移动式机器人系统设计

1、机械电子工程原理机械电子工程原理第十八章第十八章 移动式机器人设计移动式机器人设计218.1移动式机器人简介移动式机器人简介 n自上世纪自上世纪60年代初问世以来，关节式机器人不仅己成为制年代初问世以来，关节式机器人不仅己成为制造工业中必不可少的核心装备，由于关节式机器人操作手造工业中必不可少的核心装备，由于关节式机器人操作手的基座是固定的，其工作空间就会受到限制，为了突破关的基座是固定的，其工作空间就会受到限制，为了突破关节式机器人操作工作空间的限制，可以给其装备移动机构，节式机器人操作工作空间的限制，可以给其装备移动机构，这样就构成了移动式机器人系统。这样就构成了移动式机器人系统。n移动式

2、机器人系统移动式机器人系统是将关节式机械手安装在行走机构上所是将关节式机械手安装在行走机构上所构成的一类机器人，其中机械手用来实现如抓取、操作等构成的一类机器人，其中机械手用来实现如抓取、操作等动作，平台的移动用来扩展机械手的工作空间，使机械手动作，平台的移动用来扩展机械手的工作空间，使机械手能以更合适的姿态执行任务。能以更合适的姿态执行任务。n车体的可移动性大大增加了机器人工作空间，并且能使机车体的可移动性大大增加了机器人工作空间，并且能使机械手臂更好的定位来高效地完成任务，因此其应用范围要械手臂更好的定位来高效地完成任务，因此其应用范围要比关节式机器人大得多。比关节式机器人大得多。3移动式

3、机器人应用场合移动式机器人应用场合n制造业制造业 在该领域最成功的应用是自动化生产系统中的物料搬在该领域最成功的应用是自动化生产系统中的物料搬运，用以完成机床之间、机床与自动仓库之间的工件运，用以完成机床之间、机床与自动仓库之间的工件传送，以及机床与工具库间的工具传送。移动机器人传送，以及机床与工具库间的工具传送。移动机器人灵活的运动性能，大大增加了生产系统的柔性和自动灵活的运动性能，大大增加了生产系统的柔性和自动化程度。化程度。把广泛用于自动化车间且为无轨运行的移动机器人称把广泛用于自动化车间且为无轨运行的移动机器人称为自动引导车（为自动引导车（AGV），图为一类用于室内物料搬运），图为一类

4、用于室内物料搬运的移动机器人。的移动机器人。 4n危险环境危险环境人的生命是宝贵的，对于人的生命是宝贵的，对于一些诸如有高温、辐射、一些诸如有高温、辐射、化学腐蚀等危险环境，人化学腐蚀等危险环境，人们往往希望有一类机器人们往往希望有一类机器人能代替人类到现场发挥作能代替人类到现场发挥作用。用。 移动机器人除了在消防危移动机器人除了在消防危险环境得到应用外，在铁险环境得到应用外，在铁路驼峰摘钩自动化方面也路驼峰摘钩自动化方面也得到了应用。得到了应用。 移动式机器人应用场合移动式机器人应用场合5n空间与海洋探索空间与海洋探索 20世纪世纪60年代，美国年代，美国MIT开始研究开始研究火星探索移动机

5、器人，以便在火星火星探索移动机器人，以便在火星上进行移动，收集探测数据。上进行移动，收集探测数据。 1997年年7月月4日，美国耗资日，美国耗资2.66亿美亿美元发射的元发射的“火星探路者火星探路者”（Mars Pathfinder)探测器成功着陆火星，探测器成功着陆火星，并于次日释放出并于次日释放出“漫步者漫步者”（Rover）自主移动机器人，由后）自主移动机器人，由后者完成了对火星地表和岩石的取样者完成了对火星地表和岩石的取样分析。分析。图示为图示为2004年美国发射的年美国发射的“勇气号勇气号”火星漫步机器人。火星漫步机器人。 移动式机器人应用场合移动式机器人应用场合618.2移动式机器

6、人的行走机构移动式机器人的行走机构 n行走机构行走机构是移动式机器人的重要执行部件，它由是移动式机器人的重要执行部件，它由行走的驱动装置、传动机构、位置检测元件、传行走的驱动装置、传动机构、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人感器、电缆及管路等组成。它一方面支承机器人的机身、手臂，另一方面还根据工作任务的要求，的机身、手臂，另一方面还根据工作任务的要求，带动机器人在广阔的空间内运动。带动机器人在广阔的空间内运动。n行走机构按其结构可以分为以下几类行走机构按其结构可以分为以下几类 :车轮式车轮式 履带式履带式 足式足式 7车轮式行走机构车轮式行走机构n车轮式机器人动作稳定，

