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      一種新型爬壁機器人越障過程的運動及動力學分析

      放大字體  縮小字體 發布日期:2020-02-20 09:41:29    瀏覽次數:11    評論:0
      導讀

      0 引言爬壁機器人作為極限作業機器人的一個重要分支,在橋梁與隧道檢測、高層建筑清洗以及反恐偵查等領域具有廣闊的應用前景[1-4]。實際工作中,在保證爬壁機器人安全吸附的前提下,如何快速移動并應對復雜壁面環境,如交叉面、凹坑和凸起類障礙等,是爬壁機器人研究的熱點。爬壁機器人領域的研究者們針對在壁面環境如何移

      0 引言

      爬壁機器人作為極限作業機器人的一個重要分支,在橋梁與隧道檢測、高層建筑清洗以及反恐偵查等領域具有廣闊的應用前景[1-4]。實際工作中,在保證爬壁機器人安全吸附的前提下,如何快速移動并應對復雜壁面環境,如交叉面、凹坑和凸起類障礙等,是爬壁機器人研究的熱點。

      爬壁機器人領域的研究者們針對在壁面環境如何移動做了長期的研究[5-7]。董偉光等[8]針對交叉面過渡提出了一種基于行星輪系結構的輪足復合式爬壁機器人,該機器人能實現平面移動和交叉面過渡,但無法在具有障礙的壁面環境工作。陳東生[9]自主研發的十字框架式爬壁機器人,通過安裝有真空吸盤的十字框架交替吸附壁面實現機器人壁面移動,其移動平穩但速度緩慢且無法跨越障礙。Goik Lee 等[10]采用履帶與多吸盤結構相結合的思想,提出一種10組履帶共60 個真空吸盤的多連接結構爬壁機器人,該爬壁機器人具備跨越部分壁面障礙的能力,但體型巨大,結構冗雜,移動速度緩慢,無法應對真實的復雜壁面環境。另外,馮偉博[11]研究了雙足式爬壁機器人,該機器人具備跨越壁面障礙的能力,但因其移動速度緩慢等因素,并沒有獲得良好地使用。

      本文中設計了一種串聯式輪足復合爬壁機器人,該機器人不僅能實現交叉面過渡,壁面快速移動,其最大特點是具備跨越壁面上超過自身高度障礙物的能力,對有交叉面、凹坑、凸起類障礙等的壁面環境具有良好的適應性,例如具有不同傾角交叉的建筑壁面、具有裂縫凹坑的破損壁面以及具有管道、凸臺障礙等的隧道壁面。本文應用凱恩方程[12]建立動力學公式,在跨越壁面障礙過程中基于空間力系平衡條件及動力學公式構建爬壁機器人極限運動狀態下的穩定吸附力學模型。利用該模型獲得爬壁機器人極限狀態下的安全吸附力值,為爬壁機器人機構優化提供依據,提升設計實用性。本文從吸附力大小合理控制的角度出發,為提高爬壁機器人在具有不同高度障礙物的壁面上工作的安全性提供了一種可行的解決方案。

      1 機器人機構設計與運動分析

      1.1 機構設計

      串聯式輪足復合爬壁機器人的機構設計如圖1所示,機器人由兩個結構相同的輪足復合移動機構和兩條相同機械腿組成。圖中標號4所指的兩根平行桿構成單條機械腿,兩桿間相距一定距離,均安裝在標號6 所指的同一根較長中間軸上;兩條機械腿串聯,連接所用的長軸作為中間關節,由腿間驅動電機驅動。每條腿末端各自以轉動副連接1個輪足復合移動機構,由腿/足間關節驅動電機驅動。因此,該機器人主體具有3個獨立轉動關節,各關節均可實現360°旋轉運動。機械腿運動靈活,可驅動輪足復合移動機構跨越超過自身高度的障礙物,并能靈活調整機器人位姿,實現機器人翻轉越障、位姿調節功能。輪足復合移動機構包括負壓模塊和驅動模塊,對單足而言,負壓模塊安裝在機器人一級密封腔內,內置離心葉輪高速旋轉保持一級密封圈內持續負壓,外圈的二級密封圈能保證較好的密封性,實現機器人的安全吸附功能。負壓吸附方式不受吸附壁面材料限制,并且壁面適應能力強,滿足機器人隧道壁面環境的適應能力要求。驅動模塊安裝在二級密封腔內部,一級密封腔外部,具有1個兩輪移動裝置,兩輪獨立驅動,實現機器人在吸附壁面上的移動和轉動。

