移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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1、移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 摘 要：移動機器人是機器人的一種。本文在分析國內(nèi)外移動機器人研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型移動機器人結(jié)構(gòu)——將輪式驅(qū)動系統(tǒng)和步行式運動機構(gòu)相結(jié)合，在兩個電機的驅(qū)動下，通過一些簡單的傳動機構(gòu)，使機器人可以實現(xiàn)單方向的步態(tài)行走。同時配合車輪運動，使機器人不僅具有一般輪式機器人移動速度快、控制簡單的特點，還具有較好的越障能力。 關(guān)鍵詞：移動機器人；步行機構(gòu)；運動學分析 1 引言 在工業(yè)機器人問世30多年后的今天，機器人己被人們看作為一種生產(chǎn)工具，同時隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，各種各樣的機器人也被開發(fā)出來去適應制造領(lǐng)域以外的各個行業(yè)，其中移動機器人成為機器人學

2、發(fā)展中的一個重要分支。移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，移動機器人具有移動功能，在代替人從事危險、惡劣(如輻射、有毒等)環(huán)境下作業(yè)和人所不及的(如宇宙空間、水下等)環(huán)境作業(yè)方面，比一般機器人有更大的機動性、靈活性。隨著科技的進步，人類對未知世界進行探索的愿望越來越強烈，移動機器人的發(fā)展也日新月異。在對移動機器人的研究中，人們提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來越多的專家學者和工程技術(shù)人員的興趣，更由于移動機器人在軍事偵察、掃雷排險、防核化污染等危險、惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運上具有廣闊的應用前景，使得對它的研究在世界各國受到

3、更為普遍的關(guān)注。 國外對于移動機器人的研究起步較早，日本是開發(fā)機器人較早的國家，并成為世界上機器人占有量最多的國家，其次是美國和德國。進入90年代，隨著技術(shù)的進步，移動機器人開始在更現(xiàn)實的基礎(chǔ)上，開拓各個應用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M軍。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動機器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位，俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼承者，在機器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有相當雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER科技有限公司把在開發(fā)空間機器人中獲得的經(jīng)驗應用于開發(fā)地面機器人系統(tǒng)，如極坐標平面移動車、爬行移動機器人、球形機器人、工作伙伴平臺以及ROSA-2移動車等，最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游機器人一一“勇氣”號與“機遇”號。雖然國內(nèi)有關(guān)

4、移動機器人研究的起步較晚，但也取得了不少成績。2003年國防科技大學賀漢根教授主持研制的無人駕駛車采用了四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)以及機器學習等智能控制算法，在高速公路上達到了130 Km/h的穩(wěn)定時速，最高時速170 Km/h，而且具備了自主超車功能，這些技術(shù)指標均處于世界領(lǐng)先的地位[1]。但是我國在機器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計和制造能力、高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應用等方面，同發(fā)達國家相比，我國仍存在較大的差距。未來研究熱點是將各種智能控制方法應用到移動機器人的控制。 本課題主要是針對在不同的路況環(huán)境下，機器人的運動能夠適應不同的路徑和環(huán)境而提出的，要求

5、機器人能在平坦的直行路面以較快的速度行走，在復雜環(huán)境下能完成爬越斜坡、臺階，實時避障等任務(wù)，具有更廣的道路通過性和靈活性，也可以為機器人的運動和控制提供一個很好的研究平臺。 2移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1 總體機構(gòu)方案 2.1.1行駛機構(gòu) 到目前為止，地面移動機器人的行駛機構(gòu)主要分為履帶式、腿式和輪式三種。這三種行駛機構(gòu)各有其特點[2]。 （1）履帶式 履帶最早出現(xiàn)在坦克和裝甲車上，后來出現(xiàn)在某些地面行駛的機器人上，它具有良好的穩(wěn)定性能、越障性能和較長的使用壽命，適合在崎嶇的地面上行駛，但是當?shù)孛姝h(huán)境惡劣時，履帶很快會被磨損甚至磨斷，沉重的履帶和繁多的驅(qū)動輪使得整體機構(gòu)笨重不堪，消

