潘威　高杰　高宇　薛嵐

摘? 要：隨著人工智能社會(huì)的到來(lái)，機(jī)器人已經(jīng)逐漸步入智能制造等各行各業(yè)，但機(jī)器人不能主動(dòng)適應(yīng)外界條件的變化造成其應(yīng)用的局限性。文章從動(dòng)力學(xué)優(yōu)化、仿人動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)、架構(gòu)優(yōu)化和交互控制優(yōu)化等角度探討了一種自適應(yīng)機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，從而提高機(jī)器人的自適應(yīng)性，擴(kuò)大了機(jī)器人的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)性;機(jī)器人;智能制造;優(yōu)化分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：文章編號(hào)：2095-2945（2020）06-0037-02

Abstract： With the advent of artificial intelligence society， robots have gradually entered into intelligent manufacturing and other industries， but robots can not actively adapt to the changes of external conditions， thus resulting in the limitations of its application. This paper discusses the optimization design process of an adaptive robot from the perspectives of dynamics optimization， humanoid action standard， architecture optimization and interactive control optimization， so as to improve the self-adaptability of the robot and expand the application range of robot.

Keywords： self-adaptability; robot; intelligent manufacturing; optimization analysis

1 概述

我國(guó)已經(jīng)邁入人工智能社會(huì)，機(jī)器人已經(jīng)逐漸應(yīng)用于社會(huì)的各行各業(yè)。雖然國(guó)內(nèi)的機(jī)器人在發(fā)展過(guò)程中取得了較大的進(jìn)步，但是在適應(yīng)性等方面仍舊有一定的問(wèn)題。雖然機(jī)器人效率較高，但是還不能完全針對(duì)外界條件變化做出自適應(yīng)調(diào)整，造成一定的推廣局限性。

2 自適應(yīng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)優(yōu)化分析

自適應(yīng)機(jī)器人當(dāng)下應(yīng)用較為廣泛的有液壓、氣壓和電機(jī)驅(qū)動(dòng)三種。但是因?yàn)橐簤候?qū)動(dòng)存在漏油的極大危險(xiǎn)問(wèn)題，氣壓速度和重量上存在控制難度，所以二者在高精度場(chǎng)合中應(yīng)用較少。電機(jī)是應(yīng)用最為普遍的一種，在機(jī)械產(chǎn)品中也有廣泛的市場(chǎng)。因?yàn)殡姍C(jī)驅(qū)動(dòng)的能源較為普遍，在速度和重量上控制都比氣壓有優(yōu)勢(shì)，在安全系數(shù)方面比液壓有優(yōu)勢(shì)，所以電機(jī)是康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人應(yīng)用最廣泛的驅(qū)動(dòng)方式。噪音較小，也可以在各方面減輕對(duì)患者的影響[1]。自適應(yīng)機(jī)器人在研究過(guò)程中建立機(jī)器人和人體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，從而將機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行求解，通過(guò)以上結(jié)論，分析系統(tǒng)工作時(shí)人體下肢相關(guān)參數(shù)以及人體運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。最后再機(jī)械臂靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行計(jì)算和求解，算出機(jī)器人各關(guān)節(jié)所受扭矩的動(dòng)力學(xué)方程和靜力學(xué)方程。自適應(yīng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)一般有兩套，包括左腿機(jī)構(gòu)和右腿機(jī)構(gòu)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，傳送帶可以約束左右腿機(jī)構(gòu)的滑塊，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人具有三個(gè)自由度。一個(gè)自由度通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶，來(lái)控制組右腿的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，另兩個(gè)自由度在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)左右踏板，完成對(duì)踝關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)，使得在這一過(guò)程中，踝關(guān)節(jié)的舒適度達(dá)到要求。

3 自適應(yīng)機(jī)器人仿人動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化分析

自適應(yīng)機(jī)器人動(dòng)作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一在髖關(guān)節(jié)地，在膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)基本保持原狀態(tài)的條件下，最大限度的將髖關(guān)節(jié)的動(dòng)作角度不斷提升與擴(kuò)大，在40-70°之內(nèi)進(jìn)行選擇;自適應(yīng)機(jī)器人動(dòng)作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)二在膝關(guān)節(jié)，在膝關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)基本保持原狀態(tài)的條件下，適當(dāng)對(duì)膝關(guān)節(jié)的最小或最大活動(dòng)角度進(jìn)行系列調(diào)節(jié)。此種情況下，髖關(guān)節(jié)的角度一般維持在90°左右，膝關(guān)節(jié)的調(diào)節(jié)范圍一般控制在40-110°之間;自適應(yīng)機(jī)器人動(dòng)作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)三在踝關(guān)節(jié)，帶動(dòng)踝關(guān)節(jié)拉伸，較為常見(jiàn)的角度是跖屈0-50°背屈0-20°;自適應(yīng)機(jī)器人動(dòng)作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)四在踝關(guān)節(jié)的內(nèi)收和外展，有利于下肢不斷開(kāi)展內(nèi)旋以及外旋的運(yùn)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)的內(nèi)斂以及外展的活動(dòng)范圍，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)量確定維持在0-45°;自適應(yīng)機(jī)器人動(dòng)作設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)五在髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)用，髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)同時(shí)彎曲到允許的最大角度，該動(dòng)作對(duì)應(yīng)的髖關(guān)節(jié)的前屈和膝關(guān)節(jié)的后伸兩個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)沒(méi)有動(dòng)作。選擇在三維建模軟件Solidworks中建立三維模型，并利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)將其添加到ADAMS中進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真[2-3]。仿真的步驟如下：（1）在Solidworks中建立機(jī)器人的三維虛擬樣機(jī)模型，并保存成Parasolid格式文件;（2）通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)將Parasolid格式文件導(dǎo)入到ADAMS中;（3）設(shè)置仿真參數(shù)，運(yùn)行仿真。機(jī)器人是一種由腰部連桿、大小腿連桿、腳掌連桿以髖、膝、踝關(guān)節(jié)連接成的串聯(lián)機(jī)器人，為了方便進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，需要將該機(jī)器人的各連桿簡(jiǎn)化為矢狀面內(nèi)的剛性連桿結(jié)構(gòu)，其中腰托連桿為實(shí)際行走時(shí)腰托結(jié)構(gòu)在矢狀面內(nèi)的投影，將主動(dòng)關(guān)節(jié)的屈/伸及踝關(guān)節(jié)的背屈/趾屈運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)副。

