一种新型宽轮式越野机器人

高永生，王 钢，赵 杰，朱延河，徐 昊

（1.哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001；2.哈尔滨工业大学信息与通信工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150001；3.天津大学电气与自动化工程学院，天津 300222）

0 引言

越野机器人采用遥控、自主或半自主等方式完成地面运动，具有广阔应用前景和军事价值，正受到越来越多的关注和研究［1-2］。国内外多位学者和研究机构进行了面向野外环境的越野机器人研究。相对于前轮转向后轮驱动的机器人，四轮驱动更适于沼泽地、泥地和坑等较复杂的野外场地［3］。国内的沈阳自动化研究所、中国科技大学、南京理工大学等单位对越野机器人的本体结构、运动规划和远程控制等方面进行了广泛研究［4-5］。轮式越野机器人采用全轮式移动、对称结构，能提供良好的机动性和可靠性。通过研究轮式越野机器人的宽轮式结构、中间轴结构和差动式转向方式等结构特性，获得机器人转向稳定性、不同路面上行驶平稳性和在各种路面之间转换行驶平顺性。

1 结构性能分析与设计

1.1 越野性能分析

轮式越野机器人的性能受到驱动力、爬越横斜坡和通过小障碍物的影响。

当机器人在长坡上等速爬坡行使时，车身重量就会依据其重心位置产生不同的坡度阻力。机器人驱动力受到坡度阻力影响。

当机器人沿着横斜坡行驶时，若坡角大于某一定值，则一侧车轮的地面反作用力等于零，机器人失去横向稳定性，出现侧翻或侧滑问题。

机器人在野外行进时遇到的几何形小障碍物对越野性能的影响较大，具体情况为：一是车体的底部碰到凸形障碍，于是机器人被悬起而失去通过性；二是机器人的前后突出部碰到较大凹形障碍，被卡住而不能通过［6］。

1.2 越野机器人结构设计

根据以上越野性能分析，设计的轮式越野机器人的整体结构为前后、左右对称的形式，采用四轮驱动、宽轮式移动机构、差动转向以及特殊的中间轴连接方式。

机器人车轮可以分为前后两组，每一组都有2个外轮，它们套在同一个驱动内轮上面组成一组车轮，外轮完全包围内轮，前后两组车轮是通过中间轴连接。控制部分全部在内轮里面，外观如图1所示。

图1 宽轮式越野机器人整体结构

中间轴具有一个自由度，通过中间轴凸台（两端都有）将中间轴固定在机器人前后内轮上面，如图2所示。由于采用了中间轴的连接形式，使机器人的整体结构更加对称，同时机器人的重心降低，在运行的过程中，获得更好的稳定性。在穿越碎石路面的时候能够使前后两组车轮先后绕中间轴旋转，克服崎岖不平的地形，并且不用过多考虑机器人自身位姿。

图2 中间轴结构

机器人的传动系统采用变速箱减速后经内啮合齿轮输出，传动平稳，耐冲击性好，电机套件、控制板和驱动板全部固定在控制盒内，再装配进机器人的内轮，如图3所示。

图3 机器人传动系统

2 宽轮式越野机器人运动学建模

2.1 运动学分析

2.1.1 小车的模型近似等价为两轮车模型

设定小车的2个左侧车轮有相同的转角和速度，2个右侧车轮有相同的转角和速度，车体运动简化为两轮车运动结构。运动与分析如图4所示。

图4 两轮式机器人车的运动学分析

由图4的运动学分析，按照几何关系以及运动学关系可以推导出：

v，ω为机器人车体中心的瞬时线速度、角速度；vl，vr为机器人左右两侧轮组的瞬时速度；ωl，ωr为机器人左右两侧轮组的瞬间角速度；d为机器人两轮质心的距离；r为机器人车轮半径为机器人的速度v沿x坐标方向的分量为机器人的速度v沿y坐标方向的分量；θ为机器人的速度方向与坐标方向的夹角。

由于车轮只做纯滚动无滑动，可得约束条件为：

由式（6）可知，通过控制机器人两车轮组的角速度，就可以控制机器人车的运行速度和转向角速度，也就是说，可以通过控制车轮组的加速度来控制机器人的运动姿态。

通过几何关系，可以推导出机器人的偏转角速度ω和转弯半径R满足以下关系式：

由式（7），式（8）可以得出本体运动的3种可能的情况：

a.当vl=vr时，机器人车体（中心O）的线速度v=vL=vR，角速度ω=0，转弯半径R→∞，这时机器人作直线运动。

b.当vl=-vr时，机器人车体（中心Oc）的线速度v=0，角速度ω=-2vl／d，转弯半径R=0，这时机器人车体绕其几何中心Oc转动，实现机器人的原地转向。

c.当vl≠vr时，机器人车体（中心Oc）的线速度v=（vL+vR）／2，角速度ω=（vl-vr）／d，转弯半径R=d（vl+rr）／2（vl-rr），这时机器人绕点Oc作半径为R的转动。

通过以上的分析可以看出，控制机器人左右两侧轮组的速度，就可以实现机器人沿着任意设定的轨迹行走。

2.1.2 四轮驱动

每个轮子独立驱动，运动与分析如图5所示。

图5 四轮驱动越野机器人运动学分析

图5中，XOY为固定参考坐标系；xocy为通过机器人几何中心的相对坐标系；xioiyi为固连在车轮组上的坐标系（i=1，2，3，4）；oc为机器人车体几何中心；oi为机器人第i个车轮组回转中心（i=1，2，3，4）；θ为机器人相对坐标系xocy的x轴与X 轴的夹角；L为通过机器人几何中心与各个轮组回转中心之间的距离；αi为x轴与车辆中心和第i个车轮组的回转中心线之间的夹角（i=1，2，3，4）；（x，y，θ）为机器人几何中心oc在地面坐标系中的位姿；ωi为各个车轮的转动角速度；θ0为前轴外转向轮转角；θi为前轴内转向轮转角；r为车轮半径。

