一種小型陸空兩棲機(jī)器人的選型分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

羅慶生，陳胤霏2，劉星棟，朱 琛

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京 100081; 2.廣東省潮陽實(shí)驗(yàn)學(xué)校，廣東 汕頭 515100)

0 引言

為了適應(yīng)災(zāi)害救援、資源勘探、野外偵查等復(fù)雜作業(yè)、復(fù)雜場(chǎng)景、復(fù)雜地形產(chǎn)生的特殊需求，可發(fā)展對(duì)外部環(huán)境有很強(qiáng)適應(yīng)能力的陸空兩棲機(jī)器人[1-2]。但這種新型的陸空兩棲機(jī)器人要兼具地面運(yùn)動(dòng)能力和空中運(yùn)動(dòng)能力，其功能是地面機(jī)器人和飛行機(jī)器人的有機(jī)結(jié)合。常用的地面機(jī)器人有輪式、履帶式、足式或復(fù)合式。足式機(jī)器人相對(duì)于輪式和履帶式機(jī)器人來說，對(duì)于復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境適應(yīng)能力更強(qiáng)。在足式機(jī)器人中，四足機(jī)器人是最有應(yīng)用前途的。飛行機(jī)器人常用的形式有固定翼、多旋翼、撲翼、直升機(jī)等形式，多旋翼相對(duì)于其他的形式有可控性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)勢(shì)，是一種成本低，效率高的方案。因此文章所提出的陸空兩棲機(jī)器人其構(gòu)型方案是四足機(jī)器人和四旋翼飛行器的有機(jī)組合[3]。

1 小型陸空兩棲機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)

文章擬研制一款適應(yīng)于災(zāi)害救援、資源勘探和野外偵查的小型陸空兩棲機(jī)器人。該機(jī)器人能在陸、空兩棲條件下可靠運(yùn)動(dòng)，有一定的非結(jié)構(gòu)地形適應(yīng)能力；能實(shí)現(xiàn)陸地低角度偵查和空中高角度偵查；續(xù)航時(shí)間不小于30 min。為了更好的自主執(zhí)行偵查任務(wù)，該機(jī)器人還應(yīng)具備路徑規(guī)劃、目標(biāo)識(shí)別和自主跟蹤、自主返航和自主著陸等功能。

陸空兩棲機(jī)器人常見的構(gòu)型方式有一體式和組合式。一體式構(gòu)型的案例如文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]所示，就是在現(xiàn)有飛行器的構(gòu)型基礎(chǔ)上，增加地面機(jī)器人的相關(guān)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)功能。常見的地面機(jī)器人其運(yùn)動(dòng)形式有主動(dòng)式和被動(dòng)式，主動(dòng)式即機(jī)器人本身帶地面運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，如帶有驅(qū)動(dòng)的腿式構(gòu)件或帶有驅(qū)動(dòng)的輪和履帶等。被動(dòng)式是指機(jī)器人實(shí)現(xiàn)地面運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件是在外力驅(qū)動(dòng)下的，如文獻(xiàn)[1]所示的籠式陸空兩棲機(jī)器人就是在旋翼飛行器的推力作用下向前滾動(dòng)的。

文章擬定的構(gòu)型方案是將四旋翼飛行器和四足步行機(jī)器人的主體功能進(jìn)行結(jié)合，使其兼具四旋翼飛行器的靈活性和四足機(jī)器人的地形適應(yīng)性?？罩酗w行模式采用四旋翼飛行器完成，地面機(jī)動(dòng)模式則采用四足步行機(jī)器人完成?？紤]到四足機(jī)器人行走速度較慢，也可以采用輪腿復(fù)合式的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。至于如何將四旋翼飛行器和四足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能有機(jī)結(jié)合起來是文章研究的重點(diǎn)。經(jīng)過深思熟慮，將X型四旋翼飛行器的四條機(jī)臂沿機(jī)身的圓周均布，將四足步行機(jī)器人的四條腿也對(duì)稱安置在機(jī)身的兩邊，出于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)盡量輕量化的考慮，可以將四旋翼飛行器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在四足機(jī)器人的腿上。通過腿部自由度的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)地面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和空中飛行狀態(tài)的切換。這個(gè)方案為一體式設(shè)計(jì)方案。另外一種方案是將四足步行機(jī)器人和四旋翼飛行器組合在一起，稱為組合式設(shè)計(jì)方案。在該方案中，四足步行機(jī)器人作為地面基站使用，四旋翼飛行器可以自由的在四足步行機(jī)器人機(jī)體上起落，于是地面機(jī)器人和飛行機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作，以完成在不同環(huán)境、不同視角的偵查任務(wù)。

