仿壁虎爬壁机器人的结构及其控制系统研究 (1)
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2009 年第 3 期
工业仪表与自动化装置
# 17#
仿壁虎爬壁机器人的结构及其控制系统研究
方 晔 , 汪小华 , 梅
1 , 2 1
Baidu Nhomakorabea
涛
1
( 11 中国科学院合肥智能机械研究所 安徽省仿生感知与先进机器人技术重点实验室 , 合肥 230031 ; 2 . 中国科学技术大学, 合肥 230026) 摘要: 该文主要对仿壁虎爬壁机器人的结构以及其控制系统进行了介绍和讨论。 仿壁虎爬壁 机器人采用对称式的结构 , 采用形状记忆合金丝作为仿壁虎机器人的驱动元件 。利用单片机对形 状记忆合金的通电加热进行控制 , 从而实现对仿壁虎爬壁机器人的运动控制 。该机器人结构简单, 外形尺寸小 , 重量轻。 关键词 : 仿壁虎; 爬壁机器人 ; 形状记忆合金 中图分类号 : TP242 文献标志码: A 文章编号: 1000- 0682( 2009) 03- 0017- 03
由于瞬时记忆合金丝 2 未发生弹性变形 , 抵抗 ( 8)
当 M > M 2 时形状记忆合金丝能驱动粘附阵列脱离。 在设计中, M = 0 . 9 N # m, M 2 = 0 . 19 N # m, 所以设 计中的形状记忆合金丝能使机器人脚抬起。
2 仿壁虎爬壁机器人的运动控制
2 . 1 仿壁虎爬壁机器人的步态设计 仿壁虎爬壁机器人开始运动时, 左侧后腿和右 侧前腿准备抬起向前运动 , 另外两只腿处于支撑状 态。然后在背部驱动元件的作用下向前运动。在机 器人移动到一定位置时 , 左侧后腿和右侧前腿放下 呈支撑状态 , 左侧前腿和右侧后腿抬起准备向前运 动 , 同样在背部的驱动元件作用下向前移动。不断 重复上述过程, 周而复始的使机器人向前不断移动。 这种步态规划使得机器人的重心在整个移动过程中 都处于由各足组成的支撑平面的中心位置 , 从而确 保了运动的平衡和稳定性
Th e structure of gecko insp ired cli m b ing robot and con trol system
FANG Y e1, 2, WANG X iaohua1, M E I T ao1
(1 . The K ey Labora tory of B iom im etic Sensing and Advan ced R obot Technology, Anhui Prov ince H ef ei In sti tu te of Intelligent M ach in es , Ch inese Acad emy of S cien ces , H ef ei 230031, Ch ina; 2 . Un iv ersity of Science and Technology of C hina, H ef ei 230026, Ch ina )
2
2009 年第 3 期
工业仪表与自动化装置
# 19#
均为 D, 弦长均为 L, 当给左端 形状记忆 合金丝加 热 , 对 O 点取矩, 则形状记忆合金的驱动力矩 M=Fl 力矩 2 M 2 = Kd l / 2 ( 7)
其变形, 于是在形状记忆合金丝与控制模块之间加 入了驱动模块。即利用单 片机控制 MOSFET 管脚 DS 之间的通断 , 从而控制外部稳压稳流电源对形状 记忆合金丝的通电加热 ( 见图 6) 。控制模块通过一 定的时序给仿壁虎机器人上的形状记忆合金驱动器 通电 , 从而实现机器人爬行的功能。
Abstract : T his paper presents and discusses the design and the contro l of the gecko in sp ired cli mb ing robo . t The gecko inspired cli m bing robot has a symm etrical conf ig uratio n , and itsm ot io n is controlled usin g S MA ( shape m em ory alloy) actuators. W e contro l the tem perature of the shape m em ory a lloy w ires by