自適應機器人系統優化設計與分析

潘威　高杰　高宇　薛嵐

摘? 要：隨著人工智能社會的到來，機器人已經逐漸步入智能制造等各行各業，但機器人不能主動適應外界條件的變化造成其應用的局限性。文章從動力學優化、仿人動作標準、架構優化和交互控制優化等角度探討了一種自適應機器人的優化設計過程，從而提高機器人的自適應性，擴大了機器人的應用范圍。

關鍵詞：自適應性;機器人;智能制造;優化分析

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：文章編號：2095-2945（2020）06-0037-02

Abstract： With the advent of artificial intelligence society， robots have gradually entered into intelligent manufacturing and other industries， but robots can not actively adapt to the changes of external conditions， thus resulting in the limitations of its application. This paper discusses the optimization design process of an adaptive robot from the perspectives of dynamics optimization， humanoid action standard， architecture optimization and interactive control optimization， so as to improve the self-adaptability of the robot and expand the application range of robot.

Keywords： self-adaptability; robot; intelligent manufacturing; optimization analysis

1 概述

我國已經邁入人工智能社會，機器人已經逐漸應用于社會的各行各業。雖然國內的機器人在發展過程中取得了較大的進步，但是在適應性等方面仍舊有一定的問題。雖然機器人效率較高，但是還不能完全針對外界條件變化做出自適應調整，造成一定的推廣局限性。

2 自適應機器人動力學優化分析

自適應機器人當下應用較為廣泛的有液壓、氣壓和電機驅動三種。但是因為液壓驅動存在漏油的極大危險問題，氣壓速度和重量上存在控制難度，所以二者在高精度場合中應用較少。電機是應用最為普遍的一種，在機械產品中也有廣泛的市場。因為電機驅動的能源較為普遍，在速度和重量上控制都比氣壓有優勢，在安全系數方面比液壓有優勢，所以電機是康復訓練機器人應用最廣泛的驅動方式。噪音較小，也可以在各方面減輕對患者的影響[1]。自適應機器人在研究過程中建立機器人和人體運動學模型，從而將機器人逆運動學方程進行求解，通過以上結論，分析系統工作時人體下肢相關參數以及人體運動之間的關系。最后再機械臂靜力學和動力學方程進行計算和求解，算出機器人各關節所受扭矩的動力學方程和靜力學方程。自適應機器人的機構一般有兩套，包括左腿機構和右腿機構，在運動過程中，傳送帶可以約束左右腿機構的滑塊，運動過程中，機器人具有三個自由度。一個自由度通過電機驅動傳送帶，來控制組右腿的往復運動，另兩個自由度在電機驅動下帶動左右踏板，完成對踝關節的調節，使得在這一過程中，踝關節的舒適度達到要求。

3 自適應機器人仿人動作標準優化分析

自適應機器人動作設計標準一在髖關節地，在膝關節與踝關節基本保持原狀態的條件下，最大限度的將髖關節的動作角度不斷提升與擴大，在40-70°之內進行選擇;自適應機器人動作設計標準二在膝關節，在膝關節與踝關節基本保持原狀態的條件下，適當對膝關節的最小或最大活動角度進行系列調節。此種情況下，髖關節的角度一般維持在90°左右，膝關節的調節范圍一般控制在40-110°之間;自適應機器人動作設計標準三在踝關節，帶動踝關節拉伸，較為常見的角度是跖屈0-50°背屈0-20°;自適應機器人動作設計標準四在踝關節的內收和外展，有利于下肢不斷開展內旋以及外旋的運動，踝關節的內斂以及外展的活動范圍，經過試驗測量確定維持在0-45°;自適應機器人動作設計標準五在髖關節與膝關節用，髖關節與膝關節同時彎曲到允許的最大角度，該動作對應的髖關節的前屈和膝關節的后伸兩個自由度，踝關節沒有動作。選擇在三維建模軟件Solidworks中建立三維模型，并利用數據轉換技術將其添加到ADAMS中進行動力學仿真[2-3]。仿真的步驟如下：（1）在Solidworks中建立機器人的三維虛擬樣機模型，并保存成Parasolid格式文件;（2）通過數據轉換技術將Parasolid格式文件導入到ADAMS中;（3）設置仿真參數，運行仿真。機器人是一種由腰部連桿、大小腿連桿、腳掌連桿以髖、膝、踝關節連接成的串聯機器人，為了方便進行動力學分析，需要將該機器人的各連桿簡化為矢狀面內的剛性連桿結構，其中腰托連桿為實際行走時腰托結構在矢狀面內的投影，將主動關節的屈/伸及踝關節的背屈/趾屈運動簡化為轉動副。

