CN109795575A - 用于玻璃幕墙检测的六足机器人***及其运动控制方法 - Google Patents
用于玻璃幕墙检测的六足机器人***及其运动控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种用于玻璃幕墙检测的六足机器人***及其运动控制方法，所述六足机器人***包括：六足机器人本体、控制***，所述的六足机器人本体包括规则六边形结构的机身主体、活动设在所述机身主体上的六条肢体，每条所述的肢体均串联地设置有四个主动关节，其中每条肢体末端均通过球铰与真空吸盘连接；所述的控制***通过电路与各肢体的主动关节与真空吸盘相连接，用于控制各肢体的协调运动及真空吸盘的吸放。本发明实现六足机器人自身全方位的平滑运动，并研究了六足机器人从地面攀爬至垂直墙体的步态设计方法，可在ROS进行步态仿真，也可通过ROS的可视化软件进行人机交互，发送机器人控制指令及实时监视机器人状态。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人领域，特别是涉及一种用于玻璃幕墙检测的六足机器人***的设计。
背景技术
无论是工业生产、海洋探测工程领域，还是在军事领域、航天航空等领域，移动机器人的身影随处可见，它有极大的发展空间。而在许多大城市中，玻璃幕墙往往是很多大型建筑结构的外型构成部分。以往，玻璃幕墙安全事故频发，包括玻璃从高空坠落，引起人们对玻璃幕墙安全性能的关注。基于这一背景，本发明设计了一个六足机器人，它能够爬上玻璃幕墙，穿过障碍物，吸附在玻璃幕墙上，用于玻璃质量的检测。多足机器人具有多自由度，具有很大的灵活性和避障能力。这符合玻璃检验的要求。
上世纪90年代，东京理工大学研制了四足爬壁机器人NINJA-I。西班牙工业自动化研究所研制的六足爬壁机器人每条腿有三个自由度，用于船舶制造和维修。密歇根州立大学开发的双足爬壁机器人CRAWLER不仅可以在墙上移动，而且可以天花板上移动。成均馆大学还研制了一种四足爬山机器人，它能够在各种斜坡上自由爬行。关于六足机器人的运动控制和步态规划及其***设计，已有大量资料。
发明内容
针对玻璃幕墙检测的应用，本发明提出一种六足机器人的设计，该机器人具有负压真空吸盘，并附在每个肢体末端，可使机器人吸附于玻璃幕墙。实际上，提出了一种高效的步行-攀爬六足机器人***。
本发明采用如下技术方案实现：
一种用于玻璃幕墙检测的六足机器人***包括：六足机器人本体、控制***，所述的六足机器人本体包括规则六边形结构的机身主体、活动设在所述机身主体上的六条肢体，每条所述的肢体均串联地设置有四个主动关节，其中每条肢体末端均通过球铰与真空吸盘连接；所述的控制***通过电路与各肢体的主动关节与真空吸盘相连接，用于控制各肢体的协调运动及真空吸盘的吸放。
进一步地，所述的四个主动关节包括依次连接的髋关节、股关节、胫关节、踝关节。
进一步地，所述的控制***包括上位机、下位机、六个四轴IONICUBE主板以及急停按钮，各四轴IONICUBE主板分别与对应肢体的各主动关节电路连接，所述个四轴IONICUBE主板以及急停按钮通过总线相连接，所述的下位机通过USB适配器与总线相连，用于发送指令同时控制各主动关节、真空吸盘的闭合；所述上位机与下位机信号连接，用于发送指令、接收反馈和显示数据。
进一步地，所述下位机采用树莓派微型电脑，其为装有机器人操作***ROS和Ubuntu Linux操作***的微型计算机，用于simple motion控制、通过STM32控制吸盘的闭合、电机零位调整。
进一步地，所述的simple motion控制包括：开/关总线、使能电机、腿复位、清除错误、初始化和清空缓存控制。
进一步地，所述的上位机是一台装有机器人操作***ROS和Ubuntu Linux操作***的PC机，用于向所述下位机发送指令、接收反馈和显示数据、RVIZ人机交互。
进一步地，所述的所述上位机与下位机之间通过无线路由器，并使用基于ROS的通信协议进行连接。
进一步地，所述六足机器人本体上安装有玻璃检测相关的传感器，用于根据接收反馈的信息判断玻璃质量。
一种如所述六足机器人***的行走步态控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1:机器人初始姿态确定；
S2:根据所设计的步态确定支撑相与运动周期时间之比，即支撑相的占空比；
