【文章內(nèi)容簡介】 好的向各個方向移動且沒有球形輪那么難控制，而且現(xiàn)在麥克納姆輪的制作也比較成熟，下面是麥克納姆輪的原理與協(xié)調(diào)運動原理：： 麥克納姆輪運動參量的定義 麥克納姆外形像一個斜齒輪，輪齒是能夠轉(zhuǎn)動的鼓形輥子，輥子的軸線與輪的軸線成α角度。這樣的特殊結(jié)構(gòu)使得輪體具備了三個自由度：繞輪軸的轉(zhuǎn)動和沿輥子軸線垂線方向的平動和繞輥子與地面接觸點的轉(zhuǎn)動。這樣，驅(qū)動輪在一個方向上具有主動驅(qū)動能力的同時，另外一個方向也具有自由移動（被動移動）的運動特性。輪子的圓周不是由普通的輪胎組成，而是分布了許多小滾筒，這些滾筒的軸線與輪子的圓周相切，并且滾筒能自由旋轉(zhuǎn)。當電機驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)時，車輪以普通方式沿著垂直于驅(qū)動軸的方向前進，同時車輪周邊的輥子沿著其各自的軸線自由旋轉(zhuǎn)。 全方位輪協(xié)調(diào)運動原理 ，輪中的小斜線表示觸地輥子的軸線方向。每個全方位輪都由一臺直流電機獨立驅(qū)動，通過四個全方位輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向適當組合，可以實現(xiàn)機器人在平面上三自由度的全方位移動。4個全方位輪組成的機器人底座的力分析如圖，其中 為輪子滾動時小輥子受到軸向的摩擦力； 為小輥子做從動滾動時受到的滾動摩擦力；ω為各輪轉(zhuǎn)動的角速度。 組合運動圖　 我設(shè)計的腿部分為上肢和下肢兩個部分，上肢連接著機器人的主體和下肢，下肢連接著輪胎，由于要使機器人腿能夠滿足運動要求，所以還需在上肢與機器人主體連接處設(shè)計一個關(guān)節(jié)，一個使腿部結(jié)構(gòu)能在機器人側(cè)面平面旋轉(zhuǎn)360度。而且由于要控制轉(zhuǎn)動和其轉(zhuǎn)動的角度故需要在上肢與下肢關(guān)節(jié)處安裝小型電機，所以要留出空間安裝電機和線路。 圖 對于下肢部分，由于麥克納姆輪可以進行全方位的移動，故不需要加入關(guān)節(jié)，但需要加入剎車系統(tǒng)，以保證及時停車和在使用腿部功能時不發(fā)生滾動，同時在下肢與輪胎連接處設(shè)計平臺安放電機，使其驅(qū)動輪胎轉(zhuǎn)動。一個輪胎對應(yīng)一個電機，這樣才能通過改變每個輪胎的轉(zhuǎn)速來控制方向等復(fù)雜的移動。 圖 上肢： 圖 ，上肢上部分有一個孔與一根軸，軸是與主體內(nèi)電機通過聯(lián)軸器相連，從而來控制上肢繞主體的轉(zhuǎn)動，孔與下部分的豎直孔用來通過電線，最下面兩孔是用來和下肢相連?？傞L約70厘米，寬度約16厘米。下肢： ，下肢除了像上肢一樣的結(jié)構(gòu)外，多加了兩個在旁邊的箱體結(jié)構(gòu)，并且下部分較寬大是用來與輪胎相連。上面的箱體是用力啊裝一個小型電機，通過下肢上端兩個同軸的孔與一根軸相連，來控制下肢繞上肢的轉(zhuǎn)動，而箱體的旁邊上端的孔是用來通過電線。下面的箱體是存放控制輪胎的電機，右邊有用來安放齒輪的空間和通孔來固定齒輪。下肢兩個豎直的同軸孔也是用來通過電線的。下肢總長約1米，下肢主體寬度約20厘米。 主體結(jié)構(gòu)為機器人的主要結(jié)構(gòu)，里面包括了控制系統(tǒng)，四個驅(qū)動電機以及一些傳感器，傳感器包括有紅外傳感器，壓敏傳感器，聲音傳感器等用來充當機器人的眼睛、觸覺和聽覺功能。結(jié)構(gòu)主要為一箱體結(jié)構(gòu)，里面按需要放置電機及系統(tǒng)硬件。 圖 ，四個小箱體是安放控制上肢的電機，旁邊的孔是用來通過電線的，大箱體中間是安放控制系統(tǒng)的電板。在整個零配件都安放好以后可在上方添加一塊板用來保護內(nèi)部元件。按照我的設(shè)想，在這個機器人的基礎(chǔ)上可以在主體上方添加其他功能。 圖 ，另一頭可通過聯(lián)軸器與電機相連。圖 圖 圖中留出了電機和輪子的安裝空間。