機器人越障控制的技術淺析

摘 要：文章分析了雙擺臂機器人克服越障機理，重點分析了機器人正向和反向攀越臺階的越障機理，并求出其最大越障能力，與實驗室的實測值進行對比分析，推導出機器人的最佳越障性能及對應的質心和擺臂的位置，為機器人越障時質心位置的控制提供了理論依據。

關鍵詞：機器人;產生式系統;越障控制

目前國外機器人技術發展迅速且日益成熟，并已經開始進入實用化階段，其中以日本和美國為代表。日本研制蛇形機器人，能夠穿越狹窄空間，能夠在高低不平的廢墟上前進，其頭部裝有一部攝像頭，身體各關節都裝有傳感器其中包括壓力傳感器，主要用于地震和恐怖襲擊后的探測和救援工作。由Remotec公司制造的V2煤礦救援機器人，高約113m，重約540kg，并進行了整體防爆設計。安裝有導航和監控攝像機、照明設備、氣體傳感器和一個機械臂，具有夜視能力和兩路語音通訊功能。可在1500m以外的安全位置遠程遙控，使用光纖通訊傳送礦井環境信息，操縱者能夠看到實時視頻信息和易燃的有毒氣體的濃度。

1.國內研究應用情況

沈陽新松機器人自動化有限公司歷經3年時間研制成功的我國首臺具有生命探測功能的井下探測救援機器人“急先鋒”，機器人具有井下防爆抗水、生命探測和協助救援、環境監測及環境參數實時探測、無光線搜救、數據信號傳輸等功能，可以在第一時間到達井下事故現場，可代替搶險救援人員搶先一步進入500米范圍內的事故現場進行探測救援。機器人可將采集到的各種信息以圖像、聲音和數據形式傳送到主控制中心，為制定搶險救災方案、及時進行搶險救援提供重要依據和支持。中國礦業大學可靠性工程與救災機器人研究所于2006年成功研制了我國第1臺用于煤礦救援的CUMT-1型礦井搜救機器人，該機器人裝備有低照度攝像機、氣體傳感器和溫度計等設備。能夠探測災害環境， 實時傳回災區的瓦斯、CO、粉塵濃度和溫度以及高分辨現場圖像等信息; 具有雙向語音對講功能， 能夠使救災指揮人員與受害者進行快速聯絡， 指揮受傷人員選擇最佳的逃生路線; 具有無線網絡通訊功能; 同時還攜帶有食品、水、藥品、救護工具等救助物資，使受害者能夠積極開展自救。

2.雙履帶機器人的越障原理

機器人克服障礙，是指機器人利用其行走機構驅使機器人移動，使其質心越過障礙的關鍵邊界線，在此過程中機器人不發生傾覆，不受障礙卡阻，能繼續保持機器人的穩定姿態與移動能力。對于履帶機器人，可將其攀越凸臺的過程分解為上臺階和下臺階的過程，將其攀爬連續臺階的過程根據其幾何構形特征的尺寸簡化為攀爬斜坡或依次攀爬臺階的情況。因此，只需著重分析機器人攀爬臺階、斜坡以及跨越溝道的越障運動機理。為了便于研究履帶機器人的越障機理，首先對固定雙履帶機器人的越障機理進行研究。以后履帶輪軸心O1為原點、以O1 O2為X軸正向的坐標系，設機器人履帶輪半徑為R（含履帶厚度），機器人寬度為b，機器人質心的坐標為G（l;h），且0lt;llt;l0（l0為O1 O2的長度），hgt;-R。機器人移動平臺攀越臺階，首先使履帶機構前端搭靠在臺階的外角線上，當履帶機構前端跨越臺階的外角線后，隨著機器人攀爬，機器人的仰角增大，其質心逐漸上升，會出現兩種結果：機器人質心上升且跨過臺階外角線。這種情況下，機器人在自身重力的作用下，以臺階外角線為支線，向臺階上部平臺旋轉，最終落至臺階上部平臺，則攀越臺階成功。機器人的仰角增大，其質心逐漸上升，但無法跨過臺階的外角線，機器人則無法跨上臺階，甚至可能反向翻轉，則攀越臺階失敗。

3.機器人越障控制技術

機器人在越障控制中采用了自主越障和手動越障兩種方式，在手動越障過程中，機器人由操作人員在地面端進行遠程控制，實現越障過程。在自主越障過程中，機器人采用由傳感器信息、機器人約束信息、動作反饋信息作為輸入，產生式系統作為動作輸出的自主越障方式完成障礙物的跨越，下面主要以超高壓輸電線路巡檢機器人為例進行分析。

3.1行走控制

在實際工作中，超高壓輸電線路巡檢機器人沿架空地線行走，由地面的操作人員給出控制指令決定機器人的行走速度，這就要求行走速度可隨操作人員指令動態調節。因此，在控制方法上采用速度控制的方式，這個過程是一個單輸入單輸出系統，通過采用PID控制能夠得到良好的控制效果，實現對速度的連續

調節。

3.2越障控制

在實際的架空地線上以及兩條架空地線之間存在著防震錘、線夾等障礙物。超高壓輸電線路巡檢機器人需要跨越的障礙物主要有2種類型。對于這樣的環境，機器人必須具有安全跨越這些障礙物的能力。根據巡檢機器人的實際工作環境和作業任務，超高壓輸電線路機器人工作中的安全可靠是首要的問題。本文在刺激響應型機器人控制方法的基礎上采用了利用傳感器信息、實際物理和環境約束信息、機器人動作反饋信息作為輸入，產生式系統作為輸出的控制方法。通常，在給定了條件后，我們把從現有信息到計算動作的過程分為兩個階段：知覺處理階段和動作計算階段.在知覺處理階段產生一個特征向量，在動計算階段選擇一個以特征向量為基礎的動作。對于超高壓輸電線路巡檢機器人，在知覺處理中要處理傳感器信息、約束信息以及動作效果的反饋信息。通過將傳感器的信息以及上一動作的影響效果與約束條件相結合進行處理，就能夠得到一個用來表示環境或狀態的特征向量，通過特征向量函數來計算動作。

4.結束語

機器人越障控制是機器人研制的關鍵技術之一，本文在描述了超高壓輸電線路巡檢機器人結構以及控制系統之后，分析了機器人的工作環境和原理，針對機器人在架空地線上工作過程中的行走和越障過程，提出了自主越障控制方法。通過本文的研究，筆者在未來的工作中將對知覺處理中信息的融合問題以及特征向量的選取做進一步研究，完善對巡檢機器人的越障控制。

參考文獻：

[1]吳功平.具有越障功能的高壓線巡線小車[J].水利電力，2013

[2]唐櫟.超高壓輸電線路巡檢機器人控制系統[J].企業文化，2014