摘 ? ?要

本文通過(guò)對(duì)機(jī)器人移動(dòng)功能的研制和開(kāi)發(fā)，為適應(yīng)各種工作環(huán)境的不同要求而開(kāi)發(fā)出各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中全方位輪可以實(shí)現(xiàn)高精確定位、原地調(diào)整姿態(tài)和二維平面上任意連續(xù)軌跡的運(yùn)動(dòng)，具有一般的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法取代的獨(dú)特特性，對(duì)于研究移動(dòng)機(jī)器人的自由行走具有重要愈義。綜合分析了現(xiàn)有移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，移動(dòng)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，分析了其運(yùn)動(dòng)學(xué)特征；提出了移動(dòng)機(jī)器人靜態(tài)步行的穩(wěn)定性判定方法，規(guī)劃了機(jī)器人直線行走步態(tài)、定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)，以及跨越障礙物的行走步態(tài)；并采用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)步態(tài)的控制。

引 ? 言

移動(dòng)機(jī)器人是一種能夠通過(guò)傳感器感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng)，從而完成一定作業(yè)功能的機(jī)器人系統(tǒng)。近年來(lái)，由于移動(dòng)機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、航天和人類生活的各個(gè)方面顯示了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用前景，使得它成為了國(guó)際機(jī)器人學(xué)的研究熱點(diǎn)。 ? 20世紀(jì)90年代以來(lái)，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。目前，移動(dòng)機(jī)器人特別是自主機(jī)器人已成為機(jī)器人技術(shù)中一個(gè)于分活躍的研究領(lǐng)域。 ? 從最早出現(xiàn)的機(jī)器人到現(xiàn)在涌現(xiàn)出的形態(tài)各異的移動(dòng)小車，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式層出不窮，以美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)和日本為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家己經(jīng)研制出了多種復(fù)雜奇特的三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)，有的已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化和商業(yè)化階段。 ? 面對(duì)21世紀(jì)深空探測(cè)的挑戰(zhàn)，對(duì)各種自主系統(tǒng)的研制是必須的，而移動(dòng)機(jī)構(gòu)又是各種自主系統(tǒng)的最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。已經(jīng)出現(xiàn)的移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有履帶式、腿式和輪式，其中以輪式的效率最高，但其適應(yīng)能力相對(duì)較差，而腿式的適應(yīng)能力最強(qiáng)但其效率最低。 ? 履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)是將圓環(huán)狀的循環(huán)軌道卷繞在若干車輪外，使車輪不直接與地面接觸，利用履帶可以緩和地面的凹凸不平。它具有良好的穩(wěn)定性能、越障能力和較長(zhǎng)的使用壽命，適合在崎嶇的地面上行使。但由于沉重的履帶和繁多的驅(qū)動(dòng)輪使得整體機(jī)構(gòu)笨重，消耗的功率也相對(duì)較大。 ? 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)速度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，只是越野性能不太強(qiáng)。但隨著各種各樣的車輪底盤的出現(xiàn)，如日本NASDA的六輪柔性底盤月球漫游車LRTV，俄羅斯TRANSMASH的六輪三體柔性框架移動(dòng)機(jī)器人Marsokohod，美國(guó)CMU的六輪三體柔性機(jī)器人Robby系列以及美國(guó)JPL的六輪搖臂懸吊式行星漫游車Rocky系列，已使輪式機(jī)器人越野能力大大增加，可以和腿式機(jī)器人相媲美。 ? 于是人們對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)研究的重心也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機(jī)構(gòu)上來(lái)，特別是最近日本開(kāi)發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨(dú)特的五點(diǎn)支撐懸吊結(jié)構(gòu)Micros，其卓越的越野能力較腿式機(jī)器人有過(guò)之而不及。

1、機(jī)器人移動(dòng)方式的選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ? ? ?

1.1移動(dòng)方式的選擇 ?

現(xiàn)在主流的移動(dòng)方式基本是輪式、腿式和履帶式，但由于其各有各的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，現(xiàn)在的科學(xué)家越來(lái)越追求綜合性能的提高。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有運(yùn)動(dòng)速度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)，只是越野性能不太強(qiáng)。而腿式移動(dòng)結(jié)構(gòu)雖然有很好的越野能力，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低等缺點(diǎn)。對(duì)于履帶式主要是由于沉重的履帶和繁多的驅(qū)動(dòng)輪使得整體機(jī)構(gòu)笨重，消耗的功率也相對(duì)較大。

