第7卷第5期 智能系统学报 Vol.7 No.5 2012年10月 CAAI Transactions on Intelligent Systems 0ct.2012 D0I:10.3969/i.issn.16734785.201112007 网络出版t地址：htp://www.cnki.net/kcma/detail/23.1538.TP.20120921.1541.001.html 具有拨土功能的轮腿一体化机器人结构设计 孙玉香12，曹会彬，冯勇2，葛运建2 (1.中国科学院合肥智能机械研究所仿生感知与控制研究中心，安徽合肥230031；2.中国科学技术大学信息科学 技术学院，安徽合肥230026) 摘要：针对矿井灾难环境特点，采用三维建模软件设计了一种轮腿一体化机器人.该机器人采用轮腿一体式结构， 具备了圈式机器人和轮式机器人的运动优点.分析了在不同环境下机器人采用的行进方式（即机器人步态），增强了 机器人的环境适应能力，并且设计了基于多传感器信息的运动控制系统.该系统能够完成灾难矿井下的环境探测、 信息获取以及机器人步态控制等功能，为矿难救援工作提供了重要的信息， 关键词：机器人；轮腿一体化机器人：机器人结构：拨土功能：机器人步态：多传感器系统：矿难救援 中图分类号：TP242文献标志码：A文章编号：16734785(2012)050409-05 Structure design on a leg-wheeled-integration robot with an earth-moving function SUN Yuxiang2,CAO Huibin',FENG Yong,GE Yunjian'2 (1.Research Center for Biomimetic Sensing and Control,Institute of Intelligent Machines,Chinese Academy of Sciences,Hefei 230031, China;2.College of Information Science and Technology,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China) Abstract:According to the environmental characteristics of mine disaster,this paper designs a leg-wheeled integra- tion robot by using 3D modeling software.The robot takes the structure of leg-wheeled integration,which has the movement advantages of leg robot and wheel robot,analyzes the walking method of robot in various environmental states,enhances the environmental adaptability of robot,and also designs the motion control system based on multi- sensor information.This system can fulfill various functions,such as environment detection,information acquisi- tion,and robot walking control,etc,providing significant information for the rescue work when mine disaster hap- pens. Keywords:robot;leg-wheeled-integration robot;robot structure;earth-moving function;robot gait;multi-sensor system;mine rescue 煤炭行业是我国工业生产中伤亡事故最严重的 为了使救援顺利展开，研发一款可以进入被堵 行业，严重的生产安全事故不仅造成了人民生命财 塞的空间、探测现场状况的矿难救援机器人具有重 产损失，而且影响社会安定.安全有效的应急救援对 要的意义.国内外针对矿难救授机器人做了大量的 减少矿难损失具有重要意义，矿难救援工作主要受 研究工作3]，如美国桑迪亚国家实验室(Sandia Na- 到下列因素的影响：幸存者通常被困在堵塞的空间内， tional Labs)2011年8月份展出了其新研发的Gemini- 这些空间往往过于狭小，致使救援人员无法进人：现场 Scout矿难救灾机器人，该机器人体积小，重量轻，能够 巷道机构不稳定，救援工作可能引起巷道二次坍塌，对 灵活穿过狭窄的角落，并能在土堆、石块等环境下爬 救援人员和被困人员造成伤害；矿难现场的可燃易爆 行，以及把幸存者拖至安全区域；中国矿业大学可靠 气体容易发生爆炸，产生二次灾害等2] 性与救灾机器人研究所研制了国内第一台煤矿搜救机 器人一CUMT-1型煤矿搜救机器人，该搜救机器人采 收稿日期：2011-12-08.网络出版日期：2012-09-21 基金项目：国家自然科学基金重大国际合作研究项目(60910005) 用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式，能够 通信作者：孙玉香.E-mail:yxsn@im.c.cm. 深入事故矿井，探测前方的火灾温度、瓦斯浓度、灾害
