韦洪喜
广州伸兴自动化设备有限公司
摘要：随着社会经济的发展与进步,机器人的应用领域越来越广泛,从传统的工业领域向军事、医疗、服务等各个领域渗透。传统的机器人设计主要面向特定的应用场合,机械结构往往根据应用展开定制性的设计和研制,不同应用的机器人机械结构事实上存在很多的重复设计。微软公司董事会主席比尔·盖茨曾预言:个人服务机器人将重复个人计算机产业崛起的道路,成为我们日常生活的一部分。在这种趋势下,面向特定应用的机器人设计模式越来越不能满足快速增长的服务机器人市常为了实现机器人产业化,必须将模块化设计思想引入到机器人设计中。在过去的20年中,模块化机器人的研究经历了从最初的概念性研究到实体机器人制作的整个过程,并已经在工业领域得到了实际应用。
关键词：模块化;服务机器人;结构设计
引言
为了降低服务机器人的开发周期与成本,基于模块化设计方法,对服务机器人的机械结构进行了模块化划分,并对传动结构布局、传动实现、身体稳固性、模块化结构设计等内容进行了详细阐述。样机组装及实验结果表明,基于模块化设计方法的服务机器人产品开发周期短,其性能达到了设计要求。本研究面向各类服务机器人的应用需求,提出一种模块化结构设计方案,进行模块化结构分析,详细介绍各模块的功能定义和结构设计。实验结果证明:其具有良好的移动特性,各模块的性能达到设计要求。
1模块化结构分析
机器人模块化体系结构是指对机器人各功能构件进行模块化、标准化分解,实现软、硬件分离与功能独立化,充分体现面向不同应用领域的可重构的通用机器人的总体系统概念设计。国内外观点认为,为推进服务机器人的实际应用和产业化,必须研究模块化的机器人体系结构,将不同功能构件作为组成机器人系统的元素,最终通过集成这些模块来构建满足用户需求的机器人系统。模块化机器人系统设计的主要内容是模块的划分和模块的设计。模块的划分既要考虑模块化机器人的应用范围、工件特点和性能,同时也要符合以下几条基本原则:(1)每个模块单元在功能上应具有独立性,可实现某一特定的功能。(2)每个模块单元与其它单元之间的连接应尽可能的简单,机械接口连接应方便、快捷、可靠。(3)每个模块在运动学和动力学上应具有相对的独立性。本研究将服务机器人从机械结构上分为3种主要功能模块,分别为行走模块、身体框架、关节驱动模块,同一功能模块可以有不同的尺度和运动方式。行走模块是机器人的移动驱动单元;身体框架用于搭载其他模块、各类控制板卡、传感器和人机接口;关节驱动模块用于实现关节的相对运动及动力输出。机械结构上,3种模块互相独立,通过变更和组合3种模块就能搭配出适用于不同应用场合的机器人产品。每一个模块可方便地进行更换。
1.1行走模块设计
行走模块是机器人的移动驱动单元,目前应用较多的移动方式通常有车轮式、履带式、关节式和复合式。这里介绍一种(2,0)排布的车轮式行走模块。该行走模块采用双电机差速控制2个驱动前轮,通过控制左右轮转速来实现移动,具有精度高、转向灵活等优点。每个驱动轮结构相同且相互独立。不考虑轮子本身的弹性系数及阻尼对系统的影响,并假定机器人在水平面上运行,轮子与地面满足纯滚动运动条件.(1)驱动轮采用与减速器输出轴直连的传动方式,结构紧凑,并简化了传动机构。(2)在传动机构中加入一对深沟球轴承,使车轮带来的径向力作用于支架,减速器输出轴只承受扭矩,避免了减速器输出轴上受到过大的径向力而影响减速器的寿命。(3)轮毂和轴采用锥面涨紧套进行连接,这种连接不会削弱连接轴、毂强度,并具有易拆卸、无间隙、对中性好、传动力矩大等优点。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆(4)模块结构独立,通过各模块上设计的标准化机械接口可方便地进行组装
1.2身体框架设计
