滕文駿

摘要：本文設(shè)計(jì)了一款面向?yàn)?zāi)害救援的輪腿式變形機(jī)器人，其具有輪式滾動和腿式行走可相互轉(zhuǎn)化的顯著優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文首先提出了全局的總體方案，包括技術(shù)路線和系統(tǒng)組成，其中系統(tǒng)分為機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)包括了驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動輪、操作臂和底盤;然后針對關(guān)鍵變形過程展開了詳細(xì)的論述，設(shè)計(jì)了具體的變形方法和轉(zhuǎn)動輪的具體結(jié)構(gòu);其次系統(tǒng)性的陳述了包含驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動輪、底盤和機(jī)械臂在內(nèi)的四部分子系統(tǒng);最后對本文進(jìn)行了總結(jié)和展望，提出了本文的創(chuàng)新點(diǎn)和不足之處。本文設(shè)計(jì)的輪腿式變形機(jī)器人具有靈活性好、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在商業(yè)發(fā)展和軍事領(lǐng)域等不同方面展現(xiàn)出了深厚的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

Abstract： This paper designs a wheel-legged deformable robot for disaster rescue， which has the significant advantages of wheel-type rolling and leg-type walking and can be transformed into each other， and has broad application prospects. This paper firstly presents the overall overall plan， including the technical route and system composition. The system is divided into a mechanical system and a control system. The mechanical system includes the drive system， rotating wheels， operating arms， and chassis. Then this paper makes a detailed discussion on the key deformation process， designs the specific deformation method and the specific structure of the rotating wheel; Secondly， it systematically stated the four parts of the subsystem including the drive system， rotating wheels， chassis and robotic arms; Finally， this paper summarized and prospected it， and proposed the innovations and deficiencies of this article. The wheel-leg deformed robot designed in this paper has the characteristics of good flexibility and adaptability， and has shown deep development potential in different aspects such as commercial development and military fields.

關(guān)鍵詞：災(zāi)害救援;輪腿變形;機(jī)器人;總體設(shè)計(jì)

Key words： disaster rescue;wheel leg deformation;robot;overall design

中圖分類號：TP242 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）01-0211-04

1 ?研究背景

1.1 課題工程背景和意義

隨著世界各國對國家安全、社會治安等公共事業(yè)的高度重視，以消防滅火、排險(xiǎn)救援、運(yùn)輸物資等為特征的災(zāi)害救援機(jī)器人的需求日益凸現(xiàn)。針對作業(yè)路面的凹凸不平等復(fù)雜情況，就需要機(jī)器人要具備良好的地形適應(yīng)能力和高效自主的運(yùn)動模式。根據(jù)行走方式的不同機(jī)器人可以分為輪式、腿式、履帶式和混合式等多種形式。輪式機(jī)器人在較為平坦的路面可以保持較高速度移動，但是在非結(jié)構(gòu)化的路面會存在無法越障的缺陷[1]。反之，腿式機(jī)器人在凹凸不平的障礙路面相比輪式機(jī)器人則更勝一籌，如果將輪式和腿式相結(jié)合可以綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)并擬補(bǔ)缺點(diǎn)。輪腿式機(jī)器人具有行動敏捷、越障能力強(qiáng)的突出優(yōu)點(diǎn)，對于國家的災(zāi)害救援和軍事發(fā)展都具有重要的研究意義[2]。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

由于輪腿式機(jī)器人其靈活便捷的功能，近幾年吸引了國內(nèi)外的學(xué)者對此進(jìn)行了廣泛研究。早期研究成果多集中于航天探測領(lǐng)域，比如行星探測車，前蘇聯(lián)研制過可越障的行星探測車Lunokhod-1，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院通過在車身中設(shè)計(jì)一款平行四邊形機(jī)構(gòu)來適應(yīng)路面障礙，可以提高車輪進(jìn)行越障動作，研制出了一款輪腿式機(jī)器人Shrimp-Ⅲ Robot。美國JPL通過設(shè)計(jì)柔性底盤的方式來適應(yīng)不同的地面環(huán)境[3]。日本千葉理工學(xué)院曾經(jīng)研制過采用輪腿分離方案的機(jī)器人Halluc-Ⅱ，可以進(jìn)行步態(tài)和滾動兩種方式的運(yùn)動。

