基于大數(shù)據(jù)聚類分析的爬壁機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)設(shè)計

宋 容

(成都理工大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院,四川 樂山 614000)

0 引言

爬壁機(jī)器人指可以在垂直墻壁上攀爬并完成作業(yè)的自動化機(jī)器人，其具有較高的模擬狀態(tài)，在運(yùn)動過程中能夠較大程度地復(fù)刻生物的位姿，為人類的生活和生產(chǎn)工作提供較大便利[1-3]。由于足式爬壁機(jī)器人通過對兩條腿的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使得爬壁機(jī)器人的運(yùn)動限制更少，更高的機(jī)動性和更快的步行速度，而腿部的機(jī)械結(jié)構(gòu)使得它可以輕松地越過大型障礙，并能在最短的時間內(nèi)適應(yīng)臺階、凹凸不平的地形，因此該類型的爬壁機(jī)器人的應(yīng)用優(yōu)勢更加明顯、應(yīng)用范圍更廣[4-6]。然而爬壁機(jī)器人運(yùn)動涉及的學(xué)科較多、交叉性較強(qiáng)，且其內(nèi)部零件組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，由此提高了爬壁機(jī)器人的操作困難性，容易出現(xiàn)爬壁機(jī)器人失穩(wěn)、移動偏差甚至摔倒等現(xiàn)象[7]。為了解決爬壁機(jī)器人運(yùn)動存在的問題，設(shè)計并開發(fā)了爬壁機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)。

當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在爬壁機(jī)器人位姿定位控制的研究過程中取得了一定成果。文獻(xiàn)[8]提出基于全局穩(wěn)定的爬壁機(jī)器人位姿控制方法，基于爬壁機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型，利用位姿偏移建立滑模傳遞函數(shù)，用雙曲函數(shù)代替線性函數(shù)，測試整體漸近穩(wěn)定性，并采用逆向設(shè)計方法確定雙閉環(huán)的穩(wěn)定性和誤差收斂，達(dá)到精確跟蹤的目的。文獻(xiàn)[9]提出基于ECAD 模型的輕型機(jī)器人位姿定位控制方法。通過處理 3D 傳感器數(shù)據(jù)來檢測夾持導(dǎo)線末端的尖端位姿和組件端口位姿，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位控制。

爬壁機(jī)器人位姿也就是爬壁機(jī)器人行走運(yùn)動產(chǎn)生的整體姿態(tài)。從當(dāng)前的研究情況來看，爬壁機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)主要利用了深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)、遺傳算法、運(yùn)動發(fā)散分量等相關(guān)技術(shù)，通過應(yīng)用反饋發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的控制系統(tǒng)存在明顯的控制效果不佳的問題，主要體現(xiàn)在控制誤差大、爬壁機(jī)器人失穩(wěn)情況明顯等方面，且控制系統(tǒng)的運(yùn)行性能存在明顯缺陷。為此，在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入大數(shù)據(jù)聚類分析技術(shù)。大數(shù)據(jù)聚類分析是對于動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)分析的一門技術(shù)，根據(jù)數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系，將相似的對象劃分成不同的組別。大數(shù)據(jù)信息以整個網(wǎng)絡(luò)空間為背景，對于爬壁機(jī)器人的運(yùn)動問題，能提供的信息更多。通過大數(shù)據(jù)分析以及聚類技術(shù)的應(yīng)用，以期能夠提高當(dāng)前爬壁機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)的判斷精度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制效果的提升。

1 爬壁機(jī)器人位姿定位控制硬件系統(tǒng)設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的多功能性和全方位行走，同時考慮到其他方面的需要，爬壁機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)必須具備多自由度協(xié)調(diào)控制、位姿平衡穩(wěn)定控制、反應(yīng)速度快等功能。結(jié)合爬壁機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)的需求分析結(jié)果，從硬件和軟件功能兩個方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。硬件結(jié)構(gòu)為控制系統(tǒng)提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時為軟件功能的運(yùn)行提供工作平臺，圖1為硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果。

