具有越障功能的小型地面移动机器人

具有越障功能的小型地面移动机器人3段星光,黄强,李京涛(北京理工大学机电工程学院,北京　100081)摘要:针对在危险环境下对移动机器人的运动要求,研究了机器人系统的总体设计,提出了一种具有越障功能的小型地面轮履复合式移动机器人,阐述了其机构设计及其实现。

分析了该机器人通过台阶、斜面、楼梯等障碍时的越障特性。

研制完成的第一台样机具有结构简单、体积小、质量轻的特点,通过实验验证了该机器人运动灵活,具有很好的环境适应性和越障能力。

关键词:移动机器人;运动姿态;越障;运动特性中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2006)04-0038-04 用于军事侦察、反恐防暴等危险作业的小型地面移动机器人以其体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点成为移动机器人研究领域的又一热点[1]。

由于其工作环境复杂多变,很多时候要求机器人不是避开障碍或复杂地形,而是要越过并适应它。

所以,研究开发具有越障功能的小型地面移动机器人以适应各种结构化、非结构化环境是非常必要的。

与传统的以研究机器人智能、决策等为目的而开发的轮式移动机器人相比,在机动性、越障能力、集成设计等方面提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术问题[2～4]。

结合危险环境下移动机器人的具体应用要求,在对机器人系统进行总体设计的基础上,提出了一种具有越障功能的小型轮履复合式移动机器人,分析了在各种障碍地形下的越障性能。

所开发的第一台样机采用了嵌入式控制系统以及遥控/半自主的工作方式,整个系统具有体积小、质量轻、运动灵活、环境适应能力强和越障能力高的特点。

1　系统总体方案1.1　系统构成总的设计目标是:研究开发一种应用于危险环境下的小型地面移动机器人运载平台,融合各种移动机构的优势,形成一个既有高的运动效率,又有一定越障性能,适应室内外环境的小型移动机器人平台。

首先,从机器人机构方面要综合考虑其小型、快速运动能力、越障能力及运行环境等多个相互矛盾的因素;其次,从控制系统的角度考虑要满足其实时性、小体积、轻量化的要求。

系统构成如图1所示。

主要包括移动平台本体、遥操作控制计算机、车载计算机、传感器系统及无线通讯。

遥操作端通过无线通讯方式向机器人传送遥控指令,并通过终端显示器获得机器人本身的速度、方位、姿态等信息,同时通过车载的CCD 摄像头获得机器人远端的环境图像信息,作为后方操作控制的依据。

机器人既可以在遥控指令运动,也可以通过融合CCD、超声传感器、倾角仪、电子罗盘等传感器获得的环境信息来实现局部的自主运动。

图1　机器人系统构成1.2　设计性能要求机器人要能够在危险环境下完成侦察、探测等任务,所以要求具有较高的机动性和环境适应能力,尽可能使系统小型化、轻量化,控制操作合理方便,并且具有较高的越障能力。

其主要性能指标要求为:体积:700mm×600mm×300mm;质量:<35kg;最高速度:>8km/h;越障高度:>300mm;续航时间:1h;控制方式:无线,遥控加半自主。

1.3　总体设计流程结合机器人系统的总体系统构成和技术指标要求,采用自顶向下的设计思想,确定系统的总体参数,特别是要考虑机器人的任务需求和应用环境。

例如:最高速度、最大爬坡能力、越障高度等与环境密切相关的因素。

对于结构化的障碍环境,比如楼梯等,要充分考虑其障碍结构与机器人之间的交互关系,确定系统的总体参数,以便保证机器人的必备性能要求。

其总体设计流程如图2所示。

第23卷第4期2006年4月机　械　设　计J OU RNAL OF MACHIN E DESIGNVol.23　No.4Apr.　20063收稿日期:2005-11-5;修订日期:2005-12-20基金项目:国家“863”高技术研究发展计划资助项目(2002AA420110)作者简介:段星光(1966-),男,河北万全人,博士,教授,研究方向:机器人技术、仿生技术,发表论文30余篇。

