姜愛民，戰(zhàn)強(qiáng)，張印

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130000)

0 引言

在工業(yè)領(lǐng)域中，對大型罐體及大型鋼架橋、艦船壁面及飛機(jī)外表面等導(dǎo)磁壁面的檢測是一項(xiàng)極重要的任務(wù)。該類任務(wù)是在極復(fù)雜環(huán)境下開展的極限作業(yè)，具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)危險(xiǎn)等特點(diǎn)，如果完全采用人工執(zhí)行，不僅效率低、周期長，并且面臨極大的風(fēng)險(xiǎn)。磁吸附爬壁機(jī)器人是一種可在多種導(dǎo)磁壁面進(jìn)行連續(xù)爬行作業(yè)的特種機(jī)器人，能夠有效代替人類執(zhí)行這些危險(xiǎn)繁復(fù)的壁面檢測任務(wù)。因此，用于壁面檢測的磁吸附機(jī)器人引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

國內(nèi)外學(xué)者對磁吸附等多種吸附方式的爬壁機(jī)器人開展了大量的研究，所研制的爬壁機(jī)器人多采用仿尺蠖式雙足結(jié)構(gòu)[1]。比較具有代表性的是美國密歇根州立大學(xué)多學(xué)科小型機(jī)器人研究團(tuán)隊(duì)研制的Flipper[2]與Climer[3]機(jī)器人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所微小型及仿生機(jī)構(gòu)研究室研制的5自由度仿尺蠖式壁面移動(dòng)機(jī)器人[4-6]及中科院沈陽自動(dòng)化所研制的Strider機(jī)器人等。Flipper機(jī)器人是一個(gè)雙足爬行機(jī)器人，由5個(gè)連桿，4個(gè)關(guān)節(jié)組成，采用獨(dú)特的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)利用3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)4個(gè)關(guān)節(jié)，從而有效減輕機(jī)器人質(zhì)量，節(jié)省空間和能耗。樣機(jī)重335 g。但該機(jī)器人采用氣壓吸附，存在明顯的噪聲，容易漏氣且吸附能力有限，也無法適用導(dǎo)磁壁面且不具備交叉面過渡能力。Climer機(jī)器人有5個(gè)關(guān)節(jié)，采用3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以吸附在門板和墻壁上，中間關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，通過移動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)壁面內(nèi)的移動(dòng)，但該機(jī)器人只能在同一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)面面過渡。哈工大研制的爬壁機(jī)器人具有2個(gè)腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、2個(gè)踝關(guān)節(jié)和1個(gè)膝關(guān)節(jié)，共5個(gè)自由度，由5個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其中2個(gè)電機(jī)配合實(shí)現(xiàn)單側(cè)的腰轉(zhuǎn)和踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，該機(jī)器人的電機(jī)數(shù)量較多，質(zhì)量大且移動(dòng)緩慢。中科院沈陽自動(dòng)化所研制的Strider機(jī)器人[7]具有4個(gè)自由度，由2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)上由左右2足、2腿和4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)空間跨步，直線行走和交叉面過度等功能，但該機(jī)器人結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜且較為笨重。

綜上所述國內(nèi)外現(xiàn)有爬壁機(jī)器人多采用雙足式結(jié)構(gòu)，并采用氣壓吸附或磁吸附方式[8-9]，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜或吸附力有限等不足，在充分分析國內(nèi)外爬壁機(jī)器人的基礎(chǔ)上，結(jié)合工業(yè)領(lǐng)域?qū)ε辣跈C(jī)器人的廣泛需求，本文介紹了一種新型磁吸附爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人具有4個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)(1個(gè)腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和3個(gè)俯仰關(guān)節(jié))，并由3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有蠕動(dòng)和翻轉(zhuǎn)2種運(yùn)動(dòng)模式，既能實(shí)現(xiàn)單一平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，還具有交叉面過渡能力，可用于大型罐體及大型鋼架橋、艦船壁面等導(dǎo)磁壁面的檢測等作業(yè)場景。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)

1) 機(jī)構(gòu)組成

新型磁吸附爬壁機(jī)器人名為Dreamer，它由左右2足、2腿、腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和3個(gè)俯仰關(guān)節(jié)組成，采用 3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。3個(gè)俯仰關(guān)節(jié)在空間上平行布置，具備抬腿、跨步、翻轉(zhuǎn)動(dòng)作和交叉面跨越功能。腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線與俯仰關(guān)節(jié)軸線垂直分布，使其具備平面內(nèi)的轉(zhuǎn)向功能,整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

