针对可变形履带机器人的动态变形方法

-.z2010IEEE国际会议关于机器人与仿生技术的会议记录十二月14-18日，2010，**，中国针对可变形履机带器人的动态变形方法摘要——对变形机器人阿米巴II来说，重构一直是一个重要的问题。在移动过程中，履带与地面之间的摩擦使机器人的变换完成困难并且消耗大量的能量。为了解决配置问题，本文提出了一种对可变形履带机器人的动态形态转换的方法。它可以利用摩擦的一局部能量推动可控制的轨道旋转移位。基于动态模型的分析，可将扭矩更均匀地分配给每个机器人的电机，通过调整运动的速度和行驶速度防止在一个特定的运动轨道中过度消费形状位移。此外，这种方法可以减少在位移过程中的能量消费。空间限制也使得分析所需的空间形状变化过程是有必要的。基于动态模拟分析说明，动态变形可以使可变形机器人更高效。Ⅰ.引言随着社会的开展，越来越多的机器人将出现在人类劳动的地方。他们在恶劣的环境下，如排爆，灾难现场，和生命的禁区执行各种任务的危险。对于移动机器人，要在各种环境中完成这些任务，机动性是一个主要的要求。一个机器人一个单一的配置可能会在一个特殊的环境有突出的机动性，但它在其他环境中可能机动性很差甚至无法完成任务。在多个环境中的机动性对于一个机器人的重构是非常重要的。有很多好的设计与重构功能的机器人PackBot

[1

]，REMOTEC

Andrus机器人[2]，[3]，手推车mk8

[4]，阿滋慕[5]，rlma

[6]，玛蒂尔达[7]，murv-100

[8]，和赫利俄斯机器人[9]。基于这些机器人的分析，一个可变形履带机器人名叫变形虫II

[10]开发了。变形虫II有两个主要的配置以及辅助配置以适应各种环境和完成各种任务。此外，基于前代，阿米巴II的新一代还设计了实施两栖任务的功能。与正常的移动机器人相比，针对可变形机器人重构方法一直是一个棘手的问题，由于地形和机器人之间复杂的相互作用。在正常的构型转化过程中，有一个单位转换驱动执行过程。在这过程中，地面与轨道间的瞬间的力量是巨大的，因此对电机转矩的需要和执行转化消费的能量也随之增加。大扭矩可能损坏电动机和机器人，大能源消耗将减少的机器人的工作时间。因此，改变机器人在降低转矩和转变能量消耗配置的过程是非常重要的。在本文中，一个对变形机器人的动态变形的方法将在转型的过程中采用。在这个过程中的动态变形，不仅只有一个单位负责转变，也有其他单位将有助于转变。这种方法可以利用一局部摩擦驱动形状由可靠的过程轨道旋转控制进展转换。本文的组织如下：第二局部简要介绍阿米巴II机制的配置。第三局部提出了一个动态模型，阿米巴II执行过程中的动态形状改变。局部四，提出了动态变形仿真结果运动，并给出了我们的分析结果。最后，我们的结论是在第五局部提出。II.配置和机制amoeba-ii任务描述局部提出了机器人不仅可以快速移动，在开放的空间还可以通过裂缝和跨越障碍。变形虫II为了执行这些任务转变了并行配置和线性配置配。1〕并行配置：如图1，为使阿米巴II在崎岖的地形行进，并行配置为主要运动的配置，随着地形的变化并行配置，软移动具有高适应性，机器人可以前后移动和改变方向控制两个轨道速度。移动单元移动的方向相反速度，机器人将在原来的位置通过。调制的相对角度的机器人单元之间，变形虫II可以改变姿势实现和地面之间的接触。移动台在爬障碍，如图1〔b〕。2〕线性配置：如图2〔a〕由于有宽度尺寸的限制，机器人通过线性配置可以通过狭窄的空间如倒塌的建筑物狭缝和楼梯，它是这些机器人一个根本能力。通过调整机器人的运动姿态连续，变形虫II可以通过楼梯如下图图2〔b〕。〔a〕对地形行结的平构〔b〕阿米巴II的适应性图1.阿米巴Ⅱ并行配置〔a〕变形虫II通过紧凑的空间〔b〕变形虫II穿过楼梯图2.阿米巴II线性配置为实现这些配置的姿势，阿米巴II机构对称设计，如图3所示。变形虫II由两个移动单元，两个节单元连接。图3.阿米巴II机制1〕移动装置：如下图，该移动单元包括一个轨道，两个电机，两个控制器，两个链轮，和防水盒。轨道可供给接触面积大的机器人满足适应性要求。因此，它作为阿米巴Ⅱ的根本驱动机制。同时，跟踪生产刺获得高附着系数。电机将由链轮传动。防水箱是专为两栖任务。图4.移动单元的机制2)俯仰装置：如图5，俯仰装置包括被动齿轮，防水盒和一个被动轮。俯仰装置用于将电源模块的自由度到达垂直的姿势如图5b所示。被动齿轮啮合的直齿圆柱齿轮由电机驱动，在连接单元。防水盒用来放置电源和控制器。被动轮是用来支撑盒减少箱与地面之间的摩擦。〔a〕俯仰机构〔b〕阿米巴II俯仰自由度图5.阿米巴II音调单元3)连接单位：连接单元用于驱动两个移动单元为一个适宜的配置运动形式。直齿圆柱齿轮是由直流电机驱动连接单元通过涡轮蜗杆传动。转向齿轮空侧切断，节省空间。此外，齿轮的孔是用来降低整个机器人质量。如图6所示，在配置转型过程中，在连接单元的直流电机开场旋转并带动驱动齿轮旋转。因为直齿圆柱齿轮和被动齿轮之间的啮合，移动台开场围绕被动齿轮轴旋转。阿米巴II构造由平行构造到线性构造之间改变。图6.阿米巴II单元连接Ⅲ.阿米巴Ⅱ的动态形体变化在形体变化这个过程中，对机器人的履带保持与地面接触，他们之间也有滑移。接触和滑移会产生动态摩擦会抵抗的过程形态转换。该连接单元需要电机产生足够的转矩平衡力矩抵抗动态摩擦。在这一过程中，因为动态摩擦，电机也消耗更多的能量。在正常的形状变化过程中，电机移动台不旋转，轨道只是侧滑被动。该连接单元电机是唯一一个驱动，需要该电机的负荷大。此外，它消耗更多的功率，产生更多的热量可能会损坏电机的连接单元。图7.动态变形当连接单元的电机驱动，移动单元的驱动电机也开场转动。它可以使零间件的摩擦力转换，可通过调整帮助改变电机的速度。由于这些原因，一个被称为动态变形的新方法被用于降低抵抗的影响，如图7。在这个动态变形的过程中，该移动单元电机驱动时，电动机连接单元也驱动。动态变形能把负载分布于机器人的各个电机上，因此很容易为机器人改变其配置。这个新的形态转换的方法，它需要调整驱动电机旋转的轨道速度和连接单元的电机转速之间的关系。转速包括方向和速度的旋转。A.运动学分析的动态形状移图8.该模型的动态变形坐标系统的定义如下：惯性框架o-*y是基于阿米巴II中心的初始位置质量，另一个框架是基于o2-*2y2在左移动单位，如图8所示，在框架o-*y，O作为整个机器人的初始位置，连接点的选择要垂直的整个机器人对称轴。此外，在框架o2-*2y2

