（测试计量技术及仪器专业论文）弹跳机器人的设计与研究.pdf

1 j f l l1111 1 1i iiii iiii y 17 6 0 6 3 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：嘲仞司翻 日期：山ip 吾- 弓 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。 研究生签名：嘀府佩孑、悟师签名： 圃 日期：幽i 。；乡 摘要 摘要 研究具有高越障性能的弹跳式微型机器人已经成为了机器人技术发展的重要方向 之一。弹跳运动的突然性与爆发性有助于机器人越过障碍物和躲避危险，使其在军事侦 察、星际探索、灾难搜救等方面都具有良好的应用前景。然而，国内外关于弹跳机器人 的研究尚处于初级阶段，因此本课题的研究具有重要的意义。 本文通过对国内外弹跳机器人的研究与发展现状的总结，研制了一种结构简单且易 于控制的滚动式微型弹跳机器人，该机器人具有滚动运动和弹跳运动两种运动方式。在 分析现有弹跳机构实现方案的基础上，提出了一种实用有效的储能一驱动机构。该储能一 驱动机构以舵机为驱动器，带动不完全齿轮机构，通过绞盘和齿轮拉动钢丝绳作用于弹 簧钢片来实现机器人的储能弹跳。 以c 8 0 5 1 f 3 4 0 微控制器为核心，设计了滚动式微型弹跳机器人系统中的电机驱动电 路、舵机控制电路、串口通讯接口电路、c 0 2 浓度检测电路、图像数据采集电路等硬件 电路，同时对系统进行了抗干扰设计，为整个系统的正常工作提供了硬件上的保障。在 硬件设计的基础上设计了上位机的串口通信和下位机的控制软件系统。 上位机与下位机之间的无线通讯由无线通信模块j n 5 1 2 1 来实现。在利用该模块开 发z i g b e e 网络的基础上，介绍了z i g b e e 协议栈的相关知识，并设计了z i g b e e 协调节 点和路由节点的应用程序，主要包括多节点间协调工作m e s h 网络的建立以及数据的收 发。 最后，对本系统中弹跳机器人的跳跃性能进行了测试，并分析了影响其跳跃高度的 多种因素，如弹簧钢片的尺寸、舵机的输出力矩等。实验结果表明，该滚动式微型弹跳 机器人系统能够实现预定的功能，其机械结构简单合理、控制系统稳定可靠。 络 关键词：弹跳机器人：弹跳机构；不完全齿轮；舵机；c 0 2 传感器；无线传感器网 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d i e so fm i c r o m i n i a t u r eh o p p i n gr o b o t s 谢t l l1 1 i g hb a r r i e rp r o p e r t i e sh a v eb e c o m ea l l i m p o r t a n td i r e c t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fr o b o tt e c h n o l o g y t h es u d d e na n db u r s to f h o p p i n gm o v e m e n tc a l lh e l pt h er o b o tc l e a rt h eb a r r i e r sa n da v o i dd a n g e r , s ot h a ti tc a nb e a p p l i e dt ot h em i l i t a r yr e c o n n a i s s a n c e ，p l a n e t a r ye x p l o r a t i o n ，d i s a s t e rr e s c u ea n dh a sg o o d p r o s p e c t s h o w e v e r , t h er e s e a r c h e so fh o p p i n gr o b o t sa r es t i l li np r i m a r ys t a g e ，s ot h es t u d yo f t h i st o p i ci so fg r e a ts i g n i f i c a n c e i nt h i st h e s i s ar o l l i n gm i c r o - m i n i a t u r eh o p p i n gr o b o tw i mas i m p l es t r u c t u r ea n d e a s yt o c o n t r o li sd e v e l o p e dt h r o u g ht h es u m m a r yo fs t a t u so fd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho f h o p p i n g r o b o t s t h er o b o t sh a v et w ok i n d so fm o v e m e n t , r o l l i n gm o v e m e n ta n dh o p p i n gm o v e m e n t b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es c h e m eo f j u m p i n gm e c h a n i s m ，ap r a c t i c a la n de f f e c t i v es t o r a g e - d r i v em e c h a n i s mi sp u tf o r w a r d i nt h i sm e c h a n i s m ，t h er u d d e rs e r v oi sf o rt h ed r i v e i td r i v e s n o te n t i r e l yg e a rm e c h a n i s m ，t h er o b o t se n e r g ys t o r a g ea n dh o pi sa c h i e v e dt h r o u g ht h e w i n c ha n dg e a rp u l l i n gw i r er o p ea c t i n go nt h es p r i n gs t e e l w i t hc 8 0 51f 3 4 0 m c u ，t h em o t o r d r i v e c i r c u i t , s e r v o c o n t r o l c i r c u i t , s e r i a l c o m m u n i c a t i o n si n t e r f a c ec i r c u i t s ，c 0 2c o n c e n t r a t i o nd e t e c t i o nc i r c u i t ，i m a g ed a t aa c q u i s i t i o n c i r c u i t r ya n do t h e rh a r d w a r ec i r c u i t sa r ed e s i g n e di nt h em i c r o - m i n i a t u r eh o p p i n gr o b o t s s y s t e m ，a tt h es a m et i m et h ea n t i i n t e r f e r e n c es y s t e mi sd e s i g n e da n dp r o v i d e st h eh a r d w a r e p r o t e c t i o n b a s e do nt h eh a r d w a r et h eh o s tc o m p u t e r ss e r i a lc o m m u n i c a t i o na n dt h em c u s c o n t r o ls o f t w a r es y s t e ma r ed e s i g n e d t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh o s tc o m p u t e ra n dt h em c ui sa c h i e v e db yt h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ej n 5121 b a s e do n d e v e l o p i n gz i g b e en e t w o r k , t h e k n o w l e d g ea b o u tz i g b e ep r o t o c o ls t a c ki si n t r o d u c e d ，a n dt h ec o o r d i n a t i n gn o d ea n dr o u t i n g n o d ez i g b e ea p p l i c a t i o n sa r ed e s i g n e di n c l u d i n ge s t a b l i s h m e n to fm e s hn e t w o r k sa n dd a t a t r a n s m i s s i o n f i n a l l y ，j u m p i n gp e r f o r m a n c eo fh o p p i n gr o b o t si st e s t e da n dav a r i e t yo ff a c