移动机器人行走机构

0 引言

随着核工业的发展,核应急与巡检机器人的研究与开发愈发重要,采用机器人代替人进入核电站开展日常监测和维护工作具有广阔的应用前景。

移动机器人行走机构搭载并保护机器人核心控制部件和功能设备,受控于控制部件,可以在规定工作路面上行走是机器人的主要机械系统。移动机器人底盘需具有一定的承载能力和规定的运动性能。

移动机器人按行走方式来分,可分为轮式、履带式、复合式。

1 轮式移动机器人

轮式移动机器人的行走机构由车轮为主体。轮式的机械结构相对最为简单驱动及控制的设计比较方便承载量大移动的速度快运动效率很高比较灵活,自重较轻。轮式的缺点是运动稳定性受路面的情况影响很大对于复杂路面很难通过”。

一般按车轮的数量可以将轮式移动机器人分为单轮、双轮、三轮、四轮。不同的车轮数量底盘的结构及移动配置有很大的不同。轮子数量较少的底盘稳定性较差,但灵活性更强,体型会更小。

1.1 单轮滚动机器人

单轮滚动机器人体积小摩擦小,灵活性很大,但单轮要保证动态稳定其稳定性不易控制。一般工作于一些较为复杂、狭小的地形同。

实例美国卡内基-梅隆大学研究了“陀螺稳定”式单轮机器人,如图1所示,左侧为初代设计Gyroverl右侧为改进设计Gyroverll。作为一个侦察机器人Gyrover可以利用其超薄体型通过狭窄的通道进行作业。另一个潜在的应用是作为一个高速月球车,在气动干扰和低重力的情况下捋可以高效、高速滚动问。

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1.2 双轮移动机器人

双轮移动机器人常分为自行车式和双轮左右对称分布式。

自行车式的移动机器人车型窄长是一个非线性自然不稳定的系统,在保证侧向稳定性控制问题上的研究比较困难。自行车式机器人主要工作于狭长、平稳的路面上其越障能力很差”。

实例:日本东京工业大学M.Yamakita与Utano 于2006年研制了具有平衡质量调节器的自行车式机器人,特别研究了在低速下自动控制自行车的稳定。如图2所示左

侧为原理模型图,右侧为外形图。
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双轮对称分布式机器人同样需要考虑自平衡,其优势在于体型矮小运行比自行车式更为灵活适合在狭小空间工作闷。

实例2002年瑞士联邦工学院Felix Grasser等口研究了无线控制的双轮机器人(JOE),每个轮子分别由一个电动机驱动,能实现自平衡在平地上自由移动,可以爬30°斜坡。如图3所示左侧是实物外形图右侧为机器人状态矢量空间的变量定义和干扰分析图。

1.3 三轮及四轮移动机器人

由于三点决定一个面,三轮移动机器人的平稳性比单、双轮式的好。三轮式机器人常采用1个中心前轮2个对称分布的后轮呈简单的等腰三角状,这种布局最为稳定。而四轮式的机器人最为常见结构设计、驱动系统和控制系统都最为容易实现。三轮及四轮的机器人结构稳定其承载能力较单、双轮式有了很大的提高。但是三轮及四轮式的机器人在坑洼的路面上移动会很颠策。三轮及四轮式的机器人适合在负载要求大、移速要求高,但路面较平整的情况下工作其应用范围最为广泛。

2 履带式移动机器人

履带式机器人相对于普通的轮式机器人,其结构比较稳定在不平整的路面上,仍然能够相对稳定地前进。履带式机器人的突出优势在于:1)有较大支撑面积,接地比压小,能够在松软甚至泥泞的场地作业,下陷度小越野机动性能很好2)转向半径非常小,可原地转向;3)履带支撑面上有履齿,有效避免打滑,附着性能好,能够提供较大的牵引力)承载能力很大。

