移動機器人課程

移動機器人課程第1頁/共47頁第6章移動機器人6.1移動機器人的發(fā)展6.2移動機器人的基本組成6.3輪式移動機器人6.4履帶式移動機器人6.5步行移動機器人第2頁/共47頁6.1移動機器人的發(fā)展通常所說的移動機器人是指一種由傳感器、遙控操作器和自動控制的移動載體組成的采用遙控、自主或半自主等方式由人類對其進行控制的一類機器人。這類機器人因比一般機器人有更大的機動性、靈活性，故通常工作在勞動強度大、人類無法進入或對人類有危害的場合中，代替人類進行工作。60年代后期，美國和蘇聯(lián)為完成月球探測計劃，研制并應用了移動機器人。從20世紀80年代開始，美國國防高級研究計劃局（DARPA）專門立項，制定了地面無人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃。從此，在全世界掀開了全面研究移動機器人的序幕。我國在移動機器人的研究起步較晚，大多數(shù)研究尚處于某個單項研究階段。第3頁/共47頁6.2移動機器人的基本組成移動機器人可以從不同的角度進行分類。如從工作環(huán)境分為室內和室外機器人；從移動方式分為輪式、履帶式、步行、蛇形、爬行機器人；從作業(yè)空間分為陸地、水下、空間機器人；從功能和用途可分為醫(yī)療、軍用、助殘、清潔機器人等。無論哪種機器人，通常都可以認為由驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)三大最基本的部分組成。6.2.1驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)在移動機器人中的作用相當于人體的肌肉和骨骼，如果把連桿以及關節(jié)想象為機器人的骨骼，那么驅動器就起肌肉的作用，它們共同構成了機器人的驅動系統(tǒng)。第4頁/共47頁6.2.2控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務是根據(jù)機器人的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機器人的執(zhí)行機構完成固定的運動和功能。移動機器人的控制系統(tǒng)是以計算機控制技術為核心的實時控制系統(tǒng)，它的任務就是根據(jù)移動機器人所要完成的功能，結合移動機器人的本體結構和運動方式，完成機器人的既定任務?？刂葡到y(tǒng)是移動機器人的大腦，它的優(yōu)劣決定了機器人的智能水平、工作柔性及靈巧性，也決定了移動機器人使用的方便程度和系統(tǒng)的開放性。移動機器人的控制系統(tǒng)是由機器人所要達到的功能、機器人的本體結構和機器人的控制方式來決定的。第5頁/共47頁從機器人控制算法的處理方式來看，控制系統(tǒng)結構如下圖第6頁/共47頁控制系統(tǒng)硬件組成第7頁/共47頁6.2.3傳感系統(tǒng)傳感器處于連接外界環(huán)境與機器人的接口位置，是機器人獲取信息的窗口。移動機器人傳感器主要包括內部傳感器和外部傳感器。檢測機器人本身狀態(tài)（手臂間角度等)是內部傳感器；檢測機器人所處環(huán)境(是什么物體，離物體的距離有多遠等)及狀況（抓取的物體滑落等)的是外部傳感器。而外部傳感器進一步又可分為路徑引導傳感器、環(huán)境傳感器、認知方向傳感器和末端執(zhí)行器傳感器。與工業(yè)機器人所不同的是，工業(yè)機器人大多數(shù)僅采用內部傳感器，用于對機器人運動、位置及姿態(tài)進行精確控制。而移動機器人因其任務不同，除采用內部傳感器對自身的姿態(tài)進行控制外，還需采用大量的外部傳感器獲得自身的定位及外部環(huán)境的適應能力。第8頁/共47頁6.3輪式移動機器人6.3.1車輪形式輪式移動機器人的設計重點聚焦在其車輪上，通過車輪的滾動來實現(xiàn)其工作的任務，達到其“移動”的目的。該類機器人車輪的形狀或結構形式取決于地面性質和車輛的承載能力。傳統(tǒng)的車輪形狀球輪、充氣球輪和錐形輪超輕金屬線編織輪、半球形輪第9頁/共47頁傳統(tǒng)的車輪形狀比較適合于平坦的堅硬路面。充氣球輪比實心車輪彈性好，能吸收因路面不平而引起的沖擊和振動。此外充氣球輪與地面的接觸面積較大，特別適合于沙丘地形。超輕金屬線編織輪、半球形輪這兩種輪是為火星表面移動車輛開發(fā)而研制出來的，其中超輕金屬線編織輪主要用來減輕移動機構的重量，減少升空時的發(fā)射功耗和運行功耗。移動機器人車輪形式設計要考慮到的一個重要部分是全方位移動機構的實現(xiàn)，全方位移動機構能夠在保持機體方位不變的前提下沿平面上任意方向移動。更進一步的，有些全方位車輪機構除具備全方位移動能力外，還可以像普通車輛那樣改變機體方位。由于這種機構的靈活操控性能，所以特別適合于窄小空間（通道）中的移動作業(yè)。第10頁/共47頁1-蝸輪桿副