      圖1 爬壁機器人結構圖

      根據上述機構設計可知,機器人可實現3種運動方式:①在平整壁面上,驅動兩足內部的兩輪移動裝置,實現快速平穩且轉向靈活的輪式運動;②跨越障礙時,驅動機械腿,實現機器人翻轉越障的雙足運動;③在復雜壁面環境下,驅動機械腿翻轉機器人,其中一足越障的同時,驅動支撐足內的兩輪移動機構推動機器人整體運動,實現機器人運行和越障的輪足復合運動。

      1.2 運動分析

      圖2(a)、圖2(b)所示分別為串聯式輪足復合爬壁機器人的越障運動及壁面凹過渡過程,圖3 所示為爬壁機器人越障過程的運動軌跡描述。下面以圖2(a)機器人越障運動為例進行運動分析:

      (1)當兩足負壓模塊吸附壁面時,在輪式運動模式下調整機器人方向,快速接近障礙物。

      圖2 越障運動

      圖3 運動軌跡描述

      (2)機器人在靠近障礙物時,調整機械腿位姿,使機械腿與障礙物壓緊接觸。

      (3)足式運動模式下,機械腿抬起機器人一足,翻轉并跨越障礙物,同時調整該足位姿,使其與壁面貼合吸附。

      (4)足式運動模式下,機械腿抬起另一足,翻轉并跨越障礙物,調整該足位姿,使其與壁面貼合吸附。

      (5)輪式運動模式下,機器人繼續前進一段距離,機械腿放下,越障運動完畢。

      2 爬壁機器人越障穩定性分析

      本節以機器人極限運動狀態為例,對機器人在豎直壁面上越障抬腿過程(單足抬起跨越障礙時的運動狀態)進行動力學分析??紤]結構特點和便于力學分析,采用凱恩法進行動力學方程推導。圖4為機器人結構簡圖,為了便于分析,分別將組成對應機械腿的兩并聯桿用1根等效桿替代,定義與固定足相連的機械腿為桿1;固定足與桿1 之間的連接關節為關節1,另一只為桿2;兩桿間關節為關節2;桿2與運動足之間的連接關節為關節3。以關節1為原點O,設O-XYZ 為固定坐標系,X 為墻面法線方向,Y 為機器人前進方向;設X、Y、Z方向的單位向量用e1、e2、e3表示,定義桿1、桿2和運動足3個構件的轉角θ1、θ2θ3分別為廣義坐標q1、q2、q3。

      圖4 機器人結構簡圖

      2.1 機器人動力學分析

      根據圖4所示情況,外力包括重力、慣性力及慣性力矩。為求得構件所受外力大小,將各構件運動學參數表示成廣義坐標的函數,包括構件質心位移、速度和加速度。

      2.1.1 機構位置分析

      用向量Li表示桿i的質心在固定坐標系O-XYZ中的位置,有

      式中,h 為足高度;ρ 為桿 1、桿 2 各自長度;ρ1 為桿1 質心位置到關節1 的距離;ρ2 為桿2 質心位置到關節2的距離;d為運動足質心位置到關節3的距離。

      各構件質心速度 V1、V2、V3 即將式(1)中 L1、L2、L3對時間求導;加速度即L1、L2、L3對時間的二次求導。

      2.1.2 機構主動力和慣性力

      定義廣義速度

      主動力(矩)為

      慣性力(矩)為

      式中,J1、J2、J3 分別為3 個關節驅動構件的轉動慣量。

      2.1.3 系統動力學方程

      利用拉格朗日求廣義力的方法,將主動力和慣性力轉換到廣義坐標中,首先求力(矩)轉換矩陣為

      由于關節處有驅動器,故在桿1上除M1外,還有力矩-M2,桿2上除M2外還有-M3作用其上。則有

      廣義主動力為

      廣義慣性力為

      系統動力學方程表示為

      分別將式(2)、式(4)、式(5)代入式(6),式(3)、式(4)、式(5)代入式(7),得到廣義主動力和廣義慣性力為

      F、F*代入式(8)中,得系統動力學方程組

      2.2 穩定性分析

      基于上節分析結果對機器人單腿越障過程進行穩定性分析。根據圖5中機器人受力情況,其力學平衡方程為

      式中,G為機器人重力;Ff為摩擦力;Fp為吸盤吸附力;FN為支反力;分別為各桿慣性力在X、Y方向上的分量;xic、yic、zic 分別為各桿質心在X、Y、Z 方向的位置;mi 為各桿質量;為各桿在Z 方向的慣性力矩;A、B 兩處間的距離即足長Ls;足寬為Lr;μ為足與墻面間的摩擦因數。

