開(kāi)發(fā)具有可重構(gòu)結(jié)構(gòu)的運(yùn)輸機(jī)器人

М Ю Рачков，武 確

(莫斯科理工大學(xué) 俄羅斯 莫斯科 107023)

在緊急情況下，例如火災(zāi)，以及在對(duì)人類(lèi)有害的操作(如排雷)中，有必要以自動(dòng)方式將適當(dāng)?shù)募夹g(shù)檢查或救援設(shè)備運(yùn)送到工作區(qū)域。而解決此問(wèn)題的簡(jiǎn)便方法就是使用帶有指定設(shè)備的運(yùn)輸機(jī)器人。

考慮到在現(xiàn)實(shí)工作中會(huì)經(jīng)常在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中工作的特殊性，所以制定了開(kāi)發(fā)自動(dòng)運(yùn)輸機(jī)器人的方案[1,2]。如果在緊急情況下使用帶有安裝車(chē)載設(shè)備平臺(tái)的履帶式運(yùn)輸機(jī)器人[3]，那么這些機(jī)器人就需具有在未知環(huán)境條件下能自由移動(dòng)，且在平坦路面上能高速運(yùn)動(dòng)的能力，但是由于缺少輪子，它們不僅在平坦表面上的移動(dòng)速度會(huì)降低，而且當(dāng)它們遇到與自身高度相當(dāng)?shù)恼系K物，或遇到樓梯狀障礙物的時(shí)候會(huì)無(wú)法越過(guò)障礙物。

根據(jù)所遇到的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)加了輪子后的機(jī)器人通過(guò)模擬仿真得出可以在各種類(lèi)型的表面上移動(dòng)，包括在城市環(huán)境中需要克服的復(fù)雜障礙(例如階梯樓梯)；該機(jī)器人在平坦表面上的移動(dòng)速度超過(guò)了僅裝有履帶式螺旋槳車(chē)輛的移動(dòng)速度[4]，而且使用壽命將會(huì)更長(zhǎng)(因?yàn)槁膸г跒r青或混凝土等堅(jiān)硬表面上行駛時(shí)會(huì)有磨損)。該機(jī)器人應(yīng)用范圍廣，不僅可以在崎嶇不平的地形上移動(dòng)，而且能克服各種形狀的障礙物，包括那些高度大于自身高度的障礙物[5]。

1 運(yùn)輸機(jī)器人的構(gòu)造

機(jī)器人的設(shè)計(jì)建議包含一個(gè)組合的推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括可變換的履帶和車(chē)輪組(如圖1)。

圖1 運(yùn)輸機(jī)器人注：1-履帶組；2-輪組;3-伸縮桿；4-延伸部分(長(zhǎng)釘)；5-車(chē)載控制系統(tǒng)；6-技術(shù)平臺(tái)

該機(jī)器人在技術(shù)平臺(tái)的側(cè)面有兩個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)器，在履帶組之間的平臺(tái)前面和后面各安裝了兩個(gè)車(chē)輪驅(qū)動(dòng)器[6]。其獨(dú)特之處在于，車(chē)輪驅(qū)動(dòng)器的頸軸通過(guò)杠桿與平臺(tái)連接，杠桿驅(qū)動(dòng)器放置在平臺(tái)上，可以使車(chē)輪驅(qū)動(dòng)器相對(duì)于平臺(tái)垂直移動(dòng)。伸縮桿的長(zhǎng)度可以變化，這使得機(jī)器人可以克服各種障礙。而且，車(chē)輪上還有一些延伸部分，可以用荊棘(長(zhǎng)釘狀)的形式制成。該解決方案增加了車(chē)輪的直徑并提高其越野能力。

已經(jīng)在SolidWorks軟件中創(chuàng)建了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來(lái)研究其運(yùn)動(dòng)的各種模式。通過(guò)帶有可伸縮元件且?guī)в新膸ЫM升高的輪組在平坦表面上移動(dòng)，這樣可以提高機(jī)器人的移動(dòng)速度(圖2a)。

在不平坦表面上的運(yùn)動(dòng)僅由履帶組執(zhí)行(圖2b)，車(chē)輪驅(qū)動(dòng)器在此模式下升高，以提高通行性。

可以通過(guò)同時(shí)使用車(chē)輪和履帶組來(lái)克服復(fù)雜幾何形狀的樓梯和障礙物，在這種情況下，車(chē)輪組相對(duì)于履帶組的位置角度、杠桿的長(zhǎng)度以及車(chē)輪軸頸的延伸高度則取決于樓梯和障礙物的大小和形狀(如圖2c、2d)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的結(jié)果顯示，該機(jī)器人具有克服各種障礙的能力。

