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轮腿式机器人的研究及其控制系统

J. SZREK和 P. WOacute;JTOWICZ

摘要：这个轮腿式机器人是一种多自由度的交通工具。根据需要，这个机器人根据其特殊的构造可以实现任意方向的移动：它可以通过轮子的滚动或者在特殊地形里面行走，这大大的加强了它的机车性能。本文介绍了机器人运动轮悬挂系统，通用操作策略与控制系统。这个应用负责机器人的控制以及数据的可视化。最后，通过对算法进行选择性测试，并在机器人的原型上进行实施，提出了可行的算法。

关键词：轮腿式机器人，控制系统设计

简介

根据操作环境的不同，移动机器人可以分为很多种类：飞行机器人，两栖机器人和陆地机器人。后者可以根据他们的移动方式进行分类。他们是有腿机器人和轮式（包括履带）机器人。每个机器人的设计有其优点和不足。轮式机器人比步行机器人有更高的速度，但是后者在平衡性上有较好的表现。

一个装有轮腿悬架系统的移动机器人就很好的结合了这两种设计的优点。这个机器人会使用轮子在一个平坦的地形上前进，但当他遇到一个他不能通过的障碍物时，他会选择通过走上他或者越过他的方式继续前行。

图1轮腿机器人的物理模型

图示机器人是一个由特殊运动系统指导下的，由一个平台和四个轮子所构成的组合体。每个“四肢”确保车轮相对于平台的大的运动。由于这个机器人结合了轮式车辆和腿车的功能，因此，一个比腿式机器人具有更好机车性能，而且能够在有障碍的地形行走的车辆就出现了。

这个LegVan机器人使用了14个电机，其中有4个行走电机，2个转向电机（在后肢），还有4个电机负责平台的水平位置，剩下的4个电机则仅被用于越障。

通过改变其肢体的配置可以使机器人保持平台水平。此外，当它遇到一个它不能绕过的障碍时，它可以使用障碍谈判功能（步行）走上它或超过它。控制轮腿机器人是一项复杂的任务。控制系统具有多个自由度，为了正常工作，需要采集和处理大量的测量数据，而且许多驱动电机的运动需要同步。在这个机器人里，通过使用特殊肢体运动系统几何学，让保持机器人平台水平的驱动器数减少到4个，来简化了控制任务。

本文介绍了机器人的结构，悬挂和控制系统。最后，对机器人原型进行了测试实验，并提交了测试报告。

轮腿机器人结构

轮式机器人是一个机电一体化系统。它的运作需要集成的机械系统与驱动器，计算机控制系统，传感器和软件，以确保预期的机器人性能。组件的正确组合显着影响机器人的机车性能。

现有的一些机器人，例如Roller-Walker, Work-Partner和Hylos ,不同于他们的机械系统以及它们的越障方式，这些机器人有的在障碍物上举起一只肢体，而另一些则向上推进。在这个机器人里，你可以找到一个更详尽的机械结构的调查和障碍谈判技术。

对机械结构、控制系统和通用操作性能的分析表明，出版物很少关注车轮悬架设计和车轮运动机制的选择方法，事实上，他们并没有进行过运动特性的优化，而且也未曾尝试去减少驱动器的数量。

这里介绍的legvan轮腿式机器人设计了如何在不平坦的地形和障碍安全、高效的运行。该机器人有一个特殊的车轮导向（悬架）系统，它只使用一个肢体上的驱动器来使平台保持水平。

车轮悬挂-机械腿

其中一个机器人的四肢（它的外观和运动方案）如图2所示。车轮导向系统（图2b）有两个自由度，它是基于四连杆ABCD的可变长度的链接Q2取代摇杆CD（伺服电机）。车轮安装在连杆BC（图2b显示不需要转弯的转向节）。其他链接（其长度是可变的）–伺服Q1–力摇杆AB的适当位置。

图2 机器人的肢体：A -总体视图，B -运动方案

这种结构的悬架系统可以只使用一个驱动Q1使平台水平。为此，四连杆ABCD的几何（其成员的维度）的设计应使其在一定的长度Q2范围内的运动时，其轮子的中心（链路BC上一点）其轨迹将沿着近似为直线段的轨道mu;运行。这样的系统的几何合成的方法可以在[ 5，6 ]找到。而链路的尺寸则由轨道mu;的设定长度及摇杆AB的相对角度变化来决定。还将获得车轮中心位移与摇臂AB的角位移的线性特性。

由于其特殊的几何得到的运动系统确保了机器人的基本功能（保持平台水平）是只使用一个驱动执行（Q1）。其他的驱动（Q2）就是四连杆机构的摇臂，其长度是固定的。步行或越过障碍需要车轮中心引导沿着特定的曲线轨迹，而这就需要对驱动进行运动控制：Q1和Q2。

