新型轮腿式地面移动机器人的结构设计与运动特性分析

新型轮腿式地面移动机器人的结构设计与运动特性分析

张礼华1费蓝冰2楼飞1王康1

1.江苏科技大学，镇江，2120032.江苏大学，镇江，212013

摘要：依据平行四边形悬挂机构的运动特性设计的轮式移动机器人具有良好的越障性能，通过结合摆臂和行星轮机构而设计的新型轮腿式地面移动机器人克服了原有机器人不能跨沟的缺陷，对外界非结构化的路面环境具有良好的适应能力。详述了该新型轮腿式机器人的结构特点，对该机器人的运动特性进行了分析，并利用拉格朗日方程建立了该机器人越障状态下的动力学模型。采用一组可行的结构尺寸，利用ADAMS软件建立虚拟样机模型验证了该地面移动机器人的可行性。

关键词：轮腿式；地面移动机器人；越障；动力学模型；虚拟样机

中图分类号：TP24

收稿日期：2015-04-20

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51275217)

作者简介：张礼华，男，1974年生。江苏科技大学机械工程学院副教授。主要研究方向为机电一体化技术。发表论文20余篇。费蓝冰，男，1961年生。江苏大学汽车与交通工程学院实验师。楼飞，男，1991年生。江苏科技大学机械工程学院硕士研究生。王康，男，1990年生。江苏科技大学机械工程学院硕士研究生。

Structure Design and Analysis of Movement Characteristics for a New Type Wheel-Legged UGV

Zhang Lihua1Fei Lanbing2Lou Fei1Wang Kang1

1.Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang,Jiangsu,212003

2.Jiangsu University，Zhenjiang,Jiangsu,212013

Abstract:According to the movement characteristics of parallelogram links mechanism, a wheeled UGV had remarkable performance of obstacle-surmounting. The new type wheel-legged UGV overcome the defects that the previous UGV could not cross the groove by adding swing arms and planet gears. It had good adaptability to the unstructured ground. The paper described the structure of the wheel-legged UGV in details, and analyzed the movement characteristics, and established the dynamics model by using the Lagrange equation. Finally, a virtual prototype was built for a group of feasible structure size, and the simulation results based on ADAMS software verify the feasibility of the wheel-legged UGV.

Key words: wheel-legged; UGV(unmanned ground vehicle); obstacle-surmounting; dynamics model; virtual prototype

0引言

用于救灾、反恐、军事、探测等领域的小型地面移动机器人(small unmanned ground vehicle,SUGV)面对非结构化的作业环境，需要适应不可预测的地理环境[1-3]。目前，为了提高小型地面移动机器人的生存能力，多采用复合式的底盘结构来实现机器人越障能力的突破。国外技术较为成熟的机器人有Packbot型侦查机器人[4]，携带有武器装置的MAARS，美国Sojourner被动式自适应机器人[5]等。国内对小型地面移动机器人的研究起步较晚，但也取得了不少成果，如东南大学研制的轮-履-腿复合式的多关节履带机器人[6]，中科院沈阳自动化研究所研制的具有自适应能力的轮-履复合变形移动机器人[7]，国防科技大学研制的四连杆变形履带机器人[8]，西北工业大学研制的轮-腿混合机器人[9]等。

地面移动机器人主要通过两种方式适应路面的起伏变化，一种是主动式，即通过调整自身机构的姿态实现越障；另一种是被动式，即机器人根据地形被动地调整机构形状[10-11]实现越障。本文所述的地面机器人结合两种越障方式，采用文献[3]中提到的行星轮结构并在文献[10]的基础上进行创新，突破了地面移动机器人不能够进行跨沟运动的瓶颈。本文结合平行四边形悬挂机构、摆臂和行星轮传动机构设计了轮-腿式机器人复合底盘，并通过虚拟样机实验验证了该结构的可行性和合理性。

1移动机器人结构设计

结构设计是机器人系统设计中的首要问题，其设计质量决定了机器人的整体性能。轮式底盘运行效率高，承载能力强但越障能力一般；腿式底盘环境适应能力强，运行平稳不颠簸但控制复杂。本文依据移动机器人设计要求及其各项性能指标，综合两种底盘结构的优势，创新性地提出了一种轮-腿式底盘结构，这种机器人底盘结构可以搭载机械臂、摄像头等仪器设备，实现其功能多元化扩展。

