1、移动机器人的结构设计摘 要：移动机器人是机器人的一种。本文在分析国内外移动机器人研究现状的基础上，设计了一种新型移动机器人结构将轮式驱动系统和步行式运动机构相结合，在两个电机的驱动下，通过一些简单的传动机构，使机器人可以实现单方向的步态行走。同时配合车轮运动，使机器人不仅具有一般轮式机器人移动速度快、控制简单的特点，还具有较好的越障能力。关键词：移动机器人；步行机构；运动学分析1 引言在工业机器人问世30多年后的今天，机器人己被人们看作为一种生产工具，同时随着社会的发展和人们生活水平的提高，各种各样的机器人也被开发出来去适应制造领域以外的各个行业，其中移动机器人成为机器人学发展中的一个重要分支
2、。移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，移动机器人具有移动功能，在代替人从事危险、恶劣(如辐射、有毒等)环境下作业和人所不及的(如宇宙空间、水下等)环境作业方面，比一般机器人有更大的机动性、灵活性。随着科技的进步，人类对未知世界进行探索的愿望越来越强烈，移动机器人的发展也日新月异。在对移动机器人的研究中，人们提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于移动机器人在军事侦察、扫雷排险、防核化污染等危险、恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到更为普遍的关注。国外
3、对于移动机器人的研究起步较早，日本是开发机器人较早的国家，并成为世界上机器人占有量最多的国家，其次是美国和德国。进入90年代，随着技术的进步，移动机器人开始在更现实的基础上，开拓各个应用领域，向实用化进军。前苏联曾经在移动机器人技术方面居于世界领先的地位，俄罗斯作为前苏联的继承者，在机器人技术领域依然具有相当雄厚的技术基础，ROVER科技有限公司把在开发空间机器人中获得的经验应用于开发地面机器人系统，如极坐标平面移动车、爬行移动机器人、球形机器人、工作伙伴平台以及ROSA-2移动车等，最近的突出成果是2003年发射的火星漫游机器人一一“勇气”号与“机遇”号。虽然国内有关移动机器人研究的起步较晚
4、，但也取得了不少成绩。2003年国防科技大学贺汉根教授主持研制的无人驾驶车采用了四层递阶控制体系结构以及机器学习等智能控制算法，在高速公路上达到了130 Km/h的稳定时速，最高时速170 Km/h，而且具备了自主超车功能，这些技术指标均处于世界领先的地位1。但是我国在机器人的核心及关键技术的原创性研究、高性能关键工艺装备的自主设计和制造能力、高可靠性基础功能部件的批量生产应用等方面，同发达国家相比，我国仍存在较大的差距。未来研究热点是将各种智能控制方法应用到移动机器人的控制。本课题主要是针对在不同的路况环境下，机器人的运动能够适应不同的路径和环境而提出的，要求机器人能在平坦的直行路面以较快的
5、速度行走，在复杂环境下能完成爬越斜坡、台阶，实时避障等任务，具有更广的道路通过性和灵活性，也可以为机器人的运动和控制提供一个很好的研究平台。2移动机器人的结构设计2.1 总体机构方案2.1.1行驶机构到目前为止，地面移动机器人的行驶机构主要分为履带式、腿式和轮式三种。这三种行驶机构各有其特点2。（1）履带式履带最早出现在坦克和装甲车上，后来出现在某些地面行驶的机器人上，它具有良好的稳定性能、越障性能和较长的使用寿命，适合在崎岖的地面上行驶，但是当地面环境恶劣时，履带很快会被磨损甚至磨断，沉重的履带和繁多的驱动轮使得整体机构笨重不堪，消耗的功率也相对较大。此外，履带式机构复杂，运动分析及自主控制
