（机械设计及理论专业论文）救援机器人操作臂的运动学、动力学及仿真研究.pdf

删i ij ii lj lf f lr l l l rj irill y 17 614 6 0 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：日 期：一垆f o 又多2 ， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 ) 期：型d ；z 1 摘要 救援机器人操作臂的运动学、动力学及仿真研究 研究生：刘巍 导师：钱瑞明教授 学校：东南大学 摘要 救援机器人是目前国际上的研究热点之一，可应用于灾难、解爆等场合，在制造业、服 务业、医疗业等行业也具有广泛的应用前景。由于移动平台的作用，救援机器人操作臂系统 比固定的机械臂具有更大的工作空间和更高的灵活性，可以实现在平面内任意位置的移动， 并能够以一定姿态到达预定位置，操作臂可对进入其工作空间的目标物进行抓取。本文结合 学校立项的“r o b o c u p 实物救援机器人”项目和自行研制的救援机器人移动平台，对安装 其上的操作臂进行了设计，并对其进行了运动学、动力学研究和仿真分析。 论文简要介绍了自行研制的救援机器人移动平台，基于其功能要求，对操作臂机械系统 进行了总体设计，包括：操作臂各关节及末端夹持器结构设计；传动系统设计；各关节电机 及减速器的选择计算；关键零部件结构设计等等。 对操作臂进行了运动学分析，使用d h 法建立了操作臂的位姿正解方程，并采用逆变 换法建立了操作臂的位姿逆解方程，结合具体实例对逆解进行了分析。使用微分变换法求得 雅可比矩阵并进行奇异位形分析。使用图解法求出了操作臂相对于移动平台的可达工作空 间。 使用拉格朗日法对操作臂进行了动力学分析，建立了操作臂的动力学模型。使用 a d a m s 软件进行了操作臂的动力学仿真分析。结合具体救援作业实例，获得了各关节电机 角加速度、角速度、角位移的变化规律，以及驱动力矩的变化规律。 建立了移动平台的平面运动学模型。面向具体的救援任务，使移动平台与操作臂协作运 动，规划移动平台和操作臂的运动路径，获得了移动平台驱动轮电机的运动规律和操作臂各 关节电机的运动规律。 ： 关键词；救援机器人；操作臂；运动学分析：动力学分析；a d a m s 仿真：运动规划 a b s t ra c t r e s e a r c ho nk i n e m a t i c s ，d y n a m i c sa n ds i m u l a t i o no fa ： r e s c u er o b o tm a n i p u l a t o r l i uw e is u p e r v i s e db yp r o f q i a nr u i m i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t r e s c u er o b o ti so n eo ft h em o s tp o p u l a rr e s e a r c h e si nt h ew o r d i tc a nb ew i d e l yu s e di nd i s a s t e r , e x p l o s i o na n dh a sg o o dp r o s p e c ti n t h em a n u f a c t u r i n g ，s e r v i c e s ，h e a l t hc a r ea n do t h e r i n d u s t r i e s w i t ht h em o b i l ep l a t f o r m al a r g e rw o r k s p a c ea n dg r e a t e rf l e x i b i l i t yc a nb ea c h i e v e db y t h er e s c u er o b o tm a n i p u l a t o rs y s t e mt h a naf i x e do n e i tc a l lb ea n y w h e r eo nt h em o v ea n da b l et o r e a c ht h ee x p e c t e dp o s i t i o na n dp o s t u r ea n dm a n i p u l a t et h et a r g e ti ni t sw o r k s p a c e i nc o m b i n a t i o n w i t ht h ep r o j e c