7、操作也简单，在无人工车轮式机器人动作稳定，操作也简单，在无人工厂中，常常用来搬运零部件或其他工作，它最适厂中，常常用来搬运零部件或其他工作，它最适合平地行走。普通的轮式机器人按照轮数分类，合平地行走。普通的轮式机器人按照轮数分类，有三轮车、四轮车等。有三轮车、四轮车等。三轮车主要是两轮驱动，一轮自位，驱动方式又有左三轮车主要是两轮驱动，一轮自位，驱动方式又有左右轮独立驱动和通过差动齿轮驱动。右轮独立驱动和通过差动齿轮驱动。四轮车的驱动机构和运动，基本上与三轮车差不多，四轮车的驱动机构和运动，基本上与三轮车差不多，也有独立驱动和差动驱动之分，另两个自位轮可以前也有独立驱动和差动驱动之分，另两个自

8、位轮可以前后安装，或并排安装（如汽车方式）。后安装，或并排安装（如汽车方式）。n普通轮式机器人具有运动平稳，操作简单的优点，普通轮式机器人具有运动平稳，操作简单的优点，但是在转向时候需要整车转动，占用比较大的运但是在转向时候需要整车转动，占用比较大的运动空间，如果工作区域比较小的时候就限制了机动空间，如果工作区域比较小的时候就限制了机器人的使用。器人的使用。8车轮式行走机构车轮式行走机构n在车轮式移动机器人中，还有一类特殊的全方位式车在车轮式移动机器人中，还有一类特殊的全方位式车轮。全方位移动机器人具有平面运动的全部三个自由轮。全方位移动机器人具有平面运动的全部三个自由度，理论上可以在任何角度

9、以任何速度在机器人所处度，理论上可以在任何角度以任何速度在机器人所处平面上运动，有效地避免了普通车轮不能侧向运动带平面上运动，有效地避免了普通车轮不能侧向运动带来的非完整性约束，适合于工作在空间狭窄有限、对来的非完整性约束，适合于工作在空间狭窄有限、对机器人的机动性要求较高的场合。机器人的机动性要求较高的场合。n其中最具代表性的是由瑞典麦克纳姆公司提出的麦克其中最具代表性的是由瑞典麦克纳姆公司提出的麦克纳姆轮。纳姆轮。9履带式行走机构履带式行走机构n履带式机构称为无限轨道方式，其最大特征是将圆环履带式机构称为无限轨道方式，其最大特征是将圆环状的无限轨道履带卷绕在多个车轮上，使车轮不直接状的无限

10、轨道履带卷绕在多个车轮上，使车轮不直接与路面接触，因此支撑面积大，接地比压小，可以在与路面接触，因此支撑面积大，接地比压小，可以在有些凹凸的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度有些凹凸的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不太高的台阶。不太高的台阶。n缺点是由于没有自位轮，没有转向机构，要转弯只能缺点是由于没有自位轮，没有转向机构，要转弯只能靠左右两个履带的速度差，所以不仅在横向，而且在靠左右两个履带的速度差，所以不仅在横向，而且在前进方向也会产生滑动，转弯阻力大，不能准确地确前进方向也会产生滑动，转弯阻力大，不能准确地确定回转半径等。定回转半径等。 10足式行走机构足式行走机构n对于一些诸如

11、山岳地带和凹凸不平的环境，轮式和履带式对于一些诸如山岳地带和凹凸不平的环境，轮式和履带式机器人有时就无能为力。足式机器人具有更好的机动性，机器人有时就无能为力。足式机器人具有更好的机动性，可以跨越较大障碍及通过松软地面。由于其立足点离散，可以跨越较大障碍及通过松软地面。由于其立足点离散，可以通过控制算法在地面上选择最优的支撑点，因此能耗可以通过控制算法在地面上选择最优的支撑点，因此能耗也较少。在地形复杂的林场、采石场和矿山以及节能要求也较少。在地形复杂的林场、采石场和矿山以及节能要求高的水下资源开发、战地侦察、警戒等应用领域，足式机高的水下资源开发、战地侦察、警戒等应用领域，足式机器人具有更明

