具有越障功能的小型地面移动机器人

具有越障功能的小型地面移动机器人3

段星光,黄强,李京涛

(北京理工大学机电工程学院,北京　100081)

摘要:针对在危险环境下对移动机器人的运动要求,研究了机器人系统的总体设计,提出了一种具有越障功能的小型地面轮履复合式移动机器人,阐述了其机构设计及其实现。分析了该机器人通过台阶、斜面、楼梯等障碍时的越障特性。研制完成的第一台样机具有结构简单、体积小、质量轻的特点,通过实验验证了该机器人运动灵活,具有很好的环境适应性和越障能力。

关键词:移动机器人;运动姿态;越障;运动特性

中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2006)04-0038-04

用于军事侦察、反恐防暴等危险作业的小型地面移动机器

人以其体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点成为移动

机器人研究领域的又一热点[1]。由于其工作环境复杂多变,很

多时候要求机器人不是避开障碍或复杂地形,而是要越过并适

应它。所以,研究开发具有越障功能的小型地面移动机器人以

适应各种结构化、非结构化环境是非常必要的。与传统的以研

究机器人智能、决策等为目的而开发的轮式移动机器人相比,

在机动性、越障能力、集成设计等方面提出了许多新的或挑战

性的理论与工程技术问题[2～4]。

结合危险环境下移动机器人的具体应用要求,在对机器人

系统进行总体设计的基础上,提出了一种具有越障功能的小型

轮履复合式移动机器人,分析了在各种障碍地形下的越障性

能。所开发的第一台样机采用了嵌入式控制系统以及遥控/半自主的工作方式,整个系统具有体积小、质量轻、运动灵活、环境适应能力强和越障能力高的特点。

1　系统总体方案

1.1　系统构成

总的设计目标是:研究开发一种应用于危险环境下的小型地面移动机器人运载平台,融合各种移动机构的优势,形成一个既有高的运动效率,又有一定越障性能,适应室内外环境的小型移动机器人平台。首先,从机器人机构方面要综合考虑其小型、快速运动能力、越障能力及运行环境等多个相互矛盾的因素;其次,从控制系统的角度考虑要满足其实时性、小体积、轻量化的要求。

系统构成如图1所示。主要包括移动平台本体、遥操作控制计算机、车载计算机、传感器系统及无线通讯。遥操作端通过无线通讯方式向机器人传送遥控指令,并通过终端显示器获得机器人本身的速度、方位、姿态等信息,同时通过车载的CCD 摄像头获得机器人远端的环境图像信息,作为后方操作控制的依据。机器人既可以在遥控指令运动,也可以通过融合CCD、超声传感器、倾角仪、电子罗盘等传感器获得的环境信息来实现局部的自主运动。

图1　机器人系统构成

1.2　设计性能要求

机器人要能够在危险环境下完成侦察、探测等任务,所以要求具有较高的机动性和环境适应能力,尽可能使系统小型化、轻量化,控制操作合理方便,并且具有较高的越障能力。其主要性能指标要求为:

体积:700mm×600mm×300mm;

质量:<35kg;

最高速度:>8km/h;

越障高度:>300mm;

续航时间:1h;

控制方式:无线,遥控加半自主。

1.3　总体设计流程

结合机器人系统的总体系统构成和技术指标要求,采用自顶向下的设计思想,确定系统的总体参数,特别是要考虑机器人的任务需求和应用环境。例如:最高速度、最大爬坡能力、越障高度等与环境密切相关的因素。对于结构化的障碍环境,比如楼梯等,要充分考虑其障碍结构与机器人之间的交互关系,确定系统的总体参数,以便保证机器人的必备性能要求。其总体设计流程如图2所示。

第23卷第4期2006年4月

机　械　设　计

J OU RNAL OF MACHIN E DESIGN

Vol.23　No.4

Apr.　2006

3收稿日期:2005-11-5;修订日期:2005-12-20

基金项目:国家“863”高技术研究发展计划资助项目(2002AA420110)

