鉤爪式四足爬壁機器人控制系統(tǒng)設計

余淑榮,徐品東,張來喜,龔宇強

(蘭州理工大學機電工程學院,甘肅 蘭州 730050)

隨著科學技術的不斷進步與發(fā)展,國內(nèi)外出現(xiàn)了很多爬壁機器人,這些機器人不僅可以在人類難以到達的環(huán)境工作,而且能夠提升工作效率和質量。其中控制系統(tǒng)的好壞是決定爬壁機器人能否在壁面穩(wěn)定爬行的關鍵因素,引起了國內(nèi)外專家的廣泛關注。

Dickson和Miller等[1-3]為解決爬壁機器人結構魯棒性不足的問題,研究出了一款微型兩足機器人BOB(bipedal oscillating robot),此機器人控制方案簡單、機身輕,通過對腳掌上類似于Rise機器人[4]的柔性鉤爪結構進行改進,實現(xiàn)了其在粗糙豎直壁面上的攀爬。陳東良等[5]設計了一種六足鉤爪式爬壁機器人,此機器人足部可根據(jù)壁面粗糙程度自行調(diào)整起伏,具有自適應性。趙智慧[6]開發(fā)了能夠在粗糙的垂直面上以對角步態(tài)快速爬行的鉤爪式四足爬壁機器人。劉彥偉等[7]設計了一款輪足混合爬壁機器人,此機器人采用單電機驅動,同時實現(xiàn)了足部的主動抬起與放下,經(jīng)過實驗測試,該機器人能在磚面、水泥墻面等粗糙壁面上爬行。Nagaoka等[8]研制了一種輕量化四肢爬壁機器人,此機器人每個肢體上都裝有被動脊椎夾持器,能夠被動地、自適應地鎖定在懸崖上粗糙巖石表面的微觀微凸體上,可以安全地在崎嶇陡峭的斜坡上進行攀爬。

機器人的穩(wěn)定爬行離不開控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)如同機器人大腦一般,控制機器人的前進方向、速度等。因此,本文針對鉤爪式四足爬壁機器人控制系統(tǒng)進行設計,驗證此控制系統(tǒng)能夠使爬壁機器人在粗糙壁面上自主穩(wěn)定地爬行,拓展爬壁機器人在粗糙墻壁環(huán)境中的應用。

1 爬壁機器人的步態(tài)規(guī)劃

步態(tài)規(guī)劃是機器人控制系統(tǒng)設計的基礎,步態(tài)規(guī)劃的好壞直接影響控制系統(tǒng)的復雜程度,故在設計四足爬壁機器人控制系統(tǒng)之前,首先對步態(tài)規(guī)劃進行系統(tǒng)分析。

爬壁機器人步態(tài)的規(guī)劃主要根據(jù)機器人足數(shù)與腿部安裝位置、腿部機構的運動形式及機器人的使用環(huán)境等因素進行設計。為保證四足爬壁機器人在爬行的過程中能夠一直抓附在壁面上,其腿部不能同時抬起。在腿部運動的過程中,其抓附相與脫離相的相位角相差180°,故本文對機器人步態(tài)的具體規(guī)劃如下:將爬壁機器人的4條腿分為2組,機器人前端2條腿為一組,后端2條腳為一組,同組腿部運動的角速度及相位角相同,不同組腿部機構運動的相位角相差180°,這樣可以保證機器人在壁面爬行的每一時刻都有一組腳爪抓附在壁面上,為機器人提供附著力,保證機器人能夠一直抓附在壁面上。

本文利用ADAMS對爬壁機器人在壁面上爬行的過程中其腿部的運動情況進行仿真分析。因為同一組內(nèi)的2條腿運動相同,所以只要分析同一側不同組的2條腿就可以得到整個機器人腿部的運動情況。機器人在壁面上爬行一個周期的腿部運動情況如圖1所示。

圖1 機器人在壁面上爬行一個周期的腿部運動情況

圖1(a)為初始狀態(tài),爬壁機器人腿部的前端兩腳爪開始進入抓附階段,后端兩腳爪開始進入脫附階段,機器人因前端兩腳爪作用而抓附在壁面上;圖1(b)為爬壁機器人前端兩腳爪進入爬行階段,后端兩腳爪抬起進入空載階段,前端腳爪將會與尾部形成支撐平面使爬壁機器人機身撐起,防止機身與壁面發(fā)生摩擦,并為爬壁機器人提供動力使其向上運動;圖1(c)為爬壁機器人后端兩腳爪開始從空載階段轉換為抓附階段,即后端腳爪重新抓附到壁面上,而前端兩腳爪開始由爬行階段轉換為脫附階段,即機器人前端腳爪將脫離壁面,在這個階段,爬壁機器人腿部上的兩組腳爪在壁面上完成交替抓附;圖1(d)為爬壁機器人后端兩腳爪進入爬行階段,為機器人提供向上的動力,使其向上運動,而前端兩腳爪抬起進入空載階段,脫離壁面,此階段機器人腿部兩組腳爪的運動剛好與第二階段相反。至此爬壁機器人在壁面上完成一個運動周期。

