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(山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,濟(jì)南 250101)
高空極限工作環(huán)境如電力搶修、樓宇修繕、清洗噴涂等[1-4],通常具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作時(shí)間長(zhǎng)、工作事故頻發(fā)等特點(diǎn)。因此,研究替代人工完成作業(yè)的攀爬機(jī)器人,已成為國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域重要的研究方向[5-6]。近些年,機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速,部分已應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和林業(yè)等領(lǐng)域。攀爬機(jī)器人作為一種特殊機(jī)器人,受使用環(huán)境、功能和安全性的限制,仍處于試驗(yàn)階段。因此,解決機(jī)器人的攀爬技術(shù)難題,降低高空作業(yè)危險(xiǎn),提高作業(yè)工作效率,替代人類完成監(jiān)察、檢測(cè)與維修等工作,具有十分重要的研究?jī)r(jià)值和意義[7-8]。
攀爬機(jī)器人是高空作業(yè)系統(tǒng)中重要的研究課題之一,國內(nèi)外對(duì)于攀爬機(jī)器人的研究很多,但各項(xiàng)技術(shù)研究還未達(dá)到智能化和自動(dòng)化水平。因此,本文基于攀爬機(jī)器人的研究成果,著重分析機(jī)器人研究中的關(guān)鍵技術(shù)問題,以期為攀爬機(jī)器人后續(xù)研究工作提供參考。
目前,攀爬機(jī)器人主要應(yīng)用于高空作業(yè)。20世紀(jì)80年代,美國、日本等發(fā)達(dá)國家先后開展了攀爬機(jī)器人研究工作,自2000年以來,國內(nèi)一些大學(xué)和科研院所等陸續(xù)開展了攀爬機(jī)器人研究工作,并取得一定的研究成果。早期,日本早稻田大學(xué)成功研制WOODY-1 爬樹機(jī)器人(圖1),該機(jī)器人通過兩個(gè)環(huán)形夾持器的交替運(yùn)動(dòng)使得機(jī)器人沿著樹干上下移動(dòng)[9]。由于機(jī)器人過于笨重且不易控制,隨后該大學(xué)對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn),研制出WOODY-2爬樹機(jī)器人(圖2),不僅簡(jiǎn)化了夾持機(jī)構(gòu),而且由原來的電機(jī)驅(qū)動(dòng)變換為多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)方式[10]。西班牙科學(xué)家基于 Stewart-Gough 并聯(lián)平臺(tái),成功研發(fā)了一種環(huán)抱式攀爬機(jī)器人CPR(圖3),該機(jī)器人裝配4組夾緊機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)樹干的徑向夾緊與松開動(dòng)作,結(jié)合萬向節(jié)完成機(jī)器人六自由度的定位與定向[11]。MIT 的Yeoreum Yoon和Daniela Rus設(shè)計(jì)了一款可在三維桁架上攀爬的機(jī)器人Shady3D(圖4),通過軀干部分的3個(gè)自由度,保證機(jī)器人在平面任意角度桁架間移動(dòng),完成攀爬過渡動(dòng)作。但該機(jī)器人存在一定的局限性,其行走動(dòng)作受步距值的約束,行走方式與靈活性也沒有達(dá)到人們理想的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[12-13]。葡萄牙的 Mahmoud Tavakoli 等[14]成功研制出了一款爬桿機(jī)器人3D Climber(圖5),機(jī)器人由1個(gè)4自由度的串聯(lián)攀爬機(jī)構(gòu)和2個(gè)夾持機(jī)構(gòu)組成,通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)圓桿的夾持動(dòng)作。與Shady3D相比,3D Climber具有能在彎曲圓桿上攀爬的優(yōu)點(diǎn),且可操作性更強(qiáng),但3D Climber的整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,運(yùn)動(dòng)速度緩慢。伊朗也成功開發(fā)出一種爬桿機(jī)器人 UT-PCR(圖6),通過驅(qū)動(dòng)3組攀爬輪正、反向旋轉(zhuǎn),控制機(jī)器人沿桿狀物上、下移動(dòng),但攀爬輪易滑動(dòng)的特點(diǎn)導(dǎo)致機(jī)器人攀爬動(dòng)作不穩(wěn)定[15]。Carnegie Mellon University,Stanford University,University of California等[16]多所大學(xué)合作開發(fā)出了一款六足機(jī)器人Rise(圖7),具有速度快、抓持能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但是由于其采用多足協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的攀爬方式,控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。
