多自由度冗余救灾蛇形机器人设计说明书

1、多自由度冗余救灾蛇形机器人 设计说明书 作品名称:多自由度冗余救灾蛇形机器人作 者:连智超、郭青、李松、胡文强、李放指导老师:韩书葵、康会峰河北省北华航天工业学院目 录1 背景及意义 . . 32 设计方案 . . 3 2.1机构设计 . 42.2基本尺寸 . 53 蛇形机器人的运动分析 . 5 3.1蛇形机器人蠕动分析 . 6 3.2蛇形机器人蜿蜒运动 . 8 3.3蛇形机器人侧向运动 . 93.4蛇形机器人侧向翻滚 . 94 蛇形机器人的控制 . 10 4.1蛇形机器人控制系统 . 104.2蛇形机器人无线控制方式 . 115 蛇形机器人的导航分析 . 116 工作原理分析 . 127主要

2、创新点 . . 128 应用前景分析 . 129 方案一的实验仿真 . 12 9作品外形照片 . . 15多自由度冗余蛇形机器人说明书设计者:连智超,胡文强,李松,郭青,李放指导老师:韩书葵,康会峰(北华航天工业学院机械工程系,廊坊 065000作品内容简介1 背景及意义随着科学的日益进步和人们生活水平的不断提高,机器人作为 20 世纪人类的伟大发明之一,已经逐 步地进入了生产和生活领域:工业生产中的用力进行超精密加工的并联机器人,海洋勘探领域中的水下机 器人,太空探索领域中的行星探测器如美国的火星车,流水线上代替人工的工业机器人,类人机器人和仿 生机器人。这些机器人的出现并逐步应用,使我们能

3、强烈地感受到机器人应用范围之广,影响程度之深。 机器人的研究领域已经从结构环境下的定点作业中走出来,向着非结构环境下的自主作业方向发展。 传统的设计方法已经不能满足机器人在非结构化的、未知环境下作业的要求,要解决的主要问题之一就是 能实现新的运动方式。传统的轮式移动机器人的运动平滑 , 效率高 , 但需要相对光滑的地面 , 不能够适应恶 劣的环境。同样使用履带,可以改进移动机构适应地面的能力,但它却无法充分实现运动的灵活性。步行 机器人有着诸如运动的速度慢和稳定性差等弊端,这就促使人们去进一步寻找灵活的运动模式。而自然界 的蛇的运动是一种“无肢运动” , 它不需要轮子和腿。蛇由于在结构上无肢,

4、可以爬树、游水、钻洞、绕 过障碍物、穿越沙漠,在平坦的地面爬行更是能达到行动如飞。蛇的身体,虽然只不过象一条绳子,但具 有多种运动变化方式,功能强大:在前行的时候可以当“腿脚” ,在攀爬的时候可以当“手臂” ,而在攫取 东西的时候又可以当“手指” 。蛇形机器人模拟自然界蛇的无肢结构,具有多关节、多自由度,多冗余自由度的特点,可以有多种运 动模式,良好的地面适应性和运动稳定性,在许多领域具有广泛的应用前景:如在有辐射、有毒等危险环 境下的侦察和搜索;在地震、塌方及火灾后的废墟中搜寻灾难幸存者;在狭小和危险条件下探测和疏通管 道;在航空航天领域可用其作为行星表面探测器,轨道卫星的柔性手臂。蛇形机器

5、人具有稳定性好、横截 面小、柔性等特点,能在各种粗糙、陡峭、崎岖的复杂地形上行走,并可攀爬障碍物,这是以轮子或腿作 为行走工具的机器人难以做到的。由于其环境适应能力强,因此,在废墟搜索救援工作中,具有广阔的应 用前景。2 设计方案多自由度冗余救灾蛇形机器人是将蛇的结构加以简化,提出了连杆铰链机构 , 分析了自然界蛇的典型运 动方式。本设计包括对蛇形机器人的结构设计,对运动形式进行分析,确定蛇形机器人的控制方案以及选 择的传感器,使机器人在复杂的地面上工作,实现救灾功能。2.1 机构设计从仿生的角度对蛇形机器人的机构进行了设计,并对其运动机理进行了研究,提出一种新型的可重构 蛇形机器人机构,如图

