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基于活塞機(jī)構(gòu)的爬繩機(jī)器人作者：Y.C.Koo,ElmiA.B.,WanAmirFuadWajdiY.C.Koo、ElmiA.B.地址：航空航天工程學(xué)院，工科大學(xué)，馬來西亞科學(xué)大學(xué)，高淵市14300號，馬來西亞WanAmirFuadWajdi地址：電氣與電子工程學(xué)院，工科大學(xué)，馬來西亞科學(xué)大學(xué),高淵市4300號，馬來西亞摘要在機(jī)器人的發(fā)展歷史中，大部分主題是基于地面運(yùn)動的輪式運(yùn)動機(jī)器人。在這篇文章中，一種不同的機(jī)器人設(shè)計(jì)方式一一繩索攀爬機(jī)器人，將會被討論。因?yàn)檫@種機(jī)器人可以沿著繩索爬行，所以它可以通過繩索穿越空間。這種機(jī)器人只需要一個(gè)直流電機(jī)和兩個(gè)伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)爬行。該機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是：低功耗、低成本、便于控制和制造。研究關(guān)注于機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式。在開發(fā)階段，該機(jī)器人設(shè)計(jì)經(jīng)過了兩個(gè)任務(wù)的測試并在馬來西亞機(jī)器人競賽中被用于繩索攀爬競賽。競賽的結(jié)果非常令人鼓舞，并且證明這種機(jī)器人設(shè)計(jì)是合理的。這種繩索攀爬機(jī)器人可以用來在工廠中運(yùn)輸貨物或在救援行動中運(yùn)送傷員。作者寫于2012年由愛思唯爾有限責(zé)任公司出版。挑選和/或同行評測由馬來西亞科學(xué)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院類人機(jī)器人和生物傳感器中心負(fù)責(zé)。關(guān)鍵詞：繩索攀爬機(jī)器人；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；直流電機(jī)1?簡介運(yùn)動機(jī)器人是一類能夠在給定的環(huán)境中運(yùn)動的自動機(jī)器。這些運(yùn)動機(jī)器人可以通過完成多種多樣的任務(wù)來服務(wù)人類例如檢查、安保等等。運(yùn)動機(jī)器人可以被制造成多種形式，并且當(dāng)今最流行的結(jié)構(gòu)是輪式運(yùn)動機(jī)器人和人形機(jī)器人。因?yàn)檩喪竭\(yùn)動機(jī)器人比較簡單且比較容易制造和控制，所以說它們是最簡單的運(yùn)動機(jī)器人解決方案。因此，在過去幾十年里，大量的運(yùn)動機(jī)器人研究和項(xiàng)目關(guān)注于輪式運(yùn)動機(jī)器人。不過，也有帶腿和腳的運(yùn)動機(jī)器人研究案例。1983年，穆爾蒂和Raibert［1］提出了一個(gè)名為3D跳蚤的單足機(jī)器人。即使3D跳蚤只有一條腿,它也能夠保持自身穩(wěn)定并左右移動oZeglin開發(fā)了一個(gè)名為Uniroo兩足機(jī)器人，其運(yùn)動類似于袋鼠。當(dāng)今最著名的雙足機(jī)器人之一是本田阿西莫?，F(xiàn)在也有超過雙足的機(jī)器人如鐵拳II［3］，PatrushII，［4］,索尼的艾博⑸和受生物昆蟲啟發(fā)的機(jī)器人［6］。所有上面討論的運(yùn)動機(jī)器人都是自動利用鋪設(shè)在地板上的標(biāo)記或長條來實(shí)現(xiàn)在平面上運(yùn)動的。繩索攀爬機(jī)器人是另一種類型的運(yùn)動機(jī)器人。然而，爬繩機(jī)器人用來保證運(yùn)動的媒介不是靠地面而是靠沿著機(jī)器人攀附的繩索。爬繩機(jī)器人已經(jīng)利用了不同方法?？▉喌龋?