[发明专利]能摆荡抓握远距离桁架杆的攀爬桁架机器人及其控制方法

说明书

能摆荡抓握远距离桁架杆的攀爬桁架机器人及其控制方法，它涉及一种机器人及其控制方法。本发明为解决现有桁架攀爬机器人无法可靠抓握较远桁架杆和无法在桁架结构内进行连续移动的问题。机器人的手爪内侧增加了摩擦材料以提供更大的阻尼力矩；手爪上增加了陀螺仪传感器可消除高速摆荡时摩擦轮打滑的影响；并给出了综合考虑摩擦轮退转反馈机构和陀螺仪的反馈数据，生成欠驱动关节运动状态反馈的方法。提出了基于相位差的励振控制方法，并提出了一种由自然悬垂状态启动的摆荡抓杆控制方法，以及一种连续移动控制方法，进行了从自然悬垂状态启动的摆荡抓杆实验与连续移动仿真和实验，验证了所提出方法的有效性。本发明应用于攀爬桁架机器人领域。

技术领域

本发明涉及一种攀爬桁架机器人及其控制方法。

背景技术

攀爬桁架机器人是一种典型的非连续介质内的移动机器人，其应用环境不仅包括桥梁、楼宇等建筑物内的刚性桁架结构，还可用于由缆绳、锁链等搭结而成的柔性桁架(网络)结构，甚至也可被应用于自然生长的树木枝杈等非结构化复杂环境内。攀爬桁架机器人本身不包含欠驱动关节，但受重力影响，该机器人的手爪与圆形截面的桁架杆之间可以相对转动，成为了一个欠驱动关节，因此构成了一个欠驱动系统。攀爬桁架机器人的移动方式仿生于灵长类动物(猿猴)在树枝间的摆荡和抓握树枝运动，以一个手爪握住桁架杆作为支撑手，另一游动手爪在机器人欠驱动关节和主动关节相耦合的摆荡运动作用下摆向并抓握另一桁架杆，如此反复实现在非连续的桁架结构内的快速、连续移动。

日本名古屋大学福田敏男教授于1996年研制了具有一个主动关节的两杆仿生猴子机器人，成功模仿了荡树枝的移动方式，但由于所研制的仿生猴子机器人不具备腕关节，移动过程中该机器人对游动手爪位置的主动调节能力不足，且其钩形手爪无任何驱动能力，导致支撑手处欠驱动关节的运动不确定性难以消除，故该机器人很难保证抓杆的稳定性，荡树枝移动实验中经常抓杆失败并需要重新摆荡励振。

公开日为2009年5月20日，公开号为CN101434268，专利号为ZL200810209775.4的发明专利提供了一种地面移动及空间析架攀爬两用双臂手移动机器人。文中所述的机器人具有10个自由度、对称设置于中部台板上的两个第一视觉传感器、以及分别设置于左右手爪上的两个第二视觉传感器，并在左右手爪上分别设计了抓握机构和轮式移动机构，使得文中所述的机器人不仅能在具有不同断面形状和大小的桁架杆空间内灵活移动，还能以较小的能耗在地面上移动。但文中没有给出抓握圆形截面桁架杆时的摆荡抓杆控制方法。

公开日为2013年10月2日，公开号为CN103332233A，专利号为ZL201310288965.0的发明专利提供了一种三自由度攀爬桁架机器人及其大阻尼欠驱动控制方法。文中所述的机器人手爪上具有摩擦轮退转反馈机构，能够测量抓握圆形桁架杆时形成的欠驱动关节的转角，此转角在文中所述的控制方法中被用于摆荡和抓杆时其它主动关节的目标轨迹计算，使所述的机器人能够完成在圆形截面桁架杆组成的桁架结构内的摆荡抓杆运动。但所述的三自由度攀爬桁架机器人及其大阻尼欠驱动控制方法还停留在理论与仿真研究阶段，没有进行实验环境下的测试与验证，且控制方法中没有给出连续移动对应的控制方法。

此外，国内外其他学者在已发表的期刊、会议论文中也对灵长类仿生机器人的励振与抓杆运动进行了深入的研究，但现有的机器人及其控制方法存在以下问题：使用单一的视觉或惯性测量装置对欠驱动关节的运动状态进行反馈，未考虑单一传感器无法在实际环境中适应所有的复杂工况的问题；多数未考虑欠驱动关节的运动不确定性对抓杆可靠性的影响，实验过程中会发生抓杆失败的情况需要进行多次励振；励振时未考虑欠驱动关节阻尼的影响，使励振速度较慢或无法达到较大的摆动范围。