第7章 移动机器人

2020-03-01 194浏览

  • 1.机器人引论 第7章 移动机器人
  • 2.第7章 移动机器人 o o o o o 7.1 移动机器人的发展 7.2 移动机器人的基本组成 7.3 轮式移动机器人 7.4 履带式移动机器人 7.5 步行移动机器人
  • 3.7.1 移动机器人的发展 o 通常所说的移动机器人是指一种由传感器、遥控操作器和自动 控制的移动载体组成的采用遥控、自主或半自主等方式由人类 对其进行控制的一类机器人。这类机器人因比一般机器人有更 大的机动性、灵活性，故通常工作在劳动强度大、人类无法进 入或对人类有危害的场合中，代替人类进行工作。 o 60年代后期，美国和苏联为完成月球探测计划，研制并应用了 移动机器人。 o 从20世纪80年代开始，美国国防高级研究计划局（DARPA）专 门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划。从此，在全世 界掀开了全面研究移动机器人的序幕。 o 我国在移动机器人的研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单 项研究阶段。
  • 4.7.2 移动机器人的基本组成 o 移动机器人可以从不同的角度进行分类。如从工作环境分为 室内和室外机器人；从移动方式分为轮式、履带式、步行、 蛇形、爬行机器人；从作业空间分为陆地、水下、空间机器 人；从功能和用途可分为医疗、军用、助残、清洁机器人等。 无论哪种机器人，通常都可以认为由驱动系统、控制系统、 传感系统三大最基本的部分组成。 7.2.1 驱动系统 o 驱动系统在移动机器人中的作用相当于人体的肌肉和骨骼， 如果把连杆以及关节想象为机器人的骨骼，那么驱动器就起 肌肉的作用，它们共同构成了机器人的驱动系统。
  • 5.7.2.2 控制系统 o 控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反 馈回来的信号支配机器人的执行机构完成固定的运动和功能。 移动机器人的控制系统是以计算机控制技术为核心的实时控制 系统，它的任务就是根据移动机器人所要完成的功能，结合移 动机器人的本体结构和运动方式，完成机器人的既定任务。 o 控制系统是移动机器人的大脑，它的优劣决定了机器人的智能 水平、工作柔性及灵巧性，也决定了移动机器人使用的方便程 度和系统的开放性。 o 移动机器人的控制系统是由机器人所要达到的功能、机器人的 本体结构和机器人的控制方式来决定的。
  • 6.从机器人控制算法的处理方式来看，控制系统结构如下图
  • 7.控制系统硬件组成
  • 8.7.2.3 传感系统 o 传感器处于连接外界环境与机器人的接口位置，是机器人获 取信息的窗口。移动机器人传感器主要包括内部传感器和外 部传感器。检测机器人本身状态（手臂间角度等)是内部传 感器；检测机器人所处环境(是什么物体，离物体的距离有 多远等)及状况（抓取的物体滑落等)的是外部传感器。而外 部传感器进一步又可分为路径引导传感器、环境传感器、认 知方向传感器和末端执行器传感器。 o 与工业机器人所不同的是，工业机器人大多数仅采用内部传 感器，用于对机器人运动、位置及姿态进行精确控制。而移 动机器人因其任务不同，除采用内部传感器对自身的姿态进 行控制外，还需采用大量的外部传感器获得自身的定位及外 部环境的适应能力。
  • 9.7.3 轮式移动机器人 7.3.1 车轮形式 o 轮式移动机器人的设计重点聚焦在其车轮上，通过车轮的滚动来 实现其工作的任务，达到其“移动”的目的。该类机器人车轮的形状 或结构形式取决于地面性质和车辆的承载能力。 传统的车轮形状 超轻金属线编织轮、半球形轮 球轮、充气球轮和锥形轮
