輪腿式機器人的設計與運動仿真①

鄭春雷， 殷寶麟， 楊錫軍， 潘瑞冬， 朱振權(quán)， 李憲芝,,*

(1.佳木斯大學機械工程學院 ，黑龍江 佳木斯 154007；2.營口理工學院機械與動力工程學院，遼寧 營口 115014)

0 引 言

隨著科技的飛速發(fā)展，人類在生產(chǎn)生活中對機器人的要求越來越高，各種各樣的機器人也隨之問世。一些機器人被應用在一些高危或者過度繁重的工作之中，比如，災區(qū)救援、太空探險等等。目前的移動機器人可以簡單的分為輪式、履式、腿式等，單一形式的機器人的缺點比較明顯，在面對一些突發(fā)情況時，很難滿足人們需求。因此，輪腿復合機器人和輪履復合機器人成為研究熱點。其中，輪腿機器人綜合了輪式機器人和腿式機器人的優(yōu)點，其既擁有輪式機器人在光滑路面上快速移動的特點，又擁有腿式機器人在崎嶇路面上較強的越障能力，可以適應更為復雜的路面情況。目前，對于輪腿復合機器人的研究，國內(nèi)外科學家有許多研究成果。1970年前蘇聯(lián)設計的第一輛月球車Lunokhod1是人類投放外星球的第一輛月球車，也是最早的輪腿機器人。紐約州立大學自主研發(fā)的輪腿串聯(lián)式機器人，機器人一共有六條腿，每條腿的末端與輪連接，腿與腿之間通過鉸鏈連接。四條腿呈左右對稱分布，前后分別有一條腿，越障時主要依靠前腿來提供越障的動力[1]。瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學2018年研發(fā)的四足輪腿式機器人，該機器人具有爬行、跳躍、以及在斜面上運動等功能[2]。國內(nèi)對輪腿機器人的研發(fā)起步相對較晚，但是經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展我國對輪腿機器人取得了很多重大的成果。丁希侖等提出了一種變結(jié)構(gòu)的輪腿機器人，該機器人腿部具有三個自由度，配合可以變寬變窄的車身可以有多重運動模式，這類機器人的靈活性較強[3]。重慶大學的Rolling-Wolf輪腿機器人，四個輪腿呈對稱分布，通過大腿上的滾珠絲杠控制腿的運動，具有高承載的特性，而且具有較好的穩(wěn)定性[4-5]。北京航空航天大學的秦日鵬等提出了一系列的六足輪腿機器人，該系列機器人的輪均安裝在機器人的膝關節(jié)處，通過機器人小腿的變形來達到模式切換的目的[6]。

1 輪腿式機器人總體設計方案

機器人為腿部結(jié)構(gòu)相同的四足輪腿式機器人，輪腿式機器人布置方案見圖1所示。該機器人由機架以及四條腿組成，輪子安裝在機器人的腿上，可以通過腿部機構(gòu)的變化在輪式和腿式間自由轉(zhuǎn)換?？傮w結(jié)構(gòu)示意圖見圖2所示，主要由車架、伺服電機、直流電機、大腿、同步帶傳動、車輪等組成。輪腿式行走機器人的驅(qū)動系統(tǒng)采用直流伺服電機。因為輪子的電機是安裝在機器人車架上，所以需要通過同步帶給輪子傳遞動力，所以在伺服電機和大腿中間裝了一個同步輪軸。同步輪軸上有一個雙聯(lián)輪可以將電機傳遞來的動力傳遞給輪子。

2 腿部機構(gòu)設計及輪腿轉(zhuǎn)換方式確定

為了方便規(guī)劃機器人的運動軌跡，保證運動的穩(wěn)定性，輪腿式機器人腿部機構(gòu)構(gòu)型主要采用的是四條結(jié)構(gòu)相同的腿。

2.1 腿部機構(gòu)設計

輪腿式機器人采用自由度為2的五桿機構(gòu)作為機器人的腿部結(jié)構(gòu)。機器人每條腿與機架形成了一個五桿并聯(lián)機構(gòu)，見圖3所示。機器人的小腿以串聯(lián)的形式與機器人的大腿相連接，提高了機器人腿部的運動空間。輪子的安裝位置對于輪腿式機器人性能有很大的影響，為了減小機器人行走時輪子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)慣量，將輪子安裝在主動件延伸出的支鏈上，電機通過同步帶給輪子傳遞動力，見圖2、圖3所示。腿部機構(gòu)采用的五桿腿部機構(gòu)具有兩個自由度，可以完成機器人抬腿、邁步等動作，而且機器人行走的時候腿部機構(gòu)的重量是由兩個驅(qū)動系統(tǒng)分擔，腿部機構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)均安裝在車架上，減小了機器人運動時的旋轉(zhuǎn)慣量。

