移動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

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)狀的根底上，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(xué)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，同時隨著社會的開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(yīng)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(xué)開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，移動機器人的開展也日新月異。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(xué)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(yīng)用前景，使得對它的研究在世界各國受到更為普遍的關(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)實的根底上，開拓各個應(yīng)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(dāng)雄厚的技術(shù)根底，ROVER科技把在開發(fā)空間機器人中獲得的經(jīng)驗應(yīng)用于開發(fā)地面機器人系統(tǒng)，如極坐標(biāo)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)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(xué)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(xué)習(xí)等智能控制算法，在高速公路上到達(dá)了130Km/h的穩(wěn)定時速，最高時速170Km/h，而且具備了自主超車功能，這些技術(shù)指標(biāo)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、高可靠性根底功能部件的批量生產(chǎn)應(yīng)用等方面，同興旺國家相比，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(yīng)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(yīng)不同的路徑和環(huán)境而提出的，要求機器人能在平坦的直行路面以較快的速度行走，在復(fù)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]?！?〕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(dāng)?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，消耗的功率也相對較大。此外，履帶式機構(gòu)復(fù)雜，運動分析及自主控制設(shè)計十分困難?！?〕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，將整體的重心從一局部腿上轉(zhuǎn)移到另一局部腿上，從而到達(dá)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(fù)雜，而且行走速度較慢?！?〕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。現(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)作為行駛機構(gòu)。驅(qū)動形式的選擇驅(qū)動局部是機器人系統(tǒng)的重要組成局部，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)動三種根本類型[3]?！?〕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)越性就是它本身的平安性，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?！?〕氣壓驅(qū)動在所有的驅(qū)動方式中，氣壓驅(qū)動是最簡單的。使用壓力通常在0.4?，最高可達(dá)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、本錢最低的。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，本錢低，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?！?〕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(fù)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。其特點是易于控制，運動精度高，響應(yīng)快，使用方便，驅(qū)動力較大，信號監(jiān)測、傳遞、處理方便，本錢低廉，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(fù)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。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(yīng)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)速問題未能得到滿意的解決，在此之前，直流電動機具有交流電動機不能比較的良好的啟動性能。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(fù)載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機那么轉(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]。驅(qū)動機構(gòu)的選擇驅(qū)動元件在機器人中的作用相當(dāng)于人體的肌肉。為了完成預(yù)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(zhǔn)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: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。對于智能移動機器人，集中驅(qū)動方式并不適宜，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。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，車輪外表所受的電機轉(zhuǎn)矩卻會下降。根據(jù)車輛地面力學(xué)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(yīng)的鉸座相對轉(zhuǎn)動，大大提高了它對不同復(fù)雜路面的適應(yīng)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(dāng)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。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(dāng)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〕根本參數(shù)我們所要研制的移動機器人根本參數(shù)如下:外廓尺寸長：1600mm 寬：800mm 高：800mm巡航車速 最高車速輪胎規(guī)格：直徑170mm 輪寬25mm3〕技術(shù)參數(shù)是選擇機器人的技術(shù)指標(biāo)反映了機器人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(biāo)一般包括以下幾個方面：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(biāo)式、直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式等。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(fù)雜，控制也越復(fù)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)。運動范圍是指機器人關(guān)節(jié)的運動范圍。機器人一般由于結(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。重復(fù)精度機器人經(jīng)過屢次循環(huán)運動后，到達(dá)空間同一位置和姿態(tài)的最大誤差范圍?？刂品绞綑C器人運動控制的方式，如示教再現(xiàn)、點位控制或軌跡控制。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)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大局部組成。