圖1 爬壁機(jī)器人位姿定位控制硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，系統(tǒng)采用了控制器和主控計算機(jī)作為上位機(jī)，其接口更加可靠、更加豐富，當(dāng)需要替換的時候，只要根據(jù)相應(yīng)的接口與所需的下位機(jī)相連接即可。對圖1中的部分組成元件進(jìn)行改裝與優(yōu)化，提高系統(tǒng)的硬件運(yùn)行性能。

1.1 爬壁機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

爬壁機(jī)器人采用仿人體骨架結(jié)構(gòu)，大體可以分為頭部、軀干、四肢3個部分。

為方便研究，在建立爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)模型時，將各個零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，使其成為一個形狀規(guī)則、質(zhì)量均勻的連桿，并以鉸鏈的形式相互連接，而不會產(chǎn)生摩擦。爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建結(jié)果如圖2所示。

圖2 爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)模型

1.2 爬壁機(jī)器人位姿傳感器

為了保證行走的穩(wěn)定性，爬壁機(jī)器人必須能夠適應(yīng)外界環(huán)境的變化，及時調(diào)整關(guān)節(jié)的動作。為了實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的精確位姿定位控制，并在步行過程中維持其穩(wěn)定性，必須獲得爬壁機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的實(shí)際位置、姿態(tài)信息等實(shí)時數(shù)據(jù)。因此需要安裝傳感器設(shè)備，實(shí)時監(jiān)測爬壁機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)[10]。選擇九軸傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)中的關(guān)節(jié)傳感器和姿勢傳感器，九軸傳感器設(shè)備中的核心元件為MPU9250，包括兩個應(yīng)用程序的結(jié)構(gòu)。一個是獨(dú)立的3-軸磁強(qiáng)計，用于測量關(guān)節(jié)的實(shí)時角，另一個是將3-軸的加速度傳感器和陀螺儀相結(jié)合，從而獲得爬壁機(jī)器人的姿態(tài)、方位和速度等參數(shù)。另外，為保證爬壁機(jī)器人位姿的控制效果，在系統(tǒng)傳感模塊中加設(shè)一個壓力傳感器，用來獲取爬壁機(jī)器人與地面接觸的受力數(shù)據(jù)信息，將其按照圖3所示的方式安裝在爬壁機(jī)器人足底位置。

圖3中，O分別表示壓力測點(diǎn)位置，F(xiàn)zi為壓力值。利用表面貼有電阻膜的壓力傳感器，可以判定爬壁機(jī)器人在移動時，足部與地面有無接觸。

圖3 壓力傳感器安裝位置示意圖

1.3 爬壁機(jī)器人驅(qū)動元件

采用LD-20MG型數(shù)字式舵機(jī)為驅(qū)動元件，該設(shè)備的無負(fù)載電流為100 mA，質(zhì)量為65克。LD-20MG型數(shù)字式舵機(jī)具有扭力大、虛位差小、精度高等特點(diǎn)。選擇的驅(qū)動元件由舵盤、位置反饋電位計、減速齒輪組、直流電機(jī)及控制電路板等構(gòu)成[11]。舵機(jī)的控制信號是一個具有20 ms周期的脈寬位置調(diào)制信號，在該脈沖寬度在0.5～2.5 ms之間，在相應(yīng)的輸出軸在0～180°之間具有線性的變化規(guī)律。當(dāng)出現(xiàn)更大的脈沖信號被輸入時，控制信號線就會被調(diào)整到新的相應(yīng)位置，從而達(dá)到了爬壁機(jī)器人的移動需求。

1.4 爬壁機(jī)器人位姿定位控制器

爬壁機(jī)器人位姿定位控制器是控制軟件程序的主要運(yùn)行環(huán)境，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中使用的單一控制芯片控制方式，其控制能力較為薄弱，若將其直接與爬壁機(jī)器人直接連接，爬壁機(jī)器人的前進(jìn)位姿會出現(xiàn)明顯不穩(wěn)定現(xiàn)象。因此在優(yōu)化設(shè)計的控制系統(tǒng)中，選擇多控制芯片疊加的方式，優(yōu)化的控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 爬壁機(jī)器人位姿定位控制器結(jié)構(gòu)圖

