傅 瑤

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，重慶 401120)

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類壁虎農(nóng)田信息采集機器人運動控制系統(tǒng)的研究

傅 瑤

(重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，重慶 401120)

機器人作為引領(lǐng)未來的高科技產(chǎn)品，在各個行業(yè)的作用非常明顯，發(fā)展前景十分廣闊。類壁虎機器人是特種機器人的一個重要分支，具有高靈活性和機動性，可替代人完成重復、繁瑣或者危險的勞動，不但可以對大型機器設(shè)備零部件進行探傷檢測和災(zāi)后搜救工作，也可以應(yīng)用于信息收集、軍事、深山探險等領(lǐng)域。以DSP智能控制平臺為核心模板，通過研究類壁虎機器人運動規(guī)劃與控制系統(tǒng)，對農(nóng)田信息進行實時采集，并根據(jù)農(nóng)田作物的發(fā)病情況進行預(yù)警。實驗表明：本文設(shè)計的農(nóng)田信息采集機器人具有智能化程度高、控制精度高、靈活性大、可靠性強及開發(fā)周期短等顯著特點，應(yīng)用前景十分廣闊。

類壁虎；DSP；農(nóng)田信息采集機器人；運動控制

0 引言

目前，美國、日本、德國、韓國等國紛紛推出與發(fā)展新一代機器人相關(guān)的新戰(zhàn)略，希望借助機器人自主化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)推進再工業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)化，提高國際競爭力。我國提出的“中國制造2025”計劃，將會加快智能化制造，各省市都將強化智能機器人制造的產(chǎn)業(yè)布局，過去5年，中國機器人市場年均增長36%，機器人市場需求大。

壁虎足墊和腳趾下的鱗上密布著上百萬根一排一排的、成束的、同人類頭發(fā)絲粗細的象絨毛一樣微絨毛，如同一只只彎形的小鉤，使其能夠輕而易舉地抓牢物體，并可以在墻壁甚至玻璃上爬行。類壁虎機器人模擬壁虎的移動方式可以在三維空間輕松、無障礙的爬行。本文主要基于DSP嵌入式開發(fā)平臺，模擬仿照壁虎的運動行為和爬行特點，分析類壁虎機器人運動學原理，研究其運動控制系統(tǒng)。

1 信息采集系統(tǒng)

類壁虎農(nóng)田信息采集機器人主要依靠射頻通訊和無線WIFI進行農(nóng)作物信息采集，其信息采集系統(tǒng)主要依靠無線網(wǎng)絡(luò)雙CCD高清攝像機對農(nóng)作物的生長及健康情況進行回傳，并由DSP與ARM控制系統(tǒng)進行迭代學習與分析。該系統(tǒng)可根據(jù)具體需要，搭載多種信息傳感器，收集農(nóng)作物不同部位的生長信息或者生長環(huán)境的溫濕度信息，由嵌入式控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析與處理，并最終傳回電腦終端控制站，為農(nóng)民提供高效有用的技術(shù)指導，以提高種植效益。信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 信息采集系統(tǒng)框架圖

2 整體結(jié)構(gòu)和運動學分析

通過觀察研究壁虎的身體結(jié)構(gòu)和爬行規(guī)則及其在各種平面運動的規(guī)律，研究和開發(fā)了一種類壁虎的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)，在ADAMS仿真軟件中的模型構(gòu)造如圖2所示。

2.1 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的農(nóng)田信息采集機器人機械結(jié)構(gòu)對稱，根據(jù)平衡學原理設(shè)置4條腿，前進方向與腿所在的平面呈90°垂直。由于其在直線運動的過程中機架和電機之間協(xié)調(diào)起來比較麻煩，因此給每條腿配備3個旋轉(zhuǎn)自由度。其中，電機1負責機器人各個腳的抬起和放下動作，給機器人前進提供動力；電機2可以根據(jù)機器人的需要進行平面內(nèi)90°的轉(zhuǎn)彎動作；電機3主要控制機器人運動過程中腳掌在平面內(nèi)的定位。在設(shè)計整體結(jié)構(gòu)的時候，刻意增大3個電機之間的水平距離，最大限度地減少電機對機器人行進的干擾。傳感器與機器人的4條腿相連，用來檢測行進過程中路面的平整狀況，然后將信息反饋到DSP智能控制系統(tǒng)中，實時根據(jù)路況調(diào)整行走方式，避開前方障礙物，使其在爬行過程中自主性比較強，提高其適應(yīng)能力。

