基于模塊化設計方法的服務機器人結構設計

1、第卷第期年月機電工程匱，機器天技術溺基于模塊化設計方法的服務機器人結構設計舒暢，熊蓉，傅周東（浙江大學流體傳動與控制國家重點實驗室，浙江杭州；浙江大學控制科學與工程系，浙江杭州）摘要：為了降低服務機器人的開發(fā)周期與成本，基于模塊化設計方法，對服務機器人的機械結構進行了模塊化劃分，并對傳動結構布局、傳動實現、身體穩(wěn)固性、模塊化結構設計等內容進行了詳細闡述。樣機組裝及實驗結果表明，基于模塊化設計方法的服務機器人產品開發(fā)周期短，其性能達到了設計要求。關鍵詞：模塊化；服務機器人；結構設計中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（），（，；，）：船，：；引言隨著科學技術的發(fā)展和社會的進步，機器人的應用領域越來

2、越廣泛，從傳統(tǒng)的工業(yè)領域向軍事、醫(yī)療、服務等各個領域滲透。傳統(tǒng)的機器人設計主要面向特定的應用場合，機械結構往往根據應用展開定制性的設計和研制，不同應用的機器人機械結構事實上存在很多的重復設計。微軟公司董事會主席比爾蓋茨曾預言舊：個人服務機器人將重復個人計算機產業(yè)崛起的道路，成為我們日常生活的一部分。在這種趨勢下，面向特定應用的機器人設計模式越來越不能滿足快速增長的服務機器人市場。為了實現機器人產業(yè)化，必須將模塊化設計思想引入到機器人設計中。在過去的年中，模塊化機器人的研究經歷了從最初的概念性研究到實體機器人制作的整個過程，并已經在工業(yè)領域得到了實際應用舊。本研究面向各類服務機器人的應用需求，提

3、出一種模塊化結構設計方案，進行模塊化結構分析，詳細介紹各模塊的功能定義和結構設計。實驗結果證明：其具有良好的移動特性，各模塊的性能達到設計要求。模塊化結構分析機器人模塊化體系結構是指對機器人各功能構件進行模塊化、標準化分解，實現軟、硬件分離與功能獨立化，充分體現面向不同應用領域的可重構的通用機器人的總體系統(tǒng)概念設計”。國內外觀點認為，為推進服務機器人的實際應用和產業(yè)化，必須研究模塊化的機器人體系結構，將不同功能構件作為組成機器人系統(tǒng)的元素，最終通過集成這些模塊來構建滿足用戶需求的機器人系統(tǒng)。模塊化機器人系統(tǒng)設計的主要內容是模塊的劃分和模塊的設計。模塊的劃分既要考慮模塊化機器人的應用范圍、工件特

4、點和性能，同時也要符合以下幾條基本原則：收稿日期：一一基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃（“”計劃）資助項目（）作者簡介：舒暢（一）男，四川攀枝花人，主要從事機器人學及機械設計方面的研究：伽一通信聯(lián)系人：傅周東，男，副教授：萬方數據機電工程第卷（）每個模塊單元在功能上應具有獨立性，可實現某一特定的功能。（）每個模塊單元與其它單元之間的連接應盡可能的簡單，機械接口連接應方便、快捷、可靠。（）每個模塊在運動學和動力學上應具有相對的獨立性。本研究將服務機器人從機械結構上分為種主要功能模塊刁，分別為行走模塊、身體框架、關節(jié)驅動模塊（如圖所示），同一功能模塊可以有不同的尺度和運動方式。行走模塊是機器人的移

5、動驅動單元；身體框架用于搭載其他模塊、各類控制板卡、傳感器和人機接口；關節(jié)驅動模塊用于實現關節(jié)的相對運動及動力輸出。機械結構上，種模塊互相獨立，通過變更和組合種模塊就能搭配出適用于不同應用場合的機器人產品。每一個模塊可方便地進行更換。節(jié)驅動圖機器人模塊構成下面對不同模塊進行詳細介紹。行走模塊設計行走模塊是機器人的移動驅動單元，目前應用較多的移動方式通常有車輪式、履帶式、關節(jié)式和復合式。這里介紹一種（，）排布的車輪式行走模塊口。該行走模塊采用雙電機差速控制個驅動前輪，通過控制左右輪轉速來實現移動，具有精度高、轉向靈活等優(yōu)點。每個驅動輪結構相同且相互獨立。不考慮輪子本身的彈性系數及阻尼對系統(tǒng)的影響