采用ATmega328為主要控制單元，在接到主機(jī)的控制命令后，能夠?qū)崿F(xiàn)對下級的舵機(jī)進(jìn)行同步的控制，具有較大的負(fù)荷容量。在控制時，爬壁機(jī)器人裝置的實(shí)際連接方式不受約束。由于有ATmega328單元，所以整個控制器的外部電壓總是處于一個穩(wěn)定的值[12]。在爬壁機(jī)器人的行走過程中，控制系統(tǒng)的輸出信號中既含有關(guān)節(jié)角度、轉(zhuǎn)動時間等物理參數(shù)。通常，每個關(guān)節(jié)的動作和停止動作都是高度一致的，但是如果只有一個關(guān)節(jié)的動作角度變化，就可以直接由控制器來完成。

1.5 大數(shù)據(jù)存儲器

為了給實(shí)時爬壁機(jī)器人位姿監(jiān)測數(shù)據(jù)與控制信息提供存儲空間，為大數(shù)據(jù)聚類分析技術(shù)提供充足的數(shù)據(jù)支持，將傳統(tǒng)系統(tǒng)中的串行同步存儲器改裝成異步存儲器。優(yōu)化的FIFO存儲器一般使用兩個指針的環(huán)形FIFO結(jié)構(gòu)寫入的存儲器地址位于寫入指針中，將第一個被讀取的數(shù)據(jù)的位置傳輸至讀取指針中。在這種模式下，讀、寫、再傳送都是相同的。所以，要想在字寬上擴(kuò)大多個 FIFO內(nèi)存，就需要對各內(nèi)存的狀態(tài)標(biāo)記進(jìn)行操作，產(chǎn)生“混合標(biāo)志”。混合標(biāo)識還包含全空和全滿兩個標(biāo)識。這樣， FIFO內(nèi)存就能保持同步，并達(dá)到字寬的擴(kuò)展。在硬件方面， FIFO存儲器實(shí)質(zhì)上是一個雙口數(shù)據(jù)存儲器，F(xiàn)IFO存儲器的讀寫指針的改變通常由兩個 SRAM完成，用二進(jìn)制計數(shù)器來完成指針對 SRAM的存儲地址的控制。FIFO控制用兩個時鐘信號來控制存儲器的讀、寫操作，其中的數(shù)據(jù)被特定的時鐘信號寫到 FIFO，同時由其他時鐘區(qū)域的控制信號讀寫 FIFO。與同步 FIFO存儲器相比，它的讀寫指針的改變是由不同的時鐘引起的，兩者是完全獨(dú)立的，因而時間控制更加復(fù)雜[13]。異步 FIFO存儲器的空、滿的判斷是在不同的時鐘范圍內(nèi)進(jìn)行的，因此，在一定的時間段內(nèi)，F(xiàn)IFO內(nèi)存很難精確地計算出可供使用的內(nèi)存。異步FIFO存儲的優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)異步FIFO存儲器結(jié)構(gòu)圖

從圖5中可以看出，在數(shù)據(jù)輸出端增加了兩個單獨(dú)的時鐘，以確保輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。

此外，由于硬件系統(tǒng)所用的器件和器件的改變，對電源的要求也隨之改變，將二極管SR5100串聯(lián)起來，利用AMS1117-5、AMS1117-5、AMS1117-Adj實(shí)現(xiàn)對電源電壓的變換。除上述硬件設(shè)備外，控制信號通信網(wǎng)絡(luò)、A/D 信號轉(zhuǎn)換板、爬壁機(jī)器人位姿實(shí)時顯示器設(shè)備均沿用傳統(tǒng)硬件系統(tǒng)設(shè)備，并將其與優(yōu)化后的硬件設(shè)備通過電源電路進(jìn)行連接。

