小型爬壁机器人系统设计与应用
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ENDT = 0 表示当前处于直线运动; ENDT = 1 表
示当前完成直线运动任务#ENDR 用来描述旋转 运动动作的状态#ENDR= 0 表示当前处于转动动 作; ENDR= 1 表示转动结束# 2. 3 运动模式设计
如前所述, 爬壁机器人共有 8 种运动模式, 考 虑到左、右足的对称性以及基本运动动作的对称
2. 2 基于有限状态机的步态规划
运动模式的定义既要考虑基本运动动作的定
义、支撑足的状态, 又要考虑到各种传感器信号和 控制信号的信息, 如压力反馈信号、接触传感器信
号、开关阀控制信号、电机控制信号等#本文采用 基于有限状态机的步态规划方法设计机器人的运 动模式#有 限状态机[ 10] 可以用 作程序的 控制结 构, 控制有限数量的/ 状态0的发展变化#每个状态 进行相应的处理并选择下一状态#该爬壁机器人 的运动模式可分为左支撑足的前进、后退、左转和
第28卷第 10期 2007 年 10 月
东北大学学报( 自然科学版) Journal of Nort heastern U niversity( Natural Science)
Vol128, No. 10 Oct. 2 0 0 7
小型爬壁机器人系统设计与应用
肖 军1, 贾宁宇1, 王洪光2, XI N ing3
右转, 右支撑足的前进、后退、左转和右转# 有限状态机中状态位定义如下:
F SM : | ENDR| ENDT | CUP2 | CUP1| SW2|
SW1| # SW1 和 SW2 表示放置在机身下端的转换开
关的状态, 用来标识基本运动动作的改 变#SW1 和 SW2 两个状态联合 表示当前的运 动动作#当 SW1= 0, SW2= 0 时为直线运动状态; 当 SW1= 1, SW2= 0 时表示当前的动作是以 foot 1 为支撑
机身; 电机 3 反转驱动 foot 2 落下, 检测触觉传感 器信号, 微调足部姿态, 使吸盘足与平面良好接
触; 关闭 foot 2 排气阀, 启动泵电机, 检测压力传
感器信号, 直到 f oot 2 可靠吸附#然后打开 foot 1 排气阀, 关闭泵电机, 检测压力传感器信号直至
1 444
东北大学学报( 自然科学版)
第 10期
肖 军等: 小型爬壁机器人系统设计与应用
14 43
1 000 m) , 从而完成对环境的侦察 与检测#机器 人本体与基站通过无线传输系统来实现控制指令
的传输及图像传输, 基站可对收到的图像进行实 时显示和存储#而操作者可根据环境监测的要求 在一定范围内调整机器人的运动状态#
1 系统总体设计
相继研制出应用于一些特殊领域的排爆机器人、
侦察 机器 人等[ 6- 8] , 我国 也开 发了 各 种用 于反 恐、检测、壁面清洗等方面的机器人#但所研制的 爬壁机器人在外形上都过于庞大, 不能满足一些
特殊环境的要求[ 9] #本文描述了一种新型的双足 爬壁机器人, 该机器人系统采用双足真空吸盘式
结构, 具有 5 个自由度, RRPRR 结构#为了减少 机器人质量, 采用了 3 个电机驱动 5 个关节的欠 驱动结构#机器人吸盘足由吸盘、真空泵、压力传 感器、接触传感器、微型气阀等元件组成# 该机器 人具有尺寸小( 长约 100 mm , 宽约 60 mm, 高约
3 关节控制模块
关节控制模块主要包括位置检测、梯形规划, PID 控制等内容#其控制流程如图 1 所示#
同决定#机器人为完成某一任务, 必须在不同运动 模式之间进行转换# 2. 1 基本运动动作定义
基本运动动作包括平面直线运动和旋转运动# 平面直线运动: 由机身的伸缩机构实现#该动作由 电机驱动机身进行伸缩, 进而通过两腿的相对移 动实现平面内的直线运动#
平面内的旋转运动: 由机身上的复合机构实 现#电机驱动齿条到临界位置, 旋转关节的凸轮机 构使插销脱离齿条的凹槽, 驱动关节的斜齿轮动 作使机器人产生转动#
50 mm) 、质量轻( 小于 900 g) 的特点#它能够爬行 于光滑的壁面, 如地面、墙面及天棚等, 并可以实
现交接面之间的跨步行走#在已完成的设计中, 机 器人本体可携带摄像头, 能够实时地将采集的影 像通 过 无 线 视 频 系 统 传 给 操 作 者 和 基 站 ( [
收稿日期: 2006- 09-05 基金项目: 国家高技术研究发展计划项目( 2004A A4201102) ; 辽宁省自然科学基金资助项目( 20042019) # 作者简介: 肖 军( 1967- ) , 女, 辽宁沈阳人, 东北大学副教授; 王洪光( 1965- ) , 男, 内蒙古赤峰人, 沈阳自动化所研究员#
