机器人引论 张涛第6章 移动机器人

1、机器人引论,第6章 移动机器人,第6章 移动机器人,6.1 移动机器人的发展 6.2 移动机器人的基本组成 6.3 轮式移动机器人 6.4 履带式移动机器人 6.5 步行移动机器人,6.1 移动机器人的发展,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。 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。 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。 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。,6.2 移动机器人的基本组成,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。

2、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。 6.2.1 驱动系统 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。,6.2.2 控制系统 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。 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。 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。,从机器人控制算法的处理方式来看，控制系统结构如下图,控制系统硬件组成,6.2.3 传感系统 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

3、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。 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。,6.3 轮式移动机器人,6.3.1 车轮形式 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,球轮、充气球轮和锥形轮,超轻金属线编织轮、半球形轮,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

4、射功耗和运行功耗。 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。,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,全轮偏转式全方位移动机构,在全轮偏转式全方位移动机构中，行走电动机1运转时，通过蜗轮杆副和锥齿轮副带动车轮转动。当转向电动机1运转时，通过另一对蜗轮杆副、齿轮副带动车轮支架适当偏转。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、轮操舵、全方位方式和原地回转等转动方式。,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

5、组合后就可以实现车体的全方位移动和原地转向运动。,6.3.2 车轮的配置和转向机构 1 轮式移动机构、2 轮式移动机构 轮式和轮式移动机构在实现上的主要障碍是稳定性问题。 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,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。 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。 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。,4轮式移动机构 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,实际应用的轮式

6、移动机构多为轮或轮。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。至于轮移动机构，它的应用则更为广泛。因为轮机构可采用不同的方式实现驱动和转向。,全方位移动车 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,6.3.3 三轮移动机器人运动分析 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：

7、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。 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。,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。,记移动机器人的方向轮相对于车体纵轴的旋转角度为；移动机器人的车体纵轴与x轴的夹角为。 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：,前轮在转弯时的瞬时半径为：,得到车体运动方程为：,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。,车体的速度为：,前轮在转弯时的瞬时转弯半径为：,车体运动方程：,6.3.4 轮式排爆机器人 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,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

8、)；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)。,6.4 履带式移动机器人,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,履带式移动机器人与轮式移动机构相比具有如下特点： 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； 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； 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； 结构复杂，重量大，运动惯性大，减振性能差，零件易损坏。,6.4.1 车体结构 1 履带机构的形状 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。 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

9、支承轮。好处是适合于穿越障碍。,2 支承轮 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。 多支点式一般具有59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。 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。,(a)多支点式 (b)少支点式 多支点式和少支点式的支承轮,3 拖带板 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23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 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。,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。,整体式 (b)组合式 整体式和组合式履带板,5 驱动轮与导向轮 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,6 履带张紧装置 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

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