履帶式機器人移動底盤的設計

履帶式機器人移動底盤的設計,履帶式機器人移動底盤的設計,履帶式,機器人,移動,挪動,底盤,設計 小型輪履腿復合式機器人設計及運動特性分析 段星光 黃強 李科杰 （北京理工大學機電工程學院 北京 100081） 摘要：針對在室內(nèi)外環(huán)境下對小型移動機器人的運動要求,綜合輪式、履帶式和腿式運動機構的優(yōu)點,研制開發(fā)了一種多運動模式的小型輪履腿復合式移動機器人。該機器人可以進行輪式高速運動、履帶或腿式越障等多種模式的運動。對其運動特性、越障性能、自動復位功能進行了詳細的分析。采用的嵌入式控制系統(tǒng)保證了機器人功耗低、可靠性好、實時性高的控制要求。試驗表明,這種移動機器人運動靈活,具有很好的環(huán)境適應性和較高的越障能力。? 關鍵詞 移動機器人;?運動特性;?運動模式;?越障;?復位; 0前言 移動機器人作為機器人學中的一個重要分支, 在偵察、巡視、警戒、掃雷排險等危險與惡劣環(huán)境 中有著廣闊的應用前景[1]。小型地面移動機器人, 以其體積小,成本低,生存能力強,運動靈活等特 點,成為研究的又一熱點[2]。對于小型地面移動機 器人來說,其工作環(huán)境既可能是在城區(qū)和建筑物內(nèi) 的結構化環(huán)境,也有可能是自然環(huán)境下復雜、未知、 多變的非結構環(huán)境。由于在執(zhí)行某些特定任務時, 要求移動機器人不是避開障礙或復雜地形,而是要 越過并適應它。所以,越障能力是移動機器人適應 各種結構化、非結構化環(huán)境的必要功能。 總的來看,有三種類型的機器人移動機構:輪 式、履帶式和腿式。輪式機器人具有結構簡單、控 制方便、速度高、運動靈活和能耗低等優(yōu)點,但是, 它不適合于跨越像溝壑、臺階、樓梯等障礙,越障 能力差。履帶式結構的機器人相比輪式結構的機器 人有著較強的地形適應能力,在陡峭地形、復雜環(huán) 境下有著較高的越障能力和良好的環(huán)境適應性。但 由于存在較大的摩擦力阻力,特別是在長距離、高 速度運動過程中或者是轉彎時,其能耗很高。從理 論上來講,腿式機器人是最靈活的運動機構,但是, 腿式機器人通常具有復雜的機械結構并且控制復 雜,要想實現(xiàn)穩(wěn)定高速的行走,還有諸多難題需要解決。 以偵察、反恐防暴等危險作業(yè)為應用背景,對移動機器人提出了許多特殊的要求,如質(zhì)量、體積、速度和能耗等。在此,為機器人提出以下具體設計要求。(l)在遠距離平坦路面運動情況下,要求機器 人具有較高的運動速度和較低的能耗。以偵察、反恐防暴等危險作業(yè)為應用背景,對 移動機器人提出了許多特殊的要求,如質(zhì)量、體積、速度和能耗等。在此,為機器人提出以下具體設計要求。(l)在遠距離平坦路面運動情況下,要求機器 人具有較高的運動速度和較低的能耗。(2)在松軟、沼澤、不平坦地形、陡峭的斜面 等自然環(huán)境中保持基本的穿越能力。(3)能夠越過臺階、樓梯等室內(nèi)結構化環(huán)境中 經(jīng)常遇到的障礙。(4)能夠?qū)崿F(xiàn)在狹窄的空間轉彎、旋轉等功能。 (5)質(zhì)量輕、體積小、運動靈活。 (6)在車體發(fā)生翻倒時具有自動復位功能 (7)具有遙控半自主的操作功能,控制系統(tǒng)要 求具有體積小、可靠性高、實時性好的特點。近年來,許多研究人員開發(fā)了各種類型的移動 機器人。輪式機器人是研究最多的一種,有四輪、六輪或八輪等多種形式。