  • 10.o 传统的车轮形状比较适合于平坦的坚硬路面。充气球轮比实 心车轮弹性好，能吸收因路面不平而引起的冲击和振动。此 外充气球轮与地面的接触面积较大，特别适合于沙丘地形。 超轻金属线编织轮、半球形轮这两种轮是为火星表面移动车 辆开发而研制出来的，其中超轻金属线编织轮主要用来减轻 移动机构的重量，减少升空时的发射功耗和运行功耗。 o 移动机器人车轮形式设计要考虑到的一个重要部分是全方位 移动机构的实现，全方位移动机构能够在保持机体方位不变 的前提下沿平面上任意方向移动。更进一步的，有些全方位 车轮机构除具备全方位移动能力外，还可以像普通车辆那样 改变机体方位。由于这种机构的灵活操控性能，所以特别适 合于窄小空间（通道）中的移动作业。
  • 11.在全轮偏转式全方位移动机 构中，行走电动机Ｍ1运转时， 通过蜗轮杆副１和锥齿轮副 ２带动车轮３转动。当转向 电动机Ｍ1运转时，通过另一 对蜗轮杆副４、齿轮副５带 动车轮支架６适当偏转。当 各车轮采取不同的偏转组合， 并配以相应的车轮速度后， 便能够实现前轮操舵、４轮 操舵、全方位方式和原地回 转等转动方式。 全轮偏转式全方位移动机构 1-蜗轮杆副 2-锥齿轮副 3-车轮 4-蜗轮杆 副 5-齿轮副 6-车轮支架
  • 12.o 一种典型的能实现全方位移动的车轮形式称为麦卡纳姆轮，其 结构如下图所示。 麦卡纳姆轮是一种全方位四轮 移动机构。这种车轮由两部分 组成，即主动的轮毂和沿轮毂 外缘按一定方向均匀分布着的 多个从动轮子。当车轮旋转时， 轮心相对于地面的速度是轮毂 速度与辊子滚动速的合成，两 个夹角间有一个偏离角。由于 每个车轮均有这个特点，经适 当组合后就可以实现车体的全 方位移动和原地转向运动。
  • 13.7.3.2 车轮的配置和转向机构 o 1 轮式移动机构、2 轮式移动机构 o １轮式和２轮式移动机构在实现上的主要障碍是稳定性问题。 o 3轮移动机构是车轮型机器人的基本移动机构。 3轮车型移动机器人的结构
  • 14.o 图(a)是后轮用2轮独立驱动，前轮用小脚轮构成的辅助轮组合而成。 这种机构的特点是机构组成简单，而且旋转半径可从D到无限大，任 意设定。但是它的旋转中心是在连接两驱动轴的直线上，所以旋转 半径即使是0，旋转中心也与车体的中心不一致。 o 图(b)中前轮由操舵机构和驱动机构合并而成。与图(a)相比，操舵和 驱动的驱动器都集中在前轮部分，所以机构复杂。在这种场合，旋 转半径可以从零到无限大连续变化。 o 图(c)是为避免图(b)机构的缺点，通过差动齿轮进行驱动的方式。近 来不再用差动齿轮，而采用左右轮分别独立驱动的方法。
  • 15.o 4轮式移动机构 o 4轮车的驱动机构和运动，基本上与3轮车相同。图 (a)是两轮独 立驱动，前后带有辅助轮的方式。图 (b)是所谓汽车方式，适合 于高速行走，但用于低速的运输搬运时，由于费用不合算，所 以小型机器人不大采用。 4轮车的驱动机构和运动
  • 16.o 实际应用的轮式移动机构多为３轮或４轮。３轮式移动机构 具有一定的稳定性，要解决的主要问题是移动方向和速度的 控制，代表性车轮配置方式是一个前轮，两个后轮。两个后 轮独立驱动，前轮仅起支承作用。靠后两轮的转速差实现转 向。也有采用前轮驱动前轮转向的方式，或后轮差动急速器 驱动前轮转向的方式。对于两后轮独立驱动的机构，当两轮 转速大小相等方向相反时，可以实现整车灵活的零半径回转。 但是如果要沿比较长的直线移动时，因两驱动轮的直径查和 转速误差会影响到前轮的偏转，这时候采用前轮转向方式更 合适。至于４轮移动机构，它的应用则更为广泛。因为４轮 机构可采用不同的方式实现驱动和转向。
  • 17.o 全方位移动车 o 过去的车轮式移动机构基本上是2自由度的，因此不可能简 单地实现任意的定位和定向。机器人的定位，用4轮构成的 车可通过控制各轮的转向角来实现。自由度多，能简单设定 机器人所需位置及方向的移动车称为全方位移动车。下图是 表示全方位移动车移动方式的各车轮的转向角。 全方位移动车的移动方式
