步履式全地形六足機(jī)器人

楊 政， 馬春燕， 竇銀科， 王煜塵

(太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

引言

中國的極地科學(xué)考察事業(yè)距今已30多年，極地科學(xué)考察的環(huán)境十分惡劣，為了避免污染，對科研人員的要求苛刻，一些非常規(guī)極端環(huán)境還無科學(xué)考察的足跡，因此進(jìn)行極地?zé)o人科考有很大的發(fā)展空間。目前極地科考用機(jī)器人只有傳統(tǒng)的履帶式或輪式結(jié)構(gòu)，步履式和六足仿生結(jié)構(gòu)的機(jī)器人在極地科考的應(yīng)用十分罕見[1]。

近年來，輪足式機(jī)器人已成為國內(nèi)外研究熱點。美國Boston Dynamics公司首款輪腿式機(jī)器人“Handle”，在結(jié)構(gòu)上采用仿人形設(shè)計，以車輪代替足端，具有快速移動的能力，同時，能夠?qū)崿F(xiàn)原地快速旋轉(zhuǎn)與爬坡功能[2]；瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)機(jī)器人實驗室在2018年研制出名為“ANYmal”的四足輪腿式機(jī)器人，該輪式四足機(jī)器人在地面和傾斜地形上行走時，表現(xiàn)出高魯棒性和動態(tài)穩(wěn)定性，甚至被推倒后，仍可爬起來繼續(xù)移動[3]； 日本東京工業(yè)大學(xué)SHIGEO等研制的Roller-Walker輪足混合式機(jī)器人，該機(jī)器人足端有一個轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)崎嶇地形時，采用足式運動，當(dāng)?shù)孛嫫交瑫r，該機(jī)構(gòu)使其轉(zhuǎn)換成輪式運動[4]。國內(nèi)輪足式機(jī)器人起步較晚，但發(fā)展速度很快。清華大學(xué)在早期設(shè)計了含有8個車輪的輪腿式移動機(jī)器人，均勻分布在車身兩側(cè)，在進(jìn)行越障或腿式模式運動時，2個車輪豎直排列，當(dāng)作機(jī)器人的腿部。北京理工大學(xué)啟動“北理哪吒”項目，創(chuàng)新性提出了電動并聯(lián)式輪足機(jī)器人總體思路，將4個并聯(lián)六自由度運動平臺倒置，并在每個平臺下端安裝車輪組件，形成可實現(xiàn)輪式、足式和輪足復(fù)合式運動的電動并聯(lián)式輪足機(jī)器人—北理哪吒(BIT-NAZA)[5]。

但是上述機(jī)器人存在不足之處：輪式機(jī)械行駛結(jié)構(gòu)主要缺點是附著力小，通過性能較差；履帶式行駛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大，而且沒有像輪胎那樣的緩沖作用，易使零部件磨損，所以其機(jī)動性差，行駛速度較低，且易損壞路面；四輪腿結(jié)構(gòu)的機(jī)器人的足式運動速度慢，運動效率低且易側(cè)翻[6]。

提出了一種步履式全地形六足機(jī)器人，將履帶式與六足仿生結(jié)構(gòu)相結(jié)合，克服傳統(tǒng)履帶式行駛結(jié)構(gòu)不能在復(fù)雜地形工作的缺點，利用獨立多自由度轉(zhuǎn)向液壓支腿進(jìn)行自由角度調(diào)整，補償?shù)匦瓮拱几叨炔?；同時采用導(dǎo)電滑環(huán)和掛膠履帶設(shè)計，機(jī)器人360°無死角轉(zhuǎn)動，可有效解決一般輪式或履帶式機(jī)器人在極地極惡劣自然環(huán)境下難以正常行進(jìn)、非常規(guī)環(huán)境無法進(jìn)行科考等等一系列問題。其優(yōu)越的越野能力可以使其搭載不同的設(shè)備，完成各種不同任務(wù)類型的科考工作[7]。

步履式全地形六足機(jī)器人主體由中心腹部和六足組成，如圖1所示。其中六足呈中心對稱，均采用兩軸承座固定在中心腹部上， 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、剛性好，并且用舵機(jī)驅(qū)動整足轉(zhuǎn)動[8]，表1所示為步履式全地形六足機(jī)器人運動性能參數(shù)。

圖1 步履式全地形六足機(jī)器人

表1 運動性能參數(shù)

1 系統(tǒng)整體方案

1.1 腹部結(jié)構(gòu)