如E.Nakano等l3]研制的四 輪全向移動機器人、星球探測機器人Micro一少1、 Roverls]等。為提高機器人的越障能力,研究開發(fā)了 各種類型的履帶式機器人,比如,以室內(nèi)偵察為目的 開發(fā)的0.Centa叨reI6]和L.Ma側比es閉,M.H.naniel[8] 等的用于城區(qū)偵察的小型輕便履帶式機器人,采用了 兩條主履帶和兩個同軸關節(jié)履帶輔助機器人越障。有的采用兩對三角形履帶以適應障礙地形環(huán)境I9]。 在Heliosn也采用了兩對獨立驅(qū)動的履帶。在足式機器人研究中出現(xiàn)了兩足、四足、六足等多種機器人,其中Q.Huang等[1‘,121研究開發(fā)了一種雙 足步行機器人,已經(jīng)實現(xiàn)了穩(wěn)定行走、上下樓梯、 轉彎等基本運動。另外,為綜合輪子和履帶各自的 優(yōu)點,出現(xiàn)了各種危險環(huán)境下的移動機器人平臺, 如Y Maeda等[13]的多功能機器人、Andros系列機器人以及中科院沈陽自動化所研制的 CLIMBER[16]。 通過對不同移動機構運動特性和已有機器人平臺運動特性的綜合析,結合具體的應用要求,這里提出了一種能夠在城區(qū)、建筑物內(nèi)和野外非結構環(huán)境下具備較高環(huán)境適應性、具有一定越障能力和自復位功能的小型輪履腿復合式移動機器人。該機器人可以根據(jù)不同的地形條件變換運動模式。利用輪子實現(xiàn)高速遠距離運動,利用四條單獨擺動的履帶腿提高其越障能力和環(huán)境適應性。系統(tǒng)采用遙控/半自主的工作方式,由遠程計算機通過無線傳輸實現(xiàn)機器人控制,使得機器人工作更具實用性。嵌入式控系統(tǒng)保證了控制系統(tǒng)質(zhì)量輕,體積小、實時性好、可靠性高的要 1機器人結構設計 1.1機器人總體方案 機器人基本結構式是由四個車輪、四個擺臂和車體構成的三節(jié)式復合結構,其機構簡圖如圖 1 所示 。其中代表機器人坐標系, 為車體長度 , 為車體寬度 , 分別表示大履帶輪半徑、小履帶輪半徑、和中心距。 圖1 機器人結構示意圖 機器人采用對稱結構，由四個結構尺寸相同的運動單元和車體構成三節(jié)式結構。每個運動單元包括一個履帶腿機構和一個驅(qū)動輪機構。車輪驅(qū)動采用后輪差速驅(qū)動,分別由兩個電動機經(jīng)減速器傳動至驅(qū)動軸。四條履帶腿均配置在車輪內(nèi)側,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)履帶自身的旋轉傳動,而且能夠繞驅(qū)動輪中心軸擺動。為增強機器 人的運動靈活性,提高機器人的越障能力,四個履帶腿的擺動范圍設計為。中間部分是機器人車體，可裝載控制系統(tǒng)、電池及其他各種設備。為保證其能夠進入建筑物內(nèi)并能越過臺階、爬越樓梯等越障要求,需要對一般建筑物入口寬度、樓梯的結構尺寸、履帶腿長度、履帶輪直徑、車體長度以及整個機器 人的總體尺寸等進行綜合考慮 ,既要滿足其小型化要求,又要保證其要求的越障能力。這種形式的機器人具有與一般輪式機器人相同的轉彎、直線行走等功能； 與一般履帶式移動機器人有相同的爬坡、越障等功能。此外四個獨立驅(qū)動履帶腿, 進一步增加 了運動的靈活性,使得它對各種地面的通過能力和越障能力進一步提高 。 依此方案設計的機器人自由度分配為:兩后輪為2自由度；四個履帶的旋轉傳動為 4 自由度；四個履帶腿繞中心軸的擺動為4自由度。