t o r so ft h e i m p a c to ft h e i rj u m ph e i g h ta r ea n a l y z e d ，s u c ha ss p r i n gs t e e l ，t h es i z eo ft h eo u t p u tt o r q u eo f r u d d e rs e r v oa n ds oo n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h er o l l i n gm i c r o - m i n i a t u r e h o p p i n gr o b o ts y s t e mc a l la c h i e v et h ei n t e n d e df u n c t i o n , t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ei ss i m p l e a n dr e a s o n a b l e ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：h o p p i n gr o b o t s ；j u m p i n gm e c h a n i s m ；n o te n t i r e l yg e a r ；s t e e r i n gg e a r ；c 0 2 s e n s o r s ；w s n n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 课题背景及意义1 1 2 国内外弹跳机器人的研究现状及分析1 1 2 1 国外研究状况2 1 2 2 国内研究状况6 1 3 本文的研究内容及主要工作7 第二章滚动式微型弹跳机器人系统设计方案9 2 1 引言9 2 2 弹跳机器人结构的总体设计9 2 3 弹跳机构的设计1 0 2 4 其它机构的相关设计1 2 2 5 驱动方式及驱动器的选择1 2 2 6 本章小结1 4 第三章弹跳机器人控制系统硬件设计1 5 3 1 引言1 5 3 2 机器人嵌入式控制系统概述1 5 3 2 1 控制系统的任务规划及硬件总体设计1 6 3 2 2 控制系统的微处理器1 7 3 3 控制系统的电源及抗干扰措施1 8 3 4 串口通讯电路的设计2 0 3 5 电机驱动模块的设计2 0 3 6 舵机控制模块的设计2 1 3 6 1 舵机的原理2 2 3 6 2 舵机的控制方式2 2 3 7 无线通讯模块的设计2 4 3 7 1 无线传感器网络概述2 4 3 7 2 无线通讯模块的选择及其特性2 6 3 7 3 硬件电路的设计与实现2 7 3 8c 0 2 浓度检测模块的设计2 8 3 8 1c 0 2 传感器原理2 9 3 8 2c 0 ：传感器检测电路2 9 3 9 图像采集模块的设计3 1 3 9 1c m o s 图像传感器的选择3 1 m 东南大学硕士学位论文 3 9 2 图像传感器的控制3 3 3 9 3 图像数据的采集与存储3 5 3 1 0 本章小结3 7 第四章弹跳机器人系统软件设计3 8 4 1 引言3 8 4 2 控制系统的软件设计3 8 4 3 无线通讯模块的软件设计4 0 4 3 1z i g b e e 协议栈的网络拓扑4 0 4 3 2z i g b e e 协议栈的接口函数4 1 4 3 3 网络中节点的地址4 3 4 3 4c o o r d i n a t o r 节点的程序设计4 4 4 3 5r o u t e r 节点的程序设计4 5 4 4 系统实验与结果分析4 7 4 5 本章小结4 8 第五章总结与展望4 9 5 1 课题总结4 9 5 2 弹跳机器人的发展展望4 9 致谢5 1 参考文献5 2 读硕士学位期间的科研成果5 4 一、发表的学术论文5 4 二、获得的专利5 4 i v 机器人技术的研究与应用，正受到越来越多人的广泛关注与重视。近二十年来，机 器人技术的发展极为迅猛，几乎渗透到社会的各个领域，它综合了机械学、电子技术、 计算机科学、自动控制工程、传感技术、人工智能、仿生学等多个学科的最新研究成果， 是当今科学技术发展最为活跃的领域之一。目前，作为第三代机器人重要分支的智能移 动机器人是一个集成了感知、思维和决策功能、对环境有着较强的适应性于一体的智能 系统，它包含着人机交互技术、遥控自主技术、虚拟现实技术等新兴技术。随着多类技 术的不断发展，智能移动机器人的应用范围和作业形式也在不断地拓展，从最初的自动 化生产线这种结构环境下的定点作业，到如今的星际探索、海洋开发、军事侦察、灾难 搜救等这种非结构环境下的自主作业，机器人所面临的环境也越来越恶劣。在这些场合 中，地势较为复杂，机器人在运动过程中经常会碰到各种障碍物或者沟渠。