【正文】 第 54 頁 共 54 頁1 引言1．1 移動機(jī)器人的發(fā)展概況 隨著科技的進(jìn)步，人類的視野越來越開闊，對未知世界進(jìn)行探索的愿望越來越強(qiáng)烈。迄今為止，人們已經(jīng)開始了對月亮、火星等宇宙星體的探索，也開始對地下埋藏的，乃至海底沉寂的歷史古跡、文化遺產(chǎn)、地理地貌的研究。另外，現(xiàn)代戰(zhàn)爭的復(fù)雜程度越來越高，反恐斗爭的難度也越來越大，需要人們能夠及時準(zhǔn)確地完成各種偵察或作戰(zhàn)任務(wù)。不過，面對各種復(fù)雜的環(huán)境，如宇宙星體日夜溫度變化劇烈、地形高低起伏明顯、戰(zhàn)場情況的突發(fā)性和多變性等，由于生理原因，人們常常束手無策[1,2]。 可遙控控制、能夠適應(yīng)地形變化的移動機(jī)器人，為人類突破這些局限創(chuàng)造了條件。這種機(jī)器人可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度、空間、磁場輻射、重力等條件的影響，完成人類無法進(jìn)行的探測任務(wù)。 移動機(jī)器人是一種能夠與外界環(huán)境交互的智能系統(tǒng)，在有障礙物的環(huán)境中能夠面向目標(biāo)自主運(yùn)動，從而完成一定作業(yè)功能的機(jī)器人系統(tǒng)。用于軍事偵察、反恐防暴等危險作業(yè)的小型地面移動機(jī)器人以其體積小、成本低、生存能力強(qiáng)、運(yùn)動靈活等特點(diǎn)成為移動機(jī)器人研究領(lǐng)域的又一熱點(diǎn)。由于其工作環(huán)境復(fù)雜多變,很多時候要求機(jī)器人不是避開障礙或復(fù)雜地形,而是要越過并適應(yīng)它。所以,研究開發(fā)具有越障功能的小型地面移動機(jī)器人以適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境是非常必要的。與傳統(tǒng)的以研究機(jī)器人智能、決策等為目的而開發(fā)的輪式移動機(jī)器人相比,在機(jī)動性、越障能力、集成設(shè)計(jì)等方面出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)問題[3,4,5]。1 .2 輪腿式移動機(jī)器人的發(fā)展趨勢 輪腿式移動機(jī)器人的發(fā)展較為發(fā)達(dá)，各國都在大力研究。其中有像翻滾型輪腿式移動機(jī)器人（如圖1），管道型輪腿式移動機(jī)器人如圖2），輪腿式變結(jié)構(gòu)移動機(jī)器人（如圖3）等多種新型的移動式機(jī)器人[6]（。并且向著智能化，微型化發(fā)展，越來越來多的微型智能化移動式機(jī)器人出現(xiàn)在社會的各個行業(yè)中，并且充當(dāng)著重要的角色。 圖1翻滾型輪腿式移動機(jī)器人 圖2管道型輪腿式移動機(jī)器人 圖3 輪腿式變結(jié)構(gòu)移動機(jī)器人 據(jù)國外媒體報道，近日美國研究人員推出一款取名為“Three”的新式netbook電腦機(jī)器人[9]（如圖4）。據(jù)介紹，該機(jī)器人的底盤結(jié)構(gòu)為兩個滑動輪胎，而輪胎的中間連接部分則負(fù)責(zé)承載netbook電腦。整個設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單而且十分易于實(shí)際操作，即使沒有相關(guān)的原理知識，也能夠在說明書的介紹下方便控制以及拆卸安裝。圖4“Three”新式netbook電腦機(jī)器人　　 設(shè)計(jì)人員還表示，該機(jī)器人內(nèi)部裝有大功率發(fā)動機(jī)，以及最先進(jìn)的機(jī)器設(shè)備。僅僅在安裝上相應(yīng)的軟件與裝載上主人識別系統(tǒng)，整個機(jī)器人將完全在顧客的掌控之下，讓顧客享受到全方位服務(wù)。此外，如果顧客覺得仍然不過癮，顧客可以安裝紅外線傳感器以及外置攝像儀器等裝置。又據(jù)悉，為提高反恐防暴機(jī)器人對非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)能力,設(shè)計(jì)出了一種具有良好的機(jī)動性能和轉(zhuǎn)向性能的新型輪—腿—,—腿—履帶復(fù)合移動機(jī)器人[10]（如圖5）。圖5輪—腿—履帶復(fù)合移動機(jī)器人研制機(jī)器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重勞動或簡單的重復(fù)勞動，以及替代人到有輻射等危險環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，因此機(jī)器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域的焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配、鑄造等場合，己經(jīng)開始大量使用機(jī)器人。