可折展機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)與測試

莊水管，莊哲明，戴建生，3

（1.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350；2.福建省同安第一中學(xué)，福建廈門 361100；3.倫敦大學(xué)國王學(xué)院自然與機(jī)械工程系，英國倫敦WC2R 2LS）

0 引言

可折展機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式多樣、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，自1997 年戴建生等［1］提出“變胞機(jī)構(gòu)”的概念后，歷數(shù)十年的迭代與發(fā)展，現(xiàn)已成為仿生學(xué)和機(jī)器人領(lǐng)域的熱門研究方向。在航空航天［2］、軍事探測［3］、特種救援［4］等領(lǐng)域均有一定的應(yīng)用價(jià)值，如作為實(shí)驗(yàn)載體納入機(jī)電工程類培養(yǎng)計(jì)劃內(nèi)，將有效提升工程創(chuàng)新人才的培養(yǎng)質(zhì)量［5-6］。

目前可折展機(jī)器人的關(guān)鍵突破點(diǎn)在于提高機(jī)器人的靈活性和可折展性，降低維修、維護(hù)成本［7］。本文提出一種基于3-RSR 并聯(lián)機(jī)構(gòu)和折紙?jiān)恚?］的可折展機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)方案，該機(jī)器人具有高自由度和高折疊率等優(yōu)點(diǎn)。此外，提出了一種內(nèi)置形狀記憶合金彈簧的變剛度可折疊單元，可以隨著溫度的變化改變單元的內(nèi)部彈性從而改變剛度［8］，自主設(shè)計(jì)了控制邏輯并搭建實(shí)物樣機(jī)。通過ADMAS 軟件仿真和實(shí)物性能測試。結(jié)果表明，可折展機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的探測和抓取任務(wù)。相比傳統(tǒng)機(jī)器人，該機(jī)器人的高折疊率優(yōu)勢極大增加了工作空間，可以完成更加復(fù)雜和困難的工作。同時(shí)，可折展機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺的研發(fā)涉及機(jī)械原理、控制硬件集成、數(shù)據(jù)回傳軟件、仿真分析優(yōu)化等學(xué)科交叉知識和新工科技術(shù)，在教學(xué)過程中可以顯著提高學(xué)生的工程實(shí)踐技能和創(chuàng)新創(chuàng)造能力［6，9］。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 柔性鉸鏈單元

本文采用3-RSR并聯(lián)機(jī)構(gòu)，結(jié)合折紙?jiān)恚?］設(shè)計(jì)出一種模塊化柔性鉸鏈單元，其簡化模型如圖1 所示。該單元由靜平臺、動(dòng)平臺和柔性鉸鏈3 部分組成。其中，柔性鉸鏈分為3 組，呈360°圓周對稱分布［10］。單元的運(yùn)動(dòng)通過絲驅(qū)動(dòng)拉力和彈簧恢復(fù)力共同作用實(shí)現(xiàn)。此外，通過使用形狀記憶合金彈簧，隨著溫度的變化，機(jī)器人單元還可以通過改變模塊內(nèi)部彈性來改變剛度，使機(jī)械爪可以模仿人手的變剛度抓取動(dòng)作［8］。

圖1 柔性鉸鏈單元簡化模型

1.2 整體結(jié)構(gòu)組成

受仿生學(xué)啟發(fā)，本文提出的可折展機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)參考人的手臂來確定［11］，機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)建模如圖2 所示。通過將2 組模塊（1 組模塊由3 個(gè)單元串聯(lián)組成）連接起來模仿人的手肘，使得機(jī)器人可以獲得足夠的彎曲范圍，以滿足大多數(shù)環(huán)境下的工作要求。依托模塊化設(shè)計(jì)優(yōu)勢，機(jī)器人可以根據(jù)需要選擇不同功能的單元，也可以根據(jù)工作空間串聯(lián)更多單元以滿足其他工作需要［12］。

圖2 可折展機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)建模

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制框架

可折展機(jī)器人整體控制框架如圖3 所示，分為主控部分、傳感器部分、執(zhí)行器部分和電源。

圖3 可折展機(jī)器人整體控制框架

主控部分由計(jì)算機(jī)和STM32 主控板組成。計(jì)算機(jī)主要負(fù)責(zé)處理回傳數(shù)據(jù)并據(jù)此規(guī)劃機(jī)器的下一步運(yùn)動(dòng)形式。STM32 主控板主要負(fù)責(zé)接收傳感器輸入的檢測數(shù)據(jù)，通過USB to USART協(xié)議進(jìn)行通信，還要提供形狀記憶合金電流調(diào)節(jié)的信號輸出。實(shí)驗(yàn)過程中，計(jì)算機(jī)用于設(shè)置運(yùn)動(dòng)模式，并向主控板發(fā)送工作指令；主控板進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，將接收到的傳感器數(shù)據(jù)有選擇地傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理。此外，還在此部分增加了搖桿模塊作為備選控制方案。搖桿直接將當(dāng)前位置坐標(biāo)輸入主控板，然后主控板控制機(jī)器人按照指定的方向完成彎曲或線性伸縮運(yùn)動(dòng)。