to f ”r o b o c u pr e s c u e ”a n ds e l f - d e v e l o p e dm o b i l ep l a t f o r m ，am a n i p u l a t o rm o u n t e d o nw h i c hi sd e s i g n e da n dt h er e s e a r c ho nk i n e m a t i c s ，d y n a m i c sa n ds i m u l a t i o ni sc a r r i e di nt h i s p a p e r f i r s t l y ，i tg i v e sab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h em o b i l ep l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t , t h e m e c h a n i c a ls y s t e mo ft h em a n i p u l a t o ri sd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d i n gt h es t r u c t u r eo fa l lj o i n t sa r i d t h eg d p p e r ，t h ed r i v e ns y s t e m ，t h es e l e c t i o na n dc a l c u l a t i o no fa l lm o t o r sa n dr e d u c e r sa n dt h e s t r u c t u r eo fk e yp a r t s ： s e c o n d i md hm e t h o di sa p p l i e di nt h ek i n e m a t i ca n a l y s i so ft h em a n i p u l a t o ra n dt h ep o s i t i v e e q u a t i o n sa n di n v e r s ee q u a t i o n sa r ee s t a b l i s h e d t h e j a c o b i a nm a t r i xi ss o l v e du s i n gt h e d i f f e r e n t i a lm e t h o da n dt h es i n g u l a r i t yi sa n a l y z e d t h ew o r k s p a c ei sg a i n e db yt h eu s eo f g r a p h i c a lm e t h o d t h e n , t h ed y n a m i cm o d e li se s t a b l i s h e du s i n gt h el a g r a n g i a nm e t h o d w i t ht h ea d a m s s o f t w a r e ，t h ed y n a m i cs i m u l m i o ni sa n a l y z e d 晰t t lt h es p e c i f i cr e s c u ee x a m p l e ，t h ed i s c i p l i n a r i a n s o fa n g u l a rd i s p l a c e m e n t , a n g u l a rv e l o c i t y , a n g u l a ra c c e l e r a t i o n , a n dt o r q u eo fa l lj o i n t sa r eg a i n e d f i n a l l y , t h ek i n e m a t i c a lm o d e lo ft h em o b i l ep l a t f o r mi se s t a b l i s h e d o r i e n t e dt os p e c i f i cr e s c u e m i s s i o n , t h em o b i l ep l a t f o r ma n dm a n i p u l a t o ri sc o o r d i n a t e d p l a n n i n gt h em o t i o no ft h em o b i l e