服务机器人的身体框架用于连接其他模块,搭载各类控制板卡、传感器和人机接口。为使内部结构紧凑、易于维护,身体框架在空间上应具有多层结构,并且具备通用的机械接口。身体框架从下到上分为3个空间层次:第1层为底盘,用于安装行走模块、蓄电池;第2层安装各类控制板卡、传感器和人机接口;第3层安装关节驱动模块。其中底盘采用三轮支撑,包括2个驱动轮和1个万向轮。由于仿人机器人的高宽比一般比较大,容易造成机器人不稳甚至倾倒,合理的布置重心位置可以改善这一情况。设计时,首先确定重心O的位置,然后根据重心调整万向轮触地点位置，重心O位于机器人左右对称中线略靠后位置,并落在3个轮子触地点构成的三角形内。身体框架在结构上具有如下特点:(1)采用铝型材作为支架具有重量轻、强度好、拆装方便等优点。铝型材本身具有安装槽,是一种良好的机械接口,不需额外加工安装孔,各种连接件的规格标准、通用。(2)机器人选用三轮支撑结构,不需要悬挂机构即可保证所有轮子同时着地。(3)优化重心分布,最大程度上避免了选用三轮支撑结构带来的重心不稳的问题,同时在机器人减速时,由于重心靠后,避免了机器人向前倾倒
1.3关节驱动模块设计
关节驱动模块用于实现关节的相对运动及动力输出。典型的服务机器人关节自由度分布如图5所示:两只手臂各有4个自由度,分布于肩部和肘部,头部有2个自由度。这10个自由度两两为一组,每组2个自由度的旋转轴呈正交布置.关节驱动模块在结构上具有如下特点:(1)采用舵机并联输出或同步带二次减速的方式作为关节驱动,其结构紧凑、控制方便。(2)模块间均可通过同种规格螺钉与支架连接,拆装方便。通过变更支架形式或安装孔位即可调整关节之间相对位置。(3)开发出的不同关节驱动模块可根据需要进行组合应用于不同的服务机器人,避免了重复设计,降低了设计成本。
2样机组装及实验
根据以上的服务机器人模块化设计方法,本研究开发研制了一款具有10个关节自由度的轮式服务机器人。机器人外形尺寸为582×602×1588mm,重63kg。其上配备了红外和超声传感器、激光测距仪、摄像头、一体化平板电脑、LED点阵屏等多种电气设备,具有迎宾、导游、才艺表演等功能。机器人从着手设计到样机交付历时仅3个月,各项性能参数满足设计要求。样机组装完成后,本研究还进行了遥控行走、自主行走、迎宾、跳华尔兹等多项实验,其使用情况良好,运行稳定,证明了这种设计方案是可行的。
结语
随着人类老龄化问题的加剧，服务机器人近些年越来越受到重视，应用范围已从专业领域扩展到家庭生活领域，主要从事搬运、清洗、救援、修理等工作。在欧美、日本等国家，已有40余款服务型机器人投入试验和半商业化运作。本研究提出并阐述了服务机器人的一种模块化结构设计方案。设计从功能定义和零件选型着手,使机械结构满足机器人模块化体系要求;对传动结构布局、传动实现、身体稳固性、模块化结构设计等内容进行了详细阐述;并根据设计分析制作了服务机器人样机。样机组装及实验结果表明采用该设计方案开发周期短,制作出的机器人性能稳定。
参考文献
[1]罗成,秦红玲.六足机器人模块化结构设计[J].机电工程,2009,26(6):17-19.
[2]陈航,殷国富,赵伟,等.工业机器人模块化设计研究[J].机械,2009,36(3):56-58.
[3]宋章军.服务机器人的研究现状与发展趋势[J].集成技术,2012,03:1-9.
[4]问未.2015全球顶尖机器人TOP10[J].互联网周刊,2015,18:66-68.
论文作者:韦洪喜
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
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