第一章 緒論1．1 課題研究的目的與意義移動(dòng)機(jī)器人是科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物，更是人類無(wú)限幻想和智慧的結(jié)晶。目前，移動(dòng)機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于星際探測(cè)、消防救險(xiǎn)、軍事反恐、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)的重要行業(yè)。隨著作業(yè)功能的不斷開(kāi)發(fā)，移動(dòng)機(jī)器人在軍事、生產(chǎn)、生活以及科學(xué)研究中還有著許多潛在的應(yīng)用前景。廣闊的市場(chǎng)需求使移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展獲得了源源不斷的強(qiáng)大動(dòng)力，也是與其相關(guān)的若干關(guān)鍵技術(shù)不斷取得進(jìn)步的根源所在。移動(dòng)機(jī)構(gòu)決定了移動(dòng)機(jī)器人的綜合移動(dòng)性能，是移動(dòng)機(jī)器人能夠在工作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)快捷、平穩(wěn)、精確、高效移動(dòng)的關(guān)鍵。三種傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（輪式、足式和履帶式）在本體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、移動(dòng)效率的高低以及控制的難易程度等方面都存在較大差別，環(huán)境適應(yīng)能力上也各有所長(zhǎng)。隨著移動(dòng)機(jī)器人所擔(dān)負(fù)任務(wù)要求的不斷提高，作業(yè)環(huán)境往往并不局限于單一特征，例如城市建筑平坦路面和樓梯臺(tái)階共存；又或者會(huì)應(yīng)用于未知特征環(huán)境執(zhí)行任務(wù)，例如火星表面。這種情況下，單一運(yùn)動(dòng)方式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)將不再滿足多重特征環(huán)境的任務(wù)需求。于是，兼具幾種運(yùn)動(dòng)方式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)正在成為研究的熱點(diǎn)。本論文從自然界中的仿生翻滾研究中獲得啟發(fā)：將自然界中的翻滾運(yùn)動(dòng)引入到四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式中，達(dá)到用一套機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng)方式的目的。課題的完成不但能夠提高四足機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，拓展四足機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，而且豐富了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)科的理論和實(shí)踐，對(duì)移動(dòng)技術(shù)的發(fā)展和高機(jī)動(dòng)性移動(dòng)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)具有一定的借鑒作用。因此，開(kāi)展具有仿生翻滾運(yùn)動(dòng)方式的四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1．2 移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域移動(dòng)機(jī)器人是一種集傳感器、遙控操作器和自動(dòng)控制的移動(dòng)載體組成的機(jī)器人系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人具有移動(dòng)功能，可代替人類從事危險(xiǎn)、惡劣（如輻射、有毒等）環(huán)境下作業(yè)和人所不及的（如宇宙空間、水下等）環(huán)境作業(yè)方面，比一般機(jī)器人有更大的機(jī)動(dòng)性、靈活性。因此，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，在各行業(yè)中均有不可忽視的作用。1．2.1 工業(yè)領(lǐng)域與傳統(tǒng)的機(jī)器相比，移動(dòng)機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的完全自主化，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備有高度的適應(yīng)能力。制造工業(yè)部門應(yīng)用機(jī)器人的主要目的在于削減人員編制和提高產(chǎn)品質(zhì)量。汽車工業(yè)、機(jī)電工業(yè)、電訊工業(yè)、通用機(jī)械工業(yè)、建筑業(yè)、金屬加工、鑄造以及其它重型工業(yè)和輕工業(yè)部門都能看見(jiàn)機(jī)器人的身影。1．2.2 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展觸使越來(lái)越多的科技工作者投入到農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究當(dāng)中。