類壁虎仿生機器人機械控制及實驗

邱海飛, 張嘉友, 李成創, 許 昊, 王超輝, 彭永霄

(1.西京學院 機械工程學院,西安 710123, E-mail: qhf8386@163.com;2.西京學院 電子信息學院,西安 710123)

人類早期的一些造物活動基本都是以自然生物體為藍本,萬物之形為人類社會的創新發展提供了原動力。作為自然界中常見的一種爬行綱動物,壁虎從遠古時期演變至今,不僅在進化過程中經受住了物競天擇的考驗,而且還形成了自身所獨有的體態特征和先天功能,如在陡壁上吸附攀爬,是壁虎區別于其它爬行動物的典型標志[1]。在科學研究領域,對于仿生壁虎的探究一直備受關注和重視,而且類壁虎仿生機械的研究和發展也日益成熟,并已在民用、軍事及航天等領域獲得了廣泛應用。

目前,關于仿生壁虎的研究主要集中在吸附方式和移動技術兩方面[2],美國、日本等工業科技發達國家在這一領域處于領先水平,例如:斯坦福大學將人造橡膠制成的微小毛發應用于壁虎腳趾吸附,并利用電機和四桿機構實現了壁虎的抬腿移動;加州大學伯克利分校與Robot合作開發了輪式驅動壁虎機器人,可通過預裝和剝離粘合劑來實現壁面吸附;日本三菱重工成功研制出了可在鋼筋墻壁、天花板上吸附運動的磁性爬壁噴涂機器人,現已向市場出售和應用;日本應用技術研究所面向油罐、球形煤氣罐及船舶等大型構造壁面,推出了一種車輪式磁吸附爬壁機器人,可替代人工進行維護作業[3]。相比之下,雖然國內在爬壁機器人應用和壁虎腳掌吸附材料研究方面也取得了一定成果,但與國外先進水平還存在一定差距,國內在該領域影響較大的有哈爾濱工業大學、北京航空航天大學、上海大學及中國科學院沈陽自動化所等[4]。

本文以爬壁虎為仿生原型,設計研制了一種具有吸附攀爬、自動避障、可視探測及遠程操控功能的智能仿生機械壁虎,為懸壁勘探、險境搜救、環境監測及仿生玩具開發等提供了有效解決方案。

1 仿生思路及方法

根據壁虎體態特征和運動特點,對其軀體構造及功能進行模塊化分解,如圖1所示,將整只壁虎劃分為七大模塊,即頭部、眼睛、軀干、大腿關節、小腿關節、腳掌趾及尾部。在此基礎上,通過數字化建模、機構學仿真及單片機程序開發等,構建仿生壁虎機、電、氣控制系統和預期爬行步態,同時將現代智能控制元素與仿生機體功能特征相融合,形成一種具備智能特性的類壁虎四足仿生機器人。

▲圖1 壁虎體態模塊劃分

具體仿生功能模擬及其實現方法見表1。為使仿生機械壁虎具備良好的機動可靠性,采用機械連桿、輪組及舵機等模擬和拓展腿部關節構造。利用電磁閥、真空泵、軟管及真空吸盤等,模擬壁虎的腳掌絨毛吸附和平衡防跌,并通過有序控制不同部位吸盤的負壓通斷,實現仿生關節在墻壁上的吸附停留與攀爬運動。此外,仿生機體系統內部搭載有超聲波自動避障和無線圖傳攝像模塊,不僅能對行進中的障礙物發生快速響應和智能避越,而且可借助顯示終端實時探測、監控和分析外部環境,以此實現對壁虎視覺系統的功能模擬。

表1 仿生功能及其實現方法

2 吸附原理與實現

2.1 氣動回路

為了實現仿生機械壁虎的爬墻功能,利用真空吸盤、軟管、三通管、電磁閥和真空發生器等構建氣動回路,如圖2所示,該氣動系統由一個真空發生器產生負壓,通電工作時,氣流負壓經一個三通管分為兩路,并由兩個電磁閥分別控制負壓氣路通斷,進而使四個吸盤根據實際需要有序產生真空負壓,即每個電磁閥可同時控制兩個吸盤產生真空吸力。

▲圖2 氣流控制回路

當機械壁虎吸附在墻面上靜止不動時,兩個電磁閥都處于開啟狀態,四個真空吸盤同時產生吸力;當機械壁虎在墻面攀爬前行時,為了保持機體平衡和足夠的吸附力,在腿關節抬升過程中至少應保持兩個真空吸盤同時產生吸力,此時一個電磁閥處于開啟狀態,而另一個電磁閥處于閉合狀態。

