輪式機(jī)器人：創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

徐 浩 郭為忠

(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 201100)

1 引 言

移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人的重要分支之一，可滿足人類在各類環(huán)境下的移動(dòng)和運(yùn)載需求，在野外作業(yè)、倉(cāng)儲(chǔ)物流、環(huán)衛(wèi)清潔、導(dǎo)游導(dǎo)購(gòu)等領(lǐng)域扮演著越來(lái)越重要的角色。根據(jù)移動(dòng)方式，移動(dòng)機(jī)器人可分為輪式、腿式、履帶式、混合式等多種類型。輪式機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、移動(dòng)快速、能效比高等優(yōu)勢(shì)，是最為常見的移動(dòng)機(jī)器人類型。輪式機(jī)器人在地形平坦開闊的結(jié)構(gòu)化環(huán)境[1]中優(yōu)勢(shì)明顯，如工廠自動(dòng)導(dǎo)引車、家用掃地機(jī)器人、商場(chǎng)導(dǎo)購(gòu)機(jī)器人等，能簡(jiǎn)單高效地完成既定任務(wù)。腿式和履帶式機(jī)器人由于具有較好的地形適應(yīng)性，在地形復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中應(yīng)用更多。但履帶式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性相對(duì)較弱，而腿式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)則較為復(fù)雜，對(duì)控制要求較高。

目前，對(duì)各類移動(dòng)機(jī)器人的研究均在不斷深入，在已有研究的基礎(chǔ)上，本文著重討論輪子結(jié)構(gòu)與輪式機(jī)器人的移動(dòng)方式，針對(duì)崎嶇地形翻越、垂立壁面爬升、地面全向移動(dòng)等不同的場(chǎng)景和任務(wù)，通過(guò)輪子和輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)的變革和創(chuàng)新，豐富輪式移動(dòng)機(jī)器人的形式，拓展輪式移動(dòng)機(jī)器人對(duì)不同地形的適應(yīng)能力。

2 輪子結(jié)構(gòu)與輪式機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)理分析

輪子被視為人類重要的發(fā)明之一，距今已有6 000 多年歷史。千百年來(lái)，輪子的結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)不斷演變，其舒適性、安全性、耐用性不斷提高，但移動(dòng)形式基本未變。輪子的核心功能在于將滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而大幅減小移動(dòng)的地面阻力。近年來(lái)，為提升輪式移動(dòng)系統(tǒng)的工作效率，及其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，各國(guó)學(xué)者在輪子自身的幾何形態(tài)、輪子與行駛表面的吸附方式、行駛過(guò)程中的轉(zhuǎn)向方式等方面進(jìn)行探索和改造，如圖 1 所示。

圖1 不同輪子的分類Fig. 1 Classification of different wheels

在輪子自身的幾何形態(tài)方面。常見的輪子外形為完整的圓形，因?yàn)閳A形輪子的圓心到圓周距離相同，可有效保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。然而，圓形本身平滑的結(jié)構(gòu)限制了輪子通過(guò)復(fù)雜地形的能力，即越障能力較差。因此，各國(guó)學(xué)者從“疊加功能”和“改變外形”兩個(gè)方向入手，設(shè)計(jì)了不同類型的輪腿復(fù)合機(jī)器人，兼具輪式和腿式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)?！隘B加功能”的輪腿機(jī)器人通過(guò)簡(jiǎn)單組合的方式，直接將輪子安裝在腿部末端[2-3]，這類機(jī)器人在吸收腿式機(jī)器人優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，兼具結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜的缺點(diǎn)?！案淖兺庑巍钡妮喭葯C(jī)器人則通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)，使輪子能夠在圓輪模式和腿模式之間切換，通常被稱為變形輪機(jī)器人[4-5]。變形輪機(jī)器人打破了輪子的完整性，其單個(gè)輪子由多個(gè)部分組成，通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的牽引完成形狀的變化，從而實(shí)現(xiàn)在不同地形條件下相應(yīng)模式的切換。大多數(shù)變形輪機(jī)器人只有一種輪腿模式，如 wheel transformer[6]的單向越障高度達(dá)到了輪子半徑的 3 倍以上，但它無(wú)法從另一個(gè)方向越障，即當(dāng)機(jī)器人利用腿部末端“勾”住障礙物爬上臺(tái)階之后，需要轉(zhuǎn)向 180°才能實(shí)現(xiàn)反向越障，從而避免跌落。在地形狹窄的環(huán)境中，這類機(jī)器人的越障效果將受到限制，而雙向越障功能的出現(xiàn)減少了變形輪機(jī)器人對(duì)越障方向的依賴性。

