仿尺蠖爬壁機(jī)器人自適應(yīng)吸附及搖桿控制

高國慶，王濤，王斌銳

爬壁機(jī)器人的吸附方式中真空吸附應(yīng)用普遍。真空吸附主要包括真空泵和吸盤。真空泵不斷從吸盤腔中抽氣，使吸盤腔內(nèi)達(dá)到一定真空度，在大氣壓和摩擦力作用下，機(jī)器人不會(huì)傾覆[1]。為了使吸盤和壁面緊密貼合，必須使吸盤平面和目標(biāo)壁面平行，且兩個(gè)平面間距足夠小。足式真空吸附爬壁機(jī)器人通過接觸傳感器來感知吸盤和壁面的接觸情況。美國密歇根州立大學(xué)研發(fā)的爬壁機(jī)器人Flipper和Crawler[2]、中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研發(fā)的機(jī)器人[3–4]均采用單吸盤結(jié)構(gòu)，在每個(gè)吸盤足安裝了2個(gè)接觸傳感器，通過試探性地微調(diào)足端來使吸盤和壁面貼合，吸附動(dòng)作緩慢；文獻(xiàn)[5–6]采用吸盤組作為機(jī)器人的吸足，對(duì)吸盤與壁面的相對(duì)姿態(tài)要求更高；文獻(xiàn)[7]爬壁機(jī)器人吸盤底部裝有8個(gè)紅外傳感器組成的圓形陣列，用來判斷吸盤和壁面的平行度，吸盤兩側(cè)裝有光纖觸覺傳感器，用來感知吸盤和壁面的距離。機(jī)器人根據(jù)8個(gè)傳感器的值，經(jīng)位置逆解來使吸盤足和壁面平行。文獻(xiàn)[8-9]通過在吸盤平面上安裝距離傳感器，來測量與壁面的距離。空間中確定吸盤平面至少需要安裝3個(gè)距離傳感器。根據(jù)3個(gè)距離傳感器的值，計(jì)算出吸盤平面相對(duì)于壁面的夾角和距離。機(jī)器人基于運(yùn)動(dòng)學(xué)位置逆解調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)角度，使吸盤和壁面貼合緊密。

在實(shí)際作業(yè)時(shí)，操作功能是機(jī)器人的關(guān)鍵。華南理工大學(xué)研發(fā)了爬桿機(jī)器人Climbot[10–11]，使用搖桿控制機(jī)器人從6 m高的路燈桿上擰下燈泡，但是其搖桿和機(jī)器人動(dòng)作映射過于復(fù)雜。文獻(xiàn)[12]設(shè)計(jì)了混合坐標(biāo)系來操作挖掘機(jī)，作者將挖斗和根部關(guān)節(jié)分開控制，使搖桿操作更直觀。文獻(xiàn)[13]為不同支撐足的情況分別建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

本文首先介紹了自主研發(fā)的爬壁機(jī)器人機(jī)構(gòu)；而后根據(jù)D-H參數(shù)，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、吸盤足至壁面的空間幾何模型，分析可靠吸附的必要條件；然后設(shè)計(jì)了一種用于機(jī)構(gòu)對(duì)稱機(jī)器人的搖桿操作方法，搖桿軸數(shù)值映射為機(jī)器人擺動(dòng)吸盤足在笛卡爾空間中的速度；最后開發(fā)了自適應(yīng)吸附裝置，在爬壁機(jī)器人上進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證。

1 機(jī)器人機(jī)構(gòu)

仿尺蠖爬壁機(jī)器人由5個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)組成，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，可以像圖1(a)中的尺蠖一樣蠕動(dòng)爬行。圖1(b)中，J1和J5關(guān)節(jié)軸線和連桿軸線重合，傳動(dòng)鏈?zhǔn)侵绷鳠o刷電機(jī)+行星減速機(jī)+諧波減速機(jī)，用來模仿尺蠖轉(zhuǎn)向；J2、J3和J4關(guān)節(jié)軸線和連桿軸線垂直，傳動(dòng)鏈?zhǔn)侵绷鳠o刷電機(jī)+諧波減速機(jī)+錐齒輪，用來模仿尺蠖軀體伸縮。S1和S2是兩個(gè)吸盤足，對(duì)應(yīng)于尺蠖頭部和尾部用來附著植物的趾鉤。每個(gè)吸盤足上安裝有3個(gè)真空吸盤，以等邊三角形分布，用以抵抗重力。多吸盤結(jié)構(gòu)能夠減小因吸盤形變導(dǎo)致的機(jī)器人傾斜[14]。

