自適應(yīng)機器人系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計與分析

潘威　高杰　高宇　薛嵐

摘? 要：隨著人工智能社會的到來，機器人已經(jīng)逐漸步入智能制造等各行各業(yè)，但機器人不能主動適應(yīng)外界條件的變化造成其應(yīng)用的局限性。文章從動力學(xué)優(yōu)化、仿人動作標(biāo)準(zhǔn)、架構(gòu)優(yōu)化和交互控制優(yōu)化等角度探討了一種自適應(yīng)機器人的優(yōu)化設(shè)計過程，從而提高機器人的自適應(yīng)性，擴大了機器人的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)性;機器人;智能制造;優(yōu)化分析

中圖分類號：TP242 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：文章編號：2095-2945（2020）06-0037-02

Abstract： With the advent of artificial intelligence society， robots have gradually entered into intelligent manufacturing and other industries， but robots can not actively adapt to the changes of external conditions， thus resulting in the limitations of its application. This paper discusses the optimization design process of an adaptive robot from the perspectives of dynamics optimization， humanoid action standard， architecture optimization and interactive control optimization， so as to improve the self-adaptability of the robot and expand the application range of robot.

Keywords： self-adaptability; robot; intelligent manufacturing; optimization analysis

1 概述

我國已經(jīng)邁入人工智能社會，機器人已經(jīng)逐漸應(yīng)用于社會的各行各業(yè)。雖然國內(nèi)的機器人在發(fā)展過程中取得了較大的進步，但是在適應(yīng)性等方面仍舊有一定的問題。雖然機器人效率較高，但是還不能完全針對外界條件變化做出自適應(yīng)調(diào)整，造成一定的推廣局限性。

2 自適應(yīng)機器人動力學(xué)優(yōu)化分析

自適應(yīng)機器人當(dāng)下應(yīng)用較為廣泛的有液壓、氣壓和電機驅(qū)動三種。但是因為液壓驅(qū)動存在漏油的極大危險問題，氣壓速度和重量上存在控制難度，所以二者在高精度場合中應(yīng)用較少。電機是應(yīng)用最為普遍的一種，在機械產(chǎn)品中也有廣泛的市場。因為電機驅(qū)動的能源較為普遍，在速度和重量上控制都比氣壓有優(yōu)勢，在安全系數(shù)方面比液壓有優(yōu)勢，所以電機是康復(fù)訓(xùn)練機器人應(yīng)用最廣泛的驅(qū)動方式。噪音較小，也可以在各方面減輕對患者的影響[1]。自適應(yīng)機器人在研究過程中建立機器人和人體運動學(xué)模型，從而將機器人逆運動學(xué)方程進行求解，通過以上結(jié)論，分析系統(tǒng)工作時人體下肢相關(guān)參數(shù)以及人體運動之間的關(guān)系。最后再機械臂靜力學(xué)和動力學(xué)方程進行計算和求解，算出機器人各關(guān)節(jié)所受扭矩的動力學(xué)方程和靜力學(xué)方程。自適應(yīng)機器人的機構(gòu)一般有兩套，包括左腿機構(gòu)和右腿機構(gòu)，在運動過程中，傳送帶可以約束左右腿機構(gòu)的滑塊，運動過程中，機器人具有三個自由度。一個自由度通過電機驅(qū)動傳送帶，來控制組右腿的往復(fù)運動，另兩個自由度在電機驅(qū)動下帶動左右踏板，完成對踝關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)，使得在這一過程中，踝關(guān)節(jié)的舒適度達到要求。

3 自適應(yīng)機器人仿人動作標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化分析

自適應(yīng)機器人動作設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)一在髖關(guān)節(jié)地，在膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)基本保持原狀態(tài)的條件下，最大限度的將髖關(guān)節(jié)的動作角度不斷提升與擴大，在40-70°之內(nèi)進行選擇;自適應(yīng)機器人動作設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)二在膝關(guān)節(jié)，在膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)基本保持原狀態(tài)的條件下，適當(dāng)對膝關(guān)節(jié)的最小或最大活動角度進行系列調(diào)節(jié)。此種情況下，髖關(guān)節(jié)的角度一般維持在90°左右，膝關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)范圍一般控制在40-110°之間;自適應(yīng)機器人動作設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)三在踝關(guān)節(jié)，帶動踝關(guān)節(jié)拉伸，較為常見的角度是跖屈0-50°背屈0-20°;自適應(yīng)機器人動作設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)四在踝關(guān)節(jié)的內(nèi)收和外展，有利于下肢不斷開展內(nèi)旋以及外旋的運動，踝關(guān)節(jié)的內(nèi)斂以及外展的活動范圍，經(jīng)過試驗測量確定維持在0-45°;自適應(yīng)機器人動作設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)五在髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)用，髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)同時彎曲到允許的最大角度，該動作對應(yīng)的髖關(guān)節(jié)的前屈和膝關(guān)節(jié)的后伸兩個自由度，踝關(guān)節(jié)沒有動作。選擇在三維建模軟件Solidworks中建立三維模型，并利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)將其添加到ADAMS中進行動力學(xué)仿真[2-3]。仿真的步驟如下：（1）在Solidworks中建立機器人的三維虛擬樣機模型，并保存成Parasolid格式文件;（2）通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)將Parasolid格式文件導(dǎo)入到ADAMS中;（3）設(shè)置仿真參數(shù)，運行仿真。機器人是一種由腰部連桿、大小腿連桿、腳掌連桿以髖、膝、踝關(guān)節(jié)連接成的串聯(lián)機器人，為了方便進行動力學(xué)分析，需要將該機器人的各連桿簡化為矢狀面內(nèi)的剛性連桿結(jié)構(gòu)，其中腰托連桿為實際行走時腰托結(jié)構(gòu)在矢狀面內(nèi)的投影，將主動關(guān)節(jié)的屈/伸及踝關(guān)節(jié)的背屈/趾屈運動簡化為轉(zhuǎn)動副。

