減輕操作人員的負(fù)擔(dān)且在通信中斷時(shí)機(jī)器人能夠繼續(xù)完成作業(yè)任務(wù)，使其應(yīng)用范圍得到加強(qiáng)。研究發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對機(jī)器人攀爬樓梯的控制主要停留在遙控的方式，也就是說操作者需要實(shí)時(shí)觀測到外界環(huán)境信息及機(jī)器人本體運(yùn)動狀態(tài)信息，主觀人為地執(zhí)行相應(yīng)的控制策略去操控機(jī)器人完成爬樓梯任務(wù)，這種控制方法在很大程度上依賴于操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)。但是由于廢墟環(huán)境中惡劣的通信條件，通信信號在傳輸過程中損耗巨大，機(jī)器人可能處于操作“盲區(qū)”，此時(shí)就需要廢墟搜救機(jī)器人具有自主能力，能夠自主攀爬樓梯。

國內(nèi)外專家對機(jī)器人攀爬樓梯的研究取得了一定的進(jìn)展。多倫多大學(xué)研制的LMA機(jī)器人[1]具有較好的攀爬樓梯的能力，可以利用機(jī)器人的履帶構(gòu)型的改變翻越障礙物，同時(shí)利用相應(yīng)的算法使得機(jī)器人能夠避免傾翻。韓國大學(xué)設(shè)計(jì)MACbot機(jī)器人[2]，利用其特有的四履帶行進(jìn)，機(jī)器人可以選擇常規(guī)運(yùn)動模式和越障模式，其模式的選取依靠每個(gè)履帶模塊電機(jī)轉(zhuǎn)動的方向。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所李斌等研制的水路兩棲可變形履帶機(jī)器人平臺[3-5]，對機(jī)器人翻越樓梯的基本過程進(jìn)行階段劃分，并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)分析，針對翻越樓梯過程的各階段建立模塊聯(lián)合運(yùn)動協(xié)調(diào)準(zhǔn)則、防止傾翻準(zhǔn)則和防止干涉準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人翻越樓梯運(yùn)動的實(shí)時(shí)在線預(yù)測控制。北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的關(guān)節(jié)式履帶機(jī)器人[6]能夠適應(yīng)復(fù)雜地形并具有攀爬樓梯的能力，并提出了一種基于動態(tài)穩(wěn)定性準(zhǔn)則的爬樓梯控制方法。在兩前擺臂的輔助下，該機(jī)器人能夠攀爬樓梯的最大臺階高度為192mm，寬度為349mm。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的胡慶龍?jiān)O(shè)計(jì)的機(jī)器人[7]具備完成正常的直線行走、原地轉(zhuǎn)彎以及野外路面的行走的基本性能，并且機(jī)器人按照規(guī)劃實(shí)現(xiàn)了自主爬樓梯的功能。本研究提出了一種適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的可變形機(jī)器人自主攀爬樓梯的控制方法，該方法可有效減輕搜救人員狹小環(huán)境下操控機(jī)器人的負(fù)擔(dān)，同時(shí)使機(jī)器人有一定的自主能力，可以在通信中斷時(shí)自主攀爬樓梯，跳出通信盲區(qū)，繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。

1 可變形機(jī)器人及攀爬樓梯過程分析

傳統(tǒng)固定構(gòu)型的機(jī)器人由于機(jī)構(gòu)單一，運(yùn)動能力有限，使其使用受到了限制。而對于可變形機(jī)器人而言，其本身的形狀可以根據(jù)不同的任務(wù)靈活改變，其環(huán)境適應(yīng)性和空間通過能力得到了提升，適用于復(fù)雜非結(jié)構(gòu)的廢墟環(huán)境，因此本部分將對機(jī)器人本體的運(yùn)動特性及攀爬樓梯的過程進(jìn)行詳細(xì)的分析。

