半輪足式機(jī)器人的設(shè)計(jì)及研究

李君科

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541000）

0 引 言

在頻發(fā)的自然災(zāi)害下，人類迫切希望收集災(zāi)區(qū)相關(guān)信息、救助被困人員以及對(duì)事故進(jìn)行評(píng)估和防范。這些事故都有共同的特征，即非規(guī)整地形，人類很難或根本進(jìn)不到這樣的環(huán)境中。因此，迫切需要一種適應(yīng)于上述環(huán)境下的移動(dòng)設(shè)備以達(dá)到相應(yīng)的目的。為此，研究者和學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，各種類型的設(shè)備被陸續(xù)提出。而越障機(jī)器人作為其中的重要組成部分，得到了前所未有的重視，其不僅具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)性和越障能力，還能保持一定的移動(dòng)速度。將越障機(jī)器人應(yīng)用在上述環(huán)境中為人們服務(wù)，那么將會(huì)有巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益?；诖耍且?guī)整地形行走的越障機(jī)器人日益得到了國(guó)內(nèi)外眾多研究人員和社會(huì)的重視，成為移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)充滿活力、具有挑戰(zhàn)性的前沿發(fā)展方向。

1 相關(guān)工作

對(duì)于越障機(jī)器人，典型的有文獻(xiàn)[1]以Mecanum輪為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了輪腿式的機(jī)器人以提高登臺(tái)越障運(yùn)動(dòng)的能力。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種可變形的輪子機(jī)構(gòu)，使得機(jī)器人越障能力得到提高。文獻(xiàn)[3]采用六輪越障形式，通過(guò)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)差速轉(zhuǎn)向的方式實(shí)現(xiàn)了全地形機(jī)器人。文獻(xiàn)[4]對(duì)雙搖臂履帶式礦山機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，利用GA?PSO算法對(duì)單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解，得到機(jī)器人最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。為了減少震動(dòng)以及提高越障穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[5]通過(guò)RPY變換，建立坐標(biāo)系以獲得煤礦救援機(jī)器人的質(zhì)心信息，進(jìn)而分析機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性以得到機(jī)器人最大越障能力。在輪腿越障研究方面，文獻(xiàn)[6]對(duì)八足腿結(jié)構(gòu)機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)與越障的仿真，驗(yàn)證了八足腿結(jié)構(gòu)機(jī)器人具有良好的越障能力。文獻(xiàn)[7?9]對(duì)仿生六足機(jī)器人進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)越障機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)，研究步態(tài)控制，分析越障能力。

目前，使用步態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人中使用最多的為三角步態(tài)[7?11]或三角步態(tài)的衍生步態(tài)[12?13]，這種步態(tài)能夠保證機(jī)器人機(jī)體的穩(wěn)定性[9，12]。文獻(xiàn)[7?10]是使用仿生步態(tài)方式使機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的典型代表。文獻(xiàn)[9]分析了仿蟹機(jī)器人的穩(wěn)定性及功耗。文獻(xiàn)[8?10]利用三角步態(tài)對(duì)六足機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)控制，使機(jī)器人表現(xiàn)出了良好的運(yùn)動(dòng)性。綜上，使用輪腿方式使機(jī)器人行走和越障，在越障中使用類三角步態(tài)行走。在規(guī)整地形中使用輪式方式進(jìn)行行走。使用三角步態(tài)不僅能夠使得機(jī)器人更好的運(yùn)動(dòng)，也可以保證機(jī)器人的穩(wěn)定性，但其存在一個(gè)明顯的不足就是使用這個(gè)步態(tài)在負(fù)重的情況下越障效果不理想。而工作在災(zāi)害環(huán)境下的機(jī)器人要擔(dān)負(fù)一定的設(shè)備或儀器來(lái)完成任務(wù)，因此對(duì)使用特定越障機(jī)構(gòu)的機(jī)器人在災(zāi)害環(huán)境下的步態(tài)規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)控制成為一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。

2 半輪足越障機(jī)器人的設(shè)計(jì)

