移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1、 移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要：移動機(jī)器人是機(jī)器人的一種。本文在分析國內(nèi)外移動機(jī)器人研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)——將輪式驅(qū)動系統(tǒng)和步行式運(yùn)動機(jī)構(gòu)相結(jié)合，在兩個電機(jī)的驅(qū)動下，通過一些簡單的傳動機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)單方向的步態(tài)行走。同時配合車輪運(yùn)動，使機(jī)器人不僅具有一般輪式機(jī)器人移動速度快、控制簡單的特點(diǎn)，還具有較好的越障能力。 關(guān)鍵詞：移動機(jī)器人；步行機(jī)構(gòu)；運(yùn)動學(xué)分析 1 引言 在工業(yè)機(jī)器人問世30多年后的今天，機(jī)器人己被人們看作為一種生產(chǎn)工具，同時隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機(jī)器人也被開發(fā)出來去適應(yīng)制造領(lǐng)域以外的各個行業(yè)，其中移動機(jī)器人成為機(jī)器

2、人學(xué)發(fā)展中的一個重要分支。移動機(jī)器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，移動機(jī)器人具有移動功能，在代替人從事危險、惡劣(如輻射、有毒等)環(huán)境下作業(yè)和人所不及的(如宇宙空間、水下等)環(huán)境作業(yè)方面，比一般機(jī)器人有更大的機(jī)動性、靈活性。隨著科技的進(jìn)步，人類對未知世界進(jìn)行探索的愿望越來越強(qiáng)烈，移動機(jī)器人的發(fā)展也日新月異。在對移動機(jī)器人的研究中，人們提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣，更由于移動機(jī)器人在軍事偵察、掃雷排險、防核化污染等危險、惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對它的研究在世界各國

3、受到更為普遍的關(guān)注。 國外對于移動機(jī)器人的研究起步較早，日本是開發(fā)機(jī)器人較早的國家，并成為世界上機(jī)器人占有量最多的國家，其次是美國和德國。進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動機(jī)器人開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，開拓各個應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動機(jī)器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位，俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼承者，在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有相當(dāng)雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER科技有限公司把在開發(fā)空間機(jī)器人中獲得的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于開發(fā)地面機(jī)器人系統(tǒng)，如極坐標(biāo)平面移動車、爬行移動機(jī)器人、球形機(jī)器人、工作伙伴平臺以及ROSA-2移動車等，最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游機(jī)器人一一“勇氣”號與“機(jī)遇”號。雖然國內(nèi)

4、有關(guān)移動機(jī)器人研究的起步較晚，但也取得了不少成績。2003年國防科技大學(xué)賀漢根教授主持研制的無人駕駛車采用了四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)以及機(jī)器學(xué)習(xí)等智能控制算法，在高速公路上達(dá)到了130 Km/h的穩(wěn)定時速，最高時速170 Km/h，而且具備了自主超車功能，這些技術(shù)指標(biāo)均處于世界領(lǐng)先的地位[1]。但是我國在機(jī)器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計(jì)和制造能力、高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應(yīng)用等方面，同發(fā)達(dá)國家相比，我國仍存在較大的差距。未來研究熱點(diǎn)是將各種智能控制方法應(yīng)用到移動機(jī)器人的控制。 本課題主要是針對在不同的路況環(huán)境下，機(jī)器人的運(yùn)動能夠適應(yīng)不同的路徑和環(huán)境而提出的，