作者简介:段星光(1966-),男,河北万全人,博士,教授,研究方向:机器人技术、仿生技术,发表论文30余篇。

图2　系统总体设计流程

2　机构设计

在整个机器人系统设计中,运动系统机构形式的选择通常是一个首要的问题。要求机器人的移动机构要具有很大的灵活性,而且特别强调在小型机器人前提下的机器人越障能力,因此机器人机构必须能够提供有效的运动方式。

通过对轮式、履带式[5～8]、足式[9]等不同移动机构运动特性的综合分析,结合设计需求和性能指标的具体要求,提出了一种小型轮履复合式移动机器人机构,兼顾了机器人的高速运动特性和越障能力。

2.1　机构总体方案

图3表示了机器人机构的总体布局形式。机器人基本结构形式采用了由4个车轮、4个履带摆臂和车体构成的复合结构,每一个运动单元由轮子和履带及其相应的驱动机构组成。车轮运动采用差速驱动,分别由电机经减速器传动至驱动轴。采用四轮运动平台的目的是为了充分发挥轮式运动速度高、功耗低的优点,以适合机器人在较平坦的路面上快速进入目标地点。4条履带均配置在车轮内侧,不仅能够实现履带自身的旋转传动,而且能够绕驱动轮中心轴摆动。配置4条履带的目的是增加机器人的运动灵活性,将它们设计为各自独立驱动的形式,并可以实现±360°摆动。虽然增加了电机个数,但是对于提高机器人的越障能力有着显著的作用。通过控制4条履带的不同摆动关节角位置,可以根据不同的地形条件采用不同的运动模式,提高了机器人的环境适应性和越障能力。中间部分是机器人车体,可装载控制系统、电池及其他各种设备。

2.2　总体尺寸与关键参数

机器人的越障性能不仅与障碍的形状特点有关,还与机器人本身的结构特点紧密相关,是一个环境与机器人交互作用的复杂系统。在总体设计中,往往几个关键的参数不仅决定了机器人的外形大小,而且决定了机器人的机动性与越障性能。对于室外自然环境具有非结构特性,难以用具体的参数来量化障碍物的特性,所以在考虑机器人尺寸与越障能力时主要以城区或室内结构化环境要求为依据。

为保证其能够进入建筑物内并能完成爬越楼梯等越障要求,需要对一般台阶高度、建筑物入口宽度、楼梯的结构尺寸、履带腿长度、轮子直径、车体长度以及机器人总体尺寸等进行综合考虑,为机器人设计提供依据。既能使机器人稳定地上下楼梯、台阶,又能使其体积最小化。从图4可以看出,要想使用轮子爬上楼梯,其半径至少要高于台阶高度,而要使用单履带顺利地爬上楼梯,则履带长度至少要能够跨越3个台阶。通过采用关节摆臂式机构,可以通过履带的摆动形成一个合适的前攻角来爬上楼梯,而在楼梯上运动的过程中始终采用履带机构,四轮机构则可以用来在平坦地形运动,这也是考虑采用轮履复合机构的重要原因之一。

2.3　关键结构

机器人的基本结构由4个车轮、4个摆臂和车体构成,由车轮和摆臂履带所构成的4个运动对称布置在车体的两侧。在每个运动单元中,除了旋转驱动自由度以外,还有履带摆臂绕

中心轴的摆动自由度。由于二者位于同一个中心轴上,所以,要求在一个中心线上实现两个运动的传递。为此采用了内外轴的传递形式来实现。图5表示了一个运动单元的传动机构形式。由两个DC 电机经过两对末级减速齿轮分别将动力传递给内轴和外轴,内轴通过车轮连接件驱动车轮的旋转运动,而外轴则通过凸缘结构与摆臂相连来驱动摆臂的摆动。驱动电机采用Maxon DC 电机,该集成了行星齿轮减速器和光电码盘,具有体积小、质量轻、输出转矩大的特点。在电机的输出轴采用了末级齿轮减速传动方式,一方面可以错开驱动中心轴的位置,满足内外轴传动要求,另一方面可以减小电机在轴向的直接受力,同时可以实现电机在车体内的空间紧凑布局,以便减小车体的横向尺寸,满足机器人小型化的要求。内外轴的具体装配结构如图

6所示。

图3

　机器人总体布局

图4　爬楼梯尺寸分析

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32006年4月段星光,等:具有越障功能的小型地面移动机器人