张连滨;葛浙东;刘传泽;曹正彬;周玉成
【摘 要】人工高空作业具有一定危险性,且工作效率低、工作难度大,采用攀爬机器人代替人工作业在安全性、稳定性及精确性等方面具有明显优势;杆状物攀爬机器人作为一个新兴的研究领域,国内外虽有较多研究,但仍处于试验阶段,未达到大规模推广使用的条件;因此,有必要总结现有成果,更好地完善攀爬机器人系统的研发与应用;文章通过分析国内外杆状物攀爬机器人技术和应用现状,从运动机构分析、自主行为控制与导航、远程通信、监测与遥操作4个方面,详细阐述了现存爬树爬杆类机器人的关键性技术问题,旨为杆状物攀爬机器人下一阶段的研究提供新的想法和方向.%High-altitude operations have certain risks for workers,and except for the operating difficulty,the working efficiency is low.Climbing robots can substitute manual work,and they have obvious advantages in terms of safety,stability and accuracy,etc.Although researchers have done a lot of studies on the climbing robot,as an emerging research area,it is still in the experimental stage and has not reached the conditions for wide application.Thus,it is necessary to review current achievements,in order to improve the development and application of climbing robot system.Based on the analysis of technology and application status of climbing robot,in this paper,key technologies of climbing robot are discussed in detail from four aspects,including motion mechanism design,autonomous behavior control and navigation,remote communication.The objective of this paper is to provide a new suggestion and direction for the robot research in the next stage.
【期刊名称】高压水冲《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2018(026)001
【总页数】5页(P1-5)
【关键词】杆状物;攀爬机器人;运动机构;自主行为控制
【作 者】张连滨;葛浙东;刘传泽;曹正彬;周玉成
【作者单位】山东建筑大学信息与电气工程学院,济南250101;山东建筑大学信息与电气工
程学院,济南250101;山东建筑大学信息与电气工程学院,济南250101;山东建筑大学信息与电气工程学院,济南250101;山东建筑大学信息与电气工程学院,济南250101
【正文语种】中 文
【中图分类】TP242
0 引言
高空极限工作环境如电力抢修、楼宇修缮、清洗喷涂等[1-4]，通常具有劳动强度大、工作时间长、工作事故频发等特点。因此，研究替代人工完成作业的攀爬机器人，已成为国内外机器人领域重要的研究方向[5-6]。近些年，机器人技术发展迅速，部分已应用于医疗、工业、农业和林业等领域。攀爬机器人作为一种特殊机器人，受使用环境、功能和安全性的限制，仍处于试验阶段。因此，解决机器人的攀爬技术难题，降低高空作业危险，提高作业工作效率，替代人类完成监察、检测与维修等工作，具有十分重要的研究价值和意义[7-8]。 攀爬机器人是高空作业系统中重要的研究课题之一，国内外对于攀爬机器人的研究很多，
但各项技术研究还未达到智能化和自动化水平。因此，本文基于攀爬机器人的研究成果，着重分析机器人研究中的关键技术问题，以期为攀爬机器人后续研究工作提供参考。
1 国内外研究现状
