可變形仿生翻滾四足機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】

可變形仿生翻滾四足機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要: 移動機器人是科學技術(shù)進步的產(chǎn)物，更是人類無限幻想和智慧的結(jié)晶。移動機器人在軍事、生產(chǎn)、生活以及科學研究中還有著許多潛在的應(yīng)用前景。移動機構(gòu)決定了移動機器人的綜合移動性能，是移動機器人能夠在工作環(huán)境中實現(xiàn)快捷、平穩(wěn)、精確、高效移動的關(guān)鍵。為了提高機器人的移動效率，同時也為了降低機器人結(jié)構(gòu)的復雜性，本課題從現(xiàn)代仿生學原理出發(fā)，將自然界中的翻滾運動引入到四足機器人結(jié)構(gòu)當中，并借鑒可重構(gòu)機器人理論，首次提出一種具有翻滾模式和步行模式的可變形仿生翻滾四足機器人，達到用一種機構(gòu)實現(xiàn)兩種運動的目的。本文對可變形仿生翻滾四足機器人進行了總體方案設(shè)計，選定了結(jié)構(gòu)參數(shù)，和驅(qū)動方式。詳細地對機器人的本體結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，并對機器人關(guān)鍵部位進行了校核。本課題提高了四足機器人的環(huán)境適應(yīng)能力，拓展四足機器人的應(yīng)用領(lǐng)域，而且豐富了移動機器人學科的理論和實踐，對移動技術(shù)的發(fā)展和高機動性移動平臺的開發(fā)具有一定的借鑒作用，具有重要的理論意義與實際應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：四足機器人；仿生翻滾；可重構(gòu)機器人；設(shè)計校核Structural Design for a Reconfigurable Bionic Rolling Quadruped RobotAbstract : Mobile robot is the product by scientific and technological progress, and also the crystallization of human infinite fantasy and wisdom. Mobile robot have many potential application prospect in the military, production, living and scientific research. The move mechanism of the robot determines the comprehensive move performance, also its the key for robot to work smooth, accurate and quick, efficient in the surroundings.In order to improve the robot move efficiency, and also to reduce the complexity of the structure, this paper is based upon the modern bionics principle. The rolling style in nature is put into robot structure. Referencing reconfigurable robot theory, a reconfigurable bionic rolling quadruped robot is put forward, which has two move modes- walk model and rolling model. In this way, it can achieve the purpose of using a mechanism to get two movement models.General scheme design of the robot is made in this paper, structure parameters and drive mode are selected. Robot body structure is designed detailed, and the key parts of the robot are checked in this paper.This topic raised the ability for robot to adapt environment, expand the application field of robot, and also enriched the discipline theory and practice for robotics. It has a certain reference of the development of mobile technology and high mobility mobile platform. So this paper has an important theoretical significance and practical application value.Key words: quadruped robot; bionic rolling; reconfigurable robot; design and check致 謝本論文是在余聯(lián)慶導師的悉心指導下完成的。導師淵博的知識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、嚴肅認真的學風、活躍的學術(shù)思想、孜孜不倦的開拓進取精神和強烈的敬業(yè)精神將成為我終生的楷模。借此學位論文完成之際，謹向老師致以衷心的感謝和崇高的敬意！美麗的武漢同樣給我留下了美好的印象，四年的學習和生活，忘不了這一方風景秀麗的水土，忘不了給與我關(guān)懷和幫助的所有老師和同學！