S3:给定机器人的步幅S和抬腿的最大高度H；
S4:采用三角函数插值来规划机器人足端的轨迹；
S5:让驱动电机转到期望的位置；
S6：判断电机转到期望位置后是否需要切换步态，若是则回到步骤S2；若否则继续执行下一个步骤；
S7：判断此时机器人的动作是否已经完成，若是则退出程序，若否则根据步骤S2的步幅S和抬腿的最大高度H的数值继续执行步骤S3。
一种如所述六足机器人***的攀爬步态控制方法，包括步骤：
S1:行走-攀爬步态初始化；
S2:行走至墙体的正前方可达工作空间内；
S3:前后腿并拢；
S4:前腿从地面跨越至墙体；
S5:旋转和平移动作；
S6:跨步；
S7:旋转和平移动作；
S8:跨步；
S9:后腿从地面跨越至墙体；
S10：恢复最初的姿态；
S11：选择所需的步态在墙体上行走。
相比现有技术，本发明的有益效果是：
本发明设计的六足机器人每肢体有4个主动关节和1个真空吸盘，可保证吸盘平面与玻璃平行，提高机器人稳定性，提出了行走的三种步态算法以及攀爬算法，完成从地面到墙上的跨越，整个过程均可在ROS中模拟现实并在实验中实时监控。
附图说明
图1(a)-1(c)分别为行走-攀爬六足机器人***机械结构的主视图、俯视图和仰视图。
图2为行走-攀爬六足机器人单腿结构示意图。
图3为电压和压力之间的线性关系图。
图4为行走-攀爬六足机器人硬件***。
图5为行走-攀爬六足机器人基于ROS搭建的软件***框图。
图6为ROS中RVIZ可视化控制界面。
图7(a)和7(b)分别为行走-攀爬六足机器人的六边形姿态和蟹形姿态。
图8为行走-攀爬六足机器人行走步态规划流程示意图。
图9为行走-攀爬六足机器人的攀爬步骤流程示意图。
图10(a)-10(i)为行走-攀爬六足机器人各种行走-攀爬步态仿真图。
图中：1-机身主体；2-髋关节；3-股关节；4-胫关节；5-踝关节；6-真空吸盘。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。
实施例1
如图1(a)-1(c)所示，一种用于玻璃幕墙检测的六足机器人***，包括：六足机器人本体、控制***，所述的六足机器人本体包括规则六边形结构的机身主体1、活动设在所述机身主体上的六条肢体，每条所述的肢体均串联地设置有四个主动关节，其中每条肢体末端均通过球铰与真空吸盘连接,使得吸盘可自适应于玻璃墙体，提升了***的柔性；所述的控制***通过电路与各肢体的主动关节与真空吸盘6相连接，用于控制各肢体的协调运动及真空吸盘的吸放。所述六足机器人本体上安装有玻璃检测相关的传感器，用于根据接收反馈的信息判断玻璃质量。
其机身主体1设计成规则六边形(侧长0.18m)，以减少腿之间的干扰。它有6个肢体和6个真空吸盘。大多数六足机器人每个肢体只有3个关节。图2所述，本发明设计的六足机器人每肢体有四个主动关节和1个真空吸盘6，所述的四个主动关节包括依次连接的髋关节2、股关节3、胫关节4、踝关节5。真空吸盘6可保证攀爬过程中的安全性。
踝关节5的加入可保证吸盘平面与玻璃平行，其中髋关节2长为0.093m，股关节3长为0.14489m，胫关节4长为0.164m，踝关节5长为0.157m。六足机器人重约25公斤。在正常情况下，六足机器人在壁上至少有3条腿支撑，这意味着根据吸附力方程，由3个真空吸盘6提供的吸附力应该足以支撑机器人的重量，所述吸附力方程为：
W＝(P·S)/K
为了平衡六足机器人的重力，有如下等式：
mg＝N·μW
其中N是吸附在墙上的腿数量，K为安全系数，通常情况下K≥2.5。为确保安全，取K＝8.4。联立上式，可得当N＝5时P≈43.352Kpa；当N＝4时P≈54.184Kpa；当N＝3时P≈72.248Kpa。为了满足要求，本发明采用真空泵KVP15-KL，可提供80-90KPa的最大负压。另外，通过使用KITA数字压力传感器KP25进行反馈。通过STM32，可得到如图3所示的电压和压力之间的线性关系。
此外，踝关节通过球铰链与真空吸盘连接，使得吸盘对玻璃幕墙具有自适应性。
所述的控制***包括上位机、下位机、六个四轴IONICUBE主板以及急停按钮，各四轴IONICUBE主板分别与对应肢体的各主动关节电路连接，所述个四轴IONICUBE主板以及急停按钮通过总线相连接，所述的下位机通过USB适配器与总线相连，用于发送指令同时控制各主动关节、真空吸盘的闭合；所述上位机与下位机信号连接，用于发送指令、接收反馈和显示数据。