針對(duì)本次設(shè)計(jì)的環(huán)境主要是人為環(huán)境，地勢(shì)較平坦，但也需要對(duì)臺(tái)階、樓梯等障礙物進(jìn)行考慮，所以我打算設(shè)計(jì)輪腿結(jié)合式的移動(dòng)方式，在平坦的道路利用輪式結(jié)構(gòu)效率高，迅速等優(yōu)點(diǎn)，在需要上臺(tái)階，上樓梯等地方采用腿式結(jié)構(gòu)進(jìn)行越障。

由于機(jī)器人中含腿式結(jié)構(gòu)且需要上臺(tái)階和爬樓梯所以采用四腿結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)殡m然對(duì)于臺(tái)階就算是輪式結(jié)構(gòu)也能滿足要求，但是對(duì)于爬樓梯輪式結(jié)構(gòu)就不行了，所以需要腿式結(jié)構(gòu)的存在，生活中樓梯隨處可見(jiàn)，如果要使機(jī)器人有較好的環(huán)境適應(yīng)能力，上樓梯是必須要克服的。我決定選擇四輪腿式結(jié)構(gòu)，而基本結(jié)構(gòu)如圖1。中間為機(jī)器人主體，里面有機(jī)器人的控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)上肢轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)，四肢末端為輪胎，機(jī)器人每條腿都分為上肢和下肢，中間為關(guān)節(jié)，下肢可繞其轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)

1.2機(jī)器人移動(dòng)原理構(gòu)想 ? ? 由于環(huán)境較好，基本屬于平坦地面，故主要移動(dòng)方式為輪式移動(dòng)，在需要上臺(tái)階或樓梯是才使用腿式結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)橥仁浇Y(jié)構(gòu)效率較低，只在必須使用腿式結(jié)構(gòu)的時(shí)候才使用，這樣既能提高機(jī)器人的移動(dòng)效率，也能是機(jī)器人有較好的越障能力。對(duì)于上臺(tái)階與爬樓梯的原理基本相同，故我只說(shuō)明我對(duì)爬樓梯的移動(dòng)原理的構(gòu)想。 ? 首先是要在機(jī)器人機(jī)身上安裝傳感器，使其能夠感應(yīng)到前面的障礙物樓梯，然后就是爬樓梯的過(guò)程。在準(zhǔn)備爬樓梯的時(shí)候，首先要把輪子上的剎車系統(tǒng)啟動(dòng)，是輪子不能轉(zhuǎn)動(dòng)。然后爬樓梯的過(guò)程如同人走樓梯一樣，先輪流上前腳，等前腳站穩(wěn)，再輪流上后腳。

1.3機(jī)器人輪子的選擇 ?

現(xiàn)在市面上的輪子有很多，有標(biāo)準(zhǔn)輪，小腳輪，麥克納姆輪，球形輪，正交輪等。我決定選用麥克納姆輪，因?yàn)樗芎芎玫南蚋鱾€(gè)方向移動(dòng)且沒(méi)有球形輪那么難控制，而且現(xiàn)在麥克納姆輪的制作也比較成熟。

麥克納姆外形像一個(gè)斜齒輪，輪齒是能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓形輥?zhàn)樱佔(zhàn)拥妮S線與輪的軸線成α角度。這樣的特殊結(jié)構(gòu)使得輪體具備了三個(gè)自由度：繞輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿輥?zhàn)虞S線垂線方向的平動(dòng)和繞輥?zhàn)优c地面接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，驅(qū)動(dòng)輪在一個(gè)方向上具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí)，另外一個(gè)方向也具有自由移動(dòng)（被動(dòng)移動(dòng)）的運(yùn)動(dòng)特性。輪子的圓周不是由普通的輪胎組成，而是分布了許多小滾筒，這些滾筒的軸線與輪子的圓周相切，并且滾筒能自由旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，車輪以普通方式沿著垂直于驅(qū)動(dòng)軸的方向前進(jìn)，同時(shí)車輪周邊的輥?zhàn)友刂涓髯缘妮S線自由旋轉(zhuǎn)。

采用全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的車輪組合情況，輪中的小斜線表示觸地輥?zhàn)拥妮S線方向。每個(gè)全方位輪都由一臺(tái)直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)四個(gè)全方位輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向適當(dāng)組合，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在平面上三自由度的全方位移動(dòng)。4個(gè)全方位輪組成的機(jī)器人底座的力分析如圖，其中為輪子滾動(dòng)時(shí)小輥?zhàn)邮艿捷S向的摩擦力；為小輥?zhàn)幼鰪膭?dòng)滾動(dòng)時(shí)受到的滾動(dòng)摩擦力；ω為各輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。

1.4機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ?

