可变形仿生翻滚四足机器人结构设计【含CAD图纸、说明书】
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第二章 移动机器人系统2.1移动机器人系统组成移动机器人是一个复杂的系统，它集计算机技术、信息技术、通信技术、微电子技术和机器人技术等为一体。其系统的组成原理图如图2.1所示。图2.1 移动机器人系统组成移动机器人系统主要包括：机械结构模块、驱动系统模块、传感系统模块、控制系统模块、通信模块等几个重要的子模块。2.2 传统移动机器人简介移动机器人是一种在复杂环境下工作的，具有自行组织、自主运行、自主规划的智能机器人。腿式、轮式以及履带式机器人是三种比较传统的移动机器人。三种传统的移动机构（轮式、足式和履带式）在本体结构的复杂程度、移动效率的高低以及控制的难易程度等方面都存在较大差别，环境适应能力上也各有所长。2.1 腿式移动机器人腿式机器人研究始于20世纪60年代,其动态性能的研究始于20世纪80年代。从现状来看,大量的研究主要集中在双腿、四腿和六腿机器人上,对单腿和八腿机器人的研究相对较少.这里只对典型的双腿、四腿和六腿机器人进行简单的介绍。2.1.1双腿美国MIT大学腿部实验室的Dilworth和Pratt于1994年设计并制造了名为“Spring Turkey”的双腿机器人,如图2.2所示. 该机器人重大约10kg,每条腿均有一个驱动髋和一个驱动膝盖.上端未被驱动的横杠使Spring Turkey不能横滚、偏转和侧向运动,因此Spring Turkey只能在竖直平面内运动. 所有的电机都安放在身体的上部,通过电缆向各个关节供电. 为使产生的力矩精确作用在关节上,并使机器人具有较强的防震能力,每个自由度都采用了串联弹性驱动法,此方法由髋部和膝盖处的弹簧实现. 髋部的最大力矩约为12Nm,膝部的最大力矩约为18Nm. 髋部、膝盖和横杠处的电位计测量关节角和机器人身体的倾斜度. 控制目标是保持髋到足尖的高度恒定为0.6m. 值得一提的是, Spring Turkey的控制器中成功运用了虚拟模型控制方法.在这种方法的控制下, Spring Turkey可以完成简单的连续行走运动,速度约为0.5m / s;髋到足尖的高度基本保持恒定,最大偏差为3cm;机器人身体倾斜角被控制在5.2. 图2.2 双腿机器人Spring Turkey 图2.3仿人机器人BRH-01 北京理工大学在国家863计划机器人技术主题项目的资助下于2002 年研制出仿人机器人BRH-01 ,如图2.3所示.2.1.3 四腿腿式机器人对地面较强的适应性使之可以在不同的环境中行走,然而,环境的多样性造成机器人在行走时发生振颤,这时摄像机的视觉图像也必然会随之振动,影响机器人对周围环境的判断能力,很可能导致错误的决策. 日本东京大学机械信息学系研制开发了一种基于视觉的具有智能行为的四腿机器人JROB-1,旨在解决上述问题,见图2.4. 系统的硬件由4部分组成:机器人本体,富士通视觉跟踪模块,富士通机器人界面模块和电机驱动器. 系统软件分为4个层次:运动产生层,应用层,自主层和内核层. Linux实时操作系统(RTOS-Linux)完成整个机器人系统各个任务间的调度,包括:腿部12个自由度的控制,视觉跟踪,视觉信息处理,传感器信息处理等.图2.4四腿机器人JROB212.1.4 六腿自然界节肢动物为大部分六腿机器人的设计提供了灵感,特别是蟑螂. 蟑螂之所以作为机器人设计的模板,是因为它在奔跑中具有突出的快速性、敏捷性和稳定性,而且其结构和生理学知识也为科学家所熟知. 蟑螂的6条腿可分为两组,左侧前腿、后腿和右侧中间腿为一组,左侧中间腿和右侧前腿、后腿为另一组. 研究表明,运动时这两组腿交替着地,形成“三脚架”式( tripod)步态,这种步态不仅静态稳定,而且速度快,效率高. 