【導讀】本文通過對機器人移動功能的研制和開發(fā)，為適應各種工作環(huán)境的不同要求而開發(fā)出各種移動機構(gòu)。其中全方位輪可以實現(xiàn)高精確定位、原地調(diào)整姿態(tài)和二維平面上任意連續(xù)軌跡的運動，具有一般的輪式移動機構(gòu)無法取代的獨特特性，對于研究移動機器人的自由行走具有重要愈義。綜合分析了現(xiàn)有移動機器人的移動機構(gòu)，移動運動特點，分析了其運動學特征；提出了移動機器人靜態(tài)步行的穩(wěn)定性判定方法，規(guī)劃了機器人直線行走步態(tài)、定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)，以及跨越障礙物的行走步態(tài)；并采用PLC實現(xiàn)對步態(tài)的控制。

引言

移動機器人是一種能夠通過傳感器感知外界環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標的自主運動，從而完成一定作業(yè)功能的機器人系統(tǒng)。近年來，由于移動機器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學、航天和人類生活的各個方面顯示了越來越廣泛的應用前景，使得它成為了國際機器人學的研究熱點。20世紀90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應性的移動機器人控制技術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標志，開展了移動機器人更高層次的研究。目前，移動機器人特別是自主機器人已成為機器人技術(shù)中一個于分活躍的研究領(lǐng)域。

從最早出現(xiàn)的機器人到現(xiàn)在涌現(xiàn)出的形態(tài)各異的移動小車，其移動機構(gòu)的形式層出不窮，以美國、俄羅斯、法國和日本為首的西方發(fā)達國家己經(jīng)研制出了多種復雜奇特的三維移動機構(gòu)，有的已經(jīng)進入了實用化和商業(yè)化階段。面對21世紀深空探測的挑戰(zhàn)，對各種自主系統(tǒng)的研制是必須的，而移動機構(gòu)又是各種自主系統(tǒng)的最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。已經(jīng)出現(xiàn)的移動機器人的移動機構(gòu)主要有履帶式、腿式和輪式，其中以輪式的效率最高，但其適應能力相對較差，而腿式的適應能力最強但其效率最低。履帶式移動機構(gòu)是將圓環(huán)狀的循環(huán)軌道卷繞在若干車輪外，使車輪不直接與地面接觸，利用履帶可以緩和地面的凹凸不平。它具有良好的穩(wěn)定性能、越障能力和較長的使用壽命，適合在崎嶇的地面上行使。但由于沉重的履帶和繁多的驅(qū)動輪使得整體機構(gòu)笨重，消耗的功率也相對較大。

輪式移動機構(gòu)具有運動速度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)等優(yōu)點，只是越野性能不太強。但隨著各種各樣的車輪底盤的出現(xiàn)，如日本NASDA的六輪柔性底盤月球漫游車LRTV，俄羅斯TRANSMASH的六輪三體柔性框架移動機器人Marsokohod，美國CMU的六輪三體柔性機器人Robby系列以及美國JPL的六輪搖臂懸吊式行星漫游車Rocky系列，已使輪式機器人越野能力大大增加，可以和腿式機器人相媲美。于是人們對機器人機構(gòu)研究的重心也隨之轉(zhuǎn)移到輪式機構(gòu)上來，特別是最近日本開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)獨特的五點支撐懸吊結(jié)構(gòu)Micros，其卓越的越野能力較腿式機器人有過之而不及。

1、機器人移動方式的選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1移動方式的選擇

現(xiàn)在主流的移動方式基本是輪式、腿式和履帶式，但由于其各有各的優(yōu)點與缺點，現(xiàn)在的科學家越來越追求綜合性能的提高。輪式移動機構(gòu)具有運動速度快、能量利用率高、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車技術(shù)等優(yōu)點，只是越野性能不太強。而腿式移動結(jié)構(gòu)雖然有很好的越野能力，但是結(jié)構(gòu)復雜，效率低等缺點。對于履帶式主要是由于沉重的履帶和繁多的驅(qū)動輪使得整體機構(gòu)笨重，消耗的功率也相對較大。

