移动机器人发展课题研究报告Word下载.doc
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3.6轨道式移动机构 43
3.6.1横向运动机构 43
3.7框架式移动机构 44
3.7.1多层框架式壁面移动机构典型结构分析 45
3.8压电型惯性移动机构 47
3.8.1惯性移动机构运动原理 47
3.8.2实验测试和讨论 48
3.9跳跃式移动机构 49
3.9.1.移动机理 49
3.10复合式移动机构 50
3.10.1引言 50
3.10.2复合式移动机构的例子 51
3.10.3、腿式越障机构 53
4移动机器人的展望 60
4.1科学技术对移动机构的促进作用 60
4.1.1新材料对移动机构的促进作用 60
4.1.2新技术对移动机构的促进作用 63
4.2未来机器人移动机构的展望 67
5结论 72
5.1研究结论 72
参考文献 74
致谢 78
Ⅱ
1前言
1.1课题研究背景及意义
从机器人诞生到本世纪初,机器人经历了一个长期的缓慢的发展过程。
机器人移动机构从最初的由电缆控制,可以行走,到第一台智能型机器人的问世。
其通过传感器和各种程序、伺服电机等的控制实现。
移动机器人从原来只能干简单的活,到现在从事及各种复杂的任务,如服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人等。
移动机构从原来简单的固定式发展到现在履带式、车轮式、轨道式等的移动机构。
从中可以看出机器人的移动机构发生了翻天覆地的变化。
本课题就是要从各种机器人的移动机构入手结合现代技术与新型的材料以及结合自己的知识大胆的推测。
随着机器人技术、计算机编程以及传感器等的发展,未来的机器人将朝着类人型发展,机器人的参与可以提高生产效率和保证产品质量,节约劳动力,降低工人的劳动强度,机器人不仅可以帮人干活,消除枯燥无味的工作,还可以与人说话,陪人跑步,给人们看门,接送小孩等。
未来的机器人将成为人类的朋友,而不仅仅是工人。
1.2机器人的由来
1.2.1古代机器人
机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。
然而人们对机器人的幻想与追求却已有3000多年的历史。
人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作。
西周时期,我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人,这是我国最早记载的机器人。
春秋后期,我国著名的木匠鲁班,在机械方面也是一位发明家,据《墨经》记载,他曾制造过一只木鸟,能在空中飞行“三日不下”,体现了我国劳动人民的聪明智慧。
公元前2世纪,亚历山大时代的古希腊人发明了最原始的机器人——自动机。
它是以水、空气和蒸汽压力为动力的会动的雕像,它可以自己开门,还可以借助蒸汽唱歌。
1800年前的汉代,大科学家张衡不仅发明了地动仪,而且发明了计里鼓车。
计里鼓车每行一里,车上木人击鼓一下,每行十里击钟一下。
后汉三国时期,蜀国丞相诸葛亮成功地创造出了“木牛流马”,并用其运送军粮,支援前方战争。
1662年,日本的竹田近江利用钟表技术发明了自动机器玩偶,并在大阪的道顿堀演出。
1738年,法国天才技师杰克·
戴·
瓦克逊发明了一只机器鸭,它会嘎嘎叫,会游泳和喝水,还会进食和排泄。
瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。
在当时的自动玩偶中,最杰出的要数瑞士的钟表匠杰克·
道罗斯和他的儿子利·
路易·
道罗斯。
1773年,他们连续推出了自动书写玩偶、自动演奏玩偶等,他们创造的自动玩偶是利用齿轮和发条原理而制成的。
它们有的拿着画笔和颜色绘画,有的拿着鹅毛蘸墨水写字,结构巧妙,服装华丽,在欧洲风靡一时。
由于当时技术条件的限制,这些玩偶其实是身高一米的巨型玩具。
现在保留下来的最早的机器人是瑞士努萨蒂尔历史博物馆里的少女玩偶,它制作于二百年前,两只手的十个手指可以按动风琴的琴键而弹奏音乐,现在还定期演奏供参观者欣赏,展示了古代人的智慧。
19世纪中叶自动玩偶分为2个流派,即科学幻想派和机械制作派,并各自在文学艺术和近代技术中找到了自己的位置。
1831年歌德发表了《浮士德》,塑造了人造人“荷蒙克鲁斯”;
1870年霍夫曼出版了以自动玩偶为主角的作品《葛蓓莉娅》;
1883年科洛迪的《木偶奇遇记》问世;
1886年《未来的夏娃》问世。
在机械实物制造方面,1893年摩尔制造了“蒸汽人”,“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动[1]。
1.2.2现代机器人
