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萬方科技學(xué)院機(jī)械與動力工程系
畢業(yè)實習(xí)報告
指導(dǎo)教師：鄧樂老師
姓 名：鮑占林
班 級：08機(jī)設(shè)-2
學(xué) 號：0828070078
打開Google搜索引擎，輸入“礦難”兩個字，1,740,000例相關(guān)網(wǎng)頁，耗時0.23秒，而輸入“平安”兩個字，1,130,000例相關(guān)網(wǎng)頁，耗時0.22秒。礦難頻發(fā)，篇篇報道皆觸目驚心。往年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，礦難中死去的礦工多達(dá)萬人，就是在去年，也有7000人死于礦難！許多事實表明，大部分礦難其實是可以避免的，就拿常見的瓦斯爆炸來說，按我國目前的防治能力和技術(shù)水平，只要把防范措施落實到位，瓦斯爆炸事故應(yīng)該有能力避免。實際經(jīng)驗表明,超過48 小時后被困在廢墟中的幸存者存活的概率變得越來越低[1 ] 。由于災(zāi)難現(xiàn)場情況復(fù)雜,在救援人員自身安全得不到保證的情況下是很難進(jìn)入現(xiàn)場開展救援工作的,此外,廢墟中形成的狹小空間使搜救人員甚至搜救犬也無法進(jìn)入。災(zāi)難搜救機(jī)器人可以很好地解決上述問題。機(jī)器人可以在災(zāi)難發(fā)生后第一時間進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場尋找幸存者,對被困人員提供基本的醫(yī)療救助服務(wù),進(jìn)入救援人員無法進(jìn)入的現(xiàn)場搜集有關(guān)信息并反饋給救援指揮中心等。近年來,為了滿足救援工作的需要,國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)開展了大量的研究工作,可在災(zāi)難現(xiàn)場廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋的各類機(jī)器人如可變形多態(tài)機(jī)器人、蛇形機(jī)器人等相繼被開發(fā)出來。本文在介紹國內(nèi)外災(zāi)難搜救機(jī)器人最新研究成果及近年來災(zāi)難現(xiàn)場的實際使用情況的基礎(chǔ)上,根據(jù)現(xiàn)場使用的經(jīng)驗教訓(xùn)提出了災(zāi)難救援機(jī)器人需要解決的一些關(guān)鍵技術(shù)問題指出了災(zāi)難救援機(jī)器人的發(fā)展趨勢。
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
近十年來,尤其是“911”事件之后,美國、日本等西方發(fā)達(dá)國家在地震、火災(zāi)等救援機(jī)器人的研究方面做了大量的工作,研究出了各種可用于災(zāi)難現(xiàn)場救援的機(jī)器人。以牽引和運動方式的不同搜救機(jī)器人主要可分為以下幾類:
2. 1 履帶式搜救機(jī)器人
履帶式機(jī)器人是為了滿足軍事偵察、拆除危險物等作業(yè)的需要,在傳統(tǒng)的輪式移動機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。圖1 給出了目前國際上幾家著名機(jī)器人公司的典型產(chǎn)品,他們主要是為了滿足軍事需要而開發(fā)的,體積普遍偏大,不太適合在倒塌的建筑物廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋幸存者
2. 2 可變形(多態(tài)) 搜救機(jī)器人
為了能進(jìn)入狹小空間展開搜救工作,要求機(jī)器人的體積要盡可能小,但體積小了搜索視野就會受到限制,為了解決這一矛盾,近年來在傳統(tǒng)牽引式搜救機(jī)器人平臺基礎(chǔ)上,研制出了形態(tài)可變的履帶式多態(tài)搜救機(jī)器人。圖2 為美國iRobot 公司生產(chǎn)的PackBot 系列機(jī)器人, PackBot 機(jī)器人有一對鰭形前肢,這對鰭形前肢可以幫助在崎嶇的地面上導(dǎo)航,也可以升高感知平臺以便更好地觀察。圖3 為加拿大Inuktun 公司MicroVGTV 多態(tài)搜救機(jī)器人,他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠(yuǎn)近靈活地調(diào)整形狀和尺寸。
圖1 履帶式搜救機(jī)器人
圖2 美國iRobot 公司PackBot 多態(tài)搜救機(jī)器人
圖3 加拿大Inuktun 公司MicroVGTV 多態(tài)搜救機(jī)器人
2. 3 仿生搜救機(jī)器人
雖然履帶式可變形多態(tài)機(jī)器人可根據(jù)搜索空間的大小改變其形狀和尺寸,但受驅(qū)動方式的限制,其體積不可能做得很小。為了滿足對更狹小空間搜索的需要,人們根據(jù)生態(tài)學(xué)原理研制出了各種體積更小的仿生機(jī)器人,其中蛇形機(jī)器人就是其中很重要的一類。圖4 (a) 為CMU 研制的安裝在移動平臺上的蛇形機(jī)器人,圖4 (b) 為日本大阪大學(xué)研制的蛇形機(jī)器人。我國中國科學(xué)院沈陽自動化研究所,國防科技大學(xué),北京航空航天大學(xué)等單位也都相繼研制出了類似的蛇形機(jī)器人系統(tǒng)。圖4 (c) 為美國加州大學(xué)伯克利分校研制的身高不足3 cm 的蒼蠅搜救機(jī)器人。隨著技術(shù)的不斷成熟,相信蛇形、蠅形等仿生機(jī)器人會在災(zāi)難搜救工作中發(fā)揮越來越大的不可替代的特殊作用。
3. 1 搜救機(jī)器人在
“911”事件救援中的應(yīng)用
2001 年“911”事件發(fā)生后,美國國內(nèi)主要機(jī)器人生產(chǎn)公司和研究機(jī)構(gòu)都組織參加了紐約世貿(mào)大廈現(xiàn)場的搜救工作,他們是南佛羅里達(dá)大學(xué)機(jī)器人輔助搜尋與救援研究中心,MIT 的iRobot 公司,美國海軍的SPAWAR 研究中心,以及具有五十多年歷史的Foster - Miller 公司等。據(jù)時代周刊報道[3 ] :在最初的十天當(dāng)中,救援機(jī)器人在搜救犬、人工無法抵達(dá)的狹小或危險區(qū)域找到十余具遇難者的遺體,與現(xiàn)場搜救工作人員找到的數(shù)量基本相同,但所花的時間卻不到現(xiàn)場救援人員花費時間的一半。這次救援行動被稱為美國歷史上救援機(jī)器人的第一次實戰(zhàn)演練,使用了當(dāng)時已經(jīng)商業(yè)化但主要是為軍事偵察、危險物拆除而設(shè)計的履帶式移動機(jī)器人。雖然取得了一定的成績,但災(zāi)難現(xiàn)場實際使用情況表明,目前所研制的搜救機(jī)器人仍然存在不少需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。主要表現(xiàn)在機(jī)器人的移動性、通訊問題、智能圖像處理軟件以及人機(jī)交互能力等方面。機(jī)器人體積偏大,無法進(jìn)入狹小空間進(jìn)行搜救;廢墟上的高溫使機(jī)器人履帶軟化而無法正常行進(jìn)[2 ] ;統(tǒng)計表明,無線通訊方式的機(jī)器人有大約25 %左右的時間由于通訊問題而無法正常工作;圖像智能識別能力不足,救援人員絕大部分時間(超過80 %) 都在用于對機(jī)器人發(fā)回圖像的分析、辨別上[4 ] ;人機(jī)交互能力差,機(jī)器人操縱困難等。
3. 2 搜救機(jī)器人在西弗吉尼亞礦難救援中的應(yīng)用
2006 年年初,美國西弗吉尼亞Sago 煤礦發(fā)生礦難,造成12 名礦工死亡。事故發(fā)生后,救援人員使用GPS 測定被困礦工的方位,然后從地面上鉆了3 個深孔,以便給井下輸送氧氣,同時期望對井下的狀況進(jìn)行檢測。救援人員分別放入空氣探測儀和攝像頭,但均無功而返。為了從水平方向?qū)虑闆r進(jìn)行探測,美國勞工部礦業(yè)安全與衛(wèi)生局通過深孔向井下派出了一個救援機(jī)器人,但最終因機(jī)器人中途行進(jìn)過程中陷入泥潭而受阻。
搜救機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)問題及發(fā)展趨勢
災(zāi)難搜救機(jī)器人是一個新興的研究領(lǐng)域,其使用環(huán)境的特殊性對機(jī)器人硬件和軟件兩方面都提出了更高的要求,目前在該領(lǐng)域仍存在很多需要不斷探索的技術(shù)難題。
