М Ю Рачков，武 確

(莫斯科理工大學(xué) 俄羅斯 莫斯科 107023)

在緊急情況下，例如火災(zāi)，以及在對人類有害的操作(如排雷)中，有必要以自動方式將適當(dāng)?shù)募夹g(shù)檢查或救援設(shè)備運(yùn)送到工作區(qū)域。而解決此問題的簡便方法就是使用帶有指定設(shè)備的運(yùn)輸機(jī)器人。

考慮到在現(xiàn)實(shí)工作中會經(jīng)常在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中工作的特殊性，所以制定了開發(fā)自動運(yùn)輸機(jī)器人的方案[1,2]。如果在緊急情況下使用帶有安裝車載設(shè)備平臺的履帶式運(yùn)輸機(jī)器人[3]，那么這些機(jī)器人就需具有在未知環(huán)境條件下能自由移動，且在平坦路面上能高速運(yùn)動的能力，但是由于缺少輪子，它們不僅在平坦表面上的移動速度會降低，而且當(dāng)它們遇到與自身高度相當(dāng)?shù)恼系K物，或遇到樓梯狀障礙物的時候會無法越過障礙物。

根據(jù)所遇到的問題，經(jīng)過精心設(shè)計加了輪子后的機(jī)器人通過模擬仿真得出可以在各種類型的表面上移動，包括在城市環(huán)境中需要克服的復(fù)雜障礙(例如階梯樓梯)；該機(jī)器人在平坦表面上的移動速度超過了僅裝有履帶式螺旋槳車輛的移動速度[4]，而且使用壽命將會更長(因?yàn)槁膸г跒r青或混凝土等堅硬表面上行駛時會有磨損)。該機(jī)器人應(yīng)用范圍廣，不僅可以在崎嶇不平的地形上移動，而且能克服各種形狀的障礙物，包括那些高度大于自身高度的障礙物[5]。

1 運(yùn)輸機(jī)器人的構(gòu)造

機(jī)器人的設(shè)計建議包含一個組合的推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括可變換的履帶和車輪組(如圖1)。

圖1 運(yùn)輸機(jī)器人注：1-履帶組；2-輪組;3-伸縮桿；4-延伸部分(長釘)；5-車載控制系統(tǒng)；6-技術(shù)平臺

該機(jī)器人在技術(shù)平臺的側(cè)面有兩個履帶驅(qū)動器，在履帶組之間的平臺前面和后面各安裝了兩個車輪驅(qū)動器[6]。其獨(dú)特之處在于，車輪驅(qū)動器的頸軸通過杠桿與平臺連接，杠桿驅(qū)動器放置在平臺上，可以使車輪驅(qū)動器相對于平臺垂直移動。伸縮桿的長度可以變化，這使得機(jī)器人可以克服各種障礙。而且，車輪上還有一些延伸部分，可以用荊棘(長釘狀)的形式制成。該解決方案增加了車輪的直徑并提高其越野能力。

已經(jīng)在SolidWorks軟件中創(chuàng)建了機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型來研究其運(yùn)動的各種模式。通過帶有可伸縮元件且?guī)в新膸ЫM升高的輪組在平坦表面上移動，這樣可以提高機(jī)器人的移動速度(圖2a)。

在不平坦表面上的運(yùn)動僅由履帶組執(zhí)行(圖2b)，車輪驅(qū)動器在此模式下升高，以提高通行性。

可以通過同時使用車輪和履帶組來克服復(fù)雜幾何形狀的樓梯和障礙物，在這種情況下，車輪組相對于履帶組的位置角度、杠桿的長度以及車輪軸頸的延伸高度則取決于樓梯和障礙物的大小和形狀(如圖2c、2d)。根據(jù)運(yùn)動學(xué)仿真的結(jié)果顯示，該機(jī)器人具有克服各種障礙的能力。

圖2 機(jī)器人在各種類型表面上的運(yùn)動模式注：a)平坦的表面；b)凹凸不平的表面；c)樓梯；d)復(fù)雜幾何形狀的障礙物

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)可以根據(jù)道路和障礙物的特征自動重新配置履帶和車輪的位置，這些特征取決于障礙物的高度、障礙物的寬度、平臺傾斜角度、到障礙物的距離以及是否存在下一個上下臺階等數(shù)據(jù)[7]。圖3顯示了機(jī)器人控制系統(tǒng)的框架。

