【doc】投篮机器人行走机构的设计与研究

【doc】投篮机器人行走机构的设计与研究 投篮机器人行走机构的设计与研究 第23卷第2期 上海理工大学 JUniversityofShanghaifl0rScienceandTechnologyVol23No.22001 文章编号:1007.6735(2001)02?0128?05 投篮机器人行走机构的设计与研究 钱炜,李战伟 (上海理工大学机械-E程学院,上海200093 摘要:分析了行走机器人常见的行走机构,并针对机器人在行走过程中需要跨越障碍物的要 .求,提出了一种有特色的投篮机器人行走机构,介绍了该种行走机构的设计思想和运动原理 并从理论上探讨了该行走机器人的运动分析,运动规划及运动误差等问题.具有上述结构的 行走机器人改进后有较好的应用前蒂. 关键词:行走机器人;行走机构;运动分析;运动规划 中图分类号:HT122文献标识码:A 机器人技术是近年来机电一体化技术发展的 重要内容之一,它的研究,开发及应用涉及到机 械,计算机控制,传感器等学科.行走机器人是 更是机器人未来发 机器人大家族中重要的一员, 展方向之一【" 笔者曾参加1999年上海市首届机器人大赛, 这次大赛对参赛机器人的具体要求是:机器人从 某处出发,自主沿指定白线路径前进,根据红绿灯 决定其转弯方向,跨越障碍物,到捡球区把球捡起, 再行进到投球区投蓝,因此设计制造完成后的机 器人包括三大部分:行走机构,捡球机构和投球 机构.而行走机构的设计是机器人设计成败的关 键,本文从机构设计的角度对行走机构的设计和 运动分析进行了探讨. 1行走机构选择 一 般而言,行走机器人的行走机构主要有车轮 式,步行式和履带式等几种型式,它们各有其耗. 车轮式(自行小车)机器人动作稳定,操纵简 单,在无人工厂中用来搬运零部件,用途广泛,最 适合于平地行走,但不能跨越障碍物,不能爬楼梯. 常见的典型三轮和四轮小车机构如图1所示.它 们都有驱动轮和自由轮或者驱动轮和舵轮,能精 确控制行走路径和实现指定路径转弯.图1a为 两种三轮结构自行小车,图1b为一种四轮结构自 收稿日期:2000-10—17 作者简介:钱炜(1964一).男.工程师 行小车. 123 固圈 (b)四车e结构 图1几种典型自行小车结构 Fig1Severaltypicalstrllcturesofanautomotive walkingvehicle 1舵轮2.左驱动轮3右驱动轮4脚轮5自由轮 步行式机器人移动速度慢,机构复杂.它的 主要特点是不仅能在平地行走,而且也能在凹凸 不平的地面行走,跨越沟壑与障碍物,上下台阶, 具有广泛的适用性,但是要考虑机器人行走时的 重心移动及稳定性问题.步行机器人常见的有两 足和多足两类,多足步行机器人又分为四足,六 足,八足.为了在凹凸不平的地面上步行和转 向,两足以上的步行机器人各足应有3个自由度. 一困 ; 一毋 第2期钱炜等:投篮机器』,行走机构的设计与研究129 两足步行机器人为了保证行走时的重心稳定性. 控制算法最为复杂.四足机器人在静止状态是稳 定的.在步行时,当一只脚抬起,另三只脚支撑自 重时,必须移动身体,让重心落在三只脚接地点所 组成的三角形内.六足,八足步行机器人由于行 走时可保证至少有三足同时支撑机体,在行走时 较两足和四足机器人更容易得到稳定的重心位置 人们解决步行机器人的转向问题往往从两个方面 着手,一方面完全依靠算法来实现,称作"软件转 向另一方面,则是从机构设计上想方法,称作"硬 件转向".两种方法不能够完全分开.步行机 器人显然有较高的环境适应能力.但是,也存在 着控制复杂性和步行速度低等缺点1. 履带式移动机器人可以在凹凸不平的地面上 行走.只要有足够的驱动力,便可以跨越障碍物, 爬楼梯和不太高的台阶.另外,由于它通常没有 自由轮和舵轮,要实现转向功能只有靠两根履带 的速度差,而且由于履带与地面的接触面大,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,不能准确地确定回转半径. 现要求设计行走机构,既能实现自主精确直 线行进,又要根据信号按指定路径转弯,同时还要 能跨越障碍物.