5、要求機(jī)器人能在平坦的直行路面以較快的速度行走，在復(fù)雜環(huán)境下能完成爬越斜坡、臺階，實(shí)時避障等任務(wù)，具有更廣的道路通過性和靈活性，也可以為機(jī)器人的運(yùn)動和控制提供一個很好的研究平臺。 2移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 總體機(jī)構(gòu)方案 2.1.1行駛機(jī)構(gòu) 到目前為止，地面移動機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)主要分為履帶式、腿式和輪式三種。這三種行駛機(jī)構(gòu)各有其特點(diǎn)[2]。 （1）履帶式 履帶最早出現(xiàn)在坦克和裝甲車上，后來出現(xiàn)在某些地面行駛的機(jī)器人上，它具有良好的穩(wěn)定性能、越障性能和較長的使用壽命，適合在崎嶇的地面上行駛，但是當(dāng)?shù)孛姝h(huán)境惡劣時，履帶很快會被磨損甚至磨斷，沉重的履帶和繁多的驅(qū)動輪使得整體機(jī)構(gòu)笨重不堪

6、，消耗的功率也相對較大。此外，履帶式機(jī)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動分析及自主控制設(shè)計(jì)十分困難。 （2）腿式 腿式機(jī)構(gòu)具有出色的越野能力，曾經(jīng)得到機(jī)器人專家的廣泛重視，取得了較大的成果。根據(jù)腿的數(shù)量分類，有三腿、四腿、五腿和六腿等各種行駛結(jié)構(gòu)。這里我們簡單介紹一種典型的六腿機(jī)構(gòu)。 一般六腿機(jī)構(gòu)都采用變換支撐腿的方式，將整體的重心從一部分腿上轉(zhuǎn)移到另一部分腿上，從而達(dá)到行走的目的。行走原理為:靜止時，由六條腿支撐機(jī)器人整體。需要移動時，其中三條腿抬起成為自由腿(腿的端點(diǎn)構(gòu)成三角形)，機(jī)器人的重心便落在三條支撐腿上，然后自由腿向前移動，移動的距離和方位由計(jì)算機(jī)規(guī)劃，但必須保證著地時自由腿的端點(diǎn)構(gòu)成三角形。最后

7、支撐腿向前移動，重心逐漸由支撐腿過渡到自由腿，這時自由腿變成支撐腿，支撐腿變成自由腿，從而完成一個行走周期。 腿式機(jī)器人特別是六腿機(jī)器人，具有較強(qiáng)的越野能力，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且行走速度較慢。 （3）輪式 輪式機(jī)器人具有運(yùn)動速度快的優(yōu)點(diǎn)，只是越野性能不太強(qiáng)。現(xiàn)在的許多輪式己經(jīng)不同于傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，隨著各種各樣的車輪底盤的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了輪式與腿式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，具有與腿式結(jié)構(gòu)相媲美的越障能力。如今人們對機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究的重心也隨之轉(zhuǎn)移到輪腿結(jié)合式機(jī)構(gòu)上來了。 本文設(shè)計(jì)的移動機(jī)器人不僅要求具有一般輪式機(jī)器人移動速度快、控制簡單的特點(diǎn)，還要具有較好的越障能力，因此本文選擇輪腿式相結(jié)合的輪腿機(jī)構(gòu)作為行

8、駛機(jī)構(gòu)。 2.1.2 驅(qū)動形式的選擇 驅(qū)動部分是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，機(jī)器人常用的驅(qū)動形式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動三種基本類型[3]。 （1）液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動是以高壓油作為介質(zhì)，體積較氣壓驅(qū)動小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單，能在很大范圍實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。但由于壓力高，總是存在漏油的危險，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境，所以需要良好的維護(hù)，以保證其可靠性。液壓驅(qū)動比電動機(jī)的優(yōu)越性就是它本身的安全性，由于電動機(jī)存在著電弧和引爆的可能性，要求在易爆區(qū)域中所帶電壓不超過9V，但液壓系統(tǒng)不存在電弧問題。 （2）氣壓驅(qū)