在輪子與行駛表面的吸附方式方面。一般來(lái)說(shuō)，輪式移動(dòng)系統(tǒng)的行駛功能是依靠輪子和行駛表面的摩擦力作為驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)的。因此，需要輪子可靠地附著在行駛表面以維持摩擦關(guān)系，即確保輪子提供指向行駛表面的法向附著力，進(jìn)而提供足夠的摩擦力，保證驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向等行駛功能的實(shí)現(xiàn)。在重力作用下，地面運(yùn)動(dòng)的輪式移動(dòng)系統(tǒng)可直接附著在行駛表面，但對(duì)于在垂直壁面上運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，則需要額外提供吸附力確保機(jī)器人附著在壁面上。對(duì)于壁面機(jī)器人，其受到的吸附力較為關(guān)鍵，需要保證輪子始終吸附在壁面上，一旦分離將導(dǎo)致機(jī)器人墜落，造成機(jī)器人損壞。因此，壁面運(yùn)動(dòng)機(jī)器人需要充足的吸附力和適應(yīng)行駛表面變化的機(jī)構(gòu)。壁面運(yùn)動(dòng)機(jī)器人的吸附力有不同來(lái)源，如磁吸式機(jī)器人[7-8]的吸附力來(lái)自磁力，負(fù)壓式機(jī)器人[9-10]的吸附力來(lái)自大氣壓力差。

在行駛過(guò)程中的轉(zhuǎn)向方式方面。普通的輪式機(jī)器人通常只能沿前進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向往往需要多個(gè)輪子協(xié)同完成，全方位轉(zhuǎn)向能力有限。全向輪機(jī)器人解決了普通輪子只能單向運(yùn)動(dòng)的局限，拓展了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向。一般地，全向輪機(jī)器人通過(guò)改變普通輪子與車身的連接方式，或在普通輪子上增加新的活動(dòng)部件，從而實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動(dòng)。目前，對(duì)于搭載了正交輪[11]、Omni 輪[12]、Mecanum 輪[13-14]、球輪[15-16]、驅(qū)動(dòng)全向輪[17]以及全向輪和普通輪子的組合[18]等具有確定構(gòu)型的典型全向輪的機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)特性和力學(xué)特性是明確的。但在某些運(yùn)動(dòng)情況下，可能存在單個(gè)輪子驅(qū)動(dòng)力過(guò)大的情況，若能夠調(diào)節(jié)全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)(如 Mecanum 輪的輥?zhàn)?和輪子的相對(duì)關(guān)系，就能根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而獲得最佳運(yùn)動(dòng)效果。

由上述分析可知，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和任務(wù)，輪子結(jié)構(gòu)及輪式移動(dòng)形式都有可能發(fā)生新的變化，需要相應(yīng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。下面將從輪子自身的幾何形態(tài)、輪子與行駛表面的吸附方式和行駛過(guò)程中的轉(zhuǎn)向方式 3 個(gè)方面展開討論，通過(guò)改變輪子和輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)，使其滿足崎嶇地形翻越、垂立壁面爬升、地面全向移動(dòng)等場(chǎng)景的工作要求。

3 三模式變形輪及其移動(dòng)機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

3.1 三模式變形輪及其移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

在實(shí)際崎嶇地形中，機(jī)器人遇到的障礙物類型復(fù)雜，因此，本節(jié)提出一種具有 3 種運(yùn)動(dòng)模式的變形輪機(jī)器人[19]。該機(jī)器人的每個(gè)輪子都可以通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在圓輪模式、爪模式和勾模式 3 種形態(tài)間切換，如圖 2 所示。其中，勾模式和爪模式作為兩種不同的輪腿模式，分別滿足機(jī)器人前進(jìn)和后退時(shí)越過(guò)障礙物的不同需求。

圖2 變形輪機(jī)器人及其輪子的 3 種模式[19]Fig. 2 Transformable wheel robot and the three modes of the wheel[19]

