第13卷第2期 智能系统学报 Vol.13 No.2 2018年4月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Apr.2018 D0:10.11992/tis.201611016 网络出版地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20170317.1937.012.html 仿尺蠖爬壁机器人自适应吸附及摇杆控制 高国庆，王涛，王斌锐 (中国计量大学机电工程学院，浙江杭州310018) 摘要：为了解决真空吸附爬壁机器人爬行时，需要吸盘和壁面紧密贴合，不易操控的问题。建立了吸盘足至壁面的 空间几何模型：基于DH参数，建立了运动学模型，根据速度运动学逆解，设计了一种用于对称机构爬壁机器人的摇 杆操作方法，将摇杆轴映射为关节速度闭环：根据位置运动学逆解，设计了自适应吸附动作，吸盘足与壁面距离小于 设定阈值时，自动触发自适应吸附动作；搭建了机器人控制系统和自适应吸附装置，在水平壁面上进行爬行实验，验 证了该方法可减小操控难度。 关键词：仿尺蠖爬壁机器人：真空吸附：摇杆操作：建模 中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：1673-4785(2018)02-0208-06 中文引用格式：高国庆，王涛，王斌锐.仿尺蠖爬壁机器人自适应吸附及摇杆控制J肌.智能系统学报，2018,13(2：208-213. 英文引用格式：GAO Guoqing,VANG Tao,WANG Binrui..Adaptive adsorption and joystick control of an inchworm wall--climb- ing robot J.CAAI transactions on intelligent systems,2018,13(2):208-213. Adaptive adsorption and joystick control of an inchworm wall-climbing robot GAO Guoqing,WANG Tao,WANG Binrui (College of Mechanical and Electrical Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China) Abstract:When a vacuum-adsorbed wall-climbing robot crawls,it is necessary for the acetabulum to closely attach onto a wall surface,and this is not easy to manipulate.To solve this problema space geometry model on the acetabulum foot and wall surface was developed,and a kinematics model was established on the basis of the D-H parameters.A rocker control method was designed for the wall-climbing robot with symmetric structure according to the inverse kinematics for speed.The rocker shaft was mapped as the joint velocity loop,and the adaptive adsorption action was designed ac- cording to the inverse kinematics for location.When the distance between the acetabulum foot and the wall surface was less than the set threshold,the adaptive adsorption action was triggered automatically.The robot control system and ad- aptive adsorption device were built,and a crawling experiment that was carried out on the horizontal wall surface re- vealed that the method could reduce the difficulty of manipulation. Keywords:inchworm wall-climbing robot;vacuum adsorption;rocker control;modeling 爬壁机器人的吸附方式中真空吸附应用普遍。况。美国密歇根州立大学研发的爬壁机器人FI 真空吸附主要包括真空泵和吸盘。真空泵不断从吸 per和Crawler、中国科学院沈阳自动化研究所研 盘腔中抽气，使吸盘腔内达到一定真空度，在大气 发的机器人B均采用单吸盘结构，在每个吸盘足安 压和摩擦力作用下，机器人不会倾覆。为了使吸 装了2个接触传感器，通过试探性地微调足端来使 盘和壁面紧密贴合，必须使吸盘平面和目标壁面平 吸盘和壁面贴合，吸附动作缓慢；文献[5-6]采用吸 行，且两个平面间距足够小。足式真空吸附爬壁机 盘组作为机器人的吸足，对吸盘与壁面的相对姿态 器人通过接触传感器来感知吸盘和壁面的接触情 要求更高；文献[7]爬壁机器人吸盘底部装有8个红 收稿日期：2016-11-14.网络出版日期：2017-03-17 外传感器组成的圆形阵列，用来判断吸盘和壁面的 基金项目：浙江省自然科学基金项目(LY14F030021) 通信作者：王斌锐.E-mail:wangbrpaper(@l63.com. 平行度，吸盘两侧装有光纤触觉传感器，用来感知
