第一章 緒論1．1 課題研究的目的與意義移動機器人是科學技術進步的產物，更是人類無限幻想和智慧的結晶。目前，移動機器人已廣泛應用于星際探測、消防救險、軍事反恐、農業(yè)生產等關系到國民經濟和國防建設的重要行業(yè)。隨著作業(yè)功能的不斷開發(fā)，移動機器人在軍事、生產、生活以及科學研究中還有著許多潛在的應用前景。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，也是與其相關的若干關鍵技術不斷取得進步的根源所在。移動機構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、高效移動的關鍵。三種傳統(tǒng)的移動機構（輪式、足式和履帶式）在本體結構的復雜程度、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)境適應能力上也各有所長。隨著移動機器人所擔負任務要求的不斷提高，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；又或者會應用于未知特征環(huán)境執(zhí)行任務，例如火星表面。這種情況下，單一運動方式的移動機構將不再滿足多重特征環(huán)境的任務需求。于是，兼具幾種運動方式的移動機構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)境適應能力，拓展四足機器人的應用領域，而且豐富了移動機器人學科的理論和實踐，對移動技術的發(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構設計具有重要的理論意義與實際應用價值。1．2 移動機器人的應用領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，移動機器人的應用領域非常廣泛，在各行業(yè)中均有不可忽視的作用。1．2.1 工業(yè)領域與傳統(tǒng)的機器相比，移動機器人能夠實現(xiàn)生產過程的完全自主化，對生產設備有高度的適應能力。制造工業(yè)部門應用機器人的主要目的在于削減人員編制和提高產品質量。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。1．2.2 農業(yè)生產科學技術的飛速發(fā)展觸使越來越多的科技工作者投入到農業(yè)機器人的研究當中。數(shù)字農業(yè)技術作為21世紀農業(yè)信息技術的重要標志之一，越來越受到科技的關注。移動機器人體積小，移動靈活，有一定的地形適應能力，因此可用于全面、實時地采集農田環(huán)境信息和作物的生長信息。將采集農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。日本研制了利用關節(jié)腿式來適應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。國內主要采用定點架設傳感器或將傳感器裝載在拖拉機等大型農業(yè)設備上的方法，隨著農機的移動來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，移動機器人可以進行作業(yè)或執(zhí)行探索任務。在深海區(qū)域以及星際探測等領域，移動機器人稱為至關重要的部分。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1．2.4 醫(yī)療服務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。1．3 國內外在該領域的研究現(xiàn)狀1．3.1 輪-足復合式移動機構現(xiàn)有的輪-足復合式移動機構在功能上雖然非常相近，但是結構上千差萬別。綜合它們的結構特點，大體可以劃分為兩類：第一類從結構上來看就是將“輪”安裝在“腿”的末端，輪和腿成串聯(lián)結構，是比較常見一類；第二類從結構上來看“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-腿混合式移動機構組成，每套移動機構四個自由度，車輪獨立驅動，腿關節(jié)三個自由度，可實現(xiàn)輪式或腿式移動。輪式移動時，腿上各關節(jié)鎖定，由車輪獨立驅動；腿式移動時，輪上驅動鎖定。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動。這種結構可以充分發(fā)揮輪式承載能力大的特點，載荷主要由輪式機構承受，腿式機構增大了路面附著力，可用于越障。1.3.2 仿生翻滾與翻轉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動滾動，我們可以將這類滾動稱為翻滾運動。近年來，關于仿生翻滾與翻轉機構及其應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動形式各異的球形機器人。國內哈爾濱工業(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構的球形機器人。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，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用領域。閉鏈機構 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體形狀，而是出現(xiàn)了整體閉鏈移動機構。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，其三條邊結構及尺寸相同，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 近來也出現(xiàn)了開鏈式仿生翻轉機構的研究。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、扭轉模式和翻轉模式，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。該機器人結構簡單，通過其形狀的改變，能夠實現(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模式步行。圖1.8 RDBR越障以及翻轉模式、尺蠖模式步行1．4 主要研究內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。本論文的主要內容是針對該種可變形仿生翻滾的四足機器人進行本體設計，擬采用的設計思路如圖1.9所示。仿生翻滾足式機器人方案設計運動規(guī)劃傳動方案設計 機械本體及零件設計課題確定及調研驗算結束返回設計NY圖1.9 設計思路圖