具有越障能力的機(jī)器人綜述

劉俊陽(yáng)，王佳楠

（中國(guó)石化大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045）

0 引言

隨著時(shí)代與技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)逐漸成熟，結(jié)合智能技術(shù)的機(jī)器人在生活與工作的各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)逐漸推廣應(yīng)用。按照國(guó)標(biāo)機(jī)器人分類[1]，根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式，機(jī)器人被分為履帶式機(jī)器人、輪式機(jī)器人、足腿式機(jī)器人、蠕動(dòng)式機(jī)器人、浮游式機(jī)器人、潛游式機(jī)器人、飛行式機(jī)器人和其他運(yùn)動(dòng)方式機(jī)器人；根據(jù)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域，機(jī)器人被分為工業(yè)機(jī)器人、個(gè)人/家用服務(wù)機(jī)器人、公共服務(wù)機(jī)器人、特種機(jī)器人以及其他應(yīng)用領(lǐng)域機(jī)器人。

在我國(guó)，機(jī)器人被應(yīng)用于各種場(chǎng)景，主要用來(lái)降低勞動(dòng)強(qiáng)度，執(zhí)行危險(xiǎn)或高精尖的工作。由于不同工作環(huán)境下的機(jī)器人的移動(dòng)能力存在差異，適應(yīng)的工作環(huán)境也不相同，其在復(fù)雜環(huán)境下的移動(dòng)能力以及越障性能也越來(lái)越受到重視，故機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下越障能力以及影響越障性能的影響因素被重點(diǎn)研究。本文主要針對(duì)履帶式機(jī)器人[2-7]、輪式機(jī)器人[8-10]以及混合運(yùn)動(dòng)式機(jī)器人[11，12]，對(duì)其零部件結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)過(guò)程運(yùn)動(dòng)方式、越障能力與影響因素進(jìn)行分析，總結(jié)影響越障能力的內(nèi)在機(jī)理，并對(duì)現(xiàn)有機(jī)器人越障能力進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

1 機(jī)器人越障能力分析

對(duì)機(jī)器人越障性能分析主要以結(jié)構(gòu)性能研究為主，結(jié)合靜力分析，考慮越障姿態(tài)等諸多影響參數(shù)的定量影響程度，以便于對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。

1.1 履帶式機(jī)器人越障能力分析

履帶式機(jī)器人由于越障能力、地形適應(yīng)能力強(qiáng)、可原地轉(zhuǎn)彎、在特種環(huán)境下越障性能更好、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用范圍廣泛。對(duì)于提高履帶式機(jī)器人越障能力，普遍基于結(jié)構(gòu)改造方式，采用雙履帶變結(jié)構(gòu)或者增加履帶式擺臂結(jié)構(gòu)等方式來(lái)提高履帶機(jī)器人的越障能力。宗成國(guó)[2]設(shè)計(jì)了由前后兩殼體組成的關(guān)節(jié)式雙履帶機(jī)器人（圖1），通過(guò)在前后殼體關(guān)節(jié)處放置一種被動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，來(lái)保證前后殼體存在角度時(shí)伺服壓緊履帶緊繃，使其越障性能和適應(yīng)環(huán)境能力都得到提升。Zhao[3]針對(duì)越障能力設(shè)計(jì)一種變結(jié)構(gòu)雙履帶機(jī)器人（圖2），通過(guò)改變主、從動(dòng)輪距離可以使履帶變成三角形來(lái)實(shí)現(xiàn)越障，越障性能較好。以上兩種機(jī)器人結(jié)構(gòu)都采用類似的結(jié)構(gòu)改造方式，即通過(guò)被動(dòng)或主動(dòng)調(diào)節(jié)主、從動(dòng)輪，同時(shí)保證壓實(shí)履帶進(jìn)而提高機(jī)器人的越障能力。但這種結(jié)構(gòu)方式下機(jī)器人越障高度與變形后機(jī)器人的高度正向相關(guān)，如進(jìn)一步提高越障能力會(huì)增加機(jī)器人總體長(zhǎng)度，導(dǎo)致機(jī)器人大型化同時(shí)越障仰角更低。