2-錐齒輪副

3-車輪

4-蝸輪桿副

5-齒輪副

6-車輪支架全輪偏轉式全方位移動機構在全輪偏轉式全方位移動機構中，行走電動機Ｍ1運轉時，通過蝸輪桿副１和錐齒輪副２帶動車輪３轉動。當轉向電動機Ｍ1運轉時，通過另一對蝸輪桿副４、齒輪副５帶動車輪支架６適當偏轉。當各車輪采取不同的偏轉組合，并配以相應的車輪速度后，便能夠實現(xiàn)前輪操舵、４輪操舵、全方位方式和原地回轉等轉動方式。第11頁/共47頁一種典型的能實現(xiàn)全方位移動的車輪形式稱為麥卡納姆輪，其結構如下圖所示。麥卡納姆輪是一種全方位四輪移動機構。這種車輪由兩部分組成，即主動的輪轂和沿輪轂外緣按一定方向均勻分布著的多個從動輪子。當車輪旋轉時，輪心相對于地面的速度是輪轂速度與輥子滾動速的合成，兩個夾角間有一個偏離角。由于每個車輪均有這個特點，經適當組合后就可以實現(xiàn)車體的全方位移動和原地轉向運動。第12頁/共47頁6.3.2車輪的配置和轉向機構1輪式移動機構、2輪式移動機構１輪式和２輪式移動機構在實現(xiàn)上的主要障礙是穩(wěn)定性問題。3輪移動機構是車輪型機器人的基本移動機構。3輪車型移動機器人的結構第13頁/共47頁圖(a)是后輪用2輪獨立驅動，前輪用小腳輪構成的輔助輪組合而成。這種機構的特點是機構組成簡單，而且旋轉半徑可從D到無限大，任意設定。但是它的旋轉中心是在連接兩驅動軸的直線上，所以旋轉半徑即使是0，旋轉中心也與車體的中心不一致。圖(b)中前輪由操舵機構和驅動機構合并而成。與圖(a)相比，操舵和驅動的驅動器都集中在前輪部分，所以機構復雜。在這種場合，旋轉半徑可以從零到無限大連續(xù)變化。圖(c)是為避免圖(b)機構的缺點，通過差動齒輪進行驅動的方式。近來不再用差動齒輪，而采用左右輪分別獨立驅動的方法。第14頁/共47頁4輪式移動機構4輪車的驅動機構和運動，基本上與3輪車相同。圖