为了这些特殊目的,笔者研究了 各种式样的移动机构. 采用履带式机构是一种较好的选择.履带式 机构实现起来容易,只要用两个主动带轮带动履 带便可在碰到障碍物时,履带能像坦克一样跨 越过去(只要有足够的驱动力和使履带前端高于 障碍物的高度即可).但要实现自主精确控制和 指定路径转弯功能,有一定难度. 采用车轮式(自行小车)机构,它只适宜在平 地上行走,不能跨越障碍物.并且车轮式结构的 轮子如果比障碍物高度小,则跨越障碍物便成了 问题.如果把轮子高度设计成大于20cm(即设定的 障碍物高度),则必须使轮子半径大于等于20cm, 整个轮子高为40cm,这显然不现实.故必须设计 一 种构思巧妙的机构,既能实现精确控制又能越 过障碍物. 2一种有特色的行走机构 现设计一行走机构.如图2所示. 2.I工作原理 如图2a所示,该行走机构的两后轮9为驱动 轮,各由一个电机驱动,通过一根后轴l把两个后 轮剐性地联接在一起.后轴I又有一个电机驱动. 可以使其自身转动,通过后轴的转动,可使两后轮 在纵向平面进行360.旋转.如图2a,b所示.行 走机构的前轮8为自由轮,由两个轮子组成,空套 在支架7上,支架(前轮)可绕其竖直轴转动,其转 动角度由两后轮9的转速差决定.支架7连接在 前轴6上,前轴由一个电机驱动.可使前轮8及支 架7在纵向平面内做360旋转.图2b为前轮和 支架在横向平面的投影图,图中两前轮相对竖直 线外倾相同的角度,这个结构参考了汽车前轮的 结构,其作用是使行走机构的前轮具有回正能力. 通过合理选择前轮外倾角,可以保证机器人直线 行驶时的方向稳定性和转向后前轮的快速回正. 图2一种有特色的行走机构 Fig.2Acharacteristicwalkingmachine 1.后轴2驱动小轮tt3.支撑小轮4驱莉小轮b 5机架6前轴7.支架8前轮9后轮 机器人机架底部边缘有数个小轮2,3,4小轮 之间纵向距离小于障碍物的宽度.机架前面和后 面相对纵向对称线左右对称布置的8个小轮,3 只超支撑作用;而机架中间的两个驱动小轮4和 后部的,由同步齿形带连接的4个驱动小轮2同 样相对机架的纵向对称线左右对称布置:但因为 要提供动力(两驱动后轮因要跨越障碍物.需要旋 转离开地面),所以小轮2和4各自有—个电机驱动 2,2机器人越障过程分析 当机器人靠近障碍物时,其机架底部边缘的 两只小轮3首先靠上障碍物的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面,如图3所示. 一L,图3越障步骤I Fig-3Thefirststepoftheprocessoftherobotpassing evertheobstacle 一 上海理工大学2001年第23卷 机器人在后轮9的驱动下继续前行,当前轮 8将要碰到障碍时,前面小轮3已在障碍物上 由于小轮的高度比障碍物的高度略低,故此时机 器人前端重量落在了小轮上.前轮悬空而不受力, 此时前轴6带动前轮8和支架7在纵向平面旋转 180,同时机器人在后轮的驱动下平稳地驶上障 碍物,如图4所示. 图4越障步骤II Fig.4Thesecondstepoftheprogressoftherobot pas~ing0vertheobstae}e 此后,机器人在后轮9的驱动下继续前进由 于机器人底部小轮之间的距离是小于障碍物距离 的,因此,当前面的小轮离开障碍物端面时,后面 的小轮已经在障碍物的表面,仍然担负起支撑机 器人的"重任". 当机器人继续前行,中间驱动轮4驶上障碍 后轴1开始顺时针旋转;当中间驱动轮4将 物时, 要离开障碍物时,两个后轮9已经搭上障碍物,继 而后轴l停止转动,仍由后轮9驱动机器人继续 前进.当后轮将要驶离障碍物时,后部的驱动小 轮2已经搭上障碍物,并驱动机器人继续前进,如 图5所示 图5越障步骤I? Fig.5Thethirdst*poftheprocessoftherobot passingovertheobstacle 后轮9驶离障碍物后,由后轴l驱动其继续 旋转至原来的位置停止,如图6所示.越过障碍 物后,由后轮9驱动机器人继续前进. 