本文提出以半輪足式越障機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)建的半輪足式機(jī)器人。首先，在工作環(huán)境、越障能力和運(yùn)動(dòng)效率等指標(biāo)的約束下提出半輪足越障機(jī)構(gòu)并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建半輪足式越障機(jī)器人，根據(jù)半輪足式越障情況確定了六足全半輪足式越障機(jī)器人以及六足前后半輪足式越障機(jī)器人，如圖1所示。其次，針對(duì)冗余設(shè)計(jì)的六足半輪足式越障機(jī)器人依據(jù)越障條件和負(fù)重性因素提出前后足交替步態(tài)以及前足交替步態(tài)。最后，分析了步態(tài)的穩(wěn)定性并確定機(jī)器人的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了配合步態(tài)運(yùn)動(dòng)的控制電路。

圖1 六足全半輪足機(jī)器人及六足前后半輪足機(jī)器人

圖2展示了六足機(jī)器人的控制電路圖。其中，控制器為兩塊AT89C52，一塊用于控制電機(jī)工作，另一塊負(fù)責(zé)接收紅外控制信號(hào)，如圖2右下端所示，紅外接收器為SM0038。圖2中，M1~M6為機(jī)器人馬達(dá)，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的半輪足。其驅(qū)動(dòng)芯片為L(zhǎng)298N，由于一塊L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，因此驅(qū)動(dòng)六足需3塊L298N芯片可以完成6個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。為了隔離L298N芯片和AT89C52控制器的信號(hào)之間的干擾，采用廣電耦合器進(jìn)行信號(hào)隔離，單片機(jī)的每個(gè)控制引腳和L298N控制器的輸入信號(hào)之間設(shè)置了光耦隔離，如圖2中的OPS01到OPS12。為了更好地檢測(cè)到半輪腿的狀態(tài)，采用安裝在機(jī)體上的一體化反射型光電探測(cè)器RPR220，在半輪腿上對(duì)應(yīng)位置上貼有縮小的和半輪足形狀相同的黑白相間的信號(hào)反射源。為了更好地采集信號(hào)，采用了LM339電壓比較器，如圖2右上角所示。為了更好地獲取機(jī)器人的狀態(tài)，采用了串口的方式收集機(jī)器人的狀態(tài)信息，如圖2左上角所示。

圖2 六足機(jī)器人控制電路圖

3 半輪足機(jī)器人的步態(tài)控制及其穩(wěn)定性分析

依據(jù)提出的半輪足越障機(jī)構(gòu)建立兩類半輪足越障機(jī)器人，分別為六足全半輪足機(jī)器人和六足前后半輪足機(jī)器人。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)典型的三角步態(tài)的負(fù)重面不足的問(wèn)題對(duì)半輪足機(jī)器人進(jìn)行了步態(tài)研究，提出了六足前后半輪足機(jī)器人的前后足交替步態(tài)，如圖3所示。在圖3中，L1，L2及L3表示機(jī)器人左側(cè)從上到下編號(hào)為1，2和3的輪足；R1，R2及R3表示機(jī)器人右側(cè)從上到下編號(hào)為1，2和3的輪足。步態(tài)中的黑色區(qū)域表示機(jī)器人當(dāng)前輪足是支撐態(tài)，而白色區(qū)域則表示為騰空態(tài)。圖3中，由于采用的是前后半輪結(jié)構(gòu)，因此左右兩側(cè)位于中間的輪足是標(biāo)準(zhǔn)的圓足。其行走按如下規(guī)則進(jìn)行，L1和R1為一組，L3和R3為一組，相互在騰空態(tài)和支撐態(tài)交替，以此完成機(jī)器人的行走。全半輪足機(jī)器人的四足交替步態(tài)如圖4所示。其中，L1和R2為一組，R1和L3為一組，L2和R3為一組。其行走規(guī)則如下，在兩組為支撐態(tài)時(shí)，第三組為騰空態(tài)。當(dāng)切換為下一狀態(tài)時(shí)，支撐態(tài)中的一組保持，另一組則配合第3組切換為支撐態(tài)，以此循環(huán)往復(fù)。前后半輪足機(jī)器人四足交替步態(tài)如圖5所示，與前后半輪足機(jī)器人的前后足交替步態(tài)類似，再次不再贅述。全半輪機(jī)器人五足步態(tài)如圖6所示。其行走規(guī)則如下：每一個(gè)輪足都為一組，在當(dāng)前時(shí)刻，總有5個(gè)足處于支撐狀態(tài)，第6個(gè)處于騰空態(tài)。

圖3 前后半輪足機(jī)器人的前后足交替步態(tài)