9、動 在所有的驅(qū)動方式中，氣壓驅(qū)動是最簡單的。使用壓力通常在0.4～0.6Mpa，最高可達(dá)1Mpa。用氣壓伺服實(shí)現(xiàn)高精度是困難的，但在滿足精度的場合下，氣壓驅(qū)動在所有的機(jī)器人驅(qū)動形式中是質(zhì)量最輕、成本最低的。氣壓驅(qū)動主要優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，驅(qū)動系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣的環(huán)境中工作。其缺點(diǎn)是：功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器人在任意定位時，位姿精度不高。 （3）電氣驅(qū)動 電氣驅(qū)動是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動負(fù)載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動。電氣驅(qū)動是目前機(jī)器人是用得最多的一種驅(qū)動方

10、式。其特點(diǎn)是易于控制，運(yùn)動精度高，響應(yīng)快，使用方便，驅(qū)動力較大，信號監(jiān)測、傳遞、處理方便，成本低廉，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境，可以采用多種靈活的控制方案。 由于本課題所研究的移動機(jī)器人驅(qū)動負(fù)載小，要求結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高，所以選用了電氣驅(qū)動方式。 2.1.3 驅(qū)動電機(jī)的選擇 電動機(jī)有直流電動機(jī)和交流電動機(jī)兩類。常用的交流電動機(jī)有三相異步電動機(jī)(或感應(yīng)電動機(jī))和同步電動機(jī)。異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)容易，運(yùn)行可靠，價格便宜，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，因此，它是工業(yè)中使用最為廣泛的一種電動機(jī)。直流電動機(jī)雖不及交流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠，但由于長期以來交流電動機(jī)的調(diào)速問題未能

11、得到滿意的解決，在此之前，直流電動機(jī)具有交流電動機(jī)不能比擬的良好的啟動性能。到目前為止，雖然交流電動機(jī)的調(diào)速問題已經(jīng)得到解決，但是在速度調(diào)節(jié)要求較高，正、反轉(zhuǎn)和啟、制動頻繁或多單元同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械上，仍采用直流電動機(jī)拖動。根據(jù)本系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)驅(qū)動機(jī)構(gòu)選用了永磁直流伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)選用步進(jìn)電機(jī)。其性能優(yōu)越性如下： 永磁直流伺服電機(jī)接通直流電即可工作，控制簡單；啟動轉(zhuǎn)矩大，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制，效率高。 步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一

12、個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單[4]。 2.1.4 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 驅(qū)動元件在機(jī)器人中的作用相當(dāng)于人體的肌肉。為了完成預(yù)定的動作，機(jī)器人必須具備前進(jìn)驅(qū)動裝置和轉(zhuǎn)向驅(qū)動裝置，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個關(guān)鍵，本文主要采用電機(jī)作為該新型移動機(jī)器人的驅(qū)動元件。對電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制，才能使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動。 目前，電機(jī)驅(qū)動裝置主要有以下兩種布置方式: (1)集中驅(qū)動方式：即把驅(qū)動電機(jī)布置在車體上，在通過傳動裝置，將動力輸出到每個車輪上，使車輪運(yùn)動。電動汽車便是典型的集中驅(qū)動

13、方式。對于智能移動機(jī)器人，集中驅(qū)動方式并不合適，主要是由于其難以實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向，對車體進(jìn)行精確定位。 (2)集中控制——分布驅(qū)動方式：即在每個驅(qū)動車輪上都設(shè)置電機(jī)，驅(qū)動車輪運(yùn)動或轉(zhuǎn)向。電機(jī)由安裝在車體上的中央控制元件控制其轉(zhuǎn)動速度。這種結(jié)構(gòu)簡單，而且便于實(shí)現(xiàn)，有利于運(yùn)動機(jī)構(gòu)性能的發(fā)揮。目前各國的空間探測車均采用這種驅(qū)動方式。 本方案采用集中控制——分散驅(qū)動方式。車輪和前進(jìn)驅(qū)動電機(jī)做成一體式結(jié)構(gòu)，即為電動輪。在車輪和支架連接處，裝設(shè)轉(zhuǎn)向電機(jī)，驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)向。 2.1.5車輪 車輪的直徑對機(jī)器人的速度和越障能力都有很大的影響。使用同樣的電機(jī)，車輪直徑增加，機(jī)器人的速度會同時增加，二者之間是一種

