新型輪腿式地面移動機器人的結構設計與運動特性分析

新型輪腿式地面移動機器人的結構設計與運動特性分析

張禮華1費藍冰2樓飛1王康1

1.江蘇科技大學，鎮江，2120032.江蘇大學，鎮江，212013

摘要：依據平行四邊形懸掛機構的運動特性設計的輪式移動機器人具有良好的越障性能，通過結合擺臂和行星輪機構而設計的新型輪腿式地面移動機器人克服了原有機器人不能跨溝的缺陷，對外界非結構化的路面環境具有良好的適應能力。詳述了該新型輪腿式機器人的結構特點，對該機器人的運動特性進行了分析，并利用拉格朗日方程建立了該機器人越障狀態下的動力學模型。采用一組可行的結構尺寸，利用ADAMS軟件建立虛擬樣機模型驗證了該地面移動機器人的可行性。

關鍵詞：輪腿式；地面移動機器人；越障；動力學模型；虛擬樣機

中圖分類號：TP24

收稿日期：2015-04-20

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51275217)

作者簡介：張禮華，男，1974年生。江蘇科技大學機械工程學院副教授。主要研究方向為機電一體化技術。發表論文20余篇。費藍冰，男，1961年生。江蘇大學汽車與交通工程學院實驗師。樓飛，男，1991年生。江蘇科技大學機械工程學院碩士研究生。王康，男，1990年生。江蘇科技大學機械工程學院碩士研究生。

Structure Design and Analysis of Movement Characteristics for a New Type Wheel-Legged UGV

Zhang Lihua1Fei Lanbing2Lou Fei1Wang Kang1

1.Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang,Jiangsu,212003

2.Jiangsu University，Zhenjiang,Jiangsu,212013

Abstract:According to the movement characteristics of parallelogram links mechanism, a wheeled UGV had remarkable performance of obstacle-surmounting. The new type wheel-legged UGV overcome the defects that the previous UGV could not cross the groove by adding swing arms and planet gears. It had good adaptability to the unstructured ground. The paper described the structure of the wheel-legged UGV in details, and analyzed the movement characteristics, and established the dynamics model by using the Lagrange equation. Finally, a virtual prototype was built for a group of feasible structure size, and the simulation results based on ADAMS software verify the feasibility of the wheel-legged UGV.

Key words: wheel-legged; UGV(unmanned ground vehicle); obstacle-surmounting; dynamics model; virtual prototype

0引言

用于救災、反恐、軍事、探測等領域的小型地面移動機器人(small unmanned ground vehicle,SUGV)面對非結構化的作業環境，需要適應不可預測的地理環境[1-3]。目前，為了提高小型地面移動機器人的生存能力，多采用復合式的底盤結構來實現機器人越障能力的突破。國外技術較為成熟的機器人有Packbot型偵查機器人[4]，攜帶有武器裝置的MAARS，美國Sojourner被動式自適應機器人[5]等。國內對小型地面移動機器人的研究起步較晚，但也取得了不少成果，如東南大學研制的輪-履-腿復合式的多關節履帶機器人[6]，中科院沈陽自動化研究所研制的具有自適應能力的輪-履復合變形移動機器人[7]，國防科技大學研制的四連桿變形履帶機器人[8]，西北工業大學研制的輪-腿混合機器人[9]等。

地面移動機器人主要通過兩種方式適應路面的起伏變化，一種是主動式，即通過調整自身機構的姿態實現越障；另一種是被動式，即機器人根據地形被動地調整機構形狀[10-11]實現越障。本文所述的地面機器人結合兩種越障方式，采用文獻[3]中提到的行星輪結構并在文獻[10]的基礎上進行創新，突破了地面移動機器人不能夠進行跨溝運動的瓶頸。本文結合平行四邊形懸掛機構、擺臂和行星輪傳動機構設計了輪-腿式機器人復合底盤，并通過虛擬樣機實驗驗證了該結構的可行性和合理性。