using sing le ch ip m icrocom puter to m anage the electrify ti me , thus to control th e m ovem ent of the ro bo. t T his robo t has light w eigh, t s m all d i m ension, and si m p le structure . K ey w ords: gecko in sp ired ; w all- cli m b ing robo; t S MA ( shape m e m ory alloy)
[ 6]
如图 3 所示: 圆弧半径为 R, 弧度为 2U , 丝的半径为 r, 长度为 D。
图 3 形状记忆合金丝力学模型
形状记忆合金丝上离 中心层 x 点处的 应变为 (R + x ) H- R H x E , 则 E= = ( 1) RH R x 点处的应力则为 : x R = E E= E ( 2) R 式中 E 为形状记忆合金加热后的弹性模量。那么 X 点处产生的力矩 M 则为 : M= E x dA = EI Rd A#x = Q Q R R
2
( 3)
式中 A 为截面 面积; I 为截面二次矩。假设力矩完 全由轴向力 F 产生, 则 F 为: F = M /y ( 4) 式中 , y = R - R cosW ;L= 2 R sinW ; D = 2R W 可得当弦长为 L 时 , 形状记忆合金丝的储存力 4W EI ( 5) 2 D ( 1- cosW) sinW L 其中 = W D 当形状记忆合金加热发生相变, 合金丝的驱动
图 4 机器人脚受力图 图 2 形状记忆合金安装点示意图
的脚底粘附阵列产生的力
11 3 脚部力学分析 为简化起见 , 假设形状记忆合金丝形状为圆弧 ,
和其脚底面积有关。设计中的机器人脚底宽度 d = 2 cm, 长度 l= 3 c m, 采用的微纳米粘附阵列的力学 性能为 K = 2 . 16 N / cm , 初始时形状记忆合金丝长
2
F=
力满足式 ( 5 )。 当形状记忆合金通过弹性变形 , 使弦长从 L 0 变 化到 L 1 时 , 形状记忆合金的弹性力 W W 4EI 1 0 F= 2 ( ) 1cos W 1cos W D 1 0 sinW Li i 其中 = , i= 0 , 1 。 W D i
2 2
( 6)
机器人脚的受力如图 4 所示。其中黑色部分表 示粘有粘附阵列 , 它与地 面相接触。仿壁虎机器人
[ 7]
图 6
SMA 控制示意图
仿壁虎爬壁机器人的控制器软件设计主要是对 形状记忆合金丝的加热时序进行合理安排。
3 结论
设计中的机器人应用形状记忆为驱动器, 这样 使得机器人具有体积小、 重量轻等特点。实验实现 了机器人的单步行走 , 为研制小型化的仿壁虎机器 人奠定了基础。
参考文献 : [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 肖 立 , 佟仕 忠 , 丁启 敏 , 等 . 爬壁 机器 人的 现状 与发 展 [ J]. 自动化博览 , 2005, 22( 1): 81- 82. 王辉静 , 梅 涛 , 汪小华 . 一种 新型仿壁虎爬行机器人的 粘附阵列设计 [ J]. 机器人 , 2006, 28( 2): 191- 194. 王 田苗 , 孟 偲 , 裴 葆青 , 等 . 仿 壁 虎 机器 人 研 究 综述 [ J]. 机器人 , 2007, 29( 3): 290- 291. CarloM andM e tin S. G ecko insp ired surface cli m b ing ro bo ts[ A ]. IEEE Interna tiona l Con ference on Robotics and B io mi m etics ( ROB I O ) [ C ]. Shenyang , Ch ina : IEEE, 2004 . 618- 619. [ 5] C arlo M, M ichae lM, F rancesco A. W aa lbots for space app lica tions[ A ]. 55th I AC Con fe rence [ C ]. V ancouver , Canada : I AC, 2004 . 218- 219.