圖1 關(guān)節(jié)式雙履帶機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖2 變結(jié)構(gòu)前后履帶機(jī)器人結(jié)構(gòu)

針對(duì)增加履帶擺臂結(jié)構(gòu)的四履帶機(jī)器人（圖3），劉昌福[4]分析了其在圓管以及樓梯結(jié)構(gòu)處越障能力，以及越障過(guò)程中速度、加速度對(duì)越障動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響，并完成了越障可行性現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試。王偉東[5]采用模塊化思想設(shè)計(jì)一種四履帶式機(jī)器人（圖4），總結(jié)出一種基于動(dòng)力學(xué)的越障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。這種四履帶機(jī)器人采用增加履帶擺臂結(jié)構(gòu)方式規(guī)避履帶壓實(shí)問(wèn)題，同時(shí)增加履帶擺臂結(jié)構(gòu)使越障更加靈活，對(duì)機(jī)器人長(zhǎng)度及重心影響較小，但理論越障高度仍和擺臂結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度正相關(guān)。

圖3 小型關(guān)節(jié)式履帶機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

圖4 履帶機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖

還有一些文獻(xiàn)進(jìn)行了增加履帶擺臂結(jié)構(gòu)的六履帶機(jī)器人的越障性能的研究，如徐如強(qiáng)[6]以六履帶機(jī)器人為研究對(duì)象（圖5），分析了典型障礙處的越障性能，得到了越障性能與結(jié)構(gòu)特征的內(nèi)在關(guān)系及機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)對(duì)越障性能的影響程度。趙建偉[7]建立了六履帶巡檢式機(jī)器人（圖6）三維實(shí)體模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，分析了質(zhì)心位置變化規(guī)律與越障高度。這種六履帶機(jī)器人在前后擺臂結(jié)構(gòu)的作用下越障能力有了極大的提升，機(jī)動(dòng)性較高，但前后擺臂的存在導(dǎo)致機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，機(jī)械傳動(dòng)效率隨之降低，機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)較大，適應(yīng)環(huán)境受限。

圖5 六履帶機(jī)器人結(jié)構(gòu)模型

圖6 六履帶機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

1.2 輪式機(jī)器人越障能力分析

輪式機(jī)器人速度快、效率高、運(yùn)動(dòng)噪聲低，但是越障能力較弱、地形適應(yīng)能力差、轉(zhuǎn)彎效率低。因此，需要對(duì)其越障性能以及運(yùn)動(dòng)效率進(jìn)行改進(jìn)。孫雪蓮[8]設(shè)計(jì)了一種基于同步齒形帶來(lái)保證六輪機(jī)器人同步性的全驅(qū)動(dòng)方式（圖7），有效地強(qiáng)化了越障性能并完成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。張世月[9]針對(duì)一種六輪移動(dòng)平臺(tái)（圖8），基于靜力分析對(duì)各模塊部件進(jìn)行了輕量化改進(jìn)，提高了機(jī)動(dòng)性與地形適應(yīng)能力。目前主要以優(yōu)化結(jié)構(gòu)方式提高六輪式機(jī)器人的越障性能。

圖7 六輪機(jī)器人底盤三維模型

圖8 六輪移動(dòng)平臺(tái)示意圖

在套管內(nèi)輪式牽引機(jī)器人方面（圖9），馬廣志[10]針對(duì)其徑向尺寸小的特點(diǎn)，通過(guò)爬行輪與套管內(nèi)壁接觸線與軸向方向存在偏心角來(lái)加強(qiáng)管內(nèi)通過(guò)性，加強(qiáng)這種輪式牽引機(jī)器人越障能力。但是對(duì)牽引機(jī)器人的優(yōu)化設(shè)計(jì)方面不夠全面，對(duì)影響越障方面的因素研究較少，越障方面優(yōu)化空間大。