1移動機器人結構設計

結構設計是機器人系統設計中的首要問題，其設計質量決定了機器人的整體性能。輪式底盤運行效率高，承載能力強但越障能力一般；腿式底盤環境適應能力強，運行平穩不顛簸但控制復雜。本文依據移動機器人設計要求及其各項性能指標，綜合兩種底盤結構的優勢，創新性地提出了一種輪-腿式底盤結構，這種機器人底盤結構可以搭載機械臂、攝像頭等儀器設備，實現其功能多元化擴展。

1.1移動機器人總體結構設計

該輪-腿式復合底盤地面移動機器人設計有6個擺臂，形成前、中、后3組兩兩對稱的布局。

該輪-腿式地面移動機器人主要由車架、對稱分布的平行四邊形懸掛機構、擺臂機構、行星輪系等組成，如圖1所示。該機器人的動力輸出模塊由4組行星輪系和2組普通輪組成，每個模塊都由一個直流電機直接驅動。蝸輪蝸桿自鎖電機固定安裝在車架和平行四邊形懸掛機構上，通過聯軸器和擺臂連接。控制蝸輪蝸桿自鎖電機轉動可以帶動擺臂旋轉，實現擺臂位姿的調整，結合平行四邊形懸掛機構實現被動和主動兩種方式越障。車體采用沖壓和折彎形成的箱體結構，加工方便，承載力強。

1.行星輪系　2.車架　3.平行四邊形懸掛機構　4.擺臂 5.蝸輪蝸桿自鎖電機　6.直流電機 圖1　輪-腿式機器人三維圖

該地面移動機器人總體結構設計說明如下：

(1)為了便于拆卸、安裝和維護，整個輪-腿式地面移動機器人采用了趨于模塊化的設計方法，通過集成各個子裝配體(模塊)以實現更高的功能需求。

(2)該地面移動機器人采用了平行四邊形懸掛機構，和傳統輪式底盤結構地面移動機器人相比，承重能力有所下降，但仍具備搭載小型機械臂、攝像頭等輕型設備的能力。

(3)行星輪結構和平行四邊形懸掛機構確保了該地面機器人具有良好的地面貼合度，通過多個車輪同時傳動，提升了路面適應性。

1.2擺臂的結構設計

擺臂結構主要由主動輪(或行星輪系)、被動輪、擺臂、電機等部件組成，如圖2所示。主動輪(或行星輪系)通過直流電機直接驅動，被動輪沒有驅動裝置，起到支撐作用。整個擺臂通過蝸輪蝸桿自鎖電機結合連接裝置和車體其他部件相連接，可以通過驅動蝸輪蝸桿自鎖電機調整擺臂的位姿以滿足不同的運動要求。

1.被動輪支架　2.擺臂　3.主動輪　4.被動輪　5.直流電機 圖2　中間擺臂結構圖

1.3行星輪系傳動系統的結構設計

行星輪系傳動系統是用一組小車輪代替傳統的單一車輪結構，如圖3所示。整個行星輪系主要由小車輪、行星輪、惰輪、太陽輪和支架等部件組成。電機軸通過聯軸器和中間的太陽輪連接，動力從電機軸輸出，經過太陽輪傳遞給惰輪，最后傳遞給行星輪，行星輪帶動小車輪旋轉。

1.行星輪　2.惰輪　3.太陽輪　4.行星輪支架　5.小車輪 　(a)行星輪系簡圖(b)行星輪系三維圖 圖3　行星輪系圖

當整個行星輪傳動系統處于平路行駛狀態時，在地面移動機器人重力的作用下，下部兩個小車輪著地，行星輪支架不會發生翻轉，以定軸輪系傳動。當遇到障礙時，前輪發生堵轉，在電機的驅動下，行星輪支架繞堵轉的小車輪中心軸翻轉，轉變為行星輪系傳動，從而實現越障。