與其他爬壁機(jī)器人相比，Dreamer在機(jī)構(gòu)上的創(chuàng)新之處在于其3個(gè)關(guān)節(jié)J2，J3，J4可以同時(shí)運(yùn)動(dòng)，而Strider機(jī)器人采用2個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)4個(gè)關(guān)節(jié)，無法實(shí)現(xiàn)3個(gè)關(guān)節(jié)同步聯(lián)動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)交叉面過度。與哈工大5自由度爬壁機(jī)器人用4個(gè)電機(jī)相比，而該機(jī)器人僅用3個(gè)電機(jī)就實(shí)現(xiàn)了對4個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)，有效地減小了機(jī)器人的體積、質(zhì)量與能耗。

2) 腿部設(shè)計(jì)

如圖1所示Dreamer機(jī)器人左側(cè)腿部設(shè)置有2個(gè)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)獨(dú)立控制1個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J3、J4。其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)原理如圖2(a)所示。電機(jī)4與基座5固連，電機(jī)經(jīng)由蝸輪蝸桿3減速增扭后驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)1進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人右側(cè)腿部設(shè)置有1個(gè)電機(jī)，該電機(jī)配合相應(yīng)的制動(dòng)器可以分時(shí)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J1與J2運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了單電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙關(guān)節(jié)的功能，這是該機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其具體機(jī)構(gòu)原理如圖2(b)所示。當(dāng)制動(dòng)器1將轉(zhuǎn)軸制動(dòng)，制動(dòng)器2釋放時(shí)，基座4與7固連在一起，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)固連基座繞3做旋轉(zhuǎn)。當(dāng)1制動(dòng)器釋放，2制動(dòng)器工作時(shí)，軸5與基座4固連在一起，電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)將使基座7繞軸5俯仰運(yùn)動(dòng)。此機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新之處在于通過1個(gè)電機(jī)分時(shí)控制2個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，而且此結(jié)構(gòu)電機(jī)偏心放置可以空余空間放置控制器等元器件。

圖2 機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)

3) 足部設(shè)計(jì)

吸附足作為爬壁機(jī)器人的重要組成部分由電磁鐵和測距傳感器等組成。3個(gè)電磁鐵均勻分布在一個(gè)圓上，3點(diǎn)形成1個(gè)平面，這有利于吸附力的均勻施加，使機(jī)器人有效附著于待吸附壁面上。吸附足與腿部采用可拆裝的連接方式，便于吸附足模塊更換，以適應(yīng)更多的復(fù)雜壁面，吸附足的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 吸附足單元系統(tǒng)組成

吸附足需保持與壁面之間的可靠吸附，從而保證機(jī)器人在待吸附壁面上穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。為此，需要對機(jī)器人吸附足與待吸附壁面之間的受力情況進(jìn)行分析，以合理選擇電磁鐵并進(jìn)行足部的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。對機(jī)器人吸附在豎直墻壁上，并完全伸展開狀態(tài)進(jìn)行力矩分析。具體分析如圖4所示，得到機(jī)器人吸附足電磁鐵吸附力F及電磁鐵安裝間距L之間的關(guān)系。

圖4 單吸附足吸附于壁面時(shí)的力矩分析

穩(wěn)定吸附條件為機(jī)器人單端懸臂狀態(tài)不傾翻且其吸附足與被吸附面間不存在相對滑動(dòng)。滿足不傾翻條件：M≤2FL。式中，M為極限扭矩，F(xiàn)為吸盤的吸附力，L為吸盤之間的距離。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1) 機(jī)器人的D-H坐標(biāo)系

在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中兩端吸附足輪換充當(dāng)基座，這里假設(shè)以帶有腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)一側(cè)的吸附足為基座，建立起運(yùn)動(dòng)學(xué)的D-H連桿坐標(biāo)系。機(jī)器人的D-H坐標(biāo)系及關(guān)節(jié)數(shù)表如圖5、表1所示。

圖5 D-H坐標(biāo)系

iαi-1αidiθi100L1θ12-9000θ230L20θ340L30θ450L400

2) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解

其中：PX=L4×cosθ1×cos(θ2+θ3+θ4)+L3×cosθ1×cos(θ2+θ3)+L2×cosθ1×cosθ2

PY=L4×sinθ1×cos(θ2+θ3+θ4)+L3×sinθ1×cos(θ2+θ3)+L2×sinθ1×cosθ2

PZ=L4×sin(θ2+θ3+θ4)+L3×sin(θ2+θ3)+L2×sinθ2+L1

3) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解

機(jī)器人在交叉面過渡中需要根據(jù)測距傳感器得到待吸附壁面位姿并進(jìn)行關(guān)節(jié)角度的逆向解算，應(yīng)用Jacobian矩陣的微分變換法求解機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，在運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解算中將J1固連到腿部。因運(yùn)動(dòng)逆解求各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量以使游動(dòng)端平行吸附于待吸附面過程并不需要J1自由度，因此運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可簡化固連腰轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解計(jì)算方法如下：

