輪腿式電廠巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)與仿真

中圖分類號：TP242 DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2025.06.011

0 引言

“雙碳”背景下，能源行業(yè)智能化水平進(jìn)步顯著。伴隨智能化的推行，設(shè)備組件數(shù)量、交聯(lián)方式復(fù)雜程度均日益增加[1]。為保障能源廠站設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，傳統(tǒng)人工巡檢方案正面臨安全、效率、可靠性等諸多挑戰(zhàn)；機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，為解決能源行業(yè)巡檢難題提供了新的解決思路。

常見巡檢機(jī)器人主要有路面移動(dòng)機(jī)器人、攀爬機(jī)器人、無人飛行器和無人水下探測器[3]。在能源廠站，路面巡檢機(jī)器人較為常見，驅(qū)動(dòng)形式有履帶式、輪式、足式和輪腿式等。徐詩洋等針對電力隧道巡檢工況提出了一種子母式履帶巡檢機(jī)器人。趙星櫺等5將搭載巡檢設(shè)備的四足機(jī)器人運(yùn)用于上灣選煤廠，替代人工完成巡檢任務(wù)。

輪腿式移動(dòng)機(jī)器人因兼具輪式與足式機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)而受到青睞，它同時(shí)具備輪式機(jī)器人高效的移動(dòng)性能與足式機(jī)器人優(yōu)良的越障能力，在巡檢任務(wù)中可充分適應(yīng)地形，同時(shí)擁有較低的能耗。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院BJELONIC等6-8基于ANYmalB型四足機(jī)器人設(shè)計(jì)了四足輪腿式機(jī)器人，并證明其具備良好運(yùn)動(dòng)能力，同時(shí)擁有較低的能源消耗。隨后，該團(tuán)隊(duì)又基于最新的 ANYmalc 型四足機(jī)器人推出四足輪腿式機(jī)器人，基于全身模型預(yù)測控制（ModelPredic-tiveControl，MPC）在線步態(tài)生成，進(jìn)一步提高了其運(yùn)動(dòng)性能；但該機(jī)器人是面向自然環(huán)境設(shè)計(jì)的通用機(jī)器人，而電廠巡檢工況以人造環(huán)境為主，比如摩擦條件良好的路面、規(guī)律的臺階、減速帶等。因此，通用設(shè)計(jì)不利于成本與能耗控制。王哲等[10]1132-1138提出一種輪腿可變式巡檢機(jī)器人，并驗(yàn)證其有一定的越障能力。但該類機(jī)器人[10]1132-18[1-13]輪變形后質(zhì)心存在低頻振蕩，不適用于對穩(wěn)定性有一定要求的巡檢任務(wù)，例如設(shè)備儀表的圖像或視頻采集等。輪腿式機(jī)器人足模式的運(yùn)動(dòng)可借鑒足式機(jī)器人相關(guān)研究成果。王銀浩等4對四足步態(tài)進(jìn)行了研究，得知外擺關(guān)節(jié)可提高機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定性。但外擺關(guān)節(jié)需要配置額外的關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)，增加了能耗。張國騰等[15研究表明，外擺關(guān)節(jié)可以通過擺動(dòng)相提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，但前進(jìn)與旋轉(zhuǎn)角度更多依賴支撐相。因此，在環(huán)境較為單一的巡檢任務(wù)中，外擺關(guān)節(jié)對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性影響較小。

針對上述問題，面向電廠巡檢工況提出一種輪腿式機(jī)器人。考慮到電廠巡檢環(huán)境特點(diǎn)，區(qū)別于現(xiàn)有巡檢機(jī)器人，本文創(chuàng)新性地采用兩自由度腿部構(gòu)型，配合動(dòng)力切換裝置，減少電動(dòng)機(jī)數(shù)量，提高電動(dòng)機(jī)復(fù)用率，以實(shí)現(xiàn)能耗與成本的控制；通過非對稱腿部位置布局以及基于支撐三角形的穩(wěn)定控制策略，彌補(bǔ)外擺關(guān)節(jié)缺失造成的不足。

1運(yùn)動(dòng)原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1.1 整機(jī)運(yùn)動(dòng)原理

