可變形機器人自主攀爬樓梯控制研究①

常 健 王亞珍 李 斌

(*中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室 沈陽 110016)(**浙江省特種設備檢驗研究院 杭州 310015)

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可變形機器人自主攀爬樓梯控制研究①

常 ?、?王亞珍**李 斌*

(*中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室 沈陽 110016)
(**浙江省特種設備檢驗研究院 杭州 310015)

設計并實現了一種機器人自主攀爬樓梯系統，研究了復雜環境下可變形機器人自主攀爬樓梯的控制方法。通過分析樓梯面與機器人履帶的接觸方式，包括梯面打滑、棱刺打滑、履帶打滑等，確定了機器人進行梯面翻越、梯面行走時不打滑的條件，以提高機器人的爬行效率。對傳感器的感知信息進行濾波，以提高機器人的感知能力，確定樓梯的首末臺階，進而制定有效的爬行策略。通過對整個控制系統進行建模分析，建立了系統的軟件流程圖；通過對多種典型樓梯環境進行試驗，驗證設計方法的有效性及較好的魯棒性。

可變形機器人， 攀爬樓梯， 自主控制， 履帶接觸

0 引 言

災后復雜的救援環境嚴重阻礙了搜救人員快速有效地進行救援，因而有效利用機器人輔助搜救的研究得到廣泛的關注。要實現機器人的應用，必須研究機器人的控制。本人研究了可變形機器人自主攀爬樓梯的控制，因為樓梯是廢墟樓宇環境中的典型阻礙物之一。機器人攀爬樓梯的過程較為復雜，難以對其進行有效控制，因而研究機器人爬樓梯控制具有重要的實際意義。機器人能否有效爬樓梯是評價機器人運動性能的重要指標之一。

通過與參加蘆山地震搜救任務者的交流發現，采用遠程遙控的方式操作機器人攀爬樓梯易出現以下問題：樓梯環境狹小時難以準確有效控制機器人；通信及視頻信號被阻斷時機器人無法繼續行進作業任務。因此研究機器人自主攀爬樓梯的控制方法能夠極大地減輕操作人員的負擔且在通信中斷時機器人能夠繼續完成作業任務，使其應用范圍得到加強。研究發現，國內外對機器人攀爬樓梯的控制主要停留在遙控的方式，也就是說操作者需要實時觀測到外界環境信息及機器人本體運動狀態信息，主觀人為地執行相應的控制策略去操控機器人完成爬樓梯任務，這種控制方法在很大程度上依賴于操作人員的工作經驗。但是由于廢墟環境中惡劣的通信條件，通信信號在傳輸過程中損耗巨大，機器人可能處于操作“盲區”，此時就需要廢墟搜救機器人具有自主能力，能夠自主攀爬樓梯。

國內外專家對機器人攀爬樓梯的研究取得了一定的進展。多倫多大學研制的LMA機器人[1]具有較好的攀爬樓梯的能力，可以利用機器人的履帶構型的改變翻越障礙物，同時利用相應的算法使得機器人能夠避免傾翻。韓國大學設計MACbot機器人[2]，利用其特有的四履帶行進，機器人可以選擇常規運動模式和越障模式，其模式的選取依靠每個履帶模塊電機轉動的方向。中國科學院沈陽自動化研究所李斌等研制的水路兩棲可變形履帶機器人平臺[3-5]，對機器人翻越樓梯的基本過程進行階段劃分，并進行運動學和準靜態力學分析，針對翻越樓梯過程的各階段建立模塊聯合運動協調準則、防止傾翻準則和防止干涉準則，實現機器人翻越樓梯運動的實時在線預測控制。北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室研發的關節式履帶機器人[6]能夠適應復雜地形并具有攀爬樓梯的能力，并提出了一種基于動態穩定性準則的爬樓梯控制方法。在兩前擺臂的輔助下，該機器人能夠攀爬樓梯的最大臺階高度為192mm，寬度為349mm。哈爾濱工業大學的胡慶龍設計的機器人[7]具備完成正常的直線行走、原地轉彎以及野外路面的行走的基本性能，并且機器人按照規劃實現了自主爬樓梯的功能。本研究提出了一種適應復雜環境的可變形機器人自主攀爬樓梯的控制方法，該方法可有效減輕搜救人員狹小環境下操控機器人的負擔，同時使機器人有一定的自主能力，可以在通信中斷時自主攀爬樓梯，跳出通信盲區，繼續執行任務。

1 可變形機器人及攀爬樓梯過程分析

傳統固定構型的機器人由于機構單一，運動能力有限，使其使用受到了限制。而對于可變形機器人而言，其本身的形狀可以根據不同的任務靈活改變，其環境適應性和空間通過能力得到了提升，適用于復雜非結構的廢墟環境，因此本部分將對機器人本體的運動特性及攀爬樓梯的過程進行詳細的分析。