圖2 機(jī)器人在各種類(lèi)型表面上的運(yùn)動(dòng)模式注：a)平坦的表面；b)凹凸不平的表面；c)樓梯；d)復(fù)雜幾何形狀的障礙物

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)可以根據(jù)道路和障礙物的特征自動(dòng)重新配置履帶和車(chē)輪的位置，這些特征取決于障礙物的高度、障礙物的寬度、平臺(tái)傾斜角度、到障礙物的距離以及是否存在下一個(gè)上下臺(tái)階等數(shù)據(jù)[7]。圖3顯示了機(jī)器人控制系統(tǒng)的框架。

控制對(duì)象是帶有技術(shù)設(shè)備的機(jī)器人平臺(tái)[8]。履帶和車(chē)輪速度控制單元根據(jù)操作員的命令以編程方式或遠(yuǎn)程方式設(shè)置相應(yīng)速度的值。測(cè)量和轉(zhuǎn)換單

元使用傳感器收集有關(guān)外部條件的信息，將其轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)讲倏v器和峰值控制單元，并根據(jù)此信息重新配置機(jī)器人的參數(shù)，即可控制伸縮桿的傾斜和伸展以及軸頸的長(zhǎng)度。跟蹤測(cè)量單元的結(jié)構(gòu)如圖4。

圖3 機(jī)器人控制系統(tǒng)

圖4 跟蹤測(cè)量單元

微控制器從傳感器接收到有關(guān)位置和障礙物的信息后，發(fā)出信號(hào)以更改設(shè)計(jì)參數(shù)的配置，即杠桿的長(zhǎng)度，傾斜角度以及軸頸的高度。當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，從傳感器接收到的當(dāng)前信息會(huì)發(fā)生改變，隨之微控制器根據(jù)該信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)傳輸給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

3 機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃摍C(jī)器人的微型復(fù)制品，它是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)組件制成的，即帶有內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器的車(chē)輪組和履帶組，它由遙控器控制。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊话阋晥D,如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊话阋晥D

如圖5所示，模型的總體尺寸為：長(zhǎng)500 mm，寬250 mm，高170 mm。當(dāng)車(chē)輪組移動(dòng)時(shí)，機(jī)器人的長(zhǎng)度和高度也會(huì)隨之改變。

在機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，每個(gè)軌道的驅(qū)動(dòng)控制單元都包含一個(gè)由變頻器控制的異步電動(dòng)機(jī)。速度反饋由電機(jī)軸上的測(cè)速發(fā)電機(jī)來(lái)完成。來(lái)自測(cè)速發(fā)電機(jī)的信號(hào)被饋送到ADC輸入，然后以數(shù)字形式被饋送到基于比較設(shè)備和數(shù)字控制器構(gòu)建的軌道速度控制單元。在該系統(tǒng)中使用調(diào)節(jié)器可以補(bǔ)償與電機(jī)軸上力矩變化相關(guān)的運(yùn)動(dòng)速度變化。隨著扭矩增加，轉(zhuǎn)速降低，調(diào)速器調(diào)節(jié)控制信號(hào)以保持速度恒定，同時(shí)控制電動(dòng)機(jī)的最大交流頻率。

杠桿由具有電動(dòng)機(jī)過(guò)載和短路保護(hù)功能的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。為了確定臂的傾斜角度，使用了來(lái)自光學(xué)傳感器的信號(hào)，這些信號(hào)通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。用于確定所需控制信號(hào)的算法在用于計(jì)算傾斜角度和杠桿長(zhǎng)度的程序中實(shí)現(xiàn)。

工作能力結(jié)構(gòu)的可操作性通過(guò)無(wú)線(xiàn)電頻道上的遠(yuǎn)程手動(dòng)控制進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試表明，該機(jī)器人可以執(zhí)行所有運(yùn)動(dòng)模式，包括沿著樓梯上下運(yùn)動(dòng)。

4 用于杠桿延伸控制的執(zhí)行器的仿真

為了分析控制單元的操作，以使用全尺寸機(jī)器人的參數(shù)擴(kuò)展控制桿，在Matlab應(yīng)用程序中的Simulink中使用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行了仿真。杠桿擴(kuò)展控制的仿真方案,如圖6所示。