DOI: 10.11992/tis.201611016 网络出版地址: http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20170317.1937.012.html 仿尺蠖爬壁机器人自适应吸附及摇杆控制 高国庆，王涛，王斌锐 （中国计量大学 机电工程学院，浙江 杭州 310018） 摘 要：为了解决真空吸附爬壁机器人爬行时，需要吸盘和壁面紧密贴合，不易操控的问题。建立了吸盘足至壁面的 空间几何模型；基于 D-H 参数，建立了运动学模型，根据速度运动学逆解，设计了一种用于对称机构爬壁机器人的摇 杆操作方法，将摇杆轴映射为关节速度闭环；根据位置运动学逆解，设计了自适应吸附动作，吸盘足与壁面距离小于 设定阈值时，自动触发自适应吸附动作；搭建了机器人控制系统和自适应吸附装置，在水平壁面上进行爬行实验，验 证了该方法可减小操控难度。 关键词：仿尺蠖爬壁机器人；真空吸附；摇杆操作；建模 中图分类号：TP242 文献标志码：A 文章编号：1673−4785(2018)02−0208−06 中文引用格式：高国庆, 王涛, 王斌锐. 仿尺蠖爬壁机器人自适应吸附及摇杆控制[J]. 智能系统学报, 2018, 13(2): 208–213. 英文引用格式：GAO Guoqing, WANG Tao, WANG Binrui. Adaptive adsorption and joystick control of an inchworm wall-climbing robot[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2018, 13(2): 208–213. Adaptive adsorption and joystick control of an inchworm wall-climbing robot GAO Guoqing，WANG Tao，WANG Binrui (College of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China) Abstract: When a vacuum-adsorbed wall-climbing robot crawls, it is necessary for the acetabulum to closely attach onto a wall surface, and this is not easy to manipulate. To solve this problema space geometry model on the acetabulum foot and wall surface was developed, and a kinematics model was established on the basis of the D-H parameters. A rocker control method was designed for the wall-climbing robot with symmetric structure according to the inverse kinematics for speed. The rocker shaft was mapped as the joint velocity loop, and the adaptive adsorption action was designed according to the inverse kinematics for location. When the distance between the acetabulum foot and the wall surface was less than the set threshold, the adaptive adsorption action was triggered automatically. The robot control system and adaptive adsorption device were built, and a crawling experiment that was carried out on the horizontal wall surface revealed that the method could reduce the difficulty of manipulation. Keywords: inchworm wall-climbing robot; vacuum adsorption; rocker control; modeling 爬壁机器人的吸附方式中真空吸附应用普遍。 真空吸附主要包括真空泵和吸盘。真空泵不断从吸 盘腔中抽气，使吸盘腔内达到一定真空度，在大气 压和摩擦力作用下，机器人不会倾覆[1]。为了使吸 盘和壁面紧密贴合，必须使吸盘平面和目标壁面平 行，且两个平面间距足够小。足式真空吸附爬壁机 器人通过接触传感器来感知吸盘和壁面的接触情 况。美国密歇根州立大学研发的爬壁机器人 Flipper 和 Crawler[2] 、中国科学院沈阳自动化研究所研 发的机器人[3–4]均采用单吸盘结构，在每个吸盘足安 装了 2 个接触传感器，通过试探性地微调足端来使 吸盘和壁面贴合，吸附动作缓慢；文献[5–6]采用吸 盘组作为机器人的吸足，对吸盘与壁面的相对姿态 要求更高；文献[7]爬壁机器人吸盘底部装有 8 个红 外传感器组成的圆形阵列，用来判断吸盘和壁面的 平行度，吸盘两侧装有光纤触觉传感器，用来感知 收稿日期：2016−11−14. 网络出版日期：2017−03−17. 基金项目：浙江省自然科学基金项目 (LY14F030021). 通信作者：王斌锐. E-mail: wangbrpaper@163.com. 第 13 卷第 2 期 智 能 系 统 学 报 Vol.13 No.2 2018 年 4 月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Apr. 2018