6、设计十分困难。（2）腿式腿式机构具有出色的越野能力，曾经得到机器人专家的广泛重视，取得了较大的成果。根据腿的数量分类，有三腿、四腿、五腿和六腿等各种行驶结构。这里我们简单介绍一种典型的六腿机构。一般六腿机构都采用变换支撑腿的方式，将整体的重心从一部分腿上转移到另一部分腿上，从而达到行走的目的。行走原理为:静止时，由六条腿支撑机器人整体。需要移动时，其中三条腿抬起成为自由腿(腿的端点构成三角形)，机器人的重心便落在三条支撑腿上，然后自由腿向前移动，移动的距离和方位由计算机规划，但必须保证着地时自由腿的端点构成三角形。最后支撑腿向前移动，重心逐渐由支撑腿过渡到自由腿，这时自由腿变成支撑腿，支撑腿变
7、成自由腿，从而完成一个行走周期。腿式机器人特别是六腿机器人，具有较强的越野能力，但结构比较复杂，而且行走速度较慢。（3）轮式轮式机器人具有运动速度快的优点，只是越野性能不太强。现在的许多轮式己经不同于传统的轮式结构，随着各种各样的车轮底盘的出现，实现了轮式与腿式结构相结合，具有与腿式结构相媲美的越障能力。如今人们对机器人机构研究的重心也随之转移到轮腿结合式机构上来了。本文设计的移动机器人不仅要求具有一般轮式机器人移动速度快、控制简单的特点，还要具有较好的越障能力，因此本文选择轮腿式相结合的轮腿机构作为行驶机构。2.1.2 驱动形式的选择驱动部分是机器人系统的重要组成部分，机器人常用的驱动形式主
8、要有液压驱动、气压驱动、电气驱动三种基本类型3。（1）液压驱动液压驱动是以高压油作为介质，体积较气压驱动小，功率质量比大，驱动平稳，且系统的固有效率高，快速性好，同时液压驱动调速比较简单，能在很大范围实现无级调速。但由于压力高，总是存在漏油的危险，这不仅影响工作稳定性和定位精度，而且污染环境，所以需要良好的维护，以保证其可靠性。液压驱动比电动机的优越性就是它本身的安全性，由于电动机存在着电弧和引爆的可能性，要求在易爆区域中所带电压不超过9V，但液压系统不存在电弧问题。（2）气压驱动在所有的驱动方式中，气压驱动是最简单的。使用压力通常在0.40.6Mpa，最高可达1Mpa。用气压伺服实现高精度是
9、困难的，但在满足精度的场合下，气压驱动在所有的机器人驱动形式中是质量最轻、成本最低的。气压驱动主要优点是气源方便，驱动系统具有缓冲作用，结构简单，成本低，可以在高温、粉尘等恶劣的环境中工作。其缺点是：功率质量比小，装置体积大，同时由于空气的可压缩性使得机器人在任意定位时，位姿精度不高。（3）电气驱动电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的机器人运动。电气驱动是目前机器人是用得最多的一种驱动方式。其特点是易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，驱动力较大，信号监测、传递、处理方便，成本低廉，驱动效率高，不污染环境，可以采
10、用多种灵活的控制方案。由于本课题所研究的移动机器人驱动负载小，要求结构简单、定位精度高，所以选用了电气驱动方式。2.1.3 驱动电机的选择电动机有直流电动机和交流电动机两类。常用的交流电动机有三相异步电动机(或感应电动机)和同步电动机。异步电动机结构简单，维护容易，运行可靠，价格便宜，具有较好的稳态和动态特性，因此，它是工业中使用最为广泛的一种电动机。直流电动机虽不及交流电动机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，但由于长期以来交流电动机的调速问题未能得到满意的解决，在此之前，直流电动机具有交流电动机不能比拟的良好的启动性能。到目前为止，虽然交流电动机的调速问题已经得到解决，但是在速度调节要