4. 1 硬 件
4. 1. 1 移動性/ 機(jī)械機(jī)構(gòu)
移動性是搜救機(jī)器人完成搜救工作的決定因素,“911”事件后紐約世貿(mào)大廈現(xiàn)場的搜救工作以及西弗吉尼亞Sago 煤礦的礦難救援工作都很好地證明了這一點。機(jī)器人移動平臺應(yīng)該能夠在惡劣廢墟環(huán)境中靈活地穿梭于狹小的空間之中,能夠翻越障礙,爬樓梯,穿越泥濘的道路等,且機(jī)器人的移動不應(yīng)對周圍不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響,以免發(fā)生二次坍塌或爆炸等。此外,機(jī)器人還應(yīng)該具備適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力,具有防水、耐高溫等能力。早期為軍用目的而設(shè)計的輪履式機(jī)器人由于體積偏大而不太適合搜救工作。目前,各種履帶式多態(tài)可變形小型機(jī)器人已經(jīng)研制出來, 并已商業(yè)化。近年來, 特別是2000 年以來,以蛇形機(jī)器人為代表的仿生機(jī)器人正在成為新的研究熱點,且已經(jīng)取得不少突破性研究成果。
4. 1. 2 傳感檢測裝置
搜救機(jī)器人的主要工作就是通過傳感器實現(xiàn)自身的導(dǎo)航、環(huán)境信息的獲取以及幸存人員的搜尋。由于災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性及不確定性,傳統(tǒng)在室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境中已較成熟的導(dǎo)航算法無法滿足救援工作的要求,傳統(tǒng)的聲納、激光測距儀等在充滿煙霧和灰塵的環(huán)境中也很難取得理想的效果。目前搜救機(jī)器人主要采用人工控制方式來實現(xiàn)機(jī)器人的導(dǎo)航。災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境信息是確定最佳救援
方案,確保救援人員自身安全的關(guān)鍵,常見的環(huán)境參數(shù)主要有有害氣體含量、空氣質(zhì)量、是否有火災(zāi)發(fā)生等。被困人員的搜尋是搜救機(jī)器人的最主要任務(wù)。目前通常通過對視頻圖像的監(jiān)測來識別是否有被困人員,但由于被困人員身上被灰塵所覆蓋,使其被隱藏于周圍的環(huán)境中,傳統(tǒng)的彩色圖像分割和區(qū)域檢測方法通常會失效。移動對象檢測及紋理識別等也是常用的檢測方法。近來熱成像照相技術(shù)在幸存者檢測方面取得了不錯的研究成果。發(fā)現(xiàn)被困人員后需要迅速判斷其是否還活著,生命體征檢測裝置的研制近年來成為了研究的熱點。南佛羅里達(dá)大學(xué)Murphy 教授領(lǐng)導(dǎo)的機(jī)器人團(tuán)隊已開發(fā)出了多個非介入式生命體征檢測傳感器[10 ] ,用于判斷被困人員的生存狀況。
4. 1. 3 人機(jī)通訊方式
目前機(jī)器人與操作者之間常用的通信方式有無線和電纜兩種方式。電纜方式可以通過線纜方便地為機(jī)器人提供能量,穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)機(jī)器人和操作者之間的信息傳送,且當(dāng)機(jī)器人遇阻時通過拖拽使機(jī)器人重新投入工作。但電纜方式也存在一定的問題,隨著機(jī)器人搜尋范圍的深入,線纜很容易發(fā)生纏繞而影響機(jī)器人的移動性。研制收放靈活的電纜卷繞裝置是解決目前有線通信方式機(jī)器人通訊問題的關(guān)鍵。
無線通訊方式的穩(wěn)定性較難保證,即使在穿透性能最佳的頻段,也會由于帶寬及各種干擾的影響使得通訊無法正常進(jìn)行。“911”事件的救援工作證明,無線方式的機(jī)器人大約有25 %以上的時間無法正常通訊。穩(wěn)定可靠的通訊方式是當(dāng)前救援機(jī)器人領(lǐng)域需要很好解決的關(guān)鍵問題之一。
4. 2 軟 件
4. 2. 1 人機(jī)交互和用戶界面在災(zāi)難現(xiàn)場,搜救機(jī)器人的操作者精神高度緊張且需要長時間連續(xù)高負(fù)荷工作,因此良好的人機(jī)交互系統(tǒng)是提高搜救效率、減輕救援人員工作強(qiáng)度的保證。人機(jī)交互是通過良好的用戶接口來實現(xiàn)的,因此,該接口必須為操作者提供豐富的信息,從而使操作者能夠做出最佳判斷來對機(jī)器人進(jìn)行控制,通過該人機(jī)接口,操作者能很容易地判斷機(jī)器人的位置、狀態(tài)等,能夠靈活地對機(jī)器人本身以及其所攜帶的有關(guān)裝置如攝像頭、照明裝置等進(jìn)行控制。為了設(shè)計出友好的人機(jī)交互接口,設(shè)計人員必須對搜救過程中救援人員對機(jī)器人的使用情況進(jìn)行充分的了解。南佛羅里達(dá)大學(xué)Murphy 教授領(lǐng)導(dǎo)的機(jī)器人團(tuán)隊在此方面已做了大量的調(diào)研工作。
4. 2. 2 傳感器融合
由于救援現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性,對傳統(tǒng)的室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下傳感器數(shù)據(jù)的處理算法不能滿足搜救工作的需要。如通過視頻圖像對幸存者的檢測,由于灰塵、煙霧等的影響使得識別變得非常困難,通過檢測到聲音的方向辨別幸存者的方位,也由于現(xiàn)場噪音的影響而變得很困難。因此,為了完成搜索并發(fā)現(xiàn)幸存者,必須通過多種傳感器數(shù)據(jù)的融合,研究更加有效的識別算法。
4. 2. 3 機(jī)器人搜救隊
由于災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性,需要各種不同的搜救機(jī)器人參與救援工作,如MCU 研制的通過具有較強(qiáng)越障能力的輪式機(jī)器人攜帶蛇行機(jī)器人來完成救援工作的機(jī)器人。為了縮減搜索遍歷時間,組建機(jī)器人搜救隊是行之有效的辦法,各機(jī)器人之間相互協(xié)調(diào)來快速完成搜索工作。目前有不少研究機(jī)構(gòu)在開展多機(jī)器人未知環(huán)境探索算法的研究工作,并已經(jīng)有基于結(jié)構(gòu)化未知環(huán)境搜索的系統(tǒng)問世[12 ] ,但要真正用于實際救援環(huán)境還有很多工作要做。
4. 2. 4 傳統(tǒng)移動機(jī)器人技術(shù)的局限性
移動機(jī)器人在室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的導(dǎo)航、定位、路徑規(guī)劃、地圖建立以及未知環(huán)境探索等技術(shù)經(jīng)過長期的研究已經(jīng)基本成熟,但要用于災(zāi)難現(xiàn)場的非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜未知環(huán)境的探索還需要進(jìn)行更深入的研究。目前搜救機(jī)器人的控制方式主要以手工操作為主,不追求機(jī)器人的完全自治。但為了提高救援水平,縮短搜索時間,完全自主的搜救機(jī)器人,尤其是自主機(jī)器人搜救隊將是發(fā)展的方向。
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是電子信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，機(jī)器人作為人類的新型生產(chǎn)工
具，在減輕勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率，改變?nèi)说纳a(chǎn)模式，把人從危險、惡劣、繁重的工作環(huán)境中解放出來等方面，顯示出了極大的優(yōu)越性。機(jī)器人在地面的移動方式有多種：車輪式、履帶式、輪履結(jié)合式和步行式等。步行移動方式模仿人類或動物的行走機(jī)理，用腿腳走路，對環(huán)境的適應(yīng)性好，智能程度相對也較高。但是步行移動方式的結(jié)構(gòu)和控制比較復(fù)雜，相對于比賽用機(jī)器人來說速度慢，所以一般不選用。下面對車輪式、履帶式和輪履結(jié)合式三種移動方式做一些說明。
1 輪式結(jié)構(gòu)的分析
