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基于活塞机构的爬绳机器人作者：Y.C.Koo,ElmiA.B.,WanAmirFuadWajdiY.C.Koo、ElmiA.B.地址：航空航天工程学院，工科大学，马来西亚科学大学，高渊市14300号，马来西亚WanAmirFuadWajdi地址：电气与电子工程学院，工科大学，马来西亚科学大学,高渊市4300号，马来西亚摘要在机器人的发展历史中，大部分主题是基于地面运动的轮式运动机器人。在这篇文章中，一种不同的机器人设计方式一一绳索攀爬机器人，将会被讨论。因为这种机器人可以沿着绳索爬行，所以它可以通过绳索穿越空间。这种机器人只需要一个直流电机和两个伺服电机来实现爬行。该机器人的优点是：低功耗、低成本、便于控制和制造。研究关注于机器人的机械结构设计和实现方式。在开发阶段，该机器人设计经过了两个任务的测试并在马来西亚机器人竞赛中被用于绳索攀爬竞赛。竞赛的结果非常令人鼓舞，并且证明这种机器人设计是合理的。这种绳索攀爬机器人可以用来在工厂中运输货物或在救援行动中运送伤员。作者写于2012年由爱思唯尔有限责任公司出版。挑选和/或同行评测由马来西亚科学大学机械工程学院类人机器人和生物传感器中心负责。关键词：绳索攀爬机器人；机械结构设计；直流电机1•简介运动机器人是一类能够在给定的环境中运动的自动机器。这些运动机器人可以通过完成多种多样的任务来服务人类例如检查、安保等等。运动机器人可以被制造成多种形式，并且当今最流行的结构是轮式运动机器人和人形机器人。因为轮式运动机器人比较简单且比较容易制造和控制，所以说它们是最简单的运动机器人解决方案。因此，在过去几十年里，大量的运动机器人研究和项目关注于轮式运动机器人。不过，也有带腿和脚的运动机器人研究案例。1983年，穆尔蒂和Raibert［1］提出了一个名为3D跳蚤的单足机器人。即使3D跳蚤只有一条腿,它也能够保持自身稳定并左右移动oZeglin开发了一个名为Uniroo两足机器人，其运动类似于袋鼠。当今最著名的双足机器人之一是本田阿西莫。现在也有超过双足的机器人如铁拳II［3］，PatrushII，［4］,索尼的艾博⑸和受生物昆虫启发的机器人［6］。所有上面讨论的运动机器人都是自动利用铺设在地板上的标记或长条来实现在平面上运动的。绳索攀爬机器人是另一种类型的运动机器人。然而，爬绳机器人用来保证运动的媒介不是靠地面而是靠沿着机器人攀附的绳索。爬绳机器人已经利用了不同方法。卡亚等［7］曾推出一种轮式机器人，可以通过拧在绳子上在网上运动这种机器人被提议用在构建包袱卫星中组装大型结构。另一类型的爬绳机器人是由FU提出的有臂机器人。另一方面，Hewaathirana等人也曾提出过一种四足机器人。这种机器人模仿具有四条腿和四个爪来保证稳定和平稳运行的爬行运动。对于这类机器人,由于每条腿和爪都需要搭载不同的电机并分别由单独的控制器板控制所以十分复杂。在这篇文章种介绍的爬绳机器人仅由一个直流电机作为主执行器另个伺服电机分别控制前进和后退，既然该爬绳机器人仅有一个直流电机和两个伺服电机开实现爬行，那么相对于之前介绍的机器人这种机器人比较容易控制。此外，这种机器人的结构也很简单，因此可以降低开发复杂性和总成本。这种爬绳机器人可以在几个场合利用例如在工厂的取放操作和在救援行动中运送伤员。2.研究方法在本文中，研究方法分为两部分讨论，机械设计和嵌入式系统。2.1机械设计在该子主题部分，讨论内容主要是关于机器人的机械部分。首先，讨论机器人的概念设计。然后，提出活塞机构的概念。最后，还要提出对于制动器的要求。2・1・1机器人结构图1(a)展示了基于一个盒状隔间的机器人概念设计方案。图1(b)展示了机器人的主要部位一一活塞执行机构。不同于其他大部分基于金属框架的机器人结构，爬绳机器人的基本框架是由有机玻璃制造的盒状隔间。其它部件和链接附着在隔室周围来保持稳定，并降低其重心，以减少在运动中的翻转风险。除了作为基架，隔间也可完成存储任务，并且可以进行修改以适应其他用途，例如用于抓放操作的夹钳。这也有2个由伺服电动机制成的夹持器,以确保机器人朝所期望的方向爬行例如向前、向后、向上、向下、沿对角线和垂直方向。