机器人的功能

在操作过程中，机器人在车轮上执行由用户或外部规划系统分配的轨迹并保持平台水平。机器人通过安装在平台上的测斜仪进行测量，并通过改变机器人的位姿来使得平衡的到执行。

机器人的附加功能是越障（行走）。由于其特殊的悬架，当机器人遇到一个障碍物时（如一个门槛，一个马路牙子），他可以通过驶上或者跨越的方式通过他。障碍物是通过位于机器人车轮前方的传感器来定位的。

机器人的稳定性分析应在其进行越障功能被使用前就计算出来。当脚步迈出去的时候（车轮抬起来），那么他的支点必然减少，由此会导致他的稳定性下降。基于这个考虑，这个机器人装备了可以测量轮子对地压力测量系统。接收到这些数据后，机器人可以通过改变其质心的位置和车轮与地面接触点的位置（例如通过移动臂）的方式能够有利于车子的稳定性和安全操作。

机器人操作的总体思路是基于行为控制器的概念，接收到要执行的任务（运动轨迹），机器人开始执行它。根据水平传感器和障碍物检测系统的数据，机器人自动调节他的姿势以适应不平整的地形，然后跨越他向目的地行走的路上遇到的障碍物。当机器人前方出现障碍时，障碍物谈判的程序将运行。每个程序已被创建作为一个软件模块，并且会根据现实状况进行选择执行。

此外，在机器人的操作期间，所有参数被可视化和记录，由此可以稍后分析各个系统的功能并且检测任何故障。从数据中还可以得出关于算法的有效性的结论。

控制系统

机器人有一个中央控制计算机和几个本地自主控制器。中央计算机位于机器人上并且其与遥控计算机（用户）无线通信。本地系统负责执行期望的机器人运动和用于进行所有测量。

中央计算机（经由无线连接）接收用于执行特定运动的请求。随后，它将适当的参数发送到负责适当电动机运动的本地控制器。进行测量和执行运动，本地控制器执行任务。控制系统的示意图如图3所示。

图3机器人控制系统的结构

工业计算机（PC 104）用作机器人的中央计算机。该单元基于具有降低功耗的LX800处理器，构成了具有足够计算能力和无线WLAN传输的小型自主计算机。计算机有四个RS232串行通信端口，用于与本地模块通信。机器人中的（主 - 从）通信由机器人的中央计算机完全控制。在向适当模块发送请求之后，中央计算机根据发送的指令接收特定量的数据（测量数据，运动参数已被接受的确认等）。

三个从属微控制器（连接到三个不同的端口）负责驱动电机的运动。接收分配的位置（位置，行走和回转驱动器）和速度值（机器人轮的驱动器），它们使用PID控制器本地获得分配的值。控制在微控制器内进行，其中位置值反馈来自安装在电动机轴上的编码器。通过脉冲宽度调制的变化来调节电动机电压。全位置速度控制器基于具有MC68332微控制器的模块。

除了设置分配的机器人参数，本地模块根据要求发回当前位置，电机速度和平台与水平仪（倾斜仪）的偏差。

其他模块，网络耦合并连接到一个串行端口，主要负责执行测量。其中一个测量其值被使用的重力加速度分量，例如，将倾斜仪设置为零。

另一微控制器测量由肢体施加在基座上的压力。测量系统被设计成适合机器人的肢体。张力测量系统保持向中央控制计算机提供数据。当机器人切换到步行模式并抬起其肢体之一时，关于机器人的肢体施加在基部上的压力的信息是特别关键的。然后丢失了支持点之一，这可能导致稳定性的损失。具有关于压力的信息，机器人可以正确地反应以抵消任何稳定性损失。

从属于中央计算机的最后一个模块是机器人电源系统。根据接收到的命令，该系统会启动/关闭各个机器人块。此外，关于在机器人的轮子前面出现的障碍物的信息通过该模块到达中央计算机。

还存在安装在机器人上的相机（连接到USB端口），将机器人的周围环境的图像传输给操作者，并且因此补充关于遇到的障碍物的信息。

机器人的应用层

软件负责整个系统的功能，并且它应该适合图3所示的控制系统的结构。图4所示的层次结构已经被采用在轮腿机器人中。

上图显示了控制器的特定组件（模块和软件）和信息流。

其中一个块包括低级软件。这些是存储在执行分配给它们的任务（调整，测量）的本地模块的存储器中的过程和算法。每个本地模块被单独编程以响应中央计算机。在图4所示的层级中，所考虑的块位于其底部。它通过执行机器人运动直接影响周围环境。

图4控制系统的分层结构

另一个应用程序（但更高阶的）是“控制器”。 该程序在机器人的中央控制计算机上运行，并且负责与本地模块的数据交换（通过串行端口）。它定期与特定机器人模块通信，发送请求和读取当前参数。从模块接收的数据通过网络连接可用，并传输到其他应用程序。

