輪履臂復(fù)合結(jié)構(gòu)巡檢機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)研究

季清華 白大鵬

（浙江大學(xué)濱海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，天津300000）

1 概述

隨著機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等相關(guān)學(xué)科的快速發(fā)展，機(jī)器人的智能化程度越來(lái)越高、應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，巡檢機(jī)器人作為服務(wù)類機(jī)器人中的一種，應(yīng)用前景可觀，是國(guó)內(nèi)外高校和科技類公司研究的焦點(diǎn)之一。

2 輪履臂復(fù)合結(jié)構(gòu)巡檢機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

目前巡檢機(jī)器人種類很多，按照移動(dòng)方式主要分為腿式移動(dòng)機(jī)器人、輪式移動(dòng)機(jī)器人、履帶式移動(dòng)機(jī)器人和復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人等。其中腿式移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)速度慢，控制難度大，輪式移動(dòng)機(jī)器人復(fù)雜路況適用能力差，履帶式移動(dòng)機(jī)器人速度慢，續(xù)航能力差。為此，本文提出一種輪履臂復(fù)合結(jié)構(gòu)機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)主要由左右輪驅(qū)動(dòng)裝置、前后擺臂機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置、車輪、履帶裝置、鏈條傳動(dòng)裝置、擺臂機(jī)構(gòu)、軸、車體及控制系統(tǒng)組成。

圖1 巡檢機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

巡檢機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)的左、右驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)鏈條傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)后退，通過(guò)控制兩側(cè)伺服電機(jī)不同轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎。前、后擺臂機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前側(cè)、后側(cè)擺臂機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。提出的輪履臂復(fù)合結(jié)構(gòu)機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，對(duì)路況的適用能力更強(qiáng)。在平地面行走時(shí)，機(jī)器人主要由車輪與地面接觸，可實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)并大大提高續(xù)航能力；爬坡、爬樓梯、越障時(shí)主要由履帶與地面接觸，增加機(jī)器人整體接觸面積，提高機(jī)器人復(fù)雜崎嶇路面的行駛能力；在復(fù)雜路況下行駛時(shí)，擺臂結(jié)構(gòu)配合使用，可大大增加機(jī)器人在爬樓梯、越障時(shí)的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。

3 輪履臂復(fù)合結(jié)構(gòu)機(jī)器人越障過(guò)程分析

巡檢機(jī)器人移動(dòng)控制系統(tǒng)主要由主控板、激光雷達(dá)、IMU 慣導(dǎo)系統(tǒng)、里程計(jì)傳感器、驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)等組成，同時(shí)控制系統(tǒng)內(nèi)置地圖。巡檢機(jī)器人在自動(dòng)巡航過(guò)程中，通過(guò)激光雷達(dá)實(shí)時(shí)定位，并通過(guò)與地圖比對(duì)，判斷行使過(guò)程中檢測(cè)到的障礙物為預(yù)設(shè)障礙物或未知障礙物，對(duì)于未知障礙物，巡檢機(jī)器人采用自動(dòng)避障功能，通過(guò)路徑重新規(guī)劃實(shí)現(xiàn)機(jī)器人繞障。對(duì)于預(yù)設(shè)障礙物，巡檢機(jī)器人采用越障功能，通過(guò)實(shí)時(shí)判斷機(jī)器人與障礙物的位置關(guān)系，按照程序預(yù)設(shè)，擺臂機(jī)構(gòu)在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)時(shí)調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平穩(wěn)越障，越障流程參照?qǐng)D2 。

圖2 巡檢機(jī)器人越障功能控制流程圖

巡檢機(jī)器人越障過(guò)程可以大致分為5 個(gè)階段：前履帶搭上障礙物、前履帶越上障礙物、前履帶越過(guò)障礙物、后履帶越上障礙物和后履帶越過(guò)障礙物。

圖3 巡檢機(jī)器人越障過(guò)程分析

巡檢機(jī)器人在越障時(shí)首先通過(guò)調(diào)整前側(cè)擺臂機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度，使前履帶搭上障礙物，機(jī)器人左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前履帶越上障礙物，同時(shí)，后擺臂機(jī)構(gòu)在伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，支起整個(gè)機(jī)器人，確保機(jī)器人底部不觸碰到障礙物。機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)，后履帶接觸障礙物后，隨著機(jī)器人向前行駛，后擺臂機(jī)構(gòu)不斷調(diào)整后履帶角度，使機(jī)器人平穩(wěn)越過(guò)障礙物。

4 樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證巡檢機(jī)器人在不同復(fù)雜路況下的機(jī)動(dòng)性及越障能力，對(duì)設(shè)計(jì)制作的巡檢機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行越障性能測(cè)試，測(cè)試用障礙物高200mm，寬150mm，如圖4 所示：

圖4 巡檢機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)越障功能測(cè)試

試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)在擺臂機(jī)構(gòu)的配合下，可平穩(wěn)越過(guò)200mm 的障礙物，越障全程移動(dòng)系統(tǒng)底部未觸及障礙物。經(jīng)測(cè)試，巡檢機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)在平坦油漆路面最高速度可達(dá)2.5m/s，最高越障高度可達(dá)250mm。輪履臂復(fù)合結(jié)構(gòu)的巡檢機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)可根據(jù)路況的不同自主切換運(yùn)動(dòng)模式，適用多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)地形。

5 結(jié)論

本文提出了一種輪履臂復(fù)合結(jié)構(gòu)巡檢機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)自主切換不同運(yùn)動(dòng)模式，可實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人在多種復(fù)雜路況下的行駛，并具有強(qiáng)大的機(jī)動(dòng)性及穩(wěn)定性，通過(guò)搭載不同功能模塊，可制作不同用途的移動(dòng)機(jī)器人，具有廣闊的市場(chǎng)前景。