類壁虎仿生機器人機械控制及實驗

邱海飛, 張嘉友, 李成創(chuàng), 許 昊, 王超輝, 彭永霄

(1.西京學(xué)院 機械工程學(xué)院,西安 710123, E-mail: qhf8386@163.com;2.西京學(xué)院 電子信息學(xué)院,西安 710123)

人類早期的一些造物活動基本都是以自然生物體為藍本,萬物之形為人類社會的創(chuàng)新發(fā)展提供了原動力。作為自然界中常見的一種爬行綱動物,壁虎從遠古時期演變至今,不僅在進化過程中經(jīng)受住了物競天擇的考驗,而且還形成了自身所獨有的體態(tài)特征和先天功能,如在陡壁上吸附攀爬,是壁虎區(qū)別于其它爬行動物的典型標志[1]。在科學(xué)研究領(lǐng)域,對于仿生壁虎的探究一直備受關(guān)注和重視,而且類壁虎仿生機械的研究和發(fā)展也日益成熟,并已在民用、軍事及航天等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

目前,關(guān)于仿生壁虎的研究主要集中在吸附方式和移動技術(shù)兩方面[2],美國、日本等工業(yè)科技發(fā)達國家在這一領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平,例如:斯坦福大學(xué)將人造橡膠制成的微小毛發(fā)應(yīng)用于壁虎腳趾吸附,并利用電機和四桿機構(gòu)實現(xiàn)了壁虎的抬腿移動;加州大學(xué)伯克利分校與Robot合作開發(fā)了輪式驅(qū)動壁虎機器人,可通過預(yù)裝和剝離粘合劑來實現(xiàn)壁面吸附;日本三菱重工成功研制出了可在鋼筋墻壁、天花板上吸附運動的磁性爬壁噴涂機器人,現(xiàn)已向市場出售和應(yīng)用;日本應(yīng)用技術(shù)研究所面向油罐、球形煤氣罐及船舶等大型構(gòu)造壁面,推出了一種車輪式磁吸附爬壁機器人,可替代人工進行維護作業(yè)[3]。相比之下,雖然國內(nèi)在爬壁機器人應(yīng)用和壁虎腳掌吸附材料研究方面也取得了一定成果,但與國外先進水平還存在一定差距,國內(nèi)在該領(lǐng)域影響較大的有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海大學(xué)及中國科學(xué)院沈陽自動化所等[4]。

本文以爬壁虎為仿生原型,設(shè)計研制了一種具有吸附攀爬、自動避障、可視探測及遠程操控功能的智能仿生機械壁虎,為懸壁勘探、險境搜救、環(huán)境監(jiān)測及仿生玩具開發(fā)等提供了有效解決方案。

1 仿生思路及方法

根據(jù)壁虎體態(tài)特征和運動特點,對其軀體構(gòu)造及功能進行模塊化分解,如圖1所示,將整只壁虎劃分為七大模塊,即頭部、眼睛、軀干、大腿關(guān)節(jié)、小腿關(guān)節(jié)、腳掌趾及尾部。在此基礎(chǔ)上,通過數(shù)字化建模、機構(gòu)學(xué)仿真及單片機程序開發(fā)等,構(gòu)建仿生壁虎機、電、氣控制系統(tǒng)和預(yù)期爬行步態(tài),同時將現(xiàn)代智能控制元素與仿生機體功能特征相融合,形成一種具備智能特性的類壁虎四足仿生機器人。

▲圖1 壁虎體態(tài)模塊劃分

具體仿生功能模擬及其實現(xiàn)方法見表1。為使仿生機械壁虎具備良好的機動可靠性,采用機械連桿、輪組及舵機等模擬和拓展腿部關(guān)節(jié)構(gòu)造。利用電磁閥、真空泵、軟管及真空吸盤等,模擬壁虎的腳掌絨毛吸附和平衡防跌,并通過有序控制不同部位吸盤的負壓通斷,實現(xiàn)仿生關(guān)節(jié)在墻壁上的吸附停留與攀爬運動。此外,仿生機體系統(tǒng)內(nèi)部搭載有超聲波自動避障和無線圖傳攝像模塊,不僅能對行進中的障礙物發(fā)生快速響應(yīng)和智能避越,而且可借助顯示終端實時探測、監(jiān)控和分析外部環(huán)境,以此實現(xiàn)對壁虎視覺系統(tǒng)的功能模擬。

表1 仿生功能及其實現(xiàn)方法

2 吸附原理與實現(xiàn)