為了提高不同巡檢任務(wù)場景下機(jī)器人的移動(dòng)效率，本文設(shè)計(jì)的輪腿式巡檢機(jī)器人擁有兩種移動(dòng)狀態(tài)模式，分別為步態(tài)移動(dòng)模式與輪態(tài)移動(dòng)模式。兩種移動(dòng)狀態(tài)模式互相獨(dú)立，通過動(dòng)力切換裝置實(shí)現(xiàn)不同移動(dòng)狀態(tài)模式的切換。移動(dòng)狀態(tài)模式切換流程如圖1所示。在機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，根據(jù)狀態(tài)模式信號選擇不同移動(dòng)狀態(tài)模式。狀態(tài)模式信號可由控制者觸發(fā)，也可由其他傳感器觸發(fā)。當(dāng)移動(dòng)狀態(tài)模式選定后，動(dòng)力切換裝置開始作動(dòng)。作動(dòng)到位后，觸發(fā)鎖止機(jī)構(gòu)鎖定機(jī)械狀態(tài)，確保動(dòng)力可以準(zhǔn)確傳遞給指定運(yùn)動(dòng)部件。機(jī)械結(jié)構(gòu)完成移動(dòng)狀態(tài)模式切換后，運(yùn)動(dòng)控制器接管機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)。

1.2 腿部位置布局設(shè)計(jì)

圖2所示為巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)，包括1個(gè)軀干、4副懸架裝置、4副動(dòng)力切換裝置、4條腿和各腿末端的4副輪。4條腿均具有2個(gè)自由度，分別由大腿關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)與膝關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)提供。

通常機(jī)器人腿部質(zhì)量遠(yuǎn)小于機(jī)身質(zhì)量，因此，可以簡化為單剛體模型。理想情況下，簡化后單剛體的質(zhì)心位于幾何中心。腿部位置對稱布置可使質(zhì)心投影點(diǎn)位于對角落足點(diǎn)連線中心，如圖3（a）所示。但實(shí)際情況中單剛體質(zhì)量并不均勻，因此，需要根據(jù)實(shí)際質(zhì)心位置布置腿部位置。巡檢機(jī)器人縱向質(zhì)量分布不均勻，質(zhì)心相較幾何中心偏后。因此，通過增寬前腿之間距離，以確保質(zhì)心投影點(diǎn)可以落在對角足端連線中點(diǎn)，如圖3（b）所示。

由圖3可知，腿部位置的調(diào)整會(huì)改變質(zhì)心與支撐多邊形的起始位置關(guān)系，使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)心投影多位于支撐多邊形中，從而確保穩(wěn)定。質(zhì)心位置可由三維軟件測得，或通過支撐法測得。為滿足設(shè)計(jì)要求，本文輪腿式機(jī)器人主要參數(shù)如表1所示。

1.3動(dòng)力切換裝置設(shè)計(jì)

提高電動(dòng)機(jī)復(fù)用率可以降低機(jī)器人綜合能耗；同時(shí)，電動(dòng)機(jī)集中布置有利于降低腿部慣量，增強(qiáng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。本文提出一種動(dòng)力切換裝置，以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)復(fù)用。該裝置利用行星齒輪系具有的多種傳動(dòng)組合的運(yùn)動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)膝關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)可分別驅(qū)動(dòng)小腿與足端輪的功能；其主要組成部件有行星齒輪系、外齒圈鎖定機(jī)構(gòu)、小腿擺動(dòng)鎖定機(jī)構(gòu)，如圖4所示。其中，小腿擺動(dòng)鎖定機(jī)構(gòu)通過電磁銜鐵與小腿吸合實(shí)現(xiàn)鎖定；外齒圈鎖定機(jī)構(gòu)通過對摩擦盤施壓實(shí)現(xiàn)鎖止?fàn)顟B(tài)。

圖5為動(dòng)力切換裝置結(jié)構(gòu)簡圖。膝關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力經(jīng)同步帶A輸入至行星齒輪系的齒輪B。齒輪C與小腿組件相連，齒輪D通過同步帶E與足端輪相連。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入步態(tài)移動(dòng)模式時(shí)，小腿擺動(dòng)鎖定機(jī)構(gòu)釋放，外齒圈鎖定機(jī)構(gòu)作動(dòng)鎖止齒輪D，此時(shí)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力由齒輪B輸入，由齒輪C輸出。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入輪態(tài)移動(dòng)模式時(shí)，外齒圈鎖定機(jī)構(gòu)釋放，小腿擺動(dòng)鎖定機(jī)構(gòu)作動(dòng)，鎖定小腿位置。由于小腿與齒輪C連接，進(jìn)而齒輪C被鎖止，此時(shí)動(dòng)力由齒輪B輸入，齒輪D輸出。

