多自由度冗余救災(zāi)蛇形機(jī)器人設(shè)計說明書

1、多自由度冗余救災(zāi)蛇形機(jī)器人 設(shè)計說明書 作品名稱:多自由度冗余救災(zāi)蛇形機(jī)器人作 者:連智超、郭青、李松、胡文強(qiáng)、李放指導(dǎo)老師:韓書葵、康會峰河北省北華航天工業(yè)學(xué)院目 錄1 背景及意義 . . 32 設(shè)計方案 . . 3 2.1機(jī)構(gòu)設(shè)計 . 42.2基本尺寸 . 53 蛇形機(jī)器人的運動分析 . 5 3.1蛇形機(jī)器人蠕動分析 . 6 3.2蛇形機(jī)器人蜿蜒運動 . 8 3.3蛇形機(jī)器人側(cè)向運動 . 93.4蛇形機(jī)器人側(cè)向翻滾 . 94 蛇形機(jī)器人的控制 . 10 4.1蛇形機(jī)器人控制系統(tǒng) . 104.2蛇形機(jī)器人無線控制方式 . 115 蛇形機(jī)器人的導(dǎo)航分析 . 116 工作原理分析 . 127主要

2、創(chuàng)新點 . . 128 應(yīng)用前景分析 . 129 方案一的實驗仿真 . 12 9作品外形照片 . . 15多自由度冗余蛇形機(jī)器人說明書設(shè)計者:連智超,胡文強(qiáng),李松,郭青,李放指導(dǎo)老師:韓書葵,康會峰(北華航天工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系,廊坊 065000作品內(nèi)容簡介1 背景及意義隨著科學(xué)的日益進(jìn)步和人們生活水平的不斷提高,機(jī)器人作為 20 世紀(jì)人類的偉大發(fā)明之一,已經(jīng)逐 步地進(jìn)入了生產(chǎn)和生活領(lǐng)域:工業(yè)生產(chǎn)中的用力進(jìn)行超精密加工的并聯(lián)機(jī)器人,海洋勘探領(lǐng)域中的水下機(jī) 器人,太空探索領(lǐng)域中的行星探測器如美國的火星車,流水線上代替人工的工業(yè)機(jī)器人,類人機(jī)器人和仿 生機(jī)器人。這些機(jī)器人的出現(xiàn)并逐步應(yīng)用,使我們能

3、強(qiáng)烈地感受到機(jī)器人應(yīng)用范圍之廣,影響程度之深。 機(jī)器人的研究領(lǐng)域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點作業(yè)中走出來,向著非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)方向發(fā)展。 傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化的、未知環(huán)境下作業(yè)的要求,要解決的主要問題之一就是 能實現(xiàn)新的運動方式。傳統(tǒng)的輪式移動機(jī)器人的運動平滑 , 效率高 , 但需要相對光滑的地面 , 不能夠適應(yīng)惡 劣的環(huán)境。同樣使用履帶,可以改進(jìn)移動機(jī)構(gòu)適應(yīng)地面的能力,但它卻無法充分實現(xiàn)運動的靈活性。步行 機(jī)器人有著諸如運動的速度慢和穩(wěn)定性差等弊端,這就促使人們?nèi)ミM(jìn)一步尋找靈活的運動模式。而自然界 的蛇的運動是一種“無肢運動” , 它不需要輪子和腿。蛇由于在結(jié)構(gòu)上無肢,

4、可以爬樹、游水、鉆洞、繞 過障礙物、穿越沙漠,在平坦的地面爬行更是能達(dá)到行動如飛。蛇的身體,雖然只不過象一條繩子,但具 有多種運動變化方式,功能強(qiáng)大:在前行的時候可以當(dāng)“腿腳” ,在攀爬的時候可以當(dāng)“手臂” ,而在攫取 東西的時候又可以當(dāng)“手指” 。蛇形機(jī)器人模擬自然界蛇的無肢結(jié)構(gòu),具有多關(guān)節(jié)、多自由度,多冗余自由度的特點,可以有多種運 動模式,良好的地面適應(yīng)性和運動穩(wěn)定性,在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景:如在有輻射、有毒等危險環(huán) 境下的偵察和搜索;在地震、塌方及火災(zāi)后的廢墟中搜尋災(zāi)難幸存者;在狹小和危險條件下探測和疏通管 道;在航空航天領(lǐng)域可用其作為行星表面探測器,軌道衛(wèi)星的柔性手臂。蛇形機(jī)器