本文設(shè)計(jì)的變形輪可視為一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)周向陣列得到，變形電機(jī)帶動(dòng)主動(dòng)盤沿順時(shí)針或逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，使輪子在 3 種模式之間進(jìn)行切換，變形輪的結(jié)構(gòu)及 3 種模式如圖 3 所示。當(dāng)主動(dòng)盤沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)連桿帶動(dòng)腿桿運(yùn)動(dòng)，圓輪模式切換為勾模式；同樣地，當(dāng)主動(dòng)盤沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓輪模式切換為爪模式。在勾模式下，主動(dòng)盤上的OA和連桿AB共線，由于機(jī)器人在前進(jìn)和后退過(guò)程中變形已經(jīng)結(jié)束，所以當(dāng)變形輪為勾模式時(shí)，BC所在圓弧段受到地面支撐力，此時(shí)，BC為主動(dòng)件(曲柄)，構(gòu)成四桿機(jī)構(gòu)的死點(diǎn)鎖死狀態(tài)；在爪模式下，連桿AB和主動(dòng)盤上的A′ 干涉，構(gòu)成干涉鎖死狀態(tài)。在死點(diǎn)鎖死和干涉鎖死狀態(tài)下，主動(dòng)電機(jī)不需要額外提供驅(qū)動(dòng)力，變形輪即可保持此狀態(tài)。

圖3 變形輪結(jié)構(gòu)及其 3 種模式Fig. 3 Structure of the transformable wheel and its three modes

機(jī)器人單個(gè)輪子的越障過(guò)程如圖 4 所示。當(dāng)機(jī)器人在前進(jìn)方向或后退方向遇到障礙物時(shí)，輪子可由圓輪模式切換為勾模式或爪模式，進(jìn)而通過(guò)腿部末端勾住障礙物實(shí)現(xiàn)越障。兩種輪腿模式保證機(jī)器人不需要調(diào)轉(zhuǎn)車身，就能在前后兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)越障。當(dāng)機(jī)器人翻越臺(tái)階時(shí)，由圓輪模式具體切換為勾模式或爪模式，取決于車輪相對(duì)臺(tái)階的方向，保證切換之后能夠使勾、爪的尖端勾住臺(tái)階。

圖4 單個(gè)輪子的前后越障過(guò)程[19]Fig. 4 Obstacle overcoming process of a single wheel in front and rear directions[19]

3.2 三模式變形輪機(jī)器人實(shí)驗(yàn)研究

圖 5 為三模式變形輪機(jī)器人模型。機(jī)器人共有4 個(gè)變形輪，每個(gè)輪子包含兩個(gè)相同的無(wú)刷電機(jī)，其中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)整個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)，變形電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)輪子的模式切換。輪子上的光電開關(guān)用于初始化輪子的位形，結(jié)合編碼器可控制輪子變形到達(dá)既定位置。滑環(huán)用于傳輸變形電機(jī)的電信號(hào)和控制信號(hào)，避免輪子轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中電機(jī)線纏繞。三模式變形機(jī)器人的參數(shù)匯總?cè)绫?1 所示。

表1 機(jī)器人詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)Table 1 Specifications of the robot

圖5 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖[19]Fig. 5 Configuration of the robot[19]

在兩種輪腿模式下，可控制機(jī)器人攀爬不同高度的臺(tái)階。臺(tái)階初始高度為 150 mm，當(dāng)機(jī)器人攀爬成功后，臺(tái)階高度增加 5 mm，控制機(jī)器人重復(fù)攀爬直至得到機(jī)器人可攀爬最大越障高度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。由表 2 可知，實(shí)驗(yàn)中機(jī)器人能夠攀爬超過(guò)自身輪子半徑兩倍的障礙物，但是與理論值相比，存在約 10% 的誤差，這是由于理論計(jì)算時(shí)忽略了輪子零件的厚度。

表2 機(jī)器人攀爬障礙物高度的理論值和實(shí)驗(yàn)值對(duì)比Table 2 Comparison between theoretical and experimental results of robot climbing obstacle height

