机械工程度黑龙江省专业技术人员继续教育知识更新培训资料Word格式文档下载.docx

1、器人，它是通过全方位移动机构来实现的。因为全方位移动机构较复杂，对于刚开始学习设计、制作移动机器人的开发者而言是很困难的。这里只讨论三轮、四轮情况下车轮的配置关系以及操纵机构原理。方向操纵机构与轮配置的关系：驱动轮又称主动轮指由原动机经传动系统驱动的轮；从动轮是指没有原动机驱动的轮；主动轮动作后从动轮被动转动。操纵轮指受转向（方向）操纵机构操纵的轮，即可以是驱动轮，也可以是从动轮。三轮、四轮移动机器人操纵机构与轮的配置关系如图2-1所示。图 2-1三轮、四轮移动机器人操纵机构与轮的配置关系（a）（c）是常用的四轮型; （e）（f）是三轮型；（d）是在工程现场、采石场等地方常见的轮式装载机上常用

2、转向操纵机构；（g）（h）（i）都是驱动轮各自独立变换转速的转向机构，从动轮将受其作用被动地自由改变方向。这些都是在转向操纵机构与轮的配置关系上应该考虑的方案。由此可知：操纵车轮改变转向的转向操纵机构与通过各自独立改变转速的转向方法互相比2有，原理与机构上都有很大区别。前者称为转向操纵型车轮；后者称为独立驱动型车轮。2.1转向操纵型车轮的转向操纵原理转向操纵型车轮的操纵机构与自动三轮车/汽车的原理相同。机构与轮的配置关系上应该考虑的方案，但是其中也有不是驱动轮兼做转向轮的。图 2-1（a）所示就是驱动轮为后轮，但用操纵前轮进行转向的 FR机构；图 2-1（b）则是总所周知的前轮兼做驱动轮和操纵

3、轮的 FF机构；图 2-1（c）则是被称为 4WD/4WS的四轮驱动/四轮转向操纵。前后轮相对倾斜左右平行则可平移车体。当车轮垂直立在地面上且车轴与地面平行的情况下，当车轴转动时，车轮在车轮所在垂面（与车轴垂直平面）内相对地面滚动，此时是前后向行进效果最佳状态，但相反也是车轮沿着车轴线方向最难行进的状态。如果沿着车轴线方向也有行进，则车轮不是纯滚动而是有滑动成分。如图 2-2车轮运动模型所示。图2-2薄形车轮模型为使车轮能够没无滑动地纯滚动，所有车轮车轴轴线延长线都应如图2-3所示交于一点。即各轮划圆弧轨迹的中心必须一致。即使实际驾驶四轮汽车时，司机也需要转动方向盘按如图2-3所示那样操控车轮

4、转向。这种操控机构就是Ackerman机构。图 2-3三轮型、四轮型移动体的转向操纵实际驾驶汽车时，停车右向或左向打满舵后下车看一看，就知道右侧前轮与左侧前轮所成的角度是不同的。如果是设计制作这种四轮移动机器人的话，也必须装备类似这样的转向操纵机构。一定要牢记：操纵车轮平行转向的机构是很容易设计与实现的，但是，使车体转向时操纵轮必然会产生滑移，进而会导致转向操纵产生若干不稳定因素。移动机器人上安装转向舵划弧回转时，前轮、后轮也随之划弧。此时，假设移动机器3人一边向左转向一边旋回，则右车轮与左车轮在单位时间内的自转转过的角度是不同的。外侧车轮划弧半径与内侧车轮的相比较，当然是内侧车轮划弧半径小，

