帥立國，蘇慧哲，鄭麗媛，費燕瓊

(1. 河南科技學(xué)院 機(jī)電學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng) 453003； 2.上海交通大學(xué) 機(jī)器人研究所, 上海 200240)

輪-履式移動機(jī)器人履帶轉(zhuǎn)向運動

帥立國1，蘇慧哲1，鄭麗媛1，費燕瓊2

(1. 河南科技學(xué)院 機(jī)電學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng) 453003； 2.上海交通大學(xué) 機(jī)器人研究所, 上海 200240)

針對室內(nèi)外不同工作環(huán)境對移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)有不同的要求，本文設(shè)計了一種的模塊化的輪-履式移動機(jī)器人，描述了該輪-履式移動機(jī)器人純輪式、純履帶式及輪履混合式等不同的運動模式；基于該機(jī)器人模塊化的履帶式結(jié)構(gòu)特性，依據(jù)剛體平面運動理論，分析了該機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運動條件；基于轉(zhuǎn)向阻力矩模型，建立了該輪-履式移動機(jī)器人完成履帶式轉(zhuǎn)向運動的約束方程。仿真和實驗證明，此種輪-履式移動機(jī)器人地形適應(yīng)能力強(qiáng)，在履帶運動模式下，采取大的轉(zhuǎn)向半徑及小的轉(zhuǎn)向比可有效減少機(jī)器人的轉(zhuǎn)向阻力矩，能很好地完成轉(zhuǎn)彎運動。

輪履； 運動模式； 移動機(jī)器人； 轉(zhuǎn)向運動； 模塊化； 阻力矩； 轉(zhuǎn)向半徑； 轉(zhuǎn)向比

移動機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)主要有輪式及履帶式等幾種類型[1-3]，該種機(jī)器人在偵察、巡視、警戒、掃雷排險等危險與惡劣環(huán)境中有著廣闊的應(yīng)用前景。輪式機(jī)器人具有機(jī)構(gòu)簡單、驅(qū)動和控制相對方便、行走靈活、工作效率高等優(yōu)點，但其越障能力及地形適應(yīng)能力差，一般用于平坦路面。典型的輪式機(jī)器人有iRobot公司推出的吸塵器機(jī)器人Roomba,美國的JPL(jet propulsion laboratory)研制的Sojourner[4]。履帶機(jī)器人支撐面積大，牽引附著性能好，地形適應(yīng)能力強(qiáng)，在陡峭地形、復(fù)雜環(huán)境下有較高的越障能力和良好的環(huán)境適應(yīng)性，但其速度相對較低，在長距離、高速度運動過程中或者是轉(zhuǎn)彎時其能耗很高。典型的履帶機(jī)器人如加拿大謝布魯克大學(xué)研制的AZIMUT機(jī)器人5[5]、美國的Packbot機(jī)器人[6]及利用對稱布置的雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)改變履帶外形的履帶越障機(jī)器人[7]。

基于不同結(jié)構(gòu)機(jī)器人的性能有較大差異，李智卿等研制了一種對非結(jié)構(gòu)環(huán)境具有自適應(yīng)能力的輪—履復(fù)合變形移動機(jī)器人[8]，郭文增等提出了一種小型輪/履變結(jié)構(gòu)移動機(jī)器人[9]，為了充分發(fā)揮這兩種類型移動機(jī)器人各自的優(yōu)點，為了使機(jī)器人既能適應(yīng)平坦路面，又能在崎嶇不平的路面實現(xiàn)直線運動、轉(zhuǎn)彎運動，本文設(shè)計一種新穎的模塊化的輪-履式移動機(jī)器人，可以實現(xiàn)純輪式運動、純履帶運動及輪履混合運動的相互轉(zhuǎn)換，在遠(yuǎn)距離平坦路面時，機(jī)器人只依靠輪子運動，充分發(fā)揮其速度快、能耗低的優(yōu)點；而在臺階、斜坡等不平坦路面，機(jī)器人能轉(zhuǎn)換運動模式，依靠模塊化的履帶結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)機(jī)器人的純履帶運動，特別是能完成機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎運動，以充分發(fā)揮機(jī)器人的地形適應(yīng)性。

1 輪-履式機(jī)器人模塊化結(jié)構(gòu)

