可變形仿生翻滾四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要: 移動(dòng)機(jī)器人是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物，更是人類無(wú)限幻想和智慧的結(jié)晶。移動(dòng)機(jī)器人在軍事、生產(chǎn)、生活以及科學(xué)研究中還有著許多潛在的應(yīng)用前景。移動(dòng)機(jī)構(gòu)決定了移動(dòng)機(jī)器人的綜合移動(dòng)性能，是移動(dòng)機(jī)器人能夠在工作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)快捷、平穩(wěn)、精確、高效移動(dòng)的關(guān)鍵。為了提高機(jī)器人的移動(dòng)效率，同時(shí)也為了降低機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，本課題從現(xiàn)代仿生學(xué)原理出發(fā)，將自然界中的翻滾運(yùn)動(dòng)引入到四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)當(dāng)中，并借鑒可重構(gòu)機(jī)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(jī)器人，達(dá)到用一種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng)的目的。本文對(duì)可變形仿生翻滾四足機(jī)器人進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，選定了結(jié)構(gòu)參數(shù)，和驅(qū)動(dòng)方式。詳細(xì)地對(duì)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)器人關(guān)鍵部位進(jìn)行了校核。本課題提高了四足機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，拓展四足機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，而且豐富了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)科的理論和實(shí)踐，對(duì)移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和高機(jī)動(dòng)性移動(dòng)平臺(tái)的開發(fā)具有一定的借鑒作用，具有重要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：四足機(jī)器人；仿生翻滾；可重構(gòu)機(jī)器人；設(shè)計(jì)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 it’s 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(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師淵博的知識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、嚴(yán)肅認(rèn)真的學(xué)風(fēng)、活躍的學(xué)術(shù)思想、孜孜不倦的開拓進(jìn)取精神和強(qiáng)烈的敬業(yè)精神將成為我終生的楷模。借此學(xué)位論文完成之際，謹(jǐn)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(xué)習(xí)和生活，忘不了這一方風(fēng)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(xué)！感謝將給與我論文評(píng)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(xiàn)及理解、支持和幫助使我順利的完成了學(xué)業(yè)！楊超杰于武漢2011-4-25目 錄1…………………………………………………………………………………11.1…………………………………………………………………11.2……………………………………………21.2.1……………………………………………………………21.2.2……………………………………………………21.2.3……………………………………………21.2.4……………………………………………………21.3……………………………………………21.3.1……………………………………………21.3.2……………………………………………21.4……………………………………………22…………………………………………………42.1……………………………………………………………42.2……………………………………………………………………………………42.3……………………………………………………………42.3.1…………………………………………………………………………………42.3.2………………………………………………43………………………………………………………………43.1………………………………………………………………43.2……………………………………………………………………………………43.2.1………………………………………………………………43.2.2………………………………………………………………43.2.3………………………………………………………………43.3……………………………………………………………………………………43.4…………………………………………………………………123.4.1…………………………………………………123.4.2……………………………………………………133.5………………………………………………………………173.5.1……………………………………………………………………173.5.2………………………………………………………………173.5.3…………………………………………………………173.5.4……………………………………………………………173.5.5………………………………………………………183.5.6…………………………………………………………………193.6………………………………………………………………………224…………………………………………………………………………344.1……………………………………………………………………44.2……………………………………………………………………4參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………35致謝…………………………………………………………………………………36附錄…………………………………………………………………………………36第一章 緒論1．1 課題研究的目的與意義移動(dòng)機(jī)器人是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物，更是人類無(wú)限幻想和智慧的結(jié)晶。目前，移動(dòng)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于星際探測(cè)、消防救險(xiǎn)、軍事反恐、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)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(dòng)機(jī)器人在軍事、生產(chǎn)、生活以及科學(xué)研究中還有著許多潛在的應(yīng)用前景。廣闊的市場(chǎng)需求使移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展獲得了源源不斷的強(qiáng)大動(dòng)力，也是與其相關(guān)的若干關(guān)鍵技術(shù)不斷取得進(jìn)步的根源所在。移動(dòng)機(jī)構(gòu)決定了移動(dòng)機(jī)器人的綜合移動(dòng)性能，是移動(dòng)機(jī)器人能夠在工作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)快捷、平穩(wěn)、精確、高效移動(dòng)的關(guān)鍵。