2.2 輪腿轉(zhuǎn)換形式

在規(guī)則路面時，機器人以輪式模式移動，當遇到輪式模式難以越過的障礙物時，機器人便需要通過模式的轉(zhuǎn)換由輪式模式轉(zhuǎn)換為腿式模式提高機器人的越障能力。

如圖4所示，輪腿轉(zhuǎn)換方式是通過腿部機構(gòu)的驅(qū)動系統(tǒng)帶動腿部機構(gòu)的位置上升，令之前在上方的輪子的位置下降完成輪式和腿式的轉(zhuǎn)換。而且使五桿機構(gòu)中的三個桿件重合，此時五桿機構(gòu)變?yōu)槿龡U機構(gòu)，自由度變?yōu)榱悖职惭b一個電磁機構(gòu)增加了輪式狀態(tài)的穩(wěn)定性。機器人輪腿轉(zhuǎn)換不需要添加額外的機構(gòu)以及驅(qū)動，以腿部驅(qū)動帶動腿部和輪子旋轉(zhuǎn)，令腿部機構(gòu)懸空輪子著地來實現(xiàn)模式的轉(zhuǎn)換。

2.3 輪腿式機器人轉(zhuǎn)彎方式

因為輪式機器人具有更高的移動速度和能源利用率，所以輪腿式行走機器人在工作中，大多數(shù)時間是處于輪式狀態(tài)，只有在遇到輪式模式難以通過的地形，才會轉(zhuǎn)換為腿式模式移動。如果給腿部添加了過多的功能，不但會導致機器人自身重量增加影響續(xù)航，而且會增加機器人的生產(chǎn)和維護成本，所以該機器人只在輪式模式下具備轉(zhuǎn)彎的能力。

采用麥克納姆輪作為輪腿式機器人的驅(qū)動輪，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。麥克納姆輪是一種可以全方位移動的全向輪，有輪轂和與輪轂軸線成45°夾角的輥子組成。相較于普通輪，麥克納姆輪的越障能力較差，但是輪腿式機器人腿式結(jié)構(gòu)可以彌補其越障能力較弱的缺點。為了進一步的優(yōu)化機器人腿部機構(gòu)的性能，提高其續(xù)航能力，輪腿式機器人腿部模式下不能左右移動和轉(zhuǎn)彎，導致輪腿式機器人在狹小空間的表現(xiàn)較差。而麥克納姆輪恰好能與腿式模式下的機器人互相配合，即能擁有較多的功能也保證了機器人擁有更輕的自重，提升了其性能與續(xù)航能力。

3 輪腿式機器人三維建模及運動仿真

利用三維建模軟件SolidWorks對輪腿式機器人進行三維建模及裝配，三維虛擬裝配模型見圖5所示。然后，對機構(gòu)進行運動仿真，檢查整體設計運動狀態(tài)是否合適，是否存在運動干涉情況。

將三維模型導入Adams，重新定義各個運動副的約束，經(jīng)過運動仿真分析，得到運動構(gòu)件的位移、速度及加速度變化規(guī)律，修改設計參數(shù)，促進機構(gòu)的優(yōu)化設計。位移、速度及加速度運動線圖見圖6所示。根據(jù)線圖可知，腿部行走運動平穩(wěn)無波動，變化連續(xù)無沖擊。

4 結(jié) 語

以災區(qū)救援、軍事偵查等為研究背景設計了一種輪腿式機器人。完成了輪腿式機器人總體的方案設計，并且通過分析現(xiàn)有機器人的特點進行了輪腿式機器人腿部機構(gòu)的設計，以及輪腿轉(zhuǎn)換方式的確定。同時選擇了機器人的車輪結(jié)構(gòu)，確定了機器人的轉(zhuǎn)彎方式。應用三維建模軟件建立了機器人的三維模型，并進行運動仿真，應用運動分析軟件進行運動分析，得到分析結(jié)果。所設計的輪腿式機器人能實現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)彎、輪腿之間的轉(zhuǎn)換等功能要求。