輪履臂復合結構巡檢機器人移動系統研究

季清華 白大鵬

（浙江大學濱海產業技術研究院，天津300000）

1 概述

隨著機械、電子、計算機、自動控制等相關學科的快速發展，機器人的智能化程度越來越高、應用范圍越來越廣，巡檢機器人作為服務類機器人中的一種，應用前景可觀，是國內外高校和科技類公司研究的焦點之一。

2 輪履臂復合結構巡檢機器人移動系統方案設計

目前巡檢機器人種類很多，按照移動方式主要分為腿式移動機器人、輪式移動機器人、履帶式移動機器人和復合式移動機器人等。其中腿式移動機器人移動速度慢，控制難度大，輪式移動機器人復雜路況適用能力差，履帶式移動機器人速度慢，續航能力差。為此，本文提出一種輪履臂復合結構機器人移動系統，結構如圖1 所示，機器人移動系統主要由左右輪驅動裝置、前后擺臂機構驅動裝置、車輪、履帶裝置、鏈條傳動裝置、擺臂機構、軸、車體及控制系統組成。

圖1 巡檢機器人移動系統結構圖

巡檢機器人移動系統的左、右驅動裝置通過鏈條傳動裝置驅動車輪旋轉，實現機器人前進后退，通過控制兩側伺服電機不同轉速，實現機器人轉彎。前、后擺臂機構驅動裝置可實現機器人前側、后側擺臂機構的旋轉運動。提出的輪履臂復合結構機器人移動系統由于其結構優勢，對路況的適用能力更強。在平地面行走時，機器人主要由車輪與地面接觸，可實現快速移動并大大提高續航能力；爬坡、爬樓梯、越障時主要由履帶與地面接觸，增加機器人整體接觸面積，提高機器人復雜崎嶇路面的行駛能力；在復雜路況下行駛時，擺臂結構配合使用，可大大增加機器人在爬樓梯、越障時的機動性和穩定性。

3 輪履臂復合結構機器人越障過程分析

巡檢機器人移動控制系統主要由主控板、激光雷達、IMU 慣導系統、里程計傳感器、驅動器、伺服電機等組成，同時控制系統內置地圖。巡檢機器人在自動巡航過程中，通過激光雷達實時定位，并通過與地圖比對，判斷行使過程中檢測到的障礙物為預設障礙物或未知障礙物，對于未知障礙物，巡檢機器人采用自動避障功能，通過路徑重新規劃實現機器人繞障。對于預設障礙物，巡檢機器人采用越障功能，通過實時判斷機器人與障礙物的位置關系，按照程序預設，擺臂機構在伺服電機的驅動下實時調整旋轉角度，實現機器人的平穩越障，越障流程參照圖2 。

圖2 巡檢機器人越障功能控制流程圖

巡檢機器人越障過程可以大致分為5 個階段：前履帶搭上障礙物、前履帶越上障礙物、前履帶越過障礙物、后履帶越上障礙物和后履帶越過障礙物。

圖3 巡檢機器人越障過程分析

巡檢機器人在越障時首先通過調整前側擺臂機構旋轉角度，使前履帶搭上障礙物，機器人左右兩側驅動電機驅動機器人前履帶越上障礙物，同時，后擺臂機構在伺服電機驅動下旋轉，支起整個機器人，確保機器人底部不觸碰到障礙物。機器人繼續前進，后履帶接觸障礙物后，隨著機器人向前行駛，后擺臂機構不斷調整后履帶角度，使機器人平穩越過障礙物。

4 樣機試驗

為驗證巡檢機器人在不同復雜路況下的機動性及越障能力，對設計制作的巡檢機器人移動系統進行越障性能測試，測試用障礙物高200mm，寬150mm，如圖4 所示：

圖4 巡檢機器人移動系統越障功能測試

試驗結果表明，機器人移動系統在擺臂機構的配合下，可平穩越過200mm 的障礙物，越障全程移動系統底部未觸及障礙物。經測試，巡檢機器人移動系統在平坦油漆路面最高速度可達2.5m/s，最高越障高度可達250mm。輪履臂復合結構的巡檢機器人移動系統可根據路況的不同自主切換運動模式，適用多種復雜結構地形。

5 結論

本文提出了一種輪履臂復合結構巡檢機器人移動系統設計方案，通過自主切換不同運動模式，可實現巡檢機器人在多種復雜路況下的行駛，并具有強大的機動性及穩定性，通過搭載不同功能模塊，可制作不同用途的移動機器人，具有廣闊的市場前景。