利用車輪移動是最常見的一種地面行進(jìn)方式。輪式驅(qū)動機(jī)構(gòu)移動方式的優(yōu)點是：
速穩(wěn)定，能量利用率高，機(jī)構(gòu)和控制簡單，而且現(xiàn)有技術(shù)比較成熟。它的缺點是：對路面要求較高，適用于平整的硬質(zhì)道路，不能很好的適應(yīng)場地。輪式移動機(jī)構(gòu)可以達(dá)到較高的運動速度，在相對平坦的地面上，輪式移動具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，控制也相對簡單。輪式移動機(jī)構(gòu)由于應(yīng)用廣泛，是目前研究最為透徹的移動機(jī)構(gòu)之一。傳統(tǒng)的輪式移動機(jī)構(gòu)有三輪、四輪、六輪的結(jié)構(gòu)形式，日本還曾研究出五輪移動機(jī)構(gòu)。但輪式移動機(jī)構(gòu)的缺點也是很明顯的。由于與地面接觸面積小，在爬坡時容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。要想解決打滑需要加裝減速箱或用動力制動的方法實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整過程。但其通過性和越障能力受到限制，在攀爬樓梯時一般要求前輪半徑要大于樓梯高度，底盤最低點距地面高度限制了地面通過性。為適應(yīng)復(fù)雜地形甚至于爬樓梯的要求，必須加大輪子直徑，導(dǎo)致底盤結(jié)構(gòu)體積龐大，重量增加。
從理論上講，三點決定一個平面，因此車輪式移動載體的平穩(wěn)運動最少需要3個輪子支撐?，F(xiàn)在大多數(shù)機(jī)器人用的是3輪或4輪移動方式，在某些特殊情況下也有用5輪以上的，但這種情況下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制會更加的復(fù)雜，這對我們技術(shù)有限的大學(xué)生機(jī)器人隊伍來數(shù)是不太適用的。因此我們會選擇3輪或4輪的移動方式，下面對此進(jìn)行討論。
（1）3輪移動配置和操舵方式
典型3輪移動機(jī)器人通常采用1個中心前輪和2個后輪的車輪布置。3個車輪配置與功能
的不同組合有可以將3輪機(jī)器人分為如圖1所示的若干類型
圖1（a）所示的組合是前輪1為萬向腳輪或球形輪，后輪2和后輪3為獨立驅(qū)動輪，利
用它們的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。這種組合的特點是機(jī)構(gòu)組合容易，而且當(dāng)兩個驅(qū)動輪以相同速
度、相反方向轉(zhuǎn)動時車體能繞兩個驅(qū)動輪連線的中點自轉(zhuǎn)，但自傳中心與車體中心不一致。
圖1（b）所示的組合是操縱舵機(jī)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)集中在前輪1上，兩個后輪之起支撐從動作用。與圖1（c）相比，該機(jī)構(gòu)也能繞兩后輪連線的中點自轉(zhuǎn)，但其前輪驅(qū)動集中，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
圖1（c）所示的組合是前輪1為操舵輪，后輪2和后輪3中的一個為驅(qū)動輪，另一個為從動輪。這種車輪機(jī)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)簡單，組成容易，但單邊驅(qū)動的驅(qū)動性差，穩(wěn)定性不好，不能自傳。
圖1（d）的車輪組合將圖1（c）的單輪驅(qū)動該為雙后輪差動驅(qū)動，提高了驅(qū)動性，但
加了一個差動齒輪裝置，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，也增加了質(zhì)量。
（2） 4輪移動配置和操舵方式
3輪式機(jī)器人車體配置雖然結(jié)構(gòu)簡單，但穩(wěn)定性差，遇到?jīng)_撞或地面不平時容易傾
倒。與3輪機(jī)構(gòu)相比4輪移動方式的穩(wěn)定性更好。
4輪移動機(jī)構(gòu)的典型配置形式如圖2所示。圖2（a）的組合是前后輪為萬向腳輪或球形輪，左右兩輪為獨立驅(qū)動輪。與圖1（a）的3輪車體相比，其自轉(zhuǎn)中心與車體中心重合，當(dāng)兩個驅(qū)動輪以相反速度方向轉(zhuǎn)動時，車體能繞自身的中心自轉(zhuǎn)，所以便于在狹窄場所改變方向。這種車輪布置方式在靈活性和穩(wěn)定性上都是比較好的，在比賽中也有采用這種方式的。但它的缺點是前后輔助腳輪有時不能同時著地支撐，在高速啟動和剎車時車體會產(chǎn)生俯仰和前沖，為了克服啟動和剎車時的俯仰和前沖，應(yīng)當(dāng)盡量將車體的中心配置在兩個驅(qū)動輪連線的近旁，減少慣性的影響。
圖2（b）是常見的所謂汽車車輪配置方式。它與圖1（d）所示的3輪車驅(qū)動方式類似，只是將前面一個操舵輪改為兩個輪，提高力車體的穩(wěn)定性。兩個操舵輪需要同一個操舵機(jī)構(gòu)來協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)向，此外為了減少后輪的摩擦損耗，配備了差動齒輪裝置，增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。
綜上所述，為了既要滿足車體穩(wěn)定性，又要使得車體具有較
靈活的機(jī)動性能，同時還要使得車體結(jié)構(gòu)盡量簡單而且還有比較容
易控制，我們采用圖3所示的車輪配置方式，這種車輪的布局方式也是在借鑒了2009年機(jī)器人車輪的分布形式再結(jié)合今年的實際情而最終確定的，前面兩個萬向輪起到了以下三個作用：1）支撐作用；2）導(dǎo)向作用；3）自動調(diào)整機(jī)器人的平穩(wěn)。采用四個車輪可以更好的保持機(jī)器人的穩(wěn)定性，為了保證機(jī)器人能夠四個輪能夠同時著地，我們給兩個導(dǎo)向輪增加了一個彈簧裝置，這樣機(jī)器人在遇到路面不平的時候能夠很好的依靠彈簧的彈力進(jìn)行自我調(diào)整。
2 履帶式結(jié)構(gòu)的分析
履帶式結(jié)構(gòu)實際上是一種自己為自己鋪路的輪式結(jié)構(gòu)。它是將環(huán)狀的循環(huán)軌道履帶卷
繞在若干滾輪外，是車輪不直接與地面接觸。最常見的履帶移動車是在車體的兩側(cè)各設(shè)有一對履帶驅(qū)動裝置的雙履帶結(jié)構(gòu)。也有為了適應(yīng)復(fù)雜的路況而采用多履帶的。在比賽中由于路面不是很復(fù)雜，所以制作起來比較簡單，就是將履帶卷繞在兩個以上的車輪上，其中一個車輪用來做驅(qū)動輪，其余的車輪作張緊輪或?qū)蜉?。?qū)動輪通常靠自身的齒與履帶內(nèi)側(cè)的齒形嚙合來驅(qū)動。典型的履帶移動機(jī)構(gòu)由驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、托帶輪、履帶、履帶架等部分組成。履帶移動機(jī)構(gòu)適合在復(fù)雜路面上行駛，它是輪式移動機(jī)構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。
履帶的優(yōu)點是著地面積比車輪式大，所以著地壓強(qiáng)小；另外與地面粘著力較強(qiáng)，能吸收較小的凹凸不平，攀爬能力強(qiáng)，適用于有突變的地面，能夠原地旋轉(zhuǎn)，重心低，穩(wěn)定。因此，履帶式適合于各種場地。
履帶車輛和輪式車輛的特性有所不同。主要的不同在轉(zhuǎn)向特性上。履帶車輛的轉(zhuǎn)向通過兩側(cè)履帶的差速進(jìn)行轉(zhuǎn)向。履帶式轉(zhuǎn)彎不如車輪式靈活。在要改變方向時，須要將某一側(cè)的履帶驅(qū)動系統(tǒng)減速或制動來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，或者反向驅(qū)動車體的原地自傳。這都會使履帶與地面產(chǎn)生相對橫向滑動，加大了機(jī)器人電機(jī)的能耗。在負(fù)重大的情況下可使電機(jī)溫度迅速升高影響電機(jī)的使用和壽命。履帶車的受力比較復(fù)雜，作用力可能是靜態(tài)的也有可能是動態(tài)的。車輛以常速運動時，靜態(tài)力作用。加速運動時，受動態(tài)力作用。車輛轉(zhuǎn)彎時，將產(chǎn)生離心力，推動車輛橫向移動，動態(tài)力總是作用在車輛質(zhì)心處。
3 輪履結(jié)合式的分析