第2期 高国庆，等：仿尺蠖爬壁机器人自适应吸附及摇杆控制 ·209· 吸盘和壁面的距离。机器人根据8个传感器的值， 2机器人建模 经位置逆解来使吸盘足和壁面平行。文献[8-9] 通过在吸盘平面上安装距离传感器，来测量与壁面 2.1 位置运动学建模 的距离。空间中确定吸盘平面至少需要安装3个距 J2、3和J,关节是爬行运动的关键，将爬壁机 离传感器。根据3个距离传感器的值，计算出吸盘 器人简化为一个平面三连杆机构。建立D-H坐标 平面相对于壁面的夹角和距离。机器人基于运动学 系，如图2所示。 位置逆解调节关节角度，使吸盘和壁面贴合紧密。 在实际作业时，操作功能是机器人的关键。华 南理工大学研发了爬杆机器人Climbot-",使用摇 杆控制机器人从6m高的路灯杆上拧下灯泡，但是 其摇杆和机器人动作映射过于复杂。文献[12]设计 了混合坐标系来操作挖掘机，作者将挖斗和根部关 节分开控制，使摇杆操作更直观。文献[13]为不同 支撑足的情况分别建立了运动学模型。 本文首先介绍了自主研发的爬壁机器人机构： 而后根据D-H参数，建立运动学模型、吸盘足至壁 面的空间几何模型，分析可靠吸附的必要条件；然 图2D-H坐标系 后设计了一种用于机构对称机器人的摇杆操作方 Fig.2 D-H coordinate system 法，摇杆轴数值映射为机器人摆动吸盘足在笛卡尔 建立摆动吸盘足到支撑吸盘足的齐次坐标变换 空间中的速度：最后开发了自适应吸附装置，在爬 矩阵： 壁机器人上进行实物验证。 C123 -5123 5123 C123 0 Py 1机器人机构 0 0 1 (1) 0 0 01 仿尺蠖爬壁机器人由5个旋转关节串联组成， 式中： 结构对称，可以像图1(a)中的尺蠖一样蠕动爬行。 Px=a1C1+a2C12+a3C123 (2) 图1(b)中，J1和J关节轴线和连杆轴线重合，传动 P,=a1S1+a2S12+035123 (3) 链是直流无刷电机+行星减速机+谐波减速机，用来 式中：s1、c分别为sin0,和lcos0的缩写，s12、c12分别为 模仿尺蠖转向；J2、3和J关节轴线和连杆轴线垂 sin(61+0)和lcos(0+)的缩写，s3、c12s分别为 直，传动链是直流无刷电机+谐波减速机+锥齿轮， sin(61+02+0)和cos(01+2+0,)的缩写，a1、a2和a均 用来模仿尺蠖躯体伸缩。S,和S,是两个吸盘足，对 表示连杆长度。 应于尺蠖头部和尾部用来附着植物的趾钩。每个吸 设 盘足上安装有3个真空吸盘，以等边三角形分布， 9=01+62+3 (4) 用以抵抗重力。多吸盘结构能够减小因吸盘形变导 可得 致的机器人倾斜。 9=arctanSs C123 wi+w-aj-a 02=±arctan (5) 2aaz v1-c (a+ac2)w,-as2w 0 arctan (6) (a+a2c2)wy a2s2w (a)尺蠖s (b)机构简图 03=9-81-62 (7) 式中：w.=p.-a3cp,w,=P-s9o 由式(5)可知，运动学位置逆解有两组解：02为 正值时，机器人如图2虚线所示，由于机构参数限 制，2和J4关节无法到达此位置，此解无效；0为负 (©)实物图 值时，机器人如图2实线所示，此解为有效解。 图1仿尺蠖爬壁机器人 2.2速度运动学建模 Fig.1 Inchworm wall-climbing robot 分别对式(2)(4)求微分，并写成矩阵形式：
吸盘和壁面的距离。机器人根据 8 个传感器的值， 经位置逆解来使吸盘足和壁面平行。文献[8-9] 通过在吸盘平面上安装距离传感器，来测量与壁面 的距离。空间中确定吸盘平面至少需要安装 3 个距 离传感器。根据 3 个距离传感器的值，计算出吸盘 平面相对于壁面的夹角和距离。机器人基于运动学 位置逆解调节关节角度，使吸盘和壁面贴合紧密。 在实际作业时，操作功能是机器人的关键。华 南理工大学研发了爬杆机器人 Climbot[10–11] ，使用摇 杆控制机器人从 6 m 高的路灯杆上拧下灯泡，但是 其摇杆和机器人动作映射过于复杂。文献[12]设计 了混合坐标系来操作挖掘机，作者将挖斗和根部关 节分开控制，使摇杆操作更直观。文献[13]为不同 支撑足的情况分别建立了运动学模型。 本文首先介绍了自主研发的爬壁机器人机构； 而后根据 D-H 参数，建立运动学模型、吸盘足至壁 面的空间几何模型，分析可靠吸附的必要条件；然 后设计了一种用于机构对称机器人的摇杆操作方 法，摇杆轴数值映射为机器人摆动吸盘足在笛卡尔 空间中的速度；最后开发了自适应吸附装置，在爬 壁机器人上进行实物验证。 1 机器人机构 仿尺蠖爬壁机器人由 5 个旋转关节串联组成， 结构对称，可以像图 1(a) 中的尺蠖一样蠕动爬行。 图 1(b) 中，J1 和 J5 关节轴线和连杆轴线重合，传动 链是直流无刷电机+行星减速机+谐波减速机，用来 模仿尺蠖转向；J2、J3 和 J4 关节轴线和连杆轴线垂 直，传动链是直流无刷电机+谐波减速机+锥齿轮， 用来模仿尺蠖躯体伸缩。S1 和 S2 是两个吸盘足，对 应于尺蠖头部和尾部用来附着植物的趾钩。每个吸 盘足上安装有 3 个真空吸盘，以等边三角形分布， 用以抵抗重力。多吸盘结构能够减小因吸盘形变导 致的机器人倾斜[14]。 J3 J4 J5 S2 J2 J1 S1 (a) ᅦ㵂[15] (b) ᱦᲰガప (c) ➕ప 图 1 仿尺蠖爬壁机器人 Fig. 1 Inchworm wall-climbing robot 2 机器人建模 2.1 位置运动学建模 J2、J3 和 J4 关节是爬行运动的关键，将爬壁机 器人简化为一个平面三连杆机构。建立 D-H 坐标 系，如图 2 所示。 X1 X4 Y4 #0 #1 J1 J2 J5 J4 a1 a2 Y1 Y2 J3 X2 Y3 X3 θ3 #3 a3 θ1 θ #2 2 图 2 D-H 坐标系 Fig. 2 D-H coordinate system 建立摆动吸盘足到支撑吸盘足的齐次坐标变换 矩阵： T = c123 −s123 0 px s123 c123 0 py 0 0 1 0 0 0 0 1 (1) 式中： px = a1c1 +a2c12 +a3c123 (2) py = a1 s1 +a2 s12 +a3 s123 (3) s1 c1 sinθ1 cos θ1 s12 c12 sin(θ1 +θ2) cos(θ1 +θ2) s123 c123 sin(θ1 +θ2 +θ3) cos(θ1 +θ2 +θ3) a1 a2 a3 式中： 、 分别为 和 的缩写， 、 分别为 和 的缩写， 、 分别为 和 的缩写， 、 和 均 表示连杆长度。 设 φ = θ1 +θ2 +θ3 (4) 可得 φ = arctan s123 c123 θ2 = ±arctan w 2 x +w 2 y −a 2 1 −a 2 2 2a1a2 √ 1−c 2 2 (5) θ1 = arctan (a1 +a2c2)wy −a2 s2wx (a1 +a2c2)wy +a2 s2wx (6) θ3 = φ−θ1 −θ2 (7) 式中： wx = px −a3cφ，wy = py −a3 sφ。 θ2 θ2 由式 (5) 可知，运动学位置逆解有两组解： 为 正值时，机器人如图 2 虚线所示，由于机构参数限 制，J2 和 J4 关节无法到达此位置，此解无效； 为负 值时，机器人如图 2 实线所示，此解为有效解。 2.2 速度运动学建模 分别对式 (2)~(4) 求微分，并写成矩阵形式： 第 2 期 高国庆，等：仿尺蠖爬壁机器人自适应吸附及摇杆控制 ·209·
