黄 晶

（厦门理工学院，福建 厦门 361000）

0 引言

在制造应用中，协作机器人被用于帮助操作员提高制造或装配过程的灵活性和生产力。除了任务要求外，设计考虑事项还包括安全和信任保证、人体工程学以及处理变更的灵活性[1]。与由预安装程序控制的非协作机器人相比，协作机器人是人机协作的主动或被动部分[2]，这需要协作机器人通过视觉、声音、识别凝视或手势来感知和回应人类的互动和意图。

微型爬行机器人一直被开发用于搜救任务，需要越野爬行和爬过各种障碍[3]。它们具有小尺寸、低重量和高导航性等特点，大量部署这类机器人能够快速地对大区域进行检查。设计机器人需要使用一种可重构机制，例如伸展机构、可变形的轮腿、滚动爬行机制和四杆延伸机制。

1 相关工作

使用多机器人系统有许多优点，包括补偿故障机器人、多机器人协同控制[4]、先驱和测量员类型机器人、多机器人探索和覆盖以及促进无线通信[5]。Kragic 等人提出了一种控制协作机器人的交互式方法。Khan 等人提出了一个容错多机器人系统的框架，其可以协同实现共同目标。Fong 等人提出了一种多机器人系统的协同人类机器人控制方法，其中单个操作员可以同时控制多个机器人。Wagner 和Choset 开发了一个多机器人路径规划框架[6]，只有在需要时才协调机器人运动。Shnaps 和Rimon 开发了一种系绳机器人的运动规划方法，可以覆盖带有障碍物的未知平面环境。Min 等人开发了一种网络机器人系统来增强无线通信能力，该系统可以在GPS 拒绝的环境中应用。

与非协作机器人相比，协作机器人有很高的安全要求，由于机器人协作通常发生在结构不良和动态的环境中，当人类和机器人共存的共享空间出现危险情况时，需要适当的机制来确保人类和机器人的安全，因此安全机制的设计必须符合相应的行业标准。特别是人机协作标准，它规定了与保护区、工作区、碰撞、物体检测、速度和力监测相关的安全要求。安全保证是对舵机最关键的要求，为了避免机器人与人、障碍物或其他移动物体之间的所有干扰，必须对潜在的碰撞进行定量评估，以对协同机器人系统进行实时控制。

2 设计与制造中的安全保证机制

协作机器人系统主要分为主从2 个部分，主部分定义为父机器人系统，从部分定义为子机器人系统，整个系统结构的相关参数定义如图1、图2 所示。为了保证父机器人和子机器人系统在相互协同移动过程中的安全，该文采用了一种四杆延伸机制（four bar extension mechanism，FBEM），通过杆的延伸，在运动过程中协调角度，以保障父机器人和子机器人之间协作的安全。

在图1 和图2 中，LB代表父机器人的特征长度，LR代表子机器人的特征长度，rB代表父机器人轮的半径，rR代表子机器人轮的半径，Lwidth B代表父机器人中两腿之间的宽度，Lwidth R代表子机器人中两腿之间的宽度，ρL代表父机器人腿与水平线的夹角，ρR代表子机器人腿与水平线的夹角，θ代表父机器人尾巴相对身体的夹角，γ代表子机器人尾部相对身体的夹角，LrwB代表父机器人主体的宽度，Lramp代表父机器人尾部的长度，LhB代表父机器人尾部轴距离连接主体轴的侧面高度，L1B代表父机器人尾部水平放置时与旋转轴的距离，L2B代表父机器人旋转轴的高度，L3B代表父机器人腿的延伸长度，L4B代表父机器人轮到旋转轴的距离，LbarR代表子机器人尾部距离旋转轴之间的长度，LhR代表子机器人主体旋转轴高度，L1R代表子机器人旋转轴到具体主体下部分的距离，L2R代表子机器人轮轴的半径长度，L3R代表子机器人上旋转轮到旋转轴的距离，L4R代表子机器人下旋转轮到旋转轴的距离。