國內(nèi)對于輪腿式機(jī)器人的研究起步時(shí)間較晚，在上世紀(jì)八十年代國家確定了相關(guān)的發(fā)展方向，國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)開始逐步設(shè)計(jì)研制出了國產(chǎn)的輪腿式機(jī)器人。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了HIT-HYBTOR機(jī)器人，重慶大學(xué)利用滾珠絲杠研制了較為新穎的輪腿式機(jī)器人Rolling-Wolf。在國家的進(jìn)一步大力支持下，近幾年相關(guān)領(lǐng)域研究成果更為突出，各個(gè)研究單位呈現(xiàn)出異彩紛呈的局面。北京信息科學(xué)大學(xué)的仝如琳等人設(shè)計(jì)了一款新型變形輪結(jié)合行星輪的機(jī)器人輪腿組合結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在平整路面工作的同時(shí)也適應(yīng)在階梯、溝壕等非正常路面工作[4]。天津中德應(yīng)用科技大學(xué)的朱雅喬等人開發(fā)了一款六輪腿機(jī)器人，通過藍(lán)牙控制軟件連接樣機(jī)，驅(qū)動樣機(jī)完成了爬坡性能測試樣機(jī)并能順利爬過22度的斜坡和13cm高的障礙物[5]。

1.3 課題的創(chuàng)新點(diǎn)

①本文設(shè)計(jì)研究的機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)輪式與腿式之間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)動輪在電機(jī)的驅(qū)動下可以完成巧妙的變形過程，在平整的路況上以輪式滾動前進(jìn)，在凹凸不平的路面上則依靠腿式步態(tài)移動，提高了機(jī)器人行動的效率。

②本文設(shè)計(jì)研究的機(jī)器人應(yīng)用范圍廣泛，在自然災(zāi)害、核輻射等各類人工作業(yè)的危險(xiǎn)環(huán)境中具有深入的應(yīng)用前景;同時(shí)，面向于快遞運(yùn)輸和軍事搬運(yùn)等方面也極具開發(fā)和研究價(jià)值。

③本文設(shè)計(jì)研究的機(jī)器人具有模塊化的特點(diǎn)，底盤設(shè)計(jì)有多個(gè)安裝接口，根據(jù)需要可安裝不同的零部件，每個(gè)組成部分都可拆裝重組，這為后期的維修更換和迭代設(shè)計(jì)創(chuàng)造了良好條件。

2 ?總體方案設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)路線

本文設(shè)計(jì)的輪腿變形機(jī)器人具有平坦路面快速移動的優(yōu)異機(jī)動性能，擁有復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的良好越障能力，在災(zāi)害救援、物資運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。在災(zāi)害救援方面，可以適應(yīng)廢墟、塌陷等多種惡劣環(huán)境，替代救援人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域展開救援行動，或作為救援搜尋的先遣力量有效掌握災(zāi)害破壞情況[6]。在物資運(yùn)輸領(lǐng)域，民用中可以有效解決快遞的“最后一公里”派送問題，將小型貨物派送至客戶家門口;軍用中借助機(jī)器人的靈活性和隱蔽性，在崎嶇山路的重要物資運(yùn)送問題上可以發(fā)揮出巨大力量[7]。

