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具有自适应能力轮_履复合变形移动机器人的开发_李智卿.pdf

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具有自适应能力轮_履复合变形移动机器人的开发_李智卿.pdf

第47卷第5期2011年3月机械工程学报JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGVol.47No.5Mar.2011DOI10.3901/JME.2011.05.001具有自适应能力轮履复合变形移动机器人的开发李智卿1,2马书根1,3李斌1王明辉1王越超11.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室沈阳1100162.中国科学院研究生院北京1100393.立命馆大学理工学部滋贺5258577日本)摘要针对非结构环境中路面软硬相间、平坦与崎岖并存的地形特征,结合轮式、履带式移动机构的运动优点,提出并研制一种对非结构环境具有自适应能力的轮履复合变形移动机器人NEZAI。NEZAI由控制箱体单元和两个相同的可变形轮履复合Transformablewheeltrack,TWT移动模块组成。每个TWT模块在一个驱动力作用下能以轮式和履带式两种运动模式在复杂路面上运动,也能根据地面约束力变化而改变运动模式即轮履互换和调整运动姿态即改变履带几何形状。对移动机构平台的设计方法不仅可提高驱动电动机的使用效率,也可简化对机器人的控制。试验表明,NEZAI可通过调整自身机构以合理的运动模式及姿态通过复杂路面环境,具有较好的环境自适应性和越障性能,验证了该移动机构系统设计的合理性。关键词自适应移动机构可变形履带轮履复合型机器人机构设计中图分类号TP242.3DevelopmentofaTransformableWheeltrackRobotwithSelfadaptiveAbilityLIZhiqing1,2MAShugen1,3LIBin1WANGMinghui1WANGYuechao11.StateKeyLaboratoryofRobotics,ShenyangInstituteofAutomation,ChineseAcademyofSciences,Shenyang1100162.GraduateSchool,ChineseAcademyofSciences,Beijing1000393.DepartmentofTechnology,RitsumeikanUniversity,KusatsuShi5258577,JapanAbstractToaccesstothecomplexandunpredictableenvironmentwherethegroundissoftandhardalternately,atransformablewheeltrackTWTrobotwithaselfadaptivemobilemechanism,namedasNEZAIisproposedanddeveloped.Ithasthemeritsofboththewheelmechanismandthetrackmechanism.TherobotNEZAIconsistsofacontrolsystemunitandtwosymmetricTWTunits.Drivenonlybyoneservomotor,eachTWTunitcanefficientlycrossoverthecomplexterrainbywheelmodeorbytrackmode,andcanalsochangeitslocomotionmodeandadjustitspostureaccordingtotheconstraintoftheenvironment.Theproposedmechanismcanimprovethemotorserviceefficiencyandsimplifythecontrolofrobot.Experimentsshowthattherobotcanefficientlycrossovercomplexterrainbychangingautonomouslythelocomotionmodeandposture,andhasprominentadaptabilitytoenvironmentandobstaclesurmountingability.Theresultsprovetherationalityofthedesignofthemobilemechanismsystem.KeywordsAdaptivemobilemechanismTransformabletrackWheeltrackrobotMechanicaldesign0前言专门从事于灾难救援、抢险、科考、排爆、军∗国家高技术研究发展计划863计划,2007AA0415025和中国科学院科技创新基金资助项目。