機(jī)器人行走系統(tǒng)是完成移動動作的直接保證，設(shè)計的優(yōu)劣直接影響機(jī)器人性能發(fā)揮，尤其對機(jī)器人運動可靠性有很大要求。為克服普通履帶式移動機(jī)構(gòu)的缺點，主要通過改變履帶的形狀和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，卡特比勒（Catepillar）式、形狀可變履帶、位置可變履帶、履帶式加裝前后擺等結(jié)構(gòu)形式相繼出現(xiàn)，并應(yīng)用于各種機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)。近年來各種增強(qiáng)的非金屬復(fù)合材料應(yīng)用于履帶，大大減輕了履帶式移動機(jī)構(gòu)笨重的缺點，改善了其整體性能，對復(fù)雜環(huán)境，履帶式移動機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)性。
本文將介紹一種輪履結(jié)合式的結(jié)構(gòu)。出于對重量和經(jīng)濟(jì)性的考慮，可選用標(biāo)準(zhǔn)同步帶代替履帶作為行走系統(tǒng)的主要部件。同步帶有梯形齒和弧齒兩種齒形，均有標(biāo)準(zhǔn)可選。我們用的是8M圓弧齒同步帶輪作為履帶。
履帶旁邊的輪比履帶高出五毫米，在平地上行走時履帶不著地只起到傳動的作用，只有輪在著地，所以此時機(jī)器人具有輪式的特性，當(dāng)機(jī)器人要越障或過坡時履帶也著地，此時機(jī)器人又具有履帶式的特性。通過實驗發(fā)現(xiàn)此種結(jié)構(gòu)明顯改變了履帶與地面的摩擦力，行走同樣的距離電機(jī)不再發(fā)熱，減輕了電機(jī)的負(fù)擔(dān)，延長了電機(jī)的使用壽命，電機(jī)工作時間是履帶式的一半。
輪履復(fù)合式移動平臺克服單一移動平臺的缺陷，具有以上兩種移動平臺的優(yōu)點。其缺點是結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜，控制及運動規(guī)劃要求高。
4 驅(qū)動方式的選擇
底盤的驅(qū)動部分就相當(dāng)于人的兩條腿，機(jī)器人的移動都是靠此部分來實現(xiàn)的，所以，這部分是機(jī)器人裝置中很重要的一部分。驅(qū)動方面是各個高校都正在執(zhí)著鉆研的一個問題，驅(qū)動的合理與否直接關(guān)系到機(jī)器人在場地上能否從啟動區(qū)準(zhǔn)確到達(dá)目的地，這種決定性的作用在機(jī)器人運行過程中體現(xiàn)的最為明顯，每年都有許多所學(xué)校的機(jī)器人在場地上跑離白線，這不僅僅是控制技術(shù)方面的問題，在機(jī)械方面往往由于輪子安裝精度達(dá)不到要求帶來許多控制上無法克服的約束。良好的機(jī)械產(chǎn)品能有效地保護(hù)電機(jī)，延長電機(jī)的使用壽命，這從經(jīng)濟(jì)的角度來講是完全有必要的，而且能使電機(jī)的功率發(fā)揮到極致，傳動效率高。同是也避免了給操作員帶來不必要的麻煩?？梢婒?qū)動方面的設(shè)計安裝在機(jī)器人總的設(shè)計制作過程中占有相當(dāng)重要的地位。
為了便于確定這部分的驅(qū)動系統(tǒng)，首先先介紹一下2007年某校機(jī)器人驅(qū)動部分的傳動系統(tǒng)。07年參賽機(jī)器人的傳動系統(tǒng)有以下部分組成；直流電機(jī)、電機(jī)座、軸承、軸承座、聯(lián)軸器、軸和車輪。電機(jī)通過聯(lián)軸器并且在軸承的輔助作用下來帶動車輪的旋轉(zhuǎn)運動。這套傳動系統(tǒng)從總體上來說還是不錯的，但是在制作與安裝過程中遇到許多的問題，最主要的就是同軸度問題，它包括電機(jī)軸、軸承、軸承座、聯(lián)軸器、軸及車輪的同軸度問題，還包括兩個車輪同軸度的問題。若前者同軸度較低就會造成聯(lián)軸器的扭斷，因為聯(lián)軸器是一種彈性聯(lián)軸器，當(dāng)扭矩較大時就會扭斷，當(dāng)然這也是對電機(jī)的一種保護(hù)。在實際中聯(lián)軸器的扭斷給機(jī)械上的維護(hù)帶來很大的麻煩。后者同軸度較低則會使得機(jī)器人在行走直線時發(fā)生走偏的現(xiàn)象。所以在參照了2007年機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，我們決定改變這種傳動方式。
而齒輪傳動不僅能夠獲得較大的傳動比，提高機(jī)器人的速度，而且還使得機(jī)器人的結(jié)構(gòu)更加的緊湊。一級齒輪傳動的效率可以達(dá)到99%，這對電能的利用率很高。齒輪傳動將同軸度的問題解決的很好，首先大齒輪安裝在電機(jī)軸上，小齒輪、軸承、軸承座和車輪安裝在同一根軸上，然后大齒輪和小齒輪進(jìn)行嚙合，由于安裝在同一根軸上，所以同軸度很高，這樣單邊的同軸度問題得到了解決。再來看兩個車輪是如何保證同軸度的，為了更好的保證兩輪的同軸度，我們將兩輪安裝在通一根梁上，這樣兩輪就能夠很好的保證同軸度，而且還能夠使得這個驅(qū)動系統(tǒng)模塊化。如圖8所示，兩個電機(jī)交錯排列既保證了電機(jī)的安裝又使得結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且質(zhì)量分布也比較均勻，在機(jī)械維護(hù)方面也更加的方便。
除了前面提到的傳動方式，還可以采用同步帶傳動。兩車輪通過一根軸相聯(lián)接，在電機(jī)和車輪上分別裝有同步帶輪，兩同步帶輪靠同步帶聯(lián)接，同步帶中心距不變，同步帶的張緊是靠張緊輪來實現(xiàn)的，同步帶傳動中設(shè)置有張緊輪，采用同步帶傳動時必須提供預(yù)緊，否則，會出現(xiàn)跳齒現(xiàn)象，不利于實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的同步運動。這種傳動方式也解決了同軸度問題，而且由于同步帶有彈性，對電機(jī)有很好的保護(hù)。采用同步帶傳動的好處在于：1)、機(jī)器人的啟動為軟啟動，沖擊小、噪聲小、運行平穩(wěn)，電機(jī)損耗??；2)、安裝精度要求低，容易調(diào)試。隨著計算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)發(fā)展的，運動規(guī)劃技術(shù)的日漸成熟，復(fù)合式移動平臺因其優(yōu)越的越障性能和運動速度，將會越來越受到各院校同學(xué)的高度重視，各種新穎的移動平臺將層出不窮。
步足式仿生機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域最先研究的對象之一, 近十幾年, 隨著計算機(jī)等硬件設(shè)備的發(fā)展和設(shè)計領(lǐng)域的創(chuàng)新, 各國對足式機(jī)器人的研究明顯增多。文獻(xiàn)1 對腿式機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r作了較為全面的概述, 美、日、德等國先后有許多典型的足式試驗機(jī)器人先后問世, 比較著名的是日本東京工業(yè)大學(xué)的泰坦VIII 型, 德國的四足機(jī)器人BISAM, 上海交通大學(xué)的四足機(jī)器人JTUWM- III 等。
地面移動機(jī)器人按照行走方式的不同可以分為輪/ 履式腿式和蠕動式。其中蠕動式機(jī)器人主要在細(xì)微管道中應(yīng)用, 在其它領(lǐng)域則廣泛應(yīng)用輪/ 履式機(jī)器人和腿式機(jī)器人。輪/ 履式機(jī)器人由于其結(jié)構(gòu)簡單、容易控制, 并且輪/ 履驅(qū)動方式技術(shù)成熟, 一直是機(jī)器人研究的主要方向。但隨著人們的需求和技術(shù)的發(fā)展, 輪/ 履式機(jī)器人的局限性日益體現(xiàn)了出來:應(yīng)付地形勘測、災(zāi)害救援等復(fù)雜地形上的任務(wù)輪式機(jī)器人已力不從心, 腿式機(jī)器人就成為新的研究重點。與輪/ 履式機(jī)器人相比, 腿式機(jī)器人有著很大的優(yōu)勢:⑴腿式機(jī)器人的行進(jìn)軌跡是離散的點, 這使它在執(zhí)行任務(wù)時有著很強(qiáng)的通過力和機(jī)動性; ⑵腿式機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)使它可以有效的自主隔振, 從而保護(hù)其身上的元器件和重要儀器不受損壞; ⑶輪/ 履式機(jī)器人的前進(jìn)所需的牽引力受重力影響, 從而使它不可能完成在垂直于地面的平面上工作, 而腿式機(jī)器人只要稍加改進(jìn), 例如安裝吸附裝置就可以做到鉛錘方向的移動。