三種傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（輪式、足式和履帶式）在本體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、移動(dòng)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(zhǎng)。隨著移動(dòng)機(jī)器人所擔(dān)負(fù)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(tái)階共存；又或者會(huì)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(yùn)動(dòng)方式的移動(dòng)機(jī)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(yùn)動(dòng)方式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)正在成為研究的熱點(diǎn)。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(yùn)動(dòng)引入到四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式中，達(dá)到用一套機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng)方式的目的。課題的完成不但能夠提高四足機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，拓展四足機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，而且豐富了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)科的理論和實(shí)踐，對(duì)移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和高機(jī)動(dòng)性移動(dòng)平臺(tái)的開發(fā)具有一定的借鑒作用。因此，開展具有仿生翻滾運(yùn)動(dòng)方式的四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1．2 移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域移動(dòng)機(jī)器人是一種集傳感器、遙控操作器和自動(dòng)控制的移動(dòng)載體組成的機(jī)器人系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人具有移動(dòng)功能，可代替人類從事危險(xiǎn)、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(dòng)性、靈活性。因此，移動(dòng)機(jī)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。1．2.1 工業(yè)領(lǐng)域與傳統(tǒng)的機(jī)器相比，移動(dòng)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的完全自主化，對(duì)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(jī)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(jī)電工業(yè)、電訊工業(yè)、通用機(jī)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(jī)器人的身影。1．2.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展觸使越來(lái)越多的科技工作者投入到農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究當(dāng)中。數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)作為21世紀(jì)農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的重要標(biāo)志之一，越來(lái)越受到科技的關(guān)注。移動(dòng)機(jī)器人體積小，移動(dòng)靈活，有一定的地形適應(yīng)能力，因此可用于全面、實(shí)時(shí)地采集農(nóng)田環(huán)境信息和作物的生長(zhǎng)信息。將采集農(nóng)田信息所需的傳感器安裝在移動(dòng)機(jī)器人上，機(jī)器人在田間移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的自動(dòng)采集。國(guó)外對(duì)這方面的機(jī)器人都有很深入的研究。日本研制了利用關(guān)節(jié)腿式來(lái)適應(yīng)復(fù)雜地形的六足機(jī)器人。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)開發(fā)的“watching-dog robot”，采用柔性的聯(lián)動(dòng)懸架來(lái)適應(yīng)復(fù)雜地形。AgAnt四足螞蟻機(jī)器人群，通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙互相傳遞信息，可以在田間巡視。國(guó)內(nèi)主要采用定點(diǎn)架設(shè)傳感器或?qū)鞲衅餮b載在拖拉機(jī)等大型農(nóng)業(yè)設(shè)備上的方法，隨著農(nóng)機(jī)的移動(dòng)來(lái)獲取不同位置的信息。1．2.3 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(dòng)機(jī)器人可以進(jìn)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(cè)等領(lǐng)域，移動(dòng)機(jī)器人稱為至關(guān)重要的部分。美國(guó)于1997年發(fā)射于火星表面的輪式“Sojourner”火星探測(cè)車就是這移動(dòng)機(jī)器人用于星際探測(cè)的典型代表，如圖1.1所示。圖1.1 Sojourner火星探測(cè)車1．2.4 醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人研制用來(lái)為病人看病、護(hù)理病人和協(xié)助病殘人員康復(fù)的機(jī)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(jī)器人已在診斷、護(hù)理、康復(fù)等幾個(gè)方面得到了應(yīng)用。人類生活水平的提高，越來(lái)越多的機(jī)器人進(jìn)入家庭和辦公室，用來(lái)代替人從事清掃、洗刷、守衛(wèi)、煮飯、照料小孩、接待等工作。1．3 國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀1．3.1 輪-足復(fù)合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)現(xiàn)有的輪-足復(fù)合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)在功能上雖然非常相近，但是結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別。綜合它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，大體可以劃分為兩類：第一類從結(jié)構(gòu)上來(lái)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(lái)看“輪”和“腿”完全分離，移動(dòng)中兩者或同時(shí)發(fā)揮作用以混合式移動(dòng)，或采用單一方式移動(dòng)。第一類 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的輪-腿混合式移動(dòng)機(jī)器人HITAN-I，如圖1.2所示。