11、求较高，正、反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械上，仍采用直流电动机拖动。根据本系统的工作特点，本设计驱动机构选用了永磁直流伺服电机，转动机构选用步进电机。其性能优越性如下：永磁直流伺服电机接通直流电即可工作，控制简单；启动转矩大，体积小，重量轻，转速和转矩容易控制，效率高。步进电机将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非
12、常的简单4。2.1.4 驱动机构的选择驱动元件在机器人中的作用相当于人体的肌肉。为了完成预定的动作，机器人必须具备前进驱动装置和转向驱动装置，这是结构设计中的一个关键，本文主要采用电机作为该新型移动机器人的驱动元件。对电机实现准确的控制，才能使机器人实现精确运动。目前，电机驱动装置主要有以下两种布置方式:(1)集中驱动方式：即把驱动电机布置在车体上，在通过传动装置，将动力输出到每个车轮上，使车轮运动。电动汽车便是典型的集中驱动方式。对于智能移动机器人，集中驱动方式并不合适，主要是由于其难以实现自由转向，对车体进行精确定位。(2)集中控制分布驱动方式：即在每个驱动车轮上都设置电机，驱动车轮运动或
13、转向。电机由安装在车体上的中央控制元件控制其转动速度。这种结构简单，而且便于实现，有利于运动机构性能的发挥。目前各国的空间探测车均采用这种驱动方式。本方案采用集中控制分散驱动方式。车轮和前进驱动电机做成一体式结构，即为电动轮。在车轮和支架连接处，装设转向电机，驱动车轮转向。2.1.5车轮车轮的直径对机器人的速度和越障能力都有很大的影响。使用同样的电机，车轮直径增加，机器人的速度会同时增加，二者之间是一种线性关系。另外，按照车辆理论的分析，车轮的直径增大可以明显提高机器人的越障能力。但是，车轮直径变大的同时，车轮表面所受的电机转矩却会下降。根据车辆地面力学理论，刚性车轮的宽度越宽，车轮的土壤沉陷
14、量越小，土壤的压实阻力也就越小。不过，车轮变宽后，机器人的转向阻力也会变大。另外，增加车轮的直径比增加车轮宽度对减小压实阻力更为有效。因此，必须根据实际情况设定车轮直径和宽度，不能盲目加大车轮直径和宽度。2.1.6移动机器人的主要特点1）移动机器人的结构特点本六轮智能移动机器人采用整体车身结构。车身通过两个铰座与前后两个车架连接，使车身及承载物的重量能被两个车架平均承受，再平均分配给每个车轮，从而使各车轮的受力均衡，提高整个车辆的承载能力。同时由于车身与前后车架可以绕其相应的铰座相对转动，大大提高了它对不同复杂路面的适应能力5。机器人的主要运动结构为前后两个车架及其相关机构。每个车架上设有三个
15、车轮和配套的驱动电机及转向舵机，可以分别实现滚动和转向。三个车轮的接地点呈三角形分布，使各车架均具有自身的稳定性。三个车轮各自通过一套连杆机构与车架相连，通过简单的机构传动，可以使三个车轮完成协调的步态行走。其中当一个车轮抬起时，另外两个车轮着地；两个车轮抬起时，一个车轮着地。将前后两车轮架上的六个车轮通过机构连接起来，便可以实现六个车轮实现协调步态行走。其中三个车轮抬起，三个车轮着地。由于始终有三个车轮着地，即使行走速度较慢，也可以保证整个车体的稳定性。另外，当机器人处于六个车轮同时着地时，可以通过各车轮上的驱动电机和舵机驱动各车轮，实现机器人的前进、后退和转向。2）基本参数我们所要研制的移
16、动机器人基本参数如下:外廓尺寸 长:1600mm 宽:800mm 高:800mm 巡航车速:0.1m/s 最高车速:0.13m/s 轮胎规格：直径170 mm 轮宽25 mm 3）技术参数机器人的技术指标反映了机器人所能胜任的工作和具有的最高操作性能，是选择和设计机器人都必须考虑的关键问题。机器人的技术指标一般包括以下几个方面：(1)结构形式机器人的结构形式是指机器人运动链的形式：如关节式、球坐标式、直角坐标式、圆柱坐标式等。(2)自由度和类型自由度是表示机器人动作灵活程度的参数，是指机器人所具有的独立运动关节的数目，一般以沿轴线的移动和绕轴转动的独立运动数来表示(末端执行器的动作不包括在内)