本章小結(jié)本章主要是對機器人的結(jié)構(gòu)和零件進行設(shè)計和加工，并且在沒有安裝電機的情況下完成基本裝配圖。第三章 移動機器人的移動原理 輪式移動原理主要的為麥克納姆輪的移動原理。 麥克納姆輪是瑞典麥克納姆公司的專利。這種全方位移動方式是基于一個有許多位于機輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個機輪法相力上面。依靠各自機輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個合力矢量從而保證了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動，而不改變機輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多小棍子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動時，各個小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運動靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個這種新型輪子進行組合，可以更靈活方便的實現(xiàn)全方位移動功能。 ，是通過每個輪子的配合使機器人可以超各個方向移動而不需要轉(zhuǎn)彎的過程。 足式移動的原理 在很多場合下，光是輪式移動是不能滿足要求的，比如一家大公司所有的樓層清掃工作，對于輪式結(jié)構(gòu)并不能滿足，它只能每次打掃一層然后需要人將它搬運到其他樓層才能繼續(xù)打掃工作，在這個時候如果機器人能夠自己爬上樓梯并對樓道進行打掃，這樣就方便很多，所以在這里就需要足式移動。機器人的穩(wěn)定行走可通過靜平衡步態(tài)和動平衡步態(tài)來實現(xiàn)。動平衡步態(tài)保持ZMP點平衡，可獲得較高行走速度，但受環(huán)境影響，在未知環(huán)境容易失穩(wěn)。靜平衡步態(tài)則需要機器人的重心平衡，在低速行走、越障和爬樓梯時穩(wěn)定性相對較好，實用性強。假定機器人右前腿編號為腿1，按逆時針順序依次編為腿2, 3, 4，依據(jù)機器人4個足趾著地點劃分為4個象限，則機器人移動不能邁質(zhì)心所在象限的著地腿(腿1和腿2)，只能邁腿3或腿4，(stability margin)來衡量，對于四足機器人，靜態(tài)穩(wěn)定裕度等于機器人質(zhì)心距離支撐二角形邊界的最短距離，當質(zhì)心位于支撐二角形內(nèi)部時取值為正。質(zhì)心落在支撐二角形外部則取值為負。該值越大則機器人越穩(wěn)定。為了評價方便，通常用質(zhì)心和支撐邊界在前進方向的最小距離來衡量，(前進方向向右)。 靜平衡步態(tài)通常需要同時有3條以上的腿支撐(足底支撐面小時)，機器人單足在一個步態(tài)周期內(nèi)有2個事件:抬腿和落腿，因為任意時刻有3條腿著地，所以在下一條腿事件產(chǎn)生之前，可將單足的兩個事件同一化，則四足機器人的靜平衡步態(tài)種類可僅考慮邁腿次序的組合，由于具有不同的邁腿次序，所以步態(tài)周期內(nèi)不同時刻的穩(wěn)定裕度不同。目不同的邁腿次序?qū)?yīng)不同的軀干重心調(diào)整量與次數(shù)。不同的重心調(diào)整方式還將影響一個步態(tài)周期內(nèi)機器人的運動空間需求及軀干調(diào)整的隴調(diào)性。以直線前進為例，對比分析所有步態(tài)的各方面性能，據(jù)四足機器人特點作出如下理想化假設(shè)： (1)機器人向前行走時，4條腿沿著兩側(cè)的兩條平行線前進。 (2) 4條腿的絕對跨距Ψ相等。 (3)忽略機器人邁腿過程中由于腿的移動引起的機器人重心位置的改變。 (4)由于機器人重量基本對稱，因此當軀干前后調(diào)整時，近似認為機器人重心只在前后方向移動。 (5)定義一個簡單的初始狀態(tài)，此時機器人同側(cè)兩足之間距離相等。 