·210· 智能系统学报 第13卷 dp de, 3摇杆操作与自适应吸附设计 dp, =J d02 (8) do des 3.1摇杆与机器人动作映射 式中J为雅各比矩阵。 吸盘足交替吸附时，机器人始终以X、Y,作为 式(8)中引入是为了将J凑成3×3方阵，以便 基坐标系。将摇杆轴数值映射为摆动足的速 于求逆。式(8)两边同时左乘雅各比逆矩阵，并 度值。 除以dt,可得 根据式(9)，在已知机器人摆动足在笛卡尔空间 Vx 中X,和Y,方向上速度情况下，可求得关节J2、 2 (9) g J3与J的转速。机器人运动过程中有3种情况： 式中：w1、2和分别为关节J2、J3与J的转速， 1)吸盘足的拾起和放下。如图4(a),当S,为支 y和y,为机器人末端在笛卡尔空间中相对基坐标系 撑足时，摆动足S2向上抬起，若此时S2为支撑足， X和Y方向上速度。 如图4b),可以看到摆动足S,是向下运动的。支撑 2.3吸盘足与壁面夹角分析 足不同时，相同的动作，导致摆动足在Y,方向上的 如图3所示，S为支撑吸盘足，S2为摆动吸盘 运动方向是相反的。为使摇杆轴和机器人运动之间 足，下文分别简称为支撑足和摆动足。α为吸盘和 的映射不因支撑足不同而改变，当S,为支撑足时， 距离传感器所在平面，B为目标壁面，点A、B和C分 y→y,;当S2为支撑足时，y→-y,o其中，y表示摇杆 别表示3个距离传感器的安装位置，△ABC为等边三 y轴的值，y,表示机器人摆动足沿Y,方向运动的速 角形，，1、2和l3分别为点A、B和C到目标平面B的距 度，箭头表示映射。 离，△ABC为△ABC在平面B上的投影。 (a)S,吸附 b)S吸附 图4吸盘足上下运动 Fig.4 Up-and-down motion 图3空间坐标系 2)机器人躯干的伸缩。如图5，当S1或S2为支 Fig.3 Space coordinate system 撑足时，躯干仲长代表前进，躯干缩短代表后退，摇 在平面a内建立空间坐标系，以△ABC的中心作 为坐标系原点O。点O到点A、B、C的距离均为R 杆与机器人动作映射为：x→yx,其中，x表示摇杆 x轴的值，y表示机器人摆动足沿X,方向运动的 a和B平面方程分别为 速度。 a:z=0 B:Mx+Ny+Pz+Q=0 式中：M=2l2-I1-l,N=V3(l1-l),P=3R,Q=-Rl1+ 2+l3)。 平面a和B的法向量可表示为n.和ns: m=[001',m=[MNPT 由此可得平面α和B的夹角9： a)S吸附 b)S,吸附 nanal cos0=cos(na,ns〉= 图5吸盘足前后运动 na ns Fig.5 Forward and backward motion 推导可得 P 3)机器人转向。如图6(a),当S,为支撑足时， 0=arccos- (10) VM+N2+P 摇杆控制J,z→v:如图6(b,当为S2支撑足时，摇 0的范围为0~π/2.0=0时，吸盘足和壁面平 杆控制J,z→v,。其中，表示摇杆轴的值，V,表示 行，是可靠吸附的必要条件。 机器人关节转速，，表示机器人关节转速
dpx dpy dφ = J dθ1 dθ2 dθ3 (8) 式中 J 为雅各比矩阵。 φ J 3×3 J −1 dt 式 (8) 中引入 是为了将 凑成 方阵，以便 于求逆。式 (8) 两边同时左乘雅各比逆矩阵 ，并 除以 ，可得 ω1 ω2 ω3 = J −1 νx νy ωφ (9) ω1 ω2 ω3 νx νy 式中： 、 和 分别为关节 J 2、J 3 与 J 4 的转速， 和 为机器人末端在笛卡尔空间中相对基坐标系 X1 和 Y1 方向上速度。 2.3 吸盘足与壁面夹角分析 α β A B C ∆ABC l1 l2 l3 A B C β ∆A ′B ′C ′ ∆ABC β 如图 3 所示，S1 为支撑吸盘足，S2 为摆动吸盘 足，下文分别简称为支撑足和摆动足。 为吸盘和 距离传感器所在平面， 为目标壁面，点 、 和 分 别表示 3 个距离传感器的安装位置， 为等边三 角形， 、 和 分别为点 、 和 到目标平面 的距 离， 为 在平面 上的投影。 A′ A B C B′ C′ l1 l3 l2 β x y J5 α J4 J3 J1 S J2 2 o S1 图 3 空间坐标系 Fig. 3 Space coordinate system α ∆ABC O O A B C R α β 在平面 内建立空间坐标系，以 的中心作 为坐标系原点 。点 到点 、 、 的距离均为 。 和 平面方程分别为 α : z = 0 β : Mx+Ny+ Pz+ Q = 0 M =2l2 −l1 −l3 N = √ 3(l1 −l3) P=3R Q=−R(l1+ l2 +l3) 式中： ， ， ， 。 平面α和 β 的法向量可表示为 nα和 nβ： nα = [ 0 0 1 ]T , nβ = [ M N P ]T 由此可得平面α和 β 的夹角 θ： cos θ = cos ⟨ nα, nβ ⟩ = |nα · nβ| |nα||nβ| 推导可得 θ = arccos P √ M2 +N2 + P2 (10) θ 的范围为 0 ∼ π/2 。θ = 0 时，吸盘足和壁面平 行，是可靠吸附的必要条件。 3 摇杆操作与自适应吸附设计 3.1 摇杆与机器人动作映射 吸盘足交替吸附时，机器人始终以 X1、Y1 作为 基坐标系。将摇杆轴数值映射为摆动足的速 度值。 根据式 (9)，在已知机器人摆动足在笛卡尔空间 中 X1 和 Y1 方向上速度情况下，可求得关节 J 2、 J3 与 J4 的转速。机器人运动过程中有 3 种情况： y → vy y → −vy y y vy 1) 吸盘足的抬起和放下。如图 4(a)，当 S1 为支 撑足时，摆动足 S2 向上抬起，若此时 S2 为支撑足， 如图 4(b) ，可以看到摆动足 S1 是向下运动的。支撑 足不同时，相同的动作，导致摆动足在 Y1 方向上的 运动方向是相反的。为使摇杆轴和机器人运动之间 的映射不因支撑足不同而改变，当 S1 为支撑足时， ；当 S2 为支撑足时， 。其中， 表示摇杆 轴的值， 表示机器人摆动足沿 Y1 方向运动的速 度，箭头表示映射。 Y1 X1 J1 J2 J5 J4 J3 S1 S2 Y1 X1 J1 J2 J5 J4 J3 S1 S2 (a) S1 吸附 (b) S2 吸附 图 4 吸盘足上下运动 Fig. 4 Up-and-down motion x → vx x x vx 2) 机器人躯干的伸缩。如图 5，当 S1 或 S2 为支 撑足时，躯干伸长代表前进，躯干缩短代表后退，摇 杆与机器人动作映射为： ，其中， 表示摇杆 轴的值， 表示机器人摆动足沿 X1 方向运动的 速度。 (a) S1 吸附 (b) S2 吸附 Y1 X1 J1 J2 S1 Y1 X1 J1 J2 J5 J4 J3 S1 S2 J3 J4 J5 S2 图 5 吸盘足前后运动 Fig. 5 Forward and backward motion z → vJ1 z → vJ5 z z vJ1 vJ5 3) 机器人转向。如图 6(a)，当 S1 为支撑足时， 摇杆控制 J1， ；如图 6(b)，当为 S2 支撑足时，摇 杆控制 J5， 。其中， 表示摇杆 轴的值， 表示 机器人 J1 关节转速， 表示机器人 J5 关节转速。 ·210· 智 能 系 统 学 报 第 13 卷
