基于PLC的行走机器人设计

发布时间：2016-07-18 作者：www.cechina.cn

　　引言
　　随着社会经济和科学技术的迅速发展，特别是工业自动化水平的大大提高，机器人的应用越来越广泛，现已大量用于汽车、冶金、机械、轻工、建材等工业企业，而可编程控制器（PLC）作为现代工业控制的三大支柱之一，具有功能丰富，使用方便、工作可靠、经济合算的特点，已日益成为控制装置家族中的重要角色。
　　步行机器人是模仿动物的运动形式，采用腿式结构来完成多种移动功能的一类特种机器人。参照工业机器人的标准定义，可以把步行机器人理解为“一种由计算机控制的用足机构推进的地面移动装置”以区别于行走式机械玩具及固定行走模式的机械装置。通常足数多于或等于四的步行机器人称为多足步行机器人，该类机器人能够在不平的路面上稳定地行走，可以取代轮式车完成在一些复杂环境中的运输作业，因此多足步行机器人在军事运输及探测、矿山开采、水下建筑、核工业、星球探测、农业及森林采伐、教育、艺术及娱乐等许多行业有着非常广阔的应用前景。
　　长期以来，步行机器人技术一直是国内外机器人领域研究的热点之一。为了索多足步行机器人技术的研究前沿，给我国多足步行机器人工程实用化开发提供关键技术的支持，开展多足步行机器人相关理论和技术的研究具有十分重要的科学意义和应用价值。在高技术发展的推动下，针对多功能的应用情况和复杂的工作环境，对机器人机械结构的设计和研究应该更加深入和全面，只有在良好的机械平台上，结合合理、有效地控制策略，才能更好的规划机器人的步行，体现其作为足式机器人的优点和特点。

　　1多足步行机器人运动自由度的分析
　　步行机器人的机械部分是机器人所有控制及运动的载体，其结构特点直接决定了机器人的运动学特征，其性能的好坏也直接决定了功能可行性。多足步行机器人的机构系统主要包括机器人腿部件的布局、腿部件的结构形式、腿的数量等，而其中腿部件的结构形式是多足步行机器人机构的重要组成部分，是机械设计的关键之一。因此，从某种意义上说，对多足步行机器人机构的分析主要集中在对其腿机构的分析。一般地，从机器人结构设计要求看，腿机构不能过于复杂，杆件过多的腿机构形式会引起结构和传动的实现产生困难。因此对多足步行机器人腿机构的基本要求可以归纳为：
　　（1）实现运动的要求；
　　（2）承载能力的要求；
　　（3）结构实现和方便控制的要求。
　　本设计采用“3+3”多足步行机器人。
　　自由度表示了机器人运动灵活的程度。自由度越多，机器人运动越灵活，能够完成多功能的可能性就越大。多足步行机器人站立时和地面组成了一个空间闭环机构，该空间机构是一系列构件和运动副连接而成的。
　　根据空间自由度理论，若在三维空间中有n个完全不受约束的物体，并且任选其中的一个为固定参照物，因每个物体相对参照物都有6个运动自由度，则n个物体相对参照物共有6(n-1)个运动自由度，若在所有的物体之间用运动副联接起来，设第i个运动副的约束为ui，如果所有n个物体之间的运动副数目为g，这时的运动自由度应减去所有的约束数的总和，机构的自由度为：

　　其中M表示自由度。一般情况下，式中的ui可以用代替，fi为第i个运动副的相对自由度数。则得到KutzbachGrubler公式：

　　一般地，多足步行机器人能实现灵活的行走动作，其腿机构至少必须有两个自由度，即前后的摆动和上下的抬放运动。构成两个自由度地方法可以都采用回转副，或是采用一个回转副和一个可伸缩的移动副，还有就是采用两个移动副，将前后的摆动变为前后滑移。目前，这种两自由度的腿机构多足机器人的研究中以有了较多的应用，但是想利用腿的转动改变前进方向，或是在原地旋转，那腿部机构就至少三个自由度，即在两自由度腿上加一个水平旋转自由度，如图1所示。

