黃 晶

（廈門(mén)理工學(xué)院，福建 廈門(mén) 361000）

0 引言

在制造應(yīng)用中，協(xié)作機(jī)器人被用于幫助操作員提高制造或裝配過(guò)程的靈活性和生產(chǎn)力。除了任務(wù)要求外，設(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)還包括安全和信任保證、人體工程學(xué)以及處理變更的靈活性[1]。與由預(yù)安裝程序控制的非協(xié)作機(jī)器人相比，協(xié)作機(jī)器人是人機(jī)協(xié)作的主動(dòng)或被動(dòng)部分[2]，這需要協(xié)作機(jī)器人通過(guò)視覺(jué)、聲音、識(shí)別凝視或手勢(shì)來(lái)感知和回應(yīng)人類的互動(dòng)和意圖。

微型爬行機(jī)器人一直被開(kāi)發(fā)用于搜救任務(wù)，需要越野爬行和爬過(guò)各種障礙[3]。它們具有小尺寸、低重量和高導(dǎo)航性等特點(diǎn)，大量部署這類機(jī)器人能夠快速地對(duì)大區(qū)域進(jìn)行檢查。設(shè)計(jì)機(jī)器人需要使用一種可重構(gòu)機(jī)制，例如伸展機(jī)構(gòu)、可變形的輪腿、滾動(dòng)爬行機(jī)制和四桿延伸機(jī)制。

1 相關(guān)工作

使用多機(jī)器人系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，包括補(bǔ)償故障機(jī)器人、多機(jī)器人協(xié)同控制[4]、先驅(qū)和測(cè)量員類型機(jī)器人、多機(jī)器人探索和覆蓋以及促進(jìn)無(wú)線通信[5]。Kragic 等人提出了一種控制協(xié)作機(jī)器人的交互式方法。Khan 等人提出了一個(gè)容錯(cuò)多機(jī)器人系統(tǒng)的框架，其可以協(xié)同實(shí)現(xiàn)共同目標(biāo)。Fong 等人提出了一種多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)同人類機(jī)器人控制方法，其中單個(gè)操作員可以同時(shí)控制多個(gè)機(jī)器人。Wagner 和Choset 開(kāi)發(fā)了一個(gè)多機(jī)器人路徑規(guī)劃框架[6]，只有在需要時(shí)才協(xié)調(diào)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。Shnaps 和Rimon 開(kāi)發(fā)了一種系繩機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法，可以覆蓋帶有障礙物的未知平面環(huán)境。Min 等人開(kāi)發(fā)了一種網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)增強(qiáng)無(wú)線通信能力，該系統(tǒng)可以在GPS 拒絕的環(huán)境中應(yīng)用。

與非協(xié)作機(jī)器人相比，協(xié)作機(jī)器人有很高的安全要求，由于機(jī)器人協(xié)作通常發(fā)生在結(jié)構(gòu)不良和動(dòng)態(tài)的環(huán)境中，當(dāng)人類和機(jī)器人共存的共享空間出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)，需要適當(dāng)?shù)臋C(jī)制來(lái)確保人類和機(jī)器人的安全，因此安全機(jī)制的設(shè)計(jì)必須符合相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。特別是人機(jī)協(xié)作標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了與保護(hù)區(qū)、工作區(qū)、碰撞、物體檢測(cè)、速度和力監(jiān)測(cè)相關(guān)的安全要求。安全保證是對(duì)舵機(jī)最關(guān)鍵的要求，為了避免機(jī)器人與人、障礙物或其他移動(dòng)物體之間的所有干擾，必須對(duì)潛在的碰撞進(jìn)行定量評(píng)估，以對(duì)協(xié)同機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

2 設(shè)計(jì)與制造中的安全保證機(jī)制

協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)主要分為主從2 個(gè)部分，主部分定義為父機(jī)器人系統(tǒng)，從部分定義為子機(jī)器人系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)定義如圖1、圖2 所示。為了保證父機(jī)器人和子機(jī)器人系統(tǒng)在相互協(xié)同移動(dòng)過(guò)程中的安全，該文采用了一種四桿延伸機(jī)制（four bar extension mechanism，F(xiàn)BEM），通過(guò)桿的延伸，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中協(xié)調(diào)角度，以保障父機(jī)器人和子機(jī)器人之間協(xié)作的安全。

