用于在非结构化和恶劣环境下导航的两帧全地形机器人的设计和表征

1、用于在非结构化和恶劣环境下导航的两帧全地形机器人的设计和表征摘要：导航机器人利用三种基本运动配置中的一种或多种即转动设备如车轮或履带式机器人，腿铰接机构。在本文中我们提出一种能在非结构化和可能的危险环境中混合运动的移动导航机器人的设计和应用。我们融合这三类运动所提供的优势来帮助导航通过不平坦的表面。该机器人是一个单节，双底盘，单轮平台，向前和向后移动通过底盘的连接驱动。在任何方向的转动是由一个单一的波纹圆盘的驱动实现。机器人能携带基于视觉的侦查搜索和救援行动所需的额定载荷。我们提供验证这种混合机器人在不平坦路面的可操作性的实验结果和分析。这个机器人已经在光滑，非均匀和非结构化地形以及水下进行过

2、测试。移动机器人的设计涉及到功能、地形特征、执行器的限制、电源类型和所用计算资源性质方面的考虑源。轮式机器人在平坦非波纹表面效率非常高常有效而且其驱动机制简单。这样的系统可以建立重量和载荷优化目标函数。铰接体机器人擅长调控身体通过不平坦的地形和狭窄通道。然而，它受到载荷和应用领域局限的限制。腿式机器人相对于在不平坦的地形导航的轮式机器人有着显著优势，因为他们不需要与地面连续接触。腿式机器人的运动机理来源于生物系统，它在各种不均匀和非结构化地形导航是非常成功的。在自然界中发现的一些运动机制，例如，一个人的双腿行走通常是给双足机器人带来灵感。为了做一个双足步行系统，我们需要利用髋关节，膝关节和踝关

3、节的执行机构以便获得和人类退一样的自由度。为了使减少自由度的双足步行系统通过更具吸引力，文献中提出了各种机械附件。对腿部机构的一些方法包括一个四连杆机构和一个受电弓机构。在恶劣环境中使用的机器人最重要的性能标准是高的地面适应性，即能在不平的地形上移动。这些环境可能是楼梯，或未铺砌的地形，在这些环境中人类与机器人相比，行动会很加的方便。因此，人们需要机器人有能力在人类能探索的地方移动。由于腿的复杂性，稳定性和功耗的考虑，模仿这些机制很难。要实现稳健的腿式机器人是很困难的，因为它适应所给地形的能力很差。这些机器人行走要求太多的自由度。由于有太多的执行器，这增加了的执行器的重量，并降低了流动性。在提

4、出的设计中，通过减少自由度来使机器人在运动中能有稳健的地形适应能力。它在行走时能主动修正重心。我们设计的性能是由各种不同的地形上的实验验证的。机器人系统能在不规则地形和水下稳定的运动。对双框架全地形越野机器人描述我们的机器人是一个通过驱动的底盘的连接实现向前和向后移动单节双底盘单轮平台。在任何方向上的转向是由单波纹圆盘驱动。双框架全地形机器人显示在图1。它由两只脚基，即在每个腿基的4点接触的内腿基和外腿基组成。它在执行向前向后运动时提供的两个自由度，这两者是连接在这样一种方式下。图1完全可操作性的机器人解耦成向前/向后的步态和转弯步态。转弯步态提供了额外的自由度，提供一个整体的三自由度。如果我

5、们考虑用于腿基动作的电机轴的360度旋转，两个腿基都将受到摇摆/支撑作用，或者说每个摆动相位角A度。机器人的方向控制是使用一个磁盘与130度扇形波纹，并放置在图1所示。连接两个腿部基地的连接件是由直流电动机驱动的。双框架全地形机器人的整体尺寸是300毫米长，220毫米宽，230毫米高。该系统的重量是4公斤，它可以携带1公斤的有效载荷。底盘和连接件是由木材和铝分别制成。一个每次旋转释放11个脉冲的增量的光学编码器附加到电机轴和一个不旋转的触摸传感器加到每条腿基上。在平面上，单个腿基有一个140毫米的步长。一.向前/向后的步态向前/向后的步态运动有2个重要阶段：如图2所示的摆动阶段和支撑阶段。在摆

6、弄阶段，摆动腿基的参考点向前移动而且跟踪曲线类似于摆线。在支撑阶段，腿部基地仍然在地面上。前进/后退步态运动类似于双足运动，但有一个宽鞋底。摆动腿的底座可以移动自由度运动对支腿底座，接的'度旋转和剩余的360'度；退基的角色将互换。这种方式下运动的机器人的动作更稳定，因为作为每一个腿基4点触地。重心始终保持在支撑腿基的接地点所形成的区域中，如图3所示的图像序列（8至1）二.运动类型运动实验进行了两种步态分析：向前/向后和旋转。向前/向后：这种运动允许机器人在沿直线移动。开始行走的几何形状是不固定的，在某些情况下得到的序列是重复的，取决于机器人的内部和外部参数的评估。转向：这种新

7、颖的运动方法允许机器人实现一个圆形的轨迹。当方向改变时，身体的重力中心移动。这种运动可以从任何初始配置开始。转向：这种新颖的运动方法允许机器人实现一个圆形的轨迹。当方向改变时，身体的重力中心移动。这种运动可以从任何初始配置开始。摇摆阶段：0起飞阶段<A/ 2 一/ 2着陆阶段<A支撑阶段：A360°A< 360°我们也定义占空比的比例，这就决定了一个运动周期中支撑阶段时间占总时间的比例。三.转向步态机器人方向的控制是利用磁盘（70毫米半径）与一个130度扇形蚀刻实现的，被放置在如图1所示的内腿基里面。它提供了完整的机器人的每一个电机轴45度旋转。这种方法类

