一種新型寬輪式越野機(jī)器人

高永生，王 鋼，趙 杰，朱延河，徐 昊

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)信息與通信工程研究所，黑龍江 哈爾濱 150001；3.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300222）

0 引言

越野機(jī)器人采用遙控、自主或半自主等方式完成地面運(yùn)動(dòng)，具有廣闊應(yīng)用前景和軍事價(jià)值，正受到越來(lái)越多的關(guān)注和研究［1-2］。國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了面向野外環(huán)境的越野機(jī)器人研究。相對(duì)于前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，四輪驅(qū)動(dòng)更適于沼澤地、泥地和坑等較復(fù)雜的野外場(chǎng)地［3］。國(guó)內(nèi)的沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所、中國(guó)科技大學(xué)、南京理工大學(xué)等單位對(duì)越野機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和遠(yuǎn)程控制等方面進(jìn)行了廣泛研究［4-5］。輪式越野機(jī)器人采用全輪式移動(dòng)、對(duì)稱結(jié)構(gòu)，能提供良好的機(jī)動(dòng)性和可靠性。通過(guò)研究輪式越野機(jī)器人的寬輪式結(jié)構(gòu)、中間軸結(jié)構(gòu)和差動(dòng)式轉(zhuǎn)向方式等結(jié)構(gòu)特性，獲得機(jī)器人轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性、不同路面上行駛平穩(wěn)性和在各種路面之間轉(zhuǎn)換行駛平順性。

1 結(jié)構(gòu)性能分析與設(shè)計(jì)

1.1 越野性能分析

輪式越野機(jī)器人的性能受到驅(qū)動(dòng)力、爬越橫斜坡和通過(guò)小障礙物的影響。

當(dāng)機(jī)器人在長(zhǎng)坡上等速爬坡行使時(shí)，車身重量就會(huì)依據(jù)其重心位置產(chǎn)生不同的坡度阻力。機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力受到坡度阻力影響。

當(dāng)機(jī)器人沿著橫斜坡行駛時(shí)，若坡角大于某一定值，則一側(cè)車輪的地面反作用力等于零，機(jī)器人失去橫向穩(wěn)定性，出現(xiàn)側(cè)翻或側(cè)滑問(wèn)題。

機(jī)器人在野外行進(jìn)時(shí)遇到的幾何形小障礙物對(duì)越野性能的影響較大，具體情況為：一是車體的底部碰到凸形障礙，于是機(jī)器人被懸起而失去通過(guò)性；二是機(jī)器人的前后突出部碰到較大凹形障礙，被卡住而不能通過(guò)［6］。

1.2 越野機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上越野性能分析，設(shè)計(jì)的輪式越野機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)為前后、左右對(duì)稱的形式，采用四輪驅(qū)動(dòng)、寬輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、差動(dòng)轉(zhuǎn)向以及特殊的中間軸連接方式。

機(jī)器人車輪可以分為前后兩組，每一組都有2個(gè)外輪，它們套在同一個(gè)驅(qū)動(dòng)內(nèi)輪上面組成一組車輪，外輪完全包圍內(nèi)輪，前后兩組車輪是通過(guò)中間軸連接。控制部分全部在內(nèi)輪里面，外觀如圖1所示。

圖1 寬輪式越野機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

中間軸具有一個(gè)自由度，通過(guò)中間軸凸臺(tái)（兩端都有）將中間軸固定在機(jī)器人前后內(nèi)輪上面，如圖2所示。由于采用了中間軸的連接形式，使機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)更加對(duì)稱，同時(shí)機(jī)器人的重心降低，在運(yùn)行的過(guò)程中，獲得更好的穩(wěn)定性。在穿越碎石路面的時(shí)候能夠使前后兩組車輪先后繞中間軸旋轉(zhuǎn)，克服崎嶇不平的地形，并且不用過(guò)多考慮機(jī)器人自身位姿。

