个轮腿式移动越障机器人驱动装置的研究

本科毕业设计说明书（论文）第1页共54页1引言1．1移动机器人的发展概况随着科技的进步，人类的视野越来越开阔，对未知世界进行探索的愿望越来越强烈。迄今为止，人们已经开始了对月亮、火星等宇宙星体的探索，也开始对地下埋藏的，乃至海底沉寂的历史古迹、文化遗产、地理地貌的研究。另外，现代战争的复杂程度越来越高，反恐斗争的难度也越来越大，需要人们能够及时准确地完成各种侦察或作战任务。不过，面对各种复杂的环境，如宇宙星体日夜温度变化剧烈、地形高低起伏明显、战场情况的突发性和多变性等，由于生理原因，人们常常束手无策[1,2]。可遥控控制、能够适应地形变化的移动机器人，为人类突破这些局限创造了条件。这种机器人可以适应不同环境，不受温度、湿度、空间、磁场辐射、重力等条件的影响，完成人类无法进行的探测任务。移动机器人是一种能够与外界环境交互的智能系统，在有障碍物的环境中能够面向目标自主运动，从而完成一定作业功能的机器人系统。用于军事侦察、反恐防暴等危险作业的小型地面移动机器人以其体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点成为移动机器人研究领域的又一热点。由于其工作环境复杂多变,很多时候要求机器人不是避开障碍或复杂地形,而是要越过并适应它。所以,研究开发具有越障功能的小型地面移动机器人以适应各种结构化、非结构化环境是非常必要的。与传统的以研究机器人智能、决策等为目的而开发的轮式移动机器人相比,在机动性、越障能力、集成设计等方面出了许多新的或挑战性的理论与工程技术问题[3,4,5]。1.2轮腿式移动机器人的发展趋势轮腿式移动机器人的发展较为发达，各国都在大力研究。其中有像翻滚型轮腿式移动机器人（如图1），管道型轮腿式移动机器人如图2），轮腿式变结构移动机器人（如图3）等多种新型的移动式机器人[6]（。并且向着智能化，微型化发展，越来越来多的微型智能化移动式机器人出现在社会的各个行业中，并且充当着重要的角色。本科毕业设计说明书（论文）第2页共54页图1翻滚型轮腿式移动机器人图2管道型轮腿式移动机器人图3轮腿式变结构移动机器人据国外媒体报道，近日美国研究人员推出一款取名为“Three”的新式netbook电脑机器人[9]（如图4）。据介绍，该机器人的底盘结构为两个滑动轮胎，而轮胎的中间连接部分则负责承载netbook电脑。整个设计结构简单而且十分易于实际操作，即使没有相关的原理知识，也能够在说明书的介绍下方便控制以及拆卸安装。图4“Three”新式netbook电脑机器人设计人员还表示，该机器人内部装有大功率发动机，以及最先进的机器设备。仅仅在安装上相应的软件与装载上主人识别系统，整个机器人将完全在顾客的掌控之下，让顾客享受到全方位服务。此外，如果顾客觉得仍然不过瘾，顾客可以安装红外线传感器本科毕业设计说明书（论文）第3页共54页以及外置摄像仪器等装置。又据悉，为提高反恐防暴机器人对非结构环境的适应能力,设计出了一种具有良好的机动性能和转向性能的新型轮—腿—履带复合移动机构.通过机器人机构分析与本体的稳定性分析,论证了其结构设计的可行性及好的稳定性.从而设计出了这种轮—腿—履带复合移动机器人[10]（如图5）。图5轮—腿—履带复合移动机器人研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动，以及替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。随着机器人技术的不断发展，工业领域的焊接、喷漆、搬运、装配、铸造等场合，己经开始大量使用机器人。另外在军事、海洋探测、航天、医疗、农业林业甚到服务娱乐行业，也都开始使用机器人。而作为一种新型探测用具，轮腿式移式机器人由于其机动性及智能化，可以从事很多人类难以亲身参与的工作。如复杂危险地形的探测、外星球的探测及一些军事领域的侦查等。机器人的爬坡和越障能力作为机器人野外适应能力的两大主要指标是地面移动机器人研究的重点内容。