輸入同步帶傳動(dòng)比 i_in=1：1 ，輸出同步帶傳動(dòng)比 i_out=2：1 ； z_B 與 z_D 分別為齒輪B與齒輪D的齒數(shù)，且滿 足 z_B：z_D=1：2 。根據(jù)式（1）可計(jì)算出，驅(qū)動(dòng)小腿時(shí)的傳 動(dòng)比 i_leg=3：1 ，驅(qū)動(dòng)足端輪的傳動(dòng)比 i_wheel=1：1 ○

1.4懸架裝置設(shè)計(jì)

輪態(tài)移動(dòng)模式時(shí)，大腿電動(dòng)機(jī)模擬彈簧阻尼系統(tǒng)，承擔(dān)與吸收路面顛簸時(shí)的沖擊力。為緩解外界沖擊力對大腿電動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)，基于四連桿運(yùn)動(dòng)原理，提出了一種懸架裝置。圖6為該機(jī)構(gòu)示意圖。該裝置由桿件1、桿件2、三角板3組成平行四連桿機(jī)構(gòu)，通過三角板3將垂直方向受力傳遞給橫置的減振彈簧。

機(jī)器人機(jī)身縱向空間狹窄，不利于布置懸架裝置。因此，通過平行四連桿機(jī)構(gòu)將垂直受力轉(zhuǎn)變?yōu)樗绞芰Α８鶕?jù)圖6，對其中承擔(dān)力矢量方向轉(zhuǎn)變的三角板3進(jìn)行靜力學(xué)分析，以三角板旋轉(zhuǎn)軸為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系 ，如圖7所示。

根據(jù)靜力平衡條件，對 o 點(diǎn)取矩，可得地面沖擊力 F₁ 與彈簧支撐力 F₂ 之間的關(guān)系為

F₁?∣l_os∣?cosα=F₂?∣l_oB∣?cosβ

式中， α 為力 F₁ 與桿件 OA 垂直方向的夾角； β 為力F₂ 與桿件 BC 垂直方向的夾角。

在懸架裝置運(yùn)動(dòng)過程中，桿件1處于水平位置，即 α=0 時(shí)，地面沖擊力將全部通過四連桿傳遞給減振彈簧。故將此時(shí)刻作為研究對象，討論三角板夾角 γ 與鄰邊長度 |l_OA| 、 |l_oB| 對懸架裝置控制的影響。為簡便計(jì)算與設(shè)計(jì)，取 |l_o，i|=|l_oB| ，同時(shí)將 F₂ 用胡克定律展開。整理式（2）可得

F₁=kcosβ?Δx

式中， Δx 為彈簧伸長長度； k 為彈簧勁度系數(shù)。

由式（3）可知地面沖擊力 F₁ 在經(jīng)過懸架裝置變換后與減振彈簧之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。為便于控制，力 F₁ 應(yīng)與彈簧伸長量 Δx 盡可能滿足胡克定律，即 cosβ 的取值盡可能接近1。為獲取 cosβ 與 |l_oA|. γ 的關(guān)系，由幾何關(guān)系將向量 l_oB 、 l_cB 分別表示為

式中， （m，n） 為點(diǎn) C 在坐標(biāo)系 中的坐標(biāo)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求， m=98mm ， n=24mm 。

因此， cosβ 可進(jìn)一步表示為

將式（4）代入式（5），整理可得

繪制式（6）函數(shù)的等高線圖，如圖8所示。圖8展示了在懸架裝置處于水平位置時(shí)刻，三角板不同夾角γ 與 |l_oA| 的組合對 cosβ 的影響。根據(jù)上文所述，該時(shí)刻 cosβ 取值應(yīng)盡可能接近1。故取0.98等高線確定Y、 |l_oA| 的取值范圍，并對圖示中上、下等高線進(jìn)行線性擬合，分別作為約束函數(shù) f_upper（x） 、 f_lower（x） 。

懸架裝置工作時(shí)，式（4）可添加轉(zhuǎn)角 α ，故式（6）可表示為

根據(jù)設(shè)計(jì)要求， α 行程取 -20^°～20^° ， γ 范圍取95^°～120^° ， ∣l_oA∣ 范圍取 40～120mm 。1階系統(tǒng)對于控制較為友好，因此， cosβ 在懸架裝置運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)盡可能線性變化。皮爾遜相關(guān)系數(shù)可以作為線性程度的考量依據(jù)。為了便于皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計(jì)算，可將式（7）基于 α 的值等值離散成 η 份。受加工精度限制， γ 與 |l_OA| 的取值應(yīng)分別按最小分度值 1^° 、 1mm 進(jìn)行離散化。

