智能搶險救災履帶式機器人 - 下載本文

雙節四履帶式、多節多履帶式、多節輪履復合式以及自重構式移動機器人。

圖1-1 美國iRobot公司PackBot機器人

① 單節雙履帶式移動機器

“劍”移動機器人是由美國福斯特-米勒公司和奎蒂克公司(QinetiQ)共同研制且用于武器觀測、偵察和目標捕獲的特種機器人系統。

由美國白特爾公司(Battelle)開發的ROCOMP機動平臺,主要用于運輸軍用物資,可上下樓梯和斜坡,能通過窄小房間和過道,采用無線電進行控制或者沿計算機預編程路線進行行駛,行駛中能自動避開障礙。英國30多年前就研制了一種叫做“獨輪手推車”(Wheelbarrow)的排爆機器人(如圖1-2)。英國皇家武器裝備研究與發展院研制的手推車MK8遙控車是世界上有名的排爆機器人。此外,德國Telerob公司生產的MV4系列機器人也是單節雙履帶式。北京京金吾高科技公司開發的Jw902(第5代)排爆機器人屬國家科技部863計劃項目。Jw902機器人的主要功能是抓取,它優于國內外同類的各種機器人。

圖1-2 英國的“獨輪手推車”(Wheelbarrow)的排爆機器人

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②雙節雙履帶式移動機器人

國外開發的多為雙節雙履帶式移動機器人,因為此種移動機器人與單節式相比較,越障功能更優。目前上海大學正在研制的關節式履帶爬梯機器人就是屬于這種結構。美國福斯特-米勒公司開發的履帶式“鷹爪”無人作戰平臺,最初設計用途是為了排除復雜、簡易爆炸物,其重量不超過45k,其遙控距離達l000m,目前該型機器人已在伊拉克和阿富汗執行了20000多次任務。

③多節多履帶式移動機器人

采用多節多履帶式結構的機器入越障能力更強,但是其價格也較高,控制也更復雜。由我國自行生產的“靈蜥一B”型排爆機器人(如圖1-3),利用三段履帶式設計,裝置行走、機械手、云臺3個攝像頭,最大行走速度30m/s,能抓取15公斤重物,爬行400斜坡和樓梯,越過40cm高的障礙和50cm寬的壕溝,自帶電源可連續工作4小時。美國Vecan公司日前準備研發新一代戰場救援機器人VecnaBEAR。科學家們已經對其構造進行了初步設計:上身采用液壓伸縮裝置,底部使用履帶式驅動系統,添加動力平衡技術。在最近的一次電腦模擬演示中,VecnaBEAR成功地托起一個普通人重量的虛擬士兵而沒有跌倒。目前研究人員正在開發VecnaBEAR的履帶裝置。

圖1-3 中國的“靈蜥一B”型排爆機器人

④多節輪履復合式移動機器人

輪履復合式一般為3節,其中間為輪式,兩端為履帶臂。采用此種結構形式,既可以充分發揮輪式的快速性,又可以突出履帶式良好的地面適應性。目前國內外

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也正在積極開發該種機器人。像Y.Maeda等的多功能機器人、Andros系列機器人、以及中科院沈陽自動化所研制的CLIMBER。美國Remotec公司的Andros系列機器人受到各國軍警部門的歡迎。Andros機器人可用于小型隨機爆炸物的處理,它是美國空軍客機及客車上使用的惟一的機器人。最新設計的Mini—AndrosII機器人配置了活節履帶及輪盤底盤,最大觸及距離達2m。機器人采用模塊化設計,能夠快速拆裝,更換不同工具。機身小巧,可以在大型機械人不能達到的區域進行操作。“變形金剛”是美國為戰時營救行動量身定做的機器人。該機器人安裝有液壓驅動的雙臂,可以舉起重180kg的重物,依靠滑輪、軌道和關節系統還可以做出各種動作,它甚至可以彎腰爬上陡峭山坡,還可以緊貼地面行動。中科院光電所研制的超小型排爆機器人目前已經研制成功,該機器人具有2個機械臂(一大一小),可以同時上下夾取物體,此外,機械臂還可以進行翻轉。

⑤自重構式移動機器人

1994年,斯坦福大學的Mark Yim在他的博士論文中提出了一種模塊化可重組機器人的設計思想,并仿真實現了機器人的多種重組結構,以及多種不同的運動步態。由于模塊化可重組機器人具有靈活的物理結構及良好的環境適應能力、生存能力,國外很多機構開始著手這方面的研究。山東科技大學提出的一種可變形履帶機器人,主要由1個軀體部分、4個折疊臂、4個履帶體所組成,其中每一個履帶體都通過一個折疊臂和機器人的軀體相聯。該機器人共有12個自由度,其中有8個轉動關節驅動和4個履帶驅動。該機器人不怕翻滾,越障、爬坡能力更強,可以翻越相對更大(或更高)的高墻或溝壑,甚至可以在泥濘與沼澤地中行走。哈爾濱工業大學機器人研究所研制的模塊化可重構履帶式微小型機器人,單個機器人可以獨立運行,多個機器人可以重構成鏈型和環形機器人。該微小型機器人結構緊湊、體積小、重量輕。采用兩位微控制器和PC機兩級控制體系,兩級間采用藍牙通訊。該機器人的鏈型重構具有較強的越障能力,能爬越樓梯;環形機器人具有速度較高及路面適應能力強的特點。