］曾推出一種輪式機(jī)器人，可以通過擰在繩子上在網(wǎng)上運(yùn)動這種機(jī)器人被提議用在構(gòu)建包袱衛(wèi)星中組裝大型結(jié)構(gòu)。另一類型的爬繩機(jī)器人是由FU提出的有臂機(jī)器人。另一方面，Hewaathirana等人也曾提出過一種四足機(jī)器人。這種機(jī)器人模仿具有四條腿和四個(gè)爪來保證穩(wěn)定和平穩(wěn)運(yùn)行的爬行運(yùn)動。對于這類機(jī)器人,由于每條腿和爪都需要搭載不同的電機(jī)并分別由單獨(dú)的控制器板控制所以十分復(fù)雜。在這篇文章種介紹的爬繩機(jī)器人僅由一個(gè)直流電機(jī)作為主執(zhí)行器另個(gè)伺服電機(jī)分別控制前進(jìn)和后退，既然該爬繩機(jī)器人僅有一個(gè)直流電機(jī)和兩個(gè)伺服電機(jī)開實(shí)現(xiàn)爬行，那么相對于之前介紹的機(jī)器人這種機(jī)器人比較容易控制。此外，這種機(jī)器人的結(jié)構(gòu)也很簡單，因此可以降低開發(fā)復(fù)雜性和總成本。這種爬繩機(jī)器人可以在幾個(gè)場合利用例如在工廠的取放操作和在救援行動中運(yùn)送傷員。2.研究方法在本文中，研究方法分為兩部分討論，機(jī)械設(shè)計(jì)和嵌入式系統(tǒng)。2.1機(jī)械設(shè)計(jì)在該子主題部分，討論內(nèi)容主要是關(guān)于機(jī)器人的機(jī)械部分。首先，討論機(jī)器人的概念設(shè)計(jì)。然后，提出活塞機(jī)構(gòu)的概念。最后，還要提出對于制動器的要求。2?1?1機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖1(a)展示了基于一個(gè)盒狀隔間的機(jī)器人概念設(shè)計(jì)方案。圖1(b)展示了機(jī)器人的主要部位一一活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)。不同于其他大部分基于金屬框架的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，爬繩機(jī)器人的基本框架是由有機(jī)玻璃制造的盒狀隔間。其它部件和鏈接附著在隔室周圍來保持穩(wěn)定，并降低其重心，以減少在運(yùn)動中的翻轉(zhuǎn)風(fēng)險(xiǎn)。除了作為基架，隔間也可完成存儲任務(wù)，并且可以進(jìn)行修改以適應(yīng)其他用途，例如用于抓放操作的夾鉗。這也有2個(gè)由伺服電動機(jī)制成的夾持器,以確保機(jī)器人朝所期望的方向爬行例如向前、向后、向上、向下、沿對角線和垂直方向。除了用于控制攀登方向的2個(gè)伺服電機(jī)，額外1個(gè)伺服電動機(jī)單元用于控制隔室的打開和關(guān)閉。圖1(a)機(jī)器人設(shè)計(jì) (b)活塞執(zhí)行機(jī)構(gòu)零件Clampers防滑釘片 Compartment隔間 Crank曲柄 connectingrod連桿linearmotion直線運(yùn)動Rotation旋轉(zhuǎn) Slider滑塊 endbar端桿2?1?2?活塞機(jī)構(gòu)如圖1(b)所示，活塞機(jī)構(gòu)由曲柄，連桿和端桿組成。一個(gè)直流電機(jī)與曲柄相連以使它旋轉(zhuǎn)。當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)起來，曲柄的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換成端桿的直線運(yùn)動，并且直流電機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成作用在機(jī)器人上的線性力。如圖1(b)所示，為成功實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，端桿與滑塊相連從而滑塊可以指引端桿沿直線運(yùn)動。