控制對象是帶有技術(shù)設(shè)備的機(jī)器人平臺[8]。履帶和車輪速度控制單元根據(jù)操作員的命令以編程方式或遠(yuǎn)程方式設(shè)置相應(yīng)速度的值。測量和轉(zhuǎn)換單

元使用傳感器收集有關(guān)外部條件的信息，將其轉(zhuǎn)換并傳輸?shù)讲倏v器和峰值控制單元，并根據(jù)此信息重新配置機(jī)器人的參數(shù)，即可控制伸縮桿的傾斜和伸展以及軸頸的長度。跟蹤測量單元的結(jié)構(gòu)如圖4。

圖3 機(jī)器人控制系統(tǒng)

圖4 跟蹤測量單元

微控制器從傳感器接收到有關(guān)位置和障礙物的信息后，發(fā)出信號以更改設(shè)計參數(shù)的配置，即杠桿的長度，傾斜角度以及軸頸的高度。當(dāng)機(jī)器人移動時，從傳感器接收到的當(dāng)前信息會發(fā)生改變，隨之微控制器根據(jù)該信息產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號傳輸給驅(qū)動系統(tǒng)。

3 機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃摍C(jī)器人的微型復(fù)制品，它是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)組件制成的，即帶有內(nèi)置驅(qū)動器的車輪組和履帶組，它由遙控器控制。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊话阋晥D,如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷囊话阋晥D

如圖5所示，模型的總體尺寸為：長500 mm，寬250 mm，高170 mm。當(dāng)車輪組移動時，機(jī)器人的長度和高度也會隨之改變。

在機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校總€軌道的驅(qū)動控制單元都包含一個由變頻器控制的異步電動機(jī)。速度反饋由電機(jī)軸上的測速發(fā)電機(jī)來完成。來自測速發(fā)電機(jī)的信號被饋送到ADC輸入，然后以數(shù)字形式被饋送到基于比較設(shè)備和數(shù)字控制器構(gòu)建的軌道速度控制單元。在該系統(tǒng)中使用調(diào)節(jié)器可以補(bǔ)償與電機(jī)軸上力矩變化相關(guān)的運(yùn)動速度變化。隨著扭矩增加，轉(zhuǎn)速降低，調(diào)速器調(diào)節(jié)控制信號以保持速度恒定，同時控制電動機(jī)的最大交流頻率。

杠桿由具有電動機(jī)過載和短路保護(hù)功能的直流電動機(jī)驅(qū)動。為了確定臂的傾斜角度，使用了來自光學(xué)傳感器的信號，這些信號通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。用于確定所需控制信號的算法在用于計算傾斜角度和杠桿長度的程序中實(shí)現(xiàn)。

工作能力結(jié)構(gòu)的可操作性通過無線電頻道上的遠(yuǎn)程手動控制進(jìn)行了測試。測試表明，該機(jī)器人可以執(zhí)行所有運(yùn)動模式，包括沿著樓梯上下運(yùn)動。

4 用于杠桿延伸控制的執(zhí)行器的仿真

為了分析控制單元的操作，以使用全尺寸機(jī)器人的參數(shù)擴(kuò)展控制桿，在Matlab應(yīng)用程序中的Simulink中使用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行了仿真。杠桿擴(kuò)展控制的仿真方案,如圖6所示。

