仿蜘蛛救援機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

楊昆明

(西安航空學(xué)院， 西安 710077)

近年來，地震、火災(zāi)、洪水等自然災(zāi)害嚴(yán)重威脅著人們的安全，引起了廣泛的關(guān)注。在這種情況下，將機(jī)器人技術(shù)、營(yíng)救行動(dòng)技術(shù)、仿生學(xué)等多學(xué)科知識(shí)有機(jī)融合，研制與開發(fā)用于搜尋和營(yíng)救的救援機(jī)器人，是機(jī)器人學(xué)研究中一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的新領(lǐng)域[1]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。作為一個(gè)多核能、多地震的國(guó)家，日本在救援機(jī)器人方面開展了相對(duì)全面的研究工作。日本東京工業(yè)大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)的學(xué)者[2-3]從仿生的角度和基于超機(jī)械系統(tǒng)的思想，先后研制了"ACM”、“GENBU”與“SORYU”等系列救援機(jī)器人，在仿生機(jī)械及災(zāi)難救援應(yīng)用研究等方面作出了卓越的貢獻(xiàn)。KAMEGAWA等[4]研發(fā)了一種新的救援機(jī)器人平臺(tái)，其由多節(jié)履帶車連接而成，可進(jìn)入狹窄空間，具有良好的越障能力和地面適應(yīng)能力。美國(guó)科研機(jī)構(gòu)基于仿生學(xué)，先后設(shè)計(jì)研制了模塊化可重構(gòu)的救援機(jī)器人CONRO[5]、具有三維運(yùn)動(dòng)且在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下具有較強(qiáng)運(yùn)動(dòng)能力的蛇形機(jī)器人Snakebot[6]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者結(jié)合生物界生物的運(yùn)動(dòng)特性也進(jìn)行了大量研究。例如，魏娟等[7]運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在CATI環(huán)境下建立煤礦救援機(jī)器人三維實(shí)體模型，分析機(jī)器人在完成自撐起運(yùn)動(dòng)時(shí)擺臂的速度、加速度與驅(qū)動(dòng)力矩的變化規(guī)律，為煤礦救援機(jī)器人的進(jìn)一步仿真分析提供依據(jù)，同時(shí)也為煤礦救援機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供可行的理論數(shù)據(jù)。王楠等[8]針對(duì)災(zāi)難救援應(yīng)用領(lǐng)域的具體需求，提出了控制站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則；基于人機(jī)交互技術(shù)，設(shè)計(jì)了可變形災(zāi)難救援機(jī)器人控制站系統(tǒng)，通過災(zāi)難救援模擬環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該控制站系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)控制、多通道信息交互等功能，在災(zāi)難救援等領(lǐng)域具有可行性及有效性。劉罡等[9]針對(duì)未知環(huán)境建模問題闡述了可視切線圖的概念,提出了一種未知環(huán)境下基于可視切線圖的新型煤礦救援機(jī)器人路徑規(guī)劃方法,并采用"方向偏差最小"啟發(fā)式策略搜索全局目標(biāo)指導(dǎo)下的局部最優(yōu)路徑。雖然國(guó)內(nèi)學(xué)者在救援機(jī)器人等研究領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展，但與國(guó)外相比仍存在一定的差距，尤其是在仿生救援機(jī)器人等領(lǐng)域。本文針對(duì)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的救援任務(wù)，結(jié)合生物界蜘蛛腿部的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)了一種仿蜘蛛式救援機(jī)器人平臺(tái)?；跈C(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模[10-11]。鑒于其工作特性，采用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制策略對(duì)其進(jìn)行控制。控制仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的控制方法可實(shí)現(xiàn)救援機(jī)器人的自適應(yīng)性和魯棒性，對(duì)仿生救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

1 救援機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 蜘蛛結(jié)構(gòu)特性分析

生物蜘蛛(如圖1所示)是對(duì)節(jié)肢動(dòng)物門蛛形綱蜘蛛目所有種的通稱[12]。蜘蛛的身體分為兩大部分，包括胸部(前體)和腹部(后體)。頭胸部含有兩隊(duì)副肢，第1隊(duì)為鰲肢，有毒腺開口；第2對(duì)為須肢，用以?shī)A持食物及作感覺器官，但在雄性成蛛須肢末節(jié)膨大，變?yōu)閭魉途拥慕唤悠鱗12]。蜘蛛步足共有4對(duì)，在動(dòng)物學(xué)上分別為基節(jié)、轉(zhuǎn)節(jié)、腿節(jié)、膝節(jié)、脛節(jié)、后附節(jié)、附節(jié)和附端節(jié)(上具爪)。蜘蛛的膝部長(zhǎng)有肌肉，它的功能是使腿得以彎曲，但是不能反方向動(dòng)作使腿伸直。

圖1 生物蜘蛛實(shí)圖

由圖1可知，生物蜘蛛腿部結(jié)構(gòu)呈對(duì)稱分布，若將蜘蛛與地面落腳點(diǎn)用圓滑曲線連接起來，可得其腿部結(jié)構(gòu)分布在橢圓范圍內(nèi)。若對(duì)生物蜘蛛的腿部進(jìn)行簡(jiǎn)化，可得其單只腿具有3個(gè)自由度。本文的仿蜘蛛式救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的特點(diǎn)，將其腿關(guān)節(jié)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，包括2個(gè)自由度，即兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)中一個(gè)與救援機(jī)器人旋轉(zhuǎn)平臺(tái)連接，另一個(gè)與末端支爪鉸接。