5、人具有穩(wěn)定性好、橫截 面小、柔性等特點,能在各種粗糙、陡峭、崎嶇的復(fù)雜地形上行走,并可攀爬障礙物,這是以輪子或腿作 為行走工具的機(jī)器人難以做到的。由于其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),因此,在廢墟搜索救援工作中,具有廣闊的應(yīng) 用前景。2 設(shè)計方案多自由度冗余救災(zāi)蛇形機(jī)器人是將蛇的結(jié)構(gòu)加以簡化,提出了連桿鉸鏈機(jī)構(gòu) , 分析了自然界蛇的典型運 動方式。本設(shè)計包括對蛇形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計,對運動形式進(jìn)行分析,確定蛇形機(jī)器人的控制方案以及選 擇的傳感器,使機(jī)器人在復(fù)雜的地面上工作,實現(xiàn)救災(zāi)功能。2.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計從仿生的角度對蛇形機(jī)器人的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計,并對其運動機(jī)理進(jìn)行了研究,提出一種新型的可重構(gòu) 蛇形機(jī)器人機(jī)構(gòu),如圖

6、 1所示。智能控制單元是由一個控制板和一個舵機(jī)組成,舵機(jī)是和舵機(jī)架相連接, 舵機(jī)架和轉(zhuǎn)動框架相互連接。工作時,舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動,通過連接的圓形舵帶動轉(zhuǎn)動框架轉(zhuǎn)動。舵機(jī)的輸出由 活動板傳遞給下一單元。同時,連接板上的連接孔均勻地分布在同一直徑的圓周上,可保證兩模塊按軸線 平行或垂直方式連接,實現(xiàn)了模塊間連接的通用性,達(dá)到機(jī)構(gòu)可重構(gòu)的設(shè)計目的。 圖 1 蛇形機(jī)器人的連接結(jié)構(gòu)蛇形機(jī)器人的運動單元主要有兩種組合形式,方案一是單元間的舵機(jī)架與轉(zhuǎn)動框架平行連接,實現(xiàn)兩 個單元的轉(zhuǎn)動軸為平行關(guān)系,如圖 2所示,單元組可進(jìn)行二維空間的運動。 圖 2 蛇形機(jī)器人的連接方式一第二種連接方式方案是單元間的舵機(jī)架與轉(zhuǎn)動框架

7、垂直連接,如圖 3所示,實現(xiàn)兩個單元的轉(zhuǎn)動軸 為正交關(guān)系,即單元組可進(jìn)行三維空間的運動 如圖 3 連接方案二2.2 基本尺寸蛇形機(jī)器人總長度為 70 cm, 重約 2.5kg -5kg, 機(jī)構(gòu)的主體材料是鋁合金, 在下表面是摩擦系數(shù)比較大 蛇形機(jī)器人總共有 10個關(guān)節(jié),其中包括一個頭和一個尾。在頭部安裝了兩只眼睛 , 利用螺釘連接。眼 睛不只為裝飾 , 將其做成兩個部件的裝配結(jié)構(gòu) , 眼球內(nèi)裝有傳感器 , 實現(xiàn)智能控制。尾部是整個機(jī)器人的供 電中心 , 需要安裝一塊 6V 的電池 , 為了使其在運動中穩(wěn)定且不發(fā)生松動或滑落現(xiàn)象 , 采用雙側(cè)卡槽的安裝 方式 , 底部加上限位螺釘。3 蛇形機(jī)器人

8、的運動分析理論直線運動速度 1m/min。能夠爬 30度斜坡,并能夠越過 10cm 左右的臺階,可以實現(xiàn)避障功能。 在倒塌的建筑物中,有很多碎石,紡織物,而且有些地方是干的,有些地方由于水管的破裂變得泥濘,因 此要求蛇形機(jī)器人有多種運動方式,適應(yīng)不同的環(huán)境。本課題研究的蛇形機(jī)器人可以實現(xiàn)四種運動:蜿蜒運動:用于在較平坦的地面上運動。 伸縮運動:用于通過狹窄的通道 側(cè)向移動:用于在碎石中運動翻滾運動:用于自身姿態(tài)調(diào)整及越障 3.1 蛇形機(jī)器人蠕動分析蛇形機(jī)器人的蠕動過程首先將機(jī)器蛇簡化為 N 節(jié)長度為 l 的平面連桿系統(tǒng)初始狀態(tài)時蛇形機(jī)器人為一 條直線如圖 4所示。 圖 4 蠕動過程的運動波形運