3腿式行走機構

腿式機器人有更強的地形適應能力,其有以下特點:

第一,腿式機器人的運動軌跡是一系列離散的足印,輪式和履帶式機器人的則是一條條連續的軌跡。崎嶇地形中往往含有巖石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障礙物,可以穩定支撐機器人的連續路徑十分有限,這意味著輪式和履帶式機器人在這種地形中已經不適用。而腿式機器人運動時只需要離散的點接觸地面,對這種地

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形的適應性較強,正因為如此,腿式機器人對環境的破壞程度也較小。

第二,腿式機器人的腿部具有多個自由度,使運動的靈活性太大增強,它可以通過調節腿的長度保持身體水平,也可以通過調節腿的伸展程度調整重心的位置,因此不易翻倒,穩定性更高。

第三,腿式機器人的身體與地面是分離的,這種機械結構的優點在于,機器人的身體可以平穩地運動而不必考慮地面的粗糙程度和腿的放置位置。當機器人需要攜帶科學儀器和工具工作時,首先將腿部固定,然后精確控制身體在三維空間中的運動,就可以達到對對象進行操作的目的了。

4混合式行走機構

混合式行走機構由輪履、輪腿等。 5仿生行走機構

最典型的仿生行走機構是蛇形機器人。蛇形機器人具有穩定性好、 橫截面小、 柔性等特點,能在各種粗糙、陡峭、崎嶇的復雜地形上行走,并可攀爬障礙物,這是以輪子或腿作為行走工具的機器人難以做到的。

2.2智能履帶式機器人行走結構

2.2.1 機器人運動原理

智能搶險救災履帶式機器人采用雙車體設計,兩個車體之間采用柔性連接,且能相對運動,地形適應能力更強,每一個車體均可搭載多種設備,可以完成較復雜的救援任務。車體和履帶塊之間采用減震彈簧,提高了機器人通行的穩定性。一般狀態下,機器人履帶成銳角三角形狀態,能通過較狹窄的環境,在通過障礙物時,機器人根據各種傳感器獲取的信息,由控制單元發出變形的信號,履帶會根據不同情況變成不同形狀的鈍角三角形,能順利通過一般較小的障礙物。

機器人行走機構由四個相同的履帶塊構成,每一個履帶塊由兩個大扭矩電機驅動,提供機器人行走所需動力。一個大扭矩電機為履帶變形提供動力,由于履帶的長度已定并且兩個驅動輪是固定的,所以為了保持履帶的張緊成不基本相同,履帶變形時擺臂的長度需要不斷變化中,經過計算,擺臂的頂端的運動軌跡是一個橢圓弧,因此在擺臂轉動的同時,也需要沿徑向變化長度。

2.2.2 機器人運動狀態分析

機器人在不同的路況和環境中的運動狀態有以下兩種情況:

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(1) 路況比較平坦或者空間比較狹窄

機器人的履帶是呈銳角三角形狀態,方便通過狹窄空間。由于采用了雙車結構,對于一般的障礙物具有較強的通過能力。

(2) 有障礙物存在且需要翻越時

在有障礙物存在時,機器人需要根據所獲取的信息,確定履帶變形的尺度。如在攀爬樓梯時,由于不同的樓梯臺階高度不同,機器人根據傳感器獲取的臺階高度等信息,確定擺臂的位置。

本機器人的運動轉向有下面幾種情況: (1) 直線運動

四個履帶塊同時向前或者向后轉動,實現機器人在一般環境中的直線運動,這是移動機器人常用的運動狀態。

(2) 原地360度轉動

位于同一側的兩個履帶塊轉動方向相同,兩側的與運動方向相反,可實現機器人原地360度轉動,適合狹窄空間的轉向運動。

(3) 小半徑轉彎

位于同一側的兩個履帶塊轉向方向相同,另一側的不轉動,可實現向某一方向的小半徑轉彎,適合一般情況。

2.2.3 機器人性能指標分析

表2-1便攜式履帶機器人外形尺寸

長×寬×高 履帶輪直徑 履帶寬 車底距離地面 擺臂長

800mmx700mmx300mm 100mm 100mm 100mm 200mm

履帶機器人在設計時為減輕重量,履帶輪采用鋁合金材料,其余零部件也大多采用鋁合金材料,設計完成后機器人外形尺寸如表2-1所示。

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