近年来, 特种机器人的开发受到了越来越多 的关注#高层建筑物 的清洁[ 1] 、核设 施的检查与 维护[ 2] 、消 防与抢险工作[ 3] 、危险环境的 远程监 测[ 4] 等, 这些实际问题都对特种机器人的开发提
出了迫切的要求#爬壁机器人由于可吸附在墙面 并可以携带一定的传感器和仪器而成为这类环境 下的最佳选择[ 5] #目前世界各国对于爬壁机器人 的研究已经取得了丰富的成果, 美、英、法、德等国
关等信息对真空泵和微型阀进行控制, 实现吸盘 足与壁面的吸附和释放#
下面着重介绍爬壁机器人的步态规划、关节
控制模块和通信模块的设计与实现#
2 步态规划
本设计中吸盘式结构要求机器人在任何时候
必须至少有一只足吸附在平面上, 并且即使在无 障碍物的情况下也只能执行有限的基本动作, 因 此机器人的运动模式由支撑足和基本运动动作共
第 28 卷
foot 1 吸盘足脱离吸附状态; 电机 1 驱动 foot 1 抬 起, 电机 2 反转驱动机器人机身收缩; 电机 1 反转 驱动 foot 1 落下, 检测触觉传感器信号, 微调足部 姿态; 关闭 foot 1 排气阀, 启动泵电机, 检测压力 传感器信号, 直到 foot 1 可靠吸附#至此, 爬壁机 器人完成一步直线行走, 行走距离为机器人机身 伸长长度#
Abstract: A cont rol system based on DSP2812 w as designed for a new miniat ure bipedal climbing robot , adopt ing t he bipedal suct ion feet and an under- actuat ed m echanism wit h t hree mot ors t o drive f ive joints. T he suct ion feet make t he robot available t o climb on a smoot h plane or ceiling and t ransit t he passage betw een tw o inclined surf aces. T he under- actuat ed mechanism can reduce the number of motors required hence the robot size/ w eight and power consumpt ion. H owever, it imposes challeng es on robot control and mot ion planning. T he mot ion mode, joint control, communicat ion module and suct ion cup foot control have all been designed, and the ex periment al results have verif ied the validit y of t he desig n schem e proposed. Key words: climbing robot ; f init e state machine; com municat ion; PID cont rol; mot ion planning
XI A O Jun 1, JIA N i ng-y u1, WA N G H ong-guang2, X I N i ng3
( 1. School of Information Science & Engineer ing , Nort heaster n U niv ersity, Shenyang 110004, China; 2. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110008, China; 3. M ichigan State U niversity, East L ansing, M I48824, U SA . Cor respondent: XIAO Jun, E- mail: xiaojun @ ise. neu. edu. cn)
足的转动; 当 SW1= 0, SW2= 1 时表示是以 foot2
为支撑足的转动# CUP 1 和 CUP2 综合了压力传感 器、接触传
感器、吸 泵 电 机 的 信 息, 表 明 支 撑 足 状 态 # 若 CUP i = 1, 表明 foot i 与壁面良好吸附, foot i 是
支撑足, 否则 foot i 为自由足# ENDT 用 来 描 述 直 线 运 动 动 作 的 状 态 #
性, 下面以左支撑足的前进为例介绍所设计的运
动模式# 左支撑足的前进运动模式步态规划如表 1 所
示#设电机 1, 2, 3 分别为 foot 1、机身和 foot 2 的 驱动电机#
