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开发大型单轮式蛇形机器人ACM-R8
原作者：Hirotaka Komura *，Hiroya Yamada和Shigeo Hiros
翻译者：王杰 （机械1404班）
摘要
有源轮式蛇形机器人的一个重要优点是，它可以进入其他类型机器人（例如履带式机器人，步行机器人）无法进入的狭窄空间，因为蛇形机器人具有细长的狭窄机体。另外，在有瓦砾的地区，蛇形机器人可以穿越崎岖的地形和大型障碍物，因为它的身体可以符合地形的轮廓。 “ACM-R8”是一种新型的蛇形机器人，除了上述功能外，还可以爬楼梯到达门把手。为了实现这些功能，该机器人的设计融合了几个关键特征：带有平行连杆机构的关节，带内部结构的单踏轮，力传感器和“摆动抓地力”，这些都是为提高爬升能力而开发的。在本文中，描述了设计和控制方法。实验证实，楼梯和台阶具有较高的移动性，尽管机器人的高度仅为300毫米，机器人仍能克服600毫米的台阶高度。
关键词：有源线机构;蛇状机器人;救援机器人
简介
为了探索危险环境或城市基础设施检查自动化，需要机器人在建筑物内进行勘探。作为探索危险环境的例子，像福岛第一核电站这样的灾难区域由于放射性和瓦砾的危险而不能进入人类。在城市基础设施的检查中，探险机器人也是必要的，因为有些地形因人口狭窄或危险而难以进入。
在建筑物内部，有很多类型的地形对机器人来说很困难：楼梯，门，瓦砾等等。另外，在某些情况下探测机器人必须克服一些无法触及的重要或危险的障碍物。在本文中，提出了一种克服这些障碍的方法：一种名为#39;ACM-R8#39;的蛇状机器人（图1）。
图1. ACM-R8
世界各国都在研究蛇形机器人，并开发出各种类型的蛇形机器人。我们的实验室也一直在研究它们很长一段时间，并开发了一些模型，[1-3]等，因为我们相信蛇形机器人可以适应各种情况[4]。作为一种运动机制，它们被认为能够克服各种地形，因为自然界中的蛇栖息在树木，沙子，水下等等。此外，身体还可以用作使用其多个自由度的机器人手臂。一个有关蛇形机器人的研究，#39;模块化蛇机器人#39;[5]实现了蛇的各种运动，尤其是爬树，#39;OT-4#39;[6]在崎岖的地形上表现出优异的移动性。
ACM-R4系列[7-9]除主动接头外，还在每个模块上配备主动轮。这些轮子允许机器人产生推力，即使使用主动关节的运动方法无法使用，例如在狭窄而直的通道中。在单步爬升的实验中，这些机器人可以克服单个步骤，当他们在平面上时，其高度几乎比其高度高出几倍。 ACM-R4.1 [8]和ACM-R4.2 [9]配备主动轮，并利用扭矩传感器进行地形自适应控制。这些机器人在具有主动轮和地形自适应控制的粗糙地形上表现出优异的性能。
但是这些活动的蛇形机器人不能爬楼梯，因为它们的尺寸太小。另外，这些机器人不能操作门，因为他们的身体太短而无法到达门把手。 ACM-R8的开发是为了解决这些问题，使用扩大的车轮和一些独特的机制。另一方面，除了蛇形机器人之外，机器人中还有一些运动方法。一般来说，这些方法可以分为车轮，履带，行走和飞行。
车轮类型具有较高的能量效率和速度，但这种类型不适合崎岖的地形，因为阶梯爬升能力比其他类型差，并且这种类型倾向于卡在障碍物上。主动轮式蛇形机器人使用轮子，但它被分类为与轮子类型分开，因为蛇形机器人具有冗余主动关节和轮子。
由于产生推进力的表面面积很大，履带式机器人在崎岖的地形上表现出很高的机动性。在CIT开发的#39;Quince#39;[10]，以及在iRobot公司开发的#39;PackBot#39;[11]因在福岛核电站反应堆建筑物内进行勘探而闻名。这些机器人在这种不平坦的环境中显示出非常高的机动性，因为它们装备有子爬行器。
