尹一凡

摘 要：腿式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度較慢，能量利用效率低，且控制復(fù)雜，可靠性差。輪式機(jī)器人越障能力弱，環(huán)境適應(yīng)性較差，難以適應(yīng)復(fù)雜地形。為解決上述問題，本文設(shè)計(jì)并制作了一種輪腿式六足越障機(jī)器人，設(shè)計(jì)一種偏心式輪腿，通過旋轉(zhuǎn)推動(dòng)機(jī)器人行進(jìn)。這使得機(jī)器人從傳統(tǒng)的離散點(diǎn)著地變?yōu)檫B續(xù)點(diǎn)著地，具有更佳的穩(wěn)定性和更快的運(yùn)動(dòng)速度。同時(shí)，偏心軸設(shè)計(jì)增大了有效半徑，可以輸出更大的扭矩，也賦予了其出色的越障能力;簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)增加了可靠性和靈活性。

關(guān)鍵詞：六足機(jī)器人;輪腿;越障

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）28-0023-06

Design of Six-legged Obstacle - crossing Robot based

on Single - chip Microcomputer

YIN Yifan

（School of Automation Science and Electrical Engineering， Beihang University，Beijing 100191）

Abstract： The leg robot is slow in motion， low in energy utilization， complex in control and poor in reliability. Wheeled robot is weak in obstacle jumping ability， poor in environmental adaptability， and difficult to operate in complex terrain. In order to solve the above problems， this paper designed and made a wheel-legged hexapod reconnaissance robot. The robot changes from the traditional discrete point landing to the continuous point landing， which has better stability and faster movement speed. At the same time， the eccentric shaft design increases the effective radius， can output more torque， but also gives its excellent ability to jump over obstacles. It also avoids complex mechanical structure and has high reliability and flexibility.

Keywords： hexapod robot;wheel leg;obstacle surmounting

1 項(xiàng)目背景

在現(xiàn)代社會(huì)，大量機(jī)器人被應(yīng)用于惡劣工作環(huán)境中，以代替人類進(jìn)行危險(xiǎn)、骯臟、乏味的任務(wù)。移動(dòng)機(jī)器人具有靈活性強(qiáng)、智能化程度高的優(yōu)點(diǎn)，在宇宙探測(cè)、核能開發(fā)、礦產(chǎn)開采、救援搶險(xiǎn)、戰(zhàn)地偵察和掃雷排險(xiǎn)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，移動(dòng)機(jī)器人時(shí)常工作在野外環(huán)境中，如災(zāi)后廢墟、叢林戰(zhàn)場(chǎng)、狹小洞穴。高低起伏的地形，錯(cuò)綜復(fù)雜的地面環(huán)境（如碎石、積水、泥濘），給移動(dòng)機(jī)器人的工作帶來了極大挑戰(zhàn)。而腿式機(jī)器人不僅能在平整路面上運(yùn)動(dòng)，還能在崎嶇的復(fù)雜地面行進(jìn)，具有很強(qiáng)的地形適應(yīng)性。然而，腿式機(jī)器人也有著明顯的不足，如運(yùn)動(dòng)速度慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能量利用率低。

在太空探測(cè)領(lǐng)域，為適應(yīng)地外星球表面復(fù)雜的地形（如月球、火星），各國都把輪腿復(fù)合式機(jī)器人作為研究重點(diǎn)。1997年，美國發(fā)射的索杰納號(hào)火星車是人類送往火星的第一部火星車。該機(jī)器人車能在各種復(fù)雜的地形上行駛，特別是在火星軟沙表面[1]。在這之后，美國相繼發(fā)射了機(jī)遇號(hào)、勇氣號(hào)、好奇號(hào)等一系列火星探測(cè)車。

2013年，美國宇航局向公眾展示了一款名為“ATHLETE”的全地形月球車。該型機(jī)器人裝備了六條腿，并設(shè)計(jì)有靈活的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這使其擁有了出色的轉(zhuǎn)向越障能力。

在此背景下，本文提出了一種六足驅(qū)動(dòng)的輪腿式機(jī)器人。其既具有輪式機(jī)器人的高速運(yùn)動(dòng)能力，還具有腿式機(jī)器人的越障能力。該機(jī)器人采用六足布局，步態(tài)豐富，肢體結(jié)構(gòu)冗余，利用弧形輪式腿的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)。同時(shí)，偏心驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì)使輪腿的輸出力矩顯著增加，這也賦予了輪腿式機(jī)器人出色的越障能力。此外，該機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，可靠性和靈活性更高。

2 總體設(shè)計(jì)與分析

2.1 六足輪腿式機(jī)器人的步態(tài)分析及設(shè)計(jì)

步態(tài)規(guī)劃決定了六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，是其適應(yīng)復(fù)雜地形的關(guān)鍵。在本項(xiàng)目中，設(shè)計(jì)者采用了廣泛使用的三足步態(tài)規(guī)劃。同時(shí)，采用直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪腿，通過對(duì)每個(gè)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，得出標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速（Move[i]，1=<[i]<=6），使得6個(gè)電機(jī)擁有公共周期[T];同時(shí)通過Arduino與L298N的配合實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度和角度的控制。