2 爬壁機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

在硬件設(shè)備的支持下，以爬壁機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動原理為基礎(chǔ)，結(jié)合其實(shí)時運(yùn)動狀態(tài)和不同位姿的基本特征，在爬壁機(jī)器人整體穩(wěn)定的前提下，通過對擺腿順序、足端軌跡、跨步以及轉(zhuǎn)角等參數(shù)的控制，實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的位姿定位控制功能。

2.1 建立爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)與運(yùn)動模型

爬壁機(jī)器人每條腿上包括髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍如表1所示。

表1 爬壁機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍

定義表1的運(yùn)動范圍為爬壁機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動的自由度約束，完成爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)爬壁機(jī)器人的連桿參數(shù)以及關(guān)節(jié)的運(yùn)動情況量化描述其運(yùn)動信息。在已知關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的前提下，定義爬壁機(jī)器人足末端坐標(biāo)為(xfoot,yfoot,zfoot)，則此時爬壁機(jī)器人腿部的正運(yùn)動學(xué)方程可以表示為：

(1)

式中，參數(shù)α、β和θ分別為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，H為爬壁機(jī)器人足末端與地面之間的高度，L1、L2和L3代表關(guān)節(jié)之間的距離。爬壁機(jī)器人在單腿支撐運(yùn)動狀態(tài)下的動態(tài)方程如下：

(2)

(3)

式中，▽q表示的是向量q中各組成元素偏微分的行向量，Dq為y相對元素x的偏微分雅克比陣，V表示勢能。同理可以得出爬壁機(jī)器人在擺動階段、腳觸地階段、雙腿支撐階段的動態(tài)方程，將其與機(jī)械結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合，得出爬壁機(jī)器人位姿運(yùn)動學(xué)分析結(jié)果。

2.2 采集爬壁機(jī)器人實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)

將傳感器設(shè)備安裝到爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的指定位置上，利用硬件系統(tǒng)中的傳感器設(shè)備獲取爬壁機(jī)器人的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)，待采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)參數(shù)包括角速度、步頻、位姿周期以及關(guān)節(jié)角度等[14]。首先設(shè)置傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)采樣間隔時間，清除中斷標(biāo)志，爬壁機(jī)器人實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)以波動信號方式輸出。單位時間內(nèi)爬壁機(jī)器人足端傳感器在水平方向上產(chǎn)生的位移，即為角速度參數(shù)采集結(jié)果。步頻參數(shù)的實(shí)時采集數(shù)據(jù)可以表示為：

(4)

式中，nsteps表示爬壁機(jī)器人產(chǎn)生的步數(shù)，t為時間。位姿周期指的是同側(cè)腳掌相鄰兩側(cè)腳跟著地之間所經(jīng)過的時間，可以通過對傳感器輸出信號的波動頻率直接得出。另外關(guān)節(jié)角度可以利用九軸傳感器設(shè)備直接測量輸出。

2.3 利用大數(shù)據(jù)聚類分析技術(shù)判定爬壁機(jī)器人位姿

通過爬壁機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建與分析，能夠確定爬壁機(jī)器人各個組成模塊的長度數(shù)據(jù)，并確定不同位姿形式下爬壁機(jī)器人關(guān)節(jié)的空間關(guān)系、位置坐標(biāo)以及關(guān)節(jié)角度，并以此作為判定爬壁機(jī)器人位姿的比對標(biāo)準(zhǔn)[15]。在此基礎(chǔ)上，定義爬壁機(jī)器人實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)采集結(jié)果為X，隨機(jī)選擇k個聚類中心，利用公式(5)計算選擇聚類中心之間的相似度。

S(k)=g(k)→R

(5)

其中：g(k)和R分別為映射函數(shù)和實(shí)數(shù)域。根據(jù)相似度計算結(jié)果，劃分k個對象至相似度最小聚類中心，結(jié)合大數(shù)據(jù)聚類分析算法，提取聚類數(shù)據(jù)信息的特征點(diǎn)，計算公式如下：