17、。自由度越多越灵活，但同时结构越复杂，控制也越复杂。通常情况下机器人的自由度在3-6个之间，而自由度的类型是指属于转动关节还是直线关节。(3)运动范围是指机器人关节的运动范围。机器人一般由于结构设计的限制和控制系统电缆的走线，都对关节的运动范围会产生影响，大多数机器人的关节不可能在同一个方向持续转动。(4)重复精度机器人经过多次循环运动后，到达空间同一位置和姿态的最大误差范围。(5)控制方式机器人运动控制的方式，如示教再现、点位控制或轨迹控制。(6)驱动方式机器人是采用液压、气动、交流电机或异步电机控制等。本设计研究的攀爬机器人的技术参数如下表：表1移动机器人的技术参数机构形式多连杆机构自由度
18、数3驱动方式直流伺服电机驱动电源直流电源控制方式单片机控制2.2移动机器人的组成如图1所示移动机器人主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。1）执行机构执行机构是移动机器人完成各种所需运动的机械部件。2）驱动系统驱动系统是移动机器人执行机构运动的动力装置，通常由动力源、控制调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、电力传动和机械传动等四种形式。3）控制系统控制系统是通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，并检查其正确与否的一些装置。一般包括程序控制部分和行程检测反馈部分。驱动系统车轮控制系统执行系统（包括：机身、腿部） 图1 移动机器人各系统之间的关系
19、2.3 移动机器人机构设计2.3.1移动机器人步行机构设计1.步行机构简介步态行走机构对崎岖路面具有很好的适应能力，其落足点是离散的，可以在可能到达的地面上选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择支腿的支撑点，也能够行走自如。目前出现的行走机构按照支腿的数目来划分，主要分为两足和多足结构。两足结构是通过模拟人体行走时的姿态而设计的，主要是采用多关节的结构形式，每个关节都有相应的电机及运动控制程序控制，整个行走周期落足点的轨迹可以任意调节，可以得到比较好的轨迹曲线，并且通过调节两足的相对位置，可以比较好地调整机构整体的重心位置，保持机构运行时的平稳性6。但是由于电机的数量较多，
20、要使其协调工作，控制起来比较复杂，并且对硬件和软件的要求都比较高。多足结构主要是通过模拟昆虫的行走步态，该结构可以较好的保持机构的稳定性，其中以六足机构最为典型。六足机构按行走方式又可分为步行式和爬行式。爬行式结构的支腿要求至少有两个平面的运动:水平面和竖直面。因此，每个支腿至少需要两个电机来驱动。要使六条支腿协调动作，也需要较好的控制程序和硬件设备。步行式结构每个支腿仅需要一个电机驱动，通过机械传动，可以使用一个或两个电机同时驱动六条支腿协调运动，控制简单，对硬件的要求也不高。但是对落足点的轨迹要求较高。否则就不能保证机构运动的整体平稳性7。设计步态行走系统最大的难点是如何协调各腿之间的动作
21、，以及如何保证整体的平稳性。协调各足的动作可以通过机械传动链，使各机构有序协调地运动，更能保证传动精度，简化控制系统。保证机构的平稳性实质上是对落足点的轨迹提出了比较苛刻的要求。即把落足点一个周期的轨迹分为两部分，前半个周期实现迈步动作，要求落足点尽可能的高于地面，并有一定的水平位移;后半个周期使落足点回到初始位置，并保证其轨迹尽可能的与地面平行障8。只有同时满足以上两个条件，才能使整个机构平稳的向前移动。本设计采用一个电机，通过机构传动，来实现落足点周期性的运动，并且其运动轨迹可以较好地满足以上两个要求动9。2.步行机构设计本智能机器人的步行机构为多连杆机构，拟采用一个电机驱动一个端点做圆周
