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基于活塞機構的爬繩機器人作者：Y.C.Koo,ElmiA.B.,WanAmirFuadWajdiY.C.Koo、ElmiA.B.地址：航空航天工程學院，工科大學，馬來西亞科學大學，高淵市14300號，馬來西亞WanAmirFuadWajdi地址：電氣與電子工程學院，工科大學，馬來西亞科學大學,高淵市4300號，馬來西亞摘要在機器人的發(fā)展歷史中，大部分主題是基于地面運動的輪式運動機器人。在這篇文章中，一種不同的機器人設計方式一一繩索攀爬機器人，將會被討論。因為這種機器人可以沿著繩索爬行，所以它可以通過繩索穿越空間。這種機器人只需要一個直流電機和兩個伺服電機來實現爬行。該機器人的優(yōu)點是：低功耗、低成本、便于控制和制造。研究關注于機器人的機械結構設計和實現方式。在開發(fā)階段，該機器人設計經過了兩個任務的測試并在馬來西亞機器人競賽中被用于繩索攀爬競賽。競賽的結果非常令人鼓舞，并且證明這種機器人設計是合理的。這種繩索攀爬機器人可以用來在工廠中運輸貨物或在救援行動中運送傷員。作者寫于2012年由愛思唯爾有限責任公司出版。挑選和/或同行評測由馬來西亞科學大學機械工程學院類人機器人和生物傳感器中心負責。關鍵詞：繩索攀爬機器人；機械結構設計；直流電機1?簡介運動機器人是一類能夠在給定的環(huán)境中運動的自動機器。這些運動機器人可以通過完成多種多樣的任務來服務人類例如檢查、安保等等。運動機器人可以被制造成多種形式，并且當今最流行的結構是輪式運動機器人和人形機器人。因為輪式運動機器人比較簡單且比較容易制造和控制，所以說它們是最簡單的運動機器人解決方案。因此，在過去幾十年里，大量的運動機器人研究和項目關注于輪式運動機器人。不過，也有帶腿和腳的運動機器人研究案例。1983年，穆爾蒂和Raibert［1］提出了一個名為3D跳蚤的單足機器人。即使3D跳蚤只有一條腿,它也能夠保持自身穩(wěn)定并左右移動oZeglin開發(fā)了一個名為Uniroo兩足機器人，其運動類似于袋鼠。當今最著名的雙足機器人之一是本田阿西莫?，F在也有超過雙足的機器人如鐵拳II［3］，PatrushII，［4］,索尼的艾博⑸和受生物昆蟲啟發(fā)的機器人［6］。所有上面討論的運動機器人都是自動利用鋪設在地板上的標記或長條來實現在平面上運動的。繩索攀爬機器人是另一種類型的運動機器人。然而，爬繩機器人用來保證運動的媒介不是靠地面而是靠沿著機器人攀附的繩索。爬繩機器人已經利用了不同方法?？▉喌龋?］曾推出一種輪式機器人，可以通過擰在繩子上在網上運動這種機器人被提議用在構建包袱衛(wèi)星中組裝大型結構。另一類型的爬繩機器人是由FU提出的有臂機器人。另一方面，Hewaathirana等人也曾提出過一種四足機器人。這種機器人模仿具有四條腿和四個爪來保證穩(wěn)定和平穩(wěn)運行的爬行運動。對于這類機器人,由于每條腿和爪都需要搭載不同的電機并分別由單獨的控制器板控制所以十分復雜。在這篇文章種介紹的爬繩機器人僅由一個直流電機作為主執(zhí)行器另個伺服電機分別控制前進和后退，既然該爬繩機器人僅有一個直流電機和兩個伺服電機開實現爬行，那么相對于之前介紹的機器人這種機器人比較容易控制。此外，這種機器人的結構也很簡單，因此可以降低開發(fā)復雜性和總成本。這種爬繩機器人可以在幾個場合利用例如在工廠的取放操作和在救援行動中運送傷員。2.研究方法在本文中，研究方法分為兩部分討論，機械設計和嵌入式系統(tǒng)。2.1機械設計在該子主題部分，討論內容主要是關于機器人的機械部分。首先，討論機器人的概念設計。然后，提出活塞機構的概念。最后，還要提出對于制動器的要求。2?1?1機器人結構圖1(a)展示了基于一個盒狀隔間的機器人概念設計方案。圖1(b)展示了機器人的主要部位一一活塞執(zhí)行機構。不同于其他大部分基于金屬框架的機器人結構，爬繩機器人的基本框架是由有機玻璃制造的盒狀隔間。其它部件和鏈接附著在隔室周圍來保持穩(wěn)定，并降低其重心，以減少在運動中的翻轉風險。除了作為基架，隔間也可完成存儲任務，并且可以進行修改以適應其他用途，例如用于抓放操作的夾鉗。這也有2個由伺服電動機制成的夾持器,以確保機器人朝所期望的方向爬行例如向前、向后、向上、向下、沿對角線和垂直方向。除了用于控制攀登方向的2個伺服電機，額外1個伺服電動機單元用于控制隔室的打開和關閉。