式（9）为4个车轮驱动情况下机器人车体的运动学模型，能够通过控制4个车轮组的转速控制机器人本体速度和姿态。

2.2 仿真分析

为了优化宽轮式越野机器人的运动性能，将机械结构Pro／E图导入到ADAMS中，仿真模拟系统的运动和动力特性，并根据仿真结果优化系统。

仿真过程中做如下假设和约定：机器人所作运动为平面运动，整个机器人本体视为一个刚体，车轮视为刚体轮，不考虑轮胎与地面侧向滑动的情况，即轮胎无滑动，作纯滚动运动。

2.2.1 直线行走仿真

仿真实现机器人4个车轮的轮槽为整体“人”字形，在平坦路面上前进或后退。其位移如图6所示（图中粗虚线为X方向运动，实线为Y方向运动）。

图6 前进后退的直线运动轨迹

在ADAMS里面将机器人的直行运行状态设置成沿着X正方向先前进，再后退，分别检测X，Y 2个方向的位移量。从图6可以看出，在运动过程中Y方向的位移没有变化，这说明机器人在运动的时候Y方向轨迹没有偏离，运行良好。

2.2.2 90°转向运动仿真

ADAMS仿真的时候先是在XOY平面上沿X正方向前进，运动1s后，转向90°后再沿Y负方向行驶1.5s。具体的轨迹曲线如图7所示。曲线反映了机器人在X，Y方向上的位移变化关系，图中下部的实线和虚线分别为转向前X，Y方向运动，上部的虚线分别为转向后X，Y方向运动。

图7 转向90°运动轨迹

根据式（9），可得：

式（10）中各参数的含义与式（3）相同。通过运动学方程得到的数值基本上与仿真曲线相吻合。

2.2.3 小半径回转仿真

机器人在YOZ平面以小半径回转，将机器人的4个外轮分为左右两组，每组外轮的运动的速度相同，方向相反，可以完成小半径回转。如果两组轮子的速度相等，方向相反就可以实现零半径回转。小半径回转的位移曲线如图8所示。图8中，以起点划分，起点为零的直线（实线）是外轮沿X轴的位移，起点接近100mm的正弦曲线（长虚线）是外轮沿Y方向的位移，起点稍大于175mm的正弦曲线（虚线）是外轮沿Z轴的位移，起点稍大于200mm的是外轮的总的位移曲线（矢量和）。因为机器人是一个很小的半径做回转运动，所以位移曲线是近似正弦线。如果机器人以坐标原点为回转中心，则位移曲线将会是标准的正弦。

图8 小半径回转运动仿真

2.2.4 越障仿真

在越障仿真中，机器人经过一个很短的凹坑路面，由于中间轴的随动作用，机器人就会自动调整位姿来适应地形的变化。仿真是在YOZ平面内沿Z轴负方向运动。

图9a中水平直线是中间轴在X方向的位移，以零为起点在末端向下倾斜的曲线是中间轴在Y方向的位移，起点大于零的一条斜直线是中间轴在Z轴方向的位移。图9b中两条水平直线几乎重合，分别是中间轴在X，Y方向的位移，斜直线是中间轴在Z方向的位移。从两图的对比可以看出来，中间轴没有随动自由度的机器人在遇到凹坑的时候，不能自动调节车体位姿以适应地面，表现在图9a中就是Y方向的末端（凹坑尽头）位移曲线有偏移，即机器人在Y方向上有移动，而图9b所显示的一直是直线状态。这说明中间轴有随动作用的时候，机器人具有更好的地面适应能力。

图9 机器人越障仿真

3 实验研究

搭建实验系统如图10所示。左上为上位机控制系统，用于发送处理控制指令；右上为无线收发模块，一块连接上位机，另一块连接驱动控制板；左下为驱动控制板，接收来自上位机或者是无线模块的指令，直接控制右下的机器人，并将编码器的信号反馈给控制器。所设计的轮式越野机器人的车体宽度为192mm，轮半径为60mm。

图10 轮式越野机器人试验系统

轮式越野机器人的直线行走实验中，4个电机均为正向转动，驱动机器人直线前行。机器人沿直线行走2400mm，测量偏移的距离。经过10次试验的测量，机器人的最大偏移是23mm。可见机器人的直线运动性能较理想。

轮式越野机器人转向试验中，分左右两组控制4个电机。控制左侧电机反向转动，右侧电机正向转动，实现机器人的逆时针原地转向。反之，机器人就顺时针转向。机器人逆时针旋转实验如图11所示。每张图片均为45°角度间隔，机器人能够平顺转向。

图11 轮式越野机器人小半径回转

轮式越野机器人的越障实验中，在机器人前进的路面上有35mm高的障碍物，机器人越过遇到的小障碍物并且保持原先的前进状态，如图12所示。这个过程中，主要是由于中间轴的作用，使机器人在越障碍物的时候，能够保持住原先的运动方向和状态。通过实验验证，机器人所能够爬越的最大障碍物为轮子直径的1／2。

图12 轮式越野机器人越障实验

4 结束语

设计了一种面向野外环境的对称式宽轮越野机器人。通过具有单自由度的中间轴连接结构，提高了地面适应能力和越野能力。建立了机器人运动学模型，并通过ADAMS软件仿真和实验验证机器人的行走、小半径回转和越野能力，表明机器人具有高机动性、机构简单和方便控制等优点。

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