p l a t f o r ma n dm a n i p u l a t o r , t h ed i s c i p l i n a r i a n so ft h em o b i l ep l a t f o r mw h e e la n dt h em a n i p u l a t o r j o i n ta r eg a i n e d k e yw o r t h ：r e s c u er o b o t , m a n i p u l a t o r , k i n e m a t i c s ，d y n a m i c s ，a d a m ss i m u l a t i o n , m o t i o n p l a n n i n g j n 目录 目录 摘要”l a b s t r a c t ：i i 第l 章绪论”l 1 i 弓f 言l 1 2 救援机器人研究现状1 1 2 1 国外救援机器人研究现状t 1 1 2 2 国内救援机器人研究现状：2 1 3 救援机器人关键技术4 1 3 1 移动性4 1 3 2 通信4 1 3 3 感知4 1 3 4 适应性4 1 4 救援机器人发展趋势4 1 4 1 多机器人协作4 1 4 2 多种技术融合5 1 4 3 完全自主化5 1 5 本文主要研究内容5 第2 章救援机器人操作臂机械系统总体设计”6 2 1 救援机器人的移动平台”：, - - - - - - - - - 6 2 2 操作臂设计需求7 2 3 操作臂结构设计7 2 3 1 操作臂的构型设计7 2 3 2 操作臂杆长的确定”8 2 3 3 操作臂电机及减速器的选型与计算8 2 3 4 末端夹持器设计! ：- - - 9 2 3 5 手腕部分设计l o 2 3 6 小臂俯仰关节设计一1 0 2 3 7 大臂俯仰关节设计”1 0 2 4 本章小结1 ，l 第3 章救援机器人操作臂运动学分析”1 2 3 1 运动学正解1 2 3 2 运动学逆解1 3 3 2 1 求解运动学逆解”1 3 3 3 2 算例“l 5 3 3 操作臂奇异位形分析_ 6 3 4 工作空间分析1 8 3 5 本章小结1 9 第4 章救援机器人操作臂动力学分析及仿真2 0 4 1 操作臂动力学建模2 0 4 1 1 操作臂的关节速度”2 0 4 1 2 操作臂的动能”2 1 ： m 。 目录 4 1 3 操作臂的势能”2 2 4 1 4 操作臂的动力学方程”2 2 4 2 操作臂动力学虚拟样机仿真2 5 4 3 本章小结2 8 第5 章面向任务的救援机器人操作臂运动规划2 9 5 1 救援机器人移动平台运动学分析”2 9 5 2 救援机器人操作臂运动规划3l 5 3 操作臂轨迹规划方法”3 2 5 3 1 五次多项式函数插值“3 3 5 3 2 笛卡尔空间的直线轨迹规划3 4 5 3 3 轨迹的生成- 一3 5 5 4 救援机器人面向任务的运动规划仿真实例3 5 5 4 1p op ，段轨迹规划一3 5 5 4 1p ，? 2 段轨迹规划3 7 5 4 3 尸2 - 乃段轨迹规划3 7 5 4 4b p 4 段轨迹规划3 9 5 5 本章小结：一3 9 第6 章总结和展望4 l 6 1 论文总结”4 l 6 2 研究展望4 l 参考文献”4 3 致谢”4 5 i v 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 近年来多发的自然灾害如地震、火灾、洪水，以及人为的恐怖活动、武力冲突等威胁着 人们的安全，引起了人们广泛的关注。虽然人们对各种灾难的警觉和反应能力有所提高，但 在处理破坏性灾难事件时还是准备不够充分，很多人依然死于不专业、不及时的救援活动。 安装有操作臂的救援机器人可以代替人类去完成危险性较大的工作，例如拆除爆炸物、搜寻 危险区域、营救人质和侦查敌情等等。这种救援机器人既具有移动机器人的移动性，又具有 操作臂的可操作性，结构稳定、灵活性高、操作空间大。在救援机器人操作臂的末端安装夹 持器、摄像机等部件，通过遥操作技术可执行各种救援任务。 1 2 救援机器人研究现状 世界上许多国家已经研制出各种救援机器人用于灾难防护和救援。由于救援机器人有着 潜在的应用前景和市场。一些公司也纷纷加入了救援机器人的研究与开发。此外，国际机器 人比赛r o b o c u p 中也增加了实物救援机器人比赛专项r o b o c u pr e s c u e 。目前，救援机器人 技术正从理论和试验研究向实际应用发展。世界上各国对于救援机器人的研究工作，因各国 技术水平、地域环境、灾害类型以及作业任务的不同，而显得全面化和多样化【l 。1o j 。 