在圖1 和圖2 中，LB代表父機(jī)器人的特征長(zhǎng)度，LR代表子機(jī)器人的特征長(zhǎng)度，rB代表父機(jī)器人輪的半徑，rR代表子機(jī)器人輪的半徑，Lwidth B代表父機(jī)器人中兩腿之間的寬度，Lwidth R代表子機(jī)器人中兩腿之間的寬度，ρL代表父機(jī)器人腿與水平線的夾角，ρR代表子機(jī)器人腿與水平線的夾角，θ代表父機(jī)器人尾巴相對(duì)身體的夾角，γ代表子機(jī)器人尾部相對(duì)身體的夾角，LrwB代表父機(jī)器人主體的寬度，Lramp代表父機(jī)器人尾部的長(zhǎng)度，LhB代表父機(jī)器人尾部軸距離連接主體軸的側(cè)面高度，L1B代表父機(jī)器人尾部水平放置時(shí)與旋轉(zhuǎn)軸的距離，L2B代表父機(jī)器人旋轉(zhuǎn)軸的高度，L3B代表父機(jī)器人腿的延伸長(zhǎng)度，L4B代表父機(jī)器人輪到旋轉(zhuǎn)軸的距離，LbarR代表子機(jī)器人尾部距離旋轉(zhuǎn)軸之間的長(zhǎng)度，LhR代表子機(jī)器人主體旋轉(zhuǎn)軸高度，L1R代表子機(jī)器人旋轉(zhuǎn)軸到具體主體下部分的距離，L2R代表子機(jī)器人輪軸的半徑長(zhǎng)度，L3R代表子機(jī)器人上旋轉(zhuǎn)輪到旋轉(zhuǎn)軸的距離，L4R代表子機(jī)器人下旋轉(zhuǎn)輪到旋轉(zhuǎn)軸的距離。

父機(jī)器人系統(tǒng)有一個(gè)剛體核心，能夠容納控制器、機(jī)載電池和膨脹的機(jī)構(gòu)，這樣就可以改變輪的旋轉(zhuǎn)軸、高度和寬度。機(jī)器人的兩側(cè)排列在一起，并相對(duì)其中心進(jìn)行對(duì)稱移動(dòng)，每組支腿都由1 個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。2 個(gè)機(jī)器人的主要規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 父機(jī)器人和子機(jī)器人系統(tǒng)的主要規(guī)格參數(shù)

父機(jī)器人系統(tǒng)被設(shè)計(jì)用于攜帶大量的電池、攝像機(jī)、通信設(shè)備和其他傳感器，其展開(kāi)角度可以在-7°～+66°變化。當(dāng)腿平行于身體時(shí)，伸展角度等于0°。父機(jī)器人重9.8 kg（包括電池和控制器），其特征長(zhǎng)度（后輪軸到前輪軸的長(zhǎng)度）為82.5 cm（是子機(jī)器人的5.7 倍）。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)包括主體、2條腿和1 條尾巴，由2 cm×2 cm 的鋁型材組成（線性密度為3.5 g/cm）。主體包括控制器和電池，是1 個(gè)22 cm×30 cm 的矩形，由鋁輪廓和樹(shù)脂玻璃構(gòu)成。輪的動(dòng)力傳動(dòng)基于滾子鏈，兩邊的3 個(gè)輪子都由1 個(gè)馬達(dá)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，如圖1 所示。輪的半徑為15.5 cm。父機(jī)器人的尺寸為L(zhǎng)B=82.5 cm，LrwB=21.1 cm，Lwidth B=5.8 cm，L1B=5.1 cm，L2B=2.7 cm，L3B=42.2 cm，L4B=6.6 cm，LhB=9.1 cm，Ltail=44.0 cm（其中，Ltail代表父機(jī)器人的尾部長(zhǎng)度，其余參數(shù)的含義與圖1 中的參數(shù)一致）。

