張鉑軒，王立超，袁澤浩，孫術(shù)發(fā)，王揚(yáng)威

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京 100081；3.東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 前言

森林多處于山地和丘陵地帶[1]，林地環(huán)境復(fù)雜多變，林地地形障礙物多且分布隨機(jī)，需要林地作業(yè)機(jī)器人具有良好的地形適應(yīng)性和越障性能。移動(dòng)機(jī)器人大多通過(guò)變化自身結(jié)構(gòu)來(lái)提高越障能力。北京理工大學(xué)的ZHAO 等[2]設(shè)計(jì)一種基于四連桿機(jī)構(gòu)的履帶機(jī)器人，基于四連桿機(jī)構(gòu)的變形來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)履帶輪，改變履帶俯仰角，以提高機(jī)器人越障高度；但該結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中對(duì)履帶變形量有較高要求，且需要增加額外緊固機(jī)構(gòu)保證履帶在變形過(guò)程中不會(huì)脫落或松弛。趙欣然等[3]設(shè)計(jì)一種可變形輪腿搜救機(jī)器人，該機(jī)器人配有4個(gè)可變形車(chē)輪，由轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤(pán)與連桿驅(qū)動(dòng)車(chē)輪變形，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可使車(chē)輪張開(kāi)為三段弧腿，提高了機(jī)器人越障能力；但該結(jié)構(gòu)越障性能依賴弧腿高度與可變形車(chē)輪張開(kāi)幅度，車(chē)輪張開(kāi)幅度過(guò)大會(huì)影響整體穩(wěn)定性，增大發(fā)生傾覆可能，弧腿高度增大會(huì)增大車(chē)輪整體結(jié)構(gòu)。徐俊翊等[4]設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)式履帶車(chē)，通過(guò)履帶車(chē)底盤(pán)調(diào)節(jié)橫桿與Ω型調(diào)節(jié)桿，調(diào)節(jié)底盤(pán)履帶與障礙物接觸點(diǎn)，使機(jī)構(gòu)在越障過(guò)程中不發(fā)生傾翻保持自身穩(wěn)定性。陳程等人[5]設(shè)計(jì)一種多模式全向移動(dòng)機(jī)器人，通過(guò)切換運(yùn)動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)輪式高速移動(dòng)，多足模式越障，提高了極限越障高度和爬坡能力。楊洋等人[6]設(shè)計(jì)了一種具有多段變形輪結(jié)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人，具有4種多段變形輪結(jié)構(gòu)，適用于輪式無(wú)人越障車(chē)輛，提高了車(chē)輛越障高度。劉超等人[7]設(shè)計(jì)一種新型輪腿機(jī)器人，通過(guò)單環(huán)閉鏈變胞機(jī)構(gòu)切換輪腿工作模式提高自身越障高度。孟廣耀等[8]研制一種新型變形履帶式機(jī)器人，能夠在變形過(guò)程中保證機(jī)器人履帶長(zhǎng)度不變且持續(xù)張緊。朱巖等人[9]基于橢圓定理設(shè)計(jì)了履帶可變形機(jī)器人，能保證變形時(shí)履帶長(zhǎng)度不變，且履帶可以持續(xù)張緊。YOKOTA等[10]設(shè)計(jì)了多節(jié)履帶結(jié)構(gòu)，通過(guò)在傳統(tǒng)履帶上增加兩個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)履帶俯仰角度實(shí)現(xiàn)越障。KIM等[11]設(shè)計(jì)一種被動(dòng)鉸接式履帶機(jī)器人，通過(guò)改變搖臂連桿來(lái)提高非結(jié)構(gòu)化路面上的地形適應(yīng)性。ARAI等[12]設(shè)計(jì)一種多關(guān)節(jié)連接履帶式機(jī)器人，由加強(qiáng)型金屬履帶單元和葉片彈簧機(jī)構(gòu)組成，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人履帶體間角度調(diào)節(jié)?，F(xiàn)有研究多是通過(guò)履帶結(jié)構(gòu)變形或輪腿結(jié)構(gòu)變形提升機(jī)器人的越障能力，但可變形履帶結(jié)構(gòu)需要加工特殊材質(zhì)和結(jié)構(gòu)的履帶，且長(zhǎng)時(shí)間工作容易使履帶部分發(fā)生破損，降低結(jié)構(gòu)可靠性；而變形式輪腿式結(jié)構(gòu)需要加裝額外的電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)其變形，且控制系統(tǒng)復(fù)雜。