結(jié)合對(duì)現(xiàn)有任務(wù)的分析，初定該機(jī)器人的相關(guān)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)一覽表

以上提出的兩種方案各有其優(yōu)缺點(diǎn)，文章將從方案的可行性、可維護(hù)性和成本控制等角度綜合討論這兩種構(gòu)型方案。

2 一體式機(jī)器人總體構(gòu)型設(shè)計(jì)

一體式構(gòu)型方案設(shè)計(jì)主要涉及到四足步行機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)自由度設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)工作空間設(shè)計(jì)和四旋翼飛行器動(dòng)力元件布置方案設(shè)計(jì)等。腿是足式動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵，腿的關(guān)節(jié)分布和各個(gè)關(guān)節(jié)間的幾何關(guān)系奠定了生物實(shí)現(xiàn)各類復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。文章研究的四足機(jī)器人仿生腿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，參考了自然界中的爬行動(dòng)物如螃蟹、螳螂等的腿的分布形式。通過觀察這些爬行動(dòng)物，發(fā)現(xiàn)它們每條腿的主干部分大致可分為大腿、中間腿和小腿三部分，每條腿上有3個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)。對(duì)于陸空兩棲機(jī)器人來講，機(jī)體自身的重量直接關(guān)系到機(jī)器人的負(fù)載能力和續(xù)航能力，因此對(duì)機(jī)器人的機(jī)身機(jī)構(gòu)進(jìn)行必要的精簡(jiǎn)是機(jī)器人性能提升的必經(jīng)之路。

2.1 基于兩自由度腿機(jī)構(gòu)的構(gòu)型方案

從盡量保證該機(jī)器人機(jī)體輕量化角度考慮，首先擬采用兩自由度腿機(jī)構(gòu)。通過采用連桿機(jī)構(gòu)，可用兩個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)來實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人行走所需的基本足端軌跡。和常用的三自由度腿機(jī)構(gòu)相比，這時(shí)機(jī)器人可節(jié)省3個(gè)舵機(jī)。此時(shí)對(duì)應(yīng)的機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)如圖1所示。由圖可以看出，該機(jī)器人的腿部采用了雙搖桿機(jī)構(gòu)，其中ac段為機(jī)器人的小腿，桿cd和桿be共同構(gòu)成了機(jī)器人的中間腿，大腿為三桿副def。d和f為主動(dòng)關(guān)節(jié)，構(gòu)成了腿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)自由度。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)f決定機(jī)器人沿前進(jìn)方向的運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)d決定機(jī)器人的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。四旋翼飛行器的無刷電機(jī)固定在小腿段上，圖1(a)和圖1(b)分別代表了機(jī)器人行走時(shí)和飛行時(shí)的姿態(tài)。圖2所示為機(jī)器人的整體構(gòu)型，四條腿沿機(jī)身兩側(cè)對(duì)稱分布，與機(jī)體相連的4個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)呈正方形狀分布，這樣就可以保證在機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)呈飛行姿態(tài)時(shí)，4個(gè)電機(jī)的位置可以滿足四旋翼飛行器呈現(xiàn)X型布局。

圖1 小型陸空兩棲機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)

圖2 小型陸空兩棲機(jī)器人整體構(gòu)型

當(dāng)該機(jī)器人的四旋翼部分處于飛行狀態(tài)時(shí)，要保持姿態(tài)穩(wěn)定在很大程度上依賴機(jī)器人巧妙的構(gòu)型。因此構(gòu)型中的機(jī)構(gòu)必須保證各關(guān)節(jié)位置控制的準(zhǔn)確性和抗干擾性。在一體式陸空機(jī)器人構(gòu)型方案中，為了保證機(jī)器人在飛行模式時(shí)的姿態(tài)穩(wěn)定性，各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)采用數(shù)字伺服舵機(jī)完成，舵機(jī)可以控制關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度和速度。除此之外，腿機(jī)構(gòu)在飛行模式時(shí)，還利用了雙搖桿機(jī)構(gòu)的機(jī)械干涉位置，讓電機(jī)軸和機(jī)身垂直，防止在升力作用下，舵機(jī)位置被拉偏，從而造成有效力矩的相互抵消和干擾力矩的形成，以此來幫助機(jī)器人保持機(jī)身姿態(tài)。最終確定的該機(jī)器人構(gòu)型參數(shù)如表2所示。

