一种履带式机器人设计及其越障分析_朴春日

0 引言
移动机器人 一 般 分 为 轮 式、腿 式、履 带 式 和 复 合 式等。履带式机器人的履带结构可以使机器人适应 多种复杂的路面情况。因为履带式机器人在爬坡、越 障和跨壕沟等方面具有优越性，常被应用于军事、消 防以及核工业等领域。典型的履带式机器人可分为 固定履带式机器人和摆臂履带式机器人。摆臂履带 式机器人根据摆臂的数量可分为四履带双摆臂机器 人和六履带四摆臂机器人。
Design of a tracked robot and analysis of its obstacle-climbing
Piao Chunri，Yan Guozheng，Wang Zhiwu，Liu Hua，Jiang Pingping （ Department of Instrument Science and Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China）
图 5 六履带四摆臂式机器人越障过程
六履带四摆臂式机器人越障过程如下。 第 1 步： 机器人抬起前摆臂同时前进，使前摆臂前 端能够搭在障碍物边缘上。 第 2 步： 机器人下转前摆臂撑起机器人同时前进， 使主车体前轮能够搭在障碍物边缘上。 第 3 步： 当障碍物较低时直接前进； 当障碍物较高 时，下转后摆臂撑起机器人同时前进。 在第 1 步中，履带式机器人从远处驶向障碍物，完 全抬起前摆臂的时间要小于机器人行驶到障碍物底 端的时间，防止机器人与障碍物发生碰撞。在第 2 步 中，机 器 人 前 摆 臂 下 摆 的 摆 角 要 足 够 大，否 则 机 器 人 质心较低，难以把主车体前轮抬升至障碍物边缘。在 第 3 步中，机器人质心的竖直线越过障碍物边缘时，会 发生 向 前 的 翻 转，需 要 前 摆 臂 下 摆 支 撑 机 器 人，缓 解 机器人与障碍物上平面碰撞产生的冲击和振动。 2． 2 履带式机器人越障高度分析［5］ 当机器人遇 到 较 高 的 障 碍 物 时，通 过 转 动 前、后 摆 臂，使 机 器 人 质 心 的 竖 直 线 与 障 碍 物 边 缘 线 共 线， 则机 器 人 可 以 成 功 越 障，此 时 前 摆 臂 水 平 放 置，临 界 位置如图 6 所示。 在 越 障 临 界 位 置 ，机 器 人 前 摆 臂 水 平 放 置 ，建 立 如图 6 所 示 的 坐 标 系 XOY，设 主 车 体 质 心 坐 标 为 G1 （ l，h） ，l、h 分别为主车体质心的 x、y 坐标值； 主车 体质量为 m1 ，仰角为 α，前后轮的轴心距为 L1 ； 机器 人质心坐标为 G （ x，y） ，主、从 动 轮 半 径 为 R，前、后 小轮半径为 r； 设机器人前、后摆臂尺寸相等，摆臂长 为 L2 ，转角分别为 α、β，质心分别为 G2 、G3 ，质量分别
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四摆臂式机器人比其他类型的履带式机器人能跨越 相对更 高 的 障 碍 物 ，因 为 它 有 前 、后 两 个 摆 臂 可 用 来 进行辅助越障，其越障的机理 是 利 用 机 器 人 的 履 带 行走机构将机器人抬升至障 碍 物 的 外 角 线，并 通 过 攀爬动作使机器人的质心越过障碍物的外角线完成 越障［5］。六 履 带 四 摆 臂 式 机 器 人 越 障 过 程 如 图 5 所示。
设计时，主 车 体 要 密 封，内 部 能 装 下 驱 动 机 构 和 电动机。控 制 系 统 和 摄 像 头 置 于 主 车 体 外，便 于 拆 卸。主车体两侧履带和摆臂履带内都装有支撑轮和 压紧轮，便于履 带 固 定 位 置 和 提 高 车 体 运 行 的 稳 定 性，履带式机器人侧视图如图 1 所示。
图 3 控制系统结构
履带式机器人的通信系统对于整个系统的稳定 运行起着至关重要的作用。为了便于机器人的行动，
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现代制造工程（ Modern Manufacturing Engineering）
遥控计算机与机器人之间采用无线通信方式。机器 人的通信设备包括两个双工数据传输的无线通信模 块 FHL0611、无线影音发射模块 T505 和无线图像接 收模块 MR18_V2． 0，它们分别安装在主车体和中心控 制计算机上。无线通信模块采用 433MHz 的工作频率 和串行传输的工作方式，传输距离约为 150m。无线图 像传输模块采用 2． 4GHz 频率，可在 150m 范围内有效 地传输视频信号。 1． 2． 2 控制系统软件设计
图 1 履带式机器人侧视图
1． 前小轮 2． 摆臂支撑轮 3． 主动轮 4． 摆臂压紧轮 5． 摆臂履带 6． 主履带 7． 主履带支撑轮 8． 主履带压紧轮 9． 从动轮 10． 后小轮
控制水平 运 动 的 左、右 两 个 主 动 轮 分 别 置 于 主 车体的前端和后端。行走机构中一侧履带采用前轮 驱动、后轮从动的形式，另 一 侧 履 带 采 用 后 轮 驱 动、 前轮从动的形式，这种中心对 称 的 结 构 方 便 了 内 部 电动机布局，并提 高 了 机 构 的 稳 定 性。为 了 使 其 在 500mm × 500mm 以上尺寸 的 矩 形 管 内 行 驶 自 如，机 器人本体结构设计尽可能紧凑［4］，机 器 人 机 构 长 × 宽 × 高的外形尺寸为 630mm × 300mm × 145mm。履 带式机器人机构简图如图 2 所示。
