仿生攀爬机器人的步态分析

第46卷第15期 2010年8月 机械工程学报 JOURNALOFM[ECHANICALENGINEERING V．01．46 Aug． N0．15 2O10 DoI：10．3901／JME．2010．15．017 仿生攀爬机器人的步态分析木 江 励 管贻生 蔡传武 朱海飞 周雪峰 张宪民 【华南理工大学机械与汽车工程学院广州510640) 摘要：面向农业、林业和建筑等领域的高空作业，提出一种具有攀爬和操作功能的双手爪式模块化仿生机器人，以期代替人 们在高空复杂环境中从事危险工作。给出机器人的一种5自由度构型，分析其在空间两杆之问攀爬过渡的能力，然后根据其 构型特征提出、分析和比较三种攀爬步态。在ADAMS仿真环境下，对机器人采用这三种步态攀爬各种方位的杆件时主要 关节所需的力矩和机器人所消耗的能量进行计算和对比。仿真结果为机器人的攀爬步态规划提供了依据。 关键词：仿生机器人攀爬机器人模块化机器人步态分析 中图分类号：TP242 GaitAnalysisofaNovelBiomimeticClimbingRobot JIANGLi GUANYishengCAIChuanwuZHUHaifei ZHOUXuefengZHANGXianmin (SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering， SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640) Abstract：Anovelbipedrobotwithbothclimbingandmanipulationfunctionsisproposedfordangeroushigh·altitudeoperationin newpotentialfieldsofroboticapplicationssuehasagriculture，forestry,andconstruction．Thestructureof5degreesoffreedomis presentedforthisrobot，andthefeasibilityoftherobottransitingbetweentwocylindricalpolesinanyorientationsisproved．Three climbinggaitsareproposedandanalyzed．Thejointtorqueandenergyconsumptionoftherobotwhenitclimbspolesinvarious orientationsarecalculatedandcomparedinthesimulationwiththesoftwaretoolADAMS．Theresultsaresignificantforgait planningwithsuchbipedclimbingrobots． Keywords：BiomimeticrobotClimbingrobotModularrobotGaitanalysis 0前言 随着机器人技术的发展，农业、林业和建筑业 等领域将成为机器人应用的广阔天地。在这些领域 内的工作(如果树上果子的采摘，树林中树木枝叶的 修剪，桥梁上钢架的喷漆检修等)都具有一些相同的 特点：①高空作业，工作地点离地面较高；②工 作环境复杂和恶劣，危险性高；③工作量大，消 耗的时间很长，单调乏味。鉴于以上特点，开发具 有攀爬功能的机器人代替人去从事这些高空危险 工作将有重要意义。目前，国内外已经认识到这点， ’国家自然科学基金(50975089)、国家高技术研究发展(863计划， 2009AA042204)、高校博上点专项科研基金、中央高校基本科研费 (2009220006)和国家杰出青年科学基金(50825504)资助项目。 20090824收到初稿，20100516收到修改稿 开始研究攀爬类机器人并开发出一些样机。日本早 稻田大学已经开展了爬树机器人的研制，在2005 年爱知国际博览会上展出了其原型机WOODY．1。 