仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制方法研究

眭 翔，徐林森，周瑞吉，劉進(jìn)福，龍 杰

(1.常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 常州市高端制造裝備智能化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213164；2.中國科學(xué)院 合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥 230032；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026；4.河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022；5.常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能控制學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

目前對(duì)于高層建筑清潔與檢測(cè)、大型化工罐體焊接與檢測(cè)、管道和隧道等狹小空間安全巡檢等場(chǎng)合，傳統(tǒng)條件下一般由人工作業(yè)來完成，有時(shí)在一些惡劣、狹小環(huán)境人工操作也很困難，不僅效率低下，而且經(jīng)常發(fā)生安全事故，每年因?yàn)闄z測(cè)不到位或意外事故產(chǎn)生了大量的損失，因此爬壁機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱門課題，眾多國內(nèi)外學(xué)者對(duì)爬壁機(jī)器人進(jìn)行了相關(guān)研究。在文獻(xiàn)[1]中，國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)者研究了多種結(jié)構(gòu)的爬壁機(jī)器人，但是主要是以導(dǎo)磁性材料為核心，只能適應(yīng)導(dǎo)磁性壁面。文獻(xiàn)[2]中廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)者研發(fā)了一種雙足爬壁機(jī)器人W-Climb，屬于足式機(jī)器人，運(yùn)動(dòng)能力較為靈活，但是爬行方式單一，只能吸盤吸附行走。國外學(xué)者研究更早，文獻(xiàn)[3]中斯坦福大學(xué)研究者采用金屬鉤刺設(shè)計(jì)了一種可以依附于墻面的仿生裝置，質(zhì)量很輕，負(fù)載能力偏弱。文獻(xiàn)[4]中以色列學(xué)者結(jié)合足式機(jī)器人及螳螂足底附著機(jī)理，設(shè)計(jì)了四足式仿生機(jī)器人，僅依靠貼合懸掛的方式附著與墻面。上述研究表明，目前國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的研究雖然已經(jīng)有些成果，但是仍處于功能單一、結(jié)構(gòu)簡單的狀態(tài)，缺乏一定的可靠性，存在較大的優(yōu)化空間。

尺蠖結(jié)構(gòu)簡單、體型小巧、運(yùn)動(dòng)迅速，本研究基于自然界尺蠖類生物的壁面攀爬機(jī)理[5-7]，結(jié)合仿生技術(shù)，研發(fā)了一種仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人，該機(jī)器人屬于一種仿生多連桿關(guān)節(jié)機(jī)器人，其關(guān)節(jié)采用具有扭矩控制功能的伺服電機(jī)。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，構(gòu)建了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)機(jī)器人采用進(jìn)行基于關(guān)節(jié)扭矩的力控方式，探索了基于極坐標(biāo)理論的機(jī)器人步態(tài)控制方法，并在實(shí)際樣機(jī)平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性和步態(tài)控制方法的平穩(wěn)性。

1 仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)

尺蠖是一種節(jié)肢類生物，在附著時(shí)它可以利用頭部和尾部的微小倒刺結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面的抓附，在運(yùn)動(dòng)時(shí)身體通過不斷的伸展和收縮來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退，結(jié)合尺蠖的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[8]，簡化其運(yùn)動(dòng)模式，本研究設(shè)計(jì)了多模式的仿尺蠖爬壁機(jī)器人。

仿尺蠖爬壁機(jī)器人虛擬樣機(jī)如圖1所示，尺蠖機(jī)器人是一種多連桿的雙足機(jī)器人，為了增加其負(fù)載能力，沒有選擇一些學(xué)者經(jīng)常采用的軟體材料或者記憶合金材料[9-10]，而采用在兩個(gè)足部之間由一個(gè)三自由度機(jī)械臂連接的方案。每條大臂長10 cm，總長75 cm，采用鋁合金制作，在機(jī)械臂上安裝了3個(gè)配有高精度絕對(duì)編碼器的伺服電機(jī)，每個(gè)電機(jī)扭矩20 N·m，通過CAN協(xié)議實(shí)現(xiàn)精確的位置和扭矩控制。