o2*2，选择要垂直于左边移动的单元轴。对移动单元的分析可以说明于整个机器人的构造是对称的。在框架o-*y中，点OM〔*M，YM〕是整个机器人的连接单元，点O2〔*2，Y2

〕和点O3〔*3，Y3〕是左移动单位。然后这些点之间的几何关系，可以通过以下公式确定〔M1，M2，M3的地方〕分别是左移动单元和移动连接单元的质量。根据机器人的构造对称性，M2，M3，*1

=

0，*2

=

-

*3和Y2

=

Y3。因此，该点的坐标是OM如图8所示，O1之间的几何关系和O2可以通过Y1、Y2

=

lsin确定位置。OM的速度可以由以下公式确定其中L是左旋转轴之间的单元移动距离，左边移动单元转角如图8所示。在框架o-*y中，这一点是对轨道区域连接的任意一点间的速度可通过向左移动单元的速度确定，向左移动单元和地面的相对速度局部框架如下：如果轨道的VT驱动速度为零，这意味着驱动电机的旋转和轨道不只是侧滑。它变为正常的形状变化过程。B.动态分析动态形状移在硬外表均匀土壤情况下，如沥青，混凝土，路面，一般各向异性摩擦模型可以假设的库仑定律如下：其中，P〔A〕上的点的轨道接触压力取决于地面类型和摩擦系数。然后离开的动态摩擦合力轨道接触面积的可以由由于机器人是对称的，产生的力矩通过正确的移动单元，所产生的力矩与左边是相反的。因此，机器人的合力矩为零，机器人不会转动，只是位移。根据动量定理，整个机器人的动力学方程如下：其中J是在Y轴方向上的单位向量，M

V是对整个机器人的速度方程。由于对称性，组件对移动单元的*轴方向的摩擦与左边的部件相对。因此力只在Y轴方向。扭矩，连接单元需要电机电源可以利用矩平移确定方法如下：电力从左轨道的地形绘制可建模为[14]：由于对称性，对功率损失的总和是整个机器人双轨道的。另一方面，在动态变形过程中，机器人向前移动，所以机器人需要更多的空间，在动态形态转换的过程中。机器人的位移可由其中T是在动态的过程中所消耗的时间的形状变化的角度测定Ⅳ.仿真结果及分析a.阿米巴II

