小型自適應(yīng)翻轉(zhuǎn)爬爬機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

小型自適應(yīng)翻轉(zhuǎn)爬爬機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

0桿設(shè)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(gòu)僅針對特定截面形狀的爬桿設(shè)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(shè)計了一種小型的自適應(yīng)翻轉(zhuǎn)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(jié)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(jié)構(gòu)與建模1.1u3000項目筆者設(shè)計的自適應(yīng)翻轉(zhuǎn)攀爬機器人結(jié)構(gòu)如圖1a所示,機器人共由5個連桿和4個關(guān)節(jié)組成,關(guān)節(jié)使用舵機(TBS2701,杭州眾靈科技有限公司)驅(qū)動,首末連桿上各安裝抓手,抓手的開合通過舵機驅(qū)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(shè)計有2個優(yōu)點:首先,該結(jié)構(gòu)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(shè)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(nèi)只有一個根,然而實際上在整個坐標平面(-π,π)內(nèi)還存在另外一個根,因此應(yīng)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(nèi)應(yīng)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(nèi)應(yīng)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(yīng)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(cè)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(zhuǎn)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(diào)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(diào)整關(guān)節(jié)1使上一步產(chǎn)生的跨步d(即關(guān)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(shè)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(diào)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(shè)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(diào)整關(guān)節(jié)整體垂直結(jié)構(gòu)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(diào)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(dǎo)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(guān)節(jié)1、4的連線調(diào)整至與地面保持垂直。通過控制關(guān)節(jié)4轉(zhuǎn)動,將上抓手桿調(diào)整至與下抓手桿平行(見圖7c)。這時,關(guān)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(jié)構(gòu)。由于上下抓手桿結(jié)構(gòu)一致,且下抓手桿可牢靠地抓緊爬桿,則根據(jù)對稱關(guān)系,上抓手則也可抓緊爬桿。調(diào)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(guān)系,此時結(jié)束調(diào)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(guān)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(zhuǎn)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(guān)節(jié)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過程中抓手所承受力矩過大而導(dǎo)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(zhuǎn)動作完成。翻轉(zhuǎn)完成后,機器人根據(jù)新設(shè)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(fù)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(jié)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(nèi)的結(jié)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(jié)果數(shù)量總和的占比?？梢?0s內(nèi)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(jié)果。每次攀爬結(jié)束時,使用直尺測量兩抓手末端的距離,并與設(shè)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(nèi)的結(jié)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(jié)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(shè)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(zhì)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(yīng)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(zhì)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(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(shè)計的攀爬機器人的主要參數(shù)和攀爬性能與國內(nèi)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(shè)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(jié)構(gòu),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(zhuǎn)機器人的跨步控制算法筆者設(shè)計了一款小型自適應(yīng)翻轉(zhuǎn)攀爬機器人。機器人由5個連桿和4個關(guān)節(jié)組成,通過加速度傳感器獲取關(guān)鍵連桿的位置,并按照設(shè)定距離實現(xiàn)跨步翻轉(zhuǎn)動作。機器人攀爬通過跨步和翻轉(zhuǎn)兩個動作交替進行而實現(xiàn)。跨步動作可分解為跨步距離的確定、跨步姿態(tài)的調(diào)整和抓手夾持3步驟。翻轉(zhuǎn)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(zhuǎn)完成后,