2.1 氣動回路

為了實現(xiàn)仿生機械壁虎的爬墻功能,利用真空吸盤、軟管、三通管、電磁閥和真空發(fā)生器等構(gòu)建氣動回路,如圖2所示,該氣動系統(tǒng)由一個真空發(fā)生器產(chǎn)生負壓,通電工作時,氣流負壓經(jīng)一個三通管分為兩路,并由兩個電磁閥分別控制負壓氣路通斷,進而使四個吸盤根據(jù)實際需要有序產(chǎn)生真空負壓,即每個電磁閥可同時控制兩個吸盤產(chǎn)生真空吸力。

▲圖2 氣流控制回路

當機械壁虎吸附在墻面上靜止不動時,兩個電磁閥都處于開啟狀態(tài),四個真空吸盤同時產(chǎn)生吸力;當機械壁虎在墻面攀爬前行時,為了保持機體平衡和足夠的吸附力,在腿關(guān)節(jié)抬升過程中至少應(yīng)保持兩個真空吸盤同時產(chǎn)生吸力,此時一個電磁閥處于開啟狀態(tài),而另一個電磁閥處于閉合狀態(tài)。

2.2 吸附力計算

壁虎停留在垂直墻壁上時,四只腳趾產(chǎn)生的絨毛吸附力必須大于等于自身重量[5]。根據(jù)腿部關(guān)節(jié)構(gòu)造和機身尺寸,選用直徑d=50 mm的橡膠真空吸盤,則吸盤面積S=πr2=2.52π≈19.63 cm2,其吸附力計算方法如式(1)所示。

(1)

式中:W—吸附力,N;P—真空度,-kPa;S—吸盤面積,cm2;f—安全系數(shù),f>=2.5。

▲圖3 真空吸盤垂直懸掛

真空吸盤一般有垂直和水平兩種懸掛方式,壁虎吸附停留在墻壁上時相當于垂直懸掛[6],如圖3所示,因此,取安全系數(shù)f=8。分析承力情況可知,要使機械壁虎能夠吸附于垂直墻面之上,必須令吸盤底面與墻面之間的最大靜摩擦力Fmax大于等于機體自重Gm,如式(2)所示。

Fmax=μ·W≥mg

(2)

壁虎靜止停留于墻壁時所需吸附力W可按式(3)進行估算。已知仿生壁虎機體質(zhì)量m≈1.35 kg,重力加速度g≈9.8 m/s2,吸盤表面與墻面之間的最大靜摩擦因數(shù)μ=0.45,則由式(3)可知W≥29.4 N,即最小吸附力為Wmin=29.4 N。

(3)

分析壁虎運動特點可知,為了使身體平衡,其爬墻運動過程至少有兩個腳掌同時吸附于墻面之上[7]。因此,仿生機械壁虎必須保持至少兩個吸盤同時處于工作狀態(tài)。所以,單個吸盤的真空度可按式(4)進行計算。

(4)

令安全系數(shù)f=3.5,將Wmin、S和f的值代入式(4),計算可知P≥26.21 kPa,即單個吸盤所需要的最小吸附負壓為-26.21 kPa。為保證仿生機械壁虎具有足夠安全的吸附力,在此,選用負壓為-55 kPa的真空泵作為真空發(fā)生器。

3 控制系統(tǒng)開發(fā)

3.1 步態(tài)分析

仿生機械壁虎可看作為一種四足仿生機器人,因此,設(shè)計其步態(tài)規(guī)劃時常采用Trot步態(tài),如圖4所示。Trot步態(tài)是一種典型的對稱步態(tài),由于適用于中低速跑動,而且具有較高的能量效率,所以經(jīng)常被應(yīng)用于四足機器人[8]。

▲圖4 步態(tài)規(guī)劃時序

當仿生機體以Trot步態(tài)運動時,對角位置的兩條腿(即:左前#1與右后#3,左后#2與右前#4)同時發(fā)生運動,并且會在半周期時刻進行切換。在理想狀態(tài)下,對角位置的兩條腿會同時抬起和落地。

為便于步態(tài)分析,令一個運動周期為1,設(shè)占空比為 0.5。分析圖4所示仿生機械壁虎運動時序可知,在初始0時刻,對角線上的左前#1與右后#3先擺動,并在接近半周期時(1-ρ)進入支撐相,與此同時,對角線上的左后#2與右前#4開啟擺動;當接近一個周期時(1.5-ρ),左后#2與右前#4進入支撐相,此時,左前#1與右后#3再次進入擺動相,并開始執(zhí)行下一個運動周期[9]?？刂撇綉B(tài)運行時,在0～0.5個周期內(nèi),輸出第1組坐標,在0.5～1個周期內(nèi),輸出第2組坐標。