西班牙开发了基于并联机器人的爬树机器人 CPRt¨。这两种机器人都由上下两个相同的环形部 分组成，其中一环抱着树干时，另一环可松开，由 连杆驱动顺着树干作上下移动，如此往复交替，使 整个系统升降：伊朗研制了一种爬杆机构UT．PCR， 该机构由三角形支架和端头安装有轮子的连杆组 成【zJ，适用于圆柱杆件的攀爬；美国卡内基梅隆大 学等几所大学提出了另一种思路，从仿生学角度开 展爬树机器人项目RiSE的研究，其样机为六足机 器人，能像蟑螂一样贴着树干爬行【3J。麻省理工学 院研制了一种能爬窗梁的机器人Shady3D，能顺着 窗架爬行移动【4】。哈尔滨工业大学正在研发爬桁架 万方数据 18 机械工程学报 第46卷第15期 的机器人，其主要目的是面向桥梁、体育场馆、塔 类等基础设施的检测和维修【5l。北京航空航天大学 和德国汉堡大学合作，研制了仿毛毛虫的多关节微 小型机器人，能在平整光洁的面上爬行16J。中国 科学院沈阳自动化研究所研制了一种5自由度爬壁 机器人，可以通过两个吸盘的交替吸附和各个关节 的配合灵活地实现尺蠖式爬行和转向，并且能够在 一定夹角范围的壁面之间实现过渡【7】。 总体来看，现有的样机基本实现了一定的攀爬 功能，但都还存在不足：①攀爬对象单一，只能 爬杆、爬桁架或者爬树而难以攀爬不同的对象；② 受到自身结构限制，缺乏杆间攀爬过渡的能力，难 以适应复杂的环境；③缺乏操作功能，作业时必 须另外加装执行器或操作臂。 受到尺蠖、猿猴、树懒等生物爬树原理的启发， 本文提出了一种5自由度攀爬机器人。该机器人由 3个摆动关节、2个回转关节和2个末端夹持器串 联而成。其中，末端的2个夹持器可以看成机器人 的两手爪，中间的5个关节和连杆构成机器人本体。 其特点包括：①机器人具有较强的攀爬功能，能 爬杆、桁架和树木等多种对象，能在空间两杆之间 过渡攀爬；②由于具有足够多的自由度，可以采 用多种不同的步态进行攀爬；③机器人本身也是 一个操作臂，具有操作功能，不需要安装额外的操 作装置。在结构上采用模块化设计方法。模块化机 器人具有研发成本低，结构和功能的扩展性强等优 点，是当前机器人系统研发的一个趋势【8。9】。GUAN 等【lo】已经就模块化机器人做了相关的工作，设计制 造了多种独立完整的机器人单自由度关节模块和 末端功能模块，包括一种回转关节模块、一种摆转 关节模块和一种夹持器模块，并由这些模块构建了 多种不同的机器人系统[IH。 本文对上述仿生攀爬机器人进行基础研究，就 其构型、运动学作基本介绍，提出、分析和比较三 种可能的不同攀爬步态，通过仿真计算和比较不同 步态所需的最大关节转矩和功率消耗，为攀爬规划 提供基本依据。 1机器人构型和攀爬运动分析 1．1机器人的构型 这里用5个单自由度关节模块依次串接构建机 器人本体。3个摆转关节模块(关节轴与连杆轴垂直， 称之为T型)在中间，关节轴线互相平行：两个回转 关节模块(关节轴与连杆轴共线，称之为I型)分布 在两端，其轴线与摆转关节的互相垂直。两个夹持 器模块分别连接在本体的两端，这样组成两端对 称、首尾互置的双手爪式攀爬机器人。其CAD模 型和机构示意如图1所示r图1中字母T、I和G分 别代表摆转关节、回转关节和夹持器，下同)。3个 摆动关节的转动范围是一1100～1100，外径为100 n'Lrn，长度为238mill，质量为2．5kg，最大输出转 矩117N·m。2个回转关节可以做一1800～1800的 全方位转动，外径为100mn-i，长度为165mm，质 量为2．5kg，最大输出转矩150N·m。夹持器模块 (称之为G型模块)夹持圆柱形杆件的范围为矽60--- 120n'llYl，最大夹持力300N，质量2．2kg。这些模 块和机器人的结构设计和夹持力分析可参见文献 【lmll】。 图l 模块化仿生攀爬机器人的CAD模型和机构简图 1．2空间杆间攀爬过渡运动分析 机器人攀爬时，一端的夹持器抓紧杆件以支撑 整个系统，另一端夹持器运动到目标位置和姿态， 夹紧目标杆件后松开前一个夹持器，两个夹持器交 替抓夹，角色互换。