轮履组合变换的环保机器人制作

环保机器人主要是指用来收集、处理日常生活中的垃圾或者对已经污染的自然环境进行清理修复的机器人。目前，移动机器人的行走机构主要有轮式、履带式和腿式。轮式行走机构的移动速度快，但是其越障能力差。履带式行走机构其越障能力较强，但是其运动不灵活。腿式行走机构具有较好的越野能力，但是其机构较为复杂，运动控制复杂［1］。在分析了现有的移动机构的基础上，针对室外工作环境复杂的情况，我们设计了一种轮履组合式环保机器人，主要用来收集垃圾。该机器人能够实现平整路面上的快速运动，并且它在崎岖路面(壕沟、斜坡、阶梯)上具有良好的越障能力。

1机器人结构设计

1.1总体结构设计

履带式机器人由于其良好的越障能力，能够适应室外的复杂环境，因此得到了广泛的应用。轮式机器人可以在平整的路面上快速移动，能够在短时间内进入目标地点。轮履组合式环保机器人主要工作在室外，可以到河岸边打捞漂浮在水面上的垃圾，可以用在垃圾场里面的垃圾的平整，充分发挥履带的作用，亦可以将手抓伸到垃圾池收集垃圾，此时可以换用不同的手抓。当机器人收集完垃圾之后，可以根据所处的环境变换自己的行走机构，将垃圾及时的运送到目的地。轮履组合式环保机器人主要由履带式底盘、垃圾收集箱、机械手、轮履组合变换机构、轮式行走机构5部分组成运用大型三维软件UGNX建立了轮履组合式环保机器人的模型［2］，如图1所示。当机器人遇到障碍物(斜坡、阶梯、壕沟)时，履带式行走机构可以实现越障功能，如图1a)所示。机器人行走在平整的路面上时，使用轮式行走机构，如图1b)所，从而将垃圾运到目的地。图1轮履组合式环保机器人模型

1.2轮履组合变换机构以及保护装置

1.2.1轮履组合变换机构

图2轮履变换装置、保护装置及轮式行走受力轮履组合变换机构主要功能是实现履带式行走与轮式行走的变换，从而使机器人适应不同的环境。使用丝杠螺母［3］，来实现竖直方向上的运动，丝杠固定，螺母移动，丝杠的一端经过联轴器与蜗杆蜗轮减速器轴相连接，减速器安装在车架上，电机的输出经减速器减速之后到达丝杠。在螺母的另一端安装有车轮架，车轮经过轮轴与车轮架相连接。当机器人运行在平坦的路面上时，在丝杠螺母的运动带动下将车轮降下，从而将整个机器人的底盘抬高，履带离开地面。当机器人运行在复杂的环境(沟壕、斜坡、台阶)，在丝杠螺母带动下，车轮升离地面，履带接触路面。轮履组合变换机构(如图2a)所示)。

1.2.2轮履组合变换保护装置

如图2所示，轮履组合变换保护装置主要由导轨滑块结构组成。导轨滑块结构由导轨、滑块、导轨固定T形铁以及与滑块相连接的F形铁。其中，导轨滑块的运动过程为:当机器人行走在不同的环境中时，需要变换行走形式，丝杠在电机带动下转动，这种运动经过螺旋副传递到螺母上，从而螺母在竖直方向上运动，带动F形铁运动，F形铁与滑块连接，此时滑块沿着导轨在竖直方向上运动。机器人处于轮式行走时，丝杠螺母的受力如图2b)所示，其中N为地面的支反力，f为车轮所受的摩擦力。丝杠螺母主要承受的是沿丝杠轴线方向的轴向力，然而轮式行走靠的是车轮与地面之间的摩擦力，地面给车轮的摩擦力沿轮子的前进方向，丝杠螺母将发生弯曲，磨损严重，且运动方向有可能偏离竖直方向。由于丝杠螺母是不能承受径向载荷的，加上导轨之后可以来承受这种径向载荷，同时在丝杠上端靠近联轴器处安装推力球轴承，来承受轴向力，使丝杠螺母只承受较小的轴向载荷，从而提高了丝杠螺母的使用寿命，同时提高了丝杠螺母在竖直方向上的运动精度，保证了轮式行走与履带式行走的平稳变换。