(a)是兩輪獨立驅動，前后帶有輔助輪的方式。圖

(b)是所謂汽車方式，適合于高速行走，但用于低速的運輸搬運時，由于費用不合算，所以小型機器人不大采用。4輪車的驅動機構和運動第15頁/共47頁實際應用的輪式移動機構多為３輪或４輪。３輪式移動機構具有一定的穩(wěn)定性，要解決的主要問題是移動方向和速度的控制，代表性車輪配置方式是一個前輪，兩個后輪。兩個后輪獨立驅動，前輪僅起支承作用?？亢髢奢喌霓D速差實現(xiàn)轉向。也有采用前輪驅動前輪轉向的方式，或后輪差動急速器驅動前輪轉向的方式。對于兩后輪獨立驅動的機構，當兩輪轉速大小相等方向相反時，可以實現(xiàn)整車靈活的零半徑回轉。但是如果要沿比較長的直線移動時，因兩驅動輪的直徑查和轉速誤差會影響到前輪的偏轉，這時候采用前輪轉向方式更合適。至于４輪移動機構，它的應用則更為廣泛。因為４輪機構可采用不同的方式實現(xiàn)驅動和轉向。第16頁/共47頁全方位移動車過去的車輪式移動機構基本上是2自由度的，因此不可能簡單地實現(xiàn)任意的定位和定向。機器人的定位，用4輪構成的車可通過控制各輪的轉向角來實現(xiàn)。自由度多，能簡單設定機器人所需位置及方向的移動車稱為全方位移動車。下圖是表示全方位移動車移動方式的各車輪的轉向角。全方位移動車的移動方式第17頁/共47頁6.3.3三輪移動機器人運動分析車輪機構運動（速度）分析是指在已知車輪的驅動速度條件下，確定本體的移動速度和旋轉角速度。對于三輪式移動機構，目前主要有兩種簡化驅動方式：一是前輪為驅動輪同時起到方向輪的作用，后面的兩個車輪為從動輪。此種驅動方式結構復雜，轉彎半徑可以從零到無窮大連續(xù)變化。二是前輪為方向輪，兩個后輪為獨立的驅動輪。此種驅動方式的機構比較簡單，轉彎半徑可以從零到無窮大連續(xù)變化。第18頁/共47頁三輪移動的結構簡圖如圖所示。圖(a)為第一種驅動方式的簡化示意圖，圖(b)為第二種驅動方式的簡化示意圖。第19頁/共47頁記移動機器人的方向輪相對于車體縱軸的旋轉角度為φ；移動機器人的車體縱軸與x軸的夾角為θ。第一種驅動方式：方向輪在轉彎時的瞬時圓心位于兩后輪軸心的連線上，設此時瞬時轉彎半徑為r。車體的速度：前輪在轉彎時的瞬時半徑為：第20頁/共47頁得到車體運動方程為：第二種驅動方式：方向輪在轉彎時的瞬時圓心也是位于兩后輪軸心的連線上，設此時瞬時轉彎半徑為r，w為車體的轉彎角速度。第21頁/共47頁車體的速度為：前輪在轉彎時的瞬時轉彎半徑為：車體運動方程：第22頁/共47頁6.3.4輪式排爆機器人目前有代表性的輪式排爆機器人主要有ABP公司的以下三種：野牛中型排爆機器人土撥鼠排爆機器人第23頁/共47頁獨眼龍排爆機器人此外，輪式排爆機器人還有法國DMDevelopment公式研制的RM35型爆炸物處理機器人，如圖(a)；加拿大Pedsco公司研制的MURV-100小型排爆機器人，如圖(b)。加拿大Pedsco公司研制的RMI-10中型排爆機器人，如圖(c)。第24頁/共47頁6.4履帶式移動機器人履帶式機構稱為無限軌道方式，履帶式移動機器人是輪式移動機構的拓展，其最大特征是將圓環(huán)狀的無限軌道履帶(crawlerbefit)卷繞在多個車輪上，使車輪不直接與路面接觸。適合在未加工的天然路面上行走。TEODOR型履帶式移動機器人第25頁/共47頁履帶式移動機器人與輪式移動機構相比具有如下特點：支承面積大，接地比壓小，路面保持力強，適合于松軟或泥濘場地作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小，通過性能較好，能登上較高的臺階；越野機動性好，爬坡、越溝等性能均優(yōu)于輪式移動機構。重心低，較穩(wěn)定，并且能夠原地旋轉；履帶支承面上有履齒、不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力；結構復雜，重量大，運動慣性大，減振性能差，零件易損壞。第26頁/共47頁6.4.1車體結構1履帶機構的形狀驅動輪及導向輪兼作支承輪的結構如圖(a)所示，它可以增大支承面面積，改善穩(wěn)定性。驅動輪和導向輪不作支承輪的結構如圖(b)所示，將驅動輪和導向輪只微量抬高，而不作為支承輪。好處是適合于穿越障礙。第27頁/共47頁2支承輪履帶式移動機器人的重力主要通過支承輪壓于履帶板的軌道傳遞到地面上，根據(jù)履帶支承輪傳遞壓力的情況，可分為多支點式和少支點式。多支點式一般具有5~9個支承輪，相鄰兩支承輪之間的距離小于履帶節(jié)距的1.5倍。履帶在支承輪之間不能彎曲，因而接地比壓近于均勻分布。多支承式的支承輪數(shù)目多，直徑較小，通常固定支承于履帶梁上。少支點式的支承輪數(shù)目少而直徑大，運行阻力較小，但履帶在支承輪之間的履帶板數(shù)目大，可以有很大的彎曲，在支承輪下方的履帶板受壓很大，而其它履帶板受壓則較小。這樣的裝置適合于在石質土壤上工作。第28頁/共47頁(a)多支點式 (b)少支點式多支點式和少支點式的支承輪