2.2 吸附力計算

壁虎停留在垂直墻壁上時,四只腳趾產生的絨毛吸附力必須大于等于自身重量[5]。根據腿部關節構造和機身尺寸,選用直徑d=50 mm的橡膠真空吸盤,則吸盤面積S=πr2=2.52π≈19.63 cm2,其吸附力計算方法如式(1)所示。

(1)

式中:W—吸附力,N;P—真空度,-kPa;S—吸盤面積,cm2;f—安全系數,f>=2.5。

▲圖3 真空吸盤垂直懸掛

真空吸盤一般有垂直和水平兩種懸掛方式,壁虎吸附停留在墻壁上時相當于垂直懸掛[6],如圖3所示,因此,取安全系數f=8。分析承力情況可知,要使機械壁虎能夠吸附于垂直墻面之上,必須令吸盤底面與墻面之間的最大靜摩擦力Fmax大于等于機體自重Gm,如式(2)所示。

Fmax=μ·W≥mg

(2)

壁虎靜止停留于墻壁時所需吸附力W可按式(3)進行估算。已知仿生壁虎機體質量m≈1.35 kg,重力加速度g≈9.8 m/s2,吸盤表面與墻面之間的最大靜摩擦因數μ=0.45,則由式(3)可知W≥29.4 N,即最小吸附力為Wmin=29.4 N。

(3)

分析壁虎運動特點可知,為了使身體平衡,其爬墻運動過程至少有兩個腳掌同時吸附于墻面之上[7]。因此,仿生機械壁虎必須保持至少兩個吸盤同時處于工作狀態。所以,單個吸盤的真空度可按式(4)進行計算。

(4)

令安全系數f=3.5,將Wmin、S和f的值代入式(4),計算可知P≥26.21 kPa,即單個吸盤所需要的最小吸附負壓為-26.21 kPa。為保證仿生機械壁虎具有足夠安全的吸附力,在此,選用負壓為-55 kPa的真空泵作為真空發生器。

3 控制系統開發

3.1 步態分析

仿生機械壁虎可看作為一種四足仿生機器人,因此,設計其步態規劃時常采用Trot步態,如圖4所示。Trot步態是一種典型的對稱步態,由于適用于中低速跑動,而且具有較高的能量效率,所以經常被應用于四足機器人[8]。

▲圖4 步態規劃時序

當仿生機體以Trot步態運動時,對角位置的兩條腿(即:左前#1與右后#3,左后#2與右前#4)同時發生運動,并且會在半周期時刻進行切換。在理想狀態下,對角位置的兩條腿會同時抬起和落地。

為便于步態分析,令一個運動周期為1,設占空比為 0.5。分析圖4所示仿生機械壁虎運動時序可知,在初始0時刻,對角線上的左前#1與右后#3先擺動,并在接近半周期時(1-ρ)進入支撐相,與此同時,對角線上的左后#2與右前#4開啟擺動;當接近一個周期時(1.5-ρ),左后#2與右前#4進入支撐相,此時,左前#1與右后#3再次進入擺動相,并開始執行下一個運動周期[9]?？刂撇綉B運行時,在0～0.5個周期內,輸出第1組坐標,在0.5～1個周期內,輸出第2組坐標。

3.2 控制流程

根據機電系統構成和仿生功能執行要求,構建如圖5所示控制流程,打開電源開關后,首先對機體進行初始化,然后等待藍牙連接更新系統數據,在此基礎上利用串口通信執行驅動程序。避障功能通過超聲波傳感器測距來實現,當障礙物感應距離小于20 cm時,通過頭部舵機左右擺動檢測和選擇行走路徑。若左側存在大于20 cm距離的行走空間,機體執行左轉指令;若左側無障礙空間距離小于20 cm時,避障模塊執行右側距離檢測,此時,若右側無障礙空間距離大于20 cm,機體執行右轉避障,否則說明路徑不通,機體直接掉頭返回。

▲圖5 控制流程圖

仿生壁虎在平地機動時,若超聲波傳感器的無障礙感應距離大于20 cm,說明前行路徑無障礙,機體隨即啟動直行初始化指令,為直走前行做好準備。在吸附爬墻時,機體通過兩個電磁閥的開關來產生負壓吸力,與此同時,各路舵機按照Trot步態有序控制左、右腿的抬、邁、落,由此實現仿生機械壁虎的移位換步與吸附攀爬。