22、运动，通过连杆传动，实现落足点周期性的往复运动，从而实现机器人的前进、后退以及一定范围内的越障。为了简化示意图，现将连杆用直线表示，铰接点用圆圈表示。连杆机构简图如图2所示。 图2支腿机构简图3.曲轴、连杆长度的确定机构设计过程中考虑各种因素的影响，确定了连杆与曲轴的长度：曲轴11长为100mm，连杆1和8长为224mm，连杆2、5、9、4长为200 mm，连杆3和7长为100 mm连杆6和10长为330mm，固定点A、B间距为240 mm。为实现所要求动作的位置和姿态，需要3个自由度实现位置移动。4.步行机构原理分析A、B两点固定在车架上，C点为落足点(实际是机器人车轮的中心)。所有连杆的连
23、接方式均为铰接。杆11为曲轴，绕A点做圆周运动，轨迹如图中圆周所示。通过连杆机构的传动，点C随整个机构做周期运动，从而实现一个周期的行走运动。为实现整个机构协调运动，所有连杆采用铰接的方式。连杆11通过电机驱动，绕A点做圆周运动。整个机构可以分为相互协调的三个四连杆机构(杆9、10、11、车架；杆5、6、11、车架；杆3、4、5、7)和两个三角架(杆1、2、3；杆7、8、9)。两个三角架各自保持自身三个连杆的相对稳定。落足点C为其中一个三脚架的一个端点。其中，四连杆机构和三脚架之间以及四连杆机构之间都通过共用连杆来传递运动。曲轴11同时充当其中两个四连杆机构的曲轴。这样，在曲轴11的圆周运动过
24、程中，落足点C也将随连杆机构做周期性的运动。2.3.2运动示意图落足点C的运动周期可以分为两个部分:平移周期(如图6)和迈步周期(如图7)。每个周期各占整个运动周期的一半。即，曲轴11从运动到的半个周期内，落足点向后平移，实质上是实现整个机构的向前平移;从运动到的半个周期内，落足点向前移动，并且有一定的垂直高度，可以越过一定高度的障碍，使迈步过程顺利实现。图3支腿机构平移周期示意图 图4支腿机构迈步周期示意图2.3.3执行机构的设计针对上述的实际情况，综合各方面的因素，设计此移动机器人各构件的尺寸及制造材料，见表2。上述构件全部采用钢板造型，然后由焊接连接，大部分零部件均设计成模块化，便于更换
25、和二次开发。车轮采用硬脂塑料车轮，强度大，重量轻。车身通过两个铰座与前后两个车架连接，使车身及承载物的重量能被两个车架平均承受，再平均分配给每个车轮，从而使各车轮的受力均衡，提高整个车辆的承载能力。在车轮与连杆机构的连接处装有舵机，用于实现转向。在车体上设有中央控制单元，实现电机的运行控制。这样，六个车轮在结构上集驱动、减速、传动和位置监测于一身，减少了传动环节和车体重量，提高了系统的效率和可靠性。表2 移动机器人各构件的尺寸及制造材料机构名称构件尺寸所选材料选用理由步行机构连杆3mm（厚度）钢板价格便宜、加工简单成型后具有很大的承受力车轮170mm、25 mm（直径、轮宽）硬脂塑料价格便宜、
26、材质轻便、成型后具有很大的承受力2.4 移动机器人控制系统的设计移动机器人一般多作业于复杂的环境。与普通车辆相比，其动力学特性更为复杂，对整体的稳定性要求更高，尤其是在机器人转向运动时。目前，移动机器人的转向动作主要通过两种方式来实现遥控和程控。遥控主要指利用遥感技术，由操纵者发送指令，通过无线电、传感器网络、蓝牙等设备，对机器人进行转向控制10。程控是指利用机器人上自带的工控机、嵌入式等硬件设备，通过己有的软件系统，使机器人能够自主的进行转向等动作。由于作业环境的不确定性，往往将两者结合起来使用。尤其是遇到大障碍时，要求机器人具有良好的转向灵活性11。本文移动机器人控制系统模式采用自主导航和