6、 1所示。智能控制单元是由一个控制板和一个舵机组成,舵机是和舵机架相连接, 舵机架和转动框架相互连接。工作时,舵机轴转动,通过连接的圆形舵带动转动框架转动。舵机的输出由 活动板传递给下一单元。同时,连接板上的连接孔均匀地分布在同一直径的圆周上,可保证两模块按轴线 平行或垂直方式连接,实现了模块间连接的通用性,达到机构可重构的设计目的。 图 1 蛇形机器人的连接结构蛇形机器人的运动单元主要有两种组合形式,方案一是单元间的舵机架与转动框架平行连接,实现两 个单元的转动轴为平行关系,如图 2所示,单元组可进行二维空间的运动。 图 2 蛇形机器人的连接方式一第二种连接方式方案是单元间的舵机架与转动框架

7、垂直连接,如图 3所示,实现两个单元的转动轴 为正交关系,即单元组可进行三维空间的运动 如图 3 连接方案二2.2 基本尺寸蛇形机器人总长度为 70 cm, 重约 2.5kg -5kg, 机构的主体材料是铝合金, 在下表面是摩擦系数比较大 蛇形机器人总共有 10个关节,其中包括一个头和一个尾。在头部安装了两只眼睛 , 利用螺钉连接。眼 睛不只为装饰 , 将其做成两个部件的装配结构 , 眼球内装有传感器 , 实现智能控制。尾部是整个机器人的供 电中心 , 需要安装一块 6V 的电池 , 为了使其在运动中稳定且不发生松动或滑落现象 , 采用双侧卡槽的安装 方式 , 底部加上限位螺钉。3 蛇形机器人

8、的运动分析理论直线运动速度 1m/min。能够爬 30度斜坡,并能够越过 10cm 左右的台阶,可以实现避障功能。 在倒塌的建筑物中,有很多碎石,纺织物,而且有些地方是干的,有些地方由于水管的破裂变得泥泞,因 此要求蛇形机器人有多种运动方式,适应不同的环境。本课题研究的蛇形机器人可以实现四种运动:蜿蜒运动:用于在较平坦的地面上运动。 伸缩运动:用于通过狭窄的通道 侧向移动:用于在碎石中运动翻滚运动:用于自身姿态调整及越障 3.1 蛇形机器人蠕动分析蛇形机器人的蠕动过程首先将机器蛇简化为 N 节长度为 l 的平面连杆系统初始状态时蛇形机器人为一 条直线如图 4所示。 图 4 蠕动过程的运动波形运

9、动开始时 P 0 P1 和 P 1P 2 运动。点 P 0沿着 x 轴前进,其他点 P i 2 固定不动。与此同时杆件 P 0 P1与 x 轴之间的夹角 a 从 0 到达给定的角度 0 a 当该阶段结束时杆 P 0 P 1与 x 轴之间的夹角为 a 0。 图 3中阶段 c 此 时除了 P 1点外其他点均位于 x 轴上下一阶段 P 0 P1 P 1 P 2 和 P 2 P3 为动杆点 P 0 和 P i , 其中 i 3 均保持 不动夹角 a 从 a 0 变为 0 与此同时 P 2P 3与 x 轴的夹角 b 从 0 变为 a 0 见图 3-1 中 d 当这一阶段结束时系统 处于状态 P 1P 2

10、 和 P 2 P 3与 x 轴之间成等腰三角形除了点 P 2 外其他点均位于 x 轴上重复这个过程直到蛇形 机器人到达状态 f 最后恢复到直线状态 g 在一个运动周期内整个系统沿 x 轴的位移 StepL 相当于点 P 0 从 状态 a 到状态 b 的位移设每一节长为 l 有(021cos StepL l =-从图 4可知在波形传递阶段动点为 P i 和 P i + 1 (1 i N -1 其他点静止不动比如运动波形从状态 c 到 状态 e 只有点 P 1 和 P 2 在动因此可以将 P i -1P i , P i P i +1 , P i +1P i +2和 P i -1P i +2 简化成

11、如图 5所示的四连杆机构。 图 5 蛇形机器人运动模型在波形转换过程中 1i i P P -, P 1 - i 和 P 2 + i 之间的距离 d 不变即 d 0 = l + 2l cos a , 图中 q i 表示组成运动波形的 连杆与水平地面的夹角, f i 表示相邻连杆间的夹角,顺时针为负逆时针为正。根据图 5 所示在连杆 1i i P P -,12i i P P +存在如下矢量关系即124i i i le le d le +=+将其在 x , y 轴上分解得124124cos cos cos sin sin sin l l dl l l l +=+= 消去 2得到:22cos sin

12、0A B C +=式中 22112cos 22cos 2A l ld l ld =-=-22112sin 2sin B l l =2222112cos 2cos C l d ld l d ld =+-=+-根据上面的公式可以解得:2=P i+2P i+1P i+1P i=P i+2P i-1P i-1P i+ 这里 N 代表符号系数,通过上面的公式可以得到转角 421421sin sin arctancos cos l l d l l -=+-3.2 蛇形机器人蜿蜒运动蛇形机器人蜿蜒运动曲线的方程为(0cos sx s d =(0sin sy s d =其中 (cos a b c =+; s