子機(jī)器人配備四條擴(kuò)展機(jī)制（FBEM），允許它延長(zhǎng)身體和腿之間的距離，并可以在前后和垂直方向移動(dòng)重心。伸展和擴(kuò)展機(jī)制的結(jié)合使其能夠克服極具挑戰(zhàn)性的障礙，靈活地在較光滑的表面爬行，甚至可以在管道或兩面墻之間的垂直方向攀爬。子機(jī)器人可以將其高度和寬度延長(zhǎng)3 倍，其質(zhì)量為380 g，其特征長(zhǎng)度（后輪軸到前輪軸）為14.5 cm。子機(jī)器人的尺寸為L(zhǎng)R=14.5 cm，Lbar R=5.0 cm，LhR=1.4 cm，Lwidth R=5.7 cm，L1R=1.4 cm，L2R=2.0 cm，L3R=1.3 cm，L4R=1.6 cm（子機(jī)器人尺寸參數(shù)的含義與圖2 中的參數(shù)一致）。

3 FBEM 機(jī)制下機(jī)器人的運(yùn)行學(xué)與動(dòng)態(tài)分析

由于子機(jī)器人的尺寸較小，因此可以非常有效地越過(guò)障礙物，它可以通過(guò)采取不同的規(guī)劃策略，爬過(guò)高達(dá)6.5 cm（車輪直徑只有5.6 cm）的陡峭障礙物，以推動(dòng)蔓延FBEM 機(jī)制。機(jī)器人可以在一根管子內(nèi)或兩面墻之間的垂直方向進(jìn)行攀爬。機(jī)器人的寬度和高度可以通過(guò)改變展開(kāi)角度和FBEM角度來(lái)改變。用LxR表示鋼筋L1R+L2R+rR的總和，機(jī)器人的寬度如公式（1）所示。

式中：Lbat為子機(jī)器人尾部距離旋轉(zhuǎn)軸之間的長(zhǎng)度；Lx為父機(jī)器人和子機(jī)器人鋼筋總長(zhǎng)。

公式（1）中其他參數(shù)含義與圖1、圖2 中的參數(shù)相對(duì)應(yīng)。

圖1 父機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（主部分）

圖2 子機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（從部分）

FBEM 機(jī)制的γ值與展開(kāi)角度ρR之間的關(guān)系可以作為尾LrwL寬度的函數(shù)，如公式（2）所示。

機(jī)器人的最小寬度為8.9 cm，它對(duì)應(yīng)1 個(gè)90°的伸展角。當(dāng)展開(kāi)角和FBEM 角都為0°時(shí)，它的最大寬度為28.5 cm。子機(jī)器人的高度如公式（3）所示。

當(dāng)FBEM 角為+63°或-63°（其范圍限制）和5°（子機(jī)器人仍可以前進(jìn)的最小展開(kāi)角度）時(shí)，子機(jī)器人的最小高度為3.5 cm。

父機(jī)器人能夠爬過(guò)高為17.5 cm 的障礙物（取決于車輪和障礙物之間的摩擦），并且可以越過(guò)石頭、碎石和其他粗糙的表面，而子機(jī)器人仍然緊緊地固定在后面。父機(jī)器人的寬度和高度是其單獨(dú)伸展時(shí)的函數(shù)，其寬度如公式（4）所示。

它的最小寬度為32.5 cm，展開(kāi)角度呈66°，而最大寬度為118.0 cm。該機(jī)器人的高度hB如公式（5）所示。

尾巴在相對(duì)身體θ的方向，可以進(jìn)行-43°～+76°的變化。其高度hTail是展開(kāi)角度ρB和尾方向θ的函數(shù)，如公式（6）所示。

展開(kāi)角度為66°時(shí)的尾角為76°，尾部最大高度為88 cm，尾巴可以降低到-18 cm（ρB=0 和θ=- 43°），允許子機(jī)器人從一個(gè)較低的表面爬上父機(jī)器人的尾部。

考慮到每個(gè)機(jī)器人各自能達(dá)到的最大高度是6.5 cm 和17.5 cm，2 個(gè)機(jī)器人的合作使它們可以達(dá)到的高度提高了5倍。如果使用一個(gè)更長(zhǎng)的斜坡，那么可以進(jìn)一步增加可達(dá)到的高度。

子機(jī)器人車輪和父機(jī)器人尾翼之間的摩擦系數(shù)μ=0.8。由于子機(jī)器人的重量為380 g，因此必須施加4.9 N 的最小力，作用于伸展和FBEM 接頭的扭矩。最小扭矩作為伸展ρR和FBEM 機(jī)制γ角的函數(shù)，伸展和FBEM 接頭必須形成這些角，以保持垂直爬墻所需要的4.9 N 的法向力。當(dāng)機(jī)器人與尾巴壁接觸時(shí)（尾部寬度為21.0 cm），最小扭矩表示ρR和γ的值。