在面对复杂 的地形、危险的地带以及非结构化的未知环境时，除了要求机器人具有高效的信息处理 能力、感知能力、导航能力和通讯能力以外，还要求机器人能够体现出较强的地面通过 能力、自由运动能力以及对环境的适应能力n 1 。 目前，智能移动机器人的运动方式主要可以分为车轮式移动、履带式移动、腿足式 移动、蠕动式移动、蛇形式移动等。其中车轮式及履带式移动的机器人只能在相对平坦 的地面上工作，一旦遇到凹凸不平的地形其运动将受到很大限制，甚至无法正常工作； 其它形式移动的机器人虽具有一定翻越障碍物的能力，但其自由度多，大量的关节驱动 器使得控制复杂，运动缓慢，遇到大的障碍物时同样无能为力。在实际的应用时，为了 提高机器人的活动范围和应用领域，在原有运动方式的基础上，要求其具备弹跳运动能 力。弹跳运动的突然性与爆发性有助于机器人越过障碍物和躲避危险。在重力加速度小 的星球中，具有弹跳运动的机器人更能发挥其作用；在地势松软、摩擦力小的沙漠环境 中，轮式运动往往无法正常行进，此时，弹跳运动将发挥其不可替代的作用。与一般运 动方式的机器人相比，具有弹跳运动的机器人有着较大的优势，它可以越过数倍甚至数 十倍于自身尺寸的障碍物，有着较为灵活的运动形式和较高的工作效率乜3 。 但是，由于弹跳运动所存在的非线性问题，在一定程度上限制了它的应用环境。因 此，研究弹跳运动与一般运动方式( 如滚动运动) 相结合，使得机器人在星际探索、灾 难搜救等多方面都具有良好的发展前景，有着重大而深远的意义。 1 2 国内外弹跳机器人的研究现状及分析 随着人工智能、传感技术、运动控制技术、微细加工、纳米材料技术等高新技术的 快速突破，机器人技术正向微小型化方向发展，对具有高越障性能的弹跳式微型机器人 的研究成为了机器人技术研究的重要趋势之一。为满足未来复杂环境作业、星球探索及 隐蔽侦察等的需求，开展弹跳式微型机器人技术研究是很有必要的。当前除美国、日本 和瑞士外，也有一些国家在进行弹跳机器人的研究，并均取得了一定的研究成果。本节 东南大学硕士学位论文 将介绍目前国内外弹跳机器人的研究现状，并分析几种典型的弹跳机构。 1 2 1 国外研究状况 近年来，针对各种弹跳机器人，国外的研究人员已经进行了很多研究，下文主要是 按运动形式的不同将其分为两大类分别进行介绍。 第一类，连续弹跳运动的机器人。 连续弹跳运动的机器人，即机构在落地后不停歇的顺势完成下一次弹跳，其弹跳过 程可以分为起跳、腾空飞行、落地再次起跳三个阶段，其运动过程如图1 - i 所示n 儿羽。 其优点是第二次起跳能够部分利用前一次的下落势能，使得能量利用效率较高，且不需 要很长时间来存储能量，只需要在弹跳落地瞬间加以适当补充即可，故弹跳频率较快， 活动范围较大。连续弹跳运动的机器人比较关注机器人的运动稳定性，目标是建立可以 连续自主跳跃的机器人，但是该类机器人存在较为复杂的非线性和动态过程控制问题。 盎 地面约刺蚧段 j l 1 7 3 ：f l 肇 i i l垄 图卜1 连续弹跳运动过程 连续弹跳机器人最常见的弹跳模型为r a i b e r t 等人提出的质量一弹簧模型。上世纪 八十年代，m a r cr a i b e r t 教授在麻省理工学院机器人实验室研制的单腿弹跳机器人 口儿射障1 。其基本模型如图1 - 2 所示。机器人的运动被限制在一个平面内，腿部装有气缸， 作用相当于弹簧，因此它在地面上的运动类似于一个带弹簧的倒立摆，其控制器分为3 个相互独立的部分，分别控制高度、前向速度和姿态。很多学者对该模型的弹跳与落地 过程进行了动力学分析和数学建模哺_ 。早期的弹跳机器人研究基本上都集中在对这种 模型进行运动分析和控制研究上。但在实际应用中此模型存在多种问题，如在实验中的 弹跳机器人需要大量的外围设备作支撑，保证其稳定及能量的供给，去掉这些辅助装置 就不能集成到一起形成满足实际需要的自治弹跳机器人，因此，实际机构的研制很少完 全按照这些模型。但r a i b e r t 教授所提出的该模型，解决了单足跳跃机器人的起跳姿态 控制和落地时足部定位算法的问题，并根据一系列的仿真分析及实验，得出了单足弹跳 机构稳定连续运动的条件，为以后的研究打下了重要的基础。 2 第一章绪论 图1 - 2r a i b e r t 单腿跳跃模型 在后续的研究中，r a i b e r t 通过自然界的袋鼠实体按比例作出了袋鼠的模型，运用 控制算法并借助部分人工辅助手段对袋鼠的跳跃过程进行了模拟，进而深化了跳跃机器 人的控制算法。在他所研制的多种仿生步行或爬行机器人中，最为重要的是二维气动弹 跳机和三维气动弹跳机，其中三维气动弹跳机具有较好的平衡性和运动稳定性。r a i b e r t 的研究为后来该技术的发展提供了很好的理论分析基础，做出了开创性的贡献。 连续弹跳机器人比较典型的例子还有卡耐基梅隆大学与瑞士联邦技术学院的研究 人员联合研制的两种弓形单足跳跃机器人，都属于机械式n l q 3 1 ，图1 - 3 为其实物图，其 腿部的工作原理如图1 - 4 所示。