履帶機(jī)器人爬樓分析

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1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 全自動(dòng)生化分析儀是一種集光、機(jī)、電、液于一體的大型檢驗(yàn)設(shè)備，主要用于檢驗(yàn)人體體液的各項(xiàng)生化指標(biāo)，是醫(yī)療臨床檢驗(yàn)必備儀器之一。國(guó)內(nèi)對(duì)于此儀器的研究起步較晚，水平較低，市場(chǎng)多被外國(guó)產(chǎn)品壟斷。本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外全自動(dòng)生化分析儀的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)基于全光譜分析的全自動(dòng)生化分析儀機(jī)械系統(tǒng)及其控制技術(shù)進(jìn)行研究。 本文首先根據(jù)全自動(dòng)生化分析儀的相關(guān)技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)，進(jìn)行了機(jī)械系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。對(duì)課題所涉及的全自動(dòng)生化分析儀進(jìn)行系統(tǒng)劃分，分析每個(gè)子系統(tǒng)的組成和功能，并確定課題研究所包括的子系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)劃分，制定全自動(dòng)生化分析儀的工作過程。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)機(jī)械操作

2、子系統(tǒng)的每一個(gè)模塊進(jìn)行功能需求分析，提出設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，確定合理的自由度數(shù)，選擇合適的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)形式和緊湊的整體布局方式，保證各模塊和整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。在此基礎(chǔ)上對(duì)反應(yīng)盤、樣品盤、試劑盤、樣品臂、試劑臂、攪拌、清洗、微量注射等機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和建模。 根據(jù)全自動(dòng)生化分析儀的工作過程，與機(jī)械操作子系統(tǒng)協(xié)調(diào)動(dòng)作，對(duì)液路子系統(tǒng)的工作時(shí)序進(jìn)行了規(guī)劃，確定每一時(shí)刻各個(gè)閥、泵的開關(guān)狀態(tài)。根據(jù)每次吸、排等動(dòng)作的時(shí)間和液體體積，確定閥、泵以及連接管路等液路元件的參數(shù)和數(shù)量，建立液路子系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。 設(shè)計(jì)了機(jī)械操作子系統(tǒng)和液路子系統(tǒng)的控制子系統(tǒng)部分。鑒于控制對(duì)象較多，采用上、下位機(jī)分級(jí)控制模式，以及PCI總

3、線的通信方式。構(gòu)建了基于MAC-3002SSP4運(yùn)動(dòng)控制卡、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、自制驅(qū)動(dòng)放大整流電路板等的控制子系統(tǒng)硬件電路。并基于VC編寫控制子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)程序。進(jìn)行機(jī)、電、液的連接調(diào)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械操作子系統(tǒng)的位置運(yùn)動(dòng)和液路子系統(tǒng)按規(guī)定時(shí)序的開關(guān)動(dòng)作。 關(guān)鍵詞：全自動(dòng)生化分析儀；生化檢驗(yàn)；機(jī)械系統(tǒng)；液路；控制技術(shù) Abstract Automatic biochemical analyzer is a large-scale test equipment which integrates Optical, Mechanics, Electronics and Fluidics, us

4、ed to test biochemical indexes of human body fluids and one of the essential clinical equipments. The research on automatic biochemical analyzer starts relatively late and is at a lower level in China and the market is nearly monopolized by foreign product. In this paper, the subject will research t

5、he mechanical system and its control technology of automatic biochemical analyzer based on full spectrum with research status and development at home and abroad. According to relevant technologies and the development of automatic biochemical analyzer, the subject carries out the overall design of m

6、echanical system, divides automatic biochemical analyzer to some subsystems, analyses every subsystem’s composition and function. Than the subsystems are acknowledged which will be researched in the subject. According the partition of the subsystems, the working process of automatic biochemical anal

7、yzer is drawn up. The subject makes design requirements and criteria, analyses modules’ functions and requirements of mechanical operation subsystem in the mechanical system, and decides right DOF, adaptive drive methods and transmissions and compact configurations to make sure the stability and th

8、e security of all modules. Than 3D modules of the cuvette wheel, the sample wheel, the reagent wheel, the sample arm, the reagent arm, the mixing mechanism, the wash mechanism and the injection mechanism are built with mechanics. According to the working process of automatic biochemical analyzer, t

9、he subject makes the working schedule of the fluid path subsystem in the mechanical system and the statuses of the valves and the pumps at any time to work with the mechanical operation subsystem. According to time intervals and the volumes of the valves and the pumps’ aspirations and drains, the su

10、bject makes parameters and quantities of the valves, the pumps, the joints and the pipes to build the configuration of the fluid path subsystem. The designs of the control parts of the mechanical operation subsystem and the fluid path subsystem are the last work. The controlled objects are too much

11、 in the mechanical system, so the subject uses upper and lower computers control model and PCI bus communication. MAC-3002SSP4 motion control cards, step motor drivers and drive-amplification-rectification circuit cards compose the hardware circuits of the control subsystem in the mechanical system.

12、 The experiment programs of the mechanical system’ functions are compiled in C language with Microsoft Visual C++. At last, the mechanical part and the electronic part are assembled together to be joint debugged to verify the designs and researches’ correctness on the positional motion model of the

13、mechanical operation subsystem and the on-off switching of the fluid path subsystem. Keywords: automatic biochemical analyzer, biochemical test, mechanical system, fluid path, control technology 不要?jiǎng)h除行尾的分節(jié)符，此行不會(huì)被打印 - V - 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒 論 1 1.1 課題背景及研究的目的和意義 1 1.

14、2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.2.1 具備爬樓梯能力的移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 1 1.2.2 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 5 1.2.3 爬樓梯穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀 6 1.2.4 爬樓梯局部自主控制研究現(xiàn)狀 10 1.3 課題主要研究?jī)?nèi)容 11 第2章 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 12 2.1 引言 12 2.2 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成 12 2.2.1 總體設(shè)計(jì) 12 2.2.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 2.3 控制系統(tǒng)軟件環(huán)境與設(shè)計(jì) 20 2.3.1 機(jī)器人軟件系統(tǒng) 20 2.3.2 控制盒軟件系統(tǒng) 21 2.4 本章小結(jié) 21 第3章 爬樓梯靜穩(wěn)定性分

15、析 22 3.1 引言 22 3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模 22 3.2.1 普遍運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 22 3.2.2 特殊姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 25 3.3 爬樓梯動(dòng)作規(guī)劃 28 3.3.1 爬標(biāo)準(zhǔn)樓梯機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃 29 3.3.2 爬非標(biāo)準(zhǔn)樓梯動(dòng)作規(guī)劃 32 3.3.3 機(jī)器人爬臺(tái)階動(dòng)作規(guī)劃 34 3.4 機(jī)器人爬樓梯能力與爬樓梯靜穩(wěn)定性分析 35 3.4.1 爬樓梯能力分析 35 3.4.2 爬樓梯傾翻穩(wěn)定性分析 42 3.5 本章小結(jié) 49 第4章 移動(dòng)機(jī)器人履帶樓梯交互力分析與傾覆預(yù)測(cè) 50 4.1 引言 50 4.2 爬樓梯各過程中打滑情況分析 50 4.2.1 樓梯履帶