4 自適應(yīng)機(jī)器人架構(gòu)優(yōu)化分析

因?yàn)榕P式自適應(yīng)機(jī)器人為了保證動(dòng)作效果，就必須使得控制系統(tǒng)敏捷的捕捉到本體變化。人下肢的運(yùn)動(dòng)主要是由三個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行的，所以在機(jī)器人的自由度方面，至少要保留三個(gè)且三個(gè)自由度也要保證一定的范圍。但是為了使得運(yùn)動(dòng)的效果大大提升，通常都是針對(duì)具體的關(guān)節(jié)制定七個(gè)有運(yùn)動(dòng)范圍的自由度。在具體的結(jié)構(gòu)方面，也要經(jīng)過(guò)精密的計(jì)算，確定機(jī)器人的機(jī)械臂的長(zhǎng)度和使用力度，使得機(jī)械臂可以進(jìn)行自由的條件。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可以通過(guò)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)將具體的數(shù)據(jù)傳到平臺(tái)上進(jìn)行分析，通過(guò)數(shù)據(jù)的總結(jié)分析獲知運(yùn)動(dòng)的精確狀況，也可以針對(duì)性的調(diào)整機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式[4-5]。電機(jī)在使用過(guò)程中雖然有許多優(yōu)越性，但是因?yàn)闄C(jī)械自身的特點(diǎn)，需要和減速器配合使用才能大大提高訓(xùn)練的效果。機(jī)器人在使用過(guò)程中，七個(gè)自由度必須在機(jī)械臂足夠靈活的前提下進(jìn)行，所以對(duì)機(jī)械臂的靈活性也要不斷優(yōu)化。因?yàn)榕P式機(jī)器人發(fā)展的背景處于初級(jí)階段，仍舊需要不斷使用和發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，不斷優(yōu)化和解決問(wèn)題。更加及時(shí)和準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，機(jī)器人更需要對(duì)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)情況進(jìn)行及時(shí)的分析與管理，而且還要及時(shí)并準(zhǔn)確的反饋運(yùn)動(dòng)信息，對(duì)下一步的動(dòng)作計(jì)劃進(jìn)行規(guī)劃。臥式自適應(yīng)機(jī)器人對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和處理，為下一步工作提供適當(dāng)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)及時(shí)利用動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)，繪制出運(yùn)動(dòng)意圖和運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行完善和改變。坐臥式自適應(yīng)機(jī)器人是通過(guò)坐立或者躺臥的姿態(tài)以實(shí)現(xiàn)下肢運(yùn)動(dòng)的一種類(lèi)型，在進(jìn)行工作的過(guò)程中呈現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)在于能夠坐立、斜躺或者平躺的姿勢(shì)都可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，不需要下肢的力量作為支撐。

5 自適應(yīng)機(jī)器人交互控制優(yōu)化分析

自適應(yīng)機(jī)器人交互控制方法有基于力信號(hào)的交互控制方法和基于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的交互控制方法，基于力信號(hào)的交互控制方法是在力信號(hào)交互控制方法中，力信號(hào)具體是指由于下肢在收縮的過(guò)程中產(chǎn)生的可以作用于機(jī)械結(jié)構(gòu)的力量。

在此種交互方法中，可以通過(guò)比較巧妙的設(shè)計(jì)方式使得機(jī)械結(jié)構(gòu)是由力傳感器進(jìn)行直接測(cè)量的，也可以通過(guò)機(jī)器人交互控制實(shí)踐中的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行估計(jì)?；谏镝t(yī)學(xué)信號(hào)的交互控制方法是在下肢機(jī)器人的人機(jī)交互控制方法中利用表肌電信號(hào)和腦電信號(hào)?；诹π盘?hào)的交互控制與生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的交互控制相比，力信號(hào)的確定性更加具有優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)機(jī)器人主動(dòng)運(yùn)行的意圖能夠直觀(guān)地進(jìn)行反映，所以具有一定的可靠性與穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，自適應(yīng)機(jī)器人的研究?jī)?nèi)容不斷豐富，時(shí)代的現(xiàn)實(shí)要求也推動(dòng)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。雖然發(fā)展的基礎(chǔ)較為薄弱，但是在動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部分的研究有雄厚的人力物力支持。

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