這樣總共需要10自由度?？紤]到機器人質(zhì)量和空間結構的限制,在不影響機器人運動功能的前提下,將兩個后履帶的旋轉傳動與車輪驅(qū)動共用2自由度 ，這樣全部機器人共有8 自由度 。 在驅(qū)動單元,采用了小體積、輕質(zhì)量、大輸出扭矩的DC電動機經(jīng)減速器輸出至傳動軸。由于車體的尺寸限制,特別是在寬度方向的限制,許多移動機器人都采用了蝸輪一蝸桿傳動副或圓弧齒輪傳動副。這種傳動方式在縮小寬度尺寸方面效果明顯,但存在的主要問題是傳動 效率低、能耗損失大。為此 ,在減速設計中采用了與電動機集成的行星齒輪減速器和末級的圓柱齒輪減速傳動,其傳動效率可 以達到 95 % 以上。另外,輪式運動要滿足高速要求,而履帶組擺動的主要目的是調(diào)整機器人越障姿態(tài)或進行腿式運動,速度要求較低,所 以,輪子驅(qū)動采用了較小的減速比,而履帶腿的擺動采用了較大的減速比以提高驅(qū)動力矩,滿足支撐車體時的大扭矩要求 。 1.2內(nèi)外軸傳動機構 在機器人 的四個輪履腿運動單元中，除了輪子的旋轉驅(qū)動以外，還有履帶腿繞驅(qū)動軸的擺動。由于擺動 自由度與驅(qū)動輪在同一個中心軸上,所以, 要求在一 個中心線上實現(xiàn)兩個運動的傳遞。設計 中 采用了內(nèi)外軸的結構形式 , 如圖2所示 。 圖2 內(nèi)外軸傳動結構示意圖 電動機 1經(jīng)過與其集成的行星齒輪減速器 1和 末級 圓柱齒輪減速副將驅(qū)動動力傳給內(nèi)軸,提供整個機器人平臺的輪式運動,實現(xiàn)機器人的直線和轉 彎等運動所需動力。為實現(xiàn)履帶腿的同軸傳動,設計了與內(nèi)軸同心的帶凸緣結構外軸, 其同心內(nèi)孔設計為內(nèi)軸軸承的外圈,外軸軸承通過軸承座支撐整個運動單元。外軸的運動通過凸緣與履帶腿的擺臂相連接以傳遞擺動所需動力。同樣采用電動機、減速器、末級圓柱齒輪副構成擺臂傳動鏈。由于履帶腿的擺動速度較低 ,而且在腿式運動時要求通過控制擺臂關節(jié)角來抬起車體,需要較大的驅(qū)動力矩 , 所以履帶腿驅(qū)動需要選擇較大的減速比。在整個傳動中,均采用齒輪傳動和滾動軸承,減少了傳動效率損失和摩擦阻力,提高了驅(qū)動效率 。 1.3小型化緊湊型結構設計 為滿足機器人小型化的設計要 求 , 特別是在寬 度 方向(動力傳遞方 向)尺寸受 限制的情況下 ，如何設計驅(qū)動系統(tǒng)的空間合理布局是一個主要考慮 的 問題。首先, 在滿足車體速度、驅(qū)動力矩要求的前提下,采用了末級降速齒輪傳動。由于需要在同一 個驅(qū)動中心軸上具備車輪旋轉和履帶腿機構組的擺動兩個轉動自由度,所以,通過這一對齒輪傳動不僅可以錯開中心位置,滿足傳動自由度的要求,而且可以進一步提高驅(qū)動力矩,減小了電動機軸向受力,同時滿足車體的橫向尺寸要求。其次,在電動機、減速器和變速齒輪的傳動設計上,采用了空間緊湊性布局,如圖3所示 。 圖3 緊湊型空間布局 由于在車體的左 右兩側通過支撐板布置 了兩個運動單元,也就是說,左右各需要兩套電動機與減速器驅(qū)動,如果完全對稱排列進行設計,則車體總寬度至少要大于電動機與減速器長度的兩倍,不能滿足車體寬度的要求。為此，將左側驅(qū)動的兩套電動機減速器M1和M2與右側驅(qū)動的兩套 電動機減 速器M3和M4在空間位置交錯布局，既減小了軸向尺寸,又提高了車體空間的利用率,使得設計更加緊湊,也為控制系統(tǒng)在車體內(nèi)的布置提供了更大的空間,滿足機器人小型化的要求 。 