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  小型轮履腿复合式机械人计划及运动性情阐发_工学_上等指导_指导专区。呆板革新计划

  万 方数据 2005年8月 段星光等:小型轮履腿复合式机械人计划及运动性情阐发 通过对分歧搬动机构运动性情和已有机械人平 台运动性情的归纳阐发,联合全体的利用央浼,这 里提出了一种可能正在城区、修修物内和野外非构造 处境下具备较高处境合适性、具有必定越障才力和 自复位成效的小型轮履腿复合式搬动机械人。该机 器人能够遵循分歧的地形要求变换运动形式。行使 轮子竣工高速远隔断运动,行使四条只身摆动的履 带腿抬高其越障才力和处境合适性。编制采用遥控/ 半自助的就业方法,由长途计较机通过无线传输实 现机械人把持,使得机械人就业更具适用性。嵌入 式把持编制保障了把持编制质地轻,体积小、及时 性好、牢靠性高的央浼。 体尺寸等实行归纳探求,既要餍足其小型化央浼, 又要保障其央浼的越障才力。这种景象的机械人具 有与大凡轮式机械人好像的转弯、直线行走等成效; 与大凡履带式搬动机械人有好像的爬坡、越障等功 能。别的四个独立驱动履带腿,进一步加添了运动 的敏捷性,使得它对各样地面的通过才力和越障能 力进一步抬高。 依此计划计划的机械人自正在度分拨为:两后轮 为2自正在度;四个履带的挽救传动为4自正在度;四 个履带腿绕核心轴的摆动为4自正在度。如许总共需 要10自正在度。探求到机械人质地和空间构造的限 制,正在不影响机械人运动成效的条件下,将两个后 履带的挽救传动与车轮驱动共用2自正在度,如许全 1机械人构造计划 1.1机构总体计划 机械人根基构造景象是由四个车轮、四个摆臂 和车体组成的三节式复合构造,其机构简图如图1 部机械人共有8自正在度。 正在驱动单位,采用了小体积、轻质地、大输出 扭矩的DC电动机经减速器输出至传动轴。因为车 体的尺寸束缚,希奇是正在宽度宗旨的束缚,很众移 动机械人都采用了蜗轮一蜗杆传动副或圆弧齿轮传 动副。这种传动方法正在缩小宽度尺寸方面结果明白, 但存正在的紧要题目是传动效力低、能耗吃亏大。为 此,正在减速计划中采用了与电动机集成的行星齿轮 减速器和末级的圆柱齿轮减速传动,其传动效力可 以抵达95%以上。其余,轮式运动要餍足高速央浼, 而履带组摆动的紧要宗旨是调理机械人越障神情或 实行腿式运动,速率央浼较低,以是,轮子驱动采 用了较小的减速比,而履带腿的摆动采用了较大的 减速比以抬高驱动力矩,餍足支柱车体时的大扭矩 央浼。 1.2外里轴传动机构 正在机械人的四个轮履腿运动单位中,除了轮子 的挽救驱动以外,再有履带腿绕驱动轴的摆动。由 于摆动自正在度与驱动轮正在统一个核心轴上,以是, 所示。个中,01批代外机械人坐标系,,为车体长 度,6为车体宽度,R、,、d判袂默示大履带轮半径、 小履带轮半径和核心距。 凑窈 谬巡. 履带 大履带轮 < 繁 口 了 两景澈 一 d =:■--~ 纱 ● ≮. P 丝绪 图1机械人构造示妄图 央浼正在一个核心线上竣工两个运动的转达。计划中 采用了外里轴的构造景象,如图2所示。 机械人采用对称构造,由四个构造尺寸好像的 运动单位和车体组成三节式构造。每个运动单位包 括一个履带腿机构和一个驱动轮机构。车轮驱动采 用后轮差速驱动,判袂由两个电动机经减速器传动 至驱动轴。四条履带腿均设备正在车轮内侧,不但能 够竣工履带本身的挽救传动,并且可能绕驱动轮中 心轴摆动。为加强机械人的运动敏捷性,抬高机械 人的越障才力,四个履带腿的摆动畛域计划为 ±360。反转。中心个别是机械人车体,可装载把持 编制、电池及其他各样修立。为保障其可能进入修 筑物内并能越过台阶、爬越楼梯等越障央浼,必要 对大凡修修物入口宽度、楼梯的构造尺寸、履带腿 长度、履带轮直径、车体长度以及总共机械人的总 图2外里轴传动构造示妄图 万 方数据 110 呆板工程学报 第41卷第8期 电动机1原委与其集成的行星齿轮减速器l和 末级圆柱齿轮减速副将驱动动力传给内轴,供给整 个机械人平台的轮式运动,竣工机械人的直线和转 弯等运动所需动力。为竣工履带腿的同轴传动,设 计了与内轴齐心的带凸缘构造外轴,其齐心内孔设 计为内轴轴承的外圈,外轴轴承通过轴承座支柱整 个运动单位。外轴的运动通过凸缘与履带腿的摆臂 相结合以转达摆动所需动力。同样采用电动机、减 速器、末级圆柱齿轮副组成摆臂传动链。因为履带 腿的摆动速率较低,并且正在腿式运动时央浼通过控 制摆臂合节角来抬起车体,必要较大的驱动力矩, 以是履带腿驱动必要遴选较大的减速比。