本移動機(jī)器人采用三節(jié)四履帶的結(jié)構(gòu)，機(jī)器人前、后、左、右結(jié)構(gòu)對稱，前后性能完全一樣，由4個車輪、4條模塊化的履帶擺臂和中間車體組成，如圖1所示。擺臂能夠繞履帶驅(qū)動輪的中心軸擺動，通過履帶擺臂的擺動，機(jī)器人可以實現(xiàn)純車輪運動、純履帶運動及輪履混合運動的切換。

圖1 輪-履式機(jī)器人結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of track-wheel robot

2 輪-履式移動機(jī)器人運動模式

當(dāng)機(jī)器人處于平坦環(huán)境時，如圖2所示，運動模式為純輪式運動。此時的移動機(jī)器人運行阻力小、機(jī)動靈活、功耗低，可以實現(xiàn)高速長距離運動。

圖2 輪式運動模式Fig.2 Wheel motion mode

當(dāng)機(jī)器人處于爬臺階或崎嶇不平運動環(huán)境時，本輪-履式移動機(jī)器人由輪式運動模式切換到純履帶運動模式，如圖3所示。圖3(a)中為雙節(jié)式配置，與地面的接觸面積大，機(jī)器人運動穩(wěn)定；圖3(b)中為三節(jié)式配置，轉(zhuǎn)向靈活；圖3(c)中運動模式類似于腿式移動機(jī)構(gòu)，一方面能夠越過一些較低較窄的障礙物，另一方面增加了車體與地面的間隙。

在移動機(jī)器人實現(xiàn)輪式運動和履帶式運動之間的模式轉(zhuǎn)換過程中，常常會處于輪履混合運動的過度過程，如圖4所示。對應(yīng)于圖3(a)、(b)模式和輪式之間的轉(zhuǎn)換過程，圖4(a)、(b)分別為相應(yīng)的過度狀態(tài)，此時機(jī)器人地面適應(yīng)能力介于純輪式運動和純履帶運動之間。

圖3 履帶運動模式Fig.3 Track motion mode

3 輪-履式移動機(jī)器人履帶運動模式轉(zhuǎn)向分析

對于本文中的輪-履式移動機(jī)器人在純履帶行駛狀態(tài)下的轉(zhuǎn)向運動作出如下假設(shè)[10]：

1)機(jī)器人在堅實平地上行駛，忽略履帶下沉以及其他阻力的影響；

2)機(jī)器人的重量平均分配在4條履帶上；

3)機(jī)器人轉(zhuǎn)向速度較慢，可以忽略轉(zhuǎn)向過程中離心力的影響。

圖4 輪履混合運動模式Fig.4 Wheel-track motion mode

機(jī)器人履帶運動模式轉(zhuǎn)向示意圖如圖5，其中o′點為移動機(jī)器人的轉(zhuǎn)向中心，o點為4條履帶的幾何中心，坐標(biāo)系oxy為固連在移動機(jī)器人上的隨動坐標(biāo)系。v車為機(jī)器人速度，ω為移動機(jī)器人轉(zhuǎn)向時相對于轉(zhuǎn)向中心的角速度；RT為移動機(jī)器人的轉(zhuǎn)向半徑；b為單條移動機(jī)器人履帶的接地寬度；IT為單條移動機(jī)器人履帶的接地長度。

圖5 履帶運動模式轉(zhuǎn)向示意圖Fig.5 The steering diagram in track mode

履帶運動模式轉(zhuǎn)向時，移動機(jī)器人履帶上牽連點的牽連速度vε為

vε=vxi+vyj

(1)

式中:vx、vy分別為牽連速度vε在坐標(biāo)系oxy中沿x軸、y軸方向的投影分量；i、j分別為為坐標(biāo)系oxy中x軸方向、y軸方向的單位矢量。

由剛體平面運動的相關(guān)知識和圖5中的幾何關(guān)系可知

(2)

式中:x、y分別為牽連點在坐標(biāo)系oxy中的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)。

履帶上與地面相接觸的任意一點的滑動摩擦力df為

df=dfxi+dfyj

(3)

式中:dfx、dfy分別為滑動摩擦力df在坐標(biāo)系oxy中沿x軸、y軸方向的投影分量。對于滑動摩擦力df的大小有

(4)