針對廣闊的發(fā)展前景，制定具體的機(jī)器人技術(shù)路線，完成具體方案設(shè)計(jì)。首先，了解輪腿變形機(jī)器人的研究背景和發(fā)展趨勢，掌握現(xiàn)有的輪腿變形技術(shù)，針對現(xiàn)有不足開展新的方案設(shè)計(jì)工作。其次，針對輪腿變形機(jī)器人的實(shí)用性功能設(shè)計(jì)總體的技術(shù)方案，本機(jī)器人應(yīng)具有輪式滾動、腿式行走、目標(biāo)操作和環(huán)境監(jiān)測等基礎(chǔ)功能。然后，針對關(guān)鍵的輪式和腿式的變形技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，優(yōu)異的變形能力是本文的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。接下來，針對總體方案，完成分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動輪、底盤和操作臂四大分系統(tǒng)。最后，根據(jù)實(shí)際環(huán)境對模型進(jìn)行修正補(bǔ)充，完成整個(gè)輪腿變形機(jī)器人的設(shè)計(jì)工作。

2.2 系統(tǒng)組成

本機(jī)器人主要由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分組成，其中機(jī)械系統(tǒng)包含驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動輪、底盤和操作臂，控制系統(tǒng)包含傳感檢測系統(tǒng)、遙操作計(jì)算機(jī)和自主控制系統(tǒng)。傳感檢測系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測感知環(huán)境變化情況，主要由攝像頭、溫濕度傳感器、空氣質(zhì)量分析傳感器和距離測量傳感器等組成;遙操作計(jì)算機(jī)主要用于人工遠(yuǎn)距離遙控操作使用，針對機(jī)器人無法自主抉擇或者難度較復(fù)雜的場景可轉(zhuǎn)為人工遙控;自主控制系統(tǒng)主要功能是根據(jù)作業(yè)前設(shè)置完畢的程序，機(jī)器人可以自主規(guī)劃行動路線、輪腿自主切換和自主學(xué)習(xí)。

機(jī)械系統(tǒng)是本文的研究重點(diǎn)，驅(qū)動系統(tǒng)主要提供機(jī)器人作業(yè)的動力來源，由電機(jī)及相應(yīng)傳動部件組成;轉(zhuǎn)動輪在平坦路面為輪式滾動部件，當(dāng)遇到障礙或凹凸路面時(shí)，通過變形設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥仁讲考?底盤是整個(gè)機(jī)器人的支撐架體，負(fù)責(zé)全部的重量和大部分的部件安裝定位，其上滿足多種安裝接口要求，可以滿足模塊化的裝配過程;操作臂是機(jī)器人作業(yè)過程中的有效執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以抓取移動目標(biāo)物體，輔助完成作業(yè)任務(wù)。

3 ?關(guān)鍵變形過程的設(shè)計(jì)

輪腿變形機(jī)器人的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)是輪式和腿式的變形方案設(shè)計(jì)。輪式移動依靠的是圓形輪子，腿式行走使用的是具有活動鉸鏈的連桿機(jī)構(gòu)，將圓形輪子和連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變化分析。自然界中的節(jié)肢動物是典型的依靠節(jié)肢的腿部進(jìn)行移動的生物，其具有多個(gè)關(guān)節(jié)的腿部結(jié)構(gòu)變化靈活、行動敏捷，這為輪腿變化提供了創(chuàng)新性的思路。本研究以此為思路設(shè)計(jì)提出了輪腿式的變形方案，將圓形輪子在整個(gè)圓邊上平均分為三分，如圖3所示。分別標(biāo)記為1、2和3，1和2之間、1和3之間通過轉(zhuǎn)動副相連接，轉(zhuǎn)動副可以在舵機(jī)的帶動下轉(zhuǎn)動，2和3之間為可拆卸活動連接。當(dāng)整體構(gòu)型為圓形時(shí)2和3之間固定，三部分組成了輪式移動的輪子;當(dāng)遇到路面障礙時(shí)，輪子變形為腿，2和3之間的可拆卸活動連接分開，在舵機(jī)的驅(qū)動下3相對于1發(fā)生轉(zhuǎn)動折疊，2相對于3發(fā)生轉(zhuǎn)動形成了由1和2構(gòu)成的腿。

進(jìn)一步的將整個(gè)變形過程進(jìn)行面向?qū)嶋H情況的詳細(xì)設(shè)計(jì)，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)模型。如圖4中的左圖所示，變形輪均分為三部分，整體呈現(xiàn)圓形結(jié)構(gòu)。在1和3之間通過圓柱形的變形電機(jī)連接，在1和2之間通過安裝于1上的舵機(jī)轉(zhuǎn)動連接，2和3之間則是機(jī)械限位。