进入20世纪后,机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持,一些适用化的机器人相继问世,1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”,并在纽约举行的世界博览会上展出。
它是一个电动机器人,装有无线电发报机,可以回答一些问题,但该机器人不能走动。
1959年第一台工业机器人(可编程、圆坐标)在美国诞生,开创了机器人发展的新纪元。
现代机器人的研究始于20世纪中期,其技术背景是计算机和自动化的发展,以及原子能的开发利用。
自1946年第一台数字电子计算机问世以来,计算机取得了惊人的进步,向高速度、大容量、低价格的方向发展。
大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展,其结果之一便是1952年数控机床的诞生。
与数控机床相关的控制、机械零件的研究又为机器人的开发奠定了基础。
另一方面,原子能实验室的恶劣环境要求某些操作机械代替人处理放射性物质。
在这一需求背景下,美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手,1948年又开发了机械式的主从机械手。
1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念,并申请了专利。
该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节,利用人手对机器人进行动作示教,机器人能实现动作的记录和再现。
这就是所谓的示教再现机器人。
现有的机器人差不多都采用这种控制方式。
作为机器人产品最早的实用机型(示教再现)是1962年美国AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。
这些工业机器人的控制方式与数控机床大致相似,但外形特征迥异,主要由类似人的手和臂组成。
1965年,MIT的Roberts演示了第一个具有视觉传感器的、能识别与定位简单积木的机器人系统[1]。
1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。
加藤一郎长期致力于研究仿人机器人,被誉为“仿人机器人之父”。
日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长,后来更进一步,催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。
1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作,就诞生了美国CincinnatiMilacron公司的机器人T3。
1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA,这标志着工业机器人技术已经完全成熟。
PUMA至今仍然工作在工厂第一线。
1984年英格伯格再推机器人Helpmate,这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。
同年,他还预言:
“我要让机器人擦地板,做饭,出去帮我洗车,检查安全”。
1998年丹麦乐高公司推出机器人(Mind-storms)套件,让机器人制造变得跟搭积木一样,相对简单又能任意拼装,使机器人开始走入个人世界。
1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝(AIBO),当即销售一空,从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。
2002年美国robots公司推出了吸尘器机器人Roman,它能避开障碍,自动设计行进路线,还能在电量不足时,自动驶向充电座。
2006年6月,微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio,机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显,比尔·
盖茨预言,家用机器人很快将席卷全球[2]。
2机器人的系统论述
2.1机器人的组成
2.1.1机器人的机构组成
机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。
执行机构即机器人本体,其臂部一般采用空间开链连杆机构,其中的运动副(转动副或移动副)常称为关节,关节个数通常即为机器人的自由度数。
根据关节配置型式和运动坐标形式的不同,机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。
出于拟人化的考虑,常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部(夹持器或末端执行器)和行走部(对于移动机器人)等。
