机器人复合式移动机构浅析

杨喜飞

摘 要：复合式行走机构集合了轮式、履带式或足式行走机构的优点，具备更好的适应能力，本文通过对复合式移动机构的设计原则进行梳理，分析不同设计原则下复合式移动机构的优缺点，为更好的开展复合式移动机构的设计提供借鉴。

关键词：机器人；移动机构；复合式

前言

移动机器人已经广泛应用在生产生活的各种领域，如家庭安防、陪护、救援、扫雷排险等 [1]。机器人移动机构的设计， 尤其是机器人移动机构的移动控制以及越障能力，对于机器人移动性能和应用场景影响重大。

现有的移动机器人的移动机构主要有轮式、履带式和足式， 其中以轮式的效率最高， 但其适应能力相对较差， 而足式的适应能力最强但其效率最低， 履带式移动机构是将圆环状的循环轨道卷绕在若干车轮外， 使车轮不直接与地面接触， 利用履带可以缓和地面的凹凸不平。它具有良好的稳定性能、越障能力和较长的使用寿命， 适合在崎岖的地面上行使。但履带式整体机构笨重， 消耗的功率大 ， 足式移动机构基本上是模仿人或动物的下肢机构形态而制成的，具备出色的地面适应能力和越野能力 ， 但结构比较复杂， 运动控制的难度较大， 而且移动速度较慢[2]。

基于现有常规移动机构存在的不足，也陆续出现了一些复合式移动机构，如轮履复合式、轮足复合式等，复合式行走机构集合了轮式、履带式或足式行走机构的优点，具备更好的适应能力，如越障和上下楼梯等。本文通过对复合式移动机构的设计原则进行梳理，分析不同设计原则下复合式移动机构的设计应用，为复合式移动机构的设计提供借鉴。

一、轮履复合式

轮履复合式是将轮式和履带式进行复合设计的移动机构。目前主要通过以下两种复合思路进行设计：

并联叠加原则。即将轮式和履带式在运动上相对独立的叠加在机器人移动本体上。在移动本体上，通过设置各自独立的传动机构实现驱动轮和履带的驱动，轮式和履带式行走功能的切換，往往通过伸缩或升降机构来实现。

串联原则。即将轮式和履带式在运动上相互关联的设置在机器人移动本体上，参见图1。在移动本体上，通过设置共用的传动机构实现驱动轮和履带的同时驱动，如将驱动轮直接设置在履带主动轮或从动轮的轮轴上，轮式和履带式行走功能的切换，由履带的摆动调整来实现。

轮履复合式行走机构，由于轮式和履带式行走机构的技术都非常成熟，控制也较为简单，能够适应多数环境移动需要，但方向调整能力和越障能力仍有不足。

二、轮足复合式

轮履复合式是将轮式和足式进行复合设计的移动机构。同样主要通过以下两种复合思路进行设计：

并联叠加原则。即将轮式和足式在运动上相对独立的叠加在机器人移动本体上，在移动本体上，通过设置各自独立的传动机构实现驱动轮和履带的驱动，轮式和足式行走功能的切换，往往通过驱动轮或足的伸缩或升降机构来实现。足的具体结构可根据使用场景灵活选用，如磁吸足或真空足等。

串联原则。即将轮式和足式在运动上相互关联的设置在机器人移动本体上，如图2。在移动本体上，通过设置共用的传动机构实现驱动轮和履带的同时驱动，如将驱动轮设置在足底上。

轮履复合式行走机构，由于足式行走机构的技术难度较高，尤其是行走稳定性控制方面，虽然方向调整能力和越障能力均很优秀，能够适应绝大多数环境移动需要，但其控制和行走稳定性方面难度极大。

三、履足复合式

轮履复合式是将轮式和足式进行复合设计的移动机构。同样主要通过以下两种复合思路进行设计：

并联叠加原则。即将履带式和足式在运动上相对独立的叠加在机器人移动本体上，在移动本体上，通过设置各自独立的传动机构实现驱动轮和履带的驱动，履带式和足式行走功能的切换，往往通过驱动轮或足的伸缩或升降机构来实现。其中，足的具体结构也可根据使用场景灵活选用，如磁吸足或真空足等，履带也可以选择多节式。

串联原则。即将履带式和足式在运动上相互关联的设置在机器人移动本体上，参见图3。在移动本体上，通过设置共用的传动机构实现足和履带的同时驱动，如将驱动轮设置在足底上。

履足复合式行走机构，虽然足式行走机构的技术难度较高，尤其是行走稳定性控制方面，但通过在一些特定场所切换至履带式行走机构，能够降低机器人的行走不稳定性，且能够适应绝大多数环境移动需要，但其整体的控制系统仍存在较大技术难度。

四、其他复合式移动机构

此外，随着机器人应用范围的扩展，也涌现出了很多其他形式的复合式移动机构，如将无人机技术与传统的轮式、履带式和足式进行复合，出现了能够切换至飞行模式的移动机器人；将轮船或浮体技术与传统的轮式、履带式和足式进行复合，实现机器人能够在水面上或水中行走等。

小结

本文也通过对复合式设计的两个基本原理在三种常规行走机构中的设计应用做了详细的示例分析，但复合式设计会对其整体的稳定性设计、控制系统设计、重量和负载能力等产生较大影响，需要根据实际需要和技术储备情况，进行合理的设计。

参考文献：

[1] 肖佳涛，雷泽勇，覃倩倩.移动机器人行走机构[J].机械工程师，2018（2）：95-97.

[2] 王朝阳，胡淼，汤永红.轮履复合式移动机器人设计及越障功能分析[J].机械传动，2010，34（4）：38-41.