14、線性關(guān)系。另外，按照車輛理論的分析，車輪的直徑增大可以明顯提高機(jī)器人的越障能力。但是，車輪直徑變大的同時，車輪表面所受的電機(jī)轉(zhuǎn)矩卻會下降。根據(jù)車輛地面力學(xué)理論，剛性車輪的寬度越寬，車輪的土壤沉陷量越小，土壤的壓實(shí)阻力也就越小。不過，車輪變寬后，機(jī)器人的轉(zhuǎn)向阻力也會變大。另外，增加車輪的直徑比增加車輪寬度對減小壓實(shí)阻力更為有效。因此，必須根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定車輪直徑和寬度，不能盲目加大車輪直徑和寬度。 2.1.6移動機(jī)器人的主要特點(diǎn) 1）移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 本六輪智能移動機(jī)器人采用整體車身結(jié)構(gòu)。車身通過兩個鉸座與前后兩個車架連接，使車身及承載物的重量能被兩個車架平均承受，再平均分配給每個車輪

15、，從而使各車輪的受力均衡，提高整個車輛的承載能力。同時由于車身與前后車架可以繞其相應(yīng)的鉸座相對轉(zhuǎn)動，大大提高了它對不同復(fù)雜路面的適應(yīng)能力[5]。 機(jī)器人的主要運(yùn)動結(jié)構(gòu)為前后兩個車架及其相關(guān)機(jī)構(gòu)。每個車架上設(shè)有三個車輪和配套的驅(qū)動電機(jī)及轉(zhuǎn)向舵機(jī)，可以分別實(shí)現(xiàn)滾動和轉(zhuǎn)向。三個車輪的接地點(diǎn)呈三角形分布，使各車架均具有自身的穩(wěn)定性。三個車輪各自通過一套連桿機(jī)構(gòu)與車架相連，通過簡單的機(jī)構(gòu)傳動，可以使三個車輪完成協(xié)調(diào)的步態(tài)行走。其中當(dāng)一個車輪抬起時，另外兩個車輪著地；兩個車輪抬起時，一個車輪著地。將前后兩車輪架上的六個車輪通過機(jī)構(gòu)連接起來，便可以實(shí)現(xiàn)六個車輪實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)步態(tài)行走。其中三個車輪抬起，三個車輪著

16、地。由于始終有三個車輪著地，即使行走速度較慢，也可以保證整個車體的穩(wěn)定性。另外，當(dāng)機(jī)器人處于六個車輪同時著地時，可以通過各車輪上的驅(qū)動電機(jī)和舵機(jī)驅(qū)動各車輪，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。 2）基本參數(shù) 我們所要研制的移動機(jī)器人基本參數(shù)如下: 外廓尺寸 長:1600mm 寬:800mm 高:800mm 巡航車速:0.1m/s 最高車速:0.13m/s 輪胎規(guī)格：直徑170 mm 輪寬25 mm 3）技術(shù)參數(shù) 機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)反映了機(jī)

17、器人所能勝任的工作和具有的最高操作性能，是選擇和設(shè)計(jì)機(jī)器人都必須考慮的關(guān)鍵問題。機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)一般包括以下幾個方面： (1)結(jié)構(gòu)形式 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式是指機(jī)器人運(yùn)動鏈的形式：如關(guān)節(jié)式、球坐標(biāo)式、直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式等。 (2)自由度和類型 自由度是表示機(jī)器人動作靈活程度的參數(shù)，是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立運(yùn)動關(guān)節(jié)的數(shù)目，一般以沿軸線的移動和繞軸轉(zhuǎn)動的獨(dú)立運(yùn)動數(shù)來表示(末端執(zhí)行器的動作不包括在內(nèi))。自由度越多越靈活，但同時結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，控制也越復(fù)雜。通常情況下機(jī)器人的自由度在3--6個之間，而自由度的類型是指屬于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)還是直線關(guān)節(jié)。 (3)運(yùn)動范圍 是指機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍。機(jī)器人一