四腿機(jī)器人的運動規(guī)劃
3.1 單腿運動的分解
機(jī)器人的每條腿都安裝了兩部伺服馬達(dá), 上方的馬達(dá)與機(jī)身鉸接, 通過馬達(dá)的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)腿部相對機(jī)身的前/ 后扭轉(zhuǎn); 下方的馬達(dá)則與腿部連桿機(jī)構(gòu)鉸接, 馬達(dá)的往復(fù)擺動帶動連桿機(jī)構(gòu), 實現(xiàn)步足的上/ 下起落。
3.2 四腿復(fù)合運動規(guī)劃
四腿機(jī)器人的運動方式分為兩種, 即靜態(tài)步行方式(三腿支撐一腿行進(jìn))和動態(tài)步行方式(步行過程任意時刻均少于三條腿同時處于支撐狀態(tài)的步行方式)。
本文研究的機(jī)器人為了滿足不同的性能要求而采用了不同的步行方式:
當(dāng)要求保證機(jī)器人在行進(jìn)中保持靜態(tài)穩(wěn)定, 或要求行走在崎嶇不平的路面, 此時采用靜態(tài)步行法。在運動的任一時刻至少有三條腿與地面接觸支撐機(jī)體, 且機(jī)體的中心必須落在三足支撐點構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)。然后按1342 的順序抬起和落地,實現(xiàn)行走。雖然靜態(tài)步行法較穩(wěn)定, 但需要四條腿輪流擺動一次才能完成一個運動周期, 因此步行速度緩慢。如若要求快速行進(jìn)則采用動態(tài)步行方式, 即處于對角線上的兩條腿動作完全一致。行進(jìn)過程中對角線上的兩條擺動腿1、3 抬起向前擺動, 此時由于1、3 腿的前擺, 使機(jī)體重心前移不在支撐腿對角線上, 支撐腿2、4 同時向后擺動, 使機(jī)體前移, 重心恢復(fù)到1、3 腿的對角線中點上, 然后落下1、3 腿, 從而使機(jī)體保持平穩(wěn)狀態(tài)。
四條腿在一周期的循環(huán)過程中, 機(jī)體始終相對地面作勻速運動(假設(shè)只考慮勻速運動)。腿部的運動分兩個過程:1.支撐腿在支撐過程中, 機(jī)體向前移動, 足尖相對機(jī)體向后運動; 2.在抬跨過程中, 足尖的運動是由隨機(jī)體的向前運動和足尖相對機(jī)體向前抬跨運動的合成,
在抬腿過程中為了減小地面對腿的沖擊, 使機(jī)體能夠穩(wěn)定行進(jìn), 足尖的加速度曲線應(yīng)該是比較平滑的, 故應(yīng)采用正弦運動曲線。機(jī)器人控制芯片為Microchip 公司生產(chǎn)的PIC16C57C 單片機(jī), 本文采用PBASIC 程序開發(fā)機(jī)器人控制算法, 程序順序解釋執(zhí)行, 無法實現(xiàn)多線程, 從而將機(jī)器人腿部的復(fù)合運動分解為多個短時間段內(nèi)的擺動、起落運動的順序組合。即在擺動運動中按正弦運動方式運動到預(yù)期位置后停止不動, 然后再執(zhí)行步足的起/ 落運動, 二者交替執(zhí)行。由于每個動作的執(zhí)行過程被逐段細(xì)分, 從宏觀上仍然保持了復(fù)合運動的連續(xù)性, 這樣既能實現(xiàn)機(jī)體的穩(wěn)定行進(jìn)也保證了機(jī)器人運動的效率。
總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
多足步行機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)要涉及到幾個方面的內(nèi)容：腿模塊、腿-機(jī)體-腿模塊的結(jié)構(gòu)形式，各關(guān)節(jié)的合理布置、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角、腿節(jié)長度、腿在軀體上的安裝型式以及腿數(shù)目等。
2.1 腿模塊結(jié)構(gòu)
腿機(jī)構(gòu)對于提高機(jī)器人各傳動系統(tǒng)的傳動精度、提高各腿的運動靈活性、簡化整機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、降低成本和提高步行機(jī)的行走能力有重要影響。
（1）自由度選擇：
腿機(jī)構(gòu)的可控自由度越多，它的靈活性越好，但每一個可控自由度要配備一套驅(qū)動系統(tǒng)和一套傳動機(jī)構(gòu)，所以每增加一個自由度其重量相應(yīng)要增加許多。因此，步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)的自由度在滿足運動條件前提下，越少越好，這里選定每條腿有三個空間自由度。
（2）腿機(jī)構(gòu)形式：
目前典型的腿機(jī)構(gòu)形式有：縮放式腿機(jī)構(gòu)；關(guān)節(jié)式腿機(jī)構(gòu)；緩沖型腿機(jī)構(gòu)；基于氣動人工肌肉的腿機(jī)構(gòu)等?？紤]到關(guān)節(jié)式腿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，緊湊且運動靈活，這里采用關(guān)節(jié)式連桿機(jī)構(gòu)作為機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)形式，且采用液壓缸作為驅(qū)動，確定步行機(jī)器人單腿模塊的機(jī)構(gòu)原理圖，如圖1 所示。
圖1 步行機(jī)器人單腿模塊機(jī)構(gòu)原理圖
2.2 腿數(shù)目確定
目前研制的多足步行機(jī)器人，不但要求能夠穩(wěn)定行走，而且腿機(jī)構(gòu)還可作為機(jī)械臂執(zhí)行操作任務(wù)。當(dāng)執(zhí)行裝置執(zhí)行操作任務(wù)時，就要求步行機(jī)器人機(jī)體還應(yīng)是執(zhí)行裝置剛性好、靜態(tài)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。要保證步行機(jī)器人機(jī)體靜態(tài)穩(wěn)定，則步行機(jī)器人應(yīng)具有三條或三條以上的腿。從實現(xiàn)靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)的可能性出發(fā)，步行機(jī)器人必須有四條或四條以上的腿。靜態(tài)穩(wěn)定步態(tài)的穩(wěn)定裕量隨著腿數(shù)的增加而增加，不過當(dāng)腿數(shù)增加到七條以上時，穩(wěn)定裕量的變化反而趨于平坦。步行機(jī)器人采用液壓驅(qū)動，每條腿上每個自由度由一個液壓缸/馬達(dá)驅(qū)動，這樣每條腿上就有三套驅(qū)動系統(tǒng)，而腿的數(shù)目越多，驅(qū)動系統(tǒng)就越多，則整機(jī)的自重就會增大，相應(yīng)地步行機(jī)的承載能力就會下降。為減少驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)量，增大步行機(jī)構(gòu)的承載能力，因此，選用四足步行機(jī)器人作為研制對象。
2.3 腿安裝型式確定
步行機(jī)器人腿模塊在機(jī)體上的安裝型式主要有兩類：把腿安裝在機(jī)體側(cè)面的仿昆蟲類（或仿爬行動物類，如海蟹等）；另一種是把腿安裝在機(jī)體底部的仿哺乳動物類（如虎等）。研制的四足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)不僅具有行走功能，而且還要求能夠作為液壓操作臂，完成操作作業(yè)，在結(jié)構(gòu)上更容易實現(xiàn)仿爬行動物類腿機(jī)構(gòu)，其布置型式優(yōu)點就顯現(xiàn)了出來。
2.4 總體結(jié)構(gòu)確定
機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)是由機(jī)體（軀體）、腿部件兩部分組成。機(jī)體的作用是將多個腿部件和控制部件有機(jī)地連接在一起，并且承受一定的負(fù)載。腿部件的作用是支撐整個機(jī)體，并完成機(jī)器人步行運動。采用液壓驅(qū)動的關(guān)節(jié)式腿機(jī)構(gòu)，且各腿模塊采用仿昆蟲類方式進(jìn)行布置，機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)模型，如圖2 所示。