感謝將給與我論文評閱和將參加我的論文答辯的專家教授。最后深深我的父母和親人，是他們的默默奉獻及理解、支持和幫助使我順利的完成了學業(yè)！楊超杰于武漢2011-4-25目 錄111.111.221.2.121.2.221.2.321.2.421.321.3.121.3.221.42242.142.242.342.3.142.3.24343.143.243.2.143.2.243.2.343.343.4123.4.1123.4.2133.5173.5.1173.5.2173.5.3173.5.4173.5.5183.5.6193.6224344.144.24參考文獻35致謝36附錄36第一章 緒論11 課題研究的目的與意義移動機器人是科學技術(shù)進步的產(chǎn)物，更是人類無限幻想和智慧的結(jié)晶。目前，移動機器人已廣泛應(yīng)用于星際探測、消防救險、軍事反恐、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等關(guān)系到國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的重要行業(yè)。隨著作業(yè)功能的不斷開發(fā)，移動機器人在軍事、生產(chǎn)、生活以及科學研究中還有著許多潛在的應(yīng)用前景。廣闊的市場需求使移動機器人的發(fā)展獲得了源源不斷的強大動力，也是與其相關(guān)的若干關(guān)鍵技術(shù)不斷取得進步的根源所在。移動機構(gòu)決定了移動機器人的綜合移動性能，是移動機器人能夠在工作環(huán)境中實現(xiàn)快捷、平穩(wěn)、精確、高效移動的關(guān)鍵。三種傳統(tǒng)的移動機構(gòu)（輪式、足式和履帶式）在本體結(jié)構(gòu)的復雜程度、移動效率的高低以及控制的難易程度等方面都存在較大差別，環(huán)境適應(yīng)能力上也各有所長。隨著移動機器人所擔負任務(wù)要求的不斷提高，作業(yè)環(huán)境往往并不局限于單一特征，例如城市建筑平坦路面和樓梯臺階共存；又或者會應(yīng)用于未知特征環(huán)境執(zhí)行任務(wù)，例如火星表面。這種情況下，單一運動方式的移動機構(gòu)將不再滿足多重特征環(huán)境的任務(wù)需求。于是，兼具幾種運動方式的移動機構(gòu)正在成為研究的熱點。本論文從自然界中的仿生翻滾研究中獲得啟發(fā)：將自然界中的翻滾運動引入到四足機器人運動方式中，達到用一套機構(gòu)實現(xiàn)兩種運動方式的目的。課題的完成不但能夠提高四足機器人的環(huán)境適應(yīng)能力，拓展四足機器人的應(yīng)用領(lǐng)域，而且豐富了移動機器人學科的理論和實踐，對移動技術(shù)的發(fā)展和高機動性移動平臺的開發(fā)具有一定的借鑒作用。因此，開展具有仿生翻滾運動方式的四足機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要的理論意義與實際應(yīng)用價值。12 移動機器人的應(yīng)用領(lǐng)域移動機器人是一種集傳感器、遙控操作器和自動控制的移動載體組成的機器人系統(tǒng)。移動機器人具有移動功能，可代替人類從事危險、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，比一般機器人有更大的機動性、靈活性。因此，移動機器人的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在各行業(yè)中均有不可忽視的作用。12.1 工業(yè)領(lǐng)域與傳統(tǒng)的機器相比，移動機器人能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過程的完全自主化，對生產(chǎn)設(shè)備有高度的適應(yīng)能力。制造工業(yè)部門應(yīng)用機器人的主要目的在于削減人員編制和提高產(chǎn)品質(zhì)量。汽車工業(yè)、機電工業(yè)、電訊工業(yè)、通用機械工業(yè)、建筑業(yè)、金屬加工、鑄造以及其它重型工業(yè)和輕工業(yè)部門都能看見機器人的身影。12.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學技術(shù)的飛速發(fā)展觸使越來越多的科技工作者投入到農(nóng)業(yè)機器人的研究當中。數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)作為21世紀農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的重要標志之一，越來越受到科技的關(guān)注。移動機器人體積小，移動靈活，有一定的地形適應(yīng)能力，因此可用于全面、實時地采集農(nóng)田環(huán)境信息和作物的生長信息。將采集農(nóng)田信息所需的傳感器安裝在移動機器人上，機器人在田間移動，實現(xiàn)農(nóng)田信息的自動采集。國外對這方面的機器人都有很深入的研究。日本研制了利用關(guān)節(jié)腿式來適應(yīng)復雜地形的六足機器人。美國伊利諾伊大學開發(fā)的“watching-dog robot”，采用柔性的聯(lián)動懸架來適應(yīng)復雜地形。AgAnt四足螞蟻機器人群，通過無線藍牙互相傳遞信息，可以在田間巡視。國內(nèi)主要采用定點架設(shè)傳感器或?qū)鞲衅餮b載在拖拉機等大型農(nóng)業(yè)設(shè)備上的方法，隨著農(nóng)機的移動來獲取不同位置的信息。12.3 科技探索在一些環(huán)境惡劣或不適于人類工作的環(huán)境下，移動機器人可以進行作業(yè)或執(zhí)行探索任務(wù)。在深海區(qū)域以及星際探測等領(lǐng)域，移動機器人稱為至關(guān)重要的部分。美國于1997年發(fā)射于火星表面的輪式“Sojourner”火星探測車就是這移動機器人用于星際探測的典型代表，如圖1.1所示。