基于仿生學(xué)的四足行走機(jī)構(gòu)

王 宇，范欽鈺，趙亞東，蔡 冬，趙寧寧

（吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025）

近年來，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化，機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于工廠的各個(gè)生產(chǎn)過程，而那些人力所限的外部環(huán)境或危險(xiǎn)場(chǎng)所，將是機(jī)器人進(jìn)一步發(fā)展的領(lǐng)域。

移動(dòng)機(jī)器人中輪式或履帶式移動(dòng)方式已獲得廣泛的應(yīng)用，但也存在很多制約，輪腿移動(dòng)方式具有輪式和履帶式移動(dòng)方式所沒有的優(yōu)點(diǎn)，例如輪腿移動(dòng)方式的機(jī)器人可以相對(duì)容易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等），并且機(jī)器人的腿型機(jī)構(gòu)所具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凹凸不平的地形的適應(yīng)能力相對(duì)輪式或履帶式機(jī)器人而言更強(qiáng).輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟地面的接觸面積較小，可以在地面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，也能夠行走自如，因此，當(dāng)輪腿移動(dòng)式機(jī)器結(jié)構(gòu)配備相應(yīng)的傳感器和作業(yè)裝置時(shí)，可用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的許多方面（核工業(yè)中的管道裂縫檢測(cè)、工農(nóng)業(yè)設(shè)備的探測(cè)，檢修和危險(xiǎn)環(huán)境的救援等等）[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)此類仿生機(jī)械結(jié)構(gòu)的研究較少，國(guó)外雖有相關(guān)研究，但輪腿結(jié)構(gòu)仍存在一定問題，尤其是當(dāng)機(jī)械結(jié)構(gòu)或負(fù)重增加時(shí)，行走能力將大打折扣，因此機(jī)械平臺(tái)的選擇、輪腿結(jié)構(gòu)的確立、越障高度的測(cè)量以及不同地形的適應(yīng)性成為研究的重點(diǎn)。

1 開發(fā)流程

所開發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

圖1 開發(fā)流程Fig.1 Development process

1.1 機(jī)械平臺(tái)結(jié)構(gòu)的確立

機(jī)械平臺(tái)結(jié)構(gòu)是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，為此，曾測(cè)試過4種不同的機(jī)械平臺(tái)并摸索出了最優(yōu)的平臺(tái)設(shè)計(jì)。

1.1.1 雙電機(jī)兩驅(qū)機(jī)械平臺(tái)

采用雙電機(jī)的模式，如圖2中（a）所示兩個(gè)電機(jī)各自帶動(dòng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，另外兩輪不提供動(dòng)力，質(zhì)量為0.23 kg，具備扭矩小的特點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕，可實(shí)現(xiàn)電子控制等，但其兩個(gè)輪驅(qū)動(dòng)的模式導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)力明顯不足，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)，并且，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪均采用開環(huán)控制，速度不等，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)干涉現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而無法控制運(yùn)動(dòng)方向。

1.1.2 雙電機(jī)四驅(qū)機(jī)械平臺(tái)

圖2中（b）為雙電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)，其質(zhì)量為0.32 kg，傳動(dòng)比為8:1，金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，雖然解決了兩輪驅(qū)動(dòng)動(dòng)力不足的缺點(diǎn)，但仍然存在電機(jī)速度不同，運(yùn)動(dòng)干涉，車體難保證走直線等問題，且因扭矩過大，齒輪強(qiáng)度不足，很容易出現(xiàn)打齒的現(xiàn)象。

1.1.3 單電機(jī)四驅(qū)簡(jiǎn)易機(jī)械平臺(tái)

單電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)模式如圖2中（c）所示，質(zhì)量?jī)H為0.11 kg，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)10 000 r/min以上，傳動(dòng)比5:1，雖然克服了運(yùn)動(dòng)干涉的缺點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)易，電機(jī)動(dòng)力差，傳動(dòng)比低也導(dǎo)致扭矩過小，放置于地面時(shí)無法運(yùn)轉(zhuǎn)起來[2]。

1.1.4 基于飛思卡爾的機(jī)械平臺(tái)