1.3垃圾收集装置以及机械手部分

垃圾收集装置主要用来收集垃圾，如图3a)所示，主要由丝杠、推板、电机组成;机械手部分是环保机器人执行任务的重要装置，该环保机器人的机械手部分主要由大臂1、大臂2、小臂、末端执行器组成，如图3b)、图3c)所示，为两种不同末端执行器的机械手形式，根据抓取的对象的不同可以使用不同的手抓，一种为三爪式，另一种为铲形结构，三爪形结构主要用来抓取圆柱形、块状的垃圾，铲形结构主要用在抓取的对象为较大的、散的，如在垃圾场处理垃圾，也可将铲形手抓深入垃圾池内作业。

2机器人的运动学分析

2.1机器人杆件坐标系的建立

轮履组合式环保机器人的机械手共有5个自由度，由图3b)可以看出。大臂1、大臂2、小臂、末端执行器绕两构件之间的转动副转动，基座在车架上可以绕竖直方向360°旋转。机械手的初始位置设定为大臂1为竖直位置，大臂2、小臂以及末端执行器为水平位置。即θ1=0，θ2=－90°，θ3=0，θ4=0，θ5=0。采用D-H法求解正逆运动学问题［4］，为简化计算，基座坐标系o0-x0y0z0固结在车架上，各关节的参考坐标系建立情况如图4所示，表1为杆件参数。

2.2运动学正解

机器人的正运动学问题是已知机器人各个关节的参数，求末端执行器在基座坐标系下的位姿，由D-H法建立环保机器人末端执行器的坐标系相对于基座坐标系的齐次变换矩阵可用05T表示，即05T=01T12T23T34T45T=nxoxaxpxnyoyaypynzozazpz0000(1)式中:i－1iT表示i坐标系对于i－1坐标系的其次变化矩阵;p表示末端点的位置矢量，n，o，a为描述其姿态的3个相互垂直的单位向量。由此，可得nx=cosθ1cos(θ2+θ3+θ4+θ5);ny=sinθ1cos(θ2+θ3+θ4+θ5);nz=－sin(θ2+θ3+θ4+θ5);ox=sinθ1;oy=－cosθ1;oz=0;ax=－cosθ1sin(θ2+θ3+θ4+θ5);ay=－sinθ1sin(θ2+θ3+θ4+θ5);az=－cos(θ2+θ3+θ4+θ5);px=－sinθ1(d3+d4+d5)+a2cosθ1cosθ2;py=cosθ1(d3+d4+d5)+a2sinθ1cosθ2;pz=－a2sinθ22.3运动学反解运动学反解问题即是已知各个杆件的结构参数和矩阵05T中的各个元素，求解相应的关节变量θ1、θ2、θ3、θ4、θ5，因此，可用相应的逆矩阵左乘式(1)两边，以将指定的关节变量θi分离出来，从而得到所要求的解［5～7］，步骤如下:1)求θ1。用01T－1左乘式(1)两边，得01T－105T=12T23T34T45T(2)将01T－1求出，并代入式(2)可得c1s10000－10－s1c1000001nxoxaxpxnyoyaypynz0zazpz0000=c23450－s2345a2c2s23450c2345a2s20－10d3+d4+d50001(3)式中:ci=cosθi，si=sinθi，cijk=cos(θi+θj+θk)，sijk=sin(θi+θj+θk)。

式(3)左、右两端的第3行第4列元素相等，得－sinθ1px+cosθ1py=d3+d4+d5(4)利用三角代换，令ρ=p2x+p2槡y，以及=arctanpxp[]y，得px=ρcospy=ρsin{(5)将式(5)代入式(4)整理可得θ1=arctanpxp[]y－arctand3+d4+d5±p2x+p2y－(d3+d4+d5)槡()2由θ1右边的表达式可知，θ1有两个解。2)求θ2。由式(3)第1行第4列与第2行第4列元素对应相等可得a2cosθ2=cosθ1px+sinθ1pya2sinθ2=－p{z即θ2=arctan(－pzcosθ1px+sinθ1py)3)求θ3。利用23T－112T－101T－1左乘05T可得c23c1c23s1s23－a2c3－s23c1－s23s1－c23a2s3－s1c10－d30001nxoxaxpxnyoyaypynz0zazpz0000=c450－s450s450c4500－10d4+d50001(6)式中:cij=cos(θi+θj)，sij=sin(θi+θj)。