本文作者針對(duì)林地作業(yè)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和越障性能的需求，基于結(jié)構(gòu)仿生原理，設(shè)計(jì)一種新型腿履復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)型，建立腿履復(fù)合機(jī)器人單腿運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，提出腿履復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人越障策略，研究腿履復(fù)合機(jī)器人越障過(guò)程中關(guān)節(jié)角度和關(guān)節(jié)力矩的變化規(guī)律。

1 腿履復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)型設(shè)計(jì)

林地作業(yè)腿履復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人主要用于復(fù)雜林地環(huán)境下的勘測(cè)作業(yè)，雖然對(duì)負(fù)載能力要求不高，但是需要靈活應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形環(huán)境。犬類(lèi)動(dòng)物依靠腿部骨骼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)靈活的行走和奔跑，為機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了優(yōu)異的仿生藍(lán)本[13]。犬類(lèi)腿部骨骼結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)主要包括大腿、小腿、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，對(duì)犬類(lèi)腿部骨骼的解剖測(cè)量顯示大腿與小腿比例約為3.8∶4[14]，通過(guò)肌肉和骨骼的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種步態(tài)。

圖1 犬類(lèi)骨骼結(jié)構(gòu)

腿履復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人(見(jiàn)圖2)采用仿生四足構(gòu)型，每條腿包含3個(gè)自由度，分別為髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，其中膝關(guān)節(jié)有1個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)有2個(gè)自由度，用于實(shí)現(xiàn)側(cè)擺和外擺動(dòng)作，外擺自由度主要用于機(jī)器人重心調(diào)整和改變行進(jìn)方向。

圖2 腿履復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)型

腿部結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)由足端、大腿、小腿、履帶、履帶板、履帶支撐輪、履帶電機(jī)及主動(dòng)輪和關(guān)節(jié)電機(jī)(髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié))組成。

圖3 單腿結(jié)構(gòu)

足端為半球形狀，通過(guò)連接件與小腿連接。小腿與大腿之間通過(guò)關(guān)節(jié)電機(jī)直接連接，大腿一端與膝關(guān)節(jié)電機(jī)固定端相連接，另一端與髖關(guān)節(jié)的側(cè)擺關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)端相連接。履帶機(jī)構(gòu)采用與大腿一體化的設(shè)計(jì)方案，履帶側(cè)板固定在大腿側(cè)邊，履帶驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定在履帶側(cè)板上，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪呈平面梯形布局，左、右側(cè)護(hù)板可以防止林區(qū)地面雜物卷入履帶行走機(jī)構(gòu)。髖關(guān)節(jié)側(cè)擺關(guān)節(jié)電機(jī)與外擺關(guān)節(jié)電機(jī)通過(guò)L形支架連接，髖關(guān)節(jié)外擺電機(jī)固定端與機(jī)器人身體連接。

2 腿履復(fù)合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)坐標(biāo)系如圖4所示，初始位姿狀態(tài)下D-H坐標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 D-H參數(shù)

圖4 機(jī)器人單腿坐標(biāo)系

腿履復(fù)合機(jī)器人單腿運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可表示為

(1)

機(jī)器人足端位置可以表示為

(2)

其中：l小腿為小腿長(zhǎng)度。

林地的主要障礙是倒伏的樹(shù)木，調(diào)查表明倒木直徑在10 cm以內(nèi)的占83.51%[15]。為保證移動(dòng)機(jī)器人具有足夠的越障性能，腿部越障目標(biāo)高度確定為15 cm。依據(jù)生物腿部結(jié)構(gòu)比例關(guān)系，設(shè)計(jì)小腿與大腿的長(zhǎng)度比例為1∶1，均為30 cm。關(guān)節(jié)角度參數(shù)如表2所示。