為解決上代機(jī)械結(jié)構(gòu)的種種問題，我們采用了制造精密的飛思卡爾智能車機(jī)械平臺(tái)。如圖2中（d）所示。

圖2 曾經(jīng)考慮過的機(jī)構(gòu)平臺(tái)Fig.2 Considered the institutional platform

1.2 機(jī)械平臺(tái)及其配件的選配

1.2.1 電機(jī)個(gè)數(shù)選擇

以往腿式機(jī)器人大多需要多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)以提供足夠的動(dòng)力，但經(jīng)實(shí)驗(yàn)和資料得到的結(jié)論是：對(duì)于小型機(jī)器人來說，單電機(jī)優(yōu)勢(shì)更明顯。單電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)，避免產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，防止出現(xiàn)不走直線的現(xiàn)象，而且具備重量輕，控制方便，效率高等優(yōu)勢(shì)。

1.2.2 底盤的結(jié)構(gòu)

采用碳纖維底盤，既輕又結(jié)實(shí)，驅(qū)動(dòng)軸處采用軸承減小阻力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成方便拆卸的，可以更容易地拆卸和更換輪腿，能降低結(jié)構(gòu)的重心以防止側(cè)翻的發(fā)生[3]。

1.2.3 電機(jī)，電池的布局

電機(jī)位于構(gòu)架的中心位置，驅(qū)動(dòng)4軸，6節(jié)電池分為兩組，分置結(jié)構(gòu)兩側(cè)，達(dá)到平衡，且電池的位置在中心靠前處以前移中心，提升越障能力。如重心在后會(huì)出現(xiàn)前輪越過障礙，整個(gè)平臺(tái)翹起，前輪與地面不接觸，喪失驅(qū)動(dòng)能力的現(xiàn)象。

1.2.4 懸架的調(diào)教

懸架的剛度調(diào)教需要既不太軟又不太硬。太軟會(huì)導(dǎo)致在行走過程中由于顛簸造成結(jié)構(gòu)底盤觸及地面，太硬又會(huì)無法適應(yīng)地面的復(fù)雜情況造成顛簸甚至側(cè)傾，且對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊大，造成結(jié)構(gòu)的損壞。

1.2.5 差速器的鎖死

原結(jié)構(gòu)的差速器對(duì)于現(xiàn)有的控制是一個(gè)阻礙，輪腿式結(jié)構(gòu)導(dǎo)致行駛阻力大，差速器會(huì)使動(dòng)力散失，無法實(shí)現(xiàn)越障的功能，因而對(duì)其進(jìn)行了改造，通過去除差速器中的行星輪并注入熱熔膠消除了差速，使其在行走過程中不再出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，同時(shí)動(dòng)力能夠均勻地分配到4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上。

1.2.6 輪軸與輪腿結(jié)構(gòu)的裝配

由于輪腿式結(jié)構(gòu)在行走過程中與地面的接觸是非連續(xù)的，與傳統(tǒng)輪式結(jié)構(gòu)相比阻力要大許多，因而為防止輪腿與輪軸之間的打滑，采用螺母與防松墊片相配合的方法，防止了相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生，確保了動(dòng)力的傳遞。

1.3 輪腿結(jié)構(gòu)的選擇

1.3.1 仿生原理

現(xiàn)行的小機(jī)器人受限于動(dòng)力不足，質(zhì)量過大，輪胎過小及其他外部條件的制約，而昆蟲（蟑螂）面臨相同的情況卻很好的適應(yīng)了環(huán)境。因此，昆蟲（蟑螂）提供了設(shè)計(jì)的靈感[4]?，F(xiàn)在車輛的車輪是連續(xù)接觸的，越障能力有限，而設(shè)計(jì)的輪腿是非連續(xù)性接觸，越障能力更突出。蟑螂是仿生源，它有3對(duì)腳，經(jīng)觀察，蟑螂始終保持身體一側(cè)的前后腿與身體另一側(cè)的中間腿步態(tài)一致，但因六支腳的設(shè)計(jì)過于復(fù)雜，采用四輪設(shè)計(jì)，模擬到小車上就是斜對(duì)側(cè)輪腿的相位不同。斜對(duì)側(cè)的輪腿相位相差60°[5]。同一時(shí)間至少有兩只腳與地面接觸，確保了車身的穩(wěn)定性。但后期的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3個(gè)腿的設(shè)計(jì)因步幅過大，會(huì)出現(xiàn)輪腿卡死在地面上的現(xiàn)象，于是，我們選擇了每個(gè)輪上6個(gè)腿的設(shè)計(jì)，既保證了越障能力，又最大化地減小了行駛阻力。

