煤礦救生機器人設(shè)計【四連桿變形履帶式機器人結(jié)構(gòu)】
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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表
指導(dǎo)教師： 職 稱 ：
所在院（系）： 教研室（研究室）：
題 目
四連桿履帶式搜救機器人
學(xué)生姓名
專業(yè)班級
學(xué)號
一、選題質(zhì)量：（主要從以下四個方面填寫：1、選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，能否體現(xiàn)綜合訓(xùn)練要求；2、題目難易程度；3、題目工作量；4、題目與生產(chǎn)、科研、經(jīng)濟、社會、文化及實驗室建設(shè)等實際的結(jié)合程度）
所選課題以機器人在廢墟中運動方式開題，通過對運動結(jié)構(gòu)設(shè)計，尺寸確定，剛
度扭轉(zhuǎn)力矩的確定，驅(qū)動力矩的選擇，貫通大學(xué)各個年級所學(xué)知識，將理論與實際結(jié)
合將自己所學(xué)到的知識升華。題目難度適中。具有非常大的發(fā)揮空間和巧活多樣的設(shè)
計思路，對于本科機設(shè)專業(yè)的學(xué)生來說，主要是進行四連桿履帶式搜救機器人的結(jié)構(gòu)
設(shè)計與越障能力分析，這主要是針對機械設(shè)計學(xué)生的要求，其機器人涉及各個學(xué)科且
聯(lián)系密切。四連桿履帶式搜救機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是機器人的外形尺寸設(shè)計，內(nèi)部
零部件安置方式以及外部翻越行動方式，此機器人采用四連桿履帶式，主要由機架對稱分布的履帶變形模塊組成。機架兩側(cè)是基于平行四邊形結(jié)構(gòu)的履帶變形模塊,主要由四連桿變形機構(gòu)，主驅(qū)動輪，被動輪及繞在履帶輪上的履帶組成，其中四連桿變形機構(gòu)由連桿，主動曲柄，被動曲柄組成，用于提供驅(qū)動力，并且可以繞機架旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)履帶變形，在越障時給機器人提供額外的輔助運動。選題完全符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，屬于機械設(shè)計的一種,對即將畢業(yè)的學(xué)生的再學(xué)習(xí)有著較好的指引作用, 不僅僅局限在機械基礎(chǔ)知識上更涉及了有關(guān)材料學(xué)、力學(xué)等多學(xué)科知識，使我們對交叉學(xué)科有了一定的涉足，綜合訓(xùn)練的要求也得到充分的體現(xiàn)。
二、開題報告完成情況：
前期論文完成
從越障能力出發(fā)，進行運動形式的分析，確定理想的運動方式，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，查
閱資料，對運動結(jié)構(gòu)優(yōu)勢進行分析，進行設(shè)計工作，并在關(guān)鍵問題有所突破，資料
整理工作已經(jīng)完成。
三、階段性成果：
1、本次設(shè)計的開題報告已經(jīng)完成，總體布置方案和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)已確定，并完成一些標(biāo)準(zhǔn)件的選型及和大多數(shù)零部件的設(shè)計計算工作。
2、部分零件圖的繪制已經(jīng)基本完成，設(shè)計說明書已經(jīng)開始整理。
3、英文翻譯工作已經(jīng)基本完成，現(xiàn)在正對一些結(jié)構(gòu)設(shè)計進行校核。
四、存在主要問題：
由于專業(yè)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)不夠深入，設(shè)計經(jīng)驗欠缺，參考資料收集有限，設(shè)計主題思路把握不夠，簡單問題解決不夠靈活；設(shè)計中結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，機器人越障能力分析有一定的難度，
數(shù)據(jù)分析與變形草圖的繪制綜合分析機器人順利越過90度障礙物能力。同時機器人內(nèi)部
結(jié)構(gòu)中的電動機，減速器，齒輪設(shè)計等細(xì)節(jié)問題的要求以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)安排方式，如何使得
安排即合理又正確等問題需要進一步解決。
五、指導(dǎo)教師對學(xué)生在畢業(yè)實習(xí)中，勞動、學(xué)習(xí)紀(jì)律及畢業(yè)設(shè)計（論文）進展等方面的評語
指導(dǎo)教師： （簽名）
年 月 日
3
萬方科技學(xué)院機械與動力工程系
畢業(yè)實習(xí)報告
指導(dǎo)教師：
姓 名：
班 級：
學(xué) 號：
打開Google搜索引擎，輸入“礦難”兩個字，1,740,000例相關(guān)網(wǎng)頁，耗時0.23秒，而輸入“平安”兩個字，1,130,000例相關(guān)網(wǎng)頁，耗時0.22秒。礦難頻發(fā)，篇篇報道皆觸目驚心。往年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，礦難中死去的礦工多達(dá)萬人，就是在去年，也有7000人死于礦難！許多事實表明，大部分礦難其實是可以避免的，就拿常見的瓦斯爆炸來說，按我國目前的防治能力和技術(shù)水平，只要把防范措施落實到位，瓦斯爆炸事故應(yīng)該有能力避免。實際經(jīng)驗表明,超過48 小時后被困在廢墟中的幸存者存活的概率變得越來越低[1 ] 。由于災(zāi)難現(xiàn)場情況復(fù)雜,在救援人員自身安全得不到保證的情況下是很難進入現(xiàn)場開展救援工作的,此外,廢墟中形成的狹小空間使搜救人員甚至搜救犬也無法進入。災(zāi)難搜救機器人可以很好地解決上述問題。機器人可以在災(zāi)難發(fā)生后第一時間進入災(zāi)難現(xiàn)場尋找幸存者,對被困人員提供基本的醫(yī)療救助服務(wù),進入救援人員無法進入的現(xiàn)場搜集有關(guān)信息并反饋給救援指揮中心等。近年來,為了滿足救援工作的需要,國內(nèi)外很多研究機構(gòu)開展了大量的研究工作,可在災(zāi)難現(xiàn)場廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋的各類機器人如可變形多態(tài)機器人、蛇形機器人等相繼被開發(fā)出來。本文在介紹國內(nèi)外災(zāi)難搜救機器人最新研究成果及近年來災(zāi)難現(xiàn)場的實際使用情況的基礎(chǔ)上,根據(jù)現(xiàn)場使用的經(jīng)驗教訓(xùn)提出了災(zāi)難救援機器人需要解決的一些關(guān)鍵技術(shù)問題指出了災(zāi)難救援機器人的發(fā)展趨勢。
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
近十年來,尤其是“911”事件之后,美國、日本等西方發(fā)達(dá)國家在地震、火災(zāi)等救援機器人的研究方面做了大量的工作,研究出了各種可用于災(zāi)難現(xiàn)場救援的機器人。以牽引和運動方式的不同搜救機器人主要可分為以下幾類:
2. 1 履帶式搜救機器人
履帶式機器人是為了滿足軍事偵察、拆除危險物等作業(yè)的需要,在傳統(tǒng)的輪式移動機器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。圖1 給出了目前國際上幾家著名機器人公司的典型產(chǎn)品,他們主要是為了滿足軍事需要而開發(fā)的,體積普遍偏大,不太適合在倒塌的建筑物廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋幸存者
2. 2 可變形(多態(tài)) 搜救機器人
