机器人概论

军用移动机器人结构设计

摘要：军用移动机器人是军用机器人中的一种。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：军用移动机器人；步行机构；运动学分析

第一章绪论

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[1]。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[2]。

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[3]。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[4-7]。

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。

第二章机器人方案的创成和机械结构的设计

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[8]。这三种行驶机构各有其特点。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。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。

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。

2.2 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[9]。

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。

图2-1移动机器人各系统之间的关系

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

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[10-11]。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。

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2-2所示。

图2-2支腿机构简图

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。

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-90°运动到90°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90°运动到270°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2-3支腿机构平移周期示意图

图2-4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2-1。

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2-1 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、材质轻便、成型后

具有很大的承受力

第三章结束语

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期.2003年.385-388.

[6]查选芳，张融甫.多足步行机器人支腿机构的运动学研究[J].东南大学学报，1995，(3):103-107.

[7]张海洪，龚振邦，谈士力.全方位越障移动机构研究.机器人.第23卷第4期.2001年7月.341-345.

[8]金波，胡夏，俞亚新.新型六足爬行机器人设计[J].机电工程.第24卷第6期.2007年6月.23-25.

[9]王安麟，石斌，赵群飞，吴仁智，陈凝.多关节双足步行机器椅行走步态规划.机械工程学报[J]，第43卷第一期，2007年11月 .168-170.

[10]安丽桥，朱磊，王勇，刘捷，丁乐平.六脚足式步行机器人的设计与制作.实验室研究与探索[J].第25卷第2期.2006年2月 .166-168.

[11]周远清.智能机器人系统.北京:清华大学出版社，1989.1-5.