正在总共传 动中,均采用齿轮传动和滚动轴承,削减了传动效 率吃亏和摩擦阻力,抬高了驱动效力。 1.3小型化紧凑型构造计划 为餍足机械人小型化的计划央浼,希奇是正在宽 度宗旨(动力转达宗旨)尺寸受束缚的情状下,如 何计划驱动编制的空间合理结构是一个紧要探求的 题目。 向尺寸,又抬高了车体空间的行使率,使得计划更 加紧凑,也为把持编制正在车体内的铺排供给了更大 的空间,餍足机械人小型化的央浼。 1.4履带腿机构 每个履带腿机构都具有2自正在度,即履带自己 挽救运动和总共履带腿绕驱动轴摆动。履带腿由自 由履带轮、驱动履带轮和履带及其支柱张紧机构组 成,如图4所示。 :V 弋? 图4履带腿机构 描廖 翔旷 姻盆 细L 最初,正在餍足车体速率、驱动力矩央浼的条件 下,采用了末级降速齿轮传动。因为必要正在统一个 驱动核心轴上具备车轮挽救和履带腿机构组的摆动 两个转动自正在度,以是,通过这一对齿轮传动不但 能够错开核心地点,餍足传动自正在度的央浼,并且 能够进一步抬高驱动力矩,减小了电动机轴向受力, 一、卜 —毛兰: 大履带驱动轮经内轴转达挽救动力。通过履带 腿支柱杆结合孔与外轴凸缘相结合来转达履带腿的 摆动运动。 看待履带传动必必要有张紧机构,大凡采用支 撑轮和压紧轮的方法。若是采用这种方法就必要有 四套如许的张紧安装,不但加添了机构的繁复水平, 并且加添了总共车体的质地,不行餍足轻量化的设 计央浼。为此,正在计划中采用了简捷的螺钉拉紧、 端面压紧的安装。正在小履带轮端的摆臂杆侧面计划 一滑动槽,内嵌滑块,滑块机构通过螺钉拉紧履带 并用四个锁紧螺栓来锁紧。 为了餍足轻量化的央浼,除了正在构造上采纳相 应减重门径外(如减重孔),正在餍足受力、摩擦等的 条件下,正在质料上也有遴选的采用了密度较小的非 金属质料,如尼龙和聚碳酸酯等。但看待传动件、 摩擦件、紧要受力件仍然采用金属质料,以餍足刚 度央浼。 同时餍足车体的横向尺寸央浼。 其次,正在电动机、减速器和变速齿轮的传动设 计上,采用了空间紧凑性结构,如图3所示。 图3紧凑性空I司结构 因为正在车体的把握两侧通过支柱板铺排了两个 运动单位,也即是说,把握各必要两套电动机与减 速器驱动,若是全体对称摆列实行计划,则车体总 宽度起码要大于电动机与减速器长度的两倍,不行 餍足车体宽度的央浼。为此,将左侧驱动的两套电 动机减速器M1和M2与右侧驱动的两套电动机减 速器M3和M4正在空间地点交叉结构,既减小了轴 2嵌入式把持编制 机械人把持紧要有遥控、遥控/半自助和自助方 式。自助方法是最理念的景象,但目前以遥控/半自 主方法最为适用。即央浼机械人既能够通过遥操作 端的指令实行运动把持还能够竣工部分的自助运 动。完全把持编制构造如图5所示。 万 方数据 万 方数据 112 呆板工程学报 第41卷第8期 3.1.2腿式运动 该形式能够竣工机械人正在非构造处境下的越障 运动,睹图6b。通过把持履带腿的合节角,把持机 器人的腿式越障运动,正在加添车体净空高度、抬高 非构造处境下越障才力方面有着明白结果。 3.1.3履带运动 该形式以四履带驱动为根基运动方法,行使前 后两对履带的摆动,来抬高机械人的越障才力,其 越障运动性情全体展现如下。 (1)四履带下摆着地,增大了机械人与地面的 接触面积,能够使机械人合适松软、泥泞、池沼和 崎岖不服等地形要求,睹图7a。 (2)正在爬越台阶时,通过前履带腿上摆造成一 个适合的前攻角,能够便利的越过台阶,其攀越高 度超出轮子直径的1.5倍,睹图7b。 (3)通过四条履带腿机械人能够爬越大凡的楼 梯,睹图7c,而正在下场下楼梯运动时,通过把持后 履带腿的摆动合节角造成一个适合的后攻角,能够 制服下楼梯时的摔落振动,睹图7fo其余,因为机 器人的对称构造特色,其前后驱动本能好像,以是 鄙人楼梯时能够省去正在楼梯平台处的转弯运动,直 接由后履带腿变前履带腿就能够竣工下楼梯的 运动。 (4)行使四履带运动形式爬越斜坡时,因为四 条履带腿都有驱动力,以是能够爬越更大角度的斜 坡,增大了爬坡才力,睹图7d。 (5)因为各个履带腿的摆动是相对独立的,所 以,正在把握两侧能够造成分歧合节角,使得机械人 能够正在斜坡上竣工安静侧向行驶,睹图7e。 安静性受到安静界限(重心到支柱界限的最小隔断) 的影响。该机械人的众履带机构,能够通过改良履 带腿的神情抵达改良重心或zMP(零力矩点)的位 置,以制服固定重心和安静界限束缚。