綜上， γ 與 |l_oA| 最優(yōu)取值問題可表述為

通過求解式（8）可得，當(dāng) γ=118^° 、 時(shí)，皮爾遜相關(guān)系數(shù) r=0.938 為最大。

2輪腿式機(jī)器人控制策略

2.1 有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的輪腿式機(jī)器人通過在輪態(tài)移動(dòng)模式與步態(tài)移動(dòng)模式間的切換，可實(shí)現(xiàn)更高效率的巡檢工作。為實(shí)現(xiàn)不同移動(dòng)狀態(tài)間的切換，以及同一移動(dòng)狀態(tài)內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，基于有限狀態(tài)機(jī)提出一種輪腿式機(jī)器人控制策略，狀態(tài)切換原理如圖9所示。

本文設(shè)計(jì)的有限狀態(tài)機(jī)分為輪態(tài)與步態(tài)兩大類，不同事件觸發(fā)對應(yīng)的移動(dòng)狀態(tài)，以求更好地適應(yīng)不同工況。行走步態(tài)、越障步態(tài)和輪態(tài)三者之間可互相切換。面對結(jié)構(gòu)化路面時(shí)，使用輪態(tài)提高機(jī)器人移動(dòng)效率；面對非結(jié)構(gòu)化路面時(shí)，選取行走步態(tài)用以提高通行能力；面對諸如臺階等較高障礙物時(shí)，使用越障步態(tài)通過。

2.2 步態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

巡檢任務(wù)對機(jī)器人穩(wěn)定性的要求大于對運(yùn)動(dòng)速度的要求。為追求更好的穩(wěn)定效果，本文設(shè)計(jì)的輪腿式機(jī)器人步態(tài)采用靜步方式移動(dòng)。輪腿式機(jī)器人腿部由多個(gè)關(guān)節(jié)和多個(gè)連桿共同組成，求解足端與大腿根部變換關(guān)系是控制實(shí)施的必要過程。本文基于D-H法對機(jī)器人腿部進(jìn)行建模，如圖10所示。

以左前腿為例，依據(jù)D-H規(guī)則，定義大腿關(guān)節(jié)為坐標(biāo)系 ，膝關(guān)節(jié)為坐標(biāo)系 ，足端為坐標(biāo)系 。根據(jù)式（9）可得在坐標(biāo)系{1}中，足端位置 （x 與各關(guān)節(jié)繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)角度 θ_i 之間的關(guān)系。為了簡化表達(dá)，后文中 sinθ_i 簡寫為 s_i ，cos θ_i 簡寫為 c_i ， sin（θ_i+ θ_j） 簡寫為 s_ij ， cos（θ_i+θ_j） 簡寫為 c_ij^° 其中，下角標(biāo)數(shù)字表示圖10中關(guān)節(jié)1＼～關(guān)節(jié)3的坐標(biāo)系編號。

根據(jù)式（9），可進(jìn)一步推導(dǎo)機(jī)器人腿部運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，如式（10）所示。其中， 為坐標(biāo)系{1}下足端坐標(biāo)。

2.3步態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

輪腿式機(jī)器人擺動(dòng)相運(yùn)動(dòng)過程中，動(dòng)力切換裝置與足端輪的質(zhì)量是不可忽略的。為了提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性，需要對擺動(dòng)相進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模。本文使用拉格朗日法對關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行求解。關(guān)節(jié)力矩可表述為

式中， L 為拉格朗日函數(shù)，可展開為

式中， E 為動(dòng)能； Ω_u 為勢能。

本文輪腿式機(jī)器人大腿質(zhì)量主要集中在膝關(guān)節(jié)動(dòng)力切換裝置處，小腿質(zhì)量主要集中在足端輪處。為方便求解，機(jī)器人腿部質(zhì)量分布可由膝關(guān)節(jié)與足端處質(zhì)量近似替代，因此，各關(guān)節(jié)傳動(dòng)慣量為0。式（12）中動(dòng)能與勢能可由式（13）推出，其中， （x_i y_i） 為各關(guān)節(jié)在坐標(biāo)系{1}中的坐標(biāo)，由式（9）正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解得出

