自主柔性變形蛇形機器人控制系統(tǒng)設(shè)計*

王超杰，蘇 中，連曉峰，趙 旭，時佳斌，陳 庚

(1.北京信息科技大學(xué) 高動態(tài)導(dǎo)航技術(shù)北京市重點實驗室，北京100101;2.北京工商大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，北京100048;3.北京理工大學(xué) 自動化學(xué)院，北京100084)

0 引 言

在災(zāi)難救援任務(wù)中，復(fù)雜地形與惡劣環(huán)境對機器人運動性能提出了嚴峻挑戰(zhàn)，同時也為仿生機器人的研究創(chuàng)造新的發(fā)展空間。與傳統(tǒng)移動機器人相比，蛇形機器人作為一種特殊仿生機器人在復(fù)雜地形環(huán)境下具有明顯優(yōu)勢:1)軀體重心低，運動方式更穩(wěn)定;2)依靠軀體擺動摩擦獲得前進動力使其具有一定的自動避障能力;3)軀體結(jié)構(gòu)和多種步態(tài)使其可通過狹窄空間。總之，蛇形機器人具有較高的運動穩(wěn)定性和較強的環(huán)境適應(yīng)能力，不僅可以在地震、礦災(zāi)等環(huán)境中進行災(zāi)害搜救工作，也可以應(yīng)用于軍事偵察、空間探索等領(lǐng)域。

現(xiàn)今大多數(shù)移動機器人存在控制系統(tǒng)實時性差、越障能力和自主性不夠強等缺點，滿足不了高性能小型自主移動機器人的需求。本文依據(jù)復(fù)雜搜救環(huán)境的救援需求，設(shè)計了以ARM 微處理器STM32 為核心、多傳感器融合的蛇形機器人控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了機器人的遠程監(jiān)控與運動控制、多傳感器環(huán)境信息采集等功能［1～4］。

1 控制系統(tǒng)

1.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了滿足廢墟災(zāi)難環(huán)境中的控制需求，設(shè)計了蛇形機器人控制系統(tǒng)［5］，如圖1 所示。控制系統(tǒng)上層是監(jiān)控系統(tǒng)，通過Zig Bee 無線模塊給主控系統(tǒng)發(fā)送控制蛇步態(tài)的指令，如蜿蜒、蠕動、翻滾、分體等。主控系統(tǒng)的音視頻信息和慣導(dǎo)、溫度、濕度、壓力、有害氣體等傳感器信息分別通過1.2 G無線收發(fā)模塊和Zig Bee 模塊傳輸給監(jiān)控系統(tǒng)顯示。主控模塊通過Zig Bee 無線模塊與從控系統(tǒng)進行通信，以控制其實現(xiàn)相關(guān)的步態(tài)。

圖1 機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of robot control system

1.1.1 主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)主要由ARM 核微處理器STM32、無線通信模塊以及傳感器組成。主控系統(tǒng)通過無線模塊接收監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令，并根據(jù)指令決定搜救機器人的運動步態(tài)、運動方向以及到達目標的位置;傳感器收集災(zāi)難環(huán)境中音視頻、溫度、濕度、有毒氣體以及紅外測距信息，微處理器根據(jù)測距信息選擇合適的運動步態(tài)，并將控制指令通過無線模塊發(fā)送給從控系統(tǒng)去執(zhí)行。各傳感器與主控單元的連線圖如圖2 所示。

圖2 各傳感器與主控單元的連接圖ig 2 Connection diagram of each sensor and master control unit

1.1.2 從控系統(tǒng)

從控系統(tǒng)使用了和主控制器一樣的高速ARM 處理器，可同時控制18 路PWM 舵機。從控系統(tǒng)通過Zig Bee 無線模塊從主控制系統(tǒng)獲得控制指令，通過PWM 信號控制關(guān)節(jié)機構(gòu)運動。從控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

1.2 步態(tài)控制

圖4 所示為Serpenoid 曲線，用來規(guī)劃蛇形機器人的運動軌跡，并確定搜救機器人的驅(qū)動函數(shù)。

圖3 從控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 3 Structure diagram of slave control system