5、这是因为外侧车轮划弧（轨迹）转过的弧长比内侧车轮划轨迹周向长度长。如图 2-4所示，设相同时间内内外侧车轮在地面上滚过相同圆周角度，则内侧车辙的圆周向长度（弧长）为（R-T/2）,外侧车辙的圆周向长度（弧长）为（R+T/2）, T为左右车轮间距。因此，相同时间内左右车轮在地面上滚过相同的圆周角,，但所对应外侧轮轨迹弧长大于内侧的，所以外侧轮的转速应大于内侧的。用一个原动机来同时驱动左右车轮，内外侧轮会出现转速差的问题需通过“差动减速器”来解决。且放在左右两轮间轴线中间。车两行进方向速度为 v m/s，左右车轮转速分别为 Nl、Nr,车轮半径为 Rw，Np为原动机输出转速。则有：v kN p R

6、（2 N r 2 N l）w R（ r l）（2.1）图2-4画圆弧的车辆和差动减速器2.2独立驱动型车轮的转向操纵原理车体划弧时，左右车轮转速应不同；若为使左右驱动轮转速能够独立控制，根据需要，改变左右轮转速车体是否划弧呢？答案是肯定的!因此，若为独立驱动型车轮，则应以车体中央为对称左右设置独立驱动型车轮。工程现场所用的挖掘机、推土机、压路机、战车等等都是采用独立驱动型转向操纵机构的代表性实例。如图 1-2（i）所示，将小平板用铰链连在一起呈环状结构履带并在左右设置各一，驱动回转。履带与地面接触面积大，单位面积上的压力较轮接触地面的要小，因此可以用在挖掘机、推土机、压路机等对路面或地面状况影

7、响不大或适应性好的工况下。但是，这种履带接触地面多半不能实现无滑移地转向，所以，如轮式移动所示的模型很难应用于这种履带式移动的车辆。同汽车转向操纵机构模型相比，轮式移动机器人大都采用独立二轮驱动型转向操纵机构。理由有三：1.移动机器人大都用电动机作为动力源，车轮转速易于直接控制；2.不需要像 Ackerman机构那样转向操纵机构，各轮通过减速器与电机独立相连即可；3.产生走行所需动力的电机同时起到转向操纵作用，不需要安装驱动转向操纵机构所需的电机。42.3带有转向操纵机构的移动机器人小车转向角、转弯半径及曲率移动机器人小车基本动作是直行或转弯。首先以简单的三轮小车为例，如图 2-5所示，分析一

8、下转向操纵机构操控转向操纵型车轮的回转半径 R如何计算求得。图 2-5所示，操纵轮（即前轮）位于车体左右方向中间位置，转向操纵机构转向轴与操纵轮的车轴轴线相垂直，且垂直纸面。由后轮车轴轴线中点向前轮引一条与后轮轴线垂直的垂线。该垂线与操纵轮轮向线所成夹角定义为转向角 。其垂足与转向操纵机构转向轴间的距离为 L，称为轮轴距。设转弯半径 R为转弯弧线圆心到后轮轴中点的距离。则转弯半径 R由转向角与轮轴距 L确定为：LR （2.2）tan 其中，与取车体向左转弯打操纵舵时为正。图2-5转向角和回转半径显然，当转向角趋近于 0时，由公式（2.2）可知，R则趋近于。直线行走时可以看做是转弯半径 R为无穷

9、大的圆的特殊情况。向左转弯定义转向角为正，则向右转向角为负；则直线行走也可以看做是转弯半径为的圆的情况。设转弯曲率用=1/R表示。 tan （2.3）即用转弯半径的倒数表示转弯急缓的程度。直行时曲率为转向角=0时的 0。转弯半径越小，即转向角越大则曲率越大。且当很小时，tan 也很小，则 tan（注意：这里是以弧度为单位的）；则曲率与近似成比例。但是，需要注意：如图 2-6所示，图 2-6转向角为 90度时的情况5当转向角=90时的转向操纵机构也是可以制作出来的。如果是差动减速器设在后轮轴且后轮为驱动轮的情况下，要想在静止状态下从转向角为 90的情况下行走出来是非常难的，成为奇异点状态。即即使

