一種輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)

遲志康，宋欣，楊磊

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一種輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)

遲志康，宋欣通信作者，楊磊

（天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384）

針對(duì)極端非結(jié)構(gòu)化工作環(huán)境下對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的使用需求，提出了一種輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，能夠根據(jù)地形條件變換成六足和輪式兩種移動(dòng)模式，使其在移動(dòng)過程中能夠兼具良好的機(jī)動(dòng)性能和越障能力。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在移動(dòng)過程中輪/腿運(yùn)動(dòng)模式切換和行走功能。經(jīng)過對(duì)其工作空間的理論計(jì)算和物理樣機(jī)行走實(shí)驗(yàn)測(cè)試，證明該機(jī)器人具備一定的行走能力和越障能力。

輪腿復(fù)合式；仿生機(jī)器人；控制系統(tǒng)；工作空間；三角步態(tài)

當(dāng)前，隨著機(jī)器人技術(shù)的飛躍發(fā)展，在救援搶險(xiǎn)、考古探測(cè)、星際探索、軍事戰(zhàn)爭(zhēng)和反恐行動(dòng)中越來越多地出現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的身影。它們代替人類進(jìn)入到高危環(huán)境，甚至是人類無法達(dá)到的區(qū)域完成救援、偵查、設(shè)備檢測(cè)和信息采集等作業(yè)任務(wù)，極大地拓展了人類的可達(dá)空間，為人類克服極端惡劣環(huán)境，探索未知世界提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持[1-2]。

按照移動(dòng)方式劃分，移動(dòng)機(jī)器人可分為輪式、履帶式和多足步行仿生式[3]。其中，輪式機(jī)器人主要適用于車輪半徑大于地面不平度這種相對(duì)較為平坦的地形，具有移動(dòng)迅速和噪聲低的優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于輪式機(jī)器人，履帶式機(jī)器人地形適應(yīng)性稍強(qiáng)，可用于較為松軟的崎嶇路面，但對(duì)于山路或廢墟等障礙物突出的地形條件，則暴露出其機(jī)動(dòng)性差，移動(dòng)速度慢和噪聲大的缺點(diǎn)。多足步行仿生式機(jī)器人是依據(jù)仿生學(xué)原理，模仿昆蟲身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性而設(shè)計(jì)的[4]，其運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列離散的點(diǎn)，相比于輪式和履帶式的面接觸方式，這種點(diǎn)接觸地面的方式對(duì)地貌的破壞程度要小，而且針對(duì)崎嶇地形可以選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，無需連續(xù)的路徑來支撐機(jī)器人本身，因而具有更強(qiáng)的越障能力和運(yùn)動(dòng)靈活性，對(duì)于復(fù)雜多變的非結(jié)構(gòu)化地形條件具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。多足步行機(jī)器人典型結(jié)構(gòu)主要有雙足、四足、六足和八足4種，一般來說，足數(shù)越多，機(jī)器人的移動(dòng)穩(wěn)定性就越強(qiáng)，而且在其中一條腿損壞或者踏空的情況下依舊能夠調(diào)整姿態(tài)，確保運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。此外，冗余的腿還可以充當(dāng)機(jī)械臂使用，拓展了機(jī)器人的功能和應(yīng)用范圍。但過多的冗余結(jié)構(gòu)也會(huì)大大增加機(jī)器人結(jié)構(gòu)及其控制方法的復(fù)雜性[5]。

綜合考慮各類移動(dòng)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出一種輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，能夠根據(jù)地形條件變換成六足和輪式兩種移動(dòng)模式，兼具良好的機(jī)動(dòng)性能和越障能力，從而對(duì)復(fù)雜多變的非結(jié)構(gòu)化工作環(huán)境具有更好的適應(yīng)性。