(6)

(7)

2.4 規(guī)劃爬壁機(jī)器人位姿及關(guān)節(jié)軌跡

爬壁機(jī)器人的位姿大體可以分為規(guī)則位姿和不規(guī)則位姿兩種類型，在規(guī)則位姿下爬壁機(jī)器人每條腿的周期以及運(yùn)動軌跡都是固定的，只能在平坦的路面上行進(jìn)，具體包括對角位姿、跳躍位姿、三角位姿等，而非規(guī)則位姿下爬壁機(jī)器人腿的運(yùn)動是非固定的，可以根據(jù)不同的路面情況來調(diào)整腿部的運(yùn)動軌跡和周期[16]。由于爬壁機(jī)器人的運(yùn)動位姿涉及支撐相、擺動相、步長、位姿周期、腿相位、占空比等參數(shù)，因此在爬壁機(jī)器人的運(yùn)動位姿規(guī)劃過程中主要針對上述參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。其中支撐相和擺動相主要對應(yīng)的是爬壁機(jī)器人腿部與地面直接接觸以及懸空擺動兩種狀態(tài)，左右兩腿交替作為支撐相或擺動相。結(jié)合爬壁機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以得出其運(yùn)動步長與其腿長之間的關(guān)系如下：

(8)

式中，Lleg和Lstep分別為爬壁機(jī)器人的腿長和運(yùn)動步長，vavg為當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)下的平均速度，可以根據(jù)大數(shù)據(jù)聚類分析技術(shù)直接得出vavg的具體取值[17]。腿相位參數(shù)指的是兩腿之間的距離，以當(dāng)前支撐相的位置為固定點(diǎn)，腿相位的取值即為步長規(guī)劃值。整個位姿循環(huán)可分為兩個階段：支撐相階段和擺動相階段。腳部的上舉是支撐相階段的終點(diǎn)和擺動相階段的開端，而腳部的落點(diǎn)則是擺動相階段的終結(jié)和支撐相階段的起始[18]。那么在爬壁機(jī)器人位姿的規(guī)劃過程中，可以結(jié)合爬壁機(jī)器人的運(yùn)動目標(biāo)，確定任意時刻爬壁機(jī)器人各個關(guān)節(jié)和組成結(jié)構(gòu)的所處位置及位姿參數(shù)的規(guī)劃結(jié)果。以規(guī)則位姿中的對角位姿為例，其運(yùn)動位姿時序規(guī)劃結(jié)果如圖6所示。

圖6 爬壁機(jī)器人對角位姿規(guī)劃時序圖

采用多項(xiàng)式內(nèi)插法規(guī)劃了踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡，規(guī)劃結(jié)果可以量化表示為：

(9)

式(9)的求解結(jié)果xankle,swing(t)、yankle,swing(t)和zankle,swing(t)分別為單腿支撐期擺動腿踝關(guān)節(jié)在X、Y和Z方向上的運(yùn)動軌跡，t為時間變量，ai、bi和ci分別為常數(shù)系數(shù)，以運(yùn)動步長作為約束條件得出參數(shù)的具體取值，進(jìn)而得出式(10)的唯一解。根據(jù)擺動相的規(guī)劃結(jié)果，結(jié)合其與支撐相之間的腿相位關(guān)系，可以得出支撐相的位姿軌跡規(guī)劃結(jié)果[19]。同理可以得出不同運(yùn)動位姿下，爬壁機(jī)器人其他關(guān)節(jié)和組成元件的所處位置，通過大數(shù)據(jù)的聚類整合，得出最終的位姿規(guī)劃結(jié)果。

2.5 計算爬壁機(jī)器人位姿定位控制量

爬壁機(jī)器人位姿的控制量主要為關(guān)節(jié)角度和角速度，根據(jù)爬壁機(jī)器人位姿與關(guān)節(jié)軌跡的規(guī)劃結(jié)果，可以確定不同時刻爬壁機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)角度，通過對當(dāng)前爬壁機(jī)器人實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集，利用公式(10)得出控制量求解結(jié)果。