為了能進入狹小空間展開搜救工作,要求機器人的體積要盡可能小,但體積小了搜索視野就會受到限制,為了解決這一矛盾,近年來在傳統(tǒng)牽引式搜救機器人平臺基礎(chǔ)上,研制出了形態(tài)可變的履帶式多態(tài)搜救機器人。圖2 為美國iRobot 公司生產(chǎn)的PackBot 系列機器人, PackBot 機器人有一對鰭形前肢,這對鰭形前肢可以幫助在崎嶇的地面上導(dǎo)航,也可以升高感知平臺以便更好地觀察。圖3 為加拿大Inuktun 公司MicroVGTV 多態(tài)搜救機器人,他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠(yuǎn)近靈活地調(diào)整形狀和尺寸。
圖1 履帶式搜救機器人
圖2 美國iRobot 公司PackBot 多態(tài)搜救機器人
圖3 加拿大Inuktun 公司MicroVGTV 多態(tài)搜救機器人
2. 3 仿生搜救機器人
雖然履帶式可變形多態(tài)機器人可根據(jù)搜索空間的大小改變其形狀和尺寸,但受驅(qū)動方式的限制,其體積不可能做得很小。為了滿足對更狹小空間搜索的需要,人們根據(jù)生態(tài)學(xué)原理研制出了各種體積更小的仿生機器人,其中蛇形機器人就是其中很重要的一類。圖4 (a) 為CMU 研制的安裝在移動平臺上的蛇形機器人,圖4 (b) 為日本大阪大學(xué)研制的蛇形機器人。我國中國科學(xué)院沈陽自動化研究所,國防科技大學(xué),北京航空航天大學(xué)等單位也都相繼研制出了類似的蛇形機器人系統(tǒng)。圖4 (c) 為美國加州大學(xué)伯克利分校研制的身高不足3 cm 的蒼蠅搜救機器人。隨著技術(shù)的不斷成熟,相信蛇形、蠅形等仿生機器人會在災(zāi)難搜救工作中發(fā)揮越來越大的不可替代的特殊作用。
3. 1 搜救機器人在
“911”事件救援中的應(yīng)用
2001 年“911”事件發(fā)生后,美國國內(nèi)主要機器人生產(chǎn)公司和研究機構(gòu)都組織參加了紐約世貿(mào)大廈現(xiàn)場的搜救工作,他們是南佛羅里達(dá)大學(xué)機器人輔助搜尋與救援研究中心,MIT 的iRobot 公司,美國海軍的SPAWAR 研究中心,以及具有五十多年歷史的Foster - Miller 公司等。據(jù)時代周刊報道[3 ] :在最初的十天當(dāng)中,救援機器人在搜救犬、人工無法抵達(dá)的狹小或危險區(qū)域找到十余具遇難者的遺體,與現(xiàn)場搜救工作人員找到的數(shù)量基本相同,但所花的時間卻不到現(xiàn)場救援人員花費時間的一半。這次救援行動被稱為美國歷史上救援機器人的第一次實戰(zhàn)演練,使用了當(dāng)時已經(jīng)商業(yè)化但主要是為軍事偵察、危險物拆除而設(shè)計的履帶式移動機器人。雖然取得了一定的成績,但災(zāi)難現(xiàn)場實際使用情況表明,目前所研制的搜救機器人仍然存在不少需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。主要表現(xiàn)在機器人的移動性、通訊問題、智能圖像處理軟件以及人機交互能力等方面。機器人體積偏大,無法進入狹小空間進行搜救;廢墟上的高溫使機器人履帶軟化而無法正常行進[2 ] ;統(tǒng)計表明,無線通訊方式的機器人有大約25 %左右的時間由于通訊問題而無法正常工作;圖像智能識別能力不足,救援人員絕大部分時間(超過80 %) 都在用于對機器人發(fā)回圖像的分析、辨別上[4 ] ;人機交互能力差,機器人操縱困難等。
3. 2 搜救機器人在西弗吉尼亞礦難救援中的應(yīng)用
2006 年年初,美國西弗吉尼亞Sago 煤礦發(fā)生礦難,造成12 名礦工死亡。事故發(fā)生后,救援人員使用GPS 測定被困礦工的方位,然后從地面上鉆了3 個深孔,以便給井下輸送氧氣,同時期望對井下的狀況進行檢測。救援人員分別放入空氣探測儀和攝像頭,但均無功而返。為了從水平方向?qū)虑闆r進行探測,美國勞工部礦業(yè)安全與衛(wèi)生局通過深孔向井下派出了一個救援機器人,但最終因機器人中途行進過程中陷入泥潭而受阻。
搜救機器人關(guān)鍵技術(shù)問題及發(fā)展趨勢
災(zāi)難搜救機器人是一個新興的研究領(lǐng)域,其使用環(huán)境的特殊性對機器人硬件和軟件兩方面都提出了更高的要求,目前在該領(lǐng)域仍存在很多需要不斷探索的技術(shù)難題。
4. 1 硬 件
4. 1. 1 移動性/ 機械機構(gòu)
移動性是搜救機器人完成搜救工作的決定因素,“911”事件后紐約世貿(mào)大廈現(xiàn)場的搜救工作以及西弗吉尼亞Sago 煤礦的礦難救援工作都很好地證明了這一點。機器人移動平臺應(yīng)該能夠在惡劣廢墟環(huán)境中靈活地穿梭于狹小的空間之中,能夠翻越障礙,爬樓梯,穿越泥濘的道路等,且機器人的移動不應(yīng)對周圍不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,以免發(fā)生二次坍塌或爆炸等。此外,機器人還應(yīng)該具備適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力,具有防水、耐高溫等能力。早期為軍用目的而設(shè)計的輪履式機器人由于體積偏大而不太適合搜救工作。目前,各種履帶式多態(tài)可變形小型機器人已經(jīng)研制出來, 并已商業(yè)化。近年來, 特別是2000 年以來,以蛇形機器人為代表的仿生機器人正在成為新的研究熱點,且已經(jīng)取得不少突破性研究成果。
4. 1. 2 傳感檢測裝置
搜救機器人的主要工作就是通過傳感器實現(xiàn)自身的導(dǎo)航、環(huán)境信息的獲取以及幸存人員的搜尋。由于災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性及不確定性,傳統(tǒng)在室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境中已較成熟的導(dǎo)航算法無法滿足救援工作的要求,傳統(tǒng)的聲納、激光測距儀等在充滿煙霧和灰塵的環(huán)境中也很難取得理想的效果。目前搜救機器人主要采用人工控制方式來實現(xiàn)機器人的導(dǎo)航。災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境信息是確定最佳救援
方案,確保救援人員自身安全的關(guān)鍵,常見的環(huán)境參數(shù)主要有有害氣體含量、空氣質(zhì)量、是否有火災(zāi)發(fā)生等。被困人員的搜尋是搜救機器人的最主要任務(wù)。目前通常通過對視頻圖像的監(jiān)測來識別是否有被困人員,但由于被困人員身上被灰塵所覆蓋,使其被隱藏于周圍的環(huán)境中,傳統(tǒng)的彩色圖像分割和區(qū)域檢測方法通常會失效。移動對象檢測及紋理識別等也是常用的檢測方法。近來熱成像照相技術(shù)在幸存者檢測方面取得了不錯的研究成果。發(fā)現(xiàn)被困人員后需要迅速判斷其是否還活著,生命體征檢測裝置的研制近年來成為了研究的熱點。南佛羅里達(dá)大學(xué)Murphy 教授領(lǐng)導(dǎo)的機器人團隊已開發(fā)出了多個非介入式生命體征檢測傳感器[10 ] ,用于判斷被困人員的生存狀況。
4. 1. 3 人機通訊方式
目前機器人與操作者之間常用的通信方式有無線和電纜兩種方式。電纜方式可以通過線纜方便地為機器人提供能量,穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)機器人和操作者之間的信息傳送,且當(dāng)機器人遇阻時通過拖拽使機器人重新投入工作。但電纜方式也存在一定的問題,隨著機器人搜尋范圍的深入,線纜很容易發(fā)生纏繞而影響機器人的移動性。研制收放靈活的電纜卷繞裝置是解決目前有線通信方式機器人通訊問題的關(guān)鍵。
無線通訊方式的穩(wěn)定性較難保證,即使在穿透性能最佳的頻段,也會由于帶寬及各種干擾的影響使得通訊無法正常進行。“911”事件的救援工作證明,無線方式的機器人大約有25 %以上的時間無法正常通訊。穩(wěn)定可靠的通訊方式是當(dāng)前救援機器人領(lǐng)域需要很好解決的關(guān)鍵問題之一。
4. 2 軟 件