第29頁/共47頁3拖帶板托帶板安裝于履帶上分支的下方，以減少履帶的下垂量，保持它平穩(wěn)運轉。通常情況下，托帶板用2~3個就夠了。由于托帶板只承受履帶自重的載荷，所以它所需尺寸較小，結構比較簡單。4履帶板每條履帶是由幾十塊履帶板和鏈軌等組成。其結構基本上可分為四部分：履帶的下面為支承面，上面為鏈軌，中間為與驅動鏈輪相咬合的部分，兩端為連接鉸鏈。根據(jù)履帶板的結構不同，履帶板又可分為整體式和組合式。第30頁/共47頁整體式履帶板如圖(a)所示。這種履帶板優(yōu)點是結構簡單，制造方便，拆裝容易，重量較輕。缺點是由于履帶銷與銷孔之間的間隙較大，泥沙容易進入，使銷和銷孔磨損較快，一旦損壞，履帶板只能整塊更換。整體式 (b)組合式

整體式和組合式履帶板第31頁/共47頁5驅動輪與導向輪履帶機構可以有前驅和后驅。履帶兩側的導向輪哪一個用來驅動更為合適與履帶機構的形狀有關。例如針對右圖的情況，以驅動輪在后方比較有利，因為這時履帶的上分支受力較小，導向輪受力也較小，履帶承載分支處于微張緊狀態(tài)，運行阻力較小。而前輪為驅動輪時，履帶的上分支及導向輪承載最大載荷，履帶承載分支部分長度處于壓縮彎折狀態(tài)，運行阻力增大。后驅動輪與前驅動輪第32頁/共47頁6履帶張緊裝置履帶張緊裝置是用來調整履帶裝置的節(jié)距的。由于履帶裝置的節(jié)距時間一長就會因磨損而增大，軌鏈伸長，如不進行調整以保持一定的張緊程度，就易發(fā)生脫軌與掉鏈等情況，因而需要裝設張緊裝置。通常導向輪的軸承制成可以滑移的，用絲杠調整，調整距離略大于半個履帶節(jié)距。履帶機械式張緊裝置第33頁/共47頁7履帶架履帶移動機構的承載架可以制成剛性的，也可以制成活動的。剛性履帶架，如圖(a)所示，其優(yōu)點是結構簡單；缺點是當?shù)孛娌黄綍r，履帶受力極不均勻。圖(b)和圖(c)所示的履帶架可以大大改善載荷的不均勻，但結構比較復雜。第34頁/共47頁6.4.2越障原理帶有擺臂的關節(jié)式履帶移動機器人的整個爬越障礙過程可以分成兩個階段：第一階段，先將兩側擺臂搭在臺階上，使車體在行走機構和擺動機構的共同作用下，順利地爬到第二臺階，此時車體實現(xiàn)了地面、第一臺階、第二臺階的三點接觸。爬臺階時整車受力圖第35頁/共47頁第二階段，機器人只需要在行走機構的作用下如同上坡一樣緩緩地向上爬。由此可以看出，只要保證行走機構在結構設計至少能夠同時與兩個臺階點接觸，就能實現(xiàn)第二階段運行的平穩(wěn)性和可靠性。爬臺階時擺臂受力圖第36頁/共47頁6.4.3履帶排爆機器人法國Cybernetics公司的TEODOR排爆機器人法國Cybernetics公司的CASTOR小型排爆機器人第37頁/共47頁PIAP公司的EXPERT中型排爆機器人TELEROB公司的TEL600型爆炸處理車TELEROB公司的POLYFIMOS3000型防爆機器人第38頁/共47頁6.5步行移動機器人6.5.1步行機器人的特點及發(fā)展過程步行機器人可以認為是一種由計算機控制的用足機構推進的表面移動機械電子裝置，和傳統(tǒng)的輪式、履帶式移動機器人相比，步行機器人具有獨特的性能。