3.3 硬件系統開發

以Arduino開源電子平臺為依據 ,設計開發仿生機械壁虎硬件控制系統,如圖6所示,Arduino主控板集成和擴展了降壓模塊(LM2596S)、電機驅動(L298N)、藍牙模塊(hc05)、氣泵開關及電源端子等,并且通過I2C協議與舵機控制板建立通信渠道,進而實現對各路舵機的獨立控制。

▲圖6 電路硬件開發板

為了保證Arduino開發板和hc05藍牙模塊能夠平穩供電,需要通過降壓模塊LM2596S對外接電源進行降壓處理,降壓模塊LM2596S可負載5A大電流,以滿足舵機工作時的峰值電流。系統控制電路原理如圖7所示,由于舵機同時工作所需電流較大,所以電源方案采用串聯系統供電(即:3節5C的18650鋰電池),利用XL4016E降壓模塊將12 V電壓降為6 V為9路舵機供電。

▲圖7 控制電路原理圖

4 仿生造型設計

在SolidWorks2020環境下對各仿生模塊進行三維實體造型設計,從仿生學角度構建壁虎機械結構和功能特征[10],并通過虛擬裝配建立仿生機械壁虎的數字樣機,如圖8所示,在頭部前端面配置有兩個圓柱形超聲波模塊(HC-SR04),在實現機動避障功能的基礎上,形象地模擬了仿生壁虎的雙眼構造。同時,將一個具有Wifi無線圖傳功能的攝像頭安裝在上頭部前端正中間位置,可通過手機終端實時接收所拍攝的圖傳畫面,使仿生壁虎具備了真正意義上的視覺系統。

▲圖8 仿生機械壁虎數字樣機總成

仿生造型需兼顧形態、功能及結構等多方面因素,而且在仿形設計基礎上應盡量全面的實現壁虎的體態及功能模擬[11]。此外,為提高仿生機械壁虎的設計精度和可靠性,要求各三維實體零部件之間無干涉和過約束,并且從Toolbox設計庫中直接調用螺釘、螺栓及螺母等緊固件。

5 腿關節功能構造

5.1 機構學分析

仿生機械壁虎腿關節三維構造如圖9所示,其機構學原理為:舵機1通過轉軸驅動大腿關節,使其繞Y軸作往復轉動,由此實現壁虎在XOZ平面上的爬行轉向與機動換位;通過上、下連桿拓展大腿關節和小腿關節構造,使其構成平面四桿機構,并由舵機2驅動下連桿繞Z軸作往復轉動,與此同時,小腿關節在上、下連桿帶動下在XOY平面內作升降運動,由此模擬壁虎在爬行過程中的抬腿動作。

▲圖9 腿關節三維實體模型

由腿部關節構造可知,舵機2、上連桿、下連桿與小腿關節構成一個平面四桿機構,其自由度計算方法如式(5)所示[12]。由分析可知,活動構件數目n=3、低副PL=4、高副PH=0,故自由度F=1。又因為舵機1使大腿關節具備一個轉動自由度,所以整個腿部關節構造的自由度為2,與提供動力的舵機數目相同,說明腿部關節具有確定運動,符合機構學設計條件。

F=3n-2PL-PH

(5)

5.2 軌跡仿真

通過綜合控制舵機1和舵機2的轉速、轉向及轉角等關鍵參數,即可按照機構學條件實現仿生壁虎預期爬行步態。在ADMAS/View環境下對仿生關節運動軌跡進行仿真,已知所采用的舵機驅動轉速約在(53～62)r/min之間,所以將舵機1和舵機2的轉速均設定為60 r/min,并通過Step函數構建正反轉Motion驅動,以此實現對大、小腿關節的獨立控制。

Step函數通過三次多項式逼近海賽(Heaviside)階躍函數,其構成如式(6)、式(7)所示。式中:t—自變量;t0—階躍起點自變量值;h0—階躍起點函數值;t1—階躍終點自變量值;h1—階躍終點函數值[13]。

(6)

(7)

壁虎爬行過程中,大腿關節處于按照Trot步態進行前后擺動[14],此時A、B、C、D點均為動點,其運動軌跡如圖10所示,十分明顯,各動點擺動軌跡均為圓弧段,其擺動角度在0～73°之間。從起始位置和終止位置來看,各軌跡線從長到短依次為A、B、D、C,且各段軌跡線光滑無干涉,說明大腿關節運動過程平穩,具有良好的機構傳力特性。

▲圖10 大腿關節運動軌跡

與大腿關節不同,小腿關節的運動主要為升降狀態,如圖11所示,為了實現仿生壁虎的換步爬行,在小腿關節升降運動過程中,只有A點和B點為動點,而C點和D點則始終處于相對靜止狀態。通過后處理模塊測繪可知,小腿關節從起始位置運動至終止位置時,A點和B點圓弧軌跡的角度區間為0～43°,吸盤抬升高度約為33.6 mm,且各構件之間無干涉或碰撞發生,能夠很好地滿足壁虎的移位換步要求。