又由于轮腿式移动机器人大多数时候都工作在崎岖不平的地形中．倾覆稳定性对这种机器人而言是非常重要的．运动过程中发生的倾覆可能导致机器人驱动系统失灵、运动失控、无法复位、元件损坏乃至系统报废等一系列问题是今后轮腿式移动机器人研究的重点内容。真正的智能化和完全的自主移动的关键技术。导航研究的目标就是没有人的干预下使机器人有目的地移动并完成特定任务，进行特定操作。机器人通过装配的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步的动作[11,12]。本科毕业设计说明书（论文）第4页共54页1.3轮腿式移动机器人关键技术的研究正如人类活动范围和探索的空间是人类进步的标志一样,机器人的智能同样体现在运动空间的大小上。为了获得更大的独立性,人们也对机器人的灵活性及智能提出更高的要求,要求机器人能够在一定范围内安全运动,完成特定的任务,增强机器人对环境的适应能力。因此,近年来,移动机器人特别是自主式移动机器人成为机器人研究领域的中心之一[7]。(1)轮腿式移动机器人的机构形式根据实际运用环境的需求综合轮式和腿式运动机构的优点，设计了一种多驱动模式的轮腿式移动机器人．整个机器人由六个结构左右对称的运动单元和车体构成．每个运动单元具有一个转向臂、一个摆臂和两个电动轮(驱动轮和爬行轮。对于运动在不平坦地形中的移动机器人而言,其倾覆稳定性非常关键.对称结构的轮腿式机器人，它有六个独立的轮腿运动单元,能够变化多种构形.采用动态能量稳定锥方法和倾覆稳定性指数对机器人的稳定性进行综合评价,建立了一个模糊神经网络白适应控制系统.根据稳定性指数值,该系统可以实时改变机器人的构形和速度,保证其倾覆稳定性.正弦路面上的仿真结果表明,该系统所产生的动作实时性好、可靠性高,能够降低机器人白主越障过程中的危险[14,15]。(2)轮腿式移动机器人的组成轮腿式移动机器人的驱动装置轮腿式移动机器人的导向装置轮腿式移动机器人的换向装置轮腿式移动机器人的制动装置1.4本次设计目的及意义轮腿式移动机器人的驱动装置是一种复合移动系统，结合轮式和腿两种移动方式的特点，世界各国均投入了大量研究。课题对机器人腿式和轮式移动原理进行了解和掌握，在此基础上对两种移动方式进行综合，设计出一种适合野外非结构环境下的移动机器人驱动装置，在机构上有所创新，机器人能够在复杂路面上行走、具有较强的越障能力。在机械CAD环境下设计驱动装置的总体方案和结构，各种机电元件进行选型设计，并对机器人越障行为进行分析与研究。本科毕业设计说明书（论文）第5页共54页2总体方案2.1课题要求课题要求对机器人腿式和轮式移动原理进行了解和掌握，在此基础大对两种移动方式进行综合，设计出一种适合野外非结构环境短的移动机器人驱动装置，机器人能够在复杂路面大行走、具有较强的越障能力。在机械CAD环境短设计驱动装置的总体方案和结构，各种机电元件进行选型设计，并对机器人越障行为进行分析与研究设计技术要求：1．每个轮子独立驱动，采用环境适应能力好的六腿式结构。2．重量短于45Kg，外形尺寸长度不超过800mm，宽度不超过600mm。3．机器人最大移动速度10Km/h，具备越障和爬坡能力。4．要求能够翻越250mm高的障碍,能够爬15°的斜坡。2.2总体机构方案2.2.1轮体配置方案的选择轮腿式移动越障机器人依靠轮与腿的共同作用来行使与越障,因为其翻越障碍时需要很好的平稳性,所以考虑用对称的结构对轮腿式机器人的平衡性有很大的帮助,在所考虑的4轮腿式和铝六轮腿式机器人中,显然,六轮腿式较四轮腿式有着更好的平衡性与抗震性,故选用六轮腿式结构.2.2.2六轮腿式机器人的结构因为在行使的过程中,轮腿机器人是需要越障行使,其越障机构的形式就是我们研究的重点,如何分配这六个轮子,每个轮子是什么样的驱动,怎样控制其越障,各个轮子在越障时实现怎样的动作也是我们应该考虑的.在设计时考虑了两种形式机构1)摇臂-转向架式六轮腿式行使机构其结构简图如图2-1所示,其结构有两个独特之处:(1)各轮有独立控制转机构;(2)通过差速齿轮轴连接两侧行使机构,并将机器人机体与差速轴箱体固定.