數(shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)作為21世紀(jì)農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的重要標(biāo)志之一，越來(lái)越受到科技的關(guān)注。移動(dòng)機(jī)器人體積小，移動(dòng)靈活，有一定的地形適應(yīng)能力，因此可用于全面、實(shí)時(shí)地采集農(nóng)田環(huán)境信息和作物的生長(zhǎng)信息。將采集農(nóng)田信息所需的傳感器安裝在移動(dòng)機(jī)器人上，機(jī)器人在田間移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的自動(dòng)采集。國(guó)外對(duì)這方面的機(jī)器人都有很深入的研究。日本研制了利用關(guān)節(jié)腿式來(lái)適應(yīng)復(fù)雜地形的六足機(jī)器人。美國(guó)伊利諾伊大學(xué)開(kāi)發(fā)的“watching-dog robot”，采用柔性的聯(lián)動(dòng)懸架來(lái)適應(yīng)復(fù)雜地形。AgAnt四足螞蟻機(jī)器人群，通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙互相傳遞信息，可以在田間巡視。國(guó)內(nèi)主要采用定點(diǎn)架設(shè)傳感器或?qū)鞲衅餮b載在拖拉機(jī)等大型農(nóng)業(yè)設(shè)備上的方法，隨著農(nóng)機(jī)的移動(dòng)來(lái)獲取不同位置的信息。1．2.3 科技探索在一些環(huán)境惡劣或不適于人類工作的環(huán)境下，移動(dòng)機(jī)器人可以進(jìn)行作業(yè)或執(zhí)行探索任務(wù)。在深海區(qū)域以及星際探測(cè)等領(lǐng)域，移動(dòng)機(jī)器人稱為至關(guān)重要的部分。美國(guó)于1997年發(fā)射于火星表面的輪式“Sojourner”火星探測(cè)車就是這移動(dòng)機(jī)器人用于星際探測(cè)的典型代表，如圖1.1所示。圖1.1 Sojourner火星探測(cè)車1．2.4 醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人研制用來(lái)為病人看病、護(hù)理病人和協(xié)助病殘人員康復(fù)的機(jī)器人能夠極大地改善傷殘病人員的狀態(tài)，以及改善癱瘓者和被截肢者的生活條件。醫(yī)用機(jī)器人已在診斷、護(hù)理、康復(fù)等幾個(gè)方面得到了應(yīng)用。人類生活水平的提高，越來(lái)越多的機(jī)器人進(jìn)入家庭和辦公室，用來(lái)代替人從事清掃、洗刷、守衛(wèi)、煮飯、照料小孩、接待等工作。1．3 國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀1．3.1 輪-足復(fù)合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)現(xiàn)有的輪-足復(fù)合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)在功能上雖然非常相近，但是結(jié)構(gòu)上千差萬(wàn)別。綜合它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，大體可以劃分為兩類：第一類從結(jié)構(gòu)上來(lái)看就是將“輪”安裝在“腿”的末端，輪和腿成串聯(lián)結(jié)構(gòu)，是比較常見(jiàn)一類；第二類從結(jié)構(gòu)上來(lái)看“輪”和“腿”完全分離，移動(dòng)中兩者或同時(shí)發(fā)揮作用以混合式移動(dòng)，或采用單一方式移動(dòng)。第一類 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的輪-腿混合式移動(dòng)機(jī)器人HITAN-I，如圖1.2所示。移動(dòng)系統(tǒng)由四套輪-腿混合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，每套移動(dòng)機(jī)構(gòu)四個(gè)自由度，車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，腿關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)輪式或腿式移動(dòng)。輪式移動(dòng)時(shí)，腿上各關(guān)節(jié)鎖定，由車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；腿式移動(dòng)時(shí)，輪上驅(qū)動(dòng)鎖定。圖1.2 HITAN-I 圖1.3 Wheeleg 第二類 意大利卡塔尼亞大學(xué)研制了一種名為Wheeleg的輪-腿機(jī)器人，如圖1.3所示。該機(jī)器人無(wú)論外觀還是原理上都類似于人拉兩輪車，它的移動(dòng)系統(tǒng)由兩條腿和兩個(gè)車輪組成，每條腿有三個(gè)自由度，兩個(gè)車輪分別由一臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮輪式承載能力大的特點(diǎn)，載荷主要由輪式機(jī)構(gòu)承受，腿式機(jī)構(gòu)增大了路面附著力，可用于越障。1.3.2 仿生翻滾與翻轉(zhuǎn)移動(dòng)平臺(tái)自然界中存在許多以本體和四肢作為滾動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)方式。不同于輪子的定軸驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)，我們可以將這類滾動(dòng)稱為翻滾運(yùn)動(dòng)。