鉸接型移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能分析

臧劍南

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司， 上海 200240)

火電廠內(nèi)包含大量的機械設(shè)備和電氣裝置，環(huán)境復(fù)雜，且相關(guān)設(shè)備的安全、穩(wěn)定運行，直接關(guān)乎電廠的安全與生產(chǎn)水平。目前，火電廠設(shè)備巡檢多依賴人工來完成，主要采用定點檢查的模式[1-2]，存在巡檢時間長、檢測范圍不足、勞動強度大等突出問題。因此，研制一款能夠代替人工完成火電廠設(shè)備巡檢的高效作業(yè)機器人，已成為火電廠安全、經(jīng)濟運維的迫切需求[3]。

現(xiàn)階段，面向復(fù)雜地形環(huán)境機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，國內(nèi)外學(xué)者通過融合兩種或多種運動模式，研制出多款不同結(jié)構(gòu)的典型機器人，如輪-履復(fù)合機器人、輪-腿復(fù)合機器人，有效提升了移動機器人的越障能力與環(huán)境適應(yīng)能力。費燕瓊等[4]研制出一款具備多種運動模式的輪履復(fù)合移動機器人，通過車輪模式與履帶模式間的精準(zhǔn)切換，初步提升了機器人越障能力。崔玉寧等[5]通過融合車輪與三角履帶，設(shè)計了一種多運動態(tài)可重構(gòu)輪履復(fù)合式機器人，其利用形態(tài)轉(zhuǎn)換機構(gòu)可實現(xiàn)運動模式的重構(gòu)，保證了機器人在復(fù)雜環(huán)境中具有良好的通過性。劉超等[6]將平行四邊形機構(gòu)與Chebyshev機構(gòu)相結(jié)合，提出了一種涵蓋多種運動模式的單環(huán)閉鏈2RP3R變胞機構(gòu)方案，研發(fā)出一款新型可變形輪腿移動機器人，整機具備較強的越障性能與抗傾倒能力。面向復(fù)雜地形下運動難題，Martone等[7]設(shè)計出一款六足機器人T-RHex，其可借助足端的微小“錐形腳趾”實現(xiàn)大坡度粗糙地形下自由行走。綜上所述，現(xiàn)有移動機器人已具備較強的地形通過性能，但仍普遍存在穩(wěn)定性不足、通過性欠佳等突出問題。

針對上述問題，通過深入探索機器人越障機理，融合被動變形車輪與柔性鉸接裝置，研制一款能夠被動適應(yīng)復(fù)雜多變障礙地形的多驅(qū)動模塊鉸接型移動機器人；綜合考慮機器人構(gòu)型原理與運動模式，基于穩(wěn)定錐方法系統(tǒng)構(gòu)建機器人極限姿態(tài)的穩(wěn)定模型并提出其臨界傾翻條件；基于凸臺、溝渠以及變曲率地形下機器人通過性的深度分析，提出一種不同地形障礙下機器人越障方法。在此基礎(chǔ)上開展相關(guān)實驗，對樣機性能進行系統(tǒng)驗證。

1 鉸鏈型機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合考慮火電廠場景下復(fù)雜地形約束與機器人高運動柔性、通過性等設(shè)計要求，通過融合被動變形車輪與柔性鉸接裝置，設(shè)計出一款地形自適應(yīng)鉸接型移動機器人，以期保證復(fù)雜地形條件下移動機器人越障性能與運動柔性的同時，提升機器人的通過性與穩(wěn)定性，機器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鉸接型移動機器人整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of the articulated mobile robot

機器人由三節(jié)獨立模塊構(gòu)成，單節(jié)模塊借助柔性鉸接裝置相互連接，整體關(guān)于柔性鉸接裝置對稱分布。被動變形車輪對稱裝配于單節(jié)模塊，每個車輪均由步進電機單獨操控，旨在實現(xiàn)機器人行走、轉(zhuǎn)向與越障等多元動作。機器人各驅(qū)動模塊上安裝有控制信號線接頭，能夠在各模塊地機械連接的同時實現(xiàn)它們控制信號的相互傳遞，滿足了機器人在火電廠設(shè)備巡檢中不同地形環(huán)境下的工作需求。