4 自適應(yīng)機器人架構(gòu)優(yōu)化分析

因為臥式自適應(yīng)機器人為了保證動作效果，就必須使得控制系統(tǒng)敏捷的捕捉到本體變化。人下肢的運動主要是由三個關(guān)節(jié)進行的，所以在機器人的自由度方面，至少要保留三個且三個自由度也要保證一定的范圍。但是為了使得運動的效果大大提升，通常都是針對具體的關(guān)節(jié)制定七個有運動范圍的自由度。在具體的結(jié)構(gòu)方面，也要經(jīng)過精密的計算，確定機器人的機械臂的長度和使用力度，使得機械臂可以進行自由的條件。在運動過程中，可以通過機器人的運動將具體的數(shù)據(jù)傳到平臺上進行分析，通過數(shù)據(jù)的總結(jié)分析獲知運動的精確狀況，也可以針對性的調(diào)整機器人的運動方式[4-5]。電機在使用過程中雖然有許多優(yōu)越性，但是因為機械自身的特點，需要和減速器配合使用才能大大提高訓(xùn)練的效果。機器人在使用過程中，七個自由度必須在機械臂足夠靈活的前提下進行，所以對機械臂的靈活性也要不斷優(yōu)化。因為臥式機器人發(fā)展的背景處于初級階段，仍舊需要不斷使用和發(fā)現(xiàn)問題，不斷優(yōu)化和解決問題。更加及時和準(zhǔn)確地進行數(shù)據(jù)采集，機器人更需要對運動數(shù)據(jù)情況進行及時的分析與管理，而且還要及時并準(zhǔn)確的反饋運動信息，對下一步的動作計劃進行規(guī)劃。臥式自適應(yīng)機器人對數(shù)據(jù)進行收集和處理，為下一步工作提供適當(dāng)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，同時及時利用動力學(xué)分析系統(tǒng)，繪制出運動意圖和運動趨勢，在這個基礎(chǔ)上進行完善和改變。坐臥式自適應(yīng)機器人是通過坐立或者躺臥的姿態(tài)以實現(xiàn)下肢運動的一種類型，在進行工作的過程中呈現(xiàn)的優(yōu)勢在于能夠坐立、斜躺或者平躺的姿勢都可以進行運動，不需要下肢的力量作為支撐。

5 自適應(yīng)機器人交互控制優(yōu)化分析

自適應(yīng)機器人交互控制方法有基于力信號的交互控制方法和基于生物醫(yī)學(xué)信號的交互控制方法，基于力信號的交互控制方法是在力信號交互控制方法中，力信號具體是指由于下肢在收縮的過程中產(chǎn)生的可以作用于機械結(jié)構(gòu)的力量。

在此種交互方法中，可以通過比較巧妙的設(shè)計方式使得機械結(jié)構(gòu)是由力傳感器進行直接測量的，也可以通過機器人交互控制實踐中的動力學(xué)模型進行估計?；谏镝t(yī)學(xué)信號的交互控制方法是在下肢機器人的人機交互控制方法中利用表肌電信號和腦電信號?；诹π盘柕慕换タ刂婆c生物醫(yī)學(xué)信號的交互控制相比，力信號的確定性更加具有優(yōu)勢，同時對機器人主動運行的意圖能夠直觀地進行反映，所以具有一定的可靠性與穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

綜上所述，自適應(yīng)機器人的研究內(nèi)容不斷豐富，時代的現(xiàn)實要求也推動技術(shù)進一步發(fā)展。雖然發(fā)展的基礎(chǔ)較為薄弱，但是在動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部分的研究有雄厚的人力物力支持。

參考文獻：

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