圖1.1 Sojourner火星探測車12.4 醫(yī)療服務(wù)機器人研制用來為病人看病、護理病人和協(xié)助病殘人員康復的機器人能夠極大地改善傷殘病人員的狀態(tài)，以及改善癱瘓者和被截肢者的生活條件。醫(yī)用機器人已在診斷、護理、康復等幾個方面得到了應(yīng)用。人類生活水平的提高，越來越多的機器人進入家庭和辦公室，用來代替人從事清掃、洗刷、守衛(wèi)、煮飯、照料小孩、接待等工作。13 國內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀13.1 輪-足復合式移動機構(gòu)現(xiàn)有的輪-足復合式移動機構(gòu)在功能上雖然非常相近，但是結(jié)構(gòu)上千差萬別。綜合它們的結(jié)構(gòu)特點，大體可以劃分為兩類：第一類從結(jié)構(gòu)上來看就是將“輪”安裝在“腿”的末端，輪和腿成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，是比較常見一類；第二類從結(jié)構(gòu)上來看“輪”和“腿”完全分離，移動中兩者或同時發(fā)揮作用以混合式移動，或采用單一方式移動。第一類 哈爾濱工業(yè)大學研制的輪-腿混合式移動機器人HITAN-I，如圖1.2所示。移動系統(tǒng)由四套輪-腿混合式移動機構(gòu)組成，每套移動機構(gòu)四個自由度，車輪獨立驅(qū)動，腿關(guān)節(jié)三個自由度，可實現(xiàn)輪式或腿式移動。輪式移動時，腿上各關(guān)節(jié)鎖定，由車輪獨立驅(qū)動；腿式移動時，輪上驅(qū)動鎖定。圖1.2 HITAN-I 圖1.3 Wheeleg 第二類 意大利卡塔尼亞大學研制了一種名為Wheeleg的輪-腿機器人，如圖1.3所示。該機器人無論外觀還是原理上都類似于人拉兩輪車，它的移動系統(tǒng)由兩條腿和兩個車輪組成，每條腿有三個自由度，兩個車輪分別由一臺直流電機驅(qū)動。這種結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮輪式承載能力大的特點，載荷主要由輪式機構(gòu)承受，腿式機構(gòu)增大了路面附著力，可用于越障。1.3.2 仿生翻滾與翻轉(zhuǎn)移動平臺自然界中存在許多以本體和四肢作為滾動體的運動方式。不同于輪子的定軸驅(qū)動滾動，我們可以將這類滾動稱為翻滾運動。近年來，關(guān)于仿生翻滾與翻轉(zhuǎn)機構(gòu)及其應(yīng)用的研究正在不斷出現(xiàn)。球形機器人 1996年，芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學Halme等人共同研制了第一款球形機器人Rollo。此后，歐美日等國外研究人員研制了驅(qū)動形式各異的球形機器人。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、西安電子科技大學、東北大學等高校分別提出了不同結(jié)構(gòu)的球形機器人。北京郵電大學孫漢旭教授創(chuàng)新性的提出了BYQ-4球形機器人，如圖1.4所示。該機器人增加可伸縮的機械臂執(zhí)行機構(gòu)，使球形機器人具有操作能力。它是對普通球形移動機器人功能的擴展，大大拓展了球形機器人的應(yīng)用領(lǐng)域。閉鏈機構(gòu) 目前，翻滾移動平臺又多了新的成員，它們的外形不再是回轉(zhuǎn)體形狀，而是出現(xiàn)了整體閉鏈移動機構(gòu)。北京航空航天大學機器人研究所發(fā)明了一種具有并聯(lián)機構(gòu)的四面體翻滾機器人，由六根伸縮臂和四個節(jié)點板組件構(gòu)成，每個節(jié)點板組件由節(jié)點板和三個萬向節(jié)組成，如圖1.5所示。在運動過程中，六根伸縮臂按規(guī)律伸縮進行形狀發(fā)生變化，當其重心超越穩(wěn)定區(qū)域時，四面體機器人實現(xiàn)翻滾。該機器人能夠再復雜地面環(huán)境下完成行進、避障和越障等動作。北京交通大學發(fā)明了一種滾動三角形機器人，其三條邊結(jié)構(gòu)及尺寸相同，如圖1.6所示。圖1.4 BYQ-4 圖1.5 四面體機器人 圖1.6 三角形機器人開鏈機構(gòu) 近來也出現(xiàn)了開鏈式仿生翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的研究。華南理工大學在“863”計劃和國家自然科學基金的資助下開展了仿生攀爬機器人的研究。他們提出了一種具有攀爬和操作功能的雙手爪式模塊化仿生機器人，以期代替人們在高空復雜環(huán)境中從事危險工作。該機器人具有5個自由度，工作時可以運用3種不同的攀爬步態(tài)，即尺蠖模式、扭轉(zhuǎn)模式和翻轉(zhuǎn)模式，如圖1.7所示。研究指出，該機器人可采用三種步態(tài)在傾斜角度大于60的直立桿上進行攀爬。圖1.7 仿生攀爬機器人及尺蠖模式、翻轉(zhuǎn)模式美國猶他大學的M.A.Minor等人研制了一種可滾動圓盤形雙足機器人RDBR（Rolling Disk Biped Robot），如圖1.8所示。該機器人結(jié)構(gòu)簡單，通過其形狀的改變，能夠?qū)崿F(xiàn)滾動、步行和攀爬等運動，還具有一定的越障和爬坡的能力。他們先對機器人進行了平地翻滾與越障實驗，然后進行了步行實驗。該機器人在步行實驗時需要在地面鋪設(shè)鋼板，利用其足底的電磁鐵與鋼板的相互作用力來平衡重力矩，可采用尺蠖模式和翻轉(zhuǎn)模式步行。圖1.8 RDBR越障以及翻轉(zhuǎn)模式、尺蠖模式步行14 主要研究內(nèi)容本課題將仿生學中的翻滾運動引入到四足機器人運動方式中，達到用一套機構(gòu)實現(xiàn)兩種運動方式的目的。首次提出一種具有翻滾功能的可變形四足機器人，使其既具有固有的步行方式，同時也具有翻滾運動方式。本論文的主要內(nèi)容是針對該種可變形仿生翻滾的四足機器人進行本體設(shè)計，擬采用的設(shè)計思路如圖1.9所示。