圖2 中間軸結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)采用變速箱減速后經(jīng)內(nèi)嚙合齒輪輸出，傳動(dòng)平穩(wěn)，耐沖擊性好，電機(jī)套件、控制板和驅(qū)動(dòng)板全部固定在控制盒內(nèi)，再裝配進(jìn)機(jī)器人的內(nèi)輪，如圖3所示。

圖3 機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)

2 寬輪式越野機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1.1 小車的模型近似等價(jià)為兩輪車模型

設(shè)定小車的2個(gè)左側(cè)車輪有相同的轉(zhuǎn)角和速度，2個(gè)右側(cè)車輪有相同的轉(zhuǎn)角和速度，車體運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為兩輪車運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)與分析如圖4所示。

圖4 兩輪式機(jī)器人車的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

由圖4的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，按照幾何關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系可以推導(dǎo)出：

v，ω為機(jī)器人車體中心的瞬時(shí)線速度、角速度；vl，vr為機(jī)器人左右兩側(cè)輪組的瞬時(shí)速度；ωl，ωr為機(jī)器人左右兩側(cè)輪組的瞬間角速度；d為機(jī)器人兩輪質(zhì)心的距離；r為機(jī)器人車輪半徑為機(jī)器人的速度v沿x坐標(biāo)方向的分量為機(jī)器人的速度v沿y坐標(biāo)方向的分量；θ為機(jī)器人的速度方向與坐標(biāo)方向的夾角。

由于車輪只做純滾動(dòng)無(wú)滑動(dòng)，可得約束條件為：

由式（6）可知，通過(guò)控制機(jī)器人兩車輪組的角速度，就可以控制機(jī)器人車的運(yùn)行速度和轉(zhuǎn)向角速度，也就是說(shuō)，可以通過(guò)控制車輪組的加速度來(lái)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

通過(guò)幾何關(guān)系，可以推導(dǎo)出機(jī)器人的偏轉(zhuǎn)角速度ω和轉(zhuǎn)彎半徑R滿足以下關(guān)系式：

由式（7），式（8）可以得出本體運(yùn)動(dòng)的3種可能的情況：

a.當(dāng)vl=vr時(shí)，機(jī)器人車體（中心O）的線速度v=vL=vR，角速度ω=0，轉(zhuǎn)彎半徑R→∞，這時(shí)機(jī)器人作直線運(yùn)動(dòng)。

b.當(dāng)vl=-vr時(shí)，機(jī)器人車體（中心Oc）的線速度v=0，角速度ω=-2vl／d，轉(zhuǎn)彎半徑R=0，這時(shí)機(jī)器人車體繞其幾何中心Oc轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的原地轉(zhuǎn)向。

c.當(dāng)vl≠vr時(shí)，機(jī)器人車體（中心Oc）的線速度v=（vL+vR）／2，角速度ω=（vl-vr）／d，轉(zhuǎn)彎半徑R=d（vl+rr）／2（vl-rr），這時(shí)機(jī)器人繞點(diǎn)Oc作半徑為R的轉(zhuǎn)動(dòng)。

通過(guò)以上的分析可以看出，控制機(jī)器人左右兩側(cè)輪組的速度，就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿著任意設(shè)定的軌跡行走。

2.1.2 四輪驅(qū)動(dòng)

每個(gè)輪子獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)與分析如圖5所示。

圖5 四輪驅(qū)動(dòng)越野機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖5中，XOY為固定參考坐標(biāo)系；xocy為通過(guò)機(jī)器人幾何中心的相對(duì)坐標(biāo)系；xioiyi為固連在車輪組上的坐標(biāo)系（i=1，2，3，4）；oc為機(jī)器人車體幾何中心；oi為機(jī)器人第i個(gè)車輪組回轉(zhuǎn)中心（i=1，2，3，4）；θ為機(jī)器人相對(duì)坐標(biāo)系xocy的x軸與X 軸的夾角；L為通過(guò)機(jī)器人幾何中心與各個(gè)輪組回轉(zhuǎn)中心之間的距離；αi為x軸與車輛中心和第i個(gè)車輪組的回轉(zhuǎn)中心線之間的夾角（i=1，2，3，4）；（x，y，θ）為機(jī)器人幾何中心oc在地面坐標(biāo)系中的位姿；ωi為各個(gè)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；θ0為前軸外轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；θi為前軸內(nèi)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角；r為車輪半徑。