目标端夹持器对于参考坐标系 的位置和姿态相可以用一个矩阵来表示，即 T=【矗00口口0二】 (1)=l 1 l (1) I l J ～ 式中，厅，o，a为夹持器的姿态矢量，P为夹持器 的位置矢量。虽然实现三维空间的任意位姿需要机 器人具有6自由度，但考虑到机器人攀爬的对象一 般为杆件和树木等，它们的横截面多数可视为圆 形。在这种情况下5自由度机器人一般可以满足要 求，能够实现从攀爬过渡。下面进行证明。 机器人初始姿态和坐标系的建立如图2所示。 根据机器人运动学的D．H描述方澍12】，每一个位姿 的变换矩阵可以表达为 4= c^一s≯‰sns‰ Sn c≯‰一c^sn 0％ 吃 0 O 0 a^c— anSn 以 l 式中，q----COS0n，Sn=sin0,，％=cosa。， San 2sma,。 万方数据 2010年8月 江励等：仿生攀爬机器人的步态分析 19 施 X3 I善5 r。‘、刁／八 鸟 句≯．j一＼V上， —-— 目 。r -娩 。、 z≯j _ Xl 却 ，． 、一／卜 厂一 ≯少：o＼y L一 图2机器人运动学参考坐标系 于是抓取目标端夹持器的位姿可以表示为 T=4444以 (2) 对于圆柱状杆件，为使夹持器能够夹住目标杆 件，必须满足以下两个条件：①夹持器能移动到 达目标位置；②夹持器开合方向与杆的倾斜方向 垂直。其中，夹持器的位置矢量由式(1)中P给出， 其开合方向的法向矢量由式(1)中矗给出。 设抓取目标杆的方向矢量为(ax6，c：)T，则夹 持器的目标位置的集合都可以由P给出 P=(Xo+axkYo+6，七Zo+c：七)1 式中，k为一固定系数，Po=(‰YoZo)T为任意一 个可实现抓取的目标位置坐标。 令一=(q6，乞)T，并将式(1)代入式(2)中，得 f刀口口P1_444^40 001I J 1 ‘ ’ ’ 3 等式两边依次左乘矩阵笥1，可以角度进行解 偶。由于矢量刀和P提供了5个已知量，在解偶过 程中可以分别解出最～侠的值 岛：arctanf生1 ＼以／ 或 q=q+1800 ‰=一卜≤斋j 或 0234=岛34+1800 02：arct眦!鱼±!!墨二苎旦 (c3+1)p+屯五 悼arccos(警一·) 幺=0234一02一岛 岛=arcsin(-墨ax+c16，) 或 岛=岛+180。 式中，q=cos舅，岛=sino,，C234=cos(02+岛+幺)， S234=sin(02+岛+幺)，见=Xo+axk，pv=Yo+ b,k， 见=Z0+c,k，旯=见+C234L’，P=clP．+ sip,一屯34工7。 当解出品～绣的值分别都在各关节的极限转 角范围内时，机器人便可以实现此杆件的抓取，从 而实现攀爬的过渡。 应该指出，由于只有5自由度，任意两杆件的 过渡位形只有一个。在树上或桁架中攀爬时，由于 环境复杂，障碍很多，要实现灵巧避碰穿梭攀爬， 应增加关节模块使机器人自由度达到6以上。 2三种攀爬步态 根据其构型的特点，机器人在攀爬时可以运用 3种不同的步态，即尺蠖模式、扭转模式和翻转 模式。 第一种步态为尺蠖模式，如图3所示。 T3 T2 T1 (a)(b)(c) 图3尺蠖式攀爬步态 G2 GI 其攀爬如下。 (1)机器人位于初始位置，夹持器GI和G2都 为夹紧状态。Gl慢慢张开，G2仍然保持夹紧，独立 支撑机器人(图3a)。 (2)摆动关节Tl、T2和T3开始协调转动，机器 人躯体收缩。当Tl和T3转过a角时，T2应转 过2a角(图3a、3b)。 (3)当摆动关节完成转动后，夹持器Gl开始闭 合直至夹紧杆件。然后G2慢慢张开，机器人由Gl 单独支撑(图3b，机器人完成了换手支撑)。 (4)摆动关节Tl、T2和T3开始协调运动，回到 其初始角度，最后G2夹紧。此时机器人便完成了 尺蠖运动的一个循环(图3b、3c)。 机器人以尺蠖步态攀爬时，一个运动循环移动 万方数据 机械工程学报 第46卷第15期 的距离为 越“，一E—￡cos铲也(1_cosa) 摆转关节T2的转动范围为一1100～1100， 一1100<2a<1100。代入式(3)可得 O．57L<三’论文

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