小型自適應翻轉爬爬機器人的設計與實現(xiàn)

小型自適應翻轉爬爬機器人的設計與實現(xiàn)

0桿設計的對比高度緊張的特點是風險高、效率低。Guan等上述攀爬機器人的共同點是其夾持機構僅針對特定截面形狀的爬桿設計的,一旦爬桿形狀發(fā)生變化,會大大影響攀爬精度,降低機器人的攀爬穩(wěn)定性。因此筆者設計了一種小型的自適應翻轉攀爬機器人,可夾持不同截面形狀的爬桿,利用加速度傳感器并結合PID(Proportional-Integral-Derivative)算法,實現(xiàn)了跨步距離可控的自主連續(xù)攀爬。1機器人結構與建模1.1u3000項目筆者設計的自適應翻轉攀爬機器人結構如圖1a所示,機器人共由5個連桿和4個關節(jié)組成,關節(jié)使用舵機(TBS2701,杭州眾靈科技有限公司)驅動,首末連桿上各安裝抓手,抓手的開合通過舵機驅動。機器人重量約1070g(含電池),完全伸展后長約60cm。經(jīng)抽象得機器人示意圖如圖1b所示。其中桿h由圖1可見,機器人抓手桿h這種設計有2個優(yōu)點:首先,該結構只需h為使機器人可實時感知相對于地面的角度,分別在跨步桿a1.2求出廢解的描述如前文所述,跨步距離的確定只與a其中令跨步桿a其中n、o、a為跨步桿a若假設θ可解得其中m、n、k分別為實際在方程組(1)中,未知量數(shù)大于方程數(shù),所以方程可能有無窮多個解。為了讓方程有確定的解,在上述求解過程中把θ由于反三角函數(shù)的在定義域(-π/2,π/2)內只有一個根,然而實際上在整個坐標平面(-π,π)內還存在另外一個根,因此應在求解后補齊另一個根:對于arcsin方程,除了其直接求解的根θ外,在(-π,π)內應補齊另一個根π-θ;對于arctan方程,除了其直接求解的根θ外,在(-π,π)內應補齊另一個根π+θ。需要注意的是,在求出的解中有兩類解是應該被舍棄的:錯解和系統(tǒng)不可實現(xiàn)的解。出現(xiàn)錯解,是因為方程組求解過程中存在等式兩側同時平方的步驟,這種不等價的變換會產(chǎn)生一些錯誤的根,因此求解出所有的θ2機器人攀爬控制機器人攀爬通過交替進行跨步和翻轉兩個動作而實現(xiàn),下面分別介紹這兩個動作具體是如何實現(xiàn)的。2.1機器人的步驟機器人的跨步動作可分解為跨步距離的確定、跨步姿態(tài)的調整和抓手夾持3個步驟(見圖7)。2.1.1距離越遠的確定跨步的第1步如圖7a所示,由3個跨步桿a2.1.2跨步桿整定控制器pid跨步的第2步如圖7b所示,機器人通過調整關節(jié)1使上一步產(chǎn)生的跨步d(即關節(jié)1、4的連線)與地面保持垂直,從而與爬桿保持平行。根據(jù)圖2,跨步桿a由于舵機具有死區(qū)特性,控制上存在滯后性,為使桿件能快速準確地達到設定角度,使用PID算法控制這一閉環(huán)過程。PID各參數(shù)采用臨界比例度法整定。由于每次舵機角度調整后,機器人都會出現(xiàn)約1s的抖動后才能穩(wěn)定,因此首先設置控制器的采樣時間為1.2s。在K對比使用PID算法前后跨步桿a跨步桿a2.1.3調整關節(jié)整體垂直結構跨步的最后一步如圖7c所示,機器人對抓手桿的位姿進行調整并抓住爬桿。攀爬機器人末端抓手能否準確、牢靠地抓住爬桿是非常重要的。不牢靠的夾持會導致機器人跌落,造成嚴重的損害。傳統(tǒng)的校正方案多采用紅外、激光、超聲波等測距傳感器或攝像頭由圖7b可見,機器人已經(jīng)將關節(jié)1、4的連線調整至與地面保持垂直。通過控制關節(jié)4轉動,將上抓手桿調整至與下抓手桿平行(見圖7c)。這時,關節(jié)1、4的連線、上下抓手桿和爬桿共同形成了一個平行四邊形結構。由于上下抓手桿結構一致,且下抓手桿可牢靠地抓緊爬桿,則根據(jù)對稱關系,上抓手則也可抓緊爬桿。調整過程中,機器人不斷比較兩抓手桿上加速度傳感器A、D的讀數(shù),當差值連續(xù)10次小于±0.3°時則認為上下抓手桿已呈平行關系,此時結束調整并控制上抓手抓緊,最終將跨步桿產(chǎn)生的跨步d通過平行四邊形關系傳遞到兩個抓手上,完成一次距離為d的跨步,這一過程平均耗時約10s。