移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘 要：移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人的一種。本文在分析國(guó)內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)將輪式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和步行式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合，在兩個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)一些簡(jiǎn)單的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)單方向的步態(tài)行走。同時(shí)配合車輪運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人不僅具有一般輪式機(jī)器人移動(dòng)速度快、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，還具有較好的越障能力。關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)器人；步行機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析1 引言在工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世30多年后的今天，機(jī)器人己被人們看作為一種生產(chǎn)工具，同時(shí)隨著社會(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機(jī)器人也被開(kāi)發(fā)出來(lái)去適應(yīng)制造領(lǐng)域以外的各個(gè)行業(yè)，其中移動(dòng)機(jī)器人成為機(jī)器人學(xué)發(fā)展中的一個(gè)重要分支。移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，移動(dòng)機(jī)器人具有移動(dòng)功能，在代替人從事危險(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。隨著科技的進(jìn)步，人類對(duì)未知世界進(jìn)行探索的愿望越來(lái)越強(qiáng)烈，移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展也日新月異。在對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究中，人們提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來(lái)越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣，更由于移動(dòng)機(jī)器人在軍事偵察、掃雷排險(xiǎn)、防核化污染等危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對(duì)它的研究在世界各國(guó)受到更為普遍的關(guān)注。國(guó)外對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的研究起步較早，日本是開(kāi)發(fā)機(jī)器人較早的國(guó)家，并成為世界上機(jī)器人占有量最多的國(guó)家，其次是美國(guó)和德國(guó)。進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，開(kāi)拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位，俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼承者，在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有相當(dāng)雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER科技有限公司把在開(kāi)發(fā)空間機(jī)器人中獲得的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于開(kāi)發(fā)地面機(jī)器人系統(tǒng)，如極坐標(biāo)平面移動(dòng)車、爬行移動(dòng)機(jī)器人、球形機(jī)器人、工作伙伴平臺(tái)以及ROSA-2移動(dòng)車等，最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游機(jī)器人一一“勇氣”號(hào)與“機(jī)遇”號(hào)。雖然國(guó)內(nèi)有關(guān)移動(dòng)機(jī)器人研究的起步較晚，但也取得了不少成績(jī)。2003年國(guó)防科技大學(xué)賀漢根教授主持研制的無(wú)人駕駛車采用了四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)以及機(jī)器學(xué)習(xí)等智能控制算法，在高速公路上達(dá)到了130 Km/h的穩(wěn)定時(shí)速，最高時(shí)速170 Km/h，而且具備了自主超車功能，這些技術(shù)指標(biāo)均處于世界領(lǐng)先的地位1。但是我國(guó)在機(jī)器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計(jì)和制造能力、高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應(yīng)用等方面，同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)仍存在較大的差距。未來(lái)研究熱點(diǎn)是將各種智能控制方法應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人的控制。本課題主要是針對(duì)在不同的路況環(huán)境下，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能夠適應(yīng)不同的路徑和環(huán)境而提出的，要求機(jī)器人能在平坦的直行路面以較快的速度行走，在復(fù)雜環(huán)境下能完成爬越斜坡、臺(tái)階，實(shí)時(shí)避障等任務(wù)，具有更廣的道路通過(guò)性和靈活性，也可以為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和控制提供一個(gè)很好的研究平臺(tái)。