圖3 輪腿結(jié)構(gòu)理論分析Fig.3 Theoretical analysis of the wheel legs

1.3.2 單個(gè)輪腿的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)輪腿與地面的接觸角度很重要且腳是平的好，因?yàn)槟Σ亮Υ骩6]。另外，為進(jìn)一步增大摩擦力，在輪腿與地面的接觸部分套上了熱縮管。輪腿與地面的接觸時(shí)間越長(zhǎng)越好，因?yàn)檫@樣可以提高小車的穩(wěn)定性及更好地利用電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。另一方面，腳與腳的跨度越大，越障能力越強(qiáng)[7]。綜合上述兩因素，結(jié)合實(shí)驗(yàn)，確定了最佳的輪腿設(shè)計(jì)。

彎曲的結(jié)構(gòu)能夠吸收沖擊，輪腿彎曲的方向很重要，之前曾采用向后彎的設(shè)計(jì)但發(fā)現(xiàn)其容易出現(xiàn)被越過的障礙纏住的可能性，所以保留了現(xiàn)在向前彎的設(shè)計(jì)，這類似于人行走的方式。

1.3.3 輪腿的布置

在設(shè)計(jì)的過程中，曾試驗(yàn)過多種輪腿[8]。

1.3.4 塑料切割式輪腿（如圖4（a））

此類輪腿越障能力強(qiáng)且與地面摩擦力大，但所用的工程塑料較薄。將自制的各種輪腿固定在車軸上存在很多困難。首先，為減小重量自制的輪腿普遍較薄，無論是瓶蓋，金屬板還是塑料板，厚度都不超過5 mm，插在車軸上很容易發(fā)生側(cè)傾，尤其是在負(fù)重之后，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低，易損壞，而采用厚塑料又會(huì)造成質(zhì)量過重。其次，過薄的輪腿容易與輪軸發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，尤其是對(duì)于輪腿結(jié)構(gòu)，其承受很大的扭矩。雖然曾嘗試過涂膠水等方法，但效果始終不明顯。最后設(shè)計(jì)出輪轂+輪腿的結(jié)構(gòu)。

購(gòu)買的模型車的輪轂上有6根輻條，通過在輻條之間插入塑料螺釘，再將螺釘旋入塑料板，并用螺母緊固的方法可以很好地解決輪腿與輪軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)問題。

由于螺絲都是標(biāo)準(zhǔn)件，旋向相同，所以存在著一側(cè)越旋越緊另一側(cè)越旋越松的問題，通過在越旋越松的輪轂外側(cè)附加螺母的方法可以很好地解決這個(gè)問題。為增大摩擦力，在塑料輪腿的外側(cè)包上了橡膠管，經(jīng)試驗(yàn)，這種相對(duì)簡(jiǎn)單的方法能很好地防止輪腿打滑。

1.3.5 鋁片拼接式輪腿（如圖4（b））

以金屬鋁片為材料，將其剪裁成三角形，并在3個(gè)頂點(diǎn)開槽，與另外開槽的條形鋁片相拼接，并用熱熔膠加以固定，且在著地處貼上飛思卡爾智能車的輪胎橡膠以增大摩擦力。

1.3.6 螺釘式輪腿（如圖 4（c、d、e、f））

以飲料瓶改為基體，在蓋子的四周對(duì)稱地打6個(gè)孔，配以長(zhǎng)度為6 cm的螺釘，用螺母鎖緊，前端彎曲，并套上熱縮管以增加摩擦系數(shù)。

圖4 各式輪腿Fig.4 Different kind of wheel legs

2 輪腿實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)不同輪腿的越障能力進(jìn)行比較，確定最好輪腿設(shè)計(jì)。

2.1 越障能力的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

1.）快；2）高效；3）穩(wěn)定；4）行駛阻力（即所需的驅(qū)動(dòng)力）??；5）能越過高的障礙[9]。

2.2 試驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)過程中，經(jīng)常要更換輪腿來實(shí)驗(yàn)，但機(jī)械平臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)較為復(fù)雜，每次拆卸都十分費(fèi)力，耗時(shí)較長(zhǎng)，且因?yàn)橄到y(tǒng)都是齒輪嚙合，在更換輪腿的過程中，極易損壞齒輪，所以，采用了模擬實(shí)驗(yàn)的方法以減少輪腿在小車上的拆裝次數(shù)。試驗(yàn)方法如下：