圖1(a)機器人設計 (b)活塞執(zhí)行機構零件Clampers防滑釘片 Compartment隔間 Crank曲柄 connectingrod連桿linearmotion直線運動Rotation旋轉 Slider滑塊 endbar端桿2?1?2?活塞機構如圖1(b)所示，活塞機構由曲柄，連桿和端桿組成。一個直流電機與曲柄相連以使它旋轉。當曲柄旋轉起來，曲柄的回轉運動轉換成端桿的直線運動，并且直流電機的輸入轉矩轉換成作用在機器人上的線性力。如圖1(b)所示，為成功實現直線運動，端桿與滑塊相連從而滑塊可以指引端桿沿直線運動。然后，在2個夾持器的幫助下，直線運動將用來攀爬繩索。2?1?3?電機需要2類電動機一一直流電動機以及伺服電動機，來確保機器人攀爬動作的成功率。由于活塞機構由直流電動機驅動，直流電動機在確保攀爬動作的成功率中起重要作用。由于直流電機產生的扭矩不僅用于攀爬運動，也用于克服摩擦力和繩索的夾持器產生的阻力因此，必須是大扭矩。在使用在市場上獲得的一些直流電機做了一些測試出現差錯之后，最后選擇的是一個從手搖鉆上拆下來的直流電機，因為它在高轉速下可以提供足夠的扭矩和功率來克服阻力。在此提出的機器人，其夾持器需要能夠旋轉并作為中斷，以防止機器人滑動和進入錯誤的方向。為了實現這些目標，用于夾持器的電機要求是在提供足夠的力的同時其旋轉角度能夠精確控制。因此RC伺服電機與金屬齒輪被選擇作為夾持器的電機。金屬齒輪伺服電機具有適合重載應用的優(yōu)點，可以設計用于閉環(huán)反饋應用，并且電機的位置可以很容易地控制。表1展示出了兩種類型的電機規(guī)格和簡要要求。表1電機的要求和規(guī)格電機類型電機的要求電機的規(guī)格手搖轉直流電機大功率高轉速轉速：700r/min額定電壓：12VRC伺服電機（金屬齒輪）耐用提供大轉矩能旋轉90度易于控制全金屬齒輪適合重載應用轉矩（Kg-cm）9.0/4.8V,11.0/6.0V13.0/7.2V（最大7.2V）旋轉角度：180度.為“閉環(huán)反饋”設計能夠控制電機的位置2.2.嵌入式系統(tǒng)為了使這該機器人實現正常功能，僅設計機械部分是不完整的。機器人還需要一個嵌入式系統(tǒng)來激活和控制。嵌入式系統(tǒng)第一個將要被介紹的組件是系統(tǒng)架構。根據系統(tǒng)架構部分，機器人的處理單元和述電子元件將被討論。之后，隨著機器人的開發(fā)，軟件開發(fā)出來用以控制機器人并讓機器人執(zhí)行一些基本功能。2.2.1.系統(tǒng)結構系統(tǒng)結構如圖2所示。此爬繩機器人所用的主處理單元是一個PIC16F877A單片機。該微控制器被選擇是由于它體積小價格低。盡管PIC存儲器的容量只有14KB[10]，但它仍然綽綽有余，因為這款被開發(fā)機器人僅需要簡單的控制過程和很小的編程代碼。所有的致動器和傳感器都由該單個微控制器控制。所提出的系統(tǒng)的電源是12V直流電壓，它由一個鋰聚合物可再充電電池供給。12V的電壓被直接提供給手搖鉆直流電動機，而穩(wěn)定的5V電壓源被用來為控制基板供電。當從一個限位開關接收到信號時，微控制器被用于控制發(fā)光二極管，3個伺服馬達和手鉆直流電動機。通常，發(fā)光二極管被用作為指標燈，以顯示機器人狀態(tài)。微控制器產生脈寬調制（PWM）信號來控制伺服電動機的旋轉角度。繼電器用于向手搖鉆直流電動機切換和將控制電路從高負荷手鉆直流電動機中分離出來，以保護微控制器免收物理損壞。限位幵關 發(fā)光二極直流電壓-5V微控制器PIC16F877A|PWM3個伺服電-12V直流電壓直流電壓-5V微控制器PIC16F877A|PWM3個伺服電-12V直流電壓繼電器手揺鉆圖2：系統(tǒng)架構2.2.2?軟件介紹為了測試爬繩機器人的功能我們開發(fā)了一段源代碼。源代碼是在微觀基礎工作室用PICBASIC編程語言開發(fā)的。開發(fā)的源代碼的任務可被分成兩個部分。第一個任務是攀爬任務，爬繩機器人需要爬上傾斜34度的繩子直到它到達4.5米遠的繩子頂部的板子處，如圖3所示。由于限位開關要與上述板子接觸所以限位開關位于機器人的端部，并能夠發(fā)出信號指導機器人進行到第二任務。第二個任務是投擲包的任務。一旦機器人到達繩子的尾部,機器人需要回爬到中點并扔下一個包裹。圖4顯示了總體方案的流程圖。當機器人被啟動時，夾持器旋轉到預定的角度，以鎖定在繩索上機器人，并防止滑動。然后，直流電機將被啟動機器人開始攀爬繩子，活塞機構發(fā)揮功能。該機構將連續(xù)處于運行，直到在微控制器接收到來自限位開關的信號，指示機器人已經達到目標一一繩索的端部。然后直流電動機將被微控制器關閉，而夾持器旋轉到下一個預定的角。的夾持器達到預定角度，直流電動機再次開始工作機器人進行第二任務。受夾持器動作的影響，機器人會下降雖然直流電動機旋轉方向與之前相同。當機器人到達繩子的中點，直流電動機將被立即停止，同時機器人將丟下包裹。

