六足偵察機器人結(jié)構(gòu)設計及越障性能分析

摘要：【目的】為了提升無人偵察機器人在復雜地形環(huán)境下作業(yè)的通過能力及穩(wěn)定性，設計了一種適用于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的六足偵察機器運動平臺?！痉椒ā渴紫?，針對機器人高承載、高靈活性要求，提出靈活性與通過能力協(xié)同設計方法，結(jié)合蟑螂腿部構(gòu)型，優(yōu)化設計低慣量單腿結(jié)構(gòu)，通過推導正-逆運動學方程，利用蒙特卡洛法分析機器人工作空間，并確定了腿部機構(gòu)參數(shù)；其次，采用Ansys WorkBench軟件對關(guān)鍵部件進行靜力學分析，驗證了結(jié)構(gòu)設計的可靠性；最后，利用Matlab軟件與Adams軟件對機器人越障過程進行運動學仿真，設計并完成了工程樣機試驗?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，該六足機器人能夠?qū)崿F(xiàn)復雜非結(jié)構(gòu)化地形下的高穩(wěn)定性運動。研究為進一步研究復雜地形下機器人的運動控制奠定了基礎。

關(guān)鍵詞：無人偵察機器人；非結(jié)構(gòu)化地形；高通過能力；靜力學分析；運動學仿真

中圖分類號：TP242 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 04. 012

0 引言

隨著科學技術(shù)的不斷進步和人類對未知領(lǐng)域的探索，越來越多的機器人被應用于危險的、人類難以接近的極其復雜的工作中去。目前，地面移動機器人已經(jīng)被成功應用于軍事偵察、災害救援、電站巡檢等諸多領(lǐng)域[1-4]。如iRobot公司的輪履式移動機器人Pack Bot及Remote公司的Andros系列排爆機器人，在低坡度非結(jié)構(gòu)地形下可代替士兵完成軍事偵察、排爆作業(yè)[5]。Morfax 公司的履帶式Wheelbarrow 和SuperM地面移動機器人，采用無線電控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)1 km范圍內(nèi)的遠距離遙控[6]。蘇黎世聯(lián)邦理工大學研發(fā)的用于石油化工設施巡檢的四足機器人ANYmal系列，可完成在結(jié)構(gòu)化地形下的自動巡檢工作[7]。哈爾濱工業(yè)大學研究的面向月球探測重載作業(yè)的六足機器人HITCR，為地外星球作業(yè)提供了可靠的解決方案[8]。南昌大學針對果園采摘作業(yè)研制的六足仿生機器人，采用新型結(jié)構(gòu)形式，解決了行業(yè)應用的難題[9]。

足式機器人擁有離散落足點，可輕松攀爬或跨越障礙，能自適應非結(jié)構(gòu)化地形，在軍事領(lǐng)域應用廣泛[10-12]?；诠鈱W載荷的偵察機器人作業(yè)時需要同時具備高穩(wěn)定性及高通過能力。目前所研制的足式機器人雖具有一定的地形適應能力，但雙足、四足機器人缺乏六足機器人的穩(wěn)定性及多足構(gòu)型的容錯能力；而六足機器人運動速度較慢、靈活性不高[13]。為解決此類問題，北京航空航天大學針對星球探測，研制了一種高度對稱性六足輪腿機器人，采用舵機驅(qū)動，輪行模式下運行速度達0. 8 m/s，步行模式下最大步長為0. 1 m[14]。浙江大學設計了一款仿哺乳動物3關(guān)節(jié)腿部結(jié)構(gòu)的六足機器人，通過減小自身關(guān)節(jié)尺寸和慣量，依靠慣性傳感器可實現(xiàn)無視覺行走，并滿足低功耗設計需求[15]。河北工業(yè)大學通過分析螞蟻形態(tài)及運動規(guī)律，設計了一款柔順型六足機器人[16]。哈爾濱工業(yè)大學提出分布式二次規(guī)劃方法，提高了電驅(qū)動六足機器人的爬坡能力，可通過坡度達到30°[17]。

為進一步提升六足機器人面向復雜非結(jié)構(gòu)地形的通過能力和穩(wěn)定性，本文結(jié)合相關(guān)六足機器人結(jié)構(gòu)特點和控制策略，提出了靈活性與通過能力協(xié)同設計方法，設計了一款大轉(zhuǎn)矩電驅(qū)關(guān)節(jié)、低慣量足的六足機器人構(gòu)型，以提高野外勘查機器人的運動速度、靈活性及越障通過能力。