16、交互力分析與不打滑條件 50 4.2.2 爬標(biāo)準(zhǔn)樓梯過程中打滑情況分析 52 4.3 爬樓梯各過程中樓梯履帶交互力分析 58 4.4 傾翻穩(wěn)定性分析與傾翻預(yù)測(cè)算法 74 4.5 本章小結(jié) 75 第5章 實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 76 5.1 引言 76 5.2 控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 76 5.3 機(jī)器人自主爬標(biāo)準(zhǔn)樓梯實(shí)驗(yàn) 76 5.4 機(jī)器人爬非標(biāo)準(zhǔn)樓梯實(shí)驗(yàn) 77 5.4.1 回零實(shí)驗(yàn) 77 5.5 機(jī)器人爬臺(tái)階實(shí)驗(yàn) 78 5.6 本章小結(jié) 78 結(jié) 論 79 參考文獻(xiàn) 80 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文 82 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 83 致謝 84

17、 第1章 緒 論 1.1 課題背景及研究的目的和意義 本課題來(lái)源于國(guó)家863計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“救援救災(zāi)危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人技術(shù)”的子課題“煤礦井下搜索機(jī)器人研制”。 隨著人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，近年來(lái)機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展，在一些人類難以涉足或無(wú)法到達(dá)的惡劣、危險(xiǎn)和有害的環(huán)境中，需要移動(dòng)機(jī)器人代替人類完成相應(yīng)的任務(wù)。在世界各地，自然災(zāi)害、恐怖活動(dòng)和各種突發(fā)事故時(shí)有發(fā)生，而在這些需要移動(dòng)機(jī)器人工作的地點(diǎn)地形一般都較為復(fù)雜，這就要求機(jī)器人系統(tǒng)要進(jìn)一步具有更強(qiáng)的多地形自適應(yīng)越障能力，提高移動(dòng)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的全地形通過性、機(jī)動(dòng)性、抗振抗沖擊性、越障性能和越障穩(wěn)定性，以及系統(tǒng)可靠性，

18、成為機(jī)器人成功應(yīng)用的根本，而爬樓梯能力作為衡量移動(dòng)機(jī)器人越障能力的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)它的分析研究成為對(duì)移動(dòng)機(jī)器人越障能力研究的一個(gè)重點(diǎn)。 在機(jī)器人爬樓梯的過程中由于前進(jìn)中，由于左右兩側(cè)輪的速度差、重力引起漂移及各種干擾的原因，機(jī)器人在爬樓梯的過程中很容易出現(xiàn)走偏的現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是普遍存在的，如履帶速度差、重力引起漂移導(dǎo)致兩側(cè)履帶不平衡地承載以及各種干擾的存在。而機(jī)器人一旦走偏，則很容易失穩(wěn)，造成機(jī)器人的側(cè)翻。 本課題首先對(duì)機(jī)器人的爬樓梯能力及爬樓梯方法進(jìn)行了分析，采用了一種具有局部自主控制能力的爬樓梯方法，也就是機(jī)器人行走的大方向由操作人員通過返回的視頻信號(hào)來(lái)遙控，而在行走過程中

19、機(jī)器人出現(xiàn)走偏時(shí)，能將偏差反饋給控制系統(tǒng)，從而預(yù)防側(cè)翻，保證機(jī)器人爬樓梯的順利完成。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 具備爬樓梯能力的移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀 機(jī)器人自主爬樓梯是移動(dòng)機(jī)器人完成危險(xiǎn)環(huán)境探查、偵察、救災(zāi)等任務(wù)需要具備的基本智能行為之一, 移動(dòng)機(jī)器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、空間探索、危險(xiǎn)環(huán)境探查和取樣、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、城市救災(zāi)、排爆、反恐防化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求, 是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1] [2] [3]。移動(dòng)機(jī)器人從事偵察和緊急事務(wù)響應(yīng)任務(wù)時(shí), 樓梯是人造環(huán)境中的最常見的障礙, 也是最難跨越的障礙之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)器人自主爬樓梯的研究已取得一定得成果。 圖2-1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)

20、作可重構(gòu)爬樓梯機(jī)器人 圖2-2機(jī)器人爬樓梯過程 Fig. 1-6 CIOMP CG3040B Fig. 1-6 CIOMP CG3040B 加拿大Ryerson大學(xué)，電子與計(jì)算機(jī)工程系設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)作可重構(gòu)的爬樓梯機(jī)器人[4]，由三個(gè)小機(jī)器人組成，每個(gè)小機(jī)器人采用伸縮架的結(jié)構(gòu)，可以通過三個(gè)小機(jī)器人的協(xié)作，完成上下樓梯的任務(wù)，如圖2-1所示，其爬樓梯的過程如圖2-2所示。 韓國(guó)大學(xué)設(shè)計(jì)的MACbot機(jī)器人[5]，它在適應(yīng)性、操作可靠性表現(xiàn)較為突出，如圖2-3所示，其行走機(jī)構(gòu)采用四個(gè)履帶行走模塊，前面兩個(gè)履帶模塊中，有一個(gè)基于行星輪的離合裝置，為機(jī)器人提供了兩種運(yùn)行模式，一種是常規(guī)模式

21、，另一種是障礙物模式。兩種模式之間的切換動(dòng)作取決于安置于每個(gè)履帶模塊中的電機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)行走中機(jī)器人遇到一個(gè)較高的障礙時(shí)，普通模式下運(yùn)行，機(jī)器人無(wú)法通過障礙物，這時(shí)，障礙物模式被激活，首先，兩個(gè)前履帶觸到障礙物(Ⅰ)，于是開始旋轉(zhuǎn)去爬上障礙物(Ⅱ)，兩個(gè)前履帶成功爬上障礙物以后(Ⅲ)，兩個(gè)后履帶觸到臺(tái)階，也開始旋轉(zhuǎn)越過障礙物(Ⅳ)，流程如圖2-4所示。 圖2-3 MACbot機(jī)器人 Fig. 1-6 CIOMP CG3040B auto biochemistry analyzer 圖2-4 爬樓梯流程 Fig. 1-6 CIOMP CG3040B auto biochemis

22、try analyzer 伊朗德黑蘭的K.N. Toosi科技大學(xué)研制的Silver機(jī)器人[6]，其中間履帶用于行走，前后各兩個(gè)履帶用于越障，如圖2-5所示，其爬樓梯流程如圖2-6所示。 圖2-5 Silver移動(dòng)平臺(tái) 圖2-6 爬樓梯流程 Fig. 1-6 CIOMP CG3040 Fig. 1-6 CIOMP CG3040B 加拿大多倫多大學(xué)，機(jī)械工業(yè)工程系的Pinhas Ben-Tzvi等研制的LMA機(jī)器人[7]也具備爬樓梯的能力，如圖2-7所示，其爬樓梯流程如圖2-8所示。 圖2-7 Silver移動(dòng)平臺(tái)圖 圖2-8 爬樓梯流程(按a-b-c-d-e-f

23、-g-h的順序) Fig. 1-6 CIOMP CG3040B auto Fig. 1-6 CIOMP CG30 美國(guó)iRobot公司研制的PackBot系列機(jī)器人[8]，如圖2-9所示，能適應(yīng)崎嶇不平的地形環(huán)境和爬樓梯，主要執(zhí)行偵察任務(wù)、尋找幸存者、勘探化學(xué)品泄漏等任務(wù)。 a) 移動(dòng)平臺(tái) b) 移動(dòng)平臺(tái)+機(jī)械臂 Fig. 1-6 CIOMP CG3040B biochemistry analyzer 圖 29 PackBot機(jī)器人 Fig. 1-6 CIOMP CG3040B au

