余淑榮,徐品東,張來(lái)喜,龔宇強(qiáng)

(蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展,國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了很多爬壁機(jī)器人,這些機(jī)器人不僅可以在人類難以到達(dá)的環(huán)境工作,而且能夠提升工作效率和質(zhì)量。其中控制系統(tǒng)的好壞是決定爬壁機(jī)器人能否在壁面穩(wěn)定爬行的關(guān)鍵因素,引起了國(guó)內(nèi)外專家的廣泛關(guān)注。

Dickson和Miller等[1-3]為解決爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)魯棒性不足的問(wèn)題,研究出了一款微型兩足機(jī)器人BOB(bipedal oscillating robot),此機(jī)器人控制方案簡(jiǎn)單、機(jī)身輕,通過(guò)對(duì)腳掌上類似于Rise機(jī)器人[4]的柔性鉤爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了其在粗糙豎直壁面上的攀爬。陳東良等[5]設(shè)計(jì)了一種六足鉤爪式爬壁機(jī)器人,此機(jī)器人足部可根據(jù)壁面粗糙程度自行調(diào)整起伏,具有自適應(yīng)性。趙智慧[6]開(kāi)發(fā)了能夠在粗糙的垂直面上以對(duì)角步態(tài)快速爬行的鉤爪式四足爬壁機(jī)器人。劉彥偉等[7]設(shè)計(jì)了一款輪足混合爬壁機(jī)器人,此機(jī)器人采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng),同時(shí)實(shí)現(xiàn)了足部的主動(dòng)抬起與放下,經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,該機(jī)器人能在磚面、水泥墻面等粗糙壁面上爬行。Nagaoka等[8]研制了一種輕量化四肢爬壁機(jī)器人,此機(jī)器人每個(gè)肢體上都裝有被動(dòng)脊椎夾持器,能夠被動(dòng)地、自適應(yīng)地鎖定在懸崖上粗糙巖石表面的微觀微凸體上,可以安全地在崎嶇陡峭的斜坡上進(jìn)行攀爬。

機(jī)器人的穩(wěn)定爬行離不開(kāi)控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)如同機(jī)器人大腦一般,控制機(jī)器人的前進(jìn)方向、速度等。因此,本文針對(duì)鉤爪式四足爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),驗(yàn)證此控制系統(tǒng)能夠使爬壁機(jī)器人在粗糙壁面上自主穩(wěn)定地爬行,拓展爬壁機(jī)器人在粗糙墻壁環(huán)境中的應(yīng)用。

1 爬壁機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃

步態(tài)規(guī)劃是機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),步態(tài)規(guī)劃的好壞直接影響控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度,故在設(shè)計(jì)四足爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)之前,首先對(duì)步態(tài)規(guī)劃進(jìn)行系統(tǒng)分析。

爬壁機(jī)器人步態(tài)的規(guī)劃主要根據(jù)機(jī)器人足數(shù)與腿部安裝位置、腿部機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式及機(jī)器人的使用環(huán)境等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)。為保證四足爬壁機(jī)器人在爬行的過(guò)程中能夠一直抓附在壁面上,其腿部不能同時(shí)抬起。在腿部運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,其抓附相與脫離相的相位角相差180°,故本文對(duì)機(jī)器人步態(tài)的具體規(guī)劃如下:將爬壁機(jī)器人的4條腿分為2組,機(jī)器人前端2條腿為一組,后端2條腳為一組,同組腿部運(yùn)動(dòng)的角速度及相位角相同,不同組腿部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的相位角相差180°,這樣可以保證機(jī)器人在壁面爬行的每一時(shí)刻都有一組腳爪抓附在壁面上,為機(jī)器人提供附著力,保證機(jī)器人能夠一直抓附在壁面上。

本文利用ADAMS對(duì)爬壁機(jī)器人在壁面上爬行的過(guò)程中其腿部的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析。因?yàn)橥唤M內(nèi)的2條腿運(yùn)動(dòng)相同,所以只要分析同一側(cè)不同組的2條腿就可以得到整個(gè)機(jī)器人腿部的運(yùn)動(dòng)情況。機(jī)器人在壁面上爬行一個(gè)周期的腿部運(yùn)動(dòng)情況如圖1所示。