两种机构都用弹性杆储能，机构起跳后，紧缩绳索开始 拉紧弹性杆，落地与地面撞击时，绳索松开，解除弹性杆约束，推动机构再次弹起。弓 形腿跳跃式机器人最大的特点是，在每次起跳后到落地前的腾空阶段完成能量的积聚、 对触地位置进行预测等工作，节省了能量。 图卜3弓形单足跳跃机器人实物图 图卜4弓形弹跳机人腿部运动原理 第二类，间歇性弹跳运动的机器人。 间歇性弹跳运动的机器人，即完成一次弹跳运动后，在地面停留短暂时间，并做下 一次弹跳准备，如姿态调整，能量存储和地形预测等。间歇性弹跳运动可以对机器人在 运动过程中进行分段控制，不需要时刻保持对机器人姿态的绝对控制，如在飞行过程中 可以不加以控制，等机器人落地后再进行姿态的调整和能量的存储，其实现过程相对要 简单得多。间歇性弹跳运动的机器人追求的是运动的灵活性，比较关注其实用性。 东南大学硕士学位论文 美国国家航空宇航局( n a s a ) 喷气动力实验室( j p l ) 与加利福尼亚技术学院联合研制 了一系列弹跳机器人n 埔1 ，用于解决星际探索中漫游车在崎岖的地形地貌下活动范围有 限的问题。第一代弹跳机器人具有滚动运动和弹跳运动两种运动方式，其弹跳运动是由 线形的弹簧装置实现，机器人外部包有透明的有机外壳。其实物如图1 - 5 所示，它的基 本原理是通过电机驱动螺杆压缩弹簧，当弹簧压缩到一定程度时锁定装置触发，锁紧弹 簧，然后当电机再次运动时释放锁定装置，弹簧推动其上的质量弹起，并带动整体获得 离地速度。该机构是继r a i b e r t 之后首次实现的一种全新弹跳机构方案，它在原理上打 破了传统的连续弹跳运动机构，具有很大的创新与进步。 此后n a s a 在第一代机器人的基础上又发展了第二代和第三代弹跳机器人。第二代 弹跳机器人的外形像一只青蛙，其实物如图1 - 6 所示。其特点在于利用一个电机驱动， 通过电机正反转与不同机构啮合，实现不同的动作。机器人的储能装置采用六连杆机构， 把水平方向弹簧的线伸缩转化成机体方向的非线形拉伸和压缩，它的运动形式优于传统 的轮式和腿式运动，其强大推进力的新颖传动结构提高了系统的效率。在压缩状态下， 该机器人的外形尺寸为1 5 0 m m x1 5 0 m m x1 5 0 m m ，弹跳高度约为1 2 m ，水平跳跃距离为 2 3 m 。在第三代弹跳机器人中实现了起跳角度和起跳方向的动态调整，同时增加了计算 机的实时控制和无线通讯，加强了机器人的机动性以及执行任务的能力，其实物如图1 - 7 所示。该机器人实现了远程控制下在较为规则地形的环境中自由运动且能够自动辨识和 越过遇到的障碍物。 图卜6n a s a 的第二代实物图 图1 - 7n a s a 的第三代实物图 4 第一章绪论 结合上文中的单腿弹跳机器人和弓形单足跳跃机器人，n a s a 的三种弹跳机构标志着 实用型弹跳机器人技术发展的新起点。通过这三种间歇性弹跳运动机器人，我们可以看 出，在现有的技术条件下，间歇性弹跳比连续弹跳更加稳定和有效，完善的自我调整与 矫正机构、高效的能量存储与控制装置都是实用型弹跳机构所必备的。 美国明尼苏达大学在2 0 0 0 年研制了一种微型弹跳机器人n7 1 8 1 。该机器人外形为一圆 柱体，直径为4 0 m m ，长度为1 1 5 m m ，重2 0 0 9 ，其实物图如图1 - 8 所示。它具有弹跳运动 和滚动运动两种运动方式，其中弹跳运动的实现是由单绞绳拉动弹簧片进行储能并通过 触发机构触动弹簧片进行释能。此外，该机器人携带有摄像机，通过摄像机的上下俯仰 运动和左右摆动运动可以对机器人周边环境进行全景拍摄，并通过无线通讯平台与其它 机器人进行数据传输与交换。 图1 - 8 明尼苏达大学弹跳机器人实物图 瑞士洛桑联邦科技研究院的科学家研发出的一种微型双腿弹跳机器人n 钔，其外形类 似于蚱蜢，结构比较简单，高5 c m ，重7 9 ，跳跃高度能达到1 4 m ，是其自身身高的2 7 倍，其实物图如图卜9 所示，原理图如图1 - 1 0 所示。该机器人采用的是多齿轮联动装 置( 其中两个0 2 m m 厚的小齿轮和一个0 3 m m 厚的大齿轮) 。通过小直流电机驱动凸轮， 逐渐地压缩两条金属弹簧，当金属弹簧被压缩到一定程度时，再释放能量，伸直金属双 腿，促使机器人一跃而起。该机器人所配备的发动机能在3 5 s 内完成对弹簧的再次储 能，加之1 0 m a 时的电池容量，能够提供机器人跳跃1 0 8 次的动力。机器人的每一条腿 分为两节，并以一定的角度相连，通过调节它膝关节的角度来促使机器人跳得更高更远。 5 东南大学硕士学位论文 图卜9 微型双腿弹跳机器人实物图 图i - 1 0 微型双腿弹跳机器人原理图 目前，该机器人的缺点是还不能进行自我调节，即一次跳跃完成着陆之后不能自动 地为下一次的跳跃调整好膝关节的角度。 1 2 2 国内研究状况 与国外相比，国内在弹跳机器人方面的研究起步较晚，相应的研究也要少得多。目 前具有弹跳性能的机器人尚处于研究阶段，且主要工作是对国际上现已公布的一些典型 的弹跳模型进行理论分析，并根据相关理论研制了多种弹跳机器人模型。 