Ⅳ
轮腿式车轮设计与仿真分析
第1章 绪 论
1.1引言
移动机器人是一种能够通过内、外传感器反馈信息感知环境及自身状态，实现在有障碍物的环境中自主运动，从而完成一定功能或任务的机器人系统[1]。目前已广泛运用于野外考察、地震救灾、环境检测、娱乐生活等诸多行业，在安全、军事、生活以及科学研究中扮演着越来越重要角色。其中轮式机器人结构简单，容易实现，具有移动速度快、转向性能好、行走效率高等特点。但同时适应地形和避障的能力差。足式机器人对地形的适应能力较好，可以跨越障碍物、台阶等，但运动间歇大，速度慢[2]。随着移动机器人的不断开发和应用范围的扩展，未来会在更多复杂且未知的环境中工作。仅仅依靠轮式或者足式的移动机器人已无法完全适应工作环境的复杂性和多样性了。为了配合对移动机器人性能要求的逐渐提高，相继问世了许多混合式的移动机构，其中轮腿式移动机器人就融合了轮式移动机器人和腿式移动机器人的特点。既可以保证在平坦地面的移动效率又具有了良好的跨越障碍的能力[3]。
但当轮腿式移动机器人采用足式的方式行走时目前在技术上还存在许多困难，然而在自然界中存在的多足昆虫则可以通过它们长期进化得到的复杂且精妙的肢体结构和灵活的的运动方式，容易地通过了各种复杂的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走[4]。因此，将多足昆虫的行为学研究成果，融入到移动机器人的结构设计与控制中，开发具有卓越移动能力的轮腿式仿生移动机器人，对于足式移动机器人和轮腿式移动机器人技术的研究与应用都具有重要的理论和现实意义[5]。
1.2轮腿机器人研究现状及趋势
轮腿式机器人作为移动机器人的一部分，兼具了轮子和腿的功能，具有优良的越障能力和机动性能，简单的结构形式以及移动中的高效性和平稳性。在平整的地形可以运用轮子结构前行，在非平整地形环境可以采用足式或轮腿复合式前进。具有速度高、能耗低、地形适应性强的特点[6]。
近几十年来，轮腿式移动机器人技术得到了很快的发展，并有许多成功的案例。轮腿式移动机器人多用在抢险、排爆、污染源检测测、外星探测等领域[7]。
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1.2.1国内外发展现状
美国喷气与推进实验室（JPL）研制了1997年被人类送上火星的第一台探测车sojourner，Sojourner是一辆微型自主式机器人车辆，采用六轮摇臂悬吊式 结构,即有6个独立悬挂的驱动轮，传动比为2000:1，本机器人是真正意义上的六轮腿式移动机器人。以及后来的火星探测车漫游者（mars rover）机器人，该款机器人拥有最先进的机动性，其六轮腿式结构是目前最先进的,具有强大的越障能力。原地360o的转弯能力及伸缩性，除了其先进的机动性能，探路者机器人上安装了包括Pancam(立体摄像头)、Mini-TES(红外分光仪)、显微镜、Mossbauer(分光仪，用来测定岩石成分)、APXS(ALPHA射线)系统、RAT(Rock Abrasion Tool)系统等各种先进的仪器来探测环境，观察并分析岩石和土壤。用来探测火星上是否有生命，以及有没有生命的遗迹、火星上的地质和气候环境。 美国全地形六足星际探测器“运动员”(ATHLETE)同样也是由美国宇航局喷气与推进实验室（JPL）研制的，Athlete高13英尺(3.96米)，重357石(2268公斤)，它可携带超过2285石(1.45万公斤)有效载荷，但它比通常的行星探索车轻25%。其最快行进速度能达到10ｍ/ｓ，最大爬坡能力为50度硬质土地，25度沙地。最大越障高度可达 2.8 米。
为了减轻重量他将工具安装在了腿上，当轮子抬起来的时候，可以安装、拆卸工具，比如钳子和电钻等。ATHLETE可以通过远程控制实现行走，甚至的跳跃和舞蹈。该机器人拥有6条关节型腿，腿上安有轮子，因此即便在凸凹不平的地形上，它也能行动自如。同时ATHLETE机器人的六个负重轮拥有极大的灵活性，可在各种复杂的地形下前进。在遇到障碍时，可以通过抬腿越过障碍。每条腿都有安装有内置的摄像头，摄像头拍摄到的视频信息经过整合处理，可以同时显示在一个显示器上，为控制人员展示机器人周边的3D影像。
哈尔滨工业大学研制的两款轮腿式移动机器人HIT-HYBTOR[8]和HITAN-I[9] 。它们的移动系统都由四套轮腿混合式移动机构组成，每套移动机构四个自由度，车轮独立驱动，腿关节三个自由度，可实现轮式或腿式移动。轮式移动时，腿上各关节锁定，由车轮独立驱动。腿式移动时，当前进时制动器锁止足底轮[10]。腿部驱动选用蜗轮蜗杆机构，这种设计可以将电机藏于腿的肢体内，结构更加紧凑。是一个可以直行、原地转向、楼梯爬越、足底轮滚进的复合运动的轮腿机器人[11]。HITAN-I 四条腿末端的车轮都可独立驱动，这种设计可以保证移动机构具有更好的环境适应性，但电机数量的增多使机构负载提高，控制难度加大[12][13]。
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1.2.2现有轮腿移动机器人结构分类
对于现有轮腿式移动机构来说，虽然功能上非常相近,但是结构上千差万别，综合它们的结构特点大体可以划分为两类：
第一类从结构上来看就是将轮子安装在腿部的末端，使轮和腿形成串联结构，以轮作脚。这是轮腿混合式机构系统中比较常见的一种[14]。是目前研究成果较多的一类。大多情况下轮和腿各自保持独立驱动，这种特点保证了它们功能上既能够以单一方式移动，这时就相当于纯粹的轮式或腿式移动[15]。又可以两种移动机构同时发挥作用，以混合方式移动。可以看出，这种系统实际上只是两种移动方式功能上的简单组合。结构上两种子机构具有明显的独立性和完整性。上述几种都属于等都属于这一类[16]。
第二类从结构上来看轮和腿完全分离，移动中两者或同时发挥作用以混合式移动，或采用单一方式移动。和第一类相比结构上更加简单，控制更容易[17]。
1.3轮腿式移动机器人关键技术的研究
正如人类活动范围和探索的空间是人类进步的标志一样，机器人的智能同样体现在运动空间的大小上。为了获得更大的独立性，人们也对机器人的灵活性及智能提出更高的要求，要求机器人能够在一定范围内安全运动,完成特定的任务，增强机器人对环境的适应能力。因此，近年来，移动机器人特别是自主式移动机器人成为机器人研究领域的中心之一。
(1)轮腿式移动机器人的机构形式
根据实际运用环境的需求综合轮式和腿式运动机构的优点，设计了一种多驱动模式的轮腿式移动机器人。整个机器人由六个结构左右对称的运动单元和车体构成。每个运动单元具有一个转向臂、一个摆臂和两个电动轮(驱动轮和爬行轮。对于运动在不平坦地形中的移动机器人而言，其倾覆稳定性非常关键。对称结构的轮腿式机器人，它有六个独立的轮腿运动单元,能够变化多种构形。采用动态能量稳定锥方法和倾覆稳定性指数对机器人的稳定性进行综合评价，建立了一个模糊神经网络白适应控制系统。根据稳定性指数值,该系统可以实时改变机器人的构形和速度，保证其倾覆稳定性。正弦路面上的仿真结果表明，该系统所产生的动作实时性好、可靠性高，能够降低机器人白主越障过程中的危险。