1.1 可變形機(jī)器人

由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所自主設(shè)計(jì)和研制的可變形機(jī)器人AMOEBA-I[8-10]適用于災(zāi)難發(fā)生后的搜救環(huán)境，其特有的變形能力能夠適應(yīng)多種復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境。常用的構(gòu)型包括：三角構(gòu)型、直線構(gòu)型、并排構(gòu)型及“d”構(gòu)型，如圖1所示。圖3描述了機(jī)器人采用三角構(gòu)型的樓梯攀爬情況。機(jī)器人處于不同的構(gòu)型具有不同的運(yùn)動能力[11-13]，如表1所示。相比于其他構(gòu)型，三角構(gòu)型具有較好的對稱性及越障性，這些特性使其成為最優(yōu)攀爬樓梯的構(gòu)型，因此本文主要研究基于三角構(gòu)型的機(jī)器人自主攀爬樓梯控制方法。

圖1 可變形機(jī)器人AMOEBA-I常用構(gòu)型

越障性抗傾翻性轉(zhuǎn)向性通過性三角構(gòu)型較好較好較好差并排構(gòu)型差較好很好差直線構(gòu)型很好一般差很好d構(gòu)型較好較好一般一般

1.2 機(jī)器人攀爬樓梯策略分析

機(jī)器人攀爬樓梯的過程如圖2所示，本文只考慮攀爬樓梯的過程，包括樓梯接近、樓梯攀爬和梯面翻越等，對樓梯的識別不再考慮，其中樓梯的攀爬包括梯面爬升和梯面行走兩部分，建模過程參照文獻(xiàn)[14]。

圖2 機(jī)器人攀爬樓梯過程

判斷機(jī)器人能否有效地攀爬樓梯的指標(biāo)主要包括：機(jī)器人能否保證攀爬過程的安全性(躲避障礙物及遠(yuǎn)離墻面)；機(jī)器人能否快速地攀爬樓梯(較少的方向調(diào)整)和機(jī)器人能否以較少的能耗攀爬樓梯等方面。本文研究針對室內(nèi)環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)樓梯(符合國標(biāo))，機(jī)器人首先利用超聲傳感器對樓梯進(jìn)行識別，當(dāng)測量值到達(dá)傳感閾值時(shí)，機(jī)器人開始利用俯仰關(guān)節(jié)抬頭及攀爬樓梯，此時(shí)制定的策略是保證攀爬能量最優(yōu)。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行梯面行走時(shí)，制定策略使機(jī)器人能夠安全行駛，最后計(jì)算動力學(xué)特性保證末階翻越的有效性。

(a) 機(jī)器人采用三角構(gòu)型接近樓梯首階

(b) 機(jī)器人開始攀爬樓梯首階

(c) 機(jī)器人進(jìn)行梯面行走

(d) 機(jī)器人進(jìn)行末階翻越

當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行末階翻越時(shí)，需要精準(zhǔn)判斷末端臺階的位置高度信息，通過安裝在機(jī)器人特殊位置的傳感器可以實(shí)現(xiàn)。依照樓梯國標(biāo)，PrdPrs

(1)

為了有效探測距離，傳感器不能與機(jī)器人履帶產(chǎn)生干涉，因此需要保證

(2)

(3)

設(shè)定PPvar為閾值，用以確定機(jī)器人能否準(zhǔn)確到達(dá)樓梯頂端。

(4)

(5)

(6)

當(dāng)傳感器返回的數(shù)值大于PPvar時(shí), 機(jī)器人能夠識別出末端樓梯，然后進(jìn)行梯面翻越。

1.3 機(jī)器人梯面行走運(yùn)動力學(xué)分析

履帶與梯面的接觸打滑方式主要分為3種：梯面打滑、履帶打滑和棱刺打滑，如圖4所示。

圖4 履帶與樓梯接觸方式的多種打滑現(xiàn)象

當(dāng)0°≤θM≤θS時(shí)，易發(fā)生梯面打滑現(xiàn)象, 因此切向力和法向力必須滿足式下式：

(7)

當(dāng)N1>0, N11=F1sinθM+N1cosθM>0時(shí)，確定不打滑的條件：

(8)

當(dāng)θS≤θM≤90°時(shí),棱刺打滑現(xiàn)象可能發(fā)生，此時(shí)切向力和法向力滿足下式：

(9)

這里N1>0,N11=F1sinθs+N1cosθs>0,利用式

(10)

可得到不打滑的條件。

當(dāng)θL≤θM≤90°-θL時(shí)，履帶打滑的現(xiàn)象發(fā)生, 可以得到不打滑的條件滿足下式：

(11)