圖1 仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人虛擬樣機(jī)

仿尺蠖爬壁機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)多模式運(yùn)動(dòng)，其中攀爬模式是重要功能，為了實(shí)現(xiàn)附著功能，爬壁機(jī)器人足部設(shè)計(jì)了兩種附著機(jī)構(gòu)[11-12]，分別是真空負(fù)壓吸附和仿生爪刺抓附兩個(gè)功能模塊。真空負(fù)壓吸附模塊在每個(gè)足部安裝了兩個(gè)真空吸盤，通過真空泵抽真空來提供附著力。仿生爪刺附著裝置由兩對(duì)爪刺模組構(gòu)成，如圖2所示，爪刺模組安裝在足底部，每只足包含一對(duì)爪刺模塊，每一個(gè)模塊由多個(gè)爪刺足片組成，每對(duì)爪刺模塊的抓附由通過安裝在底部的高扭矩舵機(jī)控制，舵機(jī)可以針對(duì)不同的壁面控制張合的大小，以此實(shí)現(xiàn)抓附力度的控制。通過這兩個(gè)吸附裝置的配合，可以實(shí)現(xiàn)在平整表面和粗糙壁面等多種環(huán)境下的有效吸附。

圖2 爪刺足片

爬壁機(jī)器人除了可以利用兩種附著裝置實(shí)現(xiàn)多種壁面的攀爬，同時(shí)為了解決水平面到垂直壁面過渡的問題，機(jī)器人安裝了四個(gè)直流電機(jī)，可以在地面上行走，提高了機(jī)器人多種類型壁面的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了多模式的運(yùn)動(dòng)功能。

2 仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

2.1 多模式爬壁機(jī)器人坐標(biāo)系

當(dāng)機(jī)器人做爬壁運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過兩足的不斷交替吸附以實(shí)現(xiàn)循環(huán)攀附，同時(shí)身體關(guān)節(jié)不斷伸展和收縮以實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)[13]。對(duì)于這兩種運(yùn)動(dòng)，建立如圖3所示的坐標(biāo)系，圖中以攀爬時(shí)伸展姿態(tài)建立坐標(biāo)系。機(jī)器人的一只足命名為OA，與墻面保持固定的OA為基座標(biāo)，此處簡化模型，選擇以機(jī)器人三個(gè)關(guān)節(jié)分別命名為OA0,OA1,OA2，四個(gè)連桿的長度分別為L0,L1,L2,L3。定義連桿L0為機(jī)器人的基座標(biāo)系{0}，關(guān)節(jié)OA0為坐標(biāo)系{1}，關(guān)節(jié)OA1為坐標(biāo)系{2}，關(guān)節(jié)OA2為坐標(biāo)系{3}。

圖3 多模式爬壁機(jī)器人坐標(biāo)系

2.2 多模式爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解

本研究采用D-H參數(shù)法建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型[14-15]，如表1所示，定義各個(gè)關(guān)節(jié)軸心線為i，表中αi-1為軸心線i-1與軸心線i的夾角，αi-1為軸心線i-1與軸心線i的距離，即為連桿的長度，θi是指各個(gè)關(guān)節(jié)的角度,di則表示為軸心線i-1與軸心線i的垂直距離，對(duì)于相互平行的軸心線來說，該值一般為0。

表1 仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人D-H參數(shù)表

將坐標(biāo)系{i}經(jīng)過變換使其與{i-1}重合，則坐標(biāo)系{i}到坐標(biāo)系{i-1}的變換矩陣為：

即：

(1)

式中，c1表示的是cos(θi)，si則表示sin(θi)，以及下文出現(xiàn)的cij和sij分別為cos(θi+θj)和sin(θi+θj)。

當(dāng)i分別為1、2、3時(shí)，得到連桿i相對(duì)于基坐標(biāo)的變換陣如下：

(4)