首先关闭 foot 2 泵电机, 打开排气阀, 检测压 力传感器信号, 直至 f oot 2 吸盘足脱离吸附状态;
电机 3 驱动 f oot 2 抬起, 电机 2 驱动机器人伸长
( 1. 东北大学 信息科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110004; 2. 中国科学院 沈阳自动化研究所, 辽宁 沈阳 110008; 3. M ichigan S tate U niversit y, East Lansing, M I48824)
摘
要: 针对一种小型的双足爬壁机器人, 设计开发 了基于 DSP 2812 处理芯片的控 制系统# 该机器 人系
爬壁机器人控制系统以 T I 公司 32 位定点的 数字信号处理器 T M S2812 为处理芯片, 完成对 机器人各种运动模式的远程遥控和状态监测#由 主程序模块、通信模块、关节控制模块和吸盘足控
制模块 4 部分组成# 主程序模块从通信模块得到指令, 通过采集
各种传感器信息和调用关节控制模块, 采用基于 有限状态机的步态规划方法实现机器人的运动控 制, 如前进、后退、左转、右转、显示、存储等#主程 序模块还实现对异常情况的处理#
统采用双足真空吸盘式结构和用 3 个电机驱动 5 个关节的欠驱动结构# 双足真空吸盘式结构使其可以在光滑
的墙面和天棚行走, 又能够在交接面之间完成跨 步行走# 而欠驱动结构减少了电机的数目, 从而减小了机器人
的尺 寸和降低了机器人的质量和能量消耗, 但它也给机器 人的控制和运动 规划带来 了新的挑战# 已 完成的 系
统设计包括运动模式设计、关节控制、通信模块设计和吸盘足控制等# 实验结果证明了所提出方案的可行性#
关 键 词: 爬壁机器人; 有限状态机; 通信; P ID 控制; 步态规划
中图分类号: T P 242
பைடு நூலகம்
文献标识码: A
文章编号: 1005- 3026( 2007) 10-1442- 04
System Design and Application of a Miniature Climbing Robot
通信模块主要实现机器人与 PC 机的串口通 信、机器人与遥控器的无线通信以及视频图像的
无线传输#当机器人本体上的通信模块接收到远 端遥控器发送的命令后, 按照接收先后顺序存储 指令#
关节控制模块通过位置检测, 梯形规划, 采用 PID 控制算法, 驱动关节运动# 吸盘 足控制模块 根据运动指令和吸盘内外的压力传感器和转换开
示当前完成直线运动任务#ENDR 用来描述旋转 运动动作的状态#ENDR= 0 表示当前处于转动动 作; ENDR= 1 表示转动结束# 2. 3 运动模式设计
如前所述, 爬壁机器人共有 8 种运动模式, 考 虑到左、右足的对称性以及基本运动动作的对称
2. 2 基于有限状态机的步态规划
运动模式的定义既要考虑基本运动动作的定
义、支撑足的状态, 又要考虑到各种传感器信号和 控制信号的信息, 如压力反馈信号、接触传感器信
号、开关阀控制信号、电机控制信号等#本文采用 基于有限状态机的步态规划方法设计机器人的运 动模式#有 限状态机[ 10] 可以用 作程序的 控制结 构, 控制有限数量的/ 状态0的发展变化#每个状态 进行相应的处理并选择下一状态#该爬壁机器人 的运动模式可分为左支撑足的前进、后退、左转和
第28卷第 10期 2007 年 10 月
东北大学学报( 自然科学版) Journal of Nort heastern U niversity( Natural Science)
Vol128, No. 10 Oct. 2 0 0 7
小型爬壁机器人系统设计与应用
肖 军1, 贾宁宇1, 王洪光2, XI N ing3
右转, 右支撑足的前进、后退、左转和右转# 有限状态机中状态位定义如下:
F SM : | ENDR| ENDT | CUP2 | CUP1| SW2|
SW1| # SW1 和 SW2 表示放置在机身下端的转换开
关的状态, 用来标识基本运动动作的改 变#SW1 和 SW2 两个状态联合 表示当前的运 动动作#当 SW1= 0, SW2= 0 时为直线运动状态; 当 SW1= 1, SW2= 0 时表示当前的动作是以 foot 1 为支撑
机身; 电机 3 反转驱动 foot 2 落下, 检测触觉传感 器信号, 微调足部姿态, 使吸盘足与平面良好接
触; 关闭 foot 2 排气阀, 启动泵电机, 检测压力传
感器信号, 直到 f oot 2 可靠吸附#然后打开 foot 1 排气阀, 关闭泵电机, 检测压力传感器信号直至
1 444
东北大学学报( 自然科学版)
第 10期
肖 军等: 小型爬壁机器人系统设计与应用
14 43
