趙志偉

(內蒙古醫(yī)科大學，呼和浩特 010110)

0 引言

隨著機器人的飛速發(fā)展，機器人的各種型式越來越多，但可以自主跨越障礙物的機器人較少。受作業(yè)環(huán)境的影響，采摘機器人的作業(yè)環(huán)境往往比較惡劣(如山地)，由于地勢不平坦，障礙物較多，嚴重制約了采摘機器人的移動和自主定位。如果在采摘機器人上安裝一個彈簧裝置，主要利用彈簧壓縮產生彈性勢能，彈簧釋放時，作用于地面的彈力反作用于機器人，使機器人可以跳躍，從而讓其自主的越過障礙物，且當小車在行駛或翻越障礙物時發(fā)生翻車現(xiàn)象的情況下小車也能正常行駛和繼續(xù)彈跳，可大大地提高機器人的作業(yè)效率，對于復雜作業(yè)條件下機器人的發(fā)展和研究具有重要的意義。

1 運動員跨欄技術指標及可跳躍機器

跨欄跑是一項技術復雜、身體素質要求較高的短距離項目，其特點是跑跨結合，不僅要求速度快，且運動技術復雜。在平時訓練時，可以使用標準可調節(jié)高度的運動器材進行訓練，如圖1所示。

跨欄質量的好壞主要同著地角度、支撐時間、起跨角度、起跨距離及下欄距離等相關。為了對數據進行充分的分析，將傳統(tǒng)運動員的數據和劉翔的數據進行了對比，如表1所示。

圖1 跨欄訓練器具

運動員著地角度/(°)支撐時間/s起跨角度/(°)傳統(tǒng)運動員58.220.1365.28劉翔61.320.1057.90

通過起跳攻欄的技術動作可以看出：除了著地角度較大和支撐時間較小之外，劉翔的起跨角度更小一些，這使得跨欄身體中心騰空的高度更小一些，騰空的時間縮短，更加有助于快速地跨欄。

騰空過欄的動作技術指標如表2所示。圖2中，中心水平位移和下欄距離的指標比較接近，而起跨距離不同，傳統(tǒng)運動員要比較劉翔的大一些，從技術動作上分析，這有利于更好地跨越欄桿。

表2 騰空過欄的動作技術指標

將跨欄技術動作引入到跳躍機器人設計過程中，可以實現(xiàn)其一些設計參數的優(yōu)化。圖2是NASA噴氣推進實驗室構建的第1代跳躍機器人，其垂直跳躍高度可達80cm，水平跳躍距離可達30～60cm。

圖2 NASA噴氣推進實驗室跳躍式機器人

2 自主跨越障礙跳躍式機器人設計

自主跨越障礙機器人在翻越障礙物時需要一個起跳裝置，使采摘機器人的一部分先跨到障礙物上，然后實現(xiàn)翻越。目前的跳躍式機器人主要是有兩種，一種是結構較為復雜的Acrobot結構，如圖3所示。

圖3 Acrobot結構示意圖Fig.3 Object-field model of the system analysis before and after

圖3結構和雙鐘擺的倒立形狀類似，將可以旋轉的部位作為起跳的動力來源。在進行跳躍時，機構通過加速使起跳部位逐漸脫離地面，其姿態(tài)可以通過θ角來控制，包括起跳前進速度、向前角度和遇到姿態(tài)。這3種關系是相互耦合的，因此在運動非常劇烈時不適用該方法。

基于這種結構，將θ角控制直接換成彈簧，然后采用單片機控制的方式實現(xiàn)自動起跳，有效地降低了結構的復雜程度，且可以提高控制精度。在對其起跳進行控制時，為了研究其特性，可以忽略外部環(huán)境影響干擾和重力作用，并對采摘機器人的控制進行反饋調節(jié)。根據采摘機器人的行走特性，其運動學方程可以表示為

(1)

其中，M為采摘機器人的實際質量；C為采摘機器人的剛度；q為位移；τ為反饋調節(jié)的參數。在采摘機器人運動控制系統(tǒng)中，qd∈Rn表示采摘機器人跳躍期望得到的位移值，其誤差可以表示為

e=q-qd

(2)