將以上矩陣依次相乘，得到機(jī)器人末端位姿在笛卡爾坐標(biāo)系中的矩陣：

(5)

將式(2)～(4)代入式(5)中獲得末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系OA2在基坐標(biāo)系OA0中的位姿描述矩陣：

(6)

式中，cijk和sijk分別表示cos(θi+θj+θk)和sin(θi+θj+θk)，(px,py,pz)為機(jī)器人末端關(guān)節(jié)坐標(biāo)系在笛卡爾空間下的坐標(biāo)位置，?爬壁機(jī)器人末端執(zhí)行器的姿態(tài)。

2.3 多模式爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解

在仿尺蠖爬壁機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常需要運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，即需要將已知的笛卡爾空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成關(guān)節(jié)空間位置，該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解方法如下[16-17]，首先建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程組：

(7)

對(duì)式(7)中的式(1)和(2)左右平方和相加得：

(8)

以此分別求得：

(9)

(10)

由雙變量正反切公式計(jì)算得到：

θ2=Atan2(sin(θ2),cos(θ2))

(11)

由機(jī)械結(jié)構(gòu)限制和約束條件得到唯一解：

(12)

結(jié)合式(7)和(12)可以解算出θ1的值。為此改寫式(7)為：

(13)

式中,

(14)

假設(shè)：

(15)

γ=Atan2(k2,k1)

(16)

則有：

(17)

代入式(13)得：

(18)

因此可以得到：

(19)

故：

(20)

θ1=Atan2(py,px)-Atan2(k2,k1)

(21)

?=θ1+θ2+θ3=Atan2(s?,c?)

(22)

θ3=?-θ1-θ2

(23)

綜上可得運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解方程如下：

(24)

獲得爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解后，可以根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系空間位置解算爬壁機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度信息，通過控制器及編碼器數(shù)值可以進(jìn)行角度閉環(huán)控制，從而實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的靈活運(yùn)動(dòng)。

3 仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人步態(tài)控制

仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)地面—壁面過渡、壁面攀爬、壁面—天花板過渡三種狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)[18]，其中壁面攀爬為重要功能，本文重點(diǎn)分析。尺蠖通過不斷循環(huán)完成軀體的伸展姿態(tài)和收縮姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)雙足配合在墻壁上交替抓附來完成自身的吸附脫附等動(dòng)作。參考自然界尺蠖生物的攀爬原理和運(yùn)動(dòng)機(jī)理來設(shè)計(jì)一種高效穩(wěn)定的步態(tài)控制方案，本文將這種步態(tài)稱為尺蠖步態(tài)，需要控制3個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)爬壁機(jī)器人的尺蠖步態(tài)控制。仿尺蠖爬壁機(jī)器人攀爬狀態(tài)如圖4所示，機(jī)器人在攀爬過程中有伸展、收縮、駐留3種姿態(tài)。

圖4 仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人攀爬運(yùn)動(dòng)模式

當(dāng)機(jī)器人雙足吸附在墻面時(shí)，即為駐留狀態(tài)，兩只腳都依靠真空吸盤吸附，當(dāng)準(zhǔn)備向上攀爬時(shí)，機(jī)器人首先脫附上足OB，機(jī)器人通過三個(gè)伺服電機(jī)協(xié)同工作，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到伸展?fàn)顟B(tài)，并且保持足底與墻面保持平行且留有安全距離，避免發(fā)生碰撞。如圖4(a)所示，當(dāng)機(jī)器人從初始狀態(tài)向上達(dá)到伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)，機(jī)器人的關(guān)節(jié)OA2的具體運(yùn)動(dòng)路徑如圖中的虛線所示，且過程中避免角度過大，導(dǎo)致機(jī)器人發(fā)生后仰傾覆，即虛線S1和S2間距最小。當(dāng)完成伸展動(dòng)作后，爬壁機(jī)器人下足需要進(jìn)行收縮運(yùn)動(dòng)，如圖4(b)所示，其下足進(jìn)行向上運(yùn)動(dòng)，虛線為機(jī)器人下足的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡，完成后雙足吸附在墻面，進(jìn)行駐留，機(jī)器人不停實(shí)現(xiàn)伸展—收縮—駐留循環(huán)動(dòng)作就可以實(shí)現(xiàn)攀爬運(yùn)動(dòng)。