圖1 WOODY-1 圖2 WOODY-2
圖3 CPR 圖4 Shady3D
圖5 3D Climber 圖6 UT-PCR 圖7 Rise
在國內(nèi),管貽生等[17]設(shè)計(jì)了一款雙手爪爬桿機(jī)器人Climbot(圖8),機(jī)器人末端2組夾持器可交替夾緊和松開桿狀物,完成攀爬動(dòng)作。由于其在避障和桿間過渡方面有明顯的優(yōu)勢(shì),因此可應(yīng)用于建筑和化工等高空作業(yè)領(lǐng)域。香港中文大學(xué)Tin Lun Lam和Xu Yangsheng等[18]研發(fā)了一種小巧的爬樹機(jī)器人Treebot(圖9),該機(jī)器人具有較高的自由度和優(yōu)越的擴(kuò)展能力,同時(shí)還配備全方位的樹木夾持器,使機(jī)器人粘附于不同直徑的樹木,適應(yīng)復(fù)雜的攀爬環(huán)境。國內(nèi)其他高校,如華南理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等在攀爬機(jī)器人研究方向也做了很多努力,其成果為攀爬機(jī)器人后續(xù)的研究工作積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[19-20]。
圖8 Climbot 圖9 Treebot
攀爬機(jī)器人作為高空作業(yè)機(jī)器中的一種,已初步具備代替人類完成簡(jiǎn)單高空作業(yè)的能力,鑒于高空作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、功能、通信等方面要求較高,現(xiàn)有技術(shù)還需進(jìn)一步發(fā)展和完善。
可靠的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是保證攀爬機(jī)器人高空作業(yè)的基礎(chǔ)[21-22],其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足如下幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo):1)可實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下的平穩(wěn)爬行,具有向上、向下、旋轉(zhuǎn)和啟停能力;2)具有故障自保護(hù)措施和防摔落機(jī)制;3)具有一定的載重能力,可搭載設(shè)備完成相應(yīng)高空作業(yè);4)具有靈活的越障能力,可避越高空環(huán)境下諸如線塔、樹分支等障礙,并在越障時(shí)保證機(jī)器人姿態(tài)平穩(wěn)。
機(jī)器人攀爬作業(yè)過程中,在保證承載設(shè)備安全的情況下,不能損傷被攀爬物。因此,針對(duì)攀爬對(duì)象的不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn),需研制新型無損傷夾緊機(jī)構(gòu)[23-25],目前可采用的夾緊方式有環(huán)抱式、鉤爪式、夾持式等,各夾緊機(jī)構(gòu)的原理及特點(diǎn)如表1所示。
表1 攀爬機(jī)器人不同夾緊方式分析
通過表1分析得知,不同的攀爬對(duì)象,對(duì)機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu)要求不同。不僅需要夾緊機(jī)構(gòu)具有夾持力度,還要求其不對(duì)攀爬對(duì)象造成損害。因此,需要針對(duì)攀爬環(huán)境,研發(fā)出一款可靠的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),比如,通過研制氣囊夾緊機(jī)構(gòu)等新發(fā)明、新想法,保證攀爬機(jī)器人代替人類完成復(fù)雜的高空作業(yè)。
攀爬機(jī)器人不同于常規(guī)機(jī)器人,高空環(huán)境作業(yè)時(shí),運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化較大??紤]到越障、載物作業(yè)運(yùn)動(dòng)過程中受摩擦力、重力等因素影響,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主行為控制難度較大[28-29]。為提高機(jī)器人智能化和自動(dòng)化水平,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主攀爬、避障和高空作業(yè),需要解決如下技術(shù)問題。
準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)建模是實(shí)現(xiàn)攀爬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、導(dǎo)航和越障的前提。攀爬機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模需要考慮以下問題。