18、般由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制和控制系統(tǒng)電纜的走線，都對關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍會產(chǎn)生影響，大多數(shù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)不可能在同一個方向持續(xù)轉(zhuǎn)動。 (4)重復(fù)精度 機(jī)器人經(jīng)過多次循環(huán)運(yùn)動后，到達(dá)空間同一位置和姿態(tài)的最大誤差范圍。 (5)控制方式 機(jī)器人運(yùn)動控制的方式，如示教再現(xiàn)、點(diǎn)位控制或軌跡控制。 (6)驅(qū)動方式 機(jī)器人是采用液壓、氣動、交流電機(jī)或異步電機(jī)控制等。 本設(shè)計(jì)研究的攀爬機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)如下表： 表1移動機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 機(jī)構(gòu)形式 多連桿機(jī)構(gòu) 自由度數(shù) 3 驅(qū)動方式 直流伺服電機(jī)驅(qū)動 電源 直流電源 控制方式 單片機(jī)控制 2.2移動機(jī)器人的組成 如圖1所示移動機(jī)器人主要

19、由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。 1）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是移動機(jī)器人完成各種所需運(yùn)動的機(jī)械部件。 2）驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是移動機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機(jī)械傳動等四種形式。 3）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，并檢查其正確與否的一些裝置。一般包括程序控制部分和行程檢測反饋部分。 驅(qū)動系統(tǒng) 車輪 控制系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng) （包括：機(jī)身、腿部） 圖1 移動機(jī)器人各系統(tǒng)之間的關(guān)系 2.3 移動機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1移

20、動機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.步行機(jī)構(gòu)簡介 步態(tài)行走機(jī)構(gòu)對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，其落足點(diǎn)是離散的，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇支腿的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。 目前出現(xiàn)的行走機(jī)構(gòu)按照支腿的數(shù)目來劃分，主要分為兩足和多足結(jié)構(gòu)。兩足結(jié)構(gòu)是通過模擬人體行走時的姿態(tài)而設(shè)計(jì)的，主要是采用多關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式，每個關(guān)節(jié)都有相應(yīng)的電機(jī)及運(yùn)動控制程序控制，整個行走周期落足點(diǎn)的軌跡可以任意調(diào)節(jié)，可以得到比較好的軌跡曲線，并且通過調(diào)節(jié)兩足的相對位置，可以比較好地調(diào)整機(jī)構(gòu)整體的重心位置，保持機(jī)構(gòu)運(yùn)行時的平穩(wěn)性[6]。但是由于電機(jī)的數(shù)量較多，要使其協(xié)調(diào)工作，控制起

21、來比較復(fù)雜，并且對硬件和軟件的要求都比較高。多足結(jié)構(gòu)主要是通過模擬昆蟲的行走步態(tài)，該結(jié)構(gòu)可以較好的保持機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，其中以六足機(jī)構(gòu)最為典型。六足機(jī)構(gòu)按行走方式又可分為步行式和爬行式。爬行式結(jié)構(gòu)的支腿要求至少有兩個平面的運(yùn)動:水平面和豎直面。因此，每個支腿至少需要兩個電機(jī)來驅(qū)動。要使六條支腿協(xié)調(diào)動作，也需要較好的控制程序和硬件設(shè)備。步行式結(jié)構(gòu)每個支腿僅需要一個電機(jī)驅(qū)動，通過機(jī)械傳動，可以使用一個或兩個電機(jī)同時驅(qū)動六條支腿協(xié)調(diào)運(yùn)動，控制簡單，對硬件的要求也不高。但是對落足點(diǎn)的軌跡要求較高。否則就不能保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動的整體平穩(wěn)性[7]。 設(shè)計(jì)步態(tài)行走系統(tǒng)最大的難點(diǎn)是如何協(xié)調(diào)各腿之間的動作，以及如何保證