圖9 水平井輪式牽引機(jī)器人

1.3 混合運(yùn)動(dòng)式機(jī)器人越障能力分析

混合運(yùn)動(dòng)式機(jī)器人是綜合履帶式機(jī)器人、輪式機(jī)器人等的結(jié)構(gòu)特性，有選擇性地結(jié)合了不同種類機(jī)器人結(jié)構(gòu)及優(yōu)點(diǎn)?；屡笏蒣11]提出了一種輪-腿復(fù)合式越障機(jī)器人（圖10），在平緩地區(qū)這種機(jī)器人具有輪式機(jī)器人的靈活、機(jī)動(dòng)性好的特點(diǎn)，當(dāng)其遇到障礙物時(shí)，伸縮肢在鏈輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下具有腿式機(jī)器人的跨越姿態(tài)，環(huán)境適應(yīng)力更強(qiáng)。但目前對(duì)這種輪-腿復(fù)合式越障機(jī)器人傳動(dòng)過(guò)程研究不夠深入，結(jié)構(gòu)部件的靜力分析需要深入研究。李一鵬[12]基于搖臂懸架結(jié)構(gòu)和行星輪驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了行星輪鏈接式越障機(jī)器人（圖11），這種機(jī)器人具有輪式機(jī)器人的較強(qiáng)機(jī)動(dòng)性，也可以攀越超過(guò)自身高度的障礙物，越障性能獲得顯著提升。但這種行星輪鏈接式機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多且容易損壞，對(duì)工作環(huán)境要求較高。

圖10 輪-腿復(fù)合式越障機(jī)器人

圖11 行星輪鏈接式越障機(jī)器人

2 機(jī)器人越障過(guò)程現(xiàn)存問(wèn)題

經(jīng)過(guò)多年的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)在機(jī)器人越障技術(shù)取得了豐碩的成果，但距大規(guī)模應(yīng)用還有一定的差距。歸納起來(lái)有如下幾方面的問(wèn)題：

（1）對(duì)履帶式機(jī)器人的越障性能的分析主要集中在斜坡、臺(tái)階、溝壑等傳統(tǒng)障礙上，對(duì)多圓管、窄而陡的樓梯等一些特殊障礙并未進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

（2）輪式機(jī)器人具有靈活輕便的優(yōu)點(diǎn)，但由于其自身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致越障能力較差。

（3）機(jī)器人越障過(guò)程動(dòng)力單一、動(dòng)力系統(tǒng)體積大、質(zhì)量大，導(dǎo)致越障過(guò)程安全性不足及效率不高。

（4）機(jī)器人控制系統(tǒng)主要依靠液壓、氣壓驅(qū)動(dòng)等直接控制方式，控制系統(tǒng)繁雜、操作繁瑣且占用機(jī)器人空間大，操作存在延緩。采用遠(yuǎn)程遙控操作方式在電磁屏蔽環(huán)境下操作困難。

3 結(jié)論

機(jī)器人越障技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前正處于由實(shí)驗(yàn)研究向?qū)嶋H應(yīng)用過(guò)渡的階段。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及越來(lái)越多的科研工作者對(duì)機(jī)器人越障能力優(yōu)化的重視，未來(lái)研究重點(diǎn)可能集中在以下幾個(gè)方面：

（1）控制智能化：機(jī)器人工作環(huán)境非常復(fù)雜，可能由于信號(hào)屏蔽致使通信中斷，機(jī)器人無(wú)法及時(shí)收到遠(yuǎn)端控制指令，所以未來(lái)機(jī)器人需具備一定的智能控制能力，能夠適應(yīng)復(fù)雜工況。

（2）驅(qū)動(dòng)精巧化：針對(duì)液壓、氣壓驅(qū)動(dòng)等方式繁瑣且控制站占用空間大，電機(jī)驅(qū)動(dòng)在易燃易爆場(chǎng)所使用受限等問(wèn)題，設(shè)計(jì)出驅(qū)動(dòng)精巧且本質(zhì)安全的新型直接驅(qū)動(dòng)方式。

（3）多能集成化：定量研究不同作業(yè)環(huán)境條件對(duì)機(jī)器人越障能力的影響程度，設(shè)計(jì)具有可變結(jié)構(gòu)形式或可調(diào)結(jié)構(gòu)參數(shù)的機(jī)器人，滿足不同作業(yè)條件下對(duì)越障能力的需求。更進(jìn)一步地，機(jī)器人可以通過(guò)智能感知作業(yè)環(huán)境，根據(jù)參數(shù)條件對(duì)自身結(jié)構(gòu)自主優(yōu)化調(diào)整或變換。