表2 構(gòu)型參數(shù)一覽表

在該機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力器件選型中，文章參考了機(jī)架為F330的四旋翼飛行器的配置方案。飛行模式所需器件選用了無刷直流電機(jī)、正反槳和3 s航模電池；關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)采用數(shù)字舵機(jī)，單個(gè)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)范圍為0～180°。所選動(dòng)力器件如表3所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)器件選型一覽表

當(dāng)確定所有的標(biāo)準(zhǔn)器件后，即可進(jìn)行機(jī)器人的造型設(shè)計(jì)，相應(yīng)的三維模型如圖3和圖4所示，其中圖3是腿機(jī)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)圖，圖4為機(jī)器人整機(jī)的三維實(shí)體圖，其中圖4(a)反映的是地面運(yùn)動(dòng)模式，圖4(b)反映的是飛行模式。

圖3 腿機(jī)構(gòu)實(shí)體造型圖

圖4 機(jī)器人整體實(shí)體造型圖

小型陸空兩棲機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)如圖5所示，其整機(jī)外殼采用3D打印技術(shù)制作，材質(zhì)為PLA。通過樣機(jī)運(yùn)動(dòng)效果檢測(cè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩自由度腿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的大部分步態(tài)[3]，但腿機(jī)構(gòu)描繪的足端軌跡相對(duì)固定，足端的可達(dá)域太小，運(yùn)動(dòng)靈活性相對(duì)較差，難以適應(yīng)復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化地貌環(huán)境。

圖5 兩自由度腿機(jī)構(gòu)的機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)

2.2 基于三自由度腿機(jī)構(gòu)的構(gòu)型方案

為了解決兩自由度腿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活性較差所帶來的問題，嘗試采用四足機(jī)器人最常用的三自由度腿機(jī)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型設(shè)計(jì)[4]，在這種構(gòu)型中為機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)、大腿關(guān)節(jié)和小腿關(guān)節(jié)各配置一個(gè)自由度，且將四旋翼飛行器的旋轉(zhuǎn)電機(jī)與槳葉安裝在機(jī)器人的小腿上[5-6]，所述構(gòu)型如圖6所示，其中d關(guān)節(jié)固定于機(jī)器人的機(jī)體上，決定著機(jī)器人腿沿前進(jìn)方向的擺動(dòng)，而關(guān)節(jié)b和c垂直于d關(guān)節(jié)，決定著機(jī)器人腿沿側(cè)向的運(yùn)動(dòng)。

圖6 三自由度腿機(jī)構(gòu)構(gòu)型

圖7 三自由度腿機(jī)構(gòu)整機(jī)構(gòu)型

圖7所示為三自由度腿機(jī)構(gòu)機(jī)器人的整機(jī)構(gòu)型，其中主體構(gòu)型依然是仿爬行四足動(dòng)物的造型。該機(jī)器人的四條腿均由三自由度腿機(jī)構(gòu)組成，其中大腿關(guān)節(jié)軸線垂直于地面。表4所示為機(jī)器人相關(guān)的構(gòu)型參數(shù)。

表4 三自由度腿機(jī)構(gòu)機(jī)器人構(gòu)型參數(shù)一覽表

三自由度腿機(jī)構(gòu)相對(duì)于兩自由度腿機(jī)構(gòu)而言，其足端的可達(dá)域范圍明顯提升，且具有更為豐富的足端軌跡，使得人們可以通過調(diào)整腿部的位置來調(diào)節(jié)機(jī)器人的重心，由此則增強(qiáng)了機(jī)器人對(duì)行走環(huán)境的適應(yīng)能力。在機(jī)器人動(dòng)力器件的選型中，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)依然采用數(shù)字舵機(jī)，考慮到由于腿部自由度的增強(qiáng)，導(dǎo)致機(jī)器人整體重量的上升，舵機(jī)選用功率更大的RDS3115，其堵轉(zhuǎn)扭矩為15 kg/cm。