式中:μ為移動機(jī)器人履帶與地面間的滑動摩擦系數(shù)，G為移動機(jī)器人的重量。

由于滑動摩擦力的方向與牽連速度的方向相反，于是有

(5)

聯(lián)立式(4)與式(5)可得

(6)

將式(2)與(4)代入式(6)，可得

(7)

對每一微元面積的阻力矩進(jìn)行積分，可得移動機(jī)器人在轉(zhuǎn)向時的轉(zhuǎn)向阻力矩為

(8)

式中：d為同側(cè)的前后兩履帶間的距離；B為左右兩側(cè)履帶中心線間的距離?？赏频?/p>

(9)

由式(9)可以計算出本移動機(jī)器人在轉(zhuǎn)向時的阻力矩大小?，F(xiàn)取G=180 N，lT=0.27 m，b=0.03 m，B=0.31 m，d=0.06 m，μ=0.47，將這些參數(shù)代入式(9)可得在不同轉(zhuǎn)向半徑RT時的轉(zhuǎn)向阻力矩，如圖6所示。

圖6 履帶運動模式時轉(zhuǎn)向阻力矩與轉(zhuǎn)向半徑的關(guān)系Fig.6 The relationship between resistance moment and steering radius in track mode

圖7 履帶運動模式時轉(zhuǎn)向阻力矩與轉(zhuǎn)向比的關(guān)系Fig.7 The relationship between resistance moment and steering rate in track mode

4 輪-履式移動機(jī)器人轉(zhuǎn)向運動能力測試

移動機(jī)器人處于輪式運動模式時，讓其兩驅(qū)動輪以大小相等、方向相反的速度運行，移動機(jī)器人可以在原地實現(xiàn)180°的轉(zhuǎn)向。當(dāng)只有一側(cè)驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動時，也可以非常順利的實現(xiàn)掉頭。

移動機(jī)器人處于雙節(jié)式配置履帶運動模式時，兩側(cè)的履帶擺臂以方向相反、大小相同的速度運行可以實現(xiàn)原地180°的轉(zhuǎn)向。同理，移動機(jī)器人處于三節(jié)式配置履帶運動模式下時，也可以實現(xiàn)良好的原地轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向過程如圖8所示。當(dāng)移動機(jī)器人只有一側(cè)履帶擺臂轉(zhuǎn)動時，三節(jié)式配置下的轉(zhuǎn)向半徑約為雙節(jié)式配置下轉(zhuǎn)向半徑的1.5倍。

綜上可得，移動機(jī)器人在輪式與履帶式下都具有良好的轉(zhuǎn)向性能，但在履帶運動模式下應(yīng)注意選擇轉(zhuǎn)向方式，避免采用單側(cè)履帶驅(qū)動轉(zhuǎn)向的方法。

圖8 移動機(jī)器人轉(zhuǎn)向過程實驗Fig.8 The steering process of the mobile robot

5 結(jié)論

1)設(shè)計了一種新穎的模塊化輪-履式移動機(jī)器人，它能夠?qū)崿F(xiàn)純輪式、純履帶式及輪履混合式運動模式的轉(zhuǎn)換。

2)基于輪-履移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點和轉(zhuǎn)向阻力矩模型，建立了該輪-履式移動機(jī)器人完成履帶式轉(zhuǎn)向運動的約束方程。

3)實現(xiàn)該移動機(jī)器人轉(zhuǎn)彎實驗，由實驗可知此種輪-履式移動機(jī)器人能完成輪式轉(zhuǎn)彎和履帶轉(zhuǎn)彎，且在履帶運動模式下，機(jī)器人三節(jié)配置的轉(zhuǎn)向半徑要比雙節(jié)配置的轉(zhuǎn)向半徑大。

[1] BRUZZONE L, QUAGLIA G. Review article: locomotion systems for ground mobile robots in unstructured environments [J]. Mechanical sciences, 2012，3(2): 49-62.

[2] 曲杰，鐘偉斌.輪履復(fù)合式變形車輪的設(shè)計與越障性能分析[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報，自然科學(xué)版， 2013， 41(5)； 119-124.

QU Jie, ZHONG Weibin. Design and obstacle-surmounting performance analysis of wheel-track transformable wheel[J]. Journal of South China University of Technology：natural science, 2013，41(5): 119-124.