2移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 總體機(jī)構(gòu)方案2.1.1行駛機(jī)構(gòu)到目前為止，地面移動(dòng)機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)主要分為履帶式、腿式和輪式三種。這三種行駛機(jī)構(gòu)各有其特點(diǎn)2。（1）履帶式履帶最早出現(xiàn)在坦克和裝甲車上，后來(lái)出現(xiàn)在某些地面行駛的機(jī)器人上，它具有良好的穩(wěn)定性能、越障性能和較長(zhǎng)的使用壽命，適合在崎嶇的地面上行駛，但是當(dāng)?shù)孛姝h(huán)境惡劣時(shí)，履帶很快會(huì)被磨損甚至磨斷，沉重的履帶和繁多的驅(qū)動(dòng)輪使得整體機(jī)構(gòu)笨重不堪，消耗的功率也相對(duì)較大。此外，履帶式機(jī)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)分析及自主控制設(shè)計(jì)十分困難。（2）腿式腿式機(jī)構(gòu)具有出色的越野能力，曾經(jīng)得到機(jī)器人專家的廣泛重視，取得了較大的成果。根據(jù)腿的數(shù)量分類，有三腿、四腿、五腿和六腿等各種行駛結(jié)構(gòu)。這里我們簡(jiǎn)單介紹一種典型的六腿機(jī)構(gòu)。一般六腿機(jī)構(gòu)都采用變換支撐腿的方式，將整體的重心從一部分腿上轉(zhuǎn)移到另一部分腿上，從而達(dá)到行走的目的。行走原理為:靜止時(shí)，由六條腿支撐機(jī)器人整體。需要移動(dòng)時(shí)，其中三條腿抬起成為自由腿(腿的端點(diǎn)構(gòu)成三角形)，機(jī)器人的重心便落在三條支撐腿上，然后自由腿向前移動(dòng)，移動(dòng)的距離和方位由計(jì)算機(jī)規(guī)劃，但必須保證著地時(shí)自由腿的端點(diǎn)構(gòu)成三角形。最后支撐腿向前移動(dòng)，重心逐漸由支撐腿過(guò)渡到自由腿，這時(shí)自由腿變成支撐腿，支撐腿變成自由腿，從而完成一個(gè)行走周期。腿式機(jī)器人特別是六腿機(jī)器人，具有較強(qiáng)的越野能力，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且行走速度較慢。（3）輪式輪式機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，只是越野性能不太強(qiáng)?，F(xiàn)在的許多輪式己經(jīng)不同于傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，隨著各種各樣的車輪底盤(pán)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了輪式與腿式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，具有與腿式結(jié)構(gòu)相媲美的越障能力。如今人們對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究的重心也隨之轉(zhuǎn)移到輪腿結(jié)合式機(jī)構(gòu)上來(lái)了。本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人不僅要求具有一般輪式機(jī)器人移動(dòng)速度快、控制簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，還要具有較好的越障能力，因此本文選擇輪腿式相結(jié)合的輪腿機(jī)構(gòu)作為行駛機(jī)構(gòu)。2.1.2 驅(qū)動(dòng)形式的選擇驅(qū)動(dòng)部分是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，機(jī)器人常用的驅(qū)動(dòng)形式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)三種基本類型3。（1）液壓驅(qū)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)是以高壓油作為介質(zhì)，體積較氣壓驅(qū)動(dòng)小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速比較簡(jiǎn)單，能在很大范圍實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。但由于壓力高，總是存在漏油的危險(xiǎn)，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境，所以需要良好的維護(hù)，以保證其可靠性。液壓驅(qū)動(dòng)比電動(dòng)機(jī)的優(yōu)越性就是它本身的安全性，由于電動(dòng)機(jī)存在著電弧和引爆的可能性，要求在易爆區(qū)域中所帶電壓不超過(guò)9V，但液壓系統(tǒng)不存在電弧問(wèn)題。（2）氣壓驅(qū)動(dòng)在所有的驅(qū)動(dòng)方式中，氣壓驅(qū)動(dòng)是最簡(jiǎn)單的。使用壓力通常在0.40.6Mpa，最高可達(dá)1Mpa。用氣壓伺服實(shí)現(xiàn)高精度是困難的，但在滿足精度的場(chǎng)合下，氣壓驅(qū)動(dòng)在所有的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)形式中是質(zhì)量最輕、成本最低的。氣壓驅(qū)動(dòng)主要優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣的環(huán)境中工作。其缺點(diǎn)是：功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時(shí)由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器人在任意定位時(shí)，位姿精度不高。（3）電氣驅(qū)動(dòng)電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)是目前機(jī)器人是用得最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。其特點(diǎn)是易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，使用方便，驅(qū)動(dòng)力較大，信號(hào)監(jiān)測(cè)、傳遞、處理方便，成本低廉，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境，可以采用多種靈活的控制方案。