这种行走机构设计合理巧妙,运动可靠,行走 平稳,易于自主控制.在没有遇到障碍物时,该行 走机构只是,部行走小车,而遇到障碍物时,则使 机器人不需要较大的驱动力,就能够自如,顺利 地跨越障碍物,而且不像其他机构那样,需要考虑 机器人从障碍物到地面由于有高度落差而形成的 巨大冲击和震动.对机器人造成的各种不利因素. 若机器人经常受到巨大冲击和震动,则不但要求 其本体制造牢靠坚固.而且还要考虑其本{车上的 各种装置以及控制系统的正常工作不受影响一 般为了减少巨大冲击和震动,在设计机器人时必 须考虑到各种缓冲装置和减震装置,这既增加了 设计难度,又提高了制造成本,还影响了机器人正 常工作的可靠性以及寿命而图示的行走机构的 设计避免了许多不利因素,较好地体现了机械设 计的一般原则. 圉6越障步骤Iv F.6Thefourthst*poftheprocessoftherobot passingovertheobstacle 由上述越障过程分析可知,本文提出的投篮 机器人行走机构具有良好的越障性能.为了能和 其他的行走机器人一样在平地上按指定轨迹行走 有必要研究该机器人的运动分析和运动规划问题. 3运动分析与运动规划 本机器人要求在离开出发区之后,能够自主 沿着一条 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的白线行走.它依靠装在车轮式行 走机器人底部的传感器识别白线的颜色来控制机 器人行进,如一旦行走过程中离开规定的白线,由 于传感器接收不到白颜色的信号,机器人就会停 止行进或原地寻找白线,直至找到白线,恢复原来 工作状态为止.机器人可以按照指令要求的任意 路径行走,而且在行走过程中能自动调整路径. 一 旦机器人走完白线规定路程,根据接受到的红 绿灯信号,决定了转弯方向之后,要按照指定路 径行进,跨越障碍物,顺利到达捡球区.所以,必须 解决已知小车的行走轨迹如何求得两轮的运动规 律的问题. 3.1运动分析 建立图7a所示的参考坐标系O-XYZ及机器 第2期钱炜等:投篮机器人行走机构的设计与研究 人固连的坐标系为0.X.YZ,,其中轴与装驱动 轮的后轴同轴,0点是后轴的中点,它表示机器人 在0一XYZ参考坐标系中的位置+y1与y的夹角0 表示机器人在O-XYZ参考坐标系中的姿态. (aj(b) 图7行走机器人运动分析图 Fig7Themov~fnentanalysisdiagramofthe walkingrobot 设机器人的行走速度为机器人在i时刻 的位置为0),行走时间r秒后,在第i+1时 刻,左驱动轮与右驱动轮分别行走了和?. 由于r秒时间较短,和可近似为圆弧,如 图7b,其值可以通过光栅码盘在t秒时间内的脉 冲量计算出来,如机器人在r秒时间内的姿态改 变了ABj,则 AO:箜 i 其中r——两驱动轮之间距离 —— 右轮行走距离 s——左轮行走距离 又设机器人的转弯半径为,则 :笪!笪 因:吾()K一L 如图7b,可计算出?A和A毋 A=R?sinA$~ AB.=R?f1一cosAO~) 所以,+点相对于O点的位姿变化为 态为 一 AB一0 .一ABi0 oo 由此计算出在i+1时刻机器人的位置和姿 【X+】】'= 【XIT-6【AX??] 用以上算式计算机器人的位置和姿态,条件 是机器人沿确定半径转弯,值不变.因此无 论时间r为何值,都能确定机器人的准确位置和 姿态. 以上分析的是机器人的曲线运动,若机器人 是作直线运动,可直接由AS(或)确定其姿态. 如图8表示,假如机器人的转弯半径是变 化的,那么要用积分法来求机器人运动轨迹的准 确解. 0 图8行走机器人转向示意图 Fig8Schemeofthetamingofwalking~obot 设已知机器人左右驱动轮的运动规律,且运 动速度分别为vR(t),(机器人转弯半径R也 是t的函数,求得机器人上0点的速度 sinOsinO"} 动规律vR(t),VL(0的机器人,它的位姿轨迹是惟 试规划机器人左右驱动轮的运动规律.最简单可 行的方法是使机器人的实际行走轨迹由圆弧和直 线组成,或者是让机器人绕本体垂直于地面的竖 上海理工大学2001年第23卷 直轴线转过一定角度后再作直线运动. 