24、to biochemistry analyzer 在國(guó)內(nèi)，北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所，針對(duì)樓宇內(nèi)的移動(dòng)監(jiān)視和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境,研究了一種可重組的“履帶-關(guān)節(jié)”機(jī)器人結(jié)構(gòu)，通過模塊化組合，它以很小的體積(每個(gè)模塊長(zhǎng)30cm，寬11.5cm，高11cm)，獲得了爬越樓梯的能力[9]。各種模塊的組合形式如圖2-10所示。 圖2-10 各種模塊組合形式 Fig. 1-6 CIOMP CG3040B auto biochemistry analyzer 此外，上海廣茂達(dá)伙伴機(jī)器人有限公司研制的龍衛(wèi)士DragonGuard X3 系列單兵反恐機(jī)器人[10] 具有適應(yīng)全天候、全地形、展開迅速，操作

25、簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)，可用于爆炸物處理、偵查、特種作業(yè)等反恐任務(wù)，如圖2-11所示。由廣州衛(wèi)富機(jī)器人有限公司自行研制開發(fā)的“靈蜥系列”排爆機(jī)器人[11]具有輪-履帶-腿復(fù)合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以爬行40度斜坡和樓梯，如圖2-12所示。 圖211 DragonGuard反恐機(jī)器人 圖212“靈蜥系列”排爆機(jī)器人 Fig. 1-6 CIOMP CG3040 Fig. 1-6 CIOMP CG3040B 綜上所述，本課題行走部分采用單獨(dú)履帶，外加前后各兩個(gè)擺臂履帶以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的越障、爬樓梯的動(dòng)作。 1.2.2 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 移動(dòng)機(jī)器人與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人最大的不同在于，由于移動(dòng)

26、性能的要求，控制系統(tǒng)集成化程度較高，同時(shí)具有一定的環(huán)境感知能力，以及通訊和遠(yuǎn)程控制的功能，下面結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究情況介紹幾種典型的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)方案。 前文提到的iRobot公司研制的PackBot系列機(jī)器人，主控制芯片采用700MHzPentiumIII微處理器連接運(yùn)動(dòng)控制器，用以太網(wǎng)接口連接一塊專門用來(lái)處理視頻信號(hào)的微型封裝系統(tǒng)。還裝有前視紅外線系統(tǒng)（FLIR）、GPS系統(tǒng)、無(wú)線視頻接口和一套專用操作軟件[12]。專門用于室內(nèi)搜救與勘測(cè)的PackBot機(jī)器人—WayfarerUGV，除了以上裝備外還安裝了數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、激光測(cè)距儀、慣性測(cè)量?jī)x等傳感器和數(shù)字影像壓縮軟件專門用來(lái)實(shí)現(xiàn)自主定位。

27、機(jī)器人根據(jù)這些傳感器測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)探測(cè)障礙物、繪制周圍環(huán)境的地圖。圖2-13為PackBot的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 圖2-13 PackBot 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖2-14 蛇行機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig. 1-6 CIOMP CG3040B Fig. 1-6 CIOMP CG3040B a 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的蛇形救災(zāi)機(jī)器人，采用CAN總線技術(shù)設(shè)計(jì)了蛇形機(jī)器人控制系統(tǒng)，如圖2-14所示?？刂葡到y(tǒng)中上層是監(jiān)控系統(tǒng),通過無(wú)線通訊與機(jī)器人控制系統(tǒng)相聯(lián)，發(fā)送改變蛇的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的指令，如蜿蜒側(cè)移、翻滾，前進(jìn)、后退等控制命令。機(jī)器人的控制系統(tǒng)通過CAN總線將各個(gè)分散的執(zhí)行單元連接起來(lái)

28、使系統(tǒng)的可擴(kuò)展性能大大提高，同時(shí)CAN總線能夠滿足蛇形機(jī)器人實(shí)時(shí)性的需求。機(jī)器人控制系統(tǒng)中采用嵌入式單片機(jī)，每個(gè)執(zhí)行單元上都裝有一片單片機(jī)，這樣各個(gè)單片機(jī)都可以獨(dú)立處理關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，為機(jī)器人的分布式控制提供了硬件條件。蛇形機(jī)器人的節(jié)點(diǎn)眾多，采用分布式系統(tǒng)可以大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。這種蛇形機(jī)器人將GPS技術(shù)應(yīng)用于自主導(dǎo)航，采用基于GPS定位技術(shù)的蛇形機(jī)器人自主移動(dòng)的一種算法，并通過仿真證實(shí)該算法的有效性[13]。 圖2-15 基于PLC移動(dòng)控制系統(tǒng) Fig. 1-6 CIOMP CG3040B auto biochemistry analyzer 上海交通大學(xué)的防爆移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)

29、[14]采用SIMATIC的S7-200系列的PLC，中央處理單元為CPU224，具有14輸入、10輸出及1個(gè)RS-485通訊接口?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-15所示。 綜合國(guó)內(nèi)外移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)大多采用CAN總線或PC/104分布式總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可分為遙控部分和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，分為無(wú)線遙控與有線遙控兩種方式。機(jī)器人內(nèi)部傳感器安裝有陀螺儀、傾角儀、GPS等定位裝置。外部傳感器有激光測(cè)距儀、超聲波、紅外線測(cè)距儀、視頻傳感器等。系統(tǒng)集成在機(jī)器人內(nèi)很小空間內(nèi)。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：(1)主控制系統(tǒng)采用嵌入式控制系統(tǒng)[15][16]，系統(tǒng)集成度高能夠減小機(jī)器人體積。(2)安裝大量傳感器反饋

30、環(huán)境信息。(3)良好的通信系統(tǒng)方便操作人員遙控。(4)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高機(jī)動(dòng)性能。(5)專用軟件操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)處理大量綜合數(shù)據(jù)信息[17]。本文將綜合以上特點(diǎn)和機(jī)器人功能要求設(shè)計(jì)適合與功能要求的控制系統(tǒng)。 1.2.3 爬樓梯穩(wěn)定性分析方法研究現(xiàn)狀 樓梯是人造環(huán)境中的最常見的障礙，對(duì)爬樓梯的分析主要是對(duì)其爬樓梯傾翻穩(wěn)定性的分析。 現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，已經(jīng)有很多關(guān)于機(jī)器人傾翻穩(wěn)定性的判別方法。靜態(tài)穩(wěn)定判據(jù)方法主要有：重心投影法(CG Projection Method)，靜態(tài)穩(wěn)定裕度法(Static Stability Margin, SSM),類似的還有縱向穩(wěn)定裕度法(Longitudinal S

31、tability Margin, LSM)，偏轉(zhuǎn)縱向穩(wěn)定裕度方法(Crab Longitudinal Stability Margin, CLSM)，能量穩(wěn)定裕度方法(Energy Stability Margin)等；動(dòng)態(tài)穩(wěn)定判據(jù)方法有：壓力中心法(Center of Pressure Method, COP),有效質(zhì)量中心方法(Effective Mass Center, EMC)，零力矩點(diǎn)方法(Zero Moment Point, ZMP)，以及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定裕度法(Dynamic Stability Margin, DSM)等[18]。雖然對(duì)于傾翻穩(wěn)定性有這么多種評(píng)判方法，但這些方法的評(píng)判原