2移動機器人的運動特性分析

移動機器人的運動特性是指在實際運行過程中，針對不可預測的路面環境，機器人結構做出的適應性調整來確保通過性的能力。只有對非結構化的路況具有良好的適應性，才能提高地面移動機器人的生存能力。本文所設計的新型輪腿式機器人的運動特性如圖4所示。

圖4　新型輪腿式地面移動機器人運動特性

2.1車體結構參數設定

為了方便后續的相關分析計算，設定車體結構的參數如圖5所示，參數含義如表1所示。

圖5　整體參數設定示意圖

參數參數意義a行星輪系中太陽輪的分度圓直徑b行星輪系中惰輪的分度圓直徑c行星輪系中行星輪的分度圓直徑r行星輪系中接地輪胎的半徑R中間輪胎和被動輪的半徑d行星輪系中心到行星輪中心的距離l1平行四邊形連桿機構橫桿的長度l2后車架的長度l3后車架重心在水平分量上與后車架的距離h1平行四邊形連桿機構豎桿的長度h2平行四邊形連桿機構中間桿的長度h3后車架與后輪中心的有效高度h4平行四邊形機架的重心高度h5后車架重心在豎直分量上與后車架的距離m1平行四邊形機架的質量m2后車架質量

2.2平面運動過程分析

該輪腿式機器人的平面運動可以分解為平移和轉動兩個部分。整個機器人系統需要控制三個自由度，分別為沿X軸的移動、沿Y軸的移動和繞自身質心的轉動。由于沒有設置特定轉向機構，該機器人通過兩側驅動輪差速實現轉彎。如圖6所示，設P點為機器人平面結構的幾何中心，作為運動的參考點。以P點為原點建立相對坐標系，質心位置為G點。設：PG=D，機器人平動速度為v，轉動角速度為ω，轉動角為α。

圖6　平面運動坐標系

通過分析可以得到P點的運動方程為

(1)

由于

(2)

所以將式(2)代入式(1)得到質心處的運動方程為

(3)

對式(3)求導得到質心處加速度方程以及系統驅動力和驅動力矩方程為

(4)

(5)

式中，m為機器人總質量；J為機器人繞質心的轉動慣量；Fx、Fy分別為系統沿X軸驅動力、沿Y軸驅動力；T為系統驅動力矩。

2.3越障運動過程分析

2.3.1越障原理分析

該輪腿式地面移動機器人利用行星輪和連桿機構實現被動越障，越障原理如圖7所示。整個越障過程可以大致分為6個部分，說明如下：

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f) 圖7　越障原理圖

當遇到障礙時，前輪發生堵轉，電機提供的驅動力矩使行星輪支架發生翻轉，并貼緊在豎直障礙上，平行四邊形懸掛機構在前進的推力作用下發生變形，前輪抬升，車體前移，如圖7a～圖7c所示；當前輪抬升使得平行四邊形機架達到最大仰角時，中輪將會空轉，直到再次貼到障礙物表面，完成爬升，如圖7d所示；當后輪發生堵轉時，運行狀態和前輪類似，如圖7e、圖7f所示。

整個越障過程，利用機構自身的結構特點，沒有施加額外的控制環節，實現了被動越障的設計目標。當機構運行過程中出現死點導致越障過程停滯時，利用蝸輪蝸桿自鎖電機調整擺臂的位姿，避開死點完成越障，具體實施過程不再贅述。

2.3.2越障過程的動力學建模

動力學建模是為了計算該輪腿式地面移動機器人在運行過程中所需驅動力，為驅動器選形和結構尺寸優化而推導出一個數學模型。由于整個機械系統結構較為復雜，利用傳統的牛頓力學建模方法較為繁瑣。本文從系統能量的角度出發，利用拉格朗日動力學建立相關動力學模型。將機器人系統分為平行四邊形機架和后車架兩部分，對應的編號下標分別為1和2。坐標系統如圖8所示，定義G1、G2為平行四邊形機架和后車架的重心位置，其在X、Y方向的位移分別為(x1，y1)、(x2，y2)，位姿角分別定義為θ1、θ2，轉動慣量分別定義為J1、J2。