仿生翻滾足式機器人方案設(shè)計運動規(guī)劃傳動方案設(shè)計 機械本體及零件設(shè)計課題確定及調(diào)研驗算結(jié)束返回設(shè)計NY圖1.9 設(shè)計思路圖第二章 移動機器人系統(tǒng)2.1 移動機器人系統(tǒng)組成移 動 機 器 人 是 一 個 復 雜 的 系 統(tǒng) ， 它 集 計 算 機 技 術(shù) 、 信 息 技 術(shù) 、 通 信 技 術(shù) 、微 電 子 技 術(shù) 和 機 器 人 技 術(shù) 等 為 一 體 。 其 系 統(tǒng) 的 組 成 原 理 圖 如 圖 2.1所 示 。圖2.1 移動機器人系統(tǒng)組成移 動 機 器 人 系 統(tǒng) 主 要 包 括 ： 機 械 結(jié) 構(gòu) 模 塊 、 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 模 塊 、 傳 感 系 統(tǒng) 模塊 、 控 制 系 統(tǒng) 模 塊 、 通 信 模 塊 等 幾 個 重 要 的 子 模 塊 。2.2 傳統(tǒng)移動機器人簡介移 動 機 器 人 是 一 種 在 復 雜 環(huán) 境 下 工 作 的 ， 具 有 自 行 組 織 、 自 主 運 行 、 自主 規(guī) 劃 的 智 能 機 器 人 。 腿式、輪式以及履帶式機器人是三種比較傳統(tǒng)的移動機器人。三種傳統(tǒng)的移動機構(gòu)（輪式、足式和履帶式）在本體結(jié)構(gòu)的復雜程度、移動效率的高低以及控制的難易程度等方面都存在較大差別，環(huán)境適應(yīng)能力上也各有所長。2.1 腿式移動機器人腿式機器人研究始于20世紀60年代,其動態(tài)性能的研究始于20世紀80年代。從現(xiàn)狀來看,大量的研究主要集中在雙腿、四腿和六腿機器人上,對單腿和八腿機器人的研究相對較少.這里只對典型的雙腿、四腿和六腿機器人進行簡單的介紹。2.1.1 雙腿美國MIT大學腿部實驗室的Dilworth和Pratt于1994年設(shè)計并制造了名為“Spring Turkey”的雙腿機器人,如圖2.2所示. 該機器人重大約10kg,每條腿均有一個驅(qū)動髖和一個驅(qū)動膝蓋.上端未被驅(qū)動的橫杠使Spring Turkey不能橫滾、偏轉(zhuǎn)和側(cè)向運動,因此Spring Turkey只能在豎直平面內(nèi)運動. 所有的電機都安放在身體的上部,通過電纜向各個關(guān)節(jié)供電. 為使產(chǎn)生的力矩精確作用在關(guān)節(jié)上,并使機器人具有較強的防震能力,每個自由度都采用了串聯(lián)彈性驅(qū)動法,此方法由髖部和膝蓋處的彈簧實現(xiàn). 髖部的最大力矩約為12Nm,膝部的最大力矩約為18Nm. 髖部、膝蓋和橫杠處的電位計測量關(guān)節(jié)角和機器人身體的傾斜度. 控制目標是保持髖到足尖的高度恒定為0.6m. 值得一提的是 , Spring Turkey的控制器中成功運用了虛擬模型控制方法.在這種方法的控制下, Spring Turkey可以完成簡單的連續(xù)行走運動,速度約為0.5m / s;髖到足尖的高度基本保持恒定,最大偏差為3cm;機器人身體傾斜角被控制在5.2.圖2.2 雙腿機器人Spring Turkey 圖2.3 仿人機器人BRH-01 北京理工大學在國家863計劃機器人技術(shù)主題項目的資助下于2002 年研制出仿人機器人BRH-01 ,如圖2.3所示.2.1.3 四腿腿式機器人對地面較強的適應(yīng)性使之可以在不同的環(huán)境中行走,然而,環(huán)境的多樣性造成機器人在行走時發(fā)生振顫,這時攝像機的視覺圖像也必然會隨之振動,影響機器人對周圍環(huán)境的判斷能力,很可能導致錯誤的決策. 日本東京大學機械信息學系研制開發(fā)了一種基于視覺的具有智能行為的四腿機器人JROB-1,旨在解決上述問題,見圖2.4. 系統(tǒng)的硬件由4部分組成:機器人本體,富士通視覺跟蹤模塊,富士通機器人界面模塊和電機驅(qū)動器. 系統(tǒng)軟件分為4個層次:運動產(chǎn)生層,應(yīng)用層,自主層和內(nèi)核層. Linux實時操作系統(tǒng) (RTOS-Linux)完成整個機器人系統(tǒng)各個任務(wù)間的調(diào)度,包括:腿部12個自由度的控制,視覺跟蹤,視覺信息處理,傳感器信息處理等.圖2.4 四腿機器人JROB212.1.4 六腿自然界節(jié)肢動物為大部分六腿機器人的設(shè)計提供了靈感,特別是蟑螂. 蟑螂之所以作為機器人設(shè)計的模板,是因為它在奔跑中具有突出的快速性、敏捷性和穩(wěn)定性,而且其結(jié)構(gòu)和生理學知識也為科學家所熟知. 蟑螂的6條腿可分為兩組,左側(cè)前腿、后腿和右側(cè)中間腿為一組,左側(cè)中間腿和右側(cè)前腿、后腿為另一組. 研究表明,運動時這兩組腿交替著地,形成“三腳架”式( tripod)步態(tài),這種步態(tài)不僅靜態(tài)穩(wěn)定,而且速度快,效率高. 運動中6條腿所起的作用也是不同的,前腿負責減速,后腿負責加速,中間腿既加速又減速;轉(zhuǎn)彎時,內(nèi)側(cè)和外側(cè)的腿對力和力矩的產(chǎn)生也起著不同的作用. 美國伊利諾斯大學的Delcomyn和Nelson在對蟑螂的生理結(jié)構(gòu)進行仔細研究后,制造了著名的仿生機器人Biobot ,見圖2.5. 該機器人的體積為58cm14cm 23cm,重11kg,站立時離地面15cm.圖11 六腿仿生機器人Biobot2.2 腿式機器人存在的問題及展望腿式機器人面臨許多待解決的問題:(1)有些腿式機器人的體積和重量很大,在實際應(yīng)用中未必有足夠大的空間能夠容納它們或者根本不允許體積較大的機器人出現(xiàn),而且這種機器人的速度和機動性較差. 因此,應(yīng)該適當縮小機器人的體積,減輕機器人的重量.(2 ) 大多數(shù)腿式機器人研究平臺的負荷不大,導致它們沒有能力負載視覺設(shè)備,而且腿式機器人的視覺研究也不很成熟,而視覺恰恰是腿式機器人自主化和智能化的關(guān)鍵. 