运动中6条腿所起的作用也是不同的,前腿负责减速,后腿负责加速,中间腿既加速又减速;转弯时,内侧和外侧的腿对力和力矩的产生也起着不同的作用. 美国伊利诺斯大学的Delcomyn和Nelson在对蟑螂的生理结构进行仔细研究后,制造了著名的仿生机器人Biobot ,见图2.5. 该机器人的体积为58cm14cm 23cm,重11kg,站立时离地面15cm.图11六腿仿生机器人Biobot2.2腿式机器人存在的问题及展望腿式机器人面临许多待解决的问题:(1)有些腿式机器人的体积和重量很大,在实际应用中未必有足够大的空间能够容纳它们或者根本不允许体积较大的机器人出现,而且这种机器人的速度和机动性较差. 因此,应该适当缩小机器人的体积,减轻机器人的重量.(2 ) 大多数腿式机器人研究平台的负荷不大,导致它们没有能力负载视觉设备,而且腿式机器人的视觉研究也不很成熟,而视觉恰恰是腿式机器人自主化和智能化的关键. 要解决这个问题,首先还需改进现有腿式机器人的机械机构设计,使其能够承受更大的负载;其次是改进视觉图像处理的算法,增强图像处理的实时性、快速性和准确性.(3)腿式机器人对地面的适应性和运动的灵活性需要进一步提高.(4)腿式机器人的控制方法也需改进. 机器人系统的复杂性使其控制算法复杂化,但有些算法很难实现甚至不能实现,因此应简化机器人控制算法,实现用较简单的控制算法获得令人满意的控制效果的目标. 另外,腿式机器人现有的控制方法还有待完善和发展.(5)能源问题. 寻求新型可靠的能源为机器人供电,实现机器人长时间在户外行走的目标.随着腿式机器人的研究日益深入和发展,腿式机器人在速度、稳定性、机动性和对地面的适应性等方面的性能将不断提高,自主化和智能化将逐步实现,将能够满足更多特殊环境和场合的需要,因而具有广阔的应用前景.腿式机器人有两个值得关注的趋势:(1)腿式机器人群体协作多个腿式机器人协调合作共同完成某项任务.与单个腿式机器人相比,多个腿式机器人的总负荷更大,可以携带的仪器和工具更多,功能性更强. 它们之间通过通信进行协调,也可以按照某种规则指定主机器人和从机器人,从而按照一定的队形和顺序对目标进行不同的测量和操作. 而且当其中某一腿式机器人出现故障时,其它机器人还可以照常工作,大大提高了工作效率和可靠性.(2)自重构腿式机器人自重构腿式机器人比固定结构的腿式机器人对地形的适应性更强,可应用场合更多. 当穿越管道时,它可以变成蛇形;当穿越崎岖的地形时,它可以变成腿式机器人;当需要潜入海里时,它又可以变作鱼形;还可以通过改变自身的外形和步态攀登楼梯并进入建筑物. 因此,自重构机器人是腿式机器人的发展方向之一.2.3 轮式移动机器人轮式移动机器人具有运动稳定性，与路面的路况有很大关系、在复杂地形如何实现精确的轨迹控制等问题，但是由于其具有自重轻、承载大、机构简单、驱动和控制相对方便、行走速度快、机动灵活、工作效率高等优点，而被大量应用于工业、农业、反恐防爆、家庭、空间探测等领域。按照车轮数目虽然不能对轮式移动机器人进行严格的归类，但是不同的车轮数目依然决定了不同的控制方式，下面对单轮滚动机器人、两轮移动机器人、三轮及四轮移动机器人、复合式(带有车轮)移动机器人进行简单介绍。2.3.1单轮滚动机器人单轮滚动机器人是一种全新概念的移动机器人。从外观上看它只有一个轮子，它的运动方式是沿地面滚动前进，后来又开发出的球型机器人也属于单轮滚动机器人。早期的典型代表是美国卡内基一梅隆大学机器人研究所研制的单轮滚动机器人Gyrover。Gyrover是一种陀螺稳定的单轮滚动机器人。它的行进方式是基于陀螺运动的基本原理，具有很强的机动性和灵活性，他们开发该机器人的目的是用于空间探索。英国巴斯大学的Rhodri H Armour对单轮滚动机器人做了系统的总结性研究。他从自然界生物存在的滚动前行方式开始论述，通过分析11种单轮滚动机器人，总结出了7种单轮滚动机器人的设计原理：弹性中心构件原理、车辆驱动原理、移动块原理、半球轮原理、陀螺仪平衡器原理、固定于质心轴上的配重块原理、移动于质心轴上的配重块原理。