6、耗的功率也相對較大。此外，履帶式機構(gòu)復雜，運動分析及自主控制設(shè)計十分困難。 （2）腿式 腿式機構(gòu)具有出色的越野能力，曾經(jīng)得到機器人專家的廣泛重視，取得了較大的成果。根據(jù)腿的數(shù)量分類，有三腿、四腿、五腿和六腿等各種行駛結(jié)構(gòu)。這里我們簡單介紹一種典型的六腿機構(gòu)。 一般六腿機構(gòu)都采用變換支撐腿的方式，將整體的重心從一部分腿上轉(zhuǎn)移到另一部分腿上，從而達到行走的目的。行走原理為:靜止時，由六條腿支撐機器人整體。需要移動時，其中三條腿抬起成為自由腿(腿的端點構(gòu)成三角形)，機器人的重心便落在三條支撐腿上，然后自由腿向前移動，移動的距離和方位由計算機規(guī)劃，但必須保證著地時自由腿的端點構(gòu)成三角形。最后支撐

7、腿向前移動，重心逐漸由支撐腿過渡到自由腿，這時自由腿變成支撐腿，支撐腿變成自由腿，從而完成一個行走周期。 腿式機器人特別是六腿機器人，具有較強的越野能力，但結(jié)構(gòu)比較復雜，而且行走速度較慢。 （3）輪式 輪式機器人具有運動速度快的優(yōu)點，只是越野性能不太強?，F(xiàn)在的許多輪式己經(jīng)不同于傳統(tǒng)的輪式結(jié)構(gòu)，隨著各種各樣的車輪底盤的出現(xiàn)，實現(xiàn)了輪式與腿式結(jié)構(gòu)相結(jié)合，具有與腿式結(jié)構(gòu)相媲美的越障能力。如今人們對機器人機構(gòu)研究的重心也隨之轉(zhuǎn)移到輪腿結(jié)合式機構(gòu)上來了。 本文設(shè)計的移動機器人不僅要求具有一般輪式機器人移動速度快、控制簡單的特點，還要具有較好的越障能力，因此本文選擇輪腿式相結(jié)合的輪腿機構(gòu)作為行駛機

8、構(gòu)。 2.1.2 驅(qū)動形式的選擇 驅(qū)動部分是機器人系統(tǒng)的重要組成部分，機器人常用的驅(qū)動形式主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動三種基本類型[3]。 （1）液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動是以高壓油作為介質(zhì)，體積較氣壓驅(qū)動小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單，能在很大范圍實現(xiàn)無級調(diào)速。但由于壓力高，總是存在漏油的危險，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境，所以需要良好的維護，以保證其可靠性。液壓驅(qū)動比電動機的優(yōu)越性就是它本身的安全性，由于電動機存在著電弧和引爆的可能性，要求在易爆區(qū)域中所帶電壓不超過9V，但液壓系統(tǒng)不存在電弧問題。 （2）氣壓驅(qū)動

9、 在所有的驅(qū)動方式中，氣壓驅(qū)動是最簡單的。使用壓力通常在0.4～0.6Mpa，最高可達1Mpa。用氣壓伺服實現(xiàn)高精度是困難的，但在滿足精度的場合下，氣壓驅(qū)動在所有的機器人驅(qū)動形式中是質(zhì)量最輕、成本最低的。氣壓驅(qū)動主要優(yōu)點是氣源方便，驅(qū)動系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣的環(huán)境中工作。其缺點是：功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時由于空氣的可壓縮性使得機器人在任意定位時，位姿精度不高。 （3）電氣驅(qū)動 電氣驅(qū)動是利用各種電機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動負載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機器人運動。電氣驅(qū)動是目前機器人是用得最多的一種驅(qū)動方式。

10、其特點是易于控制，運動精度高，響應快，使用方便，驅(qū)動力較大，信號監(jiān)測、傳遞、處理方便，成本低廉，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境，可以采用多種靈活的控制方案。 由于本課題所研究的移動機器人驅(qū)動負載小，要求結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高，所以選用了電氣驅(qū)動方式。 2.1.3 驅(qū)動電機的選擇 電動機有直流電動機和交流電動機兩類。常用的交流電動機有三相異步電動機(或感應電動機)和同步電動機。異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，維護容易，運行可靠，價格便宜，具有較好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性，因此，它是工業(yè)中使用最為廣泛的一種電動機。直流電動機雖不及交流電動機結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、維護方便、運行可靠，但由于長期以來交流電動機的調(diào)速問題未能得到