所有的輪腿本質(zhì)上可以分為3類

1）由瓶蓋和螺絲釘制成的 （共計(jì)4種：3只直腳，3只彎腳的，6只直腳的，6只彎腳的）

2）由金屬板拼接而成的3）由塑料板切割而成的實(shí)驗(yàn)原理：1，2，3三組各自的機(jī)理相同，因此可以進(jìn)行組內(nèi)的簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)對(duì)比，確定每組的最優(yōu)方案。

自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：將各種輪腿裝在沒有電機(jī)的簡(jiǎn)單四驅(qū)車平臺(tái)上（四輪是通過齒輪與傳動(dòng)軸相互連接的，用以保證輪腿間相互的相位關(guān)系）。

試驗(yàn)方法：在模擬四驅(qū)車平臺(tái)上加上載荷，使其與小車質(zhì)量相同（確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以適用于真實(shí)的車身平臺(tái)），用彈簧測(cè)力計(jì)鉤住實(shí)驗(yàn)車身，換上不同的輪腿[10]，通過彈簧拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)車身，保持近似勻速行駛，記下拖動(dòng)每種輪腿時(shí)的彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)，示數(shù)大則說明該種輪腿的阻力大，不適合越障，否則相反。在每組中分別相互比較以得出最優(yōu)解。

組與組之間通過設(shè)置不同的障礙高度檢測(cè)各種輪腿所能通過的最大高度來確定合適的輪腿結(jié)構(gòu)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)

經(jīng)過大量試驗(yàn)并參照越障能力的參考標(biāo)準(zhǔn)可得出以下結(jié)果，如表1所示。

表1 仿生機(jī)構(gòu)不同輪腿測(cè)試數(shù)據(jù)表Tab.1 Experiment results of different kind of legs

2.4 試驗(yàn)結(jié)論分析

通過實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)可以分析出如下結(jié)論：

1）6腿后彎與3腿后彎的結(jié)構(gòu)違反生物結(jié)構(gòu)特征，易被越過的障礙物絆住，影響通過性，因此不合理。

2）3腿前彎、3腿側(cè)彎的設(shè)計(jì)步幅過大，由于機(jī)械本身質(zhì)量的原因，容易造成輪腿卡死在地面上，行駛阻力過大，易造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)，因此不合理。

3）三角鋁片的設(shè)計(jì)因?yàn)殇X片間是拼接相連的，雖涂有熱熔膠，但結(jié)構(gòu)強(qiáng)度依然達(dá)不到要求，尤其是在越障的情況下，極易損壞，以此不合理。

4）自制的塑料輪腿雖然越障能力突出，但塑料板強(qiáng)度低，易損壞，同樣不合理。

5）6腿側(cè)彎與6腿前彎相比，行駛阻力大，造成動(dòng)力的浪費(fèi)，所以排除。

結(jié)論：經(jīng)考慮各種因素，6腿前彎的結(jié)構(gòu)形式最大限度地滿足了越障的要求，綜合性能突出，是最佳的結(jié)構(gòu)。

3 不同地形適應(yīng)性

越障能力的另一個(gè)體現(xiàn)就是能適應(yīng)各種路面，為模擬自然環(huán)境，在自然界采集了各種路面要素，并搭設(shè)了自己的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[11]，成功的模擬出了6種常見的路面情況。具體方法為：

1）采集自然界的各種路面信息，提取要素。

2）搭建仿真道路。

3）將道路分為若干小段。

4）在每個(gè)小段里設(shè)置不同的道路環(huán)境。

表2 自然界路面要素表Tab.2 Surface elements of nature

圖5 模擬仿真路面Fig.5 Road simulation

使不同的輪腿結(jié)構(gòu)在仿真路面上行走，經(jīng)比較，所設(shè)計(jì)的6腿彎曲式機(jī)械結(jié)構(gòu)通過路面用時(shí)最短，且不受羈絆，能夠很好地適應(yīng)各種路面，通過能力突出，滿足了仿生越障機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用要求。

4 結(jié)束語

給出了一種與以往輪式行走車輛不同的設(shè)計(jì)。采用輪腿式設(shè)計(jì)，通過與地面的非連續(xù)性接觸，實(shí)現(xiàn)了極高越障能力。在設(shè)計(jì)中，創(chuàng)造性地采用了模擬實(shí)驗(yàn)的方法，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，完成了對(duì)不同輪腿的測(cè)試并得出了最優(yōu)解，即六腳彎曲式輪腿設(shè)計(jì)。此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)多種路面均有很好的通過性，且越障能力突出，可以輕松地越過與機(jī)械結(jié)構(gòu)同高的障礙物。

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