移动机器人行走机构

肖佳涛， 雷泽勇， 覃倩倩

（南华大学机械工程学院，湖南衡阳 421001）

0 引言

随着核工业的发展，核应急与巡检机器人的研究与开发愈发重要，采用机器人代替人进入核电站开展日常监测和维护工作，具有广阔的应用前景。

移动机器人行走机构搭载并保护机器人核心控制部件和功能设备，受控于控制部件，可以在规定工作路面上行走，是机器人的主要机械系统。移动机器人底盘需具有一定的承载能力和规定的运动性能。

移动机器人按行走方式来分，可分为轮式、履带式、复合式。

1 轮式移动机器人

轮式移动机器人的行走机构由车轮为主体。轮式的机械结构相对最为简单，驱动及控制的设计比较方便，承载量大，移动的速度快，运动效率很高，比较灵活，自重较轻。轮式的缺点是运动稳定性受路面的情况影响很大，对于复杂路面很难通过[1]。

一般按车轮的数量可以将轮式移动机器人分为单轮、双轮、三轮、四轮。不同的车轮数量，底盘的结构及移动配置有很大的不同。轮子数量较少的底盘稳定性较差，但灵活性更强，体型会更小。

1.1 单轮滚动机器人

单轮滚动机器人体积小，摩擦小，灵活性很大，但单轮要保证动态稳定，其稳定性不易控制。一般工作于一些较为复杂、狭小的地形[2]。

实例：美国卡内基－梅隆大学研究了“陀螺稳定”式单轮机器人，如图1所示，左侧为初代设计GyroverⅠ，右侧为改进设计GyroverⅡ。作为一个侦察机器人，Gyrover可以利用其超薄体型通过狭窄的通道进行作业。另一个潜在的应用是作为一个高速月球车，在气动干扰和低重力的情况下将可以高效、高速滚动[3]。

图1 “陀螺稳定”式单轮机器人（Gyrover)

1.2 双轮移动机器人

双轮移动机器人常分为自行车式和双轮左右对称分布式。

自行车式的移动机器人，车型窄长，是一个非线性自然不稳定的系统，在保证侧向稳定性控制问题上的研究比较困难。自行车式机器人主要工作于狭长、平稳的路面上，其越障能力很差[4]。

实例：日本东京工业大学M.Yamakita与Utano[5]于2006年研制了具有平衡质量调节器的自行车式机器人，特别研究了在低速下自动控制自行车的稳定。如图2所示，左侧为原理模型图，右侧为外形图。

双轮对称分布式机器人同样需要考虑自平衡，其优势在于体型矮小，运行比自行车式更为灵活，适合在狭小空间工作[6]。

图2 M.Yamakita与Utano自行车式机器人

图3 瑞士联邦工学院双轮机器人（JOE）

实例：2002年瑞士联邦工学院Felix Grasser等[7]研究了无线控制的双轮机器人（JOE），每个轮子分别由一个电动机驱动，能实现自平衡，在平地上自由移动，可以爬30°斜坡。如图3所示，左侧是实物外形图，右侧为机器人状态矢量空间的变量定义和干扰分析图。

1.3 三轮及四轮移动机器人

由于三点决定一个面，三轮移动机器人的平稳性比单、双轮式的好。三轮式机器人常采用1个中心前轮，2个对称分布的后轮，呈简单的等腰三角状，这种布局最为稳定。而四轮式的机器人最为常见，结构设计、驱动系统和控制系统都最为容易实现。三轮及四轮的机器人结构稳定，其承载能力较单、双轮式有了很大的提高。但是三轮及四轮式的机器人在坑洼的路面上移动会很颠簸。三轮及四轮式的机器人适合在负载要求大、移速要求高，但路面较平整的情况下工作，其应用范围最为广泛。

2 履带式移动机器人

履带式机器人相对于普通的轮式机器人，其结构比较稳定，在不平整的路面上，仍然能够相对稳定地前进。

履带式机器人的突出优势在于：1）有较大支撑面积，接地比压小，能够在松软甚至泥泞的场地作业，下陷度小，越野机动性能很好；2）转向半径非常小，可原地转向；3）履带支撑面上有履齿，有效避免打滑，附着性能好，能够提供较大的牵引力；4）承载能力很大。

