可自主跨越障礙物彈跳式采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)
——基于跨欄跑擺腿技術(shù)動(dòng)作分析

趙志偉

(內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)，呼和浩特 010110)

0 引言

隨著機(jī)器人的飛速發(fā)展，機(jī)器人的各種型式越來(lái)越多，但可以自主跨越障礙物的機(jī)器人較少。受作業(yè)環(huán)境的影響，采摘機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境往往比較惡劣(如山地)，由于地勢(shì)不平坦，障礙物較多，嚴(yán)重制約了采摘機(jī)器人的移動(dòng)和自主定位。如果在采摘機(jī)器人上安裝一個(gè)彈簧裝置，主要利用彈簧壓縮產(chǎn)生彈性勢(shì)能，彈簧釋放時(shí)，作用于地面的彈力反作用于機(jī)器人，使機(jī)器人可以跳躍，從而讓其自主的越過(guò)障礙物，且當(dāng)小車在行駛或翻越障礙物時(shí)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(jī)器人的作業(yè)效率，對(duì)于復(fù)雜作業(yè)條件下機(jī)器人的發(fā)展和研究具有重要的意義。

1 運(yùn)動(dòng)員跨欄技術(shù)指標(biāo)及可跳躍機(jī)器

跨欄跑是一項(xiàng)技術(shù)復(fù)雜、身體素質(zhì)要求較高的短距離項(xiàng)目，其特點(diǎn)是跑跨結(jié)合，不僅要求速度快，且運(yùn)動(dòng)技術(shù)復(fù)雜。在平時(shí)訓(xùn)練時(shí)，可以使用標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)節(jié)高度的運(yùn)動(dòng)器材進(jìn)行訓(xùn)練，如圖1所示。

跨欄質(zhì)量的好壞主要同著地角度、支撐時(shí)間、起跨角度、起跨距離及下欄距離等相關(guān)。為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分的分析，將傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)員的數(shù)據(jù)和劉翔的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。

圖1 跨欄訓(xùn)練器具

運(yùn)動(dòng)員著地角度/(°)支撐時(shí)間/s起跨角度/(°)傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)員58.220.1365.28劉翔61.320.1057.90

通過(guò)起跳攻欄的技術(shù)動(dòng)作可以看出：除了著地角度較大和支撐時(shí)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(shí)間縮短，更加有助于快速地跨欄。

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

表2 騰空過(guò)欄的動(dòng)作技術(shù)指標(biāo)

將跨欄技術(shù)動(dòng)作引入到跳躍機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)其一些設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化。圖2是NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的第1代跳躍機(jī)器人，其垂直跳躍高度可達(dá)80cm，水平跳躍距離可達(dá)30～60cm。

圖2 NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室跳躍式機(jī)器人

2 自主跨越障礙跳躍式機(jī)器人設(shè)計(jì)

自主跨越障礙機(jī)器人在翻越障礙物時(shí)需要一個(gè)起跳裝置，使采摘機(jī)器人的一部分先跨到障礙物上，然后實(shí)現(xiàn)翻越。目前的跳躍式機(jī)器人主要是有兩種，一種是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的Acrobot結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 Acrobot結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Object-field model of the system analysis before and after

圖3結(jié)構(gòu)和雙鐘擺的倒立形狀類似，將可以旋轉(zhuǎn)的部位作為起跳的動(dòng)力來(lái)源。在進(jìn)行跳躍時(shí)，機(jī)構(gòu)通過(guò)加速使起跳部位逐漸脫離地面，其姿態(tài)可以通過(guò)θ角來(lái)控制，包括起跳前進(jìn)速度、向前角度和遇到姿態(tài)。這3種關(guān)系是相互耦合的，因此在運(yùn)動(dòng)非常劇烈時(shí)不適用該方法。

基于這種結(jié)構(gòu)，將θ角控制直接換成彈簧，然后采用單片機(jī)控制的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)起跳，有效地降低了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，且可以提高控制精度。在對(duì)其起跳進(jìn)行控制時(shí)，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(duì)采摘機(jī)器人的控制進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。根據(jù)采摘機(jī)器人的行走特性，其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可以表示為

(1)

其中，M為采摘機(jī)器人的實(shí)際質(zhì)量；C為采摘機(jī)器人的剛度；q為位移；τ為反饋調(diào)節(jié)的參數(shù)。在采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，qd∈Rn表示采摘機(jī)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(jī)器人在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，其定位和方向等誤差可以通過(guò)GPS定位來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用機(jī)器視覺(jué)來(lái)校準(zhǔn)，利用PID反饋調(diào)節(jié)對(duì)誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。反饋調(diào)節(jié)方程為

