可爬腿輪混合機器人

楊軒軒 郭星宇 金章勇 王瀚琦

摘 ?要：越障機器人是機器人領(lǐng)域的一個重要分支，主要憑借傳感器等設(shè)備在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境里進(jìn)行自主決策及動作執(zhí)行，多運用于地形檢測，災(zāi)害搜救等方面。本文將對越障機器人背景進(jìn)行簡單介紹，并將對其組成原理和市場應(yīng)用進(jìn)行進(jìn)行分析

關(guān)鍵詞：越障機器人;腿輪混合;組成原理和市場應(yīng)用

1越障機器人的背景

首先是項目背景，眾所周知，越障機器人是機器人領(lǐng)域的一個重要分支，主要憑借傳感器等設(shè)備在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境里進(jìn)行自主決策及動作執(zhí)行，多運用于地形檢測，災(zāi)害搜救等方面。

現(xiàn)在主流地面機器人偵察系統(tǒng)主要可分輪式、履帶式和特殊行走機構(gòu)三類平臺，其中輪式結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)成熟、控制簡便、行進(jìn)速度和傳動效率高等優(yōu)點，為地面機器人最常采用的形式。然輪式機器人在安防巡邏和軍事偵察等領(lǐng)域已經(jīng)嶄露頭角，是執(zhí)行外星球探測任務(wù)的種種著陸器的主要類型。輪式結(jié)構(gòu) 主要應(yīng)用于從微型到大型的多種規(guī)格的機器人，又可分為兩輪、三輪、四輪和多輪等結(jié)構(gòu)，履帶式結(jié)構(gòu)有很好的越障和在復(fù)雜惡劣地面上保持機動性的能力，且具備良好的承載能力，因而成為軍用地面機器人常采用的形式之一，多用于排爆、巡邏和輔助作戰(zhàn)等重要方面。履帶式結(jié)構(gòu)多見于中小型機器人，有單節(jié)、雙節(jié)、多節(jié)和多種特殊結(jié)構(gòu)。，此外，地面機器人還有腿式、輪腿式等特殊結(jié)構(gòu)。腿式機器人對各種地形的適應(yīng)性比較強，穩(wěn)定性較高，然而機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)算法都相當(dāng)復(fù)雜，且仿生腿機器人的機動性較自然界的節(jié)肢動物有較大差距。但因其 具有獨特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，腿式機器人仍然是未來機器人的一個重要研究方向，輪腿式機器人多為輪式機器人的變型，在機械結(jié)構(gòu)變化不太大的情況下顯著提高了其越障能力，但機器人穩(wěn)定性比較差，且控制相對與普通輪式機器人更復(fù)雜。

目前多數(shù)越障機器人均為單一的輪式，履帶式，或足式，而這三種形式分別存在越障能力弱，能量利用率低，負(fù)重比差等不足?；旌鲜浇Y(jié)構(gòu)雖有研發(fā)但大多由于能耗較大，成本過高，控制復(fù)雜等從而難以普及。

輪式/四足可變形智能偵察機器人是一款能在較復(fù)雜地形環(huán)境下行走運動的偵察機器人，它是在輪式運動的車體上增加四足行走機構(gòu)，通過車體變形達(dá)到行走模式轉(zhuǎn)變的目的，該機器人將輪式行走和四足行走兩種運動形式相結(jié)合，前者適于平坦地面的輪式快速移動，后者適于較復(fù)雜地面（如廢墟）上的四足行走。同時可通過自行設(shè)計的手持遙控器對機器人移動及攝像頭云臺進(jìn)行控制，將獲得的傳感器數(shù)據(jù)及視頻實時傳至手持遙控器及上位計算機平臺。

為解決這些問題，我們特研發(fā)了這款輪腿混合式越障機器人。

2組成原理原理

該作品僅由一個電機帶動，采取輪腿混合模式的同時使用普通圓形輪加越障用扇形輪的結(jié)構(gòu)，除此之外機構(gòu)創(chuàng)新，多種運動模式可以自由切換并在后期可以兩棲使用。

通過相對較長的腿設(shè)計使得我們產(chǎn)品橫縱向自由度均較高，同時主體結(jié)構(gòu)設(shè)計精巧，較小的體型使得產(chǎn)品在狹窄的環(huán)境里也能運動自如。

采取普通圓形輪加越障用扇形輪的設(shè)計，較好的中和了單一模式的不足，并能依據(jù)環(huán)境選擇不同的輪子行進(jìn)，有效提高機器人性能。

特殊的輪腿設(shè)計使得機器人運動模式多樣，除能夠輕松越過障礙外還能在相對狹窄的墻體縫隙中上下攀爬。

創(chuàng)新性的將扇形輪和普通輪相結(jié)合，同時保障機器人的越障能力和行駛的穩(wěn)定性。并且機構(gòu)創(chuàng)新，僅由一個電機帶動機器運行，相對已有越障機器人較大程度上降低了產(chǎn)品能耗，有效的節(jié)約成本。至于作品操作也極為簡便。

除此還有運動模式多，體型精巧，可搭載多種傳感器等優(yōu)勢。

主體的渦輪設(shè)計使機器人能夠自主決定落地輪，如圖所示，機器人即便摔倒也能迅速爬起，并能根據(jù)地形選擇合適的輪著地。

3市場應(yīng)用

創(chuàng)新性的將扇形輪和普通輪相結(jié)合，同時保障機器人的越障能力和行駛的穩(wěn)定性。并且機構(gòu)創(chuàng)新，僅由一個電機帶動機器運行，相對已有越障機器人較大程度上降低了產(chǎn)品能耗，有效的節(jié)約成本。至于作品操作也極為簡便。

除此還有運動模式多，體型精巧，可搭載多種傳感器等優(yōu)勢。

因此，我們的作品在民用，科學(xué)，軍事等多個領(lǐng)域相對已有的越障機器人能夠提供更多元的服務(wù)，同時較低的成本也使得作品性價比較高，能更好的滿足用戶需求，市場前景十分樂觀。

而在作品的后續(xù)研發(fā)中，我們將通過硬件升級，技術(shù)改進(jìn)，增強其適用性，安全性和自動化程度，增設(shè)感知系統(tǒng)、模式識別等智能板塊，促使作品更加智能化，并將研發(fā)更多型號的越障機器人，擴大作品應(yīng)用領(lǐng)域，促進(jìn)機器人技術(shù)發(fā)展，使越障機器人創(chuàng)造更多價值。

參考文獻(xiàn)

[1] ?唐新星，范大川，韓方元，崔玉定.基于雙6-UPU并聯(lián)機構(gòu)的步行機器人步行越障步態(tài)仿真與試驗（英文）[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35（08）：83-91

[2] ?魏軍英，楊世強，王吉岱，張彥囡，王鵬.八輪式爬樓越障機器人設(shè)計與仿真分析[J/OL].機械科學(xué)與技術(shù)：1-6[2019-07-11].

[3] ?李琳，李超宇，楊冰冰.基于行星輪機構(gòu)履帶式煤礦偵察機器人越障性能分析[J].煤炭技術(shù)，2018，37（11）：289-292

作者簡介：楊軒軒（1997-），男，漢族，鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院2016級學(xué)生。