圖1為機(jī)器人各輪腿編號(hào)，以3條輪腿為一組，L1、L3、R2為A組，R1、R3、L2為B組。兩組輪腿交替支撐和擺動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎等多種步態(tài)。

2.1.1 直行步態(tài)規(guī)劃。直行步態(tài)規(guī)劃步驟具體如下所示。

①初始狀態(tài)下，機(jī)器人的6條輪腿均處于前極限位置，具體如圖2所示。

②接著，按表1所示調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使A組輪腿逆時(shí)針同步轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示。當(dāng)A組輪腿到達(dá)后極限位置時(shí)，B組電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)，如圖4至圖5所示。

③當(dāng)A組輪腿的擺動(dòng)狀態(tài)結(jié)束后，B組輪腿也剛好結(jié)束支撐狀態(tài)。此時(shí)，按表2所示調(diào)節(jié)電機(jī)，使得A組輪腿再次進(jìn)入支撐狀態(tài)，而B組輪腿進(jìn)入擺動(dòng)狀態(tài)，如圖6所示。

直行步態(tài)下各輪腿相位如圖7所示。

2.1.2 轉(zhuǎn)彎（左轉(zhuǎn)）步態(tài)規(guī)劃。轉(zhuǎn)彎（左轉(zhuǎn)）步態(tài)規(guī)劃步驟如下所示。

①初始狀態(tài)下，A組輪腿處于前極限位置，B組輪腿處于后極限位置，具體如圖8所示。

②首先，按表3所示調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使輪腿L1、R1、L3、R3至后極限位置，輪腿L2、R2至前極限位置，設(shè)該位置為左轉(zhuǎn)彎的初始位置，如圖9所示。

③接下來，根據(jù)表4所示調(diào)整電機(jī)，A組輪組順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，B組車輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使L1、R1、L3和R3移動(dòng)到前限位置，L2、R2運(yùn)動(dòng)至后極限位置，如圖10所示。

④接下來，根據(jù)表5所示調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)，A組輪腿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，B組輪腿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，讓每條腿返回左轉(zhuǎn)的初始位置，如圖11所示。

⑤若需要從轉(zhuǎn)彎步態(tài)回到前進(jìn)步態(tài)，按表6所示調(diào)節(jié)電機(jī)，將L1、R2、L3調(diào)至前極限位置;R2，L2，R3調(diào)至后極限位置，如圖12所示。

轉(zhuǎn)彎步態(tài)下各輪腿相位如圖13所示。

按照上述運(yùn)動(dòng)方式，筆者在Arduino平臺(tái)上完成了三足步態(tài)規(guī)劃的程序設(shè)計(jì)，如圖14所示。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的輪腿式六足越障機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖15所示，其主要由底板、輪腿、外殼、控制模塊和偵察模塊組成。其中，底板由鋼板搭建而成，具有較高的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，有利于機(jī)器人在崎嶇的環(huán)境中應(yīng)對(duì)側(cè)翻、顛簸、撞擊、傾覆、翻轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)狀況。六個(gè)輪腿的設(shè)計(jì)參數(shù)相同，由彎曲組件構(gòu)成，對(duì)稱布置在底板兩側(cè)。位于中部的輪腿離機(jī)器人軸線較遠(yuǎn)，錯(cuò)開輪腿的寬度，避免底板過長(zhǎng)以減輕自重。外殼中則封裝有電源、電機(jī)及單片機(jī)主板等設(shè)備，并合理分配質(zhì)量，使機(jī)器人的質(zhì)心處于上下、左右的對(duì)稱位置。這有利于避免機(jī)器人傾覆，并且進(jìn)一步增強(qiáng)了復(fù)雜地形的適應(yīng)性。

2.2.2 輪腿設(shè)計(jì)。輪腿采用偏心軸設(shè)計(jì)，通過旋轉(zhuǎn)推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。在動(dòng)力上，設(shè)計(jì)者采用了24V直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心軸，可以輸出大扭矩，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的野外運(yùn)動(dòng)與越障攀爬。在材料選取上，設(shè)計(jì)者選用了兼具彈性和硬度的彈簧鋼，并在輪腿觸地部分加裝了橡皮墊。與簡(jiǎn)單的腿部設(shè)計(jì)相比，具有偏心設(shè)計(jì)的輪腿使機(jī)器人由離散點(diǎn)觸地變?yōu)檫B續(xù)點(diǎn)觸地[2]，移動(dòng)速度更快，穩(wěn)定性更強(qiáng)。具體的輪腿設(shè)計(jì)如圖16所示。

2.2.3 控制設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)主要由發(fā)射器、接收器、驅(qū)動(dòng)源和傳感器等四部分構(gòu)成。發(fā)射器以手機(jī)軟件Blinker為載體，以WiFi為媒介傳輸，通過操作者發(fā)出的遙控信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制。接收器由WiFiduino和Arduino Mega2560組成。WiFiduino作為中間設(shè)備，通過與IIC接口的連接實(shí)現(xiàn)與Arduino Mega2560的通信。WiFiduino接收到Blinker的信號(hào)后，進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的代碼轉(zhuǎn)換，然后傳給Arduino Mega2560進(jìn)行后續(xù)操作。