但由于履带式机器人没有转向机构，转弯时只能依靠左右2个履带差速转向，摩擦阻力大，外侧履带易磨损，且回转半径不易准确地确定。履带式机器人由移动机构限制，体型比较大，功耗比较大，传动效率不高，通常只能保持低速状态运行。故履带式机器人适合在路面条件较差、负载要求高，但速度要求较低的情况下工作。

履带式机器人底盘一般分为单节双履带式、双节四履带式、多节多履带式[9]。

2.1 单节双履带式机器人

单节双履带式由2条可变形的履带组成，分别由2个电动机驱动。机器人通过2条履带差速实现转向。当2条履带同步运动时，机器人前进或后退[10]。

实例：中国航天科工集团第四研究院探测与控制技术研究所研制出的“雪豹20”排爆机器人，如图5所示，采用了单节双履带式底盘，在野外崎岖的复杂道路上仍可以正常运行，这取代了人工在野外进行危险物的搜索和排除，能够抓取15 kg以内的危险品，大大降低了人员的伤亡[11]。

2.2 双节双履带式机器人

图4 “雪豹20”排爆机器人

双节双履带式机器人是由转向铰接机构将前、后两节车体连接起来。其越障能力比单节式更优，双节的车体结构，可以让其能够实现爬梯等特殊越障工作，但控制上的设计变得更为复杂。

实例：日本千叶工业大学和日本东北大学研制的Quince机器人就是采用双节双履带式底盘，如图5所示。福岛核事故发生后，Quince机器人曾6次深入原子能反应堆内部调查情况，克服反应堆地下复杂地形[12]。

图5 Quince机器人

2.3 多节多履带式机器人

多节多履带式机器人常用于爬越较高障碍物或跨域较宽的沟壑，其能够多姿态调整，灵活性很强，但在结构和控制上的设计会很复杂，并需保证越障过程中静止状态下无回滑现象[13-14]。

图6 三节六履带式移动机器人越障实验图

实例：上海交通大学针对核工业管道内壁检测需求，研制了三节六履带式移动机器人平台[15]。其能够完成管道中沟道、台阶的跨越。如图6所示，为该三节六履带式移动机器人越障实验图。

3 复合式移动机器人

复合式底盘是将两种或者更多种基本底盘形式进行融合，结合基本底盘各自的优点，使机器人拥有更高的综合性能，能攀爬一些特殊地形，复合式底盘机器人也是现在很多学者研究的重点。但复合式机器人，结构复杂，研究困难，制造成本比较大。

较常见的复合式机器人有：1）轮腿复合式移动机器人，具有轮式机器人的稳定性以及腿式机器人的强越障能力。RHex、Whegs等机器人是典型的代表。2）轮履复合式移动机器人，轮实现高速远距离运动，履带实现适应各种复杂的地形，进一步增强环境适应能力[17]。3）轮履腿复合式移动机器人结合更多的因素，结构更复杂。

应用实例：以色列艾尔比特系统公司研制的地面侦测机器人VIPER如图7所示，VIPER采用的是轮履复合式行走系统，可以根据不同的路况，依靠内置的变形机构实现轮、履带的转换。这种轮履复合式机器人的设计大幅度提高了机器人的地面适应能力，从而保证了机器人高效完成任务[18-20]。

图7 地面侦测机器人VIPER

4 结 语

本文主要分析了移动机器人行走机构分类情况。对于不同的工作情况，需要选择适用的行走机构：1）工作环境狭小，并要求机器人能高速移动，不需要重载，可以选择单轮滚动式机器人；2）工作路面平缓，需要机器人非常灵活地工作，可以选择双轮对称分布式机器人；3）工作路面较平缓，要求机器人有一定承载能力，稳定性好，移动速度要快，可以选择三轮或四轮的机器人；4）对于承载能力要求比较高，路面情况比较差，但对移速要求较低的，可选履带式机器人；5）对于工作路面非常恶劣，要求跨沟、越阶，越障能力要求较高的，可选择多节多履带式机器人；6）要求机器人拥有很高的综合性能，或需要翻越特殊的障碍，或需要机器人能改变移动的方式等，可以设计适用的复合式移动机器人。

核巡检与应急机器人，需要有一定的承载能力，对移动速度要求不是很高。在平常情况下，其工作路面比较平整；在应急状态下，其工作路面可能会存在一些小障碍。结合实际情况及成本考虑，最终选用单节双履带式的底盘结构。

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