块化设计方法的服务机器人结构设计

（１．Ｔｈｅ Ｋｅｙ Ｓｔａｔｅ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＦｌｕｉｄ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ，ｚａｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００２７，Ｃｈｉｎａ）
中图分类号：ＴＰ２４２．３
文献标识码：Ａ
文章编号：１００１—４５５１（２０１０）０２—０００１—０４
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｅｒｖｉｃｅ ｒｏｂｏｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｏｄｕｌａｒ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ＳＨＵ Ｃｈａｎ９１，ＸＩＯＮＧ Ｒｏｎ９２，ＦＵ Ｚｈｏｕ—ｄｏｎ９１
Ｘ
图２位姿描述
万方数据
图３驱动轮结构
第２期
舒畅，等：基于模块化设计方法的服务机器人结构设计
·３·
（１）驱动轮采用与减速器输出轴直连的传动方 式，结构紧凑，并简化了传动机构。
（２）在传动机构中加入一对深沟球轴承，使车轮 带来的径向力作用于支架，减速器输出轴只承受扭矩， 避免了减速器输出轴上受到过大的径向力而影响减速 器的寿命。
本研究面向各类服务机器人的应用需求，提出一
种模块化结构设计方案，进行模块化结构分析，详细介 绍各模块的功能定义和结构设计。实验结果证明：其 具有良好的移动特性，各模块的性能达到设计要求。
１模块化结构分析
机器人模块化体系结构是指对机器人各功能构件 进行模块化、标准化分解，实现软、硬件分离与功能独 立化，充分体现面向不同应用领域的可重构的通用机 器人的总体系统概念设计”·。国内外观点认为，为推 进服务机器人的实际应用和产业化，必须研究模块化 的机器人体系结构，将不同功能构件作为组成机器人 系统的元素，最终通过集成这些模块来构建满足用户 需求的机器人系统。
（５）
将；＝（壶夕台）７代入，可得：
图１机器人模块构成
下面对不同模块进行详细介绍。
２行走模块设计
行走模块是机器人的移动驱动单元，目前应用较 多的移动方式通常有车轮式、履带式、关节式和复合 式。这里介绍一种（２，０）排布的车轮式行走模块口。。 该行走模块采用双电机差速控制２个驱动前轮，通过 控制左右轮转速来实现移动，具有精度高、转向灵活等 优点。每个驱动轮结构相同且相互独立。
（３）轮毂和轴采用锥面涨紧套进行连接，这种连 接不会削弱连接轴、毂强度，并具有易拆卸、无间隙、对 中性好、传动力矩大等优点。
（４）模块结构独立，通过各模块上设计的标准化 机械接口可方便地进行组装。
３身体框架设计
服务机器人的身体框架用于连接其他模块，搭载 各类控制板卡、传感器和人机接口。为使内部结构紧 凑、易于维护，身体框架在空间上应具有多层结构，并 且具备通用的机械接口。身体框架从下到上分为３个 空间层次：第１层为底盘，用于安装行走模块、蓄电池； 第２层安装各类控制板卡、传感器和人机接口；第３层 安装关节驱动模块。
图７Ⅲ型关节驱动
关节驱动模块在结构上具有如下特点： （１）采用舵机并联输出或同步带二次减速的方式 作为关节驱动，其结构紧凑、控制方便。 （２）模块间均可通过同种规格螺钉与支架连接， 拆装方便。通过变更支架形式或安装孔位即可调整关 节之间相对位置。 （３）开发出的不同关节驱动模块可根据需要进行 组合应用于不同的服务机器人，避免了重复设计，降低 了设计成本。
模块化机器人系统设计的主要内容是模块的划分 和模块的设计。模块的划分既要考虑模块化机器人的 应用范围、工件特点和性能，同时也要符合以下几条基 本原则：
收稿日期：２００９一ｌＩ一０４ 基金项目：国家高技术研究发展计划（“８６３”计划）资助项目（２００７ＡＡ０４１６０３） 作者简介：舒畅（１９８５一）．男，四川攀枝花人，主要从事机器人学及机械设计方面的研究．Ｅ—ｍａｉｌ：８ｊ伽一ｓｈｕ＠ｚｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 通信联系人：傅周东，男，副教授．Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｄｆｕｌ００＠１２６．ｃｏｒｎ
４关节驱动模块设计
关节驱动模块用于实现关节的相对运动及动力输 出。典型的服务机器人关节自由度分布如图５所示： 两只手臂各有４个自由度，分布于肩部和肘部，头部有 ２个自由度。这１０个自由度两两为一组，每组２个自 由度的旋转轴呈正交布置。本研究将关节驱动模块按 驱动力矩分为３种类型，如表ｌ所示。
ｏ
④
ｏ
⑦
不考虑轮子本身的弹性系数及阻尼对系统的影 响Ｂｍ’，并假定机器人在水平面上运行，轮子与地面满足纯 滚动运动条件。机器人在平面上的位姿描述如图２所示。
ｌ ＝