這里N1>0。

2 機(jī)器人自主攀爬樓梯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

2.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人攀爬樓梯的運(yùn)動控制采用遙操作控制模式還是采用自主運(yùn)動控制模式，由操作人員確定。本文的研究重點(diǎn)為采用自主運(yùn)動控制模式。當(dāng)機(jī)器人采用遙操作控制模式進(jìn)行運(yùn)動控制時(shí)，機(jī)器人自主運(yùn)動系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)；當(dāng)機(jī)器人確定為采用自主運(yùn)動模式進(jìn)行攀爬樓梯運(yùn)動時(shí)，自主運(yùn)動控制與決策系統(tǒng)主控單元通過無線通信模塊獲取自主運(yùn)動控制模式控制指令，自主運(yùn)動系統(tǒng)被激發(fā)，處于激發(fā)狀態(tài)。

可變形搜救機(jī)器人自主運(yùn)動系統(tǒng)由感知系統(tǒng)和控制與決策系統(tǒng)兩大部分組成，如系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)圖(圖5)所示。

圖5 系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)圖

圖5中“傳感器n”中的n代表2～8，其中，傳感器1、傳感器2、傳感器3、傳感器4、傳感器5和傳感器6分別為超聲波傳感器A、超聲波傳感器O、超聲波傳感器C、超聲波傳感器D、超聲波傳感器E和超聲波傳感器F，傳感器7為三維電子羅盤傳感器，傳感器8為傾角傳感器。

當(dāng)自主運(yùn)動系統(tǒng)處于激發(fā)狀態(tài)時(shí)，控制與決策主控單元通過CAN總線向各傳感器控制單元發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令，傳感器控制單元對CAN總線所傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。當(dāng)傳感器控制單元被控制與決策主控單元通過CAN總線發(fā)送的采樣指令激發(fā)后，傳感器控制單元向傳感器發(fā)送觸發(fā)信號，觸發(fā)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳感器控制單元將傳感器采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，并將預(yù)處理后的傳感器量測數(shù)據(jù)通過預(yù)定的通信協(xié)議發(fā)送到控制與決策主控單元(采用的CAN協(xié)議，擴(kuò)展幀，位速率500kbps)。

可變形機(jī)器人自主運(yùn)動系統(tǒng)控制與決策主控單元根據(jù)感知系統(tǒng)獲得的采樣數(shù)據(jù)，對機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行分析，并根據(jù)感知系統(tǒng)的采樣數(shù)據(jù)和機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)，通過無線通信模塊(通信頻率433MHz)向機(jī)器人發(fā)送控制指令，如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)各模塊之間的連接

控制器具有兩個(gè)串口接口，分別為UART0和UART1，控制與決策主控單元需要UART0和UATR1兩個(gè)UART接口進(jìn)行通信。本文分別對兩個(gè)串口模式寄存器、串口控制寄存器和數(shù)據(jù)輸入輸出寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置，確定UART的工作時(shí)鐘、工作模式、通信波特率、數(shù)據(jù)位等信息。UART的數(shù)據(jù)傳輸格式為“9600，n，8，1”，即波特率為9600bps、無機(jī)偶校驗(yàn)位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位。

為保持系統(tǒng)的潔凈與精簡，提高程序的可讀性，保持系統(tǒng)便捷地通過UART進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，本文將UART發(fā)送和接收功能代碼函數(shù)化。UART0和UART1數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)采用查詢方式實(shí)現(xiàn)，UART1 數(shù)據(jù)接收函數(shù)采用中斷方式實(shí)現(xiàn)。

基于CAN總線設(shè)計(jì)了控制單元間的通信協(xié)議，如表2所示，為控制器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議表。采用CAN2.0B版本的CAN總線技術(shù)規(guī)范，該總線技術(shù)規(guī)范包含標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種幀模式，此處采用擴(kuò)展幀模式，報(bào)文采用數(shù)據(jù)幀，位速率為500kbps。表3所示為CAN總線的ID標(biāo)識表。本文對系統(tǒng)的所有傳感器、控制模式選擇單元和控制與決策主控單元賦予獨(dú)立的ID，通過ID的不同區(qū)分不同的單元。為滿足控制器網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)的完整性和可讀性等要求，本文對CAN總線通信的數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行了規(guī)范，如表4所示。該表為CAN總線數(shù)據(jù)格式規(guī)范表。