為證明機(jī)器人在崎嶇地形的運(yùn)動(dòng)能力，本文設(shè)計(jì)了幾組實(shí)驗(yàn)，包括穿越起伏不平地形和連續(xù)臺(tái)階地形。圖 6(a)～(g)為機(jī)器人翻越啞鈴堆和沙袋構(gòu)建的復(fù)雜地形的過(guò)程，其中，在圖 6(a)～(b)中，機(jī)器人以圓輪模式在平坦地面上運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到快速運(yùn)動(dòng)的目的；在圖 6(e)～(g)中，機(jī)器人以爪模式翻越復(fù)雜地形，實(shí)現(xiàn)越障的目的；圖 6(h)～(l)展示了機(jī)器人以爪模式翻越高度為 120 mm 的兩級(jí)連續(xù)臺(tái)階的過(guò)程，由于臺(tái)階高度超過(guò)了車輪半徑，在圓輪模式下，機(jī)器人無(wú)法爬上此高度的臺(tái)階，當(dāng)切換為爪模式或勾模式后，能夠順利爬上臺(tái)階。

圖6 機(jī)器人穿越不平坦地形的實(shí)驗(yàn)[19]Fig. 6 Experiment of the robot traversing uneven terrain[19]

4 垂直壁面磁吸附移動(dòng)機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

4.1 垂直壁面磁吸附移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在大型立式壁面(如核反應(yīng)堆壓力容器、發(fā)電廠冷卻塔和大型船舶的壁面等)上進(jìn)行檢測(cè)和作業(yè)時(shí)，人工或機(jī)電設(shè)備到達(dá)這些垂直壁面的能力決定了檢測(cè)和作業(yè)的效果，全覆蓋的到達(dá)能力意味著工作人員能夠?qū)Ρ诿孢M(jìn)行全面、充分的檢查作業(yè)。針對(duì)核電站等應(yīng)用場(chǎng)合中較為常見的鐵磁性壁面，本文設(shè)計(jì)了一種能夠適應(yīng)垂直壁面曲率的磁吸附爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人將用于檢查大型容器鋼板焊縫的質(zhì)量，其工作環(huán)境是存在焊縫等凸起的鐵磁性垂直壁面。在工作過(guò)程中，機(jī)器人必須具備極高的穩(wěn)定性，一方面是因?yàn)闄C(jī)器人翻越焊縫凸起時(shí)存在墜落的風(fēng)險(xiǎn)，另一方面是因?yàn)閮奢喴陨系臋C(jī)器人差速轉(zhuǎn)向時(shí)容易產(chǎn)生滑移。為了滿足這一性能，本研究設(shè)計(jì)了被動(dòng)式非獨(dú)立懸架，用以平衡各輪子所受到的作用力，確保機(jī)器人平穩(wěn)越過(guò)障礙物。

圖 7 為磁吸附機(jī)器人的模型渲染圖和爆炸圖。由圖 7 可知，整個(gè)機(jī)器人由車身、相機(jī)模塊、懸架和車輪等部分組成。其中，車身內(nèi)部放置了主要的電路元件，懸架類型為三自由度被動(dòng)式非獨(dú)立懸架，其能夠在 6 個(gè)車輪磁吸附力的作用下，保證車輪始終與壁面接觸。機(jī)器人通過(guò)磁性輪穩(wěn)定地吸附在壁面上，由技術(shù)人員控制機(jī)器人在鋼板表面運(yùn)動(dòng)，攝像頭負(fù)責(zé)將采集到的焊縫圖像傳輸至控制端，由技術(shù)人員檢查圖像中的焊縫質(zhì)量。在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于懸架對(duì)壁面曲面具有適應(yīng)性，使得機(jī)器人輪子在任何位置均能夠貼合壁表面，提高了機(jī)器人吸附壁面的穩(wěn)定性和工作的安全性。

圖7 磁吸附機(jī)器人模型圖Fig. 7 Model of the magnetic adhesion robot

爬壁機(jī)器人的車輪結(jié)構(gòu)如圖 8(a)所示。車輪主要由電機(jī)、磁鐵、輪轂和防滑材料等部分組成，電機(jī)軸直接與輪轂相連，弧形磁鐵及其上方的軛鐵安裝在電機(jī)下方的磁鐵支架內(nèi)。當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)輪轂旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而推動(dòng)整車運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁鐵并不會(huì)隨著車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，保證了磁力大小的穩(wěn)定，進(jìn)而保證了機(jī)器人吸附壁面的穩(wěn)定性。懸架末端通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副與輪子相連，如圖 8(b)所示，當(dāng)輪子側(cè)邊越過(guò)焊縫等凸起時(shí)，輪子將繞著轉(zhuǎn)動(dòng)副發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在懸架的共同作用下，車身的狀態(tài)幾乎不會(huì)受到影響，從而確保了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。