』ｆ－＿●、 ．妒．妒 ２ 、Ｉｌ－，
ＣＯＳ
，一， ，Ｊ－ｌ、 Ｃ ０ Ｓ ９日
（６）
选取车轮的角速度讧为状态分量，可得运动学模型：
０ ＣＯＳ
ｒ
ｓｉｎ ０
节驱动
笔者建立了固定坐标系｛，。，，：｝，固结于机器人
底盘的动坐标系｛Ｘ。，Ｘ：｝，Ｐ为两同定驱动轮中心连 线的中点，０为车体相对于圊定坐标系姿态角。
本研究定义了三维广义坐标向量来表示机器人底 盘的位姿为：
ｆ＝（弗），０）１
（１）
定义旋转变换矩阵为：
ｒ，ｃ。ｓ口 ０１ ｓｉｎ口
Ｒ（０）＝Ｉ—ｓｉｎ ０ ０ ＣＯＳ ０
万方数据
·２·
机
电
工
程
第２７卷
（１）每个模块单元在功能上应具有独立性，可实 现某一特定的功能。
（２）每个模块单元与其它单元之间的连接应尽可 能的简单，机械接口连接应方便、快捷、可靠。
（３）每个模块在运动学和动力学上应具有相对的 独立性。
本研究将服务机器人从机械结构上分为３种主要 功能模块Ｍ刁１，分别为行走模块、身体框架、关节驱动模 块（如图ｌ所示），同一功能模块可以有不同的尺度和 运动方式。行走模块是机器人的移动驱动单元；身体 框架用于搭载其他模块、各类控制板卡、传感器和人机 接口；关节驱动模块用于实现关节的相对运动及动力 输出。机械结构上，３种模块互相独立，通过变更和组 合３种模块就能搭配出适用于不同应用场合的机器人 产品。每一个模块可方便地进行更换。
（２）
ｌｏ
ｏ
ｌｊ
图２中，轮子中心为Ａ；（江１，２代表左、右轮），朋；
长度为ｆ。轮子相对于起始位置的转动角分别为妒．、妒：。 轮半径为ｒ。由纯滚动条件可得约束方程如下。
对１轮：
［一ｌ ０ ｚ］Ｒ（０）亭＋咖。＝０
（３）
对２轮：
［１ ０ ｚ］Ｒ（０）ｆ＋面：＝０
（４）
同时，两轮满足：
［０ ｌ ０］Ｒ（０）ｆ＝０
摘要：为了降低服务机器人的开发周期与成本，基于模块化设计方法，对服务机器人的机械结构进行
了模块化划分，并对传动结构布局、传动实现、身体稳固性、模块化结构设计等内容进行了详细阐述。样
机组装及实验结果表明，基于模块化设计方法的服务机器人产品开发周期短，其性能达到了设计要求。
关键词：模块化；服务机器人；结构设计
第２７卷第２期
机
电
工
程
２０１０年２月
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
匮，机器天技术◆溺
Ｖｏｌ－２７ Ｎｏ．２ Ｆｅｂ．２０ｌＯ
基于模块化设计方法的服务机器人结构设计
舒 畅１，熊 蓉２，傅周东１ （１．浙江大学流体传动与控制国家重点实验室，浙江杭州３１００２７；２．浙江大学控制科学与工程系，浙江杭州３１００２７）
头部关节驱动模块（ｍ型）的结构如图７所示。 轴承组件中包括１个带止推滚珠的滚针轴承和１个深 沟球轴承，保证头部运动时不会晃动。安装座上有螺 纹孔，模块通过螺钉固定。输出轴同样通过固定环将 动力输出。
输出轴
大轮
图８跳华尔兹实验
６ 结束语
本研究提出并阐述了服务机器人的一种模块化结 构设计方案。设计从功能定义和零件选型着手，使机 械结构满足机器人模块化体系要求；对传动结构布局、 传动实现、身体稳同性、模块化结构设计等内容进行了 详细阐述；并根据设计分析制作了服务机器人样机。 样机组装及实验结果表明采用该设计方案开发周期 短，制作出的机器人性能稳定。
０引 言
随着科学技术的发展和社会的进步，机器人的应 用领域越来越广泛，从传统的工业领域向军事、医疗、 服务等各个领域渗透…。传统的机器人设计主要面 向特定的应用场合，机械结构往往根据应用展开定制 性的设计和研制，不同应用的机器人机械结构事实上 存在很多的重复设计。微软公司董事会主席比尔·盖 茨曾预言旧１：个人服务机器人将重复个人计算机产业 崛起的道路，成为我们日常生活的一部分。在这种趋 势下，面向特定应用的机器人设计模式越来越不能满 足快速增长的服务机器人市场。为了实现机器人产业 化，必须将模块化设计思想引入到机器人设计中。在 过去的２０年中，模块化机器人的研究经历了从最初的 概念性研究到实体机器人制作的整个过程，并已经在 工业领域得到了实际应用旧…。
（７）
２
ｌ
Ｚ
由式（７），代人具体的ｒ、Ｚ值，给定左右轮的角速
度章ｉ和姿态角０，即町确定机器人的运动状态。由于 减速器的减速比为ｉ，理论上给定电机某一角速度∞，
即可知轮子此时的角速度为ｏＪ／ｉ。但由于传动机构带
来的偏差，轮子转速会产生误差，影响机器人移动精
度。为了从机械结构上提高行走模块的控制精度，本 研究做了如下优化，如图３所示：
④
④
图５ 自由度分布 表１模块驱动力矩ｋｇｆ·ｃｍ
本研究中的驱动部件选用韩国Ｄｙｎａｍｉｘｅｌ公司生 产的ＲＸ－６４系列数字舵机，该款舵机具备总线式控制 结构，峰值转矩可达６４ ｋｓｆ·ｃｍ，适合用作关节驱动。 经实测，为使ＲＸ－６４舵机不因发热量过大而自我保 护，它的连续输出转矩不应超过２０ ｋｇｆ·ｃｍ。故在肩 部采取了两种方式增大舵机的出力：一种是两舵机通 过齿轮啮合并联输出；一种是通过２：１同步带减速输 出。头部同样采用同步带减速方式增加舵机的输出力 矩．减速比为４．３：１。