從圖4(c)中可以看出上足關(guān)節(jié)OA2的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖中虛線，為一個(gè)類似右邊半個(gè)橢圓的軌跡。基于這個(gè)半橢圓，補(bǔ)足另外半個(gè)橢圓，并以此軌跡進(jìn)行建模[19]。本文采用基于極坐標(biāo)理論的尺蠖步態(tài)軌跡規(guī)劃方法，首先時(shí)間信號(hào)t為基礎(chǔ)，建立兩個(gè)極坐標(biāo)方程，分別對(duì)應(yīng)笛卡爾空間下的X軸和Y軸的軌跡信息。具體的數(shù)學(xué)模型如式(25)所示：

(25)

式中，X和Y分別代表機(jī)器人末端連桿坐標(biāo)系在笛卡爾空間下的坐標(biāo)位置，即為(X,Y)。Xα和Yα為機(jī)器人末端連桿坐標(biāo)系的初始位置相對(duì)于基座標(biāo)系的初始位置偏移量，XR與YR則為尺蠖步態(tài)軌跡在笛卡爾坐標(biāo)系下在X軸與Y軸上的振幅，調(diào)節(jié)XR可以改變調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步長，調(diào)節(jié)YR能夠調(diào)整機(jī)器人與墻面的最遠(yuǎn)距離，但是該參數(shù)的設(shè)置不宜過大，否則機(jī)器人會(huì)出現(xiàn)后仰傾覆的問題。t為實(shí)時(shí)時(shí)間信號(hào)，T是一個(gè)正增益系數(shù)，該系數(shù)可以直接影響到機(jī)器人的運(yùn)行速度。

為了對(duì)模型進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)設(shè)置了三組參數(shù)來進(jìn)行相互對(duì)比驗(yàn)證，各個(gè)參數(shù)設(shè)置如式所示：

(26)

在上述仿真平臺(tái)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，得到如圖5所示的三組數(shù)據(jù)，三個(gè)圖分別表示以上三組數(shù)據(jù)下機(jī)器人末端連桿坐標(biāo)系在笛卡爾空間下的運(yùn)動(dòng)軌跡，從圖(a)、(c)、(e)中可以看出伴隨著Xα和Yα的逐漸增大，其橢圓形軌跡的X軸和Y軸的亦隨之增大。其中X軸的數(shù)據(jù)變化范圍分別是(1,3),(1,5),(2,8),Y軸的數(shù)據(jù)變化范圍分別是(1.5,2.5),(2,4),(3.5,6.5)，并且X軸的數(shù)據(jù)跨度為XR的2倍，Y軸的數(shù)據(jù)跨度為YR的2倍。故機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步長和運(yùn)動(dòng)幅度可以由Xα和Yα的值進(jìn)行調(diào)整。

圖5 步態(tài)軌跡規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

從圖5(b)、(d)、(f)中的曲線可以得到，隨著增益系數(shù)T的不斷增大，曲線在單位時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)頻率明顯逐漸減小，即在相同的時(shí)間內(nèi)，T值越大，末端連桿坐標(biāo)系在笛卡爾空間坐標(biāo)系下完成的橢圓軌跡數(shù)量就會(huì)相應(yīng)減少，也就是T值越小機(jī)器人運(yùn)行速度越快，T值越大運(yùn)行速度越慢。由此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，該基于極坐標(biāo)的仿尺蠖爬壁機(jī)器人的步態(tài)控制方法是有效的。