除了用于控制攀登方向的2个伺服电机，额外1个伺服电动机单元用于控制隔室的打开和关闭。图1(a)机器人设计 (b)活塞执行机构零件Clampers防滑钉片 Compartment隔间 Crank曲柄 connectingrod连杆linearmotion直线运动Rotation旋转 Slider滑块 endbar端杆2・1・2・活塞机构如图1(b)所示，活塞机构由曲柄，连杆和端杆组成。一个直流电机与曲柄相连以使它旋转。当曲柄旋转起来，曲柄的回转运动转换成端杆的直线运动，并且直流电机的输入转矩转换成作用在机器人上的线性力。如图1(b)所示，为成功实现直线运动，端杆与滑块相连从而滑块可以指引端杆沿直线运动。然后，在2个夹持器的帮助下，直线运动将用来攀爬绳索。2・1・3・电机需要2类电动机一一直流电动机以及伺服电动机，来确保机器人攀爬动作的成功率。由于活塞机构由直流电动机驱动，直流电动机在确保攀爬动作的成功率中起重要作用。由于直流电机产生的扭矩不仅用于攀爬运动，也用于克服摩擦力和绳索的夹持器产生的阻力因此，必须是大扭矩。在使用在市场上获得的一些直流电机做了一些测试出现差错之后，最后选择的是一个从手摇钻上拆下来的直流电机，因为它在高转速下可以提供足够的扭矩和功率来克服阻力。在此提出的机器人，其夹持器需要能够旋转并作为中断，以防止机器人滑动和进入错误的方向。为了实现这些目标，用于夹持器的电机要求是在提供足够的力的同时其旋转角度能够精确控制。因此RC伺服电机与金属齿轮被选择作为夹持器的电机。金属齿轮伺服电机具有适合重载应用的优点，可以设计用于闭环反馈应用，并且电机的位置可以很容易地控制。表1展示出了两种类型的电机规格和简要要求。表1电机的要求和规格电机类型电机的要求电机的规格手摇转直流电机大功率高转速转速：700r/min额定电压：12VRC伺服电机（金属齿轮）耐用提供大转矩能旋转90度易于控制全金属齿轮适合重载应用转矩（Kg-cm）9.0/4.8V,11.0/6.0V13.0/7.2V（最大7.2V）旋转角度：180度.为“闭环反馈”设计能够控制电机的位置2.2.嵌入式系统为了使这该机器人实现正常功能，仅设计机械部分是不完整的。机器人还需要一个嵌入式系统来激活和控制。嵌入式系统第一个将要被介绍的组件是系统架构。根据系统架构部分，机器人的处理单元和述电子元件将被讨论。之后，随着机器人的开发，软件开发出来用以控制机器人并让机器人执行一些基本功能。2.2.1.系统结构系统结构如图2所示。此爬绳机器人所用的主处理单元是一个PIC16F877A单片机。该微控制器被选择是由于它体积小价格低。尽管PIC存储器的容量只有14KB[10]，但它仍然绰绰有余，因为这款被开发机器人仅需要简单的控制过程和很小的编程代码。所有的致动器和传感器都由该单个微控制器控制。所提出的系统的电源是12V直流电压，它由一个锂聚合物可再充电电池供给。12V的电压被直接提供给手摇钻直流电动机，而稳定的5V电压源被用来为控制基板供电。当从一个限位开关接收到信号时，微控制器被用于控制发光二极管，3个伺服马达和手钻直流电动机。通常，发光二极管被用作为指标灯，以显示机器人状态。微控制器产生脉宽调制（PWM）信号来控制伺服电动机的旋转角度。继电器用于向手摇钻直流电动机切换和将控制电路从高负荷手钻直流电动机中分离出来，以保护微控制器免收物理损坏。限位幵关 发光二极直流电压-5V微控制器PIC16F877A|PWM3个伺服电-12V直流电压直流电压-5V微控制器PIC16F877A|PWM3个伺服电-12V直流电压继电器手揺钻图2：系统架构2.2.2•软件介绍为了测试爬绳机器人的功能我们开发了一段源代码。源代码是在微观基础工作室用PICBASIC编程语言开发的。开发的源代码的任务可被分成两个部分。第一个任务是攀爬任务，爬绳机器人需要爬上倾斜34度的绳子直到它到达4.5米远的绳子顶部的板子处，如图3所示。由于限位开关要与上述板子接触所以限位开关位于机器人的端部，并能够发出信号指导机器人进行到第二任务。第二个任务是投掷包的任务。一旦机器人到达绳子的尾部,机器人需要回爬到中点并扔下一个包裹。图4显示了总体方案的流程图。当机器人被启动时，夹持器旋转到预定的角度，以锁定在绳索上机器人，并防止滑动。然后，直流电机将被启动机器人开始攀爬绳子，活塞机构发挥功能。该机构将连续处于运行，直到在微控制器接收到来自限位开关的信号，指示机器人已经达到目标一一绳索的端部。然后直流电动机将被微控制器关闭，而夹持器旋转到下一个预定的角。的夹持器达到预定角度，直流电动机再次开始工作机器人进行第二任务。受夹持器动作的影响，机器人会下降虽然直流电动机旋转方向与之前相同。当机器人到达绳子的中点，直流电动机将被立即停止，同时机器人将丢下包裹。

