具有撥土功能的輪腿一體化機器人結構設計

孫玉香，曹會彬，馮勇，葛運建

(1.中國科學院合肥智能機械研究所仿生感知與控制研究中心，安徽合肥230031;2.中國科學技術大學信息科學技術學院，安徽合肥230026)

煤炭行業是我國工業生產中傷亡事故最嚴重的行業，嚴重的生產安全事故不僅造成了人民生命財產損失，而且影響社會安定.安全有效的應急救援對減少礦難損失具有重要意義，礦難救援工作主要受到下列因素的影響:幸存者通常被困在堵塞的空間內，這些空間往往過于狹小，致使救援人員無法進入;現場巷道機構不穩定，救援工作可能引起巷道二次坍塌，對救援人員和被困人員造成傷害;礦難現場的可燃易爆氣體容易發生爆炸，產生二次災害等[1-2].

為了使救援順利展開，研發一款可以進入被堵塞的空間、探測現場狀況的礦難救援機器人具有重要的意義.國內外針對礦難救援機器人做了大量的研究工作[3]，如美國桑迪亞國家實驗室(Sandia National Labs)2011年8月份展出了其新研發的Gemini-Scout礦難救災機器人，該機器人體積小，重量輕，能夠靈活穿過狹窄的角落，并能在土堆、石塊等環境下爬行，以及把幸存者拖至安全區域[4];中國礦業大學可靠性與救災機器人研究所研制了國內第一臺煤礦搜救機器人——CUMT-1型煤礦搜救機器人，該搜救機器人采用自主避障和遙控引導相結合的行走控制方式，能夠深入事故礦井，探測前方的火災溫度、瓦斯濃度、災害場景、呼救聲訊等信息，并實時回傳這些信息和圖像，為救災指揮人員提供重要的現場災害信息.同時，該搜救機器人還可攜帶急救藥品、食物、生命維持液和簡易自救工具，以協助被困人員實施自救和逃生[5].

但是以上這些礦難救援機器人基本上都是輪式與履帶式的，而輪腿復合式的礦難救援機器人還很少見.由于輪腿復合式機器人結合了輪式機器人行進速度快和腿式機器人善于在非結構環境中行進的優點，因此研究輪腿復合式的機器人具有重要意義.

1 撥土機器人總體結構設計

1.1 本體結構設計及PRO/建模

移動機器人大體可分為腿式、輪式、履帶式機器人等.腿式機器人環境適應能力強，但移動速度比較慢;輪式機器人運動速度快，控制簡單，但環境適應能力差[6-7].考慮到災難礦井環境的復雜性和非結構性，本文設計了一款具有撥土功能的輪腿一體化的機器人，該機器人結合了腿式機器人與輪式機器人的優點，采用6條腿的行進方式，增強了機器人在復雜環境中的適應能力[8-10].

Pro/ENGINEER(簡稱Pro/E)是美國PTC公司于1988年推出的參數化建模軟件，是一個多功能的3D軟件，其最擅長的是實體造型，加工以及大型組件裝配、管理和模具結構設計，該款軟件在這些方面的應用都得到了很好的普及，擁有極大的優勢[11].根據提出的設計方案，運用Pro/E三維軟件對輪腿機器人進行建模，其三維模型如圖1所示，圖2是撥土機器人的三維結構爆炸圖.

圖1 機器人三維模型Fig.1 Three-dimensional model of the robot

圖2 機器人三維爆炸圖Fig.2 Three-dimensional exploded diagram of the robot

1.2 機器人內部傳動方式

機器人的每條腿采用獨立電機驅動方式，可以通過每條腿的不同轉速使得機器人自由轉彎，而不需要再增加額外的轉彎機構，這樣機器人的結構更加簡單，在復雜的環境中運動具有更好的靈活性.不僅如此，當機器人處在撥土狀態時，若其中的某條腿前方或者下方障礙物較多時，可以直接驅動單條腿來實現障礙物的轉移，使得驅動目的更加明確.機器人內部傳動方式如圖3所示.

圖3 機器人內部傳動Fig.3 Internal drive map of the robot

2 撥土機器人腿部結構及步態分析

2.1 機器人腿部結構

該機器人共有6條腿，每條腿的機械結構形式相同，腿部結構近似為“b”形狀.這種近似為“b”形狀的腿選用質量輕，且有一定強度的工程塑料來實現.腿部與地面接觸的部分具有一定的齒狀結構，這種結構主要增加腿部與地面之間的摩擦力，在實際應用中主要用帶有齒狀的皮帶來實現這種結構，腿部結構三維視圖如圖4所示.

圖4 機器人腿部結構Fig.4 Structure of the robot leg

當電機帶動腿部開始運動時，表面齒狀結構可以將地上的土甩到與機器人行進方向相反的方向，同時完成行進與撥土的功能，提高了機器人的工作效率，使得機器人的控制更為簡單.

2.2 機器人步態分析

本研究的一個重點是針對不同的非結構環境，采用不同的行走方式，增強機器人的環境適應能力.為了對機器人步態進行分析，對機器人的6條腿標記如圖5所示.

圖5 機器人腿部標號Fig.5 Legs label of the robot

1)當機器人在較為空曠的地面上行進時采用三角步態來實現穩定的行走，腿1、3、5組成一個運動左三角，腿2、4、6構成運動右三角，機器人行進時，其行進步態如圖6所示.圖6(a)顯示的是構成左三角的腿1、3、5開始運動，構成右三角的腿2、4、6支撐地面;圖6(b)顯示的是構成右三角的腿2、4、6開始運動，構成左三角的腿1、3、5支撐地面.左三角和右三角依次輪流著地，完成機器人的前進.