  • 18.7.3.3 三轮移动机器人运动分析 o 车轮机构运动（速度）分析是指在已知车轮的驱动速度条件 下，确定本体的移动速度和旋转角速度。对于三轮式移动机 构，目前主要有两种简化驱动方式： o 一是前轮为驱动轮同时起到方向轮的作用，后面的两个车轮 为从动轮。此种驱动方式结构复杂，转弯半径可以从零到无 穷大连续变化。 o 二是前轮为方向轮，两个后轮为独立的驱动轮。此种驱动方 式的机构比较简单，转弯半径可以从零到无穷大连续变化。
  • 19.o 三轮移动的结构简图如图所示。图(a)为第一种驱动方式的简化 示意图，图(b)为第二种驱动方式的简化示意图。
  • 20.o 记移动机器人的方向轮相对于车体纵轴的旋转角度为φ；移 动机器人的车体纵轴与x轴的夹角为θ。 第一种驱动方式： 方向轮在转弯时的瞬时圆心位于两后轮轴心的连线上，设此时瞬时 转弯半径为r。 车体的速度：v p  v cos   dx  dt  v cos  cos    dy  v cos  sin   dt L 前轮在转弯时的瞬时半径为： r  sin 
  • 21. dx   dt   vx   dy  cos  cos   v     cos  sin   y    dt    得到车体运动方程为：   front   d   sin  / L      dt  0   vehicle   d     dt  0 0   v  0  vehicle   0 第二种驱动方式： 方向轮在转弯时的瞬时圆心也是位于两后轮轴心的连线上，设此 时瞬时转弯半径为r，w为车体的转弯角速度。
  • 22.v1  v2 车体的速度为： v p  2 B 前轮在转弯时的瞬时转弯半径为： r  v2  v1  dx   cos   dt   2  vx     dy   sin  车体运动方程：  v y       dt    2        d    1  dt   B cos   2   sin    v1  2   v2  1  B 
  • 23.7.3.4 轮式排爆机器人 o 目前有代表性的轮式排爆机器人主要有ABP公司的以下三种： 野牛中型排爆机器人 土拨鼠排爆机器人
  • 24.独眼龙排爆机器人 此外，轮式排爆机器人还有法国DM Development公式研制的RM35型爆 炸物处理机器人，如图(a)；加拿大 Pedsco公司研制的MURV-100小型 排爆机器人，如图(b)。加拿大 Pedsco公司研制的RMI-10中型排爆 机器人，如图(c)。
  • 25.7.4 履带式移动机器人 o 履带式机构称为无限轨 道方式，履带式移动机 器人是轮式移动机构的 拓展，其最大特征是将 圆环状的无限轨道履带 (crawler befit )卷绕在多 个车轮上，使车轮不直 接与路面接触。适合在 未加工的天然路面上行 走。 TEODOR型履带式移动机器人
  • 26.o 履带式移动机器人与轮式移动机构相比具有如下特点： n 支承面积大，接地比压小，路面保持力强，适合于松软或 泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能较好， 能登上较高的台阶； n 越野机动性好，爬坡、越沟等性能均优于轮式移动机构。 重心低，较稳定，并且能够原地旋转； n 履带支承面上有履齿、不易打滑，牵引附着性能好，有利 于发挥较大的牵引力； n 结构复杂，重量大，运动惯性大，减振性能差，零件易损 坏。
  • 27.7.4.1 车体结构 1 履带机构的形状 o 驱动轮及导向轮兼作支承轮的结构如图(a)所示，它可以增大支 承面面积，改善稳定性。 o 驱动轮和导向轮不作支承轮的结构如图(b)所示，将驱动轮和导 向轮只微量抬高，而不作为支承轮。好处是适合于穿越障碍。
  • 28.2 支承轮 o 履带式移动机器人的重力主要通过支承轮压于履带板的轨道 传递到地面上，根据履带支承轮传递压力的情况，可分为多 支点式和少支点式。 o 多支点式一般具有5~9个支承轮，相邻两支承轮之间的距离小 于履带节距的1.5倍。履带在支承轮之间不能弯曲，因而接地 比压近于均匀分布。多支承式的支承轮数目多，直径较小， 通常固定支承于履带梁上。 o 少支点式的支承轮数目少而直径大，运行阻力较小，但履带 在支承轮之间的履带板数目大，可以有很大的弯曲，在支承 轮下方的履带板受压很大，而其它履带板受压则较小。这样 的装置适合于在石质土壤上工作。