圖8　平面坐標系統圖

拉格朗日動力學方程定義為L=K-P，其中，L為拉格朗日算子，K為系統動能，P為系統勢能。結合圖5參數設定示意圖可以得出

(6)

那么系統動能K=K1+K2，系統勢能P=P1+P2。由于采用被動越障的形式，機構中不需要對力矩進行控制，因此這里只求解產生線性運動的外力，即Fx和Fy。由于式(6)中將x2、y2分別用x1、y1表示，所以Fx和Fy為

(7)

最終得到的表達式用矩陣形式可以表示為

(8)

J=

T=

系統動力是由輪子在滾動時產生的摩擦力提供的，通過給定狀態變量θ1、θ2、x1、y1可以得到Fx和Fy，將其與系統能夠提供的最大摩擦力進行對比，確保車輪不發生打滑，從而保證運行過程連續不間斷。

2.4跨越壕溝過程分析

上一節所闡述的越障過程充分利用了平行四邊形懸掛機構的特性，實現了被動式越障。為了跨越壕溝，需要發揮擺臂的作用。跨溝過程如圖9所示。

(a) (b)(c)

(d) (e)(f) 圖9　機器人跨越壕溝過程

(1)由于前后輪是行星輪系驅動，為了方便擺動，采用“先中間，后前后”(即先擺動中間擺臂，后擺動前后擺臂)的方式進行跨溝；

(2)可以跨越的壕溝的寬度L應當小于等于三組擺臂中最短的有效長度。取表1中對應的前、中、后三組擺臂長度，則對應的有效長度分別為L1、L2、L3：

L2=l2

可跨越的壕溝寬度L=min(L1，L2，L3)。

(3)當跨越的壕溝寬度大于有效長度，且深度小于最大越障高度時，可以視為越障過程。即：讓機器人直接駛入溝底，利用平行四邊形懸掛機構被動越障的特點在整個過程中適當調整擺臂的位姿，防止機構運行時出現死點，以確保機器人從溝底進行越障之后爬出壕溝。

3虛擬樣機仿真實驗

本文所述的地面移動機器人能否實現越障是結構設計成敗的關鍵。根據表2所示設計參數，建立三維模型并導入ADAMS，如圖10a所示。

表2　機器人車體結構參數表

該地面移動機器人的跨溝過程在3.4節已經做了詳細介紹，這里不再贅述。通過設定合理的材料、質量屬性、運動副、接觸、驅動等條件，對其跨越臺階的過程進行仿真，得到相關的運動特征曲線，如圖10b、圖10c所示。

(a)虛擬樣機模型

(b)越障過程中輪子隨時間在前進方向上的位移曲線

(c)機器人攀越300mm障礙重心在豎直方向位移曲線 圖10　虛擬樣機仿真實驗圖示

(1)圖10b的三條曲線分別為越障過程中，該機器人的前、中、后輪隨時間在前進方向上的位移。通過這一組曲線可以看出，在整體前進的過程中，車輪不存在先前進再后退的反復震蕩現象，因此避免了平行四邊形懸掛機構在變形過程中發生失效。同時，三組輪子在越障過程中的運行曲線曲率相類似，說明在越障過程中三組輪子都在發揮相應的作用，不存在長時間空轉及相互影響等現象，具有較高的運行效率。

(2)圖10c為機器人攀越300mm障礙重心在豎直方向上的位移曲線。可以看出，重心的抬升過程是連續、緩和的，沒有震蕩的現象出現。因此，可以推斷出，該機器人在越障過程中運行平穩有效，不會像履帶式底盤那樣，重心突然升高后再突然下降，產生較為劇烈的沖擊。因此該新機器人有良好的路面適應性，適合搭載精密儀器。