對比圖4中的右圖可以發(fā)現(xiàn)，整個(gè)變形輪結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧，三部分分別為框架結(jié)構(gòu)大大減輕整體重量。整個(gè)變形輪共有兩個(gè)驅(qū)動源，分別是變形電機(jī)和舵機(jī)，變形電機(jī)與藍(lán)色部分固定連接，可以驅(qū)動黃色部分相對藍(lán)色部分轉(zhuǎn)動;舵機(jī)固定于藍(lán)色部分的舵機(jī)支架上，可以驅(qū)動紅色部分相對于藍(lán)色部分轉(zhuǎn)動。變形輪中間部分可以與機(jī)器人本體的電機(jī)相連，電機(jī)轉(zhuǎn)動可以帶動變形輪的轉(zhuǎn)動來完成機(jī)器人的快速移動。

變形完成后，如圖5所示。變形輪中的1變?yōu)橥炔拷Y(jié)構(gòu)的大腿，即藍(lán)色部分，2變?yōu)橥炔拷Y(jié)構(gòu)的小腿，即紅色部分，3則成為收攏臂，為黃色部分。行走過程中依靠大腿和小腿及其驅(qū)動電機(jī)配合完成，類似于簡單的人體腿部結(jié)構(gòu)。當(dāng)需要邁步前進(jìn)時(shí)，位于原來變形輪中間和機(jī)器人本體的驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動大腿和小腿抬起，原來的舵機(jī)驅(qū)動小腿相對于大腿抬起，兩種動作結(jié)合完成邁步動作。這樣在機(jī)器人的底盤上安裝四組變形輪結(jié)構(gòu)，常規(guī)條件下機(jī)器人使用輪子快速前進(jìn)，必要條件下可以變形為腿式結(jié)構(gòu)，邁步前進(jìn)。

4 ?分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 驅(qū)動系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)際的越障和移動要求，驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)該可以穩(wěn)定的驅(qū)動轉(zhuǎn)動輪轉(zhuǎn)動和腿式行走時(shí)大腿的擺動，另外，輪式變?yōu)橥仁胶笠蟠笸葢?yīng)該具有相對于底盤擺動和旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)自由度，以便滿足正常行走步態(tài)和越障需求。如圖6所示，為驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，接口端用于和轉(zhuǎn)動輪的中心固定連接，電機(jī)1通過同步輪帶動轉(zhuǎn)動輪轉(zhuǎn)動，同時(shí)電機(jī)1與電機(jī)支架固定，電機(jī)支架在電機(jī)2的驅(qū)動下可以相對于底盤進(jìn)行一定范圍的轉(zhuǎn)動。這樣，在腿式行走時(shí)電機(jī)1可以控制大腿擺動的自由度，電機(jī)2可以控制大腿相對于底盤轉(zhuǎn)動的自由度。

4.2 轉(zhuǎn)動輪

轉(zhuǎn)動輪在輪式移動過程中外形表現(xiàn)為輪子，在腿式移動過程中外形表現(xiàn)為行走腿，具備在電機(jī)控制下的變形能力，具體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。整體框架由三部分組成，分別對應(yīng)腿式狀態(tài)下的大腿、小腿和收攏臂;具有兩部驅(qū)動電機(jī)，分別是連接大腿和小腿的舵機(jī)和控制收攏臂的變形電機(jī)。整個(gè)機(jī)器人安裝有四部轉(zhuǎn)動輪，前端兩部和后端兩部相對于底盤中間平面呈對稱安裝，四部轉(zhuǎn)動輪結(jié)構(gòu)一樣，具備模塊化特征，可以在必要情況下互相替換。