3.2 控制流程

根據(jù)機電系統(tǒng)構(gòu)成和仿生功能執(zhí)行要求,構(gòu)建如圖5所示控制流程,打開電源開關(guān)后,首先對機體進行初始化,然后等待藍牙連接更新系統(tǒng)數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上利用串口通信執(zhí)行驅(qū)動程序。避障功能通過超聲波傳感器測距來實現(xiàn),當障礙物感應(yīng)距離小于20 cm時,通過頭部舵機左右擺動檢測和選擇行走路徑。若左側(cè)存在大于20 cm距離的行走空間,機體執(zhí)行左轉(zhuǎn)指令;若左側(cè)無障礙空間距離小于20 cm時,避障模塊執(zhí)行右側(cè)距離檢測,此時,若右側(cè)無障礙空間距離大于20 cm,機體執(zhí)行右轉(zhuǎn)避障,否則說明路徑不通,機體直接掉頭返回。

▲圖5 控制流程圖

仿生壁虎在平地機動時,若超聲波傳感器的無障礙感應(yīng)距離大于20 cm,說明前行路徑無障礙,機體隨即啟動直行初始化指令,為直走前行做好準備。在吸附爬墻時,機體通過兩個電磁閥的開關(guān)來產(chǎn)生負壓吸力,與此同時,各路舵機按照Trot步態(tài)有序控制左、右腿的抬、邁、落,由此實現(xiàn)仿生機械壁虎的移位換步與吸附攀爬。

3.3 硬件系統(tǒng)開發(fā)

以Arduino開源電子平臺為依據(jù) ,設(shè)計開發(fā)仿生機械壁虎硬件控制系統(tǒng),如圖6所示,Arduino主控板集成和擴展了降壓模塊(LM2596S)、電機驅(qū)動(L298N)、藍牙模塊(hc05)、氣泵開關(guān)及電源端子等,并且通過I2C協(xié)議與舵機控制板建立通信渠道,進而實現(xiàn)對各路舵機的獨立控制。

▲圖6 電路硬件開發(fā)板

為了保證Arduino開發(fā)板和hc05藍牙模塊能夠平穩(wěn)供電,需要通過降壓模塊LM2596S對外接電源進行降壓處理,降壓模塊LM2596S可負載5A大電流,以滿足舵機工作時的峰值電流。系統(tǒng)控制電路原理如圖7所示,由于舵機同時工作所需電流較大,所以電源方案采用串聯(lián)系統(tǒng)供電(即:3節(jié)5C的18650鋰電池),利用XL4016E降壓模塊將12 V電壓降為6 V為9路舵機供電。

▲圖7 控制電路原理圖

4 仿生造型設(shè)計

在SolidWorks2020環(huán)境下對各仿生模塊進行三維實體造型設(shè)計,從仿生學(xué)角度構(gòu)建壁虎機械結(jié)構(gòu)和功能特征[10],并通過虛擬裝配建立仿生機械壁虎的數(shù)字樣機,如圖8所示,在頭部前端面配置有兩個圓柱形超聲波模塊(HC-SR04),在實現(xiàn)機動避障功能的基礎(chǔ)上,形象地模擬了仿生壁虎的雙眼構(gòu)造。同時,將一個具有Wifi無線圖傳功能的攝像頭安裝在上頭部前端正中間位置,可通過手機終端實時接收所拍攝的圖傳畫面,使仿生壁虎具備了真正意義上的視覺系統(tǒng)。

▲圖8 仿生機械壁虎數(shù)字樣機總成

仿生造型需兼顧形態(tài)、功能及結(jié)構(gòu)等多方面因素,而且在仿形設(shè)計基礎(chǔ)上應(yīng)盡量全面的實現(xiàn)壁虎的體態(tài)及功能模擬[11]。此外,為提高仿生機械壁虎的設(shè)計精度和可靠性,要求各三維實體零部件之間無干涉和過約束,并且從Toolbox設(shè)計庫中直接調(diào)用螺釘、螺栓及螺母等緊固件。