4. 2. 1 人機交互和用戶界面在災(zāi)難現(xiàn)場,搜救機器人的操作者精神高度緊張且需要長時間連續(xù)高負(fù)荷工作,因此良好的人機交互系統(tǒng)是提高搜救效率、減輕救援人員工作強度的保證。人機交互是通過良好的用戶接口來實現(xiàn)的,因此,該接口必須為操作者提供豐富的信息,從而使操作者能夠做出最佳判斷來對機器人進行控制,通過該人機接口,操作者能很容易地判斷機器人的位置、狀態(tài)等,能夠靈活地對機器人本身以及其所攜帶的有關(guān)裝置如攝像頭、照明裝置等進行控制。為了設(shè)計出友好的人機交互接口,設(shè)計人員必須對搜救過程中救援人員對機器人的使用情況進行充分的了解。南佛羅里達(dá)大學(xué)Murphy 教授領(lǐng)導(dǎo)的機器人團隊在此方面已做了大量的調(diào)研工作。
4. 2. 2 傳感器融合
由于救援現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性,對傳統(tǒng)的室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下傳感器數(shù)據(jù)的處理算法不能滿足搜救工作的需要。如通過視頻圖像對幸存者的檢測,由于灰塵、煙霧等的影響使得識別變得非常困難,通過檢測到聲音的方向辨別幸存者的方位,也由于現(xiàn)場噪音的影響而變得很困難。因此,為了完成搜索并發(fā)現(xiàn)幸存者,必須通過多種傳感器數(shù)據(jù)的融合,研究更加有效的識別算法。
4. 2. 3 機器人搜救隊
由于災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性,需要各種不同的搜救機器人參與救援工作,如MCU 研制的通過具有較強越障能力的輪式機器人攜帶蛇行機器人來完成救援工作的機器人。為了縮減搜索遍歷時間,組建機器人搜救隊是行之有效的辦法,各機器人之間相互協(xié)調(diào)來快速完成搜索工作。目前有不少研究機構(gòu)在開展多機器人未知環(huán)境探索算法的研究工作,并已經(jīng)有基于結(jié)構(gòu)化未知環(huán)境搜索的系統(tǒng)問世[12 ] ,但要真正用于實際救援環(huán)境還有很多工作要做。
4. 2. 4 傳統(tǒng)移動機器人技術(shù)的局限性
移動機器人在室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的導(dǎo)航、定位、路徑規(guī)劃、地圖建立以及未知環(huán)境探索等技術(shù)經(jīng)過長期的研究已經(jīng)基本成熟,但要用于災(zāi)難現(xiàn)場的非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜未知環(huán)境的探索還需要進行更深入的研究。目前搜救機器人的控制方式主要以手工操作為主,不追求機器人的完全自治。但為了提高救援水平,縮短搜索時間,完全自主的搜救機器人,尤其是自主機器人搜救隊將是發(fā)展的方向。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是電子信息技術(shù)的突飛猛進，機器人作為人類的新型生產(chǎn)工
具，在減輕勞動強度，提高生產(chǎn)率，改變?nèi)说纳a(chǎn)模式，把人從危險、惡劣、繁重的工作環(huán)境中解放出來等方面，顯示出了極大的優(yōu)越性。機器人在地面的移動方式有多種：車輪式、履帶式、輪履結(jié)合式和步行式等。步行移動方式模仿人類或動物的行走機理，用腿腳走路，對環(huán)境的適應(yīng)性好，智能程度相對也較高。但是步行移動方式的結(jié)構(gòu)和控制比較復(fù)雜，相對于比賽用機器人來說速度慢，所以一般不選用。下面對車輪式、履帶式和輪履結(jié)合式三種移動方式做一些說明。
1 輪式結(jié)構(gòu)的分析
利用車輪移動是最常見的一種地面行進方式。輪式驅(qū)動機構(gòu)移動方式的優(yōu)點是：
速穩(wěn)定，能量利用率高，機構(gòu)和控制簡單，而且現(xiàn)有技術(shù)比較成熟。它的缺點是：對路面要求較高，適用于平整的硬質(zhì)道路，不能很好的適應(yīng)場地。輪式移動機構(gòu)可以達(dá)到較高的運動速度，在相對平坦的地面上，輪式移動具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，控制也相對簡單。輪式移動機構(gòu)由于應(yīng)用廣泛，是目前研究最為透徹的移動機構(gòu)之一。傳統(tǒng)的輪式移動機構(gòu)有三輪、四輪、六輪的結(jié)構(gòu)形式，日本還曾研究出五輪移動機構(gòu)。但輪式移動機構(gòu)的缺點也是很明顯的。由于與地面接觸面積小，在爬坡時容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。要想解決打滑需要加裝減速箱或用動力制動的方法實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整過程。但其通過性和越障能力受到限制，在攀爬樓梯時一般要求前輪半徑要大于樓梯高度，底盤最低點距地面高度限制了地面通過性。為適應(yīng)復(fù)雜地形甚至于爬樓梯的要求，必須加大輪子直徑，導(dǎo)致底盤結(jié)構(gòu)體積龐大，重量增加。
從理論上講，三點決定一個平面，因此車輪式移動載體的平穩(wěn)運動最少需要3個輪子支撐。現(xiàn)在大多數(shù)機器人用的是3輪或4輪移動方式，在某些特殊情況下也有用5輪以上的，但這種情況下機器人的結(jié)構(gòu)和控制會更加的復(fù)雜，這對我們技術(shù)有限的大學(xué)生機器人隊伍來數(shù)是不太適用的。因此我們會選擇3輪或4輪的移動方式，下面對此進行討論。
（1）3輪移動配置和操舵方式
典型3輪移動機器人通常采用1個中心前輪和2個后輪的車輪布置。3個車輪配置與功能
的不同組合有可以將3輪機器人分為如圖1所示的若干類型
圖1（a）所示的組合是前輪1為萬向腳輪或球形輪，后輪2和后輪3為獨立驅(qū)動輪，利
用它們的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。這種組合的特點是機構(gòu)組合容易，而且當(dāng)兩個驅(qū)動輪以相同速
度、相反方向轉(zhuǎn)動時車體能繞兩個驅(qū)動輪連線的中點自轉(zhuǎn)，但自傳中心與車體中心不一致。
圖1（b）所示的組合是操縱舵機機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)集中在前輪1上，兩個后輪之起支撐從動作用。與圖1（c）相比，該機構(gòu)也能繞兩后輪連線的中點自轉(zhuǎn)，但其前輪驅(qū)動集中，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
圖1（c）所示的組合是前輪1為操舵輪，后輪2和后輪3中的一個為驅(qū)動輪，另一個為從動輪。這種車輪機構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)簡單，組成容易，但單邊驅(qū)動的驅(qū)動性差，穩(wěn)定性不好，不能自傳。
圖1（d）的車輪組合將圖1（c）的單輪驅(qū)動該為雙后輪差動驅(qū)動，提高了驅(qū)動性，但
加了一個差動齒輪裝置，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，也增加了質(zhì)量。
（2） 4輪移動配置和操舵方式
3輪式機器人車體配置雖然結(jié)構(gòu)簡單，但穩(wěn)定性差，遇到?jīng)_撞或地面不平時容易傾
倒。與3輪機構(gòu)相比4輪移動方式的穩(wěn)定性更好。
4輪移動機構(gòu)的典型配置形式如圖2所示。圖2（a）的組合是前后輪為萬向腳輪或球形輪，左右兩輪為獨立驅(qū)動輪。與圖1（a）的3輪車體相比，其自轉(zhuǎn)中心與車體中心重合，當(dāng)兩個驅(qū)動輪以相反速度方向轉(zhuǎn)動時，車體能繞自身的中心自轉(zhuǎn)，所以便于在狹窄場所改變方向。這種車輪布置方式在靈活性和穩(wěn)定性上都是比較好的，在比賽中也有采用這種方式的。但它的缺點是前后輔助腳輪有時不能同時著地支撐，在高速啟動和剎車時車體會產(chǎn)生俯仰和前沖，為了克服啟動和剎車時的俯仰和前沖，應(yīng)當(dāng)盡量將車體的中心配置在兩個驅(qū)動輪連線的近旁，減少慣性的影響。