12、显的优势。器人具有更明显的优势。 1118.3 一种瑞士轮式全方位移动机器人设计一种瑞士轮式全方位移动机器人设计 n机构设计方案的选择机构设计方案的选择 全方位移动式机器人由于其优越的灵活性，正逐渐受全方位移动式机器人由于其优越的灵活性，正逐渐受到人们的青睐。受麦克纳姆轮启发，越来越多的改进到人们的青睐。受麦克纳姆轮启发，越来越多的改进全方位轮被设计出来，其中瑞士轮就是其中较为典型全方位轮被设计出来，其中瑞士轮就是其中较为典型的一种，如图所示。的一种，如图所示。瑞士轮的轮子被分为两层，每一层上均瑞士轮的轮子被分为两层，每一层上均布着布着3个鼓形轮，一个轮子上安装个鼓形轮，一个轮子上安装6个鼓个

13、鼓形轮。大轮的外缘也就是这些鼓形轮的形轮。大轮的外缘也就是这些鼓形轮的轮廓线。鼓形轮具有轮廓线。鼓形轮具有3个自由度：绕自个自由度：绕自身轴线旋转，绕大轮轴线旋转和绕与地身轴线旋转，绕大轮轴线旋转和绕与地面接触点的转动。这样，瑞士轮也就具面接触点的转动。这样，瑞士轮也就具有了有了3个自由度个自由度：绕轮轴的转动，沿轮：绕轮轴的转动，沿轮子轴线方向的平动及绕辊子与地面接触子轴线方向的平动及绕辊子与地面接触点的转动。点的转动。 12机构设计方案的选择机构设计方案的选择n目前瑞士全方位轮的应用还不普及，瑞士轮式全方位目前瑞士全方位轮的应用还不普及，瑞士轮式全方位移动机器人设计方案比较多，还远未实现标

14、准化生产。移动机器人设计方案比较多，还远未实现标准化生产。本书对一体式、幅板式、支架式三种方案进行简单比本书对一体式、幅板式、支架式三种方案进行简单比较较。 （1）一体式：即将轮毂做成一体式，将全方位轮安装）一体式：即将轮毂做成一体式，将全方位轮安装于其中。这种方案的好处是设计起来比较简单，但是于其中。这种方案的好处是设计起来比较简单，但是从加工工艺性上来说，难度比较大。从加工工艺性上来说，难度比较大。 13机构设计方案的选择机构设计方案的选择n（2）幅板式：这种结构的轮毂由两部分组成，分别）幅板式：这种结构的轮毂由两部分组成，分别为一块辐板和六块盖板。在辐板上有为一块辐板和六块盖板。在辐板上

15、有6个半圆柱形的个半圆柱形的凹形槽，在每一块盖板上也有凹形槽，在每一块盖板上也有3个半圆柱形的凹形槽，个半圆柱形的凹形槽，安装时，将小轮放于辐板的凹形槽中上，再用盖板盖安装时，将小轮放于辐板的凹形槽中上，再用盖板盖上，用螺栓紧固，就可以做成全向轮。该设计比一体上，用螺栓紧固，就可以做成全向轮。该设计比一体式方案好，加工相对容易，但是整个机构相对笨重。式方案好，加工相对容易，但是整个机构相对笨重。14n（3）支架式：在该结构中，利用钢板做轮毂基板，）支架式：在该结构中，利用钢板做轮毂基板，加工出若干个小轮支架，用螺栓将其固定于钢板上，加工出若干个小轮支架，用螺栓将其固定于钢板上，便加工出了轮毂。

16、使用时，利用轴套和轴将小轮安装便加工出了轮毂。使用时，利用轴套和轴将小轮安装在小轮支架上。该方案无论从加工工艺性和重量方面在小轮支架上。该方案无论从加工工艺性和重量方面来讲，都优于前面两种方案。本书将根据该方案设计来讲，都优于前面两种方案。本书将根据该方案设计一种瑞士轮式全方位移动机器人。一种瑞士轮式全方位移动机器人。 机构设计方案的选择机构设计方案的选择15全方位移动机器人机构设计全方位移动机器人机构设计 n全方位移动机器人采用全方位移动机器人采用3个瑞士轮均匀布置，彼此个瑞士轮均匀布置，彼此之间夹角为之间夹角为120，每个轮子均布着，每个轮子均布着6个小轮，每个小轮，每相邻两个小轮的轴线不