圖6 機器人三角步態Fig.6 Triple gait of the robot

2)當機器人在較多雜土的洞穴里行進時，采用雙足步態，腿1、4構成前雙足，腿2、5構成中雙足，腿3、6構成后雙足，行進時雙足同時提起，但須始終保持另外4條腿接觸地面用于支撐，機器人行進步態如圖7所示.圖7(a)顯示的是腿1、4開始運動，腿2、3、5、6 處于支撐狀態;圖 7(b)顯示的是腿 2、5開始運動，腿 1、3、4、6 處于支撐狀態;圖 7(c)顯示的是腿3、6 開始運動，腿 1、2、4、5 處于支撐狀態.這3種步態依次輪流工作，從而完成撥土功能和行進運動.

圖7 機器人雙足步態Fig.7 Bipedal gait of the robot

3 機器人控制系統設計

控制系統采用分層結構，由上位機監控系統、下位機控制系統、電機控制器、各類傳感器和通信接口組成，控制系統的總體結構如圖8所示.

3.1 上位機監控系統

上位機監控系統為PC機系統，主要功能是接收下位機傳來的災難礦井的各種環境信息，包括溫度、甲烷濃度、氧氣濃度以及一氧化碳濃度等信息，實現對現場環境的監測和預警.上位機監控系統根據環境信息以及機器人本身的姿態信息對任務進行分解，完成各種行為的高級決策，并將分解后的各子系統任務(或動作組合)傳給下位機控制系統，以便實現對機器人的控制.上位機監控系統與下位機控制系統的信息傳輸是通過無線網絡來實現的，避免了連線對機器人運動的影響，增強了機器人的環境適應能力.

圖8 控制系統總體結構Fig.8 General structure of control system

3.2 下位機控制系統

下位機控制系統主要包括以PC104為處理核心的中央控制系統和底層控制系統.

1)中央控制系統.

中央控制系統采用PC104架構的嵌入式工控板，主要實現的功能有:接收底層各類傳感器的信息和上位機命令、關節運動學求解、電機運動控制和自主避障策略分析.PC104與微控制器1、微控制器2、電機控制器組成RS232網絡進行通信，與上位機的通信采用無線方式.RS232網絡采用主/從多機通信的方式，在網絡中PC104為主機，微控制器1、微控制器2、電機控制器為從機，每個從機定義了不同的地址.通信時，主機通過廣播的方式發送指令，而從機通過解析主機指令來作出相應的回應.

2)底層控制系統.

底層控制系統包括電機控制系統和傳感器控制系統.電機控制系統主要用來接收中央控制系統的命令，驅動各個電機按命令格式轉動，實現機器人的各種運動;傳感器控制系統主要是感知環境信息，然后把信息通過RS232網絡傳到中央控制系統，該信息作為中央控制系統實現命令的一個依據.

4 結束語

本文針對災難礦井環境特點，設計了一種具有運動性能高、環境適應能力強的撥土機器人.該機器人足部采用輪腿一體式結構，分析并設計了機器人在行進時采用的三角步態和撥土時采用的雙足步態，增強了機器人的環境適應能力，并在此機構上設計了基于多傳感器信息的運動控制系統，該系統能夠完成災難礦井下的各種作業任務，為礦難救援工作提供了重要的信息和移動平臺，也為機器人本體行進和廢墟中的掘進控制提供了模型參考.

[1]WOLF A，BROWN H B，CASCIOLA R，et al.A mobile hyper redundant mechanism for search and rescue tasks[C]//Proceedings of the 2003 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Las Vegas，USA，2003，3:2889-2895.

[2]EICH M，GRIMMINGER F，KIRCHNER F.A versatile stair-climbing robot for search and rescue applications[C]//Proceedings of IEEE International Workshop on Safety，Security＆ Rescue Robotics.Sendai，Japan，2008:35-40.

[3]馮勇.仿土撥鼠礦難救災機器人控制系統關鍵技術研究[D].合肥:中國科學技術大學，2012:3-9.FENG Yong.Research on key technologies of control system for groundhog mine rescue robot[D].Hefei:University of Science and Technology of China，2012:3-9.

[4]QUICK D.Gemini-scout mine rescue robot to lead the way to trapped miners[EB/OL].(2011-08-16)[2011-11-19].http://www.gizmag.com/gemini-scout-mine-rescue-robot/19543/.

[5]人民網.深入礦井探源發圖 煤礦搜救機器人誕生[EB/OL].(2006-06-30)[2011-11-19].http://scitech.people.com.cn/GB/1057/4546129.html.

[6]丁希侖，王志英，ROVETTA A.六邊形對稱分布六腿機器人的典型步態及其運動性能分析[J].機器人，2010，32(6):759-765.DING Xilun，WANG Zhiying，ROVETTA A.Typical gaits and motion analysis of a hexagonal symmetrical hexapod robot[J].Robot，2010，32(6):759-765.

[7]ALTENDORFER R，MOORE N，KOMSUOGLU H，et al.RHex:a biologically inspired hexapod runner[J].Autonomous Robots，2001，11(3):207-213.

[8]CAMPBELL D，BUEHLER M.Stair descent in the simple hexapod‘RHex’[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation.Taipei，China，2003，1:1380-1385.

[9]DALTORIO K A，GORB S，PERESSADKO A，et al.A robot that climbs walls using micro-structured polymer feet[C]//International Conference on Climbing and Walking Robots.London，UK，2005:131-138.

[10]SILES I，WALKER I D.Design，construction，and testing of a new class of mobile robots for cave exploration[C]//IEEE International Conference on Mechatronics.Malaga，Spain，2009:1-6.

[11]凱德.精通Pro/ENGINEER3.0中文野火版—基礎入門篇[M].北京:中國青年出版社，2007:10-15.