13、表示从起始点到当前点的弧长; a 表示曲线的摆动幅度; b 表示单元长度内 包括的波形周期数; c 波形的偏移角下面我们将给出由 n 杆组成的近似的蜿蜒运动曲线并用 x (s 和 y (s 表示假设每个连杆的长度为 1/ n 那么曲线上的第 n +1 点可近似表示为 i s =, 于是 x (s i 和 y (s i 可近似表示为111cos cos 1sin cos ii k ii k kb kc x a n n n kb kc y a n n n =+ =+ 用 i 表示第 i 杆沿逆时针方向与 x - axis 轴间的绝对角度为(11sin cos /tan cos cos /i i i

14、 i i a ib n ic n y y x x a ib n ic n -+-=-+于是 i 表示为(cos /i a ib n ic n =+上式是由 n 杆组成的近似蜿蜒运动的角度函数假如蛇形机器人的角度变化函数为(' cos m t in i =+那么此时蛇形机器人相邻连杆之间的相对角度变化函数为(' ' 12sin /2sin i i m n t i n -=-+-+由蜿蜒运动曲线的定义及对 n 杆组成的近似蜿蜒运动的分析我们完全可以将蜿蜒运动的蛇形机器人 相邻连杆之间的角度函数定义为(sin i i =+式中 为运动波形的最大摆动幅度; 为蛇形机器人相邻两关

15、节的相位差; 为运动运动波形的角度偏移值; 表示波形传播速度 。 那么此时在参考坐标系 (x ' o ' y ' 中蛇形机器人的角度变化函数可表示为' 1'cos ' 2i i i =+ 式中' 1' 2sin '/2=3.3 蛇形机器人侧向运动蛇形机器人在侧向蜿蜒运动过程中,部分机体与地面接触、作为静态接触点,部分机体抬起实现空间 侧移, 如此反复, 实现侧向前进。 由于运动过程中, 机体是由上向下与地面接触的, 所受的摩擦阻力较小, 而几机体与地面有多个接触点, 因此适合沙漠、 软土等低剪切运动环境。 在松软和温度较高

16、的沙漠环境中, 如果蛇形机器人采用平面蜿蜒运动进行连续作业, 将消耗大量的摩擦功, 导致蛇体的摩擦变形、 受热损坏。 而如果采用侧向蜿蜒运动,由于其滑动摩擦阻力小,且部分机体与地面接触,可以克服平面蜿蜒运动所带 来的缺点,提高运动的效率。侧向是蛇形机器人可实现纯侧向位移的一种运动方式 , 它也是通过控制它的 Z 轴和 X 轴的转角变化 (正弦 而实现的 , 与侧向蜿蜒运动不同之处是每个运动波内的各个关节之间相差为零 . 两个异相波有一 个相位差为 DU. 其运动表达式为(00sin sin sin cos n n i l n n i l k k s s s K l L L k k s s s

17、K l L L =-+ =-+ 两个波形曲线的相差和波的传播方向决定侧向运动的姿态和方向 , 实验表明 , 要达到较好的运动效果 ,两个波之间的相差也应为±P ö 2. 通过控制运动波的幅值不同可以实现各种形式的侧向移动 . 当所选的幅 值较小时 , 蛇形机器人头部和尾部与腹部交替与地面接触 ,3.4 蛇形机器人侧向翻滚侧向翻滚运动是一种自然界中生物蛇没有的特殊运动方式,是蛇体绕其体轴回转的一种运动模式,是 通过机体在两个互相垂直的平面内形成两个弧形曲线的相互作用实现的。不同平面内两相邻模块的相互作 用,产生了绕体轴的回转驱动力矩。通过调整弧形曲线的弧度,它可以实现与地面全

18、接触的纯侧向滚动或 部分关节与地面脱离的空间滚动形蛇形机器人的翻滚运动用于自身姿态调整及越障,形机器人侧向滚动也 可以看作是相互垂直的两个平面内波的共同作用实现的,与侧向蜿蜒运动不同之处在于,每个运动平面内 的各关节变化的相位差为零,即两个平面内的波不再是 Serpenoid 曲线,而是圆弧状,翻滚运动的控制方程 为:(0000sin sin sin cos n n n i n n n i k k K s s s L L n k k K s s s L L n =- =-+ 4 蛇形机器人的控制4.1蛇形机器人控制系统蛇形机器人由 8个运动关节模块组成,通过控制每个关节的相对转动角度来实现相应

