基于虚拟样机技术的差动式移动机器人设计

2015-06-12 01:57王彤鉴

机械制造 2015年5期

□ 孙雪 □ 王彤鉴

东北林业大学机电工程学院哈尔滨 150040

目前，用于军事侦察、反恐防暴、火场探测、有毒和易燃易爆场合抢险等危险作业的小型移动机器人，以其体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点成为移动机器人领域的又一热点［1］。由于复杂多变的环境，要求机器人在复杂的地形中可以越过障碍物。所以，开发一种拥有越障功能的小型移动机器人具有重要的意义。

移动机器人是一种智能化程度较高的机械，它集传感技术、人工智能技术、通信技术、图像识别技术、精密及系统集成技术等多种前沿科学技术于一体，代表了智能机械装备的最高水平。移动机器人主要用于探索一些危险和未知的环境地域，特别是在复杂的道路地形下移动机器人适应性较强，不仅可以在平坦的路面上行驶，而且能在崎岖的地形领域中穿越［2］。由于整体尺寸偏小，外形设计的自由度较大，隐形能力强且效果好，在现场搜索和救援、行星探索、军事侦察以及科研等领域具有很高的社会和经济效益，可以在战争时期参与军事活动，亦可以在和平时期参与经济建设，备受各个国家研究人员的广泛关注［3］。

本文设计了一种差动式移动机器人，该机器人主要由行走机构、机械手臂、末端执行器和视觉系统等组成。行走机构采用轮履复合结构，保证了机器人工作时的稳定性；末端执行器采用气动气缸连杆夹取装置。

机器人设计中机械机构决定了其运动的灵活性和控制的复杂程度，机器人在满足使用要求的前提下,应使其结构简单、紧凑、轻巧。本文采用三维实体造型技术、虚拟样机技术等进行机器人的结构设计，为日后物理样机的设计和制造提供参数依据。

1 总体结构方案

差动式移动机器人的总体结构如图1所示，该机器人的末端执行器采用气动气缸连杆夹取装置；行走机构采用轮子-履带复合结构；4个摆臂可使机器人运动平稳；机械臂部分共有4个关节，即腰关节、腕关节2个旋转关节及大臂、小臂2个俯仰关节。车体部分配有相应的控制系统和驱动单元。

机器人在工作状态下先由其视觉系统确定被抓取物体的位置，然后根据定位算法给出物体的三维空间坐标，并将数据传输给控制系统，计算出到达目标物的车体移动路径和机械臂各关节要转动的幅度，再由末端执行器夹取目标物体，最终完成任务。

▲图1 差动式移动机器人

▲图2 机器人运动示意图

▲图3 轮履结构示意图

2 关键结构设计

2.1 行走机构

行走机构是移动机器人运动的基础［4］，履带式行走机构与轮式移动机构相比，其与地面的接触面积大，可以减少对地面的碾压；附着能力强，对地面有较好的适应性，安装上各种执行器后，可在复杂的地形环境下作业，而轮履复合式结构则兼顾了前两者的优点。本文所述机器人采用轮履复合式移动机构，具有直线行走、左右转弯、跨越沟槽障碍、时刻保持工作平台稳定等优点。图2为典型工况下机器人运动示意图：普通路况时，机器人履带摆臂上摆、四轮着地，见图2（a）；当工作环境有斜坡时，由于4个摆臂相对独立并且有各自的驱动力作用，机器人可以做出适应斜坡的姿态，见图2（b）、图 2（c）；遇到沟渠时，机器人运动到沟渠前前摆臂下摆即可通过，见图2（d）。

表1 所需夹持物体的主要特性

表2 末端执行器的主要参数

▲图4 末端执行器结构图

机器人的行走机构采用内外轴结构形式，使车轮旋转的同时摆臂也可以摆动。车体两后轮为主动轮，采用差速驱动，驱动力由两个电动机提供，经过减速机构将动力传给驱动轴。此外，摆臂的自由摆动和同轴转动也采用电动机、减速器和齿轮副等构成传动链传递动力。车体的轮履复合结构示意图如图3所示。

2.2 末端执行器

末端执行器是机器人直接作用于作业对象的部分［5］。对象的物理特性是影响末端执行器设计的重要因素，表1中分类列举了与机器人设计有关的主要特性，末端执行器的主要参数见表2。

杠杆式夹持器（如图4所示）具有摩擦力小、活动灵活、结构简单、成本低的特点，又能在不增加气缸面积的情况下，大大提高夹持力，减轻了手臂的负荷，满足执行系统的要求。此外，气动传动系统气源获取简单，系统的组装、维修以及元件的更换比较方便，以气动系统为动力源，可以使机器人动作速度快、响应性好且工作介质无污染。气压传动工作压力较低，并且一般压缩空气可存贮在储气罐中，即使发生突然断电也不会导致任务执行突然中断。