式（9）為4個(gè)車輪驅(qū)動(dòng)情況下機(jī)器人車體的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，能夠通過(guò)控制4個(gè)車輪組的轉(zhuǎn)速控制機(jī)器人本體速度和姿態(tài)。

2.2 仿真分析

為了優(yōu)化寬輪式越野機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，將機(jī)械結(jié)構(gòu)Pro／E圖導(dǎo)入到ADAMS中，仿真模擬系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性，并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化系統(tǒng)。

仿真過(guò)程中做如下假設(shè)和約定：機(jī)器人所作運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人本體視為一個(gè)剛體，車輪視為剛體輪，不考慮輪胎與地面?zhèn)认蚧瑒?dòng)的情況，即輪胎無(wú)滑動(dòng)，作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

2.2.1 直線行走仿真

仿真實(shí)現(xiàn)機(jī)器人4個(gè)車輪的輪槽為整體“人”字形，在平坦路面上前進(jìn)或后退。其位移如圖6所示（圖中粗虛線為X方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)線為Y方向運(yùn)動(dòng)）。

圖6 前進(jìn)后退的直線運(yùn)動(dòng)軌跡

在ADAMS里面將機(jī)器人的直行運(yùn)行狀態(tài)設(shè)置成沿著X正方向先前進(jìn)，再后退，分別檢測(cè)X，Y 2個(gè)方向的位移量。從圖6可以看出，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中Y方向的位移沒(méi)有變化，這說(shuō)明機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候Y方向軌跡沒(méi)有偏離，運(yùn)行良好。

2.2.2 90°轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)仿真

ADAMS仿真的時(shí)候先是在XOY平面上沿X正方向前進(jìn)，運(yùn)動(dòng)1s后，轉(zhuǎn)向90°后再沿Y負(fù)方向行駛1.5s。具體的軌跡曲線如圖7所示。曲線反映了機(jī)器人在X，Y方向上的位移變化關(guān)系，圖中下部的實(shí)線和虛線分別為轉(zhuǎn)向前X，Y方向運(yùn)動(dòng)，上部的虛線分別為轉(zhuǎn)向后X，Y方向運(yùn)動(dòng)。

圖7 轉(zhuǎn)向90°運(yùn)動(dòng)軌跡

根據(jù)式（9），可得：

式（10）中各參數(shù)的含義與式（3）相同。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程得到的數(shù)值基本上與仿真曲線相吻合。

2.2.3 小半徑回轉(zhuǎn)仿真

機(jī)器人在YOZ平面以小半徑回轉(zhuǎn)，將機(jī)器人的4個(gè)外輪分為左右兩組，每組外輪的運(yùn)動(dòng)的速度相同，方向相反，可以完成小半徑回轉(zhuǎn)。如果兩組輪子的速度相等，方向相反就可以實(shí)現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)。小半徑回轉(zhuǎn)的位移曲線如圖8所示。圖8中，以起點(diǎn)劃分，起點(diǎn)為零的直線（實(shí)線）是外輪沿X軸的位移，起點(diǎn)接近100mm的正弦曲線（長(zhǎng)虛線）是外輪沿Y方向的位移，起點(diǎn)稍大于175mm的正弦曲線（虛線）是外輪沿Z軸的位移，起點(diǎn)稍大于200mm的是外輪的總的位移曲線（矢量和）。因?yàn)闄C(jī)器人是一個(gè)很小的半徑做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以位移曲線是近似正弦線。如果機(jī)器人以坐標(biāo)原點(diǎn)為回轉(zhuǎn)中心，則位移曲線將會(huì)是標(biāo)準(zhǔn)的正弦。