柔性鉸接裝置如圖2所示，機器人可根據(jù)地形或障礙的波動變化實現(xiàn)機器人各驅(qū)動模塊間剛性連接與三自由度柔性連接的轉(zhuǎn)換，當(dāng)機器人通過垂直障礙、斜坡、變曲率地形以及局部小波動突起凹陷障礙時，如圖2(a)所示，安裝于電磁推桿上的限位鎖扣與限位桿中遠離伸縮軸一端的錐體配合，實現(xiàn)限位桿的限位，使凸套外錐面無法與凹套內(nèi)錐面配合，此時驅(qū)動模塊間為柔性連接，柔性鉸接裝置中的鉸接彈簧可看作一個裝有扭轉(zhuǎn)彈簧的三自由度鉸鏈，可實現(xiàn)驅(qū)動模塊間的三自由度轉(zhuǎn)動，機器人平地轉(zhuǎn)彎或者通過斜坡、變曲率地形以及局部小波動突起凹陷障礙時，驅(qū)動模塊間的柔性連接可提高機器人的越障性能和運動柔性，并且當(dāng)機器人通過垂直障礙時，每個被動變形車輪依次變形越過垂直障礙，同時柔性鉸接裝置進行柔性變形能夠適應(yīng)被動變形車輪升高后的連接狀態(tài)，進而保證了其越障性能和運動柔性。當(dāng)機器人遇到壕溝或凹陷深度較大地形時，如圖2(b)所示，電磁推桿通電收縮，此時鎖扣不再與限位軸中遠離伸縮軸一端的錐體配合，同時前后驅(qū)動模塊產(chǎn)生速度差，前驅(qū)動模塊速度小于后驅(qū)動模塊速度，電磁推桿斷電，隨著后驅(qū)動模塊逐漸靠近前驅(qū)動模塊，凸套外錐面逐漸與凹套內(nèi)錐面配合，且裝配于推桿上的限位鎖扣逐漸與限位桿中靠近伸縮軸一端的錐體配合，最終限位桿限位，凸套被推入凹套內(nèi)，實現(xiàn)驅(qū)動模塊間的剛性連接，形成剛性連接后，其能作為一個整體，不發(fā)生柔性變形，直接跨越壕溝或凹陷，在驅(qū)動模塊由柔性連接變?yōu)閯傂赃B接過程中，裝配于電磁推桿上的光電擋板為光電開關(guān)傳遞限位信號，確保了驅(qū)動模塊間剛性變換的準(zhǔn)確性。

圖2 柔性鉸接裝置Fig.2 Flexible articulation device

圖3為被動變形車輪的結(jié)構(gòu)圖，其主要分為內(nèi)外兩部分，車輪中間的轉(zhuǎn)軸與輪轂內(nèi)部的轉(zhuǎn)桿和外部的三叉桿固定，車輪內(nèi)部轉(zhuǎn)桿與輪轂通過復(fù)位彈簧連接，復(fù)位彈簧是一個壓縮彈簧，車輪外部的三叉桿與鉸接于輪轂上的擺腿通過拉伸彈簧連接。當(dāng)對轉(zhuǎn)桿施加一個外部轉(zhuǎn)矩時，轉(zhuǎn)桿會相對輪轂發(fā)生轉(zhuǎn)動，同時車輪內(nèi)部的復(fù)位彈簧被壓縮，外部的三叉桿會帶動擺腿發(fā)生擺動，當(dāng)取消轉(zhuǎn)桿的外部轉(zhuǎn)矩時，復(fù)位彈簧發(fā)生復(fù)位，這樣擺腿也會回到原來的位置，同時，輪轂上會均勻地安裝六個限位螺釘，分為限位螺釘1和限位螺釘2，其中限位螺釘1用來限制擺腿張開幅度過大，限位螺釘2用來限制三叉桿發(fā)生反向轉(zhuǎn)動，間接地使復(fù)位彈簧達到預(yù)緊的目的。并且擺腿和輪轂相應(yīng)的位置安裝永磁鐵，主要目的是防止車輪在平地或坡度較小的地面上行走時擺腿張開。

