自适应机器人系统优化设计与分析

潘威　高杰　高宇　薛岚

摘  要：随着人工智能社会的到来，机器人已经逐渐步入智能制造等各行各业，但机器人不能主动适应外界条件的变化造成其应用的局限性。文章从动力学优化、仿人动作标准、架构优化和交互控制优化等角度探讨了一种自适应机器人的优化设计过程，从而提高机器人的自适应性，扩大了机器人的应用范围。

关键词：自适应性;机器人;智能制造;优化分析

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：文章编号：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

我国已经迈入人工智能社会，机器人已经逐渐应用于社会的各行各业。虽然国内的机器人在发展过程中取得了较大的进步，但是在适应性等方面仍旧有一定的问题。虽然机器人效率较高，但是还不能完全针对外界条件变化做出自适应调整，造成一定的推广局限性。

2 自适应机器人动力学优化分析

自适应机器人当下应用较为广泛的有液压、气压和电机驱动三种。但是因为液压驱动存在漏油的极大危险问题，气压速度和重量上存在控制难度，所以二者在高精度场合中应用较少。电机是应用最为普遍的一种，在机械产品中也有广泛的市场。因为电机驱动的能源较为普遍，在速度和重量上控制都比气压有优势，在安全系数方面比液压有优势，所以电机是康复训练机器人应用最广泛的驱动方式。噪音较小，也可以在各方面减轻对患者的影响[1]。自适应机器人在研究过程中建立机器人和人体运动学模型，从而将机器人逆运动学方程进行求解，通过以上结论，分析系统工作时人体下肢相关参数以及人体运动之间的关系。最后再机械臂静力学和动力学方程进行计算和求解，算出机器人各关节所受扭矩的动力学方程和静力学方程。自适应机器人的机构一般有两套，包括左腿机构和右腿机构，在运动过程中，传送带可以约束左右腿机构的滑块，运动过程中，机器人具有三个自由度。一个自由度通过电机驱动传送带，来控制组右腿的往复运动，另两个自由度在电机驱动下带动左右踏板，完成对踝关节的调节，使得在这一过程中，踝关节的舒适度达到要求。

3 自适应机器人仿人动作标准优化分析

自适应机器人动作设计标准一在髋关节地，在膝关节与踝关节基本保持原状态的条件下，最大限度的将髋关节的动作角度不断提升与扩大，在40-70°之内进行选择;自适应机器人动作设计标准二在膝关节，在膝关节与踝关节基本保持原状态的条件下，适当对膝关节的最小或最大活动角度进行系列调节。此种情况下，髋关节的角度一般维持在90°左右，膝关节的调节范围一般控制在40-110°之间;自适应机器人动作设计标准三在踝关节，带动踝关节拉伸，较为常见的角度是跖屈0-50°背屈0-20°;自适应机器人动作设计标准四在踝关节的内收和外展，有利于下肢不断开展内旋以及外旋的运动，踝关节的内敛以及外展的活动范围，经过试验测量确定维持在0-45°;自适应机器人动作设计标准五在髋关节与膝关节用，髋关节与膝关节同时弯曲到允许的最大角度，该动作对应的髋关节的前屈和膝关节的后伸两个自由度，踝关节没有动作。选择在三维建模软件Solidworks中建立三维模型，并利用数据转换技术将其添加到ADAMS中进行动力学仿真[2-3]。仿真的步骤如下：（1）在Solidworks中建立机器人的三维虚拟样机模型，并保存成Parasolid格式文件;（2）通过数据转换技术将Parasolid格式文件导入到ADAMS中;（3）设置仿真参数，运行仿真。机器人是一种由腰部连杆、大小腿连杆、脚掌连杆以髋、膝、踝关节连接成的串联机器人，为了方便进行动力学分析，需要将该机器人的各连杆简化为矢状面内的刚性连杆结构，其中腰托连杆为实际行走时腰托结构在矢状面内的投影，将主动关节的屈/伸及踝关节的背屈/趾屈运动简化为转动副。

4 自适应机器人架构优化分析

因为卧式自适应机器人为了保证动作效果，就必须使得控制系统敏捷的捕捉到本体变化。人下肢的运动主要是由三个关节进行的，所以在机器人的自由度方面，至少要保留三个且三个自由度也要保证一定的范围。但是为了使得运动的效果大大提升，通常都是针对具体的关节制定七个有运动范围的自由度。在具体的结构方面，也要经过精密的计算，确定机器人的机械臂的长度和使用力度，使得机械臂可以进行自由的条件。在运动过程中，可以通过机器人的运动将具体的数据传到平台上进行分析，通过数据的总结分析获知运动的精确状况，也可以针对性的调整机器人的运动方式[4-5]。电机在使用过程中虽然有许多优越性，但是因为机械自身的特点，需要和減速器配合使用才能大大提高训练的效果。机器人在使用过程中，七个自由度必须在机械臂足够灵活的前提下进行，所以对机械臂的灵活性也要不断优化。因为卧式机器人发展的背景处于初级阶段，仍旧需要不断使用和发现问题，不断优化和解决问题。更加及时和准确地进行数据采集，机器人更需要对运动数据情况进行及时的分析与管理，而且还要及时并准确的反馈运动信息，对下一步的动作计划进行规划。卧式自适应机器人对数据进行收集和处理，为下一步工作提供适当标标准，同时及时利用动力学分析系统，绘制出运动意图和运动趋势，在这个基础上进行完善和改变。坐卧式自适应机器人是通过坐立或者躺卧的姿态以实现下肢运动的一种类型，在进行工作的过程中呈现的优势在于能够坐立、斜躺或者平躺的姿势都可以进行运动，不需要下肢的力量作为支撑。

5 自适应机器人交互控制优化分析

自适应机器人交互控制方法有基于力信号的交互控制方法和基于生物医学信号的交互控制方法，基于力信号的交互控制方法是在力信号交互控制方法中，力信号具体是指由于下肢在收缩的过程中产生的可以作用于机械结构的力量。

在此种交互方法中，可以通过比较巧妙的设计方式使得机械结构是由力传感器进行直接测量的，也可以通过机器人交互控制实践中的动力学模型进行估计。基于生物医学信号的交互控制方法是在下肢机器人的人机交互控制方法中利用表肌电信号和脑电信号。基于力信号的交互控制与生物医学信号的交互控制相比，力信号的确定性更加具有优势，同时对机器人主动运行的意图能够直观地进行反映，所以具有一定的可靠性与稳定性。

6 结束语

综上所述，自适应机器人的研究内容不断丰富，时代的现实要求也推动技术进一步发展。虽然发展的基础较为薄弱，但是在动力系统和控制系统等关键部分的研究有雄厚的人力物力支持。

参考文献：

[1]Yang Shuai， Xue Lan. A Design Scheme of LON node with Power Line Carrier Communication Echnology in Engineering Manufacturing[J] ACADEMIC JOURNAL OF MANUFACTURING ENGINEERING.2019，17（2）：7-13.

[2]杨帅，潘威，高杰.人工智能及工业机器人在淮安区域制造业的应用现状和发展前景[J].科技经济导刊，2019，27（32）：20-21.

[3]杨帅.大弧度薄壁壳体内壁加工的优化方法[J].机床与液压，2019，47（22）：57-60，74.

[4]杨帅，薛岚.基于惯性导航与ZigBee的消防机器人定位系统[J].消防科学与技术，2019，38（6）：837-840.

[5]杨帅，张现征，王兴龙，等.机器人信号传输方法的研究[J].科技创新与应用，2019（2）：166-167.