南京航空航天大学的研究人员对弹跳机器人领域的若干关键技术问题进行了研究， 作了一些基础性的工作，并采用利用简单机构产生弹力的方案，研制了多个弹跳机器人 模型，并达到了一定的效果乜1 。先后提出了单杆弹簧机构和六杆弹簧机构，其中前者由 于弹簧的变形量受到其纵向尺寸的限制，并在弹跳过程中有较大的能量损耗，使得该机 构的性能很难再提高。图卜1 1 为其设计的六杆弹簧机构，在该方案中，研究人员设计 出了几种比较适用于弹跳机器人中的典型机构，如行程分配机构、锁定与触发机构、翻 转恢复实现机构和导向机构，为后续的研究工作提供了很好的借鉴。 北方工业大学所设计的双臂单腿跳跃机器人如图1 - 1 2 所示，该机器人的机械本体 主要包括两个摆臂和腿部。该系统采用双臂驱动，依靠内部动力学耦合实现动态站立平 衡、起跳和稳定连续跳跃。在该机器人的臂端安装两个电机，电机的输出经由钢丝绳传 到机器人的肩部，以实现摆臂的运动，通过双臂的摆动，不断的给腿部的弹簧注入能量， 当腿部弹簧存储的能量达到一定程度时，即能够实现机器人的跳跃。机器人的脚趾被设 计为一对橡皮轮，使得与地面为线接触，从而使机器人在与这条接触线垂直的平面内跳 跃。 6 第一章绪论 r 一_ 4 鋈 j | _ 燃 i 0 父。j t ，绷也 譬 窈 图1 - 1 1 弹簧六杆机构实物图图1 - 1 2 双臂单腿跳跃机器人 此外，国内还有部分高校和科研院所也做过弹跳机器人的相关研究，如哈尔滨工业 大学研制的仿蝗虫四足跳跃机器人、北京理工大学的气动式球形跳跃机器人、西北工业 大学所研究的仿袋鼠跳跃机器人、上海交通大学设计的一种新型翻转跳跃运动机器人 等，都对弹跳机器人的研究做出了杰出的贡献。 结合国内外弹跳机器人的研究状况来看，目前弹跳的理论研究主要集中于连续弹跳 运动的动态稳定性分析以及非线性的动力学分析。弹跳机器人的研究主要可以分为三大 类。第一类是仿生机构，主要是仿造自然界作弹跳运动生物的外形与功能，如袋鼠，该 类机器人需要多关节协同动作来完成弹跳运动。第二类是利用特殊能源爆炸产生的爆炸 力来实现弹跳。第三类是利用简单机构产生弹力，该类机构自由度少，动力学模型简单， 实现起来相对容易。对于这三类弹跳机器人来说，它们都存在多种共同的问题以待解决： 要求机器人具有较高的能量利用率，尽量减少弹跳过程中能量的损耗；要求机器人具有 抗冲击负载能力强的驱动器；要求机器人能够根据自身对地形地貌的判断与预测来适当 的调节弹跳高度与远度，并在非正常倒落的情况下也能自我调整姿态，并进行起跳前的 状态复原。总的来说，还需要对弹跳机器人的驱动装置、弹跳原理、系统结构设计等多 方面进行深入的研究与分析。 1 3 本文的研究内容及主要工作 本课题在熟悉国内外弹跳机器人研究文献并比较其中机构和控制方法的基础上，研 制了一种滚动式微型弹跳机器人系统，该机器人系统把轮式滚动运动方式与弹跳运动方 式结合起来，以舵机为驱动器，带动不完全齿轮机构，并拉动钢丝绳作用于弹簧钢片来 实现机器人的储能与弹跳。此外，该机器人系统携带了多种传感器，能对其周围环境进 行相应信息的采集，并通过无线传感网络平台实现信息数据的传送。由于该系统结构简 单有效，控制灵活，在灾难搜救、环境探测等领域具有良好的应用前景。论文的主要结 构如下： 第一章绪论，介绍了弹跳机器人的研究背景和研究意义，分析了国内外几种典型弹跳机 7 东南大学硕士学位论文 构的原理，总结了目前相关研究的状况，并对课题主要研究内容进行了阐述。 第二章提出了滚动式微型弹跳机器人系统的总体设计方案，详细介绍了弹跳机器人的机 械本体结构设计，主要是弹性储能与释能机构的设计及其工作原理的分析，并选择了合适的 驱动方式及驱动器。 第三章介绍了滚动式微型弹跳机器人系统的硬件控制电路设计，主要包括电机的驱 动电路、舵机的控制电路、无线通讯模块电路、c o ：浓度的检测电路、图像采集电路、 串口通讯电路等。 第四章介绍了滚动式微型弹跳机器人系统各个模块的软件设计与编制过程，包括下 位机、上位机软件设计以及无线通讯模块的软件设计。同时，对滚动式微型弹跳机器人 系统进行了相关的实验与测试结果分析，验证了该机器人控制系统设计的正确性及其机 械结构设计的合理性。 第五章对全文的内容进行总结，指出本文的主要工作与不足，并提出了今后进一步研究 的方向。 8 第二章滚动式微型弹跳机器人系统设计方案 第二章滚动式微型弹跳机器人系统设计方案 2 1 引言 随着机器人技术的不断发展及其应用范围的不断扩大，要求弹跳机器人向着智能化 与微型化方向发展。智能化不仅体现在弹跳机器人的机构本体方面，如智能的平衡与矫 正机制，还体现在弹跳机器人的控制系统方面，如智能的避障系统、决策支持系统、运 动规划系统等。微型化要求弹跳机器人在满足功能要求的前提下，其体积应尽量小，这 样在军事侦察中才能更加隐蔽的执行任务。随着研究的不断深入，弹跳机器人必然会进 一步与生产实践相结合，向着实用型的方向发展，并推动机器人更加广泛地应用于社会 生产生活的各个领域。 