圖3 被動變形車輪Fig.3 Passive deformation of the wheel

2 機器人越障穩(wěn)定性分析

穩(wěn)定性是機器人在復(fù)雜地形下平穩(wěn)運動的關(guān)鍵[8-9]，綜合考慮機器人構(gòu)型方式與運動模式，選擇穩(wěn)定錐方法對機器人穩(wěn)定性進行系統(tǒng)分析，機器人穩(wěn)定錐示意圖如圖4所示。

以質(zhì)心O為原點建立坐標(biāo)系{x,y,z}，由于向量f0方向與重力方向相同，與z軸共線反向，故設(shè)f0=(0, 0, -1)，hi=(a,b,c)，各角點Ni坐標(biāo)為(xi,yi,zi)，通過圖4可知，以邊線傾翻的穩(wěn)定角ηi(i=1, 2, 3, 4, 5)可表示為

圖4 機器人穩(wěn)定錐示意圖Fig.4 Schematic diagram of the robot’s stability cone

(1)

式(1)中：λi(i=1, 2, 3, 4, 5)用于判斷邊線傾翻情況下的穩(wěn)定角正負。

(2)

(3)

式(3)中：u=xi+1-xi, v=yi+1-yi, w=zi+1-zi。

同樣的，角傾翻情況下的穩(wěn)定角ηai(i=1, 2, 3, 4, 5)可表示為f0與pi間的夾角，即

(4)

式(4)中：λai(i=1, 2, 3, 4, 5)用于判斷角傾翻情況下的傾翻角正負，其表示為

(5)

通過式(1)和式(4)可知，機器人的穩(wěn)定角有兩種：一是邊線傾翻情況下的穩(wěn)定角ηi；二是角傾翻情況下的穩(wěn)定角ηai，并且由于其角點有5個，故機器人的穩(wěn)定角一共為10個，由圖6可以看出傾翻軸a2最靠近斜坡坡底，故可推斷出傾翻軸a2和與其相鄰的角點N2、N3最有可能發(fā)生傾翻，則有機器人的最小穩(wěn)定角ηmin為

ηmin=min{η2,ηa2,ηa3}

(6)

一般情況下，最小穩(wěn)定角越大，機器人運動時才會越穩(wěn)定，不容易傾翻，同時，當(dāng)機器人航向角β以及轉(zhuǎn)彎時鉸接處的夾角θ不同時，也會導(dǎo)致最小穩(wěn)定角的不同。當(dāng)β=90°、θ=0°時，既機器人平行于斜坡縱向直行時，穩(wěn)定角η1或η3的正負決定了機器人是否會發(fā)生傾翻；當(dāng)β=0°、θ=0°時，既機器人沿斜坡橫向直行時，傾翻軸a4、a5共線，穩(wěn)定角η2或η4的正負決定了機器人是否會發(fā)生傾翻；當(dāng)θ≠0°時，既機器人在斜坡上作轉(zhuǎn)彎運動，此時機器人是否傾翻由其航向角、轉(zhuǎn)彎半徑以及轉(zhuǎn)彎速度有關(guān)。

3 機器人越障通過性分析

機器人的通過性一般指機器人能夠通過草地，凸臺等復(fù)雜障礙地形的能力[10]，其主要取決于地面的物理性質(zhì)以及機器人的各項機構(gòu)性能參數(shù)。

3.1 凸臺障礙通過性

凸臺、臺階是生活中較為常見的障礙地形之一，為此有必要對其進行分析，圖5為被動變形車輪擺腿張開至最大角度時機器人的最大高度跨越示意圖，其中，L為障礙與擺腿的接觸點同車輪轉(zhuǎn)動中心的距離；φ為垂直障礙與擺腿的接觸點同車輪轉(zhuǎn)動中心連線與水平方向夾角；h為障礙高度；r為車輪半徑。

通過圖5幾何關(guān)系可得

圖5 車輪最大高度跨越示意圖Fig.5 Diagram of maximum wheel height crossing

(7)

由式(7)可知機器人能跨越的凸臺最大高度為

(8)

3.2 溝渠障礙通過性

機器人跨越壕溝的能力與軸距等參數(shù)有關(guān)。機器人在跨越壕溝時，鉸接處需要從柔性連接變?yōu)閯傂赃B接，兩驅(qū)動模塊產(chǎn)生速度差將凸套推入凹套中，此時兩驅(qū)動模塊間車輪軸距變小，機器人所能跨越的最大跨度即為此時變小后的軸距，圖6為機器人跨越壕溝示意圖，其中，L1、L2分別為延凹套、凸套兩軸線方向上柔性鉸接中心與相鄰驅(qū)動模塊車輪轉(zhuǎn)動中心的垂直距離；Δs為鉸接處伸縮行程；lt為溝渠寬度。從圖6中可得出機器人能跨越的最大壕溝寬度為