父机器人系统有一个刚体核心，能够容纳控制器、机载电池和膨胀的机构，这样就可以改变轮的旋转轴、高度和宽度。机器人的两侧排列在一起，并相对其中心进行对称移动，每组支腿都由1 个电机进行驱动。2 个机器人的主要规格参数见表1。

表1 父机器人和子机器人系统的主要规格参数

父机器人系统被设计用于携带大量的电池、摄像机、通信设备和其他传感器，其展开角度可以在-7°～+66°变化。当腿平行于身体时，伸展角度等于0°。父机器人重9.8 kg（包括电池和控制器），其特征长度（后轮轴到前轮轴的长度）为82.5 cm（是子机器人的5.7 倍）。机器人的结构包括主体、2条腿和1 条尾巴，由2 cm×2 cm 的铝型材组成（线性密度为3.5 g/cm）。主体包括控制器和电池，是1 个22 cm×30 cm 的矩形，由铝轮廓和树脂玻璃构成。轮的动力传动基于滚子链，两边的3 个轮子都由1 个马达进行驱动，如图1 所示。轮的半径为15.5 cm。父机器人的尺寸为LB=82.5 cm，LrwB=21.1 cm，Lwidth B=5.8 cm，L1B=5.1 cm，L2B=2.7 cm，L3B=42.2 cm，L4B=6.6 cm，LhB=9.1 cm，Ltail=44.0 cm（其中，Ltail代表父机器人的尾部长度，其余参数的含义与图1 中的参数一致）。

子机器人配备四条扩展机制（FBEM），允许它延长身体和腿之间的距离，并可以在前后和垂直方向移动重心。伸展和扩展机制的结合使其能够克服极具挑战性的障碍，灵活地在较光滑的表面爬行，甚至可以在管道或两面墙之间的垂直方向攀爬。子机器人可以将其高度和宽度延长3 倍，其质量为380 g，其特征长度（后轮轴到前轮轴）为14.5 cm。子机器人的尺寸为LR=14.5 cm，Lbar R=5.0 cm，LhR=1.4 cm，Lwidth R=5.7 cm，L1R=1.4 cm，L2R=2.0 cm，L3R=1.3 cm，L4R=1.6 cm（子机器人尺寸参数的含义与图2 中的参数一致）。

3 FBEM 机制下机器人的运行学与动态分析

由于子机器人的尺寸较小，因此可以非常有效地越过障碍物，它可以通过采取不同的规划策略，爬过高达6.5 cm（车轮直径只有5.6 cm）的陡峭障碍物，以推动蔓延FBEM 机制。机器人可以在一根管子内或两面墙之间的垂直方向进行攀爬。机器人的宽度和高度可以通过改变展开角度和FBEM角度来改变。用LxR表示钢筋L1R+L2R+rR的总和，机器人的宽度如公式（1）所示。

式中：Lbat为子机器人尾部距离旋转轴之间的长度；Lx为父机器人和子机器人钢筋总长。

公式（1）中其他参数含义与图1、图2 中的参数相对应。

图1 父机器人系统结构（主部分）

图2 子机器人系统结构（从部分）

FBEM 机制的γ值与展开角度ρR之间的关系可以作为尾LrwL宽度的函数，如公式（2）所示。

机器人的最小宽度为8.9 cm，它对应1 个90°的伸展角。当展开角和FBEM 角都为0°时，它的最大宽度为28.5 cm。子机器人的高度如公式（3）所示。

当FBEM 角为+63°或-63°（其范围限制）和5°（子机器人仍可以前进的最小展开角度）时，子机器人的最小高度为3.5 cm。

父机器人能够爬过高为17.5 cm 的障碍物（取决于车轮和障碍物之间的摩擦），并且可以越过石头、碎石和其他粗糙的表面，而子机器人仍然紧紧地固定在后面。父机器人的宽度和高度是其单独伸展时的函数，其宽度如公式（4）所示。