通過ADAMS仿真軟件對爬壁機器人腿部的4只腳爪在運動過程中沿z向的位移進行分析,得到的位移曲線如圖2所示,其中機器人前端兩腳爪的位移曲線為實線,后端兩腳爪的位移曲線為虛線。從圖2可以看出,當實線在虛線下方時,說明機器人前端兩腳爪抓附墻面,而虛線在實線下方時,則變成機器人后端兩腳爪抓附墻面,兩曲線交點大約在z=-5.1處,說明壁面處于z=-5.1處。同時,從圖2還可以看出,任意時刻均有至少一條曲線處于直線z=-5.1的下方,這說明機器人在壁面上爬行的整個過程中,一直有腳爪抓附在壁面上。

圖2 機器人腿部的4只腳爪在運動過程中沿z向的位移

爬壁機器人在壁面上爬行時,其腳爪穩(wěn)定抓附壁面后便與壁面保持相對靜止,而機體在舵機的作用下沿壁面向上運動,故在機器人爬壁過程中,腳爪中心的實際運動軌跡如圖3所示。在圖3中,A點為機器人開始抓附壁面時腳爪所處的位置,A點處的切線幾乎與壁面垂直,這表明腳爪在抓附壁面時,其速度方向幾乎與壁面垂直,與前文對機器人單個腳爪運動方案的設計要求相同;爬壁機器人腳爪在B點處從壁面上脫附,B點處的速度方向可分解為沿壁面向上和垂直壁面向外,而兩個方向的運動均有利于爪刺沿壁面拔出,保證腳爪能順利脫離壁面。

圖3 機器人腳爪中心的實際運動軌跡

重心是指地球對物體中每一微小部分引力的合力作用點,分析重心的運動軌跡對分析爬壁機器人運動的穩(wěn)定性具有重要意義。故本文對爬壁機器人在一個運動周期內(nèi)重心的運動軌跡進行分析,得到重心運動軌跡曲線如圖4所示,同時也得到重心沿x向和z向運動的位移曲線如圖5(a)、(b)所示。從圖4可以看到,機器人重心的運動軌跡與腳爪的實際運動軌跡相似,都是倒C形。從圖5(a)可以看出,機器人的重心在一個運動周期內(nèi)沿x向前進了70 mm。從圖5(b)可以看出,在運動過程中,機器人重心在z向的最小高度為11.7 mm,最大高度為14.9 mm,則最大起伏值為3.2 mm,造成這一情況的主要原因是由于腳爪在抓附壁面的過程中會向著壁面運動,導致機器人重心略微抬起,但相較機身的高度而言,重心上下起伏距離依然很小,基本不影響機器人抓附壁面。同時,從圖5(b)也可以看出,由于機器人重心距離前端腳爪與后端腳爪的距離不相同,使得在同一周期內(nèi)機器人重心沿z向位移的2個峰值并不完全相同。

圖4 機器人重心的運動軌跡

圖5 機器人重心位移

2 爬壁機器人控制系統(tǒng)設計

爬壁機器人控制系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)機器人的自主運動?？刂葡到y(tǒng)要結合機器人的運動機構進行設計,故本文對控制系統(tǒng)的設計提出以下3點要求:1)控制系統(tǒng)中的硬件集成度應盡量高,且尺寸應盡量小,以減小控制系統(tǒng)的尺寸與質量;2)控制系統(tǒng)硬件應盡量布置在同一層,以減小機器人重心高度,提高機器人爬壁穩(wěn)定性;3)控制系統(tǒng)應能同時控制機器人的4只腳爪,保證4只腳爪能夠實現(xiàn)獨立運動。

綜合以上因素,選用Arduino舵機控制板作為爬壁機器人的核心控制器,其中央控制芯片為ATmega328P。ATmega328P是基于Atmel 8位AVR RISC的微控制器,具有32 KB ISP的閃存和讀寫能力,擁有32個通用工作寄存器、6通道10位A/D轉換器,其吞吐量接近1 MIPS,具有高性能、低功耗和運行速度快等特點。Arduino舵機控制板上有6路舵機接口,可控制6路舵機;具有手柄接口,支持手柄遠程操作;還有藍牙接口,支持安卓系統(tǒng)app遠程控制。此外,Arduino舵機控制板還提供了多種傳感器與驅動接口,可外接多種傳感器及驅動模塊。該控制板接口多,功能強大,完全滿足本文對控制系統(tǒng)的要求。

由于爬壁機器人要求驅動元件速度可調(diào),故其常用的驅動電機有步進電機、直流伺服電機和舵機。其中步進電機依靠電脈沖信號來控制角度與轉動圈數(shù),因為其轉動為開環(huán)控制,所以精度不如伺服電機,且低速時容易發(fā)生低頻振動現(xiàn)象。直流伺服電機雖然能進行速度調(diào)節(jié),但其轉速高、輸出轉矩小,而機器人向上爬行時腳爪部分所受的載荷較大,需要電機提供較大的力矩保證爬行,如果使用直流伺服電機作為機器人的驅動元件,就要同時配合使用具有較大傳動比的減速裝置來對電機進行減速,以提高伺服電機輸出轉矩,保證機器人有足夠的動力向上爬行。因為舵機由伺服電機和減速齒輪組組成,所以舵機具有伺服電機運動精度高、穩(wěn)定等優(yōu)點,并且舵機將減速齒輪組直接裝入電機中,免去了額外安裝減速機構的麻煩,還使驅動機構的結構更加緊湊,整體質量更輕,且價格便宜,控制方便。