圖2（b）是常見的所謂汽車車輪配置方式。它與圖1（d）所示的3輪車驅(qū)動方式類似，只是將前面一個操舵輪改為兩個輪，提高力車體的穩(wěn)定性。兩個操舵輪需要同一個操舵機構(gòu)來協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向，此外為了減少后輪的摩擦損耗，配備了差動齒輪裝置，增加了機構(gòu)的復(fù)雜性。
綜上所述，為了既要滿足車體穩(wěn)定性，又要使得車體具有較
靈活的機動性能，同時還要使得車體結(jié)構(gòu)盡量簡單而且還有比較容
易控制，我們采用圖3所示的車輪配置方式，這種車輪的布局方式也是在借鑒了2009年機器人車輪的分布形式再結(jié)合今年的實際情而最終確定的，前面兩個萬向輪起到了以下三個作用：1）支撐作用；2）導(dǎo)向作用；3）自動調(diào)整機器人的平穩(wěn)。采用四個車輪可以更好的保持機器人的穩(wěn)定性，為了保證機器人能夠四個輪能夠同時著地，我們給兩個導(dǎo)向輪增加了一個彈簧裝置，這樣機器人在遇到路面不平的時候能夠很好的依靠彈簧的彈力進行自我調(diào)整。
2 履帶式結(jié)構(gòu)的分析
履帶式結(jié)構(gòu)實際上是一種自己為自己鋪路的輪式結(jié)構(gòu)。它是將環(huán)狀的循環(huán)軌道履帶卷
繞在若干滾輪外，是車輪不直接與地面接觸。最常見的履帶移動車是在車體的兩側(cè)各設(shè)有一對履帶驅(qū)動裝置的雙履帶結(jié)構(gòu)。也有為了適應(yīng)復(fù)雜的路況而采用多履帶的。在比賽中由于路面不是很復(fù)雜，所以制作起來比較簡單，就是將履帶卷繞在兩個以上的車輪上，其中一個車輪用來做驅(qū)動輪，其余的車輪作張緊輪或?qū)蜉啞ｒ?qū)動輪通?？孔陨淼凝X與履帶內(nèi)側(cè)的齒形嚙合來驅(qū)動。典型的履帶移動機構(gòu)由驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、托帶輪、履帶、履帶架等部分組成。履帶移動機構(gòu)適合在復(fù)雜路面上行駛，它是輪式移動機構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。
履帶的優(yōu)點是著地面積比車輪式大，所以著地壓強小；另外與地面粘著力較強，能吸收較小的凹凸不平，攀爬能力強，適用于有突變的地面，能夠原地旋轉(zhuǎn)，重心低，穩(wěn)定。因此，履帶式適合于各種場地。
履帶車輛和輪式車輛的特性有所不同。主要的不同在轉(zhuǎn)向特性上。履帶車輛的轉(zhuǎn)向通過兩側(cè)履帶的差速進行轉(zhuǎn)向。履帶式轉(zhuǎn)彎不如車輪式靈活。在要改變方向時，須要將某一側(cè)的履帶驅(qū)動系統(tǒng)減速或制動來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，或者反向驅(qū)動車體的原地自傳。這都會使履帶與地面產(chǎn)生相對橫向滑動，加大了機器人電機的能耗。在負(fù)重大的情況下可使電機溫度迅速升高影響電機的使用和壽命。履帶車的受力比較復(fù)雜，作用力可能是靜態(tài)的也有可能是動態(tài)的。車輛以常速運動時，靜態(tài)力作用。加速運動時，受動態(tài)力作用。車輛轉(zhuǎn)彎時，將產(chǎn)生離心力，推動車輛橫向移動，動態(tài)力總是作用在車輛質(zhì)心處。
3 輪履結(jié)合式的分析
機器人行走系統(tǒng)是完成移動動作的直接保證，設(shè)計的優(yōu)劣直接影響機器人性能發(fā)揮，尤其對機器人運動可靠性有很大要求。為克服普通履帶式移動機構(gòu)的缺點，主要通過改變履帶的形狀和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，卡特比勒（Catepillar）式、形狀可變履帶、位置可變履帶、履帶式加裝前后擺等結(jié)構(gòu)形式相繼出現(xiàn)，并應(yīng)用于各種機器人的移動機構(gòu)。近年來各種增強的非金屬復(fù)合材料應(yīng)用于履帶，大大減輕了履帶式移動機構(gòu)笨重的缺點，改善了其整體性能，對復(fù)雜環(huán)境，履帶式移動機構(gòu)具有較強的地形適應(yīng)性。
本文將介紹一種輪履結(jié)合式的結(jié)構(gòu)。出于對重量和經(jīng)濟性的考慮，可選用標(biāo)準(zhǔn)同步帶代替履帶作為行走系統(tǒng)的主要部件。同步帶有梯形齒和弧齒兩種齒形，均有標(biāo)準(zhǔn)可選。我們用的是8M圓弧齒同步帶輪作為履帶。
履帶旁邊的輪比履帶高出五毫米，在平地上行走時履帶不著地只起到傳動的作用，只有輪在著地，所以此時機器人具有輪式的特性，當(dāng)機器人要越障或過坡時履帶也著地，此時機器人又具有履帶式的特性。通過實驗發(fā)現(xiàn)此種結(jié)構(gòu)明顯改變了履帶與地面的摩擦力，行走同樣的距離電機不再發(fā)熱，減輕了電機的負(fù)擔(dān)，延長了電機的使用壽命，電機工作時間是履帶式的一半。
輪履復(fù)合式移動平臺克服單一移動平臺的缺陷，具有以上兩種移動平臺的優(yōu)點。其缺點是結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，控制及運動規(guī)劃要求高。
4 驅(qū)動方式的選擇
底盤的驅(qū)動部分就相當(dāng)于人的兩條腿，機器人的移動都是靠此部分來實現(xiàn)的，所以，這部分是機器人裝置中很重要的一部分。驅(qū)動方面是各個高校都正在執(zhí)著鉆研的一個問題，驅(qū)動的合理與否直接關(guān)系到機器人在場地上能否從啟動區(qū)準(zhǔn)確到達(dá)目的地，這種決定性的作用在機器人運行過程中體現(xiàn)的最為明顯，每年都有許多所學(xué)校的機器人在場地上跑離白線，這不僅僅是控制技術(shù)方面的問題，在機械方面往往由于輪子安裝精度達(dá)不到要求帶來許多控制上無法克服的約束。良好的機械產(chǎn)品能有效地保護電機，延長電機的使用壽命，這從經(jīng)濟的角度來講是完全有必要的，而且能使電機的功率發(fā)揮到極致，傳動效率高。同是也避免了給操作員帶來不必要的麻煩?？梢婒?qū)動方面的設(shè)計安裝在機器人總的設(shè)計制作過程中占有相當(dāng)重要的地位。
為了便于確定這部分的驅(qū)動系統(tǒng)，首先先介紹一下2007年某校機器人驅(qū)動部分的傳動系統(tǒng)。07年參賽機器人的傳動系統(tǒng)有以下部分組成；直流電機、電機座、軸承、軸承座、聯(lián)軸器、軸和車輪。電機通過聯(lián)軸器并且在軸承的輔助作用下來帶動車輪的旋轉(zhuǎn)運動。這套傳動系統(tǒng)從總體上來說還是不錯的，但是在制作與安裝過程中遇到許多的問題，最主要的就是同軸度問題，它包括電機軸、軸承、軸承座、聯(lián)軸器、軸及車輪的同軸度問題，還包括兩個車輪同軸度的問題。若前者同軸度較低就會造成聯(lián)軸器的扭斷，因為聯(lián)軸器是一種彈性聯(lián)軸器，當(dāng)扭矩較大時就會扭斷，當(dāng)然這也是對電機的一種保護。在實際中聯(lián)軸器的扭斷給機械上的維護帶來很大的麻煩。后者同軸度較低則會使得機器人在行走直線時發(fā)生走偏的現(xiàn)象。所以在參照了2007年機器人驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，我們決定改變這種傳動方式。
而齒輪傳動不僅能夠獲得較大的傳動比，提高機器人的速度，而且還使得機器人的結(jié)構(gòu)更加的緊湊。一級齒輪傳動的效率可以達(dá)到99%，這對電能的利用率很高。齒輪傳動將同軸度的問題解決的很好，首先大齒輪安裝在電機軸上，小齒輪、軸承、軸承座和車輪安裝在同一根軸上，然后大齒輪和小齒輪進行嚙合，由于安裝在同一根軸上，所以同軸度很高，這樣單邊的同軸度問題得到了解決。再來看兩個車輪是如何保證同軸度的，為了更好的保證兩輪的同軸度，我們將兩輪安裝在通一根梁上，這樣兩輪就能夠很好的保證同軸度，而且還能夠使得這個驅(qū)動系統(tǒng)模塊化。如圖8所示，兩個電機交錯排列既保證了電機的安裝又使得結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且質(zhì)量分布也比較均勻，在機械維護方面也更加的方便。
