摘 ? ?要

本文通過對機器人移動功能的研制和開發，為適應各種工作環境的不同要求而開發出各種移動機構。其中全方位輪可以實現高精確定位、原地調整姿態和二維平面上任意連續軌跡的運動，具有一般的輪式移動機構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。綜合分析了現有移動機器人的移動機構，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步行的穩定性判定方法，規劃了機器人直線行走步態、定點轉彎步態，以及跨越障礙物的行走步態；并采用PLC實現對步態的控制。

引 ? 言

移動機器人是一種能夠通過傳感器感知外界環境和自身狀態，實現在有障礙物的環境中面向目標的自主運動，從而完成一定作業功能的機器人系統。近年來，由于移動機器人在工業、農業、醫學、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，以研制高水平的環境信息傳感器和信息處理技術，高適應性的移動機器人控制技術，真實環境下的規劃技術為標志，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中一個于分活躍的研究領域。 ? 從最早出現的機器人到現在涌現出的形態各異的移動小車，其移動機構的形式層出不窮，以美國、俄羅斯、法國和日本為首的西方發達國家己經研制出了多種復雜奇特的三維移動機構，有的已經進入了實用化和商業化階段。 ? 面對21世紀深空探測的挑戰，對各種自主系統的研制是必須的，而移動機構又是各種自主系統的最基本和最關鍵的環節。已經出現的移動機器人的移動機構主要有履帶式、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。 ? 履帶式移動機構是將圓環狀的循環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動輪使得整體機構笨重，消耗的功率也相對較大。 ? 輪式移動機構具有運動速度快、能量利用率高、結構簡單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車技術等優點，只是越野性能不太強。但隨著各種各樣的車輪底盤的出現，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研究的重心也隨之轉移到輪式機構上來，特別是最近日本開發出一種結構獨特的五點支撐懸吊結構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構設計 ? ? ?

1.1移動方式的選擇 ?

現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點與缺點，現在的科學家越來越追求綜合性能的提高。輪式移動機構具有運動速度快、能量利用率高、結構簡單、控制方便和能借鑒至今已很成熟的汽車技術等優點，只是越野性能不太強。而腿式移動結構雖然有很好的越野能力，但是結構復雜，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動輪使得整體機構笨重，消耗的功率也相對較大。

針對本次設計的環境主要是人為環境，地勢較平坦，但也需要對臺階、樓梯等障礙物進行考慮，所以我打算設計輪腿結合式的移動方式，在平坦的道路利用輪式結構效率高，迅速等優點，在需要上臺階，上樓梯等地方采用腿式結構進行越障。

由于機器人中含腿式結構且需要上臺階和爬樓梯所以采用四腿結構，這是因為雖然對于臺階就算是輪式結構也能滿足要求，但是對于爬樓梯輪式結構就不行了，所以需要腿式結構的存在，生活中樓梯隨處可見，如果要使機器人有較好的環境適應能力，上樓梯是必須要克服的。我決定選擇四輪腿式結構，而基本結構如圖1。中間為機器人主體，里面有機器人的控制系統和驅動上肢轉動的電機，四肢末端為輪胎，機器人每條腿都分為上肢和下肢，中間為關節，下肢可繞其轉動。

圖1 機器人基本結構

1.2機器人移動原理構想 ? ? 由于環境較好，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構，這是因為腿式結構效率較低，只在必須使用腿式結構的時候才使用，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啟動，是輪子不能轉動。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，再輪流上后腳。

1.3機器人輪子的選擇 ?

現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。這樣的特殊結構使得輪體具備了三個自由度：繞輪軸的轉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動。這樣，驅動輪在一個方向上具有主動驅動能力的同時，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。當電機驅動車輪旋轉時，車輪以普通方式沿著垂直于驅動軸的方向前進，同時車輪周邊的輥子沿著其各自的軸線自由旋轉。

采用全方位移動機構的車輪組合情況，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動，通過四個全方位輪的轉速轉向適當組合，可以實現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為各輪轉動的角速度。

1.4機器人腿部結構的設計 ?

設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計一個關節，一個使腿部結構能在機器人側面平面旋轉360度。而且由于要控制轉動和其轉動的角度故需要在上肢與下肢關節處安裝小型電機，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，軸是與主體內電機通過聯軸器相連，從而來控制上肢繞主體的轉動，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。總長約70厘米，寬度約16厘米。

圖2 上肢與下肢UG3維結構圖

2、移動機器人運動控制系統

移動機器人的運動控制系統是機器人系統的執行機構，對系統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。構成機器人運動控制系統的要素有:計算機硬件系統及控制軟件、輸入/輸出設備、驅動器、傳感器系統，它們之間的關系如圖3所示

圖3 機器人控制系統構成要素

移動機器人運動控制系統的設計主要包括系統的功能和體系結構設計，功能設計主要完成控制功能和算法的軟件設計，而體系結構設計是功能在硬件上的實現。根據面向的任務和環境不同，對移動機器人運動控制系統的設計也不同。

目前機器人運動控制系統存在主要問題有:系統局限于專用微處理器、專用機器人語言，開放性差；軟件結構依賴于微處理器硬件，難以在不同系統間移植;擴展性差。針對這些不足，進行機器人運動控制系統設計時應考慮以下要求：

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

(2)合理的模塊化設計。硬件根據系統要求和電氣特性進行模塊化設計，不僅方便安裝和維護，而且提高系統的可靠性;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。控制器必須能在確定時間內完成對外部中斷的處理，并且可以多個任務同時進行；

(4)網絡通信功能，便于資源共享和多機器人協同；

(5)具有一定智能，能根據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機器人的驅動系統 ? ?

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節使用。經過我初步估計電機轉速不是很大，如果使用直流電機，由于轉速和力矩的影響，需配置減速器，且不能控制角度。而如果使用步進電機，需配置驅動器。

為滿足系統的控制要求，考慮到經濟性等，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，作為關節角度控制；也可以通過軟件設置為無限旋轉模式，作為車輪使用。

舵機是一種位置伺服的驅動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統。其工作原理是:控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為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動芯片決定電機的正反轉。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內部配有一個ATmega8微處理器，用來接收控制器發送的數據包，通過相應的處理后給伺服電機發送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舵機的狀態和參數都存儲在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據的過程。如表1所示為舵機的具體參數。

2.2機器人的感知系統 ?

環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決定的，感知系統是機器人與環境、人實現交互的重要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境中面向目標自主運動，完成一定的作業功能，是因為它能夠通過多傳感器感知外部環境信息和自身狀態。

移動機器人的傳感器可分為內部和外部兩類傳感器。內部傳感器用來檢測機器人本身的狀態，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，然后采取適當的方法，將多個傳感器獲取的環境信息加以綜合處理，控制機器人進行智能作業。

本設計中除了采用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內部傳感器 ?

AX-12舵機不但內置有位置、速度傳感器用于檢測電機的旋轉速度以及舵機的旋轉角度，還有內部溫度、供電電壓以及扭矩等傳感器，用于檢測舵機內部的狀態。當AX-12舵機內部溫度、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、機器人的控制系統設計

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

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，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，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，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，前極限Z2，后極限X2，中點位置O2。

4、結論

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。接著是機器人的結構的設計。首先設計重要的腿部結構，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，最終因為其優秀的功能選擇了舵機。在對控制系統的設計中，最終簡單的設計了控制系統的框架，并沒有對內部指令等進行編輯。

編輯:黃飛