[3] SONG G M. A wheel-legged robot with active waist joint: design, analysis, and experimental results[J]. Journal of intelligent and robotic systems: theory and applications, 2016, 83(3-4): 485-502.

[4] WEISBIN C R, RODRIGUEZ G. NASA robotics research for planetary surface exploration [J]. Robotics & automation magazine,IEEE, 2000, 7(4): 25-34.

[5] MICHAUD F, LETOURNEAU D, ARSENAULT M, et al. Multi-modal locomotion robotic platform using leg-track-wheel articulations[J].Autonomous robots, 2005, 18(2): 137-156.

[6] YAMAUCHI B. PackBot: A versatile platform for military robotics[C]∥Proc Spie, Conference on Unmanned Ground Vehicle Technology VI. Orlando, 2004, 5422: 228-237.

[7] 孫智勇,左方印,朱洪俊，等. 雙曲柄滑塊機(jī)構(gòu)變形履帶機(jī)器人越障機(jī)構(gòu)設(shè)計和分析 [J].機(jī)械傳動, 2014, 38(6): 91-94.

SUN Zhiyong,ZUO Fangyin, ZHU Hongjun,et al. Design and analysis of barrier-crossing mechanism of double crank slider mechanism deformation tracked robot [J]. Journal of mechanical transmission, 2014, 38(6): 91-94.

[8] 李智卿,馬書根,李斌，等. 具有自適應(yīng)能力輪一履復(fù)合變形移動機(jī)器人的開發(fā)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報, 2011, 47(5): 1-10.

LI Zhiqing,MA Shugen,LI Bin,et al. Development of a transformable wheel-track robot with self-adaptive ability [J]. Journal of mechanical engineering, 2011, 47(5): 1-10.

[9] 郭文增,姜世公,戴福全，等. 小型輪/履變結(jié)構(gòu)移動機(jī)器人設(shè)計及越障分析[J]. 北京理工大學(xué)學(xué)報, 2015, 35(2): 144-148.

GUO Wenzeng, JIANG Shigong, DAI Fuquan, et al. Design of a small wheel-track mobile robot and obstacle-surmounting analysis [J]. Transaction of Beijing Institute of Technology, 2015, 35(2): 144-148.

[10] 周君,王殿龍,徐偉，等.履帶車輛硬地面轉(zhuǎn)向阻力矩算法的研究[J].起重運輸機(jī)械, 2010, 20(5): 20-23.

ZHOU Jun, WANG Dianlong, XU Wei, et al. Research on algorithm of steering resistance moment of tracked vehicle on hard ground [J]. Hoisting and conveying machinery, 2010, 20(5): 20-23.

本文引用格式：帥立國，蘇慧哲，鄭麗媛，等. 輪-履式移動機(jī)器人履帶轉(zhuǎn)向運動研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報， 2017， 38(10): 1630-1634.

SHUAI Liguo, SU Huizhe, ZHENG Liyuan, et al. Study on steering movement of track-wheel mobile robot[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(10): 1630-1634.

Steeringmovementofcaterpillartrackofatrack-wheelmobilerobot

SHUAI Liguo1, SU Huizhe1, ZHENG Liyuan1, FEI Yanqiong2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, He′nan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003, China; 2.Research Institute of Robotics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China)

Different operational environments have different requirements for the structure of mobile robots. This paper designed a new modular track-wheel mobile robot and described different motion modes, including pure wheel motion mode, pure track motion mode, and wheel-track motion mode. On the basis of the modular caterpillar structure of the robot and the plane motion theory of rigid body, the condition for steering movement was analyzed on the basis of the steering resistance moment model, and a constraint equation for the wheel-track mobile robot to complete the caterpillar steering movement was established. Experiments and simulations show that this type of mobile robot can adapt to various terrains. With the track motion mode, the steering resistance moment can be effectively reduced by adopting a large steering radius and a small steering ratio. Thus, the steering motion can be properly completed.

track-wheel; motion mode; mobile robot; steering movement; modular; resistance moment; steering radius; steering ratio

10.11990/jheu.201606006

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20170816.1445.004.html

TP242.6

A

1006-7043(2017)10-1630-05

2016-06-01. < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期：2017-08-16.

國家自然科學(xué)基金項目(51075272，61175069).

帥立國(1968-),男,教授,博士生導(dǎo)師.

帥立國, E-mail：liguo.shuai@126.com.