6、，并假定機器人在水平面上運行，輪子與地面滿足純滾動運動條件。機器人在平面上的位姿描述如圖所示。圖位姿描述筆者建立了固定坐標系，。，：，固結于機器人底盤的動坐標系。，：，為兩同定驅動輪中心連線的中點，為車體相對于圊定坐標系姿態(tài)角。本研究定義了三維廣義坐標向量來表示機器人底盤的位姿為：（弗），）（）定義旋轉變換矩陣為：，。口口（）（）圖中，輪子中心為；（江，代表左、右輪），朋；長度為。輪子相對于起始位置的轉動角分別為妒、妒：。輪半徑為。由純滾動條件可得約束方程如下。對輪：一（）亭咖。（）對輪：（）面：（）同時，兩輪滿足：（）（）將；（壺夕臺）代入，可得：（）選取車輪的角速度訌為狀態(tài)分量，可得運動學

7、模型：（）由式（），代人具體的、值，給定左右輪的角速度章和姿態(tài)角，即町確定機器人的運動狀態(tài)。由于減速器的減速比為，理論上給定電機某一角速度，即可知輪子此時的角速度為。但由于傳動機構帶來的偏差，輪子轉速會產生誤差，影響機器人移動精度。為了從機械結構上提高行走模塊的控制精度，本研究做了如下優(yōu)化，如圖所示：圖驅動輪結構日，一，妒妒萬方數據第期舒暢，等：基于模塊化設計方法的服務機器人結構設計（）驅動輪采用與減速器輸出軸直連的傳動方式，結構緊湊，并簡化了傳動機構。（）在傳動機構中加入一對深溝球軸承，使車輪帶來的徑向力作用于支架，減速器輸出軸只承受扭矩，避免了減速器輸出軸上受到過大的徑向力而影響減速器的壽

8、命。（）輪轂和軸采用錐面漲緊套進行連接，這種連接不會削弱連接軸、轂強度，并具有易拆卸、無間隙、對中性好、傳動力矩大等優(yōu)點。（）模塊結構獨立，通過各模塊上設計的標準化機械接口可方便地進行組裝。身體框架設計服務機器人的身體框架用于連接其他模塊，搭載各類控制板卡、傳感器和人機接口。為使內部結構緊湊、易于維護，身體框架在空間上應具有多層結構，并且具備通用的機械接口。身體框架從下到上分為個空間層次：第層為底盤，用于安裝行走模塊、蓄電池；第層安裝各類控制板卡、傳感器和人機接口；第層安裝關節(jié)驅動模塊。其中底盤采用三輪支撐，包括個驅動輪和個萬向輪。由于仿人機器人的高寬比一般比較大，容易造成機器人不穩(wěn)甚至傾倒，

9、合理的布置重心位置可以改善這一情況。設計時，首先確定重心的位置，然后根據重心調整萬向輪觸地點位置，如圖所示。圖中，是萬向輪觸地點，重心位于機器人左右對稱中線略靠后位置，并落在個輪子觸地點構成的三角形內。圖重心位置身體框架在結構上具有如下特點：（）采用鋁型材作為支架具有重量輕、強度好、拆裝方便等優(yōu)點。鋁型材本身具有安裝槽，是一種良好的機械接口，不需額外加工安裝孔，各種連接件的規(guī)格標準、通用。（）機器人選用三輪支撐結構，不需要懸掛機構即可保證所有輪子同時著地。（）優(yōu)化重心分布，最大程度上避免了選用三輪支撐結構帶來的重心不穩(wěn)的問題，同時在機器人減速時。由于重心靠后，避免了機器人向前傾倒。關節(jié)驅動模塊

