基于單片機控制的輪腿式六足越障機器人設計

尹一凡

摘 要：腿式機器人運動速度較慢，能量利用效率低，且控制復雜，可靠性差。輪式機器人越障能力弱，環境適應性較差，難以適應復雜地形。為解決上述問題，本文設計并制作了一種輪腿式六足越障機器人，設計一種偏心式輪腿，通過旋轉推動機器人行進。這使得機器人從傳統的離散點著地變為連續點著地，具有更佳的穩定性和更快的運動速度。同時，偏心軸設計增大了有效半徑，可以輸出更大的扭矩，也賦予了其出色的越障能力;簡單的機械結構增加了可靠性和靈活性。

關鍵詞：六足機器人;輪腿;越障

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）28-0023-06

Design of Six-legged Obstacle - crossing Robot based

on Single - chip Microcomputer

YIN Yifan

（School of Automation Science and Electrical Engineering， Beihang University，Beijing 100191）

Abstract： The leg robot is slow in motion， low in energy utilization， complex in control and poor in reliability. Wheeled robot is weak in obstacle jumping ability， poor in environmental adaptability， and difficult to operate in complex terrain. In order to solve the above problems， this paper designed and made a wheel-legged hexapod reconnaissance robot. The robot changes from the traditional discrete point landing to the continuous point landing， which has better stability and faster movement speed. At the same time， the eccentric shaft design increases the effective radius， can output more torque， but also gives its excellent ability to jump over obstacles. It also avoids complex mechanical structure and has high reliability and flexibility.

Keywords： hexapod robot;wheel leg;obstacle surmounting

1 項目背景

在現代社會，大量機器人被應用于惡劣工作環境中，以代替人類進行危險、骯臟、乏味的任務。移動機器人具有靈活性強、智能化程度高的優點，在宇宙探測、核能開發、礦產開采、救援搶險、戰地偵察和掃雷排險等領域有著廣泛的應用。在實際應用中，移動機器人時常工作在野外環境中，如災后廢墟、叢林戰場、狹小洞穴。高低起伏的地形，錯綜復雜的地面環境（如碎石、積水、泥濘），給移動機器人的工作帶來了極大挑戰。而腿式機器人不僅能在平整路面上運動，還能在崎嶇的復雜地面行進，具有很強的地形適應性。然而，腿式機器人也有著明顯的不足，如運動速度慢、機械結構復雜、能量利用率低。

在太空探測領域，為適應地外星球表面復雜的地形（如月球、火星），各國都把輪腿復合式機器人作為研究重點。1997年，美國發射的索杰納號火星車是人類送往火星的第一部火星車。該機器人車能在各種復雜的地形上行駛，特別是在火星軟沙表面[1]。在這之后，美國相繼發射了機遇號、勇氣號、好奇號等一系列火星探測車。

2013年，美國宇航局向公眾展示了一款名為“ATHLETE”的全地形月球車。該型機器人裝備了六條腿，并設計有靈活的轉動機構，這使其擁有了出色的轉向越障能力。

在此背景下，本文提出了一種六足驅動的輪腿式機器人。其既具有輪式機器人的高速運動能力，還具有腿式機器人的越障能力。該機器人采用六足布局，步態豐富，肢體結構冗余，利用弧形輪式腿的旋轉實現快速移動。同時，偏心驅動軸的設計使輪腿的輸出力矩顯著增加，這也賦予了輪腿式機器人出色的越障能力。此外，該機器人機械結構較為簡單，可靠性和靈活性更高。

2 總體設計與分析

2.1 六足輪腿式機器人的步態分析及設計

步態規劃決定了六足機器人的運動規律，是其適應復雜地形的關鍵。在本項目中，設計者采用了廣泛使用的三足步態規劃。同時，采用直流減速電機驅動輪腿，通過對每個電機進行調速，得出標準轉速（Move[i]，1=<[i]<=6），使得6個電機擁有公共周期[T];同時通過Arduino與L298N的配合實現對電機速度和角度的控制。