10、左右后轮同向回转以产生回转推力，前轮只能滑移而不会使车体回转。由（2.1）式可知：左右车轮转速相等但转向相反时 Np不得不为 0，此时以来自引擎的动力也是不可能使车体产生转弯的。若前轮为驱动轮则与这种情况不同，是可以使车体开始转弯的。最后，就具有转向操纵型车轮操纵机构的移动小车机器人速度进行分析论述。一般的移动小车可以看做是在二维平面上移动，则其速度可以分解为行进方向速度 v和回转方向角速度。v=R 或者 v =（2.4）因此，根据行进方向上的速度 v与转向角,可以确定小车回转角速度为: tan v（2.5）当很小时，tan ，所以有下式成立： v（2.6）2.4带有独立转向型车轮的移动机器人

11、小车转向角、转弯半径及曲率下面分析独立二轮驱动型移动机器人转弯时的回转半径。此时，给定左右车轮的转速，求移动机器人行进方向速度 v和回转角速度，然后求转弯半径或曲率。设左右车轮转动角速度分别为r、l。左右驱动轮间隔为 T，驱动轮半径为 Rw。则有v R（2.7）（2.8）式（2.7）（2.8）成立：写成（2.9）式形式： RT RwRw r v （2.9）RT l T图 1-8独立两轮驱动方式的移动机器人的回转（转弯）6 12Rw v 进一步可以推得：（2.10）（2.11） l2Rw如此若 v、确定，则回转半径 R与曲率、v、间的关系由下式给出：R vor第3章车轮的安装与动力传动制作小型移

12、动机器人常用原动机为直流电机较多。通常电机轴直接与驱动轮相连不现实（思考题：为什么？）。因此，通常在电机与驱动轮之间加减速器传动装置。直接购入电机轴上装有齿轮头的电机的情况下，可再加一对齿轮传动（如图3-1（a）所示）。电机轴上加同步带轮、经同步齿形带将运动和动力传递给大同步齿形带轮，可再通过第二级同步齿形带传动传递给驱动轮（如图3-1（b）所示）。图3-1动力传动机构示意图图3-1c）附图减速比实例1：图3-2为1990年前后筑波大学与INROD研究小组共同设计研制的移动机器人。右侧图（c）为其独立驱动轮的传动原理。图3-2移动机器人实例1（筑波大学智能机器人研究室）实例2：图3-2为筑波大

13、学与ROBOS株式会社共同设计开发的移动机器人。是该公司实验用机器人AT台车贩卖的原型样机。右侧图（d）为其独立驱动轮的传动原理。图3-3移动机器人实例2（筑波大学智能机器人研究室）73.1车轮悬架的必要性为什么需要悬架？前述的机器人实例1、2中都配置了悬挂车轮用的弹簧，且都配置了图1-2（h）中所示的从动轮。左右驱动轮和前后从动轮各两个总计四个车轮。一方面移动机器多数情况下走行在平坦地面或地板上，但是当四个车轮的接地面不是同一平面的情况下总会有车轮要抬离地面。特别是驱动轮抬离地面的情况下则成了非常麻烦的大问题！当然从工作精度保证的角度要想使四个轮子处在同一接地平面并非难事，可是，即使地面多少

14、有些凸凹不平也不会有什么大问题，比起单纯地从车轮处于同一接地平面想办法来，还是在车轮支撑方式上想办法要好的多。如图3-4所示，为使支撑车体框架能够上下动作加装了弹簧。图3-4悬挂的必要性前述实例1、2的机器人的悬架安装方法如图3-4所示的概念性示意图。图3-4（a）所示，电机、减速器、支撑驱动轮的框架构成一个模块称为一个整体部件。为将其通过弹簧悬挂在机器人本体上的悬挂方式。这种悬挂方式结构简单，“弹簧以下重量”即由机器人本体来看，弹簧下面部分的重量即（电机、减速器、驱动轮及其支撑框架整体重量）较大。因此，同机器人本体重量相比较，弹簧以下重量大到不能忽略程度，则难以吸收走行路面凸凹不平时产生的振