      圖5 機器人受力圖

      2.2.1 抗傾覆分析

      B處支反力為Fp1,則有

      變形得

      機器人單腿越障過程不傾覆需要滿足以下條件:B處支反力Fp1 >0,將式(17)代入不等式,得

      由式(15)推得

      將式(19)代入式(18)并簡化,得不等式為

      上式將機器人抗傾覆條件Fp1> 0 轉換成了力 Fp、各桿質量mi、慣性力慣性力矩及各桿質心位置xicyic之間的關系,令

      式中,hs 為抗傾覆穩定性裕度,hs >0 時,系統穩定。

      2.2.2 抗滑動分析

      抗滑動摩擦轉矩Mf

      機器人越障過程不滑動需要滿足以下條件:抗滑動摩擦轉矩大于臨界值,即

      由式(15)推得

      將式(24)代入式(22)與式(23)并簡化得

      上式將機器人穩定條件Mf >Mf0轉換成了力Fp,各桿件質量mi,慣性力X、Y方向分量各桿質心位置zic,靜摩擦因數μ之間的關系,令

      式中,hr 為抗滑動穩定性裕度,hr >0 時機器人越障過程不滑動。

      2.3 小結

      綜合考慮抗滑動與抗傾覆約束條件:hs 越大,機器人抗傾覆能力越強;hr 越大,機器人抗滑動能力越強,機器人穩定性越好。定義hw=min(hr,hs)用作綜合判定,顯然,機器人穩定條件為hw >0。

      3 動力學仿真分析

      通過Adams 仿真分析爬壁機器人越障過程的受力情況,然后基于穩定性判據hw 對爬壁機器人越障過程中出現的危險狀態(單腿越障過程)進行Matlab數值仿真分析,得到吸附力的變化曲線。最后兩相對比,驗證之前理論推導的正確性及爬壁機器人運動的可行性。變量包括關節2 轉角q2、障礙物高度bh、吸附力大小Fp等,參數定義如表1所示。

      表1 參數表

      根據以攀爬越障為目標導向的設計思路,確定機器人虛擬樣機結構及其尺寸,如表1所示,主要包括 ρ、d、Ls、Lr、h;通過模型體積與材料(SOMOS8000)密度的乘積加上各附件質量初步確定主體零件質量參數,包括m0、m1、m2、m3,根據質心計算公式mcrc=∑miri,計算得到桿1、桿2質心位置ρ1、ρ2;為完成機器人爬壁越障過程,需控制機器人各驅動關節在各階段的轉動速度,本文著重研究單腿跨越過程的穩定性,因此,表1中僅列出機器人單足跨越階段時3 個關節所設定的轉速參數,包括 u1、u2、u3。

      3.1 機器人越障過程分析結果

      利用Adams 分析爬壁機器人跨越壁面障礙的過程。假設障礙物高度bh=0.21 m,首先,對爬壁機器人越障全過程進行仿真,如圖6所示,機器人先接近障礙物,再將兩條機械腿都靠在障礙物上,然后,內側機械腿先抬起內側足,準備單腿跨越障礙,此時內側腿重心變化如圖7 實線所示,內側足吸附力消失,如圖8 所示。此時外側腿重心變化如圖7 虛線所示,外側足吸附力變大,如圖8 所示。待到內側腿跨越完畢,內側足對壁面重新吸附,外側腿開始抬起,重心變化和吸附力變化與前者類似,變化曲線如圖7、圖8所示。

      圖6 機器人越障過程步態

      圖7 機器人質心位置變化曲線

      圖8 機器人吸附力變化

      根據Adams 仿真結果中吸附力變化曲線可知,機器人在單腿跨越過程中,吸附力變化較為劇烈,需要重點驗證這一階段的穩定性,因此利用Matlab對單腿跨越過程進行數值仿真。

      3.2 單足跨越過程數值仿真

      為進一步探求機器人越障過程中的穩定性,結合第二節所得到的穩定性判據,對機器人單足跨越過程進行數值仿真。為保證和Adams 動力學仿真所得結果能相互印證,所涉及機器人參數與上節相同。設障礙物高度bh=0.21 m,圖9 所示為穩定性判據hw隨單足吸附力Fp、關節2轉角q2的變化關系圖。