它的最小宽度为32.5 cm，展开角度呈66°，而最大宽度为118.0 cm。该机器人的高度hB如公式（5）所示。

尾巴在相对身体θ的方向，可以进行-43°～+76°的变化。其高度hTail是展开角度ρB和尾方向θ的函数，如公式（6）所示。

展开角度为66°时的尾角为76°，尾部最大高度为88 cm，尾巴可以降低到-18 cm（ρB=0 和θ=- 43°），允许子机器人从一个较低的表面爬上父机器人的尾部。

考虑到每个机器人各自能达到的最大高度是6.5 cm 和17.5 cm，2 个机器人的合作使它们可以达到的高度提高了5倍。如果使用一个更长的斜坡，那么可以进一步增加可达到的高度。

子机器人车轮和父机器人尾翼之间的摩擦系数µ=0.8。由于子机器人的重量为380 g，因此必须施加4.9 N 的最小力，作用于伸展和FBEM 接头的扭矩。最小扭矩作为伸展ρR和FBEM 机制γ角的函数，伸展和FBEM 接头必须形成这些角，以保持垂直爬墙所需要的4.9 N 的法向力。当机器人与尾巴壁接触时（尾部宽度为21.0 cm），最小扭矩表示ρR和γ的值。

展开时施加的扭矩几乎是FBEM 所施加扭矩的2 倍，为了减少每个机构施加的力矩，最好增加斜坡的宽度（零展开和零FBEM）。考虑到斜坡尾翼的宽度（图1 和图2 中的黑线）受到机器人尺寸的限制，最佳策略包括使用最大FBEM角（γ=55°）和最小展开（ρ=20°），以此达到2 个接头的最小扭矩（接近0.20 N·m）。

研究人员让父机器人在不同的地形上进行测试，包括颗粒状表面和岩石区域，它可以很容易地携带子机器人穿过表面的裂缝。子机器人位于父机器人附近，父机器人被无线电控制，以降低车身和尾部。父机器人驱动器爬上尾部，接着父机器人将身体抬起，继续在高为42 cm 的围栏上驾驶。在另一个实验中，父机器人被部署在高度为72 cm 的围栏上。父机器人和子机器人可以通过预先编程来控制执行一组特定任务序列，为减低车身和尾部，增加了子机器人的高度，以便子机器人灵活地爬上父机器人。如果要使子机器人爬上父机器人，那么2 个机器人必须对齐。

ESC 控制器记录父机器人最大速度时的能量消耗，该实验在3 个不同的表面上进行，同时以3 个不同的伸展角度全速运行机器人。加速后，机器人在每个实验中运行10 m。

表2 总结了实验的平均结果（不包括加速度），通过处理实验视频和相对标称电池电压（7.4 V）的功耗来测量平均速度，COT（或特定电阻）是指功耗除以速度乘以机器人重量的乘积。与预期结果一致，瓷砖上的温度比泥土上的温度更低，比草地上的温度更高，虽然低伸展对上坡和克服障碍很有用，但是由于车轮与表面的摩擦增加，因此会很明显地导致温度升高。

表2 机器人的能量实验结果

4 结语

该文介绍了一种在制造中为满足协作机器人工作需求的安全机制，称为FBEM 机制。并分析了FBEM 机制下机器人的运动与动态变化，定量评估了协作机器人在跨越障碍中角度等相关参数。在障碍挑战下，父机器人与子机器人相互协作，将可到达的高度提高了5 倍，能够成功地克服障碍。

2 个机器人之间的合作也可以增加它们的工作范围和侦察区域，因为父机器人的电池容量是子机器人的20 倍，所以父机器人可以被当做机器人的充电点；因为父机器人可以携带高达5 kg 的有效载荷（足以使其电池尺寸增加5 倍），所以电池容量可以根据需要进一步扩大。子机器人的电池可以很容易地连接到父机器人，这是因为它可以爬进驱动的尾部。通过该方式可以达到父机器人为子机器人续电的目的。