圖8 機(jī)器人車輪結(jié)構(gòu)組成Fig. 8 Structure of the wheel

磁吸附輪的磁鐵設(shè)計(jì)是保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)安全性和靈活性的關(guān)鍵。較大的磁力有助于機(jī)器人更加穩(wěn)定地吸附在壁面上，提高安全系數(shù)；但磁力過(guò)大將導(dǎo)致車輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到較大的滾動(dòng)摩擦力，且差速轉(zhuǎn)向時(shí)前后兩組車輪沿軸線方向均有速度分量，進(jìn)而導(dǎo)致滑動(dòng)摩擦。因此，車輪磁鐵的磁力應(yīng)在合理的范圍內(nèi)，且前后車輪的磁力應(yīng)小于中間車輪。本文設(shè)計(jì)的中間車輪磁力為前后車輪磁力的兩倍，以弧形磁鐵外徑Rm、內(nèi)徑rm、圓心角θm、軛鐵厚度dy和磁鐵與壁面距離dg為優(yōu)化變量(如圖 9(a)所示)，每個(gè)變量分別選取 5～10 組取值，優(yōu)化目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)磁力和磁鐵質(zhì)量的平衡。對(duì)機(jī)器人各部分結(jié)構(gòu)、電子元件質(zhì)量進(jìn)行估計(jì)，預(yù)計(jì)機(jī)器人質(zhì)量不超過(guò) 2 kg。機(jī)器人在壁面吸附時(shí)，磁力必須足夠大，使車輪在豎直壁面不會(huì)打滑，所選車輪防滑材料和壁面摩擦系數(shù)不低于 0.4，根據(jù)摩擦力公式可計(jì)算得到磁力至少為 49 N。在 Maxwell 仿真軟件中對(duì)不同組合的參數(shù)進(jìn)行仿真，圖 9(b)展示了在有無(wú)軛鐵的情況下，dg對(duì)單個(gè)車輪磁力大小的影響，由圖 9(b)可知，隨著dg的增大，磁力大小下降趨勢(shì)明顯。綜合弧形磁鐵外徑Rm、內(nèi)徑rm、圓心角θm和軛鐵厚度dy對(duì)磁力大小的影響，最終選用的磁鐵參數(shù)如表 3 所示。

圖9 車輪磁鐵仿真參數(shù)及其結(jié)果Fig. 9 Simulation parameters and results of the magnet inside the wheel

表3 車輪磁鐵仿真參數(shù)及磁力大小Table 3 Simulation parameters and magnet forces of the wheels

綜上所述，輪式機(jī)器人的車輪磁鐵組件由兩枚磁極相反的弧形磁鐵和軛鐵構(gòu)成。采用如表 3所示的參數(shù)，機(jī)器人車輪所產(chǎn)生的總磁力大小為55.54 N，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。且仿真結(jié)果顯示，與整周布置磁鐵的方式相比，本文設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人的磁鐵質(zhì)量降低了 75%，而磁力大小只減少了 15%。

4.2 磁吸附移動(dòng)機(jī)器人壁面運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

如圖 7 所示，在最終設(shè)計(jì)的模型中，機(jī)器人結(jié)構(gòu)部分包含 6 個(gè)磁吸附輪子、兩個(gè)懸架和一個(gè)車身平臺(tái)。其中，機(jī)器人懸架和輪子通過(guò) 3D 打印加工得到，底盤等板件通過(guò)碳纖維切割得到，中間輪子電機(jī)連接了編碼器，用于讀取轉(zhuǎn)速信息。機(jī)器人詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)如表 4 所示。

表4 磁吸附機(jī)器人詳細(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)Table 4 Specifications of the magnetic wheel robot

對(duì)機(jī)器人的壁面運(yùn)動(dòng)能力、焊縫通過(guò)能力和負(fù)載能力進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠在核電廠安全殼等壁面完成焊縫檢測(cè)的任務(wù)。