圖1 機(jī)器人在壁面上爬行一個(gè)周期的腿部運(yùn)動(dòng)情況

圖1(a)為初始狀態(tài),爬壁機(jī)器人腿部的前端兩腳爪開(kāi)始進(jìn)入抓附階段,后端兩腳爪開(kāi)始進(jìn)入脫附階段,機(jī)器人因前端兩腳爪作用而抓附在壁面上;圖1(b)為爬壁機(jī)器人前端兩腳爪進(jìn)入爬行階段,后端兩腳爪抬起進(jìn)入空載階段,前端腳爪將會(huì)與尾部形成支撐平面使爬壁機(jī)器人機(jī)身?yè)纹?防止機(jī)身與壁面發(fā)生摩擦,并為爬壁機(jī)器人提供動(dòng)力使其向上運(yùn)動(dòng);圖1(c)為爬壁機(jī)器人后端兩腳爪開(kāi)始從空載階段轉(zhuǎn)換為抓附階段,即后端腳爪重新抓附到壁面上,而前端兩腳爪開(kāi)始由爬行階段轉(zhuǎn)換為脫附階段,即機(jī)器人前端腳爪將脫離壁面,在這個(gè)階段,爬壁機(jī)器人腿部上的兩組腳爪在壁面上完成交替抓附;圖1(d)為爬壁機(jī)器人后端兩腳爪進(jìn)入爬行階段,為機(jī)器人提供向上的動(dòng)力,使其向上運(yùn)動(dòng),而前端兩腳爪抬起進(jìn)入空載階段,脫離壁面,此階段機(jī)器人腿部?jī)山M腳爪的運(yùn)動(dòng)剛好與第二階段相反。至此爬壁機(jī)器人在壁面上完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。

通過(guò)ADAMS仿真軟件對(duì)爬壁機(jī)器人腿部的4只腳爪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沿z向的位移進(jìn)行分析,得到的位移曲線如圖2所示,其中機(jī)器人前端兩腳爪的位移曲線為實(shí)線,后端兩腳爪的位移曲線為虛線。從圖2可以看出,當(dāng)實(shí)線在虛線下方時(shí),說(shuō)明機(jī)器人前端兩腳爪抓附墻面,而虛線在實(shí)線下方時(shí),則變成機(jī)器人后端兩腳爪抓附墻面,兩曲線交點(diǎn)大約在z=-5.1處,說(shuō)明壁面處于z=-5.1處。同時(shí),從圖2還可以看出,任意時(shí)刻均有至少一條曲線處于直線z=-5.1的下方,這說(shuō)明機(jī)器人在壁面上爬行的整個(gè)過(guò)程中,一直有腳爪抓附在壁面上。

圖2 機(jī)器人腿部的4只腳爪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沿z向的位移

爬壁機(jī)器人在壁面上爬行時(shí),其腳爪穩(wěn)定抓附壁面后便與壁面保持相對(duì)靜止,而機(jī)體在舵機(jī)的作用下沿壁面向上運(yùn)動(dòng),故在機(jī)器人爬壁過(guò)程中,腳爪中心的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。在圖3中,A點(diǎn)為機(jī)器人開(kāi)始抓附壁面時(shí)腳爪所處的位置,A點(diǎn)處的切線幾乎與壁面垂直,這表明腳爪在抓附壁面時(shí),其速度方向幾乎與壁面垂直,與前文對(duì)機(jī)器人單個(gè)腳爪運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)要求相同;爬壁機(jī)器人腳爪在B點(diǎn)處從壁面上脫附,B點(diǎn)處的速度方向可分解為沿壁面向上和垂直壁面向外,而兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)均有利于爪刺沿壁面拔出,保證腳爪能順利脫離壁面。

圖3 機(jī)器人腳爪中心的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡

重心是指地球?qū)ξ矬w中每一微小部分引力的合力作用點(diǎn),分析重心的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)分析爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性具有重要意義。故本文對(duì)爬壁機(jī)器人在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)重心的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析,得到重心運(yùn)動(dòng)軌跡曲線如圖4所示,同時(shí)也得到重心沿x向和z向運(yùn)動(dòng)的位移曲線如圖5(a)、(b)所示。從圖4可以看到,機(jī)器人重心的運(yùn)動(dòng)軌跡與腳爪的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡相似,都是倒C形。從圖5(a)可以看出,機(jī)器人的重心在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)沿x向前進(jìn)了70 mm。從圖5(b)可以看出,在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,機(jī)器人重心在z向的最小高度為11.7 mm,最大高度為14.9 mm,則最大起伏值為3.2 mm,造成這一情況的主要原因是由于腳爪在抓附壁面的過(guò)程中會(huì)向著壁面運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致機(jī)器人重心略微抬起,但相較機(jī)身的高度而言,重心上下起伏距離依然很小,基本不影響機(jī)器人抓附壁面。同時(shí),從圖5(b)也可以看出,由于機(jī)器人重心距離前端腳爪與后端腳爪的距離不相同,使得在同一周期內(nèi)機(jī)器人重心沿z向位移的2個(gè)峰值并不完全相同。

