一種具有容錯控制功能的智能球形機器人研究

王仁康 莊一展 王州 陳燦鋒 王杰煒（福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州 350108）

一種具有容錯控制功能的智能球形機器人研究

王仁康 莊一展 王州 陳燦鋒 王杰煒
（福州大學電氣工程與自動化學院，福建福州 350108）

隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能機器人領域的研究和應用得到了廣泛的進步，其中智能球形機器人的成功設計和應用研究也得到了普遍的關(guān)注。本文作者將提出一種具有容錯控制功能的智能球形機器人研究，通過對球形機器人的多自由度機械結(jié)構(gòu)設計和姿態(tài)解算控制算法的分析研究，最后決定采用故障檢測法結(jié)合姿態(tài)調(diào)整算法實現(xiàn)其容錯性。

球形機器人 容錯控制 多自由度機械結(jié)構(gòu) 姿態(tài)解算 故障檢測

目前，國內(nèi)外有很多球形機器人的成功設計，他們所采用的驅(qū)動結(jié)構(gòu)和行進方式也多式多樣，與傳統(tǒng)的輪式和履帶式機器人相比，這種設計只實現(xiàn)了球形外部結(jié)構(gòu)的設計，普通機器人因缺乏智能的容錯控制功能而導致其在復雜的工作環(huán)境中容易受損而不能正常工作的問題仍然影響著智能機器人研究領域的快速發(fā)展。本文作者將提出一種具有容錯控制功能的智能球形機器人研究，該球形機器人分上下兩個半球面，各有六只機械足，每只機械足由3個舵機構(gòu)成三個自由度，通過下半球機械足的擺動調(diào)整姿態(tài)，實現(xiàn)多向運動。當自身某條或多條機械足出現(xiàn)故障，它能自動檢測并通過步態(tài)改變，繼續(xù)前行。其結(jié)構(gòu)原理基于它運動的非完整性約束，利用廣義歐拉角給出運動微分方程，建立運動學模型。該球形機器人運動靈活，機動性好，善于穿越崎嶇的地形，在各個領域都將具有廣泛應用前景。

1　基于容錯控制的機械結(jié)構(gòu)設計

1.1多自由度的機械足結(jié)構(gòu)設計

本文研究的球形機器人其特征在于包括上下兩個半球面，上半球面和下半球面圍成一個球體。上半球和下半球分別均勻的由六支扇形的機械足構(gòu)成，其中上半球面每支機械足由一個舵機和中間固定板連接而成的一個自由度構(gòu)成。下半球面每只腳由三個舵機相互連接而成的三自由度機械足構(gòu)成，六只腳均勻分布在下半球面，和上半球面六只機械足對稱的分布在中間連接板兩側(cè)，整體構(gòu)成一個完整的球狀機器人。該設計方案相比與輪式和履帶式機器人，具有落足點離散，主動隔振以及對地表狀況適應性強等眾多特點。當上下半球面均處于收縮狀態(tài)時便構(gòu)成了可實現(xiàn)整體滾動的球形狀態(tài)，上半球面展開便構(gòu)成了一個用于搬運物質(zhì)的水平托舉平臺，下半球面展開便可實現(xiàn)六足行走的功能，每只腳三個自由度可配合完成機器人的前進，側(cè)移和旋轉(zhuǎn)運動，當其中某只腳受損時，其他五只腳自動調(diào)節(jié)運行步態(tài)，恢復正常運行狀態(tài)，實現(xiàn)容錯控制。

1.2錯誤信號檢測傳感器的選擇及其安裝

要實現(xiàn)機器人在運行過程中的容錯控制功能和托舉平臺始終處于水平狀態(tài)，首先要得到機器人在運行過程中的姿態(tài)數(shù)據(jù)和各自由度的工作狀態(tài)。本文采用整合性6軸運動處理組件MPU6050來檢測機器人運動姿態(tài)，緊貼在中間固定板的下表面，免除了組合陀螺儀和加速度計軸間差的問題，體積小，角度數(shù)據(jù)采集精度高，將數(shù)據(jù)實時反饋給機器人中央控制模塊，控制模塊通過控制各自由度姿態(tài)調(diào)整來實現(xiàn)托舉平臺處于水平狀態(tài)。故障檢測則采用WCS2202霍爾電流傳感器來監(jiān)控各自由度控制舵機是否工作異常，該模塊集成設計在控制電路板上，結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，若發(fā)現(xiàn)電流異常，便立刻控制其他自由度通過其余機械足的姿態(tài)調(diào)整來保證機器人處于正常運行狀態(tài)。