1) 結(jié)構(gòu)概述

中心腹部結(jié)構(gòu)如圖2所示，腹部是由1塊2 mm的玻纖下中心板、1塊2 mm的碳纖上中心板和6塊2 mm 的碳纖側(cè)板組成的扁平六棱柱，迎風(fēng)面積小，整體結(jié)構(gòu)輕且承載力大。

圖2 中心腹部結(jié)構(gòu)

根據(jù)空氣阻力公式：

(1)

式中,C—— 空氣阻力系數(shù)，與物體的迎風(fēng)面積、物體光滑程度以及物體的形狀有關(guān)

ρ—— 空氣密度，正常的干燥空氣可取1.293 g/L

S—— 物體迎風(fēng)面積

v—— 物體與空氣的相對運動速度

在設(shè)計機(jī)器人的腹部時，為減少迎風(fēng)面積，可以在遭遇風(fēng)暴的情況下減小受到的阻力，以保證機(jī)器人的穩(wěn)定性[9]。

中心腹部內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，置有控制中心，包括主控板、舵機(jī)驅(qū)動板、直流減速電機(jī)驅(qū)動板和6個轉(zhuǎn)向舵機(jī)[10]。

圖3 中心腹部內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2) 主控板

主控板是整個六足機(jī)器人的控制核心，負(fù)責(zé)人機(jī)交互以及協(xié)調(diào)機(jī)器人整體運動。選用意法半導(dǎo)體集團(tuán)生產(chǎn)的STM32F407ZGT6單片機(jī)，擁有高達(dá)(192+4) kB的SRAM，16 MB內(nèi)存空間，主頻為168 MHz，在浮點運算和數(shù)據(jù)處理當(dāng)中有及其突出的優(yōu)勢，非常適用于所設(shè)計的六足機(jī)器人[11]。

3) 舵機(jī)驅(qū)動板和直流減速電機(jī)驅(qū)動板

舵機(jī)驅(qū)動板和直流減速電機(jī)驅(qū)動板均采用Altera公司生產(chǎn)的低功耗的復(fù)雜可編程邏輯器件EPM1270 T144I5芯片。將舵機(jī)控制程序?qū)懭攵鏅C(jī)驅(qū)動板內(nèi)，控制6個轉(zhuǎn)向舵機(jī)，負(fù)責(zé)六足的水平轉(zhuǎn)動。通過實驗測試，每足回轉(zhuǎn)范圍可達(dá)60°。將電機(jī)控制程序?qū)懭胫绷鳒p速電機(jī)驅(qū)動板內(nèi)，控制直流減速電機(jī)，負(fù)責(zé)6個履帶小車精確爬行。

4) 舵機(jī)

采用DS3120MG型單軸數(shù)字舵機(jī)，體積小、扭力大(具有20 kg扭力)、質(zhì)量輕、散熱性能好，同時舵機(jī)內(nèi)部自帶控制電路和比例電位器。舵機(jī)控制流程如圖4所示，控制脈沖輸入舵機(jī)的控制電路中，可控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動，同時將比例電位器內(nèi)信息通過比例電壓返回控制電路中，實時監(jiān)控舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度[12]。因此，舵機(jī)更加適合在六足機(jī)器人上使用。

圖4 舵機(jī)控制流程

1.2 足部結(jié)構(gòu)

足部結(jié)構(gòu)如圖5所示，六足均由機(jī)械臂(大臂和小臂)和履帶小車構(gòu)成，萬向節(jié)連接小臂和履帶小車。機(jī)械臂有4個自由度： 水平回轉(zhuǎn)、大臂上下擺動、小臂上下擺動以及小車自由回轉(zhuǎn)。每足采用兩軸承座固定在腹部，結(jié)構(gòu)緊湊、回轉(zhuǎn)靈敏、裝配維護(hù)方便。

圖5 足部結(jié)構(gòu)

1) 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

機(jī)械臂采用鋁合金制成，大臂長為35 cm，小臂長為30 cm，大小臂之間轉(zhuǎn)動角度達(dá)15°。大臂上下擺動和小臂上下擺動均采用L1101010101型電動推桿驅(qū)動，輸入電壓為12 V，推力可達(dá)到60 N，體積小、精度高，使用DS3120MG舵機(jī)直接驅(qū)動。同時，大臂和小臂均采用鏤空設(shè)計，重量輕，同時減少迎風(fēng)面積，減小所受阻力[13]。

2) 導(dǎo)電滑環(huán)