1 2 1 国外救援机器人研究现状 从2 0 世纪末到2 l 世纪初，美国在救援机器人方面的运用，可以清晰的看到他们的领先 地位以及显著特点。这些救援机器人技术全面、先进、精确度高；其视觉、触觉灵敏、智能 化程度高【l 一。在美国，从事救援机器人研究的主要大学或研究机构都参加了2 0 0 1 年“9 1 1 ” 事件后纽约世贸大厦的现场救援工作。比较典型的有： ( 1 ) f o s t e r - m i l l e r 公司生产的t a l o n 机器人l l j ，如图1 1 所示。该机器人功能强大、持 久力强、结实耐用，可以爬楼梯、越过岩石，也可在雪下穿行。配备一个四分屏显示器，可 视化操作性强。其操作臂为3 自由度开链连杆机构：下臂的2 7 0 0 俯仰自由度，上臂的1 8 0 0 俯仰自由度和手腕的3 6 0 0 旋转自由度。夹持器部分具有一个额外的自由度。操作臂完全伸 展时的最大负载能力为4 5 k g ，最大举重能力为ll k g 。 ( 2 ) i r o b o t 公司生产的p a c k b o t 机器人【2 j ，如图1 - 2 所示。该机器人相当灵活，可以躲 避障碍物并用前腿爬楼梯。其上装有数字摄像机和内置声纳，并配备麦克风和扬声器，使操 纵者可以通过机器人来观察周围环境，并对其进行遥控操作。其操作臂为4 自由度开链连杆 机构：肩关节的连续旋转自由度和2 2 0 。俯仰自由度，肘关节l 的3 4 0 。俯仰自由度和肘关节2 的3 4 0 0 俯仰自由度。另外夹持器部分具有连续的旋转自由度和1 8 0 0 张合自由度，摄像机部 分具有连续的旋转自由度和2 2 0 0 俯仰自由度。操作臂完全伸展时的最大负载能力为2 3 k g 。 ( 3 ) l n u k t u n 公司生产的m i c r o v g t v 机器人【3 1 ，如图1 3 所示。该机器人体积小，质 量轻，机身可变位，采用电缆控制，含有直视的彩色摄像头，并带有微型话筒和扬声器，最 适合在废墟堆上行走并与压在废墟中的幸存者通话。也广泛的应用在小的孔洞和空间中执行 任务。 ( 4 ) s p a w a r 公司生产的u r b o t 机器人1 4 j ，如图1 - 4 所示。该机器人是s p a w a r 公司 开发的原理性样机，携带生命探测仪等参与了世贸大厦废墟的营救和抢险工作。仅用于侦察 用途，适应废墟的能力较好，但难以适应楼梯等地形。 东南大学硕士学位论文 图卜lt a l o n 机器人图1 - 2p a c k b o t 机器人 图1 - 3m i c r o v g t v 机器人 图! - 4u r b o t 机器人 此外，日本等国家在救援机器人方面的研究也都处于世界前列【5 吲。比较典型的有：“ ( 1 ) 日本研制的u m r s 2 0 0 9 机器人1 5 j ，如图1 5 所示。该机器人是日本神户大学高森 年等研制的u m r s 系列机器人的最高版本，采用履带双摆臂式结构，爬坡、楼梯能力强， 旨在将机器人用于废墟瓦砾中的探察作业。该机器人长5 0 c m ，宽5 9 e m ，高2 2 c m ，重量2 l 蚝， 最高时速可达5 k m 。 ： ( 2 ) 日本东北大学研制的a l a d d i n 机器人i 州，如图1 6 所示。该机器人具有6 个自由度， 四个摆臂连接在主体上且可以独立摆动，具有高度的移动性和灵活性。主体上安装有2 d 激 光扫描仪，可对周围环境进行扫描，具有很强的自主性。 ( 3 ) 伊朗研制的r e s q u a k e 机器人1 7 j ，如图1 7 所示。该机器人可靠性高，可攀越3 5 0 斜坡和楼梯，遥操作距离可达5 0 m ，可探测周围环境视频和温度信息。其自重2 5 埏，摆臂 完全伸展时长8 0 c m ，完全收缩时长4 1c m ，主体高2 6 c m ，宽4 0 c m ，时速可达0 6 k m 。 ( 4 ) 韩国研制的r o b h a z 机器人l 剐，如图1 8 所示。该机器人通过一个被动关节将机 器人的前部和后部连接在一起，具有很强的越障性能。其长7 4 c m ，宽4 7 c m ，高2 9 e m ，自 重3 9 k g ，时速可达1 0 k i n ，可越4 0 0 斜坡。 j 1 2 2 国内救援机器人研究现状 在国内，一些专家学者也意识到了救援机器人技术研究的重要性，某些高校、研究所和 公司在这方面也开展了研究工作。虽然国内救援机器人的相关研究起步较晚，大多数研 究尚且处于某个单项研究阶段。但是，近几年也取得了一定的成果，比较典型的有：。 