32、理是相同的，即都是通過重力和運(yùn)動(dòng)中其它外力產(chǎn)生的力矩對(duì)于支撐多邊形傾翻邊線的符號(hào)的正負(fù)進(jìn)行判斷的。 沈陽(yáng)自動(dòng)化所的劉金國(guó)在對(duì)其變形機(jī)器人傾翻穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)，提出了穩(wěn)定錐的方法以及傾翻性能指數(shù)的概念[18]。利用穩(wěn)定錐的方法對(duì)邊線傾翻、角點(diǎn)傾翻的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況進(jìn)行綜合考慮。機(jī)器人質(zhì)心（重心）為穩(wěn)定錐的頂點(diǎn)；機(jī)器人與地面的各個(gè)支撐點(diǎn)所圍成的凸多邊形為穩(wěn)定錐的地面，如圖2-16所示。 此方法即使通過分析重力線與穩(wěn)定錐各個(gè)側(cè)面中過錐頂點(diǎn)的線的最小夾角，若最小夾角小于零，則機(jī)器人將會(huì)出現(xiàn)側(cè)翻，正常設(shè)計(jì)中要留出一個(gè)夾角的穩(wěn)定裕度。 圖2-16 穩(wěn)定錐 Fig. 1-6 CIOMP CG304

33、0B 為了優(yōu)化機(jī)器人構(gòu)型以得到機(jī)器人系統(tǒng)的最大穩(wěn)定性，根據(jù)前面的方法，進(jìn)而又提出了一個(gè)綜合衡量穩(wěn)定性能的指數(shù)——傾翻性能指數(shù)，傾翻性能指數(shù)的綜合計(jì)算的表達(dá)公式為： 各邊線和角點(diǎn)的傾翻性能指數(shù)均值可以表示為： 傾翻性能指數(shù)和傾翻性能指數(shù)均值 ，它們表示移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中系統(tǒng)產(chǎn)生傾翻的危險(xiǎn)程度。前者表示最危險(xiǎn)情況，后者指整體危險(xiǎn)情況；其值越大，系統(tǒng)就越容易傾翻；反之，其值越小，系統(tǒng)就越穩(wěn)定。 沈陽(yáng)自動(dòng)化所信建國(guó)等提出了一種基于對(duì)質(zhì)心分析的穩(wěn)定性分析方法[19]。上臺(tái)階時(shí)，利用履帶和腿移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，協(xié)調(diào)控制履帶腿移動(dòng)機(jī)器人的姿態(tài)，能夠翻越具有一定高度的臺(tái)階。其采用的翻越方式有兩

34、種，一種是先將腿移動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐在障礙物上，履帶車體部分與地面接觸，在正常行進(jìn)的過程中翻越障礙,如圖2-17-a所示。另一種是改變履帶和腿移動(dòng)機(jī)構(gòu)的相對(duì)位置，先將履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐在障礙物上，腿機(jī)構(gòu)部分與地面接觸，然后通過腿機(jī)構(gòu)履帶的驅(qū)動(dòng)，翻越障礙，如圖2-17-b所示。 a) b) 圖2-17 上臺(tái)階兩種方式 圖2-18 上樓梯 Fig. 1-6 CIOMP CG3040B Fig. 1-6 CIOMP CG3040B 兩種情況上臺(tái)階最大高度： H1= tgα( acosα- bsinα- Rsinα+ rcosβ) - Rcosα+ R H2= L0sinα

35、 + tgβ( acosα - Rsinβ+ rcos(β+γ) ) -Rcosβ+ R 下臺(tái)階下臺(tái)階最大高度： Hmax = L0 (腿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度) 移動(dòng)機(jī)器人在階梯地形下行走是一個(gè)不斷上臺(tái)階的過程，此處僅討論腿機(jī)構(gòu)在前的爬階梯過程。在不同情況下，移動(dòng)機(jī)器人上階梯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性和階梯的具體參數(shù)決定，如圖2-18所示。 當(dāng)(1)θ≤45°; (2) D≤Lcosα- Rsinθ時(shí)，移動(dòng)機(jī)器人處于斜坡行走狀態(tài)。 當(dāng)(1) D≥Lcosα- Rsinθ; (2) H≤Hmax - R+(R2 - ( Lcosα- D) )1/2 ( Hmax為上臺(tái)階最大高度) 時(shí)

36、，移動(dòng)機(jī)器人處于依次上臺(tái)階狀態(tài)。 前面這兩種方法都是基于幾何的穩(wěn)定性分析方法，對(duì)于光履帶用以上兩種方法就足夠了，而大多數(shù)履帶都是帶有履棱的，若考慮到左右兩側(cè)履棱的不對(duì)稱出現(xiàn)，就可能出現(xiàn)兩側(cè)履帶受力不均的情況，容易引起走偏，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)器人的側(cè)翻。 加拿大多倫多大學(xué)的劉玉剛和劉俊光通過對(duì)履帶與臺(tái)階之間的相互作用力的分析來(lái)分析機(jī)器人爬樓梯的穩(wěn)定性，他們的分析是以前面提到的多倫多大學(xué)的LMA機(jī)器人為載體進(jìn)行的，圖2-19給出了LMA機(jī)器人爬樓梯過程中對(duì)履帶與臺(tái)階間的交互力的分析[20]。 a)過較矮臺(tái)階 b)爬上樓梯 MP CG3040B MP CG3040B c)前臂擺

37、回 d)向上爬 MP CG3040B MP CG3040B e)開始沿樓梯邊緣線行走 f)爬上樓梯頂 Fig. 1-6 CIOMP CG3040B Fig. 1-6 CIOMP CG3040B 圖2-19 爬樓梯過程中履帶與臺(tái)階交互力簡(jiǎn)圖 Fig. 1-6 CIOMP CG3040B 1.2.4 爬樓梯局部自主控制研究現(xiàn)狀 在機(jī)器人爬樓梯的過程中由于前進(jìn)中，由于左右兩側(cè)輪的速度差、重力引起漂移及各種干擾的原因，機(jī)器人在爬樓梯的過程中很容易出現(xiàn)走偏的現(xiàn)象，而這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因是普遍存在的，如履帶速度差、重力引起漂移導(dǎo)致兩側(cè)履帶不平衡地承載以及各種干擾的存在。而機(jī)器人

38、一旦走偏，則很容易失穩(wěn)，造成機(jī)器人的側(cè)翻，所以機(jī)器人需要不斷調(diào)整其運(yùn)動(dòng)方向，以使其始終保持垂直于臺(tái)階邊緣的方向向上爬行。 如果靠操作員的遙控來(lái)調(diào)整機(jī)器人的行進(jìn)方向，由于遙控缺乏平衡感，則需要操作員較高的技巧，顯然不現(xiàn)實(shí)。進(jìn)而提出了局部自主控制的方法來(lái)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人爬樓梯進(jìn)行控制，即機(jī)器人行進(jìn)的大方向由操作員來(lái)控制，而一旦機(jī)器人走偏，則由機(jī)器人自主調(diào)節(jié)，最終完成爬樓梯。 凱斯西儲(chǔ)大學(xué)的John D. Martens與Wyatt S. Newman采用了基于閉環(huán)控制的局部自主控制方法[21]，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定爬樓梯，其采用的傳感器是電子羅盤，控制閉環(huán)模型如圖2-20所示。 圖2-20

