越障移动机器人 .pdfVIP

越障移动机器人所处环境大多为复杂的非结构化环境,因此需要机器

人具备高机动性,强大的环境感知能力和快速的反应能力.目前主要的

越障方式有:轮式,腿式,履带式以及复合方式.其中轮式的效率最高,但

适应能力最差;而腿式的适应能力最强,但率最差;履带式有着良好的

爬坡性能和一定的越障能力,但效率比较低,灵活机动性差;复合方式

则兼顾各种方式的优缺点.为了使机器人具有较好的灵活性和适应性,

本文所述越障机器人采用了轮式,腿式,履带式相融合的复合方式.使

用轮式移动方式,保证越障机器人的移动灵活机动;使用腿式结构,增

强机器人的跨越障碍能力;使用履带式机构,提高机器人在沙土等松软

路面的行驶能力.本文介绍了越障机器人的机械结构,同时对机器人在

行驶过程中的运动学和动力学问题进行了分析.

2越障机器人结构

越障机器人包括车体,车轮行驶机构,履带旋转臂越障机构和多种传感

器组成的感知系统及控制系统等部分.

a.车体用于固定和安装其它部件.车体内有密封圈,油槽等组件,对于

安装在其内的动力传动装置起到密封防尘,润滑的作用,保证越障机器

人可以在沙地等恶劣的环境下无故障运动.

b.车轮行驶机构主要由4个驱动车轮和2个直流电机及减速装置,传

动装置组成.直流电机通过蜗杆蜗轮减速装置进行减速后带动驱动车

轮旋转.2个直流电机分别控制越障机器人左右两侧的驱动车轮运动,

利用同步齿形带传动装置进行传动以保证前方驱动轮与后方驱动轮

速度一致.与齿轮传动比较,同步齿形带具有体积小,重量轻,结构简单

的优势.在传动装置上装有同步齿形带压紧机构,调节同步齿形带的张

紧程度,可以使驱动车轮运动轻便灵活,保证传动装置的精确性,可靠

性并增加同步齿形带的使用寿命.越障机器人利用左右两侧驱动车轮

的速度差来实现转向运动,利用测速

编码器作为反馈元件来进行速度的反馈调节,可以很方便地在水平地

面上实现各种运动.

c.履带旋转臂越障机构主要由4个可以在竖直平面内旋转360°的外

侧用履带包裹的旋转臂和2个直流电机及减速传动装置组成.在每个

旋转臂前端安装有1个比驱动车轮稍小的辅助轮,辅助轮与驱动车轮

之间通过双面同步齿形带连接,双面同步齿形带的内侧皮带齿起到传

动作用,双面同步齿形带的外侧皮带齿起到履带的作用.在特殊的环境

下,例如在沙地,湿地等松软的地面或者在有连续的宽度,深度较小的

沟渠路面上时,可以利用履带进行行驶和辅助越障.在旋转臂上装有同

步齿形带调节机构和支承带轮机构.同步齿形带调节机构可以控制履

带的张紧程度,支承机构可以在越障机器人用履带行驶和越障的情况

下起到支承作用,两者相结合,可以防止履带在外力作用下产生严重变

形.2个直流电机分别通过蜗杆蜗轮减速装置进行减速后控制前方旋

转臂和后方旋转臂在竖直平面内360°旋转,并且利用蜗轮蜗杆的自锁

特性在任意的位置上停留.传统的采用码盘作为反馈元件利用积分电

路计算旋转角度的方法不仅需要其他定位装置来确定零位,而且因为

传动机构的间隙问题,系统运动不平稳产生振荡等原因不得不采取其

他方法作为补偿手段,例如用回复弹簧机构来消除传动间隙或者采用

正交码盘来补偿振荡产生的误差,这样的代价就是造成整个系统的复

杂性增加.本越障机器人利用旋转位置传感器作为反馈元件来进行履

带旋转臂的旋转角度调节,可以设定初始零位,从而得到旋转臂的旋转

角度值.在跨越障碍时或者遇到特殊的情况下,通过控制旋转臂的旋转

角度,可以使车体处于不同的状态,从而使越障机器人实现轮式,腿式,

履带式不同的越障方式,提高了机器人的越障能力.

d.越障机器人通过感知系统来获取外界环境及自身姿态状况的信息.

感知系统主要由CMOS摄像头,红外测距传感器系统,倾角测量系统

等多种传感器组成.多种传感器获取的信息量有一定的冗余度,这样

能增加获取信息的可靠性,精确性,从而可以对越障机器人进行有效

的控制,使其适应各种复杂的地形环境.

e.控制决策系统由DSP和PC104组成.各种

传感器信号由DSP进行滤波等预处理后,不但可以通过无线传输传递

给计算机,利用人机界面实现对越障机器人的远程控制,而且还可以提

供给越障机器人上的PC104系统进行决策,建立目标函数,然后从由相

关控制指令组成的控制决策模块化数据库中调用相应的控制函数,实

现越障机器人的全自主运动.