傳感器部分包括加速度角度傳感器、紅外測距傳感器、視覺識別傳感器等成本較低但工作穩(wěn)定的傳感器。加速度角度傳感器模塊采用I2C通信協(xié)議與主控板通信，反饋機(jī)器人的加速度角度數(shù)據(jù)。紅外測距傳感器主要用于對機(jī)器人周圍環(huán)境是否存在碰撞風(fēng)險(xiǎn)提供實(shí)時(shí)反饋。視覺識別傳感器可以直接對圖片進(jìn)行分析，并通過USART 串口將有用的數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32主控板。主控板將對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

執(zhí)行器部分由7 個(gè)TB6600 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和配套的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、4 路繼電器以及3 個(gè)形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)彈簧組成。6 個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)通過帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲，控制可折展機(jī)器人的伸縮、彎曲等運(yùn)動(dòng)。1 個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)過帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲，控制機(jī)械爪的開閉。3 個(gè)形狀記憶合金彈簧控制機(jī)器人末端、與爪子相連的模塊化單元。當(dāng)主控板發(fā)出形狀記憶合金彈簧的變剛度指令時(shí)，形狀記憶合金被加熱并伸長，改變該單元的剛度，實(shí)現(xiàn)仿人手的柔順抓取。

電源為6S（22.2 V）航模用電池，外加LM2596S直流可調(diào)降壓板。電池輸出分為兩部分，一部分直接供給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器；另一部分由降壓板降壓后供給主控部分和傳感器部分。

2.2 控制箱設(shè)計(jì)

在上述控制框架的基礎(chǔ)上，本文綜合考慮工作空間、制作成本、二次開發(fā)性等因素［13］，設(shè)計(jì)出如圖4 所示的可折展機(jī)器人控制箱。該控制箱具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低、開發(fā)性極強(qiáng)等實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)點(diǎn)。參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生可以清晰直觀地看見控制箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而自行根據(jù)模塊的增減調(diào)整硬件電路，也可通過留下的主控板接口進(jìn)行軟件編程［6］。

圖4 可折展機(jī)器人控制箱設(shè)計(jì)圖

3 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)制作

3.1 仿真分析

在進(jìn)行仿真之前，根據(jù)折紙?jiān)恚?］對仿真單元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而有效減少仿真程序的運(yùn)行時(shí)間。簡化過程中，去掉驅(qū)動(dòng)絲、彈簧等部件，將柔性鉸鏈之間的連接關(guān)系等效為轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，6 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸相交于一點(diǎn)［14］，如圖5（a）所示。在此基礎(chǔ)上，對機(jī)器人單元進(jìn)行了伸縮和彎曲試驗(yàn)。由圖5（b）、（c）可知，單個(gè)單元的極限壓縮厚度為15 mm，折疊率為72.73%，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

圖5 可折展機(jī)器人單個(gè)單元仿真

本文的仿真時(shí)間為5 s，仿真步長為50，基座平臺固定在地面上，其中心與世界坐標(biāo)系的原點(diǎn)重合。通過仿真后得出可折展機(jī)器人兩種基本運(yùn)動(dòng)的仿真圖（見圖6）。

圖6 可折展機(jī)器人多個(gè)單元仿真

在運(yùn)動(dòng)性能方面，線性伸縮運(yùn)動(dòng)的仿真結(jié)果符合設(shè)計(jì)預(yù)期，但彎曲運(yùn)動(dòng)所反映的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)缺陷較為明顯。這意味著接下來應(yīng)該著重探索并提升可折展機(jī)器人的彎曲運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明，可折展機(jī)器人具有靈活性好、折疊率高等優(yōu)點(diǎn)，滿足了設(shè)計(jì)要求，為后續(xù)的樣機(jī)制作和運(yùn)動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)提供支持。

3.2 樣機(jī)制作

在制作實(shí)物樣機(jī)時(shí)，重點(diǎn)在于柔性鉸鏈單元的加工制造。柔性鉸鏈單元是最主要的運(yùn)動(dòng)部件，其承受的應(yīng)力強(qiáng)度較高，要求材料具有一定的韌性，因此選用PVC軟板和運(yùn)動(dòng)繃帶作為主要材料。為了契合不同單元的仿生理念，不同的模塊需要選擇不同剛度的彈簧以滿足不同的恢復(fù)速度。當(dāng)然，模塊化的設(shè)計(jì)使得用戶可以根據(jù)應(yīng)用場景進(jìn)行替換［12］。最終，可折展機(jī)器人樣機(jī)如圖7 所示。

圖7 可折展機(jī)器人樣機(jī)