由于本課題所研究的移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)負(fù)載小，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、定位精度高，所以選用了電氣驅(qū)動(dòng)方式。2.1.3 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)兩類。常用的交流電動(dòng)機(jī)有三相異步電動(dòng)機(jī)(或感應(yīng)電動(dòng)機(jī))和同步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，運(yùn)行可靠，價(jià)格便宜，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，因此，它是工業(yè)中使用最為廣泛的一種電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)雖不及交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠，但由于長(zhǎng)期以來(lái)交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問(wèn)題未能得到滿意的解決，在此之前，直流電動(dòng)機(jī)具有交流電動(dòng)機(jī)不能比擬的良好的啟動(dòng)性能。到目前為止，雖然交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問(wèn)題已經(jīng)得到解決，但是在速度調(diào)節(jié)要求較高，正、反轉(zhuǎn)和啟、制動(dòng)頻繁或多單元同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械上，仍采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。根據(jù)本系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選用了永磁直流伺服電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)選用步進(jìn)電機(jī)。其性能優(yōu)越性如下：永磁直流伺服電機(jī)接通直流電即可工作，控制簡(jiǎn)單；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制，效率高。步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單4。2.1.4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇驅(qū)動(dòng)元件在機(jī)器人中的作用相當(dāng)于人體的肌肉。為了完成預(yù)定的動(dòng)作，機(jī)器人必須具備前進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵，本文主要采用電機(jī)作為該新型移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件。對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制，才能使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)。目前，電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置主要有以下兩種布置方式:(1)集中驅(qū)動(dòng)方式：即把驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在車體上，在通過(guò)傳動(dòng)裝置，將動(dòng)力輸出到每個(gè)車輪上，使車輪運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)汽車便是典型的集中驅(qū)動(dòng)方式。對(duì)于智能移動(dòng)機(jī)器人，集中驅(qū)動(dòng)方式并不合適，主要是由于其難以實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向，對(duì)車體進(jìn)行精確定位。(2)集中控制分布驅(qū)動(dòng)方式：即在每個(gè)驅(qū)動(dòng)車輪上都設(shè)置電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輪運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)向。電機(jī)由安裝在車體上的中央控制元件控制其轉(zhuǎn)動(dòng)速度。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且便于實(shí)現(xiàn)，有利于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能的發(fā)揮。目前各國(guó)的空間探測(cè)車均采用這種驅(qū)動(dòng)方式。本方案采用集中控制分散驅(qū)動(dòng)方式。車輪和前進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)做成一體式結(jié)構(gòu)，即為電動(dòng)輪。在車輪和支架連接處，裝設(shè)轉(zhuǎn)向電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)向。2.1.5車輪車輪的直徑對(duì)機(jī)器人的速度和越障能力都有很大的影響。使用同樣的電機(jī)，車輪直徑增加，機(jī)器人的速度會(huì)同時(shí)增加，二者之間是一種線性關(guān)系。另外，按照車輛理論的分析，車輪的直徑增大可以明顯提高機(jī)器人的越障能力。但是，車輪直徑變大的同時(shí)，車輪表面所受的電機(jī)轉(zhuǎn)矩卻會(huì)下降。根據(jù)車輛地面力學(xué)理論，剛性車輪的寬度越寬，車輪的土壤沉陷量越小，土壤的壓實(shí)阻力也就越小。不過(guò)，車輪變寬后，機(jī)器人的轉(zhuǎn)向阻力也會(huì)變大。另外，增加車輪的直徑比增加車輪寬度對(duì)減小壓實(shí)阻力更為有效。因此，必須根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定車輪直徑和寬度，不能盲目加大車輪直徑和寬度。2.1.6移動(dòng)機(jī)器人的主要特點(diǎn)1）移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)本六輪智能移動(dòng)機(jī)器人采用整體車身結(jié)構(gòu)。車身通過(guò)兩個(gè)鉸座與前后兩個(gè)車架連接，使車身及承載物的重量能被兩個(gè)車架平均承受，再平均分配給每個(gè)車輪，從而使各車輪的受力均衡，提高整個(gè)車輛的承載能力。