第7章 移动机器人

ching

2019/09/02 发布于 教育 分类

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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。