第2期 高国庆，等：仿尺蠖爬壁机器人自适应吸附及摇杆控制 ·211· PC作为上位机负责机器人的运动规划、状态 监控、人机交互和图像采集；关节模块中，每个电机 上集成有相对式编码器，伺服控制器负责底层电 流、速度及位置闭环运动控制：吸附模块由微控制 器最小系统和外围电路组成，微控制器作为下位 (a)S吸附 (b)S,吸附 机，负责响应上位机命令。PC通过CAN和5个关 节模块进行通信，通过RS485和2个吸盘足上的微 图6转向 控制器进行通信。摇杆和图像采集设备通过USB Fig.6 Swerve motion 和PC连接。 机器人运动过程中，通过监测S,和S,中的气 吸盘足上的微控制器和上位机约定有6种命 压来确定支撑足和摆动足。当摆动足至壁面距离小 令：0x11、0x12、0x13、0x21、0x22和0x23,其中 于设定阈值时，摇杆操作失效，机器人自动切换至 0x代表十六进制：第一位代表吸盘足，“1”代表吸盘 自适应吸附动作。 足S,“2”代表吸盘足S2;第二位代表命令，“1”代表 3.2自适应吸附设计 读取距离，“2”代表读取气压，“3”代表吸盘足释放。 如图7(a),S,为支撑足，根据式(10)求出e的 4.2吸附装置 值；J4关节旋转0，使摆动足和壁面平行，此时 选用基于ARM的32位微控制器STM32F103 ,=2=;之后再次获取1，的值，根据式(5)(7)求 作为足端传感和控制系统的控制器，运行频率 得J3、J4和J的角度，使1=0，此时S2和壁面贴合 72MHz。距离传感器选用超声波传感器KS103, 紧密。如图7b),S2为支撑足，不同于S,为支撑足 3个超声波传感器以等边三角形方式安装于吸盘足 的情况：此时通过调节)2使摆动足和壁面平行。 上，如图9(a)、(b)所示，微控制器通过I2C总线读取 超声波传感器的数值。为了判断是否吸附成功，选 用MPX5100气压传感器检测气路中气压，MPX5100 输出0~5V的模拟量，经过降压后接入微控制器 的ADC端口。微控制器通过控制电磁阀和真空泵 的开关，来控制吸盘足的吸附和释放。硬件框图如 图9(c)所示。 (a)S,吸附 (b)S,吸附 图7自适应吸附流程 Fig.7 Adaptive adsorption process 4实验测试 4.1控制系统 搭建了控制系统，如图8所示，控制系统包括 (a)超声波的安装 (6)吸附装置实物 PC、关节模块、摇杆、图像采集设备和吸附模块。 电磁阀空泵 RS485 软件系统 驱动电路 超声波传感器1 摇杆 EPOS命令库 CAN 关节模块 Instrument Driver 控制器 关节 STM32F103 Windows PC 超声波传感器2 USB 超声波传感器3 摄像头 降压电路 气压传感器 (©)硬件框图 USB RS4854 图9自适应吸附装置 其空泵 ○①超声波传感器 Fig.9 Adaptive adsorption device 电磁阀 气压传感器 机器人有两个吸盘足，每个吸盘足上都装有自 微控制器 吸附模块 适应吸附装置。以吸盘足S,为例，微控制器上电 图8控制系统结构 后，经初始化进入循环，在循环中不断检查是否收 Fig.8 Control system structure diagram 到命令。微控制器收到0x11后分别测量3个超声
Y1 X1 J5 J4 J1 J2 J3 S2 S1 Y1 X1 J1 J2 J5 J4 J3 S1 S2 (a) S1 吸附 (b) S2 吸附 图 6 转向 Fig. 6 Swerve motion 机器人运动过程中，通过监测 S1 和 S2 中的气 压来确定支撑足和摆动足。当摆动足至壁面距离小 于设定阈值时，摇杆操作失效，机器人自动切换至 自适应吸附动作。 3.2 自适应吸附设计 θ θ l1 = l2 = l3 l1 l1 = 0 如图 7(a)，S1 为支撑足，根据式 (10) 求出 的 值 ； J 4 关节旋转 ，使摆动足和壁面平行，此时 ；之后再次获取 的值，根据式 (5)~(7) 求 得 J3、J4 和 J5 的角度，使 ，此时 S2 和壁面贴合 紧密。如图 7(b)， S2 为支撑足，不同于 S1 为支撑足 的情况：此时通过调节 J2 使摆动足和壁面平行。 Y1 J1 J3 S1 S2 l1 Y1 X1 J5 J4 J2 J3 θ θ X1 J2 J5 J4 θ J1 S1 l1 S2 (a) S1 吸附 (b) S2 吸附 图 7 自适应吸附流程 Fig. 7 Adaptive adsorption process 4 实验测试 4.1 控制系统 搭建了控制系统，如图 8 所示，控制系统包括 PC、关节模块、摇杆、图像采集设备和吸附模块。 Windows CAN RS485 㞮ڟ 䒛Т㈧㐋 ᥳᱲ I2C ьᙋஔࢷ∑ 䊱ผ∎ьᙋஔ ᣓݢஔ ⱋ⾦∡ ⩡ⷭ䬬 Instrument Driver EPOS АᎿ ᓚᣓݢஔ 㞮Ὅಃڟ ।䭰Ὅಃ ᥰ USB USB USB USB x z y B2 B1 ADC 图 8 控制系统结构 Fig. 8 Control system structure diagram PC 作为上位机负责机器人的运动规划、状态 监控、人机交互和图像采集；关节模块中，每个电机 上集成有相对式编码器，伺服控制器负责底层电 流、速度及位置闭环运动控制；吸附模块由微控制 器最小系统和外围电路组成，微控制器作为下位 机，负责响应上位机命令。PC 通过 CAN 和 5 个关 节模块进行通信，通过 RS485 和 2 个吸盘足上的微 控制器进行通信。摇杆和图像采集设备通过 USB 和 PC 连接。 吸盘足上的微控制器和上位机约定有 6 种命 令：0x11、0x12、0x13、0x21、0x22 和 0x23，其中 0x 代表十六进制；第一位代表吸盘足，“1”代表吸盘 足 S1，“2”代表吸盘足 S2；第二位代表命令，“1”代表 读取距离，“2”代表读取气压，“3”代表吸盘足释放。 