表2 控制器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議表

表3 ID標(biāo)識表

表4 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議表

2.2 機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示，各模塊的主要功能如下：

(1) 傳感器預(yù)處理模塊：統(tǒng)一各傳感器量測數(shù)據(jù)格式和傳感器量測數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)濾波。由于采用多種不同類型傳感器量測的數(shù)據(jù)具有不同的數(shù)據(jù)格式和物理意義，根據(jù)上文的數(shù)字濾波算法進(jìn)行傳感器原始數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波。

(2) 機(jī)器人狀態(tài)分析模塊：機(jī)器人在運(yùn)動過程中的狀態(tài)分析。機(jī)器人的狀態(tài)通過相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志位進(jìn)行表示和區(qū)分?；诟兄到y(tǒng)通過各傳感器獲得的距離、傾斜角度、航向等量測數(shù)據(jù)，狀態(tài)分析模塊分析機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)的所屬環(huán)節(jié)、是否滿足位姿調(diào)整條件，并根據(jù)狀態(tài)分析結(jié)果置位相應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志位。該過程為基于數(shù)據(jù)的定量分析。

(3) 機(jī)器人運(yùn)動決策模塊：進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動決策并向機(jī)器人發(fā)送運(yùn)動控制指令。針對機(jī)器人狀態(tài)分析模塊的定性分析結(jié)果，結(jié)合基于機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析的預(yù)定運(yùn)動目標(biāo)和傳感器量測數(shù)據(jù)，對機(jī)器人的下一步運(yùn)動動作進(jìn)行決策。決策結(jié)果以運(yùn)動控制指令的形式通過無線通信模塊向機(jī)器人進(jìn)行發(fā)送。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

可變形機(jī)器人AMOEBA-I的主要參數(shù)如下:

l——單個(gè)模塊的長度為 42cm；

w——單個(gè)模塊的寬度為12cm；

k——連接桿的長度，為 22cm；

Δm=5.7kg，m=5kg。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

對于固定在機(jī)器人上的傳感器包括6個(gè)超聲波傳感器(HC-SR04)、一個(gè)3D羅盤(SEC345)、一個(gè)激光傳感器(URG-04LX) ，具體參數(shù)如表5所示。

表5 機(jī)器人本體所攜帶傳感器參數(shù)

圖8所示為超聲波傳感器在樓宇廢墟環(huán)境下對樓梯踏步進(jìn)行距離檢測所獲得的采樣數(shù)據(jù)和經(jīng)過數(shù)字濾波后得到的數(shù)據(jù)，濾波算法采用的是限幅濾波算法。

其中閾值M的確定必須充分考慮可變形廢墟搜救機(jī)器人利用超聲波傳感器在實(shí)際環(huán)境下的采樣數(shù)據(jù)特點(diǎn)確定。

由于廢墟環(huán)境下，可變形廢墟搜救機(jī)器人附近80cm范圍內(nèi)的物體對機(jī)器人運(yùn)動產(chǎn)生的影響較大，超聲波傳感器在80cm范圍內(nèi)的量測誤差絕對值不超過3.1cm；同時(shí)，機(jī)器人在運(yùn)動過程中，采集所處環(huán)境距離數(shù)據(jù)時(shí)，相鄰兩次所采集的距離數(shù)據(jù)數(shù)值之差的絕對值小于5cm。綜合上述分析，閾值參數(shù)M應(yīng)同時(shí)滿足M≥3.1和M≥5兩個(gè)條件的同時(shí)，取最小值。因此，A的值最終確定為5cm。

圖8 超聲波傳感器的原始數(shù)據(jù)和濾波后得到的數(shù)據(jù)

攜帶多種傳感器的可變形機(jī)器人如圖9所示。

圖9 攜帶多種傳感器的可變形機(jī)器人

可變形機(jī)器人攀爬樓梯的過程如圖10、圖11所示。為了驗(yàn)證方法的通用性，選取三種樓梯環(huán)境如圖12所示，包括：一側(cè)是墻的樓梯，兩側(cè)都是墻的樓梯，兩側(cè)都是扶手的樓梯。