同時(shí)由于車身與前后車架可以繞其相應(yīng)的鉸座相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，大大提高了它對(duì)不同復(fù)雜路面的適應(yīng)能力5。機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)為前后兩個(gè)車架及其相關(guān)機(jī)構(gòu)。每個(gè)車架上設(shè)有三個(gè)車輪和配套的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及轉(zhuǎn)向舵機(jī)，可以分別實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)和轉(zhuǎn)向。三個(gè)車輪的接地點(diǎn)呈三角形分布，使各車架均具有自身的穩(wěn)定性。三個(gè)車輪各自通過(guò)一套連桿機(jī)構(gòu)與車架相連，通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，可以使三個(gè)車輪完成協(xié)調(diào)的步態(tài)行走。其中當(dāng)一個(gè)車輪抬起時(shí)，另外兩個(gè)車輪著地；兩個(gè)車輪抬起時(shí)，一個(gè)車輪著地。將前后兩車輪架上的六個(gè)車輪通過(guò)機(jī)構(gòu)連接起來(lái)，便可以實(shí)現(xiàn)六個(gè)車輪實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)步態(tài)行走。其中三個(gè)車輪抬起，三個(gè)車輪著地。由于始終有三個(gè)車輪著地，即使行走速度較慢，也可以保證整個(gè)車體的穩(wěn)定性。另外，當(dāng)機(jī)器人處于六個(gè)車輪同時(shí)著地時(shí)，可以通過(guò)各車輪上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)各車輪，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。2）基本參數(shù)我們所要研制的移動(dòng)機(jī)器人基本參數(shù)如下:外廓尺寸 長(zhǎng):1600mm 寬:800mm 高:800mm 巡航車速:0.1m/s 最高車速:0.13m/s 輪胎規(guī)格：直徑170 mm 輪寬25 mm 3）技術(shù)參數(shù)機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)反映了機(jī)器人所能勝任的工作和具有的最高操作性能，是選擇和設(shè)計(jì)機(jī)器人都必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。機(jī)器人的技術(shù)指標(biāo)一般包括以下幾個(gè)方面：(1)結(jié)構(gòu)形式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式是指機(jī)器人運(yùn)動(dòng)鏈的形式：如關(guān)節(jié)式、球坐標(biāo)式、直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式等。(2)自由度和類型自由度是表示機(jī)器人動(dòng)作靈活程度的參數(shù)，是指機(jī)器人所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目，一般以沿軸線的移動(dòng)和繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)來(lái)表示(末端執(zhí)行器的動(dòng)作不包括在內(nèi))。自由度越多越靈活，但同時(shí)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，控制也越復(fù)雜。通常情況下機(jī)器人的自由度在3-6個(gè)之間，而自由度的類型是指屬于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)還是直線關(guān)節(jié)。(3)運(yùn)動(dòng)范圍是指機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍。機(jī)器人一般由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限制和控制系統(tǒng)電纜的走線，都對(duì)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍會(huì)產(chǎn)生影響，大多數(shù)機(jī)器人的關(guān)節(jié)不可能在同一個(gè)方向持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。(4)重復(fù)精度機(jī)器人經(jīng)過(guò)多次循環(huán)運(yùn)動(dòng)后，到達(dá)空間同一位置和姿態(tài)的最大誤差范圍。(5)控制方式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的方式，如示教再現(xiàn)、點(diǎn)位控制或軌跡控制。(6)驅(qū)動(dòng)方式機(jī)器人是采用液壓、氣動(dòng)、交流電機(jī)或異步電機(jī)控制等。本設(shè)計(jì)研究的攀爬機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)如下表：表1移動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)機(jī)構(gòu)形式多連桿機(jī)構(gòu)自由度數(shù)3驅(qū)動(dòng)方式直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源直流電源控制方式單片機(jī)控制2.2移動(dòng)機(jī)器人的組成如圖1所示移動(dòng)機(jī)器人主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是移動(dòng)機(jī)器人完成各種所需運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件。2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)等四種形式。3）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，并檢查其正確與否的一些裝置。一般包括程序控制部分和行程檢測(cè)反饋部分。