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：針對在室內(nèi)外環(huán)境下對小型移動(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]。對于小型地面移動(dòng)機(jī) 器人來說,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,特別是在長距離、高 速度運(yùn)動(dòng)過程中或者是轉(zhuǎn)彎時(shí),其能耗很高。從理 論上來講,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 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,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自動(dòng)化所研制的 CLIMBER[16]。
通過對不同移動(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)通過無線傳輸實(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)簡圖如圖 1 所示 。其中代表機(jī)器人坐標(biāo)系, 為車體長度 , 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)并能越過臺(tái)階、爬越樓梯等越障要求,需要對一般建筑物入口寬度、樓梯的結(jié)構(gòu)尺寸、履帶腿長度、履帶輪直徑、車體長度以及整個(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,使得它對各種地面的通過能力和越障能力進(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)過與其集成的行星齒輪減速器 1和 末級 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,外軸軸承通過軸承座支撐整個(gè)運(yùn)動(dòng)單元。外軸的運(yùn)動(dòng)通過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)要求通過控制擺臂關(guān)節(jié)角來抬起車體,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,通過這一對齒輪傳動(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)通過支撐板布置 了兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元,也就是說,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。通過履帶 腿支撐桿連接孔與外軸凸緣相連接來傳遞履帶腿的 擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。對于履帶傳動(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)通過螺釘拉緊履帶 并用四個(gè)鎖緊螺栓來鎖緊 。 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)通過無線串口 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,通過獲取電動(dòng)機(jī)光電碼盤信號(hào)完成對電動(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,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,采用無線串口通信模塊傳輸來自遙操作端的任務(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 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),見圖6b,通過控制履帶腿的關(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 后兩對履帶的擺動(dòng),來提高機(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,見圖7a。
(2)在爬越臺(tái)階時(shí),通過前履帶腿上擺形成一 個(gè)合適的前攻角,可以方便的越過臺(tái)階,其攀越高 度超過輪子直徑的1 .5倍,見圖7b。
(3)通過四條履帶腿機(jī)器人可以爬越一般的樓 梯,見圖7c,而在結(jié)束下樓梯運(yùn)動(dòng)時(shí),通過控制后 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),見圖7fo另外,由于機(jī) 器人的對稱結(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,見圖7d。
(5)由于各個(gè)履帶腿的擺動(dòng)是相對獨(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,見圖8d。
(4)通過擺臂R的擺動(dòng)支撐,逐步使車體B翻 轉(zhuǎn),當(dāng)重心越過擺臂R的大輪中心時(shí),車體下翻, 使擺臂L與地面接觸,見圖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、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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