要解決這個問題,首先還需改進現(xiàn)有腿式機器人的機械機構(gòu)設(shè)計,使其能夠承受更大的負載;其次是改進視覺圖像處理的算法,增強圖像處理的實時性、快速性和準確性.(3)腿式機器人對地面的適應(yīng)性和運動的靈活性需要進一步提高.(4)腿式機器人的控制方法也需改進. 機器人系統(tǒng)的復雜性使其控制算法復雜化,但有些算法很難實現(xiàn)甚至不能實現(xiàn),因此應(yīng)簡化機器人控制算法,實現(xiàn)用較簡單的控制算法獲得令人滿意的控制效果的目標. 另外,腿式機器人現(xiàn)有的控制方法還有待完善和發(fā)展.(5)能源問題. 尋求新型可靠的能源為機器人供電,實現(xiàn)機器人長時間在戶外行走的目標.隨著腿式機器人的研究日益深入和發(fā)展,腿式機器人在速度、穩(wěn)定性、機動性和對地面的適應(yīng)性等方面的性能將不斷提高,自主化和智能化將逐步實現(xiàn),將能夠滿足更多特殊環(huán)境和場合的需要,因而具有廣闊的應(yīng)用前景.腿式機器人有兩個值得關(guān)注的趨勢:(1)腿式機器人群體協(xié)作多個腿式機器人協(xié)調(diào)合作共同完成某項任務(wù).與單個腿式機器人相比,多個腿式機器人的總負荷更大,可以攜帶的儀器和工具更多,功能性更強. 它們之間通過通信進行協(xié)調(diào),也可以按照某種規(guī)則指定主機器人和從機器人,從而按照一定的隊形和順序?qū)δ繕诉M行不同的測量和操作. 而且當其中某一腿式機器人出現(xiàn)故障時,其它機器人還可以照常工作,大大提高了工作效率和可靠性.(2)自重構(gòu)腿式機器人自重構(gòu)腿式機器人比固定結(jié)構(gòu)的腿式機器人對地形的適應(yīng)性更強,可應(yīng)用場合更多. 當穿越管道時,它可以變成蛇形;當穿越崎嶇的地形時,它可以變成腿式機器人;當需要潛入海里時,它又可以變作魚形;還可以通過改變自身的外形和步態(tài)攀登樓梯并進入建筑物. 因此,自重構(gòu)機器人是腿式機器人的發(fā)展方向之一.2.3 輪式移動機器人輪式移動機器人具有運動穩(wěn)定性，與路面的路況有很大關(guān)系、在復雜地形如何實現(xiàn)精確的軌跡控制等問題，但是由于其具有自重輕、承載大、機構(gòu)簡單、驅(qū)動和控制相對方便、行走速度快、機動靈活、工作效率高等優(yōu)點，而被大量應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、反恐防爆、家庭、空間探測等領(lǐng)域。按照車輪數(shù)目雖然不能對輪式移動機器人進行嚴格的歸類，但是不同的車輪數(shù)目依然決定了不同的控制方式，下面對單輪滾動機器人、兩輪移動機器人、三輪及四輪移動機器人、復合式(帶有車輪)移動機器人進行簡單介紹。2.3.1 單輪滾動機器人單輪滾動機器人是一種全新概念的移動機器人。從外觀上看它只有一個輪子，它的運動方式是沿地面滾動前進，后來又開發(fā)出的球型機器人也屬于單輪滾動機器人。早期的典型代表是美國卡內(nèi)基一梅隆大學機器人研究所研制的單輪滾動機器人Gyrover。Gyrover是一種陀螺穩(wěn)定的單輪滾動機器人。它的行進方式是基于陀螺運動的基本原理，具有很強的機動性和靈活性，他們開發(fā)該機器人的目的是用于空間探索。英國巴斯大學的Rhodri H Armour對單輪滾動機器人做了系統(tǒng)的總結(jié)性研究。他從自然界生物存在的滾動前行方式開始論述，通過分析11種單輪滾動機器人，總結(jié)出了7種單輪滾動機器人的設(shè)計原理：彈性中心構(gòu)件原理、車輛驅(qū)動原理、移動塊原理、半球輪原理、陀螺儀平衡器原理、固定于質(zhì)心軸上的配重塊原理、移動于質(zhì)心軸上的配重塊原理。2.3.2 兩輪移動機器人兩輪移動機器人主要包括自行車機器人和兩輪呈左右對稱布置的兩輪移動機器人。自行車機器人自行車機器人是機器人學術(shù)界提出的一種全新的智能運輸工具的概念，由于其車體窄小、可作小半徑回轉(zhuǎn)、運動靈活、結(jié)構(gòu)簡單，因此可在災(zāi)難救援、森林作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。自行車運動力學特征較為復雜，其兩輪縱向布置，與地面無滑動接觸，它本身就是一個欠驅(qū)動的非完整系統(tǒng)，還具有一定的側(cè)向不穩(wěn)定性，如果不對它實施側(cè)向控制，自行車就一定會不能站立起來。同時自行車具有對稱性特征，即它的拉格朗日函數(shù)和約束關(guān)于自行車在路面上的位姿變化是不變的。因此，自行車機器人的控制問題相當困難，如不能采用連續(xù)或可微的純狀態(tài)反饋實現(xiàn)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定，不能采用非線性變換實現(xiàn)整體線性化等。所以，自行車機器人是一個令人非常感興趣的研究領(lǐng)域，其動力學與控制極具挑戰(zhàn)性。自行車機器人研究存在的問題主要包括自行車機器人在運動時的建模和分析、自行車機器人的側(cè)向穩(wěn)定控制機理、自行車機器人在不同載重下的平衡問題、自行車機器人對復雜地面的適應(yīng)能力。兩輪呈左右對稱布置的兩輪移動機器人不加裝車體的兩輪移動機器人是典型的機器人結(jié)構(gòu)，左右輪分別由一個電機驅(qū)動，依靠差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向靈活。但當安裝上車體時，就同自行車機器人一樣，要考慮機器人的平衡問題。這種兩輪移動機器人具有極強的靈活性而且它的行為與火箭飛行以及兩足機器人行走有很大的相似性，因而對其理論及控制系統(tǒng)的研究受到國內(nèi)外機器人領(lǐng)域的高度重視。近年來，該機器人逐漸成為全球機器人領(lǐng)域的研究熱點之一。2.3.3 三輪及四輪移動機器人輪式移動機器人中最常見的機構(gòu)就是三輪及四輪移動機器人。當在平整地面上行走時，這種機器人是最合適的選擇。并且在其他領(lǐng)域(如汽車領(lǐng)域)已為其發(fā)展提供了成熟的技術(shù)。