(3)

其中，kp和kd表示調(diào)節(jié)系數(shù)。此時(shí)采摘機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程可以改寫為

利用GPS定位和視覺(jué)導(dǎo)航兩種方法，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)采摘機(jī)器人沿著既定的方向行走，并翻越障礙物。為了使采摘機(jī)器人能夠自主地翻越機(jī)器人，可以設(shè)置機(jī)器人的硬件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地對(duì)誤差進(jìn)行調(diào)整，使機(jī)器人沿著既定期望的方向，如圖4所示。翻越障礙物采摘機(jī)器以STC89C52單片機(jī)為控制核心，通過(guò)GPS定位和機(jī)器視覺(jué)實(shí)時(shí)對(duì)行進(jìn)方向上是否有障礙物進(jìn)行識(shí)別，并得到和障礙物的距離信息，利用核心處理器對(duì)信息進(jìn)行處理后，發(fā)出控制信號(hào)，使機(jī)器人自主跳躍，并通過(guò)爬行越過(guò)障礙物，驅(qū)動(dòng)力是由直接電機(jī)的PWM調(diào)速和步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的。軟件控制流程如圖5所示。

根據(jù)采摘機(jī)器人翻越障礙物時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和控制需求，系統(tǒng)的控制程序主要包括機(jī)器人控制主程序、障礙物檢測(cè)主程序、翻越障礙物主程序，其子程序如圖6所示。采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)主程序需要完成對(duì)環(huán)境信息的采集及運(yùn)動(dòng)控制信息處理等；障礙物檢測(cè)主程序主要是對(duì)障礙物的位置信息和距離進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，最后由翻越障礙物控制子程序發(fā)出指令，控制采摘機(jī)器人自主地完成翻越障礙物。

圖4 翻越障礙物采摘機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 采摘機(jī)器人翻越障礙物軟件控制系統(tǒng)主程序

圖6 采摘機(jī)器人翻越障礙物軟件控制子程序

3 采摘機(jī)器人自主跨越障礙山地測(cè)試

為了驗(yàn)證跨欄擺腿動(dòng)作技術(shù)在采摘機(jī)器人自主跨越障礙方案設(shè)計(jì)上的可行性，以跨欄技術(shù)動(dòng)作為依據(jù)，對(duì)采摘機(jī)器人的跨越障礙物性能進(jìn)行了測(cè)試。其中，起跳部分的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 機(jī)器人起跳部分機(jī)械結(jié)構(gòu)

采摘機(jī)器人起跳的核心裝置由單片機(jī)進(jìn)行控制，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，彈簧會(huì)從壓縮狀態(tài)抬起，使機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)越到障礙物上，如圖8所示。當(dāng)采摘機(jī)器人的行走裝置越到障礙物上時(shí)，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，機(jī)器人開始翻越障礙物。

圖8 翻越障礙物示意圖

為了驗(yàn)證采摘機(jī)器人在田間作業(yè)的性能，以山地果園區(qū)域?yàn)闇y(cè)試區(qū)域，對(duì)其性能展開了研究，如圖9所示。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷牡貏?shì)不平坦的山區(qū)，采用傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人無(wú)法完成自主移動(dòng)，而使用本次設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人可自主跨越障礙物，并成功地實(shí)現(xiàn)采摘功能。

對(duì)采摘機(jī)器人自主翻越障礙物的成功率及采摘成功率分別進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如表3所示。由圖3可以看出：機(jī)器人翻越障礙物和成功采摘率都達(dá)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(chǎng)景圖

%

4 結(jié)論

為了提高采摘機(jī)器人自主翻越障礙物的能力，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜條件下的自主作業(yè)，將起跳彈簧裝置引入到了采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程中，在單片機(jī)和電機(jī)的聯(lián)合控制下，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的自主翻越障礙物功能。對(duì)機(jī)器人的性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：采用傳統(tǒng)的輪式機(jī)器人在山地采摘區(qū)域無(wú)法完成自主移動(dòng)，而使用本文設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人可自主跨越障礙物，且成功采摘的概率較高。該采摘機(jī)器人具有單片機(jī)控制其行走、跳躍及探測(cè)等功能，且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線控制，具有廣泛的應(yīng)用前景。