移動(dòng)系統(tǒng)由四套輪-腿混合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，每套移動(dòng)機(jī)構(gòu)四個(gè)自由度，車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，腿關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)輪式或腿式移動(dòng)。輪式移動(dòng)時(shí)，腿上各關(guān)節(jié)鎖定，由車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；腿式移動(dòng)時(shí)，輪上驅(qū)動(dòng)鎖定。圖1.2 HITAN-I 圖1.3 Wheeleg 第二類 意大利卡塔尼亞大學(xué)研制了一種名為Wheeleg的輪-腿機(jī)器人，如圖1.3所示。該機(jī)器人無(wú)論外觀還是原理上都類似于人拉兩輪車，它的移動(dòng)系統(tǒng)由兩條腿和兩個(gè)車輪組成，每條腿有三個(gè)自由度，兩個(gè)車輪分別由一臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮輪式承載能力大的特點(diǎn)，載荷主要由輪式機(jī)構(gòu)承受，腿式機(jī)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(dòng)平臺(tái)自然界中存在許多以本體和四肢作為滾動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)方式。不同于輪子的定軸驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)，我們可以將這類滾動(dòng)稱為翻滾運(yùn)動(dòng)。近年來(lái)，關(guān)于仿生翻滾與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用的研究正在不斷出現(xiàn)。球形機(jī)器人 1996年，芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學(xué)Halme等人共同研制了第一款球形機(jī)器人Rollo。此后，歐美日等國(guó)外研究人員研制了驅(qū)動(dòng)形式各異的球形機(jī)器人。國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、東北大學(xué)等高校分別提出了不同結(jié)構(gòu)的球形機(jī)器人。北京郵電大學(xué)孫漢旭教授創(chuàng)新性的提出了BYQ-4球形機(jī)器人，如圖1.4所示。該機(jī)器人增加可伸縮的機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使球形機(jī)器人具有操作能力。它是對(duì)普通球形移動(dòng)機(jī)器人功能的擴(kuò)展，大大拓展了球形機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。閉鏈機(jī)構(gòu) 目前，翻滾移動(dòng)平臺(tái)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(dòng)機(jī)構(gòu)。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所發(fā)明了一種具有并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四面體翻滾機(jī)器人，由六根伸縮臂和四個(gè)節(jié)點(diǎn)板組件構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)板組件由節(jié)點(diǎn)板和三個(gè)萬(wàn)向節(jié)組成，如圖1.5所示。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，六根伸縮臂按規(guī)律伸縮進(jìn)行形狀發(fā)生變化，當(dāng)其重心超越穩(wěn)定區(qū)域時(shí)，四面體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)翻滾。該機(jī)器人能夠再?gòu)?fù)雜地面環(huán)境下完成行進(jìn)、避障和越障等動(dòng)作。北京交通大學(xué)發(fā)明了一種滾動(dòng)三角形機(jī)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(jī)器人 圖1.6 三角形機(jī)器人開鏈機(jī)構(gòu) 近來(lái)也出現(xiàn)了開鏈?zhǔn)椒律D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研究。華南理工大學(xué)在“863”計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下開展了仿生攀爬機(jī)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(jī)器人，以期代替人們?cè)诟呖諒?fù)雜環(huán)境中從事危險(xiǎn)工作。該機(jī)器人具有5個(gè)自由度，工作時(shí)可以運(yùn)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(jī)器人可采用三種步態(tài)在傾斜角度大于60°的直立桿上進(jìn)行攀爬。圖1.7 仿生攀爬機(jī)器人及尺蠖模式、翻轉(zhuǎn)模式美國(guó)猶他大學(xué)的M.A.Minor等人研制了一種可滾動(dòng)圓盤形雙足機(jī)器人RDBR（Rolling Disk Biped Robot），如圖1.8所示。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)其形狀的改變，能夠?qū)崿F(xiàn)滾動(dòng)、步行和攀爬等運(yùn)動(dòng)，還具有一定的越障和爬坡的能力。他們先對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了平地翻滾與越障實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行了步行實(shí)驗(yàn)。該機(jī)器人在步行實(shí)驗(yàn)時(shí)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(lái)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1．4 主要研究?jī)?nèi)容本課題將仿生學(xué)中的翻滾運(yùn)動(dòng)引入到四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式中，達(dá)到用一套機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng)方式的目的。首次提出一種具有翻滾功能的可變形四足機(jī)器人，使其既具有固有的步行方式，同時(shí)也具有翻滾運(yùn)動(dòng)方式。本論文的主要內(nèi)容是針對(duì)該種可變形仿生翻滾的四足機(jī)器人進(jìn)行本體設(shè)計(jì)，擬采用的設(shè)計(jì)思路如圖1.9所示。仿生翻滾足式機(jī)器人方案設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 機(jī)械本體及零件設(shè)計(jì)課題確定及調(diào)研驗(yàn)算結(jié)束返回設(shè)計(jì)NY圖1.9 設(shè)計(jì)思路圖第二章 移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)2.1 移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)組成移 動(dòng) 機(jī) 器 人 是 一 個(gè) 復(fù) 雜 的 系 統(tǒng) ， 它 集 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 、 信 息 技 術(shù) 、 通 信 技 術(shù) 、微 電 子 技 術(shù) 和 機(jī) 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(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)組成移 動(dòng) 機(jī) 器 人 系 統(tǒng) 主 要 包 括 ： 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 模 塊 、 驅(qū) 動(dòng) 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(gè) 重 要 的 子 模 塊 。