【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 好的向各個(gè)方向移動(dòng)且沒(méi)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(yùn)動(dòng)原理：： 麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)參量的定義 麥克納姆外形像一個(gè)斜齒輪，輪齒是能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓形輥?zhàn)?，輥?zhàn)拥妮S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(gè)自由度：繞輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿輥?zhàn)虞S線垂線方向的平動(dòng)和繞輥?zhàn)优c地面接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，驅(qū)動(dòng)輪在一個(gè)方向上具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)，另外一個(gè)方向也具有自由移動(dòng)（被動(dòng)移動(dòng)）的運(yùn)動(dòng)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(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，車(chē)輪以普通方式沿著垂直于驅(qū)動(dòng)軸的方向前進(jìn)，同時(shí)車(chē)輪周邊的輥?zhàn)友刂涓髯缘妮S線自由旋轉(zhuǎn)。 全方位輪協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)原理 ，輪中的小斜線表示觸地輥?zhàn)拥妮S線方向。每個(gè)全方位輪都由一臺(tái)直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)四個(gè)全方位輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向適當(dāng)組合，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在平面上三自由度的全方位移動(dòng)。4個(gè)全方位輪組成的機(jī)器人底座的力分析如圖，其中 為輪子滾動(dòng)時(shí)小輥?zhàn)邮艿捷S向的摩擦力； 為小輥?zhàn)幼鰪膭?dòng)滾動(dòng)時(shí)受到的滾動(dòng)摩擦力；ω為各輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。 組合運(yùn)動(dòng)圖　 我設(shè)計(jì)的腿部分為上肢和下肢兩個(gè)部分，上肢連接著機(jī)器人的主體和下肢，下肢連接著輪胎，由于要使機(jī)器人腿能夠滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)要求，所以還需在上肢與機(jī)器人主體連接處設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)節(jié)，一個(gè)使腿部結(jié)構(gòu)能在機(jī)器人側(cè)面平面旋轉(zhuǎn)360度。而且由于要控制轉(zhuǎn)動(dòng)和其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度故需要在上肢與下肢關(guān)節(jié)處安裝小型電機(jī)，所以要留出空間安裝電機(jī)和線路。 圖 對(duì)于下肢部分，由于麥克納姆輪可以進(jìn)行全方位的移動(dòng)，故不需要加入關(guān)節(jié)，但需要加入剎車(chē)系統(tǒng)，以保證及時(shí)停車(chē)和在使用腿部功能時(shí)不發(fā)生滾動(dòng)，同時(shí)在下肢與輪胎連接處設(shè)計(jì)平臺(tái)安放電機(jī)，使其驅(qū)動(dòng)輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)。一個(gè)輪胎對(duì)應(yīng)一個(gè)電機(jī)，這樣才能通過(guò)改變每個(gè)輪胎的轉(zhuǎn)速來(lái)控制方向等復(fù)雜的移動(dòng)。 圖 上肢： 圖 ，上肢上部分有一個(gè)孔與一根軸，軸是與主體內(nèi)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器相連，從而來(lái)控制上肢繞主體的轉(zhuǎn)動(dòng)，孔與下部分的豎直孔用來(lái)通過(guò)電線，最下面兩孔是用來(lái)和下肢相連?？傞L(zhǎng)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(gè)在旁邊的箱體結(jié)構(gòu)，并且下部分較寬大是用來(lái)與輪胎相連。上面的箱體是用力啊裝一個(gè)小型電機(jī)，通過(guò)下肢上端兩個(gè)同軸的孔與一根軸相連，來(lái)控制下肢繞上肢的轉(zhuǎn)動(dòng)，而箱體的旁邊上端的孔是用來(lái)通過(guò)電線。下面的箱體是存放控制輪胎的電機(jī)，右邊有用來(lái)安放齒輪的空間和通孔來(lái)固定齒輪。下肢兩個(gè)豎直的同軸孔也是用來(lái)通過(guò)電線的。下肢總長(zhǎng)約1米，下肢主體寬度約20厘米。 