检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况,根据需要反馈给控制系统,与设定信息进行比较后,对执行机构进行调整,以保证机器人的动作符合预定的要求。
作为检测装置的传感器大致可以分为两类:
一类是内部信息传感器,用于检测机器人各部分的内部状况,如各关节的位置、速度、加速度等,并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器,形成闭环控制。
另一类是外部信息传感器,用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息,以使机器人的动作能适应外界情况的变化,使之达到更高层次的自动化,甚至使机器人具有某种“感觉”,向智能化发展,例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息,利用这些信息构成一个大的反馈回路,从而将大大提高机器人的工作精度。
控制系统有两种方式。
一种是集中式控制,即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。
另一种是分散(级)式控制,即采用多台微机来分担机器人的控制,如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时,主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算,并向下级微机发送指令信息;
作为下级从机,各关节分别对应一个CPU,进行插补运算和伺服控制处理,实现给定的运动,并向主机反馈信息。
根据作业任务要求的不同,机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力(力矩)控制[1]。
2.1.2机器人的分类
诞生于科幻小说之中一样,人们对机器人充满了幻想。
也许正是由于机器人定义的模糊,才给了人们充分的想象和创造空间。
家务型机器人:
能帮助人们打理生活,做简单的家务活。
操作型机器人:
能自动控制,可重复编程,多功能,有几个自由度,可固定或运动,用于相关自动化系统中。
程控型机器人:
按预先要求的顺序及条件,依次控制机器人的机械动作。
示教再现型机器人:
通过引导或其它方式,先教会机器人动作,输入工作程序,机器人则自动重复进行作业。
数控型机器人:
不必使机器人动作,通过数值、语言等对机器人进行示教,机器人根据示教后的信息进行作业。
感觉控制型机器人:
利用传感器获取的信息控制机器人的动作。
适应控制型机器人:
能适应环境的变化,控制其自身的行动。
学习控制型机器人:
能“体会”工作的经验,具有一定的学习功能,并将所“学”的经验用于工作中。
智能机器人:
以人工智能决定其行动的人。
我国的机器人,从应用环境出发,将机器人分为两大类,即工业机器人和特种机器人。
所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。
而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包括:
服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器人等。
在特种机器人中,有些分支发展很快,有独立成体系的趋势,如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微型操作机器人等。
目前,国际上的机器人学者,从应用环境出发将机器人也分为两类:
制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人,这和我国的分类是一致的[1]。
2.2机器人移动机构的分类
从最早出现的机器人到现在涌出的形态各异的移动小车,其移动机构的形式层出不穷,以美国、俄罗斯、法国和日本为代表的发达国家已经研制出了多种复杂奇特的三维移动机构,有的已经进入了实用化和商业化阶段。
面对21世纪深空探测的挑战,对各种自主系统的研制是必需的,而移动机构又是各种自主系统的最基本和最关键的环节。
一般而言,移动机器人的移动机构主要有轮式移动机构、履带式移动机构、步行式移动机构、蠕动式移动机构、轨道式、吸盘式、多层框架式、以及惯性式、组合式等多种移动机构,以适应不同的环境和场合。
一般的室内移动机器人通常采用轮式移动机构,室外移动机器人为了适应野外环境的需要多采用履带式移动机构。
一些仿生机器人,通常模仿某种生物的运动方式而采用相应的移动机构,如机器蛇采用蛇行式移动机构,做外科手术时,医生采用蠕动式的机器人。
其中,以轮式移动机构的效率最高,但其适应能力现对较差;
而腿式的适应能力最强,但其效率最低。