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。一般包括程序控制局部和行程檢測反應(yīng)局部。執(zhí)行系統(tǒng)〔包括：機身、腿部〕執(zhí)行系統(tǒng)〔包括：機身、腿部〕" 車輪控制系統(tǒng) “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移動機器人步行機構(gòu)設(shè)計步行機構(gòu)簡介步態(tài)行走機構(gòu)對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，其落足點是離散的，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)支撐點，即使在外表極度不規(guī)那么的情況下，通過嚴(yán)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(yīng)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，控制起來比較復(fù)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。否那么就不能保證機[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局部， 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，[8]并保證其軌跡盡可能的與地面平行障 。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[9]動，并且其運動軌跡可以較好地滿足以上兩個要求動 。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動，通過連桿傳動，實現(xiàn)落足點周期性的往復(fù)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)簡圖曲軸、連桿長度確實定機構(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200mm，連桿3和7長為100mm連桿6和10長為330mm，固定點A、B間距為240mm。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。步行機構(gòu)原理分析A、B兩點固定在車架上，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同時充當(dāng)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局部平移周期（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-900運動到900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900運動到2700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)。L\f1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,造材料，見表圖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,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，大局部零部件均設(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)件尺寸所選材料選用理由連桿3mm〔厚度〕鋼板價格廉價、加工簡單成型后具有很大的承受力步行機構(gòu)車輪170mm、25mm〔直徑、輪寬〕硬脂塑料價格廉價、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(fù)雜的環(huán)境。與普通車輛相比，其動力學(xué)特性更為復(fù)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)一遙控和程控。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(lán)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，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(dǎo)航和遠(yuǎn)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(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，機器人本身具有一定自主導(dǎo)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)能源的自動供應(yīng)，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：晝氓叫k||策韶區(qū)JFIeaTDOui.raT晝氓叫k||策韶區(qū)JFIeaTDOui.raT&noir口M￡?JJOUMT^-nr_csits_WTi-拄忡i*cT技忡F+^^COHTDjiMiJF百D^EiltJr.ti'ti忡4t…氈伸$S溢押?&衍1「KJ申“七 ynvmT GH1UF:PLTmi（盤弟的?-Prn/FHCTHEERVilitfirc4.C立怦叫敢輅曲視黒苗權(quán)人⑴曲⑻itAfU：嶺陣*講IE；工由口3制匕凹叱少!■■吒g駅_.-1；:c.IM■」｝CWU：話Ml…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(xué)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1,1,11。固定點A、B間的距離為1。曲軸11繞固定點A9 10 11轉(zhuǎn)動，角速度為.■，角加速度為 二。擺桿9繞固定點B從動?？傻梅匠探M

IllCOS： l10 cos ]丄 COSp _-10]sin— 110 sin ]_19 sig 二0(3-1)解方程組〔3-1〕可得任意時刻擺桿9、連桿10與x軸的夾角二］和,由式3-2、3-3可以求得任意時刻擺桿解方程組〔3-1〕可得任意時刻擺桿9、連桿10與x軸的夾角二］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10的角速度和角加速度。1],wsinQ_y1)W919sin?1—J)(3-2)w10sin(了1一0)02cos(1-：)■19誠2cos9—-sinL；)壯2；10 (3-3)1[0-sin^61)(3-4)婕= siH10 112?8_歩+1世2)1cos(1■J1osin(11010COS、])I993.2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2，擺桿5與x軸2。桿

5、6>11的長度分別為￡、￡、咕。固定點A、B間的距離為1。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：(3-6)1]]cos「’*cos2一1-cos2_1二0(3-6)1]]si『-16sin2-51si尹二0I■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、-和2 2，由式3-7I■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、-和2 2，由式3-7、3-10可以求得任意時刻連桿6的角速度和角加速度。(3-7)w6?sin(2_ 2sin(2fl11?w?sin】6-111-)sin(2-■sin)sin(2(3-9))in(2一：)「1 ‘2cos()16”'2-cos(9_ 22 11 2 66 厶 2-sin(2(3-8)(3-10)3.3落足點的運動學(xué)分析桿3、4、5、7構(gòu)成一個平行四邊形機構(gòu)，連桿 3和連桿7始終處于平行。如圖2所示。因此，落足點C的坐標(biāo)為：xc二l5cos?;J.;J.coqC.,)c5 2 (3-11)yc二l5sinT-鳥sin(1-)2落足點在任意時刻的水平速度vx、垂直速度片與水平加速度a、垂直加速度a為:(3-12)VX二xc二」5「5-si^2—，?9sing?-)(3-12)Vy二Yc二l-'■5C0SR°—C0S《?二)ax=xc=」5』5ax=xc=」5』52cos日2 5ayYcsinp)_】2(9sin)cos52sin2-J