轮腿可变搜救机器人轮腿综合与仿真分析

赵欣然，苏卫华*，张世月

（1.军事科学院国防科技创新研究院，北京 100071；2.天津（滨海）人工智能创新中心，天津 300457）

0 引言

搜救机器人是移动机器人领域的一个重要研究方向，因其可以代替搜救人员进入未知危险区域进行搜救工作而具有广泛的应用前景[1-4]。其中，轮式与弧腿式机器人是2种最为常见的搜救机器人搭载平台。传统的轮式机器人运动模式简单且运动速度快，但在崎岖、起伏的地形下运动效率较差。传统的弧腿式机器人具备良好的地形适应能力，但需要通过主动步态调整来保证动态稳定性，控制难度相对较高[5]。基于以上困境，整合轮式与弧腿式机器人二者优势的轮腿式机器人受到越来越多科研人员的关注。

Kim等[6]、Bai等[7]均设计出一种具有可变形车轮结构的轮腿式机器人，可根据不同地形环境，在轮式结构与弧腿结构间自由切换的同时保证机器人的行进效率；天津大学田润[8]以台阶为目标障碍物，通过图像几何学等方法优化轮腿机器人结构参数和轮腿柔性参数，保证机器人行进时的动态稳定性；德国机器人技术创新中心设计的CoyoteⅢ轮腿式机器人[9]整体采用一种新型的轻量级结构，在大幅减轻本体质量的同时还可以搭载更多的功能载荷。此外，采用模块化的设计理念还使得机器人可以根据不同任务的特殊需求来选择安装不同的载荷，甚至可以根据不同的工作地形环境更换不同运动结构。

本文结合搜救任务实际功能需求与机器人发展趋势，提出一种具有可变形车轮的轮腿可变搜救机器人，通过概念设计、轮腿综合、力学建模与ADAMS仿真，验证了设计方案的可行性，为搜救机器人领域研究提供了一种可行思路。

1 整机概念设计与轮腿综合

1.1 整机概念设计

如图1所示，轮腿可变搜救机器人安装有4个可变形车轮，每个车轮外侧贴有带花纹图案的橡胶轮胎片，目的是增大车轮与地面间的摩擦力，防止机器人在行进尤其是越障过程中出现打滑现象。每个车轮单独由一个电动机驱动，为使宽度方向的空间更为紧凑，驱动电动机左右错位放置，对应的电动机控制器放置于车体内侧。由于弧腿结构半径远大于轮式结构半径，为了避免搜救机器人过长同时防止机器人由轮式模式转换为弧腿模式时发生干涉现象，将前后车轮错位放置，使二者之间留有一定间距。考虑到锂电池质量过大，为防止搜救机器人在运动时因重心不稳发生倾覆现象，故将其放在平台中央。将总控制板放置于中央位置，方便与各个电器件连接。

搜救机器人最大宽度为359 mm，本体宽度为300 mm，车体长度为620 mm，车体高度为130 mm，整体结构近似对称，故当机器人发生上下颠倒的情况时仍然可以正常运动，但仍应避免倾覆现象频繁发生，确保内部功能载荷不会出现损坏。

图1 搜救机器人模块组成及运动形态示意图

1.2 轮腿综合与参数求解

平面四连杆机构是一种由4个构件通过低副构成的常见机械结构[10]，具有结构简单、负载能力强等优点，可实现力的传递与转换等功能。基于其特殊的运动机理，本研究将平面四连杆机构作为可变形车轮的基本组成结构。如图2所示，可变形车轮由转动圆盘、固定支架、连杆与圆形弧腿4个部分组成。

搜救机器人的越障能力与弧腿模式下可变形车轮的最大外径有关。在轮式结构半径不变的前提下，可变形车轮展开的幅度越大，则搜救机器人越障能力越强。根据图2，可得以下公式:

图2 可变形车轮示意图

联立上述公式可知，可变形车轮最大展开半径与轮式结构半径之间的关系式为

由公式（5）可知，最大展开半径的理论最大值为轮式结构半径的2倍。因此，在轮式结构半径不变的前提下，以最大展开半径为优化目标，最终确定可变形车轮结构参数如下:杆AB、BC、CD、DA长度分别为135、65、115、60 mm，车轮厚度为 20 mm，最大展开半径为257 mm。

