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新型轮腿式机器人
2012-03-03 16:23  

新型轮腿式机器人

案例摘要

成员:刘 密 2006 机械工程及自动化 机械与车辆学院

胡海静 2006 探测制导与控制技术 机电学院

李廷震 2006 探测制导与控制技术 机电学院

韩 亮 2006 电子科学与技术(光电子方向) 光电学院

指导教师:罗庆生教授微小型系统技术研究、机械创新设计、机电一体化产品设计和机械CAD /CAM等

本项目的选题来源于国家某部委预研项目子科题,通过设计与研制了一种新型小尺寸、轻体重、多用途的轮腿式仿生蟑螂机器人,以“移动式控制平台+嵌入式分布控制系统+多传感器信息融合系统”相结合,实现仿生蟑螂机器人的三角步态运动和自主避障探测的主体功能。

轮腿式机器人的研究成功将会使机器人的地形适应性和机动速度大大增强,而且该机器人携带相应的有效载荷后,可执行野外侦察、破袭等高危作战任务。同时,遥控与自主控制相结合的方式,可根据其执行任务复杂程度采用不同的控制方式,弥补了现有的作战机器人的众多不足之处,具有很高的实际效益。

项目组在指导老师罗庆生教授的指导下,提出“明确目标、自觉行动、讲求方法”的简练目标,实行每周讨论、周记书写、理论学习和实验操作相结合的研究思路,学到了很多新知识,也煅炼了自己项目研究的能力和解决困难的能力。作为一个团队,我们深深地感受到团队合作的重要性,对一个技术问题,大家会一起分析、讨论、总结,最后拿出行之有效的解决方法。我相信,这个经验,对每个成员来说都是一笔宝贵的财富。

一、 课题研究的意义与现状

1、项目研究意义

轮腿式机器人的研究成功将会使机器人的地形适应性和机动速度大大增强,而且该机器人携带相应的有效载荷后,可执行野外侦察、破袭等高危作战任务。同时,遥控与自主控制相结合的方式,可根据其执行任务复杂程度采用不同的控制方式,弥补了现有的作战机器人的众多不足之处,具有很高的实际效益。

2、研究的现状

纵观国内外的科技前沿课题,有关轮腿式机器人的研究,在当前只有“管道形轮腿式月球探测机器人”作过一些尝试,而运用到野外执行任务和在高度复杂地形中行走尚属首次。所以,在这方面的研究工作既具有创新性,也有很大的挑战性。

二、 研究目标与方案设计

(一)研究目标

在借鉴国内外先进经验的基础上,本着自主创新和技术集成相结合、计算机辅助分析与理论研究相结合、计算机辅助设计与工程研制相结合、计算机仿真模拟与实际测试相结合的原则,研究一种新型轮腿式机器人。该机器人有如下特点:

① 新型轮腿式机器人同时具备腿式机器人地形适应性强以及轮式平台机动速度高的优点,因此与同级地面机器人相比具有极高的越野行驶性能。

② 控制系统采用分层递阶的控制体系结构,遥控与自主控制相结合。可根据执行任务的复杂程度采用不同的控制方式。

③ 该机器人采用先进的多轴伺服运动控制技术,保证了机器人高速运动中的稳定性。

④ 该可在山地等复杂地形机动,具有两栖运动能力。

⑤ 新型轮腿式机器人携带相应的有效载荷后,可执行野外侦察、破袭等高危作战任务。

(二)技术指标

拟研制的新型轮腿式机器人性能指标如下:

长≤0.68mm,宽≤0.4mm,高≤0.4mm,重量≤20kg,有效载荷5kg;

② 平均巡航速度为80m/min,最大巡航速度为130 m/min,攀越障碍高度0.60m,爬坡度45˚;

③ 通过视觉传感器采集的周围环境信息实时地传输给控制中心,有效通信距离为1.5km;