9、動開始時 P 0 P1 和 P 1P 2 運動。點 P 0沿著 x 軸前進(jìn),其他點 P i 2 固定不動。與此同時桿件 P 0 P1與 x 軸之間的夾角 a 從 0 到達(dá)給定的角度 0 a 當(dāng)該階段結(jié)束時桿 P 0 P 1與 x 軸之間的夾角為 a 0。 圖 3中階段 c 此 時除了 P 1點外其他點均位于 x 軸上下一階段 P 0 P1 P 1 P 2 和 P 2 P3 為動桿點 P 0 和 P i , 其中 i 3 均保持 不動夾角 a 從 a 0 變?yōu)?0 與此同時 P 2P 3與 x 軸的夾角 b 從 0 變?yōu)?a 0 見圖 3-1 中 d 當(dāng)這一階段結(jié)束時系統(tǒng) 處于狀態(tài) P 1P 2

10、 和 P 2 P 3與 x 軸之間成等腰三角形除了點 P 2 外其他點均位于 x 軸上重復(fù)這個過程直到蛇形 機(jī)器人到達(dá)狀態(tài) f 最后恢復(fù)到直線狀態(tài) g 在一個運動周期內(nèi)整個系統(tǒng)沿 x 軸的位移 StepL 相當(dāng)于點 P 0 從 狀態(tài) a 到狀態(tài) b 的位移設(shè)每一節(jié)長為 l 有(021cos StepL l =-從圖 4可知在波形傳遞階段動點為 P i 和 P i + 1 (1 i N -1 其他點靜止不動比如運動波形從狀態(tài) c 到 狀態(tài) e 只有點 P 1 和 P 2 在動因此可以將 P i -1P i , P i P i +1 , P i +1P i +2和 P i -1P i +2 簡化成

11、如圖 5所示的四連桿機(jī)構(gòu)。 圖 5 蛇形機(jī)器人運動模型在波形轉(zhuǎn)換過程中 1i i P P -, P 1 - i 和 P 2 + i 之間的距離 d 不變即 d 0 = l + 2l cos a , 圖中 q i 表示組成運動波形的 連桿與水平地面的夾角, f i 表示相鄰連桿間的夾角,順時針為負(fù)逆時針為正。根據(jù)圖 5 所示在連桿 1i i P P -,12i i P P +存在如下矢量關(guān)系即124i i i le le d le +=+將其在 x , y 軸上分解得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 =+-=+-根據(jù)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+ 這里 N 代表符號系數(shù),通過上面的公式可以得到轉(zhuǎn)角 421421sin sin arctancos cos l l d l l -=+-3.2 蛇形機(jī)器人蜿蜒運動蛇形機(jī)器人蜿蜒運動曲線的方程為(0cos sx s d =(0sin sy s d =其中 (cos a b c =+; s

13、表示從起始點到當(dāng)前點的弧長; a 表示曲線的擺動幅度; b 表示單元長度內(nèi) 包括的波形周期數(shù); c 波形的偏移角下面我們將給出由 n 桿組成的近似的蜿蜒運動曲線并用 x (s 和 y (s 表示假設(shè)每個連桿的長度為 1/ n 那么曲線上的第 n +1 點可近似表示為 i s =, 于是 x (s i 和 y (s i 可近似表示為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 桿沿逆時針方向與 x - axis 軸間的絕對角度為(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 表示為(cos /i a ib n ic n =+上式是由 n 桿組成的近似蜿蜒運動的角度函數(shù)假如蛇形機(jī)器人的角度變化函數(shù)為(' cos m t in i =+那么此時蛇形機(jī)器人相鄰連桿之間的相對角度變化函數(shù)為(' ' 12sin /2sin i i m n t i n -=-+-+由蜿蜒運動曲線的定義及對 n 桿組成的近似蜿蜒運動的分析我們完全可以將蜿蜒運動的蛇形機(jī)器人 相鄰連桿之間的角度函數(shù)定義為(sin i i =+式中 為運動波形的最大擺動幅度; 為蛇形機(jī)器人相鄰兩關(guān)

15、節(jié)的相位差; 為運動運動波形的角度偏移值; 表示波形傳播速度 。 那么此時在參考坐標(biāo)系 (x ' o ' y ' 中蛇形機(jī)器人的角度變化函數(shù)可表示為' 1'cos ' 2i i i =+ 式中' 1' 2sin '/2=3.3 蛇形機(jī)器人側(cè)向運動蛇形機(jī)器人在側(cè)向蜿蜒運動過程中,部分機(jī)體與地面接觸、作為靜態(tài)接觸點,部分機(jī)體抬起實現(xiàn)空間 側(cè)移, 如此反復(fù), 實現(xiàn)側(cè)向前進(jìn)。 由于運動過程中, 機(jī)體是由上向下與地面接觸的, 所受的摩擦阻力較小, 而幾機(jī)體與地面有多個接觸點, 因此適合沙漠、 軟土等低剪切運動環(huán)境。 在松軟和溫度較高