設(shè)計(jì)的腿部分為上肢和下肢兩個(gè)部分，上肢連接著機(jī)器人的主體和下肢，下肢連接著輪胎，由于要使機(jī)器人腿能夠滿足運(yùn)動(dòng)要求，所以還需在上肢與機(jī)器人主體連接處設(shè)計(jì)一個(gè)關(guān)節(jié)，一個(gè)使腿部結(jié)構(gòu)能在機(jī)器人側(cè)面平面旋轉(zhuǎn)360度。而且由于要控制轉(zhuǎn)動(dòng)和其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度故需要在上肢與下肢關(guān)節(jié)處安裝小型電機(jī)，所以要留出空間安裝電機(jī)和線路。

如圖2所示，上肢上部分有一個(gè)孔與一根軸，軸是與主體內(nèi)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器相連，從而來(lái)控制上肢繞主體的轉(zhuǎn)動(dòng)，孔與下部分的豎直孔用來(lái)通過(guò)電線，最下面兩孔是用來(lái)和下肢相連。總長(zhǎng)約70厘米，寬度約16厘米。

圖2 上肢與下肢UG3維結(jié)構(gòu)圖

2、移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)精確地完成各項(xiàng)任務(wù)起著重要作用，有時(shí)也可作為一個(gè)簡(jiǎn)單的控制器。構(gòu)成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要素有:計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及控制軟件、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動(dòng)器、傳感器系統(tǒng)，它們之間的關(guān)系如圖3所示

圖3 機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成要素

移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)的功能和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，功能設(shè)計(jì)主要完成控制功能和算法的軟件設(shè)計(jì)，而體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是功能在硬件上的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)面向的任務(wù)和環(huán)境不同，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也不同。

目前機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)存在主要問(wèn)題有:系統(tǒng)局限于專用微處理器、專用機(jī)器人語(yǔ)言，開(kāi)放性差；軟件結(jié)構(gòu)依賴于微處理器硬件，難以在不同系統(tǒng)間移植;擴(kuò)展性差。針對(duì)這些不足，進(jìn)行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下要求：

(1)開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用開(kāi)放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便擴(kuò)充功能，使其適用于不同目的的科研需求；

(2)合理的模塊化設(shè)計(jì)。硬件根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，不僅方便安裝和維護(hù)，而且提高系統(tǒng)的可靠性;軟件按功能分成不同模塊，便于修改、添加；

(3)實(shí)時(shí)性、多任務(wù)要求。控制器必須能在確定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)外部中斷的處理，并且可以多個(gè)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行；

(4)網(wǎng)絡(luò)通信功能，便于資源共享和多機(jī)器人協(xié)同；

(5)具有一定智能，能根據(jù)實(shí)際情況判斷和決策，如給定速度突變或在合理范圍之外時(shí)的處理、對(duì)故障的自動(dòng)診斷等。

2.1機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ? ?

目前，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中較為常見(jiàn)的有直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)。對(duì)于我的課題來(lái)說(shuō)，一個(gè)能控制速度的電機(jī)作為麥克納姆輪使用，也需要一個(gè)能精確可控制角度且可以保持的電機(jī)作為腿部關(guān)節(jié)使用。經(jīng)過(guò)我初步估計(jì)電機(jī)轉(zhuǎn)速不是很大，如果使用直流電機(jī)，由于轉(zhuǎn)速和力矩的影響，需配置減速器，且不能控制角度。而如果使用步進(jìn)電機(jī)，需配置驅(qū)動(dòng)器。

為滿足系統(tǒng)的控制要求，考慮到經(jīng)濟(jì)性等，我準(zhǔn)備采用Dynamixel系列AX-12舵機(jī)它是機(jī)器人專用的伺服電機(jī)。它不但能精確控制角度，作為關(guān)節(jié)角度控制；也可以通過(guò)軟件設(shè)置為無(wú)限旋轉(zhuǎn)模式，作為車輪使用。

舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是:控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20mS，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。

最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。AX-12舵機(jī)是一款智能化、模塊化的動(dòng)力裝置，主要由一個(gè)微處理器、一個(gè)精確的直流電機(jī)、齒輪減速器、位置傳感器、溫度傳感器以及具備通訊功能的控制芯片等組成。

由于AX-12內(nèi)部配有一個(gè)ATmega8微處理器，用來(lái)接收控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，通過(guò)相應(yīng)的處理后給伺服電機(jī)發(fā)送PWM信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的起停。因此，控制舵機(jī)實(shí)際上是去控制ATmega8舵機(jī)的狀態(tài)和參數(shù)都存儲(chǔ)在ATmega8的RAM和EEPROM相應(yīng)的地址里，對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制也就是對(duì)舵機(jī)的相應(yīng)地址讀和寫數(shù)據(jù)的過(guò)程。如表1所示為舵機(jī)的具體參數(shù)。

2.2機(jī)器人的感知系統(tǒng) ?

