移動機器人行走機構

肖佳濤， 雷澤勇， 覃倩倩

（南華大學機械工程學院，湖南衡陽 421001）

0 引言

隨著核工業的發展，核應急與巡檢機器人的研究與開發愈發重要，采用機器人代替人進入核電站開展日常監測和維護工作，具有廣闊的應用前景。

移動機器人行走機構搭載并保護機器人核心控制部件和功能設備，受控于控制部件，可以在規定工作路面上行走，是機器人的主要機械系統。移動機器人底盤需具有一定的承載能力和規定的運動性能。

移動機器人按行走方式來分，可分為輪式、履帶式、復合式。

1 輪式移動機器人

輪式移動機器人的行走機構由車輪為主體。輪式的機械結構相對最為簡單，驅動及控制的設計比較方便，承載量大，移動的速度快，運動效率很高，比較靈活，自重較輕。輪式的缺點是運動穩定性受路面的情況影響很大，對于復雜路面很難通過[1]。

一般按車輪的數量可以將輪式移動機器人分為單輪、雙輪、三輪、四輪。不同的車輪數量，底盤的結構及移動配置有很大的不同。輪子數量較少的底盤穩定性較差，但靈活性更強，體型會更小。

1.1 單輪滾動機器人

單輪滾動機器人體積小，摩擦小，靈活性很大，但單輪要保證動態穩定，其穩定性不易控制。一般工作于一些較為復雜、狹小的地形[2]。

實例：美國卡內基－梅隆大學研究了“陀螺穩定”式單輪機器人，如圖1所示，左側為初代設計GyroverⅠ，右側為改進設計GyroverⅡ。作為一個偵察機器人，Gyrover可以利用其超薄體型通過狹窄的通道進行作業。另一個潛在的應用是作為一個高速月球車，在氣動干擾和低重力的情況下將可以高效、高速滾動[3]。

圖1 “陀螺穩定”式單輪機器人（Gyrover)

1.2 雙輪移動機器人

雙輪移動機器人常分為自行車式和雙輪左右對稱分布式。

自行車式的移動機器人，車型窄長，是一個非線性自然不穩定的系統，在保證側向穩定性控制問題上的研究比較困難。自行車式機器人主要工作于狹長、平穩的路面上，其越障能力很差[4]。

實例：日本東京工業大學M.Yamakita與Utano[5]于2006年研制了具有平衡質量調節器的自行車式機器人，特別研究了在低速下自動控制自行車的穩定。如圖2所示，左側為原理模型圖，右側為外形圖。

雙輪對稱分布式機器人同樣需要考慮自平衡，其優勢在于體型矮小，運行比自行車式更為靈活，適合在狹小空間工作[6]。

圖2 M.Yamakita與Utano自行車式機器人

圖3 瑞士聯邦工學院雙輪機器人（JOE）

實例：2002年瑞士聯邦工學院Felix Grasser等[7]研究了無線控制的雙輪機器人（JOE），每個輪子分別由一個電動機驅動，能實現自平衡，在平地上自由移動，可以爬30°斜坡。如圖3所示，左側是實物外形圖，右側為機器人狀態矢量空間的變量定義和干擾分析圖。

1.3 三輪及四輪移動機器人

由于三點決定一個面，三輪移動機器人的平穩性比單、雙輪式的好。三輪式機器人常采用1個中心前輪，2個對稱分布的后輪，呈簡單的等腰三角狀，這種布局最為穩定。而四輪式的機器人最為常見，結構設計、驅動系統和控制系統都最為容易實現。三輪及四輪的機器人結構穩定，其承載能力較單、雙輪式有了很大的提高。但是三輪及四輪式的機器人在坑洼的路面上移動會很顛簸。三輪及四輪式的機器人適合在負載要求大、移速要求高，但路面較平整的情況下工作，其應用范圍最為廣泛。

2 履帶式移動機器人

履帶式機器人相對于普通的輪式機器人，其結構比較穩定，在不平整的路面上，仍然能夠相對穩定地前進。

履帶式機器人的突出優勢在于：1）有較大支撐面積，接地比壓小，能夠在松軟甚至泥濘的場地作業，下陷度小，越野機動性能很好；2）轉向半徑非常小，可原地轉向；3）履帶支撐面上有履齒，有效避免打滑，附著性能好，能夠提供較大的牽引力；4）承載能力很大。