采摘機器人在實際作業(yè)過程中，其定位和方向等誤差可以通過GPS定位來實現(xiàn)，采用機器視覺來校準，利用PID反饋調節(jié)對誤差進行校準。反饋調節(jié)方程為

(3)

其中，kp和kd表示調節(jié)系數。此時采摘機器人的動力學方程可以改寫為

利用GPS定位和視覺導航兩種方法，實時地調節(jié)采摘機器人沿著既定的方向行走，并翻越障礙物。為了使采摘機器人能夠自主地翻越機器人，可以設置機器人的硬件驅動系統(tǒng)，實時地對誤差進行調整，使機器人沿著既定期望的方向，如圖4所示。翻越障礙物采摘機器以STC89C52單片機為控制核心，通過GPS定位和機器視覺實時對行進方向上是否有障礙物進行識別，并得到和障礙物的距離信息，利用核心處理器對信息進行處理后，發(fā)出控制信號，使機器人自主跳躍，并通過爬行越過障礙物，驅動力是由直接電機的PWM調速和步進電機產生的。軟件控制流程如圖5所示。

根據采摘機器人翻越障礙物時的運動軌跡和控制需求，系統(tǒng)的控制程序主要包括機器人控制主程序、障礙物檢測主程序、翻越障礙物主程序，其子程序如圖6所示。采摘機器人運動主程序需要完成對環(huán)境信息的采集及運動控制信息處理等；障礙物檢測主程序主要是對障礙物的位置信息和距離進行實時監(jiān)測，最后由翻越障礙物控制子程序發(fā)出指令，控制采摘機器人自主地完成翻越障礙物。

圖4 翻越障礙物采摘機器人系統(tǒng)結構圖

圖5 采摘機器人翻越障礙物軟件控制系統(tǒng)主程序

圖6 采摘機器人翻越障礙物軟件控制子程序

3 采摘機器人自主跨越障礙山地測試

為了驗證跨欄擺腿動作技術在采摘機器人自主跨越障礙方案設計上的可行性，以跨欄技術動作為依據，對采摘機器人的跨越障礙物性能進行了測試。其中，起跳部分的結構如圖7所示。

圖7 機器人起跳部分機械結構

采摘機器人起跳的核心裝置由單片機進行控制，當遇到障礙物時，彈簧會從壓縮狀態(tài)抬起，使機器人的行走機構越到障礙物上，如圖8所示。當采摘機器人的行走裝置越到障礙物上時，在電機的驅動下，機器人開始翻越障礙物。

圖8 翻越障礙物示意圖

為了驗證采摘機器人在田間作業(yè)的性能，以山地果園區(qū)域為測試區(qū)域，對其性能展開了研究，如圖9所示。該區(qū)域屬于典型的地勢不平坦的山區(qū)，采用傳統(tǒng)的輪式機器人無法完成自主移動，而使用本次設計的采摘機器人可自主跨越障礙物，并成功地實現(xiàn)采摘功能。

對采摘機器人自主翻越障礙物的成功率及采摘成功率分別進行了測試，結果如表3所示。由圖3可以看出：機器人翻越障礙物和成功采摘率都達到了90%以上，作業(yè)性能良好，可以滿足山地采摘的需要。

圖9 山地作業(yè)場景圖

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4 結論

為了提高采摘機器人自主翻越障礙物的能力，實現(xiàn)在復雜條件下的自主作業(yè)，將起跳彈簧裝置引入到了采摘機器人的設計過程中，在單片機和電機的聯(lián)合控制下，實現(xiàn)了機器人的自主翻越障礙物功能。對機器人的性能進行了測試，結果表明：采用傳統(tǒng)的輪式機器人在山地采摘區(qū)域無法完成自主移動，而使用本文設計的采摘機器人可自主跨越障礙物，且成功采摘的概率較高。該采摘機器人具有單片機控制其行走、跳躍及探測等功能，且能夠實現(xiàn)遠程無線控制，具有廣泛的應用前景。