11、滿意的解決，在此之前，直流電動機具有交流電動機不能比擬的良好的啟動性能。到目前為止，雖然交流電動機的調(diào)速問題已經(jīng)得到解決，但是在速度調(diào)節(jié)要求較高，正、反轉(zhuǎn)和啟、制動頻繁或多單元同步協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械上，仍采用直流電動機拖動。根據(jù)本系統(tǒng)的工作特點，本設(shè)計驅(qū)動機構(gòu)選用了永磁直流伺服電機，轉(zhuǎn)動機構(gòu)選用步進電機。其性能優(yōu)越性如下： 永磁直流伺服電機接通直流電即可工作，控制簡單；啟動轉(zhuǎn)矩大，體積小，重量輕，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制，效率高。 步進電機將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈

12、沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單[4]。 2.1.4 驅(qū)動機構(gòu)的選擇 驅(qū)動元件在機器人中的作用相當于人體的肌肉。為了完成預定的動作，機器人必須具備前進驅(qū)動裝置和轉(zhuǎn)向驅(qū)動裝置，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一個關(guān)鍵，本文主要采用電機作為該新型移動機器人的驅(qū)動元件。對電機實現(xiàn)準確的控制，才能使機器人實現(xiàn)精確運動。 目前，電機驅(qū)動裝置主要有以下兩種布置方式: (1)集中驅(qū)動方式：即把驅(qū)動電機布置在車體上，在通過傳動裝置，將動力輸出到每個車輪上，使車輪運動。電動汽車便是典型的集中驅(qū)動方式

13、。對于智能移動機器人，集中驅(qū)動方式并不合適，主要是由于其難以實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向，對車體進行精確定位。 (2)集中控制——分布驅(qū)動方式：即在每個驅(qū)動車輪上都設(shè)置電機，驅(qū)動車輪運動或轉(zhuǎn)向。電機由安裝在車體上的中央控制元件控制其轉(zhuǎn)動速度。這種結(jié)構(gòu)簡單，而且便于實現(xiàn)，有利于運動機構(gòu)性能的發(fā)揮。目前各國的空間探測車均采用這種驅(qū)動方式。 本方案采用集中控制——分散驅(qū)動方式。車輪和前進驅(qū)動電機做成一體式結(jié)構(gòu)，即為電動輪。在車輪和支架連接處，裝設(shè)轉(zhuǎn)向電機，驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)向。 2.1.5車輪 車輪的直徑對機器人的速度和越障能力都有很大的影響。使用同樣的電機，車輪直徑增加，機器人的速度會同時增加，二者之間是一種線性

14、關(guān)系。另外，按照車輛理論的分析，車輪的直徑增大可以明顯提高機器人的越障能力。但是，車輪直徑變大的同時，車輪表面所受的電機轉(zhuǎn)矩卻會下降。根據(jù)車輛地面力學理論，剛性車輪的寬度越寬，車輪的土壤沉陷量越小，土壤的壓實阻力也就越小。不過，車輪變寬后，機器人的轉(zhuǎn)向阻力也會變大。另外，增加車輪的直徑比增加車輪寬度對減小壓實阻力更為有效。因此，必須根據(jù)實際情況設(shè)定車輪直徑和寬度，不能盲目加大車輪直徑和寬度。 2.1.6移動機器人的主要特點 1）移動機器人的結(jié)構(gòu)特點 本六輪智能移動機器人采用整體車身結(jié)構(gòu)。車身通過兩個鉸座與前后兩個車架連接，使車身及承載物的重量能被兩個車架平均承受，再平均分配給每個車輪，從