4 自適應機器人架構優化分析

因為臥式自適應機器人為了保證動作效果，就必須使得控制系統敏捷的捕捉到本體變化。人下肢的運動主要是由三個關節進行的，所以在機器人的自由度方面，至少要保留三個且三個自由度也要保證一定的范圍。但是為了使得運動的效果大大提升，通常都是針對具體的關節制定七個有運動范圍的自由度。在具體的結構方面，也要經過精密的計算，確定機器人的機械臂的長度和使用力度，使得機械臂可以進行自由的條件。在運動過程中，可以通過機器人的運動將具體的數據傳到平臺上進行分析，通過數據的總結分析獲知運動的精確狀況，也可以針對性的調整機器人的運動方式[4-5]。電機在使用過程中雖然有許多優越性，但是因為機械自身的特點，需要和減速器配合使用才能大大提高訓練的效果。機器人在使用過程中，七個自由度必須在機械臂足夠靈活的前提下進行，所以對機械臂的靈活性也要不斷優化。因為臥式機器人發展的背景處于初級階段，仍舊需要不斷使用和發現問題，不斷優化和解決問題。更加及時和準確地進行數據采集，機器人更需要對運動數據情況進行及時的分析與管理，而且還要及時并準確的反饋運動信息，對下一步的動作計劃進行規劃。臥式自適應機器人對數據進行收集和處理，為下一步工作提供適當標標準，同時及時利用動力學分析系統，繪制出運動意圖和運動趨勢，在這個基礎上進行完善和改變。坐臥式自適應機器人是通過坐立或者躺臥的姿態以實現下肢運動的一種類型，在進行工作的過程中呈現的優勢在于能夠坐立、斜躺或者平躺的姿勢都可以進行運動，不需要下肢的力量作為支撐。

5 自適應機器人交互控制優化分析

自適應機器人交互控制方法有基于力信號的交互控制方法和基于生物醫學信號的交互控制方法，基于力信號的交互控制方法是在力信號交互控制方法中，力信號具體是指由于下肢在收縮的過程中產生的可以作用于機械結構的力量。

在此種交互方法中，可以通過比較巧妙的設計方式使得機械結構是由力傳感器進行直接測量的，也可以通過機器人交互控制實踐中的動力學模型進行估計。基于生物醫學信號的交互控制方法是在下肢機器人的人機交互控制方法中利用表肌電信號和腦電信號。基于力信號的交互控制與生物醫學信號的交互控制相比，力信號的確定性更加具有優勢，同時對機器人主動運行的意圖能夠直觀地進行反映，所以具有一定的可靠性與穩定性。

6 結束語

綜上所述，自適應機器人的研究內容不斷豐富，時代的現實要求也推動技術進一步發展。雖然發展的基礎較為薄弱，但是在動力系統和控制系統等關鍵部分的研究有雄厚的人力物力支持。

參考文獻：

[1]Yang Shuai， Xue Lan. A Design Scheme of LON node with Power Line Carrier Communication Echnology in Engineering Manufacturing[J] ACADEMIC JOURNAL OF MANUFACTURING ENGINEERING.2019，17（2）：7-13.

[2]楊帥，潘威，高杰.人工智能及工業機器人在淮安區域制造業的應用現狀和發展前景[J].科技經濟導刊，2019，27（32）：20-21.

[3]楊帥.大弧度薄壁殼體內壁加工的優化方法[J].機床與液壓，2019，47（22）：57-60，74.

[4]楊帥，薛嵐.基于慣性導航與ZigBee的消防機器人定位系統[J].消防科學與技術，2019，38（6）：837-840.

[5]楊帥，張現征，王興龍，等.機器人信號傳輸方法的研究[J].科技創新與應用，2019（2）：166-167.