新型輪腿式地面移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動特性分析

張禮華1費(fèi)藍(lán)冰2樓飛1王康1

1.江蘇科技大學(xué)，鎮(zhèn)江，2120032.江蘇大學(xué)，鎮(zhèn)江，212013

摘要：依據(jù)平行四邊形懸掛機(jī)構(gòu)的運(yùn)動特性設(shè)計(jì)的輪式移動機(jī)器人具有良好的越障性能，通過結(jié)合擺臂和行星輪機(jī)構(gòu)而設(shè)計(jì)的新型輪腿式地面移動機(jī)器人克服了原有機(jī)器人不能跨溝的缺陷，對外界非結(jié)構(gòu)化的路面環(huán)境具有良好的適應(yīng)能力。詳述了該新型輪腿式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對該機(jī)器人的運(yùn)動特性進(jìn)行了分析，并利用拉格朗日方程建立了該機(jī)器人越障狀態(tài)下的動力學(xué)模型。采用一組可行的結(jié)構(gòu)尺寸，利用ADAMS軟件建立虛擬樣機(jī)模型驗(yàn)證了該地面移動機(jī)器人的可行性。

關(guān)鍵詞：輪腿式；地面移動機(jī)器人；越障；動力學(xué)模型；虛擬樣機(jī)

中圖分類號：TP24

收稿日期：2015-04-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275217)

作者簡介：張禮華，男，1974年生。江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)。發(fā)表論文20余篇。費(fèi)藍(lán)冰，男，1961年生。江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師。樓飛，男，1991年生。江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。王康，男，1990年生。江蘇科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。

Structure Design and Analysis of Movement Characteristics for a New Type Wheel-Legged UGV

Zhang Lihua1Fei Lanbing2Lou Fei1Wang Kang1

1.Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang,Jiangsu,212003

2.Jiangsu University，Zhenjiang,Jiangsu,212013

Abstract:According to the movement characteristics of parallelogram links mechanism, a wheeled UGV had remarkable performance of obstacle-surmounting. The new type wheel-legged UGV overcome the defects that the previous UGV could not cross the groove by adding swing arms and planet gears. It had good adaptability to the unstructured ground. The paper described the structure of the wheel-legged UGV in details, and analyzed the movement characteristics, and established the dynamics model by using the Lagrange equation. Finally, a virtual prototype was built for a group of feasible structure size, and the simulation results based on ADAMS software verify the feasibility of the wheel-legged UGV.

Key words: wheel-legged; UGV(unmanned ground vehicle); obstacle-surmounting; dynamics model; virtual prototype

0引言

用于救災(zāi)、反恐、軍事、探測等領(lǐng)域的小型地面移動機(jī)器人(small unmanned ground vehicle,SUGV)面對非結(jié)構(gòu)化的作業(yè)環(huán)境，需要適應(yīng)不可預(yù)測的地理環(huán)境[1-3]。目前，為了提高小型地面移動機(jī)器人的生存能力，多采用復(fù)合式的底盤結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人越障能力的突破。國外技術(shù)較為成熟的機(jī)器人有Packbot型偵查機(jī)器人[4]，攜帶有武器裝置的MAARS，美國Sojourner被動式自適應(yīng)機(jī)器人[5]等。國內(nèi)對小型地面移動機(jī)器人的研究起步較晚，但也取得了不少成果，如東南大學(xué)研制的輪-履-腿復(fù)合式的多關(guān)節(jié)履帶機(jī)器人[6]，中科院沈陽自動化研究所研制的具有自適應(yīng)能力的輪-履復(fù)合變形移動機(jī)器人[7]，國防科技大學(xué)研制的四連桿變形履帶機(jī)器人[8]，西北工業(yè)大學(xué)研制的輪-腿混合機(jī)器人[9]等。

地面移動機(jī)器人主要通過兩種方式適應(yīng)路面的起伏變化，一種是主動式，即通過調(diào)整自身機(jī)構(gòu)的姿態(tài)實(shí)現(xiàn)越障；另一種是被動式，即機(jī)器人根據(jù)地形被動地調(diào)整機(jī)構(gòu)形狀[10-11]實(shí)現(xiàn)越障。本文所述的地面機(jī)器人結(jié)合兩種越障方式，采用文獻(xiàn)[3]中提到的行星輪結(jié)構(gòu)并在文獻(xiàn)[10]的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，突破了地面移動機(jī)器人不能夠進(jìn)行跨溝運(yùn)動的瓶頸。本文結(jié)合平行四邊形懸掛機(jī)構(gòu)、擺臂和行星輪傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了輪-腿式機(jī)器人復(fù)合底盤，并通過虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的可行性和合理性。