圖2 液壓驅(qū)動四足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型圖
3 機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計
3.1 腿節(jié)長度優(yōu)化
如圖1 所示。L1、L2、L3—單腿的髖關(guān)節(jié)腿節(jié)，大、小腿節(jié)長度，α—髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，β—大腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，γ—小腿關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角。四足步行機(jī)器人腿節(jié)較多（包括髖關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)），使得步行機(jī)器人在運動時具有較好的靈活性。各腿節(jié)之間的長度關(guān)系對腿部的靈活性以及機(jī)器人的整體性能有較大影響，因此，
如何在單腿總長一定的情況下實現(xiàn)各腿節(jié)長度的優(yōu)化分配是非常重要的。
3.1.1 各腿節(jié)長度對步行機(jī)器人運動速度的影響
當(dāng)腿機(jī)構(gòu)運動到某一位置時，足端點C 的運動軌跡方程：
（1）
其中：
（2）
（3）
由式（1）~（3）得到：
（4）
yc
即為足行程或腿跨距R。
上式分別對Li （ i=1，2，3）求導(dǎo)可得：
（5）
由式（5）可見，步行機(jī)器人的腿跨距R 對桿長L1
最敏感，進(jìn)而對步行機(jī)器人的運動速度影響最大，因此，在單腿總長L 一定的情況下，希望L1 取值越大越好，此時在步行機(jī)器人步調(diào)（單位時間內(nèi)腿擺動的次數(shù)）一定的情況下，速度越快。
3.1.2 各腿節(jié)長度對步行機(jī)器人越障能力的影響
H0
圖3 步行機(jī)器人越障示意圖
如圖3 所示，步行機(jī)器人的最大越障高度為：H0=L2+L3-h （6）可見，在單腿總長L 一定的情況下，L2+L3 越大，則機(jī)器人越障高度越大，即越障能力越強(qiáng)，此時L1最小。
3.1.3 腿節(jié)長度對步行機(jī)器人足端運動空間的影響
對腿部三連桿機(jī)構(gòu)足端的平面運動空間進(jìn)行分析，如圖4 所示。
圖4 四足步行機(jī)器人足端運動空間
設(shè)髖關(guān)節(jié)連桿L1—OiA 長度，大腿桿L2—AB0長；小腿桿L3—B0C0長；φ1，φ2—大、小腿關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)角范圍，如圖4 所示。可得如下幾何關(guān)系：
S扇形B0C0D0=S扇形B1C1D1
，S扇形B0D0G0=S扇形B1D1G1
，
S扇形B0C0E0=S扇形B1C1E1
，S扇形B0G0F0=S扇形B1G1F1
，
如圖4 所示，中陰影部分即為四足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)足端在平面內(nèi)的運動區(qū)域，該區(qū)域面積越大，則足端的可選立足點越多，即腿運動越靈活。
令，，則，代入上式，
SE0E1F1F0= " （7）
令（8）
=0 （9）
求解可得：
（10）
即當(dāng)
時，足端工作空間面積最大。
3.1.4 腿節(jié)比例對機(jī)器人運動靈活性的影響
機(jī)體的靈活性評價指標(biāo)可用文獻(xiàn)[6]提出的靈活度概念作為評價指標(biāo)。機(jī)體位姿可用#X，Y，Z，α，β，γ $6個參數(shù)表示，其分別為機(jī)體坐標(biāo)系相對于地面坐標(biāo)系XYZ 三軸直線位移和角位移。由于多鏈并聯(lián)機(jī)構(gòu)的限制，步行機(jī)器人在某一位姿時機(jī)體位姿參數(shù)單獨變化，將各有一定的變化范圍，
設(shè)
令靈活度
式中：L— 單腿的長度。由于，且一般情況（超出不計），所以FB 是一個%0，1 &之間的無量綱參數(shù)。靈活度是結(jié)構(gòu)參數(shù)和所處位姿的函數(shù)，它反映了多足步行機(jī)的整體靈活性。綜上所述，在對步行機(jī)器人運動速度、越障能力、運動空間以及腿部和機(jī)體靈活性進(jìn)行分析后，并參照仿生機(jī)械蟹的比例，并考慮到舵機(jī)、連接鉸鏈的安裝，確定腿部各關(guān)節(jié)比例為：
K1:K2:K3=0.15:0.425:0.425（12）
單腿總長為L = 400mm， 各腿節(jié)長度為：L1 = 60mm，L2= 170mm，L3= 170mm3.2
機(jī)器人機(jī)體設(shè)計
對四足步行機(jī)器人機(jī)體進(jìn)行有效的優(yōu)化設(shè)計，在保證機(jī)體剛度和強(qiáng)度的條件下使得機(jī)體質(zhì)量最輕，對于提高步行機(jī)器人的載重能力以及運動效率具有重要意義。
3.2.1 α 角度規(guī)劃與機(jī)體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系
α 角度即為腿部髖關(guān)節(jié)的擺動角度。一方面，如果α 過小，則會影響步行機(jī)器人的行走步長λ（指在一個完整腿循環(huán)中機(jī)體移動的水平距離），從而影響步行機(jī)器人的行走速度；另一方面，如果擺動角度λ 過大，有可能在擺動過程中前后兩腿發(fā)生干涉。為了不發(fā)生干涉，則需要將機(jī)體加長，如果加上所承載重物以及液壓油源的振動，極有可能會激發(fā)機(jī)構(gòu)的某種模態(tài)，產(chǎn)生共振，進(jìn)而影響機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。為了使機(jī)體能夠承受一定的負(fù)載且不發(fā)生變形及穩(wěn)定性等原因需要進(jìn)一步將機(jī)體的厚度增大，而此時又進(jìn)一步的增大了機(jī)體的重量即支撐腿的負(fù)載，則又需增大液壓缸/馬達(dá)的輸出力矩，進(jìn)一步增大了整個結(jié)構(gòu)的尺寸，與結(jié)構(gòu)設(shè)計的緊湊性相矛盾，可見，λ 角度大小對機(jī)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要影響。3.2.2 步行機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性與機(jī)體結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系機(jī)體設(shè)計的合理與否對步行機(jī)器人整體運動穩(wěn)定性有著重要影響，當(dāng)機(jī)體長寬比例設(shè)計不合理時，重心發(fā)生偏移，會導(dǎo)致機(jī)體發(fā)生傾翻現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)驗值，初步確定機(jī)體長寬比例為：0.75。
移動機(jī)器人包括輪式（如4 輪式、2 輪式、全方向式、履帶式）、足式（如6 足、4 足、2 足）、混合式（輪子和足）、特殊式（如吸附式、軌道式、蛇式）等類型。其中輪式移動機(jī)器人由于自重輕、承載能力強(qiáng)、運動控制相對簡單、移動靈活、速度快等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、反恐防暴、家庭服務(wù)以及空間探測等領(lǐng)域。輪式機(jī)器人要求其移動機(jī)構(gòu)能夠靈活運動，以適應(yīng)環(huán)境要求。全方位移動機(jī)器人在平面上能作任意方向移動， 運動靈活。常見的全方位輪有Mecanum 輪、Swedish 輪以及由其他普通車輪的組合。該機(jī)器人的底盤由2 組驅(qū)動輪和4 個隨動輪組成，如圖2 所示，機(jī)器人本體通過6 塊安裝板和底盤聯(lián)結(jié)。每組驅(qū)動輪固聯(lián)，2 個伺服電機(jī)分別實現(xiàn)直線驅(qū)動和轉(zhuǎn)向功能。隨動輪為萬向偏心輪（見圖4），
