具有自適應(yīng)性仿生腿及行走方式可切換式汽車

王棋 劉群

摘要： 高性能移動機器人主要用于災(zāi)難搜救、星球探測、軍事偵察、礦山開采等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，其移動系統(tǒng)可分為輪式、腿式、履帶式以及輪腿結(jié)合式四類。其中，輪腿式機器人不僅具備腿式機器人的高越障性能和對復(fù)雜地形的高適應(yīng)性能，還兼?zhèn)漭喪綑C器人在平整地面上滾動的高速高效性能。具有自適應(yīng)性仿生腿及行走方式可切換式汽車綜合了輪式系統(tǒng)和腿式系統(tǒng)的優(yōu)勢，具備多種運動姿態(tài)，包括滾動、攀爬樓梯等，具有運行平穩(wěn)、帶負載能力強以及越障性能好的優(yōu)點。可作為移動機器人平臺搭載相關(guān)設(shè)備完成星球探測、軍事偵察、掃雷排險等多種工作。

關(guān)鍵詞：仿生退；自適應(yīng)；自切換

中圖分類號： U469.6文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

Abstract： Autonomous robots have many potential applications like farming， exploration，investigation and waste lean-up， based on their well-designed locomotion system.wheel-legged rover is a typical hybrid mobility system， inherits both advantages of wheeled and walking systems， i.e. the high-speed and efficient rolling performance for the first one； and the obstacle clearance performance as well as high adaptability to rough terrains for the second.The self - adaptive bionic legs and the way of walking self-switchable vehicle have many potential applications， including geological investigation，space exploration， military reconnaissance， defense， demining， etc.

Key words： bionic legs；self - adaptive；self-switchable

0.引言

高性能移動機器人主要用于災(zāi)難搜救、星球探測、軍事偵察、礦山開采等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，其移動系統(tǒng)可分為輪式、腿式、履帶式以及輪結(jié)合式四類。其中，輪腿式機器人不僅具備腿式機器人的高越障性能和對復(fù)雜地形的高適應(yīng)性能，還兼?zhèn)漭喪綑C器人在平整地面上滾動的高速高效性能，因而引起了眾多研究者的興趣。智能移動機器人所行駛的路面工況惡劣，需具備靈活避障、越障和自動復(fù)位能力。雖然導(dǎo)航和控制技術(shù)可使機器人的避障能力得以加強，但其機動性和越障性的關(guān)鍵仍取決于自身的移動系統(tǒng)，如：行走機構(gòu)、傳動系統(tǒng)以及驅(qū)動系統(tǒng)等，因此有必要對機器人的移動機構(gòu)和運動特性做進一步探索和研究。

1.存在的問題

（1）現(xiàn)實生活中，輪式車輛面臨過無數(shù)無可奈何的尷尬境地：由于塌方、泥石流、暴雪等出現(xiàn)道路因一些小石塊路障、路面泥濘或積雪使車輪受阻或打滑而不能前行等情況時，傳統(tǒng)輪式汽車在遇到此狀況時變得束手無策，只能等待救援。

（2）履帶式工程車輛有較好的越障能力，但在轉(zhuǎn)場過程中會破壞好路面，不得不用大型平板車裝運，費力費時，機動性不好；而輪式工程車，如輪式起重機、輪式裝載機、輪式水泥泵車、礦用汽車等不會破壞路面，但在施工現(xiàn)場事先未作平整時，因車輪所受阻力大，越障能力差，難于接近施工面。

2.建議

如果在車輛上面安裝一套行走機構(gòu)，利用Hoecken機構(gòu)，根據(jù)仿生學(xué)原理發(fā)明設(shè)計出一套“腿”機構(gòu)，與車輛原有的輪式行進方式進行了有機結(jié)合，共用一套動力驅(qū)動裝置，來驅(qū)動六條腿的前行運動，每條腿又設(shè)置一個電機驅(qū)動的伸縮機構(gòu)調(diào)節(jié)長度，以適應(yīng)高低不同的路面。當(dāng)車遇到凹凸不平的路面或者障礙物時，能夠由輪式驅(qū)動切換為腿式驅(qū)動并將其“腿”伸出來抬高車輛，根據(jù)仿生學(xué)中昆蟲的行走原理，向前跨越障礙，從而實現(xiàn)其越障功能。

（1）將Hoecken機構(gòu)與仿生學(xué)結(jié)合設(shè)計出六腿爬行機構(gòu)，同時僅使用一個電機驅(qū)動六條“腿”的爬行運動，即以簡單的機構(gòu)實現(xiàn)了較為復(fù)雜的運動，而且還降低了腿機構(gòu)在采用兩個以上動力源驅(qū)動時，各動力驅(qū)動協(xié)調(diào)控制的難度，因此，簡化了控制，還獲得了各腿之間良好的運動協(xié)調(diào)性。

（2）使腿機構(gòu)與傳統(tǒng)的車輪進行有機結(jié)合，使車輛的驅(qū)動方式在平坦路面與凹凸路面之間自由切換。當(dāng)行進至不平路面，靠車輪驅(qū)動無法通過時，通過傳感器信號采集和微控制器的分析判斷、控制，仿生腿腿機構(gòu)自動伸出，車輛便會在仿生腿的驅(qū)動下前進，以通過車輪無法行進的路段。

（3）在崎嶇路面，通過“腿”的不同長度伸縮，使整車可以保持水平行進狀態(tài)，對路面具有自適應(yīng)性，能夠應(yīng)對復(fù)雜的路面。

3.總結(jié)

通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，人們在步行車輛方面主要研究的是半步輪、蠕動行進方式、推拉行進方式、輪腿式等仿生步行行進方式。在已研究的腿機構(gòu)中，腿具有多自由度，這不僅需要多個動力源而且控制起來也比較復(fù)雜。針對以上存在的一些不足，本次設(shè)計準(zhǔn)備設(shè)計具有一個自由度的腿機構(gòu)且根據(jù)腿機構(gòu)的運動特性而使用一個動力源驅(qū)動多條腿行進，并在腿上設(shè)計一個伸縮機構(gòu)以使車輛在步行時能自動適應(yīng)凹凸不平路面以盡可能保持車身處于水平狀態(tài)，從而實現(xiàn)少自由度少動力源且能對凹凸不平路面進行自調(diào)平的功能；同時還只采用了一個動力源通過動力切換機構(gòu)來驅(qū)動車輪或腿機構(gòu)，從而使車輛既具有輪式行進方式的速度優(yōu)勢又具有腿式行進方式的越障能力強的特點。

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