39、 閉環(huán)控制模型 Fig. 1-6 CIOMP CG3040B 局部自主控制的關(guān)鍵內(nèi)容主要就是姿態(tài)與環(huán)境的感知，即傳感器的應(yīng)用。 傳感器方面，用于環(huán)境信息感知的傳感器，則包括超聲傳感器、紅外傳感器、激光測(cè)距儀、以及視覺感知，而對(duì)于姿態(tài)感知的傳感器比較普遍采用陀螺儀、傾角儀、電子羅盤、碼盤等，每種傳感器都有優(yōu)勢(shì)和不足，有特定的使用場(chǎng)合。 超聲波傳感器測(cè)距原理簡(jiǎn)單，不受光照條件的影響，但受溫度、濕度、環(huán)境噪聲的影響較大；且當(dāng)反射面的法線與超聲波方向相差太大時(shí)，可能接收到多處的反射波；由于超聲波束之間的相互干擾，所以各個(gè)超聲波都是輪流發(fā)射，速度慢；另外，當(dāng)樓梯兩側(cè)是欄桿，而不是墻壁時(shí)，超聲波就

40、不能用作樓梯感知了?；谝曈X的樓梯檢測(cè)適用于室內(nèi)、室外的多種光照條件下，不要求樓梯兩側(cè)有墻壁，魯棒性好；但是當(dāng)光線太強(qiáng)或者黑暗時(shí)不能工作。激光測(cè)距掃描儀可以在各種光照條件下工作，但當(dāng)樓梯兩側(cè)沒有墻壁時(shí)無(wú)法使用[22]。陀螺儀、傾角儀、電子羅盤、碼盤是用于機(jī)器人姿態(tài)感知的傳感器，不涉及到外界環(huán)境影響的因素，陀螺儀能測(cè)機(jī)器人三維的傾角及速度、加速度的信息；電子羅盤、傾角儀可以測(cè)機(jī)器人的三維傾角；碼盤一般用來(lái)測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。 1.3 課題主要研究?jī)?nèi)容 本課題研究的主要內(nèi)容如下： (1)移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 包括移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的整體搭建、部分硬件電路的設(shè)計(jì)以及后期編程調(diào)試實(shí)驗(yàn)。

41、 (2)移動(dòng)機(jī)器人爬樓梯穩(wěn)定性的分析。 首先對(duì)移動(dòng)機(jī)器人爬樓梯的動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃；其次建立移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型，從移動(dòng)機(jī)器人的靜穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性兩方面進(jìn)行分析，對(duì)后面機(jī)器人爬樓梯局部自主控制的工作提供指導(dǎo)，并幫助確定機(jī)器人機(jī)械主體的部分參數(shù)。 (3)移動(dòng)機(jī)器人爬樓梯的局部自主控制。 包括傳感器的選用及局部自主控制的編程調(diào)試試驗(yàn)。 89 - - 第2章 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 2.1 引言 控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作的核心，本章介紹移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型，根據(jù)機(jī)器人功能要求，對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并完成硬件集成，編寫相應(yīng)的控制軟件，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制功能。系

42、統(tǒng)設(shè)計(jì)包括機(jī)器人本體與控制盒兩部分，機(jī)器人本體能夠采集視頻、音頻與環(huán)境信息，控制盒能夠?qū)C(jī)器人本體實(shí)現(xiàn)遙控。 2.2 移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成 2.2.1 總體設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)可以劃分為兩部分：機(jī)器人本體控制系統(tǒng)和控制盒遙控系統(tǒng)。 圖1-2 機(jī)器人控制盒 圖1-3 機(jī)器人本體 Fig. 1-6 CIOMP CG3040B Fig. 1-6 CIOMP CG3040B a 機(jī)器人本體控制系統(tǒng)可以劃分為六個(gè)模塊：中央處理器系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、視音頻采集系統(tǒng)、傳感器采集系統(tǒng)、通訊系 統(tǒng)、供電系統(tǒng)。 圖1-1 機(jī)器人本體控制系統(tǒng)框圖 Fig. 1-6 CIOMP

43、CG30 (1)中央處理器系統(tǒng)：用來(lái)處理和保存各部分?jǐn)?shù)據(jù)信息，選用IEI公司的NANO-945GSE2作為嵌入式系統(tǒng)。 (2)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：機(jī)器人共配有6 套運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)左右履帶運(yùn)動(dòng)、左右擺臂擺動(dòng)和擺腿擺動(dòng)，每套運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用運(yùn)動(dòng)控制器、驅(qū)動(dòng)器、直流電機(jī)和碼盤的機(jī)構(gòu)形式。采用分布式控制方式，各套運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)通過CAN總線與嵌入式系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，CAN總線給出每個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)，每個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)采用獨(dú)立的PID控制。 (3)視音頻采集系統(tǒng)：采集環(huán)境圖像和聲音信號(hào)，通過光纖傳遞到井上控制部分，配合操作人員進(jìn)行超視距遙控。 (4)傳感器采集系統(tǒng)：一方面有溫度、風(fēng)速、CO、CH4傳感器，用

44、計(jì)算機(jī)主板RS232串口采集數(shù)據(jù)，再將采集到的數(shù)據(jù)通過光纖傳遞給井上控制部分；另一方面有電子羅盤，它的信號(hào)也通過RS232總線傳給嵌入式系統(tǒng)。 (5)通訊系統(tǒng)：采用光纖傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)機(jī)器人本體與控制中心的通訊。 (6)供電系統(tǒng)：采用鋰電池為系統(tǒng)供電。 控制盒遙控系統(tǒng)可以劃分為五個(gè)模塊：中央處理器系統(tǒng)、視音頻采集系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)。 圖1-1 控制盒控制系統(tǒng)框圖 Fig. 1-6 CIOMP CG30 (1)中央處理器系統(tǒng)：用來(lái)處理和保存各部分?jǐn)?shù)據(jù)信息，選用IEI公司的WAFER-945GSE作為嵌入式系統(tǒng)。 (2)視音頻采集系統(tǒng)：用于接收機(jī)器人本體傳來(lái)的

45、圖像、聲音信息，并將控制中心操作人員的聲音信息傳遞給機(jī)器人本體。系統(tǒng)包括光端機(jī)接收卡1塊、嵌入式液晶顯示器1個(gè)及拾音頭、揚(yáng)聲器各1個(gè)，應(yīng)用光端機(jī)通過光纖實(shí)現(xiàn)視音頻信號(hào)傳輸。 (3)通訊系統(tǒng)：采用有線光纖傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)機(jī)器人本體與控制中心的通訊。 (4)人機(jī)交互系統(tǒng)：采用一塊數(shù)據(jù)采集卡與主板相連接，操作員通過兩個(gè)控制搖桿和控制按鍵對(duì)系統(tǒng)發(fā)出控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人本體的遙控。 (5)供電系統(tǒng)：采用鋰電池為系統(tǒng)供電。 2.2.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在機(jī)器人控制系統(tǒng)的六個(gè)子系統(tǒng)中，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是最主要也是最基礎(chǔ)的一個(gè)系統(tǒng)，下面著重介紹運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的選型，包括電機(jī)的選型和減速器傳動(dòng)部件的確定。