另外在軍事、海洋探測、航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)林業(yè)甚到服務(wù)娛樂行業(yè)，也都開始使用機(jī)器人。而作為一種新型探測用具，輪腿式移式機(jī)器人由于其機(jī)動性及智能化，可以從事很多人類難以親身參與的工作。如復(fù)雜危險地形的探測、外星球的探測及一些軍事領(lǐng)域的偵查等。機(jī)器人的爬坡和越障能力作為機(jī)器人野外適應(yīng)能力的兩大主要指標(biāo)是地面移動機(jī)器人研究的重點(diǎn)內(nèi)容。又由于輪腿式移動機(jī)器人大多數(shù)時候都工作在崎嶇不平的地形中．傾覆穩(wěn)定性對這種機(jī)器人而言是非常重要的．運(yùn)動過程中發(fā)生的傾覆可能導(dǎo)致機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)失靈、運(yùn)動失控、無法復(fù)位、元件損壞乃至系統(tǒng)報廢等一系列問題是今后輪腿式移動機(jī)器人研究的重點(diǎn)內(nèi)容。真正的智能化和完全的自主移動的關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)航研究的目標(biāo)就是沒有人的干預(yù)下使機(jī)器人有目的地移動并完成特定任務(wù)，進(jìn)行特定操作。機(jī)器人通過裝配的信息獲取手段，獲得外部環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)自我定位，判定自身狀態(tài)，規(guī)劃并執(zhí)行下一步的動作[11,12]。 輪腿式移動機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究正如人類活動范圍和探索的空間是人類進(jìn)步的標(biāo)志一樣,機(jī)器人的智能同樣體現(xiàn)在運(yùn)動空間的大小上。為了獲得更大的獨(dú)立性,人們也對機(jī)器人的靈活性及智能提出更高的要求,要求機(jī)器人能夠在一定范圍內(nèi)安全運(yùn)動,完成特定的任務(wù),增強(qiáng)機(jī)器人對環(huán)境的適應(yīng)能力。因此,近年來,移動機(jī)器人特別是自主式移動機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的中心之一[7]。(1) 輪腿式移動機(jī)器人的機(jī)構(gòu)形式根據(jù)實(shí)際運(yùn)用環(huán)境的需求 綜合輪式和腿式運(yùn)動機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種多驅(qū)動模式的輪腿式移動機(jī)器人．整個機(jī)器人由六個結(jié)構(gòu)左右對稱的運(yùn)動單元和車體構(gòu)成．每個運(yùn)動單元具有一個轉(zhuǎn)向臂、一個擺臂和兩個電動輪(驅(qū)動輪和爬行輪。對于運(yùn)動在不平坦地形中的移動機(jī)器人而言,，它有六個獨(dú)立的輪腿運(yùn)動單元,該系統(tǒng)可以實(shí)時改變機(jī)器人的構(gòu)形和速度,該系統(tǒng)所產(chǎn)生的動作實(shí)時性好、可靠性高,能夠降低機(jī)器人白主越障過程中的危險[14,15]。(2) 輪腿式移動機(jī)器人的組成輪腿式移動機(jī)器人的 驅(qū)動裝置輪腿式移動機(jī)器人的導(dǎo)向裝置輪腿式移動機(jī)器人的換向裝置輪腿式移動機(jī)器人的制動裝置 本次設(shè)計(jì)目的及意義 輪腿式移動機(jī)器人的驅(qū)動裝置是一種復(fù)合移動系統(tǒng)，結(jié)合輪式和腿兩種移動方式的特點(diǎn)，世界各國均投入了大量研究。課題對機(jī)器人腿式和輪式移動原理進(jìn)行了解和掌握，在此基礎(chǔ)上對兩種移動方式進(jìn)行綜合，設(shè)計(jì)出一種適合野外非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動機(jī)器人驅(qū)動裝置，在機(jī)構(gòu)上有所創(chuàng)新，機(jī)器人能夠在復(fù)雜路面上行走、具有較強(qiáng)的越障能力。