移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)

肖佳濤， 雷澤勇， 覃倩倩

（南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南衡陽(yáng) 421001）

0 引言

隨著核工業(yè)的發(fā)展，核應(yīng)急與巡檢機(jī)器人的研究與開(kāi)發(fā)愈發(fā)重要，采用機(jī)器人代替人進(jìn)入核電站開(kāi)展日常監(jiān)測(cè)和維護(hù)工作，具有廣闊的應(yīng)用前景。

移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)搭載并保護(hù)機(jī)器人核心控制部件和功能設(shè)備，受控于控制部件，可以在規(guī)定工作路面上行走，是機(jī)器人的主要機(jī)械系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人底盤(pán)需具有一定的承載能力和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)性能。

移動(dòng)機(jī)器人按行走方式來(lái)分，可分為輪式、履帶式、復(fù)合式。

1 輪式移動(dòng)機(jī)器人

輪式移動(dòng)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)由車輪為主體。輪式的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)最為簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)及控制的設(shè)計(jì)比較方便，承載量大，移動(dòng)的速度快，運(yùn)動(dòng)效率很高，比較靈活，自重較輕。輪式的缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性受路面的情況影響很大，對(duì)于復(fù)雜路面很難通過(guò)[1]。

一般按車輪的數(shù)量可以將輪式移動(dòng)機(jī)器人分為單輪、雙輪、三輪、四輪。不同的車輪數(shù)量，底盤(pán)的結(jié)構(gòu)及移動(dòng)配置有很大的不同。輪子數(shù)量較少的底盤(pán)穩(wěn)定性較差，但靈活性更強(qiáng)，體型會(huì)更小。

1.1 單輪滾動(dòng)機(jī)器人

單輪滾動(dòng)機(jī)器人體積小，摩擦小，靈活性很大，但單輪要保證動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，其穩(wěn)定性不易控制。一般工作于一些較為復(fù)雜、狹小的地形[2]。

實(shí)例：美國(guó)卡內(nèi)基－梅隆大學(xué)研究了“陀螺穩(wěn)定”式單輪機(jī)器人，如圖1所示，左側(cè)為初代設(shè)計(jì)GyroverⅠ，右側(cè)為改進(jìn)設(shè)計(jì)GyroverⅡ。作為一個(gè)偵察機(jī)器人，Gyrover可以利用其超薄體型通過(guò)狹窄的通道進(jìn)行作業(yè)。另一個(gè)潛在的應(yīng)用是作為一個(gè)高速月球車，在氣動(dòng)干擾和低重力的情況下將可以高效、高速滾動(dòng)[3]。

圖1 “陀螺穩(wěn)定”式單輪機(jī)器人（Gyrover)

1.2 雙輪移動(dòng)機(jī)器人

雙輪移動(dòng)機(jī)器人常分為自行車式和雙輪左右對(duì)稱分布式。

自行車式的移動(dòng)機(jī)器人，車型窄長(zhǎng)，是一個(gè)非線性自然不穩(wěn)定的系統(tǒng)，在保證側(cè)向穩(wěn)定性控制問(wèn)題上的研究比較困難。自行車式機(jī)器人主要工作于狹長(zhǎng)、平穩(wěn)的路面上，其越障能力很差[4]。

實(shí)例：日本東京工業(yè)大學(xué)M.Yamakita與Utano[5]于2006年研制了具有平衡質(zhì)量調(diào)節(jié)器的自行車式機(jī)器人，特別研究了在低速下自動(dòng)控制自行車的穩(wěn)定。如圖2所示，左側(cè)為原理模型圖，右側(cè)為外形圖。

雙輪對(duì)稱分布式機(jī)器人同樣需要考慮自平衡，其優(yōu)勢(shì)在于體型矮小，運(yùn)行比自行車式更為靈活，適合在狹小空間工作[6]。

圖2 M.Yamakita與Utano自行車式機(jī)器人

圖3 瑞士聯(lián)邦工學(xué)院雙輪機(jī)器人（JOE）

實(shí)例：2002年瑞士聯(lián)邦工學(xué)院Felix Grasser等[7]研究了無(wú)線控制的雙輪機(jī)器人（JOE），每個(gè)輪子分別由一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)自平衡，在平地上自由移動(dòng)，可以爬30°斜坡。如圖3所示，左側(cè)是實(shí)物外形圖，右側(cè)為機(jī)器人狀態(tài)矢量空間的變量定義和干擾分析圖。

