履帶式機(jī)器人移動(dòng)底盤的設(shè)計(jì)
履帶式機(jī)器人移動(dòng)底盤的設(shè)計(jì),履帶式機(jī)器人移動(dòng)底盤的設(shè)計(jì),履帶式,機(jī)器人,移動(dòng),挪動(dòng),底盤,設(shè)計(jì)
小型輪履腿復(fù)合式機(jī)器人設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)特性分析
段星光 黃強(qiáng) 李科杰
（北京理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 北京 100081）
摘要：針對(duì)在室內(nèi)外環(huán)境下對(duì)小型移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要求,綜合輪式、履帶式和腿式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),研制開發(fā)了一種多運(yùn)動(dòng)模式的小型輪履腿復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人可以進(jìn)行輪式高速運(yùn)動(dòng)、履帶或腿式越障等多種模式的運(yùn)動(dòng)。對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性、越障性能、自動(dòng)復(fù)位功能進(jìn)行了詳細(xì)的分析。采用的嵌入式控制系統(tǒng)保證了機(jī)器人功耗低、可靠性好、實(shí)時(shí)性高的控制要求。試驗(yàn)表明,這種移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活,具有很好的環(huán)境適應(yīng)性和較高的越障能力。?
關(guān)鍵詞 移動(dòng)機(jī)器人;?運(yùn)動(dòng)特性;?運(yùn)動(dòng)模式;?越障;?復(fù)位;
0前言
移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支, 在偵察、巡視、警戒、掃雷排險(xiǎn)等危險(xiǎn)與惡劣環(huán)境 中有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。小型地面移動(dòng)機(jī)器人, 以其體積小,成本低,生存能力強(qiáng),運(yùn)動(dòng)靈活等特 點(diǎn),成為研究的又一熱點(diǎn)[2]。對(duì)于小型地面移動(dòng)機(jī) 器人來(lái)說(shuō),其工作環(huán)境既可能是在城區(qū)和建筑物內(nèi) 的結(jié)構(gòu)化環(huán)境,也有可能是自然環(huán)境下復(fù)雜、未知、 多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境。由于在執(zhí)行某些特定任務(wù)時(shí), 要求移動(dòng)機(jī)器人不是避開障礙或復(fù)雜地形,而是要 越過(guò)并適應(yīng)它。所以,越障能力是移動(dòng)機(jī)器人適應(yīng) 各種結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的必要功能。
總的來(lái)看,有三種類型的機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu):輪 式、履帶式和腿式。輪式機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控 制方便、速度高、運(yùn)動(dòng)靈活和能耗低等優(yōu)點(diǎn),但是, 它不適合于跨越像溝壑、臺(tái)階、樓梯等障礙,越障 能力差。履帶式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人相比輪式結(jié)構(gòu)的機(jī)器 人有著較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力,在陡峭地形、復(fù)雜環(huán) 境下有著較高的越障能力和良好的環(huán)境適應(yīng)性。但 由于存在較大的摩擦力阻力,特別是在長(zhǎng)距離、高 速度運(yùn)動(dòng)過(guò)程中或者是轉(zhuǎn)彎時(shí),其能耗很高。從理 論上來(lái)講,腿式機(jī)器人是最靈活的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),但是, 腿式機(jī)器人通常具有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)并且控制復(fù) 雜,要想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高速的行走,還有諸多難題需要解決。