2 第l 章绪论 图1 5u m r s 2 0 0 9 机器人 图1 6 a l a d d i n 机器人 图1 - 7r e s q u a k e 机器人图1 - 8r o b h a z 机器人 ( 1 ) 沈阳自动化研究所研制的灵蜥b 机器人1 9 a o ，如图1 9 所示。该机器人由本体、 控制台、电动收缆装置和附件箱这四部分组成，自重1 8 0 k g ：由电池电力驱动，可维持数小 时；时速可达2 4 k m ：采用三段履带设计，可攀3 5 0 的斜坡和楼梯，并能钻洞、跨越4 0 e m 高的路障，实现全方位行走，具备较强的地面适应能力。其操作臂完全伸展时能举起8 k g 重物，并装有摄像云台、照明和语音设备。 ( 2 ) 广茂达公司研制的龙卫士机器人1 1 1 j ，如图1 1 0 所示。该机器人适应全天候、全地 形，展开迅速，操作简易。自重仅5 0 k g ，时速可达3 6 k i n ，可攀越2 7 0 楼梯、3 0 0 斜坡、2 0 e r a 垂直障碍物，可在草地、沙地、碎石地和雪地上运行。其操作臂最大抓取重量为6 k g ，可单 独控制上臂、下臂、腕部。上臂俯仰范围是2 0 4 0 ，下臂俯仰范围2 9 4 0 ，腕部旋转范围2 0 0 0 。 操作臂夹持器最大可张开尺寸是4 2 c m ，最大可张开角度是1 8 0 0 。 图l - 9 灵蜥b 机器人 3 图l - l o 龙卫士机器人 东南大学硕士学位论文 1 - 3 救援机器人关键技术 救援机器人是多种技术相结合的成果，其发展必须建立在这些技术的不断发展之上。综 合世界上各国对机器人技术所进行的研究，救援机器人的关键技术主要有以下几个方面：移 动性，通信，感知和适应性等【1 2 。”】。 1 3 1 移动性 移动性是救援机器人的一项重要性能。在执行任务过程中，救援环境复杂多变，机器人 不仅要在平地上行驶，还要攀越如废墟、高台、楼梯、斜坡等障碍物。在越障过程中，机器 人移动平台不仅要具有高度的稳定性，还应适当地调整自身的重心，否则机器人可能从高处 坠下而摔坏。救援机器人移动平台主要有三种形式：轮式、履带式和腿式。轮式移动平台适 用于平坦、光滑的地形，腿式移动平台攀越复杂障碍的能力较强，而履带式移动平台介于二 者之间。履带式移动平台可通过摆臂的收放，增强对复杂地面的适应能力。履带、轮、腿复 合式移动平台将在今后得到广泛的应用【l 2 1 。 1 3 2 通信 大多救援机器人都需要通过实时通信将采集到的信息有效传输给操作人员以便能对其 进行控制。救援机器人通信方式包括无线通信方式和有线通信方式。这两种方式各有利弊： 有线通信方式传输信号准确、可靠性高、抗干扰能力强，但不适合远距离传输。无线通信方 式适用于远距离传输、操作灵活，但有时传输信号可能受到外部环境的干扰。通信过程中的 主要传输信息是声音和图像。目前，通常通过对图像扫描来识别是受难者，但由于有时受难 者身体被灰尘或杂物所覆盖，将使图像传输方法失效。声音是一种很好的传输信息，但是在 嘈杂的救援现场中很难辨识出受难者发出的声音i l 引。 1 3 3 感知 ) 在救援任务过程中，感知能力对机器人的自主性起着至关重要的作用。机器人的感知能 力包括内部感知能力和外部感知能力。内部感知主要是指对机器人自身位置、姿态、速度等 状态的检测。外部感知主要是指对周围环境、地形的检测，以判断机器人在这种环境下受到 的影响，及对目标物的识别和操作，常用的有视觉传感器、触觉传感器、力觉传感器等。这 些传感器处于连接外部环境与救援机器人的接口位置，是机器人获取信息的窗口。救援机器 人多个传感器获取的信息需要经过综合处理与融合，以提高机器人的智能化程度l h j 。 1 3 4 适应性 救援机器人应能适应灾难后杂乱无章的现场环境。机器人不仅要具有足够的硬度、强度 和刚度，还应当考虑到耐高温、耐腐蚀等性能要求。在越障过程中，要保障救援机器人有充 足的动力和工作时间。救援机器人的工作环境往往是不确定的或多变的，为了能在未知或时 变的环境下工作，机器人不仅在硬件的设计上应具有很强的灵活性，在软件方面还要不断地 开发新的人工智能技术。救援机器人应能够适应不同地域、不同类型的灾难环境，完成挑战 性的工作，并能够应对由各种不确定因素所引起的干扰i l 引。 1 4 救援机器人发展趋势 救援机器人研究的迅速进展，解决了一系列困扰救援机器人发展的问题。当前，救援机 器人研究的热点和发展趋势是多机器人协作、多种技术融合和完全自主化掣睢1 9 j 。 1 4 1 多机器人协作 ，j 在救援任务中，单个机器人的有限能力有时不能完成复杂的救援任务要求，随着救援机 器人应用技术的不断发展，其研究正在从个体走向多机器人协作。在救援过程中释放多个机 器人，可以扩大搜索范围并提高工作效率，多个机器人协同作业，还可提高信息的可靠性和 准确性。