首先對(duì)機(jī)器人的弧形壁面適應(yīng)能力進(jìn)行測(cè)試。弧形壁面是厚度為 5 mm 的 Q235 鋼板，壁面最低處水平而最高處垂直。圖 10 為機(jī)器人在壁面上直線運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，將機(jī)器人傾斜放置在壁面上，此時(shí)，懸架本身以及輪子和懸架之間的被動(dòng)自由度均發(fā)揮作用，使得每個(gè)輪子都與壁面緊貼。當(dāng)機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，其最大速度約為0.5 m/s。圖 11 為機(jī)器人在弧形壁面轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，轉(zhuǎn)彎半徑約為 3 m。

圖10 機(jī)器人在弧形壁面沿直線運(yùn)動(dòng)Fig. 10 Locomotion of the robot along a straight line on the arc wall

圖11 機(jī)器人在弧形壁面轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)Fig. 11 Locomotion of the robot along a curve on the arc wall

在真實(shí)壁面上，機(jī)器人需要通過(guò)不同高度的焊縫，因此，本文利用 3D 打印模擬了不同高度的弧形焊縫。如圖 12 所示，綠色和灰色分別是實(shí)際高度為 3.5 mm 和 5.5 mm 的焊縫(寬 20 mm)，由圖 12 可知，機(jī)器人可穩(wěn)定越過(guò)兩個(gè)焊縫，且均能夠平穩(wěn)地吸附在壁面上。

圖12 機(jī)器人越過(guò)不同高度的模擬焊縫Fig. 12 The robot crosses simulated welds at different heights

在實(shí)際工作中，機(jī)器人可能還需要搭載一些設(shè)備進(jìn)行輔助工作，因此，需要具備一定的負(fù)重能力。在強(qiáng)磁性的弧形壁面和弱磁性的黑板面上，對(duì)機(jī)器人的負(fù)載能力進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖 13 所示。如圖 13(a)～(b)所示，機(jī)器人在黑板面上的最大負(fù)重為 0.6 kg，當(dāng)繼續(xù)增大負(fù)重時(shí)，輪子出現(xiàn)打滑，對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度為 0.08 m/s；如圖 13(c)所示，在弧形壁面上，機(jī)器人負(fù)重可達(dá) 0.8 kg，對(duì)應(yīng)的最大運(yùn)動(dòng)速度為 0.065 m/s。

圖13 機(jī)器人負(fù)載能力測(cè)試Fig. 13 Robot load capacity test

5 變參數(shù)全向輪及其全向移動(dòng)機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

5.1 變參數(shù)全向輪及其移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

為了使全向輪機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具備不同的速度和力學(xué)特性，本節(jié)提出一種可變輥?zhàn)影惭b角的變參數(shù)全向輪。首先設(shè)計(jì)了輻射式聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輥?zhàn)影惭b角度的調(diào)節(jié)，然后搭建了機(jī)器人平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。

全向輪機(jī)器人的內(nèi)部邏輯如圖 14 所示。在每個(gè)車輪的圓周上安裝若干輥?zhàn)?，這些輥?zhàn)涌梢岳@輥?zhàn)虞S自由旋轉(zhuǎn)。輥?zhàn)虞S和輪子主軸夾角為輥?zhàn)影惭b角，地面對(duì)輥?zhàn)拥淖饔昧Πc輥?zhàn)虞S平行的 和垂直的 。由于輥?zhàn)涌梢岳@輥?zhàn)虞S自由旋轉(zhuǎn)，因此， 只影響輥?zhàn)拥淖赞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(即為圖 14(b)中的ωpi)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)影響很小[20-23]，而 在合成車身所受的合力 、 和M中起著重要的作用并最終體現(xiàn)為速度為vx、vy和ω的運(yùn)動(dòng)效果。通過(guò)改變 等結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以改變 的方向，進(jìn)而改變車身所受的合力，該過(guò)程即為力的方向的調(diào)節(jié)。改變參數(shù) 不會(huì)改變車輪之外的結(jié)構(gòu)參數(shù)，便于機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)。由于每個(gè)輪子的輥?zhàn)訑?shù)目較多，所以必須在輪中加入聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)輥?zhàn)影惭b角的同步調(diào)節(jié)。