式中， g 為重力加速度； h（θ） 為重心位置與旋轉(zhuǎn)角 θ 的關(guān)系式。

將式（13）代入式（11）進(jìn)行微分計(jì)算，整理可得關(guān)節(jié)力矩表達(dá)式為

2.4基于支撐三角形的穩(wěn)定策略

機(jī)器人以靜步步態(tài)行走時(shí)，任意時(shí)刻均有3條腿處于支撐狀態(tài)。各足端位置構(gòu)成支撐三角形，質(zhì)心投影位于支撐三角形內(nèi)，則認(rèn)為機(jī)器人處于穩(wěn)定可控的狀態(tài)[18]。機(jī)器人行走過程中，質(zhì)心投影位置相較于支撐三角形時(shí)刻變化，變化過程中，投影位置有可能會(huì)超出支撐多邊形區(qū)域，從而導(dǎo)致機(jī)器人失穩(wěn)甚至傾覆。為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，本文提出了一種基于支撐三角形的穩(wěn)定策略，通過調(diào)節(jié)各腿支撐高度來改變機(jī)身俯仰與橫滾角度，使質(zhì)心投影盡可能落于支撐多邊形內(nèi)。

在機(jī)器人靜步運(yùn)行的任意時(shí)刻，支撐三角形與機(jī)身平面可視為移動(dòng)平臺與基座的關(guān)系。為便于理解與計(jì)算，將機(jī)器人傾覆放置，如圖11所示。支撐三角形與機(jī)身平面連接方式可視為長度可變的撐桿。

圖11中，以機(jī)身幾何中心為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系 ；以單側(cè)足端連線中點(diǎn)為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系 。坐標(biāo)系 下足端坐標(biāo)為

p_i^A=T_pitchT_rollp_i^A′+A^′

式中， T_pitch 與 T_roll 為俯仰角與橫滾角的旋轉(zhuǎn)變換矩陣；A^′ 為坐標(biāo)系 原點(diǎn)在坐標(biāo)系 下的坐標(biāo)。

坐標(biāo)系 中，質(zhì)心 M 的 X-Y 面內(nèi)坐標(biāo)為 ；經(jīng)過俯仰與橫滾旋轉(zhuǎn)后，質(zhì)心M投影點(diǎn) M^′ 的 X-Y 面內(nèi)坐標(biāo)為 [x_M（1-cosθ_p） ， y_y（1-cosθ_r）] ，其中， θ_p 為俯仰角， θ_r 為橫滾角。在機(jī)器人移動(dòng)過程中，使 M^′ 位于支撐三角形中即可提高機(jī)器人的穩(wěn)定性，根據(jù) M^′ 點(diǎn)始終位于 p₁^′p₂^′， PiP' p₂^′p₃^′ 三條直線內(nèi)的幾何關(guān)系，易得此時(shí)的俯仰與橫滾角度。

更新后的腿部高度尺寸為

結(jié)合式（10）運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，即可通過俯仰、橫滾角度的微調(diào)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人質(zhì)心投影落于支撐三角形中。

3仿真與驗(yàn)證

3.1仿真模型搭建

本文基于Adams與Simulink聯(lián)合仿真平臺，對懸架裝置進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真模型如圖12所示。

機(jī)器人步態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真基于WebotsR2023b進(jìn)行。為了提高仿真器求解速度，仿真模型僅保留運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，仿真模型如圖13所示。其中，各零件慣性張量矩陣可由SolidWorks計(jì)算并導(dǎo)入仿真系統(tǒng)。

仿真工況設(shè)置有碎石路面工況和臺階工況。其中，碎石路面模擬巡檢工況中非結(jié)構(gòu)化路面；臺階模擬巡檢工況中常見的規(guī)則障礙物，臺階參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB50352—2019[9]，設(shè)定高為 150mm ，長為280mm 。

3.2懸架裝置對關(guān)節(jié)力矩的影響驗(yàn)證

為便于對比研究，通過施加可控的脈沖響應(yīng)來模擬機(jī)器人輪態(tài)運(yùn)行時(shí)路面的沖擊力。 0s ，關(guān)節(jié)開始收縮，進(jìn)入輪態(tài)模式；5s開始施加外部沖擊力。在外部沖擊力作用下，懸架裝置彈簧減振支點(diǎn)處的擺動(dòng)角度變化情況如圖14所示。其中，最大擺幅為 3.89^° ，其對應(yīng)余弦值為0.998，滿足圖8所示最優(yōu)區(qū)域。