0 引言
近年来爬壁机器人越来越多的被广大科研人员 所关注和研究, 这类机器人在核工业、 石油企业、 建 筑行业、 消防部门以及造船业、 公共和国家安全领域 具有广泛而迫切的需 求
[ 1]
术的研究与移动技术的研究。在国外 , 美国的斯坦 福大学已经开发了称为 S tickbo t的电机驱动的仿壁 虎爬壁机器人 ; 卡耐基梅隆大学纳米机器人实验室 研制的仿壁虎爬壁机器人 W aalbo, t 可以用两个足式 轮子实现了爬行、 转弯等运动 , 还可以实现 墙面过 渡; 此外, 东京工艺研究与 Isik aw aji m a- H ari m a 重工 业有限公司联合设计 开发了 / 忍 者 0机器 人。 / 忍 者 0机器人的吸附方式采用的是一种被称作 VM ( 汽 门复合管理 ) 的高功效真空吸盘 , 褶皱或是粗糙的 墙壁都可以吸附。国内对仿壁虎机器人技术的研究 主要是针对爬壁机器人展开的, 这方面影响比较大 的主要有哈尔滨工业大学与北京航空航天大学, 中 国科学院沈阳自动化所机器人开放实验室与上海大 学也有这方面的研究
收稿日期 : 2008- 06- 02 基金项目 : 国家 / 9730计划资助项目 ( 2006CB300407) ; 中国科学 院知识创新工程重要方向项目资助 ( K JCX 2- S W - W 30) ; 作者简介 : 方 密仪器及机械。 晔 ( 1983 ) , 男 , 硕士研 究生 , 主 要研 究方向 为精
[ 3]
。合肥智 能机械研究所
仿生微纳米机器人实验室通过对壁虎脚底绒毛阵列 粘附和脱离机理的研究 , 设计并制作出一种具有大 附力 (约 2 . 16 N / c m )、 易于脱离、 自清洁和可反复 使用等特点的仿壁虎微纳米粘附阵列
[ 2] 2
。
设计中的仿壁虎爬壁机器人就是利用该粘附阵 列装置来实现仿壁虎爬壁机器人与 墙面之间的吸 附。目前仿壁虎爬壁机器人的研究主要分为吸附技
。
1 仿壁虎爬壁机器人的结构设计
1 . 1 结构设计 设计中的仿壁虎爬壁机器人由背部、 前脚、 后脚
# 18#
工业仪表与自动化装置
2009年第 3 期
组成 (见图 1)。机器人的抬脚 , 落脚 , 以及前进全部 [ 4] 由形状记忆合金丝作 为驱动器 。机器人本体采 用有机玻璃材料。有机玻璃不仅具有很好的机械加 工性能 , 而且密度比一般金属小很多 , 用它作为加工 机器人的材料, 可以使得机器人的重量得到进一步 的减轻。有机玻璃还有不导电的特点, 这样采用形 状记忆合金作为驱动器的时候 , 就不用考虑机器人 [ 5] 本体与形状记忆合金之间绝缘的问题 。 11 2 形状记忆合金丝控 制器的设计 形状记忆合金是一种 新型 的功能材料, 其主要 特征就是具有形状记忆效 图 1 机器人的结构示意图 应。一般金属材料受到外 力作用后, 就会发生弹性变形, 达到屈服点后产生塑 性变形 , 应力消除后 , 就会留下永久变形; 形状记忆 合金在发生塑性变形后, 经过加热到一定温度之上 , 还可以回复到变形前 的形状 。设 计中采用形状 记忆合金作为驱动器 , 相比于采用普通电机驱动, 可 以省去减速器, 这样不仅可以大大减轻机器人的重 量 , 还可以使机器人更加小型化。设计中采用相变 温度为 60 e T I- N I 单程形状记忆合金作为仿壁虎 爬壁机器人的驱动器的材料。 机器人有 11 个零件组成, 共有 10 个转动副 ; 在 机器人的每个步态中, 总有处于对角线上的一对脚 与地面保持接触 , 限制了两只足的 3 个自由度和脚 的一个转动自由度, 那么该机器人的自由度为: 3 @ 11- 2 @ 10- 2 @ 3- 2= 5 。机器人的驱动器采用推 挽式形状记忆合金驱动器, 一个推挽式驱动器需 2 根形状记忆合金丝, 那么该机器人总共需安装 5 对 形状记忆合金丝作为驱动器, 如图 2 所示。装在脚 部的 4 个推挽式驱动器用于控制足部粘附阵列的粘 附与脱离; 另一个驱动器则驱动背部和后腿连接的 转动自由度 , 控制机器人的前进、 后退及转向。
工业仪表与自动化装置
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仿壁虎爬壁机器人的结构及其控制系统研究
方 晔 , 汪小华 , 梅
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Baidu Nhomakorabea
涛