主體結(jié)構(gòu)為機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)，里面包括了控制系統(tǒng)，四個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(lái)充當(dāng)機(jī)器人的眼睛、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)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(jī)及系統(tǒng)硬件。 圖 ，四個(gè)小箱體是安放控制上肢的電機(jī)，旁邊的孔是用來(lái)通過(guò)電線的，大箱體中間是安放控制系統(tǒng)的電板。在整個(gè)零配件都安放好以后可在上方添加一塊板用來(lái)保護(hù)內(nèi)部元件。按照我的設(shè)想，在這個(gè)機(jī)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(guò)聯(lián)軸器與電機(jī)相連。圖 圖 圖中留出了電機(jī)和輪子的安裝空間。本章小結(jié)本章主要是對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和零件進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，并且在沒(méi)有安裝電機(jī)的情況下完成基本裝配圖。第三章 移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)原理 輪式移動(dòng)原理主要的為麥克納姆輪的移動(dòng)原理。 麥克納姆輪是瑞典麥克納姆公司的專(zhuān)利。這種全方位移動(dòng)方式是基于一個(gè)有許多位于機(jī)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(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個(gè)機(jī)輪法相力上面。依靠各自機(jī)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(gè)合力矢量從而保證了這個(gè)平臺(tái)在最終的合力矢量的方向上能自由地移動(dòng)，而不改變機(jī)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(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)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(dòng)。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個(gè)這種新型輪子進(jìn)行組合，可以更靈活方便的實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能。 ，是通過(guò)每個(gè)輪子的配合使機(jī)器人可以超各個(gè)方向移動(dòng)而不需要轉(zhuǎn)彎的過(guò)程。 足式移動(dòng)的原理 在很多場(chǎng)合下，光是輪式移動(dòng)是不能滿(mǎn)足要求的，比如一家大公司所有的樓層清掃工作，對(duì)于輪式結(jié)構(gòu)并不能滿(mǎn)足，它只能每次打掃一層然后需要人將它搬運(yùn)到其他樓層才能繼續(xù)打掃工作，在這個(gè)時(shí)候如果機(jī)器人能夠自己爬上樓梯并對(duì)樓道進(jìn)行打掃，這樣就方便很多，所以在這里就需要足式移動(dòng)。機(jī)器人的穩(wěn)定行走可通過(guò)靜平衡步態(tài)和動(dòng)平衡步態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)。動(dòng)平衡步態(tài)保持ZMP點(diǎn)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(jī)器人的重心平衡，在低速行走、越障和爬樓梯時(shí)穩(wěn)定性相對(duì)較好，實(shí)用性強(qiáng)。假定機(jī)器人右前腿編號(hào)為腿1，按逆時(shí)針順序依次編為腿2, 3, 4，依據(jù)機(jī)器人4個(gè)足趾著地點(diǎn)劃分為4個(gè)象限，則機(jī)器人移動(dòng)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(lái)衡量，對(duì)于四足機(jī)器人，靜態(tài)穩(wěn)定裕度等于機(jī)器人質(zhì)心距離支撐二角形邊界的最短距離，當(dāng)質(zhì)心位于支撐二角形內(nèi)部時(shí)取值為正。質(zhì)心落在支撐二角形外部則取值為負(fù)。該值越大則機(jī)器人越穩(wěn)定。為了評(píng)價(jià)方便，通常用質(zhì)心和支撐邊界在前進(jìn)方向的最小距離來(lái)衡量，(前進(jìn)方向向右)。 靜平衡步態(tài)通常需要同時(shí)有3條以上的腿支撐(足底支撐面小時(shí))，機(jī)器人單足在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)有2個(gè)事件:抬腿和落腿，因?yàn)槿我鈺r(shí)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(gè)事件同一化，則四足機(jī)器人的靜平衡步態(tài)種類(lèi)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(shí)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(gè)步態(tài)周期內(nèi)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間需求及軀干調(diào)整的隴調(diào)性。