黃 晶
(廈門理工學院,福建 廈門 361000)
在制造應用中,協(xié)作機器人被用于幫助操作員提高制造或裝配過程的靈活性和生產(chǎn)力。除了任務要求外,設計考慮事項還包括安全和信任保證、人體工程學以及處理變更的靈活性[1]。與由預安裝程序控制的非協(xié)作機器人相比,協(xié)作機器人是人機協(xié)作的主動或被動部分[2],這需要協(xié)作機器人通過視覺、聲音、識別凝視或手勢來感知和回應人類的互動和意圖。
微型爬行機器人一直被開發(fā)用于搜救任務,需要越野爬行和爬過各種障礙[3]。它們具有小尺寸、低重量和高導航性等特點,大量部署這類機器人能夠快速地對大區(qū)域進行檢查。設計機器人需要使用一種可重構機制,例如伸展機構、可變形的輪腿、滾動爬行機制和四桿延伸機制。
使用多機器人系統(tǒng)有許多優(yōu)點,包括補償故障機器人、多機器人協(xié)同控制[4]、先驅和測量員類型機器人、多機器人探索和覆蓋以及促進無線通信[5]。Kragic 等人提出了一種控制協(xié)作機器人的交互式方法。Khan 等人提出了一個容錯多機器人系統(tǒng)的框架,其可以協(xié)同實現(xiàn)共同目標。Fong 等人提出了一種多機器人系統(tǒng)的協(xié)同人類機器人控制方法,其中單個操作員可以同時控制多個機器人。Wagner 和Choset 開發(fā)了一個多機器人路徑規(guī)劃框架[6],只有在需要時才協(xié)調(diào)機器人運動。Shnaps 和Rimon 開發(fā)了一種系繩機器人的運動規(guī)劃方法,可以覆蓋帶有障礙物的未知平面環(huán)境。Min 等人開發(fā)了一種網(wǎng)絡機器人系統(tǒng)來增強無線通信能力,該系統(tǒng)可以在GPS 拒絕的環(huán)境中應用。
與非協(xié)作機器人相比,協(xié)作機器人有很高的安全要求,由于機器人協(xié)作通常發(fā)生在結構不良和動態(tài)的環(huán)境中,當人類和機器人共存的共享空間出現(xiàn)危險情況時,需要適當?shù)臋C制來確保人類和機器人的安全,因此安全機制的設計必須符合相應的行業(yè)標準。特別是人機協(xié)作標準,它規(guī)定了與保護區(qū)、工作區(qū)、碰撞、物體檢測、速度和力監(jiān)測相關的安全要求。安全保證是對舵機最關鍵的要求,為了避免機器人與人、障礙物或其他移動物體之間的所有干擾,必須對潛在的碰撞進行定量評估,以對協(xié)同機器人系統(tǒng)進行實時控制。
協(xié)作機器人系統(tǒng)主要分為主從2 個部分,主部分定義為父機器人系統(tǒng),從部分定義為子機器人系統(tǒng),整個系統(tǒng)結構的相關參數(shù)定義如圖1、圖2 所示。為了保證父機器人和子機器人系統(tǒng)在相互協(xié)同移動過程中的安全,該文采用了一種四桿延伸機制(four bar extension mechanism,F(xiàn)BEM),通過桿的延伸,在運動過程中協(xié)調(diào)角度,以保障父機器人和子機器人之間協(xié)作的安全。
在圖1 和圖2 中,LB代表父機器人的特征長度,LR代表子機器人的特征長度,rB代表父機器人輪的半徑,rR代表子機器人輪的半徑,Lwidth B代表父機器人中兩腿之間的寬度,Lwidth R代表子機器人中兩腿之間的寬度,ρL代表父機器人腿與水平線的夾角,ρR代表子機器人腿與水平線的夾角,θ代表父機器人尾巴相對身體的夾角,γ代表子機器人尾部相對身體的夾角,LrwB代表父機器人主體的寬度,Lramp代表父機器人尾部的長度,LhB代表父機器人尾部軸距離連接主體軸的側面高度,L1B代表父機器人尾部水平放置時與旋轉軸的距離,L2B代表父機器人旋轉軸的高度,L3B代表父機器人腿的延伸長度,L4B代表父機器人輪到旋轉軸的距離,LbarR代表子機器人尾部距離旋轉軸之間的長度,LhR代表子機器人主體旋轉軸高度,L1R代表子機器人旋轉軸到具體主體下部分的距離,L2R代表子機器人輪軸的半徑長度,L3R代表子機器人上旋轉輪到旋轉軸的距離,L4R代表子機器人下旋轉輪到旋轉軸的距離。