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( 11 中国科学院合肥智能机械研究所 安徽省仿生感知与先进机器人技术重点实验室 , 合肥 230031 ; 2 . 中国科学技术大学, 合肥 230026) 摘要: 该文主要对仿壁虎爬壁机器人的结构以及其控制系统进行了介绍和讨论。 仿壁虎爬壁 机器人采用对称式的结构 , 采用形状记忆合金丝作为仿壁虎机器人的驱动元件 。利用单片机对形 状记忆合金的通电加热进行控制 , 从而实现对仿壁虎爬壁机器人的运动控制 。该机器人结构简单, 外形尺寸小 , 重量轻。 关键词 : 仿壁虎; 爬壁机器人 ; 形状记忆合金 中图分类号 : TP242 文献标志码: A 文章编号: 1000- 0682( 2009) 03- 0017- 03
由于瞬时记忆合金丝 2 未发生弹性变形 , 抵抗 ( 8)
当 M > M 2 时形状记忆合金丝能驱动粘附阵列脱离。 在设计中, M = 0 . 9 N # m, M 2 = 0 . 19 N # m, 所以设 计中的形状记忆合金丝能使机器人脚抬起。
2 仿壁虎爬壁机器人的运动控制
2 . 1 仿壁虎爬壁机器人的步态设计 仿壁虎爬壁机器人开始运动时, 左侧后腿和右 侧前腿准备抬起向前运动 , 另外两只腿处于支撑状 态。然后在背部驱动元件的作用下向前运动。在机 器人移动到一定位置时 , 左侧后腿和右侧前腿放下 呈支撑状态 , 左侧前腿和右侧后腿抬起准备向前运 动 , 同样在背部的驱动元件作用下向前移动。不断 重复上述过程, 周而复始的使机器人向前不断移动。 这种步态规划使得机器人的重心在整个移动过程中 都处于由各足组成的支撑平面的中心位置 , 从而确 保了运动的平衡和稳定性
Th e structure of gecko insp ired cli m b ing robot and con trol system
FANG Y e1, 2, WANG X iaohua1, M E I T ao1
(1 . The K ey Labora tory of B iom im etic Sensing and Advan ced R obot Technology, Anhui Prov ince H ef ei In sti tu te of Intelligent M ach in es , Ch inese Acad emy of S cien ces , H ef ei 230031, Ch ina; 2 . Un iv ersity of Science and Technology of C hina, H ef ei 230026, Ch ina )
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2009 年第 3 期
工业仪表与自动化装置
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均为 D, 弦长均为 L, 当给左端 形状记忆 合金丝加 热 , 对 O 点取矩, 则形状记忆合金的驱动力矩 M=Fl 力矩 2 M 2 = Kd l / 2 ( 7)
其变形, 于是在形状记忆合金丝与控制模块之间加 入了驱动模块。即利用单 片机控制 MOSFET 管脚 DS 之间的通断 , 从而控制外部稳压稳流电源对形状 记忆合金丝的通电加热 ( 见图 6) 。控制模块通过一 定的时序给仿壁虎机器人上的形状记忆合金驱动器 通电 , 从而实现机器人爬行的功能。
Abstract : T his paper presents and discusses the design and the contro l of the gecko in sp ired cli mb ing robo . t The gecko inspired cli m bing robot has a symm etrical conf ig uratio n , and itsm ot io n is controlled usin g S MA ( shape m em ory alloy) actuators. W e contro l the tem perature of the shape m em ory a lloy w ires by using sing le ch ip m icrocom puter to m anage the electrify ti me , thus to control th e m ovem ent of the ro bo. t T his robo t has light w eigh, t s m all d i m ension, and si m p le structure . K ey w ords: gecko in sp ired ; w all- cli m b ing robo; t S MA ( shape m e m ory alloy)