1.1移动机器人总体结构设计

该轮-腿式复合底盘地面移动机器人设计有6个摆臂，形成前、中、后3组两两对称的布局。

该轮-腿式地面移动机器人主要由车架、对称分布的平行四边形悬挂机构、摆臂机构、行星轮系等组成，如图1所示。该机器人的动力输出模块由4组行星轮系和2组普通轮组成，每个模块都由一个直流电机直接驱动。蜗轮蜗杆自锁电机固定安装在车架和平行四边形悬挂机构上，通过联轴器和摆臂连接。控制蜗轮蜗杆自锁电机转动可以带动摆臂旋转，实现摆臂位姿的调整，结合平行四边形悬挂机构实现被动和主动两种方式越障。车体采用冲压和折弯形成的箱体结构，加工方便，承载力强。

1.行星轮系　2.车架　3.平行四边形悬挂机构　4.摆臂 5.蜗轮蜗杆自锁电机　6.直流电机 图1　轮-腿式机器人三维图

该地面移动机器人总体结构设计说明如下：

(1)为了便于拆卸、安装和维护，整个轮-腿式地面移动机器人采用了趋于模块化的设计方法，通过集成各个子装配体(模块)以实现更高的功能需求。

(2)该地面移动机器人采用了平行四边形悬挂机构，和传统轮式底盘结构地面移动机器人相比，承重能力有所下降，但仍具备搭载小型机械臂、摄像头等轻型设备的能力。

(3)行星轮结构和平行四边形悬挂机构确保了该地面机器人具有良好的地面贴合度，通过多个车轮同时传动，提升了路面适应性。

1.2摆臂的结构设计

摆臂结构主要由主动轮(或行星轮系)、被动轮、摆臂、电机等部件组成，如图2所示。主动轮(或行星轮系)通过直流电机直接驱动，被动轮没有驱动装置，起到支撑作用。整个摆臂通过蜗轮蜗杆自锁电机结合连接装置和车体其他部件相连接，可以通过驱动蜗轮蜗杆自锁电机调整摆臂的位姿以满足不同的运动要求。

1.被动轮支架　2.摆臂　3.主动轮　4.被动轮　5.直流电机 图2　中间摆臂结构图

1.3行星轮系传动系统的结构设计

行星轮系传动系统是用一组小车轮代替传统的单一车轮结构，如图3所示。整个行星轮系主要由小车轮、行星轮、惰轮、太阳轮和支架等部件组成。电机轴通过联轴器和中间的太阳轮连接，动力从电机轴输出，经过太阳轮传递给惰轮，最后传递给行星轮，行星轮带动小车轮旋转。

1.行星轮　2.惰轮　3.太阳轮　4.行星轮支架　5.小车轮 　(a)行星轮系简图(b)行星轮系三维图 图3　行星轮系图

当整个行星轮传动系统处于平路行驶状态时，在地面移动机器人重力的作用下，下部两个小车轮着地，行星轮支架不会发生翻转，以定轴轮系传动。当遇到障碍时，前轮发生堵转，在电机的驱动下，行星轮支架绕堵转的小车轮中心轴翻转，转变为行星轮系传动，从而实现越障。

2移动机器人的运动特性分析

移动机器人的运动特性是指在实际运行过程中，针对不可预测的路面环境，机器人结构做出的适应性调整来确保通过性的能力。只有对非结构化的路况具有良好的适应性，才能提高地面移动机器人的生存能力。本文所设计的新型轮腿式机器人的运动特性如图4所示。

图4　新型轮腿式地面移动机器人运动特性

2.1车体结构参数设定

为了方便后续的相关分析计算，设定车体结构的参数如图5所示，参数含义如表1所示。

图5　整体参数设定示意图

参数参数意义a行星轮系中太阳轮的分度圆直径b行星轮系中惰轮的分度圆直径c行星轮系中行星轮的分度圆直径r行星轮系中接地轮胎的半径R中间轮胎和被动轮的半径d行星轮系中心到行星轮中心的距离l1平行四边形连杆机构横杆的长度l2后车架的长度l3后车架重心在水平分量上与后车架的距离h1平行四边形连杆机构竖杆的长度h2平行四边形连杆机构中间杆的长度h3后车架与后轮中心的有效高度h4平行四边形机架的重心高度h5后车架重心在竖直分量上与后车架的距离m1平行四边形机架的质量m2后车架质量