展開(kāi)時(shí)施加的扭矩幾乎是FBEM 所施加扭矩的2 倍，為了減少每個(gè)機(jī)構(gòu)施加的力矩，最好增加斜坡的寬度（零展開(kāi)和零FBEM）。考慮到斜坡尾翼的寬度（圖1 和圖2 中的黑線）受到機(jī)器人尺寸的限制，最佳策略包括使用最大FBEM角（γ=55°）和最小展開(kāi)（ρ=20°），以此達(dá)到2 個(gè)接頭的最小扭矩（接近0.20 N·m）。

研究人員讓父機(jī)器人在不同的地形上進(jìn)行測(cè)試，包括顆粒狀表面和巖石區(qū)域，它可以很容易地?cái)y帶子機(jī)器人穿過(guò)表面的裂縫。子機(jī)器人位于父機(jī)器人附近，父機(jī)器人被無(wú)線電控制，以降低車身和尾部。父機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器爬上尾部，接著父機(jī)器人將身體抬起，繼續(xù)在高為42 cm 的圍欄上駕駛。在另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，父機(jī)器人被部署在高度為72 cm 的圍欄上。父機(jī)器人和子機(jī)器人可以通過(guò)預(yù)先編程來(lái)控制執(zhí)行一組特定任務(wù)序列，為減低車身和尾部，增加了子機(jī)器人的高度，以便子機(jī)器人靈活地爬上父機(jī)器人。如果要使子機(jī)器人爬上父機(jī)器人，那么2 個(gè)機(jī)器人必須對(duì)齊。

ESC 控制器記錄父機(jī)器人最大速度時(shí)的能量消耗，該實(shí)驗(yàn)在3 個(gè)不同的表面上進(jìn)行，同時(shí)以3 個(gè)不同的伸展角度全速運(yùn)行機(jī)器人。加速后，機(jī)器人在每個(gè)實(shí)驗(yàn)中運(yùn)行10 m。

表2 總結(jié)了實(shí)驗(yàn)的平均結(jié)果（不包括加速度），通過(guò)處理實(shí)驗(yàn)視頻和相對(duì)標(biāo)稱電池電壓（7.4 V）的功耗來(lái)測(cè)量平均速度，COT（或特定電阻）是指功耗除以速度乘以機(jī)器人重量的乘積。與預(yù)期結(jié)果一致，瓷磚上的溫度比泥土上的溫度更低，比草地上的溫度更高，雖然低伸展對(duì)上坡和克服障礙很有用，但是由于車輪與表面的摩擦增加，因此會(huì)很明顯地導(dǎo)致溫度升高。

表2 機(jī)器人的能量實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

該文介紹了一種在制造中為滿足協(xié)作機(jī)器人工作需求的安全機(jī)制，稱為FBEM 機(jī)制。并分析了FBEM 機(jī)制下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與動(dòng)態(tài)變化，定量評(píng)估了協(xié)作機(jī)器人在跨越障礙中角度等相關(guān)參數(shù)。在障礙挑戰(zhàn)下，父機(jī)器人與子機(jī)器人相互協(xié)作，將可到達(dá)的高度提高了5 倍，能夠成功地克服障礙。

2 個(gè)機(jī)器人之間的合作也可以增加它們的工作范圍和偵察區(qū)域，因?yàn)楦笝C(jī)器人的電池容量是子機(jī)器人的20 倍，所以父機(jī)器人可以被當(dāng)做機(jī)器人的充電點(diǎn)；因?yàn)楦笝C(jī)器人可以攜帶高達(dá)5 kg 的有效載荷（足以使其電池尺寸增加5 倍），所以電池容量可以根據(jù)需要進(jìn)一步擴(kuò)大。子機(jī)器人的電池可以很容易地連接到父機(jī)器人，這是因?yàn)樗梢耘肋M(jìn)驅(qū)動(dòng)的尾部。通過(guò)該方式可以達(dá)到父機(jī)器人為子機(jī)器人續(xù)電的目的。