然后，在2個(gè)夾持器的幫助下，直線運(yùn)動將用來攀爬繩索。2?1?3?電機(jī)需要2類電動機(jī)一一直流電動機(jī)以及伺服電動機(jī)，來確保機(jī)器人攀爬動作的成功率。由于活塞機(jī)構(gòu)由直流電動機(jī)驅(qū)動，直流電動機(jī)在確保攀爬動作的成功率中起重要作用。由于直流電機(jī)產(chǎn)生的扭矩不僅用于攀爬運(yùn)動，也用于克服摩擦力和繩索的夾持器產(chǎn)生的阻力因此，必須是大扭矩。在使用在市場上獲得的一些直流電機(jī)做了一些測試出現(xiàn)差錯(cuò)之后，最后選擇的是一個(gè)從手搖鉆上拆下來的直流電機(jī)，因?yàn)樗诟咿D(zhuǎn)速下可以提供足夠的扭矩和功率來克服阻力。在此提出的機(jī)器人，其夾持器需要能夠旋轉(zhuǎn)并作為中斷，以防止機(jī)器人滑動和進(jìn)入錯(cuò)誤的方向。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，用于夾持器的電機(jī)要求是在提供足夠的力的同時(shí)其旋轉(zhuǎn)角度能夠精確控制。因此RC伺服電機(jī)與金屬齒輪被選擇作為夾持器的電機(jī)。金屬齒輪伺服電機(jī)具有適合重載應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)用于閉環(huán)反饋應(yīng)用，并且電機(jī)的位置可以很容易地控制。表1展示出了兩種類型的電機(jī)規(guī)格和簡要要求。表1電機(jī)的要求和規(guī)格電機(jī)類型電機(jī)的要求電機(jī)的規(guī)格手搖轉(zhuǎn)直流電機(jī)大功率高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速：700r/min額定電壓：12VRC伺服電機(jī)（金屬齒輪）耐用提供大轉(zhuǎn)矩能旋轉(zhuǎn)90度易于控制全金屬齒輪適合重載應(yīng)用轉(zhuǎn)矩（Kg-cm）9.0/4.8V,11.0/6.0V13.0/7.2V（最大7.2V）旋轉(zhuǎn)角度：180度.為“閉環(huán)反饋”設(shè)計(jì)能夠控制電機(jī)的位置2.2.嵌入式系統(tǒng)為了使這該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)正常功能，僅設(shè)計(jì)機(jī)械部分是不完整的。機(jī)器人還需要一個(gè)嵌入式系統(tǒng)來激活和控制。嵌入式系統(tǒng)第一個(gè)將要被介紹的組件是系統(tǒng)架構(gòu)。根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)部分，機(jī)器人的處理單元和述電子元件將被討論。之后，隨著機(jī)器人的開發(fā)，軟件開發(fā)出來用以控制機(jī)器人并讓機(jī)器人執(zhí)行一些基本功能。2.2.1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。此爬繩機(jī)器人所用的主處理單元是一個(gè)PIC16F877A單片機(jī)。該微控制器被選擇是由于它體積小價(jià)格低。盡管PIC存儲器的容量只有14KB[10]，但它仍然綽綽有余，因?yàn)檫@款被開發(fā)機(jī)器人僅需要簡單的控制過程和很小的編程代碼。所有的致動器和傳感器都由該單個(gè)微控制器控制。所提出的系統(tǒng)的電源是12V直流電壓，它由一個(gè)鋰聚合物可再充電電池供給。12V的電壓被直接提供給手搖鉆直流電動機(jī)，而穩(wěn)定的5V電壓源被用來為控制基板供電。當(dāng)從一個(gè)限位開關(guān)接收到信號時(shí)，微控制器被用于控制發(fā)光二極管，3個(gè)伺服馬達(dá)和手鉆直流電動機(jī)。通常，發(fā)光二極管被用作為指標(biāo)燈，以顯示機(jī)器人狀態(tài)。