1.3 三輪及四輪移動(dòng)機(jī)器人

由于三點(diǎn)決定一個(gè)面，三輪移動(dòng)機(jī)器人的平穩(wěn)性比單、雙輪式的好。三輪式機(jī)器人常采用1個(gè)中心前輪，2個(gè)對(duì)稱分布的后輪，呈簡(jiǎn)單的等腰三角狀，這種布局最為穩(wěn)定。而四輪式的機(jī)器人最為常見(jiàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)都最為容易實(shí)現(xiàn)。三輪及四輪的機(jī)器人結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其承載能力較單、雙輪式有了很大的提高。但是三輪及四輪式的機(jī)器人在坑洼的路面上移動(dòng)會(huì)很顛簸。三輪及四輪式的機(jī)器人適合在負(fù)載要求大、移速要求高，但路面較平整的情況下工作，其應(yīng)用范圍最為廣泛。

2 履帶式移動(dòng)機(jī)器人

履帶式機(jī)器人相對(duì)于普通的輪式機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，在不平整的路面上，仍然能夠相對(duì)穩(wěn)定地前進(jìn)。

履帶式機(jī)器人的突出優(yōu)勢(shì)在于：1）有較大支撐面積，接地比壓小，能夠在松軟甚至泥濘的場(chǎng)地作業(yè)，下陷度小，越野機(jī)動(dòng)性能很好；2）轉(zhuǎn)向半徑非常小，可原地轉(zhuǎn)向；3）履帶支撐面上有履齒，有效避免打滑，附著性能好，能夠提供較大的牽引力；4）承載能力很大。

但由于履帶式機(jī)器人沒(méi)有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)彎時(shí)只能依靠左右2個(gè)履帶差速轉(zhuǎn)向，摩擦阻力大，外側(cè)履帶易磨損，且回轉(zhuǎn)半徑不易準(zhǔn)確地確定。履帶式機(jī)器人由移動(dòng)機(jī)構(gòu)限制，體型比較大，功耗比較大，傳動(dòng)效率不高，通常只能保持低速狀態(tài)運(yùn)行。故履帶式機(jī)器人適合在路面條件較差、負(fù)載要求高，但速度要求較低的情況下工作。

履帶式機(jī)器人底盤(pán)一般分為單節(jié)雙履帶式、雙節(jié)四履帶式、多節(jié)多履帶式[9]。

2.1 單節(jié)雙履帶式機(jī)器人

單節(jié)雙履帶式由2條可變形的履帶組成，分別由2個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人通過(guò)2條履帶差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。當(dāng)2條履帶同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人前進(jìn)或后退[10]。

實(shí)例：中國(guó)航天科工集團(tuán)第四研究院探測(cè)與控制技術(shù)研究所研制出的“雪豹20”排爆機(jī)器人，如圖5所示，采用了單節(jié)雙履帶式底盤(pán)，在野外崎嶇的復(fù)雜道路上仍可以正常運(yùn)行，這取代了人工在野外進(jìn)行危險(xiǎn)物的搜索和排除，能夠抓取15 kg以內(nèi)的危險(xiǎn)品，大大降低了人員的傷亡[11]。

2.2 雙節(jié)雙履帶式機(jī)器人

圖4 “雪豹20”排爆機(jī)器人

雙節(jié)雙履帶式機(jī)器人是由轉(zhuǎn)向鉸接機(jī)構(gòu)將前、后兩節(jié)車體連接起來(lái)。其越障能力比單節(jié)式更優(yōu)，雙節(jié)的車體結(jié)構(gòu)，可以讓其能夠?qū)崿F(xiàn)爬梯等特殊越障工作，但控制上的設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜。

實(shí)例：日本千葉工業(yè)大學(xué)和日本東北大學(xué)研制的Quince機(jī)器人就是采用雙節(jié)雙履帶式底盤(pán)，如圖5所示。福島核事故發(fā)生后，Quince機(jī)器人曾6次深入原子能反應(yīng)堆內(nèi)部調(diào)查情況，克服反應(yīng)堆地下復(fù)雜地形[12]。