針對本次設(shè)計的環(huán)境主要是人為環(huán)境，地勢較平坦，但也需要對臺階、樓梯等障礙物進行考慮，所以我打算設(shè)計輪腿結(jié)合式的移動方式，在平坦的道路利用輪式結(jié)構(gòu)效率高，迅速等優(yōu)點，在需要上臺階，上樓梯等地方采用腿式結(jié)構(gòu)進行越障。由于機器人中含腿式結(jié)構(gòu)且需要上臺階和爬樓梯所以采用四腿結(jié)構(gòu)，這是因為雖然對于臺階就算是輪式結(jié)構(gòu)也能滿足要求，但是對于爬樓梯輪式結(jié)構(gòu)就不行了，所以需要腿式結(jié)構(gòu)的存在，生活中樓梯隨處可見，如果要使機器人有較好的環(huán)境適應能力，上樓梯是必須要克服的。我決定選擇四輪腿式結(jié)構(gòu)，而基本結(jié)構(gòu)如圖1。中間為機器人主體，里面有機器人的控制系統(tǒng)和驅(qū)動上肢轉(zhuǎn)動的電機，四肢末端為輪胎，機器人每條腿都分為上肢和下肢，中間為關(guān)節(jié)，下肢可繞其轉(zhuǎn)動。

圖1機器人基本結(jié)構(gòu)

1.2機器人移動原理構(gòu)想

由于環(huán)境較好，基本屬于平坦地面，故主要移動方式為輪式移動，在需要上臺階或樓梯是才使用腿式結(jié)構(gòu)，這是因為腿式結(jié)構(gòu)效率較低，只在必須使用腿式結(jié)構(gòu)的時候才使用，這樣既能提高機器人的移動效率，也能是機器人有較好的越障能力。對于上臺階與爬樓梯的原理基本相同，故我只說明我對爬樓梯的移動原理的構(gòu)想。

首先是要在機器人機身上安裝傳感器，使其能夠感應到前面的障礙物樓梯，然后就是爬樓梯的過程。在準備爬樓梯的時候，首先要把輪子上的剎車系統(tǒng)啟動，是輪子不能轉(zhuǎn)動。然后爬樓梯的過程如同人走樓梯一樣，先輪流上前腳，等前腳站穩(wěn)，再輪流上后腳。

1.3機器人輪子的選擇

現(xiàn)在市面上的輪子有很多，有標準輪，小腳輪，麥克納姆輪，球形輪，正交輪等。我決定選用麥克納姆輪，因為它能很好的向各個方向移動且沒有球形輪那么難控制，而且現(xiàn)在麥克納姆輪的制作也比較成熟。

麥克納姆外形像一個斜齒輪，輪齒是能夠轉(zhuǎn)動的鼓形輥子，輥子的軸線與輪的軸線成α角度。這樣的特殊結(jié)構(gòu)使得輪體具備了三個自由度：繞輪軸的轉(zhuǎn)動和沿輥子軸線垂線方向的平動和繞輥子與地面接觸點的轉(zhuǎn)動。這樣，驅(qū)動輪在一個方向上具有主動驅(qū)動能力的同時，另外一個方向也具有自由移動（被動移動）的運動特性。輪子的圓周不是由普通的輪胎組成，而是分布了許多小滾筒，這些滾筒的軸線與輪子的圓周相切，并且滾筒能自由旋轉(zhuǎn)。當電機驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)時，車輪以普通方式沿著垂直于驅(qū)動軸的方向前進，同時車輪周邊的輥子沿著其各自的軸線自由旋轉(zhuǎn)。

采用全方位移動機構(gòu)的車輪組合情況，輪中的小斜線表示觸地輥子的軸線方向。每個全方位輪都由一臺直流電機獨立驅(qū)動，通過四個全方位輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向適當組合，可以實現(xiàn)機器人在平面上三自由度的全方位移動。4個全方位輪組成的機器人底座的力分析如圖，其中為輪子滾動時小輥子受到軸向的摩擦力；為小輥子做從動滾動時受到的滾動摩擦力；ω為各輪轉(zhuǎn)動的角速度。

1.4機器人腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計

設(shè)計的腿部分為上肢和下肢兩個部分，上肢連接著機器人的主體和下肢，下肢連接著輪胎，由于要使機器人腿能夠滿足運動要求，所以還需在上肢與機器人主體連接處設(shè)計一個關(guān)節(jié)，一個使腿部結(jié)構(gòu)能在機器人側(cè)面平面旋轉(zhuǎn)360度。而且由于要控制轉(zhuǎn)動和其轉(zhuǎn)動的角度故需要在上肢與下肢關(guān)節(jié)處安裝小型電機，所以要留出空間安裝電機和線路。

