基于虛擬樣機技術的差動式移動機器人設計

2015-06-12 01:57:26王彤鑒

機械制造 2015年5期

□ 孫雪 □ 王彤鑒

東北林業大學機電工程學院哈爾濱 150040

目前，用于軍事偵察、反恐防暴、火場探測、有毒和易燃易爆場合搶險等危險作業的小型移動機器人，以其體積小、成本低、生存能力強、運動靈活等特點成為移動機器人領域的又一熱點［1］。由于復雜多變的環境，要求機器人在復雜的地形中可以越過障礙物。所以，開發一種擁有越障功能的小型移動機器人具有重要的意義。

移動機器人是一種智能化程度較高的機械，它集傳感技術、人工智能技術、通信技術、圖像識別技術、精密及系統集成技術等多種前沿科學技術于一體，代表了智能機械裝備的最高水平。移動機器人主要用于探索一些危險和未知的環境地域，特別是在復雜的道路地形下移動機器人適應性較強，不僅可以在平坦的路面上行駛，而且能在崎嶇的地形領域中穿越［2］。由于整體尺寸偏小，外形設計的自由度較大，隱形能力強且效果好，在現場搜索和救援、行星探索、軍事偵察以及科研等領域具有很高的社會和經濟效益，可以在戰爭時期參與軍事活動，亦可以在和平時期參與經濟建設，備受各個國家研究人員的廣泛關注［3］。

本文設計了一種差動式移動機器人，該機器人主要由行走機構、機械手臂、末端執行器和視覺系統等組成。行走機構采用輪履復合結構，保證了機器人工作時的穩定性；末端執行器采用氣動氣缸連桿夾取裝置。

機器人設計中機械機構決定了其運動的靈活性和控制的復雜程度，機器人在滿足使用要求的前提下,應使其結構簡單、緊湊、輕巧。本文采用三維實體造型技術、虛擬樣機技術等進行機器人的結構設計，為日后物理樣機的設計和制造提供參數依據。

1 總體結構方案

差動式移動機器人的總體結構如圖1所示，該機器人的末端執行器采用氣動氣缸連桿夾取裝置；行走機構采用輪子-履帶復合結構；4個擺臂可使機器人運動平穩；機械臂部分共有4個關節，即腰關節、腕關節2個旋轉關節及大臂、小臂2個俯仰關節。車體部分配有相應的控制系統和驅動單元。

機器人在工作狀態下先由其視覺系統確定被抓取物體的位置，然后根據定位算法給出物體的三維空間坐標，并將數據傳輸給控制系統，計算出到達目標物的車體移動路徑和機械臂各關節要轉動的幅度，再由末端執行器夾取目標物體，最終完成任務。

▲圖1 差動式移動機器人

▲圖2 機器人運動示意圖

▲圖3 輪履結構示意圖

2 關鍵結構設計

2.1 行走機構

行走機構是移動機器人運動的基礎［4］，履帶式行走機構與輪式移動機構相比，其與地面的接觸面積大，可以減少對地面的碾壓；附著能力強，對地面有較好的適應性，安裝上各種執行器后，可在復雜的地形環境下作業，而輪履復合式結構則兼顧了前兩者的優點。本文所述機器人采用輪履復合式移動機構，具有直線行走、左右轉彎、跨越溝槽障礙、時刻保持工作平臺穩定等優點。圖2為典型工況下機器人運動示意圖：普通路況時，機器人履帶擺臂上擺、四輪著地，見圖2（a）；當工作環境有斜坡時，由于4個擺臂相對獨立并且有各自的驅動力作用，機器人可以做出適應斜坡的姿態，見圖2（b）、圖 2（c）；遇到溝渠時，機器人運動到溝渠前前擺臂下擺即可通過，見圖2（d）。

表1 所需夾持物體的主要特性

表2 末端執行器的主要參數

▲圖4 末端執行器結構圖

機器人的行走機構采用內外軸結構形式，使車輪旋轉的同時擺臂也可以擺動。車體兩后輪為主動輪，采用差速驅動，驅動力由兩個電動機提供，經過減速機構將動力傳給驅動軸。此外，擺臂的自由擺動和同軸轉動也采用電動機、減速器和齒輪副等構成傳動鏈傳遞動力。車體的輪履復合結構示意圖如圖3所示。

2.2 末端執行器

末端執行器是機器人直接作用于作業對象的部分［5］。對象的物理特性是影響末端執行器設計的重要因素，表1中分類列舉了與機器人設計有關的主要特性，末端執行器的主要參數見表2。

杠桿式夾持器（如圖4所示）具有摩擦力小、活動靈活、結構簡單、成本低的特點，又能在不增加氣缸面積的情況下，大大提高夾持力，減輕了手臂的負荷，滿足執行系統的要求。此外，氣動傳動系統氣源獲取簡單，系統的組裝、維修以及元件的更換比較方便，以氣動系統為動力源，可以使機器人動作速度快、響應性好且工作介質無污染。氣壓傳動工作壓力較低，并且一般壓縮空氣可存貯在儲氣罐中，即使發生突然斷電也不會導致任務執行突然中斷。