参数第三局部的动态分析，仿真进展了在找的机器人的性能的形状变化过程。力学参数表中所示的变形虫II。左边移动旋转轴之间的距离L40厘米。这是假设那阿米巴II在水泥路面上，并且摩擦系数为0.75。b.模拟的动态变形该变形的过程是在连接单元的电机转速影响形状变化的过程期间，控制调节连结单元的电机转速和驱动电机的跟踪速度。当设置时间不到10秒，该连接单元的转速应该为20

rad/s，机器人的性能可以通过调整驱动电机的速度与跟踪过程中的动态变形。在正常的过程中获得的性能形状改变，它只需要设置执行速度铁路轨道的零电机1〕形状变化过程的功率损耗在这个过程中的变形，有三个发电机：一个是左驱动电动机移动单元，另一个是右移动伺服电机单元，和第三是连接单元的驱动电动机。一个功率消耗的主要局部是抵抗内部和外部产生的摩擦力，，它最后转换为热量。权力的左边局部转换成动能推动移动机器人。内部功率损失一般为定值，所以它只是需要考虑外部的功率损耗。如下图，功率损耗P〔VT〕在不同的轨道速度可计算由方程〔10〕。在这个图中，作为轨道速度的增加，功率损失先减小，然后通过最低点增加。如果在轨道上的速度是较低的，由于摩擦而产生的滑移在连接电机轴旋转单元的功率损耗将增加。另一方面，如果在轨道上的速度是高的，功率损失是由于在电机旋转滑移移动单元。履带的驱动速度〔VT〕在3厘米/秒和4厘米/秒之间得到一个平衡点，功率损耗最小。图9.功率损耗和轨道的速度之间的关系2〕单元的电机转矩该连接装置需要提供反力矩马达抵抗摩擦产生的力矩。如图10所示，当轨道的速度增加，扭矩M〔VT〕的单元电机可由方程〔9〕计算。结果说明，脱扣力矩下降轨道的速度增加。原因是通过对旋转产生的摩擦有助于元件移动单元围绕铁路轨道运动至该连接单元轴。在这个过程中的变形，如果在轨道上的速度大于4厘米/秒，摩擦绕轴旋转的力矩供给过剩，这将使单元启动马达被动旋转。这种情况说明，价值此刻是在零度以下的图，它是有害于电机的。此外，所需抵抗摩擦的扭矩使轨道上的速度越来越快。图10.对单元电机的转矩3)机器人的位移在这个过程中变形，提出了组件摩擦驱动机器人向前直行。然后机器人需要更多的空间来完成形态转换过程。因此，位移也是一个要考虑的重要的准则。如图11所示，位移D〔，VT〕的机器人以不同的速度可以计算由方程〔11〕。可以看出，位移随着轨道的速度的增加而增加，因此它需要更多的空间来改变机器人的配置。图11.在这过程中机器人的位移C.分析与优化在这个过程中的动态变形，电源损耗P〔VT〕，连接单元的转矩M〔VT〕和形态转换空间D〔VT〕应考虑合理。这些性能指标对于在轨道上的行驶速度〔VT〕和旋转该连动单元速度〔VT〕有很大影响。这时很难使这些目标同时优化，为了解决这个的问题，有必要使用合成的优化结论F〔VT〕如下：重量〔Q1，Q2，Q3〕是重要的性能指标，在形状移过程中他们是Q1和Q2和Q3

。为了简化计算，权重可以得到他们的对于转型的重要性。该机器人的电机转矩连接单元对于顺利完成转型更重要，所以这次的重量指数应大于其他两个。给出了约束条件的权重〔Q1

=

0.3，q2=

0.4，Q3

=

0.3〕，该算法可用于获取适当的决策变量〔VT〕。如图12所示〔一〕，适当的决策变量〔VT=

/

10弧度/秒，VT

=

4厘米/秒〕可以在最低点使机器人得到最好的综合性能。与正常相比与单目标优化P〔VT〕〔功率损耗机器人〕，相应的决策速度Vt低同一角速度的合成优化优化目标F〔，VT〕如图12〔b〕。如果轨道的VT驱动速度与单目标优化的正常速度P〔VT〕是一样的，移形的空间太大机器人的负载扭矩可能造成电机损坏该连接单元。因此，在使用合成的优化方法的动态变形过程中它是更合理和稳定的机器人。〔b〕和VT之间的关系图12.所合成的优化结果Ⅴ.结论和未来的工作本文提出了一种新的变形方法的移动机器人〔阿米巴II〕，可以改变它配置以适应复杂多变的环境来完成任务。不同于以前的变换方法，动态变形过程是移开工作模块帮助转换模块来改变配置。动态分析可以使动态变形的过程得到更好的表现。仿真结果证明了这种方法的可行性和优势。多目标优化方法可以帮助机器人动态变形的过程中获得最正确的综合性能。在模拟中，为了简化计算，该对连接单元的电机转速设置为固定的值，然后在轨道上的的速度调整优化。然而，在形状变化过程中它更有效的改变了两个控制量。我们将在未来的研究中考虑这个问题。阿米巴II的新一代已经组装，动态形状变化的根底实验研究工作，将在未来的研究中完成。引用：[1]

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