(10)

其中：θ和ν表示的是當(dāng)前采集的關(guān)節(jié)角度數(shù)據(jù)和運(yùn)行速度數(shù)據(jù)，θtarget為規(guī)劃位姿結(jié)果設(shè)定的關(guān)節(jié)目標(biāo)角度，若計算得出的Δθ為負(fù)數(shù)，則需要向逆時針方向調(diào)整關(guān)節(jié)角度，否則關(guān)節(jié)角度的調(diào)整方向?yàn)轫槙r針方向，而Δν取值為負(fù)，需要通過增大關(guān)節(jié)之間的摩擦力，執(zhí)行減速操作，否則向正方向增大運(yùn)動角速度[20]。

2.6 實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人位姿定位控制功能

將爬壁機(jī)器人位姿定位控制量計算結(jié)果輸入到硬件系統(tǒng)的控制器設(shè)備中，將其轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩，實(shí)現(xiàn)對實(shí)時爬壁機(jī)器人姿態(tài)的控制，保證爬壁機(jī)器人的實(shí)時運(yùn)行位姿與規(guī)劃結(jié)果一致[21]。在位姿定位控制的過程中，需要保證爬壁機(jī)器人的運(yùn)動穩(wěn)定，因此在不考慮爬壁機(jī)器人行走方向的情況下，利用公式(11)判斷爬壁機(jī)器人位姿是否穩(wěn)定。

(11)

式中,κh和κr分別為爬壁機(jī)器人前向和側(cè)向的行走穩(wěn)定參數(shù)，ωhi和ωri為兩個方向上的加權(quán)系數(shù)，而μX-Y、μY-Z以及μX-Z為XY、YZ和XZ三個空間維度上的方位角度。設(shè)置κ為爬壁機(jī)器人運(yùn)動穩(wěn)定臨界值，若式(11)的計算結(jié)果高于臨界值，則判定當(dāng)前爬壁機(jī)器人處于失穩(wěn)狀態(tài)。此時通過改變爬壁機(jī)器人的步長和步頻，調(diào)整爬壁機(jī)器人的步長以及腿相位，同時使足端與地面保持平行，使其在一定的步長范圍內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定步行[22]。為了不影響爬壁機(jī)器人位姿定位控制主程序的運(yùn)行，穩(wěn)定控制程序處于并行狀態(tài)，并與控制主程序同步運(yùn)行，即在保證爬壁機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)動的前提下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的位姿定位控制功能。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試研究是基于大數(shù)據(jù)聚類分析的爬壁機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以進(jìn)一步評估設(shè)計控制系統(tǒng)的可行性，并針對軟件系統(tǒng)運(yùn)行存在的問題進(jìn)行改進(jìn)和修正。此次系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)主要針對系統(tǒng)的位姿定位控制功能進(jìn)行測試，通過測試結(jié)果數(shù)據(jù)的分析，判定設(shè)計系統(tǒng)是否滿足設(shè)計與應(yīng)用要求。

3.1 準(zhǔn)備爬壁機(jī)器人測試樣機(jī)