机器人的驱动通过四个电动机来实现，其中两个 电动机分别控制机器人前摆臂和后摆臂，另外两个电 动机分别驱动主车体两侧的两个主动轮。当履带式
* 上海市科委科研计划资助项目（ 09DZ1907400）
24Biblioteka 朴春日，等： 一种履带式机器人设计及其越障分析
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机器人在平地行驶时，行驶阻力（ 相应的是驱动力） 比 较小，最大只有 0． 2G，G 为机器人整体重力，而最大阻 力发生在机器人上坡、转弯和撑起时。为保证机器人 的正常工作，主驱动电动机应能满足各种工作情况下 的需要［3］。选用 Maxon 公司配备编码器的直流伺服 电动机（ RE40 石墨电刷） 作为机器人本体的驱动电动 机，并配套使用减速比为 124∶ 1的减速器，来增大输出 扭矩，电动机的额定功率为 150W（ 没有把效率计算在 内） ，额定电压为 48V。
1 履带式机器人设计
1． 1 履带式机器人机械结构设计 根据机器人的应用环境，要求所设计的机构体积
小、重量轻、协 调 性 好 且 稳 定 性 高。 为 了 提 高 履 带 式 机器人的越障和跨沟能力，采用六履带四摆臂式的行 走机构，四个摆臂两两连接在一起分别置于主车体的 前端和后端。通过主车体、前摆臂和后摆臂三个部分 相对运动的协调配合来完成要求的作业任务。
控制系统工作时，由上位机通过无线通信模块以 串行方式发送 控 制 代 码，用 来 控 制 四 个 电 动 机 的 转 向、转速和转角。电路控制系统的主控芯片接收到控 制代码后把它分成四部分，并以 SPI 方式依次传送给 四个从控芯片。从控芯片根据接收到的指令完成电 动机控制和电动机速度、位置参数的采集工作。从控 芯片软件流程图如图 4 所示。
考虑到机器人工作环境，机器人必须采取一定的 措施防止恶劣环境中污水的渗入和侵蚀。因此在履 带式机器人组装过程中，防腐和密封是装配过程中需 要考虑的重要问题。在材料选择时，外壳与套筒选用 铝合金材料； 其他齿轮及驱动轮等采用表面进行发黑 防锈处理的 45 钢； 主动轴及其他轮轴均采用合金钢。 此外，在 设 计 中 还 使 用 了 不 锈 钢 紧 固 件，如 不 锈 钢 螺 栓及螺母、特 殊 轴 承、铅 封 及 锌 层 等 附 件。 提 高 了 履 带式机器人的使用寿命。
不易翻倒与卡 阻［2］。 国 内 的 一 些 履 带 式 机 器 人 采 用 拖缆供电通讯的形式，对其在管道中运行的灵活性产 生了一定的影响。
本文设计的六履带四摆臂机器人，旨在用于核工 业管道内壁情况的检查。由于管道内部环境复杂，有 台阶、碎 石 以 及 放 射 性 污 染，所 以 需 要 机 器 人 在 管 道 内具有较强的越障和跨沟能力，并具有无线遥控和图 像采集等功能。
欧洲航天局的固定履带式机器人 Nanokhod 移动 时与 地 面 有 很 好 的 摩 擦 因 数，稳 定 性 也 很 高，具 有 很 好的越障 能 力，且 结 构 简 单。 但 是，在 转 弯 时 会 存 在 很大的摩擦损失，机动性较差。美国 iRobot 公司生产 的 Packbot 系列机器人［1］，采用了两条主履带和两条 摆臂履带的形式，因受到摆臂数量的限制只能攀爬高 度较低的障碍物。日本千叶工业大学研制的搜救机 器人“木槿”，采用两条主履带和前后两对独立摆动履 带的 形 式，且 两 条 主 履 带 较 宽，将 机 器 人 主 体 部 分 包 裹，形成全身履带机器人，可以在复杂的环境中行驶，
机器人
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一种履带式机器人设计及其越障分析
朴春日，颜国正，王志武，刘华，姜萍萍 （ 上海交通大学仪器科学与工程系，上海 200240）
摘要： 针对核工业管道内壁情况的检测，设计了一种六履带四摆臂式移动机器人。该机器人具有越障、跨沟、无线遥控 和图像采集等功能。详细介绍了履带式机器人机械结构和控制系统的设计过程，并对制作的机器人进行了越障性能分 析和相关实验验证。 关键词： 履带式机器人； 控制系统； 越障 中图分类号： TP242． 2 文献标志码： A 文章编号： 1671—3133（ 2013） 03—0024—04
履带式 机 器 人 的 人 机 交 互 界 面 采 用 上 位 机 的 LabView 软件编写，这样便于对机器人的操作。人机 界面主要包括机器人水平运动控制、摆臂姿态控制和 视频显示三部分。
图 4 从控芯片软件流程图
2 履带式机器人越障分析
2． 1 履带式机器人越障过程分析 越障是履带式机器人的基本功能之一。六履带
Abstract： For the detection of the inner wall of the pipes in the nuclear industry，a mobile robot of six tracts and four arms was designed． The system contains functions of obstacle-climbing，wireless control and image acquisition． Introduces the design of the mechanical structure and control system in details，then analyzes the obstacle-climbing of the robot and tests it in experiments． Key words： tracked robot； control system； obstacle-climbing