所述下位机采用树莓派微型电脑，其为装有机器人操作***ROS和Ubuntu Linux操作***的微型计算机，用于simple motion控制、通过STM32控制真空吸盘的闭合、电机零位调整。所述的simple motion控制包括：开/关总线、使能电机、腿复位、清除错误、初始化和清空缓存控制。所述的上位机是一台装有机器人操作***ROS和Ubuntu Linux操作***的PC机，用于向所述下位机发送指令、接收反馈和显示数据、RVIZ人机交互。所述的所述上位机与下位机之间通过无线路由器，并使用基于ROS的通信协议进行连接。
如图4所示，为六足机器人的整体硬件***框图。该六足机器人包含六个四轴IONICUBE主板，每个四轴IONICUBE主板包括有4个IONI伺服驱动器，每个驱动器连接到一个位置，速度和扭矩反馈电机来控制一个关节。四个主板与一条SM总线相连。主板采用24V直流电源供电，电机采用48V交流电源供电。通过一个USB适配器可以用一个树莓派同时控制24个电机。电机的参数具体参照表1。
表1
| 额定电压 | 48V |
| 空载速度 | 10100rpm |
| 空载电流 | 16.2mA |
| 额定速度 | 9020rpm |
| 额定转矩(最大连续转矩) | 30.3mNm |
| 额定电流(最大连续电流) | 0.687A |
| 失速转矩 | 294mNm |
| 失速电流 | 6.5A |
| 最大效率 | 89.9％ |
如图5和图6所示，为机器人的整体软件***框图。为了实现对不同功能模块的实时有效管理，在机器人操作***ROS(Robot Operating System)上建立了完整的软件***。信息通过ROS节点之间的话题和服务进行传输，在上位机，RVIZ负责六足***信息的人工命令输入和机器人状态显示。ROS算法节点进行运动学计算，并将关节角信息发送给下位机执行。下位机是一个树莓派，负责控制运动和真空吸盘。PC机与树莓派使用ROS通信协议，通过无线路由器通信。RVIZ是ROS提供的可视化工具，可实现实时的人机交互，包括机器人控制指令的发送和机器人状态的显示。
如图7(a)-7(b)所示，设计了机器人在六边形姿态和蟹形姿态下的三种步态。多足机器人的运动本质上是由支撑腿和摆动腿合理有序交替工作的过程。根据支撑相的占空比，六足机器人的通用步态可分为三脚步态、四脚步态和五脚步态。所有这些运动都保证了关节角的平缓变化，以避免因电机速度的突变导致的***安全隐患。
如图8所示，一种如所述六足机器人***的行走步态控制方法，包括步骤：
S1:机器人初始姿态确定；
S2:根据所设计的步态确定支撑相与运动周期时间之比，即支撑相的占空比；
S3:给定机器人的步幅S和抬腿的最大高度H；
S4:采用三角函数插值来规划机器人足端的轨迹；
S5:让驱动电机转到期望的位置；
S6：判断电机转到期望位置后是否需要切换步态，若是则回到步骤S2；若否则继续执行下一个步骤；
S7：判断此时机器人的动作是否已经完成，若是则退出程序，若否则根据步骤2的S和H的数值继续执行步骤3。
如图9所示，一种如所述六足机器人***的攀爬步态控制方法，包括步骤：
S1:行走-攀爬步态初始化；
S2:行走至墙体的正前方可达工作空间内；
S3:前后腿并拢；
S4:前腿从地面跨越至墙体；
S5:旋转和平移动作；
S6:跨步；
S7:旋转和平移动作；
S8:跨步；
S9:后腿从地面跨越至墙体；
S10：恢复最初的姿态；
S11：选择所需的步态在墙体上行走。
如图10(a)-10(i)所示，六足机器人可以走多种步态。所有的步态都可以在ROS上的仿真软件Gazebo中进行仿真。仿真环境下的机器人尺寸和重量与实际的机器人平台相同，可有效模拟真实情况中的运动。图10(a)-10(i)显示了模拟现实环境中的仿真。在机器人的实际操作中，需要考虑电机的转矩、速度和加速度。在实验中，六足机器人行走过程中***稳定，工作电流和电压在***的安全范围内。在Gazebo仿真中向吸盘提供压力以模拟实际情况，验证了步态设计的可行性。在实体机实验中，我们建立了一个垂直于地面的玻璃幕墙，并用钢绳连接机器人以确保安全。在实验中，真空吸盘吸附力足够支持机器人。利用踝关节和球铰，真空吸盘可以平行的向墙面贴近，使吸盘能够牢固地吸附在玻璃上，避免不必要的摩擦。