1.1 可變形機器人

由中國科學院沈陽自動化研究所自主設計和研制的可變形機器人AMOEBA-I[8-10]適用于災難發生后的搜救環境，其特有的變形能力能夠適應多種復雜危險環境。常用的構型包括：三角構型、直線構型、并排構型及“d”構型，如圖1所示。圖3描述了機器人采用三角構型的樓梯攀爬情況。機器人處于不同的構型具有不同的運動能力[11-13]，如表1所示。相比于其他構型，三角構型具有較好的對稱性及越障性，這些特性使其成為最優攀爬樓梯的構型，因此本文主要研究基于三角構型的機器人自主攀爬樓梯控制方法。

圖1 可變形機器人AMOEBA-I常用構型

越障性抗傾翻性轉向性通過性三角構型較好較好較好差并排構型差較好很好差直線構型很好一般差很好d構型較好較好一般一般

1.2 機器人攀爬樓梯策略分析

機器人攀爬樓梯的過程如圖2所示，本文只考慮攀爬樓梯的過程，包括樓梯接近、樓梯攀爬和梯面翻越等，對樓梯的識別不再考慮，其中樓梯的攀爬包括梯面爬升和梯面行走兩部分，建模過程參照文獻[14]。

圖2 機器人攀爬樓梯過程

判斷機器人能否有效地攀爬樓梯的指標主要包括：機器人能否保證攀爬過程的安全性(躲避障礙物及遠離墻面)；機器人能否快速地攀爬樓梯(較少的方向調整)和機器人能否以較少的能耗攀爬樓梯等方面。本文研究針對室內環境下的標準樓梯(符合國標)，機器人首先利用超聲傳感器對樓梯進行識別，當測量值到達傳感閾值時，機器人開始利用俯仰關節抬頭及攀爬樓梯，此時制定的策略是保證攀爬能量最優。當機器人進行梯面行走時，制定策略使機器人能夠安全行駛，最后計算動力學特性保證末階翻越的有效性。

(a) 機器人采用三角構型接近樓梯首階

(b) 機器人開始攀爬樓梯首階

(c) 機器人進行梯面行走

(d) 機器人進行末階翻越

當機器人進行末階翻越時，需要精準判斷末端臺階的位置高度信息，通過安裝在機器人特殊位置的傳感器可以實現。依照樓梯國標，PrdPrs

(1)

為了有效探測距離，傳感器不能與機器人履帶產生干涉，因此需要保證

(2)

(3)

設定PPvar為閾值，用以確定機器人能否準確到達樓梯頂端。

(4)

(5)

(6)

當傳感器返回的數值大于PPvar時, 機器人能夠識別出末端樓梯，然后進行梯面翻越。

1.3 機器人梯面行走運動力學分析

履帶與梯面的接觸打滑方式主要分為3種：梯面打滑、履帶打滑和棱刺打滑，如圖4所示。

圖4 履帶與樓梯接觸方式的多種打滑現象

當0°≤θM≤θS時，易發生梯面打滑現象, 因此切向力和法向力必須滿足式下式：

(7)

當N1>0, N11=F1sinθM+N1cosθM>0時，確定不打滑的條件：

(8)

當θS≤θM≤90°時,棱刺打滑現象可能發生，此時切向力和法向力滿足下式：

(9)

這里N1>0,N11=F1sinθs+N1cosθs>0,利用式

(10)

可得到不打滑的條件。

當θL≤θM≤90°-θL時，履帶打滑的現象發生, 可以得到不打滑的條件滿足下式：

(11)

這里N1>0。

2 機器人自主攀爬樓梯系統的設計和實現

2.1 機器人控制系統硬件設計

機器人攀爬樓梯的運動控制采用遙操作控制模式還是采用自主運動控制模式，由操作人員確定。本文的研究重點為采用自主運動控制模式。當機器人采用遙操作控制模式進行運動控制時，機器人自主運動系統處于休眠狀態；當機器人確定為采用自主運動模式進行攀爬樓梯運動時，自主運動控制與決策系統主控單元通過無線通信模塊獲取自主運動控制模式控制指令，自主運動系統被激發，處于激發狀態。

可變形搜救機器人自主運動系統由感知系統和控制與決策系統兩大部分組成，如系統控制設計圖(圖5)所示。

圖5 系統控制設計圖

圖5中“傳感器n”中的n代表2～8，其中，傳感器1、傳感器2、傳感器3、傳感器4、傳感器5和傳感器6分別為超聲波傳感器A、超聲波傳感器O、超聲波傳感器C、超聲波傳感器D、超聲波傳感器E和超聲波傳感器F，傳感器7為三維電子羅盤傳感器，傳感器8為傾角傳感器。