圖1 仿尺蠖爬壁機(jī)器人Fig. 1 Inchworm wall-climbing robot

2 機(jī)器人建模

2.1 位置運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

J2、J3和J4關(guān)節(jié)是爬行運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵，將爬壁機(jī)器人簡化為一個(gè)平面三連桿機(jī)構(gòu)。建立D-H坐標(biāo)系，如圖2所示。

圖2 D-H坐標(biāo)系Fig. 2 D-H coordinate system

建立擺動(dòng)吸盤足到支撐吸盤足的齊次坐標(biāo)變換矩陣：

式中：

設(shè)

可得

2.2 速度運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

分別對(duì)式(2)～(4)求微分，并寫成矩陣形式：

2.3 吸盤足與壁面夾角分析

如圖3所示，S1為支撐吸盤足，S2為擺動(dòng)吸盤足，下文分別簡稱為支撐足和擺動(dòng)足。為吸盤和距離傳感器所在平面，為目標(biāo)壁面，點(diǎn)、和分別表示3個(gè)距離傳感器的安裝位置，為等邊三角形，、和分別為點(diǎn)、和到目標(biāo)平面的距離，為在平面上的投影。

圖3 空間坐標(biāo)系Fig. 3 Space coordinate system

3 搖桿操作與自適應(yīng)吸附設(shè)計(jì)

3.1 搖桿與機(jī)器人動(dòng)作映射

吸盤足交替吸附時(shí)，機(jī)器人始終以X1、Y1作為基坐標(biāo)系。將搖桿軸數(shù)值映射為擺動(dòng)足的速度值。

根據(jù)式(9)，在已知機(jī)器人擺動(dòng)足在笛卡爾空間中X1和Y1方向上速度情況下，可求得關(guān)節(jié)J2、J3與J4的轉(zhuǎn)速。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中有3種情況：

1) 吸盤足的抬起和放下。如圖4(a)，當(dāng)S1為支撐足時(shí)，擺動(dòng)足S2向上抬起，若此時(shí)S2為支撐足，如圖4(b) ，可以看到擺動(dòng)足S1是向下運(yùn)動(dòng)的。支撐足不同時(shí)，相同的動(dòng)作，導(dǎo)致擺動(dòng)足在Y1方向上的運(yùn)動(dòng)方向是相反的。為使搖桿軸和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)之間的映射不因支撐足不同而改變，當(dāng)S1為支撐足時(shí)，；當(dāng)S2為支撐足時(shí)，。其中，表示搖桿軸的值，表示機(jī)器人擺動(dòng)足沿Y1方向運(yùn)動(dòng)的速度，箭頭表示映射。

圖4 吸盤足上下運(yùn)動(dòng)Fig. 4 Up-and-down motion

2) 機(jī)器人軀干的伸縮。如圖5，當(dāng)S1或S2為支撐足時(shí)，軀干伸長代表前進(jìn)，軀干縮短代表后退，搖桿與機(jī)器人動(dòng)作映射為：，其中，表示搖桿軸的值，表示機(jī)器人擺動(dòng)足沿X1方向運(yùn)動(dòng)的速度。

圖5 吸盤足前后運(yùn)動(dòng)Fig. 5 Forward and backward motion

3) 機(jī)器人轉(zhuǎn)向。如圖6(a)，當(dāng)S1為支撐足時(shí)，搖桿控制J1，；如圖6(b)，當(dāng)為S2支撐足時(shí)，搖桿控制J5，。其中，表示搖桿軸的值，表示機(jī)器人J1關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速，表示機(jī)器人J5關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速。

圖6 轉(zhuǎn)向Fig. 6 Swerve motion

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，通過監(jiān)測S1和S2中的氣壓來確定支撐足和擺動(dòng)足。當(dāng)擺動(dòng)足至壁面距離小于設(shè)定閾值時(shí)，搖桿操作失效，機(jī)器人自動(dòng)切換至自適應(yīng)吸附動(dòng)作。

3.2 自適應(yīng)吸附設(shè)計(jì)

如圖7(a)，S1為支撐足，根據(jù)式(10)求出的值；J4關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，使擺動(dòng)足和壁面平行，此時(shí)；之后再次獲取的值，根據(jù)式(5)～(7)求得J3、J4和J5的角度，使，此時(shí)S2和壁面貼合緊密。如圖7(b)， S2為支撐足，不同于S1為支撐足的情況：此時(shí)通過調(diào)節(jié)J2使擺動(dòng)足和壁面平行。