以偵察、反恐防暴等危險(xiǎn)作業(yè)為應(yīng)用背景,對(duì)移動(dòng)機(jī)器人提出了許多特殊的要求,如質(zhì)量、體積、速度和能耗等。在此,為機(jī)器人提出以下具體設(shè)計(jì)要求。(l)在遠(yuǎn)距離平坦路面運(yùn)動(dòng)情況下,要求機(jī)器 人具有較高的運(yùn)動(dòng)速度和較低的能耗。以偵察、反恐防暴等危險(xiǎn)作業(yè)為應(yīng)用背景,對(duì) 移動(dòng)機(jī)器人提出了許多特殊的要求,如質(zhì)量、體積、速度和能耗等。在此,為機(jī)器人提出以下具體設(shè)計(jì)要求。(l)在遠(yuǎn)距離平坦路面運(yùn)動(dòng)情況下,要求機(jī)器 人具有較高的運(yùn)動(dòng)速度和較低的能耗。(2)在松軟、沼澤、不平坦地形、陡峭的斜面 等自然環(huán)境中保持基本的穿越能力。(3)能夠越過(guò)臺(tái)階、樓梯等室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境中 經(jīng)常遇到的障礙。(4)能夠?qū)崿F(xiàn)在狹窄的空間轉(zhuǎn)彎、旋轉(zhuǎn)等功能。 (5)質(zhì)量輕、體積小、運(yùn)動(dòng)靈活。 (6)在車體發(fā)生翻倒時(shí)具有自動(dòng)復(fù)位功能 (7)具有遙控半自主的操作功能,控制系統(tǒng)要 求具有體積小、可靠性高、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。近年來(lái),許多研究人員開發(fā)了各種類型的移動(dòng) 機(jī)器人。輪式機(jī)器人是研究最多的一種,有四輪、六輪或八輪等多種形式。如E.Nakano等l3]研制的四 輪全向移動(dòng)機(jī)器人、星球探測(cè)機(jī)器人Micro一少1、 Roverls]等。為提高機(jī)器人的越障能力,研究開發(fā)了 各種類型的履帶式機(jī)器人,比如,以室內(nèi)偵察為目的 開發(fā)的0.Centa叨reI6]和L.Ma側(cè)比es閉,M.H.naniel[8] 等的用于城區(qū)偵察的小型輕便履帶式機(jī)器人,采用了 兩條主履帶和兩個(gè)同軸關(guān)節(jié)履帶輔助機(jī)器人越障。有的采用兩對(duì)三角形履帶以適應(yīng)障礙地形環(huán)境I9]。 在Heliosn也采用了兩對(duì)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的履帶。在足式機(jī)器人研究中出現(xiàn)了兩足、四足、六足等多種機(jī)器人,其中Q.Huang等[1‘,121研究開發(fā)了一種雙 足步行機(jī)器人,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定行走、上下樓梯、 轉(zhuǎn)彎等基本運(yùn)動(dòng)。另外,為綜合輪子和履帶各自的 優(yōu)點(diǎn),出現(xiàn)了各種危險(xiǎn)環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái), 如Y Maeda等[13]的多功能機(jī)器人、Andros系列機(jī)器人以及中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的 CLIMBER[16]。
通過(guò)對(duì)不同移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性和已有機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性的綜合析,結(jié)合具體的應(yīng)用要求,這里提出了一種能夠在城區(qū)、建筑物內(nèi)和野外非結(jié)構(gòu)環(huán)境下具備較高環(huán)境適應(yīng)性、具有一定越障能力和自復(fù)位功能的小型輪履腿復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人可以根據(jù)不同的地形條件變換運(yùn)動(dòng)模式。利用輪子實(shí)現(xiàn)高速遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng),利用四條單獨(dú)擺動(dòng)的履帶腿提高其越障能力和環(huán)境適應(yīng)性。系統(tǒng)采用遙控/半自主的工作方式,由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制,使得機(jī)器人工作更具實(shí)用性。嵌入式控系統(tǒng)保證了控制系統(tǒng)質(zhì)量輕,體積小、實(shí)時(shí)性好、可靠性高的要
1機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1.1機(jī)器人總體方案
機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)式是由四個(gè)車輪、四個(gè)擺臂和車體構(gòu)成的三節(jié)式復(fù)合結(jié)構(gòu),其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 1 所示 。其中代表機(jī)器人坐標(biāo)系, 為車體長(zhǎng)度 , 為車體寬度 , 分別表示大履帶輪半徑、小履帶輪半徑、和中心距。
圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖
機(jī)器人采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，由四個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸相同的運(yùn)動(dòng)單元和車體構(gòu)成三節(jié)式結(jié)構(gòu)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元包括一個(gè)履帶腿機(jī)構(gòu)和一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)。車輪驅(qū)動(dòng)采用后輪差速驅(qū)動(dòng),分別由兩個(gè)電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器傳動(dòng)至驅(qū)動(dòng)軸。四條履帶腿均配置在車輪內(nèi)側(cè),不僅能夠?qū)崿F(xiàn)履帶自身的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng),而且能夠繞驅(qū)動(dòng)輪中心軸擺動(dòng)。為增強(qiáng)機(jī)器 人的運(yùn)動(dòng)靈活性,提高機(jī)器人的越障能力,四個(gè)履帶腿的擺動(dòng)范圍設(shè)計(jì)為。中間部分是機(jī)器人車體，可裝載控制系統(tǒng)、電池及其他各種設(shè)備。為保證其能夠進(jìn)入建筑物內(nèi)并能越過(guò)臺(tái)階、爬越樓梯等越障要求,需要對(duì)一般建筑物入口寬度、樓梯的結(jié)構(gòu)尺寸、履帶腿長(zhǎng)度、履帶輪直徑、車體長(zhǎng)度以及整個(gè)機(jī)器 人的總體尺寸等進(jìn)行綜合考慮 ,既要滿足其小型化要求,又要保證其要求的越障能力。這種形式的機(jī)器人具有與一般輪式機(jī)器人相同的轉(zhuǎn)彎、直線行走等功能； 與一般履帶式移動(dòng)機(jī)器人有相同的爬坡、越障等功能。此外四個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)履帶腿, 進(jìn)一步增加 了運(yùn)動(dòng)的靈活性,使得它對(duì)各種地面的通過(guò)能力和越障能力進(jìn)一步提高 。
依此方案設(shè)計(jì)的機(jī)器人自由度分配為:兩后輪為2自由度；四個(gè)履帶的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)為 4 自由度；四個(gè)履帶腿繞中心軸的擺動(dòng)為4自由度。這樣總共需要10自由度?？紤]到機(jī)器人質(zhì)量和空間結(jié)構(gòu)的限制,在不影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能的前提下,將兩個(gè)后履帶的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)與車輪驅(qū)動(dòng)共用2自由度 ，這樣全部機(jī)器人共有8 自由度 。
在驅(qū)動(dòng)單元,采用了小體積、輕質(zhì)量、大輸出扭矩的DC電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器輸出至傳動(dòng)軸。由于車體的尺寸限制,特別是在寬度方向的限制,許多移動(dòng)機(jī)器人都采用了蝸輪一蝸桿傳動(dòng)副或圓弧齒輪傳動(dòng)副。這種傳動(dòng)方式在縮小寬度尺寸方面效果明顯,但存在的主要問(wèn)題是傳動(dòng) 效率低、能耗損失大。為此 ,在減速設(shè)計(jì)中采用了與電動(dòng)機(jī)集成的行星齒輪減速器和末級(jí)的圓柱齒輪減速傳動(dòng),其傳動(dòng)效率可 以達(dá)到 95 % 以上。另外,輪式運(yùn)動(dòng)要滿足高速要求,而履帶組擺動(dòng)的主要目的是調(diào)整機(jī)器人越障姿態(tài)或進(jìn)行腿式運(yùn)動(dòng),速度要求較低,所 以,輪子驅(qū)動(dòng)采用了較小的減速比,而履帶腿的擺動(dòng)采用了較大的減速比以提高驅(qū)動(dòng)力矩,滿足支撐車體時(shí)的大扭矩要求 。
1.2內(nèi)外軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
在機(jī)器人 的四個(gè)輪履腿運(yùn)動(dòng)單元中，除了輪子的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)以外，還有履帶腿繞驅(qū)動(dòng)軸的擺動(dòng)。由于擺動(dòng) 自由度與驅(qū)動(dòng)輪在同一個(gè)中心軸上,所以, 要求在一 個(gè)中心線上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的傳遞。設(shè)計(jì) 中 采用了內(nèi)外軸的結(jié)構(gòu)形式 , 如圖2所示 。
圖2 內(nèi)外軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖
電動(dòng)機(jī) 1經(jīng)過(guò)與其集成的行星齒輪減速器 1和 末級(jí) 圓柱齒輪減速副將驅(qū)動(dòng)動(dòng)力傳給內(nèi)軸,提供整個(gè)機(jī)器人平臺(tái)的輪式運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線和轉(zhuǎn) 彎等運(yùn)動(dòng)所需動(dòng)力。為實(shí)現(xiàn)履帶腿的同軸傳動(dòng),設(shè)計(jì)了與內(nèi)軸同心的帶凸緣結(jié)構(gòu)外軸, 其同心內(nèi)孔設(shè)計(jì)為內(nèi)軸軸承的外圈,外軸軸承通過(guò)軸承座支撐整個(gè)運(yùn)動(dòng)單元。外軸的運(yùn)動(dòng)通過(guò)凸緣與履帶腿的擺臂相連接以傳遞擺動(dòng)所需動(dòng)力。同樣采用電動(dòng)機(jī)、減速器、末級(jí)圓柱齒輪副構(gòu)成擺臂傳動(dòng)鏈。由于履帶腿的擺動(dòng)速度較低 ,而且在腿式運(yùn)動(dòng)時(shí)要求通過(guò)控制擺臂關(guān)節(jié)角來(lái)抬起車體,需要較大的驅(qū)動(dòng)力矩 , 所以履帶腿驅(qū)動(dòng)需要選擇較大的減速比。在整個(gè)傳動(dòng)中,均采用齒輪傳動(dòng)和滾動(dòng)軸承,減少了傳動(dòng)效率損失和摩擦阻力,提高了驅(qū)動(dòng)效率 。
1.3小型化緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為滿足機(jī)器人小型化的設(shè)計(jì)要 求 , 特別是在寬 度 方向(動(dòng)力傳遞方 向)尺寸受 限制的情況下 ，如何設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的空間合理布局是一個(gè)主要考慮 的 問(wèn)題。首先, 在滿足車體速度、驅(qū)動(dòng)力矩要求的前提下,采用了末級(jí)降速齒輪傳動(dòng)。由于需要在同一 個(gè)驅(qū)動(dòng)中心軸上具備車輪旋轉(zhuǎn)和履帶腿機(jī)構(gòu)組的擺動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,所以,通過(guò)這一對(duì)齒輪傳動(dòng)不僅可以錯(cuò)開中心位置,滿足傳動(dòng)自由度的要求,而且可以進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)力矩,減小了電動(dòng)機(jī)軸向受力,同時(shí)滿足車體的橫向尺寸要求。其次,在電動(dòng)機(jī)、減速器和變速齒輪的傳動(dòng)設(shè)計(jì)上,采用了空間緊湊性布局,如圖3所示 。
圖3 緊湊型空間布局
由于在車體的左 右兩側(cè)通過(guò)支撐板布置 了兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元,也就是說(shuō),左右各需要兩套電動(dòng)機(jī)與減速器驅(qū)動(dòng),如果完全對(duì)稱排列進(jìn)行設(shè)計(jì),則車體總寬度至少要大于電動(dòng)機(jī)與減速器長(zhǎng)度的兩倍,不能滿足車體寬度的要求。為此，將左側(cè)驅(qū)動(dòng)的兩套電動(dòng)機(jī)減速器M1和M2與右側(cè)驅(qū)動(dòng)的兩套 電動(dòng)機(jī)減 速器M3和M4在空間位置交錯(cuò)布局，既減小了軸向尺寸,又提高了車體空間的利用率,使得設(shè)計(jì)更加緊湊,也為控制系統(tǒng)在車體內(nèi)的布置提供了更大的空間,滿足機(jī)器人小型化的要求 。
1.4 履帶腿機(jī)構(gòu)
每個(gè)履帶腿機(jī)構(gòu)都具有2自由度，即履帶本身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和整個(gè)履帶腿繞驅(qū)動(dòng)軸擺動(dòng)。履帶腿由自由履帶輪、驅(qū)動(dòng)履帶輪和履帶及其支撐張緊機(jī)構(gòu)組成 ,如圖4所示
圖4 履帶腿結(jié)構(gòu)
大履帶驅(qū)動(dòng)輪經(jīng) 內(nèi)軸傳遞旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。通過(guò)履帶 腿支撐桿連接孔與外軸凸緣相連接來(lái)傳遞履帶腿的 擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于履帶傳動(dòng)必 須要有張緊機(jī)構(gòu) , 一般采用支 撐輪和壓緊輪的方式。如果采用這種方式就需要有四套這樣的張緊裝置 , 不僅增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度 , 而且增加了整個(gè)車體 的質(zhì)量,不能滿足輕量化的設(shè) 計(jì)要 求 。 為此 , 在設(shè)計(jì)中采用了簡(jiǎn)潔的螺釘拉緊、端面壓緊的裝置 。 在小履帶輪端的擺臂桿側(cè)面 設(shè)計(jì) 一滑動(dòng)槽 , 內(nèi)嵌滑塊 , 滑塊機(jī)構(gòu)通過(guò)螺釘拉緊履帶 并用四個(gè)鎖緊螺栓來(lái)鎖緊 。 為了滿足輕量化的要求 , 除了在結(jié)構(gòu)上采取相 應(yīng)減重措施外(如減重孔)，在滿足受力、摩擦等 的 前提下，在材料上也有選擇的采用了密度較小的非金屬材料 ，如尼龍和聚碳酸醋等。但對(duì)于傳動(dòng)件、摩擦件、主要受力件依然采用金屬材料,以滿足剛度要求。