微控制器產(chǎn)生脈寬調(diào)制（PWM）信號來控制伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。繼電器用于向手搖鉆直流電動機(jī)切換和將控制電路從高負(fù)荷手鉆直流電動機(jī)中分離出來，以保護(hù)微控制器免收物理損壞。限位幵關(guān) 發(fā)光二極直流電壓-5V微控制器PIC16F877A|PWM3個(gè)伺服電-12V直流電壓直流電壓-5V微控制器PIC16F877A|PWM3個(gè)伺服電-12V直流電壓繼電器手揺鉆圖2：系統(tǒng)架構(gòu)2.2.2?軟件介紹為了測試爬繩機(jī)器人的功能我們開發(fā)了一段源代碼。源代碼是在微觀基礎(chǔ)工作室用PICBASIC編程語言開發(fā)的。開發(fā)的源代碼的任務(wù)可被分成兩個(gè)部分。第一個(gè)任務(wù)是攀爬任務(wù)，爬繩機(jī)器人需要爬上傾斜34度的繩子直到它到達(dá)4.5米遠(yuǎn)的繩子頂部的板子處，如圖3所示。由于限位開關(guān)要與上述板子接觸所以限位開關(guān)位于機(jī)器人的端部，并能夠發(fā)出信號指導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行到第二任務(wù)。第二個(gè)任務(wù)是投擲包的任務(wù)。一旦機(jī)器人到達(dá)繩子的尾部,機(jī)器人需要回爬到中點(diǎn)并扔下一個(gè)包裹。圖4顯示了總體方案的流程圖。當(dāng)機(jī)器人被啟動時(shí)，夾持器旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的角度，以鎖定在繩索上機(jī)器人，并防止滑動。然后，直流電機(jī)將被啟動機(jī)器人開始攀爬繩子，活塞機(jī)構(gòu)發(fā)揮功能。該機(jī)構(gòu)將連續(xù)處于運(yùn)行，直到在微控制器接收到來自限位開關(guān)的信號，指示機(jī)器人已經(jīng)達(dá)到目標(biāo)一一繩索的端部。然后直流電動機(jī)將被微控制器關(guān)閉，而夾持器旋轉(zhuǎn)到下一個(gè)預(yù)定的角。的夾持器達(dá)到預(yù)定角度，直流電動機(jī)再次開始工作機(jī)器人進(jìn)行第二任務(wù)。受夾持器動作的影響，機(jī)器人會下降雖然直流電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與之前相同。當(dāng)機(jī)器人到達(dá)繩子的中點(diǎn)，直流電動機(jī)將被立即停止，同時(shí)機(jī)器人將丟下包裹。

圖4：總的流程圖3.結(jié)果與討論此研究主要關(guān)注于機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)。在實(shí)物機(jī)器人開發(fā)之前，基于此機(jī)器人結(jié)構(gòu)的一些模型已被制做，以便驗(yàn)證機(jī)器人的設(shè)計(jì)。在這個(gè)項(xiàng)目中，SOLIDWORK軟件應(yīng)用和SOLIDWORK運(yùn)動合成被用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證的目的。在SOLIDWORK中繪制完機(jī)器人的模型，也在SOLIDWORK的環(huán)境中開展了一些試驗(yàn)。通過對組件施加設(shè)定為摩擦力的隨機(jī)大小的力和設(shè)置曲軸以每分鐘100(rpm)(—個(gè)隨機(jī)挑選值)的速度轉(zhuǎn)動，其結(jié)果示于圖5。圖5(a)顯示活塞機(jī)構(gòu)曲柄的角速度。圖5(b)顯示圖lb中端桿的線性位移總體上，圖5示出，只要夾持器的功能良好，機(jī)器人可以在希望的方向上運(yùn)動。這可以從線性位移圖上說明。線性位移的正斜率表明，機(jī)器人已向前攀升一段距離。