以直線前進(jìn)為例，對(duì)比分析所有步態(tài)的各方面性能，據(jù)四足機(jī)器人特點(diǎn)作出如下理想化假設(shè)： (1)機(jī)器人向前行走時(shí)，4條腿沿著兩側(cè)的兩條平行線前進(jìn)。 (2) 4條腿的絕對(duì)跨距Ψ相等。 (3)忽略機(jī)器人邁腿過(guò)程中由于腿的移動(dòng)引起的機(jī)器人重心位置的改變。 (4)由于機(jī)器人重量基本對(duì)稱(chēng)，因此當(dāng)軀干前后調(diào)整時(shí)，近似認(rèn)為機(jī)器人重心只在前后方向移動(dòng)。 (5)定義一個(gè)簡(jiǎn)單的初始狀態(tài)，此時(shí)機(jī)器人同側(cè)兩足之間距離相等。 基于上述假設(shè)，(前進(jìn)方向向右)，圖中，狀態(tài)1可認(rèn)定為狀態(tài)3的特例(L2 =0），狀態(tài)2與3落足點(diǎn)位置對(duì)稱(chēng)，故可僅分析狀態(tài)3。 機(jī)器人的初始位置機(jī)器人在一個(gè)步態(tài)周期中，為維持靜態(tài)平衡需及時(shí)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(diǎn)，因此機(jī)器人以不同類(lèi)型步態(tài)前進(jìn)時(shí)，4足落點(diǎn)不同將需求不同的運(yùn)動(dòng)空間。機(jī)器人的最大運(yùn)動(dòng)空間需求是整個(gè)步態(tài)周期中4條腿之間相對(duì)機(jī)器人軀干運(yùn)動(dòng)的最大空間，各種步態(tài)的運(yùn)動(dòng)空間需求可采用邁腿次序圖例分析法確定。，機(jī)器人前后腿之間在前進(jìn)方向上運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)空間擊求，經(jīng)比對(duì)可得各種步態(tài)所擊運(yùn)動(dòng)空間最小量為L(zhǎng)1 + L2，對(duì)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(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中的穩(wěn)定裕度越大則機(jī)器人越穩(wěn)定，所以在步態(tài)周期的每一個(gè)分步中都試圖獲取更大的穩(wěn)定裕度，如圖3中機(jī)器人邁1腿過(guò)程，為使該分步穩(wěn)定裕度最大，機(jī)器人在邁1腿前需通過(guò)軀干調(diào)整使重心O1移至線段AB的中點(diǎn)，此時(shí)機(jī)器人的穩(wěn)定裕度為: 機(jī)器人邁2, 3, 4腿時(shí)，通過(guò)軀干調(diào)整可能實(shí)現(xiàn)的最大穩(wěn)定裕度分別為: 故機(jī)器人在整個(gè)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(duì)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(jī)器人在平路和對(duì)跨障原理的分析，得出機(jī)器人的方案是可行的。第四章 對(duì)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì) 由于本次研究主要內(nèi)容為機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且在大學(xué)階段沒(méi)有對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，使得我不能對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)做出設(shè)計(jì)，以下僅僅是我參考別人的設(shè)計(jì)并對(duì)我的機(jī)器人控制系統(tǒng)的想法。目前，移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)主要包括： (1}移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)性和魯棒性，并減小移動(dòng)機(jī)器人的體積和自重，使機(jī)器人更加輕便、靈活。 (2}控制系統(tǒng)中的傳感器技術(shù)。移動(dòng)機(jī)器人傳感器技術(shù)主要是對(duì)機(jī)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(cè)和處理。獲取真實(shí)有效的環(huán)境信息，是控制系統(tǒng)進(jìn)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(jì)、陀螺儀、磁羅招等。外部傳感器主要包括:視覺(jué)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(duì)系統(tǒng)環(huán)境的相對(duì)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(shí)降低決策風(fēng)險(xiǎn)。 (4)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)。重點(diǎn)研究開(kāi)放式、模塊化控制系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人控制器結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化，以及網(wǎng)絡(luò)式控制器成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)進(jìn)一步提高在線編程的可操作性，離線編程的人機(jī)界面更加友好、自然語(yǔ)言化編程和圖形化編程的進(jìn)一步推廣也是今后研究的重點(diǎn)。 (5)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)必須足夠快，受控并安全，避開(kāi)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的障礙。軌跡跟蹤、路徑跟蹤、點(diǎn)鎮(zhèn)定是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的三個(gè)基本問(wèn)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(shí)理解、歸納、推斷、反應(yīng)和問(wèn)題求解等內(nèi)容。涉及領(lǐng)域包括圖像理解、語(yǔ)音和文字符號(hào)的處理與理解、知識(shí)的表達(dá)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(duì)存儲(chǔ)容量、運(yùn)算速度的較高要求，這與移動(dòng)機(jī)器人高速高精度運(yùn)動(dòng)控制的要求存在一定差距，故模糊控制方法在機(jī)器人控制方面有著較大的優(yōu)勢(shì)。 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)目前，愛(ài)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中較為常見(jiàn)的有直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)。對(duì)于我的課題來(lái)說(shuō)，一個(gè)能控制速度的電機(jī)作為麥克納姆輪使用，也需要一個(gè)能精確可控制角度且可以保持的電機(jī)作為腿部關(guān)節(jié)使用。經(jīng)過(guò)我初步估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速不是很大，如果使用直流電機(jī)，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(jìn)電機(jī)，需配置驅(qū)動(dòng)器。為滿(mǎn)足系統(tǒng)的控制要求，考慮到經(jīng)濟(jì)性等，我準(zhǔn)備采用Dynamixel系列AX12舵機(jī)它是機(jī)器人專(zhuān)用的伺服電機(jī)。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(guò)軟件設(shè)置為無(wú)限旋轉(zhuǎn)模式，作為車(chē)輪使用。 AX12數(shù)字舵機(jī)概述及特性舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)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(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)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(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。AX12舵機(jī)是一款智能化、模塊化的動(dòng)力裝置，主要由一個(gè)微處理器、一個(gè)精確的直流電機(jī)、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(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制圖AX12數(shù)字舵機(jī)作為舵機(jī)用時(shí)，最大轉(zhuǎn)角為300度，作為電機(jī)用時(shí)可以自由旋轉(zhuǎn)，應(yīng)用范圍廣。采用數(shù)字信號(hào)控制，控制起來(lái)更方便。每個(gè)舵機(jī)都擁有唯一的ID號(hào)，采用網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模式、Daisy總線連接方式，可以多個(gè)網(wǎng)狀串連控制，連接方便。由于AX12內(nèi)部配有一個(gè)ATmega8微處理器，用來(lái)接收控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，通過(guò)相應(yīng)的處理后給伺服電機(jī)發(fā)送PWM信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的起停。因此，控制舵機(jī)實(shí)際上是去控制ATmega8舵機(jī)的狀態(tài)和參數(shù)都存儲(chǔ)在ATmega8的RAM和EEPROM相應(yīng)的地址里，對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制也就是對(duì)舵機(jī)的相應(yīng)地址讀和寫(xiě)數(shù)據(jù)的過(guò)程。那么具體怎么寫(xiě)?舵機(jī)的通信協(xié)議是什么呢?下面就來(lái)介紹舵機(jī)的通信協(xié)議。 舵機(jī)具體參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)項(xiàng)目參數(shù)重量55g位移角度0300176。 無(wú)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(hào)輸入電壓 7V 10V物理連接TTL多通道（daisy總線