下一章将对各种移动机构进行具体的介绍与阐述[3]。
3国内外移动机器人的移动机构的研究现状
3.1引言
机器人的应用越来越广泛,几乎渗透到所有领域。
移动机器人是机器人学中的一个重要分支。
关于移动机器人的研究涉及许多方面,首先,要考虑移动方式,可以是轮式的、履带式、腿式的,对于水下机器人,则是推进器。
其次,必须考虑驱动器的控制,以使机器人达到预期的行为。
第三,必须考虑导航或路径规划,对于后者,有更多的方面要考虑,如传感融合,特征提取,避碰及环境映射。
因此,移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综台系统。
下面将一一介绍各种移动机构的特点。
3.2轮式移动机构
移动机器人是机器人家族中的一个重要分支,也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究方向。
对移动机器人运动控制的研究,一直得到学者们的普遍关注。
移动机器人狭义上指的是地面可移动机器人,能在工作环境内移动和执行服务功能是移动服务机器人的两大特点。
移动机构是组成移动机器人的重要部分,它是保证机器人实现功能要求的关键,其设计的成功与否将直接影响机器人系统的性能。
目前,移动机构开发的种类已相当繁多,仅就平面移动而言,移动机构就有车轮式、履带式、腿足式等形式。
各种移动机构可谓各有千秋,适应了各种工作环境的不同要求,但车轮式移动机构显得尤其突出。
它的优点很多:
能高速稳定地移动、能源利用率高、机构简单、控制方便、能借鉴日益完善的汽车技术和经验等等,它的缺点是移动场所限于平面。
但是,目前机器人工作的场所几乎都是人工建造的平地,并且即使有台阶,只要以车轮式移动机构为基础再附加几个自由度便不难解决。
因而,轮式移动机构在机器人技术中得到广泛应用[4]。
3.2.1按车轮数来分类
(1)1轮车虽然独轮车作为机器人移动机构几乎没有实用性。
但为了达到数学效果,现在还在试制。
原理上不仅在平地行走,也可能在不平整地面和倾斜地面等上面行走。
车体的回转可利用伴随陀螺仪加速、减速的反力矩。
(2)2轮车人们把非常简单、便宜的自行车或者2轮摩托车在机器人上的实验很早就进行了。
但是很容易的就认识到2轮车的速度、倾斜等物理量精度不高,而进行机器人化,引进简单、便宜、可靠性高的传感器也很难。
(3)3轮车3轮移动机构是车轮型机器人的基本移动机构。
目前,作为移动机器人的移动机构用的三轮机构原理如下图所示:
图3.1图3.2图3.3
图3.1是后轮用两轮独立驱动,前轮用小脚轮构成的辅助轮组合而成。
这种机构的特点是机构组成简单,而且旋转半径可从零到无限大,任意设定。
但是他的旋转半径是连接在两驱动轴的直线上,所以旋转半径是零,旋转中心与车体的中心不一致。
图3.2中前两轮由操舵机构和驱动机构合并而成。
与图3.1相比,操舵和驱动器都集中在前轮部分,所以机构复杂。
在这种场合,旋转半径可以从零到无穷大。
图3.3是为避免图3.2机构的缺点,通过差齿轮进行驱动的方式。
近年来不再用差动齿轮,而用左右轮分别驱动的方法。
(4)4轮车4轮车的移动机构基本上与3轮相同。
这里不再做阐述
(5)全方位移动轮过去的车轮式移动机构基本上都是2自由度的,因此不可能简单的实现任意的定位和定向。
机器人的定位和移动,可通过各轮的转向角来实现。
自由度多,能简单设定机器人所需位置及方向的移动车轮成为全方位移动轮[5]。
实际中,轮式移动机构用的最多,而轮式移动机器人能可靠稳定的的运动,能量利用率高,机构和运动相对简单,能够借鉴至今已经积累的现有技术和经验等。
如果从控制论的角度看,这类移动机器人是一个极为复杂的被控对象。
执行机构的机械误差、自身质量和转动惯量、地面材质和倾斜情况、轮胎充气程度、轮胎与地面打滑等诸多因素都会对机器人的力学特性产生影响。
另外,机器人的速度和方向之间还存在耦合问题,因此移动机器人可以看作是一个非线性、强耦合的系统。
对于轮式移动机器人,考虑到车体的复杂性,可以将整个移动机器人的车体看作是一个刚体,车轮看作刚性论。
由于全方位轮具有一般轮式机构所无法取代的独特特性,对于研究移动机器人的机构具有重要意义。
所以将重点讨论全方位轮,其中以麦克纳姆轮为代表,阐述其移动机构的结构和原理[3]。
3.2.2全方位移动机构的结构和原理
⑴全方位移动机构简介
在移动机器人应用中,平面内需要三个坐标值来确定唯一状态:
其中两个坐标用于确定机器人位置(X,Y),另外一个用于确定机器人的方向(θ)。
全方位移动是指移动机构在二维平面上从当前位置向任意方向运动的能力。
目前我们所见到的绝大多数的轮式移动机构都不是全方位的。
具有全方位运动能力的移动机构能够实现完美的运动性能,即能够在当前位置沿着任意方向的路径移动。
它比非全方位机构有着明显的优势,例如,全方位移动机构由于其零回转半径的特点,可以在拥挤或狭窄的场所内使车体灵活自如地穿行,在诸如仓库走廊室内可使运载小车实现任意方向的移动。