圖14 全向輪內(nèi)部邏輯示意圖Fig. 14 Internal logic diagram of the omnidirectional wheel

本節(jié)設(shè)計(jì)了一種變角全向輪[24]，即輥?zhàn)咏嵌瓤勺兊娜蜉?。為同步調(diào)節(jié)全向輪輪轂圓周上所有輥?zhàn)拥陌惭b角，即通過(guò)單個(gè)調(diào)節(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)對(duì)所有輥?zhàn)拥穆?lián)動(dòng)調(diào)節(jié)，本文設(shè)計(jì)了輻射式聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

輻射式聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)也稱為 R-nSSR 并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 15(a)所示。該機(jī)構(gòu)有n＋1 條完全相同的支鏈，所有支鏈共享一個(gè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤，單個(gè)支鏈對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 15(b)所示。支鏈由轉(zhuǎn)盤、構(gòu)件 P1～P4以及輥?zhàn)又Ъ芙M成，其中，轉(zhuǎn)盤與 P1之間為固定副，P1與 P2之間為 S 副，P2與 P3之間為 S 副，P3與 P4之間為固定副，P4與輥?zhàn)又Ъ苤g為固定副，輥?zhàn)又Ъ芘c機(jī)架之間為轉(zhuǎn)動(dòng)副 R2，輥?zhàn)涌梢岳@著輥?zhàn)虞S自由轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng) R1產(chǎn)生角位移后，n條 SSR 支鏈末端的 R2也產(chǎn)生相應(yīng)角位移。從 R1到 R2聯(lián)動(dòng)的本質(zhì)是空間RSSR 機(jī)構(gòu)。

圖15 輻射式聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig. 15 Radial synchronous mechanism

采用 D-H 建模方法可建立空間 RSSR 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，然后可根據(jù)各桿件的干涉、輥?zhàn)诱{(diào)節(jié)范圍等約束條件確定參數(shù)范圍，再根據(jù)驅(qū)動(dòng)力等優(yōu)化目標(biāo)選取最佳參數(shù)[24]。本文選取一個(gè)驅(qū)動(dòng)力敏感性指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，即讓輥?zhàn)影惭b角對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響最小。此外，考慮到輥?zhàn)訉?duì)驅(qū)動(dòng)端最好能夠“鎖死”，驅(qū)動(dòng)端到輥?zhàn)佣藷o(wú)死點(diǎn)，以及整個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈無(wú)干涉等約束條件，最終得到的設(shè)計(jì)如圖 16 所示。

圖16 最終的全向輪模型圖Fig. 16 Final model of the omnidirectional wheel

5.2 實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)與討論，最終的樣機(jī)模型由 4 個(gè)變角全向輪組成，每個(gè)全向輪由一個(gè)帶有編碼器的調(diào)節(jié)電機(jī)來(lái)調(diào)整輥?zhàn)拥陌惭b角。調(diào)節(jié)電機(jī)的額定扭矩為 4 N·m，額定轉(zhuǎn)速為 13 r/min；驅(qū)動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)額定扭矩為 9 N·m，額定轉(zhuǎn)速為 18 r/min。機(jī)器人單個(gè)輪子和樣機(jī)實(shí)物圖如圖 17 所示。

圖17 機(jī)器人單個(gè)輪子和樣機(jī)實(shí)物Fig. 17 Prototype of a single wheel and the robot

圖 18 為全向輪輥?zhàn)影惭b角調(diào)節(jié)過(guò)程，該過(guò)程驗(yàn)證了只用一臺(tái)電機(jī)即可同步調(diào)節(jié)全向輪上 12個(gè)輥?zhàn)拥陌惭b角，即在主動(dòng)盤的帶動(dòng)下，輪子圓周上的輥?zhàn)涌赏ㄟ^(guò) RSSR 機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)角度的調(diào)節(jié)。本實(shí)驗(yàn)還對(duì)機(jī)器人橫向移動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行測(cè)試。理論上，通過(guò)輪子的速度組合，機(jī)器人最終可以穩(wěn)定為給定運(yùn)動(dòng)形式。本實(shí)驗(yàn)將機(jī)器人橫向移動(dòng)的速度設(shè)定為 1 mm/s，輪子轉(zhuǎn)動(dòng)速度設(shè)定為 5 °/s；在曲線運(yùn)動(dòng)下，設(shè)定輪子的縱向移動(dòng)速度為 1 mm/s，繞中心轉(zhuǎn)動(dòng)速度為 1 °/s。兩種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)的實(shí)際速度變化曲線和實(shí)物狀態(tài)，如圖 19 所示。由圖 19 可知，系統(tǒng)在穩(wěn)定后可按照期望速度運(yùn)動(dòng)。