　　图1三自由度腿结构示意图

　　2六足步行机器人步态规划
　　多足机器人要体现良好的地面适应能力和行走灵活性，需要规划合理、有效的行走步态。步态不仅是指步行机器人各条腿抬腿、放腿的顺序，还包括机器人占空系数分析、足端轨迹的选择等。一般是模仿动物的行走姿态来研究机器人的步态。如有n条腿在步行时，每条腿各自离地和接地不同时发生，按生成顺序所组成的个数为：

　　本文以自主研制的“3＋3”多足步行机器人为对象，研究多种步态生成算法，避免了死锁现象，并能保证机器人步行的连续性和全方位性。
　　3六足步行机器人占空系数分析
　　占空系数就是指腿i支撑在地面上的时间占整个周期的比例。

　　以本文六足机器人“3＋3”行走步态为例来说明。该种步态是将机器人的六条腿分为两组，如：以腿1、3、5为A组，腿2、4、6为B组，步行过程两组腿交替的摆起、放下。其占空系数β取值有三种情况：
　　(1)β>0.5，在组A和组B交替摆起和着地的过程中，有过渡阶段，此时机器人六条腿同时着地，这种情况下，步行机器人稳定性更高，但行走速度就相对降低
　　(2)β=0.5，在组A摆动着地的同时，组B立即摆起，步行时交替循环，保证在任意时刻都有三条腿支撑地面，三条腿摆起；
　　(3)β<0.5，这种情况下，存在组A和组B同时摆动的时刻，即机器人腾空这要求机器人的机械结构有很好的弹性和吸振性。
　　本文所设计机器人占孔比大于0.5，牺牲了一定速度以保证运动平稳，而且在足端步安装了效果明显的缓冲装置，同时吸收足部着地震动，为高速运动提供了稳定性保证。
　　4机器人的控制系统设计
　　机器人运动过程中的受力情况可能会根据路面情况不断变化，因而电机的负载也在不停的变化，所以要实现对执行元件（腿）的行程的准确控制不能单纯依靠对电机的运转时间进行限定，必须要在执行元件上安装反馈位置的传感器，这样，当执行元件运动到规定的位置时就能通过控制系统给电机一个反馈信号，从实现对电机的控制。
　　六条腿中135，246分别是相同的，所以进行控制设计时只需以12两腿的配合为例说明即可，35腿与1腿相同，46腿与2腿相同。
　　（1）第1腿的传感器：
　　在上下摆动的极限位置安装行程开关，上极限B1，下极限A1。在前后摆动的极限位置和中点位置安装行程开关，前极限Z1，后极限X1，中点位置O1。
　　（2）第2腿的传感器：
　　在上下摆动的极限位置安装行程开关，上极限B2，下极限A2。在前后摆动的极限位置和中点位置安装行程开关，前极限Z2，后极限X2，中点位置O2。
　　5控制时序设计
　　两腿的动作时序如下：
　　1、按下启动按钮SB1；
　　2、1,2向后摆动，分别到X1，X2；
　　3、1不动，2向上摆动到B2；
　　4、2向前摆动到Z2；
　　5、2向下摆动到A2；
　　6、1向上摆动到B1；
　　7、2向后摆动到X2，同时1向前摆动到Z1；
　　8、1向下摆动到A1；
　　9、2向上摆动到B2；
　　10、1向后摆动到X1，同时2向前摆动到Z2；
　　11、2向下摆动到A2；
　　12、1向上摆动到B1；
　　13、2向后摆动到O2并最终停止，同时1向前摆动到Z1；
　　14、1向后摆动到O1；
　　15、1向下摆动到A1并最终停止。
　　6结论
　　本文针对自行设计的步行仿生机器人，分析了其运动特征，研究学习了机器人步态生成及步态控制中所涉及的理论知识和相关技术。综合分析了目前多足机器人的步行机构，理解所研制的六足步行机器人的结构特点，并进行运动学分析。分析了六足步行机器人的占空系数和机器人静态步行的稳定性判定方法。分析了直线行走步态腿的协调时序，编制了机器人直线行走步态控制的PLC梯形图。