表2 關(guān)節(jié)角度參數(shù)

機(jī)器人腿部具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 腿部結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 機(jī)器人腿履復(fù)合越障策略與仿真

林地環(huán)境中的障礙類(lèi)型可分為臺(tái)階和倒木兩類(lèi)。針對(duì)不同類(lèi)障礙物，腿履機(jī)器人通過(guò)不同的越障策略實(shí)現(xiàn)越障。

3.1 臺(tái)階類(lèi)障礙越障策略與仿真

腿履復(fù)合越障時(shí)，腿履復(fù)合機(jī)器人借助腿部帶動(dòng)履帶變結(jié)構(gòu)完成一定高度臺(tái)階越障。臺(tái)階障礙越障臨界狀態(tài)為：機(jī)器人質(zhì)心在豎直方向越過(guò)障礙物頂點(diǎn)。如圖5所示，主要分為4個(gè)階段，圖5(a)階段一機(jī)器人接近臺(tái)階障礙物，圖5(b)階段二機(jī)器人前腿髖關(guān)節(jié)帶動(dòng)履帶轉(zhuǎn)動(dòng)θ2，使得前腿履帶越過(guò)障礙物頂點(diǎn)，則有：

(3)

圖5 腿履臺(tái)階越障示意

其中：θ2為前腿髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角；H為臺(tái)階障礙物高度；r1為履帶帶輪半徑；l大腿為大腿長(zhǎng)度。

圖5(c)階段三機(jī)器人身體質(zhì)心G在豎直方向越過(guò)障礙物頂點(diǎn)，則有：

β1=arctanL1/l1

(4)

其中：β1為身體與水平方向俯仰角；L1為身體質(zhì)心到前腿髖關(guān)節(jié)距離；l1為質(zhì)心到髖關(guān)節(jié)中心距離。

臺(tái)階越障階段二中為了確保前腿履帶越過(guò)頂點(diǎn)后能與臺(tái)階上表面接觸，θ2<45°；在階段三中為了防止機(jī)器人發(fā)生傾覆，機(jī)身俯仰角β1<30°，則臺(tái)階越障極限高度Hlim為

Hlim=min{Hlim1，Hlim2}

其中：Hlim1=sinθ2×l大腿-r1，Hlim2=sinβ1×l1+r1。

以腿履臺(tái)階越障時(shí)，示意見(jiàn)圖5，此時(shí)各腿部髖關(guān)節(jié)力矩有：

(5)

其中：τHF為前腿髖關(guān)節(jié)力矩；τHB為后腿髖關(guān)節(jié)力矩；FF1為前腿履帶與地面接觸力；FB1為后腿履帶與地面接觸力；θ2F為前腿髖關(guān)節(jié)變量；θ2B為后腿髖關(guān)節(jié)變量。

以足式臺(tái)階越障時(shí)，示意見(jiàn)圖6，此時(shí)各腿部髖關(guān)節(jié)力矩有：

(6)

圖6 足式臺(tái)階越障示意

其中：τHRB為右后腿髖關(guān)節(jié)力矩；τHLB為左后腿髖關(guān)節(jié)力矩；τHRF為右前腿髖關(guān)節(jié)力矩；τHLF為左前腿髖關(guān)節(jié)力矩；FRB為右后腿足端支撐力；FLB為左后腿足端支撐力；FRF為右前腿足端支撐力；FLF為左前腿足端支撐力。

膝關(guān)節(jié)力矩有：

(7)

其中：τKRB為右后腿膝關(guān)節(jié)力矩；τKLB為左后腿膝關(guān)節(jié)力矩；τKRF為右前腿膝關(guān)節(jié)力矩；τKLF為左前腿膝關(guān)節(jié)力矩。