圖18 全向輪輥?zhàn)影惭b角調(diào)節(jié)過(guò)程Fig. 18 Adjustment process of angle of omnidirectional wheel roller

圖19 不同運(yùn)動(dòng)形式下樣機(jī)速度變化和機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過(guò)程Fig. 19 Velocity variation and motion process of the prototype under different locomotions

6 結(jié) 論

千百年來(lái)，輪子的出現(xiàn)極大地促進(jìn)了社會(huì)的生產(chǎn)和進(jìn)步。從古代的木質(zhì)車輪到現(xiàn)代被廣泛應(yīng)用的橡膠車輪，輪子已經(jīng)成為各種交通工具不可或缺的部分。輪子同樣在機(jī)器人中扮演著重要角色，作為機(jī)器人實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)的核心構(gòu)件，輪子發(fā)揮著重要作用。但簡(jiǎn)單輪子存在越障能力低下、不能爬升傾斜角度較大的壁面和移動(dòng)方向單一等缺點(diǎn)，其使用場(chǎng)景被限制在平坦的水平地面。為了廣泛探索輪子在各種應(yīng)用場(chǎng)景中的可能性，各國(guó)學(xué)者從幾何形態(tài)、吸附方式和轉(zhuǎn)向方式等角度對(duì)輪子進(jìn)行了深入研究，研發(fā)出變形輪、吸附輪、全向輪等多種類型的輪子，極大地拓展了輪子的應(yīng)用場(chǎng)景。

本文對(duì)輪子結(jié)構(gòu)與輪式機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)理作了簡(jiǎn)要分析，針對(duì)崎嶇地形翻越、垂立壁面爬升、地面全向移動(dòng)等場(chǎng)景要求，對(duì)變形輪式攀爬移動(dòng)機(jī)器人、磁吸附輪式垂直壁面行駛機(jī)器人和變參數(shù)輪式全向移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了討論。

針對(duì)大多數(shù)變形輪設(shè)計(jì)無(wú)法雙向越障的缺點(diǎn)，本文提出一種三模式變形輪機(jī)器人，通過(guò)平面四連桿機(jī)構(gòu)，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了在圓輪模式、爪模式和勾模式之間的切換。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人能夠在爪、勾兩種模式下越過(guò)兩倍輪子半徑高度的障礙物。

針對(duì)大多數(shù)爬壁機(jī)器人無(wú)法適應(yīng)壁面形狀的情況，本文提出一種具有被動(dòng)式懸架和固定式磁吸附機(jī)構(gòu)的爬壁機(jī)器人。被動(dòng)式懸架具有 3 個(gè)被動(dòng)自由度，可在磁輪吸附的作用下被動(dòng)貼合地形，以適應(yīng)壁面形狀，平衡各個(gè)輪子的受力。磁輪中的磁鐵與電機(jī)固連，不隨輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，可保證輪子的輕量化和磁吸附力的穩(wěn)定性。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人能夠沿壁面靈活運(yùn)動(dòng)，并能夠跨越高度為 3.5 mm 和 5.5 mm 的焊縫。

大多數(shù)全向輪機(jī)器人無(wú)法根據(jù)環(huán)境改變輥?zhàn)拥陌惭b角，針對(duì)該不足，本文提出一種變角全向輪的設(shè)計(jì)方案，采用空間 RSSR 機(jī)構(gòu)作為輻射式聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并對(duì)其尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人能夠調(diào)節(jié)輥?zhàn)影惭b角，還可根據(jù)給定的運(yùn)動(dòng)形式實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的全向移動(dòng)。

致 謝

感謝徐琪瑋、王旭、何明達(dá)、劉洋洋、張子辰在樣機(jī)研制和調(diào)試中所作的貢獻(xiàn)！