▲圖11 小腿關節運動軌跡

5.3 關節應力與變形

在平地支撐條件下對腿關節構造進行靜力學分析,利用WorkBench建立如圖12所示有限元網格模型,該模型共包含51 021個單元和113 289個節點。根據仿生機構連接關系定義和施加約束條件,其中,驅動大、小腿關節的舵機(MG996R型)扭矩為1.274 N·m,各運動構件之間采用實體面組接觸,并在鉸接處沿軸向施加圓柱副約束。

▲圖12 腿關節有限元模型

為保持機體平衡,應至少有兩條腿同時支撐于地面,因此,可按照式(8)計算作用于腿關節的靜態載荷,式中:P0—支撐反力;Gm—機體總重;N—支撐腿的數量;S—支撐面積。已知機體質量m=1.35 kg,支撐面積S=251 mm2,則當兩條腿起支撐作用時(N=2),根據式(8)可知,支撐反力P0≈26 354.6 Pa。

(8)

運行靜力學分析計算,獲得如圖13所示應力和變形結果。分析應力圖解可知,由于舵機扭力作用,使得大腿關節和下連桿的舵機連接端發生了明顯應力分布,最大應力出現在下連桿一側,約為15.49 MPa,如圖13(a)所示。仿生關節構件材質為光敏樹脂,均由光固化3D打印工藝制成。由于光敏樹脂的拉伸屈服強度約為60 MPa,彎曲屈服強度約為75 MPa,遠大于最大分布應力,所以腿關節構造符合強度設計安全。由靜力變形結果可知,大腿關節和小腿關節的變形量接近于0,與之相比,下連桿橫軸端附近區域發生了明顯變形,如圖13(b)所示,最大變形量僅為0.38 mm,不會影響腿關節的結構剛度安全。

▲圖13 靜力學分析結果

6 實驗測試

根據仿生壁虎的機械結構開展氣電動布局,制作如圖14所示實驗樣機,該樣機總重質量約1.35kg,機體內部配裝有Arduino開發板、真空泵、電池及其它相關電子元器件。壁虎腿關節驅動由兩路舵機共同作用實現,其中,大腿關節采用扭力為13 kg·cm的MG996R舵機,小腿關節采用扭力為2 kg·cm的MG90S舵機。為提高仿生機械壁虎的機動性,在小腿關節還配裝有可拆卸輪組,即當機體處于地面或其它地形時,可通過輪組替代吸盤進行快速移動。其它非標件如腿關節、頭部、尾巴及連桿等均由3D打印制成。

▲圖14 實驗樣機總成

仿生機械壁虎實驗測試現場實拍如圖15所示,主要包括吸附攀爬、遠程操控、超聲波避障和無線圖傳等,其中,遠程藍牙有效測控距離約為50 m～80 m,藍牙模塊(hc05)與Arduino開發板之間采用實時串口通信。壁虎頭部最前端的超聲波模塊HC-SR04通過聲波反射時間差計算障礙物實際距離,單片機接收到聲波檢測信號后會控制壁虎自動避開障礙物。

▲圖15 仿生機械壁虎功能測試

在操控仿生機械壁虎時,首先需在手機終端與Arduino系統之間建立藍牙連接,然后對控制系統執行初始化命令,使機體的運動、吸附、視覺、避障等功能處于就緒狀態,在此基礎上通過手機交互控制終端對其開展實驗研究,以檢驗機體的各項仿生功能。多次實驗測試表明,該仿生機械壁虎能夠快速響應智能操控要求,具有良好的運行穩定性和機動能力。

7 結語

本文從仿生學角度準確模擬了壁虎的功能構造和運動形態,實現了仿生機械壁虎的“機、電、氣、智”多維度一體化設計,并通過樣機測試驗證了仿生設計思路的正確性與可行 性,為爬行綱動物的仿生設計提供了創新思路和技術導引。相對于以往同類研究,該仿生機械壁虎不僅機動靈活、智能可控,而且同時兼容了吸附攀爬、自動避障、可視勘探及遠程操控等實用功能,具有可期的實踐發掘潛力與應用前景。

盡管如此,該仿生機體仍存在很大改進空間,如電源供應問題和高空作業安全性等。在后續研究探索中,可考慮采用光伏供電,以提高電源續航能力和戶外環境適應性,同時應為機體配置智能降落傘,消除高空墜落安全隱患。