移动机器人.pptx

机器人引论第6章 移动机器人第6章 移动机器人o6.1 移动机器人的发展o6.2 移动机器人的基本组成o6.3 轮式移动机器人o6.4 履带式移动机器人o6.5 步行移动机器人6.1 移动机器人的发展移动机器人的发展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。o60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。6.2 移动机器人的基本组成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。6.2.1 驱动系统驱动系统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。6.2.2 控制系统控制系统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。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。6.3 轮式移动机器人轮式移动机器人6.3.1 车轮形式车轮形式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。传统的车轮形状球轮、充气球轮和锥形轮超轻金属线编织轮、半球形轮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。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。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。6.3.2 车轮的配置和转向机构车轮的配置和转向机构o1 轮式移动机构、2 轮式移动机构o轮式和轮式移动机构在实现上的主要障碍是稳定性问题。o3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。o4轮式移动机构o4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o实际应用的轮式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。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6.3.3 三轮移动机器人运动分析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。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。o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：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：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)。6.4 履带式移动机器人履带式移动机器人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。6.4.1 车体结构车体结构1 履带机构的形状履带机构的形状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。2 支承轮支承轮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。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。(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。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5 驱动轮与导向轮驱动轮与导向轮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6 履带张紧装置履带张紧装置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7 履带架履带架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。6.4.2 越障原理越障原理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6.4.3 履带排爆机器人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6.5 步行移动机器人步行移动机器人o6.5.1 步行机器人的特点及发展过程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。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）。WL系列步行机器人H6机器人H7机器人HRP-2JSK机器人P3 机器人 ASIMO机器人SDR-3X机器人6.5.2 步行机器人的腿结构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。卡内基-梅隆大学开发的6足开链步行机器人日本东芝公司研制的6足闭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6.5.3 两足步行机器人的动力学模型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。n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。n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。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。