4 實(shí)驗(yàn)測試

4.1 伸縮測試

伸縮式運(yùn)動(dòng)是可折展機(jī)器人與其他傳統(tǒng)機(jī)器人的最大區(qū)別之處，因?yàn)閭鹘y(tǒng)機(jī)器人執(zhí)行部分通常無法抵達(dá)靠近基座的位置，需要移動(dòng)基座調(diào)整工作空間才能完成任務(wù)。圖8 為極限伸縮運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)測試過程。利用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲，改變機(jī)器人單元內(nèi)動(dòng)、靜平臺之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)。

圖8 可折展機(jī)器人極限伸縮運(yùn)動(dòng)

4.2 彎曲測試

可折展機(jī)器人具有旋轉(zhuǎn)自由度，相比傳統(tǒng)機(jī)器人更為靈活，可以通過旋轉(zhuǎn)來改變運(yùn)動(dòng)軌跡，從而避開障礙物。圖9 為彎曲實(shí)驗(yàn)測試過程。其中，圖片右上角為視覺傳感器采集并實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的圖像截圖。目前，彎曲是由一組操縱桿手動(dòng)控制，接下來將增加更多的傳感器和設(shè)計(jì)高效的控制算法，以提高其在實(shí)際應(yīng)用中的價(jià)值。

圖9 可折展機(jī)器人彎曲運(yùn)動(dòng)

4.3 復(fù)雜任務(wù)測試

首先，假設(shè)機(jī)器人正在對大型設(shè)備進(jìn)行維修實(shí)驗(yàn)。在該應(yīng)用場景中，需要在特定的地點(diǎn)對指定目標(biāo)進(jìn)行探測或操作［15］。因此，隨機(jī)設(shè)置幾個(gè)點(diǎn)來測試手臂是否可以按要求完成動(dòng)作，大型設(shè)備維修實(shí)驗(yàn)過程如圖10 所示。其中，圖片右上角為視覺傳感器采集并實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的圖像截圖。隨著控制指令的發(fā)出，形狀記憶合金彈簧單元通過改變內(nèi)部彈性來改變剛度，在保證不破壞設(shè)備的前提下模仿人手柔順地抓住數(shù)據(jù)線，隨后通過彎曲繞過障礙物，將數(shù)據(jù)線柔順地插入目標(biāo)位置。

圖10 可折展機(jī)器人模擬維修大型設(shè)備

其次，可折展機(jī)器人采用最節(jié)省空間的折疊狀態(tài)收納，可以隨著火箭發(fā)射至太空，于太空中再伸展開并抓取太空垃圾等物料。在該應(yīng)用場景中，它需要繞過一些障礙并抓取太空垃圾，本文用一個(gè)生雞蛋來模擬易碎的太空垃圾，因?yàn)樯u蛋和太空垃圾都是眾所周知的易碎且難以抓取［16］。碎片抓取實(shí)驗(yàn)過程如圖11 所示，本文展示了機(jī)器人在目標(biāo)位置抓取生雞蛋，并將其放置在特定位置，最終雞蛋完好無損。其中，圖右下角為視覺傳感器采集并實(shí)時(shí)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)的圖像截圖。

圖11 可折展機(jī)器人模擬抓取太空垃圾

以上運(yùn)動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)充分驗(yàn)證了可折展機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢和運(yùn)動(dòng)能力，可以直觀地觀察到機(jī)器人能夠兼具大范圍移動(dòng)和精確定位。與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，可折展機(jī)器人的工作空間顯著增加，可以完成更加復(fù)雜、困難的工作。當(dāng)然，機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制、外表蒙皮仍有研究開發(fā)的空間［3-4，7］，隨著時(shí)間的推移，可折展機(jī)器人將在太空探索、災(zāi)難救援等我國所需的重點(diǎn)行業(yè)和前沿領(lǐng)域顯示出其更高的價(jià)值。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種可折展機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺，相較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)用的機(jī)器人具有更高的學(xué)科交叉性和可開發(fā)性。機(jī)電工程類專業(yè)的學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)教師的指導(dǎo)下逐步掌握先進(jìn)的可折展機(jī)構(gòu)學(xué)理論知識和運(yùn)動(dòng)特性，鍛煉機(jī)械零件的設(shè)計(jì)和選型能力，并初步掌握機(jī)器人零部件的制作與裝配知識。以此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和設(shè)計(jì)思維，提升面向工程的分析與創(chuàng)造技能。而授課教師也可以通過學(xué)生所裝配樣機(jī)和任務(wù)完成情況，直觀地了解學(xué)生對常用零部件的工作原理、機(jī)械選用和仿真計(jì)算等基本知識的掌握程度，充分保證課程質(zhì)量，探索“交叉學(xué)科+項(xiàng)目制教學(xué)+整機(jī)設(shè)計(jì)”的實(shí)踐課程體系。