10、設計關節(jié)驅動模塊用于實現關節(jié)的相對運動及動力輸出。典型的服務機器人關節(jié)自由度分布如圖所示：兩只手臂各有個自由度，分布于肩部和肘部，頭部有個自由度。這個自由度兩兩為一組，每組個自由度的旋轉軸呈正交布置。本研究將關節(jié)驅動模塊按驅動力矩分為種類型，如表所示。圖自由度分布表模塊驅動力矩本研究中的驅動部件選用韓國公司生產的系列數字舵機，該款舵機具備總線式控制結構，峰值轉矩可達，適合用作關節(jié)驅動。經實測，為使舵機不因發(fā)熱量過大而自我保護，它的連續(xù)輸出轉矩不應超過。故在肩部采取了兩種方式增大舵機的出力：一種是兩舵機通過齒輪嚙合并聯(lián)輸出；一種是通過：同步帶減速輸出。頭部同樣采用同步帶減速方式增加舵機的輸出力矩

11、減速比為：。肩部關節(jié)驅動模塊（型）的結構如圖所示。舵機通過齒輪嚙合帶動連接軸轉動實現大臂旋轉；舵機通過同步帶減速帶動輸出軸轉動實現大臂俯圖型關節(jié)驅動前命業(yè)后萬方數據機電工程第卷仰。齒輪箱底部有螺紋孔，模塊通過螺釘固定。輸出軸可通過固定環(huán)將動力輸出。 肘關節(jié)處所需的驅動力矩較小，直接使用舵機驅動即可滿足設計要求，結構最為簡單，這里不做重復介紹。頭部關節(jié)驅動模塊（型）的結構如圖所示。軸承組件中包括個帶止推滾珠的滾針軸承和個深溝球軸承，保證頭部運動時不會晃動。安裝座上有螺紋孔，模塊通過螺釘固定。輸出軸同樣通過固定環(huán)將動力輸出。輸出軸大輪圖型關節(jié)驅動關節(jié)驅動模塊在結構上具有如下特點：（）采用舵機并聯(lián)輸

12、出或同步帶二次減速的方式作為關節(jié)驅動，其結構緊湊、控制方便。（）模塊間均可通過同種規(guī)格螺釘與支架連接，拆裝方便。通過變更支架形式或安裝孔位即可調整關節(jié)之間相對位置。（）開發(fā)出的不同關節(jié)驅動模塊可根據需要進行組合應用于不同的服務機器人，避免了重復設計，降低了設計成本。樣機組裝及實驗根據以上的服務機器人模塊化設計方法，本研究開發(fā)研制了一款具有個關節(jié)自由度的輪式服務機器人。機器人外形尺寸為。重，如圖所示。其上配備了紅外和超聲傳感器、激光測距儀、攝像頭、一體化平板電腦、點陣屏等多種電氣設備，具有迎賓、導游、才藝表演等功能。機器人從著手設計到樣機交付歷時僅個月，各項性能參數滿足設計要求。樣機組裝完成后，

13、本研究還進行了遙控行走、自主行走、迎賓、跳華爾茲等多項實驗，其使用情況良好，運行穩(wěn)定，證明了這種設計方案是可行的。圖跳華爾茲實驗結束語本研究提出并闡述了服務機器人的一種模塊化結構設計方案。設計從功能定義和零件選型著手，使機械結構滿足機器人模塊化體系要求；對傳動結構布局、傳動實現、身體穩(wěn)同性、模塊化結構設計等內容進行了詳細闡述；并根據設計分析制作了服務機器人樣機。樣機組裝及實驗結果表明采用該設計方案開發(fā)周期短，制作出的機器人性能穩(wěn)定。參考文獻（）：熊光明，趙濤，龔建偉，等服務機器人發(fā)展綜述及若干問題探討機床與液壓，（）：國家計劃先進制造技術領域辦公室中國機器人模塊化體系結構框架發(fā)展藍皮書國家計劃

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15、傅周東(浙江大學流體傳動與控制國家重點實驗室,浙江,杭州,310027， 熊蓉(浙江大學控制科學與工程系,浙江,杭州,310027刊名：機電工程英文刊名：MECHANICAL & ELECTRICAL ENGINEERING MAGAZINE年，卷(期：2010，27(2引用次數：0次參考文獻(10條1. 熊光明,趙濤,龔建偉,等.服務機器人發(fā)展綜述及若干問題探討J.機床與液壓,2007,35(3:212-215.2. 國家863計劃先進制造技術領域辦公室.中國機器人模塊化體系結構框架發(fā)展藍皮書R.國家863計劃先進制造技術領域辦公室,2009.3. 王兵,蔣蓁.模塊化重構機器人技術的現狀與發(fā)

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