圖1　平臺的系統(tǒng)組成圖

2　球形機器人運動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1研究平臺設計

圖2　姿態(tài)解算、姿態(tài)解析

圖3　姿態(tài)解算、姿態(tài)解析

本設計平臺的系統(tǒng)組成如圖1所示。其中，微控制器選用飛思卡爾公司的MK10DN512VLL10，該微處理器具有32位ARM Cortex-M4內(nèi)核，運行主頻可達到200HZ，為運動控制和姿態(tài)解算算法的可靠運行提供了硬件基礎。ADC模塊作為用于故障檢測的霍爾電流傳感器采樣和壓力感應傳感器的信號檢測，準確保證了機器人的容錯控制運行和水平托舉平臺的閉環(huán)反饋控制，IIC可以實現(xiàn)遠程通訊和數(shù)據(jù)傳輸，用于機器人的遠程控制和通信。PWM模塊用于驅(qū)動上下半球面的舵機，從而實現(xiàn)機器人的調(diào)整和運行。各模塊相互配合，實現(xiàn)離散采集，整體控制。

2.2機器人正常運行及容錯姿態(tài)控制

在完成上述控制系統(tǒng)的整體設計后，就可以對其在正常情況下和故障情況下的運行狀態(tài)進行姿態(tài)解算和步態(tài)控制分析，首先我們對機器人在正常情況下運行的姿態(tài)進行分析，其姿態(tài)解析如圖2和圖3所示。

假設以3號腳為前進方向，則1號腳和5號腳同時運動，2號腳和4號腳同時運動，且運動步態(tài)一致，3號腳和6號腳以互補姿態(tài)運動，現(xiàn)以1號機械足和3號機械足為例進行姿態(tài)解算。

對于1號腳，OC為機械足第一段，其長度為1L；CB為第二段，其長度為2L，前進速度每步為xΔ，關(guān)節(jié)一擺動角為1θ，根據(jù)圖中的幾何關(guān)系可以得到以下關(guān)系式：

根據(jù)以上關(guān)系式，在確定步長xΔ的情況下，便可求出轉(zhuǎn)動角1θ。

對于3號腳，F(xiàn)G為機械足第二段，其長度為2L，GK為機械足的第三段，其長度為3L，關(guān)節(jié)2的擺動角為3θ，關(guān)節(jié)三的擺動角為2θ。根據(jù)圖三的幾何關(guān)系可以得到以下關(guān)系式。

由以上關(guān)系式在確定xΔ的情況下，便可求出機械足關(guān)節(jié)二和關(guān)節(jié)三的轉(zhuǎn)動角和。

機器人運行過程中，當檢測到其中的一只腳受損時，便可通過以下姿態(tài)調(diào)整保持機器人繼續(xù)正常運行。現(xiàn)在我們假設1號機械足受損來進行分析，那么我們將默認其對角4號機械足也受損停止工作，則采取四足行進，以2腳和3腳的對稱軸為前進方向，2、3、4、6腳依次通過第二個關(guān)節(jié)和第三個關(guān)節(jié)擺動3θ、2θ的角度來繼續(xù)保持機器人穩(wěn)定前行。

3　結(jié)語

隨著機器人研究的不斷進步和發(fā)展，對機器人工作環(huán)境的適應性和其自動控制的智能性提出越來越高的要求，因此，在機器人研究過程中，需要綜合考慮其機械結(jié)構(gòu)的離散性設計和整體控制的完整性。本文通過對球形機器人的設計平臺進行研究分析，綜合其姿態(tài)解算和自動控制姿態(tài)算法的研究，使機器人很好的適應了復雜的工作環(huán)境，實現(xiàn)了自動容錯控制功能。該平臺的成功設計和姿態(tài)控制算法研究適應了機器人發(fā)展和進步的需求，通過該平臺體現(xiàn)了智能控制機器人在實際應用中的優(yōu)越性。

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［4］蔡自興.機器人學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1993.

王仁康（1998—），男，甘肅慶陽人，福州大學本科在讀。莊一展（1994—），男，福建泉州人，福州大學本科在讀。陳燦鋒（1995—），男，福建泉州人，福州大學本科在讀。

國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（201510386001）資助。