圖6 機器人壕溝跨越示意圖Fig.6 Schematic diagram of robotic trench crossing

ltmax=L1+L2-Δs

(9)

3.3 變曲率地面通過性

鄉(xiāng)村農(nóng)田、野外草地、叢林等地形相較于平地較為崎嶇，有一定的變曲率性，當(dāng)變曲率地形的曲率半徑超過一定值時，機器人可能會發(fā)生卡死、運動失穩(wěn)等情況，影響機器人正常工作，本小節(jié)將對機器人在變曲率地面上橫向運動和縱向運動兩種情況進行分析，得出兩種情況下機器人可以通過的最大曲率半徑。

圖7(a)與圖7(b)分別為機器人在變曲率地面上做縱向運動和橫向運動示意圖，其中，hb為機器人外殼底板與車輪輪底的垂直距離；di為兩車輪最小輪距；ρp為機器人縱向運動時的地面曲率半徑；r、L1、L2與3.2節(jié)中符號含義相同；L3為驅(qū)動模塊車輪轉(zhuǎn)動中心與凸套軸線的垂直距離；ρr為三個驅(qū)動模塊車輪轉(zhuǎn)動中心所形成的圓弧的曲率半徑；ρt為機器人橫向運動時的地面曲率半徑；θmax為鉸接最大彎曲角；以第一節(jié)驅(qū)動模塊車輪轉(zhuǎn)動中心Or1為原點建立坐標(biāo)系，(xi,yi)分別為第i(i=1, 2, 3)節(jié)驅(qū)動模塊車輪轉(zhuǎn)動中心坐標(biāo)。

圖7 機器人變曲率地面運動示意圖Fig.7 Schematic diagram of the robot’s variable curvature ground motion

圖7(a)中，由幾何關(guān)系可得縱向運動最小曲率半徑方程為

(10)

圖7(b)中，由幾何關(guān)系可知三節(jié)驅(qū)動模塊的車輪轉(zhuǎn)動中心坐標(biāo)分別為

(11)

通過三點坐標(biāo)可知其形成的圓弧方程為

(12)

式(12)中:

(13)

綜上，可得縱向運動最小曲率半徑ρtmin=ρr-r。

至此，基于凸臺障礙、溝渠障礙以及變曲率地形結(jié)構(gòu)特征的系統(tǒng)分析，通過推導(dǎo)機器人越障過程中最大障礙參數(shù)，提出一種不同地形障礙下的越障方法，有效提升了復(fù)雜地形環(huán)境下鉸接型移動機器人的通過性能。

4 機器人性能實驗

面向復(fù)雜多變障礙地形下良好的運動穩(wěn)定性與通過性需求，所設(shè)計的鉸接型移動機器人實驗樣機如圖8所示，裝配后機器人具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。機器人各節(jié)驅(qū)動模塊通過柔性鉸接裝置相連，驅(qū)動模塊內(nèi)部安裝有電源、步進電機、減速器、

圖8 鉸接型移動機器人實驗樣機Fig.8 Experimental prototype of an articulated mobile robot

表1 鉸接型移動機器人技術(shù)參數(shù)表Table 1 Technical data sheet for articulated mobile robot

驅(qū)動器以及控制器等關(guān)鍵控制系統(tǒng)部件，每節(jié)驅(qū)動模塊兩側(cè)安裝有被動變形車輪。

圖8中，定義繞z軸旋轉(zhuǎn)角為驅(qū)動模塊的偏航角，繞y軸旋轉(zhuǎn)角為驅(qū)動模塊的俯仰角，繞x軸旋轉(zhuǎn)角為驅(qū)動模塊的側(cè)傾角(此定義用于之后所有實驗)，以此定義為基準(zhǔn)對機器人進行實驗測試。