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)車輪控制系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)（包括：機(jī)身、腿部） 圖1 移動(dòng)機(jī)器人各系統(tǒng)之間的關(guān)系2.3 移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1移動(dòng)機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)1.步行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介步態(tài)行走機(jī)構(gòu)對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，其落足點(diǎn)是離散的，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過(guò)嚴(yán)格選擇支腿的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。目前出現(xiàn)的行走機(jī)構(gòu)按照支腿的數(shù)目來(lái)劃分，主要分為兩足和多足結(jié)構(gòu)。兩足結(jié)構(gòu)是通過(guò)模擬人體行走時(shí)的姿態(tài)而設(shè)計(jì)的，主要是采用多關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)關(guān)節(jié)都有相應(yīng)的電機(jī)及運(yùn)動(dòng)控制程序控制，整個(gè)行走周期落足點(diǎn)的軌跡可以任意調(diào)節(jié)，可以得到比較好的軌跡曲線，并且通過(guò)調(diào)節(jié)兩足的相對(duì)位置，可以比較好地調(diào)整機(jī)構(gòu)整體的重心位置，保持機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的平穩(wěn)性6。但是由于電機(jī)的數(shù)量較多，要使其協(xié)調(diào)工作，控制起來(lái)比較復(fù)雜，并且對(duì)硬件和軟件的要求都比較高。多足結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)模擬昆蟲(chóng)的行走步態(tài)，該結(jié)構(gòu)可以較好的保持機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，其中以六足機(jī)構(gòu)最為典型。六足機(jī)構(gòu)按行走方式又可分為步行式和爬行式。爬行式結(jié)構(gòu)的支腿要求至少有兩個(gè)平面的運(yùn)動(dòng):水平面和豎直面。因此，每個(gè)支腿至少需要兩個(gè)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。要使六條支腿協(xié)調(diào)動(dòng)作，也需要較好的控制程序和硬件設(shè)備。步行式結(jié)構(gòu)每個(gè)支腿僅需要一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)，可以使用一個(gè)或兩個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)六條支腿協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，對(duì)硬件的要求也不高。但是對(duì)落足點(diǎn)的軌跡要求較高。否則就不能保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的整體平穩(wěn)性7。設(shè)計(jì)步態(tài)行走系統(tǒng)最大的難點(diǎn)是如何協(xié)調(diào)各腿之間的動(dòng)作，以及如何保證整體的平穩(wěn)性。協(xié)調(diào)各足的動(dòng)作可以通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)鏈，使各機(jī)構(gòu)有序協(xié)調(diào)地運(yùn)動(dòng)，更能保證傳動(dòng)精度，簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)。保證機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性實(shí)質(zhì)上是對(duì)落足點(diǎn)的軌跡提出了比較苛刻的要求。即把落足點(diǎn)一個(gè)周期的軌跡分為兩部分，前半個(gè)周期實(shí)現(xiàn)邁步動(dòng)作，要求落足點(diǎn)盡可能的高于地面，并有一定的水平位移;后半個(gè)周期使落足點(diǎn)回到初始位置，并保證其軌跡盡可能的與地面平行障8。只有同時(shí)滿足以上兩個(gè)條件，才能使整個(gè)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)的向前移動(dòng)。本設(shè)計(jì)采用一個(gè)電機(jī)，通過(guò)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)落足點(diǎn)周期性的運(yùn)動(dòng)，并且其運(yùn)動(dòng)軌跡可以較好地滿足以上兩個(gè)要求動(dòng)9。2.步行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本智能機(jī)器人的步行機(jī)構(gòu)為多連桿機(jī)構(gòu)，擬采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一個(gè)端點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)連桿傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)落足點(diǎn)周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退以及一定范圍內(nèi)的越障。為了簡(jiǎn)化示意圖，現(xiàn)將連桿用直線表示，鉸接點(diǎn)用圓圈表示。連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。 圖2支腿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖3.曲軸、連桿長(zhǎng)度的確定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮各種因素的影響，確定了連桿與曲軸的長(zhǎng)度：曲軸11長(zhǎng)為100mm，連桿1和8長(zhǎng)為224mm，連桿2、5、9、4長(zhǎng)為200 mm，連桿3和7長(zhǎng)為100 mm連桿6和10長(zhǎng)為330mm，固定點(diǎn)A、B間距為240 mm。