④可在山地等复杂地形机动,具有两栖运动能力。

图1拟研制的新型轮腿式机器人的实体造型

(三)轮腿式机器人方案设计

机器人系统总体设计

对于新型轮腿式机器人来说,系统总体设计技术是灵魂,它决定着整个研究工作的成败以及研究成果水平的高低,其核心是功能与结构的合理组合、性能与效果的协调统一,由此牵引新型轮腿式机器人系统设计思想、研究方法、功能原理、结构特点、设计技巧、技术途径以及测试手段等的全面创新。

机器人机构设计

机构设计是新型搜救机器人研究的基础,机构设计的优劣直接影响到机器人的灵活性和机动性。将机器人的执行机构设计成为轮腿式,使其同时具备腿式机器人地形适应性强以及轮式平台机动速度高的优点,因此与同级地面机器人相比具有极高的越野行驶性能。

运动控制技术

针对不同任务和作业需要,新型轮腿式机器人有时需要高速推进以快速通过危险区,有时需要攀爬越障,有时需要低速巡航,因而必须研究其在不同作业环境中的运动控制技术,包括多电机协调控制技术、电机功率调节技术、运动方式切换等技术的研究。

传感探测与通信技术

传感探测与通信技术是新型轮腿式机器人的关键技术,准确地探测周围环境信息传送给控制指挥中心是新型轮腿机器人完成任务的前提。轮腿式机器人配有大视场、高精度的视觉传感器,可以实时地采集环境信息,并通过无线网桥实时地传输到控制中心。同时新型轮腿式机器人还配有GPS/INS定位系统,可以准确地进行导航定位。

能源管理技术

新型轮腿式机器人一般在非结构环境中作业,作业时间已成为衡量系统性能的一个重要指标。结合新型轮腿式机器人系统的特点,对能源管理技术进行研究,可降低功耗,在系统所配能源不变的前提下极大限度地延长作业时间。

(四)项目研究流程

新型轮腿式机器人总体技术路线如图2所示。在机器人研发过程中采用虚拟样机(virtual prototype)技术,利用高性能三维造型软件PRO/E,建立机器人结构系统的三维实体模型,然后利用动力学分析软件ADAMS,建立机器人机械系统的运动学和动力学模型,再应用仿真分析软件MATLAB建立动力学和控制器的集成仿真模型,最后采用数字分析和性能仿真技术检验机器人机械系统的动态特性,同时根据仿真结果修改设计缺陷,对机械系统进行循环改进,直至获得最优设计方案。为使新型特种搜救机器人体现出较强的灵活性,高效地完成任务,采用基于目标任务的分层递阶控制体系结构作为新型轮腿式机器人系统的控制体系结构,首先建立控制系统的原理模型和数学模型,并采用MATLAB和Webots进行仿真,根据仿真结果改进控制系统的设计,搭建硬件平台,进行软件设计。将传感探测与通信子系统的相关算法进行仿真优化后,对各子系统进行兼容性分析。最后完成系统集成、总体实验和可靠性分析。

图2 项目的总体技术路线

三、 主要的研究内容与关键技术

(一) 机器人结构设计

项目组设计一种轮腿式的结构来满足机器人高速机动的要求,机器人的整体造型由主身和轮腿构成。主身设计为一个箱体式结构,机器人的控制系统和核心电路模块都置于该箱体中。由于电路系统的产热高,所以在箱体的侧板上都设计有通风孔,这样不至于温度过度而引发控制系统崩溃。轮腿式结构设计为“S”型圆弧,而且行走时交错行动,这样不至于产生打滑的情况。轮腿式机器人实物图如图3所示:

图3轮腿式机器人实物图

(二)电源系统控制技术

新型轮腿式机器人目标定位于野外勘探与侦查,该机器人的长时间持续作业的能力已成为衡量系统性能的一个重要指标。结合新型特种搜救机器人系统野外作业的特点,可以采取两种技术措施来提高持续作业时间,一、增加机器人的电池容量,二、降低机器人的能量消耗。虽然方法一简单易行,但是由于机器人的体积限制,增加电池必然会导致机器人重心上移,以及增加电池容量之后导致的机器人重量增加,运动机能下降,对于在野外现场非结构环境的高机动性要求来说很不利。而通过对能源管理技术进行研究,降低功耗,达到在系统所配能源不变的前提下极大限度地延长作业时间,成为最终研究方向,也符合目前节能环保的主题,对于可持续发展有重要意义。