圖8 三自由度腿機(jī)構(gòu)實(shí)體造型圖

圖8所示為三自由度腿機(jī)構(gòu)實(shí)體造型，機(jī)器人整機(jī)的三維實(shí)體模型則如圖9所示。為了盡可能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)體的輕量化，機(jī)體連接件采用輕質(zhì)鋁合金材料鏤空制作，小腿關(guān)節(jié)采用亞克力材料，舵盤材料為塑料，機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)如圖10所示。為了使機(jī)器人在飛行模式時(shí)能夠穩(wěn)定保持姿態(tài)，在設(shè)計(jì)腿部電機(jī)座時(shí)使電機(jī)軸反向延長線垂直通過舵機(jī)軸，且在電機(jī)座的結(jié)構(gòu)上加裝機(jī)械限位塊，確保舵機(jī)在外力沖擊下也不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，以此保證小腿關(guān)節(jié)不受外加力矩的干擾[7]。

圖9 機(jī)器人整機(jī)實(shí)體造型圖

圖10 三自由度腿機(jī)構(gòu)機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)

3 組合式機(jī)器人總體構(gòu)型設(shè)計(jì)

圖11 組合式陸空兩棲機(jī)器人

組合式機(jī)器人指的是機(jī)器人整體可以拆分為一個(gè)地面機(jī)器人和一個(gè)飛行機(jī)器人的方案，地面機(jī)器人給飛行機(jī)器人提供一個(gè)降落和起飛的平臺(tái)[8]。相比于一體式機(jī)器人構(gòu)型方案，因?yàn)橐瞥丝勺冃蔚耐炔繖C(jī)構(gòu)，所以飛行機(jī)器人的質(zhì)量有所減輕，飛行時(shí)機(jī)身的穩(wěn)定性更高，續(xù)航時(shí)間也更長，并且對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)的依賴程度大大降低，提高了整機(jī)的可靠性。除了在飛行穩(wěn)定性上有了較大提升外，組合式機(jī)器人也可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同偵察，在節(jié)省能量方面還有一定的優(yōu)勢(shì)[9]。需要說明的是，組合式機(jī)器人的協(xié)同偵察是指地面機(jī)器人可以進(jìn)行低角度拍攝，負(fù)責(zé)在一些飛行機(jī)器人難以到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行偵察；飛行機(jī)器人可以進(jìn)行高空俯瞰，具有非常廣闊的視野，負(fù)責(zé)較大范圍內(nèi)的全局偵察，還能夠?qū)Φ孛鏅C(jī)器人的偵察進(jìn)行指導(dǎo)。從能量角度分析，飛行機(jī)器人通過搭乘地面機(jī)器人的方式可以節(jié)省自身的能量，保證較長的續(xù)航時(shí)間，因?yàn)橥瑯又亓康臋C(jī)器人，采用地面輪式方式前進(jìn)所耗能量大約是飛行方式的一半[10]。文章所構(gòu)想的小型陸空兩棲機(jī)器人組合式構(gòu)型方案包括一個(gè)地面機(jī)器人和一個(gè)飛行機(jī)器人，其三維模型如圖11所示。由圖可見，其中的地面機(jī)器人采用足輪混合式構(gòu)型，該機(jī)器人的四條腿每條都有3個(gè)關(guān)節(jié)，和前文所述的一體式構(gòu)型相同。在每條腿上裝備帶有驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輪式結(jié)構(gòu)。輪子分布在機(jī)器人的頭部和尾部，保證機(jī)器人擁有足夠的足部運(yùn)動(dòng)空間。機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依然沿襲了輕量化做法，腿部零件在保證強(qiáng)度的前提下采用鏤空制作。輪式驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用帶有減速器的直流電機(jī)。飛行機(jī)器人部分則采用標(biāo)準(zhǔn)無人機(jī)機(jī)架，其相關(guān)參數(shù)如表5所示。