圖4：總的流程圖3.結果與討論此研究主要關注于機械設計和機器人的實現。在實物機器人開發(fā)之前，基于此機器人結構的一些模型已被制做，以便驗證機器人的設計。在這個項目中，SOLIDWORK軟件應用和SOLIDWORK運動合成被用于設計驗證的目的。在SOLIDWORK中繪制完機器人的模型，也在SOLIDWORK的環(huán)境中開展了一些試驗。通過對組件施加設定為摩擦力的隨機大小的力和設置曲軸以每分鐘100(rpm)(—個隨機挑選值)的速度轉動，其結果示于圖5。圖5(a)顯示活塞機構曲柄的角速度。圖5(b)顯示圖lb中端桿的線性位移總體上，圖5示出，只要夾持器的功能良好，機器人可以在希望的方向上運動。這可以從線性位移圖上說明。線性位移的正斜率表明，機器人已向前攀升一段距離。當線性位移為負斜率時，機器人應該是向后運動，但是在夾持器的幫助下，這個動作被轉換，只有端桿在動而機器人是靜止在這一點的。tralHEjtralHEj圖5：SOLIDWORK仿真結果(a)初始接合角速度(b)機器人的線性位移圖6(a)顯示開發(fā)的機器人，而圖6(b)表示運動的機器人。機器人被測試攀爬4.5米長傾斜角度為34度的繩鎖。機器人爬上繩索頂端所用時長為15秒，而完成2項任務總時長是20秒。該機器人的主要優(yōu)點是它不需要復雜的控制算法?；旧希@種機器人需要控制的致動器是在機器人開始爬坡之前將它們旋轉到預定角度的兩個夾持器。直流電動機的控

制十分簡單，僅是上電和停機，沒必要控制其旋轉方向。除此之外，由于只使用很少的電機(1直流電動機和3個伺服馬達)，該機器人的功耗和成本也比較低。然而，該機器人還有一個可被進一步改善的缺點。當機器人在運動時，它有時會造成沿著繩索的振動。這是由于高負荷和直流電動機的功率不受控制，這從圖7——直流電動機的功率消耗的曲線圖一一中可以觀察到。由圖7的波形我們觀察到，直流電機有一些雜亂無章的噪音。然而，在一般情況下，這種機器人的設計已被證明是成功的，因為機器人可以沿著繩索爬上爬下，并在指定的位置釋放包裹。將來，機器人的性能可以通過向這種機器人加入反饋控制，例如可以控制和穩(wěn)定電機功率的PID控制器，來得到提高。圖6:圖6:(a)所開發(fā)的機器人(b)攀爬運動中的機器人圖7:直流電機功率消耗4?結論該項目為爬繩機器人(設計)引入了一種新的有效方法。機器人僅需要一個直流電機和兩個伺服電機來完成爬行這一主要任務。一般來說，這一系統(tǒng)易于搭建和控制。該系統(tǒng)已被用于在機器人競賽中參加爬繩比賽，競賽結果令人鼓舞。該機器人設計完成任務1和任務2共用了20秒時間。將來，可以在能夠改進的地方做一些研究，例如將PID控制器添加到控制系統(tǒng)中，除了可以增加高速爬繩運動的線性運動能力，還可以保持機器人機構的穩(wěn)定。參考文獻Murthy,S.S.,Raibert,M.H.,3D平衡腿步態(tài)：單腿案例建模與仿真，SIGGRAPH（美國計算機協(xié)會計算機繪圖專業(yè)組）計算機。第.27頁圖.Zeglin,G.J.,1991.Uniroo:單腿腿的動態(tài)跳躍機器人。BS論文，機械工程，麻省理工學院，劍橋，馬薩諸塞州部。Fukuoka,Y,Kimura,H.,Cohen,A.H.,2003基于生物概念在不規(guī)則地形下自適應動態(tài)行走四足機器人。機器人技術研究國際期刊。第187-202頁。Kimura,H.,Fukuoka,Y,Konaga,K.,2001.使用神經系統(tǒng)模型自適應動態(tài)行走四足機器人，先進機器人，第859-876頁⑸Kaplan,F.,Oudeyer,P.,Kubinyi,E.,Miklosi,A.,2001“馴服機器人響片訓練：一種教授復雜的行為的方法”歐洲學習機器人研討會的程序。⑹Delcomyn,F.,Nelson,M.E.,20