本课题所研究的滚动式微型弹跳机器人系统具有滚动运动和弹跳运动两种运动方 式。在一般较为平坦的地面上，机器人采用轮式滚动运动的方式行进，当机器人的传感 系统检测到前方有障碍物或沟渠时，控制系统会启动弹跳运动控制模块，从而使机器人 采用弹跳运动的方式越过障碍物或沟渠。此外，通过该机器人所携带的多种传感器，可 以对其周围环境进行多种特征信息的采集与提取，并通过短距离无线通信平台与其它机 器人节点进行信息交换与传递，多个机器人节点相互协作共同完成一定的任务。本章将 概述该弹跳机器人结构的系统设计方案，并对其中的机械本体结构设计作详细介绍。 2 2 弹跳机器人结构的总体设计 机械结构设计是微型弹跳机器人系统的基础，应尽量简单轻巧、易于控制，而机械 结构设计的关键又是设计与构造可行高效的弹跳实现机构。对于理想的弹跳机构，科学 家们提出了多个要求：弹跳的高度与远度、起跳方向与角度的调整、空中姿态的平衡性、 机器人落地的平稳性以及倒地姿态的复原啪1 等。弹跳机构最基本的功能是既能够存储弹 性势能，又能够在瞬间释放其能量，以达到推动机器人弹跳的目的。因此，基本的弹跳 机构主要包括驱动组件、储能组件以及锁定释放组件等多个部分。 结合国内外的相关研究来看，目前，大部分弹跳机构的储能方式还是采用相关机构 的结合来产生弹力，如离心力和弹簧弹力。较为典型的储能机构有单杆弹簧储能机构和 多杆弹簧储能机构。在单杆弹簧储能机构中，弹簧的压缩量受限于其自身的尺寸，使得 其弹跳性能的提高有瓶颈，且该机构的能量损失较大。对于多杆弹簧储能机构，其结构 较为复杂，使得机器人整体的稳定性与平衡性难以保证。 综合各类弹跳机器人弹跳结构的特点，本文采用舵机带动不完全齿轮机构，通过钢 丝绳拉动弹性钢片使其弯曲变形来实现弹性势能的储存与瞬间释放，具有结构简单、体 积小且易于控制的特点。该机器人的总体结构如图2 - 1 所示，其外形直径为7 0 m m ，长度 为1 1 0 r a m ，重量为0 3 5 k g 。 为了实现轮式滚动运动和弹跳运动两种运动方式，以达到提高机器人适应环境的能 力及其运动效率的目的，该弹跳机器人除了具有上述的弹跳机构以外，还包括轮式滚动 9 东南大学硕士学位论文 机构。轮式滚动运动主要是靠两个小功率直流电机分别带动弹跳机器人两侧轮子的转动 来实现的。此外，为了避免机器人在落地后与地面的碰撞过程中损坏机载仪器以及减少 机器人本身在此碰撞过程中的变形，本文在弹跳机器人两侧的轮子上设计了落地缓冲机 构。 该机器人的工作原理如下：在一般较为平坦的地面上，该机器人的控制系统启动直 流电机驱动模块，带动机器人左右两侧的滚轮转动，从而使得机器人向目的地行进，此 时，机器人的钢丝绳和弹性钢片处于松弛状态。当机器人的传感系统检测到前方有障碍 物或沟渠时，控制系统启动舵机驱动模块，舵机开始工作，带动不完全齿轮机构收紧钢 丝绳，拉起弹性钢片并使其弯曲变形到临界状态时进行释放，从而使机器人采用弹跳运 动的方式越过障碍物或沟渠。当机器人到达目的地后，通过该机器人所携带的多种传感 器，对其周围环境进行多种特征信息的采集，并通过短距离无线通信平台与其它机器人 节点包括中心控制台进行信息交换与传递。 o 1 外壳；2 直流电机；3 滚轮；4 钢丝绳；5 弹性接触球；6 弹性钢片 图2 一l 弹跳机器人的总体结构图 2 3 弹跳机构的设计 弹跳机构是弹跳机器人设计的关键，本文所设计的弹性储能与释能装置的结构如图 2 - 2 所示。 该弹跳机构主要由弹性组件和固定组件组成。弹性组件包括弹性钢片和弹性接触 球，弹性接触球固定于弹性钢片的下侧。固定组件包括传动机构、导向滑轮机构、钢丝 绳和外壳。其中传动机构包括舵机、相互啮合的不完全齿轮和齿轮、传动轴以及绞盘。 舵机通过舵机固定板固定于弹跳机器人的外壳上，不完全齿轮固定于舵机的输出转轴 上，齿轮固定于传动轴上，绞盘通过紧固螺母固定于传动轴上且位于齿轮的一侧。导向 滑轮机构包括滑轮、轴、固定板、弹性挡圈。导向滑轮机构通过固定板固定于弹跳机器 人的外壳上，滑轮的轴向位置由轴肩与弹性挡圈固定。上述中的钢丝绳，其一端与绞盘 1 0 第二章滚动式微型弹跳机器人系统设计方案 相连，另一端与弹性钢片相连，且钢丝绳位于滑轮的轮槽之中，钢丝绳在导向滑轮机构 的导向作用下将绞盘与弹性钢片连为一体。 o 1 导向滑轮机构；2 舵机固定板；3 舵机；4 不完全齿轮机构；5 绞盘：6 传动轴 图2 2 弹性储能与释能装置结构图 该弹跳机构是由舵机带动不完全齿轮转动，通过齿轮机构的啮合带动传动轴转动， 实现绞盘的转动，使钢丝绳绕绞盘收紧，拉动弹性钢片，使其弯曲变形存储能量，从而 实现弹跳机器人弹性势能的储存。当舵机转动到一定角度时，不完全齿轮与齿轮释放， 使得钢丝绳松弛，从而实现弹性钢片在瞬间释放弹性势能，推动其上的质量弹起，并带 动机器人获得离地速度。 不完全齿轮机构是该弹跳机构实现弹性势能的高效存储与瞬间释放的关键，其基本 结构如图2 - 3 所示。 