      圖9 hwFpq2變化曲面圖

      通過觀察以Fp、q2 作為變量的hw 曲面圖,可以看出在bh=0.21 m 時,Fpq2大小變化時對機器人穩定性的影響趨勢,可以發現在關節2 轉至0°,也就是腿的位置運動至水平方向時,維持機器人穩定所需的吸附力最大。數值仿真結果與Adams 動力學仿真結果一致,證明了理論推導的正確性。

      為進一步了解機器人單足跨越過程運動穩定所需條件,假設所提供的Fp剛好使機器人穩定,即hw=0,圖10所示為Fpq2、bh變化關系圖。顯然,當Fp取值在圖10中曲面以上時,機器人即處于穩定狀態。

      最后,為探究3個變量與機器人單足越障過程穩定性的綜合影響情況,圖11 所示為hw 與Fp、q2、bh的關系圖,設各變量取值區間為[50,200]、[-180°,180°]、[0,0.31]。并繪制四維關系圖,其中,顏色代表穩定性綜合判據hw。

      圖10 Fpq2bh變化曲面圖

      圖11 hwFp、q2bh變化四維關系圖

      由圖11可知,滿足機器人單足跨越過程運動穩定的最小吸附力大小為116 N,而跨越障礙時根據障礙物高度不同所需吸附力不同,機器人所能跨越的最大障礙高度為0.31 m,障礙物高度從0.19 m 開始,所需吸附力隨障礙物高度線性增加,出現這種現象的原因在于穩定性判據是綜合抗滑動和抗傾覆兩大條件制定,取其交集而得。此外,機器人所需吸附力大小也隨關節2大小變化,呈拋物線分布,在跨越腿運動到水平位置時所需吸附力最大。因此當機器人遇到最大障礙物高度0.31 m時,滿足機器人單足跨越過程運動穩定所需的最小吸附力大小為158 N。

      以上數值仿真結論與Adams 動力學仿真結果一致,綜合驗證了理論推導的正確性及該機器人越障過程的可靠性。

      4 結論

      (1)介紹了一種串聯式輪足復合爬壁機器人,該機器人可以在墻面快速移動并跨越超過自身高度的墻面障礙物,并可以實現交叉面過渡。

      (2)基于動力學公式和力平衡公式推導出機器人在極端位姿情況下穩定運行所需的最小吸附力值,為爬壁機器人合理控制吸附力提供了理論依據。

      (3)仿真實驗表明,所需吸附力受障礙物高度、機器人位姿以及機器人運動狀態等內外因素影響,為第二代串聯式輪足復合爬壁機器人性能優化提供了方向。

      參考文獻

      [1]陳瑤,梅濤,王曉杰,等.基于爬壁機器人的橋梁裂縫圖像檢測與分類方法[J].中國科學技術大學學報,2016,46(9):788-796.

      [2]CHU B,JUNG K,HAN C,et al.A survey of climbing robots:Locomotion and adhesion[J].Journal of Precision Engineering and Manufacturing,2010,11(4):633-647.

      [3]MIRIPOUR B.Climbing and walking robots[M].Rijeka,Croatia:In-Tech,2010:1-22.

      [4]TUMMALA R L,MUKHERJEE R,XI N,et al.Climbing the walls[J].IEEE Robotics and Automation Magazine,2002,9(4):10-19.

      [5]XIAO J Z,SADEGH A,ELLIOT M,et al.Design of mobile robots with wall climbing capability[C]//IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.Piscataway:IEEE,2005:438-443.

      [6]NISHI A.Development of wall-climbing robots[J].Computers and Electrical Engineering,1996,22(2):123-149.

      [7]朱志宏,李濟澤,彭晉民,等.微小型壁面檢測爬壁機器人移動平臺研究[J].機械工程學報,2011,47(3):49-54.

      [8]董偉光,王洪光,姜勇.一種輪足復合式爬壁機器人動力學建模與分析[J].機器人,2015,37(3):264-270.

      [9]陳東生.一種基于爬壁機器人裝置的隧道檢測方法[J].鐵道建筑,2017(5):79-82.

      [10]LEE G,KIM H,SEO K,et al.MultiTrack:A multi-linked track robot with suction adhesion for climbing and transition[J].Robotics &Autonomous Systems,2015,72:207-216.

      [11]馮偉博.仿尺蠖爬壁機器人機構設計與基于CPG 的步態規劃[D].杭州:中國計量學院,2015:10-21.

      [12]劉延柱.多體系統動力學[M].北京:高等教育出版社,2014:270-323.


       
      (文/小編)
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