如圖2所示，上肢上部分有一個孔與一根軸，軸是與主體內(nèi)電機通過聯(lián)軸器相連，從而來控制上肢繞主體的轉(zhuǎn)動，孔與下部分的豎直孔用來通過電線，最下面兩孔是用來和下肢相連?？傞L約70厘米，寬度約16厘米。

圖2上肢與下肢UG3維結(jié)構(gòu)圖

2、移動機器人運動控制系統(tǒng)

移動機器人的運動控制系統(tǒng)是機器人系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，對系統(tǒng)精確地完成各項任務起著重要作用，有時也可作為一個簡單的控制器。構(gòu)成機器人運動控制系統(tǒng)的要素有:計算機硬件系統(tǒng)及控制軟件、輸入/輸出設(shè)備、驅(qū)動器、傳感器系統(tǒng)，它們之間的關(guān)系如圖3所示

圖3機器人控制系統(tǒng)構(gòu)成要素

移動機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計主要包括系統(tǒng)的功能和體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，功能設(shè)計主要完成控制功能和算法的軟件設(shè)計，而體系結(jié)構(gòu)設(shè)計是功能在硬件上的實現(xiàn)。根據(jù)面向的任務和環(huán)境不同，對移動機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計也不同。目前機器人運動控制系統(tǒng)存在主要問題有:系統(tǒng)局限于專用微處理器、專用機器人語言，開放性差；軟件結(jié)構(gòu)依賴于微處理器硬件，難以在不同系統(tǒng)間移植;擴展性差。針對這些不足，進行機器人運動控制系統(tǒng)設(shè)計時應考慮以下要求：

(1)開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。采用開放式軟件、硬件結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需要方便擴充功能，使其適用于不同目的的科研需求；

(2)合理的模塊化設(shè)計。硬件根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性進行模塊化設(shè)計，不僅方便安裝和維護，而且提高系統(tǒng)的可靠性;軟件按功能分成不同模塊，便于修改、添加；

(3)實時性、多任務要求?？刂破鞅仨毮茉诖_定時間內(nèi)完成對外部中斷的處理，并且可以多個任務同時進行；

(4)網(wǎng)絡(luò)通信功能，便于資源共享和多機器人協(xié)同；

(5)具有一定智能，能根據(jù)實際情況判斷和決策，如給定速度突變或在合理范圍之外時的處理、對故障的自動診斷等。

2.1機器人的驅(qū)動系統(tǒng)

目前，機器人的運動控制中較為常見的有直流電機、步進電機和舵機。對于我的課題來說，一個能控制速度的電機作為麥克納姆輪使用，也需要一個能精確可控制角度且可以保持的電機作為腿部關(guān)節(jié)使用。經(jīng)過我初步估計電機轉(zhuǎn)速不是很大，如果使用直流電機，由于轉(zhuǎn)速和力矩的影響，需配置減速器，且不能控制角度。而如果使用步進電機，需配置驅(qū)動器。為滿足系統(tǒng)的控制要求，考慮到經(jīng)濟性等，我準備采用Dynamixel系列AX-12舵機它是機器人專用的伺服電機。它不但能精確控制角度，作為關(guān)節(jié)角度控制；也可以通過軟件設(shè)置為無限旋轉(zhuǎn)模式，作為車輪使用。

舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是:控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20mS，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。AX-12舵機是一款智能化、模塊化的動力裝置，主要由一個微處理器、一個精確的直流電機、齒輪減速器、位置傳感器、溫度傳感器以及具備通訊功能的控制芯片等組成。

由于AX-12內(nèi)部配有一個ATmega8微處理器，用來接收控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)包，通過相應的處理后給伺服電機發(fā)送PWM信號來控制電機的起停。因此，控制舵機實際上是去控制ATmega8舵機的狀態(tài)和參數(shù)都存儲在ATmega8的RAM和EEPROM相應的地址里，對舵機進行控制也就是對舵機的相應地址讀和寫數(shù)據(jù)的過程。如表1所示為舵機的具體參數(shù)。