當自主運動系統處于激發狀態時，控制與決策主控單元通過CAN總線向各傳感器控制單元發送數據采集指令，傳感器控制單元對CAN總線所傳輸數據進行解析。當傳感器控制單元被控制與決策主控單元通過CAN總線發送的采樣指令激發后，傳感器控制單元向傳感器發送觸發信號，觸發傳感器進行數據采集，傳感器控制單元將傳感器采集的原始數據進行數據預處理，并將預處理后的傳感器量測數據通過預定的通信協議發送到控制與決策主控單元(采用的CAN協議，擴展幀，位速率500kbps)。

可變形機器人自主運動系統控制與決策主控單元根據感知系統獲得的采樣數據，對機器人的當前狀態進行分析，并根據感知系統的采樣數據和機器人的當前狀態，通過無線通信模塊(通信頻率433MHz)向機器人發送控制指令，如圖6所示。

圖6 控制系統各模塊之間的連接

控制器具有兩個串口接口，分別為UART0和UART1，控制與決策主控單元需要UART0和UATR1兩個UART接口進行通信。本文分別對兩個串口模式寄存器、串口控制寄存器和數據輸入輸出寄存器進行初始化設置，確定UART的工作時鐘、工作模式、通信波特率、數據位等信息。UART的數據傳輸格式為“9600，n，8，1”，即波特率為9600bps、無機偶校驗位、8個數據位和1個停止位。

為保持系統的潔凈與精簡，提高程序的可讀性，保持系統便捷地通過UART進行數據傳輸，本文將UART發送和接收功能代碼函數化。UART0和UART1數據發送函數采用查詢方式實現，UART1 數據接收函數采用中斷方式實現。

基于CAN總線設計了控制單元間的通信協議，如表2所示，為控制器網絡的通信協議表。采用CAN2.0B版本的CAN總線技術規范，該總線技術規范包含標準幀和擴展幀兩種幀模式，此處采用擴展幀模式，報文采用數據幀，位速率為500kbps。表3所示為CAN總線的ID標識表。本文對系統的所有傳感器、控制模式選擇單元和控制與決策主控單元賦予獨立的ID，通過ID的不同區分不同的單元。為滿足控制器網絡通訊數據的完整性和可讀性等要求，本文對CAN總線通信的數據區進行了規范，如表4所示。該表為CAN總線數據格式規范表。

表2 控制器網絡通信協議表

表3 ID標識表

表4 數據傳輸協議表

2.2 機器人控制系統軟件設計

整個控制系統的軟件流程如圖7所示，各模塊的主要功能如下：

(1) 傳感器預處理模塊：統一各傳感器量測數據格式和傳感器量測數據數據濾波。由于采用多種不同類型傳感器量測的數據具有不同的數據格式和物理意義，根據上文的數字濾波算法進行傳感器原始數據的數字濾波。

(2) 機器人狀態分析模塊：機器人在運動過程中的狀態分析。機器人的狀態通過相應的狀態標志位進行表示和區分?；诟兄到y通過各傳感器獲得的距離、傾斜角度、航向等量測數據，狀態分析模塊分析機器人當前運動狀態的所屬環節、是否滿足位姿調整條件，并根據狀態分析結果置位相應的狀態標志位。該過程為基于數據的定量分析。

(3) 機器人運動決策模塊：進行機器人運動決策并向機器人發送運動控制指令。針對機器人狀態分析模塊的定性分析結果，結合基于機器人運動學分析的預定運動目標和傳感器量測數據，對機器人的下一步運動動作進行決策。決策結果以運動控制指令的形式通過無線通信模塊向機器人進行發送。

3 實驗驗證與分析

可變形機器人AMOEBA-I的主要參數如下:

l——單個模塊的長度為 42cm；

w——單個模塊的寬度為12cm；

k——連接桿的長度，為 22cm；

Δm=5.7kg，m=5kg。

圖7 系統軟件流程圖

對于固定在機器人上的傳感器包括6個超聲波傳感器(HC-SR04)、一個3D羅盤(SEC345)、一個激光傳感器(URG-04LX) ，具體參數如表5所示。

表5 機器人本體所攜帶傳感器參數

圖8所示為超聲波傳感器在樓宇廢墟環境下對樓梯踏步進行距離檢測所獲得的采樣數據和經過數字濾波后得到的數據，濾波算法采用的是限幅濾波算法。

其中閾值M的確定必須充分考慮可變形廢墟搜救機器人利用超聲波傳感器在實際環境下的采樣數據特點確定。

由于廢墟環境下，可變形廢墟搜救機器人附近80cm范圍內的物體對機器人運動產生的影響較大，超聲波傳感器在80cm范圍內的量測誤差絕對值不超過3.1cm；同時，機器人在運動過程中，采集所處環境距離數據時，相鄰兩次所采集的距離數據數值之差的絕對值小于5cm。綜合上述分析，閾值參數M應同時滿足M≥3.1和M≥5兩個條件的同時，取最小值。因此，A的值最終確定為5cm。

