王偉偉 陳 鋒
(上海海事大學 物流工程學院,中國 上海 201306)
六足仿生機器人是指模仿六足生物的身體結(jié)構(gòu)、運動形式以及功能特征的機器人。這種機器人同時具有足式和仿生機器人的優(yōu)點,具有良好的運動控制、位姿調(diào)整以及信息融合等能力。此外,六足機器人具有豐富的步態(tài),穩(wěn)定性好、越障能力強,具有很好的地形適應能力,在國民經(jīng)濟和國防建設的許多領域中都有廣泛的應用前景[1]。自20世紀60年代以來,國內(nèi)外已經(jīng)研制出許多這類機器人的模型或樣機。
機器人系統(tǒng)是由結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩個子系統(tǒng)組成的。這兩個子系統(tǒng)相互影響,緊密耦合。因此,對兩者進行集成設計十分必要。而實際情況中,結(jié)構(gòu)設計者往往采用有限元動力分析方法設計結(jié)構(gòu),使得結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型自由度很高,方程組的維數(shù)大,并且含有許多非線性項。這就造成控制設計者無法利用該模型,而只能根據(jù)特別簡化的數(shù)學模型來對控制器系統(tǒng)進行初步設計。此外,由于簡化模型是通過對實際系統(tǒng)進行大量簡化得到的,使得模型中的參數(shù)不能跟實際情況很好地對應,所以控制結(jié)果也無法對結(jié)構(gòu)設計進行有效的指導[2]。這種對結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)進行分離設計的方法會使得產(chǎn)品的研發(fā)周期長、成本高、性能差。
六足機器人是機電高度集成的系統(tǒng),而系統(tǒng)的動態(tài)性能由結(jié)構(gòu)及控制共同決定。在高性能軌跡跟蹤過程中,結(jié)構(gòu)和控制的耦合更加緊密。若在設計六足機器人的控制系統(tǒng)時未能考慮到它的結(jié)構(gòu)特征,將會使跟蹤誤差偏大,甚至達不到性能要求指標;另一方面,若在進行結(jié)構(gòu)設計時未能考慮到控制特性,將設計不出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。為了使六足機器人系統(tǒng)設計達到最優(yōu),應該對控制和結(jié)構(gòu)進行集成優(yōu)化設計[3]。
六足機器人主要由軀干、驅(qū)動器以及六條腿構(gòu)成。所有的驅(qū)動器都采用舵機。在軀干部分安裝六臺舵機,通過鋼絲繩分別驅(qū)動六條腿機構(gòu)的跟關(guān)節(jié)來實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。
圖1 六足機器人腿結(jié)構(gòu)傳動原理
在自然界里,很多昆蟲的腿部結(jié)構(gòu)是由基節(jié)、股節(jié)以及脛節(jié)三部分組成的?;?jié)繞著跟關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動,股節(jié)繞著髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動,脛節(jié)繞著膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。這些轉(zhuǎn)動都是單自由度旋轉(zhuǎn)運動。整個腿結(jié)構(gòu)屬于一個三自由度的開式鏈結(jié)構(gòu)[4]。六足機器人的運動主要由“跨步”和“抬放腿”兩部分組成。
圖1為六足機器人腿機構(gòu)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。桿1與桿2都是主動桿,它們分別與兩臺驅(qū)動器的輸出軸連接。桿3和桿4是從動桿。桿3固結(jié)在股節(jié)上,桿4固結(jié)在脛節(jié)上。并分別在軸2和軸3位置形成轉(zhuǎn)動副。 過渡桿由兩根桿固結(jié)而成,且過渡桿的上、下兩桿所在平面相互平行,兩桿互成一定的角度。桿1和桿3在同一個平面上,桿2和過渡桿下桿處于同一平面,桿4和過渡桿上桿處于同一平面。桿1和桿3用一對鋼絲繩連接起來,桿2和過渡桿下桿用一對鋼絲繩連接起來;桿4和過渡桿上桿用一對鋼絲繩連接起來。