ADAMS仿真機(jī)器人腿履復(fù)合臺(tái)階越障過(guò)程見(jiàn)圖7，機(jī)器人移動(dòng)到障礙前，2個(gè)前腿側(cè)擺髖關(guān)節(jié)帶動(dòng)腿部抬起，履帶行進(jìn)到前腿與障礙接觸后，通過(guò)前后腿側(cè)擺髖關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)，履帶推進(jìn)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爬上障礙。機(jī)器人質(zhì)量參數(shù)配置為：軀體10 kg，大腿及履帶部分5 kg，小腿部分2 kg。根據(jù)公式(3)改變腿部接近角，在ADAMS里通過(guò)STEP函數(shù)驅(qū)動(dòng)。建立傳感器，添加前腿履帶與臺(tái)階部件接觸力，當(dāng)傳感器檢測(cè)到接觸力大于0時(shí)，前腿髖關(guān)節(jié)開(kāi)始改變接近角。

圖7 石臺(tái)、石塊越障仿真

假定障礙臺(tái)階高度150 mm，履帶帶輪直徑75 mm，機(jī)器人初始狀態(tài)為履帶模式(即側(cè)擺髖關(guān)節(jié)θ2=-90°)，利用ADAMS軟件仿真分析機(jī)器人越障過(guò)程中質(zhì)心位移(見(jiàn)圖8)和關(guān)節(jié)角度(見(jiàn)圖9)的變化規(guī)律。仿真結(jié)果表明：機(jī)器人質(zhì)心變化較為平穩(wěn)，髖關(guān)節(jié)角度變化曲線平滑。

圖8 機(jī)器人質(zhì)心位移

腿履復(fù)合臺(tái)階越障時(shí)，髖關(guān)節(jié)峰值力矩出現(xiàn)在4.97 s，此時(shí)，前腿履帶與臺(tái)階頂點(diǎn)相接觸，產(chǎn)生峰值力矩。足式臺(tái)階越障時(shí)，關(guān)節(jié)力矩峰值出現(xiàn)在0.15 s，此時(shí)髖關(guān)節(jié)正在快速抬起，有較大慣性作用。

機(jī)器人腿履復(fù)合與足式越障過(guò)程中，機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)力矩變化如圖10所示。結(jié)果表明：腿履復(fù)合越障時(shí)，髖關(guān)節(jié)峰值力矩在15 N·m左右，膝關(guān)節(jié)峰值力矩在6 N·m左右；足式越障時(shí)，髖關(guān)節(jié)峰值力矩在17.5 N·m左右，膝關(guān)節(jié)峰值力矩在8.8 N·m左右?？梢钥闯觯嚷膹?fù)合越障策略在臺(tái)階越障時(shí)所需的關(guān)節(jié)力矩更小。

3.2 倒木障礙越障策略與仿真

腿履復(fù)合越障時(shí)，由于倒木徑級(jí)大于履帶輪直徑，因此腿履復(fù)合機(jī)器人借助腿部帶動(dòng)履帶變結(jié)構(gòu)完成倒木障礙越障。當(dāng)機(jī)器人以腿履式越障時(shí)，在倒木跨越階(見(jiàn)圖11(a))前腿履帶部?jī)H有前端與地面、后端與倒木支撐，此時(shí)髖關(guān)節(jié)受力較大。在前腿跨越倒木后，由于倒木徑級(jí)大于履帶支撐下身體到地面的距離，因此需要機(jī)器人髖關(guān)節(jié)改變較大角度支撐起身體(見(jiàn)圖11(b))。通過(guò)仿真試驗(yàn)得到腿履式倒木越障關(guān)節(jié)力矩曲線見(jiàn)圖12。圖12中的前腿力矩峰值出現(xiàn)在3.05 s，此時(shí)前腿履帶前端觸地產(chǎn)生較大沖擊。

圖11 腿履式倒木越障示意

圖12 腿履式倒木越障髖關(guān)節(jié)(a)、膝關(guān)節(jié)(b)力矩

由于腿履式越障關(guān)節(jié)存在較大沖擊，因此考慮使用腿部進(jìn)行越障。如圖13所示，主要分為3個(gè)階段。圖13(a)所示階段一前腿履帶繞髖關(guān)節(jié)抬起，使履帶與倒木接觸，此時(shí)髖關(guān)節(jié)角度變量為