1.2 仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿蜘蛛式救援機(jī)械臂主要包括4個(gè)部分，其中支撐關(guān)節(jié)與回轉(zhuǎn)平臺(tái)相連，關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3均為活動(dòng)關(guān)節(jié)，與支撐關(guān)節(jié)采用回轉(zhuǎn)副鉸接；關(guān)節(jié)3與末端支爪結(jié)構(gòu)鉸接，末端支爪采用地栓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)鉆入土壤時(shí)，沿徑向向內(nèi)折疊收納于支撐筒內(nèi)并在伸出支撐筒時(shí)在彈性件作用下沿徑向向外發(fā)散展開，以增強(qiáng)救援平臺(tái)的穩(wěn)定性，詳見圖2。輔助支腿采用移動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其功能與末端支爪一致。

1.支撐關(guān)節(jié);2.關(guān)節(jié)1 ;3.關(guān)節(jié)2 ;4.末端支爪

2 動(dòng)力學(xué)模型

動(dòng)力學(xué)分析是機(jī)器人控制、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)器選型的基礎(chǔ)。機(jī)械手動(dòng)力學(xué)模型的推導(dǎo)對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制算法的設(shè)計(jì)具有重要的作用。仿蜘蛛式救援機(jī)器人主要針對(duì)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境進(jìn)行作業(yè)，因此對(duì)其救援平臺(tái)的蜘蛛腿關(guān)節(jié)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析顯得尤為重要。

設(shè)n關(guān)節(jié)機(jī)械手方程為

(1)

結(jié)合所設(shè)計(jì)蜘蛛腿關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其簡(jiǎn)化為兩關(guān)節(jié)活動(dòng)機(jī)械臂，簡(jiǎn)化模型如圖3所示?；诶窭嗜展綄?duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型的求解。

圖3 機(jī)械手關(guān)節(jié)連桿

慣性矩陣為：

其中kri為電動(dòng)機(jī)i的齒輪減速比。

由動(dòng)力學(xué)模型典型性質(zhì)得：

cijk=cikj

則有：

c112=c121=-ml2a1l2ss=h

則離心和哥氏力項(xiàng)為

同理，得重力項(xiàng)為

g1=(ml1l1+mm2a2+ml2a1)gc1+ml2l2gc12

g2=ml2l2gc12

因此，可得救援機(jī)器人腿關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為：

3 控制仿真

徑向基函數(shù)(radial basis function,RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由J.Moody和C.Darken在20世紀(jì)80年代末提出的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是具有單隱層的3層前饋網(wǎng)絡(luò)(圖4)。RBF網(wǎng)絡(luò)模擬了人腦中局部調(diào)整、相互覆蓋接收域(receptive field，也稱感受野)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一種3層前向網(wǎng)絡(luò)，由輸入到輸出的映射是非線性的，且隱含層空間到輸出空間是線性的(圖5)。

在RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，X=[x1,x2,…,xn]T為網(wǎng)絡(luò)的輸入向量，設(shè)RBF網(wǎng)絡(luò)的徑向向量H=[h1,…,hm]T，hj為高斯基函數(shù)：

其中網(wǎng)絡(luò)第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的中心矢量為cj=[cj1,…,cjn]。設(shè)網(wǎng)絡(luò)的基寬量為B=[b1,…,bm]T，bj為節(jié)點(diǎn)j的基寬度參數(shù)，且值大于0。網(wǎng)絡(luò)的權(quán)向量為

W=[w1,…,wm]T

RBF網(wǎng)絡(luò)輸出為

ym(t)=w1h1+w2h2+…+wmhm

RBF網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)函數(shù)為

圖4 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖5 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近

3.1 控制律設(shè)計(jì)

D(q)=DSNN(q)+ED

G(q)=GSNN(q)+EG

[{WG}T·{ΞG(q)}]+E

控制律設(shè)計(jì)為：

e(t)=qd(t)-q(t)

(4)

其中：qd(t)表示理想的位置指令；q(t)表示實(shí)際的位置。

將式(5)(6)代入式(1)得：

其中Kp>0，Ki>0。

3.2 蜘蛛救援機(jī)器人腿關(guān)節(jié)控制仿真

采用Simulink和S函數(shù)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果如圖6～10所示。

圖6 關(guān)節(jié)1的控制輸入

圖7 關(guān)節(jié)2的控制輸入

圖8 關(guān)節(jié)1的位置跟蹤

圖9 關(guān)節(jié)2的位置跟蹤

圖的逼近

4 結(jié)束語

針對(duì)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的救援任務(wù)，尤其是對(duì)于救援機(jī)器人作業(yè)的實(shí)時(shí)性及自適應(yīng)等特性，結(jié)合生物界蜘蛛腿部的運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)了一種仿蜘蛛式救援機(jī)器人平臺(tái)。基于機(jī)構(gòu)學(xué)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的拉格朗日方程，求解救援機(jī)器人平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型，分析徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制策略，提出基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)救援機(jī)器人平臺(tái)的控制策略。采用徑向基3層前向網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)救援機(jī)器人的控制方案，重點(diǎn)探討救援機(jī)器人單關(guān)節(jié)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，并對(duì)其進(jìn)行Matlab軟件仿真，結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的控制方法可實(shí)現(xiàn)救援機(jī)器人的自適應(yīng)和魯棒性。