基于ＭＰＣ的仿生尺蠖機(jī)器人運動控制

摘 要：【目的】隨著科技的日新月異，人們的生活環(huán)境也在發(fā)生著巨大的變化。工業(yè)化的聚集以及人口密度的增加促使建筑不斷向上增高或向下延伸，出現(xiàn)了很多人們不方便到達(dá)或是無法到達(dá)的地方，但這些地方機(jī)器人卻可以到達(dá)。目前機(jī)器人最熱門的研究方向之一是非常規(guī)結(jié)構(gòu)機(jī)器人，通過精簡自身的冗余結(jié)構(gòu)以及體積，增加對應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人可以在不適宜人們工作的地方代替人們進(jìn)行相應(yīng)的工作?！痉椒ā垦兄屏艘豢钸m合攀爬的仿尺蠖機(jī)器人。針對優(yōu)化尺蠖機(jī)器人在運動過程中的步態(tài)問題，提出了基于模型預(yù)測控制（ＭＰＣ）的仿生吸盤式尺蠖機(jī)器人運動控制方法。根據(jù)章魚的吸盤結(jié)構(gòu)設(shè)計了仿章魚負(fù)壓式吸盤以及吸盤控制模型，利用氣壓傳感器反饋的數(shù)據(jù)實現(xiàn)閉環(huán)控制；基于ＭＰＣ仿生吸盤控制器提出了基于模型預(yù)測仿生吸盤控制的仿尺蠖機(jī)器人運動步態(tài)?！窘Y(jié)果】機(jī)器人仿真實驗和測試結(jié)果表明，基于ＭＰＣ仿生吸盤控制器（ＭＰＣＢＳＣ）在吸盤氣壓優(yōu)化上相較ＰＩＤ控制有明顯優(yōu)勢，ＭＰＣＢＳＣ仿尺蠖機(jī)器人可以在水平和豎直的瓷磚平面完成“Ω”型運動步態(tài)。本文的主要研究結(jié)果如下：設(shè)計了仿章魚負(fù)壓式吸盤，并提出了吸盤控制模型。在負(fù)壓控制下，可以調(diào)整吸盤的吸附壓力以滿足軀干結(jié)構(gòu)運動對吸附力的需求。提出了基于ＭＰＣ的仿生吸盤控制算法，該算法通過調(diào)節(jié)真空泵流速進(jìn)而實現(xiàn)對吸盤吸附力的調(diào)節(jié)。設(shè)計了仿生吸盤式尺蠖機(jī)器人，其軀干結(jié)構(gòu)安裝了４個縱向伺服電機(jī)和２個橫向伺服電機(jī)，可以實現(xiàn)“Ω”型運動步態(tài)和轉(zhuǎn)向步態(tài)。提出了ＭＰＣＢＳＣ的運動步態(tài)規(guī)劃，實現(xiàn)“Ω”型運動步態(tài)和轉(zhuǎn)向步態(tài)。實驗測試了仿生吸盤的性能，驗證邊緣結(jié)構(gòu)對仿生吸盤吸附力的作用?！窘Y(jié)論】通過仿真實驗測試了基于ＭＰＣ的仿生吸盤控制算法的可行性，實驗驗證了仿尺蠖機(jī)器人可以在不同傾角、不同材質(zhì)的平面上實現(xiàn)“Ω”型步態(tài)和轉(zhuǎn)向步態(tài)。本文研制的仿生吸盤結(jié)構(gòu)為機(jī)器人的吸附功能拓展了應(yīng)用場景，降低了吸附功能的復(fù)雜性；提出的“Ω”型運動步態(tài)對異形機(jī)器人的運動具有很好的參考價值，使其能夠在復(fù)雜地形下進(jìn)行簡單高效的運動。

關(guān) 鍵 詞：仿生吸盤；仿生尺蠖；機(jī)器人；運動規(guī)劃；機(jī)械設(shè)計；電機(jī)控制；嵌入式系統(tǒng)；姿態(tài)控制

中圖分類號：ＴＰ２４２．６ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 文章編號：１０００－１６４６（２０２５）０１－０１２４－０６

仿生機(jī)器人是機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要分支。目前應(yīng)用的仿生機(jī)器人實現(xiàn)了模仿自然界中人或動物的部分結(jié)構(gòu)［１］或運動特性［２］。但在某些特殊環(huán)境中，例如在工業(yè)環(huán)境檢測、地震現(xiàn)場搜救和傳輸管路探查等情況下，常規(guī)仿生機(jī)器人［３］無法正常行走，以至于無法完成檢測、搜救等任務(wù)。為了解決該類問題，研究人員將目光放在可以在狹小空間移動的昆蟲上，希望利用仿生技術(shù)實現(xiàn)該類機(jī)器人的運動以滿足工業(yè)現(xiàn)場的特殊需求。

本文借鑒了尺蠖和章魚兩種生物的身體結(jié)構(gòu)［４－７］，除了根據(jù)其身體結(jié)構(gòu)以及運動方式建立合理的數(shù)學(xué)模型外，還對結(jié)構(gòu)模型設(shè)計了相應(yīng)的控制方法。在機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的控制方法是正逆運動學(xué)分析［８］，這是分析機(jī)器人運動的根本方法。對于非常規(guī)結(jié)構(gòu)機(jī)器人，相關(guān)人員側(cè)重于對運動步態(tài)規(guī)劃的研究，并提出了一些應(yīng)用于優(yōu)化運動姿態(tài)的方法［９－１０］；另外部分研究針對機(jī)器人運動路徑的規(guī)劃，依托多傳感器的融合為機(jī)器人規(guī)劃出一條可行的運動路線［１１－１２］。

本文設(shè)計了仿章魚的負(fù)壓式吸盤結(jié)構(gòu)，提出了基于模型預(yù)測控制（ＭＰＣ）的吸盤控制方法［１３－１４］，設(shè)計了仿生吸盤式尺蠖機(jī)器人，并提出了基于模型預(yù)測仿生吸盤控制（ＭＰＣＢＳＣ）的運動步態(tài)規(guī)劃。通過實驗驗證了基于ＭＰＣ的仿生尺蠖機(jī)器人在不同傾角平面上實現(xiàn)“Ω”型運動步態(tài)的可行性。