[ 6]
如图 3 所示: 圆弧半径为 R, 弧度为 2U , 丝的半径为 r, 长度为 D。
图 3 形状记忆合金丝力学模型
形状记忆合金丝上离 中心层 x 点处的 应变为 (R + x ) H- R H x E , 则 E= = ( 1) RH R x 点处的应力则为 : x R = E E= E ( 2) R 式中 E 为形状记忆合金加热后的弹性模量。那么 X 点处产生的力矩 M 则为 : M= E x dA = EI Rd A#x = Q Q R R
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( 3)
式中 A 为截面 面积; I 为截面二次矩。假设力矩完 全由轴向力 F 产生, 则 F 为: F = M /y ( 4) 式中 , y = R - R cosW ;L= 2 R sinW ; D = 2R W 可得当弦长为 L 时 , 形状记忆合金丝的储存力 4W EI ( 5) 2 D ( 1- cosW) sinW L 其中 = W D 当形状记忆合金加热发生相变, 合金丝的驱动
图 4 机器人脚受力图 图 2 形状记忆合金安装点示意图
的脚底粘附阵列产生的力
11 3 脚部力学分析 为简化起见 , 假设形状记忆合金丝形状为圆弧 ,
和其脚底面积有关。设计中的机器人脚底宽度 d = 2 cm, 长度 l= 3 c m, 采用的微纳米粘附阵列的力学 性能为 K = 2 . 16 N / cm , 初始时形状记忆合金丝长
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F=
力满足式 ( 5 )。 当形状记忆合金通过弹性变形 , 使弦长从 L 0 变 化到 L 1 时 , 形状记忆合金的弹性力 W W 4EI 1 0 F= 2 ( ) 1cos W 1cos W D 1 0 sinW Li i 其中 = , i= 0 , 1 。 W D i
2 2
( 6)
机器人脚的受力如图 4 所示。其中黑色部分表 示粘有粘附阵列 , 它与地 面相接触。仿壁虎机器人
[ 7]
图 6
SMA 控制示意图
仿壁虎爬壁机器人的控制器软件设计主要是对 形状记忆合金丝的加热时序进行合理安排。
3 结论
设计中的机器人应用形状记忆为驱动器, 这样 使得机器人具有体积小、 重量轻等特点。实验实现 了机器人的单步行走 , 为研制小型化的仿壁虎机器 人奠定了基础。
参考文献 : [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 肖 立 , 佟仕 忠 , 丁启 敏 , 等 . 爬壁 机器 人的 现状 与发 展 [ J]. 自动化博览 , 2005, 22( 1): 81- 82. 王辉静 , 梅 涛 , 汪小华 . 一种 新型仿壁虎爬行机器人的 粘附阵列设计 [ J]. 机器人 , 2006, 28( 2): 191- 194. 王 田苗 , 孟 偲 , 裴 葆青 , 等 . 仿 壁 虎 机器 人 研 究 综述 [ J]. 机器人 , 2007, 29( 3): 290- 291. CarloM andM e tin S. G ecko insp ired surface cli m b ing ro bo ts[ A ]. IEEE Interna tiona l Con ference on Robotics and B io mi m etics ( ROB I O ) [ C ]. Shenyang , Ch ina : IEEE, 2004 . 618- 619. [ 5] C arlo M, M ichae lM, F rancesco A. W aa lbots for space app lica tions[ A ]. 55th I AC Con fe rence [ C ]. V ancouver , Canada : I AC, 2004 . 218- 219.