27、远距离控制相结合的模式。车上设有传感和视觉系统、导航系统、控制系统，机器人本身具有一定自主导航能力，可以实现自动避障。同时视觉系统可以把视觉内容通过无线设备传递给遥控系统，实现遥控功能。机器人自带蓄电池等能源设备，可以在一定时间段内实现能源的自动供给，保证机器人在失去外部电源的情况下能自动返回出发地。最后完成的移动机器人效果图如下：图5新型移动机器人结构示意图3步行机构运动学分析3.1上四连杆机构杆9、10、11以及车架构成一个四连杆机构，位于固定点B的上方，如图4所示。设曲轴11与水平轴x的夹角为，连杆10与x轴的夹角为，摆杆9与x轴,杆9、10、11的长度分别为,。固定点A、B间的距离为。
28、曲轴11绕固定点A转动，角速度为，角加速度为。摆杆9绕固定点B从动。可得方程组 (3-1) 图6上四连杆机构示意图解方程组（3-1）可得任意时刻摆杆9、连杆10与x轴的夹角和，由式3-2、3-3可以求得任意时刻摆杆9的角速度和角加速度;由式3-4、3-5可以求得任意时刻连杆10的角速度和角加速度。 (3-2) (3-3) (3-4)(3-5)3.2下四连杆机构杆5、6、11以及车架构成一个四连杆机构，位于固定点B的下方，如图5所示:设曲轴11与水平轴x的夹角为，连杆6与x轴的夹角为，摆杆5与x轴。杆5、6、11的长度分别为、。固定点A、B间的距离为。曲轴11绕固定点A驱动，角速度为，角加速度为
29、。摆杆5绕固定点B从动。可得方程组: (3-6) 图7下四连杆机构示意图解方程组（3-6）可得任意时刻摆杆5、连杆6与x轴的夹角和，由式3-7、3-8可以求得任意时刻摆杆5的角速度和角加速度;由式3- 9、3-10可以求得任意时刻连杆6的角速度和角加速度。 (3-7) (3-8) (3-9) (3-10)3.3落足点的运动学分析杆3、4、5、7构成一个平行四边形机构，连杆3和连杆7始终处于平行。如图2所示。因此，落足点C的坐标为: (3-11)落足点在任意时刻的水平速度、垂直速度与水平加速度、垂直加速度为： (3-12) (3-13)由上式可以看出，根据曲轴11的运动状态，即可得到落足点C任意
30、时刻的位置、速度以及加速度。4 结论 本文在对智能移动机器人越障性能的需求进行分析的基础上，设计了一种新型的步行机构，并且将其与传统的轮式驱动系统相结合，完成了一种新型智能移动机器人的概念设计。本文仅仅讨论了其中结构与机构方面的内容，论文并不完善，有待于在以下几个方面作进一步的探索和深化:l)机器人的越障能力和行驶机构的参数选取有很密切的关系。在结构形式确定的基础上，有必要对行驶机构的参数作进一步的优化，以求得到更好的越障性能和车体的稳定性；2)轮地接触关系是一个值得研究的课题。要确定车轮的外形和表面形式，必须对机器人在路面行走时车轮的受力状态有深入的研究；3)在上述分析和研究的基础上，要积极
31、探索机器人的控制系统的算法。如何将步行机构和轮式驱动系统结合起来将是控制系统的关键。把控制系统和机械结构充分结合起来，机器人的研究就更有实际意义。参考文献l徐国华，谭民.移动机器人的发展现状及其趋势J.机器人技术与应用.2001，(3):7-14.2曹会宾.移动机器人移动结构及运动控制的研究J.哈尔滨:哈尔滨工业大学.2004.55-58.3蔡自兴.机器人学M.北京：清华大学出版社，2000. 41-45.4刘宝廷，程树康.步进电机及驱动控制系统M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.1997.34.5徐蟒琳，陆文娟，朱纪洪.六主动轮移动机器人的建模及路径跟踪.清华大学学报(自然科版).第43卷第3
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