圖4 全半輪足機(jī)器人的四足交替步態(tài)

圖5 前后半輪足機(jī)器人四足交替步態(tài)

圖6 全半輪機(jī)器人五足步態(tài)

其次，對(duì)步態(tài)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，采用了重心投影法選取了典型的四足步態(tài)進(jìn)行了分析，如圖7所示。根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定裕度法，重心投影到支撐邊的距離最小值為靜態(tài)穩(wěn)定步行的穩(wěn)定裕度。設(shè)穩(wěn)定裕度為Sssm，則Sssm=min(PF,PR,PE)。由圖7可以看出，當(dāng)機(jī)器人處于該狀態(tài)時(shí)為其行走的極限狀態(tài)。此時(shí)PF是最小的，如果點(diǎn)F（xF，yF）的yF值小于0，則機(jī)器人的重心落在ABDC區(qū)域內(nèi)，此時(shí)機(jī)器人的步態(tài)是穩(wěn)定的。此時(shí)yF為：

圖7 四足步態(tài)的穩(wěn)定性分析

而B點(diǎn)和D點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：

式中：m為機(jī)體橫向長(zhǎng)度；l為機(jī)體縱向長(zhǎng)度。

將式（2）代入式（1）得：

而在機(jī)器人機(jī)體設(shè)計(jì)中，機(jī)體縱向長(zhǎng)度大于3個(gè)輪子直徑，即6r

圖8 負(fù)重物放置范圍分析

對(duì)于機(jī)器人的越障能力的分析，采用理論分析和實(shí)踐結(jié)合，以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析相結(jié)合的方式。單個(gè)半輪足的越障能力靜態(tài)分析中，其理想越障高度L與所缺弧度W有關(guān)，它們之間的關(guān)系如下：

在六足機(jī)器人整體越障能力分析中，其理想越障高度L除所缺弧度W有關(guān)外，還與機(jī)體驅(qū)動(dòng)力F以及越障系數(shù)γ有關(guān)，它們之間的關(guān)系如下：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

針對(duì)上述提出的前后半輪足機(jī)器人的前后足交替步態(tài)、前后半輪足機(jī)器人四足交替步態(tài)、全半輪足機(jī)器人的四足交替步態(tài)以及全半輪機(jī)器人五足步態(tài)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證步態(tài)、弧度與越障能力之間的關(guān)系，如表1所示。由表中的弧度和越障能力之間的關(guān)系可以看出，無(wú)論采用任何步態(tài)，弧度越大則越障能力越強(qiáng)，最大的越障能力對(duì)應(yīng)的弧度為π2。對(duì)比典型的三足步態(tài)，前后半輪足機(jī)器人采用的前后足交替步態(tài)及四足步態(tài)，在越障能力上弧度為π2時(shí)分別提高了0.13 cm和0.8 cm；在弧度為0和π4時(shí)也有所提高，主要在于弧度為0時(shí)，有多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生了較三足步態(tài)更多的驅(qū)動(dòng)力而使越障能力得到提高。同樣，效果也反映在全半輪足機(jī)器人中的四足步態(tài)和五足步態(tài)上。對(duì)比五足步態(tài)和四足步態(tài)，可以看出五足步態(tài)在越障能力上要比四足步態(tài)有一定的優(yōu)勢(shì)，但是其是以損失速度和單位能耗內(nèi)行駛的距離為代價(jià)的。綜上所述，步態(tài)和弧度影響越障能力；步態(tài)中驅(qū)動(dòng)力越大，越障能力越優(yōu)；弧度越大（最大為π2），越障能力越優(yōu)。

表1 步態(tài)、弧度與越障能力之間的關(guān)系

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)當(dāng)前越障機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題，本文提出半輪足機(jī)器人并對(duì)其展開研究，分析其越障能力，設(shè)計(jì)其對(duì)應(yīng)的步態(tài)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)步態(tài)的控制。最后對(duì)步態(tài)及其對(duì)應(yīng)的越障能力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的越障步態(tài)驗(yàn)證了提出的越障機(jī)構(gòu)具有一定的越障能力且驗(yàn)證了步態(tài)和弧度影響越障能力；步態(tài)中驅(qū)動(dòng)力越大，越障能力越優(yōu)；弧度越大（最大為π2），越障能力越優(yōu)。