2.3.2 两轮移动机器人两轮移动机器人主要包括自行车机器人和两轮呈左右对称布置的两轮移动机器人。自行车机器人自行车机器人是机器人学术界提出的一种全新的智能运输工具的概念，由于其车体窄小、可作小半径回转、运动灵活、结构简单，因此可在灾难救援、森林作业中得到广泛应用。自行车运动力学特征较为复杂，其两轮纵向布置，与地面无滑动接触，它本身就是一个欠驱动的非完整系统，还具有一定的侧向不稳定性，如果不对它实施侧向控制，自行车就一定会不能站立起来。同时自行车具有对称性特征，即它的拉格朗日函数和约束关于自行车在路面上的位姿变化是不变的。因此，自行车机器人的控制问题相当困难，如不能采用连续或可微的纯状态反馈实现系统的渐近稳定，不能采用非线性变换实现整体线性化等。所以，自行车机器人是一个令人非常感兴趣的研究领域，其动力学与控制极具挑战性。自行车机器人研究存在的问题主要包括自行车机器人在运动时的建模和分析、自行车机器人的侧向稳定控制机理、自行车机器人在不同载重下的平衡问题、自行车机器人对复杂地面的适应能力。两轮呈左右对称布置的两轮移动机器人不加装车体的两轮移动机器人是典型的机器人结构，左右轮分别由一个电机驱动，依靠差速实现转向，转向灵活。但当安装上车体时，就同自行车机器人一样，要考虑机器人的平衡问题。这种两轮移动机器人具有极强的灵活性而且它的行为与火箭飞行以及两足机器人行走有很大的相似性，因而对其理论及控制系统的研究受到国内外机器人领域的高度重视。近年来，该机器人逐渐成为全球机器人领域的研究热点之一。2.3.3 三轮及四轮移动机器人轮式移动机器人中最常见的机构就是三轮及四轮移动机器人。当在平整地面上行走时，这种机器人是最合适的选择。并且在其他领域(如汽车领域)已为其发展提供了成熟的技术。下面从轮式移动机器人的转向机构来介绍三轮、四轮移动机器人的发展现状。轮式移动机器人的转向结构主要有如下5种：艾克曼转向、滑动转向、全轮转向、轴一关节式转向及车体一关节式转向。艾克曼转向是汽车常用的转向机构，使用这种转向方式的汽车中有前轮转向前轮驱动和前轮转向后轮驱动两种运动方式。西班牙塞维利亚大学研制的ROMEO-4R机器人便采用了艾克曼转向机构，该机器人采用后轮驱动，前轮由电机控制实现转向。澳大利亚卧龙岗大学研制的Titan机器人也采用了艾克曼转向机构，该机器人前面两轮为自由轮，采用艾克曼转向机构，后面两个车轮分别由一个电机驱动，由差速实现转向。滑动转向的两侧车轮独立驱动，通过改变两侧车轮速度来实现不同半径的转向甚至原位转向，所以又称为差速转向。滑动转向的轮式移动机器人的结构简单，不需要专门的转向机构；并且，滑动转向结构具有高效性和低成本性。美国佛罗里达农工大学研制的ATRV-Jr机器人及加拿大高等综合理工大学研制的Pioneer 3一AT机器人都采用了滑动转向原理。左边两个车轮和右边两个车轮分别用一个电机控制，靠两侧的差速度控制机器人的转向。轮式全方位移动机器人能够在保持车体姿态不变的前提下沿任意方向移动，这种特性使得轮式移动机器人的路径规划、轨迹跟踪等问题变得相对简单，使机器人能够在狭小的工作环境中很好地完成任务。又由于兼具了履带式机器人较强的越野能力和轮式机器人简单高效的特点，四轮全方位转向与驱动机构在机器人移动平台已获得了越来越广泛的应用。MobileRobots Inc开发的室内外清扫机器人Seekur便采用了四轮全方位转向与驱动机构，其移动平台采用8个电机分别控制4个轮子的转向和驱动。这种机构具有转向半径小，转向稳定容易等特点。另一种全方位移动方式是基于全方位移另一种全方位移动方式是基于全方位移动轮构建的，目前主要的全方位移动轮为麦克纳姆轮。麦克纳姆轮主要应用在三轮及四轮全方位移动机器人上。麦克纳姆轮是瑞典麦克纳姆公司的专利，在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑、运动灵活，是很成功的一种全方位轮。