其特點主要表現(xiàn)在：足運動方式具有較好的機動性，即具有較好的對不平地面的適應能力。足運動方式的立足點是離散的，可以在可能達到的地面上最優(yōu)地選擇支撐點。而輪式運載工具必須面臨最壞地形上的幾乎所有點。足式運動系統(tǒng)還可以通過松軟地面（如沼澤、沙漠等）以及跨越較大的障礙（如溝、坎和臺階等）。足運動系統(tǒng)可以主動隔振，即允許機身運動軌跡與足運動軌跡解耦。盡管地面高低不平，機身運動仍可以做到相當平穩(wěn)。具體來說，步行系統(tǒng)多波長小于兩倍行程的不平度沒有響應，而對較大波長的地形變化的過濾作用決定于保持機體姿態(tài)的控制算法。足運動系統(tǒng)在不平地面和松軟地面上的運動速度較高，而能耗較少。第39頁/共47頁步行機器人的發(fā)展最早源自于美國和日本。1968年，美國的R.Smosher（通用電氣公司）試制了一臺叫“Rig”的操縱型雙足步行機器人機械，從而揭開了仿人機器人研制的序幕。同年，日本早稻田大學加藤一郎教授在日本首先展開了雙足機器人的研制工作，1969年日本研制出WAP-1(WasadaAutomaticPedipulator)平面自由度步行機，從1968年到1986年，又先后推出了WAP-3、WL-5、WL-9DR、WL-10RD、WL-12(R)等。日本東京大學的JouhouSystemKougaka實驗室研制了H5、H6型仿人型雙足步行機器人，日本本田公司也從1986年開始陸續(xù)推出P1、P2、P3型機器人，本田公司于2000年11月20日又推出了新型雙腳步行機器人“ASIMO”，“ASIMO”與P3型機器人相比，實現(xiàn)了小型輕量化，使其更容易適應人類的生活空間，通過提高雙腳步行技術使其更接近人類的步行方向和關節(jié)及手的動作。日本索尼2000年11月21日推出了人形娛樂型機器人“SonyDreamRobot–3X”(SDR-3X)。其身高50cm，質量為5kg。日本還有許多其它科研機構和高等院校從事仿人機器人的研制和理論研究工作（如松下電工、富士通、川崎重工、日立制作所等）。第40頁/共47頁WL系列步行機器人H6機器人H7機器人HRP-2JSK機器人第41頁/共47頁P3機器人ASIMO機器人SDR-3X機器人第42頁/共47頁6.5.2步行機器人的腿結構步行機器人的腿在行走過程中交替地支撐機體的重量并在負重狀態(tài)下推進機體向前運動，因此腿結構必須具備與整機重量相適應的剛性和承載能力。從結構要求來看，腿結構還不能過于復雜，桿件太多的腿機構形式會導致結構和傳動的實現(xiàn)發(fā)生困難。步行機器人的腿結構（或足）數(shù)分別為1足、2足、3足、4足、