環(huán)境感知能力是移動(dòng)機(jī)器人除了移動(dòng)之外最為基本的一種能力，感知能力的高低直接決定了機(jī)器人的智能性。}fU感知能力是由感知系統(tǒng)決定的，感知系統(tǒng)是機(jī)器人與環(huán)境、人實(shí)現(xiàn)交互的重要I/O工具，是機(jī)器人獲取信息的窗口。移動(dòng)機(jī)器人之所以能在已知或未知的環(huán)境中面向目標(biāo)自主運(yùn)動(dòng)，完成一定的作業(yè)功能，是因?yàn)樗軌蛲ㄟ^(guò)多傳感器感知外部環(huán)境信息和自身狀態(tài)。

移動(dòng)機(jī)器人的傳感器可分為內(nèi)部和外部?jī)深悅鞲衅鳌?nèi)部傳感器用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人本身的狀態(tài)，是完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所必須的那些傳感器，如位置、速度傳感器等，它們是構(gòu)成機(jī)器人不可缺少的基本原件之一。

外部傳感器用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人所處環(huán)境及狀況的傳感器，取決于機(jī)器人所要完成的任務(wù)，如視覺(jué)傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、聲音傳感器等。機(jī)器人用這些傳感器采集各種信息，然后采取適當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑢⒍鄠€(gè)傳感器獲取的環(huán)境信息加以綜合處理，控制機(jī)器人進(jìn)行智能作業(yè)。

本設(shè)計(jì)中除了采用AX-12舵機(jī)中自帶的位置、速度、溫度、供電電壓及扭矩等內(nèi)部傳感器外，還采用AX-S1傳感器模塊作為外部傳感器。

2.3內(nèi)部傳感器 ?

AX-12舵機(jī)不但內(nèi)置有位置、速度傳感器用于檢測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度以及舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，還有內(nèi)部溫度、供電電壓以及扭矩等傳感器，用于檢測(cè)舵機(jī)內(nèi)部的狀態(tài)。當(dāng)AX-12舵機(jī)內(nèi)部溫度、扭矩、供電電壓等超過(guò)額定范圍時(shí)，它主動(dòng)反饋這種情況。此外，它還會(huì)閃動(dòng)LED燈或關(guān)閉舵機(jī)扭矩來(lái)保護(hù)自己。

2.4外部傳感器 ?

Dynamixel系列AX-12傳感模塊可以說(shuō)是“麻雀雖小，五臟俱全”，它包含了紅外距離傳感器、紅外遙控器、聲音探測(cè)傳感器、光度探測(cè)傳感器、溫度探測(cè)傳感器以及還具有蜂鳴器的功能。

3、機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力情況可能會(huì)根據(jù)路面情況不斷變化，因而電機(jī)的負(fù)載也在不停的變化，所以要實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件（腿）的行程的準(zhǔn)確控制不能單純依靠對(duì)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間進(jìn)行限定，必須要在執(zhí)行元件上安裝反饋位置的傳感器，這樣，當(dāng)執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)到規(guī)定的位置時(shí)就能通過(guò)控制系統(tǒng)給電機(jī)一個(gè)反饋信號(hào)，從實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。

六條腿中1、3、5，2、4、6分別是相同的，所以進(jìn)行控制設(shè)計(jì)時(shí)只需以1、2兩腿的配合為例說(shuō)明即可，3、5腿與1腿相同，4、6腿與2腿相同。

（1）第1腿的傳感器：

在上下擺動(dòng)的極限位置安裝行程開(kāi)關(guān)，上極限B1，下極限A1。在前后擺動(dòng)的極限位置和中點(diǎn)位置安裝行程開(kāi)關(guān)，前極限Z1，后極限X1，中點(diǎn)位置O1。

（2）第2腿的傳感器：

在上下擺動(dòng)的極限位置安裝行程開(kāi)關(guān)，上極限B2，下極限A2。在前后擺動(dòng)的極限位置和中點(diǎn)位置安裝行程開(kāi)關(guān)，前極限Z2，后極限X2，中點(diǎn)位置O2。

4、結(jié)論

在對(duì)移動(dòng)方式的選擇上我首先就選擇了麥克納姆輪，因?yàn)辂溈思{姆輪工藝已經(jīng)比較成熟，而且能全方位移動(dòng)。然后對(duì)其原理進(jìn)行了闡述。接著是機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。首先設(shè)計(jì)重要的腿部結(jié)構(gòu)，然后是主體部分，這個(gè)過(guò)程都是運(yùn)用UG7.5來(lái)完成的。之后對(duì)電機(jī)類型進(jìn)行選擇，最終因?yàn)槠鋬?yōu)秀的功能選擇了舵機(jī)。在對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，最終簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的框架，并沒(méi)有對(duì)內(nèi)部指令等進(jìn)行編輯。

編輯:黃飛