4.2 吸附装置 选用基于 ARM 的 32 位微控制器 STM32F103 作为足端传感和控制系统的控制器，运行频率 72 MHz。距离传感器选用超声波传感器 KS103， 3 个超声波传感器以等边三角形方式安装于吸盘足 上，如图 9(a)、(b) 所示，微控制器通过 I2C 总线读取 超声波传感器的数值。为了判断是否吸附成功，选 用 MPX5100 气压传感器检测气路中气压，MPX5100 输出 0～5 V 的模拟量，经过降压后接入微控制器 的 ADC 端口。微控制器通过控制电磁阀和真空泵 的开关，来控制吸盘足的吸附和释放。硬件框图如 图 9(c) 所示。 (c) Тᵲప (a) 䊱ผ∎⮰Ⴕ㷱 (b) ।䭰㷱㒚➕ 䊱ผ∎ьᙋஔ1 䊱ผ∎ьᙋஔ2 䊱ผ∎ьᙋஔ3 RS485 PC 䭹ࢷ⩡䌛 ьᙋஔࢷ∑ 依ߔ⩡䌛 ⩡ⷭ䬬 ⱋ⾦∡ I 2C STM32F103 图 9 自适应吸附装置 Fig. 9 Adaptive adsorption device 机器人有两个吸盘足，每个吸盘足上都装有自 适应吸附装置。以吸盘足 S1 为例，微控制器上电 后，经初始化进入循环，在循环中不断检查是否收 到命令。微控制器收到 0x11 后分别测量 3 个超声 第 2 期 高国庆，等：仿尺蠖爬壁机器人自适应吸附及摇杆控制 ·211·
·212· 智能系统学报 第13卷 波的值，并发送至上位机，满足设定阈值时，自动打 5结束语 开真空泵，开始吸附：收到0x12后测量气压传感器 的值，并发送至上位机；收到0x13后，关闭真空泵， 自适应吸附和摇杆控制设计，使机器人无需人 气路接大气。 工干预，自动调整吸盘足位姿，完成吸附动作，实验 4.3爬行测试 验证得出以下结论：1)在机器人吸盘足上安装3个 机器人空载时，使用摇杆控制机器人在水平壁 距离传感器，测量吸盘足相对壁面的距离和倾角， 面上进行全向爬行运动。在图10(a(g)中，机器人 经位置逆运动学求解，控制关节位置闭环，可使机 前进了一个步长；在图10(h)(n)中，机器人改变了 器人自适应吸附至壁面；2)经逆速度运动学求解， 运动方向。操作方法如下： 将摇杆映射为机器人关节速度闭环，设定自适应吸 1)按下B按键，S1释放： 附动作触发阈值，吸盘接近壁面时自动触发自适应 2)按下B2按键，S2释放： 吸附，降低了操控复杂度。由于超声波传感器的物 3)操作摇杆y轴，抬起或放下摆动足，当摆动足 理特性限制，当吸盘和壁面夹角大于超声波传感器 至壁面距离小于自动吸附阈值时，摇杆轴失效，机 波束角时，测距误差过大，无法正常使用，以后可选 器人自适应吸附至壁面：操作摇杆x轴，机器躯体伸 用其他类型的距离传感器。 缩：操作摇杆z轴，机器人转弯。 参考文献： [1]CHU B,JUNG K,HAN C S,et al.A survey of climbing ro- bots:locomotion and adhesion[J].International journal of (a)初始状态 (b)S,拾起 precision engineering and manufacturing,2010,11(4): 633-647 [2]TUMMALA R L,MUKHERJEE R,XI Ning,et al.Climb- ing the walls[J].IEEE robotics and automation magazine, 2002,9(4:10-19 (©)躯体伸长 (dS,自适应吸附 [3)姜勇，王洪光，房立金.基于主动试探的微小型爬壁机器 人步态控制[).机械工程学报，2009,45(7)：56-62， JIANG Yong,WANG Hongguang,FANG Lijin.Gait con- trol of micro wall-climbing robot based on initiative explor- (e)S2抬起 (①躯体缩短 ation[J].Journal of mechanical engineering,2009,45(7): 56-62. [4王洪光，姜勇，房立金，等.双足爬壁机器人壁面凹过渡步 态规划研究[).智能系统学报，2007,2(4)：4045 WANG Hongguang,JIANG Yong.FANG Lijin,et al.Gait (g)S,自适应吸附 h)S,拾起 planning of concave transitions between different slopes for bipedal wall-climbing robots[J].CAAI transactions on intel- 1 igent systems,,2007,2(4):40-45. [)王斌锐，冯伟博，骆浩华，等.曲面上双足三自由度爬壁机 ①)绕S转向 )绕转向 器人设计与稳定性分析[U.机器人，2014,36(3)：349-354. WANG Binrui,FENG Weibo,LUO Haohua,et al.Design and stability analysis of dual-foot 3 DOF climbing robot for blade surface[J].Robot,2014,36(3):349-354. [6]BALAGUER C,GIMENEZ A,JARDON A.Climbing ro- k)S,自适应吸附 )S抬起 bots'mobility for inspection and maintenance of 3d com- plex environments[J].Autonomous robots,2005,18(2): 157-169. [)李满天.微小型尺蠖式壁面移动机器人的研究D]哈尔 滨：哈尔滨工业大学，2006. (m)绕S转向 ()S自适应吸附 LI Mantian.Research on inchworm-like wall-climbing mi- 图10爬行实验 crorobot D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2006. Fig.10 Crawling experiment [8]ZHU Haifei,GUAN Yisheng,WU Wenqing,et al