2.2大機器人地線機器人翻轉動作分解如圖10所示。首先,松開下方的抓手,使用上方抓手作為機器人的固定端(見圖10a);其次,機器人各關節(jié)轉動實現(xiàn)蜷縮姿態(tài)(見圖10b)。機器人蜷縮后,整體長度大大減少,從而避免翻轉過程中抓手所承受力矩過大而導致機器人失穩(wěn);最后,機器人在蜷縮狀態(tài)下進行整體的上翻,從而為跨步做準備(見圖10c),至此翻轉動作完成。翻轉完成后,機器人根據(jù)新設定的跨步距離進行逆運動學求解與跨步動作,跨步流程同2.1節(jié)。在連續(xù)攀爬的過程中,機器人會交替處于如圖10a所示的正立姿態(tài)和如圖10d所示的倒立姿態(tài)。無論是在正立姿態(tài)還是倒立姿態(tài),跨步的逆運動學求解過程是不變的,只需根據(jù)具體姿態(tài)將求得的θ3機器人攀爬性能測試實驗3.1實驗過程時效及單次跨步距離誤差統(tǒng)計筆者分別測試機器人的跨步耗時和跨步距離準確性。在豎直的爬桿上,命令機器人重復進行跨步,跨步距離為9～24cm,分別記錄單次跨步的耗時和跨步距離的誤差。圖12為單次跨步耗時的統(tǒng)計結果。測量以蜷縮上翻(見圖10c)為計時起始,以上下抓手夾緊(見圖10d)為計時終點,過程耗時統(tǒng)計如圖12所示。圖12中“百分比”表示耗時在橫坐標范圍內的結果數(shù)量占實驗總次數(shù)的百分比,“累積百分比”表示所有小于或等于當前橫坐標耗時的結果數(shù)量總和的占比?？梢?0s內完成比例接近90%,平均耗時約為29s。圖13為單次跨步距離誤差的統(tǒng)計結果。每次攀爬結束時,使用直尺測量兩抓手末端的距離,并與設定距離相比較,得單次跨步距離相對誤差統(tǒng)計如圖13所示。圖13中“百分比”表示誤差在橫坐標范圍內的結果數(shù)量占實驗總次數(shù)的百分比,“累積百分比”表示所有小于或等于當前橫坐標誤差的結果數(shù)量總和的占比。經(jīng)統(tǒng)計,單次跨步距離相對誤差最大值為4.5%,平均值為2.1%。3.2負載能力特性分析筆者設計了實驗測試機器人負載重物的抗滑落能力。如圖14所示,在不同材質與不同直徑的柱狀爬桿上,命令機器人下抓手夾緊,上抓手懸空,并在下抓手與連桿連接處M筆者選用“臨界力矩”表征機器人的抗滑落負載能力。實際應用中機器人連桿上固定負載重物的位置不確定,同樣重量的負載固定在不同的位置時,會因作用力臂的長短不同而對機器人產(chǎn)生完全不同的影響,可見直接使用負載重物質量描述機器人的負載能力是不全面的。而下拉力F圖15描述了機器人動態(tài)攀爬時,M通過上述分析可知,機器人在動態(tài)攀爬過程中,確定跨步距離時負載力臂最大,機器人所承受的負載力矩最大,經(jīng)測量l總體來說,該機器人最大可負載相當于自身質量3.5倍的重物,抗滑落負載能力較強。這是因為由抓手、舵機外殼和爬桿形成三角結構可為機器人提供穩(wěn)定的支撐(見圖14)。同時,由于抓手末端上翹,其末端尖點嵌入爬桿,且整個機器人的質量通過抓手施加在尖點處,從而進一步提高了抓手與爬桿間的摩擦力,保證了抓手爬桿的穩(wěn)定性。3.3智能手機的使用精度筆者將設計的攀爬機器人的主要參數(shù)和攀爬性能與國內外同類成果進行了比較(見表3)。表3中Φ表示直徑。從表3可見,筆者設計的攀爬機器人尺寸與重量適中,且按指定跨步距離攀爬時具有較好的攀爬精度。此外,由于抓手處使用了三角支撐結構,機器人具有較強的負載能力,并且能攀爬多種截面與尺寸的柱狀爬桿,可用于電力線監(jiān)測(攜帶攝像頭與傳感器)、桁架攀爬和避雷針檢測等多種作業(yè)場合。4翻轉機器人的跨步控制算法筆者設計了一款小型自適應翻轉攀爬機器人。機器人由5個連桿和4個關節(jié)組成,通過加速度傳感器獲取關鍵連桿的位置,并按照設定距離實現(xiàn)跨步翻轉動作。機器人攀爬通過跨步和翻轉兩個動作交替進行而實現(xiàn)?？绮絼幼骺煞纸鉃榭绮骄嚯x的確定、跨步姿態(tài)的調整和抓手夾持3步驟。翻轉由松開下方的抓手、姿態(tài)蜷縮和整體上翻3個動作組成。翻轉完成后,