2.2機器人的感知系統(tǒng)

環(huán)境感知能力是移動機器人除了移動之外最為基本的一種能力，感知能力的高低直接決定了機器人的智能性。}fU感知能力是由感知系統(tǒng)決定的，感知系統(tǒng)是機器人與環(huán)境、人實現(xiàn)交互的重要I/O工具，是機器人獲取信息的窗口。移動機器人之所以能在已知或未知的環(huán)境中面向目標自主運動，完成一定的作業(yè)功能，是因為它能夠通過多傳感器感知外部環(huán)境信息和自身狀態(tài)。

移動機器人的傳感器可分為內(nèi)部和外部兩類傳感器。內(nèi)部傳感器用來檢測機器人本身的狀態(tài)，是完成機器人運動所必須的那些傳感器，如位置、速度傳感器等，它們是構(gòu)成機器人不可缺少的基本原件之一。外部傳感器用來檢測機器人所處環(huán)境及狀況的傳感器，取決于機器人所要完成的任務，如視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、聲音傳感器等。機器人用這些傳感器采集各種信息，然后采取適當?shù)姆椒?，將多個傳感器獲取的環(huán)境信息加以綜合處理，控制機器人進行智能作業(yè)。

本設(shè)計中除了采用AX-12舵機中自帶的位置、速度、溫度、供電電壓及扭矩等內(nèi)部傳感器外，還采用AX-S1傳感器模塊作為外部傳感器。

2.3內(nèi)部傳感器

AX-12舵機不但內(nèi)置有位置、速度傳感器用于檢測電機的旋轉(zhuǎn)速度以及舵機的旋轉(zhuǎn)角度，還有內(nèi)部溫度、供電電壓以及扭矩等傳感器，用于檢測舵機內(nèi)部的狀態(tài)。當AX-12舵機內(nèi)部溫度、扭矩、供電電壓等超過額定范圍時，它主動反饋這種情況。此外，它還會閃動LED燈或關(guān)閉舵機扭矩來保護自己。

2.4外部傳感器

Dynamixel系列AX-12傳感模塊可以說是“麻雀雖小，五臟俱全”，它包含了紅外距離傳感器、紅外遙控器、聲音探測傳感器、光度探測傳感器、溫度探測傳感器以及還具有蜂鳴器的功能。

3、機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計

機器人運動過程中的受力情況可能會根據(jù)路面情況不斷變化，因而電機的負載也在不停的變化，所以要實現(xiàn)對執(zhí)行元件（腿）的行程的準確控制不能單純依靠對電機的運轉(zhuǎn)時間進行限定，必須要在執(zhí)行元件上安裝反饋位置的傳感器，這樣，當執(zhí)行元件運動到規(guī)定的位置時就能通過控制系統(tǒng)給電機一個反饋信號，從實現(xiàn)對電機的控制。

六條腿中1、3、5，2、4、6分別是相同的，所以進行控制設(shè)計時只需以1、2兩腿的配合為例說明即可，3、5腿與1腿相同，4、6腿與2腿相同。

（1）第1腿的傳感器：

在上下擺動的極限位置安裝行程開關(guān)，上極限B1，下極限A1。在前后擺動的極限位置和中點位置安裝行程開關(guān)，前極限Z1，后極限X1，中點位置O1。

（2）第2腿的傳感器：

在上下擺動的極限位置安裝行程開關(guān)，上極限B2，下極限A2。在前后擺動的極限位置和中點位置安裝行程開關(guān)，前極限Z2，后極限X2，中點位置O2。

4、結(jié)論

在對移動方式的選擇上我首先就選擇了麥克納姆輪，因為麥克納姆輪工藝已經(jīng)比較成熟，而且能全方位移動。然后對其原理進行了闡述。接著是機器人的結(jié)構(gòu)的設(shè)計。首先設(shè)計重要的腿部結(jié)構(gòu)，然后是主體部分，這個過程都是運用UG7.5來完成的。之后對電機類型進行選擇，最終因為其優(yōu)秀的功能選擇了舵機。在對控制系統(tǒng)的設(shè)計中，最終簡單的設(shè)計了控制系統(tǒng)的框架，并沒有對內(nèi)部指令等進行編輯。