图4：总的流程图3.结果与讨论此研究主要关注于机械设计和机器人的实现。在实物机器人开发之前，基于此机器人结构的一些模型已被制做，以便验证机器人的设计。在这个项目中，SOLIDWORK软件应用和SOLIDWORK运动合成被用于设计验证的目的。在SOLIDWORK中绘制完机器人的模型，也在SOLIDWORK的环境中开展了一些试验。通过对组件施加设定为摩擦力的随机大小的力和设置曲轴以每分钟100(rpm)(—个随机挑选值)的速度转动，其结果示于图5。图5(a)显示活塞机构曲柄的角速度。图5(b)显示图lb中端杆的线性位移总体上，图5示出，只要夹持器的功能良好，机器人可以在希望的方向上运动。这可以从线性位移图上说明。线性位移的正斜率表明，机器人已向前攀升一段距离。当线性位移为负斜率时，机器人应该是向后运动，但是在夹持器的帮助下，这个动作被转换，只有端杆在动而机器人是静止在这一点的。tralHEjtralHEj图5：SOLIDWORK仿真结果(a)初始接合角速度(b)机器人的线性位移图6(a)显示开发的机器人，而图6(b)表示运动的机器人。机器人被测试攀爬4.5米长倾斜角度为34度的绳锁。机器人爬上绳索顶端所用时长为15秒，而完成2项任务总时长是20秒。该机器人的主要优点是它不需要复杂的控制算法。基本上，这种机器人需要控制的致动器是在机器人开始爬坡之前将它们旋转到预定角度的两个夹持器。直流电动机的控

制十分简单，仅是上电和停机，没必要控制其旋转方向。除此之外，由于只使用很少的电机(1直流电动机和3个伺服马达)，该机器人的功耗和成本也比较低。然而，该机器人还有一个可被进一步改善的缺点。当机器人在运动时，它有时会造成沿着绳索的振动。这是由于高负荷和直流电动机的功率不受控制，这从图7——直流电动机的功率消耗的曲线图一一中可以观察到。由图7的波形我们观察到，直流电机有一些杂乱无章的噪音。然而，在一般情况下，这种机器人的设计已被证明是成功的，因为机器人可以沿着绳索爬上爬下，并在指定的位置释放包裹。将来，机器人的性能可以通过向这种机器人加入反馈控制，例如可以控制和稳定电机功率的PID控制器，来得到提高。图6:图6:(a)所开发的机器人(b)攀爬运动中的机器人图7:直流电机功率消耗4•结论该项目为爬绳机器人(设计)引入了一种新的有效方法。机器人仅需要一个直流电机和两个伺服电机来完成爬行这一主要任务。一般来说，这一系统易于搭建和控制。该系统已被用于在机器人竞赛中参加爬绳比赛，竞赛结果令人鼓舞。该机器人设计完成任务1和任务2共用了20秒时间。将来，可以在能够改进的地方做一些研究，例如将PID控制器添加到控制系统中，除了可以增加高速爬绳运动的线性运动能力，还可以保持机器人机构的稳定。参考文献Murthy,S.S.,Raibert,M.H.,3D平衡腿步态：单腿案例建模与仿真，SIGGRAPH（美国计算机协会计算机绘图专业组）计算机。第.27页图.Zeglin,G.J.,1991.Uniroo:单腿腿的动态跳跃机器人。BS论文，机械工程，麻省理工学院，剑桥，马萨诸塞州部。Fukuoka,Y,Kimura,H.,Cohen,A.H.,2003基于生物概念在不规则地形下自适应动态行走四足机器人。机器人技术研究国际期刊。第187-202页。Kimura,H.,Fukuoka,Y,Konaga,K.,2001.使用神经系统模型自适应动态行走四足机器人，先进机器人，第859-876页⑸Kaplan,F.,Oudeyer,P.,Kubinyi,E.,Miklosi,A.,2001“驯服机器人响片训练：一种教授复杂的行为的方法”欧洲学习机器人研讨会的程序。⑹Delcomyn,F.,Nelson,M.E.,20