因各關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)寫雅克比矩陣的列組成雅克比矩陣TJ，把TJ雅克比矩陣轉(zhuǎn)化到參考坐標(biāo)系。

根據(jù)求得的參考坐標(biāo)系的雅克比矩陣求微分運(yùn)動(dòng)反運(yùn)動(dòng)問題：dq=J-1dp。

因J矩陣不是方陣而是滿秩，只能求解其廣義逆，求解J+方法如下：J+=JT(JJT)-1。

Tdp={x,y,z,0,0,0}為末端在參考坐標(biāo)系下的方向變化量。

4) 基于Matlab的壁面過渡仿真

在上一節(jié)應(yīng)用Jacobian矩陣的微分變換法對機(jī)器人的交叉面過渡進(jìn)行理論計(jì)算，下面應(yīng)用matlab矩陣運(yùn)算功能將上一節(jié)計(jì)算公式編寫逆解函數(shù)。并利用該函數(shù)對爬壁機(jī)器人交叉面過渡進(jìn)行驗(yàn)證性仿真。函數(shù)輸入為待吸附壁面距離；坐標(biāo)(0,0)為吸附足位置，仿真函數(shù)輸入值即被吸附壁面距離設(shè)定100 mm并應(yīng)用 matlab電影動(dòng)畫功能，將逆解算的關(guān)節(jié)角數(shù)據(jù)通過連桿連接并且在同一個(gè)圖框中刷新連桿位置，仿真出爬壁機(jī)器人交叉面過渡的運(yùn)動(dòng)過程。

如圖6(a)所示為機(jī)器人預(yù)備過渡位姿，其中原點(diǎn)為基座；圖6(b)所示為過渡的過程記錄圖，機(jī)器人末端移動(dòng)向豎直壁面X=100mm吸附；圖6(c)所示為過渡完成機(jī)器人末端接觸到壁面，至此壁面過渡完成。從仿真過程及結(jié)果可以驗(yàn)證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解公式的正確性。

圖6 壁面過渡的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

3 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證機(jī)器人的單電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙關(guān)節(jié)的可行性，對Dreamer做了一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此新機(jī)構(gòu)。圖7所示右足端吸附在鐵架上，腰轉(zhuǎn)剎車釋放，俯仰剎車制動(dòng)同時(shí)右腿電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從圖中可以看出機(jī)器人逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，其最大角速度0.67 rad/s。

圖7 單電機(jī)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)

圖8所示，右足端吸附在鐵架上，腰轉(zhuǎn)剎車釋放，俯仰剎車制動(dòng)同時(shí)右腿電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，J2關(guān)節(jié)在抬起，最大角速度0.67 rad/s。

圖8 單電機(jī)關(guān)節(jié)俯仰

圖9所示Dreamer進(jìn)行90°交叉面過渡，抬起左腿伸長軀干使機(jī)器人游動(dòng)足端貼合在待吸附豎直壁面，進(jìn)而游動(dòng)足電磁鐵上電轉(zhuǎn)變成固定足同時(shí)吸附足釋放變成游動(dòng)足，繼而軀干收縮實(shí)現(xiàn)收腿功能，雙足吸附在豎直壁面上實(shí)現(xiàn)交叉面過渡。

圖9 機(jī)器人壁面過渡

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的壁面爬行機(jī)器人大多為1個(gè)電機(jī)對應(yīng)1個(gè)關(guān)節(jié)導(dǎo)致研發(fā)成本高。為克服傳統(tǒng)爬行機(jī)器人的這些不足，本文設(shè)計(jì)了一種單電機(jī)分時(shí)驅(qū)動(dòng)2關(guān)節(jié)的新機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)不僅減輕了機(jī)器人本體質(zhì)量而且也大大降低了開發(fā)成本。

簡述了Dreamer機(jī)器人機(jī)構(gòu)組成并對吸附足根據(jù)穩(wěn)定吸附建立力學(xué)模型，對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，應(yīng)用Jacobian矩陣的微分變換法求解機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解并應(yīng)用matlab進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。通過一系列實(shí)驗(yàn)充分展示和驗(yàn)證了所提出的新機(jī)構(gòu)與壁面過渡算法。在下一步工作中，考慮引入機(jī)器視覺，使機(jī)器人具備檢測裂紋能力。