2.2 傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人簡(jiǎn)介移 動(dòng) 機(jī) 器 人 是 一 種 在 復(fù) 雜 環(huán) 境 下 工 作 的 ， 具 有 自 行 組 織 、 自 主 運(yùn) 行 、 自主 規(guī) 劃 的 智 能 機(jī) 器 人 。 腿式、輪式以及履帶式機(jī)器人是三種比較傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人。三種傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（輪式、足式和履帶式）在本體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、移動(dòng)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(zhǎng)。2.1 腿式移動(dòng)機(jī)器人腿式機(jī)器人研究始于20世紀(jì)60年代,其動(dòng)態(tài)性能的研究始于20世紀(jì)80年代。從現(xiàn)狀來(lái)看,大量的研究主要集中在雙腿、四腿和六腿機(jī)器人上,對(duì)單腿和八腿機(jī)器人的研究相對(duì)較少.這里只對(duì)典型的雙腿、四腿和六腿機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。2.1.1 雙腿美國(guó)MIT大學(xué)腿部實(shí)驗(yàn)室的Dilworth和Pratt于1994年設(shè)計(jì)并制造了名為“Spring Turkey”的雙腿機(jī)器人,如圖2.2所示. 該機(jī)器人重大約10kg,每條腿均有一個(gè)驅(qū)動(dòng)髖和一個(gè)驅(qū)動(dòng)膝蓋.上端未被驅(qū)動(dòng)的橫杠使Spring Turkey不能橫滾、偏轉(zhuǎn)和側(cè)向運(yùn)動(dòng),因此Spring Turkey只能在豎直平面內(nèi)運(yùn)動(dòng). 所有的電機(jī)都安放在身體的上部,通過(guò)電纜向各個(gè)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(jī)器人具有較強(qiáng)的防震能力,每個(gè)自由度都采用了串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)法,此方法由髖部和膝蓋處的彈簧實(shí)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(jì)測(cè)量關(guān)節(jié)角和機(jī)器人身體的傾斜度. 控制目標(biāo)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(yùn)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(jiǎn)單的連續(xù)行走運(yùn)動(dòng),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(jī)器人身體傾斜角被控制在±5.2°.圖2.2 雙腿機(jī)器人Spring Turkey 圖2.3 仿人機(jī)器人BRH-01 北京理工大學(xué)在國(guó)家863計(jì)劃?rùn)C(jī)器人技術(shù)主題項(xiàng)目的資助下于2002 年研制出仿人機(jī)器人BRH-01 ,如圖2.3所示.2.1.3 四腿腿式機(jī)器人對(duì)地面較強(qiáng)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(jī)器人在行走時(shí)發(fā)生振顫,這時(shí)攝像機(jī)的視覺(jué)圖像也必然會(huì)隨之振動(dòng),影響機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境的判斷能力,很可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的決策. 日本東京大學(xué)機(jī)械信息學(xué)系研制開發(fā)了一種基于視覺(jué)的具有智能行為的四腿機(jī)器人—JROB-1,旨在解決上述問(wèn)題,見圖2.4. 系統(tǒng)的硬件由4部分組成:機(jī)器人本體,富士通視覺(jué)跟蹤模塊,富士通機(jī)器人界面模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器. 系統(tǒng)軟件分為4個(gè)層次:運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生層,應(yīng)用層,自主層和內(nèi)核層. Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) (RTOS-Linux)完成整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)各個(gè)任務(wù)間的調(diào)度,包括:腿部12個(gè)自由度的控制,視覺(jué)跟蹤,視覺(jué)信息處理,傳感器信息處理等.圖2.4 四腿機(jī)器人JROB212.1.4 六腿自然界節(jié)肢動(dòng)物為大部分六腿機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了靈感,特別是蟑螂. 蟑螂之所以作為機(jī)器人設(shè)計(jì)的模板,是因?yàn)樗诒寂苤芯哂型怀龅目焖傩浴⒚艚菪院头€(wěn)定性,而且其結(jié)構(gòu)和生理學(xué)知識(shí)也為科學(xué)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(yùn)動(dòng)中6條腿所起的作用也是不同的,前腿負(fù)責(zé)減速,后腿負(fù)責(zé)加速,中間腿既加速又減速;轉(zhuǎn)彎時(shí),內(nèi)側(cè)和外側(cè)的腿對(duì)力和力矩的產(chǎn)生也起著不同的作用. 美國(guó)伊利諾斯大學(xué)的Delcomyn和Nelson在對(duì)蟑螂的生理結(jié)構(gòu)進(jìn)行仔細(xì)研究后,制造了著名的仿生機(jī)器人Biobot ,見圖2.5. 該機(jī)器人的體積為58cm×14cm ×23cm,重11kg,站立時(shí)離地面15cm.圖11 六腿仿生機(jī)器人Biobot2.2 腿式機(jī)器人存在的問(wèn)題及展望腿式機(jī)器人面臨許多待解決的問(wèn)題:(1)有些腿式機(jī)器人的體積和重量很大,在實(shí)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(jī)器人出現(xiàn),而且這種機(jī)器人的速度和機(jī)動(dòng)性較差. 因此,應(yīng)該適當(dāng)縮小機(jī)器人的體積,減輕機(jī)器人的重量.(2 ) 大多數(shù)腿式機(jī)器人研究平臺(tái)的負(fù)荷不大,導(dǎo)致它們沒(méi)有能力負(fù)載視覺(jué)設(shè)備,而且腿式機(jī)器人的視覺(jué)研究也不很成熟,而視覺(jué)恰恰是腿式機(jī)器人自主化和智能化的關(guān)鍵. 要解決這個(gè)問(wèn)題,首先還需改進(jìn)現(xiàn)有腿式機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),使其能夠承受更大的負(fù)載;其次是改進(jìn)視覺(jué)圖像處理的算法,增強(qiáng)圖像處理的實(shí)時(shí)性、快速性和準(zhǔn)確性.(3)腿式機(jī)器人對(duì)地面的適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)的靈活性需要進(jìn)一步提高.