表5 組合式陸空兩棲機(jī)器人相關(guān)參數(shù)一覽表

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

文章對(duì)小型陸空兩棲機(jī)器人的一體式方案和組合式方案分別進(jìn)行了構(gòu)型研究，兩種方案在理論層面都是可行的，且在工程層面均能實(shí)現(xiàn)所需功能，但它們?cè)趯?shí)用性和可靠性等方面還是存在一些不同。通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)一體式方案在構(gòu)型上更為巧妙，將機(jī)臂和腿機(jī)構(gòu)結(jié)合在一起的想法使機(jī)器人系統(tǒng)在構(gòu)型上大大簡(jiǎn)化，機(jī)器人輕量化的效果得到明顯提升，整個(gè)機(jī)器人的集成度很高。但一體式方案也存在一些明顯的不足。首先，從系統(tǒng)穩(wěn)定性層面看，可旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與飛行器姿態(tài)的穩(wěn)定性要求之間存在矛盾。由于機(jī)器人依靠腿關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，因此旋轉(zhuǎn)自由度必不可少，而在飛行模式下，希望旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)有非常好的位置保持性能。正反槳所產(chǎn)生的升力以及飛行中遇到的氣流波動(dòng)均會(huì)對(duì)關(guān)節(jié)產(chǎn)生沖擊，機(jī)器人非穩(wěn)定降落或者飛行中碰到障礙物也會(huì)對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)產(chǎn)生沖擊，這些沖擊極有可能使電機(jī)的相對(duì)位置發(fā)生偏移，從而影響飛行器的飛行姿態(tài)，還極有可能損壞電機(jī)，因此對(duì)關(guān)節(jié)電機(jī)抗沖擊性能要求很高，這點(diǎn)會(huì)和機(jī)器人低成本制造方案的要求相悖。其次，一體式方案在飛行狀態(tài)下，機(jī)器人每條腿的腿關(guān)節(jié)電機(jī)必須同時(shí)工作，從而保持飛行器穩(wěn)定的飛行姿態(tài)。12個(gè)伺服舵機(jī)同時(shí)長時(shí)間工作，將極大消耗電量，會(huì)顯著縮短續(xù)航時(shí)間，不利于機(jī)器人相關(guān)作業(yè)任務(wù)的順利實(shí)施。

組合式陸空兩棲機(jī)器人構(gòu)型方案和一體式方案相比，地面機(jī)器人和飛行機(jī)器人均保持了各自系統(tǒng)的完整性。飛行機(jī)器人是一個(gè)完整的旋翼飛行器，可以保證飛行的穩(wěn)定性和續(xù)航時(shí)間。同時(shí)組合式方案的優(yōu)勢(shì)在于兩個(gè)機(jī)器人的協(xié)同作業(yè)，飛行機(jī)器人在空中進(jìn)行高角度偵查，提供全局視野。當(dāng)獲得目標(biāo)信息后，指導(dǎo)地面機(jī)器人進(jìn)行細(xì)節(jié)偵查和跟蹤。通過這種協(xié)作，在提高偵查效率的同時(shí)保證了機(jī)器人系統(tǒng)的穩(wěn)定性和續(xù)航時(shí)間。最后，在組合式方案中，地面機(jī)器人給飛行機(jī)器人提供了停泊的平臺(tái)，有利于機(jī)器人的協(xié)作時(shí)位置的共享和機(jī)器人的回收。

綜合來看，組合式方案相對(duì)于一體式方案而言，在功能性、實(shí)用性和穩(wěn)定性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語

文章主要研究了一種小型陸空兩棲機(jī)器人的總體構(gòu)型及其方案設(shè)計(jì)。首先根據(jù)該機(jī)器人要能實(shí)現(xiàn)陸地低角度偵查和空中高角度偵查的使用需求，深入開展了需求分析，確定該機(jī)器人要兼具地面運(yùn)動(dòng)能力和空中運(yùn)動(dòng)能力，其功能是地面機(jī)器人和飛行機(jī)器人的有機(jī)結(jié)合，據(jù)此提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，然后分別探討了一體式和組合式兩種設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了機(jī)構(gòu)的構(gòu)型分析。在一體式構(gòu)型方案中，對(duì)兩自由度結(jié)構(gòu)腿和三自由度結(jié)構(gòu)腿分別進(jìn)行了闡述與分析。最后綜合對(duì)比了一體式構(gòu)型方案和組合式構(gòu)型方案，通過對(duì)優(yōu)缺點(diǎn)的綜合對(duì)比，得出組合式構(gòu)型方案在功能性、實(shí)用性和穩(wěn)定性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，為后續(xù)真實(shí)物理樣機(jī)的研制提供了可靠、可信的依據(jù)。