圖2 農(nóng)田信息采集機器人的結(jié)構(gòu)模型

2.2 機器人運動學分析

類壁虎農(nóng)田信息采集機器人是一個完整的系統(tǒng)，其運動過程比較復雜，整個運動過程中滿足方程：

(1)

其中，i、j為正整數(shù)；R為關(guān)聯(lián)系數(shù)；g為外力；a為鉸鏈作用。

機器人在運動過程中，常常需要經(jīng)過松軟和較硬的地面，而在不同的地面上，機器人腿掌的受力情況不同。一般通過力學傳感器收集信息后，控制系統(tǒng)根據(jù)路面情況需要對驅(qū)動電機作出調(diào)整，使其可以在各類不同的地面順利前行。

針對該機器人的左后腳，分析其在軟、硬地面的運動力學。該足端腳掌在硬地面的受力情況如圖3所示。

根據(jù)力學平衡原理有

R=Q

(2)

(3)

T=Fqr

(4)

Fd=Fq-Ff=μQ-fQ

(5)

其中，Q為腳掌對地面的壓力；R為地面對腳掌的支撐力；Ff和Fq為腳掌前后的摩擦力；r為腳掌觸地半徑。

足端腳掌在軟地面的受力情況如圖4所示。

圖3 左后方足端腳掌在硬地面的受力示意圖

圖4 足端腳掌在軟地面的受力情況示意圖

由圖4得

(6)

(7)

Fd=FH-Rc

(8)

(9)

(10)

其中，n=1,2…；0≤θ≤180；W為軟地面對腳掌的支撐力。

根據(jù)上述執(zhí)行機構(gòu)方程式的變形換算，可以得到該腳掌在三維空間的表達式為

(11)

其中，L1、L2分別為力學傳感器檢測到左右與壁虎目標之間的距離。上述變換式表示了末段執(zhí)行器三維空間力的傳遞關(guān)系，主要研究腳掌位置變換與部件轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，并求出其在操作空間的位移傳遞關(guān)系。

3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

該機器人控制系統(tǒng)中，機體運動依靠3個直流電機驅(qū)動，機器人以TMS320F2812為控制系統(tǒng)的核心。該系統(tǒng)主要包括電源電路、電源檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、復位電路、傳感器檢測電路及電機驅(qū)動電路等部分，整體框架如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)整體框架圖

在控制系統(tǒng)中，3個電機采用獨立的驅(qū)動方式，即3個電機的運動控制信號不同，可以減少各個電機之間的相互干擾，加大電機的控制靈活度。通過電機之間的相互配合，實時采集、處理傳感器的信息，由智能控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)步行足的步態(tài)規(guī)劃，實現(xiàn)對機器人各個腳掌快速準確的位置控制。農(nóng)田信息采集機器人實物如圖6所示。

4 運動步態(tài)識別與規(guī)劃

類壁虎農(nóng)田信息采集機器人是指可以靈活地在墻面上爬行和吸附的移動式機器人，是通過長期觀察壁虎身體結(jié)構(gòu)和爬行規(guī)律設(shè)計出來的，機器人每條腿都可以獨立控制；因采用柔軟材料，機身有一定的柔性，使得其可以自如的進行轉(zhuǎn)彎動作。其身體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 農(nóng)田信息采集機器人實物圖

圖7 類壁虎機器人身體結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)大壁虎爬行時的步態(tài)，設(shè)計出類壁虎機器人的兩種爬行步態(tài)：1234步態(tài)和對角線步態(tài)。1234步態(tài)是指在爬行過程中機器人的4個腳掌依次抬起放下，爬行過程中一直有3個腳掌吸附在墻面上，穩(wěn)定性能較高； 對角線步態(tài)是指相對角的兩個腳掌同時抬起或放下，以此做周期性的動作，此方法因吸附能力強，移動速度很快。本文設(shè)計中主要采用對角線步態(tài)。