導(dǎo)電滑環(huán)如圖6所示，小臂與履帶小車采用萬向節(jié)連接，可自由擺動，同時采用H083-0605TC型導(dǎo)電滑環(huán)設(shè)計，實現(xiàn)小車360°回轉(zhuǎn)無死角。具有體積小、扭矩低、損耗小、電噪聲低等優(yōu)點，非常適用于六足機(jī)器人的設(shè)計[14]。

圖6 導(dǎo)電滑環(huán)

導(dǎo)電滑環(huán)可以實現(xiàn)機(jī)器人小臂和履帶小車信號及電流的傳遞，是一種可旋轉(zhuǎn)的連接器。導(dǎo)電滑環(huán)主要分為定子和轉(zhuǎn)子兩部分，其中定子采用金屬環(huán)，轉(zhuǎn)子采用電刷絲，定子和轉(zhuǎn)子分別連接輸入輸出導(dǎo)線。導(dǎo)電滑環(huán)工作時，轉(zhuǎn)子隨著設(shè)備轉(zhuǎn)動，定子始終不動，轉(zhuǎn)子可以實現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn)。通過定子中環(huán)片的滑動與轉(zhuǎn)子中電刷絲的接觸摩擦傳遞信號，這種方式的優(yōu)點是在保持傳輸信號的同時不發(fā)生繞線事故。

傳統(tǒng)機(jī)器人運動關(guān)節(jié)通常采用舵機(jī)控制，改進(jìn)后采用舵機(jī)和導(dǎo)電滑環(huán)結(jié)合的驅(qū)動方式。一是可以利用導(dǎo)電滑環(huán)獲取關(guān)節(jié)的偏移量，機(jī)械臂下部的全向關(guān)節(jié)因崎嶇的地形移動時，導(dǎo)電滑環(huán)會產(chǎn)生一個角度偏移的返回值，用以調(diào)整修正關(guān)節(jié)角度，防止因為通過崎嶇地面造成的履帶方向偏轉(zhuǎn)，比傳統(tǒng)的舵機(jī)更能適應(yīng)凹凸不平的地形；二是導(dǎo)電滑環(huán)可以實現(xiàn)任意角度自由轉(zhuǎn)動，帶動萬向關(guān)節(jié)360°無死角轉(zhuǎn)動[15]。

3) 履帶小車

為了應(yīng)對不同復(fù)雜崎嶇的地形，機(jī)器人的履帶采用掛膠履帶，可以方便更換橡膠模塊以應(yīng)對不同的工作環(huán)境。履帶替換有以下幾種：

(1) 常規(guī)行進(jìn)履帶如圖7所示，用于通常情況下的機(jī)器人行進(jìn)，其厚度、寬度均與履帶基體本身相同，花紋深度與數(shù)量始終，適用平整路面上；

圖7 常規(guī)行進(jìn)履帶

(2) 松軟易陷地面行進(jìn)履帶如圖8所示， 用于在地質(zhì)松軟車體容易陷入的地面行進(jìn)，其長度大大增加，可以減小車體對于地面的壓強(qiáng)，防止陷入和幫助快速通過；

圖8 松軟易陷地面行進(jìn)履帶模塊

(3) 崎嶇路面行進(jìn)履帶如圖9所示，用于巖架，溝壑地區(qū)的行進(jìn)，采用三棱柱形金屬履帶模塊，相比于橡膠模塊大大加強(qiáng)對于巖石的固定強(qiáng)度防止其在翻越巖體、溝壑時滑落；

圖9 崎嶇路面行進(jìn)履帶

(4) 防滑行進(jìn)履帶如圖10所示，用于冰面等較為光滑的地面行進(jìn)，其突出的大量鋸齒使車體摩擦力大大增加，減少車體的打滑并幫助快速通過[12]。

圖10 防滑行進(jìn)履帶

為了延長履帶板的使用壽命，經(jīng)過多種材料的測試，最終在履帶板中加入橡膠襯套。首先，橡膠襯套的彈性變形能力較強(qiáng)，履帶小車運動時噪聲小，減振效果強(qiáng)；其次，橡膠襯套中的橡膠形狀可靈活改變，可自由選擇各個方向的剛度；同時，橡膠襯套結(jié)構(gòu)簡單，可添加在金屬材質(zhì)的履帶板上，并且可輕易承受各個方向的載荷。在設(shè)計橡膠襯套時，應(yīng)采用圓柱體形狀，根據(jù)受力測試分析，一般橡膠襯套容易在與履帶板帖接部分以及折疊彎曲部分產(chǎn)生損壞，所以在其端部設(shè)計為圓角可以更好的提高其使用壽命[16]。