但由于履帶式機器人沒有轉向機構，轉彎時只能依靠左右2個履帶差速轉向，摩擦阻力大，外側履帶易磨損，且回轉半徑不易準確地確定。履帶式機器人由移動機構限制，體型比較大，功耗比較大，傳動效率不高，通常只能保持低速狀態運行。故履帶式機器人適合在路面條件較差、負載要求高，但速度要求較低的情況下工作。

履帶式機器人底盤一般分為單節雙履帶式、雙節四履帶式、多節多履帶式[9]。

2.1 單節雙履帶式機器人

單節雙履帶式由2條可變形的履帶組成，分別由2個電動機驅動。機器人通過2條履帶差速實現轉向。當2條履帶同步運動時，機器人前進或后退[10]。

實例：中國航天科工集團第四研究院探測與控制技術研究所研制出的“雪豹20”排爆機器人，如圖5所示，采用了單節雙履帶式底盤，在野外崎嶇的復雜道路上仍可以正常運行，這取代了人工在野外進行危險物的搜索和排除，能夠抓取15 kg以內的危險品，大大降低了人員的傷亡[11]。

2.2 雙節雙履帶式機器人

圖4 “雪豹20”排爆機器人

雙節雙履帶式機器人是由轉向鉸接機構將前、后兩節車體連接起來。其越障能力比單節式更優，雙節的車體結構，可以讓其能夠實現爬梯等特殊越障工作，但控制上的設計變得更為復雜。

實例：日本千葉工業大學和日本東北大學研制的Quince機器人就是采用雙節雙履帶式底盤，如圖5所示。福島核事故發生后，Quince機器人曾6次深入原子能反應堆內部調查情況，克服反應堆地下復雜地形[12]。

圖5 Quince機器人

2.3 多節多履帶式機器人

多節多履帶式機器人常用于爬越較高障礙物或跨域較寬的溝壑，其能夠多姿態調整，靈活性很強，但在結構和控制上的設計會很復雜，并需保證越障過程中靜止狀態下無回滑現象[13-14]。

圖6 三節六履帶式移動機器人越障實驗圖

實例：上海交通大學針對核工業管道內壁檢測需求，研制了三節六履帶式移動機器人平臺[15]。其能夠完成管道中溝道、臺階的跨越。如圖6所示，為該三節六履帶式移動機器人越障實驗圖。

3 復合式移動機器人

復合式底盤是將兩種或者更多種基本底盤形式進行融合，結合基本底盤各自的優點，使機器人擁有更高的綜合性能，能攀爬一些特殊地形，復合式底盤機器人也是現在很多學者研究的重點。但復合式機器人，結構復雜，研究困難，制造成本比較大。

較常見的復合式機器人有：1）輪腿復合式移動機器人，具有輪式機器人的穩定性以及腿式機器人的強越障能力。RHex、Whegs等機器人是典型的代表。2）輪履復合式移動機器人，輪實現高速遠距離運動，履帶實現適應各種復雜的地形，進一步增強環境適應能力[17]。3）輪履腿復合式移動機器人結合更多的因素，結構更復雜。

應用實例：以色列艾爾比特系統公司研制的地面偵測機器人VIPER如圖7所示，VIPER采用的是輪履復合式行走系統，可以根據不同的路況，依靠內置的變形機構實現輪、履帶的轉換。這種輪履復合式機器人的設計大幅度提高了機器人的地面適應能力，從而保證了機器人高效完成任務[18-20]。

圖7 地面偵測機器人VIPER

4 結 語

本文主要分析了移動機器人行走機構分類情況。對于不同的工作情況，需要選擇適用的行走機構：1）工作環境狹小，并要求機器人能高速移動，不需要重載，可以選擇單輪滾動式機器人；2）工作路面平緩，需要機器人非常靈活地工作，可以選擇雙輪對稱分布式機器人；3）工作路面較平緩，要求機器人有一定承載能力，穩定性好，移動速度要快，可以選擇三輪或四輪的機器人；4）對于承載能力要求比較高，路面情況比較差，但對移速要求較低的，可選履帶式機器人；5）對于工作路面非常惡劣，要求跨溝、越階，越障能力要求較高的，可選擇多節多履帶式機器人；6）要求機器人擁有很高的綜合性能，或需要翻越特殊的障礙，或需要機器人能改變移動的方式等，可以設計適用的復合式移動機器人。

核巡檢與應急機器人，需要有一定的承載能力，對移動速度要求不是很高。在平常情況下，其工作路面比較平整；在應急狀態下，其工作路面可能會存在一些小障礙。結合實際情況及成本考慮，最終選用單節雙履帶式的底盤結構。

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