實(shí)驗(yàn)選擇Paints型號的雙足爬壁機(jī)器人作為系統(tǒng)測試樣機(jī)，該爬壁機(jī)器人的尺寸大小約為600 mm*200 mm*200 mm，爬壁機(jī)器人質(zhì)量為5.96 kg，自由度能夠達(dá)到25以上，在正常使用情況下能夠保持90分鐘待機(jī)，內(nèi)置直流電機(jī)作為動力驅(qū)動設(shè)備，額定轉(zhuǎn)矩為5.0 mNm。選擇的爬壁機(jī)器人樣機(jī)腿部氣動肌肉的型號為DMSP-10-144N-RM-CM，其內(nèi)徑和額定長度分別為8.0 mm和127 mm，最大許用收縮、預(yù)張緊量分別為額定長度的20%和3%，最大遲滯和松弛量不高于額定長度的2%。爬壁機(jī)器人的每一條腿都包含兩個相互對抗的鉸鏈，每一個鉸鏈都有一對氣動肌肉。一共有8個關(guān)節(jié)，即這臺爬壁機(jī)器人一共需要18塊空氣肌肉。為了確保整個輕便爬壁機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)固定在軀干上，腿部與水平方向的角度為85°。髖部連接部位采用弧形長孔，使大腿與水平方向的角度從15～60°不等。小腿和膝蓋之間的連接處，也有一個弧形的長孔，這樣可以讓你的小腿和水平面的角度在15～100°之間改變。該設(shè)計可以任意調(diào)節(jié)大腿和小腿的初始角度，增加了機(jī)械調(diào)節(jié)的靈活性，同時也為以后的研究增加了可能。在大腿、小腿關(guān)節(jié)處，在關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸上安裝了一個角度傳感器。試驗(yàn)表明，當(dāng)每個氣動肌肉的最大搖擺角為24.5°時，其預(yù)受力為10%左右是最好的。爬壁機(jī)器人的腳部采用了一種半圓形的橡膠球體，由尼龍材質(zhì)的連接部分與腿部的底部連接，從而達(dá)到減震的效果。

3.2 生成爬壁機(jī)器人位姿定位控制實(shí)例

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置8個不同的爬壁機(jī)器人位姿定位控制目標(biāo)，位姿內(nèi)容包括直行位姿、曲線行走位姿、定向轉(zhuǎn)向位姿、對角位姿等，每個控制目標(biāo)實(shí)例的步行距離、位姿周期等參數(shù)均不同。編號01直行位姿實(shí)例的目標(biāo)如圖7所示。

圖7 爬壁機(jī)器人位姿定位控制目標(biāo)實(shí)例示意圖

編號01直行位姿實(shí)例的步行距離為15 m，擺動角速度控制目標(biāo)為0.5°/s，位姿周期為10 s。同理可以得出其他位姿定位控制目標(biāo)實(shí)例的具體生成結(jié)果，并記錄不同時刻爬壁機(jī)器人關(guān)節(jié)以及組成部分的位置與角度參數(shù)，以此作為判斷設(shè)計位姿定位控制系統(tǒng)控制效果的比對數(shù)據(jù)。

3.3 配置爬壁機(jī)器人位姿定位控制實(shí)驗(yàn)場景

為了測試爬壁機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)在不同環(huán)境下的適用性，實(shí)驗(yàn)設(shè)置平地環(huán)境和不平坦環(huán)境作為實(shí)驗(yàn)的兩個場景。選擇某實(shí)驗(yàn)室平臺作為平地實(shí)驗(yàn)場景，確保該場景表面無明顯凹陷與凸起，在此基礎(chǔ)上加設(shè)若干個紙板，并以不規(guī)則的形式分布在平地環(huán)境內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)不平坦環(huán)境的配置。上述兩個實(shí)驗(yàn)場景都采用了可變速度的帶式運(yùn)輸機(jī)，并在運(yùn)輸機(jī)周圍安裝了一種鋁合金防護(hù)架，在防護(hù)架的上面安裝了一個懸架，爬壁機(jī)器人被吊在了吊架下面。利用鋼索的牽引，當(dāng)爬壁機(jī)器人在移動中發(fā)生不穩(wěn)定狀態(tài)時，仍能保持其穩(wěn)定，并能有效地保護(hù)其安全，防止其因動作不穩(wěn)而發(fā)生損壞。配置的兩種實(shí)驗(yàn)場景均覆蓋無線通信網(wǎng)絡(luò)，保證控制信號的穩(wěn)定傳輸。

3.4 設(shè)置系統(tǒng)測試指標(biāo)

此次系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)主要針對位姿定位控制效果進(jìn)行測試，其中位姿定位控制效果設(shè)置測試指標(biāo)包括爬壁機(jī)器人的足端軌跡控制誤差、關(guān)節(jié)角度控制誤差和占空比控制誤差，其中足端軌跡控制誤差的數(shù)值結(jié)果為：