4.1 直線行走方式

該機器人在行進過程中主要采取直線和轉(zhuǎn)彎兩種行走方式。類壁虎機器人直線移動示意如圖8所示。

圖8 機器人直線移動示意圖

如圖8可知：機器人在直線爬行過程中，1、3腳抬起，2、4腳吸附在壁面，以此反復的作周期性運動，即可以連續(xù)的向前沿直線移動。同理，由于機器人x和y方向的移動機構(gòu)相同，類壁虎機器人也可以實現(xiàn)x方向的直線爬行。

4.2 轉(zhuǎn)彎行走方式

在直線爬行方式上稍作改進，既可以實現(xiàn)機器人轉(zhuǎn)彎的動作，主要是通過設(shè)置腳掌的落腳點，使其偏轉(zhuǎn)一定的角度，既可以形成一個圓弧。轉(zhuǎn)彎行走方式與直線行走方式移動步態(tài)的時序一樣，只是角度不同。轉(zhuǎn)彎行走方式如圖9所示。

圖9 機器人轉(zhuǎn)彎爬行示意圖

由圖9可知：機器人身體轉(zhuǎn)動角θ與圓弧半徑R和移動位移s1和s2的關(guān)系為

(12)

5 仿真與分析

根據(jù)機器人各個部件間的相互聯(lián)系，以及4個腳掌的實時狀態(tài)，給各個運動部件設(shè)定相關(guān)的運動約束，根據(jù)運動學、物理力學組成機械仿真模塊，運用ADAMS仿真軟件進行機器人的運動仿真。本實驗采用ADAMS軟件實現(xiàn)對類壁虎機器人運動形態(tài)的仿真。機器人爬行步態(tài)仿真如圖10所示。

圖10 機器人爬行步態(tài)仿真圖

在仿真試驗中，機器人在水平墻面進行爬行，因受重力影響，機器人所受摩擦力較大，此時系統(tǒng)會自動調(diào)整機器人運動學方程。以機器人左右后腿的運動姿態(tài)為例，機器人的運動時間仿真函數(shù)如圖11所示。

圖11 機器人的運動時間仿真函數(shù)

設(shè)計研究的農(nóng)田信息采集機器人在理論上滿足吸附要求，機器人在上爬行時吸附力較大。但是在實際試驗中，由于植物接觸面積較小，會影響機器人的粘附效果，機器人的運動穩(wěn)定性會受到一定程度的影響，機器人的吸附能力有待提高。實際測試表明，機器人在果樹上可以實現(xiàn)爬行，運動過程比較穩(wěn)定，各個機械部件相互無影響，證明了該機器人運動控制規(guī)劃的可行性。

6 結(jié)論

通過觀察壁虎的身體結(jié)構(gòu)和爬行規(guī)律，以類壁虎農(nóng)田信息采集機器人移動步態(tài)為基礎(chǔ)，分析了機器人運動過程中的力學和動力學，設(shè)計了和研究了其運動控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)以TMS320F2812為控制核心，采用數(shù)字信號控制算法，計算能力強、速度快，節(jié)省了大量外圍器件。實驗表明：系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，控制能力強，靈活性高，穩(wěn)定性能優(yōu)，易于系統(tǒng)的升級，為仿生機器人的研究提供了很好的研究設(shè)計方法。

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Design of Cherry Picking Robot Based on PLC High-speed Parallel Automatic Control

Fu Yao

(Chongqing Industry Polytechnic College, Chongqing 401120, China)

As a high-tech product to lead the future, the robot is very obvious in every industry, and its development prospects are very broad. Gecko robot is an important branch of special robot, with high flexibility, mobility, which can replace people to finish the repetitive, tedious or dangerous work.It not only can flaw detection, post disaster search and rescue work of large machinery and equipment parts, also can be application in information gathering, military, exploring mountains etc. As the core template, the DSP intelligent control platform can be studied through gecko robot motion planning and control system, the farmland information for real-time acquisition, and early warning in accordance with the incidence of crop. Experiments show that this paper designs the farmland information collection robot with high intelligence, high control precision, high flexibility, strong reliability, short development cycle and so on.

similar house lizard；DSP; field information collection robot; motion control

2015-11-27

重慶市教育委員會教育信息化試點建設(shè)項目(cqjyxxh20150 22)

傅 瑤(1985-)女，重慶人，講師，碩士，(E-mail)fuyao_chq@163.com。

S126;TP242

A

1003-188X(2017)01-0096-05