16、的沙漠環(huán)境中, 如果蛇形機(jī)器人采用平面蜿蜒運動進(jìn)行連續(xù)作業(yè), 將消耗大量的摩擦功, 導(dǎo)致蛇體的摩擦變形、 受熱損壞。 而如果采用側(cè)向蜿蜒運動,由于其滑動摩擦阻力小,且部分機(jī)體與地面接觸,可以克服平面蜿蜒運動所帶 來的缺點,提高運動的效率。側(cè)向是蛇形機(jī)器人可實現(xiàn)純側(cè)向位移的一種運動方式 , 它也是通過控制它的 Z 軸和 X 軸的轉(zhuǎn)角變化 (正弦 而實現(xiàn)的 , 與側(cè)向蜿蜒運動不同之處是每個運動波內(nèi)的各個關(guān)節(jié)之間相差為零 . 兩個異相波有一 個相位差為 DU. 其運動表達(dá)式為(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 =-+ =-+ 兩個波形曲線的相差和波的傳播方向決定側(cè)向運動的姿態(tài)和方向 , 實驗表明 , 要達(dá)到較好的運動效果 ,兩個波之間的相差也應(yīng)為±P ö 2. 通過控制運動波的幅值不同可以實現(xiàn)各種形式的側(cè)向移動 . 當(dāng)所選的幅 值較小時 , 蛇形機(jī)器人頭部和尾部與腹部交替與地面接觸 ,3.4 蛇形機(jī)器人側(cè)向翻滾側(cè)向翻滾運動是一種自然界中生物蛇沒有的特殊運動方式,是蛇體繞其體軸回轉(zhuǎn)的一種運動模式,是 通過機(jī)體在兩個互相垂直的平面內(nèi)形成兩個弧形曲線的相互作用實現(xiàn)的。不同平面內(nèi)兩相鄰模塊的相互作 用,產(chǎn)生了繞體軸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩。通過調(diào)整弧形曲線的弧度,它可以實現(xiàn)與地面全

18、接觸的純側(cè)向滾動或 部分關(guān)節(jié)與地面脫離的空間滾動形蛇形機(jī)器人的翻滾運動用于自身姿態(tài)調(diào)整及越障,形機(jī)器人側(cè)向滾動也 可以看作是相互垂直的兩個平面內(nèi)波的共同作用實現(xiàn)的,與側(cè)向蜿蜒運動不同之處在于,每個運動平面內(nèi) 的各關(guān)節(jié)變化的相位差為零,即兩個平面內(nèi)的波不再是 Serpenoid 曲線,而是圓弧狀,翻滾運動的控制方程 為:(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 蛇形機(jī)器人的控制4.1蛇形機(jī)器人控制系統(tǒng)蛇形機(jī)器人由 8個運動關(guān)節(jié)模塊組成,通過控制每個關(guān)節(jié)的相對轉(zhuǎn)動角度來實現(xiàn)相應(yīng)

19、的運動。每個關(guān)節(jié)上都有一個執(zhí)行單元,在蛇頭部分有一個主控單元,主控單元通過 CAN 總線將各個分散的執(zhí)行單元連接 起來,構(gòu)成蛇形機(jī)器人的分布式控制系統(tǒng)。主控單元是蛇形機(jī)器人的大腦,安裝在蛇頭上,由單片機(jī)、無 線通訊模塊及 CAN 總線接口等部分組成,其工作原理是無線通訊模塊接收來自監(jiān)控系統(tǒng)的控制信號后,通 過單片機(jī)的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,單片機(jī)根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)給出的指令來決定蛇形機(jī)器人的運動模式、運動方向 以及到達(dá)目標(biāo)位置,然后按上面介紹的運動方程進(jìn)行運動規(guī)劃,并將各關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)通過 CAN 總線傳送 給執(zhí)行單元.同時單片機(jī)也通過 CAN 總線接收來自每個執(zhí)行單元的自身狀態(tài)信息。采用帶有 PC 機(jī)和

20、無線傳 圖 6 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖通過 PC 的人機(jī)界面 (HMI上的按鈕來選擇蛇形機(jī)器人的運動模式, PC 機(jī)的人機(jī)界面能選擇并顯示當(dāng) 前的運動模 式 各驅(qū)動關(guān)節(jié)電機(jī)的運動狀況傳感器的工作狀況安裝有 CCD 后可以進(jìn)行采集圖像 。該控制系統(tǒng) 具有友好的人機(jī)交互界面,操作者能通過 HMI 全面了解各驅(qū)動關(guān)節(jié)電機(jī)的工況,并能通過鼠標(biāo)來選擇并顯 示當(dāng)前的運動模式傳感器的工作狀況采集的圖像采用分層控制思想,可以大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性 也就解決了多關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的控制難題。由于實現(xiàn)了分布式控制,每個單片機(jī)單獨控制相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)當(dāng) 可以在上位機(jī)上設(shè)置硬件來選擇本地控制和遠(yuǎn)程控制的兩種模式, 不影響