2 嵌入式控制系統(tǒng)
機(jī)器人控制主要有遙控、遙控/半自主和自主方式。自主方式是最理想的形式,但目前以遙控/半自 主方式最為實(shí)用。即要求機(jī)器人既可以通過(guò)遙操作端的指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制還可 以實(shí)現(xiàn)局部的自主運(yùn)動(dòng).整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5 所示 。
圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.1控制系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)
移動(dòng)機(jī)器人采用遙控/半自主的控制方式,遙 操作端計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線串口 通信模塊發(fā)送任務(wù)指令至遠(yuǎn)程機(jī)器人的上位控制計(jì)算機(jī),然后經(jīng)C A N(controller area network) 總線傳送給下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。下位機(jī)負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的控制指令,并通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換獲得傳感器信息,發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制命令給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器,通過(guò)獲取電動(dòng)機(jī)光電碼盤信號(hào)完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的伺服控制。
鑒于ARM7芯片作為移動(dòng)機(jī)器人的主處理器在數(shù)據(jù)運(yùn)算和功耗上都具有很大優(yōu)勢(shì),所以選用三星公司ARM7微處理器作為主處理器。ARM7采用SC結(jié)構(gòu),具有3 級(jí)流水線，運(yùn)算速度高達(dá)66MHz，內(nèi)部集成 C A N 總線模塊，功耗是同檔次其他嵌入式處理器中較低的,已被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系 統(tǒng)中。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制采用了 IT 公司 DSP2812芯片作為主處理器。DSP2812采用哈佛結(jié)構(gòu),流水線操作并有專用的硬件乘法器,處理速度高達(dá)150MHz ,內(nèi)部集成12位A了D 轉(zhuǎn)換模塊 , 正交脈沖 編碼模塊及 C A N 總線模塊，具有處理速度高、芯片功耗極低、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn)，在嵌入式電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用 。
機(jī)器人本體軟件平臺(tái)采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。與其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,可移植性好的特點(diǎn)。在嵌入式控制器上運(yùn)行的主要軟件模型是底層的PID伺服控制模型、任務(wù)規(guī)劃模型、遠(yuǎn)程命令交互和通信模型 。
在遙操作計(jì)算機(jī)端，為了高效方便地對(duì)機(jī)器 人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制 , 其軟件平臺(tái)必 須具備良好的人機(jī)交 互界面。為此,采用了Windows操作系統(tǒng)。其特點(diǎn)是功能豐富，人機(jī)交互界面有好，操作簡(jiǎn)便,各種軟件資源豐富。
2 .2 控制系統(tǒng) 中的通 信結(jié)構(gòu)