圖4 Serpenoid 曲線Fig 4 Serpenoid curve

Serpenoid 曲線在一個周期內(nèi)的曲率方程可以表示為

式中 α 為搜救機器人初始彎角;k 為傳播波的個數(shù);L 為搜救機器人總長;s 為搜救機器人尾部沿搜救曲線軸線方向的虛位移。

根據(jù)式(1)可知，曲率ρ 是以弧長s 為變量的函數(shù)，當傳播的波數(shù)一定時，主要受波形的初始彎角所決定。設(shè)搜救機器人的脊柱由n 個軀干單元組成，每個軀干單元的長度為L/n，對曲線的曲率進行積分可以得到曲線相對橫軸的角度。對公式(1)在相鄰2 個單元內(nèi)進行求導(dǎo)，得到相鄰2 個軀干單元之間的相對轉(zhuǎn)角θ 為

由式(2)可以看出，軀干單元的相對轉(zhuǎn)角θ 的變化過程具有正弦函數(shù)的特點。當軀干單元的個數(shù)和傳播的波數(shù)一定時，運動曲線的幅度取決于α，并且相鄰相對轉(zhuǎn)角相差一個相位。通過改變各個關(guān)節(jié)之間相對轉(zhuǎn)角來使蛇體達到相應(yīng)的運動步態(tài)，從而實現(xiàn)蛇體運動。

2 實驗平臺

2.1 蛇形機器人簡介

本實驗所采用的搜救機器人結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示，該機器人具有如下幾個特點:1)采用3D 打印而成，既縮短了加工周期又節(jié)約了成本;2)通過ADAMS 軟件仿真，進行了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，直線長度為2 m，具有6 個正交關(guān)節(jié)和1 個分體機構(gòu)，腿部具有變形機構(gòu)，可以進行站立、臥倒、蜿蜒、蠕動、分體、翻滾等步態(tài);3)機器人采用6 V，4 500 mAh 的電池供電，確保機器人能夠連續(xù)運動0.5 h 以上。

圖5 蛇形機器人結(jié)構(gòu)圖Fig 5 Structure diagram of snake-like robot

2.2 平臺搭建

按照前文所述，搭建了柔性變形蛇形機器人控制系統(tǒng)的整套硬件電路。硬件選型與參數(shù)指標如表1 所示。

表1 硬件選型與參數(shù)表Tab 1 Hardware type selection and parameter table

3 實驗結(jié)果

3.1 通信實驗

圖6 為蛇形機器人上位機監(jiān)控界面，上位機通過遠程監(jiān)控搜救機器人自主移動、翻越障礙物、爬坡等實驗，通過無線模塊實時傳輸機器人所處環(huán)境的各種傳感器信息，并能綜合各種環(huán)境信息通過無線模塊控制機器人運動。實驗驗證了蛇形機器人控制系統(tǒng)可實現(xiàn)多信息的實時準確無線通信，能夠滿足復(fù)雜搜救環(huán)境的通信需求。

3.2 移動性能實驗

經(jīng)過多次實驗，不斷地調(diào)試分別實現(xiàn)了自主柔性變形蛇形機器人蜿蜒、蠕動、分體、翻滾等平面和立體運動步態(tài)［6］，運動平穩(wěn)，曲線平滑，蜿蜒運動速度可達0.5m/s。通過穿越狹小空間、翻越障礙物、爬坡等試驗，驗證了蛇形機器人在不同的環(huán)境中，具有良好的多步態(tài)運動穩(wěn)定性和自主移動性能。圖7 所示為蛇形機器人在模擬災(zāi)難場景中的各種運動步態(tài)［7～9］。

4 結(jié)束語

本文針對自主柔性變形蛇形機器人控制系統(tǒng)平臺進行了設(shè)計，此平臺具有很好的可擴展性，實現(xiàn)了柔性蛇形機器人的多種運動步態(tài)和遠程機器人運動控制及機器人所處環(huán)境信息的采集。通過實驗驗證了上位機和下位機無線通信的實時性與準確性，以及蛇形機器人在災(zāi)難廢墟環(huán)境中良好的運動穩(wěn)定性和自主移動性能，為災(zāi)后廢墟救援工作提供有效保障。

圖6 上位機監(jiān)控界面Fig 6 Upper PC monitoring interface

圖7 模擬災(zāi)難場景中蛇形機器人運動步態(tài)Fig 7 Snake-like robot motion gait in simulated disaster scene

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