21、蛇形機(jī)器人的運行。 在沒有 PC 和 上位機(jī)的干預(yù)時下位單片機(jī)也可以按照默認(rèn)的模式運動,并且某一個單片機(jī)驅(qū)動的損壞并不影響到其他關(guān) 節(jié)的驅(qū)動。4.2蛇形機(jī)器人無線控制方式由于蛇形機(jī)器人需要應(yīng)用在人通常難以到達(dá)或危險的場所如在廢墟中的執(zhí)行搜救或管道中的執(zhí)行檢 測, 因此上位單片機(jī)和 PC 機(jī)的人機(jī)界面 HMI 必須用無線傳輸模式在課題研發(fā)的初步我們先考慮能傳輸較 長距離如能達(dá)到數(shù)公里的無線傳輸模塊而且這種模塊應(yīng)該具有較高的性價比并能提供單片機(jī)的 TTL 電平 UART 接口。本課題采用的是上海上海漢凌電子有限公司開發(fā)的 HLSrf-108 型無線模塊, 該無線模塊支持 1200bps 2400b

22、ps 4800bps 9600bps 19200bps 等多種接口波特率傳輸距離遠(yuǎn)在視距情況下天線高度 >3 米時可靠傳輸 離距 >3000mBER=10-3/1200bps 突出的優(yōu)點是能提供標(biāo)準(zhǔn) RS-232 RS-485 和 UART TTL 電平接口方式可 與計算機(jī)用戶的 RS-485 設(shè)備或其他 URAT 設(shè)備直接相連接使用用戶只需要拔 /插短路器再上電即可以改變 接口類型,如圖 7所示。 圖 7 無線傳輸模塊5 蛇形機(jī)器人的導(dǎo)航分析機(jī)器人導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)包括機(jī)器人定位與地圖構(gòu)建機(jī)器人路徑規(guī)劃機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)傳感器數(shù)據(jù)融合傳 感器的導(dǎo)航方式是移動機(jī)器人導(dǎo)航發(fā)展的必然趨勢這種多傳

23、感器的信息融合。對于救災(zāi)的蛇形機(jī)器人的 研究領(lǐng)域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點作業(yè)中走出來向著非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè),未知環(huán)境中的蛇形機(jī)器 人運動規(guī)劃面臨兩個主要問題蛇形機(jī)器人的導(dǎo)航和路徑規(guī)劃解決辦法是采用傳感器和空間構(gòu)形法在蛇形機(jī)器人都安裝了一些非視覺傳感器如超聲傳感器紅外傳感器接觸傳感器等 ,利用這些傳感器 可以實現(xiàn)機(jī)器人導(dǎo)航。超聲數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)結(jié)合通過事先訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測障礙物的可能位置從而 使得機(jī)器人能夠在動態(tài)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中實現(xiàn)自主導(dǎo)航,技術(shù)充分利用了多個傳感器的資源通過對這些傳 感器及其觀測信息的合理支配和利用把多個傳感器在空間或時間上的冗余或互補信息根據(jù)一定的準(zhǔn)則進(jìn) 行組合從而獲得對被測對象的一致性解釋或描述因此它不但能夠提高導(dǎo)航精度同時也使整個導(dǎo)航系統(tǒng)具 有了較高的魯棒性。6 工作原理分析蛇形機(jī)器人的工作原理是靠機(jī)器人與地面之間的摩擦來實現(xiàn)機(jī)器人的運動。我們所設(shè)計的機(jī)器人不僅 可以在廢墟中尋找生命,還可以用于星球探測等地形很復(fù)雜的場所。這里所設(shè)計的機(jī)器人具有自我分析的 能力,根據(jù)傳感器獲得的地面信息能夠進(jìn)行自我分析,然后采用最適合的運動方式進(jìn)行運動,所以蛇形機(jī) 器人可以在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中進(jìn)行工作。7主要創(chuàng)新點(1本作品中所設(shè)計的機(jī)器人是按照自然界中蛇的行走方式進(jìn)行的設(shè)計,所以是一個仿生機(jī)器人。 (2蛇行機(jī)器人的每個運動單元可以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的重組。(3所制造的蛇形機(jī)器人的每個單元