父機器人系統(tǒng)有一個剛體核心,能夠容納控制器、機載電池和膨脹的機構,這樣就可以改變輪的旋轉軸、高度和寬度。機器人的兩側排列在一起,并相對其中心進行對稱移動,每組支腿都由1 個電機進行驅動。2 個機器人的主要規(guī)格參數(shù)見表1。
表1 父機器人和子機器人系統(tǒng)的主要規(guī)格參數(shù)
父機器人系統(tǒng)被設計用于攜帶大量的電池、攝像機、通信設備和其他傳感器,其展開角度可以在-7°~+66°變化。當腿平行于身體時,伸展角度等于0°。父機器人重9.8 kg(包括電池和控制器),其特征長度(后輪軸到前輪軸的長度)為82.5 cm(是子機器人的5.7 倍)。機器人的結構包括主體、2條腿和1 條尾巴,由2 cm×2 cm 的鋁型材組成(線性密度為3.5 g/cm)。主體包括控制器和電池,是1 個22 cm×30 cm 的矩形,由鋁輪廓和樹脂玻璃構成。輪的動力傳動基于滾子鏈,兩邊的3 個輪子都由1 個馬達進行驅動,如圖1 所示。輪的半徑為15.5 cm。父機器人的尺寸為LB=82.5 cm,LrwB=21.1 cm,Lwidth B=5.8 cm,L1B=5.1 cm,L2B=2.7 cm,L3B=42.2 cm,L4B=6.6 cm,LhB=9.1 cm,Ltail=44.0 cm(其中,Ltail代表父機器人的尾部長度,其余參數(shù)的含義與圖1 中的參數(shù)一致)。
子機器人配備四條擴展機制(FBEM),允許它延長身體和腿之間的距離,并可以在前后和垂直方向移動重心。伸展和擴展機制的結合使其能夠克服極具挑戰(zhàn)性的障礙,靈活地在較光滑的表面爬行,甚至可以在管道或兩面墻之間的垂直方向攀爬。子機器人可以將其高度和寬度延長3 倍,其質量為380 g,其特征長度(后輪軸到前輪軸)為14.5 cm。子機器人的尺寸為LR=14.5 cm,Lbar R=5.0 cm,LhR=1.4 cm,Lwidth R=5.7 cm,L1R=1.4 cm,L2R=2.0 cm,L3R=1.3 cm,L4R=1.6 cm(子機器人尺寸參數(shù)的含義與圖2 中的參數(shù)一致)。
由于子機器人的尺寸較小,因此可以非常有效地越過障礙物,它可以通過采取不同的規(guī)劃策略,爬過高達6.5 cm(車輪直徑只有5.6 cm)的陡峭障礙物,以推動蔓延FBEM 機制。機器人可以在一根管子內(nèi)或兩面墻之間的垂直方向進行攀爬。機器人的寬度和高度可以通過改變展開角度和FBEM角度來改變。用LxR表示鋼筋L1R+L2R+rR的總和,機器人的寬度如公式(1)所示。
式中:Lbat為子機器人尾部距離旋轉軸之間的長度;Lx為父機器人和子機器人鋼筋總長。
公式(1)中其他參數(shù)含義與圖1、圖2 中的參數(shù)相對應。
圖1 父機器人系統(tǒng)結構(主部分)
圖2 子機器人系統(tǒng)結構(從部分)
FBEM 機制的γ值與展開角度ρR之間的關系可以作為尾LrwL寬度的函數(shù),如公式(2)所示。
機器人的最小寬度為8.9 cm,它對應1 個90°的伸展角。當展開角和FBEM 角都為0°時,它的最大寬度為28.5 cm。子機器人的高度如公式(3)所示。
當FBEM 角為+63°或-63°(其范圍限制)和5°(子機器人仍可以前進的最小展開角度)時,子機器人的最小高度為3.5 cm。