在移動(dòng)機(jī)器人控制中一個(gè)很重要的問(wèn)題是其通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在遙操作計(jì)算機(jī)、 ARM與DSP之間如何實(shí)現(xiàn)各個(gè)處理器、傳感器、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息快速、實(shí)時(shí)、可靠的通信是至關(guān)重要的。為此,采用無(wú)線串口通信模塊傳輸來(lái)自遙操作端的任務(wù)指令,同時(shí)將機(jī)器人自身狀態(tài)和環(huán)境信息傳送給遙操作計(jì)算機(jī)。由于移動(dòng) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制層的多個(gè)DSP處理器和傳感器采用并行處理結(jié)構(gòu)，這樣 A R入1 處理 器 與各運(yùn)動(dòng)控制 D S P 處理器 以及傳感反饋等就共同 構(gòu)成一種 開放式 的通信結(jié)構(gòu) , 在此 通信 中采用 了 C A N 總線通信方式 ，即運(yùn)動(dòng)控制的多個(gè) D S P 處理 器和傳感器信息直接通過(guò) C A N 總線與AR M處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。C A N 總線是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種方式，是多主方式的串行通信總線 , 是當(dāng)今流行的工業(yè)控 制總線之一。其特點(diǎn)是傳輸速率高?？闺姶鸥蓴_性強(qiáng),而且能夠檢測(cè)出傳輸中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。由于其良好的工業(yè)性能,己被廣泛應(yīng)用于各類控制系統(tǒng)中 。
3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性
3 1 運(yùn)動(dòng)模式及其特性
該移動(dòng)機(jī)器人的輪履腿復(fù)合機(jī)構(gòu)為其提供了多種運(yùn)動(dòng)模式,除了具有一般輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力 外 , 其運(yùn)動(dòng)特性主要體現(xiàn)在越障能力上。由于該機(jī)器人裝有四個(gè)獨(dú)立擺動(dòng)的履帶腿，通過(guò)不同的擺動(dòng)關(guān)節(jié)角控制可以形成不同的機(jī)器人越障姿態(tài)。與同等大小的機(jī)器人相比,其越障運(yùn)動(dòng)更加靈活,越障性能進(jìn)一步提高。 機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)的基本運(yùn)動(dòng)模式及運(yùn)動(dòng)特性 。
3.1.1 輪式運(yùn)動(dòng)
機(jī)器人履帶腿上擺，四輪著地,如圖 a6所示。該模式用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人長(zhǎng)距離快速高效的運(yùn)動(dòng)要求,可以前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎,減小機(jī)器人占地空間 ，減小摩擦 , 提高運(yùn)動(dòng)的靈活性
圖6 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式
3.1.2腿式運(yùn)動(dòng)
該模式可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的越障 運(yùn)動(dòng),見(jiàn)圖6b,通過(guò)控制履帶腿的關(guān)節(jié)角,控制機(jī) 器人的腿式越障運(yùn)動(dòng),在增加車體凈空高度、提高 非結(jié)構(gòu)環(huán)境下越障能力方面有著明顯效果。
3.1.3履帶運(yùn)動(dòng)
該模式以四履帶驅(qū)動(dòng)為基本運(yùn)動(dòng)方式,利用前 后兩對(duì)履帶的擺動(dòng),來(lái)提高機(jī)器人的越障能力,其 越障運(yùn)動(dòng)特性具體表現(xiàn)如下。
(l)四履帶下擺著地,增大了機(jī)器人與地面的 接觸面積,可以使機(jī)器人適應(yīng)松軟、泥濘、沼澤和 凹凸不平等地形條件,見(jiàn)圖7a。
(2)在爬越臺(tái)階時(shí),通過(guò)前履帶腿上擺形成一 個(gè)合適的前攻角,可以方便的越過(guò)臺(tái)階,其攀越高 度超過(guò)輪子直徑的1 .5倍,見(jiàn)圖7b。
(3)通過(guò)四條履帶腿機(jī)器人可以爬越一般的樓 梯,見(jiàn)圖7c,而在結(jié)束下樓梯運(yùn)動(dòng)時(shí),通過(guò)控制后 履帶腿的擺動(dòng)關(guān)節(jié)角形成一個(gè)合適的后攻角,可以 克服下樓梯時(shí)的摔落振動(dòng),見(jiàn)圖7fo另外,由于機(jī) 器人的對(duì)稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其前后驅(qū)動(dòng)性能相同,所以 在下樓梯時(shí)可以省去在樓梯平臺(tái)處的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng),直 接由后履帶腿變前履帶腿就可以實(shí)現(xiàn)下樓梯的 運(yùn)動(dòng)。