圖4 機(jī)器人重心的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖5 機(jī)器人重心位移

2 爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)要結(jié)合機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),故本文對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出以下3點(diǎn)要求:1)控制系統(tǒng)中的硬件集成度應(yīng)盡量高,且尺寸應(yīng)盡量小,以減小控制系統(tǒng)的尺寸與質(zhì)量;2)控制系統(tǒng)硬件應(yīng)盡量布置在同一層,以減小機(jī)器人重心高度,提高機(jī)器人爬壁穩(wěn)定性;3)控制系統(tǒng)應(yīng)能同時(shí)控制機(jī)器人的4只腳爪,保證4只腳爪能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。

綜合以上因素,選用Arduino舵機(jī)控制板作為爬壁機(jī)器人的核心控制器,其中央控制芯片為ATmega328P。ATmega328P是基于Atmel 8位AVR RISC的微控制器,具有32 KB ISP的閃存和讀寫(xiě)能力,擁有32個(gè)通用工作寄存器、6通道10位A/D轉(zhuǎn)換器,其吞吐量接近1 MIPS,具有高性能、低功耗和運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。Arduino舵機(jī)控制板上有6路舵機(jī)接口,可控制6路舵機(jī);具有手柄接口,支持手柄遠(yuǎn)程操作;還有藍(lán)牙接口,支持安卓系統(tǒng)app遠(yuǎn)程控制。此外,Arduino舵機(jī)控制板還提供了多種傳感器與驅(qū)動(dòng)接口,可外接多種傳感器及驅(qū)動(dòng)模塊。該控制板接口多,功能強(qiáng)大,完全滿足本文對(duì)控制系統(tǒng)的要求。

由于爬壁機(jī)器人要求驅(qū)動(dòng)元件速度可調(diào),故其常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和舵機(jī)。其中步進(jìn)電機(jī)依靠電脈沖信號(hào)來(lái)控制角度與轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù),因?yàn)槠滢D(zhuǎn)動(dòng)為開(kāi)環(huán)控制,所以精度不如伺服電機(jī),且低速時(shí)容易發(fā)生低頻振動(dòng)現(xiàn)象。直流伺服電機(jī)雖然能進(jìn)行速度調(diào)節(jié),但其轉(zhuǎn)速高、輸出轉(zhuǎn)矩小,而機(jī)器人向上爬行時(shí)腳爪部分所受的載荷較大,需要電機(jī)提供較大的力矩保證爬行,如果使用直流伺服電機(jī)作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件,就要同時(shí)配合使用具有較大傳動(dòng)比的減速裝置來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行減速,以提高伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,保證機(jī)器人有足夠的動(dòng)力向上爬行。因?yàn)槎鏅C(jī)由伺服電機(jī)和減速齒輪組組成,所以舵機(jī)具有伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)精度高、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),并且舵機(jī)將減速齒輪組直接裝入電機(jī)中,免去了額外安裝減速機(jī)構(gòu)的麻煩,還使驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)更加緊湊,整體質(zhì)量更輕,且價(jià)格便宜,控制方便。

綜合考慮,本文選擇舵機(jī)作為爬壁機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。舵機(jī)分為180°舵機(jī)、270°舵機(jī)和360°舵機(jī),其中180°舵機(jī)和270°舵機(jī)是通過(guò)PWM信號(hào)精確控制角度,廣泛用于機(jī)械臂的控制。而360°舵機(jī)可以進(jìn)行360°循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),采用閉環(huán)控制并使用PWM信號(hào)精確控制舵機(jī)轉(zhuǎn)速,保證其運(yùn)動(dòng)速度穩(wěn)定可靠。