當(dāng)線性位移為負(fù)斜率時(shí)，機(jī)器人應(yīng)該是向后運(yùn)動，但是在夾持器的幫助下，這個(gè)動作被轉(zhuǎn)換，只有端桿在動而機(jī)器人是靜止在這一點(diǎn)的。tralHEjtralHEj圖5：SOLIDWORK仿真結(jié)果(a)初始接合角速度(b)機(jī)器人的線性位移圖6(a)顯示開發(fā)的機(jī)器人，而圖6(b)表示運(yùn)動的機(jī)器人。機(jī)器人被測試攀爬4.5米長傾斜角度為34度的繩鎖。機(jī)器人爬上繩索頂端所用時(shí)長為15秒，而完成2項(xiàng)任務(wù)總時(shí)長是20秒。該機(jī)器人的主要優(yōu)點(diǎn)是它不需要復(fù)雜的控制算法?；旧希@種機(jī)器人需要控制的致動器是在機(jī)器人開始爬坡之前將它們旋轉(zhuǎn)到預(yù)定角度的兩個(gè)夾持器。直流電動機(jī)的控

制十分簡單，僅是上電和停機(jī)，沒必要控制其旋轉(zhuǎn)方向。除此之外，由于只使用很少的電機(jī)(1直流電動機(jī)和3個(gè)伺服馬達(dá))，該機(jī)器人的功耗和成本也比較低。然而，該機(jī)器人還有一個(gè)可被進(jìn)一步改善的缺點(diǎn)。當(dāng)機(jī)器人在運(yùn)動時(shí)，它有時(shí)會造成沿著繩索的振動。這是由于高負(fù)荷和直流電動機(jī)的功率不受控制，這從圖7——直流電動機(jī)的功率消耗的曲線圖一一中可以觀察到。由圖7的波形我們觀察到，直流電機(jī)有一些雜亂無章的噪音。然而，在一般情況下，這種機(jī)器人的設(shè)計(jì)已被證明是成功的，因?yàn)闄C(jī)器人可以沿著繩索爬上爬下，并在指定的位置釋放包裹。將來，機(jī)器人的性能可以通過向這種機(jī)器人加入反饋控制，例如可以控制和穩(wěn)定電機(jī)功率的PID控制器，來得到提高。圖6:圖6:(a)所開發(fā)的機(jī)器人(b)攀爬運(yùn)動中的機(jī)器人圖7:直流電機(jī)功率消耗4?結(jié)論該項(xiàng)目為爬繩機(jī)器人(設(shè)計(jì))引入了一種新的有效方法。機(jī)器人僅需要一個(gè)直流電機(jī)和兩個(gè)伺服電機(jī)來完成爬行這一主要任務(wù)。一般來說，這一系統(tǒng)易于搭建和控制。該系統(tǒng)已被用于在機(jī)器人競賽中參加爬繩比賽，競賽結(jié)果令人鼓舞。該機(jī)器人設(shè)計(jì)完成任務(wù)1和任務(wù)2共用了20秒時(shí)間。將來，可以在能夠改進(jìn)的地方做一些研究，例如將PID控制器添加到控制系統(tǒng)中，除了可以增加高速爬繩運(yùn)動的線性運(yùn)動能力，還可以保持機(jī)器人機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定。參考文獻(xiàn)Murthy,S.S.,Raibert,M.H.,3D平衡腿步態(tài)：單腿案例建模與仿真，SIGGRAPH（美國計(jì)算機(jī)協(xié)會計(jì)算機(jī)繪圖專業(yè)組）計(jì)算機(jī)。第.27頁圖.Zeglin,G.J.,1991.Uniroo:單腿腿的動態(tài)跳躍機(jī)器人。BS論文，機(jī)械工程，麻省理工學(xué)院，劍橋，馬薩諸塞州部。Fukuoka,Y,Kimura,H.,Cohen,A.H.,2003基于生物概念在不規(guī)則地形下自適應(yīng)動態(tài)行走四足機(jī)器人。機(jī)器人技術(shù)研究國際期刊。第187-202頁。Kimura,H.,Fukuoka,Y,Konaga,K.,2001.使用神經(jīng)系統(tǒng)模型自適應(yīng)動態(tài)行走四足機(jī)器人，先進(jìn)機(jī)器人，第859-876頁⑸Kaplan,F.,Oudeyer,P.,Kubinyi,E.,Miklosi,A.,2001“馴服機(jī)器人響片訓(xùn)練：一種教授復(fù)雜的行為的方法”歐洲學(xué)習(xí)機(jī)器人研討會的程序。⑹Delcomyn,F.,Nelson,M.E.,20