英语原文共 6 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
自由度减少的腿轮式机器人通过从动轮以滑冰运动的形式实现在特定地形上的机动
Nurul Izzati Azlizan
东海大学信息科学与工程专业
日本神奈川平冢市259-1292
(电子邮件 ︰ zaty1253@gmail.com ).
Katsuhiko Inagaki
东海大学计算机应用工程系
日本神奈川平冢市259 - 1292,
(通讯作者提供的电话:463-58-1211,传真:463-50-2240;电子邮件:ingk@ingk-lab.org)。
2014年电气与电子工程师协会会议记录
2014 年 12 月 5-10 日，印尼巴厘岛机器人学与仿生学国际会议
摘要：本文显示了人们为了让腿轮式机器人跨越不同倾角的平坦地形所作出的努力。以前，我们提出过通过应用减少自由度的设计来发展最小自由度机器人的想法。设计和控制机器人的复杂性主要取决于自由度。我们相信，通过减少自由度得到数目，有可能简化机器人的设计和控制，也可以提高整体的能量效率。其中一个实现减少自由度设计想法的方法是用从动轮代替主动轮。在本文中，我们将讨论机器人的总体设计，轮胎模式下的轨迹机制，车轮前束角的影响，本身往复运动的行程长度和速度与特定地形的倾角之间的联系，以及最后实验分析的结果和结论。
1 概况
众所周知的是，根据从一个地方移动到另一个地方的移动方式进行分类，移动机器人有好几个类型。移动机器人类型的选择通常取决于机器人即将通入使用的环境类型。例如，如果一个机器人投放到以恶劣地形为主的复杂环境中使用；对于崎岖不平的地形，最好使用腿式机器人，因为腿式机器人对这种类型的环境有着最佳的地面适应性。它们不仅可以在平坦的地面移动，还可以在崎岖的地形中行走。然而要实现这种良好的地面适应性，通常需要较高的自由度数目。因此，它将机器人的机械结构设计和控制系统的处理都复杂化了。
另一方面，如果一个机器人在大面积的平坦地形中使用，最好使用轮式机器人。轮式机器人有着在平坦地面高速行驶的能力，同时其只需要很少的自由度。除此之外，相对于腿式机器人，轮式机器人有着更加简单的结构和控制系统，这使得轮式机器人的效率更高。唯一的缺点是轮式机器人只能在平坦地面行驶，地面适应性很差。
基于这两种类型的移动机器人的优点和缺点，以及看到了研发一种同时具备良好地面适应能力和高效率的机器人的潜力。很多研究都将这两种类型的机器人结合在一起发展处一种混合式的移动机器人，即腿轮式移动机器人。
虽然通过结合这两种类型的机制实现了良好地面适应性的移动机器人的发展，但如果将这些机制简单地合成一个，就会出现一些问题。其中一个显而易见的问题是这种机器人的机械结构和控制混乱。通常，一个腿式机器人的一条腿最少有三个自由度。所以，一个典型的四足机器人的腿部最少需要12个自由度。因此，如果车轮加到这种机器人身上，自由度的数目会变得非常高，这会带来和腿式机器人所面临的同样问题。
因此，为了设计一种同时具有高地面适应性和高效率的腿轮式移动机器人，建议应用前面介绍的减少自由度设计的方法。这是一个仔细检查每个关节结构，省略关节多余的高倾向。一些研究也在分析这个设计思路在机器人上的发展。因此，作为主动关节减少使用执行机构的结果，可能通过实施减少自由度设计的方法，研发出一种低自由度、结构简单、效率高的混合式机器人。
因此，在本研究中，考虑到上述要点和减少自由度的方法导致腿轮式机器人的发展，该腿轮式机器人将包括以下功能：（1）机器人的身体是由6个链接组成的一个封闭的环。（2）形状是多变的,腿的位置可能被这个封闭环身体相关控制。（3）封闭环中的六个关节只有三个是主动关节。剩下的三个是被动关节。(4)没有执行器是用来控制车轮;被动车轮是用来代替主动车轮。（5）腿部分实现只有一个移动关节的每条腿而不是常见的三自由度的腿。
图1 减少自由度的腿轮式机器人概览
有这些特性应用于机器人,它已经使机器人尽管六条腿可能只有十自由度,。这是一个很大的减少的自由度的数量,如果比较典型的腿机器人如昆虫,通常至少需要18个自由度。这里要注意一点,我们的机器人将用于目标环境,几乎是人类的环境中移动,如办公室或工厂。这些地方覆盖地区平坦的地形和障碍如楼梯。腿式机器人,在平坦的地形,机器人将通过车轮执行运动；地面上不均匀，它可以用腿来执行运动。