46、 2.2.2.1 行走電機(jī) (1)機(jī)器人直線行駛 ， 其中： 為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取0.06； G為機(jī)器人重力1500N； 分別為內(nèi)外輪受力； 分別為內(nèi)外輪受力矩； 為運(yùn)動(dòng)輪子半徑取0.1275m。 (2)直線斜坡行駛 機(jī)器人在斜坡上直線行駛受力簡(jiǎn)圖如下所示，可得所需驅(qū)動(dòng)力矩。 圖1-4 機(jī)器人斜坡行駛簡(jiǎn)圖 Fig. 1-6 CIOMP CG30 =516.56N =516.56*0.255/2=65.86N.m 其中：為斜坡角度，取40度； (3)平地轉(zhuǎn)彎行駛 履帶機(jī)器人轉(zhuǎn)彎可以分為兩種，即當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑R

47、>車體寬度的一半S/2時(shí)，內(nèi)外兩側(cè)車輪運(yùn)行方向相同，當(dāng)R<S/2時(shí)，內(nèi)側(cè)車輪和外側(cè)車輪運(yùn)行方向相反。履帶機(jī)器人轉(zhuǎn)向過程如圖1-5所示。 當(dāng)R> S/2時(shí)，受力分析如下： 圖1-5 機(jī)器人轉(zhuǎn)向過程 圖1-6 轉(zhuǎn)向阻力系數(shù) Fig. 1-6 CIOMP CG3 Fig. 1-6 CIOMP CG3 1-石塊地面 2-卵石路 3-瀝青公路 其中：為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)，取值如圖1-6所示，本例取1.2； G為整個(gè)機(jī)器人的重力--1500N； 為機(jī)器人接地長(zhǎng)度

48、與機(jī)器人接地寬度之比； 速度計(jì)算如下： 功率計(jì)算如下： a) R> S/2 b) 0=<R<S/2 圖1-7轉(zhuǎn)向過程中的驅(qū)動(dòng)力 Fig. 1-6 CIOMP CG3 當(dāng)0=<R<S/2時(shí)，受力分析如下： 其中：為轉(zhuǎn)向阻力系數(shù)，取1.2； 速度分析如下： 功率計(jì)算如下： 圖1-8主動(dòng)輪上的相對(duì)功率 Fig. 1-6 CIOMP CG3 由圖1-8主動(dòng)輪上的相對(duì)功率圖所示，所需最大功率出現(xiàn)在R=S/2時(shí)，此時(shí)iL=1。 此時(shí)，最大功率為： Pmax= 其中，Vm’取為要求的行

49、走速度 則有： Pmax=1500(0.06+1.2*300/345)*0.8=1324.17W 選用400W的EC60作為小車行走電機(jī)，在保證力矩的前提下，則需要犧牲一些轉(zhuǎn)速，選擇167132。 167132：EC60，400W，48V，額定轉(zhuǎn)速：4960rpm，堵轉(zhuǎn)扭矩：11Nm，最大連續(xù)電流：9.38A，最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩：0.747Nm，效率86%。 第一級(jí)減速采用中技克美諧波減速器XB1系列，機(jī)型80，減速比為80，最大輸出轉(zhuǎn)矩：100Nm，效率：79.6%。 第二級(jí)減速為同步帶減速，減速比為1.4，效率95%。 總的減速比為112。 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪最大連續(xù)輸出扭矩為： =

50、0.747*80*1.4*86%*79.6%*95%=54.41Nm 驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速：n=4960/112=44.3rpm 行走速度V=44.3*3.14*0.255/60=0.6m/s 2.2.2.2 擺臂電機(jī) 圖1-11 機(jī)器人尺寸簡(jiǎn)圖 Fig. 1-6 CIOMP CG3 (1)機(jī)器人前擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī) 圖1-12 機(jī)器人前擺臂支撐受力圖 Fig. 1-6 CIOMP CG3 機(jī)器人由前臂支撐時(shí)，受力圖如圖1-12所示，可列如下方程： 其中：G1=1200N；G2=150N；G3=150N 得： Ff=505.05N 令單個(gè)前臂提供轉(zhuǎn)矩為，則： 2 得=8

51、3.46N.m 選擇167177，EC40，120W無(wú)刷直流電機(jī)，額定電壓18V，額定轉(zhuǎn)速10900rpm，最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩0.113Nm，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩1.34Nm，效率83%。 第一級(jí)減速采用行星輪減速器GP42C，203120，減速比為43，減速級(jí)數(shù)：3，最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩：15Nm，瞬時(shí)過載轉(zhuǎn)矩：22.5Nm，效率：72%，重量：460g。 第二級(jí)減速為渦輪蝸桿減速，減速比為29，效率50%。 總的減速比為1247。 機(jī)器人前擺臂輸出扭矩為： =。 前臂轉(zhuǎn)速為： n=10900/1247=8.74rpm（52度/秒） (1)機(jī)器人后擺臂驅(qū)動(dòng)電機(jī) 圖1-13 機(jī)器人后擺臂支撐

52、受力圖 Fig. 1-6 CIOMP CG3 機(jī)器人由后臂支撐時(shí)，圖1-13為此狀態(tài)下機(jī)器人受力圖，可列如下方程： 其中：G1=1200N；G2=150N；G3=150N 得Ff=1324.05N 兩后臂采用共同的電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩，則滿足如下等式： 得=469.95N.m 選擇167132，EC60，400W無(wú)刷直流電機(jī)，額定電壓48V，額定轉(zhuǎn)速4960rpm，最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩0.747Nm，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩11.8Nm，效率86%。 第一級(jí)減速采用行星輪減速器GP81A，110411，減速比為51，減速級(jí)數(shù)：3，最大連續(xù)轉(zhuǎn)矩：120Nm，瞬時(shí)過載轉(zhuǎn)矩：180Nm，效率：70%，重量：

53、3700g。 第二級(jí)減速為渦輪蝸桿減速，減速比為21，效率50%。 總的減速比為1071。 機(jī)器人前擺臂輸出扭矩為： =。 前臂轉(zhuǎn)速為： n=4960/1071=4.63rpm 2.3 控制系統(tǒng)軟件環(huán)境與設(shè)計(jì) 機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用VC來(lái)實(shí)現(xiàn)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)和編程， 2.3.1 機(jī)器人軟件系統(tǒng) 機(jī)械操作子系統(tǒng)的品盤模塊、試劑盤模塊、樣品臂模塊、試劑臂模塊、攪拌模塊、清洗模塊和微量注射模塊，如圖2-4所示。 2.3.2 控制盒軟件系統(tǒng) 在全自動(dòng)生著重要的作用，它的主要功能有以下兩個(gè)方面： (1)保證儀劑要保存在5～15℃的制冷環(huán)境中，同樣需要冷卻液在 (2)液體吸取