15、而使各車輪的受力均衡，提高整個車輛的承載能力。同時由于車身與前后車架可以繞其相應的鉸座相對轉(zhuǎn)動，大大提高了它對不同復雜路面的適應能力[5]。 機器人的主要運動結(jié)構(gòu)為前后兩個車架及其相關(guān)機構(gòu)。每個車架上設(shè)有三個車輪和配套的驅(qū)動電機及轉(zhuǎn)向舵機，可以分別實現(xiàn)滾動和轉(zhuǎn)向。三個車輪的接地點呈三角形分布，使各車架均具有自身的穩(wěn)定性。三個車輪各自通過一套連桿機構(gòu)與車架相連，通過簡單的機構(gòu)傳動，可以使三個車輪完成協(xié)調(diào)的步態(tài)行走。其中當一個車輪抬起時，另外兩個車輪著地；兩個車輪抬起時，一個車輪著地。將前后兩車輪架上的六個車輪通過機構(gòu)連接起來，便可以實現(xiàn)六個車輪實現(xiàn)協(xié)調(diào)步態(tài)行走。其中三個車輪抬起，三個車輪著地。

16、由于始終有三個車輪著地，即使行走速度較慢，也可以保證整個車體的穩(wěn)定性。另外，當機器人處于六個車輪同時著地時，可以通過各車輪上的驅(qū)動電機和舵機驅(qū)動各車輪，實現(xiàn)機器人的前進、后退和轉(zhuǎn)向。 2）基本參數(shù) 我們所要研制的移動機器人基本參數(shù)如下: 外廓尺寸 長:1600mm 寬:800mm 高:800mm 巡航車速:0.1m/s 最高車速:0.13m/s 輪胎規(guī)格：直徑170 mm 輪寬25 mm 3）技術(shù)參數(shù) 機器人的技術(shù)指標反映了機器人

17、所能勝任的工作和具有的最高操作性能，是選擇和設(shè)計機器人都必須考慮的關(guān)鍵問題。機器人的技術(shù)指標一般包括以下幾個方面： (1)結(jié)構(gòu)形式 機器人的結(jié)構(gòu)形式是指機器人運動鏈的形式：如關(guān)節(jié)式、球坐標式、直角坐標式、圓柱坐標式等。 (2)自由度和類型 自由度是表示機器人動作靈活程度的參數(shù)，是指機器人所具有的獨立運動關(guān)節(jié)的數(shù)目，一般以沿軸線的移動和繞軸轉(zhuǎn)動的獨立運動數(shù)來表示(末端執(zhí)行器的動作不包括在內(nèi))。自由度越多越靈活，但同時結(jié)構(gòu)越復雜，控制也越復雜。通常情況下機器人的自由度在3--6個之間，而自由度的類型是指屬于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)還是直線關(guān)節(jié)。 (3)運動范圍 是指機器人關(guān)節(jié)的運動范圍。機器人一般由

18、于結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制和控制系統(tǒng)電纜的走線，都對關(guān)節(jié)的運動范圍會產(chǎn)生影響，大多數(shù)機器人的關(guān)節(jié)不可能在同一個方向持續(xù)轉(zhuǎn)動。 (4)重復精度 機器人經(jīng)過多次循環(huán)運動后，到達空間同一位置和姿態(tài)的最大誤差范圍。 (5)控制方式 機器人運動控制的方式，如示教再現(xiàn)、點位控制或軌跡控制。 (6)驅(qū)動方式 機器人是采用液壓、氣動、交流電機或異步電機控制等。 本設(shè)計研究的攀爬機器人的技術(shù)參數(shù)如下表： 表1移動機器人的技術(shù)參數(shù) 機構(gòu)形式 多連桿機構(gòu) 自由度數(shù) 3 驅(qū)動方式 直流伺服電機驅(qū)動 電源 直流電源 控制方式 單片機控制 2.2移動機器人的組成 如圖1所示移動機器人主要由執(zhí)

19、行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。 1）執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)是移動機器人完成各種所需運動的機械部件。 2）驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是移動機器人執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，通常由動力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式。 3）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，并檢查其正確與否的一些裝置。一般包括程序控制部分和行程檢測反饋部分。 驅(qū)動系統(tǒng) 車輪 控制系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng) （包括：機身、腿部） 圖1 移動機器人各系統(tǒng)之間的關(guān)系 2.3 移動機器人機構(gòu)設(shè)計 2.3.1移動機