2 六足機(jī)器人動力設(shè)計

步履式全地形六足機(jī)器人采用改進(jìn)的步履式動力設(shè)計。六足分散在不同區(qū)域，相對傳統(tǒng)運動方式更有利于尋找到較大的支撐面積以及最合適的支撐位置，進(jìn)而更有利于穿過崎嶇復(fù)雜路面；其次，步履式系統(tǒng)在路況較為崎嶇以及松軟地面上可以做到主動減振，這也是傳統(tǒng)運動方式難以解決的問題。根據(jù)測試數(shù)據(jù)表明，在崎嶇不平的堅硬地面上行駛的平均速度為：履帶式工程車輛為8～16 km/h ，輪式車輛為5～8 km/h，而足式動物的奔跑速度最高可達(dá)56 km/h；在有25.4 cm(1 in)深軟土的地面上履帶式車輛所需要的推進(jìn)功率7.46 kW/t，輪式車輛所需要的推進(jìn)功率為11.3 kW/t，而足式行走車輛只需要5.22 kW/t。因此可知步行式運動方式較傳統(tǒng)的運動方式速度更快，同時更加節(jié)省能量[17]。

但是步履式結(jié)構(gòu)采用輪式與步行機(jī)構(gòu)結(jié)合，輪式結(jié)構(gòu)存在較為明顯的缺陷，在冰面、瓷磚等光滑地面上摩擦較小，非常容易打滑，造成不必要的損失。履帶式結(jié)構(gòu)彌補了輪式結(jié)構(gòu)這一缺陷，其牽引性能和通過性能更加出色，并且履帶板上都有履齒，可深入質(zhì)地松軟的地面中，相對而言適用于更多的復(fù)雜地形[18]。所以將步履式中的輪式機(jī)構(gòu)改進(jìn)為履帶式，采用步履式行走機(jī)構(gòu)與履帶式機(jī)構(gòu)的結(jié)合來解決這一問題。與傳統(tǒng)履帶式機(jī)器人只能在相當(dāng)平坦的地面上才能工作相比，更換履帶式結(jié)構(gòu)的步履式機(jī)器人可以自由地根據(jù)不同需求調(diào)整其足部關(guān)節(jié)，實現(xiàn)在野外崎嶇的傾斜路面上正常行走。這樣可以博取眾長，既有履帶式的大承載力，也有步履式優(yōu)越的越野性能。在較為平整的地面行進(jìn)可以采用履帶式前進(jìn)模式，在復(fù)雜的山地可以采用步履式的前進(jìn)模式[19]。

3 六足機(jī)器人工作流程

步履式全地形六足機(jī)器人工作流程如下，如圖11所示。

圖11 六足機(jī)器人工作流程

(1) 開機(jī)，系統(tǒng)自檢各線路是否正常連接，檢查與控制器是否握手成功；

(2) 監(jiān)測車體周圍環(huán)境狀況，如監(jiān)測到有風(fēng)暴，則轉(zhuǎn)換為避險模式，降低車體高度，躲避險情；

(3) 確認(rèn)無風(fēng)暴后，轉(zhuǎn)換為行進(jìn)模式，各履帶轉(zhuǎn)向同一角度，車體前進(jìn)；

(4) 監(jiān)測履帶轉(zhuǎn)向裝置處導(dǎo)電滑環(huán)是否有返回值，如有說明因地形原因?qū)е侣膸苹蚧瑒?，則按返回值計算偏移角度并修正；

(5) 監(jiān)測車體行進(jìn)途中是否遇到障礙，例如溝渠、裂隙、碎石等，如監(jiān)測到有障礙，則轉(zhuǎn)換為避障模式，抬升車體高度，并轉(zhuǎn)換為步行行進(jìn)狀態(tài)，越過障礙；