除了前面提到的傳動方式，還可以采用同步帶傳動。兩車輪通過一根軸相聯(lián)接，在電機和車輪上分別裝有同步帶輪，兩同步帶輪靠同步帶聯(lián)接，同步帶中心距不變，同步帶的張緊是靠張緊輪來實現(xiàn)的，同步帶傳動中設(shè)置有張緊輪，采用同步帶傳動時必須提供預(yù)緊，否則，會出現(xiàn)跳齒現(xiàn)象，不利于實現(xiàn)機構(gòu)的同步運動。這種傳動方式也解決了同軸度問題，而且由于同步帶有彈性，對電機有很好的保護。采用同步帶傳動的好處在于：1)、機器人的啟動為軟啟動，沖擊小、噪聲小、運行平穩(wěn)，電機損耗小；2)、安裝精度要求低，容易調(diào)試。隨著計算機技術(shù)和控制技術(shù)發(fā)展的，運動規(guī)劃技術(shù)的日漸成熟，復(fù)合式移動平臺因其優(yōu)越的越障性能和運動速度，將會越來越受到各院校同學(xué)的高度重視，各種新穎的移動平臺將層出不窮。
步足式仿生機器人是機器人研究領(lǐng)域最先研究的對象之一, 近十幾年, 隨著計算機等硬件設(shè)備的發(fā)展和設(shè)計領(lǐng)域的創(chuàng)新, 各國對足式機器人的研究明顯增多。文獻1 對腿式機器人的發(fā)展?fàn)顩r作了較為全面的概述, 美、日、德等國先后有許多典型的足式試驗機器人先后問世, 比較著名的是日本東京工業(yè)大學(xué)的泰坦VIII 型, 德國的四足機器人BISAM, 上海交通大學(xué)的四足機器人JTUWM- III 等。
地面移動機器人按照行走方式的不同可以分為輪/ 履式腿式和蠕動式。其中蠕動式機器人主要在細(xì)微管道中應(yīng)用, 在其它領(lǐng)域則廣泛應(yīng)用輪/ 履式機器人和腿式機器人。輪/ 履式機器人由于其結(jié)構(gòu)簡單、容易控制, 并且輪/ 履驅(qū)動方式技術(shù)成熟, 一直是機器人研究的主要方向。但隨著人們的需求和技術(shù)的發(fā)展, 輪/ 履式機器人的局限性日益體現(xiàn)了出來:應(yīng)付地形勘測、災(zāi)害救援等復(fù)雜地形上的任務(wù)輪式機器人已力不從心, 腿式機器人就成為新的研究重點。與輪/ 履式機器人相比, 腿式機器人有著很大的優(yōu)勢:⑴腿式機器人的行進軌跡是離散的點, 這使它在執(zhí)行任務(wù)時有著很強的通過力和機動性; ⑵腿式機器人的腿部結(jié)構(gòu)使它可以有效的自主隔振, 從而保護其身上的元器件和重要儀器不受損壞; ⑶輪/ 履式機器人的前進所需的牽引力受重力影響, 從而使它不可能完成在垂直于地面的平面上工作, 而腿式機器人只要稍加改進, 例如安裝吸附裝置就可以做到鉛錘方向的移動。
四腿機器人的運動規(guī)劃
3.1 單腿運動的分解
機器人的每條腿都安裝了兩部伺服馬達(dá), 上方的馬達(dá)與機身鉸接, 通過馬達(dá)的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)腿部相對機身的前/ 后扭轉(zhuǎn); 下方的馬達(dá)則與腿部連桿機構(gòu)鉸接, 馬達(dá)的往復(fù)擺動帶動連桿機構(gòu), 實現(xiàn)步足的上/ 下起落。
3.2 四腿復(fù)合運動規(guī)劃
四腿機器人的運動方式分為兩種, 即靜態(tài)步行方式(三腿支撐一腿行進)和動態(tài)步行方式(步行過程任意時刻均少于三條腿同時處于支撐狀態(tài)的步行方式)。
本文研究的機器人為了滿足不同的性能要求而采用了不同的步行方式:
當(dāng)要求保證機器人在行進中保持靜態(tài)穩(wěn)定, 或要求行走在崎嶇不平的路面, 此時采用靜態(tài)步行法。在運動的任一時刻至少有三條腿與地面接觸支撐機體, 且機體的中心必須落在三足支撐點構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)。然后按1342 的順序抬起和落地,實現(xiàn)行走。雖然靜態(tài)步行法較穩(wěn)定, 但需要四條腿輪流擺動一次才能完成一個運動周期, 因此步行速度緩慢。如若要求快速行進則采用動態(tài)步行方式, 即處于對角線上的兩條腿動作完全一致。行進過程中對角線上的兩條擺動腿1、3 抬起向前擺動, 此時由于1、3 腿的前擺, 使機體重心前移不在支撐腿對角線上, 支撐腿2、4 同時向后擺動, 使機體前移, 重心恢復(fù)到1、3 腿的對角線中點上, 然后落下1、3 腿, 從而使機體保持平穩(wěn)狀態(tài)。
四條腿在一周期的循環(huán)過程中, 機體始終相對地面作勻速運動(假設(shè)只考慮勻速運動)。腿部的運動分兩個過程:1.支撐腿在支撐過程中, 機體向前移動, 足尖相對機體向后運動; 2.在抬跨過程中, 足尖的運動是由隨機體的向前運動和足尖相對機體向前抬跨運動的合成,
在抬腿過程中為了減小地面對腿的沖擊, 使機體能夠穩(wěn)定行進, 足尖的加速度曲線應(yīng)該是比較平滑的, 故應(yīng)采用正弦運動曲線。機器人控制芯片為Microchip 公司生產(chǎn)的PIC16C57C 單片機, 本文采用PBASIC 程序開發(fā)機器人控制算法, 程序順序解釋執(zhí)行, 無法實現(xiàn)多線程, 從而將機器人腿部的復(fù)合運動分解為多個短時間段內(nèi)的擺動、起落運動的順序組合。即在擺動運動中按正弦運動方式運動到預(yù)期位置后停止不動, 然后再執(zhí)行步足的起/ 落運動, 二者交替執(zhí)行。由于每個動作的執(zhí)行過程被逐段細(xì)分, 從宏觀上仍然保持了復(fù)合運動的連續(xù)性, 這樣既能實現(xiàn)機體的穩(wěn)定行進也保證了機器人運動的效率。
總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
多足步行機器人的機械系統(tǒng)要涉及到幾個方面的內(nèi)容：腿模塊、腿-機體-腿模塊的結(jié)構(gòu)形式，各關(guān)節(jié)的合理布置、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角、腿節(jié)長度、腿在軀體上的安裝型式以及腿數(shù)目等。
2.1 腿模塊結(jié)構(gòu)
腿機構(gòu)對于提高機器人各傳動系統(tǒng)的傳動精度、提高各腿的運動靈活性、簡化整機的結(jié)構(gòu)設(shè)計、降低成本和提高步行機的行走能力有重要影響。
（1）自由度選擇：
腿機構(gòu)的可控自由度越多，它的靈活性越好，但每一個可控自由度要配備一套驅(qū)動系統(tǒng)和一套傳動機構(gòu)，所以每增加一個自由度其重量相應(yīng)要增加許多。因此，步行機器人腿機構(gòu)的自由度在滿足運動條件前提下，越少越好，這里選定每條腿有三個空間自由度。
（2）腿機構(gòu)形式：
目前典型的腿機構(gòu)形式有：縮放式腿機構(gòu)；關(guān)節(jié)式腿機構(gòu)；緩沖型腿機構(gòu)；基于氣動人工肌肉的腿機構(gòu)等。考慮到關(guān)節(jié)式腿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，緊湊且運動靈活，這里采用關(guān)節(jié)式連桿機構(gòu)作為機器人的腿機構(gòu)形式，且采用液壓缸作為驅(qū)動，確定步行機器人單腿模塊的機構(gòu)原理圖，如圖1 所示。
圖1 步行機器人單腿模塊機構(gòu)原理圖
2.2 腿數(shù)目確定
目前研制的多足步行機器人，不但要求能夠穩(wěn)定行走，而且腿機構(gòu)還可作為機械臂執(zhí)行操作任務(wù)。當(dāng)執(zhí)行裝置執(zhí)行操作任務(wù)時，就要求步行機器人機體還應(yīng)是執(zhí)行裝置剛性好、靜態(tài)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。要保證步行機器人機體靜態(tài)穩(wěn)定，則步行機器人應(yīng)具有三條或三條以上的腿。從實現(xiàn)靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)的可能性出發(fā)，步行機器人必須有四條或四條以上的腿。靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)的穩(wěn)定裕量隨著腿數(shù)的增加而增加，不過當(dāng)腿數(shù)增加到七條以上時，穩(wěn)定裕量的變化反而趨于平坦。步行機器人采用液壓驅(qū)動，每條腿上每個自由度由一個液壓缸/馬達(dá)驅(qū)動，這樣每條腿上就有三套驅(qū)動系統(tǒng)，而腿的數(shù)目越多，驅(qū)動系統(tǒng)就越多，則整機的自重就會增大，相應(yīng)地步行機的承載能力就會下降。為減少驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)量，增大步行機構(gòu)的承載能力，因此，選用四足步行機器人作為研制對象。