2.2平面运动过程分析

该轮腿式机器人的平面运动可以分解为平移和转动两个部分。整个机器人系统需要控制三个自由度，分别为沿X轴的移动、沿Y轴的移动和绕自身质心的转动。由于没有设置特定转向机构，该机器人通过两侧驱动轮差速实现转弯。如图6所示，设P点为机器人平面结构的几何中心，作为运动的参考点。以P点为原点建立相对坐标系，质心位置为G点。设：PG=D，机器人平动速度为v，转动角速度为ω，转动角为α。

图6　平面运动坐标系

通过分析可以得到P点的运动方程为

(1)

由于

(2)

所以将式(2)代入式(1)得到质心处的运动方程为

(3)

对式(3)求导得到质心处加速度方程以及系统驱动力和驱动力矩方程为

(4)

(5)

式中，m为机器人总质量；J为机器人绕质心的转动惯量；Fx、Fy分别为系统沿X轴驱动力、沿Y轴驱动力；T为系统驱动力矩。

2.3越障运动过程分析

2.3.1越障原理分析

该轮腿式地面移动机器人利用行星轮和连杆机构实现被动越障，越障原理如图7所示。整个越障过程可以大致分为6个部分，说明如下：

(a)(b)

(c)(d)

(e)(f) 图7　越障原理图

当遇到障碍时，前轮发生堵转，电机提供的驱动力矩使行星轮支架发生翻转，并贴紧在竖直障碍上，平行四边形悬挂机构在前进的推力作用下发生变形，前轮抬升，车体前移，如图7a～图7c所示；当前轮抬升使得平行四边形机架达到最大仰角时，中轮将会空转，直到再次贴到障碍物表面，完成爬升，如图7d所示；当后轮发生堵转时，运行状态和前轮类似，如图7e、图7f所示。

整个越障过程，利用机构自身的结构特点，没有施加额外的控制环节，实现了被动越障的设计目标。当机构运行过程中出现死点导致越障过程停滞时，利用蜗轮蜗杆自锁电机调整摆臂的位姿，避开死点完成越障，具体实施过程不再赘述。

2.3.2越障过程的动力学建模

动力学建模是为了计算该轮腿式地面移动机器人在运行过程中所需驱动力，为驱动器选形和结构尺寸优化而推导出一个数学模型。由于整个机械系统结构较为复杂，利用传统的牛顿力学建模方法较为繁琐。本文从系统能量的角度出发，利用拉格朗日动力学建立相关动力学模型。将机器人系统分为平行四边形机架和后车架两部分，对应的编号下标分别为1和2。坐标系统如图8所示，定义G1、G2为平行四边形机架和后车架的重心位置，其在X、Y方向的位移分别为(x1，y1)、(x2，y2)，位姿角分别定义为θ1、θ2，转动惯量分别定义为J1、J2。

图8　平面坐标系统图

拉格朗日动力学方程定义为L=K-P，其中，L为拉格朗日算子，K为系统动能，P为系统势能。结合图5参数设定示意图可以得出

(6)

那么系统动能K=K1+K2，系统势能P=P1+P2。由于采用被动越障的形式，机构中不需要对力矩进行控制，因此这里只求解产生线性运动的外力，即Fx和Fy。由于式(6)中将x2、y2分别用x1、y1表示，所以Fx和Fy为

(7)

最终得到的表达式用矩阵形式可以表示为

(8)

J=

T=

系统动力是由轮子在滚动时产生的摩擦力提供的，通过给定状态变量θ1、θ2、x1、y1可以得到Fx和Fy，将其与系统能够提供的最大摩擦力进行对比，确保车轮不发生打滑，从而保证运行过程连续不间断。