1.3 可变形车轮运动学分析

平面四连杆机构是可变形车轮的基本组成机构，因此针对车轮的运动学分析可简化为四连杆机构的运动学分析。车轮模型简化后的四连杆机构矢量图如图3所示。

根据图3，可得以下公式:

通过欧拉公式将公式（6）的实部与虚部分离可得:

由此可求解出θ12与θ34，再对公式（6）求导可得:

通过欧拉公式将公式（8）的实部与虚部分离的方法，可最终求出角速度ω12与ω34:

图3 简化模型矢量图

重复求解角速度步骤，对公式（8）进行求导，并通过欧拉公式将所得公式的实部与虚部分离，可求出角加速度:

1.4 位形转换机构设计

本研究选择电磁离合器通过外力触发的方式来控制可变形车轮的结构变换。

如图4所示，从动套筒通过螺纹与固定支架相连并构成传动系统的从动部分。传动轴的一端通过键与减速齿轮连接，使驱动电动机提供的动力经过圆柱齿轮组减速增扭作用后传递到传动轴上，传动轴另外一端通过螺纹与转动圆盘连接，共同构成传动系统的主动部分。电磁离合器通过螺纹与键分别与从动套筒、传动轴相连。

图4 搜救机器人动力系统组成

当搜救机器人需要由轮式模式变换为弧腿模式时，电磁离合器断电，此时转动圆盘相对固定支架发生转动，车轮慢慢张开，当旋转一定角度后，即车轮张开到最大角度，此时电磁离合器再次通电使得转动圆盘与固定支架再次保持相同的运动状态，随着驱动电动机继续传输动力，可变形车轮再次整体转动，从而带动搜救机器人继续向前行进。当机器人需由弧腿模式变回轮式模式时，电动机反向旋转，其余过程相同。

2 力学建模

2.1 静态稳定性建模

重心投影法是较为常见的静态稳定性判别方法[11]，通过将搜救机器人与地面接触点在投影面内相互连接成一块稳定区域，并将重心投影到此投影面，若投影点在稳定区域内，则说明搜救机器人处于静态稳定状态。图5中三角形ABD即为此刻接触点构成的稳定区域，P1、P2、P3即为重心到稳定区域各边的垂直距离，显然P3最小，则P3为此时搜救机器人的稳定裕度。稳定裕度为正，搜救机器人保持静态稳定，反之则将发生倾覆现象。

图5 搜救机器人稳定性模型

搜救机器人车轮与地面接触点的数目少于3时，搜救机器人必不能保持整体的稳定。当搜救机器人4个车轮同时与地面接触时，搜救机器人必能保持整体稳定。因此，本文着重研究3个车轮同时与地面接触时搜救机器人的静态稳定性。

由图5可知，搜救机器人在同一时刻与地面接触的车轮数目为3的情况有4种，构成的稳定区域分别为三角形ABD、BCD、ABC与ACD。稳定区域为三角形ABD与BCD时，搜救机器人稳定情况相同；稳定区域为三角形ACD与ABC时，搜救机器人稳定情况相同。设坐标系XOY是固连在搜救机器人重心的坐标，4 个接触点坐标分别为A（L1-S1，W0/2+S2+S3）、B（L1，S3+W0/2）、C（L1-S1，W0/2+S2+S3）、D（L1，S3+W0/2）。

由于车轮1与车轮2间距＞0，不等式S1＞0恒成立，可推出直线斜率公式:

当三角形ABD为稳定区域时，若机器人处于静态稳定状态，则直线AD斜率小于直线AO，因此

当三角形ACD为稳定区域时，若重心O点位于稳定区域内，则直线AD斜率大于直线AO，因此

由于搜救机器人近似对称结构，则

联立公式（12）、（13）、（14），分别得到不等式S2＜0与S2＞0，不可能同时满足这2个不等式，且由于宽度方向空间限制，S2＞0恒成立，则说明重心必不落在三角形ABD中，而必落在三角形ACD的区域中。

综上，当搜救机器人与地面的接触点为3时，若宽度方向间距最大的2个可变形车轮均与地面接触，则运动平台必处于静态稳定状态；若宽度方向间距最短的2个可变形车轮与地面同时接触时，稳定裕度为负，搜救机器人将发生倾覆。