  • 29.(a)多支点式 (b)少支点式 多支点式和少支点式的支承轮
  • 30.3 拖带板 o 托带板安装于履带上分支的下方，以减少履带的下垂量，保 持它平稳运转。通常情况下，托带板用2~3个就够了。由于 托带板只承受履带自重的载荷，所以它所需尺寸较小，结构 比较简单。 4 履带板 o 每条履带是由几十块履带板和链轨等组成。其结构基本上可 分为四部分：履带的下面为支承面，上面为链轨，中间为与 驱动链轮相咬合的部分，两端为连接铰链。根据履带板的结 构不同，履带板又可分为整体式和组合式。
  • 31.o 整体式履带板如图(a)所示。这种履带板优点是结构简单，制造方 便，拆装容易，重量较轻。缺点是由于履带销与销孔之间的间隙 较大，泥沙容易进入，使销和销孔磨损较快，一旦损坏，履带板 只能整块更换。 (a)整体式 (b)组合式 整体式和组合式履带板
  • 32.5 驱动轮与导向轮 o 履带机构可以有前驱和后驱。履带两侧的导向轮哪一个用来 驱动更为合适与履带机构的形状有关。 例如针对右图的情况，以驱 动轮在后方比较有利，因为 这时履带的上分支受力较小， 导向轮受力也较小，履带承 载分支处于微张紧状态，运 行阻力较小。而前轮为驱动 轮时，履带的上分支及导向 轮承载最大载荷，履带承载 分支部分长度处于压缩弯折 状态，运行阻力增大。 后驱动轮与前驱动轮
  • 33.6 履带张紧装置 o 履带张紧装置是用来调整履带装置的节距的。由于履带装置 的节距时间一长就会因磨损而增大，轨链伸长，如不进行调 整以保持一定的张紧程度，就易发生脱轨与掉链等情况，因 而需要装设张紧装置。通常导向轮的轴承制成可以滑移的， 用丝杠调整，调整距离略大于半个履带节距。 履带机械式张紧装置
  • 34.7 履带架 o 履带移动机构的承载架可以制成刚性的，也可以制成活动的。 刚性履带架，如图(a)所示，其优点是结构简单；缺点是当地面 不平时，履带受力极不均匀。图(b)和图(c)所示的履带架可以大 大改善载荷的不均匀，但结构比较复杂。
  • 35.7.4.2 越障原理 o 带有摆臂的关节式履带移动机器人的整个爬越障碍过程可以分成 两个阶段： 第一阶段，先将两侧 摆臂搭在台阶上，使 车体在行走机构和摆 动机构的共同作用下， 顺利地爬到第二台阶， 此时车体实现了地面、 第一台阶、第二台阶 的三点接触。 爬台阶时整车受力图
  • 36.第二阶段，机器人只 需要在行走机构的作 用下如同上坡一样缓 缓地向上爬。由此可 以看出，只要保证行 走机构在结构设计至 少能够同时与两个台 阶点接触，就能实现 第二阶段运行的平稳 性和可靠性。 爬台阶时摆臂受力图
  • 37.7.4.3 履带排爆机器人 法国Cybernetics公司的 TEODOR排爆机器人 法国Cybernetics公司的 CASTOR小型排爆机器人
  • 38.PIAP公司的 EXPERT中型 排爆机器人 TELEROB公司的 TEL600型爆炸处理车 TELEROB公司的 POLYFIMOS 3000型防爆机器人
  • 39.7.5 步行移动机器人 o 7.5.1 步行机器人的特点及发展过程 o 步行机器人可以认为是一种由计算机控制的用足机构推进的表面 移动机械电子装置，和传统的轮式、履带式移动机器人相比，步 行机器人具有独特的性能。其特点主要表现在： o 足运动方式具有较好的机动性，即具有较好的对不平地面的适应 能力。足运动方式的立足点是离散的，可以在可能达到的地面上 最优地选择支撑点。而轮式运载工具必须面临最坏地形上的几乎 所有点。足式运动系统还可以通过松软地面（如沼泽、沙漠等） 以及跨越较大的障碍（如沟、坎和台阶等）。 o 足运动系统可以主动隔振，即允许机身运动轨迹与足运动轨迹解 耦。尽管地面高低不平，机身运动仍可以做到相当平稳。具体来 说，步行系统多波长小于两倍行程的不平度没有响应，而对较大 波长的地形变化的过滤作用决定于保持机体姿态的控制算法。 o 足运动系统在不平地面和松软地面上的运动速度较高，而能耗较 少。