根据对机器人电源系统的研究,采用动态电源管理超时算法对所设计的电源管理系统进行控制。通过对整个系统进行了动态建模与数字仿真,并通过分析在有无超时算法的系统消耗来确认加入超时算法后系统的功耗可以明显降低。

电源系统整体框架

图4 新型轮腿式机器人能源系统框架图

新型搜救机器人的能源系统由锂电池组、电源管理系统和用电设备三部分组成。电源管理系统在电池组和用电设备之间起到中间环节的作用,一是进行升压和降压使输出能够匹配用电设备,二是通过合理设置能够改善系统整体功耗水平。

动态电源管理技术研究

“动态电源管理”是动态地分配系统资源,以最少的元件或元件最小工作量的低耗能状态,来完成系统任务的一种降低功耗的设计方法。对于电源管理实施时间的判断,要用到多种预测方法,根据历史的工作量预测即将到来的工作量,决定是否转换工作状态和何时转换。这就是动态电源管理技术的核心所在——动态电源管理方法。

电源系统总结

针对搜救机器人的电源管理技术,我们采用了动态电源管理技术超时算法对其用电设备组进行控制,通过理论的研究,有超时算法会对系统节能有着重要的贡献,在任何复杂环境中都能长时间稳定作业,体现出了优良的特性,极大地提高了搜救机器人整体的性能指标。

(三)运动控制技术

为使新型特种搜救机器人体现出较强的协作性,高效地完成任务,采用基于目标任务的分层递阶控制体系结构作为新型搜救机器人的控制体系结构,如图5所示。该体系结构以任务为目标,以协调合作为核心,以无线通信为纽带,主要包括:决策层、通信层、协调层和执行层。决策层使机器人系统具有一定程度的自主性,可将外部环境变化或操作者指令所引起的系统内部响应经过分析和判断,形成对整个机器人系统的控制决策;通信层主要负责实施实时、高效、无差错地与控制中心进行通信。协调层是对所执行任务进行分解,并对任务执行情况进行反馈。执行层通过驱动各个执行部件来实现机器人的运动和动作,从而准确高效地完成任务。

图5 基于目标任务的分层递阶控制体系结构

控制系统各个部分有其独立的功能,但又相互协调,相互联系,在总线的控制下,有机的结合成一个整体。其中决策层起着中枢的作用,将各个部分统一调度,共同完成搜救机器人的行为动作。该系统具体模块实现如下图所示,系统由无线通信模块、视频采集模块、电机驱动模块、PC104控制平台及远程PC机监控平台5个部分组成。如图6所示。上位机负责实现人机交互,实时的显示机器人的工作状态及其环境视频信息,并根据所得信息按一定算法形成运动控制指令。同时通过良好的用户操作界面,用户可以实时发布控制指令。无线通信模块负责上位机与下位机的交流通信。下位机一方面把自身信息传输给上位机,另一方面接受上位机的指示,加以解码、分析,并结合相应环境,协调控制各驱动器工作,顺利完成任务。下位机的摄像头模块把现场的图像加以采集,通过无线局域网传送至上位机。下位机驱动模块完成移动机器人的运动轨迹控制。

决策级

(上位机)

障碍物距离

图像信息

决策控制系统

协调控制系统

超声传感器

电机驱动器

码 盘

行驶电机

摆臂电机

旋转位置传感器

协调级(PC104)

执行级

无线通信

摆臂角度

控制指令

码盘信息

PWM

图6 各控制层的具体执行框图

视觉传感器

环境信息

(四)无线通信技术硬件分析

无线通信模块是机器人控制系统的一部分,是连接决策管理模块和协调规划模块的纽带。其主要任务是:在上位机、下位机之间实施实时、高效、无差错的无线通信。

无线通信模块的连接对象是控制台的上位机和机器人自带的下位机。连接工具用无线网卡和AP。

由于上下位机都具有各自独立的操作系统(上位机上安装的是Windows XP, 下位机上安装的是Windows CE)。所以,在设计机器人无线通信解决方案时,我们可以将解决对象的硬件平台简化成两台普通的带有无线网卡的PC机。要解决的问题,就是在两台带有无线网卡的PC机之间搭建一个实时、高效、无差错的无线通信通道。因此,有必要对通信信道提出要求。