1移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的首要問題，其設(shè)計(jì)質(zhì)量決定了機(jī)器人的整體性能。輪式底盤運(yùn)行效率高，承載能力強(qiáng)但越障能力一般；腿式底盤環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，運(yùn)行平穩(wěn)不顛簸但控制復(fù)雜。本文依據(jù)移動機(jī)器人設(shè)計(jì)要求及其各項(xiàng)性能指標(biāo)，綜合兩種底盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，創(chuàng)新性地提出了一種輪-腿式底盤結(jié)構(gòu)，這種機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)可以搭載機(jī)械臂、攝像頭等儀器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)其功能多元化擴(kuò)展。

1.1移動機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該輪-腿式復(fù)合底盤地面移動機(jī)器人設(shè)計(jì)有6個(gè)擺臂，形成前、中、后3組兩兩對稱的布局。

該輪-腿式地面移動機(jī)器人主要由車架、對稱分布的平行四邊形懸掛機(jī)構(gòu)、擺臂機(jī)構(gòu)、行星輪系等組成，如圖1所示。該機(jī)器人的動力輸出模塊由4組行星輪系和2組普通輪組成，每個(gè)模塊都由一個(gè)直流電機(jī)直接驅(qū)動。蝸輪蝸桿自鎖電機(jī)固定安裝在車架和平行四邊形懸掛機(jī)構(gòu)上，通過聯(lián)軸器和擺臂連接?？刂莆佪單仐U自鎖電機(jī)轉(zhuǎn)動可以帶動擺臂旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)擺臂位姿的調(diào)整，結(jié)合平行四邊形懸掛機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)被動和主動兩種方式越障。車體采用沖壓和折彎形成的箱體結(jié)構(gòu)，加工方便，承載力強(qiáng)。

1.行星輪系　2.車架　3.平行四邊形懸掛機(jī)構(gòu)　4.擺臂 5.蝸輪蝸桿自鎖電機(jī)　6.直流電機(jī) 圖1　輪-腿式機(jī)器人三維圖

該地面移動機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明如下：

(1)為了便于拆卸、安裝和維護(hù)，整個(gè)輪-腿式地面移動機(jī)器人采用了趨于模塊化的設(shè)計(jì)方法，通過集成各個(gè)子裝配體(模塊)以實(shí)現(xiàn)更高的功能需求。

(2)該地面移動機(jī)器人采用了平行四邊形懸掛機(jī)構(gòu)，和傳統(tǒng)輪式底盤結(jié)構(gòu)地面移動機(jī)器人相比，承重能力有所下降，但仍具備搭載小型機(jī)械臂、攝像頭等輕型設(shè)備的能力。

(3)行星輪結(jié)構(gòu)和平行四邊形懸掛機(jī)構(gòu)確保了該地面機(jī)器人具有良好的地面貼合度，通過多個(gè)車輪同時(shí)傳動，提升了路面適應(yīng)性。

1.2擺臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擺臂結(jié)構(gòu)主要由主動輪(或行星輪系)、被動輪、擺臂、電機(jī)等部件組成，如圖2所示。主動輪(或行星輪系)通過直流電機(jī)直接驅(qū)動，被動輪沒有驅(qū)動裝置，起到支撐作用。整個(gè)擺臂通過蝸輪蝸桿自鎖電機(jī)結(jié)合連接裝置和車體其他部件相連接，可以通過驅(qū)動蝸輪蝸桿自鎖電機(jī)調(diào)整擺臂的位姿以滿足不同的運(yùn)動要求。

1.被動輪支架　2.擺臂　3.主動輪　4.被動輪　5.直流電機(jī) 圖2　中間擺臂結(jié)構(gòu)圖

1.3行星輪系傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

行星輪系傳動系統(tǒng)是用一組小車輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單一車輪結(jié)構(gòu)，如圖3所示。整個(gè)行星輪系主要由小車輪、行星輪、惰輪、太陽輪和支架等部件組成。電機(jī)軸通過聯(lián)軸器和中間的太陽輪連接，動力從電機(jī)軸輸出，經(jīng)過太陽輪傳遞給惰輪，最后傳遞給行星輪，行星輪帶動小車輪旋轉(zhuǎn)。