纱目前，攀爬机器人主要应用于高空作业。20世纪80年代，美国、日本等发达国家先后开展了攀爬机器人研究工作，自2000年以来，国内一些大学和科研院所等陆续开展了攀爬机器人研究工作，并取得一定的研究成果。早期，日本早稻田大学成功研制WOODY-1 爬树机器人(图1)，该机器人通过两个环形夹持器的交替运动使得机器人沿着树干上下移动[9]。由于机器人过于笨重且不易控制，随后该大学对其进行了改进，研制出WOODY-2爬树机器人(图2)，不仅简化了夹持机构，而且由原来的电机驱动变换为多关节协调运动的移动方式[10]。西班牙科学家基于 Stewart-Gough 并联平台，成功研发了一种环抱式攀爬机器人CPR(图3)，该机器人装配4组夹紧机构，实现对树干的径向夹紧与松开动作，结合万向节完成机器人六自由度的定位与定向[11]。MIT 的Yeoreum Yoon和Daniela Rus设计了一款可在三维桁架上攀爬的机器人Shady3D(图4)，通过躯干部分的3个自由度，保证机器人在平面任意角度桁架间移动，完成攀爬过渡动作。但该机器人存在一定的局限性，其行走动作
受步距值的约束，行走方式与灵活性也没有达到人们理想的运动状态[12-13]。葡萄牙的 Mahmoud Tavakoli 等[14]成功研制出了一款爬杆机器人3D Climber(图5)，机器人由1个4自由度的串联攀爬机构和2个夹持机构组成，通过电机驱动实现对圆杆的夹持动作。与Shady3D相比，3D Climber具有能在弯曲圆杆上攀爬的优点，且可操作性更强，但3D Climber的整体结构比较复杂，运动速度缓慢。伊朗也成功开发出一种爬杆机器人 UT-PCR(图6)，通过驱动3组攀爬轮正、反向旋转，控制机器人沿杆状物上、下移动，但攀爬轮易滑动的特点导致机器人攀爬动作不稳定[15]。Carnegie Mellon University，Stanford University，University of California等[16]多所大学合作开发出了一款六足机器人Rise(图7)，具有速度快、抓持能力强等优点，但是由于其采用多足协调运动的攀爬方式，控制系统较为复杂。
图1 WOODY-1 图2 WOODY-2
图3 CPR 图4 Shady3D
图5 3D Climber 图6 UT-PCR 图7 Rise
在国内，管贻生等[17]设计了一款双手爪爬杆机器人Climbot(图8)，机器人末端2组夹持器可交替夹紧和松开杆状物，完成攀爬动作。由于其在避障和杆间过渡方面有明显的优势，因此可应用于建筑和化工等高空作业领域。香港中文大学Tin Lun Lam和Xu Yangsheng等[18]研发了一种小巧的爬树机器人Treebot(图9)，该机器人具有较高的自由度和优越的扩展能力，同时还配备全方位的树木夹持器，使机器人粘附于不同直径的树木，适应复杂的攀爬环境。国内其他高校，如华南理工大学、哈尔滨工业大学等在攀爬机器人研究方向也做了很多努力，其成果为攀爬机器人后续的研究工作积累了丰富的经验[19-20]。
图8 Climbot 图9 Treebot
攀爬机器人作为高空作业机器中的一种，已初步具备代替人类完成简单高空作业的能力，鉴于高空作业环境复杂，对机器人结构、功能、通信等方面要求较高，现有技术还需进一步发展和完善。
2 高可靠性运动机构分析
可靠的运动机构是保证攀爬机器人高空作业的基础[21-22]，其运动机构设计需满足如下几
项技术指标：1)可实现在复杂环境下的平稳爬行，具有向上、向下、旋转和启停能力；2)具有故障自保护措施和防摔落机制；3)具有一定的载重能力，可搭载设备完成相应高空作业；4)具有灵活的越障能力，可避越高空环境下诸如线塔、树分支等障碍，并在越障时保证机器人姿态平稳。
机器人攀爬作业过程中，在保证承载设备安全的情况下，不能损伤被攀爬物。因此，针对攀爬对象的不同结构特点，需研制新型无损伤夹紧机构[23-25]，目前可采用的夹紧方式有环抱式、钩爪式、夹持式等，各夹紧机构的原理及特点如表1所示。
表1 攀爬机器人不同夹紧方式分析夹紧方式代表类型攀爬对象优点不足环抱式CPR[27]UT-PCR[15]无分叉的杆状物固定直径的柱状物夹持力均匀运动稳定缺乏越障能力钩爪式Treebot[18]Rise[16]质地软的木杆表面粗糙的树木攀爬能力强越障能力较强易损伤攀爬对象夹持式Climbot[26]3DCLIMBER[14]攀爬对象直径不是太小即可抓夹速度快机动性强控制过程复杂
通过表1分析得知，不同的攀爬对象，对机器人夹紧机构要求不同。不仅需要夹紧机构具有夹持力度，还要求其不对攀爬对象造成损害。因此，需要针对攀爬环境，研发出一款可靠