基于上述假設(shè)，(前進方向向右)，圖中，狀態(tài)1可認定為狀態(tài)3的特例(L2 =0），狀態(tài)2與3落足點位置對稱，故可僅分析狀態(tài)3。 機器人的初始位置機器人在一個步態(tài)周期中，為維持靜態(tài)平衡需及時調(diào)整重心，不同的重心調(diào)整方案將導(dǎo)致不同的4足落腳點，因此機器人以不同類型步態(tài)前進時，4足落點不同將需求不同的運動空間。機器人的最大運動空間需求是整個步態(tài)周期中4條腿之間相對機器人軀干運動的最大空間，各種步態(tài)的運動空間需求可采用邁腿次序圖例分析法確定。，機器人前后腿之間在前進方向上運動的最大距離是L1 + L2 + Ψ（Ψ為跨距，“邁3腿示意圖”中)。同理可得其它23種步態(tài)的運動空間擊求，經(jīng)比對可得各種步態(tài)所擊運動空間最小量為L1 + L2，對應(yīng)為3412, 3421, 4312, 4321四種步態(tài)(另有4132步態(tài)特殊值:max(L1 L2 + Ψ，L1+L2)。機器人在行進過程中的穩(wěn)定裕度越大則機器人越穩(wěn)定，所以在步態(tài)周期的每一個分步中都試圖獲取更大的穩(wěn)定裕度，如圖3中機器人邁1腿過程，為使該分步穩(wěn)定裕度最大，機器人在邁1腿前需通過軀干調(diào)整使重心O1移至線段AB的中點，此時機器人的穩(wěn)定裕度為: 機器人邁2, 3, 4腿時，通過軀干調(diào)整可能實現(xiàn)的最大穩(wěn)定裕度分別為: 故機器人在整個步態(tài)周期內(nèi)的穩(wěn)定裕度為: 同理可得所有24種步態(tài)的周期內(nèi)最大穩(wěn)定裕度為Sm=L1/4，對應(yīng)步態(tài)有14種，其他10種步態(tài)最大穩(wěn)定裕度為Sm=(L1Ψ)/4[18]。本章小結(jié)這章研究了機器人在平路和對跨障原理的分析，得出機器人的方案是可行的。第四章 對移動機器人控制系統(tǒng)的簡單設(shè)計 由于本次研究主要內(nèi)容為機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計，而且在大學(xué)階段沒有對相關(guān)知識的學(xué)習(xí)，使得我不能對機器人的控制系統(tǒng)做出設(shè)計，以下僅僅是我參考別人的設(shè)計并對我的機器人控制系統(tǒng)的想法。目前，移動機器人控制系統(tǒng)的研究熱點主要包括： (1}移動機器人體系結(jié)構(gòu)。利用分布式智能結(jié)構(gòu)可以提高移動機器人的實時性和魯棒性，并減小移動機器人的體積和自重，使機器人更加輕便、靈活。 (2}控制系統(tǒng)中的傳感器技術(shù)。移動機器人傳感器技術(shù)主要是對機器人自身內(nèi)部的位置和方向信息以及外部環(huán)境信息的檢測和處理。獲取真實有效的環(huán)境信息，是控制系統(tǒng)進行決策的保證。通常采用的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。內(nèi)部傳感器主要包括:編碼器、線加速度計、陀螺儀、磁羅招等。外部傳感器主要包括:視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器等。 (3)控制系統(tǒng)的多傳感器信息融合技術(shù)。多傳感器信息融合是把分布在不同位置的傳感器所提供的局部環(huán)境的不完整信息加以綜合，消除多傳感器之間可能存在的冗余和矛盾，以降低其不確定性，形成對系統(tǒng)環(huán)境的相對完整一致的感知描述，從而提高智能系統(tǒng)決策、規(guī)劃的快速性和正確性，同時降低決策風(fēng)險。 (4)控制系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)。重點研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)。移動機器人控制器結(jié)構(gòu)的標準化，以及網(wǎng)絡(luò)式控制器成為研究熱點。