当机器人按照确定连续轨迹运动时,若它的 连续运动轨迹为 fX=x() lY=r() 则机器人左右驱动轮的运动规律是惟一的, 因此可求得机器人后轴中间点的速度和转向半径 {Voi.?+(+)X—X因此可求得机器人左右后驱动轮的轴心速 度为 +T/2, 一 T/2) 所以给定机器人的运动轨迹后,能求出机器 人左右驱动轮运动规律的惟一解析表达式. 3.3机器人行走机构的误差分析 a.机器人结构误差的影响在机器人结构 参数中,影响机器人运动精度的主要参数是轮距 和驱动轮半径r的精度.为提高机器人运动精 度,在加工中要保证机器人左右驱动轮的直径尺 寸精度,在装配时要保证机器人左右驱动轮的轮 距的精确,机器人左右驱动轮的 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 要台适. b.机器人左右驱动轮打滑的影响在机器 人运动过程中,左右驱动轮的打滑会严重影响机 器人运动精度,该偏差是随机产生的,并且使机器 人产生瞬间的方向性误差.但它的影响仅仅是在 受控方向内产生的蛇行运动,因为控制系统是封 闭的,最终会保证机器人按受控方向运动 4结束语 通过以上分析和实验证明,笔者设计的行走 机器人可以较好地完成某一预定要求的项目. 另外,通过对结构和控制算法的进一步改进, 例如通过改变支撑轮臂长度而自动调节机器人机 能更好地适应障碍物高度,从而能自如 身的高度, 地在复杂环境中行走.经过改进后的行走机器人 能够很好地胜任在车间中运送物料的工作,有较 好的应用前景. 参考文献: [1]钱炜船舶焊接机器人的分析和控制[D]哈尔滨: 哈尔滨船舶工程学院,1993. [2]张福学.机器人技术及其应用【M]北京:电子工业 出版社.2000,46674 [3]李战伟.九自由度全方位步行车辆的研究【D]洛阳: 洛阳工学院,1999. [4]高峰.步行车辆转向原理探讨及全方位步行车辆的 理论与设计研究【D].吉林:吉林工业大学,i992 【5]李战伟,李建朝,高峰网络形式的步行机直流伺 服电机控制系统[J].洛阳工学院,1999,加(3): 502 [6]李建朝,高峰.李战伟机器人步进电机的微机控 制?机械,1998,25(增刊):138,139. Designandresearchofwalkingmechanismofbasket?shootingrobots QIANWei,klZhan-wei (CollegeofMechanicalEnglneering,UniversityofShah曲 ai,DrScienceandTechnology,Shangahi200093,China) Abstract:Severalcommonwalkingmechanismsofwalkingroborsareintroducedandanalyzed inthepaper.Aspecialcharacteristicwalkingmechanismofwalkingrobotsisintroducedforthe basket'shootingrobots,whichhastheabilityofpassingoverobstacles.Moreover,thedesign planandmovementprincipleofthewalkingmechanismarediscussedandthemotionanalysis, movementprogrammingandmovementtoleranceanalysisofthewalkingmechanismare theoretica1]yinvestigated.WalkingrobotswithsuchkindofimprovedmechanismsCanbe widelyusedandhaveabrightfutureofapplication. Keywords:walkingrobot;walkingmechanism;movementariamovementprogramming 一一