另外,全方位移动机构还可以对自己所处位置进行细微调整,实现精确定位和高精度轨迹跟踪等。
当前全方位移动机构主要有三种形式:
全方位轮转向式全方位移动机构、正交轮和麦克纳姆轮。
其中,麦克纳姆轮(Mecanum)是其中做得较为成功、技术较为成熟的一种全方位轮,见图1所示。
Mecanum轮为瑞典Mecanum公司的专利。
通过将多个(通常是三个或四个)Mecanum轮以一定的方式组合,可使移动机构具备全方位移动功能。
美国卡内基·
梅隆大学的Muir、Neuman等人研制出的一台具有四个Mecanum轮的全方位移动机器人——URANUS,该机器人可灵活地在地面上自主运动下图为:
Mecanum全方位轮。
图3.3Mecanum全方位轮
⑵全方位移动机构运动原理
下图为Mecanum轮的原理结构,其外形象一个斜齿轮,轮齿是能够转动的鼓形滚子,滚子的轴线与轮的轴线成α角度。
滚子有两个自由度,在绕自身转动的同时又能绕车轴转动。
这使的轮体本身也具备了两个自由度:
绕轮轴的转动和沿滚子轴线垂线方向的平动。
这样,驱动轮在一个方向上具有主动驱动能力的同时,另外一个方向也具有自由移动(被动移动)的运动特性。
轮子的圆周不是由普通的轮胎组成,而是分布了许多小滚子,这些滚子的轴线与轮子的圆周相切,并且滚子能自由旋转。
当电机驱动车轮旋转时,车轮以普通方式沿着垂直于驱动轴的方向前进,同时车轮周边的滚子沿着其各自的轴线自由旋转[6]。
图3.4Mecanum轮的运动参量
N个这种车轮适当地组合就可能构成在平面上具有三个自由度(X方向平动、Y方向平动、绕中心垂直轴的转动)的全方位移动机构[7]。
下图所示为采用四个全方位轮的移动机构的车轮组合情况,轮中的小斜线表示触地滚子的轴线方向,分左旋和右旋两种。
每个全方位轮都通过减速器由一台直流电机独立驱动,四个轮子最后的合成速度就是机器人的移动速度和方向。
通过四个全方位轮转速的适当组合,可以实现机器人在平面上三自由度的全方位移动。
图3.5全方位移动机构车轮组合图
若使用普通车轮,在此情况下,这种组合只能实现前后的运动,若要转向,则需要加装转向辅助轮作为其从动轮。
但对于全方位轮来说,其特点就是能产生一个相对于轮体的轴向分力,通过调整各个轮子的转向和转速,形成一个与地面固定坐标系成一定角度的合力,从而实现了整个轮系的全方位运动。
对于上图所示的四个全方位轮的安装形式,沿X、-X方向移动时,四个车轮转向及转速是相同的;
当沿Y、-Y方向移动时,同侧两轮相向而动,且四个车轮的转速相同。
其它形式的运动,四个车轮根据运动模型中的转换矩阵来求得各个全方位轮的转向及转速。
由四个麦克纳姆轮全方位轮组成的万向移动机构,运转灵活,控制方便,若在轮体上追加传感器,再控制好转速和转向,就可能实现精确定位和轨迹跟踪,应用前景较好。
对于像导游机器人、导购机器人、清扫机器人、电动轮椅等需要在拥挤空间里工作的情况下,采用全方位轮机构是一种较好的选择。
但是这种结构较为复杂,其车轮与地面的有效接触面积减少,使得其有效负载能力变小,效率不高;
轮缘上的小滚子不是处于纯滚动状态,容易磨损,滚子轴的受力不均匀,损坏的可能性很大;
运动轨迹的精确性也不高,限制了进一步的发展。
同时,这也使得怎样提高其运动精度和承载力成为当前麦克纳姆轮研究的热点[8]。
(3)、轮式移动机构的举例分析
以爬壁机器人移动机构越障功能来看其特点。
①车轮组机构的组成
如下面的图所示,车轮组由动力装置、转向装置、驱动轮系三部分组成.动力装置包括电机1、啮合齿轮副2、3.转向装置包括转向离合器5、制动器4.驱动轮系包括驱动离合器6、啮合锥齿轮副8、9、啮合齿轮副1O、l1、转臂12、中心齿轮13、过渡齿轮14、驱动齿轮15(包括车轮16).大齿轮3、锥齿轮各自通过轴承空套在框架18的突出轴上}转向离合器5一半与大齿轮3相连,一半与框架18的突出轴相连接;
驱动离合器6一半与锥齿轮相连,一半与大齿轮相连;
锥齿轮二与传动齿轮相固连并且一起空套在框架18的右突出轴上;
传动齿轮二和中心齿轮与中心轴17固连;
转臂12通过轴承空套在中心轴17上;
过渡齿轮14、驱动齿轮15各自通过轴承空套在转臂12的突出轴上;
驱动齿轮15通过螺栓与车轮16固连,三个车轮的中心轴线呈等角分布.在机构配置上回转轴线与车轮宽度中心线有一偏置距离d.由于转臂12、过渡齿轮14、驱动齿轮15(包括车轮16)都是空套在相应的轴上的,因此驱动轮系包含三个结构完全相同的差动轮系,这三个差动轮系共用中心轮和行星架,并且沿周向对称分布,增设过渡齿轮14可以保证同时着地的两个车轮16具有和中心齿轮13相同的旋向,朝同一方向滚动前进.当离合器5接合时,动力通过啮合齿轮副2、3驱动框架18相对于车身本体旋转一个角度,实现车轮组机
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