用于控制机器人的另一应用是MRCA（主，机器人控制应用）。它的任务是与“控制器”应用程序（以及与本地控制器）交换数据，可视化机器人参数，解释来自手动控制面板的数据，显示来自安装在机器人上的相机的图片，实施机器人运行策略。MRCA可以在机器人的中央计算机上或在遥控计算机上（或在与机器人具有网络连接的另一计算机上）运行。

机器人可以通过三种方式控制：从手动控制面板（机器人运动），通过自动实现存储的算法，通过从脚本控制模块实现算法。

脚本控制模块允许在没有程序编译的情况下创建控制算法，由此可以容易且快速地修改机器人操作算法，这在原型启动的阶段是特别有用的，并且使得可以计划机器人运动而不干扰复杂代码 的MRCA程序。在脚本模块中测试了算法之后，可以创建（通过编译）执行特定任务的单独过程。主要的机器人控制命令可以通过两种方式发出：通过手动控制面板或从外部轨迹规划系统。

图5 MRCA的主窗口和外部控制计算机

外部计划系统使用与手动面板相同的方式传输数据，可以独立地控制机器人。连接到远程控制计算机的计算机控制面板用于手动控制。它有几个按钮和两个模拟定位器，非常适合控制功能。

实验测试

模型和算法和实际机器人进行了实验验证。但在此之前，控制系统及其特定部件已经设计，制造和测试。关于软件，控制系统设计允许容易地组合算法。实验结果以机器人操作期间记录的照片和所选参数轨迹的形式呈现。因此，可以可视化特定依赖性，并且可以分析算法性能。

轮腿机器人主要设计为在不平坦的地形中操作并且能够通过行走越过障碍物。

图6机器人的运动能力

图6显示了机器人的运动能力 - 分别抬高前肢和后肢。照片包括用于显示机器人运动的规模的项目（典型的CD）。机器人的两个主要功能 - 障碍物协商和调平 - 主要在实验过程中进行测试。

在当前阶段，调平算法的操作基于具有在前平整伺服电机和后平准伺服电机之间划分命令信号的附加条件的比例控制器。算法工作如下：

1.如果测量的偏离水平gt;plusmn;e（特定值接近零 - 实验分配），指定驱动器和运动方向减少偏差e;

2.如果egt; 0，降低前肢，提高后肢; 如果e lt;0，抬高前肢，降低后肢;

3.如果一对驱动器到达极限位置，使用相反的对执行运动（改变方向）;

4.如果偏离水平lt;e，停止调平运动，返回到1。

障碍物协商功能通过执行存储的步骤序列来执行，这些步骤取决于来自系统的传感器的参数（距离障碍物的距离，障碍物的高度，由肢体在基座上施加的压力压力等）。

障碍物协商功能测试。

为了分析，假定障碍物可以位于一个车轮或两个车轮的前面。这两种情况将在障碍物的协商方式和操作算法中不同。

位于其中一个车轮前方的障碍物协商的具体阶段如图7所示。图8示出了在实验期间记录的选定数据。位于一个车轮前面的障碍物是自主协商的，并且肢体要升高到的高度由机器人基于障碍物的高度来确定。在这种情况下，可以通过跟踪机器人的左肢的高度，车轮距障碍物的距离和运动速度来检查过程的过程。这些图显示出了如下所述进行的过程。

图7障碍谈判功能 - 障碍在一个肢体前面

机器人移动执行分配的轨迹（在这种情况下为直线）。在某一时刻，位于机器人的一个轮子（左边的一个）前面的传感器给出正在接近障碍物的信息（图8，点A）。

速度降低（点B），当机器人在距障碍物15mm内时，停止（点C）。然后机器人准备提升（改变轮轴距离平台的底部边缘的距离）障碍物前面的肢体。为了确保其稳定性，它降低相对的后肢，直到达到特定的（实验预定的）压力。

图8障碍物谈判实验测量数据

肢体以较慢的速度升高到障碍物（点D）上方，直到障碍物的边缘被距离传感器定位。与障碍物的距离的急剧增加意味着传感器已经被带到障碍物的边缘上方（点E）。

肢体进一步升高（更快），以便将车轮带到障碍物上方的点F. 随着肢体抬起，机器人越过障碍物，直到后轮处于障碍物前方（行进距离等于前轮和后轮之间的距离）。

当后轮所处的障碍物的前方，前肢降低，并且在后一个被升高（H点）。现在机器人只需要驱动其后肢升高（点1），并降低到基地（点J）。经过谈判的障碍，机器人继续前进，一段时间后停止并降低平台（点K）。目前，机器人配备有可以确定障碍物高度的传感器，但是其他尺寸（长度）是未知的。

图9障碍协商功能 - 在机器人前面的障碍

调平功能测试。

在图10所示的障碍物行程上测试调平功能。进行了几种不同速度的机器人运行和调平算法参数。执行关闭调平功能的机器人运行以进行

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