20100413收到初稿,20101230收到修改稿事侦查等高危作业的地面移动机器人所面临的作业环境可能为地面软硬相间、平坦与崎岖并存,地形复杂且难以预测的非结构化环境。当有突发灾难发生时,要求机器人快速通过各种障碍到达事故现场。如果移动机器人对这种地形没有较好的地面适应性和通过能力,那么机器人将很难完成搜救任务。这机械工程学报第47卷第5期期2就对机器人的移动机构本身的机动灵活性、环境适应性等提出了更高的要求1。目前,科研人员已经对这种专门应用于复杂环境的移动机构做了大量的努力。其中履带式和复合式包括轮履式、轮腿式、轮履腿式等移动机器人因其具有良好的环境适应性而备受关注。履带几何形状不可变的普通履带式移动机器人因其越野性能好,爬坡、越障、跨沟等能力较强,对非结构环境具有较强的适应性,而得到广泛应用但其转弯的灵活性较差、能耗较大。与之相比,履带可变形的移动机器人和一些复合型移动机器人不仅具有普通履带式移动机器人所具有的优点,而且还能根据环境的变化而改变机器人的运动姿态和运动模式,从而在一定程度上增强机器人对环境的适应性、运动的灵活性,降低能耗。较为典型的履带可变形移动机器人有韩国忠南大学CALEB2机器人2、韩国科学技术院VSTR34和ROBHAZDT系列机器人57、韩国全北国立大学SingleTracked机器人8、法国VGTV机器人9等。较为典型的复合型移动机器人有加拿大谢布鲁克大学研制的AZIMUT机器人10、捷克布尔诺理工大学研制的HYBRID移动机器人11、中国科学院沈阳自动化研究所研制的轮腿履带复合移动排爆机器人1213、北京理工大学研制的小型轮履腿复合式机器人1415、上海交通大学研制的轮腿式月球探测机器人16等。然而这些运动姿态和模式多变的机器人必然具有较多的自由度,它们绝大部分采用主动控制的驱动方式,每个自由度均由一个专门的电动机驱动。当机器人在复杂路面运动时,它通过传感器不断地将所观测获得环境信息传给控制系统,据此信息,每个控制电动机驱动相应的自由度使移动机构改变运动模式或运动姿态以适应复杂的路面环境。一方面,这种运动模式或姿态的变化情况在很大的程度上依赖于传感器所反馈的信息,所以对传感器的精度一般要求较高另一方面,这种驱动方式不仅要求电动机和传感器的数量较多,而且控制算法也较为复杂,同时也具有一定的滞后性。基于上述考虑,提出一种对复杂地面环境具有自适应能力的、多运动模式、多运动姿态的轮履复合变形移动机器人NEZAI的概念。如图1所示,它应具有如下几个方面的特征。1机器人的行走机构应具有多种运动模式和运动姿态以高效地适应复杂多变的地形环境。2机器人的传动系统应对环境具有一定的自适应能力,以使一方面减小机器人在运动模式和姿态的变化过程中对控制系统的依赖性,简化其控制算法另一方面尽可能使其多利用驱动器产生的动力,提高对驱动器的使用率。图1NEZAI机器人概念本文阐述NEZAI机器人的结构、运动模式、运动姿态及其转化调整过程介绍机器人移动机构的设计,并通过理论分析和仿真试验的方法对机器人移动机构参数进行分析验证介绍机器人传动系统的设计思想、基本结构及传动原理最后通过试验方法对机器人设计的合理性进行验证。1轮履复合变形移动机器人1.1结构特征如图2所示,NEZAI由一个控制箱体和左、右两个相同的可变形轮履复合移动模块后文简称TWT模块组成。作为机器人的行走机构,每个TWT模块又由运动轮单元和几何形状可变的履带轮单元构成。其中,每个TWT模块分别由一个伺服电动机独立驱动,能实现轮式和履带式两种不同运动模式在复杂路面上运动,也能根据地面约束力而改变运动模式即轮履互换和调整运动姿态即改变履带几何形状。机器人的行走机构系统采用的这种模块化设计方法,可使得机器人可拆卸、易维护,且具有更好的可扩展性。图2NEZAI机器人整体结构月2011年3月李智卿等具有自适应能力轮履复合变形移动机器人的开发31.2运动特性如图3所示,NEZAI机器人具有轮式和履带式两种运动模式,同时每个履带轮单元的运动的姿态即履带的几何形状均可根据障碍物的大小而做出调整,图3中ω1、ω2、ωH、ωA1、ωA5表示机器人相关部件的转动情况,ω1表示主轴、齿轮G2、齿轮G3转速,ω2表示输出轴、齿轮G4、带轮C1、带轮C3转速,ωH表示前调节杆、运动轮架转速,ωA1表示履带支撑轮A1、带轮C2转速,ωA5表示带轮C4、运动轮A5转速。图3机器人运动模式及姿态1轮式运动模式。如图3a所示,履带轮单元与地面通过线接触,可将其作为一个虚拟轮。当机器人在较为平坦和比较僵硬的地面运动时,该虚拟轮与运动轮单元一起支撑机器人运动。此运动方式作为轮式运动模式。当机器人以轮式运动模式运动时,运动轮和履带的线速度相等,以确保机器人运动轮和履带之间不会发生相互拖动。2履带式运动模式。如图3b、3c所示,机器人的履带轮单元与地面为面接触,运动轮单元与地面脱离接触。