1.行星輪　2.惰輪　3.太陽輪　4.行星輪支架　5.小車輪 　(a)行星輪系簡圖(b)行星輪系三維圖 圖3　行星輪系圖

當(dāng)整個(gè)行星輪傳動系統(tǒng)處于平路行駛狀態(tài)時(shí)，在地面移動機(jī)器人重力的作用下，下部兩個(gè)小車輪著地，行星輪支架不會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，以定軸輪系傳動。當(dāng)遇到障礙時(shí)，前輪發(fā)生堵轉(zhuǎn)，在電機(jī)的驅(qū)動下，行星輪支架繞堵轉(zhuǎn)的小車輪中心軸翻轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)變?yōu)樾行禽喯祩鲃樱瑥亩鴮?shí)現(xiàn)越障。

2移動機(jī)器人的運(yùn)動特性分析

移動機(jī)器人的運(yùn)動特性是指在實(shí)際運(yùn)行過程中，針對不可預(yù)測的路面環(huán)境，機(jī)器人結(jié)構(gòu)做出的適應(yīng)性調(diào)整來確保通過性的能力。只有對非結(jié)構(gòu)化的路況具有良好的適應(yīng)性，才能提高地面移動機(jī)器人的生存能力。本文所設(shè)計(jì)的新型輪腿式機(jī)器人的運(yùn)動特性如圖4所示。

圖4　新型輪腿式地面移動機(jī)器人運(yùn)動特性

2.1車體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定

為了方便后續(xù)的相關(guān)分析計(jì)算，設(shè)定車體結(jié)構(gòu)的參數(shù)如圖5所示，參數(shù)含義如表1所示。

圖5　整體參數(shù)設(shè)定示意圖

參數(shù)參數(shù)意義a行星輪系中太陽輪的分度圓直徑b行星輪系中惰輪的分度圓直徑c行星輪系中行星輪的分度圓直徑r行星輪系中接地輪胎的半徑R中間輪胎和被動輪的半徑d行星輪系中心到行星輪中心的距離l1平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)橫桿的長度l2后車架的長度l3后車架重心在水平分量上與后車架的距離h1平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)豎桿的長度h2平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)中間桿的長度h3后車架與后輪中心的有效高度h4平行四邊形機(jī)架的重心高度h5后車架重心在豎直分量上與后車架的距離m1平行四邊形機(jī)架的質(zhì)量m2后車架質(zhì)量

2.2平面運(yùn)動過程分析

該輪腿式機(jī)器人的平面運(yùn)動可以分解為平移和轉(zhuǎn)動兩個(gè)部分。整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)需要控制三個(gè)自由度，分別為沿X軸的移動、沿Y軸的移動和繞自身質(zhì)心的轉(zhuǎn)動。由于沒有設(shè)置特定轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人通過兩側(cè)驅(qū)動輪差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。如圖6所示，設(shè)P點(diǎn)為機(jī)器人平面結(jié)構(gòu)的幾何中心，作為運(yùn)動的參考點(diǎn)。以P點(diǎn)為原點(diǎn)建立相對坐標(biāo)系，質(zhì)心位置為G點(diǎn)。設(shè)：PG=D，機(jī)器人平動速度為v，轉(zhuǎn)動角速度為ω，轉(zhuǎn)動角為α。

圖6　平面運(yùn)動坐標(biāo)系

通過分析可以得到P點(diǎn)的運(yùn)動方程為

(1)

由于

(2)

所以將式(2)代入式(1)得到質(zhì)心處的運(yùn)動方程為

(3)

對式(3)求導(dǎo)得到質(zhì)心處加速度方程以及系統(tǒng)驅(qū)動力和驅(qū)動力矩方程為

(4)

(5)

式中，m為機(jī)器人總質(zhì)量；J為機(jī)器人繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量；Fx、Fy分別為系統(tǒng)沿X軸驅(qū)動力、沿Y軸驅(qū)動力；T為系統(tǒng)驅(qū)動力矩。

2.3越障運(yùn)動過程分析

2.3.1越障原理分析

該輪腿式地面移動機(jī)器人利用行星輪和連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)被動越障，越障原理如圖7所示。整個(gè)越障過程可以大致分為6個(gè)部分，說明如下：