圖1為機器人各輪腿編號，以3條輪腿為一組，L1、L3、R2為A組，R1、R3、L2為B組。兩組輪腿交替支撐和擺動，以實現直行、轉彎等多種步態。

2.1.1 直行步態規劃。直行步態規劃步驟具體如下所示。

①初始狀態下，機器人的6條輪腿均處于前極限位置，具體如圖2所示。

②接著，按表1所示調節電機轉速，使A組輪腿逆時針同步轉動，如圖3所示。當A組輪腿到達后極限位置時，B組電機逆時針旋轉，使機器人向前運動，如圖4至圖5所示。

③當A組輪腿的擺動狀態結束后，B組輪腿也剛好結束支撐狀態。此時，按表2所示調節電機，使得A組輪腿再次進入支撐狀態，而B組輪腿進入擺動狀態，如圖6所示。

直行步態下各輪腿相位如圖7所示。

2.1.2 轉彎（左轉）步態規劃。轉彎（左轉）步態規劃步驟如下所示。

①初始狀態下，A組輪腿處于前極限位置，B組輪腿處于后極限位置，具體如圖8所示。

②首先，按表3所示調節電機轉速，使輪腿L1、R1、L3、R3至后極限位置，輪腿L2、R2至前極限位置，設該位置為左轉彎的初始位置，如圖9所示。

③接下來，根據表4所示調整電機，A組輪組順時針旋轉，B組車輪逆時針旋轉，使L1、R1、L3和R3移動到前限位置，L2、R2運動至后極限位置，如圖10所示。

④接下來，根據表5所示調節電動機，A組輪腿順時針旋轉，B組輪腿逆時針旋轉，讓每條腿返回左轉的初始位置，如圖11所示。

⑤若需要從轉彎步態回到前進步態，按表6所示調節電機，將L1、R2、L3調至前極限位置;R2，L2，R3調至后極限位置，如圖12所示。

轉彎步態下各輪腿相位如圖13所示。

按照上述運動方式，筆者在Arduino平臺上完成了三足步態規劃的程序設計，如圖14所示。

2.2 結構設計

2.2.1 總體結構設計。本文設計的輪腿式六足越障機器人整體結構如圖15所示，其主要由底板、輪腿、外殼、控制模塊和偵察模塊組成。其中，底板由鋼板搭建而成，具有較高的強度和結構穩定性，有利于機器人在崎嶇的環境中應對側翻、顛簸、撞擊、傾覆、翻轉等運動狀況。六個輪腿的設計參數相同，由彎曲組件構成，對稱布置在底板兩側。位于中部的輪腿離機器人軸線較遠，錯開輪腿的寬度，避免底板過長以減輕自重。外殼中則封裝有電源、電機及單片機主板等設備，并合理分配質量，使機器人的質心處于上下、左右的對稱位置。這有利于避免機器人傾覆，并且進一步增強了復雜地形的適應性。

2.2.2 輪腿設計。輪腿采用偏心軸設計，通過旋轉推動機器人前進。在動力上，設計者采用了24V直流減速電機驅動偏心軸，可以輸出大扭矩，實現了機器人的野外運動與越障攀爬。在材料選取上，設計者選用了兼具彈性和硬度的彈簧鋼，并在輪腿觸地部分加裝了橡皮墊。與簡單的腿部設計相比，具有偏心設計的輪腿使機器人由離散點觸地變為連續點觸地[2]，移動速度更快，穩定性更強。具體的輪腿設計如圖16所示。

2.2.3 控制設計。控制系統主要由發射器、接收器、驅動源和傳感器等四部分構成。發射器以手機軟件Blinker為載體，以WiFi為媒介傳輸，通過操作者發出的遙控信號實現控制。接收器由WiFiduino和Arduino Mega2560組成。WiFiduino作為中間設備，通過與IIC接口的連接實現與Arduino Mega2560的通信。WiFiduino接收到Blinker的信號后，進行一些簡單的代碼轉換，然后傳給Arduino Mega2560進行后續操作。