首先,上位机和下位机之间的通讯必须是双工形式。在机器人行进过程中,控制中心需要向机器人发送指令,机器人需要向控制中心报告所处方位和自身状态以及任务的执行进度,因此所建立的通讯通道必须是双工的。其次,上位机和下位机之间的通讯必须具有实时性。在设计通信通道的时候,必须考虑到信息传递的延时给整个机器系统带来的影响,因为所设计的机器人面临的环境是险恶复杂的灾后环境,并且机器人系统是运动的,不同的时间面临的情况都不一样,每一个微小的延时都可能导致整个任务的失败。所以,在设计时必须考虑到信息传递的延时带来的影响,并尽力控制传递的延迟。最后,上位机和下位机之间的通讯必须有反馈。机器人执行的任务是一个整体,整个任务过程中的每一个指令都是环环相扣的,就像一只精密的仪表,如果其中的任何一环发生了异常(比如说延时或者是丢包),都会引起连锁反应,导致任务的失败。因此,有必要跟踪每一条指令,监视其执行的进度,对机器人实行实时的控制。因此,上位机和下位机之间搭建的通行通道必须记录数据传输的情况,使信息的发送方可以得到接收方的反馈。

控制中心

Robot

AP

图7无线通讯模块示意图

四、 创新点和结论

新型轮腿式机器人的主要创新点如下:

新型轮腿式机器人同时具备腿式机器人地形适应性强以及轮式平台机动速度高的优点,因此与同级地面机器人相比具有极高的越野行驶性能。

控制系统采用分层递阶的控制体系结构,遥控与自主控制相结合。可根据执行任务的复杂程度采用不同的控制方式。

该机器人采用先进的多轴伺服运动控制技术,保证了机器人高速运动中的稳定性。

该可在山地等复杂地形机动,具有两栖运动能力。

五、 总结与展望

1、作品研发工作总结

新型特种搜救机器人以第二届国家大学生创新实验计划为依托,在教务处的计划和安排下逐步展开。项目的开展思路图如图8所示。

图8 研发思路图

研发工作分为三个主要环节,基础研究、实验研究、前沿技术研究。三个环节循序渐进,相互补充,最终实现原理样机。

项目组在指导老师罗庆生教授的指导下,提出“明确目标、自觉行动、讲求方法”的简练目标,实行每周讨论、周记书写、理论学习和实验操作相结合的研究思路。总共完成十次“周讨论”,四次项目组成员“小讲座”,分别对该项目的总体设计、机构设计、运动控制、传感与探测、能源管理等部分进行了细致的讨论,并集体学习了VC编程、ADAMS基础、MATLAB、CAN总线等知识;项目组利用课余时间调查市场,进行需求分析、产品选型,为原理样机的实现奠定了良好的基础;项目组核心成员利用专业知识,搜集搜救机器人相关文献、专利,认真总结、借鉴,反复论证。

项目组从切实的小事做起,规定合理的制度和原则,开会讨论记笔记、不迟到不早退、认真完成周记、明确财务支出状况并登记在案、明确书籍借阅制度等,同时积极鼓励和引导同学们克服困难,完成现阶段任务,并且结合新理论、新发明等方面开拓各个阶段任务的思路,将项目完成到底。

2、成果应用范围及前景分析

新型轮腿式机器人打破了传统的机器人的行走方式,轮腿的高效机动性能保证了其野外勘探和侦查任务的实施。轮腿式机器人是将机械设计技术、智能控制技术、传感探测技术等多学科的知识有机地融合,是当代机器人学研究中一个富有挑战性的新领域。新型轮腿式机器人的研制成功将极大地提高野外作战任务的高效性,减少不必要的人员伤亡,具有广阔的应用前景和市场价值。同时,研发轮腿式机器人所涉及的设计理念、关键技术、实验方法对其他的相关项目也具有很好的借鉴意义。

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