圖7 自適應(yīng)吸附流程Fig. 7 Adaptive adsorption process

4 實(shí)驗(yàn)測試

4.1 控制系統(tǒng)

搭建了控制系統(tǒng)，如圖8所示，控制系統(tǒng)包括PC、關(guān)節(jié)模塊、搖桿、圖像采集設(shè)備和吸附模塊。

圖8 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 8 Control system structure diagram

PC作為上位機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、狀態(tài)監(jiān)控、人機(jī)交互和圖像采集；關(guān)節(jié)模塊中，每個(gè)電機(jī)上集成有相對(duì)式編碼器，伺服控制器負(fù)責(zé)底層電流、速度及位置閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制；吸附模塊由微控制器最小系統(tǒng)和外圍電路組成，微控制器作為下位機(jī)，負(fù)責(zé)響應(yīng)上位機(jī)命令。PC通過CAN和5個(gè)關(guān)節(jié)模塊進(jìn)行通信，通過RS485和2個(gè)吸盤足上的微控制器進(jìn)行通信。搖桿和圖像采集設(shè)備通過USB和PC連接。

吸盤足上的微控制器和上位機(jī)約定有6種命令：0x11、0x12、0x13、0x21、0x22和 0x23，其中0x代表十六進(jìn)制；第一位代表吸盤足，“1”代表吸盤足 S1，“2”代表吸盤足 S2；第二位代表命令，“1”代表讀取距離，“2”代表讀取氣壓，“3”代表吸盤足釋放。

4.2 吸附裝置

選用基于ARM的32位微控制器STM32F103作為足端傳感和控制系統(tǒng)的控制器，運(yùn)行頻率72 MHz。距離傳感器選用超聲波傳感器KS103，3個(gè)超聲波傳感器以等邊三角形方式安裝于吸盤足上，如圖9(a)、(b)所示，微控制器通過I2C總線讀取超聲波傳感器的數(shù)值。為了判斷是否吸附成功，選用MPX5100氣壓傳感器檢測氣路中氣壓，MPX5100輸出0～5 V的模擬量，經(jīng)過降壓后接入微控制器的ADC端口。微控制器通過控制電磁閥和真空泵的開關(guān)，來控制吸盤足的吸附和釋放。硬件框圖如圖9(c)所示。

圖9 自適應(yīng)吸附裝置Fig. 9 Adaptive adsorption device

機(jī)器人有兩個(gè)吸盤足，每個(gè)吸盤足上都裝有自適應(yīng)吸附裝置。以吸盤足S1為例，微控制器上電后，經(jīng)初始化進(jìn)入循環(huán)，在循環(huán)中不斷檢查是否收到命令。微控制器收到0x11后分別測量3個(gè)超聲波的值，并發(fā)送至上位機(jī)，滿足設(shè)定閾值時(shí)，自動(dòng)打開真空泵，開始吸附；收到0x12后測量氣壓傳感器的值，并發(fā)送至上位機(jī)；收到0x13后，關(guān)閉真空泵，氣路接大氣。

4.3 爬行測試

機(jī)器人空載時(shí)，使用搖桿控制機(jī)器人在水平壁面上進(jìn)行全向爬行運(yùn)動(dòng)。在圖10(a)～(g)中，機(jī)器人前進(jìn)了一個(gè)步長；在圖10(h)～(n) 中，機(jī)器人改變了運(yùn)動(dòng)方向。操作方法如下：

1) 按下 B1按鍵，S1釋放；

2) 按下 B2按鍵，S2釋放；

5 結(jié)束語

自適應(yīng)吸附和搖桿控制設(shè)計(jì)，使機(jī)器人無需人工干預(yù)，自動(dòng)調(diào)整吸盤足位姿，完成吸附動(dòng)作，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出以下結(jié)論：1)在機(jī)器人吸盤足上安裝3個(gè)距離傳感器，測量吸盤足相對(duì)壁面的距離和傾角，經(jīng)位置逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，控制關(guān)節(jié)位置閉環(huán)，可使機(jī)器人自適應(yīng)吸附至壁面；2)經(jīng)逆速度運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，將搖桿映射為機(jī)器人關(guān)節(jié)速度閉環(huán)，設(shè)定自適應(yīng)吸附動(dòng)作觸發(fā)閾值，吸盤接近壁面時(shí)自動(dòng)觸發(fā)自適應(yīng)吸附，降低了操控復(fù)雜度。由于超聲波傳感器的物理特性限制，當(dāng)吸盤和壁面夾角大于超聲波傳感器波束角時(shí)，測距誤差過大，無法正常使用，以后可選用其他類型的距離傳感器。

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