20、器人步行機構(gòu)設(shè)計 1.步行機構(gòu)簡介 步態(tài)行走機構(gòu)對崎嶇路面具有很好的適應能力，其落足點是離散的，可以在可能到達的地面上選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇支腿的支撐點，也能夠行走自如。 目前出現(xiàn)的行走機構(gòu)按照支腿的數(shù)目來劃分，主要分為兩足和多足結(jié)構(gòu)。兩足結(jié)構(gòu)是通過模擬人體行走時的姿態(tài)而設(shè)計的，主要是采用多關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式，每個關(guān)節(jié)都有相應的電機及運動控制程序控制，整個行走周期落足點的軌跡可以任意調(diào)節(jié)，可以得到比較好的軌跡曲線，并且通過調(diào)節(jié)兩足的相對位置，可以比較好地調(diào)整機構(gòu)整體的重心位置，保持機構(gòu)運行時的平穩(wěn)性[6]。但是由于電機的數(shù)量較多，要使其協(xié)調(diào)工作，控制起來比

21、較復雜，并且對硬件和軟件的要求都比較高。多足結(jié)構(gòu)主要是通過模擬昆蟲的行走步態(tài)，該結(jié)構(gòu)可以較好的保持機構(gòu)的穩(wěn)定性，其中以六足機構(gòu)最為典型。六足機構(gòu)按行走方式又可分為步行式和爬行式。爬行式結(jié)構(gòu)的支腿要求至少有兩個平面的運動:水平面和豎直面。因此，每個支腿至少需要兩個電機來驅(qū)動。要使六條支腿協(xié)調(diào)動作，也需要較好的控制程序和硬件設(shè)備。步行式結(jié)構(gòu)每個支腿僅需要一個電機驅(qū)動，通過機械傳動，可以使用一個或兩個電機同時驅(qū)動六條支腿協(xié)調(diào)運動，控制簡單，對硬件的要求也不高。但是對落足點的軌跡要求較高。否則就不能保證機構(gòu)運動的整體平穩(wěn)性[7]。 設(shè)計步態(tài)行走系統(tǒng)最大的難點是如何協(xié)調(diào)各腿之間的動作，以及如何保證整體

22、的平穩(wěn)性。協(xié)調(diào)各足的動作可以通過機械傳動鏈，使各機構(gòu)有序協(xié)調(diào)地運動，更能保證傳動精度，簡化控制系統(tǒng)。保證機構(gòu)的平穩(wěn)性實質(zhì)上是對落足點的軌跡提出了比較苛刻的要求。即把落足點一個周期的軌跡分為兩部分，前半個周期實現(xiàn)邁步動作，要求落足點盡可能的高于地面，并有一定的水平位移;后半個周期使落足點回到初始位置，并保證其軌跡盡可能的與地面平行障[8]。只有同時滿足以上兩個條件，才能使整個機構(gòu)平穩(wěn)的向前移動。本設(shè)計采用一個電機，通過機構(gòu)傳動，來實現(xiàn)落足點周期性的運動，并且其運動軌跡可以較好地滿足以上兩個要求動[9]。 2.步行機構(gòu)設(shè)計 本智能機器人的步行機構(gòu)為多連桿機構(gòu)，擬采用一個電機驅(qū)動一個端點做圓周運

23、動，通過連桿傳動，實現(xiàn)落足點周期性的往復運動，從而實現(xiàn)機器人的前進、后退以及一定范圍內(nèi)的越障。為了簡化示意圖，現(xiàn)將連桿用直線表示，鉸接點用圓圈表示。連桿機構(gòu)簡圖如圖2所示。 圖2支腿機構(gòu)簡圖 3.曲軸、連桿長度的確定 機構(gòu)設(shè)計過程中考慮各種因素的影響，確定了連桿與曲軸的長度：曲軸11長為100mm，連桿1和8長為224mm，連桿2、5、9、4長為200 mm，連桿3和7長為100 mm連桿6和10長為330mm，固定點A、B間距為240 mm。為實現(xiàn)所要求動作的位置和姿態(tài)，需要3個自由度實現(xiàn)位置移動。 4.步行機構(gòu)原理分析 A、B兩點固定在車架上，