(3)通過反復多次虛擬樣機仿真實驗證實該機器人的越障高度可以達到300mm。同時驅動該機器人的直流電機需要提供10N·m以上的轉矩。

從虛擬樣機仿真結果可以發現，該地面移動機器人保留了傳統輪式底盤運行高效的特點，卻具有輪式底盤所不能相比的越障能力。除此之外，控制簡便的優勢是腿式底盤所不能及的。

4結論

本文在對現有的典型小型地面移動機器人的運動機構進行充分研究分析的基礎上，提出了一種新型輪腿式地面移動機器人結構。

(1)該機器人既保留了輪式底盤運行時高效、快速的特點，又具備腿式底盤運行時強大的越障能力，同時擁有履帶式良好的路面適應性。垂直越障高度可以達到300mm(3倍輪高)。

(2)該地面移動機器人利用了行星輪結構和平行四邊形懸掛機構，同時安裝有行走腿，結合了“被動”和“主動”的越障形式，在運行過程中，不易出現死點，可以通過壕溝、臺階等典型障礙。

(3)平行四邊形懸掛機構可以根據外界的路況自行調整姿態，具有良好的路面貼合能力，運行過程平穩，不易出現震蕩等現象，使得該機器人適合搭載精密儀器等以拓展其功能。

(4)該新型輪腿式地面移動機器人在面對非結構化的環境時，具有良好的生存能力，以該機器人作為移動平臺，通過搭載其他功能模塊，在反恐、探測、偵查等領域將具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1]李明.機器人[M].上海：上海科學技術出版社,2012.

[2]陳曉東.警用機器人[M].北京：科學出版社,2008.

[3]李一鵬.一種新型越障機器人的設計與開發[D].武漢: 華中科技大學,2009.

[4]YamauchiB.PackBot:aVersatilePlatformforMilitaryRobotics[C]//ProceedingofSPIEConference5422:UnmannedGroundVehicleTechnologyVI.Orlando,FL, 2004.

[5]FioriniP.GroundMobilitySystemsforPlanetaryEx-ploration[C]//ProceedingsInternationalConferenceonRobotics&Automation.SanFrancisco,2000:908-913.

[6]王建，談英姿，許映秋.基于姿態的多關節履帶機器人越障控制[J].東南大學學報，2011, 41：160-167.

WangJian,TanYingzi,XuYingqiu.Obstacle-navigationControlMethodofMulti-jointTrackedRobotBasedonRobotPose[J].JournalofSoutheastUniversity, 2011, 41：160-167.

[7]李智卿，馬書根.具有自適應能力輪-履復合變形移動機器人的開發[J].機械工程學報，2011, 47(5)：1-9.

LiZhiqing,MaShugen.DevelopmentofaTransformableWheel-trackRobotwithSelf-adaptiveAbility[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering, 2011, 47(5)：1-9.

[8]趙希慶,尚建忠.四連桿變形履帶式機器人的越障性能分析[J]. 機械設計與研究, 2009，25(6)：36-39.

ZhaoXiqing,ShangJianzhong.AnalysisonthePerformanceofObstacleSurmountingforDeformableTrackedRobotwithFourLinks[J].MachineDesignandResearch, 2009，25(6)：36-39.

[9]田海波，方宗德. 輪腿式機器人設計及其運動特性分析[J]. 機械設計，2010，27(6)：42-45.

TianHaibo,FangZongde.DesignandKinematicsAnalysisofWheel-leggedRobot[J].JournalofMachineDesign, 2010，27(6)：42-45.

[10]陳世榮.雙曲柄機構在移動機器人中的應用與優化[J].中國機械工程，2007，18(10)：1139-1141.

ChenShirong.DesignandOptimizationofForkUsinginRobot[J].ChinaMechanicalEngineering, 2007，18(10)：1139-1141.

[11]雷振伍.BH-1型月球車的運動學和動力學研究[J].北京工業大學學報，2011，26(2)：66-71.

LeiZhenwu.KinematicsandDynamicsofBH-1LunarRover[J].JournalofBeijingUniversityofTechnology, 2011，26(2)：66-71.

(編輯華中平)