22、整體的平穩(wěn)性。協(xié)調(diào)各足的動作可以通過機(jī)械傳動鏈，使各機(jī)構(gòu)有序協(xié)調(diào)地運(yùn)動，更能保證傳動精度，簡化控制系統(tǒng)。保證機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性實(shí)質(zhì)上是對落足點(diǎn)的軌跡提出了比較苛刻的要求。即把落足點(diǎn)一個周期的軌跡分為兩部分，前半個周期實(shí)現(xiàn)邁步動作，要求落足點(diǎn)盡可能的高于地面，并有一定的水平位移;后半個周期使落足點(diǎn)回到初始位置，并保證其軌跡盡可能的與地面平行障[8]。只有同時滿足以上兩個條件，才能使整個機(jī)構(gòu)平穩(wěn)的向前移動。本設(shè)計(jì)采用一個電機(jī)，通過機(jī)構(gòu)傳動，來實(shí)現(xiàn)落足點(diǎn)周期性的運(yùn)動，并且其運(yùn)動軌跡可以較好地滿足以上兩個要求動[9]。 2.步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 本智能機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)為多連桿機(jī)構(gòu)，擬采用一個電機(jī)驅(qū)動一個端點(diǎn)做圓

23、周運(yùn)動，通過連桿傳動，實(shí)現(xiàn)落足點(diǎn)周期性的往復(fù)運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退以及一定范圍內(nèi)的越障。為了簡化示意圖，現(xiàn)將連桿用直線表示，鉸接點(diǎn)用圓圈表示。連桿機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示。 圖2支腿機(jī)構(gòu)簡圖 3.曲軸、連桿長度的確定 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中考慮各種因素的影響，確定了連桿與曲軸的長度：曲軸11長為100mm，連桿1和8長為224mm，連桿2、5、9、4長為200 mm，連桿3和7長為100 mm連桿6和10長為330mm，固定點(diǎn)A、B間距為240 mm。為實(shí)現(xiàn)所要求動作的位置和姿態(tài)，需要3個自由度實(shí)現(xiàn)位置移動。 4.步行機(jī)構(gòu)原理分析 A、B兩點(diǎn)固定在車架

24、上，C點(diǎn)為落足點(diǎn)(實(shí)際是機(jī)器人車輪的中心)。所有連桿的連接方式均為鉸接。桿11為曲軸，繞A點(diǎn)做圓周運(yùn)動，軌跡如圖中圓周所示。通過連桿機(jī)構(gòu)的傳動，點(diǎn)C隨整個機(jī)構(gòu)做周期運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)一個周期的行走運(yùn)動。 為實(shí)現(xiàn)整個機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動，所有連桿采用鉸接的方式。連桿11通過電機(jī)驅(qū)動，繞A點(diǎn)做圓周運(yùn)動。整個機(jī)構(gòu)可以分為相互協(xié)調(diào)的三個四連桿機(jī)構(gòu)(桿9、10、11、車架；桿5、6、11、車架；桿3、4、5、7)和兩個三角架(桿1、2、3；桿7、8、9)。兩個三角架各自保持自身三個連桿的相對穩(wěn)定。落足點(diǎn)C為其中一個三腳架的一個端點(diǎn)。其中，四連桿機(jī)構(gòu)和三腳架之間以及四連桿機(jī)構(gòu)之間都通過共用連桿來傳遞運(yùn)動。曲軸11同