圖15為懸架裝置使能與失能不同狀態(tài)下，相同控制參數(shù)的大腿電動(dòng)機(jī)力矩曲線圖。從圖15可以看出，懸架裝置失能時(shí)，峰值力矩超出電動(dòng)機(jī)額定力矩，并伴隨振蕩加劇的現(xiàn)象；而懸架裝置使能后，雖然需要提供額外克服懸架裝置預(yù)緊力的力矩，但在沖擊時(shí)能有效降低電動(dòng)機(jī)峰值力矩，使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的運(yùn)行效果。

3.3步態(tài)運(yùn)動(dòng)驗(yàn)證

根據(jù)第2.2＼～2.4節(jié)所述制定機(jī)器人步態(tài)運(yùn)動(dòng)模式控制器，圖16為控制框圖。

擺動(dòng)相足端軌跡采用零沖擊擺線軌跡，其數(shù)學(xué)表達(dá)分別如式（17）、式（18）所示[20]。其中， T_m 為擺動(dòng)相運(yùn)動(dòng)周期； s 為步長； H 為步高。該運(yùn)動(dòng)軌跡具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、加速度連續(xù)平滑的特點(diǎn)。

機(jī)器人在面對碎石路面仿真工況時(shí)，其 Z 方向位移曲線如圖17所示。

由圖17可知，基于本文設(shè)計(jì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)，步態(tài)移動(dòng)策略與穩(wěn)定控制策略可以正確執(zhí)行，并通過碎石路面。在同一路徑上，穩(wěn)定策略失能情況下出現(xiàn)了傾覆現(xiàn)象，證明了穩(wěn)定策略的有效性。

機(jī)器人面對臺階等障礙物時(shí)，通過有限狀態(tài)機(jī)改變步幅、步高與落足順序，可實(shí)現(xiàn)越障動(dòng)作。調(diào)整后靜步步態(tài)落足順序如圖18所示，具體為右前腿擺動(dòng)一左前腿擺動(dòng)一機(jī)身前移一右后腿擺動(dòng)一左后腿擺動(dòng)一新一輪右前腿擺動(dòng)，如此往復(fù)。

4總結(jié)

面向電廠巡檢工況，設(shè)計(jì)了一種輪腿式巡檢機(jī)器人。該機(jī)器人設(shè)計(jì)有動(dòng)力切換裝置，使足端輪與小腿復(fù)用同一關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)，可達(dá)到減少電動(dòng)機(jī)數(shù)量、降低能耗的目的；同時(shí)，機(jī)器人設(shè)計(jì)有懸架裝置，通過尺寸優(yōu)化，使垂直方向的力盡可能線性地傳導(dǎo)至水平方向；并通過Adams和Simulink聯(lián)合仿真，對懸架裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，懸架裝置可以有效地降低關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)的峰值力矩。

為了提高機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性，對機(jī)器人腿部位置布局進(jìn)行了優(yōu)化。非對稱設(shè)計(jì)使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)心投影盡可能位于支撐三角形內(nèi)；同時(shí)，提出一種基于支撐多邊形的穩(wěn)定控制策略，主動(dòng)改變機(jī)身俯仰與橫滾角，使質(zhì)心投影位于支撐三角形內(nèi)，以提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性；最后，基于Webots對步態(tài)下機(jī)器人非結(jié)構(gòu)化路面行走與越障進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，非對稱腿部布局與基于支撐三角形的穩(wěn)定控制策略可以使機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化路面進(jìn)行行走且具備一定的越障能力，可以滿足電廠的巡檢任務(wù)要求。

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Design and simulation of a wheeled-legged power plant inspection robot

DENG YangtaiWU Binghui （Collge ofEnergy and Mechanical Engineering，Shanghai UniversityofElectric Power，Shanghai 2Ol306，China）

Abstract：[Objective]For theinspectionof power plants，a novel wheeled-legged inspection robot wasproposed， integratingthecharacteristicsofwheledandleggedrobots.[Methods]Firstly，akneejointpowerswitchingdevicewas designed toimprovethereusabilityofmotors.Secondly，thesuspensionoftherobotwasdesignedandsimulated，demonstrating thatthisdesigncanreducethepeak torqueofthethigh joint motor.Finaly，toenhancethestabilityoftherobotmotion，an asymmetric leglayout scheme andastabilitycontrol strategy basedonsupporting polygons were proposed.[Results] Validation throughWebotsdemonstratestherobot’scapabilityinwalkingonunstructuredsurfacesandovercomingobstacles，meting the requirements of inspection tasks.

Key Words：Wheeled-legged robot; Structural design; Size optimization; Stability control strateg