由于这些机器人可以选择地面接触点，但它们的控制系统是复杂的，所以步行式机器人对崎岖不平的地形显示出很高的适应性。福岛核电站也使用了TOSHIBA Corp.上原和Yuguchi [12]开发的四足行走机器人。这个机器人可以在反应堆建筑物的陡峭狭窄的楼梯上下爬升。
飞行机器人可以三维移动而不管障碍物。这是他们有其他机器人没有的关键优势。另一方面，飞行机器人的缺点是运行时间有限，有效载荷相对较小。#39;鹈鹕#39;[13]是四旋翼机器人，它可以生成建筑物内部的三维地图。
履带式和步行式可在崎岖的地形或楼梯上行走时具有高机动性，但这些类型不能穿过狭窄通道，例如碎石，管道中的缝隙。此外，爬行者无法触摸它们就无法越过障碍物。飞行型可以克服所有的地面障碍物，但是这种类型的机器人不能操作门把手。
ACM-R8可以爬楼梯，在粗糙的地形上移动，并穿过狭窄的空间，因为这个机器人小于其他类型的机器人。另外，我们相信这个机器人可以通过一些附加设备到达并操作门把手。本文描述了流动实验的机制和结果。
2.ACM-R8概述
如下所示，ACM-R8有四种设计要求。
bull;爬楼梯
bull;能够到达门把手
bull;防水系统
bull;与其他类型的测量机器人相比，减小了宽度和高度
为了实现这些要点，ACM-R8包含了接下来的三个功能。
bull;离地间隙较高的薄体
bull;比以前的车型轮子更大
bull;地形适应的扭矩测量系统
2.1 车轮和车身的布局
ACM-R4.1的其中一个问题是卡住，如图2所示。
图2. ACM-R4.1在步骤上停滞不前
这种情况是由于行李箱与障碍物边缘接触造成的，并且由于车轮失去与地面的接触而减小了推力。 为了解决这个问题，在ACM-R4.2的开发中，偏航关节上的车轮被移除，并且获得了如图4（a）所示的更薄的后备箱。 但是这种解决方案不足以完全避免接触。
为了改善这个问题，ACM-R8的后备箱位于高于车轮半径的位置，如图4（b）所示。 而且ACM-R8的车轮宽且单面型。考虑到如图3（a）所示的高大薄弱的障碍，以前的风格可能会卡住，如图3（a）所示。另一方面，如图3（b）所示，由于产生牵引力的表面存在于车轮中心，所以单面胎面不易卡住。这种单胎面型还有另一个有用的特点：车轮内部空间很大。驱动偏航接头的电机被移动并放置在车轮内。因此，偏航接头可以更容易地防水。
图3. 前视图中ACM-R4.2和ACM-R8的比较
（a）躯干与障碍物和机器人接触卡住
（b）车轮与障碍物接触，机器人可以移动
此外，为了通过轮内马达驱动偏航和俯仰轴，并联机构被用作联合机构。这种并联机构比以前的模型中使用的串联机构具有更好的功率重量比。并联机构的这一特性在第3.1章中有详细描述。
（b）ACM-R8
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图4 . 侧视图中ACM-R4.2和ACM-R8的比较
（a）躯干下方的空间稍小 （b）行李箱的位置高于车轮半径
2.2最小所需车轮直径
当一个活动的带轮蛇形机器人爬上楼梯时，机器人可能会卡在台阶边缘并陷入无法爬上的状态。轮子的放大是解决这个问题的方法之一，因为轮子半径越大，边缘和树干之间的距离变得越长。同时，这表明与一步高度有关的限制。
如图5所示，该限制已经通过阶梯比例模型进行了实验。在此实验中，ACM-R4.2配备了松轮，并被用作小型模型。这个齿轮是为这个实验准备的，并且齿轮轮直径和轮间隔的比率被设定为等于ACM-R8的轮直径和轮间距的比率。并且这个小的台阶具有倾斜度 42°和一个可变的阶梯度。
图5. 使用缩放模型进行的实验