由4个这种轮子进行组合，可以使机构实现全方位移动功能H“。新西兰梅西大学研制了装有麦克纳姆轮的移动机器人，他们对这种机器人进行了运动控制实验。针对麦克纳姆轮在移动机器人应用中存在的一些缺陷，中国哈尔滨工业大学机器人研究所设计了一种新型的全方位轮。由这种全方位轮组成的全方位移动机构具有运转灵活、控制方便、效率较高、承载能力较强；轮上的各个小滚子一般均处于纯滚动状态，不易磨损；滚子轴的受力情况也较好，不易损坏；对各轮的转向和转速控制得当，可实现精确定位和轨迹跟踪等特点。此外，近年来还出现了一些新的全方位移动方式。如伊朗加兹温省的阿萨德大学研制的螺旋运动机器人Climax，Climax机器人有3个固定的车轮，分别由3个电机驱动，可以实现狭小空间的全方位移动。由于采用轴一关节式转向结构的机器人在转向时车轮转动幅度较大，因此这种转向方式一般不常采用。车体一关节式转向机器人，具有转弯半径小，转向灵活的特点。但其转向轨迹难以进行准确控制。并且在行驶时容易出现前轮和后轮轨迹不一致，需要用到其它辅助装置来约束后面车体的自由度。三轮移动机器人与四轮移动机器人类似，按转向及驱动方式的不同，分为前轮由电机实现转向、后轮驱动；前轮由电机实现转向、前轮驱动；前轮为万向轮、后面两个车轮分别由一个电机驱动，从而实现差速转向这3种方式。西班牙塞维利亚大学研制的机器人ROMEO-3R，其前轮即是转向轮又是驱动轮，并且带有人工遥控和机器人自动行走的转换装置。到目前为止，对三轮及四轮移动机器人的相关研究很多，主要涉及到机器人机构、体系结构、运动规划、导航与定位、跟踪控制、运动控制的反馈镇定、交互技术、多传感器系统与信息融合、智能技术等关键技术。同时，该类机器人的研究也为发展多轮及复合式机器人提供了基础。并将对现代汽车工业的发展产生深远影响。2.3.4 复合式移动机器人复合式移动机构(如复合轮式、轮一腿式、关节一履带式、关节一轮式、轮一腿一履带式等)广泛应用于复杂地形、反恐防暴、空间探测等领域。此类机器人具有较强的爬坡、过沟、越障和上下楼梯能力以及运动稳定性。轮-腿式移动机构运动稳定，具有较强的地形适应能力，应用较多；关节-履带式移动机构运动平稳性好，但速度比较慢，同履带式机器人一样，功耗较大；关节一轮式移动机构运动速度较快，但越障能力差，较多应用于管型构件中；轮一腿一履带式机构越障性能好，但转向性能差、功耗较大，运动控制比较复杂。中国国防科技大学尚建忠等提出基于构型组合和构型创新的空间探测机器人移动机构设计方法。该方法将轮式空间探测机器人视为由轮系、悬架和车体三类子构型组合而成的多体系统。轮系包括普通轮系、外行星轮系、履带轮系、内行星轮系；悬架包括四轮摇臂、六轮摇臂悬、八轮摇臂、双曲柄滑块联动悬架、四杆悬架；车体包括刚性联接车体、弹性联接车体、差速联接车体、纵向节式车体、横向节式车体。他们以四轮、六轮和八轮空间探测机器人为研究对象，通过同构组合得到70种新型同构组合空间探测机器人移动机构，通过异构组合得到165种新型异构组合空间探测机器人移动机构。比较系统的对轮式移动机器人的移动机构进行了归类及分析。2.4轮式移动机器人性能比较各类轮式移动机器人之间并不是互不相关的，而是存在着一定的内在联系。依据半球轮原理构建的单轮滚动机器人的运动及控制原理跟两轮呈左右对称布置的两轮移动机器人是相同的，当把此类单轮滚动机器人的两个半球轮换成普通车轮后，该机器人就变成了两轮移动机器人；两轮呈左右对称布置的两轮移动机器人完全可以装在三轮及四轮机器人上作为机器人的移动及转向机构。当三轮及四轮机器人的驱动马达转动时，非驱动轮与地面之间产生了一个反作用力，从而防止了机器人底盘绕驱动轴旋转。而两轮移动机器人由于没有另外的轮子提供反作用力，为了防止底盘绕驱动轴旋转，从而衍生出了一些其特有的结构；另一方面，许多复合式移动机器人也是从三轮及四轮机器人上发展起来的。表2.1对各类轮式移动机器人进行了比较。