此时机器人为履带式运动模式。3运动模式的转化及运动姿态的调整。如图3所示,每个移动单元模块通过前调节杆绕主轴旋转来实现轮式和履带式两种运动模式之间的互换图3a、3b,同时也可以实现对机器人运动姿态的调整图3b、3c。2TWT模块结构设计行走机构是移动机器人驱动部分,其运动模式和运动姿态直接影响机器人的越障性、移动的稳定性、机动灵活性等。该机器人采用轮履复合、履带几何形状可变的TWT模块作为NEZAI的行走机构,其结构如图4所示。现对TWT模块的机构构型及参数、结构等进行设计、分析、验证。图4可变形轮履复合移动单元模块的机构原理1.履带驱动轮A12.履带3.前调节杆4.运动轮A55.轮支撑架6.主轴7.后调节杆8.调节短杆9.履带支撑轮A310.履带支撑轮A42.1履带轮单元支撑机构如图4所示,履带轮单元主要由前调节杆A1OB、后调节杆BCA4、调节短杆CD、车体OD构成的四连杆机构和履带驱动轮A1、履带支撑轮A2、履带支撑轮A3、履带支撑轮A4共同支撑而成,其作用有以下两点。1当机器人遇到较大的障碍物的时候,通过驱动前调节杆旋转来调整TWT模块的运动模式和运动姿态。2要保证履带在形状变化过程中履带长度形变量要尽可能小,其松紧度不足以影响到TWT模块移动、运动模式及姿态的调整。故而,履带轮单元支撑机构的参数选择必须合理有效。基于遗传算法对履带支撑机构参数的确定方法已经进行过探讨17,可求得另一组参数表1机械工程学报第47卷第5期期4下文中,轮A1、A2、A4半径相同,设为r0,轮A3半径为r。现用理论分析的方法对参数进行验证。表1TWT模块机构参数参数数值参数数值A1O长度l1/mm145∠HOA5大小β2/°29OB长度a/mm29A2A3长度2m/mm160∠A1OB大小β/°120OQ长度h/mm25BC长度b/mm42轮A1半径r1/mm20BA4长度l2/mm135轮A2半径r2/mm20CD长度c/mm20轮A3半径r3/mm25OD长度d/mm40轮A4半径r4/mm20OA5长度l3/mm83轮A5半径r5/mm30OH长度l4/mm110如图4所示,由各连杆之间的几何关系求得参数γ随参数α变化的关系式2cos2coscosacdacαγαγ−−2222abcd−式中,α为∠BOD大小,γ为∠A1OB大小。故而,履带长度值l可作为参数α的函数10203040cllllllαααααα1其中221013sinlhhmlαα−−22113cosmhlmlα2222004lmrα−−222222223022222202222222222122sin2cos2sin2cos2coslbamhlacdbbladmbrrabhlbabdldlbmbmlbchlcldlbmaclblαααγγαγ⎡−⎣−−−−−−−−−−⎤⎦2222222402122221222122212122cos2cos2cos2cos2cos2cosllacdblabablbadllbabllbcdlbdllacllbbcllααβγαβαγαβγ⎡−−⎣−−−−−−−⎤⎦0c022300222230002arcoscoscosarccosarccos2rrlrrlrrabldclbmrblrrrrrmααγ⎛⎞−⎜⎟π−−⎝⎠⎛⎞−−⎜⎟−−⎝⎠−⎛⎞⎜⎟⎝⎠由式1可得履带长度l随α变化的关系曲线图5。当α在60°,90°内变化时有如下关系。1履带长度l最小值点为α90°,lmin720.95mm。2履带长度l最大值点为α60°,lmax722.05mm。图5履带长度随α变化的关系曲线在实际设计中,考虑到机器人的装配精度和橡胶履带自身的弹性特征,取履带长度实际值lfac723mm,此时,履带长度变化量相对于履带实际长度的变化率为η0.1。履带的松紧度不足以影响TWT模块进行运动模式和姿态的变化和机器人的正常运动。同时,在后文中所示试验也证明表1所选的机构参数符合设计要求。2.2运动轮单元支撑机构如图4所示,运动轮单元支撑机构主要由轮支撑架OHA5和运动轮A5组成,其中轮支撑架为三角形状构架,在其3个顶点处分别与运动轮A5、主轴、前调节杆相连,这样运动轮便可随前调节杆绕主轴转动,从而实现复合轮的轮履互换。对轮支撑机构参数的确定方法已经有过探讨17,据此可确定表1所示参数。以下运用理论、仿真、试验等方法进行验证。分别将与履带支撑轮A2、履带支撑轮A3相接触的履带部分的外圆弧所处的圆为履带支撑轮A2、履带支撑轮A3的名义圆,直线A20A30与履带支撑轮A2和履带支撑轮A3的名义圆相切,切点分别为点A20和点A30。DA5为运动轮轮心A5到直线A20A30的距离,随α变化的函数表达式为2205324sin2AmRRDlhmαβαβ−−−−⎡⎤⎣⎦020032co222sRRRRlmRmβαβ−−−2式中R履带支撑轮A3的名义圆半径

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