2.3 腿安裝型式確定
步行機器人腿模塊在機體上的安裝型式主要有兩類：把腿安裝在機體側(cè)面的仿昆蟲類（或仿爬行動物類，如海蟹等）；另一種是把腿安裝在機體底部的仿哺乳動物類（如虎等）。研制的四足步行機器人腿機構(gòu)不僅具有行走功能，而且還要求能夠作為液壓操作臂，完成操作作業(yè)，在結(jié)構(gòu)上更容易實現(xiàn)仿爬行動物類腿機構(gòu)，其布置型式優(yōu)點就顯現(xiàn)了出來。
2.4 總體結(jié)構(gòu)確定
機器人的總體結(jié)構(gòu)是由機體（軀體）、腿部件兩部分組成。機體的作用是將多個腿部件和控制部件有機地連接在一起，并且承受一定的負(fù)載。腿部件的作用是支撐整個機體，并完成機器人步行運動。采用液壓驅(qū)動的關(guān)節(jié)式腿機構(gòu)，且各腿模塊采用仿昆蟲類方式進行布置，機器人整體機構(gòu)模型，如圖2 所示。
圖2 液壓驅(qū)動四足步行機器人機構(gòu)模型圖
3 機械結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計
3.1 腿節(jié)長度優(yōu)化
如圖1 所示。L1、L2、L3—單腿的髖關(guān)節(jié)腿節(jié)，大、小腿節(jié)長度，α—髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，β—大腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，γ—小腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。四足步行機器人腿節(jié)較多（包括髖關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)），使得步行機器人在運動時具有較好的靈活性。各腿節(jié)之間的長度關(guān)系對腿部的靈活性以及機器人的整體性能有較大影響，因此，
如何在單腿總長一定的情況下實現(xiàn)各腿節(jié)長度的優(yōu)化分配是非常重要的。
3.1.1 各腿節(jié)長度對步行機器人運動速度的影響
當(dāng)腿機構(gòu)運動到某一位置時，足端點C 的運動軌跡方程：
（1）
其中：
（2）
（3）
由式（1）~（3）得到：
（4）
yc
即為足行程或腿跨距R。
上式分別對Li （ i=1，2，3）求導(dǎo)可得：
（5）
由式（5）可見，步行機器人的腿跨距R 對桿長L1
最敏感，進而對步行機器人的運動速度影響最大，因此，在單腿總長L 一定的情況下，希望L1 取值越大越好，此時在步行機器人步調(diào)（單位時間內(nèi)腿擺動的次數(shù)）一定的情況下，速度越快。
3.1.2 各腿節(jié)長度對步行機器人越障能力的影響
H0
圖3 步行機器人越障示意圖
如圖3 所示，步行機器人的最大越障高度為：H0=L2+L3-h （6）可見，在單腿總長L 一定的情況下，L2+L3 越大，則機器人越障高度越大，即越障能力越強，此時L1最小。
3.1.3 腿節(jié)長度對步行機器人足端運動空間的影響
對腿部三連桿機構(gòu)足端的平面運動空間進行分析，如圖4 所示。
圖4 四足步行機器人足端運動空間
設(shè)髖關(guān)節(jié)連桿L1—OiA 長度，大腿桿L2—AB0長；小腿桿L3—B0C0長；φ1，φ2—大、小腿關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)角范圍，如圖4 所示?？傻萌缦聨缀侮P(guān)系：
S扇形B0C0D0=S扇形B1C1D1
，S扇形B0D0G0=S扇形B1D1G1
，
S扇形B0C0E0=S扇形B1C1E1
，S扇形B0G0F0=S扇形B1G1F1
，
如圖4 所示，中陰影部分即為四足步行機器人腿機構(gòu)足端在平面內(nèi)的運動區(qū)域，該區(qū)域面積越大，則足端的可選立足點越多，即腿運動越靈活。
令，，則，代入上式，
SE0E1F1F0= " （7）
令（8）
=0 （9）
求解可得：
（10）
即當(dāng)
時，足端工作空間面積最大。
3.1.4 腿節(jié)比例對機器人運動靈活性的影響
機體的靈活性評價指標(biāo)可用文獻[6]提出的靈活度概念作為評價指標(biāo)。機體位姿可用#X，Y，Z，α，β，γ $6個參數(shù)表示，其分別為機體坐標(biāo)系相對于地面坐標(biāo)系XYZ 三軸直線位移和角位移。由于多鏈并聯(lián)機構(gòu)的限制，步行機器人在某一位姿時機體位姿參數(shù)單獨變化，將各有一定的變化范圍，
設(shè)
令靈活度
式中：L— 單腿的長度。由于，且一般情況（超出不計），所以FB 是一個%0，1 &之間的無量綱參數(shù)。靈活度是結(jié)構(gòu)參數(shù)和所處位姿的函數(shù)，它反映了多足步行機的整體靈活性。綜上所述，在對步行機器人運動速度、越障能力、運動空間以及腿部和機體靈活性進行分析后，并參照仿生機械蟹的比例，并考慮到舵機、連接鉸鏈的安裝，確定腿部各關(guān)節(jié)比例為：
K1:K2:K3=0.15:0.425:0.425（12）
單腿總長為L = 400mm， 各腿節(jié)長度為：L1 = 60mm，L2= 170mm，L3= 170mm3.2
機器人機體設(shè)計
對四足步行機器人機體進行有效的優(yōu)化設(shè)計，在保證機體剛度和強度的條件下使得機體質(zhì)量最輕，對于提高步行機器人的載重能力以及運動效率具有重要意義。
3.2.1 α 角度規(guī)劃與機體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系
α 角度即為腿部髖關(guān)節(jié)的擺動角度。一方面，如果α 過小，則會影響步行機器人的行走步長λ（指在一個完整腿循環(huán)中機體移動的水平距離），從而影響步行機器人的行走速度；另一方面，如果擺動角度λ 過大，有可能在擺動過程中前后兩腿發(fā)生干涉。為了不發(fā)生干涉，則需要將機體加長，如果加上所承載重物以及液壓油源的振動，極有可能會激發(fā)機構(gòu)的某種模態(tài)，產(chǎn)生共振，進而影響機構(gòu)的穩(wěn)定性。為了使機體能夠承受一定的負(fù)載且不發(fā)生變形及穩(wěn)定性等原因需要進一步將機體的厚度增大，而此時又進一步的增大了機體的重量即支撐腿的負(fù)載，則又需增大液壓缸/馬達(dá)的輸出力矩，進一步增大了整個結(jié)構(gòu)的尺寸，與結(jié)構(gòu)設(shè)計的緊湊性相矛盾，可見，λ 角度大小對機體的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要影響。3.2.2 步行機構(gòu)穩(wěn)定性與機體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系機體設(shè)計的合理與否對步行機器人整體運動穩(wěn)定性有著重要影響，當(dāng)機體長寬比例設(shè)計不合理時，重心發(fā)生偏移，會導(dǎo)致機體發(fā)生傾翻現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)驗值，初步確定機體長寬比例為：0.75。