2.4跨越壕沟过程分析

上一节所阐述的越障过程充分利用了平行四边形悬挂机构的特性，实现了被动式越障。为了跨越壕沟，需要发挥摆臂的作用。跨沟过程如图9所示。

(a) (b)(c)

(d) (e)(f) 图9　机器人跨越壕沟过程

(1)由于前后轮是行星轮系驱动，为了方便摆动，采用“先中间，后前后”(即先摆动中间摆臂，后摆动前后摆臂)的方式进行跨沟；

(2)可以跨越的壕沟的宽度L应当小于等于三组摆臂中最短的有效长度。取表1中对应的前、中、后三组摆臂长度，则对应的有效长度分别为L1、L2、L3：

L2=l2

可跨越的壕沟宽度L=min(L1，L2，L3)。

(3)当跨越的壕沟宽度大于有效长度，且深度小于最大越障高度时，可以视为越障过程。即：让机器人直接驶入沟底，利用平行四边形悬挂机构被动越障的特点在整个过程中适当调整摆臂的位姿，防止机构运行时出现死点，以确保机器人从沟底进行越障之后爬出壕沟。

3虚拟样机仿真实验

本文所述的地面移动机器人能否实现越障是结构设计成败的关键。根据表2所示设计参数，建立三维模型并导入ADAMS，如图10a所示。

表2　机器人车体结构参数表

该地面移动机器人的跨沟过程在3.4节已经做了详细介绍，这里不再赘述。通过设定合理的材料、质量属性、运动副、接触、驱动等条件，对其跨越台阶的过程进行仿真，得到相关的运动特征曲线，如图10b、图10c所示。

(a)虚拟样机模型

(b)越障过程中轮子随时间在前进方向上的位移曲线

(c)机器人攀越300mm障碍重心在竖直方向位移曲线 图10　虚拟样机仿真实验图示

(1)图10b的三条曲线分别为越障过程中，该机器人的前、中、后轮随时间在前进方向上的位移。通过这一组曲线可以看出，在整体前进的过程中，车轮不存在先前进再后退的反复震荡现象，因此避免了平行四边形悬挂机构在变形过程中发生失效。同时，三组轮子在越障过程中的运行曲线曲率相类似，说明在越障过程中三组轮子都在发挥相应的作用，不存在长时间空转及相互影响等现象，具有较高的运行效率。

(2)图10c为机器人攀越300mm障碍重心在竖直方向上的位移曲线。可以看出，重心的抬升过程是连续、缓和的，没有震荡的现象出现。因此，可以推断出，该机器人在越障过程中运行平稳有效，不会像履带式底盘那样，重心突然升高后再突然下降，产生较为剧烈的冲击。因此该新机器人有良好的路面适应性，适合搭载精密仪器。

(3)通过反复多次虚拟样机仿真实验证实该机器人的越障高度可以达到300mm。同时驱动该机器人的直流电机需要提供10N·m以上的转矩。

从虚拟样机仿真结果可以发现，该地面移动机器人保留了传统轮式底盘运行高效的特点，却具有轮式底盘所不能相比的越障能力。除此之外，控制简便的优势是腿式底盘所不能及的。

4结论

本文在对现有的典型小型地面移动机器人的运动机构进行充分研究分析的基础上，提出了一种新型轮腿式地面移动机器人结构。

(1)该机器人既保留了轮式底盘运行时高效、快速的特点，又具备腿式底盘运行时强大的越障能力，同时拥有履带式良好的路面适应性。垂直越障高度可以达到300mm(3倍轮高)。

(2)该地面移动机器人利用了行星轮结构和平行四边形悬挂机构，同时安装有行走腿，结合了“被动”和“主动”的越障形式，在运行过程中，不易出现死点，可以通过壕沟、台阶等典型障碍。

(3)平行四边形悬挂机构可以根据外界的路况自行调整姿态，具有良好的路面贴合能力，运行过程平稳，不易出现震荡等现象，使得该机器人适合搭载精密仪器等以拓展其功能。

(4)该新型轮腿式地面移动机器人在面对非结构化的环境时，具有良好的生存能力，以该机器人作为移动平台，通过搭载其他功能模块，在反恐、探测、侦查等领域将具有广泛的应用前景。

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(编辑华中平)