為實(shí)現(xiàn)所要求動(dòng)作的位置和姿態(tài)，需要3個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)位置移動(dòng)。4.步行機(jī)構(gòu)原理分析A、B兩點(diǎn)固定在車架上，C點(diǎn)為落足點(diǎn)(實(shí)際是機(jī)器人車輪的中心)。所有連桿的連接方式均為鉸接。桿11為曲軸，繞A點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)，軌跡如圖中圓周所示。通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)，點(diǎn)C隨整個(gè)機(jī)構(gòu)做周期運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期的行走運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，所有連桿采用鉸接的方式。連桿11通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，繞A點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)。整個(gè)機(jī)構(gòu)可以分為相互協(xié)調(diào)的三個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)(桿9、10、11、車架；桿5、6、11、車架；桿3、4、5、7)和兩個(gè)三角架(桿1、2、3；桿7、8、9)。兩個(gè)三角架各自保持自身三個(gè)連桿的相對(duì)穩(wěn)定。落足點(diǎn)C為其中一個(gè)三腳架的一個(gè)端點(diǎn)。其中，四連桿機(jī)構(gòu)和三腳架之間以及四連桿機(jī)構(gòu)之間都通過(guò)共用連桿來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)。曲軸11同時(shí)充當(dāng)其中兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的曲軸。這樣，在曲軸11的圓周運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，落足點(diǎn)C也將隨連桿機(jī)構(gòu)做周期性的運(yùn)動(dòng)。2.3.2運(yùn)動(dòng)示意圖落足點(diǎn)C的運(yùn)動(dòng)周期可以分為兩個(gè)部分:平移周期(如圖6)和邁步周期(如圖7)。每個(gè)周期各占整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的一半。即，曲軸11從運(yùn)動(dòng)到的半個(gè)周期內(nèi)，落足點(diǎn)向后平移，實(shí)質(zhì)上是實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)的向前平移;從運(yùn)動(dòng)到的半個(gè)周期內(nèi)，落足點(diǎn)向前移動(dòng)，并且有一定的垂直高度，可以越過(guò)一定高度的障礙，使邁步過(guò)程順利實(shí)現(xiàn)。圖3支腿機(jī)構(gòu)平移周期示意圖 圖4支腿機(jī)構(gòu)邁步周期示意圖2.3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)針對(duì)上述的實(shí)際情況，綜合各方面的因素，設(shè)計(jì)此移動(dòng)機(jī)器人各構(gòu)件的尺寸及制造材料，見(jiàn)表2。上述構(gòu)件全部采用鋼板造型，然后由焊接連接，大部分零部件均設(shè)計(jì)成模塊化，便于更換和二次開(kāi)發(fā)。車輪采用硬脂塑料車輪，強(qiáng)度大，重量輕。車身通過(guò)兩個(gè)鉸座與前后兩個(gè)車架連接，使車身及承載物的重量能被兩個(gè)車架平均承受，再平均分配給每個(gè)車輪，從而使各車輪的受力均衡，提高整個(gè)車輛的承載能力。在車輪與連桿機(jī)構(gòu)的連接處裝有舵機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。在車體上設(shè)有中央控制單元，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行控制。這樣，六個(gè)車輪在結(jié)構(gòu)上集驅(qū)動(dòng)、減速、傳動(dòng)和位置監(jiān)測(cè)于一身，減少了傳動(dòng)環(huán)節(jié)和車體重量，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。表2 移動(dòng)機(jī)器人各構(gòu)件的尺寸及制造材料機(jī)構(gòu)名稱構(gòu)件尺寸所選材料選用理由步行機(jī)構(gòu)連桿3mm（厚度）鋼板價(jià)格便宜、加工簡(jiǎn)單成型后具有很大的承受力車輪170mm、25 mm（直徑、輪寬）硬脂塑料價(jià)格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有很大的承受力2.4 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人一般多作業(yè)于復(fù)雜的環(huán)境。與普通車輛相比，其動(dòng)力學(xué)特性更為復(fù)雜，對(duì)整體的穩(wěn)定性要求更高，尤其是在機(jī)器人轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)。目前，移動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向動(dòng)作主要通過(guò)兩種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)遙控和程控。遙控主要指利用遙感技術(shù)，由操縱者發(fā)送指令，通過(guò)無(wú)線電、傳感器網(wǎng)絡(luò)、藍(lán)牙等設(shè)備，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制10。程控是指利用機(jī)器人上自帶的工控機(jī)、嵌入式等硬件設(shè)備，通過(guò)己有的軟件系統(tǒng)，使機(jī)器人能夠自主的進(jìn)行轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。由于作業(yè)環(huán)境的不確定性，往往將兩者結(jié)合起來(lái)使用。