以前,我们已经指出腿轮式机器人的发展背景和讨论了轮式机器人的运动规划模式。然而,我们还没有讨论的重要因素或参数有很大的影响在轮式机器人的移动模式。
因此,在本文中,我们将主要讨论所涉及的参数如高速运动,冲程长度,前束角和角频率之间的关系,当机器人在轮式移动模式。然而,理解运动的机制在轮式模式中,我们将首先解释机器人的基本设计和必要的运动规划。
图2。主动关节,被动关节和被动轮在六角关闭链接的定位(前视图)
2 基本设计
图1所示是这个研究的腿轮式器人设计的概述。自由度的配置分为两个：垂直和水平。垂直方向,机器人有六条腿,可以分为以下几类：三条腿的移动关节在垂直方向移动,没有轮子。两条腿与被动车轮附着在一边。一条腿同时又移动关节和被动轮上附在最后一边。
正如前文中提到的，轮子上没有附加执行器，所以他们不能直接驱动。然而,有必要在z轴控制车轮的方向，在垂直轴添加主动转动关节。虽然这增加了一些自由度的总数,所需的力量是微不足道的,它不影响体重的问题。
此外,水平方向，我们有封闭链接，这是机器人的身体。形状改变的驱动致动器在关闭链接。如前所述,这一次我们考虑了实现减少自由度的设计之后, 身体的六个关节只有三个被分配活动关节。这只是因为每个链接的长度是相同的,当三个关闭链接设置了内部角度,剩下的三个角是自动固定的。
因此,如图2所示, 六角的主动和被动关节交替放置链接。另外要注意的一点是,在每个活动关节,有一条腿被动轮和被动关节,在每个有一个移动关节的腿。
这项研究已经展开过，先前提出了用移动腿执行腿部运动的策略。基于前面的研究结果,证明这个封闭链接腿轮式机器人能够穿过平坦的地形以及上下楼梯。
3 车轮模式的运动
3.1 使用轮子
腿轮式机器人有两种模式来确定其移动的方法：使用腿,我们称之为“腿模式”；使用轮子,我们称之为“推模式”。在本文中,我们将讨论使用推模式的主要条件。
在轮式模式中,除了三个被动轮,所有其他的三条腿举起,只留下腿与被动车轮与地面接触。出于这个原因,在轮式模式进行实验,我们做了一个原型,遇到这种情况,如图3所示。
图3被动轮封闭环移动机器人
在图3中可以看到,移动关节没有腿存在,但其余不变，与原始腿轮式机器人设计与六角关闭链接和相同定位的主动和被动关节。
因为被动车轮超出我们控制,运动的产生必须由机器人的身体产生一个力量间接驱动被动车轮。
在这里,我们感兴趣的是以模仿一个人溜冰的运动为基础的轮式滑冰运动模式。然而,有一些因素限制了完全复制一个人的滑冰运动。最大的区别,不允许我们在机器人身上完全模仿一个人的滑冰运动的原因在于机器人的腿的垂直轴缺乏自由度。如前所述,被动车轮附着的腿没有移动关节在最后总是在与地面接触。
一个人通过推动他的脚进行溜冰运动,一次一个,在一个向外的方向每只脚从结束到一个新的起点,每一次他产生一个新的滑动。这样交替的重复运动是为了创造一个推动力量使他向前移动。
图4 封闭链接的运动模式
情况就是这样,为了在机器人应用人类的滑冰运动模式,我们决定创建一个封闭链接的往复运动以创建一个推动力量让步被动机器人可以移动轮子却不需要像人类一样抬起腿。
图4显示了轮式模式所需的封闭链接的运动模式。红色虚线显示了封闭链接的形状变化同时蓝色箭头所示的方向点改变。滑冰运动重复图所示,在顶部工具条ri右边底部和左边底部正确的步骤。重复这个步骤,可以创建推动力使身体向前,即使没有执行器驱动被动车轮。尽管如此,有一个规则,以使这个往复运动是滑冰运动。规则是改变被动车轮的方向以匹配或同步cl的往复运动。
3.2分配关节和轮子
执行上述往复运动需要对称的运动。因此,三分之二的致动器在封闭链接将相互对称的形状而改变封闭链接。车轮也一样,车轮位于执行往复运动的执行机构的底部将相应变化的运动。因此,分配的三个被动轮,一个方向盘和剩下的两个被分配为滑冰轮子。
图5显示了这些关节和轮子的位置。在左边,关节的位置执行对称往复运动主动关节B和主动关节f .在这种情况下,联合D机器人的头部会搬到(轴)。另一方面, 图5的右边显示了被动轮B、D、F的位置，被动轮D指定为方向盘而被动轮B和F都指定为滑冰车轮。
图5。封闭链接滑动模式下发电机,方向盘和滑冰轮子的位置
4 运动规划
4.1 参数定义
实现往复运动使用的参数的定义如图6所示。封闭身体的形状迅速变化, 机械的体内的平面坐标的设置不同于通常的方式。这里,关节B和F将执行对称往复运动和等腰三角形BDF,我们设置这样的起源之间的中点坐标平面将关节B和F轴设置为指向关节D的方向。
4.2 滑动方法