由于本文的四足爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu),而曲柄需要360°轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)為機(jī)器人提供持續(xù)運(yùn)動(dòng),因此本文采用微雪電子的MG90S 360°舵機(jī)。舵機(jī)質(zhì)量為9 g,工作電壓為4.8 ～6.0 V,依靠控制系統(tǒng)發(fā)送PWM脈沖來(lái)控制舵機(jī)速度。為保證機(jī)器人動(dòng)力充足,本文選擇電機(jī)輸入電壓為6.0 V,此時(shí)最大扭矩為2.8 N·m。通過(guò)ADAMS對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真,得到恒轉(zhuǎn)速狀態(tài)下電機(jī)軸輸出力矩曲線,如圖6所示。在圖6可以看出,恒轉(zhuǎn)速狀態(tài)下電機(jī)軸輸出扭矩最大值為9.12 N·mm,遠(yuǎn)小于電機(jī)在6.0 V電壓工作下的最大扭矩2.8 N·m,所以該電機(jī)能滿足本文所設(shè)計(jì)爬壁機(jī)器人的動(dòng)力要求。

圖6 恒轉(zhuǎn)速狀態(tài)下電機(jī)軸輸出力矩曲線

因?yàn)锳rduino舵機(jī)控制板的輸入電壓范圍為6.0～12.0 V,所以采用7.4 V航模電池作為爬壁機(jī)器人的電源,該電池容量為800 mA·h,放電電流為15C,質(zhì)量為48 g,尺寸為50 mm×30 mm×15 mm。

機(jī)器人控制系統(tǒng)使用Arduino IDE進(jìn)行編程。Arduino IDE由歐洲開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)于2005年開(kāi)發(fā),其基于Java開(kāi)源編寫(xiě)并應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)工程、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、藝術(shù)和設(shè)計(jì)等領(lǐng)域。Arduino IDE操作方便,兼容性好,可以在Windows、Macintosh OSX、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運(yùn)行。其編程語(yǔ)言基于wiring語(yǔ)言開(kāi)發(fā),不需要太多的單片機(jī)基礎(chǔ)和編程基礎(chǔ),簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)后,就可以快速進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

3 爬壁機(jī)器人爬升實(shí)驗(yàn)

將控制系統(tǒng)硬件安裝在鉤爪式四足爬壁機(jī)器人的機(jī)身上,完成機(jī)器人總體樣機(jī)的制作。機(jī)器人總體樣機(jī)如圖7所示,其總質(zhì)量為317.3 g,中央控制板與電池直接固定于機(jī)身底部,而4個(gè)舵機(jī)與腳爪分別固定在機(jī)身兩側(cè),機(jī)器人長(zhǎng)300 mm、寬110 mm,其中機(jī)身長(zhǎng)180 mm、高度為36 mm、尾部長(zhǎng)120 mm。為驗(yàn)證爬壁機(jī)器人在粗糙壁面爬行的可行性,以及在機(jī)器人實(shí)際爬行壁面的過(guò)程中足部(由腿部機(jī)構(gòu)和腳爪組成)抓附墻面的穩(wěn)定性,將爬壁機(jī)器人放置在24目砂紙制作的模擬壁面上,對(duì)其爬升性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

圖7 鉤爪式四足爬壁機(jī)器人樣機(jī)圖

經(jīng)過(guò)多組實(shí)驗(yàn)測(cè)試,最終確定鉤爪式四足爬壁機(jī)器人能在與水平面夾角小于80°的壁面上穩(wěn)定爬行,爬行速度約為24 mm/s,如圖8所示。

圖8 爬壁機(jī)器人樣機(jī)在80°壁面上爬行過(guò)程圖

從圖8可以看出,從0 s開(kāi)始到第1.75 s,機(jī)器人爬行約42 mm。爬行過(guò)程中機(jī)器人前后腳爪做交替運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定,無(wú)4只腳爪同時(shí)離開(kāi)壁面的情況發(fā)生,同時(shí)也沒(méi)有爪刺卡在壁面無(wú)法拔出的情況,腳爪在壁面上的抓附穩(wěn)定可靠,各腳爪均無(wú)抓脫的現(xiàn)象。由于尾部機(jī)構(gòu)的支撐作用,爬壁機(jī)器人機(jī)身始終與壁面存在一個(gè)空隙,保證了機(jī)器人機(jī)身不與壁面發(fā)生直接摩擦,且尾部材料與壁面摩擦系數(shù)小,在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中并不阻礙其向上爬行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)研究鉤爪式四足爬壁機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和爬行方式對(duì)其步態(tài)進(jìn)行規(guī)劃,進(jìn)行爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),控制機(jī)器人四足兩兩交替附著在粗糙壁面上,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面上穩(wěn)定爬行,同時(shí)制作了機(jī)器人樣機(jī),并在粗糙壁面上進(jìn)行爬行實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了爬壁機(jī)器人的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此機(jī)器人可以在粗糙壁面上自主穩(wěn)定地爬行,驗(yàn)證了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,可以為今后爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。