圖8 小半徑回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)仿真

2.2.4 越障仿真

在越障仿真中，機(jī)器人經(jīng)過(guò)一個(gè)很短的凹坑路面，由于中間軸的隨動(dòng)作用，機(jī)器人就會(huì)自動(dòng)調(diào)整位姿來(lái)適應(yīng)地形的變化。仿真是在YOZ平面內(nèi)沿Z軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)。

圖9a中水平直線是中間軸在X方向的位移，以零為起點(diǎn)在末端向下傾斜的曲線是中間軸在Y方向的位移，起點(diǎn)大于零的一條斜直線是中間軸在Z軸方向的位移。圖9b中兩條水平直線幾乎重合，分別是中間軸在X，Y方向的位移，斜直線是中間軸在Z方向的位移。從兩圖的對(duì)比可以看出來(lái)，中間軸沒(méi)有隨動(dòng)自由度的機(jī)器人在遇到凹坑的時(shí)候，不能自動(dòng)調(diào)節(jié)車體位姿以適應(yīng)地面，表現(xiàn)在圖9a中就是Y方向的末端（凹坑盡頭）位移曲線有偏移，即機(jī)器人在Y方向上有移動(dòng)，而圖9b所顯示的一直是直線狀態(tài)。這說(shuō)明中間軸有隨動(dòng)作用的時(shí)候，機(jī)器人具有更好的地面適應(yīng)能力。

圖9 機(jī)器人越障仿真

3 實(shí)驗(yàn)研究

搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖10所示。左上為上位機(jī)控制系統(tǒng)，用于發(fā)送處理控制指令；右上為無(wú)線收發(fā)模塊，一塊連接上位機(jī)，另一塊連接驅(qū)動(dòng)控制板；左下為驅(qū)動(dòng)控制板，接收來(lái)自上位機(jī)或者是無(wú)線模塊的指令，直接控制右下的機(jī)器人，并將編碼器的信號(hào)反饋給控制器。所設(shè)計(jì)的輪式越野機(jī)器人的車體寬度為192mm，輪半徑為60mm。

圖10 輪式越野機(jī)器人試驗(yàn)系統(tǒng)

輪式越野機(jī)器人的直線行走實(shí)驗(yàn)中，4個(gè)電機(jī)均為正向轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人直線前行。機(jī)器人沿直線行走2400mm，測(cè)量偏移的距離。經(jīng)過(guò)10次試驗(yàn)的測(cè)量，機(jī)器人的最大偏移是23mm?？梢姍C(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)性能較理想。

輪式越野機(jī)器人轉(zhuǎn)向試驗(yàn)中，分左右兩組控制4個(gè)電機(jī)?？刂谱髠?cè)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，右側(cè)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的逆時(shí)針原地轉(zhuǎn)向。反之，機(jī)器人就順時(shí)針轉(zhuǎn)向。機(jī)器人逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)如圖11所示。每張圖片均為45°角度間隔，機(jī)器人能夠平順轉(zhuǎn)向。

圖11 輪式越野機(jī)器人小半徑回轉(zhuǎn)

輪式越野機(jī)器人的越障實(shí)驗(yàn)中，在機(jī)器人前進(jìn)的路面上有35mm高的障礙物，機(jī)器人越過(guò)遇到的小障礙物并且保持原先的前進(jìn)狀態(tài)，如圖12所示。這個(gè)過(guò)程中，主要是由于中間軸的作用，使機(jī)器人在越障礙物的時(shí)候，能夠保持住原先的運(yùn)動(dòng)方向和狀態(tài)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)器人所能夠爬越的最大障礙物為輪子直徑的1／2。

圖12 輪式越野機(jī)器人越障實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種面向野外環(huán)境的對(duì)稱式寬輪越野機(jī)器人。通過(guò)具有單自由度的中間軸連接結(jié)構(gòu)，提高了地面適應(yīng)能力和越野能力。建立了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并通過(guò)ADAMS軟件仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)器人的行走、小半徑回轉(zhuǎn)和越野能力，表明機(jī)器人具有高機(jī)動(dòng)性、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單和方便控制等優(yōu)點(diǎn)。

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