1)必須考慮機(jī)器人與攀爬對(duì)象間的非線性動(dòng)力學(xué)耦合特性。由于攀爬機(jī)器人所處高空環(huán)境具有強(qiáng)干擾、動(dòng)態(tài)等特征,使攀爬機(jī)器人成為十分復(fù)雜的控制對(duì)象[30-31]。同時(shí),機(jī)器人在直線越障或者變向作業(yè)時(shí),由于自身姿態(tài)調(diào)整引起機(jī)器人重心不穩(wěn)定,使夾緊裝置給攀爬對(duì)象一個(gè)反作用力,這樣,攀爬機(jī)器人與攀爬對(duì)象間構(gòu)成了一個(gè)強(qiáng)耦合系統(tǒng)。
2)考慮攀爬機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境作業(yè)中自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化。為了提高攀爬和作業(yè)效率,機(jī)器人應(yīng)盡可能輕質(zhì)高速,減少攀爬過程中因構(gòu)件破損或變形等自身因素帶來的影響。因此,在機(jī)器人高空作業(yè)時(shí),綜合考慮上述問題對(duì)攀爬機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究是十分必要的。
機(jī)器人根據(jù)計(jì)算機(jī)下達(dá)的控制指令實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的運(yùn)動(dòng)控制,以保證機(jī)器人順利、精確的完成攀爬作業(yè)。此時(shí),采用傳統(tǒng)控制策略很難滿足實(shí)際控制要求,綜合考慮攀爬過程中不確定性因素對(duì)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性的影響,需結(jié)合自適應(yīng)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制、視覺伺服控制、模糊控制或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制方法,實(shí)現(xiàn)攀爬機(jī)器人在高空作業(yè)環(huán)境下的精確運(yùn)動(dòng)控制。
在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)時(shí)可采用如圖10所示的分布式架構(gòu),即將總系統(tǒng)分為后臺(tái)管理層、數(shù)據(jù)通信層和移動(dòng)終端層,協(xié)同完成攀爬機(jī)器人夾緊機(jī)構(gòu)和高空作業(yè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制。
晉地歷史上有過幾次較為集中的學(xué)術(shù)思想高峰期,皆為外地名宦、寓賢與晉地學(xué)人學(xué)術(shù)交融的結(jié)果。 以下略作梳理。
圖10 攀爬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
后臺(tái)管理層包括機(jī)器人后臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、硬盤錄像機(jī)、硬件控制與分析軟件系統(tǒng)等;數(shù)據(jù)通信層主要是保障管理層與智能終端層的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸;移動(dòng)終端層包括攀爬機(jī)器人、安全防護(hù)系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)和多傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。管理層是攀爬機(jī)器人系統(tǒng)的監(jiān)控中心,通過無線網(wǎng)絡(luò)與攀爬機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,發(fā)送攀爬任務(wù)和實(shí)時(shí)的監(jiān)視、遙操作等數(shù)據(jù)。移動(dòng)終端層中的攀爬機(jī)器人是整個(gè)系統(tǒng)的移動(dòng)載體,也是機(jī)器人信息采集、運(yùn)動(dòng)控制的載體,可以對(duì)當(dāng)前攀爬機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別,并接受和執(zhí)行控制指令;同時(shí),可以對(duì)攀爬機(jī)器人進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,以實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃處理與避障,完成傳感器的信息處理與傳輸。
導(dǎo)航是智能攀爬機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主控制需要解決的重要問題,而環(huán)境感知與建模、定位和路徑規(guī)劃被稱為機(jī)器人導(dǎo)航的三要素[32]。