2.2.4 偵察模塊設計。該機器人主要用于環境信息采集。結合應用的實際需求，設計者選擇GoPro HERO7 Black攝像頭用于環境圖像的采集，并利用WiFi模塊回傳至上位機。在目標識別跟蹤上，采用高效準確的KCF算法，用于對偵察對象的識別跟蹤。GoPro HERO7 Black攝像頭性能參數如表7所示。識別的目標如圖17所示。

2.2.5 整體尺寸。設計的輪腿式六足越障機器人幾何參數如表8所示。輪腿式六足越障機器人實物圖如圖18所示。

3 試驗分析

為了更好地研究輪腿式六足機器人的地形適應能力，設計者在多種地形環境中對樣機進行了試驗，驗證理論分析和設計的可行性。同時，選擇最合適的輪腿半徑、彎曲角度、前進速度以及質量分配，從而獲得更強越障能力和更快的運動速度。三足步態驗證試驗如圖19所示。

從試驗樣機的野外試驗可知，六足輪腿式設計完全滿足機器人行走和越障的各種要求。設計者分別在公路、斜坡、草地、臺階等多種地形中驗證了六足輪腿式機器人的爬行和越障能力（見圖20至圖21）。試驗發現，機器人在不同平整度的路面上均保持了較快的運動速度，在草地、臺階等崎嶇地形上表現出了出色的越障能力，這充分體現了輪腿兼顧速度和越障能力的優勢。同時，在試驗過程中，機器人的運動表現出高度的穩定性和可控性，證明三足步態規劃的可行性和可靠性。

4 項目特色與應用

4.1 軍事偵察

在執行反恐、排爆等軍事任務中，現場偵察是關鍵一環，充分掌握現場的環境情況，是任務順利完成的必要前提。本項目設計的輪腿式六足越障機器人具有出色的越障能力，可適應洞穴、叢林、山地、沙漠、戈壁和濕地等多種環境。同時，該機器人結構簡單、可靠性強，且具有較高的運動穩定性，能適應戰場苛刻的性能需求。

4.2 救援搶險

在地震、海嘯、爆炸等災害后，會出現大量建筑物廢墟。廢墟環境較為復雜，且結構不穩定，易發生坍塌等二次災害，搜救難度極大。而本項目設計的輪腿式六足機器人體型輕巧，且具有出色的越障能力和復雜地形適應能力，可用于快速獲取災害信息，協助科學決策和調度，以及快速搜索和定位幸存者。通過攝像頭、紅外傳感器設備，該機器人可以實現廢墟場景重現、生命活動檢測、廢墟內外通信等功能，在救援領域具有極大的應用價值。

5 結論

本文設計并制造了一種輪腿式六足越障機器人，既具有高速運動能力，又具有出色的越障能力，兼具輪式和腿式機器人的優點。設計者設計了偏心式輪腿，結合腿和輪的優點，使機器人從傳統的離散點觸地變為連續點觸地，具有更好的穩定性和更高的移動速度。同時，偏心軸設計增大了有效半徑，可以輸出更大的扭矩，這也賦予了其出色的越障能力。該機器人采用六足布局，步態豐富，穩定性高;同時，機械結構簡單，具有更高的穩定性。設計者采用三足步態控制，實現了直行、轉彎、跳躍、翻轉等多種姿態的動作。利用偵察模塊，機器人還具有目標識別、定向追蹤、路徑規劃等功能。目前，該機器人在軍事偵察、搶險救援、地質勘探等領域得到廣泛應用。通過對此機器人平臺的進一步優化改進，同時采用多元模塊化設計，使該輪腿式六足機器人具有廣闊的市場前景。

參考文獻：

[1]王浩.輪腿式六足偵查機器人設計與分析[D].南京：南京理工大學，2017.

[2]李滿宏，張明路，張建華，等.六足機器人關鍵技術綜述[J].機械設計，2015（10）：1-8.