移動機器人包括輪式（如4 輪式、2 輪式、全方向式、履帶式）、足式（如6 足、4 足、2 足）、混合式（輪子和足）、特殊式（如吸附式、軌道式、蛇式）等類型。其中輪式移動機器人由于自重輕、承載能力強、運動控制相對簡單、移動靈活、速度快等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、反恐防暴、家庭服務(wù)以及空間探測等領(lǐng)域。輪式機器人要求其移動機構(gòu)能夠靈活運動，以適應(yīng)環(huán)境要求。全方位移動機器人在平面上能作任意方向移動， 運動靈活。常見的全方位輪有Mecanum 輪、Swedish 輪以及由其他普通車輪的組合。該機器人的底盤由2 組驅(qū)動輪和4 個隨動輪組成，如圖2 所示，機器人本體通過6 塊安裝板和底盤聯(lián)結(jié)。每組驅(qū)動輪固聯(lián)，2 個伺服電機分別實現(xiàn)直線驅(qū)動和轉(zhuǎn)向功能。隨動輪為萬向偏心輪（見圖4），
當(dāng)?shù)V井發(fā)生爆炸和坍塌、地震災(zāi)害降臨、房屋倒塌時，救援人員往往無法及時深入到廢墟內(nèi)對受困人員進行搜索和施救?？脊磐诰蚬ぷ髦幸步?jīng)常出現(xiàn)因洞穴狹小，工作人員對其中的情況一無所知，因此不敢貿(mào)然進入。針對這些情況設(shè)計一種能完成多種復(fù)雜地形的探測、能夠代替工作人員執(zhí)行搜救任務(wù)的新型機器人，在災(zāi)難救援中將起著越來越重要的作用。把機器人技術(shù)引入到這些領(lǐng)域是一個新的挑戰(zhàn)。機器人能通過狹小的空間，在復(fù)雜的地形中可運動自如，傳送數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，控制方便，綜合這些方面的考慮，是研究此類機器人的首要方向。
! 探索機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計
為進行探索工作，探索機器人必須具有在廢墟下的狹小縫隙內(nèi)前進、后退、轉(zhuǎn)彎和越障運動的能力，它屬于移動機器人。移動機器人有輪式、履帶式和足式等結(jié)構(gòu)方式，其中輪式機器人對路面平整度要求較高，不適合在廢墟上運動；足式機器人越障能力較強，但機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都很復(fù)雜；履帶式機器人在廢墟上有一定的越障能力，但現(xiàn)有履帶式機器人體積大，不適宜在狹小空間內(nèi)運動。采用毛毛蟲形爬行機器人具有穩(wěn)定性好、橫截面小、柔性大等特點，更適合在廢墟的縫隙間穿行。
本文設(shè)計的探索機器人由頭部、身部和轉(zhuǎn)彎部#部
分構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)如圖*。為便于前進和后退，頭尾采用相同結(jié)構(gòu)。中間身體由多個可自由拆裝的獨立單元連接而成。轉(zhuǎn)彎處采用柔性結(jié)構(gòu)能完成任意角度的轉(zhuǎn)彎動作。其結(jié)構(gòu)設(shè)計包括頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計、身部單元結(jié)構(gòu)設(shè)
計、轉(zhuǎn)彎部設(shè)計和連接部設(shè)計。
*0 * 頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計
頭部位于機器人的最前端，攝像頭和照明燈必須安裝在頭部。由于毛毛蟲形機器人不具備手爪，頭部須
具有清理通道的功能。因此，頭部前端設(shè)計成可張合的分瓣式頭錐，攝像頭和照明燈安裝在頭錐內(nèi)。閉合的頭錐（見圖%）便于穿越狹小空間，還可保護攝像頭；頭錐張開時可擴張通道、增大攝像頭視野，同時還起聚光的作用；頭錐張合動作還可以用于抓放物體，相當(dāng)于動物的嘴巴。頭錐的張合由曲柄搖桿機構(gòu)、滑塊機構(gòu)來完成（見圖#）。當(dāng)電機轉(zhuǎn)動! 角時，電機帶動搖桿轉(zhuǎn)動，連桿推動滑塊移動，從而使頭錐張開（虛線為完成動作時的運動軌跡）。電機反轉(zhuǎn)! 角，則頭錐完成閉合動作。
%& " 身部單元結(jié)構(gòu)設(shè)計
身部單元結(jié)構(gòu)主要是完成機器人的移動，身部有一個控制單元和若干個運送單元，每個身體單元均有自己的能源和驅(qū)動器，在程序控制下，各單元間通過協(xié)調(diào)動作完成前進、后退。機器人采用四面履帶爬行運動方式。機器人體積狹小需要采用一個電機完成四面履帶的運動。經(jīng)過分析采用了蝸輪蝸桿傳動（見圖’），由電機帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸桿帶動’個蝸輪運動，蝸輪帶動齒輪運動，從而把一個轉(zhuǎn)動力傳到’個方向轉(zhuǎn)動，帶動履帶運動。
& ( 轉(zhuǎn)彎部結(jié)構(gòu)設(shè)計
轉(zhuǎn)彎部分體現(xiàn)探索機器人的靈活性，是連接頭部與身部、身部與身部的關(guān)節(jié)。主要完成上下左右’個方向"個自由度的轉(zhuǎn)彎動作，采用了類似柔性結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)彎時遇到較大的阻力時，柔性結(jié)構(gòu)可以起緩解作用，同時也起了保護電機作用。控制由’個電機帶動，電機的旋轉(zhuǎn)帶動彈簧上的繩索再帶動彈簧完成伸縮運動從而實現(xiàn)’個方向的轉(zhuǎn)彎。’根彈簧中的兩側(cè)彈簧收縮量不同時，機器人作轉(zhuǎn)彎運動；上下彈簧收縮量不同時，機器人作抬頭或低頭運動。
%& ’ 單元連接結(jié)構(gòu)設(shè)計頭部、身部和轉(zhuǎn)彎部各單元間采用陰陽快插接頭連接；各單元中電路電極、傳輸傳感器信號和控制信號線采用公頭、母頭插座連接。該結(jié)構(gòu)便于現(xiàn)場各單元的組合與拆裝。
! 探索機器人控制設(shè)計
探索機器人的各個機構(gòu)能完成相應(yīng)的動作，主要動力來源是電機，對電機的種類進行分析后，決定身部采用直流減速電機，它是完成前進、后退的動力原件。頭部和轉(zhuǎn)彎部采用舵機，其體積小，輸出轉(zhuǎn)矩可以滿足探索機器人的動力，完成頭部開合控制、轉(zhuǎn)彎控制。舵機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移) 或線位移* 的機電元件。舵機有其獨特的優(yōu)點，歸納起來主要有：%）轉(zhuǎn)角不受各種干擾因素的影響；"）位移與輸入脈寬信號相對應(yīng)，轉(zhuǎn)角誤差不長期積累；(）可以用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，整個結(jié)構(gòu)簡單、廉價；’）控制性能好
機器人的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分(級，如圖$所示：遙控器為第一級，主單片機為第二級，從單片機為第三級。遙控系統(tǒng)包括探索機器人控制界面和串行通信程序兩部分，通過遙控器中單片機+,-./$"串口利用無線通信模塊將各種控制命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給主單片機。主單片機012%3-通過!"# 通信與從單片機012%3-協(xié)同工作?？刂葡到y(tǒng)軟件包括遙控器應(yīng)用程序、主單片機應(yīng)用程序和從單片機應(yīng)用程序(部分。無線通信是遙控器與主單片機之間的橋梁。遙控器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括：利用無線模塊與主單片機的通信程序，液晶屏的顯示程序。主單片機控制系統(tǒng)的主要功能是完成與從單片機!"# 通信、控制傳感器和直流電機。從單片機控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)舵機的轉(zhuǎn)角控制。
伺服電機（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機，是一種補助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機兩大類，其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。
工作原理
1、伺服系統(tǒng)（servomechanism）是使物體的位置、方位、
??
