能實(shí)現(xiàn)垂直纏繞攀爬的蛇形機(jī)器人

孫 洪

(蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

蛇形機(jī)器人在災(zāi)后救援、危險(xiǎn)環(huán)境偵查、管道探測和疏通等許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。蛇形機(jī)器人是一種高冗余度移動(dòng)機(jī)器人，具有多個(gè)確定機(jī)器人空間位置和姿態(tài)所需的自由度，由于超冗余的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)十分復(fù)雜，對于較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)起來非常困難。

目前，國內(nèi)外的蛇形機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)蜿蜒爬行、側(cè)滑、翻滾、避障等二維平面運(yùn)動(dòng)，也已經(jīng)具備抬頭、爬臺(tái)階、翻越較低障礙等三維空間的運(yùn)動(dòng)能力。但能夠?qū)崿F(xiàn)爬桿、爬樹等垂直纏繞攀爬的蛇形機(jī)器人，則僅見于美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的蛇形機(jī)器人研究中心[1-5]。

目前，國內(nèi)外蛇形機(jī)器人樣機(jī)的關(guān)節(jié)組合形式有兩種：一種是所有關(guān)節(jié)同軸，這樣的蛇形機(jī)器人只能在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，已經(jīng)比較少見；另一種是相鄰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸以俯仰(pitch)—偏轉(zhuǎn)(yaw)的方式正交連接，組成PY關(guān)節(jié)模塊?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)實(shí)現(xiàn)的攀爬動(dòng)作的蛇形機(jī)器人采用的即是PY關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，這種關(guān)節(jié)形式的蛇形機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間運(yùn)動(dòng)，但其靈活性及運(yùn)動(dòng)步態(tài)的多樣性尚顯不夠。

研究和制作一種能實(shí)現(xiàn)垂直纏繞攀爬的蛇形機(jī)器人，使其既能在常規(guī)的地面或復(fù)雜廢墟中行進(jìn)，又能爬上高桿或大樹，突破目前蛇形機(jī)器人活動(dòng)空間依附于地面的限制。本研究主要設(shè)計(jì)了一種簡單有效的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，根據(jù)垂直纏繞攀爬的軌跡規(guī)劃合理的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，對各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一、協(xié)調(diào)的控制，制作出能實(shí)現(xiàn)垂直纏繞攀爬的蛇形機(jī)器人樣機(jī)，并在運(yùn)動(dòng)控制和步態(tài)等方面跟PY樣機(jī)進(jìn)行比較。

1 關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)

蛇形機(jī)器人要想充分實(shí)現(xiàn)其靈活性，應(yīng)采用萬向節(jié)的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)極大地增加了對各關(guān)節(jié)及機(jī)器人整體控制的難度。為了降低控制難度，并最大限度地保證蛇形機(jī)器人的靈活性，采用一種模塊化的、具備三維靈活性的執(zhí)行單元結(jié)構(gòu)P_R(pitch_roll)關(guān)節(jié)[6]，如圖1所示。P_R關(guān)節(jié)具有跟萬向節(jié)相似的工作空間，但其結(jié)構(gòu)簡單、便于控制，同時(shí)相對于采用傳統(tǒng)的平行連接和正交連接，能夠更為靈活地附著于攀爬對象外壁，并能較隨意地調(diào)整步態(tài)和位姿，使得蛇形機(jī)器人與被纏繞物體之間能夠密切貼合。

2 控制系統(tǒng)組成

蛇形機(jī)器人的控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，其硬件系統(tǒng)采用二級結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)級(上位機(jī))和執(zhí)行級(下位機(jī))。上位機(jī)承擔(dān)系統(tǒng)監(jiān)控、動(dòng)作管理和實(shí)時(shí)插補(bǔ)任務(wù)，由筆記本電腦及調(diào)試軟件完成，調(diào)試界面如圖2所示。

上位機(jī)運(yùn)算結(jié)果作為舵機(jī)位置信號傳送到下位機(jī)，下位機(jī)為舵機(jī)控制器，是各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)，其核心為STM32微處理器，板載8 M Flash存儲(chǔ)空間，可以存儲(chǔ)幾萬個(gè)動(dòng)作組。舵機(jī)控制器如圖3所示。

蛇形機(jī)器人由24個(gè)關(guān)節(jié)組成，各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)采用串行總線舵機(jī)，如圖4所示。該舵機(jī)通過串口指令控制，具有溫度、電壓、位置等參數(shù)反饋功能。使用總線舵機(jī)的好處在于可以將各關(guān)節(jié)舵機(jī)以串聯(lián)的形式連接起來，極大地簡化了機(jī)器人內(nèi)部的布線。