波的值，并发送至上位机，满足设定阈值时，自动打 开真空泵，开始吸附；收到 0x12 后测量气压传感器 的值，并发送至上位机；收到 0x13 后，关闭真空泵， 气路接大气。 4.3 爬行测试 机器人空载时，使用摇杆控制机器人在水平壁 面上进行全向爬行运动。在图 10(a)~(g) 中，机器人 前进了一个步长；在图 10(h)~(n) 中，机器人改变了 运动方向。操作方法如下： 1) 按下 B1 按键，S1 释放； 2) 按下 B2 按键，S2 释放； y x z 3) 操作摇杆 轴，抬起或放下摆动足，当摆动足 至壁面距离小于自动吸附阈值时，摇杆轴失效，机 器人自适应吸附至壁面；操作摇杆 轴，机器躯体伸 缩；操作摇杆 轴，机器人转弯。 (a) ݉⟢ᔭ (b) S1 ៘䊣 (c) 䏛ѿѤ䪫 (d) S1 㜖䔮Ꮐ।䭰 (e) S2 ៘䊣 (f) 䏛ѿ㑕ⴙ (g) S2 㜖䔮Ꮐ।䭰 (h) S2 ៘䊣 (i) 㐁S1 䒘ऽ (j) 㐁S1 䒘ऽ (k) S2 㜖䔮Ꮐ।䭰 (l) S1 ៘䊣 (m) 㐁S2 䒘ऽ (n) S1 㜖䔮Ꮐ।䭰 图 10 爬行实验 Fig. 10 Crawling experiment 5 结束语 自适应吸附和摇杆控制设计，使机器人无需人 工干预，自动调整吸盘足位姿，完成吸附动作，实验 验证得出以下结论：1) 在机器人吸盘足上安装 3 个 距离传感器，测量吸盘足相对壁面的距离和倾角， 经位置逆运动学求解，控制关节位置闭环，可使机 器人自适应吸附至壁面；2) 经逆速度运动学求解， 将摇杆映射为机器人关节速度闭环，设定自适应吸 附动作触发阈值，吸盘接近壁面时自动触发自适应 吸附，降低了操控复杂度。由于超声波传感器的物 理特性限制，当吸盘和壁面夹角大于超声波传感器 波束角时，测距误差过大，无法正常使用，以后可选 用其他类型的距离传感器。 参考文献： CHU B, JUNG K, HAN C S, et al. A survey of climbing robots: locomotion and adhesion[J]. International journal of precision engineering and manufacturing, 2010, 11(4): 633–647. [1] TUMMALA R L, MUKHERJEE R, XI Ning, et al. Climbing the walls[J]. IEEE robotics and automation magazine, 2002, 9(4): 10–19. [2] 姜勇, 王洪光, 房立金. 基于主动试探的微小型爬壁机器 人步态控制[J]. 机械工程学报, 2009, 45(7): 56–62. JIANG Yong, WANG Hongguang, FANG Lijin. Gait control of micro wall-climbing robot based on initiative exploration[J]. Journal of mechanical engineering, 2009, 45(7): 56–62. [3] 王洪光, 姜勇, 房立金, 等. 双足爬壁机器人壁面凹过渡步 态规划研究[J]. 智能系统学报, 2007, 2(4): 40–45. WANG Hongguang, JIANG Yong, FANG Lijin, et al. Gait planning of concave transitions between different slopes for bipedal wall-climbing robots[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2007, 2(4): 40–45. [4] 王斌锐, 冯伟博, 骆浩华, 等. 曲面上双足三自由度爬壁机 器人设计与稳定性分析[J]. 机器人, 2014, 36(3): 349–354. WANG Binrui, FENG Weibo, LUO Haohua, et al. Design and stability analysis of dual-foot 3 DOF climbing robot for blade surface[J]. Robot, 2014, 36(3): 349–354. [5] BALAGUER C, GIMENEZ A, JARDON A. Climbing robots’ mobility for inspection and maintenance of 3d complex environments[J]. Autonomous robots, 2005, 18(2): 157–169. [6] 李满天. 微小型尺蠖式壁面移动机器人的研究[D]. 哈尔 滨: 哈尔滨工业大学, 2006. LI Mantian. Research on inchworm-like wall-climbing microrobot[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2006. [7] [8] ZHU Haifei, GUAN Yisheng, WU Wenqing, et al. ·212· 智 能 系 统 学 报 第 13 卷
第2期 高国庆，等：仿尺蠖爬壁机器人自适应吸附及摇杆控制 ·213· Autonomous pose detection and alignment of suction mod- manipulating function[J].IEEE/ASME transactions on ules of a biped wall-climbing robot[J].IEEE/ASME transac- mechatronics.2013,186):1787-1798 tions on mechatronics,2015,20(2):653-662 [15]余夫.爬行一从容不迫的运动方式).百科知识，2009(5： [9]张联盟，管贻生，朱海飞，等.双足爬壁机器人吸附模块位 29-31. 姿的检测[U.机器人，2012,346：758-763. YU Fu.The crawling motion way take it leisurely and un- ZHANG Lianmeng,GUAN Yisheng,ZHU Haifei,et al. oppressively[J].Encyclopedia knowledge,2009(5): Posture detection of suction modules for a biped wall-climb- 29-31. ing robot1.Robot..2012,346):758-763. 