图2　系统总体设计流程2　机构设计在整个机器人系统设计中,运动系统机构形式的选择通常是一个首要的问题。

要求机器人的移动机构要具有很大的灵活性,而且特别强调在小型机器人前提下的机器人越障能力,因此机器人机构必须能够提供有效的运动方式。

通过对轮式、履带式[5～8]、足式[9]等不同移动机构运动特性的综合分析,结合设计需求和性能指标的具体要求,提出了一种小型轮履复合式移动机器人机构,兼顾了机器人的高速运动特性和越障能力。

2.1　机构总体方案图3表示了机器人机构的总体布局形式。

机器人基本结构形式采用了由4个车轮、4个履带摆臂和车体构成的复合结构,每一个运动单元由轮子和履带及其相应的驱动机构组成。

车轮运动采用差速驱动,分别由电机经减速器传动至驱动轴。

采用四轮运动平台的目的是为了充分发挥轮式运动速度高、功耗低的优点,以适合机器人在较平坦的路面上快速进入目标地点。

4条履带均配置在车轮内侧,不仅能够实现履带自身的旋转传动,而且能够绕驱动轮中心轴摆动。

配置4条履带的目的是增加机器人的运动灵活性,将它们设计为各自独立驱动的形式,并可以实现±360°摆动。

虽然增加了电机个数,但是对于提高机器人的越障能力有着显著的作用。

通过控制4条履带的不同摆动关节角位置,可以根据不同的地形条件采用不同的运动模式,提高了机器人的环境适应性和越障能力。

中间部分是机器人车体,可装载控制系统、电池及其他各种设备。

2.2　总体尺寸与关键参数机器人的越障性能不仅与障碍的形状特点有关,还与机器人本身的结构特点紧密相关,是一个环境与机器人交互作用的复杂系统。

在总体设计中,往往几个关键的参数不仅决定了机器人的外形大小,而且决定了机器人的机动性与越障性能。

对于室外自然环境具有非结构特性,难以用具体的参数来量化障碍物的特性,所以在考虑机器人尺寸与越障能力时主要以城区或室内结构化环境要求为依据。

为保证其能够进入建筑物内并能完成爬越楼梯等越障要求,需要对一般台阶高度、建筑物入口宽度、楼梯的结构尺寸、履带腿长度、轮子直径、车体长度以及机器人总体尺寸等进行综合考虑,为机器人设计提供依据。

既能使机器人稳定地上下楼梯、台阶,又能使其体积最小化。

从图4可以看出,要想使用轮子爬上楼梯,其半径至少要高于台阶高度,而要使用单履带顺利地爬上楼梯,则履带长度至少要能够跨越3个台阶。

通过采用关节摆臂式机构,可以通过履带的摆动形成一个合适的前攻角来爬上楼梯,而在楼梯上运动的过程中始终采用履带机构,四轮机构则可以用来在平坦地形运动,这也是考虑采用轮履复合机构的重要原因之一。

2.3　关键结构机器人的基本结构由4个车轮、4个摆臂和车体构成,由车轮和摆臂履带所构成的4个运动对称布置在车体的两侧。

在每个运动单元中,除了旋转驱动自由度以外,还有履带摆臂绕中心轴的摆动自由度。

由于二者位于同一个中心轴上,所以,要求在一个中心线上实现两个运动的传递。

为此采用了内外轴的传递形式来实现。

图5表示了一个运动单元的传动机构形式。

由两个DC 电机经过两对末级减速齿轮分别将动力传递给内轴和外轴,内轴通过车轮连接件驱动车轮的旋转运动,而外轴则通过凸缘结构与摆臂相连来驱动摆臂的摆动。

驱动电机采用Maxon DC 电机,该集成了行星齿轮减速器和光电码盘,具有体积小、质量轻、输出转矩大的特点。

在电机的输出轴采用了末级齿轮减速传动方式,一方面可以错开驱动中心轴的位置,满足内外轴传动要求,另一方面可以减小电机在轴向的直接受力,同时可以实现电机在车体内的空间紧凑布局,以便减小车体的横向尺寸,满足机器人小型化的要求。