(4)腿式機(jī)器人的控制方法也需改進(jìn). 機(jī)器人系統(tǒng)的復(fù)雜性使其控制算法復(fù)雜化,但有些算法很難實(shí)現(xiàn)甚至不能實(shí)現(xiàn),因此應(yīng)簡(jiǎn)化機(jī)器人控制算法,實(shí)現(xiàn)用較簡(jiǎn)單的控制算法獲得令人滿意的控制效果的目標(biāo). 另外,腿式機(jī)器人現(xiàn)有的控制方法還有待完善和發(fā)展.(5)能源問(wèn)題. 尋求新型可靠的能源為機(jī)器人供電,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間在戶外行走的目標(biāo).隨著腿式機(jī)器人的研究日益深入和發(fā)展,腿式機(jī)器人在速度、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性和對(duì)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(shí)現(xiàn),將能夠滿足更多特殊環(huán)境和場(chǎng)合的需要,因而具有廣闊的應(yīng)用前景.腿式機(jī)器人有兩個(gè)值得關(guān)注的趨勢(shì):(1)腿式機(jī)器人群體協(xié)作多個(gè)腿式機(jī)器人協(xié)調(diào)合作共同完成某項(xiàng)任務(wù).與單個(gè)腿式機(jī)器人相比,多個(gè)腿式機(jī)器人的總負(fù)荷更大,可以攜帶的儀器和工具更多,功能性更強(qiáng). 它們之間通過(guò)通信進(jìn)行協(xié)調(diào),也可以按照某種規(guī)則指定主機(jī)器人和從機(jī)器人,從而按照一定的隊(duì)形和順序?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行不同的測(cè)量和操作. 而且當(dāng)其中某一腿式機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí),其它機(jī)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(jī)器人自重構(gòu)腿式機(jī)器人比固定結(jié)構(gòu)的腿式機(jī)器人對(duì)地形的適應(yīng)性更強(qiáng),可應(yīng)用場(chǎng)合更多. 當(dāng)穿越管道時(shí),它可以變成蛇形;當(dāng)穿越崎嶇的地形時(shí),它可以變成腿式機(jī)器人;當(dāng)需要潛入海里時(shí),它又可以變作魚形;還可以通過(guò)改變自身的外形和步態(tài)攀登樓梯并進(jìn)入建筑物. 因此,自重構(gòu)機(jī)器人是腿式機(jī)器人的發(fā)展方向之一.2.3 輪式移動(dòng)機(jī)器人輪式移動(dòng)機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，與路面的路況有很大關(guān)系、在復(fù)雜地形如何實(shí)現(xiàn)精確的軌跡控制等問(wèn)題，但是由于其具有自重輕、承載大、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)和控制相對(duì)方便、行走速度快、機(jī)動(dòng)靈活、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，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(cè)等領(lǐng)域。按照車輪數(shù)目雖然不能對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行嚴(yán)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(duì)單輪滾動(dòng)機(jī)器人、兩輪移動(dòng)機(jī)器人、三輪及四輪移動(dòng)機(jī)器人、復(fù)合式(帶有車輪)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。2.3.1 單輪滾動(dòng)機(jī)器人單輪滾動(dòng)機(jī)器人是一種全新概念的移動(dòng)機(jī)器人。從外觀上看它只有一個(gè)輪子，它的運(yùn)動(dòng)方式是沿地面滾動(dòng)前進(jìn)，后來(lái)又開發(fā)出的球型機(jī)器人也屬于單輪滾動(dòng)機(jī)器人。早期的典型代表是美國(guó)卡內(nèi)基一梅隆大學(xué)機(jī)器人研究所研制的單輪滾動(dòng)機(jī)器人Gyrover。Gyrover是一種陀螺穩(wěn)定的單輪滾動(dòng)機(jī)器人。它的行進(jìn)方式是基于陀螺運(yùn)動(dòng)的基本原理，具有很強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性和靈活性，他們開發(fā)該機(jī)器人的目的是用于空間探索。英國(guó)巴斯大學(xué)的Rhodri H Armour對(duì)單輪滾動(dòng)機(jī)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(dòng)前行方式開始論述，通過(guò)分析11種單輪滾動(dòng)機(jī)器人，總結(jié)出了7種單輪滾動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理：彈性中心構(gòu)件原理、車輛驅(qū)動(dòng)原理、移動(dòng)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(dòng)于質(zhì)心軸上的配重塊原理。2.3.2 兩輪移動(dòng)機(jī)器人兩輪移動(dòng)機(jī)器人主要包括自行車機(jī)器人和兩輪呈左右對(duì)稱布置的兩輪移動(dòng)機(jī)器人。[自行車機(jī)器人]自行車機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)術(shù)界提出的一種全新的智能運(yùn)輸工具的概念，由于其車體窄小、可作小半徑回轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yùn)動(dòng)力學(xué)特征較為復(fù)雜，其兩輪縱向布置，與地面無(wú)滑動(dòng)接觸，它本身就是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)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(duì)它實(shí)施側(cè)向控制，自行車就一定會(huì)不能站立起來(lái)。同時(shí)自行車具有對(duì)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(jī)器人的控制問(wèn)題相當(dāng)困難，如不能采用連續(xù)或可微的純狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定，不能采用非線性變換實(shí)現(xiàn)整體線性化等。所以，自行車機(jī)器人是一個(gè)令人非常感興趣的研究領(lǐng)域，其動(dòng)力學(xué)與控制極具挑戰(zhàn)性。自行車機(jī)器人研究存在的問(wèn)題主要包括自行車機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)的建模和分析、自行車機(jī)器人的側(cè)向穩(wěn)定控制機(jī)理、自行車機(jī)器人在不同載重下的平衡問(wèn)題、自行車機(jī)器人對(duì)復(fù)雜地面的適應(yīng)能力。[兩輪呈左右對(duì)稱布置的兩輪移動(dòng)機(jī)器人]不加裝車體的兩輪移動(dòng)機(jī)器人是典型的機(jī)器人結(jié)構(gòu)，左右輪分別由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，依靠差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向靈活。但當(dāng)安裝上車體時(shí)，就同自行車機(jī)器人一樣，要考慮機(jī)器人的平衡問(wèn)題。