2.2.4 偵察模塊設(shè)計(jì)。該機(jī)器人主要用于環(huán)境信息采集。結(jié)合應(yīng)用的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)者選擇GoPro HERO7 Black攝像頭用于環(huán)境圖像的采集，并利用WiFi模塊回傳至上位機(jī)。在目標(biāo)識(shí)別跟蹤上，采用高效準(zhǔn)確的KCF算法，用于對(duì)偵察對(duì)象的識(shí)別跟蹤。GoPro HERO7 Black攝像頭性能參數(shù)如表7所示。識(shí)別的目標(biāo)如圖17所示。

2.2.5 整體尺寸。設(shè)計(jì)的輪腿式六足越障機(jī)器人幾何參數(shù)如表8所示。輪腿式六足越障機(jī)器人實(shí)物圖如圖18所示。

3 試驗(yàn)分析

為了更好地研究輪腿式六足機(jī)器人的地形適應(yīng)能力，設(shè)計(jì)者在多種地形環(huán)境中對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證理論分析和設(shè)計(jì)的可行性。同時(shí)，選擇最合適的輪腿半徑、彎曲角度、前進(jìn)速度以及質(zhì)量分配，從而獲得更強(qiáng)越障能力和更快的運(yùn)動(dòng)速度。三足步態(tài)驗(yàn)證試驗(yàn)如圖19所示。

從試驗(yàn)樣機(jī)的野外試驗(yàn)可知，六足輪腿式設(shè)計(jì)完全滿足機(jī)器人行走和越障的各種要求。設(shè)計(jì)者分別在公路、斜坡、草地、臺(tái)階等多種地形中驗(yàn)證了六足輪腿式機(jī)器人的爬行和越障能力（見圖20至圖21）。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人在不同平整度的路面上均保持了較快的運(yùn)動(dòng)速度，在草地、臺(tái)階等崎嶇地形上表現(xiàn)出了出色的越障能力，這充分體現(xiàn)了輪腿兼顧速度和越障能力的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在試驗(yàn)過程中，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出高度的穩(wěn)定性和可控性，證明三足步態(tài)規(guī)劃的可行性和可靠性。

4 項(xiàng)目特色與應(yīng)用

4.1 軍事偵察

在執(zhí)行反恐、排爆等軍事任務(wù)中，現(xiàn)場(chǎng)偵察是關(guān)鍵一環(huán)，充分掌握現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境情況，是任務(wù)順利完成的必要前提。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的輪腿式六足越障機(jī)器人具有出色的越障能力，可適應(yīng)洞穴、叢林、山地、沙漠、戈壁和濕地等多種環(huán)境。同時(shí)，該機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)，且具有較高的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，能適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)苛刻的性能需求。

4.2 救援搶險(xiǎn)

在地震、海嘯、爆炸等災(zāi)害后，會(huì)出現(xiàn)大量建筑物廢墟。廢墟環(huán)境較為復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，易發(fā)生坍塌等二次災(zāi)害，搜救難度極大。而本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的輪腿式六足機(jī)器人體型輕巧，且具有出色的越障能力和復(fù)雜地形適應(yīng)能力，可用于快速獲取災(zāi)害信息，協(xié)助科學(xué)決策和調(diào)度，以及快速搜索和定位幸存者。通過攝像頭、紅外傳感器設(shè)備，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)廢墟場(chǎng)景重現(xiàn)、生命活動(dòng)檢測(cè)、廢墟內(nèi)外通信等功能，在救援領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并制造了一種輪腿式六足越障機(jī)器人，既具有高速運(yùn)動(dòng)能力，又具有出色的越障能力，兼具輪式和腿式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)了偏心式輪腿，結(jié)合腿和輪的優(yōu)點(diǎn)，使機(jī)器人從傳統(tǒng)的離散點(diǎn)觸地變?yōu)檫B續(xù)點(diǎn)觸地，具有更好的穩(wěn)定性和更高的移動(dòng)速度。同時(shí)，偏心軸設(shè)計(jì)增大了有效半徑，可以輸出更大的扭矩，這也賦予了其出色的越障能力。該機(jī)器人采用六足布局，步態(tài)豐富，穩(wěn)定性高;同時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有更高的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)者采用三足步態(tài)控制，實(shí)現(xiàn)了直行、轉(zhuǎn)彎、跳躍、翻轉(zhuǎn)等多種姿態(tài)的動(dòng)作。利用偵察模塊，機(jī)器人還具有目標(biāo)識(shí)別、定向追蹤、路徑規(guī)劃等功能。目前，該機(jī)器人在軍事偵察、搶險(xiǎn)救援、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通過對(duì)此機(jī)器人平臺(tái)的進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，同時(shí)采用多元模塊化設(shè)計(jì)，使該輪腿式六足機(jī)器人具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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