父機器人能夠爬過高為17.5 cm 的障礙物(取決于車輪和障礙物之間的摩擦),并且可以越過石頭、碎石和其他粗糙的表面,而子機器人仍然緊緊地固定在后面。父機器人的寬度和高度是其單獨伸展時的函數(shù),其寬度如公式(4)所示。
它的最小寬度為32.5 cm,展開角度呈66°,而最大寬度為118.0 cm。該機器人的高度hB如公式(5)所示。
尾巴在相對身體θ的方向,可以進行-43°~+76°的變化。其高度hTail是展開角度ρB和尾方向θ的函數(shù),如公式(6)所示。
展開角度為66°時的尾角為76°,尾部最大高度為88 cm,尾巴可以降低到-18 cm(ρB=0 和θ=- 43°),允許子機器人從一個較低的表面爬上父機器人的尾部。
考慮到每個機器人各自能達到的最大高度是6.5 cm 和17.5 cm,2 個機器人的合作使它們可以達到的高度提高了5倍。如果使用一個更長的斜坡,那么可以進一步增加可達到的高度。
子機器人車輪和父機器人尾翼之間的摩擦系數(shù)μ=0.8。由于子機器人的重量為380 g,因此必須施加4.9 N 的最小力,作用于伸展和FBEM 接頭的扭矩。最小扭矩作為伸展ρR和FBEM 機制γ角的函數(shù),伸展和FBEM 接頭必須形成這些角,以保持垂直爬墻所需要的4.9 N 的法向力。當機器人與尾巴壁接觸時(尾部寬度為21.0 cm),最小扭矩表示ρR和γ的值。
展開時施加的扭矩幾乎是FBEM 所施加扭矩的2 倍,為了減少每個機構施加的力矩,最好增加斜坡的寬度(零展開和零FBEM)??紤]到斜坡尾翼的寬度(圖1 和圖2 中的黑線)受到機器人尺寸的限制,最佳策略包括使用最大FBEM角(γ=55°)和最小展開(ρ=20°),以此達到2 個接頭的最小扭矩(接近0.20 N·m)。
研究人員讓父機器人在不同的地形上進行測試,包括顆粒狀表面和巖石區(qū)域,它可以很容易地攜帶子機器人穿過表面的裂縫。子機器人位于父機器人附近,父機器人被無線電控制,以降低車身和尾部。父機器人驅動器爬上尾部,接著父機器人將身體抬起,繼續(xù)在高為42 cm 的圍欄上駕駛。在另一個實驗中,父機器人被部署在高度為72 cm 的圍欄上。父機器人和子機器人可以通過預先編程來控制執(zhí)行一組特定任務序列,為減低車身和尾部,增加了子機器人的高度,以便子機器人靈活地爬上父機器人。如果要使子機器人爬上父機器人,那么2 個機器人必須對齊。
ESC 控制器記錄父機器人最大速度時的能量消耗,該實驗在3 個不同的表面上進行,同時以3 個不同的伸展角度全速運行機器人。加速后,機器人在每個實驗中運行10 m。
表2 總結了實驗的平均結果(不包括加速度),通過處理實驗視頻和相對標稱電池電壓(7.4 V)的功耗來測量平均速度,COT(或特定電阻)是指功耗除以速度乘以機器人重量的乘積。與預期結果一致,瓷磚上的溫度比泥土上的溫度更低,比草地上的溫度更高,雖然低伸展對上坡和克服障礙很有用,但是由于車輪與表面的摩擦增加,因此會很明顯地導致溫度升高。
表2 機器人的能量實驗結果
該文介紹了一種在制造中為滿足協(xié)作機器人工作需求的安全機制,稱為FBEM 機制。并分析了FBEM 機制下機器人的運動與動態(tài)變化,定量評估了協(xié)作機器人在跨越障礙中角度等相關參數(shù)。在障礙挑戰(zhàn)下,父機器人與子機器人相互協(xié)作,將可到達的高度提高了5 倍,能夠成功地克服障礙。
2 個機器人之間的合作也可以增加它們的工作范圍和偵察區(qū)域,因為父機器人的電池容量是子機器人的20 倍,所以父機器人可以被當做機器人的充電點;因為父機器人可以攜帶高達5 kg 的有效載荷(足以使其電池尺寸增加5 倍),所以電池容量可以根據(jù)需要進一步擴大。子機器人的電池可以很容易地連接到父機器人,這是因為它可以爬進驅動的尾部。通過該方式可以達到父機器人為子機器人續(xù)電的目的。