圖6 杠桿擴(kuò)展控制的仿真方案

用于計算杠桿角度和長度的輸入控制參數(shù)是障礙物的高度和到障礙物的距離(如圖7所示)。

圖7 計算杠桿長度和傾斜角度 注：L為杠桿的長度；h為障礙物的高度；ΔL為到障礙物的距離；α為杠桿的傾斜角度

根據(jù)計算方案，設(shè)置杠桿長度的公式為

其中L是杠桿的長度；h是障礙物的高度；ΔL是到障礙物的距離。

計算杠桿傾斜角度的公式為

其中，α是杠桿的傾斜角度。

在杠桿角度控制回路中使用典型模塊，特別是標(biāo)準(zhǔn)PID控制器。在對操縱桿控制模塊進(jìn)行建模時，以階梯函數(shù)的形式設(shè)置障礙物的高度。到障礙物的距離是使用與接近障礙物相對應(yīng)的斜坡模塊通過線性函數(shù)設(shè)置的。由于此值不能為負(fù)，因此通過使用Saturation3模塊將距離限制下限設(shè)置為零。使用Divide1和Trigonometric Function1模塊計算杠桿的傾斜角度。杠桿長度是使用Product、Add和Sqrt模塊計算的。飽和模塊位于控制信號計算模塊之后。它將這些信號限制為最大允許值。例如，杠桿的長度不能超過1.5 m，并且角度限制為90°。杠桿長度驅(qū)動器上的負(fù)載被認(rèn)為是恒定的，并由一個常數(shù)給出。杠桿角驅(qū)動器上的負(fù)載定義為作用在杠桿上的機(jī)器人的重力?？紤]使用瞬態(tài)過程來研究Simulink程序包中的已開發(fā)模型[9]。以下是對杠桿長度穩(wěn)定性的研究結(jié)果，其輸入?yún)?shù)是到障礙物的距離，輸出參數(shù)是杠桿的長度。

圖8顯示了杠桿長度控制單元的瞬態(tài)響應(yīng)。從圖中可以看出，其形狀對應(yīng)于非周期性過程，因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的，因?yàn)閳D線趨于達(dá)到穩(wěn)態(tài)值(在這種情況下為1)。 圖上沒有過沖和振蕩過程，調(diào)節(jié)時間約為0.3 s。

在脈沖響應(yīng)(圖9)上，可以看到其收斂到零的過程，這也表明其系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖8 杠桿長度控制單元的瞬態(tài)響應(yīng)

圖9 杠桿長度控制單元的脈沖響應(yīng)

根據(jù)對相頻(PFC)和幅頻特性(AFC)的研究結(jié)果(圖10)，可以得出結(jié)論，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，因?yàn)榉l特性(AFC)在0值以下。

圖10 幅度頻率響應(yīng)圖(上)和相位頻率響應(yīng)圖(下)

因此，滿足了穩(wěn)定性條件，因?yàn)轭l率響應(yīng)曲線比相位響應(yīng)曲線穿過180°線的時間早于零值。幅度穩(wěn)定性裕量由AFC圖確定為在PFC圖與180°線相交的頻率下到OX軸的距離。在這種情況下，穩(wěn)定裕度為12.9 dB。

另外，系統(tǒng)的穩(wěn)定性通過奈奎斯特準(zhǔn)則進(jìn)行了檢驗(yàn)(如圖11所示)。

圖11 奈奎斯特曲線分析圖

在這種情況下，穩(wěn)定性條件是曲線圖不應(yīng)覆蓋坐標(biāo)為(-1，i0)的點(diǎn)。從獲得的結(jié)果可以看出，該條件已得到滿足。因此，此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。圖上標(biāo)記的點(diǎn)對應(yīng)于0°和180°線的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)的交點(diǎn)。

因此，對杠桿長度驅(qū)動器控制系統(tǒng)的仿真，根據(jù)各種標(biāo)準(zhǔn)已證實(shí)了其穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

開發(fā)了一種運(yùn)輸機(jī)器人的新方案，該方案可以實(shí)現(xiàn)在高風(fēng)險區(qū)域以及人類難以到達(dá)的地方執(zhí)行各種類型的工作。機(jī)器人的自動控制系統(tǒng)設(shè)計可以根據(jù)移動表面的類型和由測量單元確定的障礙物的大小來重新配置其結(jié)構(gòu)。

為研究機(jī)器人的不同運(yùn)動模式，我們在Solid-Works軟件中創(chuàng)建了機(jī)器人的運(yùn)動模型。且基于標(biāo)準(zhǔn)組件的遠(yuǎn)程控制機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)原型也已創(chuàng)建。在實(shí)驗(yàn)室的測試中也證實(shí)了可以克服各種障礙的能力。并且通過在Matlab Simulink程序中對杠桿伸展控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，也顯示了給定參數(shù)下系統(tǒng)的穩(wěn)定性。結(jié)果顯示可用于創(chuàng)建全尺寸實(shí)體機(jī)器人。