1 輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

該仿生機(jī)器人軀干采用六邊形結(jié)構(gòu)，六條腿沿圓周對(duì)稱分布，多個(gè)對(duì)稱面可以使機(jī)器人擁有更多的前進(jìn)方向，并可實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎，相比于矩形身體結(jié)構(gòu)有著更強(qiáng)的轉(zhuǎn)向靈活性[6]。機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿照昆蟲的步行足結(jié)構(gòu)，如圖1所示，昆蟲的步行足由基節(jié)、轉(zhuǎn)節(jié)、股節(jié)、脛節(jié)和跗節(jié)5部分構(gòu)成，節(jié)間由膜相連，可實(shí)現(xiàn)一定角度范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)[7]。昆蟲在行走時(shí)跗節(jié)與地面接觸，增加腿部與地面的附著力，但并不起到支撐作用，整個(gè)身體是由其余4節(jié)負(fù)責(zé)支撐，而這4節(jié)中轉(zhuǎn)節(jié)部分處于基節(jié)和股節(jié)之間，比較短小。因此，在遵循昆蟲腿部原型特征的基礎(chǔ)上，將仿生機(jī)器人的腿部設(shè)計(jì)為3節(jié)結(jié)構(gòu)，分別為基節(jié)、股節(jié)和脛節(jié)（圖2），基節(jié)與軀干通過腰關(guān)節(jié)相連，基節(jié)與股節(jié)間通過髖關(guān)節(jié)相連，股節(jié)與脛節(jié)間通過膝關(guān)節(jié)相連。其中髖關(guān)節(jié)與腰關(guān)節(jié)的軸線相互垂直，與膝關(guān)節(jié)的軸線相互平行。

仿生機(jī)器人樣機(jī)模型如圖3所示，每條腿有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，即6條腿總計(jì)有18個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副有1個(gè)自由度。每條腿的足部與地面間可以呈任意角度接觸，且不發(fā)生滑動(dòng)，可以視為擁有3個(gè)自由度的球面副，6條腿總計(jì)6個(gè)球面副。根據(jù)Kutzbach-Grübler空間機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算公式[8]：

式中，為自由度數(shù)；為機(jī)構(gòu)中構(gòu)件數(shù)；為運(yùn)動(dòng)副數(shù)量；f為第個(gè)運(yùn)動(dòng)副的相對(duì)自由度數(shù)。因此，六足仿生機(jī)器人的總自由度為：

由此可知，六足仿生機(jī)器人是一個(gè)具有六自由度的空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其18個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)分別由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)數(shù)量為18，超過了機(jī)器人的總自由度數(shù)，說明該機(jī)構(gòu)具有冗余自由度。冗余機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于能夠在運(yùn)動(dòng)控制中實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)角速度、角加速度、關(guān)節(jié)力矩的最小化，達(dá)到節(jié)約能耗的目的，而且工作空間不受奇異點(diǎn)限制，更有利于實(shí)現(xiàn)避障。

圖1 昆蟲的步行足結(jié)構(gòu)

圖2 輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人樣機(jī)-六足模式

1.2 輪式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

在仿生機(jī)器人軀干上沿圓周對(duì)稱分布的6條腿中選擇對(duì)角線方向上的4條腿，分別在其脛節(jié)部位安裝一個(gè)由直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)的全向輪。當(dāng)這4條腿膝關(guān)節(jié)處的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)向內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，脛節(jié)上的全向輪完全著地，如圖4所示。同時(shí)，非對(duì)角線上的兩條腿膝關(guān)節(jié)處的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)既可以向外旋轉(zhuǎn)一定角度，呈上揚(yáng)狀態(tài)，也可以向內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°，兩種情況下，這兩條腿的脛節(jié)都是完全脫離地面，不會(huì)影響機(jī)器人的移動(dòng)。此時(shí)整個(gè)機(jī)器人僅由4個(gè)全向輪著地，從而實(shí)現(xiàn)了仿生機(jī)器人由六足向四輪模式的轉(zhuǎn)化，如圖5所示。此外，由于該仿生機(jī)器人機(jī)體質(zhì)量較大，因此，在底盤下方中心位置可安裝一個(gè)萬向輪，起到輔助支撐的作用，改善4個(gè)全向輪的承載狀況，如圖4所示。在四輪驅(qū)動(dòng)模式下，利用全向輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，仿生機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、橫行等多種移動(dòng)模式，在平坦地面上具有良好的靈活性和機(jī)動(dòng)性能。