下面從輪式移動機器人的轉(zhuǎn)向機構(gòu)來介紹三輪、四輪移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀。輪式移動機器人的轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)主要有如下5種：艾克曼轉(zhuǎn)向、滑動轉(zhuǎn)向、全輪轉(zhuǎn)向、軸一關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)向及車體一關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)向。艾克曼轉(zhuǎn)向是汽車常用的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，使用這種轉(zhuǎn)向方式的汽車中有前輪轉(zhuǎn)向前輪驅(qū)動和前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動兩種運動方式。西班牙塞維利亞大學研制的ROMEO-4R機器人便采用了艾克曼轉(zhuǎn)向機構(gòu)，該機器人采用后輪驅(qū)動，前輪由電機控制實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。澳大利亞臥龍崗大學研制的Titan機器人也采用了艾克曼轉(zhuǎn)向機構(gòu)，該機器人前面兩輪為自由輪，采用艾克曼轉(zhuǎn)向機構(gòu)，后面兩個車輪分別由一個電機驅(qū)動，由差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)向?；瑒愚D(zhuǎn)向的兩側(cè)車輪獨立驅(qū)動，通過改變兩側(cè)車輪速度來實現(xiàn)不同半徑的轉(zhuǎn)向甚至原位轉(zhuǎn)向，所以又稱為差速轉(zhuǎn)向?；瑒愚D(zhuǎn)向的輪式移動機器人的結(jié)構(gòu)簡單，不需要專門的轉(zhuǎn)向機構(gòu)；并且，滑動轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)具有高效性和低成本性。美國佛羅里達農(nóng)工大學研制的ATRV-Jr機器人及加拿大高等綜合理工大學研制的Pioneer 3一 AT機器人都采用了滑動轉(zhuǎn)向原理。左邊兩個車輪和右邊兩個車輪分別用一個電機控制，靠兩側(cè)的差速度控制機器人的轉(zhuǎn)向。輪式全方位移動機器人能夠在保持車體姿態(tài)不變的前提下沿任意方向移動，這種特性使得輪式移動機器人的路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤等問題變得相對簡單，使機器人能夠在狹小的工作環(huán)境中很好地完成任務(wù)。又由于兼具了履帶式機器人較強的越野能力和輪式機器人簡單高效的特點，四輪全方位轉(zhuǎn)向與驅(qū)動機構(gòu)在機器人移動平臺已獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。MobileRobots Inc開發(fā)的室內(nèi)外清掃機器人Seekur便采用了四輪全方位轉(zhuǎn)向與驅(qū)動機構(gòu)，其移動平臺采用8個電機分別控制4個輪子的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動。這種機構(gòu)具有轉(zhuǎn)向半徑小，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定容易等特點。另一種全方位移動方式是基于全方位移另一種全方位移動方式是基于全方位移動輪構(gòu)建的，目前主要的全方位移動輪為麥克納姆輪。麥克納姆輪主要應(yīng)用在三輪及四輪全方位移動機器人上。麥克納姆輪是瑞典麥克納姆公司的專利，在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時，各個小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊、運動靈活，是很成功的一種全方位輪。由4個這種輪子進行組合，可以使機構(gòu)實現(xiàn)全方位移動功能H“。新西蘭梅西大學研制了裝有麥克納姆輪的移動機器人，他們對這種機器人進行了運動控制實驗。針對麥克納姆輪在移動機器人應(yīng)用中存在的一些缺陷，中國哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所設(shè)計了一種新型的全方位輪。由這種全方位輪組成的全方位移動機構(gòu)具有運轉(zhuǎn)靈活、控制方便、效率較高、承載能力較強；輪上的各個小滾子一般均處于純滾動狀態(tài)，不易磨損；滾子軸的受力情況也較好，不易損壞；對各輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速控制得當，可實現(xiàn)精確定位和軌跡跟蹤等特點。此外，近年來還出現(xiàn)了一些新的全方位移動方式。如伊朗加茲溫省的阿薩德大學研制的螺旋運動機器人Climax，Climax機器人有3個固定的車輪，分別由3個電機驅(qū)動，可以實現(xiàn)狹小空間的全方位移動。由于采用軸一關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的機器人在轉(zhuǎn)向時車輪轉(zhuǎn)動幅度較大，因此這種轉(zhuǎn)向方式一般不常采用。車體一關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)向機器人，具有轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向靈活的特點。但其轉(zhuǎn)向軌跡難以進行準確控制。并且在行駛時容易出現(xiàn)前輪和后輪軌跡不一致，需要用到其它輔助裝置來約束后面車體的自由度。