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

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)了一種基于視覺的具有智能行為的四腿機(jī)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(jī)器人本體,富士通視覺跟蹤模塊,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,視覺跟蹤,視覺信息處理,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?、敏捷性和穩(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58cm14cm 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)器人存在的問題及展望腿式機(jī)器人面臨許多待解決的問題:(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)致它們沒有能力負(fù)載視覺設(shè)備,而且腿式機(jī)器人的視覺研究也不很成熟,而視覺恰恰是腿式機(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。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，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)，通過改變兩側(cè)車輪速度來實(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?；瑒?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)。