圖4 輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人輪式結(jié)構(gòu)示意圖

2 輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)

輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，如圖6所示。其中，上位機(jī)用于接收下位機(jī)傳送過來的姿態(tài)信息，通過姿態(tài)解算算法，進(jìn)行機(jī)器人姿態(tài)閉環(huán)控制策略的計(jì)算，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃，并向下位機(jī)發(fā)出各關(guān)節(jié)目標(biāo)角度信息。下位機(jī)主要由Arduino控制器和IMU慣性傳感器組成。Arduino控制器負(fù)責(zé)機(jī)器人機(jī)體姿態(tài)信息的處理，各關(guān)節(jié)角度信息的反饋和舵機(jī)（直流減速電機(jī)）控制指令的下達(dá)。IMU慣性傳感器由3個(gè)MEMS加速度傳感器、3個(gè)陀螺和解算電路組成，應(yīng)用慣性原理和測(cè)量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)載體運(yùn)動(dòng)加速度、位置和姿態(tài)信息的采集。

仿生機(jī)器人六足模式下，18個(gè)關(guān)節(jié)分別由伺服舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)下位機(jī)的關(guān)節(jié)控制指令自動(dòng)完成位置閉環(huán)控制，使其在行走中呈現(xiàn)不同的行走姿態(tài)。四輪模式下，由4個(gè)直流減速電機(jī)控制全向輪，實(shí)現(xiàn)輪式移動(dòng)。

圖6 輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)組成

3 輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人工作空間分析

輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人的6條仿生腿結(jié)構(gòu)尺寸完全一致，因此任選其中1條腿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。將單條仿生腿看做一個(gè)三連桿串聯(lián)的機(jī)械臂，當(dāng)已知該條腿各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角信息后，通過正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算即可得到足端的位置向量，從而分析出單腿的工作空間，為腿部結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

3.1 D-H模型構(gòu)建

如圖7所示，分別在腰關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和足端建立坐標(biāo)系，其中，腰關(guān)節(jié)處為基坐標(biāo)系。腿部D-H參數(shù)如表1所示。

圖7 腿部關(guān)節(jié)坐標(biāo)系

表1 腿部D-H參數(shù)表

3.2 正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算

根據(jù)D-H參數(shù)表和相鄰兩個(gè)關(guān)節(jié)的變換矩陣（公式3），得到單腿正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及足端的期望位姿，如公式4所示。

（4）

其中，基坐標(biāo)系姿態(tài)向量分別為：

足端位置向量為：

3.3 工作空間分析

根據(jù)表2中所給出的仿生腿主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Matlab繪制出單條仿生腿足端工作空間的散點(diǎn)圖，如圖8所示。（a）～（d）分別表征了足端工作空間在、、方向和三維空間中包絡(luò)面的大致形態(tài)，即所有足端可達(dá)位置集合，該結(jié)果可作為衡量機(jī)器人越障能力的依據(jù)。從圖8可以得到，該機(jī)器人仿生腿的最大跨度（方向）約為140 mm，最大步長(zhǎng)（方向）約為150 mm，最高抬腿高度（方向）約為110 mm。

表2 仿生腿主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

4 輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人行走實(shí)驗(yàn)

根據(jù)前文所述的設(shè)計(jì)方案，制作了仿生機(jī)器人的物理樣機(jī)，分別對(duì)其進(jìn)行了輪足兩種行走模式的切換，六足模式下的行走步態(tài)和越障能力的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

圖9為輪足兩種行走模式切換實(shí)驗(yàn)的視頻截圖，其中圖9（a）為準(zhǔn)備切換狀態(tài)，圖9（b）為切換完畢，整個(gè)過程所用時(shí)長(zhǎng)為3 s。