希奇是正在爬 越楼梯、斜面时,通过摆臂运动能够便利的调理机 器人重心地点、扩展了机械人接触区域,抬高正在倾 斜波折物上的运动安静性j 3.2机械人自复位性情 因为搬动机械人的就业处境既有大概是正在城 区、修修物外里的构造化处境,也有大概是自然环 境下繁复、未知、众变的非构造处境,大概会因为 各样情由使机械人翻倒而导致机械人遗失运动功 能。该机械人能够行使四个独立运动的履带腿竣工 车体正在翻倒时的复位。图8默示了一种机械人正在翻 倒情状下的复位运动序列。 (1)摆臂三下摆,抬起车体曰的一端(左端),使 车体倾斜,由图8中的地点(a)变为地点(b)。 (2)摆臂尺逆时针摆动到图8c的地点,以便使 支柱区域逼近机械人重心。 (3)摆臂£逆时针摆动到车体右侧,以便调理 机械人重心右移,睹图8d。 (4)通过摆臂R的摆动支柱,慢慢使车体B翻 转,当重心越过摆臂R的大轮核心时,车体下翻, 使摆臂三与地面接触,睹图8e。 (5)调理机械人神情为初始神情,蓝月电竞网址完工机械人 复位运动,睹图8f或8a。 刁乡 一≥, 一 承㈣彩 燃辑 露墨 ∽冬矍 ∽麓堂 《涟 图8机械人复位运动 ‘。’ ‘‘’ 4结论 提出了一种合适室外里构造、非构造化处境的 小型轮履复合型搬动机械人,商酌了机构和把持系 图7机械人越障性情 (6)看待轮式机械人或固定履带机械人,因为 其重心地点是固定的,以是,正在不服缓外貌的运动 万 方数据 2005年8月 段星光等:小型轮履腿复合式机械人计划及运动性情阐发 人技艺与利用,2001(3):7~14 113 统的计划与竣工,并对其运动性情实行了阐发。目 前,已完工了该机械人的呆板安装与把持编制计划, 而且实行了轮式运动的行进、撤除、转弯试验以及 爬越台阶、斜面、楼梯等越障试验。竣工的紧要技 术本能目标如下外所示。 外机械人紧要技艺本能目标 项 目 3 2李科杰.损害功课机械人发扬策略商酌.机械人技艺及 利用,2003(5):14~22 Nakano E,XDyachi N.An advanced mechaIlism of the to也e o衄i-directional 指 标 4 vehicle(ODV)蚰d its叩plication working wheelchair for the ICAR.1 983:277~284 desiabled.In:Proc.of tlle 外形尺寸三×船^/(mm×mm×mm) 质地m/k窖 最高速率“(km?h-1) 700×600×300 28 YasIIllam K,Masaya S,Kuroda Y compensation for et a1.Comm粕d system on data real-time tele一耐viIlg lllIl盯 10.0 (轮式运动) 超过台阶的最大高度^/mm 爬坡最大角度口/(o) 履带挽救角度畛域口“。) 能源动力 320 45 士360 rover:Micro.5.In:Proc.oftlle ICRA.2001:1 394~1 399 5 Y-oji K,T印pei T,Yoshinori eValua廿on of planetary s,et a1.Mobil时pemmance simil撕t),model ex— roVer with periInent.In:Proc.ofICRA,2004:2 098~2 103 6 密封铅酸电池 1 就业工夫他 Clement G.Ⅵlledieu E.Mobile rcIbot for hostile erⅣiron. ments.In: Proc.of Intemational Topical Meeting Robotics in Hostile on Re- 图9为机械人正在爬越楼梯时的试验情状。通过 试验能够看出,机械人具有分歧的运动形式和优良 的运动性情。把持编制餍足机械人对半自助导航及 遥操作的央浼。能够竣工正在城区、修修物内和野外 非构造处境的急速行驶和越障运动。与一律巨细的 其他类型机械人比拟,具有质地轻、体积小、构造 紧凑、越障方法敏捷等特色。这种搬动机械人平台 可用于军事窥伺、探测、警惕、巡视或公安、武警 编制处置突发事变,有着普通的利用前景。 