機(jī)器人樓梯推進(jìn)技術(shù)研究

0移動(dòng)機(jī)器人的基本功能移動(dòng)機(jī)器的技術(shù)越來越多地用于工業(yè)應(yīng)用、海洋開發(fā)、家庭服務(wù)、太空探索和現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)等場(chǎng)所。樓梯是最常見的障礙物之一,爬樓梯能力是移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)具有的基本功能。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的爬樓梯機(jī)器人按推進(jìn)方式主要分為輪式、腿式、履帶式和輪腿式等。1u3000階段計(jì)劃1.1機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型六足機(jī)器人AmphiHex采用半圓腿為推進(jìn)機(jī)構(gòu),具有良好的環(huán)境適應(yīng)性,能夠適應(yīng)平地、樓梯和泥地等不同環(huán)境。機(jī)器人由驅(qū)動(dòng)模塊、變形腿模塊、控制電路和防水殼體組成,左側(cè)3條腿依次編號(hào)為1,2,3,右側(cè)3條腿依次編號(hào)為4,5,6。機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。AmphiHex采用弧形腿為推進(jìn)機(jī)構(gòu),每條腿僅有1個(gè)自由度,降低了控制的復(fù)雜度。機(jī)器人在樓梯上運(yùn)動(dòng)如圖1所示。1.2足機(jī)器人身體運(yùn)動(dòng)特性六足機(jī)器人在陸地上運(yùn)動(dòng)時(shí),按照支撐在地面上的腿的數(shù)量不同,可將步態(tài)分為三角步態(tài)、四足步態(tài)和波動(dòng)步態(tài)。這3種步態(tài)是六足機(jī)器人陸地運(yùn)動(dòng)最常用的步態(tài),其中三角步態(tài)速度快,靈活性高;波動(dòng)步態(tài)速度慢,但穩(wěn)定性好;四足步態(tài)介于以上兩者之間。六足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí),腿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以分為支撐相和擺動(dòng)相。支持相是機(jī)器人的腿處于支撐或者著地的狀態(tài),此時(shí)腿承受載荷并朝運(yùn)動(dòng)反方向轉(zhuǎn)動(dòng);擺動(dòng)相則是指機(jī)器人的腿處于空中轉(zhuǎn)動(dòng)的不著地狀態(tài)。用T表示機(jī)器人腿的運(yùn)動(dòng)周期,并且用tsi表示機(jī)器人的第i條腿處于支撐相的時(shí)間,則占空比βi可以用支撐相的時(shí)間tsi與運(yùn)動(dòng)周期T的比值來表示,即占地系數(shù)δ是指機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中處于支撐相的腿的平均個(gè)數(shù),對(duì)于腿的總條數(shù)為n的機(jī)器人為:用S表示機(jī)器人腿的單步位移,則機(jī)器人的平均速度可以用v來表示,即對(duì)于不同的步態(tài),占地系數(shù)δ影響機(jī)器人的穩(wěn)定性和平均速度。較小的占地系數(shù)意味著機(jī)器人處于支撐相的腿較少,速度較快;相反,占地系數(shù)較大時(shí),處于支撐相的腿的條數(shù)增加,能承受更大的載荷,但是速度較慢。1.3驅(qū)動(dòng)相和擺動(dòng)相六足機(jī)器人AmphiHex運(yùn)動(dòng)時(shí),6條腿按照一定的時(shí)序整周轉(zhuǎn)動(dòng)。圖2為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí),單腿的運(yùn)動(dòng)示意圖,其中,P0是由機(jī)器人身體內(nèi)部的零位檢測(cè)裝置決定的絕對(duì)零度位置;P1和P2分別是支撐相的開始和結(jié)束位置。用參數(shù)ωs,ωf,ts,tf,θ0和θ1來描述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。θ0是腿從OP0位置到OP1位置轉(zhuǎn)過的角度,θ1是支撐相的角度,ts和tf分別是支撐相和擺動(dòng)相的時(shí)間。在AmphiHex半圓腿的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中,支撐相的角度為[θ0,θ0+θ1],其余角度為擺動(dòng)相。在支撐相,腿以較慢的角速度ωs轉(zhuǎn)動(dòng),以支撐機(jī)器人并提供推進(jìn)力;在擺動(dòng)相,腿以較快的角速度ωf轉(zhuǎn)動(dòng)。由于半圓腿在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中,旋轉(zhuǎn)中心離地面的距離是變化的,所以當(dāng)支撐相結(jié)束時(shí),處于擺動(dòng)相的腿也應(yīng)該結(jié)束擺動(dòng)相,因此,半圓腿的運(yùn)動(dòng)應(yīng)滿足:2u3000mmphihex四足步驟2.1足態(tài)度運(yùn)動(dòng)過程六足機(jī)器人四足步態(tài)的靈感來自于蟑螂的運(yùn)動(dòng),蟑螂在攀爬運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)增加支撐腿的條數(shù)來維持身體的穩(wěn)定,由常規(guī)的三足支撐運(yùn)動(dòng)變?yōu)樗淖阒芜\(yùn)動(dòng)。采用四足步態(tài),六組昆蟲或六足機(jī)器人可以獲得較大的推進(jìn)力和穩(wěn)定性。在四足步態(tài)中,AmphiHex的6條腿被分為3組,每一組腿由左側(cè)和右側(cè)的2條腿組成。