綜合考慮,本文選擇舵機作為爬壁機器人的驅動電機。舵機分為180°舵機、270°舵機和360°舵機,其中180°舵機和270°舵機是通過PWM信號精確控制角度,廣泛用于機械臂的控制。而360°舵機可以進行360°循環(huán)轉動,采用閉環(huán)控制并使用PWM信號精確控制舵機轉速,保證其運動速度穩(wěn)定可靠。

由于本文的四足爬壁機器人的運動機構為曲柄搖桿機構,而曲柄需要360°轉動來為機器人提供持續(xù)運動,因此本文采用微雪電子的MG90S 360°舵機。舵機質量為9 g,工作電壓為4.8 ～6.0 V,依靠控制系統(tǒng)發(fā)送PWM脈沖來控制舵機速度。為保證機器人動力充足,本文選擇電機輸入電壓為6.0 V,此時最大扭矩為2.8 N·m。通過ADAMS對機器人的運動進行仿真,得到恒轉速狀態(tài)下電機軸輸出力矩曲線,如圖6所示。在圖6可以看出,恒轉速狀態(tài)下電機軸輸出扭矩最大值為9.12 N·mm,遠小于電機在6.0 V電壓工作下的最大扭矩2.8 N·m,所以該電機能滿足本文所設計爬壁機器人的動力要求。

圖6 恒轉速狀態(tài)下電機軸輸出力矩曲線

因為Arduino舵機控制板的輸入電壓范圍為6.0～12.0 V,所以采用7.4 V航模電池作為爬壁機器人的電源,該電池容量為800 mA·h,放電電流為15C,質量為48 g,尺寸為50 mm×30 mm×15 mm。

機器人控制系統(tǒng)使用Arduino IDE進行編程。Arduino IDE由歐洲開發(fā)團隊于2005年開發(fā),其基于Java開源編寫并應用于網(wǎng)絡工程、物聯(lián)網(wǎng)、機器人、藝術和設計等領域。Arduino IDE操作方便,兼容性好,可以在Windows、Macintosh OSX、Linux三大主流操作系統(tǒng)上運行。其編程語言基于wiring語言開發(fā),不需要太多的單片機基礎和編程基礎,簡單學習后,就可以快速進行開發(fā)。

3 爬壁機器人爬升實驗

將控制系統(tǒng)硬件安裝在鉤爪式四足爬壁機器人的機身上,完成機器人總體樣機的制作。機器人總體樣機如圖7所示,其總質量為317.3 g,中央控制板與電池直接固定于機身底部,而4個舵機與腳爪分別固定在機身兩側,機器人長300 mm、寬110 mm,其中機身長180 mm、高度為36 mm、尾部長120 mm。為驗證爬壁機器人在粗糙壁面爬行的可行性,以及在機器人實際爬行壁面的過程中足部(由腿部機構和腳爪組成)抓附墻面的穩(wěn)定性,將爬壁機器人放置在24目砂紙制作的模擬壁面上,對其爬升性能進行實驗測試。

圖7 鉤爪式四足爬壁機器人樣機圖

經(jīng)過多組實驗測試,最終確定鉤爪式四足爬壁機器人能在與水平面夾角小于80°的壁面上穩(wěn)定爬行,爬行速度約為24 mm/s,如圖8所示。

圖8 爬壁機器人樣機在80°壁面上爬行過程圖

從圖8可以看出,從0 s開始到第1.75 s,機器人爬行約42 mm。爬行過程中機器人前后腳爪做交替運動,運動過程穩(wěn)定,無4只腳爪同時離開壁面的情況發(fā)生,同時也沒有爪刺卡在壁面無法拔出的情況,腳爪在壁面上的抓附穩(wěn)定可靠,各腳爪均無抓脫的現(xiàn)象。由于尾部機構的支撐作用,爬壁機器人機身始終與壁面存在一個空隙,保證了機器人機身不與壁面發(fā)生直接摩擦,且尾部材料與壁面摩擦系數(shù)小,在機器人運動過程中并不阻礙其向上爬行。

4 結束語

本文通過研究鉤爪式四足爬壁機器人的結構和爬行方式對其步態(tài)進行規(guī)劃,進行爬壁機器人控制系統(tǒng)的設計,控制機器人四足兩兩交替附著在粗糙壁面上,實現(xiàn)機器人在壁面上穩(wěn)定爬行,同時制作了機器人樣機,并在粗糙壁面上進行爬行實驗,驗證了爬壁機器人的性能。實驗結果表明,此機器人可以在粗糙壁面上自主穩(wěn)定地爬行,驗證了控制系統(tǒng)設計的合理性和機器人結構設計的合理性,可以為今后爬壁機器人控制系統(tǒng)和結構的設計提供了參考。