作者简介： [10]GUAN Y,JIANG L,ZHU H,et al.Climbot:a bio-in- 高国庆，男，1991年生，硕士研究 spired modular biped climbing robot-system develop- 生，主要研究方向为仿生爬壁机器人 ment,climbing gaits,and experiments[J].Journal of mech- 运动控制。 anisms and robotics,2016,8(2):21026. [】蔡传武，管贻生，周雪峰，等.双手爪式仿生攀爬机器人 的摇杆控制.机器人，2012,34(3)：363-368， CAI Chuanwu,GUAN Yisheng,ZHOU Xuefeng,et al. Joystick-based control for a biomimetic biped climbing ro 王涛，男，1992年生，硕士研究 bot[J.Robot.2012,34(3:363-368. 生，主要研究方向为模块化机器人。 [12]YOON J,MANURUNG A.Development of an intuitive user interface for a hydraulic backhoe[J].Automation in construction,.2010,19(6):779-790. [13]XIAO Jizhong,MINOR M,DULIMARTA H,et al.Mod- eling and control of an under-actuated miniature crawler robot[C]//Proceedings of 2001 IEEE/RSJ International 王斌锐，男，1978年生，教授，博 士，主要研究方向为仿生机器人及智 Conference on Intelligent Robots and Systems.Expanding 能控制。 the Societal Role of Robotics in thethe Next Millennium. Maui,HⅡ，USA:IEEE,2001:1546-1551. [14]GUAN Yisheng,ZHU Haifei,WU Wenqiang,et al.A modular biped wall-climbing robot with high mobility and
Autonomous pose detection and alignment of suction modules of a biped wall-climbing robot[J]. IEEE/ASME transactions on mechatronics, 2015, 20(2): 653–662. 张联盟, 管贻生, 朱海飞, 等. 双足爬壁机器人吸附模块位 姿的检测[J]. 机器人, 2012, 34(6): 758–763. ZHANG Lianmeng, GUAN Yisheng, ZHU Haifei, et al. Posture detection of suction modules for a biped wall-climbing robot[J]. Robot, 2012, 34(6): 758–763. [9] GUAN Y, JIANG L, ZHU H, et al. Climbot: a bio-inspired modular biped climbing robot—system development, climbing gaits, and experiments[J]. Journal of mechanisms and robotics, 2016, 8(2): 21026. [10] 蔡传武, 管贻生, 周雪峰, 等. 双手爪式仿生攀爬机器人 的摇杆控制[J]. 机器人, 2012, 34(3): 363–368. CAI Chuanwu, GUAN Yisheng, ZHOU Xuefeng, et al. Joystick-based control for a biomimetic biped climbing robot[J]. Robot, 2012, 34(3): 363–368. [11] YOON J, MANURUNG A. Development of an intuitive user interface for a hydraulic backhoe[J]. Automation in construction, 2010, 19(6): 779–790. [12] XIAO Jizhong, MINOR M, DULIMARTA H, et al. Modeling and control of an under-actuated miniature crawler robot[C]//Proceedings of 2001 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Expanding the Societal Role of Robotics in the the Next Millennium. Maui, HI, USA: IEEE, 2001: 1546–1551. [13] GUAN Yisheng, ZHU Haifei, WU Wenqiang, et al. A modular biped wall-climbing robot with high mobility and [14] manipulating function[J]. IEEE/ASME transactions on mechatronics, 2013, 18(6): 1787–1798. 余夫. 爬行——从容不迫的运动方式[J]. 百科知识, 2009(5): 29–31. YU Fu. The crawling motion way take it leisurely and unoppressively[J]. Encyclopedia knowledge, 2009(5): 29–31. [15] 作者简介： 高国庆，男，1991 年生，硕士研究 生，主要研究方向为仿生爬壁机器人 运动控制。 王涛，男，1992 年生，硕士研究 生，主要研究方向为模块化机器人。 王斌锐，男，1978 年生，教授，博 士，主要研究方向为仿生机器人及智 能控制。 第 2 期 高国庆，等：仿尺蠖爬壁机器人自适应吸附及摇杆控制 ·213·
