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机械毕业设计

移动机器人的结构设计

时间:2017-04-20 00:00:40   作者:   来源:   阅读:545   评论:0
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。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,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0.4~0.6Mpa,最高可达1Mpa。用气压伺服实现高精度是困难的,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)。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。

移动机器人的结构设计

      图1 移动机器人各系统之间的关系


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