圖9 輪足行走模式切換

圖10為六足模式下行走步態(tài)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，行走步態(tài)模仿“六足綱”昆蟲步行時(shí)三角步態(tài)，該步態(tài)具有速度快，靈活性高，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的特點(diǎn)[9]。為了方便觀察步態(tài)，將機(jī)器人樣子上半部分搭載的外設(shè)全部去掉。圖10（a）為準(zhǔn)備行走狀態(tài)。圖10（b）為1、3、5號(hào)腿為擺動(dòng)腿，2、4、6號(hào)腿為支撐腿，由髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)改變仿生腿足端高度，腰關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)使機(jī)器人向前完成一個(gè)步長(zhǎng)，這一過程中要保證機(jī)器人重心在支撐平面上的投影能夠落在3個(gè)支撐點(diǎn)所形成的三角形中。圖10（c）為2、4、6號(hào)腿為擺動(dòng)腿，1、3、5號(hào)腿為支撐腿，使機(jī)器人向前完成一個(gè)步長(zhǎng)。在這兩種狀態(tài)中，兩組仿生腿的擺動(dòng)方向相同。通過上述過程循環(huán)反復(fù)即可完成仿生機(jī)器人的縱向行走；如果擺動(dòng)腿是在髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)下，其擺動(dòng)方向變?yōu)橄騼蓚?cè)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)通過1、3、5號(hào)腿和2、4、6號(hào)腿的交替動(dòng)作即可完成仿生機(jī)器人的橫向行走；如果擺動(dòng)腿是在腰關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)下擺動(dòng)，但不向前邁步的情況下，通過1、3、5號(hào)腿和2、4、6號(hào)腿向相反方向擺動(dòng)，即可完成仿生機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。

圖10 三角步態(tài)行走

圖11為仿生機(jī)器人越障能力測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在地面上放置高度為62 mm，寬度為480 mm的木板，經(jīng)測(cè)試，該機(jī)器人能夠順利通過此障礙，證明其具備了一定的越障能力。

圖11 越障能力測(cè)試

5 結(jié)論

本文提出了一種輪腿復(fù)合式仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，兼具了六足和輪式兩種移動(dòng)機(jī)器人的特征，在移動(dòng)過程中可通過輪/腿兩種模式的切換，提高其移動(dòng)的機(jī)動(dòng)性和對(duì)復(fù)雜地形的適應(yīng)性。經(jīng)過對(duì)機(jī)器人工作空間的理論計(jì)算和行走實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明該機(jī)器人具備了一定的行走能力和越障能力，但后續(xù)還需要對(duì)其進(jìn)行深入的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、步態(tài)規(guī)劃和行走穩(wěn)定性研究，以提高其移動(dòng)的高效性和平穩(wěn)性。

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責(zé)任編輯：楊霞

A wheel-legged biomimetic robot design

CHI Zhi-kang, SONG XinCorresponding Author, YANG Lei

（College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

For the mobile robot used in extremely unstructured working environment, a design schemeof wheel-legged biomimetic robot was proposed in the paper. Six-foot and wheel mode could be changed according to the terrain condition, so the good mobility and obstacle performance were obtained during the movement. Through the mechanical structure and control system design, the wheel/leg motion mode switching and walking for the robot was realized during the movement process. After theoretical calculation for the working space and experimental testing for physical prototype walking, it was proved that the robot has a certain ability to walk and overstep.

wheel-legged; biomimetic robot; control system; workspace; tripod gait

1008-5394（2018）03-0087-05

10.19640/j.cnki.jtau.2018.03.019

TP242.6

A

2018-04-08

國(guó)家自然科學(xué)基金（51305299）；天津農(nóng)學(xué)院高校教師教育改革創(chuàng)新引導(dǎo)發(fā)展項(xiàng)目（20170502）

遲志康（1995－），男，本科在讀，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化。E-mail：779373274@qq.com。

宋欣（1979－），女，副教授，博士，主要從事智能農(nóng)機(jī)裝備方面的研究。E-mail：songxin-tju@163.com。