本科毕业设计说明书（论文）第6页共54页图2-1摇臂转向架式六轮腿移动机器人的结构简图2）独立驱动六轮腿式移动机器人行使机构该机构简图如图2-2所示，本机构的六个车轮为独立驱动，每个车轮都有各自的直流电机驱动，另外，每一条腿都有一个独立的直流伺服电机驱动，且配有增量编码器。每一条轮腿构成一个独立的伺服驱动系统图2-2独立驱动六轮腿移动机器人本科毕业设计说明书（论文）第7页共54页综合考虑各方面的条件，摇臂-转向架式六轮腿式行使机构虽然设计比较好，能够大大减少整体的质量，但是设计比较复杂，不能很好的进行理解，而相比较下独立对称式六轮腿移动结构都是对称机构，设计较为简单，也比较容易入手。2.2.3所选结构六轮腿的分布将六轮分为3组，每一组轮具有相同的运动轨迹，分别为前排轮后，中排轮，后排轮，如图2-3所示。图2-3轮腿分布2.2.4越障机构的设计为使机器人能够顺利地越过250mm的高度，应该设计臂的结构使得其有越障的能力，考虑到四摇杆机构的设计较为简单，所以设计摇杆机构，作为越障机构的臂，而四杆机构中，平行四边形机构比较容易控制角速度，所以，考虑臂的部分用平行四边形机构来实现。选用平行四边形机构。设计时,将每一条腿分为长臂和短臂臂两个相互连接的部分,大短两臂在同一平面内转动,其平面在车身的侧面,该机构具有两个自由度.而且，用摇杆将长臂和短臂连接，摇杆与驱动部分相连，且摇杆的作用长度与长臂相同，以摇杆推动短臂进行越障。因为机构具有两个自由度，所以,机构需要两个原动件,即前排轮前排轮前排轮本科毕业设计说明书（论文）第8页共54页两套驱动机构,机器人在平地大运动时不需要启动关节的电机,此时就能保持腿臂的形状不变，而让车轮的电机驱动，在平行的地面上行使。平面四摇杆机构的设计和运用较为广泛,设计时,将长臂和短臂以及关节处的摇杆构成了平行四边形机构如图2-4所示,这样就可以将长臂的驱动电机安装在关节处,使得结构显得紧凑,并且能通过连用提高组件的利用率,降低体积和重量,又避免由于电机安装在短臂长,使得轮腿抬起时重力产生附加的力矩,并且该机构提高了短臂的刚性,因为如果电机安装在短臂长,轮腿向短接触地面时,短臂关节处受到较长的力,而此时锁紧短臂需要的力矩会很长,对制动器的选型造成困难.但该机构也存在缺点,机构是平面四杆机构,在运动时会存在死点..1.连接孔2.长臂与关节连接件3.长臂4.短臂5.摇杆6.短臂与车轮连接孔图2-4轮腿方案2.2.5轮子的设计每个轮子都是独立驱动,因此每一个轮子都配有一个直流伺服电机和一套减速装置,为了实现制动作用,每一个轮子还配有一个制动装置,这样就能实现简单的运动和制动了。轮子内选用直流电机配减速器的方案,如图2-5所示,将电机固定在心轴(主本科毕业设计说明书（论文）第9页共54页要受到弯矩)长,然后再连接长减速器,再连长制动器,外套橡皮.1.中心轴2.电机3.减速器4制动器定子5.制动器转子6.轮子图2-5电机加减速器这种方案的减速器简单,装配方便,且可靠性较强,结构紧凑,但所选电机范围较短。2.2.6关节运动传递设计、设计时，将短臂接到二级减速器的输出端，然后通过离合器与长臂臂相连，方案如下：这种设计只需要一个制动器，减少体积和质量，运动形式如下：当长臂不动的时候，离合器脱开，制动器锁住长臂，而短臂可以自由转动，当长臂需要运动时，接合离合器，制动器脱开，短臂和长臂以相同的角速度运动，即保持长短臂之间的夹角不变，也就是说，长臂动时，短臂一定要动，两者都不动时，由二级减速器（蜗轮减速器）自锁，则保持腿臂形状不变，如图2-6所示则由车轮电机带动车体进行运动.电机二级涡轮减速摇杆短臂离合器长臂本科毕业设计说明书（论文）第10页共54页1.电机2.长臂3.短臂4.车轮5.摇杆图2-62.2.6车底盘设计采用了自由运动的底盘后，箱体的安装就必须重新设计。具体的要求是，第一箱体的安装必须在一定的范围之内，并不减少底盘的自由度。第二，箱体的安装要有助于箱体的抗震性能，这样有