表1各类轮式机器人性能比较2.5履带式机器人随着机器人技术发展,腿式机器人能够满足某些特殊的性能要求,但是由于其结构自由度太多,控制比较复杂,应用受到一定的限制。综合比较,履带式移动机器人能够很好地适应地面的变化,因此对履带式移动机器人的研究得以蓬勃发展。履带式移动机器人具有以下特点:(1)支撑面积大,接地比压小,适合于松软或泥泞场地作业,下陷度小,滚动阻力小,越野机动性能好。(2)转向半径极小,可以实现原地转向。(3)履带支撑面上有履齿,不易打滑,牵引附着性能好,有利于发挥较大的牵引力。(4)具有良好的自复位和越障能力,带有履带臂的机器人还可以像腿式机器人一样实现行走。从20世纪80年代起,国外就对小型履带式机器人展开了系统的研究,综合分析国内外所研究的履带式移动机器人,大致可以分为:单节双履带式、双节四履带式、多节多履带式、多节轮履复合式以及自重构式移动机器人。2.5.1单节双履带式机器人 “剑”移动机器人是由美国福斯特米勒公司和奎蒂克公司(QinetiQ)共同研制且用于武器观测、侦察和目标捕获的特种机器人系统。英国30多年前就研制了一种叫做“独轮手推车”(Wheelbarrow)的排爆机器人。英国皇家武器装备研究与发展院研制的手推车MK8遥控车是世界上有名的排爆机器人。北京京金吾高科技公司开发的JW902(第5代)排爆机器人属国家科技部863计划项目。JW902机器人的主要功能是抓取,它优于国内外同类的各种机器人。2.5.2双节双履带式移动机器人国外开发的多为双节双履带式移动机器人,因为此种移动机器人与单节式相比较,越障功能更优。目前上海大学正在研制的关节式履带爬梯机器人就是属于这种结构。美国福斯特米勒公司开发的履带式“鹰爪”无人作战平台,最初设计用途是为了排除复杂、简易爆炸物,其重量不超过45 kg,其遥控距离达1 000 m,目前该型机器人已在伊拉克和阿富汗执行了20 000多次任务。2.5.3多节多履带式移动机器人采用多节多履带式结构的机器人越障能力更强,但是其价格也较高,控制也更复杂。由我国自行生产的“灵蜥-B”型排爆机器人,利用三段履带式设计,装置行走、机械手、云台3个摄像头,最大行走速度30 m/s,能抓取15公斤重物,爬行40斜坡和楼梯,越过40 cm高的障碍和50 cm宽的壕沟,自带电源可连续工作4小时。2.5.4多节轮履复合式移动机器人轮履复合式一般为3节,其中间为轮式,两端为履带臂。采用此种结构形式,既可以充分发挥轮式的快速性,又可以突出履带式良好的地面适应性。目前国内外也正在积极开发该种机器人。像Y.Maeda等的多功能机器人、Andros系列机器人、以及中科院沈阳自动化所研制的CLIMBER。美国Remotec公司的Andros系列机器人受到各国军警部门的欢迎。Andros机器人可用于小型随机爆炸物的处理,它是美国空军客机及客车上使用的惟一的机器人。最新设计的Mini-Andros II机器人配置了活节履带及轮盘底盘,最大触及距离达2m。机器人采用模块化设计,能够快速拆装,更换不同工具。机身小巧,可以在大型机械人不能达到的区域进行操作。“变形金刚”是美国为战时营救行动量身定做的机器人。该机器人安装有液压驱动的双臂,可以举起重180 kg的重物,依靠滑轮、轨道和关节系统还可以做出各种动作,它甚至可以弯腰爬上陡峭山坡,还可以紧贴地面行动。中科院光电所研制的超小型排爆机器人目前已经研制成功,该机器人具有2个机械臂(一大一小),可以同时上下夹取物体,此外,机械臂还可以进行翻转。2.5.5自重构式移动机器人1994年,斯坦福大学的Mark Yim在他的博士论文中提出了一种模块化可重组机器人的设计思想,并仿真实现了机器人的多种重组结构,以及多种不同的运动步态。由于模块化可重组机器人具有灵活的物理结构及良好的环境适应能
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