4 仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

4.1 多模式爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

完成仿尺蠖爬壁機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、步態(tài)規(guī)劃仿真后，基于這些數(shù)據(jù)，對(duì)于仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人的控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了上、下位機(jī)兩個(gè)部分。上位機(jī)部分采用基于Android平臺(tái)的手持式終端設(shè)計(jì)，下位機(jī)部分采用基于STM32F407嵌入式控制器的主控系統(tǒng)。

上位機(jī)手持終端的設(shè)計(jì)如圖6所示，終端采用無線圖數(shù)傳輸模塊接收下位機(jī)傳輸?shù)囊曨l信息和控制信息，底層控制芯片采用STM32F103控制器采集搖桿和按鈕的信號(hào)，同時(shí)接收下位機(jī)上傳的電機(jī)、傳感器等反饋信號(hào)，最后將采集的控制數(shù)據(jù)打包傳輸給Android平臺(tái)。上位機(jī)主監(jiān)控平臺(tái)采用Android平臺(tái)，屏幕上設(shè)計(jì)監(jiān)控區(qū)和設(shè)置區(qū)，其中監(jiān)控區(qū)顯示爬壁機(jī)器人的現(xiàn)場(chǎng)視覺監(jiān)控畫面及監(jiān)控的電壓、電流、壓力、速度和角度等參數(shù)，設(shè)置區(qū)提供信道選擇、工作模式、電機(jī)參數(shù)等設(shè)置，后臺(tái)處理程序同時(shí)把這些控制數(shù)據(jù)下發(fā)給機(jī)器人。

圖6 上位機(jī)手持終端

爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，主控采用STM32F407控制器，外接伺服電機(jī)、舵機(jī)、真空泵控制模組、直流電機(jī)和無線圖數(shù)傳輸模塊。主控器首先接收上位機(jī)手持終端通過無線圖數(shù)傳輸模塊下發(fā)的配置參數(shù)，寫入存儲(chǔ)器后，啟動(dòng)主程序。其中主控通過CAN總線控制3個(gè)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)為驅(qū)控一體結(jié)構(gòu)，同時(shí)帶扭矩控制的伺服電機(jī)，可以提供24 N·m的扭矩。

圖7 下位機(jī)控制系統(tǒng)

吸附裝置采用真空泵和電磁氣閥組合控制實(shí)現(xiàn)吸附和脫附功能[20-22]，當(dāng)需要吸附時(shí)真空泵打開進(jìn)行吸附，控制器可以通過壓力傳感器檢測(cè)吸附效果，當(dāng)需要脫附時(shí)，控制器一邊控制真空泵繼電器失電停止抽真空，同時(shí)為了加快脫附，另一邊通過控制加裝的電磁氣閥得電加快放氣。爪刺模組的控制，通過兩個(gè)舵機(jī)來控制兩個(gè)足端的爪刺的張合，在兩足吸附后，通過控制爪刺的收縮量來控制抓附的力度，從而增強(qiáng)吸附能力，提高了多種粗糙度壁面的適應(yīng)能力。機(jī)器人同時(shí)可以在平面到壁面的過渡進(jìn)行行走，其通過主控驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)以實(shí)現(xiàn)，這個(gè)行走功能增加了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式，適應(yīng)仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。