轮爪轮直径为136毫米，机器人爬高度为90.7度，但未能爬上108.8毫米高的台阶。这个结果表明，机器人可以用直径大于阶梯高度一倍半的轮子爬升。根据这个结果，ACM-R8的车轮直径被确定为300毫米，因为ACM-R8的目标是倾斜度为42°，台阶高度为200毫米的楼梯。
2.3用于测量扭矩的力传感器
由于扭矩测量在地形自适应控制的有效性在以前的研究中得到证实，因此ACM-R8安装了扭矩测量机构[8,9]。通过扭矩传感，可实现接头的导纳控制。导纳控制是自动沿着地形弯曲躯干的一种方式。这种地形适应增加了与地面接触的车轮数量，所以机器人可以通过这种控制获得更高的牵引力。扭矩测量的另一个特点是它可以测量躯干正常方向上的所有外力，因为它可以测量关节的内力负载。
3.ACM-R8的设计
ACM-R8的基本结构是一个模块化机器人，与其他ACM相同。一个模块（如图6所 示）包含一个带有两个自由度和一个车轮的接头。因此，每个模块都有三个自由度。关节机构具有两个力传感器，用于测量关节中的负载转矩。该模块的特点是宽大的车轮和简单的车架，并具有良好的离地间隙。机器人的规格如表1所示。
图6. ACM-R8的一个模块
3.1关节的平行连杆机构
图7所示的机构是一个平行连杆机构，在俯仰和偏航轴上有2个自由度。电机是放置在A链接的底部，C链接连接到前部单元。在相同方向上驱动两个A连杆会导致关节机构围绕俯仰轴移动。另一方面，在相反的方向上驾驶A连杆会导致关节绕偏航轴线移动。
图7.关节的示意图
这种机制可以以大范围的俯仰角移动。这种大范围的运动使得蛇形机器人能够以直角弯曲躯干，并且更容易将头部置于高位。因此，该机构用于ACM-R8的接头，因为需要到达门把手。
另外，在这种平行连杆机构中除了广泛的运动外，还有两个特点。第一个是电机的放置。通过这种机构，电机可以放置在位于车轮内部的机构的底部。这意味着需要减少的点如上所述，只有两点（车轮的左侧和右侧）需要防水。第二个是该机制的功率重量比高于串行连接机构的功率重量比。如图7所示，当机构围绕偏航轴或俯仰轴移动时，两个电机都被驱动。关节的运动如图所示
如图所示，偏航轴的运动范围为plusmn;45°，且俯仰轴的范围大于plusmn;90◦。
3.2 门把手可达性
ACM-R8 的要求之一是能够到达面糊并操作它们。因此, 树干必须能够到达面糊, 这是位于大约1m 的高度。选择每个接头的马达和减速机以满足这一需求。并且, 如图9所示, 提高两个以上的模块可以达到1m 的高度, 因为每个接头的间隔为440毫米, 车轮半径为150毫米。在这种情况下, 在提高两个模块时发现了接头的最大负载扭矩。这可以由下一个表达式计算, 其中 m 是一个模块的质量, 而 l 是每个模块的间隔。
2mgtimes;l = 2times;8.5 [kg]times;9.8 [m / s2]times;0.44 [m]= 73.4 [Nm]（1）
如表1所示，接头的输出扭矩足以满足此运动。但是，目前，由于只开发了四个模块，机器人无法实现这一动作。因此，作为未来计划，制定另一个模块。
表1 ACM-R8 规范
整体 (4 个单位) 单元
长度 2010mm 440mm
宽度 360 mm 360 mm
高度 300 mm 300 mm
重量 36.5 kg 8.5 kg
电机总输出 960 W 240 W
间距范围 – plusmn;90◦
偏航范围 – plusmn;45◦
螺距扭矩 – 100 Nm
偏航扭矩 – 100 Nm
俯仰速度 – 7.3 rpm
偏航速 – 7.3 rpm
车轮扭矩
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