三輪移動機器人與四輪移動機器人類似，按轉(zhuǎn)向及驅(qū)動方式的不同，分為前輪由電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、后輪驅(qū)動；前輪由電機實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、前輪驅(qū)動；前輪為萬向輪、后面兩個車輪分別由一個電機驅(qū)動，從而實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向這3種方式。西班牙塞維利亞大學研制的機器人ROMEO-3R，其前輪即是轉(zhuǎn)向輪又是驅(qū)動輪，并且?guī)в腥斯みb控和機器人自動行走的轉(zhuǎn)換裝置。到目前為止，對三輪及四輪移動機器人的相關(guān)研究很多，主要涉及到機器人機構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)、運動規(guī)劃、導航與定位、跟蹤控制、運動控制的反饋鎮(zhèn)定、交互技術(shù)、多傳感器系統(tǒng)與信息融合、智能技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。同時，該類機器人的研究也為發(fā)展多輪及復合式機器人提供了基礎(chǔ)。并將對現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。2.3.4 復合式移動機器人復合式移動機構(gòu)(如復合輪式、輪一腿式、關(guān)節(jié)一履帶式、關(guān)節(jié)一輪式、輪一腿一履帶式等)廣泛應(yīng)用于復雜地形、反恐防暴、空間探測等領(lǐng)域。此類機器人具有較強的爬坡、過溝、越障和上下樓梯能力以及運動穩(wěn)定性。輪-腿式移動機構(gòu)運動穩(wěn)定，具有較強的地形適應(yīng)能力，應(yīng)用較多；關(guān)節(jié)-履帶式移動機構(gòu)運動平穩(wěn)性好，但速度比較慢，同履帶式機器人一樣，功耗較大；關(guān)節(jié)一輪式移動機構(gòu)運動速度較快，但越障能力差，較多應(yīng)用于管型構(gòu)件中；輪一腿一履帶式機構(gòu)越障性能好，但轉(zhuǎn)向性能差、功耗較大，運動控制比較復雜。中國國防科技大學尚建忠等提出基于構(gòu)型組合和構(gòu)型創(chuàng)新的空間探測機器人移動機構(gòu)設(shè)計方法。該方法將輪式空間探測機器人視為由輪系、懸架和車體三類子構(gòu)型組合而成的多體系統(tǒng)。輪系包括普通輪系、外行星輪系、履帶輪系、內(nèi)行星輪系；懸架包括四輪搖臂、六輪搖臂懸、八輪搖臂、雙曲柄滑塊聯(lián)動懸架、四桿懸架；車體包括剛性聯(lián)接車體、彈性聯(lián)接車體、差速聯(lián)接車體、縱向節(jié)式車體、橫向節(jié)式車體。他們以四輪、六輪和八輪空間探測機器人為研究對象，通過同構(gòu)組合得到70種新型同構(gòu)組合空間探測機器人移動機構(gòu)，通過異構(gòu)組合得到165種新型異構(gòu)組合空間探測機器人移動機構(gòu)。比較系統(tǒng)的對輪式移動機器人的移動機構(gòu)進行了歸類及分析。2.4 輪式移動機器人性能比較各類輪式移動機器人之間并不是互不相關(guān)的，而是存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系。依據(jù)半球輪原理構(gòu)建的單輪滾動機器人的運動及控制原理跟兩輪呈左右對稱布置的兩輪移動機器人是相同的，當把此類單輪滾動機器人的兩個半球輪換成普通車輪后，該機器人就變成了兩輪移動機器人；兩輪呈左右對稱布置的兩輪移動機器人完全可以裝在三輪及四輪機器人上作為機器人的移動及轉(zhuǎn)向機構(gòu)。當三輪及四輪機器人的驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)動時，非驅(qū)動輪與地面之間產(chǎn)生了一個反作用力，從而防止了機器人底盤繞驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)。而兩輪移動機器人由于沒有另外的輪子提供反作用力，為了防止底盤繞驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)，從而衍生出了一些其特有的結(jié)構(gòu)；另一方面，許多復合式移動機器人也是從三輪及四輪機器人上發(fā)展起來的。表2.1對各類輪式移動機器人進行了比較。表1各類輪式機器人性能比較2.5 履帶式機器人隨著機器人技術(shù)發(fā)展,腿式機器人能夠滿足某些特殊的性能要求,但是由于其結(jié)構(gòu)自由度太多,控制比較復雜,應(yīng)用受到一定的限制。綜合比較,履帶式移動機器人能夠很好地適應(yīng)地面的變化,因此對履帶式移動機器人的研究得以蓬勃發(fā)展。履帶式移動機器人具有以下特點:(1)支撐面積大,接地比壓小,適合于松軟或泥濘場地作業(yè),下陷度小,滾動阻力小,越野機動性能好。(2)轉(zhuǎn)向半徑極小,可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。(3)履帶支撐面上有履齒,不易打滑,牽引附著性能好,有利于發(fā)揮較大的牽引力。(4)具有良好的自復位和越障能力,帶有履帶臂的機器人還可以像腿式機器人一樣實現(xiàn)行走。從20世紀80年代起,國外就對小型履帶式機器人展開了系統(tǒng)的研究,綜合分析國內(nèi)外所研究的履帶式移動機器人,大致可以分為:單節(jié)雙履帶式、雙節(jié)四履帶式、多節(jié)多履帶式、多節(jié)輪履復合式以及自重構(gòu)式移動機器人。2.5.1 單節(jié)雙履帶式機器人“劍”移動機器人是由美國福斯特米勒公司和奎蒂克公司(QinetiQ)共同研制且用于武器觀測、偵察和目標捕獲的特種機器人系統(tǒng)。英國30多年前就研制了一種叫做“獨輪手推車”(Wheelbarrow)的排爆機器人。