尤其是遇到大障礙時(shí)，要求機(jī)器人具有良好的轉(zhuǎn)向靈活性11。本文移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)模式采用自主導(dǎo)航和遠(yuǎn)距離控制相結(jié)合的模式。車上設(shè)有傳感和視覺(jué)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，機(jī)器人本身具有一定自主導(dǎo)航能力，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。同時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)可以把視覺(jué)內(nèi)容通過(guò)無(wú)線設(shè)備傳遞給遙控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙控功能。機(jī)器人自帶蓄電池等能源設(shè)備，可以在一定時(shí)間段內(nèi)實(shí)現(xiàn)能源的自動(dòng)供給，保證機(jī)器人在失去外部電源的情況下能自動(dòng)返回出發(fā)地。最后完成的移動(dòng)機(jī)器人效果圖如下：圖5新型移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖3步行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析3.1上四連桿機(jī)構(gòu)桿9、10、11以及車架構(gòu)成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，位于固定點(diǎn)B的上方，如圖4所示。設(shè)曲軸11與水平軸x的夾角為，連桿10與x軸的夾角為，擺桿9與x軸,桿9、10、11的長(zhǎng)度分別為,。固定點(diǎn)A、B間的距離為。曲軸11繞固定點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)，角速度為，角加速度為。擺桿9繞固定點(diǎn)B從動(dòng)?？傻梅匠探M (3-1) 圖6上四連桿機(jī)構(gòu)示意圖解方程組（3-1）可得任意時(shí)刻擺桿9、連桿10與x軸的夾角和，由式3-2、3-3可以求得任意時(shí)刻擺桿9的角速度和角加速度;由式3-4、3-5可以求得任意時(shí)刻連桿10的角速度和角加速度。 (3-2) (3-3) (3-4)(3-5)3.2下四連桿機(jī)構(gòu)桿5、6、11以及車架構(gòu)成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，位于固定點(diǎn)B的下方，如圖5所示:設(shè)曲軸11與水平軸x的夾角為，連桿6與x軸的夾角為，擺桿5與x軸。桿5、6、11的長(zhǎng)度分別為、。固定點(diǎn)A、B間的距離為。曲軸11繞固定點(diǎn)A驅(qū)動(dòng)，角速度為，角加速度為。擺桿5繞固定點(diǎn)B從動(dòng)?？傻梅匠探M: (3-6) 圖7下四連桿機(jī)構(gòu)示意圖解方程組（3-6）可得任意時(shí)刻擺桿5、連桿6與x軸的夾角和，由式3-7、3-8可以求得任意時(shí)刻擺桿5的角速度和角加速度;由式3- 9、3-10可以求得任意時(shí)刻連桿6的角速度和角加速度。 (3-7) (3-8) (3-9) (3-10)3.3落足點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析桿3、4、5、7構(gòu)成一個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，連桿3和連桿7始終處于平行。如圖2所示。因此，落足點(diǎn)C的坐標(biāo)為: (3-11)落足點(diǎn)在任意時(shí)刻的水平速度、垂直速度與水平加速度、垂直加速度為： (3-12) (3-13)由上式可以看出，根據(jù)曲軸11的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即可得到落足點(diǎn)C任意時(shí)刻的位置、速度以及加速度。4 結(jié)論 本文在對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人越障性能的需求進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種新型的步行機(jī)構(gòu)，并且將其與傳統(tǒng)的輪式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相結(jié)合，完成了一種新型智能移動(dòng)機(jī)器人的概念設(shè)計(jì)。本文僅僅討論了其中結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)方面的內(nèi)容，論文并不完善，有待于在以下幾個(gè)方面作進(jìn)一步的探索和深化:l)機(jī)器人的越障能力和行駛機(jī)構(gòu)的參數(shù)選取有很密切的關(guān)系。在結(jié)構(gòu)形式確定的基礎(chǔ)上，有必要對(duì)行駛機(jī)構(gòu)的參數(shù)作進(jìn)一步的優(yōu)化，以求得到更好的越障性能和車體的穩(wěn)定性；2)輪地接觸關(guān)系是一個(gè)值得研究的課題。要確定車輪的外形和表面形式，必須對(duì)機(jī)器人在路面行走時(shí)車輪的受力狀態(tài)有深入的研究；3)在上述分析和研究的基礎(chǔ)上，要積極探索機(jī)器人的控制系統(tǒng)的算法。如何將步行機(jī)構(gòu)和輪式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)將是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。把控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)充分結(jié)合起來(lái)，機(jī)器人的研究就更有實(shí)際意義。參考文獻(xiàn)l徐國(guó)華，譚民.移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)J.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2001，(3):7-14.2曹會(huì)賓.移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)控制的研究J.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué).2004.55-58.3蔡自興.機(jī)器人學(xué)M.北京：清華大學(xué)出版社，2000. 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