本实施例主要说明六足步行-攀爬机器人能够以各种步态行走，并能从地面攀爬至垂直墙体。与踝关节相连的真空吸盘可以吸附在玻璃幕墙上，以平衡机器人的重量。硬件***有效、实用、安全。基于ROS的软件***提供了实时性与稳定性。仿真和实体机实验都表明该***性能良好，能够满足任务需求。
本发明的机器人***结构复杂，为了实现对每个部分的实时有效控制，在机器人操作***(ROS)上建立了完整的软件***。信息通过ROS上节点之间的话题及服务进行传输。在上位机，RVIZ可提供有效的人机交互，可实时向机器人发送控制指令以及监视机器人的状态。算法部分通过ROS节点进行机体运动学计算，并将关节角信息发送给下位机。下位机是一个树莓派，负责各主动关节的电机和真空吸盘的控制。PC机与树莓派之间通过无线路由器，使用基于ROS的通信协议进行连接。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于玻璃幕墙检测的六足机器人***，其特征在于，包括：六足机器人本体、控制***，所述的六足机器人本体包括规则六边形结构的机身主体(1)、活动设在所述机身主体上的六条肢体，每条所述的肢体均串联地设置有四个主动关节，其中每条肢体末端均通过球铰与真空吸盘连接；所述的控制***通过电路与各肢体的主动关节与真空吸盘(6)相连接，用于控制各肢体的协调运动及真空吸盘的吸放。
2.根据权利要求1所述的六足机器人***，其特征在于，所述的四个主动关节包括依次连接的髋关节(2)、股关节(3)、胫关节(4)、踝关节(5)。
3.根据权利要求1所述的六足机器人***，其特征在于，所述的控制***包括上位机、下位机、六个四轴IONICUBE主板以及急停按钮，各四轴IONICUBE主板分别与对应肢体的各主动关节电路连接，所述个四轴IONICUBE主板以及急停按钮通过总线相连接，所述的下位机通过USB适配器与总线相连，用于发送指令同时控制各主动关节、真空吸盘的闭合；所述上位机与下位机信号连接，用于发送指令、接收反馈和显示数据。
4.根据权利要求1所述的六足机器人***，其特征在于，所述下位机采用树莓派微型电脑，其为装有机器人操作***ROS和Ubuntu Linux操作***的微型计算机，用于simplemotion控制、通过STM32控制吸盘的闭合、电机零位调整。
5.根据权利要求4所述的六足机器人***，其特征在于，所述的simple motion控制包括：开/关总线、使能电机、腿复位、清除错误、初始化和清空缓存控制。
6.根据权利要求3所述的六足机器人***，其特征在于，所述的上位机是一台装有机器人操作***ROS和Ubuntu Linux操作***的PC机，用于向所述下位机发送指令、接收反馈和显示数据、RVIZ人机交互。
7.根据权利要求3所述的六足机器人***，其特征在于，所述的所述上位机与下位机之间通过无线路由器，并使用基于ROS的通信协议进行连接。
8.根据权利要求1所述的六足机器人***，其特征在于，所述六足机器人本体上安装有玻璃检测相关的传感器，用于根据接收反馈的信息判断玻璃质量。
9.一种如权利要求1至8中任一项所述六足机器人***的行走步态控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1:机器人初始姿态确定；
S2:根据所设计的步态确定支撑相与运动周期时间之比，即支撑相的占空比；
S3:给定机器人的步幅S和抬腿的最大高度H；
S4:采用三角函数插值来规划机器人足端的轨迹；
S5:让驱动电机转到期望的位置；
S6：判断电机转到期望位置后是否需要切换步态，若是则回到步骤S2；若否则继续执行下一个步骤；
S7：判断此时机器人的动作是否已经完成，若是则退出程序，若否则根据步骤S2的步幅S和抬腿的最大高度H的数值继续执行步骤S3。
10.一种如权利要求1至8中任一项所述六足机器人***的攀爬步态控制方法，其特征在于，包括步骤：
S1:行走-攀爬步态初始化；
S2:行走至墙体的正前方可达工作空间内；
S3:前后腿并拢；
S4:前腿从地面跨越至墙体；
S5:旋转和平移动作；
S6:跨步；
S7:旋转和平移动作；
S8:跨步；
S9:后腿从地面跨越至墙体；
S10：恢复最初的姿态；
S11：选择所需的步态在墙体上行走。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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