3組腿分別為前足(1號(hào)腿和4號(hào)腿),中足(2號(hào)腿和5號(hào)腿)和后足(3號(hào)腿和6號(hào)腿)。機(jī)器人的3組腿按照由前到后的順序依次轉(zhuǎn)動(dòng)。在四足步態(tài)中,任意時(shí)刻至少有4條腿處于支撐相,占空比為2/3,占地系數(shù)為4。機(jī)器人四足步態(tài)運(yùn)動(dòng)的時(shí)序如圖3所示。圖4為AmphiHex四足步態(tài)的運(yùn)動(dòng)過程,可以分為以下3步:a.前足從P2轉(zhuǎn)到P1,處于擺動(dòng)相,中足停留在P1,后足從P1轉(zhuǎn)到P2,處于支撐相,如圖4a所示。b.前足停留在P1,中足從P2轉(zhuǎn)到P1,處于支撐相,后足從P1轉(zhuǎn)到P2,處于擺動(dòng)相,如圖4b所示。c.前足從P1轉(zhuǎn)到P2,處于支撐相,中足從P2轉(zhuǎn)到P1,處于擺動(dòng)相,后足停留在P1,如圖4c所示。按照上述步驟循環(huán),AmphiHex以四足步態(tài)向前推進(jìn)。與三角步態(tài)相比,四足步態(tài)的速度稍慢,任意時(shí)刻只有2條腿處于擺動(dòng)相,但四足步態(tài)的承載能力和穩(wěn)定性較好。三角步態(tài)常用于在平地上行走,可以獲得更大的前進(jìn)速度和運(yùn)動(dòng)靈活性。四足步態(tài)則用于斜坡或者樓梯等機(jī)器人容易發(fā)生傾斜或翻到的場(chǎng)合,以獲得穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。2.2身體重心穩(wěn)定試驗(yàn)McGhee和Iswandhi于1976年提出靜態(tài)穩(wěn)定裕度SSM(staticu3000stabilityu3000margin)的概念。SSM穩(wěn)定裕度定義為重心投影點(diǎn)距離投影支撐多邊形各邊的最小距離,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:SSSM為靜態(tài)穩(wěn)定裕度;ln為支撐腿數(shù),diG為重心投影至支撐多邊形第i條邊的距離。當(dāng)SSSM>0時(shí),機(jī)器人處于穩(wěn)定狀態(tài);反之,則是不穩(wěn)定的。六足機(jī)器人以四足步態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí),當(dāng)2條前腿或2條后腿處于擺動(dòng)相時(shí),機(jī)器人的穩(wěn)定性最差。以前足離地的狀態(tài)為例,機(jī)器人處于穩(wěn)定狀態(tài)需滿足以下條件:中足和后足處于支撐相,且中足的支撐點(diǎn)不能越過身體的中心線。機(jī)器人在該狀態(tài)下的穩(wěn)定裕度計(jì)算如5所示。圖5中,O為機(jī)器人身體重心的投影;s1,s2,s3,s4分別為機(jī)器人重心投影到支撐多邊形各邊的距離。根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定裕度SSSM=min(s1,s2,s3,s4),由圖6可得:此時(shí)的最小穩(wěn)定裕度為:由上式可得,SSSM>0,因此,機(jī)器人的四足步態(tài)是穩(wěn)定的。3u3000mm13635dx樓梯實(shí)驗(yàn)與分析3.1安裝滑樓梯失敗時(shí)的動(dòng)態(tài)調(diào)整與翻越單個(gè)或者幾個(gè)障礙物相比,爬樓梯要求機(jī)器人能夠更好地適應(yīng)環(huán)境,以避免由于樓梯臺(tái)階長(zhǎng)度限制而導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)若干周期后身體的姿態(tài)無法和適應(yīng)樓梯,導(dǎo)致爬樓梯失敗。對(duì)于不同尺寸的樓梯,機(jī)器人在樓梯上行走時(shí),可能出現(xiàn)腿無法接觸到下一級(jí)樓梯的情況,發(fā)生踩空,進(jìn)而導(dǎo)致后續(xù)的步態(tài)無法與樓梯相適應(yīng),導(dǎo)致爬樓梯失敗。在步態(tài)設(shè)計(jì)中,支撐相的角度可以在一定范圍內(nèi)變化。對(duì)于不同長(zhǎng)度和高度的樓梯,可以通過改變支撐相的角度,使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與樓梯協(xié)調(diào)。樓梯較長(zhǎng)時(shí),通過增加支撐相的角度,使得機(jī)器人身體的前端能夠接觸樓梯,繼續(xù)完成爬樓梯運(yùn)動(dòng)。相反,當(dāng)樓梯較短時(shí),減小支撐相的角度能確保機(jī)器人腿的著地點(diǎn)和樓梯保持協(xié)調(diào)。3.2溫度對(duì)機(jī)器人可靠墻的影響選取了校園5種不同類型參數(shù)的樓梯來測(cè)試六足機(jī)器人AmphiHex的爬樓梯性能,實(shí)驗(yàn)所選樓梯的尺寸及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中,樓梯的角度為樓梯的高和長(zhǎng)的比值的反正切值,機(jī)器人爬樓梯的速度為平均每秒鐘爬上的樓梯的臺(tái)階數(shù)。實(shí)驗(yàn)中,機(jī)器人成功爬上了4種樓梯,機(jī)器人能夠爬上的樓梯的最大角度為32.3°,機(jī)器人在爬22.8°的樓梯時(shí)速度最快,為0.3臺(tái)階/s。3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析通過對(duì)比試驗(yàn)中不同樓梯的尺寸,發(fā)機(jī)器人能否爬上樓梯主要取決于樓梯臺(tái)階的高度,與臺(tái)階的長(zhǎng)度,傾斜角度和表面情況無關(guān)。樓梯臺(tái)階過高,機(jī)器人的腿處于擺動(dòng)相時(shí),力臂較長(zhǎng),所需轉(zhuǎn)矩較大,機(jī)器人因驅(qū)動(dòng)能力不足而無法爬上樓梯;相反,臺(tái)階高度較低時(shí),力臂相對(duì)較短,所需轉(zhuǎn)矩較小,