圖10 機(jī)器人自主攀爬一側(cè)有墻的樓梯

圖11 機(jī)器人自主攀爬兩側(cè)都是扶手的樓梯

(a) 一側(cè)是墻的樓梯 (b) 兩側(cè)都是扶手的樓梯

(c) 兩側(cè)都是墻的樓梯

首先，利用固定在機(jī)器人本體前方的傳感器返回的閾值M，判斷是否到達(dá)樓梯，如果機(jī)器人檢測到樓梯信息，立刻進(jìn)行抬頭和接近樓梯的動作。附仰關(guān)節(jié)的角度設(shè)置為 12°(針對的符合國標(biāo)的樓梯)，φP=φ1+φ0。當(dāng)機(jī)器人開始進(jìn)行首階翻越時(shí)， 由羅盤測得φP，φP=φ1-φ0，將迅速變化。

為了驗(yàn)證方法的魯棒性，在每種樓梯環(huán)境下進(jìn)行30次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。可以看出機(jī)器人攀爬兩側(cè)都是墻的樓梯能夠保證較好的安全性及行駛效率，對于兩側(cè)都是扶手的環(huán)境，機(jī)器人行駛在安全區(qū)域的次數(shù)大大降低，這主要與傳感器的觀測能力密切相關(guān)。

表6 機(jī)器人行駛在不同的樓梯環(huán)境的表現(xiàn)

圖13機(jī)器人自主控制軟件控制界面圖。右上角的自主運(yùn)動包括機(jī)器人自主攀爬樓梯、自主越障及SLAM等，通過此控制軟件，操作者可以更加方便地操控機(jī)器人、當(dāng)接近樓梯的時(shí)候，只需要點(diǎn)擊自主攀爬樓梯按鈕，機(jī)器人即可完成相應(yīng)運(yùn)動。

圖13 機(jī)器人自主控制軟件控制界面

4 結(jié) 論

本文提出了一種機(jī)器人自主攀爬樓梯的控制方法，可以有效減輕搜救人員在狹小環(huán)境下操控機(jī)器人的負(fù)擔(dān)。機(jī)器人具有一定的自主能力，可以在通信中斷時(shí)自主地攀爬樓梯，跳出通信盲區(qū)，繼續(xù)完成任務(wù)。為了驗(yàn)證結(jié)果的有效性及魯棒性，選取了多種不同類型的樓梯，同時(shí)進(jìn)行了數(shù)十次的實(shí)驗(yàn)。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人自主攀爬樓梯的成功率與樓梯環(huán)境關(guān)系較大，當(dāng)處于兩側(cè)都是扶手的樓梯時(shí)，機(jī)器人自主爬行的成功率較低，在兩側(cè)都是墻的條件下，機(jī)器人能夠有效地自主攀爬樓梯。本研究中的樓梯都是符合國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的樓梯，對于災(zāi)難廢墟環(huán)境而言，樓梯可能變形、斷裂及傾斜等，這就需要機(jī)器人具有更好的適應(yīng)性，未來的工作將圍繞這部分展開。

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Research on the autonomous stair climbing control of shape-shifting robots

Chang Jian*, Wang Yazhen**， Li Bin*

(*Shenyang Institute of Automation (SIA), Chinese Academy of Sciences,State Key Laboratory of Robotics， Shenyang 110016)(**Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute， Hangzhou 310015)

A robot system capable of autonomous stair climbing was designed and implemented, and a method for autonomous stair climbing control of shape-shifting robots in complex environments was studied. Through the analysis of the contact modes between stairs and robot tracks, including tread slipping, edge slipping and track slipping, the non-slipping conditions meeting the robot during the tread overcoming process were determined to improve the efficiency of climbing stairs for the robot. Through filtering of the sensor’s perception information, the robot’s awareness was enhanced. Then the first and last stairs were determined and the control strategy was established effectively. By the modeling analysis of the whole control system, the software flow diagram was established. The experiments were done on several typical kinds of staris to test the robustness and validity of the design, and the results were satisfactory.

shape-shifting robot, climbing stairs, autonomous control, track contact

①國家科技支撐計(jì)劃(2014BAK12B01)資助項(xiàng)目。

②男，1983年生，博士，副研究員；研究方向：可變形機(jī)器人自主控制，自主避障；聯(lián)系人，E-mail: changjian@sia.cn

2016-05-15)