當(dāng)?shù)V井發(fā)生爆炸和坍塌、地震災(zāi)害降臨、房屋倒塌時，救援人員往往無法及時深入到廢墟內(nèi)對受困人員進(jìn)行搜索和施救。考古挖掘工作中也經(jīng)常出現(xiàn)因洞穴狹小，工作人員對其中的情況一無所知，因此不敢貿(mào)然進(jìn)入。針對這些情況設(shè)計一種能完成多種復(fù)雜地形的探測、能夠代替工作人員執(zhí)行搜救任務(wù)的新型機(jī)器人，在災(zāi)難救援中將起著越來越重要的作用。把機(jī)器人技術(shù)引入到這些領(lǐng)域是一個新的挑戰(zhàn)。機(jī)器人能通過狹小的空間，在復(fù)雜的地形中可運動自如，傳送數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，控制方便，綜合這些方面的考慮，是研究此類機(jī)器人的首要方向。
! 探索機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計
為進(jìn)行探索工作，探索機(jī)器人必須具有在廢墟下的狹小縫隙內(nèi)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎和越障運動的能力，它屬于移動機(jī)器人。移動機(jī)器人有輪式、履帶式和足式等結(jié)構(gòu)方式，其中輪式機(jī)器人對路面平整度要求較高，不適合在廢墟上運動；足式機(jī)器人越障能力較強(qiáng)，但機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)都很復(fù)雜；履帶式機(jī)器人在廢墟上有一定的越障能力，但現(xiàn)有履帶式機(jī)器人體積大，不適宜在狹小空間內(nèi)運動。采用毛毛蟲形爬行機(jī)器人具有穩(wěn)定性好、橫截面小、柔性大等特點，更適合在廢墟的縫隙間穿行。
本文設(shè)計的探索機(jī)器人由頭部、身部和轉(zhuǎn)彎部#部
分構(gòu)成，總體結(jié)構(gòu)如圖*。為便于前進(jìn)和后退，頭尾采用相同結(jié)構(gòu)。中間身體由多個可自由拆裝的獨立單元連接而成。轉(zhuǎn)彎處采用柔性結(jié)構(gòu)能完成任意角度的轉(zhuǎn)彎動作。其結(jié)構(gòu)設(shè)計包括頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計、身部單元結(jié)構(gòu)設(shè)
計、轉(zhuǎn)彎部設(shè)計和連接部設(shè)計。
*0 * 頭部結(jié)構(gòu)設(shè)計
頭部位于機(jī)器人的最前端，攝像頭和照明燈必須安裝在頭部。由于毛毛蟲形機(jī)器人不具備手爪，頭部須
具有清理通道的功能。因此，頭部前端設(shè)計成可張合的分瓣式頭錐，攝像頭和照明燈安裝在頭錐內(nèi)。閉合的頭錐（見圖%）便于穿越狹小空間，還可保護(hù)攝像頭；頭錐張開時可擴(kuò)張通道、增大攝像頭視野，同時還起聚光的作用；頭錐張合動作還可以用于抓放物體，相當(dāng)于動物的嘴巴。頭錐的張合由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、滑塊機(jī)構(gòu)來完成（見圖#）。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動! 角時，電機(jī)帶動搖桿轉(zhuǎn)動，連桿推動滑塊移動，從而使頭錐張開（虛線為完成動作時的運動軌跡）。電機(jī)反轉(zhuǎn)! 角，則頭錐完成閉合動作。
%& " 身部單元結(jié)構(gòu)設(shè)計
身部單元結(jié)構(gòu)主要是完成機(jī)器人的移動，身部有一個控制單元和若干個運送單元，每個身體單元均有自己的能源和驅(qū)動器，在程序控制下，各單元間通過協(xié)調(diào)動作完成前進(jìn)、后退。機(jī)器人采用四面履帶爬行運動方式。機(jī)器人體積狹小需要采用一個電機(jī)完成四面履帶的運動。經(jīng)過分析采用了蝸輪蝸桿傳動（見圖’），由電機(jī)帶動蝸桿轉(zhuǎn)動，蝸桿帶動’個蝸輪運動，蝸輪帶動齒輪運動，從而把一個轉(zhuǎn)動力傳到’個方向轉(zhuǎn)動，帶動履帶運動。
& ( 轉(zhuǎn)彎部結(jié)構(gòu)設(shè)計
轉(zhuǎn)彎部分體現(xiàn)探索機(jī)器人的靈活性，是連接頭部與身部、身部與身部的關(guān)節(jié)。主要完成上下左右’個方向"個自由度的轉(zhuǎn)彎動作，采用了類似柔性結(jié)構(gòu)，當(dāng)轉(zhuǎn)彎時遇到較大的阻力時，柔性結(jié)構(gòu)可以起緩解作用，同時也起了保護(hù)電機(jī)作用?？刂朴伞瘋€電機(jī)帶動，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動彈簧上的繩索再帶動彈簧完成伸縮運動從而實現(xiàn)’個方向的轉(zhuǎn)彎?！鶑椈芍械膬蓚?cè)彈簧收縮量不同時，機(jī)器人作轉(zhuǎn)彎運動；上下彈簧收縮量不同時，機(jī)器人作抬頭或低頭運動。
%& ’ 單元連接結(jié)構(gòu)設(shè)計頭部、身部和轉(zhuǎn)彎部各單元間采用陰陽快插接頭連接；各單元中電路電極、傳輸傳感器信號和控制信號線采用公頭、母頭插座連接。該結(jié)構(gòu)便于現(xiàn)場各單元的組合與拆裝。
! 探索機(jī)器人控制設(shè)計
探索機(jī)器人的各個機(jī)構(gòu)能完成相應(yīng)的動作，主要動力來源是電機(jī)，對電機(jī)的種類進(jìn)行分析后，決定身部采用直流減速電機(jī)，它是完成前進(jìn)、后退的動力原件。頭部和轉(zhuǎn)彎部采用舵機(jī)，其體積小，輸出轉(zhuǎn)矩可以滿足探索機(jī)器人的動力，完成頭部開合控制、轉(zhuǎn)彎控制。舵機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移) 或線位移* 的機(jī)電元件。舵機(jī)有其獨特的優(yōu)點，歸納起來主要有：%）轉(zhuǎn)角不受各種干擾因素的影響；"）位移與輸入脈寬信號相對應(yīng)，轉(zhuǎn)角誤差不長期積累；(）可以用數(shù)字信號直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個結(jié)構(gòu)簡單、廉價；’）控制性能好
機(jī)器人的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分(級，如圖$所示：遙控器為第一級，主單片機(jī)為第二級，從單片機(jī)為第三級。遙控系統(tǒng)包括探索機(jī)器人控制界面和串行通信程序兩部分，通過遙控器中單片機(jī)+,-./$"串口利用無線通信模塊將各種控制命令和數(shù)據(jù)發(fā)送給主單片機(jī)。主單片機(jī)012%3-通過!"# 通信與從單片機(jī)012%3-協(xié)同工作?？刂葡到y(tǒng)軟件包括遙控器應(yīng)用程序、主單片機(jī)應(yīng)用程序和從單片機(jī)應(yīng)用程序(部分。無線通信是遙控器與主單片機(jī)之間的橋梁。遙控器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括：利用無線模塊與主單片機(jī)的通信程序，液晶屏的顯示程序。主單片機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能是完成與從單片機(jī)!"# 通信、控制傳感器和直流電機(jī)。從單片機(jī)控制系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)角控制。
伺服電機(jī)（servo motor ）是指在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運轉(zhuǎn)的發(fā)動機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動控制對象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號控制，并能快速反應(yīng)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時間常數(shù)小、線性度高、始動電壓等特性，可把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類，其主要特點是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降。
工作原理
1、伺服系統(tǒng)（servomechanism）是使物體的位置、方位、
??