為系統(tǒng)驗證機器人單側(cè)越障能力，系統(tǒng)開展相關(guān)實驗。

4.1 斜坡地形機器人性能實驗

圖9為機器人于6.5°斜坡上的行走實驗，以沿斜坡狀態(tài)為初始姿勢，經(jīng)過直線行走、轉(zhuǎn)彎行走、直線行走三個階段，以平行于斜坡狀態(tài)結(jié)束運動，且機器人始終以0.282 m/s的最大速度行走，由圖9可以看出，機器人行走過程中沒有發(fā)生傾翻、滑移現(xiàn)象。圖10為機器人斜坡行走時各驅(qū)動模塊姿態(tài)角變化曲線，其中，各驅(qū)動模塊偏航角同步變化且變化平滑；各驅(qū)動模塊俯仰角由初始0°最終變?yōu)?.5°左右；側(cè)傾角由初始-6.5°最終變?yōu)?°，且角度變化波動較小。通過以上分析可知，機器人具有較強的動態(tài)穩(wěn)定性。

圖9 機器人斜坡行走實驗Fig.9 Robot slope walking experiment

圖10 機器人斜坡行走時各驅(qū)動模塊姿態(tài)角變化情況Fig.10 Variation in attitude angle of each drive module during robot ramp travel

4.2 溝渠地形機器人性能實驗

搭建溝寬可調(diào)的簡易溝，如圖11所示，機器人以0.2 m/s的速度分別跨越溝寬為174.5、224.5、274.5、324.5 mm的壕溝，由于機器人過溝時各驅(qū)動模塊為剛性連接，所以只需測量整體機器人的俯仰角即可，各個溝寬下機器人過溝時整體姿態(tài)角變化曲線如圖12所示。圖12中t為壕溝寬度，圖12可以看出，t=174.5 mm時，機器人俯仰角幾乎沒有變化，t=224.5 mm和t=274.5 mm時，機器人俯仰角變化較小，在經(jīng)過溝時會有一定波動，但可以順利跨越，當(dāng)t=324.5 mm時，機器人尾端掉入溝內(nèi)，無法過溝。通過以上分析可知，機器人通過性較強，具有一定的過溝能力。

圖11 機器人壕溝跨越實驗Fig.11 Robot trench crossing experiment

圖12 不同溝寬下機器人過溝時整體姿態(tài)角變化情況Fig.12 Variation of the robot’s overall attitude angle when crossing the trench at different trench widths

4.3 垂直障礙下機器人性能實驗

凸臺、臺階是火電廠最為常見的垂直障礙之一，搭建高度為160 mm的簡易垂直障礙，機器人垂直障礙跨越實驗如圖13所示，可以看出機器人可以順利通過障礙，圖14為各驅(qū)動模塊的俯仰角變化曲線，從圖13和圖14中可以看出前節(jié)驅(qū)動模塊對后節(jié)模塊有一定的牽引作用，間接提高了機器人的越障性能，滿足機器人的被動自適應(yīng)、高通過性要求。

圖13 機器人垂直障礙跨越實驗Fig.13 Robot vertical obstacle crossing experiment

圖14 機器人跨越垂直障礙時各驅(qū)動模塊姿態(tài)角變化情況Fig.14 Variation in attitude angle of each drive module when the robot crosses a vertical obstacle

5 結(jié)論

針對復(fù)雜地形環(huán)境下傳統(tǒng)移動機器人普遍存在穩(wěn)定性不足、通過性欠佳等突出問題，通過設(shè)計引入被動變形車輪與柔性鉸接裝置，研制出一款高通過性鉸接型移動機器人，機器人通過與地形障礙間相互作用即可實現(xiàn)運動模式的被動切換，同時，柔性鉸接裝置的剛、柔連接轉(zhuǎn)換可有效提升機器人的運動柔性，同時可增強機器人通過性。綜合考慮機器人構(gòu)型原理與運動模式，基于穩(wěn)定錐方法系統(tǒng)構(gòu)建了機器人極限姿態(tài)的穩(wěn)定模型并提出其臨界傾翻條件。基于凸臺、溝渠以及變曲率地形下機器人通過性的深度分析，提出了一種不同地形障礙下機器人越障方法。樣機實驗結(jié)果表明，機器人具有良好的運動穩(wěn)定性與通過性，可被動適應(yīng)復(fù)雜多變障礙地形。