這種兩輪移動(dòng)機(jī)器人具有極強(qiáng)的靈活性而且它的行為與火箭飛行以及兩足機(jī)器人行走有很大的相似性，因而對(duì)其理論及控制系統(tǒng)的研究受到國(guó)內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的高度重視。近年來(lái)，該機(jī)器人逐漸成為全球機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。2.3.3 三輪及四輪移動(dòng)機(jī)器人輪式移動(dòng)機(jī)器人中最常見的機(jī)構(gòu)就是三輪及四輪移動(dòng)機(jī)器人。當(dāng)在平整地面上行走時(shí)，這種機(jī)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(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來(lái)介紹三輪、四輪移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀。輪式移動(dòng)機(jī)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(dòng)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(jī)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(dòng)和前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)方式。西班牙塞維利亞大學(xué)研制的ROMEO-4R機(jī)器人便采用了艾克曼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人采用后輪驅(qū)動(dòng)，前輪由電機(jī)控制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。澳大利亞臥龍崗大學(xué)研制的Titan機(jī)器人也采用了艾克曼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人前面兩輪為自由輪，采用艾克曼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，后面兩個(gè)車輪分別由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向?；瑒?dòng)轉(zhuǎn)向的兩側(cè)車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)改變兩側(cè)車輪速度來(lái)實(shí)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。滑動(dòng)轉(zhuǎn)向的輪式移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要專門的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)；并且，滑動(dòng)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)具有高效性和低成本性。美國(guó)佛羅里達(dá)農(nóng)工大學(xué)研制的ATRV-Jr機(jī)器人及加拿大高等綜合理工大學(xué)研制的Pioneer 3一 AT機(jī)器人都采用了滑動(dòng)轉(zhuǎn)向原理。左邊兩個(gè)車輪和右邊兩個(gè)車輪分別用一個(gè)電機(jī)控制，靠?jī)蓚?cè)的差速度控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。輪式全方位移動(dòng)機(jī)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(dòng)，這種特性使得輪式移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃、軌跡跟蹤等問(wèn)題變得相對(duì)簡(jiǎn)單，使機(jī)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(jī)器人較強(qiáng)的越野能力和輪式機(jī)器人簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)，四輪全方位轉(zhuǎn)向與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)已獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。MobileRobots Inc開發(fā)的室內(nèi)外清掃機(jī)器人Seekur便采用了四輪全方位轉(zhuǎn)向與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其移動(dòng)平臺(tái)采用8個(gè)電機(jī)分別控制4個(gè)輪子的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)。這種機(jī)構(gòu)具有轉(zhuǎn)向半徑小，轉(zhuǎn)向穩(wěn)定容易等特點(diǎn)。另一種全方位移動(dòng)方式是基于全方位移另一種全方位移動(dòng)方式是基于全方位移動(dòng)輪構(gòu)建的，目前主要的全方位移動(dòng)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(dòng)機(jī)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(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)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(dòng)。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)靈活，是很成功的一種全方位輪。由4個(gè)這種輪子進(jìn)行組合，可以使機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能H“。新西蘭梅西大學(xué)研制了裝有麥克納姆輪的移動(dòng)機(jī)器人，他們對(duì)這種機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。針對(duì)麥克納姆輪在移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用中存在的一些缺陷，中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)構(gòu)具有運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、控制方便、效率較高、承載能力較強(qiáng)；輪上的各個(gè)小滾子一般均處于純滾動(dòng)狀態(tài)，不易磨損；滾子軸的受力情況也較好，不易損壞；對(duì)各輪的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速控制得當(dāng)，可實(shí)現(xiàn)精確定位和軌跡跟蹤等特點(diǎn)。此外，近年來(lái)還出現(xiàn)了一些新的全方位移動(dòng)方式。如伊朗加茲溫省的阿薩德大學(xué)研制的螺旋運(yùn)動(dòng)機(jī)器人Climax，Climax機(jī)器人有3個(gè)固定的車輪，分別由3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)狹小空間的全方位移動(dòng)。由于采用軸一關(guān)節(jié)式轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的機(jī)器人在轉(zhuǎn)向時(shí)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)器人，具有轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向靈活的特點(diǎn)。但其轉(zhuǎn)向軌跡難以進(jìn)行準(zhǔn)確控制。