伺服電機(jī)（圖1）
[1]
狀態(tài)等輸出被控量能夠跟隨輸入目標(biāo)（或給定值）的任意變化的自動控制系統(tǒng)。伺服主要靠脈沖來定位，基本上可以這樣理解，伺服電機(jī)接收到1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn)1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移，因為，伺服電機(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣，和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，或者叫閉環(huán)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時又收了多少脈沖回來，這樣，就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到0.001mm。直流伺服電機(jī)分為有刷和無刷電機(jī)。有刷電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，啟動轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，控制容易，需要維護(hù)，但維護(hù)不方便（換碳刷），產(chǎn)生電磁干擾，對環(huán)境有要求。因此它可以用于對成本敏感的普通工業(yè)和民用場合。
無刷電機(jī)體積小，重量輕，出力大，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動平滑，力矩穩(wěn)定。控制復(fù)雜，容易實現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相。電機(jī)免維護(hù)，效率很高，運行溫度低，電磁輻射很小，長壽命，可用于各種環(huán)境。
2、交流伺服電機(jī)也是無刷電機(jī)，分為同步和異步電機(jī)，目前運動控制中一般都用同步電機(jī)，它的功率范圍大，可以做到很大的功率。大慣量，最高轉(zhuǎn)動速度低，且隨著功率增大而快速降低。因而適合做低速平穩(wěn)運行的應(yīng)用。
3、伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。
交流伺服電機(jī)和無刷直流伺服電機(jī)在功能上的區(qū)別：交流伺服要好一些，因為是正弦波控制，轉(zhuǎn)矩脈動小。直流伺服是梯形波。但直流伺服比較簡單，便宜。
發(fā)展歷史
自從德國MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會
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交流伺服電機(jī)（圖二）
上正式推出MAC永磁交流伺服電動機(jī)和驅(qū)動系統(tǒng)，這標(biāo)志著此種新一代交流伺服技術(shù)已進(jìn)入實用化階段。到20世紀(jì)80年代中后期，各公司都已有完整的系列產(chǎn)品。整個伺服裝置市場都轉(zhuǎn)向了交流系統(tǒng)。早期的模擬系統(tǒng)在諸如零漂、抗干擾、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全滿足運動控制的要求，近年來隨著微處理器、新型數(shù)字信號處理器（DSP）的應(yīng)用，出現(xiàn)了數(shù)字控制系統(tǒng)，控制部分可完全由軟件進(jìn)行，分別稱為摪朧只瘮或摶旌鮮綌、撊只瘮?shù)挠来沤涣魉欧到y(tǒng)。
到目前為止，高性能的電伺服系統(tǒng)大多采用永磁同步型交流伺服電動機(jī)，控制驅(qū)動器多采用快速、準(zhǔn)確定位的全數(shù)字位置伺服系統(tǒng)。典型生產(chǎn)廠家如德國西門子、美國科爾摩根和日本松下及安川等公司。
日本安川電機(jī)制作所推出的小型交流伺服電動機(jī)和驅(qū)動器，其中D系列適用于數(shù)控機(jī)床（最高轉(zhuǎn)速為1000r/min，力矩為0.25～2.8N.m），R系列適用于機(jī)器人（最高轉(zhuǎn)速為3000r/min，力矩為0.016～0.16N.m）。之后又推出M、F、S、H、C、G 六個系列。20世紀(jì)90年代先后推出了新的D系列和R系列。由舊系列矩形波驅(qū)動、8051單片機(jī)控制改為正弦波驅(qū)動、80C、154CPU和門陣列芯片控制，力矩波動由24%降低到7%，并提高了可靠性。這樣，只用了幾年時間形成了八個系列（功率范圍為0.05～6kW）較完整的體系，滿足了工作機(jī)械、搬運機(jī)構(gòu)、焊接機(jī)械人、裝配機(jī)器人、電子部件、加工機(jī)械、印刷機(jī)、高速卷繞機(jī)、繞線機(jī)等的不同需要。
以生產(chǎn)機(jī)床數(shù)控裝置而著名的日本法那克（Fanuc）公司，在20世紀(jì)80年代中期也推出了S系列（13個規(guī)格）和L系列（5個規(guī)格）的永磁交流伺服電動機(jī)。L系列有較小的轉(zhuǎn)動慣量和機(jī)械時間常數(shù)，適用于要求特別快速響應(yīng)的位置伺服系統(tǒng)。
日本其他廠商，例如：三菱電動機(jī)（HC-KFS、HC-MFS、HC-SFS、HC-RFS和HC-UFS系列）、東芝精機(jī)（SM系列）、大隈鐵工所(BL系列）、三洋電氣（BL系列）、立石電機(jī)（S系列）等眾多廠商也進(jìn)入了永磁交流伺服系統(tǒng)的競爭行列。
德國力士樂公司（Rexroth）的Indramat分部的MAC系列交流伺服電動機(jī)共有7個機(jī)座號92個規(guī)格。
德國西門子（Siemens）公司的IFT5系列三相永磁交流伺服電動機(jī)分為標(biāo)準(zhǔn)型和短型兩大類，共8個機(jī)座號98種規(guī)格。據(jù)稱該系列交流伺服電動機(jī)與相同輸出力矩的直流伺服電動機(jī)IHU系列相比，重量只有后者的1/2，配套的晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動器6SC61系列，最多的可供6個軸的電動機(jī)控制。
德國博世（BOSCH）公司生產(chǎn)鐵氧體永磁的SD系列（17個規(guī)格）和稀土永磁的SE系列（8個規(guī)格）交流伺服電動機(jī)和Servodyn SM系列的驅(qū)動控制器。
美國著名的伺服裝置生產(chǎn)公司Gettys曾一度作為Gould 電子公司一個分部（Motion Control Division），生產(chǎn)M600系列的交流伺服電動機(jī)和A600 系列的伺服驅(qū)動器。后合并到AEG，恢復(fù)了Gettys名稱，推出A700全數(shù)字化的交流伺服系統(tǒng)。
美國A-B（ALLEN-BRADLEY）公司驅(qū)動分部生產(chǎn)1326型鐵氧體永磁交流伺服電動機(jī)和1391型交流PWM伺服控制器。電動機(jī)包括3個機(jī)座號共30個規(guī)格。
I.D.（Industrial Drives）是美國著名的科爾摩根（Kollmorgen）的工業(yè)驅(qū)動分部，曾生產(chǎn)BR-210、BR-310、BR-510 三個系列共41個規(guī)格的無刷伺服電動機(jī)和BDS3型伺服驅(qū)動器。自1989年起推出了全新系列設(shè)計的摻鶼盜袛（Goldline）永磁交流伺服電動機(jī)，包括B（小慣量）、M（中慣量）和EB（防爆型）三大類，有10、20、40、60、80五種機(jī)座號，每大類有42個規(guī)格，全部采用釹鐵硼永磁材料，力矩范圍為0.84～111.2N.m，功率范圍為0.54～15.7kW。配套的驅(qū)動器有BDS4（模擬型）、BDS5（數(shù)字型、含位置控制）和Smart Drive（數(shù)字型）三個系列，最大連續(xù)電流55A。Goldline系列代表了當(dāng)代永磁交流伺服技術(shù)最新水平。
愛爾蘭的Inland原為Kollmorgen在國外的一個分部，現(xiàn)合并到AEG，以生產(chǎn)直流伺服電動機(jī)、直流力矩電動機(jī)和伺服放大器而聞名。生產(chǎn)BHT1100、2200、3300三種機(jī)座號共17種規(guī)格的SmCo永磁交流伺服電動機(jī)和八種控制器。
法國Alsthom集團(tuán)在巴黎的Parvex工廠生產(chǎn)LC系列（長型）和GC系列（短型）交流伺服電動機(jī)共14個規(guī)格，并生產(chǎn)AXODYN系列驅(qū)動器。
原蘇聯(lián)為數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人伺服控制開發(fā)了兩個系列的交流伺服電動機(jī)。其中ДBy系列采用鐵氧體永磁，有兩個機(jī)座號，每個機(jī)座號有3種鐵心長度，各有兩種繞組數(shù)據(jù)，共12個規(guī)格，連續(xù)力矩范圍為7～35N.m。2ДBy系列采用稀土永磁，6個機(jī)座號17個規(guī)格，力矩范圍為0.1～170N.m，配套的是3ДБ型控制器。
近年日本松下公司推出的全數(shù)字型MINAS系列交流伺服系統(tǒng)，其中永磁交流伺服電動機(jī)有MSMA系列小慣量型，功率從0.03～5kW，共18種規(guī)格；中慣量型有MDMA、MGMA、MFMA三個系列，功率從0.75～4.5kW，共23種規(guī)格,MHMA系列大慣量電動機(jī)的功率范圍從0.5～5kW，有7種規(guī)格。
韓國三星公司近年開發(fā)的全數(shù)字永磁交流伺服電動機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)，其中FAGA交流伺服電動機(jī)系列有CSM、CSMG、CSMZ、CSMD、CSMF、CSMS、CSMH、CSMN、CSMX多種型號，功率從15W～5kW。
現(xiàn)在常采用（Powerrate）這一綜合指標(biāo)作為伺服電動機(jī)的品質(zhì)因數(shù)，衡量對比各種交直流伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)的動態(tài)響應(yīng)性能。功率變化率表示電動機(jī)連續(xù)（額定）力矩和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量之比。
按功率變化率進(jìn)行計算分析可知，永磁交流伺服電動機(jī)技術(shù)指標(biāo)以美國I.D 的Goldline系列為最佳，德國Siemens的IFT5系列次之。
選型比較
功能及作用比較
交流伺服電動機(jī)
交流伺服電動機(jī)定子的構(gòu)造基本上與電容分相式單相異步電動機(jī)相似.其定子上裝有兩個位置互差90°的繞組，一個是勵磁繞組Rf，它始終接在交流電壓Uf上；另一個是控制繞組L，聯(lián)接控制信號電壓Uc。所以交流伺服電動機(jī)又稱兩個伺服