輪腿式變胞機器人變形結構設計及其動力學分析①

劉紅艷

(安徽文達信息工程學院，安徽 ？230000)

0 引 言

機器人被人們廣泛應用于高危救險、工業(yè)制造以及醫(yī)療等領域。機器人類型多樣，功能各不相同，能夠代替人類從事很多工作內(nèi)容。特別是小型移動機器人成為目前各國主要研究的對象，小型移動機器人具有良好的隱蔽性，在復雜、多變的環(huán)境中能夠完成機器偵查、跟蹤等特殊任務[1]。目前小型移動機器人運動形式主要有輪式與仿真足兩種，輪式結構運用場景多樣、適應性強，同時靈活性、效率都更高[1-2]。不過輪式機器人在結構化復雜的場景面臨移動困難問題，因此針對小型化輪腿式移動機器人展開研究，分析機器人運動力學參數(shù)，優(yōu)化輪腿式機器人在復雜環(huán)境下的運動效果，為相關性移動機器人提供理論技術參考。

1 輪腿式變胞機器人變形結構設計

輪腿式機構在機器人運動中的優(yōu)勢明顯，特別是傳統(tǒng)障礙物圓輪結構難以跨越，而可變輪腿式可以以腿式進行障礙物的跨越。變形輪的設計中，要使得輪、腿模式實現(xiàn)靈活的變化，提升結構運動效率，就需要對機構組間進行參數(shù)優(yōu)化，如車輪變化狀態(tài)產(chǎn)生的力矩越小，其轉(zhuǎn)換成的運動效率就越高，同時機器人可以越過的障礙物將由變形輪變形前后的直徑比而定[4-5]。所以在設計優(yōu)化中主要優(yōu)化驅(qū)動力矩以及兩種模式下的半徑比，變形輪變化狀態(tài)如圖1所示。

如圖1(a)所示，變形輪兩組四連桿結構保持穩(wěn)定，其中ACCD均為腿i上四個點參數(shù)，變形輪三條腿等效，且運動相同，運動拓撲結構始終保持旋轉(zhuǎn)中心對稱。其中圓輪半徑為R，輪輻半徑為lOA，可以到變形輪設計變量如式子(1)所示。

(1)

變形輪變化由四連桿結構改變產(chǎn)生，如圖1(b)所示得到機構約束關系如式子(2)所示。

(2)

(3)

式子(3)中m為構建腿3外構架總質(zhì)量。變形輪變經(jīng)比為λ，根據(jù)變形幾何關系得到等效半徑lOD3表達式(4)。

(4)

結合變形輪幾何推導公式得到lB3D3以及變量cosδ，結合式子(4)得到變徑比與lOA之間的函數(shù)關系。

對變形輪的約束中，確定圓輪半徑R，圓輪輪輻半徑lOA不能隨意取值，因此可以得到幾何約束表達式如式子(5)所見。

(5)

變形輪機器穩(wěn)定性的研究采取穩(wěn)定錐方法求解機器人整機模型，通過判別關系來判別機器人是否有傾翻問題，具體如圖2所示[7]。

在機器人斜面穩(wěn)定性研究中，機器人要具備穩(wěn)定的條件是凸邊形與機器人穩(wěn)定錐之間的邊和夾角的夾角應該大于0。由質(zhì)心O′為原點建立坐標系，三個角點到O′可以表達為式子(6)。

qi=(qix,qiy,qiz)t(i=1,2,3)

(6)

(7)

機器人穩(wěn)定角可以表示為式子(8)。

(8)

2 機器人運動控制平臺仿真測試

由圖3可知，在機器人仿真測試中，初始位姿即便直線距離大于4米的情況下，所采用的控制方案機器人仍舊可以獲得比較好的穩(wěn)定控制效果，并且在10秒的時間內(nèi)很快的獲得跟蹤參考位置。機器人調(diào)整速度與初始位姿誤差、加速度約束以及運動速度約束有關，并且在實際測試中，機器人穩(wěn)定調(diào)整效果也與增益常數(shù)的整定有關。

由圖4仿真測試結果可以看出，在隨時間變化的目標位姿運動曲線中，機器人所設計的位姿穩(wěn)定控制方案可以在20s時間內(nèi)獲得參考位姿的跟蹤，同時在測試結果中也可以看出機器人的實際速度與方向角都可以很快達到目標收斂值。采用帶卡爾曼濾波九軸陀螺儀與高精度曲線功率計，對機器人兩種運動模式做平面性能實驗，如圖5。

其中機器人的驅(qū)動輸入轉(zhuǎn)速ω，在實驗測試中可以明顯看出，機器人在圓輪模式下的運動效率是明顯高于輪腿模式的。在外界條件以及初始參數(shù)一致狀態(tài)下，變形輪機器人在不同的模式下的俯仰角相軌跡圖，如圖6所示。

從圖6可以看出，圓輪模式中點(φ0,0)固有俯仰角為(φ0=10.08°;φ0=11.5°)，在測試中，機器人運動面并不理性，可能機器人制造工藝問題使得機器人的質(zhì)心出現(xiàn)偏移問題，同時輪子運動中各個連接縫隙因素，圓輪模式實際相軌跡并并沒有與(φ0,0)重合，不過在輪腿模式中極限環(huán)未重疊，并且機器人整體運動趨勢正確。另外，通過對極限環(huán)半徑的觀察，相同運動條件下，圓輪模式俯仰角遠低于輪腿模式俯仰角，說明機器人在圓輪模式下具備更出色的穩(wěn)定性；最后進行1s內(nèi)兩種狀態(tài)主動模式位姿變化，成功率100%。說明設計的機器人具備良好的穩(wěn)定性與運動性能。

3 結 語

隨著科學技術不斷的發(fā)展與進步，機器人已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的幫手，小型化移動機器人在復雜非結構環(huán)境存在著效率、速度無法平衡的矛盾。因此設計一種新型的輪腿式移動機器人，基于變形輪方案提出一種主/被動結合變形輪方案，并設計出三幅輪腿式移動機器人；根據(jù)機器人變形輪設計特點，提出一種雙輪差速對稱整機布置方案，并對機器人穩(wěn)定性進行優(yōu)化；基于Matlab Simulink完成對機器人運動模型的搭建，仿真測試證明所設計的位姿穩(wěn)定控制器具有良好的性能與穩(wěn)定性；在機器人兩種運動模式實驗中，相同驅(qū)動環(huán)境下，證明輪腿模式速度更好，不過穩(wěn)定性偏弱，在兩種模式主動狀態(tài)1s切換均可以實現(xiàn)100%功功率。不過本次研究也存在不足，所設計的機器被動狀態(tài)穩(wěn)定較差，后續(xù)研究可以增加對兩輪同相位檢測與控制研究，提升系統(tǒng)整體穩(wěn)定。