1.4 履帶腿機構 每個履帶腿機構都具有2自由度，即履帶本身旋轉運動和整個履帶腿繞驅(qū)動軸擺動。履帶腿由自由履帶輪、驅(qū)動履帶輪和履帶及其支撐張緊機構組成 ,如圖4所示 圖4 履帶腿結構 大履帶驅(qū)動輪經(jīng) 內(nèi)軸傳遞旋轉動力。通過履帶 腿支撐桿連接孔與外軸凸緣相連接來傳遞履帶腿的 擺動運動。對于履帶傳動必 須要有張緊機構 , 一般采用支 撐輪和壓緊輪的方式。如果采用這種方式就需要有四套這樣的張緊裝置 , 不僅增加了機構的復雜程度 , 而且增加了整個車體 的質(zhì)量,不能滿足輕量化的設 計要 求 。 為此 , 在設計中采用了簡潔的螺釘拉緊、端面壓緊的裝置 。 在小履帶輪端的擺臂桿側面 設計 一滑動槽 , 內(nèi)嵌滑塊 , 滑塊機構通過螺釘拉緊履帶 并用四個鎖緊螺栓來鎖緊 。 為了滿足輕量化的要求 , 除了在結構上采取相 應減重措施外(如減重孔)，在滿足受力、摩擦等 的 前提下，在材料上也有選擇的采用了密度較小的非金屬材料 ，如尼龍和聚碳酸醋等。但對于傳動件、摩擦件、主要受力件依然采用金屬材料,以滿足剛度要求。 2 嵌入式控制系統(tǒng) 機器人控制主要有遙控、遙控/半自主和自主方式。自主方式是最理想的形式,但目前以遙控/半自 主方式最為實用。即要求機器人既可以通過遙操作端的指令進行運動控制還可 以實現(xiàn)局部的自主運動.整體控制系統(tǒng)結構如圖 5 所示 。 圖5 控制系統(tǒng)結構圖 2.1控制系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn) 移動機器人采用遙控/半自主的控制方式,遙 操作端計算機通過無線串口 通信模塊發(fā)送任務指令至遠程機器人的上位控制計算機,然后經(jīng)C A N(controller area network) 總線傳送給下位機，實現(xiàn)機器人的運動控制。下位機負責接收上位機的控制指令,并通過A/D 轉換獲得傳感器信息,發(fā)送運動控制命令給電動機驅(qū)動器,通過獲取電動機光電碼盤信號完成對電動機的伺服控制。 鑒于ARM7芯片作為移動機器人的主處理器在數(shù)據(jù)運算和功耗上都具有很大優(yōu)勢,所以選用三星公司ARM7微處理器作為主處理器。ARM7采用SC結構,具有3 級流水線，運算速度高達66MHz，內(nèi)部集成 C A N 總線模塊，功耗是同檔次其他嵌入式處理器中較低的,已被廣泛應用于各種嵌入式系 統(tǒng)中。電動機的運動控制采用了 IT 公司 DSP2812芯片作為主處理器。DSP2812采用哈佛結構,流水線操作并有專用的硬件乘法器,處理速度高達150MHz ,內(nèi)部集成12位A了D 轉換模塊 , 正交脈沖 編碼模塊及 C A N 總線模塊，具有處理速度高、芯片功耗極低、實時性高的特點，在嵌入式電動機控制領域被廣泛應用 。 機器人本體軟件平臺采用實時操作系統(tǒng)。與其他實時操作系統(tǒng)相比,具有結構簡潔,可移植性好的特點。在嵌入式控制器上運行的主要軟件模型是底層的PID伺服控制模型、任務規(guī)劃模型、遠程命令交互和通信模型 。 在遙操作計算機端，為了高效方便地對機器 人運動進行控制 , 其軟件平臺必 須具備良好的人機交 互界面。為此,采用了Windows操作系統(tǒng)。