25、時充當(dāng)其中兩個四連桿機(jī)構(gòu)的曲軸。這樣，在曲軸11的圓周運(yùn)動過程中，落足點(diǎn)C也將隨連桿機(jī)構(gòu)做周期性的運(yùn)動。 2.3.2運(yùn)動示意圖 落足點(diǎn)C的運(yùn)動周期可以分為兩個部分:平移周期(如圖6)和邁步周期(如圖7)。每個周期各占整個運(yùn)動周期的一半。即，曲軸11從運(yùn)動到的半個周期內(nèi)，落足點(diǎn)向后平移，實(shí)質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)整個機(jī)構(gòu)的向前平移;從運(yùn)動到的半個周期內(nèi)，落足點(diǎn)向前移動，并且有一定的垂直高度，可以越過一定高度的障礙，使邁步過程順利實(shí)現(xiàn)。圖3支腿機(jī)構(gòu)平移周期示意圖 圖4支腿機(jī)構(gòu)邁步周期示意圖 2.3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 針對上述的實(shí)際情況，綜合各方面

26、的因素，設(shè)計(jì)此移動機(jī)器人各構(gòu)件的尺寸及制造材料，見表2。 上述構(gòu)件全部采用鋼板造型，然后由焊接連接，大部分零部件均設(shè)計(jì)成模塊化，便于更換和二次開發(fā)。車輪采用硬脂塑料車輪，強(qiáng)度大，重量輕。車身通過兩個鉸座與前后兩個車架連接，使車身及承載物的重量能被兩個車架平均承受，再平均分配給每個車輪，從而使各車輪的受力均衡，提高整個車輛的承載能力。在車輪與連桿機(jī)構(gòu)的連接處裝有舵機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。在車體上設(shè)有中央控制單元，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行控制。這樣，六個車輪在結(jié)構(gòu)上集驅(qū)動、減速、傳動和位置監(jiān)測于一身，減少了傳動環(huán)節(jié)和車體重量，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。 表2 移動機(jī)器人各構(gòu)件的尺寸及制造材料 機(jī)構(gòu)名稱

27、構(gòu)件尺寸 所選材料 選用理由 步行機(jī)構(gòu) 連桿3mm（厚度） 鋼板 價格便宜、加工簡單成型后具有很大的承受力 車輪170mm、25 mm（直徑、輪寬） 硬脂塑料 價格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有很大的承受力 2.4 移動機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 移動機(jī)器人一般多作業(yè)于復(fù)雜的環(huán)境。與普通車輛相比，其動力學(xué)特性更為復(fù)雜，對整體的穩(wěn)定性要求更高，尤其是在機(jī)器人轉(zhuǎn)向運(yùn)動時。目前，移動機(jī)器人的轉(zhuǎn)向動作主要通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)—遙控和程控。遙控主要指利用遙感技術(shù)，由操縱者發(fā)送指令，通過無線電、傳感器網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙等設(shè)備，對機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制[10]。程控是指利用機(jī)器人上自帶的工控機(jī)、嵌入式等硬件設(shè)

28、備，通過己有的軟件系統(tǒng)，使機(jī)器人能夠自主的進(jìn)行轉(zhuǎn)向等動作。由于作業(yè)環(huán)境的不確定性，往往將兩者結(jié)合起來使用。尤其是遇到大障礙時，要求機(jī)器人具有良好的轉(zhuǎn)向靈活性[11]。 本文移動機(jī)器人控制系統(tǒng)模式采用自主導(dǎo)航和遠(yuǎn)距離控制相結(jié)合的模式。車上設(shè)有傳感和視覺系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，機(jī)器人本身具有一定自主導(dǎo)航能力，可以實(shí)現(xiàn)自動避障。同時視覺系統(tǒng)可以把視覺內(nèi)容通過無線設(shè)備傳遞給遙控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙控功能。機(jī)器人自帶蓄電池等能源設(shè)備，可以在一定時間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源的自動供給，保證機(jī)器人在失去外部電源的情況下能自動返回出發(fā)地。 最后完成的移動機(jī)器人效果圖如下： 圖5新型移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖 3步行機(jī)構(gòu)運(yùn)