3.3.1 環(huán)境感知與建模
攀爬機(jī)器人完成自主導(dǎo)航,需要根據(jù)傳感器信息識(shí)別多種環(huán)境信息,如攀爬物體邊界、攀爬物體形狀、高空障礙等,通過環(huán)境感知確定前進(jìn)方向中的可達(dá)區(qū)域和不可達(dá)區(qū)域,為局部路徑規(guī)劃提供依據(jù)。機(jī)器人在攀爬過程所用到的傳感器種類較多,如超聲波和紅外測(cè)距傳感器,可用于障礙物檢測(cè);激光雷達(dá)和視覺傳感器,可用于環(huán)境感知和建模。因此,攀爬機(jī)器人采用多信息融合技術(shù),綜合利用多種傳感器獲取信息,增強(qiáng)環(huán)境的適應(yīng)性,便于完成攀爬作業(yè)。
3.3.2 定位
攀爬機(jī)器人定位就是確定其在高空環(huán)境中相對(duì)于坐標(biāo)系的位置及方向。目前機(jī)器人定位方法主要有慣性定位、衛(wèi)星定位、地圖模型匹配和仿生導(dǎo)航定位技術(shù)等[33-34]。其中,慣性定位是使用陀螺和加速度計(jì)分別測(cè)量旋轉(zhuǎn)率和加速率,獲得機(jī)器人本體實(shí)時(shí)位置、速度、姿態(tài)等信息,但慣性誤差經(jīng)過積分產(chǎn)生無限的累積,這對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的高空攀爬作業(yè)很難實(shí)現(xiàn)精確定位;衛(wèi)星定位適用于室外無遮擋時(shí)對(duì)機(jī)器人定位,這對(duì)攀爬機(jī)器人的高空作業(yè)具有較高的引導(dǎo)作用;地圖模型匹配是一種機(jī)器人利用其自身的傳感器創(chuàng)建一個(gè)自己的局部環(huán)境的技術(shù),然后把局部地圖與保存在內(nèi)存的全局地進(jìn)行比較,進(jìn)而計(jì)算出自己在環(huán)境中的真實(shí)位置和方位。該技術(shù)對(duì)構(gòu)造的傳感地圖的精度有嚴(yán)格的要求,當(dāng)前只限于實(shí)驗(yàn)室或相對(duì)簡(jiǎn)單的環(huán)境。仿生導(dǎo)航技術(shù)是利用人和其它動(dòng)物生活中的一些功能系統(tǒng),根據(jù)視覺、聽覺、味覺等信息的處理原理,模仿出類似的定位與導(dǎo)航系統(tǒng),在一些特種環(huán)境下有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用需求。基于上述分析,針對(duì)不同作業(yè)環(huán)境下對(duì)機(jī)器人定位精度的要求,可融合2~3種定位技術(shù)確定攀爬機(jī)器人作業(yè)位置,進(jìn)而保證機(jī)器人精確完成攀爬任務(wù)。
3.3.3 路徑規(guī)劃
攀爬機(jī)器人的自主導(dǎo)航包括全局攀爬路徑規(guī)劃與局部越障、避障規(guī)劃[35-36]。全局路徑規(guī)劃方法通常包括:自由空間法、正規(guī)柵格法、拓?fù)浞?、蟻群算法等;局部路徑?guī)劃方法通常包括:人工勢(shì)能法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊算法、遺傳算法等。各算法的原理及特點(diǎn)如表2所示。
攀爬機(jī)器人的安全問題會(huì)對(duì)機(jī)器人和作業(yè)對(duì)象造成無法估計(jì)的損失,所以即使攀爬機(jī)器人具有自主作業(yè)能力和報(bào)警功能,復(fù)雜環(huán)境下仍需要在操作人員的監(jiān)控下完成,以確保其安全作業(yè)[37-38]。同時(shí),攀爬機(jī)器人若遇到特殊情況,還需通過操作人員在后臺(tái)監(jiān)控下對(duì)機(jī)器人遙操作,繼續(xù)攀爬作業(yè)或者停止作業(yè)。因此,在機(jī)器人遠(yuǎn)程監(jiān)控和遙操作部分需解決的高級(jí)應(yīng)用技術(shù)問題如下所述。
攀爬機(jī)器人高空作業(yè)存在工作環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)要求質(zhì)量高等特點(diǎn),同時(shí)需要作業(yè)人員通過遠(yuǎn)程監(jiān)控和遙操作確保機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行,因此,高可靠性的無線通信技術(shù)十分重要[39-40]。攀爬機(jī)器人可通過無線通信技術(shù)傳輸視頻、圖像、傳感器狀態(tài)信息等,也可接收操作人員發(fā)送的控制指令。鑒于無線通信可能會(huì)受到噪聲和同頻信號(hào)的干擾,所以,無線通信需具備一定抗干擾能力,且保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和穩(wěn)定性,使機(jī)器人順利完成高空作業(yè)。
目前,攀爬機(jī)器人的研究大多集中在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和步態(tài)分析方面,機(jī)器人幾乎都在無障礙的直桿環(huán)境下攀爬,對(duì)于機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化桿件環(huán)境中攀爬的討論較少[41-42]。由于非結(jié)構(gòu)化桿件環(huán)境的不確定性和復(fù)雜性,使機(jī)器人自主攀爬受到巨大阻礙,因此,操作者通過搖桿對(duì)攀爬機(jī)器人進(jìn)行控制以適應(yīng)更多未知桿件環(huán)境顯的尤為重要。