當桿1逆時針旋轉(zhuǎn)時,與桿3固結(jié)在一起的股節(jié)通過鋼絲繩的傳動,也開始作逆時針旋轉(zhuǎn)。當桿2逆時針旋轉(zhuǎn)時,過渡桿下桿通過鋼絲繩的帶動,也開始作逆時針旋轉(zhuǎn)。由于過渡桿的上、下兩桿固結(jié)在一起,所以,當過渡桿下桿逆時針旋轉(zhuǎn)時,過渡桿上桿也逆時針旋轉(zhuǎn)。并且上、下兩桿的轉(zhuǎn)角一致,從而帶動與桿4固結(jié)的脛節(jié)旋轉(zhuǎn)。這樣,當桿1和桿2同時同向旋轉(zhuǎn)時,股節(jié)與脛節(jié)也跟著作相同的轉(zhuǎn)動。這樣就實現(xiàn)了腿機構(gòu)的“抬放腿”動作。
六足機器人行走時,處于擺動相的各條腿類似于機械手臂,即從跟關(guān)節(jié)開始由依次串聯(lián)的基節(jié)、股節(jié)和脛節(jié)構(gòu)成[5]。所以要求各條腿的驅(qū)動關(guān)節(jié)和足端的關(guān)系,就要先確定各條腿節(jié)之間的相對運動與位姿關(guān)系。六足機器人的運動學正解就是在已知機器人軀體的位姿和各驅(qū)動關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角的情況下,求解足端的運動規(guī)律。
圖2 六足機器人腿部的D-H坐標系
設 θ1、θ2、θ3分別表示跟關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角,I1、I2、I3分別表示基節(jié)、股節(jié)和脛節(jié)的長度。λ表示基節(jié)兩部分的夾角;ai為腿節(jié)長度;ai為關(guān)節(jié)軸線的扭角;di為公垂線間的距離。
相鄰坐標系之間的轉(zhuǎn)換矩陣為:
選擇跟關(guān)節(jié)處的坐標系為基坐標系,把相鄰的關(guān)節(jié)變換矩陣相乘,即可得到六足機器人足端坐標系的轉(zhuǎn)換矩陣:
六足機器人的運動學逆解就是在已知機器人位姿的情況下求解各驅(qū)動關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角。這里,通過將逆變換矩陣左乘于方程兩邊的方法,把關(guān)節(jié)變量分離出來,從而求出關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。逆解的表達式為:
為了使整體六足機器人系統(tǒng)設計達到最優(yōu),應該將結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)進行集成設計,即把結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制優(yōu)化綜合在一起,通過優(yōu)選結(jié)構(gòu)設計變量和控制設計變量以達到優(yōu)化綜合目標函數(shù)的目的[6]。
圖3 六足機器人集成優(yōu)化的流程
結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標函數(shù):
控制優(yōu)化目標函數(shù):
綜合目標函數(shù):
式中,α1、α2分別為結(jié)構(gòu)和控制的加權(quán)系數(shù), 滿足條件 0<α1,α2<1,且 α1+α2=1。
設六足機器人足尖末端的運動軌跡為:
通過六足機器人運動學逆解,可以得到各原動件的輸入變化規(guī)律。把原動件的運動規(guī)律輸入至六足機器人系統(tǒng)動態(tài)方程,并利用遺傳算法對六足機器人結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行分離優(yōu)化設計求解。然后,進行集成優(yōu)化設計求解,算法參數(shù)見表1。
表1 遺傳算法參數(shù)
Matlab仿真結(jié)果輸出:
圖4 集成、分離設計的末端執(zhí)行器X(左)、Y(右)方向跟蹤誤差對比
(1)本文設計了一種六足機器人機構(gòu),并給出了整體機構(gòu)的虛擬樣機模型。
(2)根據(jù)D-H坐標變換對六足機器人進行了運動學分析。
(3)建立了六足機器人的集成優(yōu)化模型。數(shù)值結(jié)果表明,集成設計的方法比分離設計方法能更好地進行軌跡跟蹤。
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