轮腿式机器人的设计与运动仿真①

郑春雷， 殷宝麟， 杨锡军， 潘瑞冬， 朱振权， 李宪芝,,*

(1.佳木斯大学机械工程学院 ，黑龙江 佳木斯 154007；2.营口理工学院机械与动力工程学院，辽宁 营口 115014)

0 引 言

随着科技的飞速发展，人类在生产生活中对机器人的要求越来越高，各种各样的机器人也随之问世。一些机器人被应用在一些高危或者过度繁重的工作之中，比如，灾区救援、太空探险等等。目前的移动机器人可以简单的分为轮式、履式、腿式等，单一形式的机器人的缺点比较明显，在面对一些突发情况时，很难满足人们需求。因此，轮腿复合机器人和轮履复合机器人成为研究热点。其中，轮腿机器人综合了轮式机器人和腿式机器人的优点，其既拥有轮式机器人在光滑路面上快速移动的特点，又拥有腿式机器人在崎岖路面上较强的越障能力，可以适应更为复杂的路面情况。目前，对于轮腿复合机器人的研究，国内外科学家有许多研究成果。1970年前苏联设计的第一辆月球车Lunokhod1是人类投放外星球的第一辆月球车，也是最早的轮腿机器人。纽约州立大学自主研发的轮腿串联式机器人，机器人一共有六条腿，每条腿的末端与轮连接，腿与腿之间通过铰链连接。四条腿呈左右对称分布，前后分别有一条腿，越障时主要依靠前腿来提供越障的动力[1]。瑞士苏黎世联邦理工大学2018年研发的四足轮腿式机器人，该机器人具有爬行、跳跃、以及在斜面上运动等功能[2]。国内对轮腿机器人的研发起步相对较晚，但是经过数十年的发展我国对轮腿机器人取得了很多重大的成果。丁希仑等提出了一种变结构的轮腿机器人，该机器人腿部具有三个自由度，配合可以变宽变窄的车身可以有多重运动模式，这类机器人的灵活性较强[3]。重庆大学的Rolling-Wolf轮腿机器人，四个轮腿呈对称分布，通过大腿上的滚珠丝杠控制腿的运动，具有高承载的特性，而且具有较好的稳定性[4-5]。北京航空航天大学的秦日鹏等提出了一系列的六足轮腿机器人，该系列机器人的轮均安装在机器人的膝关节处，通过机器人小腿的变形来达到模式切换的目的[6]。

1 轮腿式机器人总体设计方案

机器人为腿部结构相同的四足轮腿式机器人，轮腿式机器人布置方案见图1所示。该机器人由机架以及四条腿组成，轮子安装在机器人的腿上，可以通过腿部机构的变化在轮式和腿式间自由转换。总体结构示意图见图2所示，主要由车架、伺服电机、直流电机、大腿、同步带传动、车轮等组成。轮腿式行走机器人的驱动系统采用直流伺服电机。因为轮子的电机是安装在机器人车架上，所以需要通过同步带给轮子传递动力，所以在伺服电机和大腿中间装了一个同步轮轴。同步轮轴上有一个双联轮可以将电机传递来的动力传递给轮子。

2 腿部机构设计及轮腿转换方式确定

为了方便规划机器人的运动轨迹，保证运动的稳定性，轮腿式机器人腿部机构构型主要采用的是四条结构相同的腿。

2.1 腿部机构设计

轮腿式机器人采用自由度为2的五杆机构作为机器人的腿部结构。机器人每条腿与机架形成了一个五杆并联机构，见图3所示。机器人的小腿以串联的形式与机器人的大腿相连接，提高了机器人腿部的运动空间。轮子的安装位置对于轮腿式机器人性能有很大的影响，为了减小机器人行走时轮子产生的旋转惯量，将轮子安装在主动件延伸出的支链上，电机通过同步带给轮子传递动力，见图2、图3所示。腿部机构采用的五杆腿部机构具有两个自由度，可以完成机器人抬腿、迈步等动作，而且机器人行走的时候腿部机构的重量是由两个驱动系统分担，腿部机构的驱动系统均安装在车架上，减小了机器人运动时的旋转惯量。

2.2 轮腿转换形式

在规则路面时，机器人以轮式模式移动，当遇到轮式模式难以越过的障碍物时，机器人便需要通过模式的转换由轮式模式转换为腿式模式提高机器人的越障能力。

如图4所示，轮腿转换方式是通过腿部机构的驱动系统带动腿部机构的位置上升，令之前在上方的轮子的位置下降完成轮式和腿式的转换。而且使五杆机构中的三个杆件重合，此时五杆机构变为三杆机构，自由度变为零，又安装一个电磁机构增加了轮式状态的稳定性。机器人轮腿转换不需要添加额外的机构以及驱动，以腿部驱动带动腿部和轮子旋转，令腿部机构悬空轮子着地来实现模式的转换。

2.3 轮腿式机器人转弯方式

因为轮式机器人具有更高的移动速度和能源利用率，所以轮腿式行走机器人在工作中，大多数时间是处于轮式状态，只有在遇到轮式模式难以通过的地形，才会转换为腿式模式移动。如果给腿部添加了过多的功能，不但会导致机器人自身重量增加影响续航，而且会增加机器人的生产和维护成本，所以该机器人只在轮式模式下具备转弯的能力。

采用麦克纳姆轮作为轮腿式机器人的驱动轮，实现转向功能。麦克纳姆轮是一种可以全方位移动的全向轮，有轮毂和与轮毂轴线成45°夹角的辊子组成。相较于普通轮，麦克纳姆轮的越障能力较差，但是轮腿式机器人腿式结构可以弥补其越障能力较弱的缺点。为了进一步的优化机器人腿部机构的性能，提高其续航能力，轮腿式机器人腿部模式下不能左右移动和转弯，导致轮腿式机器人在狭小空间的表现较差。而麦克纳姆轮恰好能与腿式模式下的机器人互相配合，即能拥有较多的功能也保证了机器人拥有更轻的自重，提升了其性能与续航能力。

3 轮腿式机器人三维建模及运动仿真

利用三维建模软件SolidWorks对轮腿式机器人进行三维建模及装配，三维虚拟装配模型见图5所示。然后，对机构进行运动仿真，检查整体设计运动状态是否合适，是否存在运动干涉情况。

将三维模型导入Adams，重新定义各个运动副的约束，经过运动仿真分析，得到运动构件的位移、速度及加速度变化规律，修改设计参数，促进机构的优化设计。位移、速度及加速度运动线图见图6所示。根据线图可知，腿部行走运动平稳无波动，变化连续无冲击。

4 结 语

以灾区救援、军事侦查等为研究背景设计了一种轮腿式机器人。完成了轮腿式机器人总体的方案设计，并且通过分析现有机器人的特点进行了轮腿式机器人腿部机构的设计，以及轮腿转换方式的确定。同时选择了机器人的车轮结构，确定了机器人的转弯方式。应用三维建模软件建立了机器人的三维模型，并进行运动仿真，应用运动分析软件进行运动分析，得到分析结果。所设计的轮腿式机器人能实现行走、转弯、轮腿之间的转换等功能要求。