圖6 杠桿擴(kuò)展控制的仿真方案

用于計(jì)算杠桿角度和長(zhǎng)度的輸入控制參數(shù)是障礙物的高度和到障礙物的距離(如圖7所示)。

圖7 計(jì)算杠桿長(zhǎng)度和傾斜角度 注：L為杠桿的長(zhǎng)度；h為障礙物的高度；ΔL為到障礙物的距離；α為杠桿的傾斜角度

根據(jù)計(jì)算方案，設(shè)置杠桿長(zhǎng)度的公式為

其中L是杠桿的長(zhǎng)度；h是障礙物的高度；ΔL是到障礙物的距離。

計(jì)算杠桿傾斜角度的公式為

其中，α是杠桿的傾斜角度。

在杠桿角度控制回路中使用典型模塊，特別是標(biāo)準(zhǔn)PID控制器。在對(duì)操縱桿控制模塊進(jìn)行建模時(shí)，以階梯函數(shù)的形式設(shè)置障礙物的高度。到障礙物的距離是使用與接近障礙物相對(duì)應(yīng)的斜坡模塊通過(guò)線(xiàn)性函數(shù)設(shè)置的。由于此值不能為負(fù)，因此通過(guò)使用Saturation3模塊將距離限制下限設(shè)置為零。使用Divide1和Trigonometric Function1模塊計(jì)算杠桿的傾斜角度。杠桿長(zhǎng)度是使用Product、Add和Sqrt模塊計(jì)算的。飽和模塊位于控制信號(hào)計(jì)算模塊之后。它將這些信號(hào)限制為最大允許值。例如，杠桿的長(zhǎng)度不能超過(guò)1.5 m，并且角度限制為90°。杠桿長(zhǎng)度驅(qū)動(dòng)器上的負(fù)載被認(rèn)為是恒定的，并由一個(gè)常數(shù)給出。杠桿角驅(qū)動(dòng)器上的負(fù)載定義為作用在杠桿上的機(jī)器人的重力?？紤]使用瞬態(tài)過(guò)程來(lái)研究Simulink程序包中的已開(kāi)發(fā)模型[9]。以下是對(duì)杠桿長(zhǎng)度穩(wěn)定性的研究結(jié)果，其輸入?yún)?shù)是到障礙物的距離，輸出參數(shù)是杠桿的長(zhǎng)度。

圖8顯示了杠桿長(zhǎng)度控制單元的瞬態(tài)響應(yīng)。從圖中可以看出，其形狀對(duì)應(yīng)于非周期性過(guò)程，因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的，因?yàn)閳D線(xiàn)趨于達(dá)到穩(wěn)態(tài)值(在這種情況下為1)。 圖上沒(méi)有過(guò)沖和振蕩過(guò)程，調(diào)節(jié)時(shí)間約為0.3 s。

在脈沖響應(yīng)(圖9)上，可以看到其收斂到零的過(guò)程，這也表明其系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖8 杠桿長(zhǎng)度控制單元的瞬態(tài)響應(yīng)

圖9 杠桿長(zhǎng)度控制單元的脈沖響應(yīng)

根據(jù)對(duì)相頻(PFC)和幅頻特性(AFC)的研究結(jié)果(圖10)，可以得出結(jié)論，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，因?yàn)榉l特性(AFC)在0值以下。

圖10 幅度頻率響應(yīng)圖(上)和相位頻率響應(yīng)圖(下)

因此，滿(mǎn)足了穩(wěn)定性條件，因?yàn)轭l率響應(yīng)曲線(xiàn)比相位響應(yīng)曲線(xiàn)穿過(guò)180°線(xiàn)的時(shí)間早于零值。幅度穩(wěn)定性裕量由AFC圖確定為在PFC圖與180°線(xiàn)相交的頻率下到OX軸的距離。在這種情況下，穩(wěn)定裕度為12.9 dB。

另外，系統(tǒng)的穩(wěn)定性通過(guò)奈奎斯特準(zhǔn)則進(jìn)行了檢驗(yàn)(如圖11所示)。

圖11 奈奎斯特曲線(xiàn)分析圖

在這種情況下，穩(wěn)定性條件是曲線(xiàn)圖不應(yīng)覆蓋坐標(biāo)為(-1，i0)的點(diǎn)。從獲得的結(jié)果可以看出，該條件已得到滿(mǎn)足。因此，此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。圖上標(biāo)記的點(diǎn)對(duì)應(yīng)于0°和180°線(xiàn)的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)的交點(diǎn)。

因此，對(duì)杠桿長(zhǎng)度驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)的仿真，根據(jù)各種標(biāo)準(zhǔn)已證實(shí)了其穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

開(kāi)發(fā)了一種運(yùn)輸機(jī)器人的新方案，該方案可以實(shí)現(xiàn)在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域以及人類(lèi)難以到達(dá)的地方執(zhí)行各種類(lèi)型的工作。機(jī)器人的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以根據(jù)移動(dòng)表面的類(lèi)型和由測(cè)量單元確定的障礙物的大小來(lái)重新配置其結(jié)構(gòu)。

為研究機(jī)器人的不同運(yùn)動(dòng)模式，我們?cè)赟olid-Works軟件中創(chuàng)建了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模型。且基于標(biāo)準(zhǔn)組件的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)原型也已創(chuàng)建。在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試中也證實(shí)了可以克服各種障礙的能力。并且通過(guò)在Matlab Simulink程序中對(duì)杠桿伸展控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，也顯示了給定參數(shù)下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)果顯示可用于創(chuàng)建全尺寸實(shí)體機(jī)器人。