0 引言
近年来爬壁机器人越来越多的被广大科研人员 所关注和研究, 这类机器人在核工业、 石油企业、 建 筑行业、 消防部门以及造船业、 公共和国家安全领域 具有广泛而迫切的需 求
[ 1]
术的研究与移动技术的研究。在国外 , 美国的斯坦 福大学已经开发了称为 S tickbo t的电机驱动的仿壁 虎爬壁机器人 ; 卡耐基梅隆大学纳米机器人实验室 研制的仿壁虎爬壁机器人 W aalbo, t 可以用两个足式 轮子实现了爬行、 转弯等运动 , 还可以实现 墙面过 渡; 此外, 东京工艺研究与 Isik aw aji m a- H ari m a 重工 业有限公司联合设计 开发了 / 忍 者 0机器 人。 / 忍 者 0机器人的吸附方式采用的是一种被称作 VM ( 汽 门复合管理 ) 的高功效真空吸盘 , 褶皱或是粗糙的 墙壁都可以吸附。国内对仿壁虎机器人技术的研究 主要是针对爬壁机器人展开的, 这方面影响比较大 的主要有哈尔滨工业大学与北京航空航天大学, 中 国科学院沈阳自动化所机器人开放实验室与上海大 学也有这方面的研究
收稿日期 : 2008- 06- 02 基金项目 : 国家 / 9730计划资助项目 ( 2006CB300407) ; 中国科学 院知识创新工程重要方向项目资助 ( K JCX 2- S W - W 30) ; 作者简介 : 方 密仪器及机械。 晔 ( 1983 ) , 男 , 硕士研 究生 , 主 要研 究方向 为精
[ 3]
。合肥智 能机械研究所
仿生微纳米机器人实验室通过对壁虎脚底绒毛阵列 粘附和脱离机理的研究 , 设计并制作出一种具有大 附力 (约 2 . 16 N / c m )、 易于脱离、 自清洁和可反复 使用等特点的仿壁虎微纳米粘附阵列
[ 2] 2
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设计中的仿壁虎爬壁机器人就是利用该粘附阵 列装置来实现仿壁虎爬壁机器人与 墙面之间的吸 附。目前仿壁虎爬壁机器人的研究主要分为吸附技
。
1 仿壁虎爬壁机器人的结构设计
1 . 1 结构设计 设计中的仿壁虎爬壁机器人由背部、 前脚、 后脚
# 18#
工业仪表与自动化装置
2009年第 3 期
组成 (见图 1)。机器人的抬脚 , 落脚 , 以及前进全部 [ 4] 由形状记忆合金丝作 为驱动器 。机器人本体采 用有机玻璃材料。有机玻璃不仅具有很好的机械加 工性能 , 而且密度比一般金属小很多 , 用它作为加工 机器人的材料, 可以使得机器人的重量得到进一步 的减轻。有机玻璃还有不导电的特点, 这样采用形 状记忆合金作为驱动器的时候 , 就不用考虑机器人 [ 5] 本体与形状记忆合金之间绝缘的问题 。 11 2 形状记忆合金丝控 制器的设计 形状记忆合金是一种 新型 的功能材料, 其主要 特征就是具有形状记忆效 图 1 机器人的结构示意图 应。一般金属材料受到外 力作用后, 就会发生弹性变形, 达到屈服点后产生塑 性变形 , 应力消除后 , 就会留下永久变形; 形状记忆 合金在发生塑性变形后, 经过加热到一定温度之上 , 还可以回复到变形前 的形状 。设 计中采用形状 记忆合金作为驱动器 , 相比于采用普通电机驱动, 可 以省去减速器, 这样不仅可以大大减轻机器人的重 量 , 还可以使机器人更加小型化。设计中采用相变 温度为 60 e T I- N I 单程形状记忆合金作为仿壁虎 爬壁机器人的驱动器的材料。 机器人有 11 个零件组成, 共有 10 个转动副 ; 在 机器人的每个步态中, 总有处于对角线上的一对脚 与地面保持接触 , 限制了两只足的 3 个自由度和脚 的一个转动自由度, 那么该机器人的自由度为: 3 @ 11- 2 @ 10- 2 @ 3- 2= 5 。机器人的驱动器采用推 挽式形状记忆合金驱动器, 一个推挽式驱动器需 2 根形状记忆合金丝, 那么该机器人总共需安装 5 对 形状记忆合金丝作为驱动器, 如图 2 所示。装在脚 部的 4 个推挽式驱动器用于控制足部粘附阵列的粘 附与脱离; 另一个驱动器则驱动背部和后腿连接的 转动自由度 , 控制机器人的前进、 后退及转向。