5 腿關(guān)節(jié)功能構(gòu)造

5.1 機構(gòu)學(xué)分析

仿生機械壁虎腿關(guān)節(jié)三維構(gòu)造如圖9所示,其機構(gòu)學(xué)原理為:舵機1通過轉(zhuǎn)軸驅(qū)動大腿關(guān)節(jié),使其繞Y軸作往復(fù)轉(zhuǎn)動,由此實現(xiàn)壁虎在XOZ平面上的爬行轉(zhuǎn)向與機動換位;通過上、下連桿拓展大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)構(gòu)造,使其構(gòu)成平面四桿機構(gòu),并由舵機2驅(qū)動下連桿繞Z軸作往復(fù)轉(zhuǎn)動,與此同時,小腿關(guān)節(jié)在上、下連桿帶動下在XOY平面內(nèi)作升降運動,由此模擬壁虎在爬行過程中的抬腿動作。

▲圖9 腿關(guān)節(jié)三維實體模型

由腿部關(guān)節(jié)構(gòu)造可知,舵機2、上連桿、下連桿與小腿關(guān)節(jié)構(gòu)成一個平面四桿機構(gòu),其自由度計算方法如式(5)所示[12]。由分析可知,活動構(gòu)件數(shù)目n=3、低副PL=4、高副PH=0,故自由度F=1。又因為舵機1使大腿關(guān)節(jié)具備一個轉(zhuǎn)動自由度,所以整個腿部關(guān)節(jié)構(gòu)造的自由度為2,與提供動力的舵機數(shù)目相同,說明腿部關(guān)節(jié)具有確定運動,符合機構(gòu)學(xué)設(shè)計條件。

F=3n-2PL-PH

(5)

5.2 軌跡仿真

通過綜合控制舵機1和舵機2的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)角等關(guān)鍵參數(shù),即可按照機構(gòu)學(xué)條件實現(xiàn)仿生壁虎預(yù)期爬行步態(tài)。在ADMAS/View環(huán)境下對仿生關(guān)節(jié)運動軌跡進行仿真,已知所采用的舵機驅(qū)動轉(zhuǎn)速約在(53～62)r/min之間,所以將舵機1和舵機2的轉(zhuǎn)速均設(shè)定為60 r/min,并通過Step函數(shù)構(gòu)建正反轉(zhuǎn)Motion驅(qū)動,以此實現(xiàn)對大、小腿關(guān)節(jié)的獨立控制。

Step函數(shù)通過三次多項式逼近海賽(Heaviside)階躍函數(shù),其構(gòu)成如式(6)、式(7)所示。式中:t—自變量;t0—階躍起點自變量值;h0—階躍起點函數(shù)值;t1—階躍終點自變量值;h1—階躍終點函數(shù)值[13]。

(6)

(7)

壁虎爬行過程中,大腿關(guān)節(jié)處于按照Trot步態(tài)進行前后擺動[14],此時A、B、C、D點均為動點,其運動軌跡如圖10所示,十分明顯,各動點擺動軌跡均為圓弧段,其擺動角度在0～73°之間。從起始位置和終止位置來看,各軌跡線從長到短依次為A、B、D、C,且各段軌跡線光滑無干涉,說明大腿關(guān)節(jié)運動過程平穩(wěn),具有良好的機構(gòu)傳力特性。

▲圖10 大腿關(guān)節(jié)運動軌跡

與大腿關(guān)節(jié)不同,小腿關(guān)節(jié)的運動主要為升降狀態(tài),如圖11所示,為了實現(xiàn)仿生壁虎的換步爬行,在小腿關(guān)節(jié)升降運動過程中,只有A點和B點為動點,而C點和D點則始終處于相對靜止狀態(tài)。通過后處理模塊測繪可知,小腿關(guān)節(jié)從起始位置運動至終止位置時,A點和B點圓弧軌跡的角度區(qū)間為0～43°,吸盤抬升高度約為33.6 mm,且各構(gòu)件之間無干涉或碰撞發(fā)生,能夠很好地滿足壁虎的移位換步要求。

▲圖11 小腿關(guān)節(jié)運動軌跡

5.3 關(guān)節(jié)應(yīng)力與變形

在平地支撐條件下對腿關(guān)節(jié)構(gòu)造進行靜力學(xué)分析,利用WorkBench建立如圖12所示有限元網(wǎng)格模型,該模型共包含51 021個單元和113 289個節(jié)點。根據(jù)仿生機構(gòu)連接關(guān)系定義和施加約束條件,其中,驅(qū)動大、小腿關(guān)節(jié)的舵機(MG996R型)扭矩為1.274 N·m,各運動構(gòu)件之間采用實體面組接觸,并在鉸接處沿軸向施加圓柱副約束。