1 000 m) , 从而完成对环境的侦察 与检测#机器 人本体与基站通过无线传输系统来实现控制指令
的传输及图像传输, 基站可对收到的图像进行实 时显示和存储#而操作者可根据环境监测的要求 在一定范围内调整机器人的运动状态#
1 系统总体设计
相继研制出应用于一些特殊领域的排爆机器人、
侦察 机器 人等[ 6- 8] , 我国 也开 发了 各 种用 于反 恐、检测、壁面清洗等方面的机器人#但所研制的 爬壁机器人在外形上都过于庞大, 不能满足一些
特殊环境的要求[ 9] #本文描述了一种新型的双足 爬壁机器人, 该机器人系统采用双足真空吸盘式
结构, 具有 5 个自由度, RRPRR 结构#为了减少 机器人质量, 采用了 3 个电机驱动 5 个关节的欠 驱动结构#机器人吸盘足由吸盘、真空泵、压力传 感器、接触传感器、微型气阀等元件组成# 该机器 人具有尺寸小( 长约 100 mm , 宽约 60 mm, 高约
3 关节控制模块
关节控制模块主要包括位置检测、梯形规划, PID 控制等内容#其控制流程如图 1 所示#
同决定#机器人为完成某一任务, 必须在不同运动 模式之间进行转换# 2. 1 基本运动动作定义
基本运动动作包括平面直线运动和旋转运动# 平面直线运动: 由机身的伸缩机构实现#该动作由 电机驱动机身进行伸缩, 进而通过两腿的相对移 动实现平面内的直线运动#
平面内的旋转运动: 由机身上的复合机构实 现#电机驱动齿条到临界位置, 旋转关节的凸轮机 构使插销脱离齿条的凹槽, 驱动关节的斜齿轮动 作使机器人产生转动#
50 mm) 、质量轻( 小于 900 g) 的特点#它能够爬行 于光滑的壁面, 如地面、墙面及天棚等, 并可以实
现交接面之间的跨步行走#在已完成的设计中, 机 器人本体可携带摄像头, 能够实时地将采集的影 像通 过 无 线 视 频 系 统 传 给 操 作 者 和 基 站 ( [
收稿日期: 2006- 09-05 基金项目: 国家高技术研究发展计划项目( 2004A A4201102) ; 辽宁省自然科学基金资助项目( 20042019) # 作者简介: 肖 军( 1967- ) , 女, 辽宁沈阳人, 东北大学副教授; 王洪光( 1965- ) , 男, 内蒙古赤峰人, 沈阳自动化所研究员#
近年来, 特种机器人的开发受到了越来越多 的关注#高层建筑物 的清洁[ 1] 、核设 施的检查与 维护[ 2] 、消 防与抢险工作[ 3] 、危险环境的 远程监 测[ 4] 等, 这些实际问题都对特种机器人的开发提
出了迫切的要求#爬壁机器人由于可吸附在墙面 并可以携带一定的传感器和仪器而成为这类环境 下的最佳选择[ 5] #目前世界各国对于爬壁机器人 的研究已经取得了丰富的成果, 美、英、法、德等国
关等信息对真空泵和微型阀进行控制, 实现吸盘 足与壁面的吸附和释放#
下面着重介绍爬壁机器人的步态规划、关节
控制模块和通信模块的设计与实现#
2 步态规划
本设计中吸盘式结构要求机器人在任何时候
必须至少有一只足吸附在平面上, 并且即使在无 障碍物的情况下也只能执行有限的基本动作, 因 此机器人的运动模式由支撑足和基本运动动作共
第 28 卷
foot 1 吸盘足脱离吸附状态; 电机 1 驱动 foot 1 抬 起, 电机 2 反转驱动机器人机身收缩; 电机 1 反转 驱动 foot 1 落下, 检测触觉传感器信号, 微调足部 姿态; 关闭 foot 1 排气阀, 启动泵电机, 检测压力 传感器信号, 直到 foot 1 可靠吸附#至此, 爬壁机 器人完成一步直线行走, 行走距离为机器人机身 伸长长度#
Abstract: A cont rol system based on DSP2812 w as designed for a new miniat ure bipedal climbing robot , adopt ing t he bipedal suct ion feet and an under- actuat ed m echanism wit h t hree mot ors t o drive f ive joints. T he suct ion feet make t he robot available t o climb on a smoot h plane or ceiling and t ransit t he passage betw een tw o inclined surf aces. T he under- actuat ed mechanism can reduce the number of motors required hence the robot size/ w eight and power consumpt ion. H owever, it imposes challeng