4.2 多模式爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

完成控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)后，需要進(jìn)行機(jī)器人控制軟件設(shè)計(jì)[23-25]，仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人軟件控制程序流程如圖8所示，左側(cè)為下位機(jī)主控程序結(jié)構(gòu)，右側(cè)為上位機(jī)監(jiān)控端程序結(jié)構(gòu)。首先上位機(jī)監(jiān)控端主要是視頻顯示和收發(fā)控制數(shù)據(jù)，與下位機(jī)通過通信關(guān)鍵幀來判斷連通狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)通信故障并顯示故障代碼。下位機(jī)主控通過上位機(jī)下發(fā)通信狀態(tài)關(guān)鍵幀來判斷通信鏈路狀態(tài)，系統(tǒng)啟動(dòng)后首先進(jìn)行姿態(tài)復(fù)位操作，初始化機(jī)器人初始位置，記錄編碼器初始值。反饋復(fù)位狀態(tài)，等待監(jiān)控終端指令，當(dāng)接收到終端指令后，根據(jù)控制參數(shù)，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模式。不同的運(yùn)動(dòng)模式對(duì)應(yīng)不同的步態(tài)軌跡算法，算法相應(yīng)的控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，主控制器實(shí)時(shí)將關(guān)節(jié)伺服電機(jī)的如電壓、電流、位置、角度和扭矩等信息上傳到算法模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整，同時(shí)主控也監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)以及控制系統(tǒng)電壓、電流、真空壓力等信息，如果發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警。

圖8 控制系統(tǒng)軟件程序流程圖

4.3 多模式爬壁機(jī)器人攀爬實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)搭建，結(jié)合步態(tài)規(guī)劃仿真數(shù)據(jù)，進(jìn)行了機(jī)器人攀爬實(shí)驗(yàn)。仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人自重約9 kg，總長約75 cm，仿尺蠖爬壁機(jī)器人攀爬實(shí)驗(yàn)如圖9所示。

圖9 攀爬實(shí)驗(yàn)

首先機(jī)器人根據(jù)箭頭方向以直線姿態(tài)前進(jìn)到目標(biāo)墻壁，通過前足的吸附及爪刺收縮實(shí)現(xiàn)固定，之后開始地墻過渡動(dòng)作，上位機(jī)發(fā)出過渡指令后，下位機(jī)主控根據(jù)指令運(yùn)行過渡程序，控制3個(gè)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，機(jī)器人從直線狀態(tài)轉(zhuǎn)換到爬壁狀態(tài)，之后后足進(jìn)行吸附固定，整個(gè)過程耗時(shí)1.5 s。之后機(jī)器人雙足吸附在壁面，進(jìn)行向上攀爬，經(jīng)過測(cè)試，機(jī)器人設(shè)置路程1 000 mm，負(fù)載2 kg時(shí)，速度可達(dá)90 mm/s，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多模式爬壁機(jī)器人攀爬功能的可靠性，但是由于機(jī)器人吸附和脫附比較耗時(shí)間，所以機(jī)器人整體目前速度不是太快，后期可以進(jìn)一步優(yōu)化步態(tài)算法。

同時(shí)采集的關(guān)節(jié)3的軌跡角度誤差數(shù)據(jù)如圖10所示，在負(fù)載測(cè)試情況下，關(guān)節(jié)3軌跡誤差在短暫振蕩超調(diào)后，于0.24 s左右進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)證明機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中具有良好的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了各項(xiàng)預(yù)設(shè)目標(biāo)。

圖10 關(guān)節(jié)軌跡誤差圖

5 結(jié)束語

本文結(jié)合自然界尺蠖類生物的壁面攀爬機(jī)理，利用仿生爬壁技術(shù)，研發(fā)了一種仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人，機(jī)器人設(shè)計(jì)了真空吸附和爪刺抓附兩種吸附裝置，并建立了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，進(jìn)行了正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。同時(shí)研究了基于極坐標(biāo)理論的機(jī)器人步態(tài)控制方法，并通過地墻過渡和壁面攀爬測(cè)試，實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)可以完成爬壁機(jī)器人的地墻狀態(tài)切換，并且壁面攀爬速度可達(dá)90 mm/s，運(yùn)行過程穩(wěn)定，具有良好的抗傾覆能力。本文研究的仿尺蠖多模式爬壁機(jī)器人建模與控制方法為雙足類仿生機(jī)器人進(jìn)一步研究提供了參考。