(6) 不斷重復(fù)以上監(jiān)測流程，始終保持機(jī)器人正常運行，直到按計劃完成任務(wù)。

4 實驗結(jié)果與分析

機(jī)器人測試實驗如表2所示，針對不同地形，對步履式全地形六足機(jī)器人進(jìn)行了速度測試、負(fù)重測試、靈活度測試以及抗干擾能力測試。

表2 機(jī)器人測試實驗

當(dāng)實驗環(huán)境處于常規(guī)平坦路面時，機(jī)器人行進(jìn)采用正常模式，機(jī)械臂上下部推桿收縮，車體升至最高，同時更換常規(guī)行進(jìn)履帶。對于直線下行進(jìn)速度的測試，無負(fù)載狀態(tài)下行進(jìn)速度為0.7 m/s，接近正常人的步行速度，在施加最大負(fù)載下機(jī)器人速度略有減慢；對于靈活度的測試，進(jìn)行90°轉(zhuǎn)向時僅需3 s，在實驗過程中遇到障礙物或者突發(fā)情況時可做到靈活轉(zhuǎn)向；對于直線行駛時抗干擾能力的測試，由于采用導(dǎo)電滑環(huán)的設(shè)計，可實時矯正履帶小車偏移角度，因此即使施加外力，機(jī)器人的行進(jìn)方向也不會出現(xiàn)明顯偏差。

當(dāng)實驗環(huán)境處于松軟易陷路面和光滑路面時，機(jī)器人更換相匹配的履帶替換模塊，其行進(jìn)速度、靈活度以及抗干擾能力相對常規(guī)平坦路面略有變化，但是依舊保持良好的性能。

當(dāng)實驗環(huán)境處于崎嶇路面時，機(jī)器人行進(jìn)采用越障模式，機(jī)械臂上部推桿推出，下部推桿收縮，同時更換崎嶇路面行進(jìn)履帶。在前方有障礙物時，機(jī)器人前肢抬起，前進(jìn)越過障礙后放下，依次使中肢，后肢越過障礙，從而完成越障操作；遇到溝壑時，先將中肢后移，使重心位于后方，前進(jìn)讓前肢到達(dá)溝壑另一端，再讓中肢前移，使重心位于前方，再前進(jìn)越過溝壑。通過實驗數(shù)據(jù)顯示，在該模式下行進(jìn)速度為0.3 m/s，相對于其他路面速度有所降低，且行進(jìn)途中略有顛簸，但并未使負(fù)載物掉落，其轉(zhuǎn)向時的靈活度以及抗干擾能力變化不大。

當(dāng)進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)測試時，為提高機(jī)器人的穩(wěn)定性，采用避險模式，機(jī)械臂上部推桿收縮，下部推桿推出，此時六足張開以降低車體重心。通過實驗數(shù)據(jù)顯示，其行進(jìn)速度略有降低，在轉(zhuǎn)向時較為緩慢，但是由于六足仿生結(jié)構(gòu)以及導(dǎo)電滑環(huán)的設(shè)計，其抗干擾能力依舊有良好的表現(xiàn)。

通過在不同地形下對步履式全地形六足機(jī)器人進(jìn)行性能測試，可以得知采用履帶式與六足仿生結(jié)構(gòu)相結(jié)合，并引入掛膠履帶，在大部分復(fù)雜地形中可正常行進(jìn)以及帶負(fù)載工作，同時可保證其較高的靈活度以及抗干擾能力。

5 結(jié)論

設(shè)計了一個步履式全地形六足機(jī)器人，有多種模式可供選擇。在避障模式下，可通過六足上下和前后移動越過裂隙及石塊等障礙物；在自我保護(hù)的模式下，可通過降低車體高度來減小受風(fēng)面積，提高機(jī)器人的穩(wěn)定性，等周圍環(huán)境恢復(fù)正常再繼續(xù)保持運動。與傳統(tǒng)的機(jī)器人相比，模式更為多樣，遇到各種復(fù)雜地形和多種突發(fā)情況可轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的運動模式針對性地前進(jìn)。通過實驗表明，機(jī)器人實現(xiàn)了在不同的地形環(huán)境下，采用不同的工作模式，可以安全、穩(wěn)定、靈活的運行，具有一定的實用價值。主要創(chuàng)新點如下：

(1) 采用導(dǎo)電滑環(huán)的設(shè)計，防止因為通過崎嶇地面造成的履帶方向偏轉(zhuǎn)以及履帶小車不能自由轉(zhuǎn)動的問題，實現(xiàn)機(jī)器人360°無死角轉(zhuǎn)動，適應(yīng)各種復(fù)雜的地形；

(2) 采用掛膠履帶的設(shè)計，更換不同種類的履帶模塊以應(yīng)對履帶的損傷與不同的地形；

(3) 采用改進(jìn)的步履式動力設(shè)計，通過調(diào)整大小臂的電動推桿可以實現(xiàn)機(jī)器人的角度調(diào)整，補償?shù)匦瓮拱几叨炔?，進(jìn)而能夠在傾斜地形正常行駛。