表2 路徑規(guī)劃方法分析
對(duì)攀爬機(jī)器人進(jìn)行遙操作,可采取如下方法。首先,使用普通搖桿作為輸入設(shè)備,對(duì)機(jī)器人的攀爬步態(tài)分析研究,設(shè)計(jì)不同的操作坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)映射。其次,通過建立變換矩陣將機(jī)器人的夾持機(jī)構(gòu)描述在同一坐標(biāo)系中。最后,利用優(yōu)化方法求解平面運(yùn)動(dòng)可夾持空間,用于指導(dǎo)搖桿操作,使得攀爬控制有一定預(yù)測(cè)性。
為保障攀爬機(jī)器人高空作業(yè)的安全性,需實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)器人的工作狀態(tài),因此要求操作人員與攀爬機(jī)器人進(jìn)行信息交互,監(jiān)測(cè)平臺(tái)則是攀爬機(jī)器人與操作人員的主要交互平臺(tái)。
4.3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
通過采集攀爬機(jī)器人反饋的圖像、視頻和傳感器狀態(tài)等信息,操作人員可有效掌握機(jī)器人在高空作業(yè)時(shí)的位置和動(dòng)態(tài),并實(shí)時(shí)修正和調(diào)節(jié)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
4.3.2 故障分析
監(jiān)測(cè)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、圖像的傳輸、存儲(chǔ)、查詢等功能,通過分析傳感器信息,判斷機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?;诜答伒膴A緊力度、攀爬速率、故障坐標(biāo)及建議處理方案等信息,及時(shí)調(diào)整機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài),順利完成高空攀爬作業(yè)。
采用攀爬機(jī)器人代替人類完成高空作業(yè)是機(jī)器人技術(shù)迅速發(fā)展的標(biāo)志,是一種降低高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)有效的方法。攀爬機(jī)器人已應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和林業(yè)等眾多領(lǐng)域,特別對(duì)于電力行業(yè)、建筑行業(yè)的高空巡檢、外墻噴涂及檢修等具有十分重要的意義。
伴隨著機(jī)器人技術(shù)向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展,攀爬機(jī)器人在工業(yè)建設(shè)等領(lǐng)域大規(guī)模使用還有很長(zhǎng)的路要走,需結(jié)合以下幾個(gè)方面展開研究。
目前,部分攀爬機(jī)器人整體質(zhì)量較大,導(dǎo)致機(jī)器人能源供應(yīng)不足,攀爬過程中易出現(xiàn)動(dòng)力衰竭、滑落等現(xiàn)象。此外,攀爬機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要承載設(shè)備,額外增加的重量將改變其重心的位置,產(chǎn)生安全隱患。因此,平衡整體質(zhì)量和承載能力間的關(guān)系是未來攀爬機(jī)器人重要的研究方向。
快速、精確地到達(dá)高空作業(yè)地點(diǎn)是攀爬機(jī)器人的一大優(yōu)勢(shì)。然后作業(yè)環(huán)境復(fù)雜,越障能力差,攀爬速度慢是現(xiàn)階段攀爬機(jī)器人要面對(duì)的技術(shù)性難題。攀爬機(jī)器人作為一個(gè)集機(jī)械、電子和軟件的綜合系統(tǒng),勢(shì)必要解決攀爬速度慢、能源供給不足等問題,使機(jī)器人各構(gòu)件協(xié)調(diào)動(dòng)作,達(dá)到快速穩(wěn)定攀爬的目的。
根據(jù)不同傳感器特性,結(jié)合多傳感器信息融合技術(shù),研究多傳感器間信息交互方法,進(jìn)一步提高攀爬機(jī)器人的高空檢測(cè)、障礙物識(shí)別、空間定位的精確度。
對(duì)攀爬機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、改進(jìn)、定型,形成在不同攀爬作業(yè)要求下,攀爬機(jī)器人、運(yùn)行與維護(hù)規(guī)范、能源保障系統(tǒng)和試驗(yàn)與測(cè)試等相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。
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