目前，“多机器人学”已经发展成为一门新兴的交叉学科，它从系统的角度探讨多 4 第l 章绪论 个机器人的各种组织形式、信息交互、合作行为等。机器人之间的协调运动能力是完成诸如 目标物抓取、环境检测和探索救援等任务的保证，多机器人协作技术随着救援机器人的迅速 发展而逐渐成为一项重要的新课题l i6 1 7 j 。 1 4 2 多种技术融合 考虑到灾难环境现场的复杂性、不确定性和不可预知性，参与救援任务的机器人必须具 有高度的自主性、灵活性、可靠性和适应性等性能要求。在救援任务过程中，不可避免的要 利用传感技术、控制技术、机械加工、计算机技术、信息处理技术等。这些技术的融合或相 互支持、互补或相互矛盾、冲突。由此可以看出，救援器人多技术的融合是发展救援机器人 的核心关键技术，通过对多种技术的合理支配与使用，将它们在空间和时间上的互补和冗余 依据某种优化准则组合起来，以提高整个系统的有效性【l 引。 1 4 3 完全自主化 目前，救援机器人多为半自主系统，在复杂的现场环境中会受到一定的局限，需要借助 外界的力量才能完成救援任务，理想的解决方案就是实现救援机器人的完全自主化，即具有 感受周围环境和规划自身动作的能力。这就需要重点解决导航与定位、运动规划、跟踪控制、 交互技术等难题，建立全方位的感知系统来提高机器人的安全性和可靠性。虽然目前还不能 实现机器人与环境之间的有机结合，但未来的任何重大突破都将为救援机器人完全自主化的 发展带来划时代的影响i l 引。 1 5 本文主要研究内容 本文结合学校立项的“r o b o c u p 实物救援机器人”项目和自行研制的救援机器人移动 平台，根据作业环境特点及作业任务要求，对安装在移动平台上的操作臂进行设计和研究。 本文主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 基于项目组自行研制的救援机器人的移动平台，对安装其上的操作臂机械系统进 行总体设计，包括：操作臂、夹持器总体方案设计；传动系统设计；主参数设计及标准件选 择计算( 电机、减速器等) ；关键零部件结构设计等等。 ( 2 ) 对操作臂进行运动学分析。包括：位姿正解与逆解关系的建立，雅可比矩阵的求 解及奇异位形分析，操作臂相对于移动平台的工作空间分析，并以图的形式展示操作臂的工 作空间范围。 ( 3 ) 对操作臂进行动力学分析，建立了操作臂的动力学模型。使用a d a m s 软件进行 操作臂的动力学仿真，结合救援作业过程中的负载，获得了各关节电机力矩的变化规律，以 及角加速度、角速度、角位移的变化规律。 ( 4 ) 建立了移动平台的平面运动学模型。面向具体的作业环境和救援任务，使移动平 台与操作臂协作运动，规划移动平台和操作臂的运动路径，获得了移动平台驱动轮电机的运 动规律和操作臂各关节电机的运动规律。 5 东南大学硕士学位论文 第2 章救援机器人操作臂机械系统总体设计 救援机器人可应用于灾难、解爆等场合，在制造业、服务业、医疗业等行业也具有广泛 的应用前景。由于移动平台的作用，救援机器人操作臂系统比固定的机械臂具有更大的工作 空间和更高的灵活性，可以实现在平面内任意位置的移动，能够以一定姿态到达预定位置， 其操作臂可对进入其工作空间的目标进行抓取。下面对救援机器人操作臂机械系统进行设 计。 2 1 救援机器人的移动平台 本文研究涉及的救援机器人移动平台为自主开发，采用一对主体履带加两对摆臂履带的 移动结构( 如图2 1 所示) ，其中主体部分的两根主履带结构对称，分别由两个直流伺服电 机驱动，左轮为引导轮，右轮为驱动轮。通过对此两电机转向。转速的控制，实现机器人的 前进、后退或转弯；两电机等速反向运转能实现原地零半径自转。两对摆臂共配置4 根辅助 履带和4 个直流伺服电机，摆臂履带与同侧主履带联动，4 个电机用于控制摆臂相对于主体 的转动，根据作业环境地面特征，通过调节两对摆臂的摆动角度( 摆臂可以3 6 0 0 旋转) ? 借助4 根摆臂履带及带轮对机器人进行辅助支撑，从而提高救援机器人对复杂地形的自适应 能力、越障能力和运动稳定性。 图2 - i 救援机器机器人移动平台总体结构简图 在实际情况中，平地行走、爬坡和越障是救援机器人最常见的运行状态。机器人将根据 地形调整姿态以便更好地通过复杂的障碍，图2 - 2 中列举了移动平台在运动过程中的几种不 同姿态。在平坦的路面上行驶( 图2 - 2 a ) ，机器人收起摆臂，此时移动平台所占空间最小， 易于在狭小的环境中运行；行进中遇剑陡坡、高台或者楼梯等障碍时，机器人可以根据地形 需要，合理利用前后摆臂( 图2 - 2 b 、c ) ，调整平台姿态以适应地形的变化。 ( a ) 平地行驶 ( b ) 爬陡坡 ( c ) 上台阶 图2 2 移动平台几种运动模式 本课题自行研制的救援机器人移动平台三维效果图如图2 - 3 所示。 6 第2 章救援机器人操作臂机械系统总体设计 图2 - 3 救援机器人移动平台三维效果图 2 2 操作臂设计需求 本课题的任务是根据r o b o c u p 救援机器人比赛的要求，设计一个轻型可折叠操作臂， 用于安装在救援机器人移动平台上。r o b o c u p 救援比赛的任务要求 2 0 l ( 如图2 4 所示) ，是 控制救援机器人在迷宫式的场地中搜救模拟被困者。模拟被困者被放置在各种高度的堆积纸 板盒内，放置状态也会经常发生改变。在比赛过程中，还要向箱内的被困者运送和放置救生 物品( 水瓶) 或者通讯设备( 话筒) 等，并且抓取简单的带环的块状物体。 根据比赛场地被困者的高度，要求操作臂展开长度不小于8 0 0 m m 。操作臂应可以折叠， 以减少操作臂占用空间。操作臂要求能够在顶端安装夹持器、摄像头等部件，以便对目标物 进行操作和对周同环境进行观察，并且要求摄像头在任何环境中都能水平拍摄。操作臂的抓 取目标物体负载能力不小于o 5 k g ，对操作臂的精度没有提出具体要求。 2 3 操作臂结构设计 o 厂。：翌 图2 4r o b o c u p 救援比赛场地要求 关节是可折叠操作臂的重要组成部分。关节性能的好坏将直接影响到整个操作臂的总体 性能。本节将详细阐述操作臂的构型设计及其各关节的结构设计。 2 3 1 操作臂的构型设计 操作臂的构型是非常重要的，合理的构型设计不仅可以减小空间的占用，还能够减轻系 统重量、降低整体系统的复杂程度、提高整体系统的可靠性。操作臂的基座没有采用云台结 构设计，是基于救援机器人移动平台可实现原地3 6 0 0 转向运动，移动平台的原地转向运动 可充当云台的旋转运动。另外，在操作臂的手腕处需要同时配置一个俯仰自由度和一个旋转 7 q 嘲 l 驴 矿 ；l，廖黢酸 东南大学硕士学位论文 自由度来保证摄像头的水平拍摄。因此，本文的操作臂设计成三个俯仰和一个旋转关节，其 自由度配置为：大臂俯仰一小臂俯仰一手腕俯仰一手腕旋转。 2 5 l 一大臂俯仰关节；2 一小臂俯仰关节；3 手腕俯仰关节； 4 手腕旋转关节：5 末端夹持器 图2 5 操作臂构型图 2 3 2 操作臂杆长的确定 根据前述作业范围的要求，操作臂的杆长应满足： ： 正+ ，+ 厶8 0 0 对于大臂和小臂杆，由于两杆的长度差决定了操作臂运动范围内环的半径，为了增加操 作臂的运动范闱，两杆之间的长度差在保证操作臂在可折叠的条件下越小越好。 对于手腕，为了使安装在夹持器上的摄像头能保持水平，要求手腕的长度如越小越好； 因此，可初步确定操作臂的杆长如表2 1 所示。 表2 1 操作臂的杆长 单位1 11 2l ， m m4 0 03 8 01 0 0 2 3 3 操作臂电机及减速器的选型与计算 机器人的驱动电机一般采用以下几种：直流电机、步进电机和舵机。它们各自具有自己 的优缺点，如表2 2 所示。 表2 - 2 各种类型电机优、缺点比较 电机类型优点缺点 舵机内部自带减速器负载能力低 接口简单 调速范围小 价格便宜功率小 步进电机 速度控制精确体积大 接l 简单负载能力低 价格便宜功率小 直流电机 功率大转速太快，需减速 接口简单价格较贵 控制复杂 对于本文设计的操作臂，夹持器、手腕旋转、手腕俯仰部分由于负载较小，均采用舵机 驱动，且舵机内部自带齿轮减速器，使用非常方便( 下面会进行介绍) 。大臂俯仰、小臂俯 仰部分负载较大，选用直流电机配置减速器进行设计。 直流电机的选择与减速器的匹配是一个相互矛盾的过程。在相同输出功率的情况下，电 机功率与减速器的减速比成反比。经过权衡，根据所需的驱动力矩、结构以及运动性能的要 求，机器人操作臂驱动电机及减速器选择了瑞士m a x o n 公司的配套产品。 根据估计的操作臂各部件的质量和操作臂最大负载能力，可以计算出各关节所需要的最 大驱动力矩，并根据其选择各关节驱动电机和减速器的型号。下面是计算过程： 8 第2 章救援机器人操作臂机械系统总体设计 对于小臂驱动关节 z = 3 k g 3 8 0 m m = 3 9 8 n 0 3 8 m = 1 1 1 7 2 n o m 只：! ；兰垒：1 1 1 7 2 n - m x 2 0 r m i n ：2 3 4 w 9 5 5 09 5 5 0 对于大臂驱动关节 7 i = 3 k g 7 8 0 m m + l k g x 4 0 0 m m = 2 6 8 5 2 n m 暑：至堕：2 6 8 5 2 n m x2 0 r m i n ：5 6 2 w 根据以上的计算，选用的电机和减速器的型号如表2 3 所示。 