4.3 底盤

底盤相當(dāng)于機(jī)器人的軀干，整個(gè)機(jī)器人的重量和外界環(huán)境的沖擊情況都需要底盤負(fù)擔(dān)。底盤還應(yīng)保證整個(gè)機(jī)器人的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)度，具有優(yōu)良的抗變形能力，同時(shí)，底盤需要具備多種安裝接口，相當(dāng)于模塊化設(shè)計(jì)中的模塊安裝板。針對底盤結(jié)構(gòu)的重要使用情況，選用航空鋁作為其加工材料，航空鋁具有高剛度和低密度的突出優(yōu)點(diǎn)，可以在保證機(jī)器人穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上展現(xiàn)出靈巧、輕便的重要特性。

底盤接口設(shè)計(jì)圖如圖7所示，整個(gè)底盤結(jié)構(gòu)為一個(gè)8mm的航空鋁材板，為減輕重量前端和后端加工出了較大凹槽。在底盤上具有多種安裝接口，目前設(shè)計(jì)安裝驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)支架的電機(jī)接口，安裝操作臂的接口和安裝傳感檢測系統(tǒng)的接口，針對實(shí)際情況底盤保留有加工更多其他接口的條件。

4.4 操作臂

操作臂主要用于機(jī)器人在作業(yè)任務(wù)中移動和夾取小型貨物，屬于機(jī)器人的有效執(zhí)行系統(tǒng)[8]。操作臂安裝于底盤前部，具有三個(gè)自由度，具有簡易、靈活的基本特點(diǎn)，可以完成簡單的作業(yè)任務(wù)。操作臂的夾持手爪采用機(jī)械原理中常見的連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)過大量的實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)，這種連桿設(shè)計(jì)常規(guī)有效。整個(gè)操作臂是一款簡單小型的機(jī)械臂，有三部驅(qū)動電機(jī)可以帶來兩個(gè)自由度的運(yùn)動。如圖8所示是操作臂的結(jié)構(gòu)示意圖，關(guān)節(jié)1安裝于底座上，底座通過螺釘固定于底盤上，三個(gè)關(guān)節(jié)都可以在電機(jī)控制下轉(zhuǎn)動，為夾持器提供了三個(gè)自由度。因此夾持器可以敏捷輕便的夾取到所需的東西。不僅可以用來運(yùn)送東西，也可以在災(zāi)難救援中清理現(xiàn)場。

5 ?結(jié)論與展望

本文設(shè)計(jì)了一種面向?yàn)?zāi)害救援的輪腿式變形機(jī)器人，可以根據(jù)實(shí)際路面情況在輪式轉(zhuǎn)動和腿式行走兩種狀態(tài)之間切換。整個(gè)機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由驅(qū)動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動輪、底盤和操作臂四大部分組成。本文提出了一種輪腿變形的方法，設(shè)計(jì)了具體的轉(zhuǎn)動輪結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)性的構(gòu)建了一款輪腿變形機(jī)器人，該機(jī)器人具有模塊化、輕量化和靈巧性的突出優(yōu)點(diǎn)。在災(zāi)害救援和物資運(yùn)送中具有廣泛的應(yīng)用前景和價(jià)值。

但是由于研究時(shí)間和知識儲備的有限，本文的研究還有一些需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)的方面。例如操作臂夾持器的傳動設(shè)計(jì)還不夠細(xì)化，目前僅僅具備了初步功能，夾持器尺寸和具體結(jié)構(gòu)上還需要嚴(yán)謹(jǐn)設(shè)計(jì)和計(jì)算來確定大小重量等。變形輪的變形過程雖然取得了比較顯著的效果，但是對于變形輪的驅(qū)動系統(tǒng)確實(shí)比較大的考驗(yàn)，尚需要進(jìn)一步的驅(qū)動能力校核計(jì)算。此外，控制系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動中樞，本文僅設(shè)計(jì)出了控制系統(tǒng)的基本架構(gòu)，存在深入優(yōu)化設(shè)計(jì)的空間。還有一些方面僅提出了一種構(gòu)思，尚需通過實(shí)際的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)其在實(shí)際生活中的適用性。

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