.410 智能系统学报 第7卷 场景、呼救声讯等信息，并实时回传这些信息和图像， 1.2机器人内部传动方式 为救灾指挥人员提供重要的现场灾害信息.同时，该搜 机器人的每条腿采用独立电机驱动方式，可以 救机器人还可携带急救药品、食物、生命维持液和简易 通过每条腿的不同转速使得机器人自由转弯，而不 自救工具，以协助被困人员实施自救和逃生5] 需要再增加额外的转弯机构，这样机器人的结构更 但是以上这些矿难救援机器人基本上都是轮式 加简单，在复杂的环境中运动具有更好的灵活性.不 与履带式的，而轮腿复合式的矿难救援机器人还很 仅如此，当机器人处在拨土状态时，若其中的某条腿 少见.由于轮腿复合式机器人结合了轮式机器人行 前方或者下方障碍物较多时，可以直接驱动单条腿 进速度快和腿式机器人善于在非结构环境中行进的 来实现障碍物的转移，使得驱动目的更加明确.机器 优点，因此研究轮腿复合式的机器人具有重要意义， 人内部传动方式如图3所示。 1拨土机器人总体结构设计 电机2 1.1本体结构设计及PRO/建模 移动机器人大体可分为腿式、轮式、履带式机器 电机1 人等.腿式机器人环境适应能力强，但移动速度比较 慢；轮式机器人运动速度快，控制简单，但环境适应 电机6 电机4 能力差6刃，考虑到灾难矿井环境的复杂性和非结 构性，本文设计了一款具有拨土功能的轮腿一体化 电机3 的机器人，该机器人结合了腿式机器人与轮式机器 人的优点，采用6条腿的行进方式，增强了机器人在 图3机器人内部传动 复杂环境中的适应能力[81o Fig.3 Internal drive map of the robot Po/ENGINEER(简称Pro/E)是美国PTC公司 于1988年推出的参数化建模软件，是一个多功能的 2拨土机器人腿部结构及步态分析 3D软件，其最擅长的是实体造型，加工以及大型组 2.1机器人腿部结构 件装配、管理和模具结构设计，该款软件在这些方面 该机器人共有6条腿，每条腿的机械结构形式 的应用都得到了很好的普及，拥有极大的优势).根据 相同，腿部结构近似为“b”形状.这种近似为“b”形 提出的设计方案，运用PO/E三维软件对轮腿机器人 状的腿选用质量轻，且有一定强度的工程塑料来实 进行建模，其三维模型如图1所示，图2是拨土机器人 现.腿部与地面接触的部分具有一定的齿状结构，这 的三维结构爆炸图 种结构主要增加腿部与地面之间的摩擦力，在实际 应用中主要用带有齿状的皮带来实现这种结构，腿 部结构三维视图如图4所示。 图1机器人三维模型 Fig.I Three-dimensional model of the robot 图4机器人腿部结构 Fig.4 Structure of the robot leg 图2机器人三维爆炸图 当电机带动腿部开始运动时，表面齿状结构可以 Fig.2 Three-dimensional exploded diagram of the robot 将地上的土甩到与机器人行进方向相反的方向，同时 完成行进与拨土的功能，提高了机器人的工作效率，使
第5期 孙玉香，等：具有拨土功能的轮圈一体化机器人结构设计 .411 得机器人的控制更为简单 腿2、3、5、6处于支撑状态；图7(b)显示的是腿2、5 2.2机器人步态分析 开始运动，腿1、3、4、6处于支撑状态：图7(c)显示 本研究的一个重点是针对不同的非结构环境， 的是腿36开始运动，腿1、2、4、5处于支撑状态.这 采用不同的行走方式，增强机器人的环境适应能力 3种步态依次轮流工作，从而完成拨土功能和行进 为了对机器人步态进行分析，对机器人的6条腿标 运动： 记如图5所示。 (a)步态1 图5机器人腿部标号 Fig.5 Legs label of the robot 1)当机器人在较为空旷的地面上行进时采用 (b)步态2 三角步态来实现稳定的行走，腿1、3、5组成一个运 动左三角，腿2、4、6构成运动右三角，机器人行进 时，其行进步态如图6所示.图6(a)显示的是构成 左三角的腿1、3、5开始运动，构成右三角的腿2、4、 6支撑地面；图6(b)显示的是构成右三角的腿2、4、 6开始运动，构成左三角的腿1、3、5支撑地面左三 (c)步态3 角和右三角依次轮流着地，完成机器人的前进 图7机器人双足步态 Fig.7 Bipedal gait of the robot 3机器人控制系统设计 控制系统采用分层结构，由上位机监控系统、下 位机控制系统、电机控制器、各类传感器和通信接口 a)步态 组成，控制系统的总体结构如图8所示。 