但由于履带式机器人没有转向机构,转弯时只能依靠左右2个履带差速转向摩擦阻力大外侧履带易磨损,且回转半径不易准确地确定。履带式机器人由移动机构限制,体型比较大,功耗比较大,传动效率不高通常只能保持低速状态运行。故履带式机器人适合在路面条件较差、负载要求高,但速度要求较低的情况下工作。履带式机器人底盘一般分为单节双履带式、双节四履带式、多节多履带式网。

2.1 单节双履带式机器人

单节双履带式由2条可变形的履带组成,分别由2个电动机驱动。机器人通过2条履带差速实现转向。当2条履带同步运动时机器人前进或后退吗。

实例:中国航天科工集团第四研究院探测与控制技术研究所研制出的“雪豹20”排爆机器人,如图5所示采用了单节双履带式底盘,在野外崎岖的复杂道路上仍可以正常运行,这取代了人工在野外进行危险物的搜索和排除,能够抓取15kg以内的危险品,大大降低了人员的伤亡。
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2.2 双节双履带式机器

双节双履带式机器人是由转向铰接机构捋前、后两节车体连接起来。其越障能力比单节式更优双节的车体结构,可以让其能够实现爬梯等特殊越障工作,但控制上的设计变得更为复杂。

实例:日本千叶工业大学和日本东北大学研制的Quince机器人就是采用双节双履带式底盘,如图5所示。福岛核事故发生后Quince机器人曾6次深入原子能反应堆内部调查情况克服反应堆地下复杂地形。
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2.3 多节多履带式机器人

多节多履带式机器人常用于爬越较高障碍物或跨域较宽的沟壑,其能够多姿态调整,灵活性很强,但在结构和控制上的设计会很复杂,并需保证越障过程中静止状态下无回滑现象。

实例上海交通大学针对核工业管道内壁检测需求,研制了三节六履带式移动机器人平台吗。其能够完成管道中沟道、台阶的跨越。如图6所示,为该三节大履带式移动机器人越障实验图。

3 复合式移动机器人

复合式底盘是将两种或者更多种基本底盘形式进行融合结合基本底盘各自的优点,使机器人拥有更高的综合性能,能攀爬一些特殊地形,复合式底盘机器人也是现在很多学者研究的重点。但复合式机器人结构复杂研究困难,制造成本比较大。

较常见的复合式机器人有1)轮腿复合式移动机器人,具有轮式机器人的稳定性以及腿式机器人的强越障能力。RHex、Whegs等机器人是典型的代表。2)轮履复合式移动机器人轮实现高速远距离运动履带实现适应各种复杂的地形进一步增强环境适应能力um。3)轮履腿复合式移动机器人结合更多的因素结构更复杂。

应用实例:以色列艾尔比特系统公司研制的地面侦测机器人VIPER如图7所示,VIPER采用的是轮履复合式行走系统,可以根据不同的路况,依靠内置的变形机构实现轮、履带的转换。这种轮履复合式机器人的设计大幅度提高了机器人的地面适应能力,从而保证了机器人高效完成任务。
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4 结语

本文主要分析了移动机器人行走机构分类情况。对于不同的工作情况,需要选择适用的行走机构:1)工作环境狭小,并要求机器人能高速移动,不需要重载,可以选择单轮滚动式机器人2)工作路面平缓,需要机器人非常灵活地工作,可以选择双轮对称分布式机器人3)工作路面较平缓,要求机器人有一定承载能力,稳定性好移动速度要快,可以选择三轮或四轮的机器人4)对于承载能力要求比较高路面情况比较差但对移速要求较低的可选履带式机器人5)对于工作路面非常恶劣,要求跨沟、越阶,越障能力要求较高的,可选择多节多履带式机器人6)要求机器人拥有很高的综合性能或需要翻越特殊的障碍或需要机器人能改变移动的方式等,可以设计适用的复合式移动机器人。

核巡检与应急机器人,需要有一定的承载能力对移动速度要求不是很高。在平常情况下其工作路面比较平整;在应急状态下其工作路面可能会存在一些小障碍。结合实际情况及成本考虑,最终选用单节双履带式的底盘结构。

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