▲圖12 腿關(guān)節(jié)有限元模型

為保持機體平衡,應(yīng)至少有兩條腿同時支撐于地面,因此,可按照式(8)計算作用于腿關(guān)節(jié)的靜態(tài)載荷,式中:P0—支撐反力;Gm—機體總重;N—支撐腿的數(shù)量;S—支撐面積。已知機體質(zhì)量m=1.35 kg,支撐面積S=251 mm2,則當兩條腿起支撐作用時(N=2),根據(jù)式(8)可知,支撐反力P0≈26 354.6 Pa。

(8)

運行靜力學(xué)分析計算,獲得如圖13所示應(yīng)力和變形結(jié)果。分析應(yīng)力圖解可知,由于舵機扭力作用,使得大腿關(guān)節(jié)和下連桿的舵機連接端發(fā)生了明顯應(yīng)力分布,最大應(yīng)力出現(xiàn)在下連桿一側(cè),約為15.49 MPa,如圖13(a)所示。仿生關(guān)節(jié)構(gòu)件材質(zhì)為光敏樹脂,均由光固化3D打印工藝制成。由于光敏樹脂的拉伸屈服強度約為60 MPa,彎曲屈服強度約為75 MPa,遠大于最大分布應(yīng)力,所以腿關(guān)節(jié)構(gòu)造符合強度設(shè)計安全。由靜力變形結(jié)果可知,大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)的變形量接近于0,與之相比,下連桿橫軸端附近區(qū)域發(fā)生了明顯變形,如圖13(b)所示,最大變形量僅為0.38 mm,不會影響腿關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)剛度安全。

▲圖13 靜力學(xué)分析結(jié)果

6 實驗測試

根據(jù)仿生壁虎的機械結(jié)構(gòu)開展氣電動布局,制作如圖14所示實驗樣機,該樣機總重質(zhì)量約1.35kg,機體內(nèi)部配裝有Arduino開發(fā)板、真空泵、電池及其它相關(guān)電子元器件。壁虎腿關(guān)節(jié)驅(qū)動由兩路舵機共同作用實現(xiàn),其中,大腿關(guān)節(jié)采用扭力為13 kg·cm的MG996R舵機,小腿關(guān)節(jié)采用扭力為2 kg·cm的MG90S舵機。為提高仿生機械壁虎的機動性,在小腿關(guān)節(jié)還配裝有可拆卸輪組,即當機體處于地面或其它地形時,可通過輪組替代吸盤進行快速移動。其它非標件如腿關(guān)節(jié)、頭部、尾巴及連桿等均由3D打印制成。

▲圖14 實驗樣機總成

仿生機械壁虎實驗測試現(xiàn)場實拍如圖15所示,主要包括吸附攀爬、遠程操控、超聲波避障和無線圖傳等,其中,遠程藍牙有效測控距離約為50 m～80 m,藍牙模塊(hc05)與Arduino開發(fā)板之間采用實時串口通信。壁虎頭部最前端的超聲波模塊HC-SR04通過聲波反射時間差計算障礙物實際距離,單片機接收到聲波檢測信號后會控制壁虎自動避開障礙物。

▲圖15 仿生機械壁虎功能測試

在操控仿生機械壁虎時,首先需在手機終端與Arduino系統(tǒng)之間建立藍牙連接,然后對控制系統(tǒng)執(zhí)行初始化命令,使機體的運動、吸附、視覺、避障等功能處于就緒狀態(tài),在此基礎(chǔ)上通過手機交互控制終端對其開展實驗研究,以檢驗機體的各項仿生功能。多次實驗測試表明,該仿生機械壁虎能夠快速響應(yīng)智能操控要求,具有良好的運行穩(wěn)定性和機動能力。

7 結(jié)語

本文從仿生學(xué)角度準確模擬了壁虎的功能構(gòu)造和運動形態(tài),實現(xiàn)了仿生機械壁虎的“機、電、氣、智”多維度一體化設(shè)計,并通過樣機測試驗證了仿生設(shè)計思路的正確性與可行 性,為爬行綱動物的仿生設(shè)計提供了創(chuàng)新思路和技術(shù)導(dǎo)引。相對于以往同類研究,該仿生機械壁虎不僅機動靈活、智能可控,而且同時兼容了吸附攀爬、自動避障、可視勘探及遠程操控等實用功能,具有可期的實踐發(fā)掘潛力與應(yīng)用前景。

盡管如此,該仿生機體仍存在很大改進空間,如電源供應(yīng)問題和高空作業(yè)安全性等。在后續(xù)研究探索中,可考慮采用光伏供電,以提高電源續(xù)航能力和戶外環(huán)境適應(yīng)性,同時應(yīng)為機體配置智能降落傘,消除高空墜落安全隱患。