并且在行駛時(shí)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(lái)約束后面車體的自由度。三輪移動(dòng)機(jī)器人與四輪移動(dòng)機(jī)器人類似，按轉(zhuǎn)向及驅(qū)動(dòng)方式的不同，分為前輪由電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、后輪驅(qū)動(dòng)；前輪由電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向、前輪驅(qū)動(dòng)；前輪為萬(wàn)向輪、后面兩個(gè)車輪分別由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向這3種方式。西班牙塞維利亞大學(xué)研制的機(jī)器人ROMEO-3R，其前輪即是轉(zhuǎn)向輪又是驅(qū)動(dòng)輪，并且?guī)в腥斯みb控和機(jī)器人自動(dòng)行走的轉(zhuǎn)換裝置。到目前為止，對(duì)三輪及四輪移動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)研究很多，主要涉及到機(jī)器人機(jī)構(gòu)、體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、導(dǎo)航與定位、跟蹤控制、運(yùn)動(dòng)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(shí)，該類機(jī)器人的研究也為發(fā)展多輪及復(fù)合式機(jī)器人提供了基礎(chǔ)。并將對(duì)現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。2.3.4 復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人復(fù)合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)(如復(fù)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(fù)雜地形、反恐防暴、空間探測(cè)等領(lǐng)域。此類機(jī)器人具有較強(qiáng)的爬坡、過(guò)溝、越障和上下樓梯能力以及運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。輪--腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，應(yīng)用較多；關(guān)節(jié)--履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好，但速度比較慢，同履帶式機(jī)器人一樣，功耗較大；關(guān)節(jié)一輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)越障性能好，但轉(zhuǎn)向性能差、功耗較大，運(yùn)動(dòng)控制比較復(fù)雜。中國(guó)國(guó)防科技大學(xué)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(cè)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。該方法將輪式空間探測(cè)機(jī)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(dòng)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(cè)機(jī)器人為研究對(duì)象，通過(guò)同構(gòu)組合得到70種新型同構(gòu)組合空間探測(cè)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)異構(gòu)組合得到165種新型異構(gòu)組合空間探測(cè)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)。比較系統(tǒng)的對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了歸類及分析。2.4 輪式移動(dòng)機(jī)器人性能比較各類輪式移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)及控制原理跟兩輪呈左右對(duì)稱布置的兩輪移動(dòng)機(jī)器人是相同的，當(dāng)把此類單輪滾動(dòng)機(jī)器人的兩個(gè)半球輪換成普通車輪后，該機(jī)器人就變成了兩輪移動(dòng)機(jī)器人；兩輪呈左右對(duì)稱布置的兩輪移動(dòng)機(jī)器人完全可以裝在三輪及四輪機(jī)器人上作為機(jī)器人的移動(dòng)及轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。當(dāng)三輪及四輪機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，非驅(qū)動(dòng)輪與地面之間產(chǎn)生了一個(gè)反作用力，從而防止了機(jī)器人底盤繞驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。而兩輪移動(dòng)機(jī)器人由于沒(méi)有另外的輪子提供反作用力，為了防止底盤繞驅(qū)動(dòng)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(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人也是從三輪及四輪機(jī)器人上發(fā)展起來(lái)的。表2.1對(duì)各類輪式移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了比較。表1各類輪式機(jī)器人性能比較2.5 履帶式機(jī)器人隨著機(jī)器人技術(shù)發(fā)展,腿式機(jī)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(fù)雜,應(yīng)用受到一定的限制。綜合比較,履帶式移動(dòng)機(jī)器人能夠很好地適應(yīng)地面的變化,因此對(duì)履帶式移動(dòng)機(jī)器人的研究得以蓬勃發(fā)展。履帶式移動(dòng)機(jī)器人具有以下特點(diǎn):(1)支撐面積大,接地比壓小,適合于松軟或泥濘場(chǎng)地作業(yè),下陷度小,滾動(dòng)阻力小,越野機(jī)動(dòng)性能好。(2)轉(zhuǎn)向半徑極小,可以實(shí)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(fù)位和越障能力,帶有履帶臂的機(jī)器人還可以像腿式機(jī)器人一樣實(shí)現(xiàn)行走。從20世紀(jì)80年代起,國(guó)外就對(duì)小型履帶式機(jī)器人展開了系統(tǒng)的研究,綜合分析國(guó)內(nèi)外所研究的履帶式移動(dòng)機(jī)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(fù)合式以及自重構(gòu)式移動(dòng)機(jī)器人。2.5.1 單節(jié)雙履帶式機(jī)器人“劍”移動(dòng)機(jī)器人是由美國(guó)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(cè)、偵察和目標(biāo)捕獲的特種機(jī)器人系統(tǒng)。英國(guó)30多年前就研制了一種叫做“獨(dú)輪手推車”(Wheelbarrow)的排爆機(jī)器人。英國(guó)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(jī)器人。北京京金吾高科技公司開發(fā)的JW902(第5代)排爆機(jī)器人屬國(guó)家科技部863計(jì)劃項(xiàng)目。JW902機(jī)器人的主要功能是抓取,它優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類的各種機(jī)器人。2.5.2 雙節(jié)雙履帶式移動(dòng)機(jī)器人國(guó)外開發(fā)的多為雙節(jié)雙履帶式移動(dòng)機(jī)器人,因?yàn)榇朔N移動(dòng)機(jī)器人與單節(jié)式相比較,越障功能更優(yōu)。目前上海大學(xué)正在研制的關(guān)節(jié)式履帶爬梯機(jī)器人就是屬于這種結(jié)構(gòu)。美國(guó)福斯特—米勒公司開發(fā)的履帶式“鷹爪”無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái),最初設(shè)計(jì)用途是為了排除復(fù)雜、簡(jiǎn)易爆炸物,其重量不超過(guò)45 kg,其遙控距離達(dá)1 000 m,目前該型機(jī)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(dòng)機(jī)器人采用多節(jié)多履帶式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人越障能力更強(qiáng),但是其價(jià)格也較高,控制也更復(fù)雜。由我國(guó)自行生產(chǎn)的“靈蜥-B”型排爆機(jī)器人,利用三段履帶式設(shè)計(jì),裝置行走、機(jī)械手、云臺(tái)3個(gè)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(guò)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(shí)。2.5.4 多節(jié)輪履復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人輪履復(fù)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(guó)內(nèi)外也正在積極開發(fā)該種機(jī)器人。像Y.Maeda等的多功能機(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。美國(guó)Remotec公司的Andros系列機(jī)器人受到各國(guó)軍警部門的歡迎。Andros機(jī)器人可用于小型隨機(jī)爆炸物的處理,它是美國(guó)空軍客機(jī)及客車上使用的惟一的機(jī)器人。最新設(shè)計(jì)的Mini-Andros II機(jī)器人配置了活節(jié)履帶及輪盤底盤,最大觸及距離達(dá)2m。機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì),能夠快速拆裝,更換不同工具。機(jī)身小巧,可以在大型機(jī)械人不能達(dá)到的區(qū)域進(jìn)行操作?！白冃谓饎偂笔敲绹?guó)為戰(zhàn)時(shí)營(yíng)救行動(dòng)量身定做的機(jī)器人。該機(jī)器人安裝有液壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)作,它甚至可以彎腰爬上陡峭山坡,還可以緊貼地面行動(dòng)。中科院光電所研制的超小型排爆機(jī)器人目前已經(jīng)研制成功,該機(jī)器人具有2個(gè)機(jī)械臂(一大一小),可以同時(shí)上下夾取物體,此外,機(jī)械臂還可以進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。2.5.5 自重構(gòu)式移動(dòng)機(jī)器人1994年,斯坦福大學(xué)的Mark Yim在他的博士論文中提出了一種模塊化可重組機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想,并仿真實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的多種重組結(jié)構(gòu),以及多種不同的運(yùn)動(dòng)步態(tài)。由于模塊化可重組機(jī)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(guó)外很多機(jī)構(gòu)開始著手這方面的研究。目前,國(guó)外已研制出的主要模塊化可重組機(jī)器人系統(tǒng),如表2.2所示。表2.2 國(guó)外已研制主要模塊化可重組機(jī)器人系統(tǒng)山東科技大學(xué)提出的一種可變形履帶機(jī)器人,主要由1個(gè)軀體部分、4個(gè)折疊臂、4個(gè)履帶體所組成,其中每一個(gè)履帶體都通過(guò)一個(gè)折疊臂和機(jī)器人的軀體相聯(lián)。該機(jī)器人共有12個(gè)自由度,其中有8個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)和4個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)。該機(jī)器人不怕翻滾,越障、爬坡能力更強(qiáng),可以翻越相對(duì)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(xué)機(jī)器人研究所研制的模塊化可重構(gòu)履帶式微小型機(jī)器人,單個(gè)機(jī)器人可以獨(dú)立運(yùn)行,多個(gè)機(jī)器人可以重構(gòu)成鏈型和環(huán)形機(jī)器人。該微小型機(jī)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(jī)兩級(jí)控制體系,兩級(jí)間采用藍(lán)牙通訊。該機(jī)器人的鏈型重構(gòu)具有較強(qiáng)的越障能力,能爬越樓梯;環(huán)形機(jī)器人具有速度較高及路面適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。2.5.5 履帶式移動(dòng)機(jī)器人存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)履帶式機(jī)器人仍面臨許多待解決的問(wèn)題:(1)有些履帶式移動(dòng)機(jī)器人的體積和重量太大,應(yīng)適當(dāng)縮小機(jī)器人的體積,減輕機(jī)器人的重量。(2)對(duì)地面的適應(yīng)性和穩(wěn)定性需要得到進(jìn)一步的提高。(3)控制方法需要改進(jìn)。應(yīng)當(dāng)簡(jiǎn)化機(jī)器人的控制算法,以實(shí)現(xiàn)“用較簡(jiǎn)單的控制方法獲得令人滿意的控制效果”的目標(biāo)。另外,履帶式機(jī)器人現(xiàn)有的控制方法還有待完善和發(fā)展。(4)能源問(wèn)題。尋求新型可靠的能源為機(jī)器人供應(yīng)動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)“機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間在野外行走”的目標(biāo)。履帶式移動(dòng)機(jī)器人研究有以下值得關(guān)注的趨勢(shì):(1)輪履復(fù)合式機(jī)器人。輪履復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人既具有履帶式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn),又具有輪式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)。(2)自重構(gòu)機(jī)器人。自重構(gòu)履帶式機(jī)器人較固定結(jié)構(gòu)的履帶式機(jī)器人對(duì)地形的適應(yīng)性更強(qiáng),可應(yīng)用的場(chǎng)合更多。因此,自重構(gòu)履帶式機(jī)器人是一大發(fā)展趨勢(shì)。(3)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制系統(tǒng)。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,針對(duì)結(jié)構(gòu)封閉的機(jī)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(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器”是當(dāng)前機(jī)器人控制器的一個(gè)發(fā)展方向。這樣建立起來(lái)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(shì)。