圖5 Quince機(jī)器人

2.3 多節(jié)多履帶式機(jī)器人

多節(jié)多履帶式機(jī)器人常用于爬越較高障礙物或跨域較寬的溝壑，其能夠多姿態(tài)調(diào)整，靈活性很強(qiáng)，但在結(jié)構(gòu)和控制上的設(shè)計(jì)會(huì)很復(fù)雜，并需保證越障過(guò)程中靜止?fàn)顟B(tài)下無(wú)回滑現(xiàn)象[13-14]。

圖6 三節(jié)六履帶式移動(dòng)機(jī)器人越障實(shí)驗(yàn)圖

實(shí)例：上海交通大學(xué)針對(duì)核工業(yè)管道內(nèi)壁檢測(cè)需求，研制了三節(jié)六履帶式移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)[15]。其能夠完成管道中溝道、臺(tái)階的跨越。如圖6所示，為該三節(jié)六履帶式移動(dòng)機(jī)器人越障實(shí)驗(yàn)圖。

3 復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人

復(fù)合式底盤(pán)是將兩種或者更多種基本底盤(pán)形式進(jìn)行融合，結(jié)合基本底盤(pán)各自的優(yōu)點(diǎn)，使機(jī)器人擁有更高的綜合性能，能攀爬一些特殊地形，復(fù)合式底盤(pán)機(jī)器人也是現(xiàn)在很多學(xué)者研究的重點(diǎn)。但復(fù)合式機(jī)器人，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，研究困難，制造成本比較大。

較常見(jiàn)的復(fù)合式機(jī)器人有：1）輪腿復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人，具有輪式機(jī)器人的穩(wěn)定性以及腿式機(jī)器人的強(qiáng)越障能力。RHex、Whegs等機(jī)器人是典型的代表。2）輪履復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人，輪實(shí)現(xiàn)高速遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)，履帶實(shí)現(xiàn)適應(yīng)各種復(fù)雜的地形，進(jìn)一步增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)能力[17]。3）輪履腿復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人結(jié)合更多的因素，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜。

應(yīng)用實(shí)例：以色列艾爾比特系統(tǒng)公司研制的地面?zhèn)蓽y(cè)機(jī)器人VIPER如圖7所示，VIPER采用的是輪履復(fù)合式行走系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的路況，依靠?jī)?nèi)置的變形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輪、履帶的轉(zhuǎn)換。這種輪履復(fù)合式機(jī)器人的設(shè)計(jì)大幅度提高了機(jī)器人的地面適應(yīng)能力，從而保證了機(jī)器人高效完成任務(wù)[18-20]。

圖7 地面?zhèn)蓽y(cè)機(jī)器人VIPER

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要分析了移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)分類情況。對(duì)于不同的工作情況，需要選擇適用的行走機(jī)構(gòu)：1）工作環(huán)境狹小，并要求機(jī)器人能高速移動(dòng)，不需要重載，可以選擇單輪滾動(dòng)式機(jī)器人；2）工作路面平緩，需要機(jī)器人非常靈活地工作，可以選擇雙輪對(duì)稱分布式機(jī)器人；3）工作路面較平緩，要求機(jī)器人有一定承載能力，穩(wěn)定性好，移動(dòng)速度要快，可以選擇三輪或四輪的機(jī)器人；4）對(duì)于承載能力要求比較高，路面情況比較差，但對(duì)移速要求較低的，可選履帶式機(jī)器人；5）對(duì)于工作路面非常惡劣，要求跨溝、越階，越障能力要求較高的，可選擇多節(jié)多履帶式機(jī)器人；6）要求機(jī)器人擁有很高的綜合性能，或需要翻越特殊的障礙，或需要機(jī)器人能改變移動(dòng)的方式等，可以設(shè)計(jì)適用的復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人。

核巡檢與應(yīng)急機(jī)器人，需要有一定的承載能力，對(duì)移動(dòng)速度要求不是很高。在平常情況下，其工作路面比較平整；在應(yīng)急狀態(tài)下，其工作路面可能會(huì)存在一些小障礙。結(jié)合實(shí)際情況及成本考慮，最終選用單節(jié)雙履帶式的底盤(pán)結(jié)構(gòu)。

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