19、的运动。每个关节上都有一个执行单元,在蛇头部分有一个主控单元,主控单元通过 CAN 总线将各个分散的执行单元连接 起来,构成蛇形机器人的分布式控制系统。主控单元是蛇形机器人的大脑,安装在蛇头上,由单片机、无 线通讯模块及 CAN 总线接口等部分组成,其工作原理是无线通讯模块接收来自监控系统的控制信号后,通 过单片机的串口进行数据交换,单片机根据监控系统给出的指令来决定蛇形机器人的运动模式、运动方向 以及到达目标位置,然后按上面介绍的运动方程进行运动规划,并将各关节的运动数据通过 CAN 总线传送 给执行单元.同时单片机也通过 CAN 总线接收来自每个执行单元的自身状态信息。采用带有 PC 机和

20、无线传 图 6 控制系统的总体结构图通过 PC 的人机界面 (HMI上的按钮来选择蛇形机器人的运动模式, PC 机的人机界面能选择并显示当 前的运动模 式 各驱动关节电机的运动状况传感器的工作状况安装有 CCD 后可以进行采集图像 。该控制系统 具有友好的人机交互界面,操作者能通过 HMI 全面了解各驱动关节电机的工况,并能通过鼠标来选择并显 示当前的运动模式传感器的工作状况采集的图像采用分层控制思想,可以大大提高系统的稳定性和实时性 也就解决了多关节驱动电机的控制难题。由于实现了分布式控制,每个单片机单独控制相应的驱动电机当 可以在上位机上设置硬件来选择本地控制和远程控制的两种模式, 不影响

21、蛇形机器人的运行。 在没有 PC 和 上位机的干预时下位单片机也可以按照默认的模式运动,并且某一个单片机驱动的损坏并不影响到其他关 节的驱动。4.2蛇形机器人无线控制方式由于蛇形机器人需要应用在人通常难以到达或危险的场所如在废墟中的执行搜救或管道中的执行检 测, 因此上位单片机和 PC 机的人机界面 HMI 必须用无线传输模式在课题研发的初步我们先考虑能传输较 长距离如能达到数公里的无线传输模块而且这种模块应该具有较高的性价比并能提供单片机的 TTL 电平 UART 接口。本课题采用的是上海上海汉凌电子有限公司开发的 HLSrf-108 型无线模块, 该无线模块支持 1200bps 2400b

22、ps 4800bps 9600bps 19200bps 等多种接口波特率传输距离远在视距情况下天线高度 >3 米时可靠传输 离距 >3000mBER=10-3/1200bps 突出的优点是能提供标准 RS-232 RS-485 和 UART TTL 电平接口方式可 与计算机用户的 RS-485 设备或其他 URAT 设备直接相连接使用用户只需要拔 /插短路器再上电即可以改变 接口类型,如图 7所示。 图 7 无线传输模块5 蛇形机器人的导航分析机器人导航相关技术包括机器人定位与地图构建机器人路径规划机器人体系结构传感器数据融合传 感器的导航方式是移动机器人导航发展的必然趋势这种多传

23、感器的信息融合。对于救灾的蛇形机器人的 研究领域已经从结构环境下的定点作业中走出来向着非结构环境下的自主作业,未知环境中的蛇形机器 人运动规划面临两个主要问题蛇形机器人的导航和路径规划解决办法是采用传感器和空间构形法在蛇形机器人都安装了一些非视觉传感器如超声传感器红外传感器接触传感器等 ,利用这些传感器 可以实现机器人导航。超声数据与图像数据结合通过事先训练好的神经网络预测障碍物的可能位置从而 使得机器人能够在动态非结构化环境中实现自主导航,技术充分利用了多个传感器的资源通过对这些传 感器及其观测信息的合理支配和利用把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息根据一定的准则进 行组合从而获得对被测对象的一致性解释或描述因此它不但能够提高导航精度同时也使整个导航系统具 有了较高的鲁棒性。6 工作原理分析蛇形机器人的工作原理是靠机器人与地面之间的摩擦来实现机器人的运动。我们所设计的机器人不仅 可以在废墟中寻找生命,还可以用于星球探测等地形很复杂的场所。这里所设计的机器人具有自我分析的 能力,根据传感器获得的地面信息能够进行自我分析,然后采用最适合的运动方式进行运动,所以蛇形机 器人可以在非结构环境中进行工作。7主要创新点(1本作品中所设计的机器人是按照自然界中蛇的行走方式进行的设计,所以是一个仿生机器人。 (2蛇行机器人的每个运动单元可以实现机构的重组。(3所制造的蛇形机器人的每个单元