17、在同一平面，且彼此间的相邻两个小轮的轴线不在同一平面，且彼此间的夹角为夹角为120。由瑞士轮组合而成的机器人结构如。由瑞士轮组合而成的机器人结构如图所示。机器人将具有三个自由度，即两个转动图所示。机器人将具有三个自由度，即两个转动自由度和一个移动自由度。自由度和一个移动自由度。 16小轮及其轴系的设计小轮及其轴系的设计 n在本设计中，轮子材料采用尼龙，小轮的结构如图所示。在本设计中，轮子材料采用尼龙，小轮的结构如图所示。n在小轮的轴系方面，本设计采用两端加轴套，中间为轴，在小轮的轴系方面，本设计采用两端加轴套，中间为轴，利用螺钉进行轴向定位的的方式，如图所示。利用螺钉进行轴向定位的的方式，如图

18、所示。 17大轮毂的设计大轮毂的设计 n大轮毂的基板材料为大轮毂的基板材料为45号钢，正号钢，正12边形，其上面边形，其上面分布着分布着3个扇形减重块，可以有效的减轻此轮毂的个扇形减重块，可以有效的减轻此轮毂的重量，且不会对其强度有太大影响。重量，且不会对其强度有太大影响。 18小轮支架的设计小轮支架的设计n小轮支架利用铣床加工，共小轮支架利用铣床加工，共36个，利用一块钢板做基个，利用一块钢板做基板，利用螺栓将支架固定在大轮板上。板，利用螺栓将支架固定在大轮板上。 n加上小轮支架及其它附件后，安装完成的小轮结构如加上小轮支架及其它附件后，安装完成的小轮结构如图所示图所示 19大轮传动系统的设

19、计大轮传动系统的设计 n大轮传动系统采用采用链盘加链条驱动的形式。大轮传动系统采用采用链盘加链条驱动的形式。 n采用桁架结构传递转矩的形式，将大链盘上得到采用桁架结构传递转矩的形式，将大链盘上得到的转矩传递到大轮毂上的转矩传递到大轮毂上 。20车身设计车身设计 n车身主要是用来安装小车的驱动及控制部件，包车身主要是用来安装小车的驱动及控制部件，包括电机、电池、轮子、支架及一些控制电路等。括电机、电池、轮子、支架及一些控制电路等。 21全方位移动机器人的运动学分析全方位移动机器人的运动学分析 n由于结构的对称性，全方位轮移动机器人的运动由于结构的对称性，全方位轮移动机器人的运动学分析相对简单。学

20、分析相对简单。n首先建立一个直角坐标系，假设坐标系的原点位首先建立一个直角坐标系，假设坐标系的原点位于小车中心位置，只需要把各个大轮的速度进行于小车中心位置，只需要把各个大轮的速度进行矢量加，得到的结果即是小车的运动，这种方法矢量加，得到的结果即是小车的运动，这种方法适用于各种运动。适用于各种运动。 TABCFFFF22运动学分析运动学分析直线运动直线运动n左图是瑞士轮移动机器人的运动分析简图。左图是瑞士轮移动机器人的运动分析简图。 n每个轮子的运动方向在右图中是分别用每个轮子的运动方向在右图中是分别用A、B和和C标出，箭头指向正向。标出，箭头指向正向。23运动学分析运动学分析直线运动直线运动

21、n左图表示的是机器人所期望的运动速度：机器人总的速左图表示的是机器人所期望的运动速度：机器人总的速度矢量是三个轮子速度的矢量和，在图中用位于中心位度矢量是三个轮子速度的矢量和，在图中用位于中心位置的一个箭头表示，角度置的一个箭头表示，角度表示的是方向，速度矢量的长表示的是方向，速度矢量的长度代表速度大小。度代表速度大小。n假设分别用假设分别用FA、FB和和FC来代表各个轮自身的直线运动。来代表各个轮自身的直线运动。右下角图表示的是运动合成的原理。右下角图表示的是运动合成的原理。 24n将移动机器人的前进方向设为将移动机器人的前进方向设为Yr，每个全方位轮，每个全方位轮矢量矢量Fn可以用下式表示：可以用下式表示： Fn =v cos (全方位轮前进方向角度全方位轮前进方向角度-) n假设三个轮子驱动方向分别为假设三个轮子驱动方向分别为150，30和和270，上式可以写成：上式可以写成： FA =v cos (150 -) FB =vcos(30 -) FC =v cos(270 -)式中，式中，F为各个电机的转速；为各个电机的转速；v为小车目标速度；为小车目标速度；为小车为小车目标前进方向角度（目标前进方向角度（）。）。 运动学分析运动学分析直线运动直线运动25n下图表示下图表示值变化时，