的运动机构，比如，通过研制气囊夹紧机构等新发明、新想法，保证攀爬机器人代替人类完成复杂的高空作业。
3 机器人自主行为控制
攀爬机器人不同于常规机器人，高空环境作业时，运动姿态变化较大。考虑到越障、载物作业运动过程中受摩擦力、重力等因素影响，实现机器人自主行为控制难度较大[28-29]。为提高机器人智能化和自动化水平，实现机器人自主攀爬、避障和高空作业，需要解决如下技术问题。
3.1 攀爬机器人动力学建模与分析
准确的动力学建模是实现攀爬机器人运动控制、导航和越障的前提。攀爬机器人动力学建模需要考虑以下问题。
1)必须考虑机器人与攀爬对象间的非线性动力学耦合特性。由于攀爬机器人所处高空环境具有强干扰、动态等特征，使攀爬机器人成为十分复杂的控制对象[30-31]。同时，机器人在直线越障或者变向作业时，由于自身姿态调整引起机器人重心不稳定，使夹紧装置给攀
爬对象一个反作用力，这样，攀爬机器人与攀爬对象间构成了一个强耦合系统。
2)考虑攀爬机器人在复杂的环境作业中自身结构参数的变化。为了提高攀爬和作业效率，机器人应尽可能轻质高速，减少攀爬过程中因构件破损或变形等自身因素带来的影响。因此，在机器人高空作业时，综合考虑上述问题对攀爬机器人动力学研究是十分必要的。
电解水杯3.2 攀爬机器人运动控制
机器人根据计算机下达的控制指令实现精准的运动控制，以保证机器人顺利、精确的完成攀爬作业。此时，采用传统控制策略很难满足实际控制要求，综合考虑攀爬过程中不确定性因素对机器人动力学特性的影响，需结合自适应控制、滑模变结构控制、鲁棒控制、视觉伺服控制、模糊控制或神经网络等智能控制方法，实现攀爬机器人在高空作业环境下的精确运动控制。
在设计控制系统时可采用如图10所示的分布式架构，即将总系统分为后台管理层、数据通信层和移动终端层，协同完成攀爬机器人夹紧机构和高空作业执行机构的运动控制。
空调控制板
图10 攀爬机器人运动控制系统结构
后台管理层包括机器人后台监控计算机、硬盘录像机、硬件控制与分析软件系统等；数据通信层主要是保障管理层与智能终端层的网络数据的传输；移动终端层包括攀爬机器人、安全防护系统、电源管理系统和多传感器监测系统等。管理层是攀爬机器人系统的监控中心，通过无线网络与攀爬机器人进行数据传输，发送攀爬任务和实时的监视、遥操作等数据。移动终端层中的攀爬机器人是整个系统的移动载体，也是机器人信息采集、运动控制的载体，可以对当前攀爬机器人运动状态进行识别，并接受和执行控制指令；同时，可以对攀爬机器人进行协调控制，以实现路径规划处理与避障，完成传感器的信息处理与传输。
3.3 攀爬机器人导航技术
导航是智能攀爬机器人实现自主控制需要解决的重要问题，而环境感知与建模、定位和路径规划被称为机器人导航的三要素[32]。
音乐枕头3.3.1 环境感知与建模
攀爬机器人完成自主导航，需要根据传感器信息识别多种环境信息，如攀爬物体边界、攀
爬物体形状、高空障碍等，通过环境感知确定前进方向中的可达区域和不可达区域，为局部路径规划提供依据。机器人在攀爬过程所用到的传感器种类较多，如超声波和红外测距传感器，可用于障碍物检测；激光雷达和视觉传感器，可用于环境感知和建模。因此，攀爬机器人采用多信息融合技术，综合利用多种传感器获取信息，增强环境的适应性，便于完成攀爬作业。
3.3.2 定位剖布机
攀爬机器人定位就是确定其在高空环境中相对于坐标系的位置及方向。目前机器人定位方法主要有惯性定位、卫星定位、地图模型匹配和仿生导航定位技术等[33-34]。其中，惯性定位是使用陀螺和加速度计分别测量旋转率和加速率，获得机器人本体实时位置、速度、姿态等信息，但惯性误差经过积分产生无限的累积，这对于长时间的高空攀爬作业很难实现精确定位；卫星定位适用于室外无遮挡时对机器人定位，这对攀爬机器人的高空作业具有较高的引导作用；地图模型匹配是一种机器人利用其自身的传感器创建一个自己的局部环境的技术，然后把局部地图与保存在内存的全局地进行比较，进而计算出自己在环境中的真实位置和方位。该技术对构造的传感地图的精度有严格的要求，当前只限于实验室或
相对简单的环境。仿生导航技术是利用人和其它动物生活中的一些功能系统，根据视觉、听觉、味觉等信息的处理原理，模仿出类似的定位与导航系统，在一些特种环境下有相当的应用需求。基于上述分析，针对不同作业环境下对机器人定位精度的要求，可融合2～3种定位技术确定攀爬机器人作业位置，进而保证机器人精确完成攀爬任务。
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