纩 一个 “厂。 乡0 图2 - 3 不完全齿轮机构 在该弹跳机构中，舵机的输出轴与不完全齿轮固定联接。舵机输出轴的转动范围为 0 0 一1 8 0 0 。经初步估算，当舵机输出轴正转时，在0 0 转动到5 0 的过程中，不完全齿轮与 齿轮瞬间脱离啮合，齿轮处于无约束状态；在5 0 转动到1 7 5 0 的过程中，不完全齿轮与 齿轮啮合，此时整个装置处于弹性势能的储存状态；在1 7 5 0 转动到1 8 0 0 的过程中，不 完全齿轮与齿轮瞬间脱离啮合，弹性钢片释放弹性势能，推动弹跳机器人弹起。当舵机 输出轴反转时，在一1 8 0 。到一1 7 5 0 的过程中，不完全齿轮与齿轮仍处于释放状态；在一1 7 5 1 1 东南大学硕士学位论文 。到一5 。的过程中，不完全齿轮与齿轮啮合，此时整个装置处于弹性势能的储存状态；在 一5 。到0 。的过程中，不完全齿轮与齿轮瞬间脱离啮合，弹性钢片释放弹性势能，推动弹 跳机器人弹起。如此往复，实现机器人的弹跳运动。 2 4 其它机构的相关设计 在本系统弹跳机器人的机械本体结构中，除了弹跳机构以外，其它机构或零部件也 至关重要，直接影响或决定机器人多方面的性能，如绞盘，其尺寸不仅影响了机器人的 体积，还决定了机器人的跳跃高度。 为了限制机器人的外形尺寸，在设计时，部分零部件的尺寸及参数选择如下： 不完全齿轮机构中各齿轮的模数m = o 8 ，齿数z = 2 5 ，分度圆直径d = m z = o 8x 2 5 = 2 0 m m ； 机器人腔体的内径d l ：6 4 m m ； 舵机的输出转矩m = 2 4 k g c m ； 在上述参数下，根据所设计的机器人构造模型如图2 - 4 所示，可以计算出其它零部 件的相关尺寸。 图2 4 机器人的构造模型 经估算，弹簧钢片的总长度l i - - 兀d , 2 = l o o m m ，但是由于弹簧钢片的一端需要固定在 弹跳机器人的外壳上，则其实际工作的长度l = 3l 。4 = 7 5 m m 。根据几何关系，可以得出 钢丝绳的长度l z = 7 5 m m ，绞盘的直径d = 4 8 m m 。 2 5 驱动方式及驱动器的选择 驱动模块是机器人系统的重要组成部分。在弹跳机器人系统中，驱动环节显得尤为 重要，因为驱动环节的选择会直接决定弹跳机构及其它机构的设计。机器人常用的驱动 方式主要可以分为以下几类口： ( 1 ) 液压驱动方式。液压驱动系统具有功率质量比较大、驱动平稳、固有效率高以 及快速性好的特点。同时，液压驱动调速比较简单，能在很大范围内实现无级调速。但 是，该驱动方式具有漏油等缺点，会影响其工作的稳定性。液压驱动多用于要求输出力 矩大，运动速度较低的场合。 1 2 第二章滚动式微型弹跳机器人系统设计方案 ( 2 ) 气压驱动方式。气压驱动的主要优点是气源方便，如压缩空气。采用该方式的 驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低廉，可以在高温、粉尘等恶劣的环境中工作。 气压驱动的缺点是功率质量比小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人的 位姿精度不高。适用于易燃、易爆和灰尘大的场合。 ( 3 ) 电气驱动方式。电气驱动是利用各种电机产生的力或者转矩，直接或经过减速 装置去驱动负载，减少了由电能变化为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。 由于电气驱动具有易于控制、运动精度高、响应快、使用方便、信号监测、传递和处理 方便、成本低廉、驱动效率高、不污染环境等诸多优点，电气驱动已经成为最普遍，应 用最多的驱动方式。近二十年来所设计的机器人大多数采用这种驱动方式。 综合国内外弹跳机器人驱动方式的选择来看，最早的弹跳机构一m a r cr a i b e r t 教授 所研制的二维弹跳机和三维弹跳机采用的驱动方式分别是液压驱动和气压驱动。在其二 维弹跳机中，共采用了四个液压缸来控制该系统的弹跳与平衡，即四个液压缸的作用分 别是控制弹簧的拉升与压缩、调整机体与腿部之间的角度、负责调整平衡尾与机体间的 角度和调整质心位置。在其三维弹跳机中，通过压缩气体来控制弹跳机腿部的长度以及 机构本体的弹跳。在这两种弹跳机中，由于其采用驱动方式的特殊性，使得这两种弹跳 机构的正常工作都需要大量的外围设备与器件做支撑，以保证其稳定性及能量的供给。 因此，该弹跳机只适合于在实验室这种理想的环境中工作，无法形成满足实际需要的弹 跳机器入。在后来设计的弹跳机器人中，大部分都采用电气驱动的方式，通过电机轴与 减速器配合，将电机的旋转运动传递到弹性储能与释能机构，减少了功率的损耗。通过 电气控制方式，使得整个系统具有结构紧凑，成本低廉，操作方便，易于控制等优点， 更适合于弹跳机器人。 在本设计方案中，不仅要求机器人的弹跳性能，还要求其微型化，即