(4)利用四履帶運(yùn)動(dòng)模式爬越斜坡時(shí),由于四 條履帶腿都有驅(qū)動(dòng)力,所以可以爬越更大角度的斜 坡,增大了爬坡能力,見(jiàn)圖7d。
(5)由于各個(gè)履帶腿的擺動(dòng)是相對(duì)獨(dú)立的,所 以,在左右兩側(cè)可以形成不同關(guān)節(jié)角,使得機(jī)器人 可以在斜坡上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定側(cè)向行駛,見(jiàn)圖7e。
穩(wěn)定性受到穩(wěn)定邊界(重心到支撐邊界的最小距離) 的影響。該機(jī)器人的多履帶機(jī)構(gòu),可以通過(guò)改變履 帶腿的姿態(tài)達(dá)到改變重心或zMp(零力矩點(diǎn))的位置,以克服固定重心和穩(wěn)定邊界限制。特別是在爬 越樓梯、斜面時(shí),通過(guò)擺臂運(yùn)動(dòng)可以方便的調(diào)整機(jī) 器人重心位置、擴(kuò)大了機(jī)器人接觸區(qū)域,提高在傾 斜障礙物上的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。
圖7 機(jī)器人越障特性
3.2機(jī)器人自復(fù)位特性
由于移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境既有可能是在城 區(qū)、建筑物內(nèi)外的結(jié)構(gòu)化環(huán)境,也有可能是自然環(huán) 境下復(fù)雜、未知、多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境,可能會(huì)由于 各種原因使機(jī)器人翻倒而導(dǎo)致機(jī)器人失去運(yùn)動(dòng)功 能。該機(jī)器人可以利用四個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的履帶腿實(shí)現(xiàn) 車體在翻倒時(shí)的復(fù)位。圖8表示了一種機(jī)器人在翻 倒情況下的復(fù)位運(yùn)動(dòng)序列。
(l)擺臂L下擺,抬起車體B的一端(左端),使 車體傾斜,由圖8中的位置(a)變?yōu)槲恢脗?。
(2)擺臂R逆時(shí)針擺動(dòng)到圖8c的位置,以便使 支撐區(qū)域靠近機(jī)器人重心。
(3)擺臂L逆時(shí)針擺動(dòng)到車體右側(cè),以便調(diào)整 機(jī)器人重心右移,見(jiàn)圖8d。
(4)通過(guò)擺臂R的擺動(dòng)支撐,逐步使車體B翻 轉(zhuǎn),當(dāng)重心越過(guò)擺臂R的大輪中心時(shí),車體下翻, 使擺臂L與地面接觸,見(jiàn)圖8e。
(5)調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)為初始姿態(tài),完成機(jī)器人復(fù)位運(yùn)動(dòng),見(jiàn)圖8f
圖8 機(jī)器人復(fù)位運(yùn)動(dòng)
4結(jié)論
提出了一種適應(yīng)室內(nèi)外結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的 小型輪履復(fù)合型移動(dòng)機(jī)器人,研究了機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),并對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析。目 前,已完成了該機(jī)器人的機(jī)械裝配與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì), 并且進(jìn)行了輪式運(yùn)動(dòng)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)以及 爬越臺(tái)階、斜面、樓梯等越障試驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下表所示 。
圖9為機(jī)器人在爬越樓梯時(shí)的試驗(yàn)情況。通過(guò)試驗(yàn)可以看出,機(jī)器人具有不同的運(yùn)動(dòng)模式和良好的運(yùn)動(dòng)特性?？刂葡到y(tǒng)滿足機(jī)器人對(duì)半自主導(dǎo)航及遙操作的要求?？梢詫?shí)現(xiàn)在城區(qū)、建筑物內(nèi)和野外非結(jié)構(gòu)環(huán)境的快速行駛和越障運(yùn)動(dòng)。與同等大小的其他類型機(jī)器人相比,具有質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、越障方式靈活等特點(diǎn)。這種移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)可用于軍事偵察、探測(cè)、警戒、巡邏或公安、武警系統(tǒng)解決突發(fā)事件,有著廣泛的應(yīng)用前景
圖9 機(jī)器人爬坡實(shí)驗(yàn)
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