在機(jī)械CAD環(huán)境下設(shè)計(jì)驅(qū)動裝置的總體方案和結(jié)構(gòu)，各種機(jī)電元件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并對機(jī)器人越障行為進(jìn)行分析與研究。2 總體方案 課題要求 課題要求對機(jī)器人腿式和輪式移動原理進(jìn)行了解和掌握，在此基礎(chǔ)大對兩種移動方式進(jìn)行綜合，設(shè)計(jì)出一種適合野外非結(jié)構(gòu)環(huán)境短的移動機(jī)器人驅(qū)動裝置，機(jī)器人能夠在復(fù)雜路面大行走、具有較強(qiáng)的越障能力。在機(jī)械CAD環(huán)境短設(shè)計(jì)驅(qū)動裝置的總體方案和結(jié)構(gòu)，各種機(jī)電元件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并對機(jī)器人越障行為進(jìn)行分析與研究設(shè)計(jì)技術(shù)要求：1．每個輪子獨(dú)立驅(qū)動，采用環(huán)境適應(yīng)能力好的六腿式結(jié)構(gòu)。2．重量短于45Kg ，外形尺寸長度不超過800mm，寬度不超過600mm 。3．機(jī)器人最大移動速度10Km/h，具備越障和爬坡能力。4．要求能夠翻越250mm高的障礙,能夠爬15176。的斜坡。 總體機(jī)構(gòu)方案 輪體配置方案的選擇 輪腿式移動越障機(jī)器人依靠輪與腿的共同作用來行使與越障,因?yàn)槠浞秸系K時需要很好的平穩(wěn)性,所以考慮用對稱的結(jié)構(gòu)對輪腿式機(jī)器人的平衡性有很大的幫助,在所考慮的4輪腿式和鋁六輪腿式機(jī)器人中,顯然,六輪腿式較四輪腿式有著更好的平衡性與抗震性,故選用六輪腿式結(jié)構(gòu). 六輪腿式機(jī)器人的結(jié)構(gòu) 因?yàn)樵谛惺沟倪^程中,輪腿機(jī)器人是需要越障行使,其越障機(jī)構(gòu)的形式就是我們研究的重點(diǎn),如何分配這六個輪子,每個輪子是什么樣的驅(qū)動,怎樣 控制其越障,各個輪子在越障時實(shí)現(xiàn)怎樣的動作也是我們應(yīng)該考慮的. 在設(shè)計(jì)時考慮了兩種形式機(jī)構(gòu)1) 搖臂轉(zhuǎn)向架式六輪腿式行使機(jī)構(gòu) 其結(jié)構(gòu)簡圖如圖21所示,其結(jié)構(gòu)有兩個獨(dú)特之處: (1) 各輪有獨(dú)立控制轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。(2) 通過差速齒輪軸連接兩側(cè)行使機(jī)構(gòu),并將機(jī)器人機(jī)體與差速軸箱體固定. 圖21 搖臂轉(zhuǎn)向架式六輪腿移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡圖 2） 獨(dú)立驅(qū)動六輪腿式移動機(jī)器人行使機(jī)構(gòu) 該機(jī)構(gòu)簡圖如圖22所示，本機(jī)構(gòu)的六個車輪為獨(dú)立驅(qū)動，每個車輪都有各 自的直流電機(jī)驅(qū)動，另外，每一條腿都有一個獨(dú)立的直流伺服電機(jī)驅(qū)動，且配有增量編碼器。每一條輪腿構(gòu)成一個獨(dú)立的伺服驅(qū)動系統(tǒng) 圖22 獨(dú)立驅(qū)動六輪腿移動機(jī)器人 綜合考慮各方面的條件，搖臂轉(zhuǎn)向架式六輪腿式行使機(jī)構(gòu)雖然設(shè)計(jì)比較好，能夠大大減少整體的質(zhì)量，但是設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，不能很好的進(jìn)行理解，而相比較下獨(dú)立對稱式六輪腿移動結(jié)構(gòu)都是對稱機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)較為簡單，也比較容易入手。 所選結(jié)構(gòu)六輪腿的分布 將六輪分為3組，每一組輪具有相同的運(yùn)動軌跡，分別為前排輪后，中排輪，后排輪，如圖23所示。前排輪前排輪前排輪 圖23 輪腿分布 越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 為使機(jī)器人能夠順利地越過250mm的高度，應(yīng)該設(shè)計(jì)臂的結(jié)構(gòu)使得其有越障的能力，考慮到四搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為簡單，所以設(shè)計(jì)搖桿機(jī)構(gòu)，作為越障機(jī)構(gòu)的臂，而四桿機(jī)構(gòu)中，平行四邊形機(jī)構(gòu)比較容易控制角速度，所以，考慮臂的部分用平行四邊