英國皇家武器裝備研究與發(fā)展院研制的手推車MK8遙控車是世界上有名的排爆機器人。北京京金吾高科技公司開發(fā)的JW902(第5代)排爆機器人屬國家科技部863計劃項目。JW902機器人的主要功能是抓取,它優(yōu)于國內(nèi)外同類的各種機器人。2.5.2 雙節(jié)雙履帶式移動機器人國外開發(fā)的多為雙節(jié)雙履帶式移動機器人,因為此種移動機器人與單節(jié)式相比較,越障功能更優(yōu)。目前上海大學正在研制的關(guān)節(jié)式履帶爬梯機器人就是屬于這種結(jié)構(gòu)。美國福斯特米勒公司開發(fā)的履帶式“鷹爪”無人作戰(zhàn)平臺,最初設(shè)計用途是為了排除復雜、簡易爆炸物,其重量不超過45 kg,其遙控距離達1 000 m,目前該型機器人已在伊拉克和阿富汗執(zhí)行了20 000多次任務(wù)。2.5.3 多節(jié)多履帶式移動機器人采用多節(jié)多履帶式結(jié)構(gòu)的機器人越障能力更強,但是其價格也較高,控制也更復雜。由我國自行生產(chǎn)的“靈蜥-B”型排爆機器人,利用三段履帶式設(shè)計,裝置行走、機械手、云臺3個攝像頭,最大行走速度30 m/s,能抓取15公斤重物,爬行40斜坡和樓梯,越過40 cm高的障礙和50 cm寬的壕溝,自帶電源可連續(xù)工作4小時。2.5.4 多節(jié)輪履復合式移動機器人輪履復合式一般為3節(jié),其中間為輪式,兩端為履帶臂。采用此種結(jié)構(gòu)形式,既可以充分發(fā)揮輪式的快速性,又可以突出履帶式良好的地面適應(yīng)性。目前國內(nèi)外也正在積極開發(fā)該種機器人。像Y.Maeda等的多功能機器人、Andros系列機器人、以及中科院沈陽自動化所研制的CLIMBER。美國Remotec公司的Andros系列機器人受到各國軍警部門的歡迎。Andros機器人可用于小型隨機爆炸物的處理,它是美國空軍客機及客車上使用的惟一的機器人。最新設(shè)計的Mini-Andros II機器人配置了活節(jié)履帶及輪盤底盤,最大觸及距離達2m。機器人采用模塊化設(shè)計,能夠快速拆裝,更換不同工具。機身小巧,可以在大型機械人不能達到的區(qū)域進行操作?！白冃谓饎偂笔敲绹鵀閼?zhàn)時營救行動量身定做的機器人。該機器人安裝有液壓驅(qū)動的雙臂,可以舉起重180 kg的重物,依靠滑輪、軌道和關(guān)節(jié)系統(tǒng)還可以做出各種動作,它甚至可以彎腰爬上陡峭山坡,還可以緊貼地面行動。中科院光電所研制的超小型排爆機器人目前已經(jīng)研制成功,該機器人具有2個機械臂(一大一小),可以同時上下夾取物體,此外,機械臂還可以進行翻轉(zhuǎn)。2.5.5 自重構(gòu)式移動機器人1994年,斯坦福大學的Mark Yim在他的博士論文中提出了一種模塊化可重組機器人的設(shè)計思想,并仿真實現(xiàn)了機器人的多種重組結(jié)構(gòu),以及多種不同的運動步態(tài)。由于模塊化可重組機器人具有靈活的物理結(jié)構(gòu)及良好的環(huán)境適應(yīng)能力、生存能力,國外很多機構(gòu)開始著手這方面的研究。目前,國外已研制出的主要模塊化可重組機器人系統(tǒng),如表2.2所示。表2.2 國外已研制主要模塊化可重組機器人系統(tǒng)山東科技大學提出的一種可變形履帶機器人,主要由1個軀體部分、4個折疊臂、4個履帶體所組成,其中每一個履帶體都通過一個折疊臂和機器人的軀體相聯(lián)。該機器人共有12個自由度,其中有8個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)驅(qū)動和4個履帶驅(qū)動。該機器人不怕翻滾,越障、爬坡能力更強,可以翻越相對更大(或更高)的高墻或溝壑,甚至可以在泥濘與沼澤地中行走。哈爾濱工業(yè)大學機器人研究所研制的模塊化可重構(gòu)履帶式微小型機器人,單個機器人可以獨立運行,多個機器人可以重構(gòu)成鏈型和環(huán)形機器人。該微小型機器人結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。采用兩位微控制器和PC機兩級控制體系,兩級間采用藍牙通訊。該機器人的鏈型重構(gòu)具有較強的越障能力,能爬越樓梯;環(huán)形機器人具有速度較高及路面適應(yīng)能力強的特點。2.5.5 履帶式移動機器人存在的問題及發(fā)展趨勢履帶式機器人仍面臨許多待解決的問題:(1)有些履帶式移動機器人的體積和重量太大,應(yīng)適當縮小機器人的體積,減輕機器人的重量。(2)對地面的適應(yīng)性和穩(wěn)定性需要得到進一步的提高。(3)控制方法需要改進。應(yīng)當簡化機器人的控制算法,以實現(xiàn)“用較簡單的控制方法獲得令人滿意的控制效果”的目標。另外,履帶式機器人現(xiàn)有的控制方法還有待完善和發(fā)展。(4)能源問題。尋求新型可靠的能源為機器人供應(yīng)動力,實現(xiàn)“機器人長時間在野外行走”的目標。履帶式移動機器人研究有以下值得關(guān)注的趨勢:(1)輪履復合式機器人。輪履復合式移動機器人既具有履帶式機器人的優(yōu)點,又具有輪式機器人的優(yōu)點。(2)自重構(gòu)機器人。自重構(gòu)履帶式機器人較固定結(jié)構(gòu)的履帶式機器人對地形的適應(yīng)性更強,可應(yīng)用的場合更多。因此,自重構(gòu)履帶式機器人是一大發(fā)展趨勢。(3)模塊化、標準化機器人控制系統(tǒng)。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展,針對結(jié)構(gòu)封閉的機器人控制系統(tǒng)的缺陷,開發(fā)“具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標準化機器人控制器”是當前機器人控制器的一個發(fā)展方向。這樣建立起來的系統(tǒng),不僅性能好、開發(fā)周期短而且成本較低,還具有開放性好、易于修改、重構(gòu)和添加配置功能等優(yōu)勢。