  • 40.o 步行机器人的发展最早源自于美国和日本。1968年，美国的R. Smosher （通用电气公司）试制了一台叫“Rig”的操纵型双足步行机器人机械， 从而揭开了仿人机器人研制的序幕。同年，日本早稻田大学加藤一郎 教授在日本首先展开了双足机器人的研制工作，1969年日本研制出 WAP-1(Wasada Automatic Pedipulator)平面自由度步行机，从1968年到 1986年，又先后推出了WAP-3、WL-5、WL-9DR、WL-10RD、WL-12(R) 等。日本东京大学的Jouhou System Kougaka实验室研制了H5、H6型仿 人型双足步行机器人，日本本田公司也从1986年开始陆续推出P1、P2 、P3型机器人，本田公司于2000年11月20日又推出了新型双脚步行机 器人“ASIMO”，“ASIMO”与P3型机器人相比，实现了小型轻量化，使其 更容易适应人类的生活空间，通过提高双脚步行技术使其更接近人类 的步行方向和关节及手的动作。日本索尼2000年11月21日推出了人形 娱乐型机器人“Sony Dream Robot – 3X”(SDR-3X)。其身高50cm，质量为 5kg。日本还有许多其它科研机构和高等院校从事仿人机器人的研制和 理论研究工作（如松下电工、富士通、川崎重工、日立制作所等）。
  • 41.WL系列步 行机器人 H7机器人 H6机器人 HRP-2JSK 机器人
  • 42.ASIMO机器人 P3 机器人 SDR-3X机器人
  • 43.7.5.2 步行机器人的腿结构 o 步行机器人的腿在行走过程中交替地支撑机体的重量并在负重状态 下推进机体向前运动，因此腿结构必须具备与整机重量相适应的刚 性和承载能力。从结构要求来看，腿结构还不能过于复杂，杆件太 多的腿机构形式会导致结构和传动的实现发生困难。 o 步行机器人的腿结构（或足）数分别为1足、2足、3足、4足、6足、 8足甚至更多。其中偶数腿机构占绝大多数，因为就直线运动来说， 偶数腿机构能产生有效的步态。 o 腿机构的配置指步行机器人的腿相对于机体的位置和方位的安排， 这个问题对于多于2足时尤为重要。 o 步行机器人腿结构分为开链机构和闭链机构。开链机构的特点是工 作空间大，结构简单，但承载能力小。闭链机构一般刚性好，承载 能力大，功耗较小，但工作空间有局限性。
  • 44.日本东芝公司研制的6足闭链步行机器人 卡内基-梅隆大学开发的6足开链步行机器人 日本东京工业大学研制的4足闭链步行机器人 FMC公司开发的6足开链步行机器人
  • 45.7.5.3 两足步行机器人的动力学模型 o 两足步行模型是一个变结构机构，单脚支撑为开式链，双脚支撑为闭式 链。支撑点的固定靠摩擦力来保证，质量分布和重量大小都直接影响静 态和动态的稳定性。为保证行走过程中姿态的稳定性，对行走步态应加 严格的约束。 o 两足步行的行走方式有静态步行、准动态步行和动态步行三种。 n n n 静态步行：两足步行机器人靠地面反力和摩擦力来支撑，绕此合力作用 点力矩为零的点称为零力矩点(ZMP)。在行走过程中，始终保持ZMP在脚 的支撑面或支撑区域内。 准动态步行：把维持机器人的行走分为单脚支撑期和双脚支撑期，在单 脚支撑期采用静态步行控制方式，将双脚支撑期视为倒立摆，控制重心 由后脚支撑面滑到前脚支撑面。 动态步行：这是一种类人型的行走方式。在行走过程中，将整个驱体视 为多连杆倒立摆，控制其姿态稳定性，并巧妙利用重力、蹬脚和摆动推 动重心前移，实现两足步行。动态步行涉及机构控制和能源等难题，目 前仍处于研究阶段。
  • 46.两足步行机器人系 统是相当复杂的多 变量时变非线性系 统。其复杂程度与 两足机器人的自由 度多少有关。右图 是人的一个下肢踝 关节以上的部分， 着眼于步行机能的 连杆机构模型。