其特點是功能豐富，人機交互界面有好，操作簡便,各種軟件資源豐富。 2 .2 控制系統(tǒng) 中的通 信結構 在移動機器人控制中一個很重要的問題是其通信網(wǎng)絡結構。在遙操作計算機、 ARM與DSP之間如何實現(xiàn)各個處理器、傳感器、運動狀態(tài)等信息快速、實時、可靠的通信是至關重要的。為此,采用無線串口通信模塊傳輸來自遙操作端的任務指令,同時將機器人自身狀態(tài)和環(huán)境信息傳送給遙操作計算機。由于移動 機器人運動控制層的多個DSP處理器和傳感器采用并行處理結構，這樣 A R入1 處理 器 與各運動控制 D S P 處理器 以及傳感反饋等就共同 構成一種 開放式 的通信結構 , 在此 通信 中采用 了 C A N 總線通信方式 ，即運動控制的多個 D S P 處理 器和傳感器信息直接通過 C A N 總線與AR M處理器進行數(shù)據(jù)傳輸。C A N 總線是現(xiàn)場總線的一種方式，是多主方式的串行通信總線 , 是當今流行的工業(yè)控 制總線之一。其特點是傳輸速率高?？闺姶鸥蓴_性強,而且能夠檢測出傳輸中產(chǎn)生的錯誤。由于其良好的工業(yè)性能,己被廣泛應用于各類控制系統(tǒng)中 。 3 機器人運動特性 3 1 運動模式及其特性 該移動機器人的輪履腿復合機構為其提供了多種運動模式,除了具有一般輪式機器人的運動能力 外 , 其運動特性主要體現(xiàn)在越障能力上。由于該機器人裝有四個獨立擺動的履帶腿，通過不同的擺動關節(jié)角控制可以形成不同的機器人越障姿態(tài)。與同等大小的機器人相比,其越障運動更加靈活,越障性能進一步提高。 機器人可以實現(xiàn)的基本運動模式及運動特性 。 3.1.1 輪式運動 機器人履帶腿上擺，四輪著地,如圖 a6所示。該模式用以實現(xiàn)機器人長距離快速高效的運動要求,可以前進、后退、轉彎,減小機器人占地空間 ，減小摩擦 , 提高運動的靈活性 圖6 機器人運動模式 3.1.2腿式運動 該模式可以實現(xiàn)機器人在非結構環(huán)境下的越障 運動,見圖6b,通過控制履帶腿的關節(jié)角,控制機 器人的腿式越障運動,在增加車體凈空高度、提高 非結構環(huán)境下越障能力方面有著明顯效果。 3.1.3履帶運動 該模式以四履帶驅(qū)動為基本運動方式,利用前 后兩對履帶的擺動,來提高機器人的越障能力,其 越障運動特性具體表現(xiàn)如下。 (l)四履帶下擺著地,增大了機器人與地面的 接觸面積,可以使機器人適應松軟、泥濘、沼澤和 凹凸不平等地形條件,見圖7a。 (2)在爬越臺階時,通過前履帶腿上擺形成一 個合適的前攻角,可以方便的越過臺階,其攀越高 度超過輪子直徑的1 .5倍,見圖7b。 (3)通過四條履帶腿機器人可以爬越一般的樓 梯,見圖7c,而在結束下樓梯運動時,通過控制后 履帶腿的擺動關節(jié)角形成一個合適的后攻角,可以 克服下樓梯時的摔落振動,見圖7fo另外,由于機 器人的對稱結構特點,其前后驅(qū)動性能相同,所以 在下樓梯時可以省去在樓梯平臺處的轉彎運動,直 接由后履帶腿變前履帶腿就可以實現(xiàn)下樓梯的 運動。 (4)利用四履帶運動模式爬越斜坡時,由于四 條履帶腿都有驅(qū)動力,所以可以爬越更大角度的斜 坡,增大了爬坡能力,見圖7d。 (5)由于各個履帶腿的擺動是相對獨立的,所 以,在左右兩側可以形成不同關節(jié)角,使得機器人 可以在斜坡上實現(xiàn)穩(wěn)定側向行駛,見圖7e。 