近年來(lái)，關(guān)于仿生翻滾與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用的研究正在不斷出現(xiàn)。球形機(jī)器人 1996年，芬蘭赫爾辛基工業(yè)大學(xué)Halme等人共同研制了第一款球形機(jī)器人Rollo。此后，歐美日等國(guó)外研究人員研制了驅(qū)動(dòng)形式各異的球形機(jī)器人。國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、東北大學(xué)等高校分別提出了不同結(jié)構(gòu)的球形機(jī)器人。北京郵電大學(xué)孫漢旭教授創(chuàng)新性的提出了BYQ-4球形機(jī)器人，如圖1.4所示。該機(jī)器人增加可伸縮的機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使球形機(jī)器人具有操作能力。它是對(duì)普通球形移動(dòng)機(jī)器人功能的擴(kuò)展，大大拓展了球形機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。閉鏈機(jī)構(gòu) 目前，翻滾移動(dòng)平臺(tái)又多了新的成員，它們的外形不再是回轉(zhuǎn)體形狀，而是出現(xiàn)了整體閉鏈移動(dòng)機(jī)構(gòu)。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所發(fā)明了一種具有并聯(lián)機(jī)構(gòu)的四面體翻滾機(jī)器人，由六根伸縮臂和四個(gè)節(jié)點(diǎn)板組件構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)板組件由節(jié)點(diǎn)板和三個(gè)萬(wàn)向節(jié)組成，如圖1.5所示。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，六根伸縮臂按規(guī)律伸縮進(jìn)行形狀發(fā)生變化，當(dāng)其重心超越穩(wěn)定區(qū)域時(shí)，四面體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)翻滾。該機(jī)器人能夠再?gòu)?fù)雜地面環(huán)境下完成行進(jìn)、避障和越障等動(dòng)作。北京交通大學(xué)發(fā)明了一種滾動(dòng)三角形機(jī)器人，其三條邊結(jié)構(gòu)及尺寸相同，如圖1.6所示。圖1.4 BYQ-4 圖1.5 四面體機(jī)器人 圖1.6 三角形機(jī)器人開(kāi)鏈機(jī)構(gòu) 近來(lái)也出現(xiàn)了開(kāi)鏈?zhǔn)椒律D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研究。華南理工大學(xué)在“863”計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助下開(kāi)展了仿生攀爬機(jī)器人的研究。他們提出了一種具有攀爬和操作功能的雙手爪式模塊化仿生機(jī)器人，以期代替人們?cè)诟呖諒?fù)雜環(huán)境中從事危險(xiǎn)工作。該機(jī)器人具有5個(gè)自由度，工作時(shí)可以運(yùn)用3種不同的攀爬步態(tài)，即尺蠖模式、扭轉(zhuǎn)模式和翻轉(zhuǎn)模式，如圖1.7所示。研究指出，該機(jī)器人可采用三種步態(tài)在傾斜角度大于60°的直立桿上進(jìn)行攀爬。圖1.7 仿生攀爬機(jī)器人及尺蠖模式、翻轉(zhuǎn)模式美國(guó)猶他大學(xué)的M.A.Minor等人研制了一種可滾動(dòng)圓盤形雙足機(jī)器人RDBR（Rolling Disk Biped Robot），如圖1.8所示。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)其形狀的改變，能夠?qū)崿F(xiàn)滾動(dòng)、步行和攀爬等運(yùn)動(dòng)，還具有一定的越障和爬坡的能力。他們先對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了平地翻滾與越障實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行了步行實(shí)驗(yàn)。該機(jī)器人在步行實(shí)驗(yàn)時(shí)需要在地面鋪設(shè)鋼板，利用其足底的電磁鐵與鋼板的相互作用力來(lái)平衡重力矩，可采用尺蠖模式和翻轉(zhuǎn)模式步行。圖1.8 RDBR越障以及翻轉(zhuǎn)模式、尺蠖模式步行1．4 主要研究?jī)?nèi)容本課題將仿生學(xué)中的翻滾運(yùn)動(dòng)引入到四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式中，達(dá)到用一套機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩種運(yùn)動(dòng)方式的目的。首次提出一種具有翻滾功能的可變形四足機(jī)器人，使其既具有固有的步行方式，同時(shí)也具有翻滾運(yùn)動(dòng)方式。本論文的主要內(nèi)容是針對(duì)該種可變形仿生翻滾的四足機(jī)器人進(jìn)行本體設(shè)計(jì)，擬采用的設(shè)計(jì)思路如圖1.9所示。仿生翻滾足式機(jī)器人方案設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 機(jī)械本體及零件設(shè)計(jì)課題確定及調(diào)研驗(yàn)算結(jié)束返回設(shè)計(jì)NY圖1.9 設(shè)計(jì)思路圖