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f) 圖7　越障原理圖

當(dāng)遇到障礙時(shí)，前輪發(fā)生堵轉(zhuǎn)，電機(jī)提供的驅(qū)動力矩使行星輪支架發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并貼緊在豎直障礙上，平行四邊形懸掛機(jī)構(gòu)在前進(jìn)的推力作用下發(fā)生變形，前輪抬升，車體前移，如圖7a～圖7c所示；當(dāng)前輪抬升使得平行四邊形機(jī)架達(dá)到最大仰角時(shí)，中輪將會空轉(zhuǎn)，直到再次貼到障礙物表面，完成爬升，如圖7d所示；當(dāng)后輪發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，運(yùn)行狀態(tài)和前輪類似，如圖7e、圖7f所示。

整個(gè)越障過程，利用機(jī)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，沒有施加額外的控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了被動越障的設(shè)計(jì)目標(biāo)。當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中出現(xiàn)死點(diǎn)導(dǎo)致越障過程停滯時(shí)，利用蝸輪蝸桿自鎖電機(jī)調(diào)整擺臂的位姿，避開死點(diǎn)完成越障，具體實(shí)施過程不再贅述。

2.3.2越障過程的動力學(xué)建模

動力學(xué)建模是為了計(jì)算該輪腿式地面移動機(jī)器人在運(yùn)行過程中所需驅(qū)動力，為驅(qū)動器選形和結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化而推導(dǎo)出一個(gè)數(shù)學(xué)模型。由于整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的牛頓力學(xué)建模方法較為繁瑣。本文從系統(tǒng)能量的角度出發(fā)，利用拉格朗日動力學(xué)建立相關(guān)動力學(xué)模型。將機(jī)器人系統(tǒng)分為平行四邊形機(jī)架和后車架兩部分，對應(yīng)的編號下標(biāo)分別為1和2。坐標(biāo)系統(tǒng)如圖8所示，定義G1、G2為平行四邊形機(jī)架和后車架的重心位置，其在X、Y方向的位移分別為(x1，y1)、(x2，y2)，位姿角分別定義為θ1、θ2，轉(zhuǎn)動慣量分別定義為J1、J2。

圖8　平面坐標(biāo)系統(tǒng)圖

拉格朗日動力學(xué)方程定義為L=K-P，其中，L為拉格朗日算子，K為系統(tǒng)動能，P為系統(tǒng)勢能。結(jié)合圖5參數(shù)設(shè)定示意圖可以得出

(6)

那么系統(tǒng)動能K=K1+K2，系統(tǒng)勢能P=P1+P2。由于采用被動越障的形式，機(jī)構(gòu)中不需要對力矩進(jìn)行控制，因此這里只求解產(chǎn)生線性運(yùn)動的外力，即Fx和Fy。由于式(6)中將x2、y2分別用x1、y1表示，所以Fx和Fy為

(7)

最終得到的表達(dá)式用矩陣形式可以表示為

(8)

J=

T=

系統(tǒng)動力是由輪子在滾動時(shí)產(chǎn)生的摩擦力提供的，通過給定狀態(tài)變量θ1、θ2、x1、y1可以得到Fx和Fy，將其與系統(tǒng)能夠提供的最大摩擦力進(jìn)行對比，確保車輪不發(fā)生打滑，從而保證運(yùn)行過程連續(xù)不間斷。

2.4跨越壕溝過程分析

上一節(jié)所闡述的越障過程充分利用了平行四邊形懸掛機(jī)構(gòu)的特性，實(shí)現(xiàn)了被動式越障。為了跨越壕溝，需要發(fā)揮擺臂的作用?？鐪线^程如圖9所示。

(a) (b)(c)

(d) (e)(f) 圖9　機(jī)器人跨越壕溝過程

(1)由于前后輪是行星輪系驅(qū)動，為了方便擺動，采用“先中間，后前后”(即先擺動中間擺臂，后擺動前后擺臂)的方式進(jìn)行跨溝；

(2)可以跨越的壕溝的寬度L應(yīng)當(dāng)小于等于三組擺臂中最短的有效長度。取表1中對應(yīng)的前、中、后三組擺臂長度，則對應(yīng)的有效長度分別為L1、L2、L3：

L2=l2

可跨越的壕溝寬度L=min(L1，L2，L3)。

(3)當(dāng)跨越的壕溝寬度大于有效長度，且深度小于最大越障高度時(shí)，可以視為越障過程。即：讓機(jī)器人直接駛?cè)霚系祝闷叫兴倪呅螒覓鞕C(jī)構(gòu)被動越障的特點(diǎn)在整個(gè)過程中適當(dāng)調(diào)整擺臂的位姿，防止機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)死點(diǎn)，以確保機(jī)器人從溝底進(jìn)行越障之后爬出壕溝。