9 8 7 mote Systems孤d EnVirorlInems, 1987:270~277 Ma仕hies L,Xiong Y Hogg R,et a1. A ponable,autono- mous.ud)an reco衄aissance robot.Robotics and Autono. mous Syst∞:1s,2002(40):163~172 D肌iel M H.Muhi?sensor’high speed叫tonomous climbing.In:Proc.ofCon£IROS,2002:733~742 Schenlpf stair H,Mutschlcr E,Pi印伊2Ls C,et a1.Pandora: autonomous证baIl robotic reconmissaIlce system.In:Proc. ofICRA.1999:2 315~2 32l 10 H砷se tive S,Miyal(e J,Aoki S.Dcvel叩m饥t of vehicle temiIl ad叩? of RSJ, ql场dn卜track HELIOS—II.丑Dur. 1992:283~291 11 Huang Q,K刨i K,Kazlmito Y et al,Balance corl仃Dl ofa biped robot combing off-line pattem wim real-time modi- 矗cation.In:Proc.IEEE tion.2000:3 12 Int.Con£Robotics锄d Automa. 346~3 352 Wang G,Huang Q,Geng J H,et a1.Co叩eration of dy- n锄ic pattems蚰d 2472~2477 13 sensory reflex for h啪柚oid walbng. In:Pmc.IEEE Im.Conf.Ibbotics锄d Automation.2003: Maeda Y Tsut锄i S,Hagmara S.Protot),pe of rnul廿矗mc- tional robot vehicle.In: Proc.of Int.Con£on Advanced Robotics.1985:421~428 14 Martens J.Newman W Stabili船tion of a mobile robot clilnbing s协irs.In:Proc.ofICRA,1994:2 501~2 507 (e) (D 15 white bots J R,sunagawa T,Nakajim needs. on T.Hazardous Proc. of du锣m— 图9机械人爬楼梯试验 experiences 姐d In: IEEE瓜SJ 参考文献 1徐邦华,谭民.搬动机械人的发呈现状及其趋向.机械 Int咖a如nal WDrkshop 1989:262~267 Intelligent Robots锄d Systems, 16王挺,王越超,赵忆文.众机构复合智能搬动机械人的 万 方数据 万 方数据 小型轮履腿复合式机械人计划及运动性情阐发 作家: 作家单元: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被援用次数: 段星光, 黄强, 李科杰,蓝月电竞官网:并且 能够进一步抬高驱动力矩 Duan Xingguang, Huang Qiang, Li Kejie 北京理工大学机电工程学院,北京,100081 呆板工程学报 CHINESE JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 2005,41(8) 12次 参考文献(16条) 1。徐邦华。谭民 搬动机械人的发呈现状及其趋向[期刊论文]-机械人技艺与利用 2001(03) 2。李科杰 损害功课机械人发扬策略商酌[期刊论文]-机械人技艺及利用 2003(05) 3。Nakano E。Koyachi N An advanced mechanism of the omi-directional vehicle (ODV) and its application to the working wheelchair for the desiabled 1983 4。Yasuharu K。Masaya S。Kuroda Y Command data compensation for real-time tele-driving system on lunar rover! 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