(8)

圖13 倒木越障示意

其中：θ2F為前腿髖關(guān)節(jié)角度變量；D為倒木直徑。

圖13(b)所示階段二前腿與后腿由履帶式轉(zhuǎn)為足式，通過(guò)機(jī)器人足端壓力傳感器來(lái)控制機(jī)器人膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，前腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)變量為θ1F，后腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)量為θ3B。為完成后腿履帶式轉(zhuǎn)為足式，后腿膝關(guān)節(jié)抬起h1，其表達(dá)式為

(9)

其中：h1為履帶式轉(zhuǎn)換為足式過(guò)程中膝關(guān)節(jié)抬起高度；h′1為足式行走過(guò)程中膝關(guān)節(jié)抬起高度；θ3B為后腿膝關(guān)節(jié)角度變量；α7為履帶模式下后腿大腿與小腿之間角度；θ2B為后腿髖關(guān)節(jié)角度變量。

通過(guò)h1的關(guān)系式，聯(lián)立得到后腿髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)之間關(guān)系式：

θ2B=θ3B+α7+arccos(h1/l小腿)-270°

(10)

圖13(c)所示階段三，機(jī)器人以足式支撐身體，機(jī)器人自身重力G由四足與地面的正壓力支撐，G的表達(dá)式為

G=2FNF+2FNB

(11)

其中：FNF為機(jī)器人前側(cè)單腿支撐力；FNB為機(jī)器人后側(cè)單腿支撐力。

當(dāng)機(jī)器人前腿由履帶式轉(zhuǎn)換到足式支撐后，前腿在轉(zhuǎn)動(dòng)身體時(shí)，足地接觸處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)切向力阻止足部產(chǎn)生向后的相對(duì)滑動(dòng)。該切向力FTF表達(dá)式為

FTF=f+FT

(12)

其中：f為足底接觸面摩擦力，摩擦力可以通過(guò)正壓力與接觸面摩擦因數(shù)表示，有f=FNF×μ；FT為土壤剪切力，有：

FT=-πr2[c+σtanφ](1-e-j/K)

(13)

其中：c為土壤內(nèi)聚力；j為土體切向變形量；K為土體剪切變形模量；σ為足地接觸面法向正應(yīng)力；φ為土壤內(nèi)摩擦角。

當(dāng)四足機(jī)器人四足處于支撐相時(shí)，前后腿關(guān)節(jié)扭矩分別為

(14)

其中：τ膝F為前腿膝關(guān)節(jié)扭矩；τ髖F為前腿髖關(guān)節(jié)扭矩；τ膝B為后腿膝關(guān)節(jié)扭矩；τ髖B為后腿髖關(guān)節(jié)扭矩。

倒木障礙物截面近似為圓形，其頂部沒(méi)有足夠平面使履帶接觸為越障提供動(dòng)力，此時(shí)考慮使用足式越障為主、履帶輔助越障的策略。

建立傳感器，添加前腿履帶與倒木部件接觸力，當(dāng)傳感器檢測(cè)到接觸力大于0時(shí)，前腿髖關(guān)節(jié)開(kāi)始改變接近角。假定倒木障礙直徑尺寸為150 mm，機(jī)器人越障過(guò)程仿真結(jié)果如圖14所示。當(dāng)機(jī)器人前履帶接觸倒木時(shí)，髖關(guān)節(jié)側(cè)擺關(guān)節(jié)帶動(dòng)前腿大腿部抬起，使履帶下側(cè)與倒木接觸，同時(shí)膝關(guān)節(jié)帶動(dòng)小腿轉(zhuǎn)動(dòng)，使前腿小腿與地面接觸。膝關(guān)節(jié)持續(xù)帶動(dòng)小腿轉(zhuǎn)動(dòng)，使前腿小腿部支撐并帶動(dòng)身體，同時(shí)后腿膝關(guān)節(jié)帶動(dòng)小腿轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換為四足接地。前腿膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，后腿膝關(guān)節(jié)配合，使身體重心越過(guò)倒木障礙，直至后腿履帶部與倒木接觸。完成倒木越障后，前腿、后腿均轉(zhuǎn)換為履帶式。