15、动。图3-4（b）所示的是类似摩托车驱动轮那样的悬架结构。支撑驱动轮是中间带有同步齿形带轮的轴和能够绕该轴回转的支撑臂。在机器人本体和支撑臂间用弹簧连接起来形成可动连接。与图3-4（a）所示不同之处在于弹簧以下重量主要是驱动轮及其支撑臂的重量，远小于图3-4（a）所示的弹簧以下重量。图3-5所示的是采用合叶型关节的悬浮结构。图3-5从动轮侧悬架安装3.2三轮小车轮是否不需要悬架如图1-2（g）所示那样是仅有一个从动轮、车轮与地面成为三点接触的情况。三点接触肯定在同一个平面上，不会发生有车轮悬置浮动的情况发生。如果制作的是小型移动体则似乎没有必要考虑悬架系统设计问题。但是，也会出现车轮配置是否前

16、后不对称？车体旋回时转动惯量变大等等问题（如图3-6所示）。再者，一旦考虑不使之摔倒的稳定条件，则三轮8小车比四轮小车多少有些更加不利的因素。因为车重心垂直投影在地面上的点如果落在了车轮接地点包围成的多边形的外侧，则移动机器人将翻到在地上（如图3-7所示）。一般情况下即使不翻到搭载重物时往往重心也会变动，在制作的移动体上尝试过搭载计算机后重心变动了不宜翻到的实验等等,需要注意！图3-6三轮车与四轮车对比图3-7车体稳定性第4章机器人如何知道自己所在的位置？移动机器人一边移动一边知道自己所处的位置是非常重要的而且也是必须的。移动机器人是用计算机控制来工作的，计算机对所有的信息进行数字处理，移动机

17、器人的位置和姿态是用数字表示的。即在地面上建立2维坐标系，将移动机器人坐标位置与方向用数值表示即可以了。机器人的移动环境地图可以描述在同一坐标系中，从当前的位置姿态来看立即就能明白移动机器人在地图上位于何处。4.1测程法测程法是移动机器人推定当前所处位置和姿态常用的方法，是对车体速度积分的方法。即用 2.3和 2.4节中得到的车体行进速度 v和回转角速度进行积分的方法。车体的速度是根据车轮单位时间转过的角度求得的。因此，由单位时间内车轮转角的积分 （累积）就可以推算出移动机器人当前所处的位置和姿态，故将这种位置和姿态的推算法称之为“测程法”。设机器人开始移动的时刻为 t0，其后在时刻机器人的行

18、进方向上速度为 v（）,回转角速度为（）（如图 4-1所示）。这些物理量当然能够用传感器测得了。此时，时刻 t移动机器人所处的位置、姿态（x（t）, y（t）, （t）可用下式计算出来。t （t） x（t） y（t） （ ）d （t0）（4.1）v（ ）cos（ （ ）d x（t0）v（ ）sin（ （ ）d y（t0）（4.2）（4.3）其中， x（t0）, y（t0）, （t0）分别为时刻 t0时移动机器人所在的位置与姿态。9图 4-1行走速度的分解与积分实际的移动机器人上搭载的计算机可以每隔极端的时间间隔 t测量 v（t）和（t）。即测量N=0,1,2,时的 v （Nt）和（Nt（）如通

19、过光电编码器传感器）。然后，利用 v （Nt）和（Nt）及式（4.1）、（4.2）、（4.3）的积分以和的形式直接写出进行近似。其近似式如下式所示，其中N=Nt。 （ N ） （ N ） t （ N 1）x（ N ） v（ N ）cos（ （ N ） t x（ N 1）y（ N ） v（ N ）sin（ （ N ） t y（ N 1）（4.4）（4.5）这些积分式实际上是用图 4-2（a）所示的矩形面积近似计算式（4.1）、（4.2）、（4.3）的。仔细观察上述公式：为求解机器人在当前测量时刻N时的位置和姿态量（x（tN）, y（tN）,（tN）的问题，就成为在当前时刻N的前一次测量时刻N-1