3.1上位机监控系统 上位机监控系统为P℃机系统，主要功能是接 收下位机传来的灾难矿井的各种环境信息，包括温 度、甲烷浓度、氧气浓度以及一氧化碳浓度等信息， 实现对现场环境的监测和预警.上位机监控系统根 (b)步态2 据环境信息以及机器人本身的姿态信息对任务进行 图6机器人三角步态 分解，完成各种行为的高级决策，并将分解后的各子 Fig.6 Triple gait of the robot 系统任务（或动作组合）传给下位机控制系统，以便 2)当机器人在较多杂土的洞穴里行进时，采用 实现对机器人的控制.上位机监控系统与下位机控 双足步态，腿1、4构成前双足，腿2、5构成中双足， 制系统的信息传输是通过无线网络来实现的，避免 腿3、6构成后双足，行进时双足同时提起，但须始终 了连线对机器人运动的影响，增强了机器人的环境 保持另外4条腿接触地面用于支撑，机器人行进步 适应能力 态如图7所示.图7(a)显示的是腿1、4开始运动
·412 智能系统学报 第7卷 监控台 上位机 无线通信 PC104 RS232网络 移动本 1 微控制器2 微控制器1 电机控制器 传1 多 机 机 CO 浓度传感器 浓度传感器 度传感器 超声距离传感器 11 人 人 留 动 机 机 图8 控制系统总体结构 Fig.8 General structure of control system 3.2下位机控制系统 计了基于多传感器信息的运动控制系统，该系统能 下位机控制系统主要包括以P℃104为处理核 够完成灾难矿井下的各种作业任务，为矿难救援工 心的中央控制系统和底层控制系统。 作提供了重要的信息和移动平台，也为机器人本体 1)中央控制系统 行进和废墟中的掘进控制提供了模型参考.。 中央控制系统采用PC104架构的嵌入式工控 板，主要实现的功能有：接收底层各类传感器的信息 参考文献： 和上位机命令、关节运动学求解、电机运动控制和自 [1]WOLF A,BROWN H B,CASCIOLA R,et al.A mobile 主避障策略分析.PC104与微控制器1、微控制器2、 hyper redundant mechanism for search and rescue tasks 电机控制器组成RS232网络进行通信，与上位机的 [C]//Proceedings of the 2003 IEEE/RSJ International 通信采用无线方式.RS232网络采用主/从多机通信 Conference on Intelligent Robots and Systems.Las Vegas, 的方式，在网络中P℃104为主机，微控制器1、微控 USA,2003,3:2889-2895. [2]EICH M,GRIMMINGER F,KIRCHNER F.A versatile 制器2、电机控制器为从机，每个从机定义了不同的 地址.通信时，主机通过广播的方式发送指令，而从 stair-climbing robot for search and rescue applications [C]//Proceedings of IEEE International Workshop on 机通过解析主机指令来作出相应的回应， Safety,Security Rescue Robotics.Sendai,Japan,2008: 2)底层控制系统. 3540. 底层控制系统包括电机控制系统和传感器控制 [3]冯勇.仿土拨鼠矿雅救灾机器人控制系统关键技术研究 系统.电机控制系统主要用来接收中央控制系统的 [D].合肥：中国科学技术大学，2012：39. 命令，驱动各个电机按命令格式转动，实现机器人的 FENG Yong.Research on key technologies of control system 各种运动；传感器控制系统主要是感知环境信息，然 for groundhog mine rescue robot[D].Hefei:University of 后把信息通过RS232网络传到中央控制系统，该信 Science and Technology of China,2012:3-9. 息作为中央控制系统实现命令的一个依据. [4]QUICK D.Gemini-scout mine rescue robot to lead the way to trapped miners[EB/0L].(201108-16)[2011-11-19]. 4 结束语 http://www.gizmag.com/gemini-scout-mine-rescue-robot/ 19543/. 本文针对灾难矿井环境特点，设计了一种具有 [5]人民网.深入矿井探源发图煤矿搜救机器人诞生[EB/ 运动性能高、环境适应能力强的拨土机器人.该机器 0L].(200606-30)[2011-11-19].htp:/scitech.peo- 人足部采用轮腿一体式结构，分析并设计了机器人 ple.com.cn/GB/1057/4546129.html. 在行进时采用的三角步态和拨土时采用的双足步 [6]丁希仑，王志英，ROVETTA A.六边形对称分布六腿机器 态，增强了机器人的环境适应能力，并在此机构上设 人的典型步态及其运动性能分析[J].机器人，2010,32