圖14 倒木越障仿真

機(jī)器人前腿關(guān)節(jié)力矩變化曲線如圖15所示。1.07 s之前前腿側(cè)擺髖關(guān)節(jié)帶動(dòng)履帶部轉(zhuǎn)動(dòng)，增大接近角。側(cè)擺髖關(guān)節(jié)在1.07 s處力矩曲線產(chǎn)生突變，此時(shí)前腿履帶部與倒木接觸，通過(guò)前腿髖關(guān)節(jié)支撐起身體。1.07～6.84 s，前腿髖關(guān)節(jié)作為足式模式支撐提供支撐力矩。在6.84 s時(shí)，兩關(guān)節(jié)力矩突變，此時(shí)前腿膝關(guān)節(jié)履帶部與地面接觸，前腿轉(zhuǎn)為履帶式。6.84～7.87 s，機(jī)器人身體前傾，由前腿髖關(guān)節(jié)主要支撐身體。前腿膝關(guān)節(jié)在1.34 s之前帶動(dòng)小腿轉(zhuǎn)動(dòng)，1.34～3.0 s逐漸由履帶式轉(zhuǎn)為足式支撐。膝關(guān)節(jié)在3.0 s處產(chǎn)生突變，此時(shí)前腿足端與地面接觸，前腿轉(zhuǎn)換為腿部完全支撐。3.0～6.84 s，前腿作為足式膝關(guān)節(jié)提供支撐力矩與主動(dòng)力矩越障。后腿關(guān)節(jié)力矩變化曲線如圖16所示。在1.07 s前腿與倒木接觸，機(jī)器人后腿為履帶式側(cè)擺髖關(guān)節(jié)提供支撐力矩。1.07～5.73 s髖關(guān)節(jié)提供支撐力矩，髖關(guān)節(jié)在5.73 s處有突變，此時(shí)后腿履帶與倒木接觸，通過(guò)后腿髖關(guān)節(jié)支撐身體。后腿膝關(guān)節(jié)在4.87 s處有突變，此時(shí)后腿變?yōu)樽闶街巍?.87～9 s后腿為足式支撐，膝關(guān)節(jié)提供支撐力矩與轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

圖15 前腿髖關(guān)節(jié)越障力矩

圖16 后腿髖關(guān)節(jié)越障力矩

臺(tái)階障礙和倒木障礙的越障策略仿真結(jié)果表明：腿履復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人能夠較為靈活地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)模式的切換，并能實(shí)現(xiàn)腿履復(fù)合協(xié)同越障，越障過(guò)程中僅在與障礙接觸時(shí)刻對(duì)關(guān)節(jié)力矩有沖擊影響，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中較為平穩(wěn)。

4 結(jié)論

(1)基于犬類(lèi)腿部的生物學(xué)分析，設(shè)計(jì)一種面向林地作業(yè)的腿履復(fù)合四足移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)型，建立了機(jī)器人腿部的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

(2)針對(duì)腿履復(fù)合機(jī)器人的構(gòu)型特點(diǎn)，提出針對(duì)臺(tái)階類(lèi)障礙和倒木類(lèi)障礙的復(fù)合越障策略。

(3)仿真分析了腿履復(fù)合機(jī)器人的越障過(guò)程，并與足式越障策略進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：足式越障能實(shí)現(xiàn)更高的越障高度，但是針對(duì)大多數(shù)的林地障礙來(lái)說(shuō)，腿履復(fù)合機(jī)器人的特殊復(fù)合形式越障能有效減小關(guān)節(jié)力矩。

腿履復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人兼具腿式與履帶式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，腿履協(xié)同運(yùn)動(dòng)提高了機(jī)器人越障性能，降低了腿履機(jī)器人越障所需關(guān)節(jié)力矩。為復(fù)雜林地環(huán)境下的移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了新的思路，后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行樣機(jī)研制和控制系統(tǒng)研發(fā)。