24、C點為落足點(實際是機器人車輪的中心)。所有連桿的連接方式均為鉸接。桿11為曲軸，繞A點做圓周運動，軌跡如圖中圓周所示。通過連桿機構(gòu)的傳動，點C隨整個機構(gòu)做周期運動，從而實現(xiàn)一個周期的行走運動。 為實現(xiàn)整個機構(gòu)協(xié)調(diào)運動，所有連桿采用鉸接的方式。連桿11通過電機驅(qū)動，繞A點做圓周運動。整個機構(gòu)可以分為相互協(xié)調(diào)的三個四連桿機構(gòu)(桿9、10、11、車架；桿5、6、11、車架；桿3、4、5、7)和兩個三角架(桿1、2、3；桿7、8、9)。兩個三角架各自保持自身三個連桿的相對穩(wěn)定。落足點C為其中一個三腳架的一個端點。其中，四連桿機構(gòu)和三腳架之間以及四連桿機構(gòu)之間都通過共用連桿來傳遞運動。曲軸11同時充

25、當其中兩個四連桿機構(gòu)的曲軸。這樣，在曲軸11的圓周運動過程中，落足點C也將隨連桿機構(gòu)做周期性的運動。 2.3.2運動示意圖 落足點C的運動周期可以分為兩個部分:平移周期(如圖6)和邁步周期(如圖7)。每個周期各占整個運動周期的一半。即，曲軸11從運動到的半個周期內(nèi)，落足點向后平移，實質(zhì)上是實現(xiàn)整個機構(gòu)的向前平移;從運動到的半個周期內(nèi)，落足點向前移動，并且有一定的垂直高度，可以越過一定高度的障礙，使邁步過程順利實現(xiàn)。圖3支腿機構(gòu)平移周期示意圖 圖4支腿機構(gòu)邁步周期示意圖 2.3.3執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計 針對上述的實際情況，綜合各方面的因

26、素，設(shè)計此移動機器人各構(gòu)件的尺寸及制造材料，見表2。 上述構(gòu)件全部采用鋼板造型，然后由焊接連接，大部分零部件均設(shè)計成模塊化，便于更換和二次開發(fā)。車輪采用硬脂塑料車輪，強度大，重量輕。車身通過兩個鉸座與前后兩個車架連接，使車身及承載物的重量能被兩個車架平均承受，再平均分配給每個車輪，從而使各車輪的受力均衡，提高整個車輛的承載能力。在車輪與連桿機構(gòu)的連接處裝有舵機，用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。在車體上設(shè)有中央控制單元，實現(xiàn)電機的運行控制。這樣，六個車輪在結(jié)構(gòu)上集驅(qū)動、減速、傳動和位置監(jiān)測于一身，減少了傳動環(huán)節(jié)和車體重量，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。 表2 移動機器人各構(gòu)件的尺寸及制造材料 機構(gòu)名稱 構(gòu)件

27、尺寸 所選材料 選用理由 步行機構(gòu) 連桿3mm（厚度） 鋼板 價格便宜、加工簡單成型后具有很大的承受力 車輪170mm、25 mm（直徑、輪寬） 硬脂塑料 價格便宜、材質(zhì)輕便、成型后具有很大的承受力 2.4 移動機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計 移動機器人一般多作業(yè)于復雜的環(huán)境。與普通車輛相比，其動力學特性更為復雜，對整體的穩(wěn)定性要求更高，尤其是在機器人轉(zhuǎn)向運動時。目前，移動機器人的轉(zhuǎn)向動作主要通過兩種方式來實現(xiàn)—遙控和程控。遙控主要指利用遙感技術(shù)，由操縱者發(fā)送指令，通過無線電、傳感器網(wǎng)絡(luò)、藍牙等設(shè)備，對機器人進行轉(zhuǎn)向控制[10]。程控是指利用機器人上自帶的工控機、嵌入式等硬件設(shè)備，