54、2.4 本章小結(jié) 根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人的功能要求，設(shè)計(jì)了機(jī)器人控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，完成了硬件的集成及軟件的編寫。采用了基于CAN總線的分布式控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)與集成，野戰(zhàn)光纖通訊保證了控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。在控制端，采用了開關(guān)、手柄等簡(jiǎn)單控制方式并編寫了直觀的軟件控制界面，實(shí)現(xiàn)了人性化的人機(jī)交互。 第3章 爬樓梯靜穩(wěn)定性分析 3.1 引言 本部分研究機(jī)器人爬樓梯過程中的靜穩(wěn)定性，首先，建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，進(jìn)而得出機(jī)器人質(zhì)心在固定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；其次，對(duì)機(jī)器人爬樓梯的動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃，得到爬樓梯整個(gè)過程中機(jī)器人在各個(gè)時(shí)段的位姿；最后結(jié)合機(jī)器人爬樓梯整個(gè)過程的各個(gè)姿態(tài)分析機(jī)

55、器人的靜穩(wěn)定性，從而可以得到機(jī)器人攀爬樓梯的能力。此外，本章還進(jìn)行了樓梯參數(shù)識(shí)別的研究，在爬樓梯的初始得到樓梯的參數(shù)，為后續(xù)控制做準(zhǔn)備。 3.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模 本機(jī)器人由三節(jié)履帶構(gòu)成，機(jī)器人各個(gè)參數(shù)表示如圖3-1所示。其中，、、分別表示機(jī)身、前擺臂、后擺腿的質(zhì)量；、、分別表示機(jī)身長(zhǎng)度、前擺臂長(zhǎng)度、后擺腿長(zhǎng)度；、、分別表示機(jī)身、前擺臂、后擺腿質(zhì)心位置；、分別表示大輪半徑、小輪半徑。 3.2.1 普遍運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 應(yīng)用機(jī)器人學(xué)D-H坐標(biāo)變換方法，分別以機(jī)器人三個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，如圖3-1所示。 圖3-1 機(jī)器人參數(shù)示意圖 圖3-2 機(jī)器人坐標(biāo)系示意圖 Fig. 2-4

56、Mechanica Fig. 2-4 Mechanica 建立機(jī)器人姿態(tài)模型坐標(biāo)系： 機(jī)身驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心建立固定坐標(biāo)系； 機(jī)身驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)中心建立機(jī)身坐標(biāo)系； 前擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)中心建立前擺臂坐標(biāo)系； 后擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)中心建立后擺臂坐標(biāo)系。 前擺臂坐標(biāo)系與后擺臂坐標(biāo)系對(duì)機(jī)身坐標(biāo)系的變換關(guān)系如表3-1所示。 表3-1 機(jī)器人坐標(biāo)參數(shù) Table.3-1 Coordinate Parameter of The Mine Robot 關(guān)節(jié) 變化范圍 2 3 機(jī)身坐標(biāo)系相對(duì)固定坐標(biāo)系的姿態(tài)變換關(guān)系可以用一組歐拉角表示：繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)角

57、 ，繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)角，繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)角 ，前擺臂與機(jī)身夾角為；后擺臂與機(jī)身夾角為，旋轉(zhuǎn)矩陣用變換矩陣表示。 = = 令坐標(biāo)系原點(diǎn)在中的坐標(biāo)為，進(jìn)而可以得到各個(gè)坐標(biāo)系間的齊次變換矩陣，如下： 式中： ----------機(jī)身繞x軸傾翻角； ----------機(jī)身繞y軸偏轉(zhuǎn)角； ----------機(jī)身繞z軸俯仰角； ---------前擺臂與機(jī)身夾角（繞z軸逆時(shí)針方向?yàn)檎? ---------后擺臂與機(jī)身夾角（繞z軸逆時(shí)針方向?yàn)檎? ---坐標(biāo)系原點(diǎn)在中的坐標(biāo) 下面分析機(jī)器人質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)，圖2-1中各個(gè)關(guān)節(jié)質(zhì)心在各自坐標(biāo)系中的位置用、、表示。 = =

58、= 各個(gè)關(guān)節(jié)質(zhì)心位置相對(duì)機(jī)身坐標(biāo)系的坐標(biāo)、、及整體質(zhì)心： = == == == 則整體質(zhì)心在固定坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為： == 注：機(jī)身坐標(biāo)系相對(duì)于固定坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)角、、由機(jī)器人內(nèi)部傳感器測(cè)得，本機(jī)器人采用電子羅盤實(shí)時(shí)得到這三個(gè)參數(shù)；前后擺臂相對(duì)機(jī)身的轉(zhuǎn)角、由機(jī)器人關(guān)節(jié)處電機(jī)碼盤讀得；坐標(biāo)可由行走電機(jī)碼盤返回值與電子羅盤返回值計(jì)算求得；上式中其他參數(shù)均為已知量。故可以通過上式確定任意時(shí)刻質(zhì)心的位置。 3.2.2 特殊姿態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 上面推導(dǎo)所得到的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是普遍意義的，公式比較復(fù)雜不便于分析，機(jī)器人實(shí)際行駛、越障過程中，通常可以根據(jù)不同的地面類型建立特殊的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，下面

59、分情況分析： (1)水平地面行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：當(dāng)機(jī)器人在水平地面行駛時(shí)，只有繞y軸的偏轉(zhuǎn)角變化，即相當(dāng)于、、、、五個(gè)參數(shù)中，、、變化，而傾翻角、俯仰角均為0，坐標(biāo)系原點(diǎn)在中的坐標(biāo)仍可由行走電機(jī)碼盤返回值與電子羅盤返回值計(jì)算求得。根據(jù)上面所得公式可以的到水平地面行駛模型： == 機(jī)器人行走時(shí)，可以通過、的變化來(lái)調(diào)整質(zhì)心的位置，這樣可以對(duì)質(zhì)心作小范圍的調(diào)整，將機(jī)器人參數(shù)帶入中可以得到坐標(biāo)系下質(zhì)心的變化范圍，然而、的無(wú)限制變化可能引起機(jī)器人前后擺臂之間的干涉，如圖3-3所示。 圖3-3 前后擺臂干涉示意圖 Fig. 2-4 Mec 為避免前后擺臂發(fā)生干涉，加入條件，坐標(biāo)系內(nèi)，點(diǎn)

60、Q2與點(diǎn)Q3的x坐標(biāo)之差要大于擺臂小輪的直徑，即： 易知點(diǎn)Q2在坐標(biāo)系與點(diǎn)Q3在坐標(biāo)系中的齊次坐標(biāo)均為 ，則有： 式中，c、s分別代表cos、sin，2、3分別表示角、。 將機(jī)器人參數(shù)代入坐標(biāo)系內(nèi)的質(zhì)心公式，結(jié)合上面所提出的避免干涉的條件，可以的到坐標(biāo)系下質(zhì)心的變化范圍。圖3-4、3-5、3-6給出了質(zhì)心相對(duì)于、的變化范圍。其中圖3-4、3-5、3-6中的圖（a）為、在內(nèi)取值時(shí)質(zhì)心的變化范圍，圖（b）為、在內(nèi)取值時(shí)質(zhì)心的變化范圍。 （a）、 （b）、 圖3-4 質(zhì)心位置分布的x、y坐標(biāo)范圍 Fig. 2-4 Mec （a）、