穩(wěn)定性受到穩(wěn)定邊界(重心到支撐邊界的最小距離) 的影響。該機器人的多履帶機構,可以通過改變履 帶腿的姿態(tài)達到改變重心或zMp(零力矩點)的位置,以克服固定重心和穩(wěn)定邊界限制。特別是在爬 越樓梯、斜面時,通過擺臂運動可以方便的調(diào)整機 器人重心位置、擴大了機器人接觸區(qū)域,提高在傾 斜障礙物上的運動穩(wěn)定性。 圖7 機器人越障特性 3.2機器人自復位特性 由于移動機器人的工作環(huán)境既有可能是在城 區(qū)、建筑物內(nèi)外的結構化環(huán)境,也有可能是自然環(huán) 境下復雜、未知、多變的非結構環(huán)境,可能會由于 各種原因使機器人翻倒而導致機器人失去運動功 能。該機器人可以利用四個獨立運動的履帶腿實現(xiàn) 車體在翻倒時的復位。圖8表示了一種機器人在翻 倒情況下的復位運動序列。 (l)擺臂L下擺,抬起車體B的一端(左端),使 車體傾斜,由圖8中的位置(a)變?yōu)槲恢脗?。 (2)擺臂R逆時針擺動到圖8c的位置,以便使 支撐區(qū)域靠近機器人重心。 (3)擺臂L逆時針擺動到車體右側,以便調(diào)整 機器人重心右移,見圖8d。 (4)通過擺臂R的擺動支撐,逐步使車體B翻 轉,當重心越過擺臂R的大輪中心時,車體下翻, 使擺臂L與地面接觸,見圖8e。 (5)調(diào)整機器人姿態(tài)為初始姿態(tài),完成機器人復位運動,見圖8f 圖8 機器人復位運動 4結論 提出了一種適應室內(nèi)外結構、非結構化環(huán)境的 小型輪履復合型移動機器人,研究了機構和控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn),并對其運動特性進行了分析。目 前,已完成了該機器人的機械裝配與控制系統(tǒng)設計, 并且進行了輪式運動的前進、后退、轉彎試驗以及 爬越臺階、斜面、樓梯等越障試驗。實現(xiàn)的主要技術性能指標如下表所示 。 圖9為機器人在爬越樓梯時的試驗情況。通過試驗可以看出,機器人具有不同的運動模式和良好的運動特性?？刂葡到y(tǒng)滿足機器人對半自主導航及遙操作的要求?？梢詫崿F(xiàn)在城區(qū)、建筑物內(nèi)和野外非結構環(huán)境的快速行駛和越障運動。與同等大小的其他類型機器人相比,具有質(zhì)量輕、體積小、結構緊湊、越障方式靈活等特點。這種移動機器人平臺可用于軍事偵察、探測、警戒、巡邏或公安、武警系統(tǒng)解決突發(fā)事件,有著廣泛的應用前景 圖9 機器人爬坡實驗 參考文獻 [1]徐國華,譚民．移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢．機器人技術與應用,2001(3):7-14 [2]李科杰．危險作業(yè)機器人發(fā)展戰(zhàn)略研究．機器人技術及應用，2003（5）：14-22 [3]Nakano?E,Koyachi?N.?An?advanced?mechanism?of?the?omni-directional?vehicle?(ODV)?and?its?application?to?the?working?wheelchair?for?the?desiabled.?In:?Proc.?of?the?ICAR,?1983:?277-284 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