具有自適應性仿生腿及行走方式可切換式汽車

王棋 劉群

摘要： 高性能移動機器人主要用于災難搜救、星球探測、軍事偵察、礦山開采等非結構化環境中，其移動系統可分為輪式、腿式、履帶式以及輪腿結合式四類。其中，輪腿式機器人不僅具備腿式機器人的高越障性能和對復雜地形的高適應性能，還兼備輪式機器人在平整地面上滾動的高速高效性能。具有自適應性仿生腿及行走方式可切換式汽車綜合了輪式系統和腿式系統的優勢，具備多種運動姿態，包括滾動、攀爬樓梯等，具有運行平穩、帶負載能力強以及越障性能好的優點。可作為移動機器人平臺搭載相關設備完成星球探測、軍事偵察、掃雷排險等多種工作。

關鍵詞：仿生退；自適應；自切換

中圖分類號： U469.6文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

Abstract： Autonomous robots have many potential applications like farming， exploration，investigation and waste lean-up， based on their well-designed locomotion system.wheel-legged rover is a typical hybrid mobility system， inherits both advantages of wheeled and walking systems， i.e. the high-speed and efficient rolling performance for the first one； and the obstacle clearance performance as well as high adaptability to rough terrains for the second.The self - adaptive bionic legs and the way of walking self-switchable vehicle have many potential applications， including geological investigation，space exploration， military reconnaissance， defense， demining， etc.

Key words： bionic legs；self - adaptive；self-switchable

0.引言

高性能移動機器人主要用于災難搜救、星球探測、軍事偵察、礦山開采等非結構化環境中，其移動系統可分為輪式、腿式、履帶式以及輪結合式四類。其中，輪腿式機器人不僅具備腿式機器人的高越障性能和對復雜地形的高適應性能，還兼備輪式機器人在平整地面上滾動的高速高效性能，因而引起了眾多研究者的興趣。智能移動機器人所行駛的路面工況惡劣，需具備靈活避障、越障和自動復位能力。雖然導航和控制技術可使機器人的避障能力得以加強，但其機動性和越障性的關鍵仍取決于自身的移動系統，如：行走機構、傳動系統以及驅動系統等，因此有必要對機器人的移動機構和運動特性做進一步探索和研究。

1.存在的問題

（1）現實生活中，輪式車輛面臨過無數無可奈何的尷尬境地：由于塌方、泥石流、暴雪等出現道路因一些小石塊路障、路面泥濘或積雪使車輪受阻或打滑而不能前行等情況時，傳統輪式汽車在遇到此狀況時變得束手無策，只能等待救援。

（2）履帶式工程車輛有較好的越障能力，但在轉場過程中會破壞好路面，不得不用大型平板車裝運，費力費時，機動性不好；而輪式工程車，如輪式起重機、輪式裝載機、輪式水泥泵車、礦用汽車等不會破壞路面，但在施工現場事先未作平整時，因車輪所受阻力大，越障能力差，難于接近施工面。

2.建議

如果在車輛上面安裝一套行走機構，利用Hoecken機構，根據仿生學原理發明設計出一套“腿”機構，與車輛原有的輪式行進方式進行了有機結合，共用一套動力驅動裝置，來驅動六條腿的前行運動，每條腿又設置一個電機驅動的伸縮機構調節長度，以適應高低不同的路面。當車遇到凹凸不平的路面或者障礙物時，能夠由輪式驅動切換為腿式驅動并將其“腿”伸出來抬高車輛，根據仿生學中昆蟲的行走原理，向前跨越障礙，從而實現其越障功能。

（1）將Hoecken機構與仿生學結合設計出六腿爬行機構，同時僅使用一個電機驅動六條“腿”的爬行運動，即以簡單的機構實現了較為復雜的運動，而且還降低了腿機構在采用兩個以上動力源驅動時，各動力驅動協調控制的難度，因此，簡化了控制，還獲得了各腿之間良好的運動協調性。

（2）使腿機構與傳統的車輪進行有機結合，使車輛的驅動方式在平坦路面與凹凸路面之間自由切換。當行進至不平路面，靠車輪驅動無法通過時，通過傳感器信號采集和微控制器的分析判斷、控制，仿生腿腿機構自動伸出，車輛便會在仿生腿的驅動下前進，以通過車輪無法行進的路段。

（3）在崎嶇路面，通過“腿”的不同長度伸縮，使整車可以保持水平行進狀態，對路面具有自適應性，能夠應對復雜的路面。

3.總結

通過對國內外研究現狀分析，人們在步行車輛方面主要研究的是半步輪、蠕動行進方式、推拉行進方式、輪腿式等仿生步行行進方式。在已研究的腿機構中，腿具有多自由度，這不僅需要多個動力源而且控制起來也比較復雜。針對以上存在的一些不足，本次設計準備設計具有一個自由度的腿機構且根據腿機構的運動特性而使用一個動力源驅動多條腿行進，并在腿上設計一個伸縮機構以使車輛在步行時能自動適應凹凸不平路面以盡可能保持車身處于水平狀態，從而實現少自由度少動力源且能對凹凸不平路面進行自調平的功能；同時還只采用了一個動力源通過動力切換機構來驅動車輪或腿機構，從而使車輛既具有輪式行進方式的速度優勢又具有腿式行進方式的越障能力強的特點。

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