61、 （b）、 圖3-5 質(zhì)心x坐標(biāo)相對(duì)的變化范圍 Fig. 2-4 Mec （a）、 （b）、 圖3-6 質(zhì)心y坐標(biāo)相對(duì)的變化范圍 Fig. 2-4 Mec 機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)給出如下： 據(jù)上，可以得到： 、時(shí)， 、時(shí)， (2)后擺臂支撐運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：在機(jī)器人越較高障礙時(shí)，經(jīng)常需要機(jī)器人用后擺臂來(lái)支撐機(jī)身，機(jī)器人用后擺臂將身體支撐起來(lái)的姿態(tài)如圖3-7所示： 圖3-7 后擺臂支撐狀態(tài)模型 Fig. 2-4 Mec 各個(gè)坐標(biāo)系的建立方法與普遍運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立中的一致。當(dāng)機(jī)器人處于后擺臂支撐狀態(tài)時(shí)，只有繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)變換，即相當(dāng)

62、于、、、、五個(gè)參數(shù)中，、、變化，而傾翻角、偏航角均為0，且有，則根據(jù)機(jī)器人普遍運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可以建立機(jī)器人后擺臂支撐運(yùn)動(dòng)學(xué)模型： == 3.3 爬樓梯動(dòng)作規(guī)劃 本部分對(duì)移動(dòng)機(jī)器人爬樓梯的動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃。 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)樓梯的高度一般為13-20cm，踏步寬大于22cm，一般樓梯高度為15cm左右，踏步寬為25cm左右。故一般情況下，單節(jié)樓梯高度都比較低，此時(shí)，課題所設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人只需利用前臂即可爬上樓梯，然而人造環(huán)境中仍然存在一些樓梯高度或踏步寬度不在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的非標(biāo)準(zhǔn)樓梯，則爬樓梯種類可以劃分為三種：1、樓梯高度與踏步寬度均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)或略超出標(biāo)準(zhǔn)的樓梯，統(tǒng)一稱為爬標(biāo)準(zhǔn)樓梯；

63、2、樓梯高度較大，需靠機(jī)器人后擺臂的協(xié)同動(dòng)作才能完成爬上樓梯動(dòng)作，爬上樓梯后能讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)連續(xù)爬樓梯動(dòng)作的樓梯，統(tǒng)一稱為爬非標(biāo)準(zhǔn)樓梯；3、樓梯踏步寬度較大，機(jī)器人完成爬上樓梯動(dòng)作后，無(wú)法讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)連續(xù)爬樓梯動(dòng)作的樓梯，可以稱為爬臺(tái)階。下面分別介紹上述三種情況下，機(jī)器人爬樓梯的基本動(dòng)作規(guī)劃。 3.3.1 爬標(biāo)準(zhǔn)樓梯機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃 對(duì)于樓梯高度與踏步寬度均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)或略超出標(biāo)準(zhǔn)的樓梯，必然存在不同的樓梯高度與踏步寬度，故為了適應(yīng)不同的樓梯參數(shù)，機(jī)器人在開始爬樓梯之前需要對(duì)樓梯參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，包括樓梯高度和踏步寬度。進(jìn)而爬標(biāo)準(zhǔn)樓梯的過程可以分為如下四部，下面分別介紹本機(jī)器人爬標(biāo)準(zhǔn)樓梯過程的

64、基本步驟及其參數(shù)識(shí)別問題。 (1)動(dòng)作規(guī)劃基本步驟： 步驟一：識(shí)別參數(shù)，確定角度。機(jī)器人擺動(dòng)前臂至自身上方，為保證機(jī)器人正對(duì)樓梯行進(jìn)，在機(jī)器人前端配置了兩個(gè)紅外測(cè)距儀，在保證兩側(cè)履帶與樓梯距離相同的條件下前進(jìn)到機(jī)器人履帶最前沿與樓梯的距離為時(shí)停止，回旋前臂到前方直至接觸樓梯棱，如圖3-8(a)所示，記錄此時(shí)前擺臂與機(jī)身夾角，進(jìn)而樓梯高度可以被計(jì)算出來(lái)；機(jī)器人向上爬上第一級(jí)樓梯，當(dāng)由電子羅盤測(cè)得的底座的角度達(dá)到角度時(shí)，驅(qū)動(dòng)輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2-3(b)所示。順時(shí)針擺動(dòng)前擺臂，它將接觸第二個(gè)樓梯的棱，如圖2-3(c)示。通過記錄此時(shí)前擺臂與車身夾角，樓梯寬度將可以確定，進(jìn)而可以得到樓梯的傾斜角度

65、，而后將機(jī)器人前擺臂擺回原角度，再通過機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪先前或向后行進(jìn)使機(jī)身與地面間的夾角為，車體角度調(diào)整好以后再將前擺臂擺下至與行走履帶平齊，最后擺下后擺腿與地面接觸，準(zhǔn)備下一步爬樓梯動(dòng)作，如圖2-3(d)所示。在本步驟中爬樓梯的驅(qū)動(dòng)力包含樓梯與履帶間的相互作用力和地面提供給機(jī)器人的牽引力。 步驟二：后擺腿支撐，保持角度，爬上樓梯。驅(qū)動(dòng)后擺腿電機(jī)，令其逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，始終保持機(jī)身的傾斜角與上一步得到的樓梯傾斜角一致，如圖2-3(d)、2-3(e)所示。在本步驟中爬樓梯的驅(qū)動(dòng)力包含樓梯與履帶間的相互作用力和地面提供給機(jī)器人的牽引力。 步驟三：沿樓梯棱行走。如圖2-3(e)所示，此時(shí)機(jī)器人已經(jīng)爬上樓梯

66、，機(jī)身的傾斜角為，即，此時(shí)機(jī)器人爬樓梯的驅(qū)動(dòng)力僅由樓梯與履帶間的相互作用力提供。 步驟四：由紅外測(cè)距儀檢測(cè)到機(jī)器人前方已無(wú)樓梯時(shí)，則機(jī)器人到達(dá)樓梯頂部，此時(shí)觸發(fā)機(jī)器人的著陸程序，需要機(jī)器人的前臂和后臂采取一系列的協(xié)調(diào)動(dòng)作以保證機(jī)器人運(yùn)行的柔順性，如圖2-3(f)、(g)所示，首先在機(jī)器人前臂全部伸出臺(tái)階以后，緩慢令前臂下擺接觸臺(tái)階上表面，隨著機(jī)器人的上爬，其質(zhì)心越過上臺(tái)階的最高點(diǎn)，此時(shí)，令前臂上擺，從而使機(jī)器人行走本體平緩著地，降低的沖擊，再令后臂擺到前方，幫助質(zhì)心的前移。 （a） (b) (c) (d) (e) (f) (g) 圖3-8 機(jī)器人爬標(biāo)準(zhǔn)樓梯動(dòng)作規(guī)劃示意圖 Fig. 3-8 Config (2)參數(shù)識(shí)別 標(biāo)準(zhǔn)樓梯雖然其參數(shù)在一定范圍內(nèi)分布，但仍存在不同的樓梯高度與踏步寬度，為了適應(yīng)不同的樓梯，機(jī)器人在開始爬樓梯之前，即上述爬樓梯動(dòng)作規(guī)劃中的第一步中，需要對(duì)樓梯的基本參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，包括樓梯高度和踏步寬度。 圖2-3(a)中，存在如下幾何關(guān)系： 綜上可得： 圖2-3(c)中，存在如下幾何關(guān)系： 進(jìn)而可得： 綜上，樓梯的參數(shù)則被機(jī)器人