圖8 超聲波傳感器的原始數據和濾波后得到的數據

攜帶多種傳感器的可變形機器人如圖9所示。

圖9 攜帶多種傳感器的可變形機器人

可變形機器人攀爬樓梯的過程如圖10、圖11所示。為了驗證方法的通用性，選取三種樓梯環境如圖12所示，包括：一側是墻的樓梯，兩側都是墻的樓梯，兩側都是扶手的樓梯。

圖10 機器人自主攀爬一側有墻的樓梯

圖11 機器人自主攀爬兩側都是扶手的樓梯

(a) 一側是墻的樓梯 (b) 兩側都是扶手的樓梯

(c) 兩側都是墻的樓梯

首先，利用固定在機器人本體前方的傳感器返回的閾值M，判斷是否到達樓梯，如果機器人檢測到樓梯信息，立刻進行抬頭和接近樓梯的動作。附仰關節的角度設置為 12°(針對的符合國標的樓梯)，φP=φ1+φ0。當機器人開始進行首階翻越時， 由羅盤測得φP，φP=φ1-φ0，將迅速變化。

為了驗證方法的魯棒性，在每種樓梯環境下進行30次實驗，結果如表6所示?？梢钥闯鰴C器人攀爬兩側都是墻的樓梯能夠保證較好的安全性及行駛效率，對于兩側都是扶手的環境，機器人行駛在安全區域的次數大大降低，這主要與傳感器的觀測能力密切相關。

表6 機器人行駛在不同的樓梯環境的表現

圖13機器人自主控制軟件控制界面圖。右上角的自主運動包括機器人自主攀爬樓梯、自主越障及SLAM等，通過此控制軟件，操作者可以更加方便地操控機器人、當接近樓梯的時候，只需要點擊自主攀爬樓梯按鈕，機器人即可完成相應運動。

圖13 機器人自主控制軟件控制界面

4 結 論

本文提出了一種機器人自主攀爬樓梯的控制方法，可以有效減輕搜救人員在狹小環境下操控機器人的負擔。機器人具有一定的自主能力，可以在通信中斷時自主地攀爬樓梯，跳出通信盲區，繼續完成任務。為了驗證結果的有效性及魯棒性，選取了多種不同類型的樓梯，同時進行了數十次的實驗。

通過實驗發現，機器人自主攀爬樓梯的成功率與樓梯環境關系較大，當處于兩側都是扶手的樓梯時，機器人自主爬行的成功率較低，在兩側都是墻的條件下，機器人能夠有效地自主攀爬樓梯。本研究中的樓梯都是符合國標標準的樓梯，對于災難廢墟環境而言，樓梯可能變形、斷裂及傾斜等，這就需要機器人具有更好的適應性，未來的工作將圍繞這部分展開。

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Research on the autonomous stair climbing control of shape-shifting robots

Chang Jian*, Wang Yazhen**， Li Bin*

(*Shenyang Institute of Automation (SIA), Chinese Academy of Sciences,State Key Laboratory of Robotics， Shenyang 110016)(**Zhejiang Provincial Special Equipment Inspection and Research Institute， Hangzhou 310015)

A robot system capable of autonomous stair climbing was designed and implemented, and a method for autonomous stair climbing control of shape-shifting robots in complex environments was studied. Through the analysis of the contact modes between stairs and robot tracks, including tread slipping, edge slipping and track slipping, the non-slipping conditions meeting the robot during the tread overcoming process were determined to improve the efficiency of climbing stairs for the robot. Through filtering of the sensor’s perception information, the robot’s awareness was enhanced. Then the first and last stairs were determined and the control strategy was established effectively. By the modeling analysis of the whole control system, the software flow diagram was established. The experiments were done on several typical kinds of staris to test the robustness and validity of the design, and the results were satisfactory.

shape-shifting robot, climbing stairs, autonomous control, track contact

①國家科技支撐計劃(2014BAK12B01)資助項目。

②男，1983年生，博士，副研究員；研究方向：可變形機器人自主控制，自主避障；聯系人，E-mail: changjian@sia.cn

2016-05-15)