伺服電機（圖1）
[1]
狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。直流伺服電機分為有刷和無刷電機。有刷電機成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護，但維護不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。
無刷電機體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定?？刂茝?fù)雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機免維護，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。
2、交流伺服電機也是無刷電機，分為同步和異步電機，目前運動控制中一般都用同步電機，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。
3、伺服電機內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。
交流伺服電機和無刷直流伺服電機在功能上的區(qū)別：交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。
發(fā)展歷史
自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會
??
交流伺服電機（圖二）
上正式推出MAC永磁交流伺服電動機和驅(qū)動系統(tǒng)，這標(biāo)志著此種新一代交流伺服技術(shù)已進入實用化階段。到20世紀(jì)80年代中后期，各公司都已有完整的系列產(chǎn)品。整個伺服裝置市場都轉(zhuǎn)向了交流系統(tǒng)。早期的模擬系統(tǒng)在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全滿足運動控制的要求，近年來隨著微處理器、新型數(shù)字信號處理器（DSP）的應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng)，控制部分可完全由軟件進行，分別稱為摪朧只瘮或摶旌鮮綌、撊只瘮?shù)挠来沤涣魉欧到y(tǒng)。
到目前為止，高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機，控制驅(qū)動器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。
日本安川電機制作所推出的小型交流伺服電動機和驅(qū)動器，其中D系列適用于數(shù)控機床（最高轉(zhuǎn)速為1000r/min，力矩為0.25～2.8N.m），R系列適用于機器人（最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，力矩為0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六個系列。20世紀(jì)90年代先后推出了新的D系列和R系列。由舊系列矩形波驅(qū)動、8051單片機控制改為正弦波驅(qū)動、80C、154CPU和門陣列芯片控制，力矩波動由24%降低到7%，并提高了可靠性。這樣，只用了幾年時間形成了八個系列（功率范圍為0.05～6kW）較完整的體系，滿足了工作機械、搬運機構(gòu)、焊接機械人、裝配機器人、電子部件、加工機械、印刷機、高速卷繞機、繞線機等的不同需要。
以生產(chǎn)機床數(shù)控裝置而著名的日本法那克（Fanuc）公司，在20世紀(jì)80年代中期也推出了S系列（13個規(guī)格）和L系列（5個規(guī)格）的永磁交流伺服電動機。L系列有較小的轉(zhuǎn)動慣量和機械時間常數(shù)，適用于要求特別快速響應(yīng)的位置伺服系統(tǒng)。
日本其他廠商，例如：三菱電動機（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、東芝精機（SM系列）、大隈鐵工所(BL系列）、三洋電氣（BL系列）、立石電機（S系列）等眾多廠商也進入了永磁交流伺服系統(tǒng)的競爭行列。
德國力士樂公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服電動機共有7個機座號92個規(guī)格。
德國西門子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服電動機分為標(biāo)準(zhǔn)型和短型兩大類，共8個機座號98種規(guī)格。據(jù)稱該系列交流伺服電動機與相同輸出力矩的直流伺服電動機IHU系列相比，重量只有后者的1/2，配套的晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動器6SC61系列，最多的可供6個軸的電動機控制。
德國博世（BOSCH）公司生產(chǎn)鐵氧體永磁的SD系列（17個規(guī)格）和稀土永磁的SE系列（8個規(guī)格）交流伺服電動機和Servodyn SM系列的驅(qū)動控制器。
美國著名的伺服裝置生產(chǎn)公司Gettys曾一度作為Gould 電子公司一個分部（Motion Control Division），生產(chǎn)M600系列的交流伺服電動機和A600 系列的伺服驅(qū)動器。后合并到AEG，恢復(fù)了Gettys名稱，推出A700全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。
美國A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驅(qū)動分部生產(chǎn)1326型鐵氧體永磁交流伺服電動機和1391型交流PWM伺服控制器。電動機包括3個機座號共30個規(guī)格。
I.D.（Industrial Drives）是美國著名的科爾摩根（Kollmorgen）的工業(yè)驅(qū)動分部，曾生產(chǎn)BR-210、BR-310、BR-510 三個系列共41個規(guī)格的無刷伺服電動機和BDS3型伺服驅(qū)動器。自1989年起推出了全新系列設(shè)計的摻鶼盜袛（Goldline）永磁交流伺服電動機，包括B（小慣量）、M（中慣量）和EB（防爆型）三大類，有10、20、40、60、80五種機座號，每大類有42個規(guī)格，全部采用釹鐵硼永磁材料，力矩范圍為0.84～111.2N.m，功率范圍為0.54～15.7kW。配套的驅(qū)動器有BDS4（模擬型）、BDS5（數(shù)字型、含位置控制）和Smart Drive（數(shù)字型）三個系列，最大連續(xù)電流55A。Goldline系列代表了當(dāng)代永磁交流伺服技術(shù)最新水平。
愛爾蘭的Inland原為Kollmorgen在國外的一個分部，現(xiàn)合并到AEG，以生產(chǎn)直流伺服電動機、直流力矩電動機和伺服放大器而聞名。生產(chǎn)BHT1100、2200、3300三種機座號共17種規(guī)格的SmCo永磁交流伺服電動機和八種控制器。
法國Alsthom集團在巴黎的Parvex工廠生產(chǎn)LC系列（長型）和GC系列（短型）交流伺服電動機共14個規(guī)格，并生產(chǎn)AXODYN系列驅(qū)動器。
原蘇聯(lián)為數(shù)控機床和機器人伺服控制開發(fā)了兩個系列的交流伺服電動機。其中ДBy系列采用鐵氧體永磁，有兩個機座號，每個機座號有3種鐵心長度，各有兩種繞組數(shù)據(jù)，共12個規(guī)格，連續(xù)力矩范圍為7～35N.m。2ДBy系列采用稀土永磁，6個機座號17個規(guī)格，力矩范圍為0.1～170N.m，配套的是3ДБ型控制器。
近年日本松下公司推出的全數(shù)字型MINAS系列交流伺服系統(tǒng)，其中永磁交流伺服電動機有MSMA系列小慣量型，功率從0.03～5kW，共18種規(guī)格；中慣量型有MDMA、MGMA、MFMA三個系列，功率從0.75～4.5kW，共23種規(guī)格,MHMA系列大慣量電動機的功率范圍從0.5～5kW，有7種規(guī)格。
韓國三星公司近年開發(fā)的全數(shù)字永磁交流伺服電動機及驅(qū)動系統(tǒng)，其中FAGA交流伺服電動機系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多種型號，功率從15W～5kW。
現(xiàn)在常采用（Powerrate）這一綜合指標(biāo)作為伺服電動機的品質(zhì)因數(shù)，衡量對比各種交直流伺服電動機和步進電動機的動態(tài)響應(yīng)性能。功率變化率表示電動機連續(xù)（額定）力矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量之比。
按功率變化率進行計算分析可知，永磁交流伺服電動機技術(shù)指標(biāo)以美國I.D 的Goldline系列為最佳，德國Siemens的IFT5系列次之。
選型比較
功能及作用比較
交流伺服電動機
交流伺服電動機定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動機相似.其定子上裝有兩個位置互差90°的繞組，一個是勵磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個是控制繞組L，聯(lián)接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機又稱兩個伺服電動機。
交流伺服電動機的轉(zhuǎn)子通常做成
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