3 步態(tài)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了蜿蜒前進(jìn)、蜿蜒后退、側(cè)滑、翻滾、水平鉆管道、傾斜鉆管道、水平纏繞前進(jìn)、垂直纏繞攀爬等8種步態(tài)。各步態(tài)均采用舵機(jī)同時(shí)動(dòng)作，以正弦量的角度變化為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)角度的時(shí)序傳遞。

另外，為垂直纏繞攀爬設(shè)計(jì)了一種基于serpenoid曲線的蛇形機(jī)器人蠕動(dòng)步態(tài)模型，該步態(tài)的基本特點(diǎn)是以空間三連桿組成的蠕動(dòng)步態(tài)纏繞在圓柱體外側(cè)，并依次將波形向前傳遞，如圖5所示。

通過樣機(jī)模擬運(yùn)動(dòng)采樣和理論分析相結(jié)合的方法對纏繞攀爬的步態(tài)及受力進(jìn)行分析，建立這一步態(tài)上各相鄰連桿構(gòu)成的空間四連桿間角度的關(guān)系，如圖6所示。由此蛇形機(jī)器人即可根據(jù)圓柱體的直徑和表面摩擦力決定各關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)過的角度，實(shí)現(xiàn)沿管線的螺旋式纏繞攀爬。

空間四連桿間角度關(guān)系為[7]：

4 樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)

為了便于比較和進(jìn)行步態(tài)分析，制作了蛇形機(jī)器人PR樣機(jī)和PY對照機(jī)，二者均使用相同的舵機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置。

PR樣機(jī)由30個(gè)關(guān)節(jié)(即15個(gè)P_R關(guān)節(jié)模塊)組成。選擇PVC作為管套以減輕質(zhì)量，并在外面包裹一層橡膠以增大摩擦系數(shù)。裝配完畢的樣機(jī)如圖7(a)所示。

PY對照機(jī)由24個(gè)轉(zhuǎn)軸正交的俯仰(pitch)—偏轉(zhuǎn)(yaw)關(guān)節(jié)組成，是所見最多的一種蛇形機(jī)器人的關(guān)節(jié)組成形式，如圖7(b)所示。

實(shí)驗(yàn)選擇PVC管并在外面包裹不同材質(zhì)的表皮作為攀爬物，具有不同摩擦系數(shù)的圓柱表面，能使蛇形機(jī)器人纏在其上保持靜止而不下落的不同螺旋升角。PR樣機(jī)以三連桿蠕動(dòng)步態(tài)向上攀爬的過程如圖8所示。PY對照機(jī)以翻滾步態(tài)在室外爬樹的過程如圖9所示。

將兩種關(guān)節(jié)方式的蛇形機(jī)器人分別做平面和攀爬(爬樹)運(yùn)動(dòng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1) 在做平面運(yùn)動(dòng)時(shí)，PY對照機(jī)比PR樣機(jī)控制更簡單，關(guān)節(jié)間距更短。在進(jìn)行爬行動(dòng)作設(shè)計(jì)時(shí)，兩種關(guān)節(jié)的變化規(guī)律都較易掌握。

2) 在做三維纏繞攀爬運(yùn)動(dòng)時(shí)，PR樣機(jī)由于roll關(guān)節(jié)的存在，相鄰P關(guān)節(jié)的夾角可以隨意調(diào)節(jié)，使得蛇形機(jī)器人能夠非常貼合地以螺旋狀纏繞在被攀爬物體上，增大了二者的接觸面積和摩擦力，便于做出不同的步態(tài)實(shí)現(xiàn)攀爬動(dòng)作，如三連桿蠕動(dòng)步態(tài)、翻滾攀爬等。而PY對照機(jī)則只能以近乎環(huán)形纏繞在樹上，并以所有關(guān)節(jié)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的翻滾攀爬動(dòng)作運(yùn)動(dòng)。

5 結(jié)論

1) 采用在三維攀爬過程中更有效的P_R關(guān)節(jié)組合，具有蜿蜒前進(jìn)、蜿蜒后退、側(cè)滑、翻滾、水平鉆管道、傾斜鉆管道、水平纏繞前進(jìn)、垂直纏繞攀爬等8種步態(tài)，實(shí)現(xiàn)了在二維平面的多種爬行動(dòng)作及三維空間中的垂直纏繞攀爬的蛇形機(jī)器人。

2) 作為特種機(jī)器人，其具備的三維攀爬能力在民用(管道、電桿檢測等)方面有廣闊的市場，而在軍事方面配以相應(yīng)的傳感器，偵查、探測等也完全可以勝任。

3) 對于蛇形機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制相關(guān)的理論研究，可為同類型的多關(guān)節(jié)、多自由度、無基座的機(jī)器人提供有價(jià)值的參考。