29、動學(xué)分析 3.1上四連桿機(jī)構(gòu) 桿9、10、11以及車架構(gòu)成一個四連桿機(jī)構(gòu)，位于固定點(diǎn)B的上方，如圖4所示。設(shè)曲軸11與水平軸x的夾角為，連桿10與x軸的夾角為，擺桿9與x軸,桿9、10、11的長度分別為,,。固定點(diǎn)A、B間的距離為。曲軸11繞固定點(diǎn)A轉(zhuǎn)動，角速度為，角加速度為。擺桿9繞固定點(diǎn)B從動?？傻梅匠探M (3-1) 圖6上四連桿機(jī)構(gòu)示意圖 解方程組（3-1）可得任意時刻擺桿9、連桿10與x軸的夾角和，由式3-2、3-3可以求得任意時刻擺桿9的角速度和角加速度;由式3-4、3-5可以求得任意時刻連

30、桿10的角速度和角加速度。 (3-2) (3-3) (3-4) (3-5) 3.2下四連桿機(jī)構(gòu) 桿5、6、11以及車架構(gòu)成一個四連桿機(jī)構(gòu)，位于固定點(diǎn)B的下方，如圖5所示:設(shè)曲軸11與水平軸x的夾角為，連桿6與x軸的夾角為，擺桿5與x軸。桿5、6、11的長度分別為、、。固定點(diǎn)A、B間的距離為。曲軸11繞固定點(diǎn)A驅(qū)動，角速度為，角加速度為。擺桿5繞固定點(diǎn)B從動。可得方程組:

31、 (3-6) 圖7下四連桿機(jī)構(gòu)示意圖 解方程組（3-6）可得任意時刻擺桿5、連桿6與x軸的夾角和，由式3-7、3-8可以求得任意時刻擺桿5的角速度和角加速度;由式3- 9、3-10可以求得任意時刻連桿6的角速度和角加速度。 (3-7) (3-8) (3-9) (3-10) 3.3落足點(diǎn)的運(yùn)動學(xué)分析 桿3、4、5、7構(gòu)成一個平行四邊形機(jī)構(gòu)，連

32、桿3和連桿7始終處于平行。如圖2所示。因此，落足點(diǎn)C的坐標(biāo)為: (3-11) 落足點(diǎn)在任意時刻的水平速度、垂直速度與水平加速度、垂直加速度為： (3-12) (3-13) 由上式可以看出，根據(jù)曲軸11的運(yùn)動狀態(tài)，即可得到落足點(diǎn)C任意時刻的位置、速度以及加速度。 4 結(jié)論 本文在對智能移動機(jī)器人越障性能的需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的步行機(jī)構(gòu)，并且將其與傳統(tǒng)的輪式驅(qū)動系統(tǒng)相結(jié)合，完成了一種新型智能移動機(jī)器人的概念設(shè)計(jì)。本文僅僅

33、討論了其中結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)方面的內(nèi)容，論文并不完善，有待于在以下幾個方面作進(jìn)一步的探索和深化: l)機(jī)器人的越障能力和行駛機(jī)構(gòu)的參數(shù)選取有很密切的關(guān)系。在結(jié)構(gòu)形式確定的基礎(chǔ)上，有必要對行駛機(jī)構(gòu)的參數(shù)作進(jìn)一步的優(yōu)化，以求得到更好的越障性能和車體的穩(wěn)定性； 2)輪地接觸關(guān)系是一個值得研究的課題。要確定車輪的外形和表面形式，必須對機(jī)器人在路面行走時車輪的受力狀態(tài)有深入的研究； 3)在上述分析和研究的基礎(chǔ)上，要積極探索機(jī)器人的控制系統(tǒng)的算法。如何將步行機(jī)構(gòu)和輪式驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合起來將是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。把控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)充分結(jié)合起來，機(jī)器人的研究就更有實(shí)際意義。 參考文獻(xiàn) [l]徐國華，譚民.

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