季清華 白大鵬

（浙江大學濱海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，天津300000）

1 概述

隨著機械、電子、計算機、自動控制等相關(guān)學科的快速發(fā)展，機器人的智能化程度越來越高、應(yīng)用范圍越來越廣，巡檢機器人作為服務(wù)類機器人中的一種，應(yīng)用前景可觀，是國內(nèi)外高校和科技類公司研究的焦點之一。

2 輪履臂復(fù)合結(jié)構(gòu)巡檢機器人移動系統(tǒng)方案設(shè)計

目前巡檢機器人種類很多，按照移動方式主要分為腿式移動機器人、輪式移動機器人、履帶式移動機器人和復(fù)合式移動機器人等。其中腿式移動機器人移動速度慢，控制難度大，輪式移動機器人復(fù)雜路況適用能力差，履帶式移動機器人速度慢，續(xù)航能力差。為此，本文提出一種輪履臂復(fù)合結(jié)構(gòu)機器人移動系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，機器人移動系統(tǒng)主要由左右輪驅(qū)動裝置、前后擺臂機構(gòu)驅(qū)動裝置、車輪、履帶裝置、鏈條傳動裝置、擺臂機構(gòu)、軸、車體及控制系統(tǒng)組成。

圖1 巡檢機器人移動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

巡檢機器人移動系統(tǒng)的左、右驅(qū)動裝置通過鏈條傳動裝置驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機器人前進后退，通過控制兩側(cè)伺服電機不同轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)機器人轉(zhuǎn)彎。前、后擺臂機構(gòu)驅(qū)動裝置可實現(xiàn)機器人前側(cè)、后側(cè)擺臂機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運動。提出的輪履臂復(fù)合結(jié)構(gòu)機器人移動系統(tǒng)由于其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，對路況的適用能力更強。在平地面行走時，機器人主要由車輪與地面接觸，可實現(xiàn)快速移動并大大提高續(xù)航能力；爬坡、爬樓梯、越障時主要由履帶與地面接觸，增加機器人整體接觸面積，提高機器人復(fù)雜崎嶇路面的行駛能力；在復(fù)雜路況下行駛時，擺臂結(jié)構(gòu)配合使用，可大大增加機器人在爬樓梯、越障時的機動性和穩(wěn)定性。

3 輪履臂復(fù)合結(jié)構(gòu)機器人越障過程分析

巡檢機器人移動控制系統(tǒng)主要由主控板、激光雷達、IMU 慣導(dǎo)系統(tǒng)、里程計傳感器、驅(qū)動器、伺服電機等組成，同時控制系統(tǒng)內(nèi)置地圖。巡檢機器人在自動巡航過程中，通過激光雷達實時定位，并通過與地圖比對，判斷行使過程中檢測到的障礙物為預(yù)設(shè)障礙物或未知障礙物，對于未知障礙物，巡檢機器人采用自動避障功能，通過路徑重新規(guī)劃實現(xiàn)機器人繞障。對于預(yù)設(shè)障礙物，巡檢機器人采用越障功能，通過實時判斷機器人與障礙物的位置關(guān)系，按照程序預(yù)設(shè)，擺臂機構(gòu)在伺服電機的驅(qū)動下實時調(diào)整旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)機器人的平穩(wěn)越障，越障流程參照圖2 。

圖2 巡檢機器人越障功能控制流程圖

巡檢機器人越障過程可以大致分為5 個階段：前履帶搭上障礙物、前履帶越上障礙物、前履帶越過障礙物、后履帶越上障礙物和后履帶越過障礙物。

圖3 巡檢機器人越障過程分析

巡檢機器人在越障時首先通過調(diào)整前側(cè)擺臂機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度，使前履帶搭上障礙物，機器人左右兩側(cè)驅(qū)動電機驅(qū)動機器人前履帶越上障礙物，同時，后擺臂機構(gòu)在伺服電機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，支起整個機器人，確保機器人底部不觸碰到障礙物。機器人繼續(xù)前進，后履帶接觸障礙物后，隨著機器人向前行駛，后擺臂機構(gòu)不斷調(diào)整后履帶角度，使機器人平穩(wěn)越過障礙物。

4 樣機試驗

為驗證巡檢機器人在不同復(fù)雜路況下的機動性及越障能力，對設(shè)計制作的巡檢機器人移動系統(tǒng)進行越障性能測試，測試用障礙物高200mm，寬150mm，如圖4 所示：

圖4 巡檢機器人移動系統(tǒng)越障功能測試

試驗結(jié)果表明，機器人移動系統(tǒng)在擺臂機構(gòu)的配合下，可平穩(wěn)越過200mm 的障礙物，越障全程移動系統(tǒng)底部未觸及障礙物。經(jīng)測試，巡檢機器人移動系統(tǒng)在平坦油漆路面最高速度可達2.5m/s，最高越障高度可達250mm。輪履臂復(fù)合結(jié)構(gòu)的巡檢機器人移動系統(tǒng)可根據(jù)路況的不同自主切換運動模式，適用多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)地形。

5 結(jié)論

本文提出了一種輪履臂復(fù)合結(jié)構(gòu)巡檢機器人移動系統(tǒng)設(shè)計方案，通過自主切換不同運動模式，可實現(xiàn)巡檢機器人在多種復(fù)雜路況下的行駛，并具有強大的機動性及穩(wěn)定性，通過搭載不同功能模塊，可制作不同用途的移動機器人，具有廣闊的市場前景。