8、似于一轮固定一轮旋转的两轮机器人旋转方向的控制，保持机器人的更广泛的尺寸为旋转半径。在图4中，机器人相对于固定点旋转，由波纹盘顺时针或逆时针方向旋转。机器人360度旋转形成的圆半径。即固定点和波纹盘之间的距离为340毫米。130度扇形波纹盘半径为65毫米。扇形波纹盘的圆周130度，P= 261毫米机器人的旋转45度，Q=266毫米所形成的圆弧弧长从P和Q的值，我们看出，PQ，结果是130度扇区波纹盘每旋转一次机器人旋转45度。因此，为了完成机器人的360度旋转，波纹盘应旋转8次。 图5 图3 图4图3和图5显示了在向前/向后的步态和转弯时的步序。通过让机器人把物体搬到60毫米对向前/向后的步态

9、进行了测试。通过控制不同回转半径对平面上的旋转步态进行了测试。4. 腿交替运动双框架全地形机器人的步态运动是由交替的腿交换运动产生的。每一个腿部基础也变成了一个摆动/支撑腿基。因此，这种步态运动和双足步行机器人相似。双足步行运动，和人类的运动一样，通过重心的位置平稳过渡。这是因为上部身体的协调运动。但双框架步行机器人的重心运动和人的腿基行走相比是间歇性的。我们的机器人没有额外的自由度用于重心的主动运动，因为它被设计为最小的自由度。重心的位置由各腿的相对位置明确确定。双框架全地形机器人的最大步幅（每个框架之间的水平距离）是由其几何结构确定的。而要进行稳定的腿部交替，我们必须保持步长以便有良好的稳

10、定裕度。因此，为保证稳定裕度，一步限定在大约70毫米，这和的铝链路的长度相同。这构成了一个限制，机器人只能爬高度小于70毫米的物体。我们提出了一种备用腿交替运动，能实现高度稳定一致地运动。此外，该方法让机器人像动物一样实现重心平滑过渡成为可能。腿交替的过程如图6所示。图6.A图6.B图6.C图6.D图6.E图6中的图像序列（A-F）表明整体重心如何在双框架全地形机器人的支撑区域平衡。机器人在前进/后退步态重心平衡的步骤：假设在初始配置两腿底座与地面接触，下面的步骤会被观察到两腿座重心将与地面接触（图6，A）。内腿基重心在摆动阶段而保持外腿基作为地面参照（图6，B）。两腿基都将与地面接触；同时，

11、内腿基地完成摆动阶段（图6，C）。外腿基重心在摆动阶段而保持内腿基作为地面参照（图6，d）。两腿基重心都将与地面接触；同时外腿基完成摆动阶段（图6，E）。5. 实验结果图7显示每旋转A度机器人所移动的距离。红线表示一个平面上的外腿基参考点移动的距离。例如，A= 180°、e= 0°，在e是地形倾斜度。绿色线代表平面上内腿基参考点移动的距离。假设= 180°和e = 0°， 绘制出线性位移和输入角度的V/S图。在旋转2A度时，机器人移动的距离为70毫米。当< 180°和E0，机器人行驶的距离不会等于70毫米。图8.绘出了130度波纹盘旋转时

12、机器人旋转的角度。这意味着，130度扇形波纹盘每次旋转，机器人将转45度。波纹磁盘旋转360度，将导致机器人整体旋转45度图7图86. 结论具有三个自由度和备用腿交换机构的双框架全地形机器人的表征已经进行。由于支撑区域内的双腿交替交换机制有，效的重心转换实现了最大静态和动态稳定性。驱动机制提供了机器人的高度不均匀表面滑动的恢复机制。实验结果表明，该设计可以执行在任何地形包括水下下的三自由度驱动的双足行走。和传统双足运动机构相比，减少自由度的步行机器人设计是高效的。机器人可以携带侦察，搜索和救援行动所需的额定载荷。这种机器人自主导航的控制需要不同驱动器在不同环境下的协调。七致谢我们感谢PES中心

13、为促进我们工作而提供的的智能系统；我们感谢Dr .K. Koshy George，PES中心只能系统的主管给我们的鼓励和激励。参考文献1. Antonio Pickel, “Control for a biped robot with minimal number of actuators” Ph.D. dissertation, Department of Electrical Engineering, University of Applied Sciences Koblenz, 2003.2. Conghui Liang, Marco Ceccarelli and Yukio Taked

14、a “Operation Analysis of a One-DOF Pantograph Leg Mechanisms”, Proceedings of the RAAD 2008 17th International Workshop on Robotics in Alpe-Adria-Danube Region, Ancona, Italy, September 15-17, 2008.3. Conghui Liang, Marco Ceccarelli and Giuseppe Carbone “Design and Simulation of Legged Walking Robot

15、s in MATLAB® Environment”LARM: Laboratory of Robotics and Mechatronics, University of Cassino, Italy. Chapter 20, MATLAB for Engineers - Applications in Control, Electrical Engineering, IT and Robotics, 2011.4. H. Adachi, N. Koyachi, T. Arai, A. Shimizu, Y. Nogami; “Mechanism and Control of a Leg-Wheel Hybrid mobile Robot”, Proc. of IROS, pp.1792-1797,1999.5. Roland Siegwart, Illah.R.Nourbakhsh, Introduction to Autonomous Mobile Robots, A Bradford Book, The MIT Press, 2004.6. Yusuke