为了进行滑冰运动,滑冰关节，主动关节B和F需要执行的对称运动,在人类滑冰运动被称为冲程。假设关节都是沿着x轴的运动,运动的计算可以给出如下。
在这里,D是冲程的长度。另外,为了实现对称运动,关节B和关节F之间的相位差设置为Ɏ(rad)。在上图6可以看出d是轮子联合B和F之间的长度。执行这个动作,封闭链接身体会定时重复地横向扩张和收缩，所以驱动车轮使机器人移动。
然而,仅仅通过定时重复改变封闭链接体的形状不足以使机器人进行滑冰运动。执行滑冰模式时最重要的一点是根据滑冰运动控制轮子的方向。上述两个方程只解决关节沿x轴的运动。然而,如果车轮被设定为与关节有相同的运动,推进力不能生成，机器人不会前进。
如前理论部分所述,车轮的方向在执行往复运动时应该相应的改变。当身体扩张,轮子应该点外,当身体收缩,他们应该向内。
图6在六角封闭的链接的参数定义(俯视图)
图7前束角的定义
为了克服这一点, 在封闭链接体的滑动或对称往复运动中,需要一个适合的角度应用于滑冰车轮的定向。这就是我们所说的“前束角”。图7显示了溜冰轮前束角的定义B和F。
证明前束角,应用以下方程：
这里,G是前束角的振幅,而ߠୠ和ߠ各自的前束角的补偿,将ɎȀʹ。为了使滑冰车轮的方向是相反的,相位差是ɎȀʹ。
4.3 封闭链接体的反向运动学
移动关节到所需的位置,需要计算出封闭链接体的内部角度。在这里,我们得到下面的反向运动学计算这些角度的值。
5 实验设计和结果
在之前的研究中,我们已经成功地使轮式机器人在移动模式移动。然而,在过去,实验只在平坦地形上进行,没有倾斜。进一步提高移动机器人在推模式下适应周围环境的能力,我们决定让机器人跨越有一定程度的陡度的平坦地形,例如，一个坡道。坡道通常出现在建筑,办公室,医院或工厂。因此,找到方法让机器人跨越斜坡是值得的。
在被动车轮的滑冰运动中,有三个关键参数大大影响机器人的机动性。他们行程的长度D/角频率G和辗轧角 。
这一次,我们决定根据不同的倾角的平坦地形移动机器人的机动性来确定这些参数之间的关系。为此, 两个实验,一个在水平地形险峻的Ͳiota;第二,在平坦的斜坡陡度ofͶiota;。
5.1水平平坦地形
为了找到参数之间的关系,我们进行了实验,首先,自变量是冲程的长度,d .自变量之间改变的范围是20到65(毫米),间隔5(mm)。在实验的第二回合,自变量是前束角的角度，前束角将在10(mm)到55(mm)，间隔5(mm)。这两种类型的实验的因变量是[s]机器人完成穿越地形1.27[m] 的时间。这些实验的控制变量平坦的地形的陡度,这是Ͳiota;和也的角频率ɎሾሿǤ
图8显示了实验的结果和前束角之间的关系和速度(米/秒)显示在每个冲程的大小。在这里,我们可以看到,每个行程的速度通常显示了同样的模式随着前束角的变化。
从这个数据我们可以说,最好是有更大的行程为它创造了更大的推动力量,从而使机器人移动速度更快。然而,根据大小的机器人,实际上冲程是有限度的。在这里,我们的原型机器人有一个长度为160(mm) 封闭的链接身体，对于每一个环节,冲程的限制是47(mm)。考虑这个问题,实验的最大行程将45(mm)。
至于前束角,我们可以看到,在20度。结果表明,速度达到最快后,速度逐渐下降，前束角变大。
图8 在水平平坦地形前束角角度与速度
图9 在四个不同陡度的平坦地形的前束角角度与速度
5.2 4度陡度的平坦斜坡
现在我们已经运行实验水平平坦的地形,然后我们在四度陡度的平坦的斜坡进行实验。实验方法和变量与在前面的实验中是一样的,发现参数之间的关系,首先,自变量是冲程的长度d .自变量改变的范围是20(mm)到65(mm)，间隔5(mm)。在实验的第二回合,自变量是前束角的角度。前束角将在10(mm)到55(mm)，5(mm)间隔。这两种类型的实验的因变量是[s]机器人完成穿越地形1.27[m] 的时间。这些实验的控制变量的陡度平坦的地形和角频率。
图9显示了速度(米/秒)和前束角(度) 之间的关系。当机器人在一个4度陡度的平坦的斜坡移动。显示了类似于前面在图8中的结果,我们可以看到,冲程越大,机器人移动的速度就越高。
尽管如此,前束角的范围有所不同。随着陡度的变化,我们可以看到,小前束角角度不足以让移动机器人滑冰运动。达
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[151697]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