20、时的位置和姿态量（x（tN-1）, y（tN-1）,（tN-1）下，用当前测量时刻下的速度 （v（N）,（N）计算的（N）t, v（N）cos（tN）t, v（N） cos（tN）t等增量的逼近形式了。为求得当前时刻下的位置和姿态，只用到当前时刻t前的时刻下位置姿态与当前速度就可以了。再有根据情况，也可用如图 4-2（b）所示的梯形图进行近似计算： （ ） （ （ N ） （ N 1） t （ N 1）（4.6）（4.7）（4.8）Nx（ ） （v（ N ）cos（ （ N ） v（ N 1）cos（ （ N 1） t x（ N 1）y（ ） （v（ N ）sin（ （ N ） v（ N 1）

21、sin（ （ N 1） t y（ N 1）图 4-2积分的近似上述有关移动机器人位置和姿态推算的测程法是最基本的方法。可是，当机器人车轮一旦产生滑移，如上所述方法中积分近似法就会产生误差。行走距离越远产生的误差就越大。104.2车轮的回转角、角速度的测量方法独立二轮驱动型移动机器人的行进方向速度 v和回转角速度可用式（2.7）、（2.8）计算出来。因此为用测程法计算行进方向速度 v和回转角速度，如何测量出左右驱动轮的的回转角速度l、r呢？如果采用步进电机驱动的话，给予电机的一个电气脉冲对应的电机轴回转角速度是一定的，所以可以按与其脉冲数成比例计算出回转角度。如果采用伺服电机驱动的话（经常采用的

22、方式），电机轴上安装有脉冲式光电编码器，可由该编码器读出输出信号的脉冲数。脉冲式编码器每转一周（360）输出数十数千个脉冲信号，每转输出的脉冲数由该编码器的结构与性能参数决定。对于移动机器人，车轮转向必须对应正负，使用带有 A、B相两相输出的编码器。如图 4-3所示，将编码器 A、B两相输出信号输入到 Up-Down（脉冲信号上升沿、下降沿）计数器。该计数器对来自编码器的脉冲数计数，其计数值保持在二进制数状态。根据回转方向计数器计数值增加或减少。即按某一方向回转计数值增加。则按其反方向回转则计数值减小。被保持在计数器中的值由计算机按着每隔一定时间间隔t读取。此处设时刻N时的计数器值为 n（N）

23、, t（=N-N-1）期间的脉冲数差分设为（N）。可写为： （ N ） n（ N ） n（ N 1）（4.9）编码器每转一周输出脉冲数为 Nenc,则t （=N-N-1）期间的编码器转角（N）可表示为： （ ） 2 （ N ）（4.10）Nenc以度为单位可表示为： （ ） 360 （ N ）（4.11）图4-3使用脉冲编码器的转速计算设电机轴和车轮轴间的减速器减速比为，相对于电机轴每转，车轮轴的转速为 1/。因此，减速后转角g（N）和角速度g（N）分别为：11 g （ N ） （ N ） （ N 1）（4.12）（4.13）g g （ N ） （ N ） t独立二轮驱动型的移动机器人情况下，

24、将式（4.12）分别用于左右驱动轮，即分别取为l、r就可以了。若其电机与转向操纵机构轴相连，使用式（4.13）可知转向操纵轮的转向角。测量回转轴转角的传感器除上述提到的光电编码器外，还有测速电机、电位计等等。第5章如何选择、使用电机？电机有各种类型的，如何选择合适的电机用于驱动移动机器人？本节 5.1节首先估算移动机器人行走时所需要的力有多大。不估算好则无法选用电机。相应于移动机器人行走所需要的力，电机能够产生的驱动力不足则得不到期望的移动速度；如果电机产生的驱动力过大，则对于移动机器人而言，电机驱动能力浪费了！由估算过程可知，移动机器人走行时速度是由该速度下移动机器人所受摩擦力与电机产生的力之间的平衡关系确定的。下