es on robot control and mot ion planning. T he mot ion mode, joint control, communicat ion module and suct ion cup foot control have all been designed, and the ex periment al results have verif ied the validit y of t he desig n schem e proposed. Key words: climbing robot ; f init e state machine; com municat ion; PID cont rol; mot ion planning
XI A O Jun 1, JIA N i ng-y u1, WA N G H ong-guang2, X I N i ng3
( 1. School of Information Science & Engineer ing , Nort heaster n U niv ersity, Shenyang 110004, China; 2. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110008, China; 3. M ichigan State U niversity, East L ansing, M I48824, U SA . Cor respondent: XIAO Jun, E- mail: xiaojun @ ise. neu. edu. cn)
足的转动; 当 SW1= 0, SW2= 1 时表示是以 foot2
为支撑足的转动# CUP 1 和 CUP2 综合了压力传感 器、接触传
感器、吸 泵 电 机 的 信 息, 表 明 支 撑 足 状 态 # 若 CUP i = 1, 表明 foot i 与壁面良好吸附, foot i 是
支撑足, 否则 foot i 为自由足# ENDT 用 来 描 述 直 线 运 动 动 作 的 状 态 #
性, 下面以左支撑足的前进为例介绍所设计的运
动模式# 左支撑足的前进运动模式步态规划如表 1 所
示#设电机 1, 2, 3 分别为 foot 1、机身和 foot 2 的 驱动电机#
首先关闭 foot 2 泵电机, 打开排气阀, 检测压 力传感器信号, 直至 f oot 2 吸盘足脱离吸附状态;
电机 3 驱动 f oot 2 抬起, 电机 2 驱动机器人伸长
( 1. 东北大学 信息科学与工程学院, 辽宁 沈阳 110004; 2. 中国科学院 沈阳自动化研究所, 辽宁 沈阳 110008; 3. M ichigan S tate U niversit y, East Lansing, M I48824)
摘
要: 针对一种小型的双足爬壁机器人, 设计开发 了基于 DSP 2812 处理芯片的控 制系统# 该机器 人系
爬壁机器人控制系统以 T I 公司 32 位定点的 数字信号处理器 T M S2812 为处理芯片, 完成对 机器人各种运动模式的远程遥控和状态监测#由 主程序模块、通信模块、关节控制模块和吸盘足控
制模块 4 部分组成# 主程序模块从通信模块得到指令, 通过采集
各种传感器信息和调用关节控制模块, 采用基于 有限状态机的步态规划方法实现机器人的运动控 制, 如前进、后退、左转、右转、显示、存储等#主程 序模块还实现对异常情况的处理#
统采用双足真空吸盘式结构和用 3 个电机驱动 5 个关节的欠驱动结构# 双足真空吸盘式结构使其可以在光滑
的墙面和天棚行走, 又能够在交接面之间完成跨 步行走# 而欠驱动结构减少了电机的数目, 从而减小了机器人
的尺 寸和降低了机器人的质量和能量消耗, 但它也给机器 人的控制和运动 规划带来 了新的挑战# 已 完成的 系
统设计包括运动模式设计、关节控制、通信模块设计和吸盘足控制等# 实验结果证明了所提出方案的可行性#
关 键 词: 爬壁机器人; 有限状态机; 通信; P ID 控制; 步态规划
中图分类号: T P 242
பைடு நூலகம்
文献标识码: A
文章编号: 1005- 3026( 2007) 10-1442- 04
System Design and Application of a Miniature Climbing Robot
通信模块主要实现机器人与 PC 机的串口通 信、机器人与遥控器的无线通信以及视频图像的
无线传输#当机器人本体上的通信模块接收到远 端遥控器发送的命令后, 按照接收先后顺序存储 指令#
关节控制模块通过位置检测, 梯形规划, 采用 PID 控制算法, 驱动关节运动# 吸盘 足控制模块 根据运动指令和吸盘内外的压力传感器和转换开