2.2 机器人越障建模

搜救机器人处于弧腿运动模式时，跨越障碍的能力最强，通过建立搜救机器人越障模型可以近似计算出最大越障高度。搜救机器人越障模型如图6所示。

图6 搜救机器人越障模型

假定在整个越障的过程中搜救机器人各个零部件不发生变形，且忽略摩擦力的影响，前后车轮输出力矩相等，即T1=T2，当前轮带动平台整体越障的瞬间A点无作用力，重力产生力矩按照一半进行计算，以A点为参考点，由平衡条件可知:

搜救机器人整体近似对称结构，因此

整理上述公式最终可得:

3 仿真与分析

3.1 可变形车轮结构变换仿真实验

搜救机器人装配的可变形车轮可根据机器人工作的地形环境在轮式结构与弧腿结构间自由切换，因此可变形车轮能否顺利变换结构对搜救机器人至关重要。

在ADAMS软件中，部分仿真实验参数设置如下:车体与可变形车轮间的驱动类型为Velocity，函数为step（time，3，0，4，120d）+step（time，8，0，9，-120d），其中d为角度单位；转动圆盘与车轮连杆运动副间的驱动类型为 disp（time），函数为 step（time，1，0，3，85.07d）+step（time，9，0，11，-85.07d）；圆形弧腿与地面间静摩擦系数与动摩擦系数均为0.3，仿真时间为12 s。

由图7可知，可变形车轮顺利完成由轮式结构到弧腿结构的转换；由图8可知，当可变形车轮由轮式结构转换为弧腿结构并以同步步态向前运动时，搜救机器人质心波动呈现周期性变化，质心波动的幅度约为0.08 m；结合图8、9可知，可变形车轮在结构转换期间，对于未与地面接触的圆形弧腿而言，所受到的扭矩较小，随着车轮转动，当选定的圆形弧腿与地面接触时扭矩骤然增大，最大扭矩约为1.5 N·m，当选定的圆形弧腿再次离开地面，扭矩骤然减小，并在小范围内波动。

图7 运动模式变换仿真示意图

图8 模式切换质心位移图

3.2 搜救机器人多级台阶越障仿真

图9 模式切换扭矩图

越障能力是衡量搜救机器人运动性能的一项重要指标，本研究在SolidWorks中绘制多级台阶模型，每级台阶从上到下的高度依次为120、140、160、180、200、220、240 mm，并导入到ADAMS软件中进行仿真实验。

由图10可知，机器人顺利通过各级台阶。由图11可知，前17 s机器人在水平地面运动；在17～38 s，机器人质心高度逐渐增加，说明机器人顺利翻过前几级台阶；从38 s开始到临近结束时，机器人质心高度始终在一个高度范围内波动，则是因为机器人不断翻越最后一级台阶失败所导致的；最后质心高度再次增加，说明机器人成功翻越最后一级台阶，最后的高度骤减则是因为机器人从台阶上掉落造成的。

图10 搜救机器人多级台阶越障示意图

图11 多级台阶越障质心波动图

4 结语

本文结合机器人发展趋势与搜救任务功能需求，设计出一种具有特殊可变形车轮的搜救机器人，其兼具轮式机器人的机动性与弧腿机器人的越障能力，具体研究过程如下:首先，完成搜救机器人整机概念设计，综合运用图形几何学等方法对可变形车轮进行参数求解与运动学分析，最终可变形车轮的最大展开半径约为轮式结构半径的2倍，并将电磁离合器作为位形转换机构的主体结构。其次，通过重心投影法建立静态稳定性模型，分析机器人静态稳定问题，并以台阶为目标障碍计算机器人最大越障高度。最后，通过ADAMS软件进行搜救机器人运动模式切换与多级台阶攀爬仿真实验，最终证明设计方案的可行性。本文设计的轮腿可变机器人与已有的传统移动机器人相比，结构简单、控制难度低，同时因装配有电磁离合器大大提高了机器人运动模式变换的成功率，可以更好地适应复杂多变的搜救环境，未来与多样化搜救装备相结合，可以有效提高突发事件的应急处理能力和工作效率。

由于真实搜救场景的高度复杂性，本研究还需建立更加复杂的地形模型来进行仿真实验，同时机器人工作过程中的控制策略仍待后续设计开发。未来可从以下2个方面深入研究:（1）针对不同地形环境的机器人特殊步态设计；（2）机器人整体轻量化设计与模块化设计。通过上述两方面的研究可以显著提高搜救机器人在复杂环境下的运动性能，从而提高搜救机器人的工作效率，对于提高我军救援系统智能化程度具有重要意义。