28、通過己有的軟件系統(tǒng)，使機器人能夠自主的進行轉(zhuǎn)向等動作。由于作業(yè)環(huán)境的不確定性，往往將兩者結(jié)合起來使用。尤其是遇到大障礙時，要求機器人具有良好的轉(zhuǎn)向靈活性[11]。 本文移動機器人控制系統(tǒng)模式采用自主導航和遠距離控制相結(jié)合的模式。車上設(shè)有傳感和視覺系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，機器人本身具有一定自主導航能力，可以實現(xiàn)自動避障。同時視覺系統(tǒng)可以把視覺內(nèi)容通過無線設(shè)備傳遞給遙控系統(tǒng)，實現(xiàn)遙控功能。機器人自帶蓄電池等能源設(shè)備，可以在一定時間段內(nèi)實現(xiàn)能源的自動供給，保證機器人在失去外部電源的情況下能自動返回出發(fā)地。 最后完成的移動機器人效果圖如下： 圖5新型移動機器人結(jié)構(gòu)示意圖 3步行機構(gòu)運動學

29、分析 3.1上四連桿機構(gòu) 桿9、10、11以及車架構(gòu)成一個四連桿機構(gòu)，位于固定點B的上方，如圖4所示。設(shè)曲軸11與水平軸x的夾角為，連桿10與x軸的夾角為，擺桿9與x軸,桿9、10、11的長度分別為,,。固定點A、B間的距離為。曲軸11繞固定點A轉(zhuǎn)動，角速度為，角加速度為。擺桿9繞固定點B從動。可得方程組 (3-1) 圖6上四連桿機構(gòu)示意圖 解方程組（3-1）可得任意時刻擺桿9、連桿10與x軸的夾角和，由式3-2、3-3可以求得任意時刻擺桿9的角速度和角加速度;由式3-4、3-5可以求得任意時刻連桿1

30、0的角速度和角加速度。 (3-2) (3-3) (3-4) (3-5) 3.2下四連桿機構(gòu) 桿5、6、11以及車架構(gòu)成一個四連桿機構(gòu)，位于固定點B的下方，如圖5所示:設(shè)曲軸11與水平軸x的夾角為，連桿6與x軸的夾角為，擺桿5與x軸。桿5、6、11的長度分別為、、。固定點A、B間的距離為。曲軸11繞固定點A驅(qū)動，角速度為，角加速度為。擺桿5繞固定點B從動?？傻梅匠探M:

31、 (3-6) 圖7下四連桿機構(gòu)示意圖 解方程組（3-6）可得任意時刻擺桿5、連桿6與x軸的夾角和，由式3-7、3-8可以求得任意時刻擺桿5的角速度和角加速度;由式3- 9、3-10可以求得任意時刻連桿6的角速度和角加速度。 (3-7) (3-8) (3-9) (3-10) 3.3落足點的運動學分析 桿3、4、5、7構(gòu)成一個平行四邊形機構(gòu)，連桿3

32、和連桿7始終處于平行。如圖2所示。因此，落足點C的坐標為: (3-11) 落足點在任意時刻的水平速度、垂直速度與水平加速度、垂直加速度為： (3-12) (3-13) 由上式可以看出，根據(jù)曲軸11的運動狀態(tài)，即可得到落足點C任意時刻的位置、速度以及加速度。 4 結(jié)論 本文在對智能移動機器人越障性能的需求進行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種新型的步行機構(gòu)，并且將其與傳統(tǒng)的輪式驅(qū)動系統(tǒng)相結(jié)合，完成了一種新型智能移動機器人的概念設(shè)計。本文僅僅討論

33、了其中結(jié)構(gòu)與機構(gòu)方面的內(nèi)容，論文并不完善，有待于在以下幾個方面作進一步的探索和深化: l)機器人的越障能力和行駛機構(gòu)的參數(shù)選取有很密切的關(guān)系。在結(jié)構(gòu)形式確定的基礎(chǔ)上，有必要對行駛機構(gòu)的參數(shù)作進一步的優(yōu)化，以求得到更好的越障性能和車體的穩(wěn)定性； 2)輪地接觸關(guān)系是一個值得研究的課題。要確定車輪的外形和表面形式，必須對機器人在路面行走時車輪的受力狀態(tài)有深入的研究； 3)在上述分析和研究的基礎(chǔ)上，要積極探索機器人的控制系統(tǒng)的算法。如何將步行機構(gòu)和輪式驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合起來將是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。把控制系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)充分結(jié)合起來，機器人的研究就更有實際意義。 參考文獻 [l]徐國華，譚民.移動

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