εposition=|xtar-xact|+|ytar-yact|

(12)

式中，變量(xtar,ytar)和(xact,yact)分別為爬壁機(jī)器人足端的目標(biāo)位置和實(shí)際位置的坐標(biāo)值。由于此次實(shí)驗(yàn)未設(shè)置跳躍、下蹲等位姿，因此無Z方向運(yùn)動。另外關(guān)節(jié)角度控制誤差和占空比控制誤差的數(shù)值結(jié)果可以表示為：

(13)

其中：θtar和θact為爬壁機(jī)器人任意關(guān)節(jié)的控制目標(biāo)值和實(shí)際值，Tbrace和Tswing對應(yīng)的是位姿支撐相時間和擺動相時間。計算得出εi的值越大，說明設(shè)計爬壁機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)的控制效果越差，因此確定3個誤差測試指標(biāo)的預(yù)設(shè)值分別為0.5、0.3°和0.05。

3.5 爬壁機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)測試過程與結(jié)果分析

在配置好的爬壁機(jī)器人位姿定位控制實(shí)驗(yàn)場景下，將準(zhǔn)備的爬壁機(jī)器人樣機(jī)放置其中，并連接控制系統(tǒng)中的硬件設(shè)備。在完成硬件調(diào)試的情況下，同時啟動爬壁機(jī)器人和控制系統(tǒng)軟件程序，將生成的位姿定位控制實(shí)例數(shù)據(jù)逐一代入到系統(tǒng)中，通過控制信號的傳遞以及控制器的運(yùn)行，完成爬壁機(jī)器人的位姿定位控制。平地實(shí)驗(yàn)場景下，直行位姿實(shí)例的控制運(yùn)行結(jié)果如圖8所示。

同理可以得出兩種實(shí)驗(yàn)場景下，所有控制任務(wù)的實(shí)現(xiàn)結(jié)果，并記錄爬壁機(jī)器人的實(shí)時運(yùn)動數(shù)據(jù)。通過足端軌跡位置數(shù)據(jù)的收集與統(tǒng)計，得出足端軌跡控制誤差測試結(jié)果，如圖9所示。

圖9 足端軌跡路線對比

將圖10中的數(shù)據(jù)代入到公式(12)中，計算得出εposition的平均值為0.34，低于預(yù)設(shè)值。

為進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，采用文獻(xiàn)[8]方法為實(shí)驗(yàn)對比方法，對比測試關(guān)節(jié)角度控制誤差和占空比控制誤差的測試結(jié)果，如表2所示。

表2 設(shè)計系統(tǒng)位姿定位控制精度測試數(shù)據(jù)表

將表2中的數(shù)據(jù)代入到公式(13)中，計算得出設(shè)計系統(tǒng)的εθ誤差平均值為0.1°，εβ誤差平均值為0.6%，明顯低于文獻(xiàn)[8]方法的控制誤差。由此證明，設(shè)計的基于大數(shù)據(jù)聚類分析的爬壁機(jī)器人位姿定位控制系統(tǒng)的控制功能滿足設(shè)計與應(yīng)用要求。

4 結(jié)束語

爬壁機(jī)器人作為智能時代發(fā)展的產(chǎn)物，已經(jīng)在諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用，爬壁機(jī)器人的關(guān)節(jié)靈活性以及運(yùn)動精準(zhǔn)度決定了其應(yīng)用價值。通過大數(shù)據(jù)聚類分析技術(shù)的應(yīng)用，有效地解決了爬壁機(jī)器人的運(yùn)動位姿控制問題。然而受到時間和空間的限制，系統(tǒng)測試實(shí)驗(yàn)設(shè)置的用例數(shù)量較少，且未對系統(tǒng)的運(yùn)動穩(wěn)定控制效果進(jìn)行測試，因此在設(shè)計系統(tǒng)投入應(yīng)用之前，還需要對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充。