内外轴的具体装配结构如图6所示。

图3　机器人总体布局图4　爬楼梯尺寸分析932006年4月段星光,等:具有越障功能的小型地面移动机器人图5　运动单元传动机构图6　内外轴装配结构3　越障功能分析机器人的越障行为实际上是机器人适应复杂三维地形的过程[10],如果机器人能够以某种动作或动作序列通过几种典型的障碍,如斜坡、台阶、壕沟、楼梯等,则可以通过这些动作序列的有效组合达到适应复杂三维地形的目的。

本节分析该机器人在这几种典型地形下的越障特性,包括斜坡行走、通过壕沟、上下台阶和楼梯等。

3.1　爬斜坡运动在机器人爬斜坡时,基本姿态可以采用图7a 的四履带形式。

当斜坡倾角增大时,可以采用图7b 或图7c 的姿态,这样更容易使机器人重心位于稳定边界之内,从而保证了机器人在斜面上的稳定性,在增大可爬越斜坡角度的同时,还可以尽量保持车体水平。

图7d 表示了一种特殊的机器人在斜面上侧向运动的情况,由于机器人的4个摆臂是独立控制的,所以可以实现机器人在斜面上的侧向稳定行驶。

图7　机器人在斜坡上运动3.2　越沟运动该机器人可以越过一定宽度的壕沟,图8表示了机器人越沟时的过程。

虽然总希望机器人可以跨越更宽的壕沟,但是机器人的机构尺寸限制了机器人可以跨越的壕沟宽度。

由于摆臂质量相对于装载各种控制器件和电池的车体来说很小,所以假设摆臂位置的变化对整个机器人重心没有影响。

从图8a ～c 的跨越过程可以看出,要平稳的越过壕沟,则可跨越的壕沟的宽度L 要小于机器人摆臂与地面的接触长度L 1。

在图8d ,e 的配置姿态下有同样的结论。

当L >L 1并且沟不是很深时,越沟的过程实际上可以变成下台阶与上台阶的过程。

图8　机器人越沟运动3.3　爬越台阶图9a ,b 表示了一种机器人常用的在跨越台阶时的初始姿态,利用该姿态形成的前攻角,可以使机器人跨越高于自身高度的障碍,越障能力大大提高。

台阶作为一种典型的障碍物,其高度往往成为衡量机器人越障能力的重要参数。

移动机器人的翻越台阶高度与机器人翻越方式有关。

由于机器人可以通过摆臂来抬起车体,所以当台阶高度超过履带长度时依然可以通过有效的动作序列来越过。

图9c ～h 表示了一种机器人越过高台阶的动作序列。

图9　机器人翻越台阶方式3.4　上下楼梯在室内的结构化环境中,楼梯对机器人来说是最困难的任务之一。

上下楼梯的过程实际上是机器人连续上台阶的越障过程。

除了机器人本身功率之外,影响机器人能否成功地上下楼梯的关键因素是与楼梯同时接触的履带长度以及楼梯的具体参数。

该机器人可以控制4个履带摆臂位于同一直线上,从而增大了与楼梯的有效接触长度,保证了机器人在上下楼梯时的稳定运动。

图10表示了机器人在上楼梯时的初始姿态及爬越过程。

4机　械　设　计第23卷第4期图10　机器人爬楼梯运动3.5　复位运动机器人在爬楼梯或其他非结构化环境下运动时,很可能会由于各种原因使机器人超出保持平衡的极限范围而翻倒。

从而导致机器人失去运动功能。

为使其恢复运动能力,该机器人可整周摆动的履带为机器人提供了灵活多变的运动姿态,图11表示了实现车体在翻倒时复位的一种动作序列。