第5期 孙玉香，等：具有拨土功能的轮腿一体化机器人结构设计 ·413· (6):759-765. 曹会彬，男，1980年生，助理研究 DING Xilun,WANG Zhiving,ROVETTA A.Typical gaits 员，主要研究方向为机器人控制与传感 and motion analysis of a hexagonal symmetrical hexapod ro- 器技术. bot[J].Robot,2010,32(6):759-765. [7]ALTENDORFER R,MOORE N,KOMSUOGLU H,et al. RHex:a biologically inspired hexapod runner[J].Autono- mous Robots,2001,11(3):207-213. [8]CAMPBELL D,BUEHLER M.Stair descent in the simple 冯勇，男，1975年生，博士，主要研 hexapod 'RHex'[C]//IEEE Intemational Conference on 究方向为机器人控制. Robotics and Automation.Taipei,China,2003,1:1380- 1385. [9]DALTORIO K A,GORB S,PERESSADKO A,et al.A ro- bot that climbs walls using micro-structured polymer feet [C]//Interational Conference on Climbing and Walking Robots.London,UK,2005:131-138. [10]SILES I,WALKER I D.Design,construction,and testing 葛运建，男，1947年生，研究员，博 of a new class of mobile robots for cave exploration[C]// 士，中科院智能所机器人传感器实验室 IEEE Interational Conference on Mechatronics.Malaga, 主任，国家“863”计划智能机器人传感 Spain,2009:16. 技术网点实验室主任，中国自动化学会 [11]凯德.精通Po/ENGINEER3.0中文野火版一基础入门 机器人专业委员会常务委员，中国人工 篇[M].北京：中国青年出版社，2007：10-15. 智能学会理事、智能机器人专业委员会 作者简介： 副主任，国际学术期f刊《International Journal of Information 孙玉香，女，1984年生，助理研究 Acquisition》副主编.主要研究方向为信息获取与处理、机器 员，主要研究方向为机器人学与传感器 人感知系统、人机交互临场感、运动生物力学等.先后承担国 技术 家攀登计划、国家“863”计划、国家自然科学基金等科研项 目10余项，发表学术论文160余篇. Journal of Marine Science and Application Journal of Marine Science and Application(《船舶与海洋工程学报》)，创刊于2002年，季f刊，中国造船 工程学会会刊，由中国造船工程学会和哈尔滨工程大学联合主办、与国际知名出版集团Springer联合出版发 行的英文学术期刊.主要刊登国内外船舶与海洋领域最新的科研成果和高水平的学术论文，旨在促进国际学 术交流、推动国内外船舶与海洋科技的发展.是国内唯一一本覆盖船舶、海洋技术各领域的英文期刊，具体内 容涉及船舶工程、海洋工程、船舶轮机工程、水声工程等.该刊现已被英国《科学文摘》(NSPEC)、英国《海事 技术文摘》(BMTA)、美国《剑桥科学文摘》(CSA)、俄罗斯《文摘杂志》(AJ)、波兰《哥白尼索引》(IC)等多个 国际重要检索系统收录。 邮发代号：14-323连续出版物号：ISSN1671-9433CN23-1505/T定价：20元/期80元/年 地址：(150001)哈尔滨市南岗区南通大街145-1号哈尔滨工程大学期刊社 电话：0451-82589211E-mail:jmsa@hrbeu..edu.cn http://jmsaen.hrbeu.edu.cn htp://mc03.manuscriptcentral.com/jmsa