表2 3 大、小臂驱动关节电机、减速器型号 关节小臂驱动关节大臂驱动关节 电机型号 r e 3 03 1 0 0 0 7g p 3 2 c1 6 6 9 4 9 减速器型号 i t e 3 53 2 3 8 9 0g p 4 2 c2 0 3 1 2 8 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 其他关节的电机选择设计将在下面的内容中进行介绍。 2 3 4 末端夹持器设计! 末端夹持器采用专用的机器人配件，其结构如图2 - 6 所示。其工作原理如下：舵机1 驱 动齿轮杆2 转动，齿轮杆2 、支架3 、杆4 、手爪5 形成平面四杆机构，通过左侧齿轮杆与 右侧齿轮杆的齿轮啮合作用使得机构的左半部分与右半部分作对称运动，这样就能实现手爪 的开合。 夹持器部分的电机采用舵机驱动，下面对电机的选型进行计算：要求夹持的物体重为 g - - m x g - - - 0 5 x 9 8 = 4 9 n ，手爪与物体间摩擦系数为网6 ，手爪的有效夹持长度为l = 3 0 m m ， 连杆机构的传动效率玎，= 0 5 ，齿轮机构的传动效率叩尸0 9 ，则： 手爪所受轴向载荷 q ：一g ：一4 9 ：8 2 n ( 2 - 4 ) 。 “0 6 ， 所需驱动力矩 i j m ：盟：8 2 0 0 3 ：0 5 5 n m ( 2 - 5 ) q l q 2 0 5 x 0 9 j 根据上述计算，选择f u _ c a b a $ 3 0 1 0 型舵机，它的保持转矩为0 6 5 n m ，满足设计要求。 l 舵机；2 一齿轮杆；3 - - 支架：4 一杆：5 手爪 图2 - 6 末端夹持器结构图 9 东南大学硕士学位论文 2 3 5 手腕部分设计 手腕的结构设计如图2 7 所示。这里舵机1 采用的是型号为d y n a m i x e l a x 1 2 的舵机， 它具有双边输出轴的优点，可以很方便地与联接器联接在一起，联接器通过舵机套与舵机2 联接在一起，舵机2 采用f u t a b a $ 3 0 1 0 。这里保证了舵机1 与舵机2 的输出轴线在同一平面 内，并垂直相交。舵机l 的主体与小臂杆联接，而舵机2 的输出轴与末端夹持器相联接。： l 舵机l ；2 一联接器：3 舵机套：4 舵机2 图2 7 手腕部分结构图 2 3 6 小臂俯仰关节设计 。 本操作臂采用铝合金材料设计成各杆件，一方面保证操作臂的刚度，另一方面减小操作 臂的重量。 小臂俯仰关节的结构设计如图2 8 所示。为了使操作臂的结构紧凑，将电机1 置于大臂 中间，以节省空间。这样就需要采用锥齿轮实现9 0 0 相交轴间的传动。锥齿轮啮合传动时有 轴向力的作用，可选用能承受轴向力的角接触轴承。角接触轴承的安装需要轴向调隙。电机 1 驱动小锥齿轮4 转动，小锥齿轮4 与大锥齿轮5 相啮合，轴6 与衬套1 1 通过键1 0 相联接， 衬套1 0 上联接着小臂8 ，这样，小臂8 就与轴6 固接在一起，从而实现小臂的俯仰。 l 一电机；2 一电机支架；3 一大臂；4 - 小锥齿轮；5 一大锥齿轮；6 轴； 7 衬套；8 - 小臂；9 键：1 0 键；l l 衬套；1 2 _ 角接触轴承； 1 3 - - 1 4 轴承座： 图2 - 8 小臂关节结构图 2 3 7 大臂俯仰关节设计 ： 大臂俯仰关节设计与小臂俯仰关节的原理相似( 如图2 - 9 所示) ，这里将电机和减速器 放在底座外横置，这样就可以选用加工和安装都相对容易的直齿轮传动，轴承安装部件不需 调隙，不受轴向作用力的影响，选用深沟球轴承即可。 1 0 第2 章救援机器人操作臂机械系统总体设计 l 一底座；2 一电机；3 一电机支架；4 _ 小直齿轮；5 大直齿轮；6 轴； 7 一衬套；8 - - 大臂；9 键；l o 衬套；l l 键；1 2 深沟球轴承； 1 3 轴承座 图2 - 9 大臂关节结构图 根据以上对末端夹持器以及各个关节的结构设计，g 以绘$ j j t t l 操作臂的三维实体效果 图，如图2 1 0 所示。 图2 1 0 救援机器人操作臂三维效果图 2 4 本章小结 本章基于课题组自行研制的救援机器人移动平台，结合r o b o c u p 比赛要求，分析了平 台上操作臂的设计要求，并对操作臂进行了构型设计和机械结构设计，包括：各关节、夹持 器结构方案设计；传动系统设计；主参数设计及标准件选择计算( 电机、减速器等) ；关键 零部件结构设计等等。 东南大学硕士学位论文 第3 章救援机器人操作臂运动学分析 操作臂运动学主要是研究操作臂关节变量和操作臂末端夹持器位置和姿态之间的关系。 操作臂运动学的正解描述了末端夹持器在工作空间中的位置和姿态；操作臂运动学的逆解对 操作臂运动轨迹规划