根据式(6)第1行第4列元素对应相等可得c23c1px+c23s1py+s23pz－a2c3=0(7)解方程(7)，可以得到θ3=arctan(c2(pxc1+pys1)+s2pz－a2s2(pxc1+pys1)－c2pz)由于θ1，θ2的解已知，所以θ3的值较易获得。4)求θ4。利用34T－123T－112T－101T－1左乘05T可得(c34c2－s34s2)c1(c34c2－s34s2)s1c34s2－s34c2－c34a2(－s34c2－c34s2－c34s2)s1(－s34c2－c34s2)s1－s34s2－c34c2s34a2－s1c10－d3－d40001nxoxaxpxnyoyaypynz0zazpz0000=c50－s50s50c500－10d50001(8)由上式中第1行第4列为0可以得到(c34c2－s34s2)c1px+(c34c2－s34s2)s1py+(c34s2－s34c2)pz－c34a2=0解之得θ4=arctan(c2c1px+c2s1py+s1c2pz－a2s2c1px+s2s1py+c2)－θ35)求θ5。由上式第1行第3列以及第2行第3列元素对应相等可以得到θ5=arctan((c34c2－s34s2)(c1px+s1py)+(c34s2－s34c2)pz－c34a2(s34c2+s34s2)(c1px+s1py)+(s34s2+c34c2)－s34a2)至此，已求出了全部的关节变量。

3机械手运动学仿真分析

3.1建立虚拟样机

将机械手单独从整个机器人装配体中分离出来，进入UG的运动仿真模块［8］进行添加约束，并在机械手末端执行器建立标记点:A001，并以此点来观察5自由度机械手末端执行器的运动情况。利用STEP函数设置各个关节的位移驱动，仿真时间为10s，步数为100步，各关节位移驱动函数如表2。

3.2仿真结果分析

1)图5所示为机械手末端点位移曲线。图6所示为机械手末端点线速度曲线。图5～图6来看，机械手的各个关节在STEP阶跃函数动下，机械手末端点位移以及速度在机械手的运动过程中较为平稳。图7所示为机械手末端点角速度和角加速度曲线。图8所示为机械手各个关节驱动曲线。从图7和图8可以看出该机械手末端角速度和角加速发生了明显的跳跃性变化。这与机械手各个关节设置的开始驱动时间点有较大的关系(图8)。为减轻末端执行器在运动过程中的这种不平稳度，应考虑将各关节进行同时驱动，从而减少关节依次驱动带来的突变加速度，提高机械手的整体操作速度。

2)从图8来看，机械手能够很好的按照所施加的STEP函数驱动来运动，从而能够将手抓抓取的垃圾放到垃圾收集箱中。由图8可以得到，机械手的作业过程可以分为两个:一个是抓取垃圾的过程。另一个是放垃圾的过程。

(1)抓取垃圾，0～1s，大臂1顺时针转过60°，1s～1.5s大臂2顺时针转过30°，1.5s～3s小臂顺时针转过20°，3s～5s，末端执行器顺时针转过10°此时末端执行器已经到达目标物上方，此时抓取垃圾。

(2)放垃圾，5s～6s，大臂1逆时针转60°，6s～6.5s大臂2逆时针转过30°，6.5s～8s小臂逆时针转过20°，接着8s～9s机械手基座转过180°，此时末端执行器到达垃圾收集箱上方，9s～10s小臂顺时针转过30°，此时将垃圾放到箱中，到此完成整个运动过程。3)从图5中可知，在8s～9s，末端执行器的X、Y坐标值有较大变化，而由图8中8s～9s以后，只有基座转动，即只有θ1变化，这表明机械手的末端坐标跟θ1的转动角度相关。又由图5中0～1s末端执行器的Y、Z坐标有较大变化，对应图8中只有θ2在变化，表明机械手的末端坐标跟θ2的转动角度相关。从而可知机械手的末端坐标与后3个关节的转动角度无关。符合正运动学解中的末端坐标，从而进一步验证解的正确性［9］。

4结论

设计了一种轮履组合式环保机器人，主要设计了其轮履变换装置，同时针对轮式行走时的受力情况设计保护装置，从而保证轮履变换的平稳性，同时设计了垃圾收集装置及其上所搭载的机械手。建立了机器人的杆件坐标系及其运动学方程，实现运动学的正解和逆解，通过对机械手进行运动学仿真与分析，得到了仿真过程中机械手各个关节所施加的驱动与机械手末端点的运动变化关系，并验证正运动学解的正确性，仿真结果表明整机运动可行，具有较好的运动平稳性。