3虛擬樣機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)

本文所述的地面移動機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)越障是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。根據(jù)表2所示設(shè)計(jì)參數(shù)，建立三維模型并導(dǎo)入ADAMS，如圖10a所示。

表2　機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)參數(shù)表

該地面移動機(jī)器人的跨溝過程在3.4節(jié)已經(jīng)做了詳細(xì)介紹，這里不再贅述。通過設(shè)定合理的材料、質(zhì)量屬性、運(yùn)動副、接觸、驅(qū)動等條件，對其跨越臺階的過程進(jìn)行仿真，得到相關(guān)的運(yùn)動特征曲線，如圖10b、圖10c所示。

(a)虛擬樣機(jī)模型

(b)越障過程中輪子隨時(shí)間在前進(jìn)方向上的位移曲線

(c)機(jī)器人攀越300mm障礙重心在豎直方向位移曲線 圖10　虛擬樣機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)圖示

(1)圖10b的三條曲線分別為越障過程中，該機(jī)器人的前、中、后輪隨時(shí)間在前進(jìn)方向上的位移。通過這一組曲線可以看出，在整體前進(jìn)的過程中，車輪不存在先前進(jìn)再后退的反復(fù)震蕩現(xiàn)象，因此避免了平行四邊形懸掛機(jī)構(gòu)在變形過程中發(fā)生失效。同時(shí)，三組輪子在越障過程中的運(yùn)行曲線曲率相類似，說明在越障過程中三組輪子都在發(fā)揮相應(yīng)的作用，不存在長時(shí)間空轉(zhuǎn)及相互影響等現(xiàn)象，具有較高的運(yùn)行效率。

(2)圖10c為機(jī)器人攀越300mm障礙重心在豎直方向上的位移曲線?？梢钥闯?，重心的抬升過程是連續(xù)、緩和的，沒有震蕩的現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，可以推斷出，該機(jī)器人在越障過程中運(yùn)行平穩(wěn)有效，不會像履帶式底盤那樣，重心突然升高后再突然下降，產(chǎn)生較為劇烈的沖擊。因此該新機(jī)器人有良好的路面適應(yīng)性，適合搭載精密儀器。

(3)通過反復(fù)多次虛擬樣機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)該機(jī)器人的越障高度可以達(dá)到300mm。同時(shí)驅(qū)動該機(jī)器人的直流電機(jī)需要提供10N·m以上的轉(zhuǎn)矩。

從虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，該地面移動機(jī)器人保留了傳統(tǒng)輪式底盤運(yùn)行高效的特點(diǎn)，卻具有輪式底盤所不能相比的越障能力。除此之外，控制簡便的優(yōu)勢是腿式底盤所不能及的。

4結(jié)論

本文在對現(xiàn)有的典型小型地面移動機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)進(jìn)行充分研究分析的基礎(chǔ)上，提出了一種新型輪腿式地面移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)。

(1)該機(jī)器人既保留了輪式底盤運(yùn)行時(shí)高效、快速的特點(diǎn)，又具備腿式底盤運(yùn)行時(shí)強(qiáng)大的越障能力，同時(shí)擁有履帶式良好的路面適應(yīng)性。垂直越障高度可以達(dá)到300mm(3倍輪高)。

(2)該地面移動機(jī)器人利用了行星輪結(jié)構(gòu)和平行四邊形懸掛機(jī)構(gòu)，同時(shí)安裝有行走腿，結(jié)合了“被動”和“主動”的越障形式，在運(yùn)行過程中，不易出現(xiàn)死點(diǎn)，可以通過壕溝、臺階等典型障礙。

(3)平行四邊形懸掛機(jī)構(gòu)可以根據(jù)外界的路況自行調(diào)整姿態(tài)，具有良好的路面貼合能力，運(yùn)行過程平穩(wěn)，不易出現(xiàn)震蕩等現(xiàn)象，使得該機(jī)器人適合搭載精密儀器等以拓展其功能。

(4)該新型輪腿式地面移動機(jī)器人在面對非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境時(shí)，具有良好的生存能力，以該機(jī)器人作為移動平臺，通過搭載其他功能模塊，在反恐、探測、偵查等領(lǐng)域?qū)⒕哂袕V泛的應(yīng)用前景。

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(編輯華中平)