編程技術(shù)進一步提高在線編程的可操作性，離線編程的人機界面更加友好、自然語言化編程和圖形化編程的進一步推廣也是今后研究的重點。 (5)運動控制技術(shù)。機器人運動必須足夠快，受控并安全，避開靜態(tài)和動態(tài)的障礙。軌跡跟蹤、路徑跟蹤、點鎮(zhèn)定是移動機器人運動控制的三個基本問題。(6) 控制系統(tǒng)的智能化技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)的智能特征包括知識理解、歸納、推斷、反應(yīng)和問題求解等內(nèi)容。涉及領(lǐng)域包括圖像理解、語音和文字符號的處理與理解、知識的表達和獲取等方面。智能控制方法常使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制方法，但前者往往伴隨著對存儲容量、運算速度的較高要求，這與移動機器人高速高精度運動控制的要求存在一定差距，故模糊控制方法在機器人控制方面有著較大的優(yōu)勢。 機器人的驅(qū)動系統(tǒng)目前，愛機器人的運動控制中較為常見的有直流電機、步進電機和舵機。對于我的課題來說，一個能控制速度的電機作為麥克納姆輪使用，也需要一個能精確可控制角度且可以保持的電機作為腿部關(guān)節(jié)使用。經(jīng)過我初步估計電機轉(zhuǎn)速不是很大，如果使用直流電機，由于轉(zhuǎn)速和力矩的影響，需配置減速器，且不能控制角度。而如果使用步進電機，需配置驅(qū)動器。為滿足系統(tǒng)的控制要求，考慮到經(jīng)濟性等，我準備采用Dynamixel系列AX12舵機它是機器人專用的伺服電機。它不但能精確控制角度，作為關(guān)節(jié)角度控制；也可以通過軟件設(shè)置為無限旋轉(zhuǎn)模式，作為車輪使用。 AX12數(shù)字舵機概述及特性舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是:控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20mS，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。AX12舵機是一款智能化、模塊化的動力裝置，主要由一個微處理器、一個精確的直流電機、齒輪減速器、位置傳感器、溫度傳感器以及具備通訊功能的控制芯片等組成，: 舵機內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制圖AX12數(shù)字舵機作為舵機用時，最大轉(zhuǎn)角為300度，作為電機用時可以自由旋轉(zhuǎn)，應(yīng)用范圍廣。采用數(shù)字信號控制，控制起來更方便。每個舵機都擁有唯一的ID號，采用網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模式、Daisy總線連接方式，可以多個網(wǎng)狀串連控制，連接方便。由于AX12內(nèi)部配有一個ATmega8微處理器，用來接收控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，通過相應(yīng)的處理后給伺服電機發(fā)送PWM信號來控制電機的起停。因此，控制舵機實際上是去控制ATmega8舵機的狀態(tài)和參數(shù)都存儲在ATmega8的RAM和EEPROM相應(yīng)的地址里，對舵機進行控制也就是對舵機的相應(yīng)地址讀和寫數(shù)據(jù)的過程。那么具體怎么寫?舵機的通信協(xié)議是什么呢?下面就來介紹舵機的通信協(xié)議。 舵機具體參數(shù)項目參數(shù)項目參數(shù)重量55g位移角度0300176。 無限旋轉(zhuǎn)減速比1/254最小角度176。工作電壓7VDC12VDC通訊半雙工異步串行通信工作溫度585攝氏度波特率7343bps1Mbps最大電流900mA指令包數(shù)字信號輸入電壓 7V 10V物理連接TTL多通道（daisy總線