机械设计与制造 Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ 第８期 ２０１６年８月 轮足式机器人机构设计及越障性能分析 苏磊，侯宇，吴飞，艾孝杰 （武汉科技大学机械自动化学院，湖北武汉４３００８１） 摘要：越障能力和地形适应能力是移动机器人性能评价的重要指标。以提高越障能力为目标，设计了一种轮足式越障 机器人，采用头部连杆机构辅助越障，同时对其头部连杆机构进行了参数设计。利用瞬时功率守恒原理建立了越障机器 人的运动学方程，得到了越障过程中的速度变化规律，在此基础上，采用Ａｄａｍｓ进行了机器人运动仿真，模拟机器人爬越 台阶面的运动情况，并分析了机器人爬越台阶面的越障性能。结果表明，所设计的轮足式机器人具有良好的越障能力。 关键词：轮足式机器人；越障；Ａｄａｍｓ；仿真分析 中图分类号：ＴＨ１６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—３９９７（２０１６）０８—００４６—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｗｈｅｅｌ Ｆｏｏｔ Ｔｙｐｅ Ｒｏｂｏｔ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｔｈｅ Ｏｂｓｔａｃｌｅ－Ｓｕｒｍｏｕｎｔｉｎｇ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ＳＵ Ｌｅｉ，ＨＯＵ Ｙｕ，ＷＵ Ｆｅｉ，ＡＩ Ｘｉａｏ－ｊｉｅ （Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕｂｅｉ Ｗｕｈａｎ ４３００８ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｎｄ ｔｅｒｒａｉｎ ａｄａｐｔｔｉａｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅ￣ｒｍａｎｃｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ．Ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ ａｂｉｌｉｔｙ ａｓ ｔｈｅ ｇｏａｌ，ｉｔ ｄｅｓｉｇｎｓ ａ ｗｈｅｅｌ ｔｙｐｅ ｒｏｂｏｔ ｏｂｓｔａｃｌｅ－ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，ａｄｏｐｔｓ ｌｉｎｋａｇｅ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｏｂｓｔａｃｌｅ， ｈｅａｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｈｅａｄ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｒｏｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ， ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ．Ｏｂｓｔａｃｌｅ ＷＯＳ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｓｔｎｔａｎｅｏｕｓａ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｅｑｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｏｂｓｔａｃｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆｓｐｅｅｄ ｃｈａｎｇｅ ｒｕｌｅ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ，ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｍｏｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏ ｗｉｔｈ Ａｄａｍｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌｔａｉｏｎ ｒｏｂｏｔ ｔｏ ｃｌｉｍｂ ｔｈｅ ｓｔｅｐｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ，ｎｄ ａａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｔｏ ｃｌｉｍｂ ｔｈｅ ｓｔｅｐｓ ｂｅｌｏｗ ｔｈｅ ｏｂｓｔｃｌａｅ－ｓｕｒｍｏｕｎｔｉｎｇｐｅｆｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｆｔｏｈｅ ｗｈｅｅｌ ｆｏｏｔ ｔｙｐｅ ｒｏｂｏｔ ｈａｓ ａ ｇｏｏｄ ｂｉａｌｉｔｙ ｆｓｕｒｏｍｏｕｎｔｉｎｇ ｏｂｓｔｃｌａｅｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：Ｗｈｅｅｌ Ｆｏｏｔ Ｔｙｐｅ Ｒｏｂｏｔ；Ｏｂｓｔａｃｌｅ Ｃｒｏｓｓｉｎｇ；Ａｄａｍｓ；Ｔｈｅ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ １引言 随着科技发展，人类对未知领域的探测开发会更加频繁，包 轮移动机器人通过控制车轮速度协调运动爬越台阶嘲；被动式六 轮越障机器人前轮通过双曲柄四杆机构被动变形引导机器人越 括宇宙探索、海底矿藏勘测、应急救灾、军事作战等，小型地面机 上台阶 ；主动变形式机器人通过机构的主动变形越上台阶障碍 器人凭借其体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点，成为 物 。提出的机器人充分利用四杆机构的特点进行合理化设计以 达到设计目标。 移动机器人研究的热点＿ｌ１。机器人的地形适应能力是评价其越障 能力的重要指标。目前用于越障的机器人主要有轮式、履带式、足 ２轮足式越障机器人总体结构 轮足式机器人是从常规的轮式机器人机构上改进而来。其中 式等，各种越障方式均有其优缺点。轮式台阶越障能力低；履带式 带负载能力有限。 对地面破坏大，同时履带磨损剧烈；腿式控制要求高、机构复杂、 保留轮式机器人的主体部分，在其前端增加四杆机构，并通过四 杆机构的参数化设计完成越障功能。这种机构融合了轮式机器人 效率较高的特点，同时增强了其地形自适应能力，使 作为移动多体系统，轮足式复合结构移动机器人越障能力 的运动灵活、 好，综合性能高。由于在越障过程中和地形发生交互作用，其结构 其能在复杂的地形下具有更强的越障能力。形式会发生变化［２１，所以对越障机器人进行机构合理化设计与在 攀爬障碍物时进行运动分析是必要的。 轮足式机器人总体结构，如图Ｉ所示。由ｌ前轮、２前腿、３躯 干、４支撑腿、５后腿、６后轮、７支撑轮组成。其中由前轮与前腿构 提出的轮足式越障机器人，主要为克服轮式机器人不能爬越 成头部四杆机构、由支撑腿与支撑轮构成支撑结构、由后轮与后 的机器人，其攀爬台阶面的能力与策略是不～样的：关节式全向 与越障功能。 来稿日期：２０１６一叭一１５ 作者简介：侯 字，（１９７５一），男，陕西岐山人，博士研究生，硕士生导师，教授，主要研究方向：仿生与智能机械 实现运动 台阶及较高角度的障碍物而进行的针对性研究 。由于不同结构 腿构成尾部支撑结构。由６个直流电机带动６个车轮，第８期 苏４ 磊等：轮足式机器人机构设计及越障性能分析 由Ｃ、Ｄ点可求得杆ＣＤ的长度ｆ１为： ４７ ｆ ＝Ｖ（ｙ。一Ｙｃ）一＋（ ｃ）‘ （４） 由初始参数ｆ ，ｆ ，ａｌ∞可求得其他参数。现取各参数ｚ，＝ ５０ｒａｍ， ２＝ｌＯｌｍｍ，Ⅱｌ＝１０。， ＝５。。可根据式（３）求出ａ２＝７４．４。，ｆ４＝ １．前轮２．前腿３ 区干４．支撑腿５．后腿６后轮７．支撑轮 图１机器人结构示意图 Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ Ｒｏｂｏｔ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｄｉａｇｒａｍ １１６ｒａｍ，根据式（２）求出ｆ 范围，现取ｚ ＝１７７ｍｍ，由（４）可求出２ ５９．６ｍｍ。 以上述求得数据合理设计头部四杆机构，建立三维模型，并 运用三维软件进行虚拟化越障运动仿真，得知轮足式机器人能够 主要分析轮足式机器人对台阶的越障能力。轮足式机器人攀 爬台阶的过程，如图２所示。攀越台阶时前轮首先接触台阶，由于 越过２倍前轮直径的台阶。 电机持续工作，并在头部四杆机构的作用下，迫使头部抬起，前轮 到达台阶高处后支撑轮以及后轮依次爬越台阶面，从而完成整个 越障过程。 图２轮足式机器人越障过程示意图 Ｆｉｇ．２ Ｗｈｅｅｌ Ｔｙｐｅ Ｒｏｂｏｔ Ｏｂｓｔａｃｌｅ－Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｄｉａｇｒａｍ 从图２中可看出，头部四杆机构是决定机器人越障性能的关 键，因此首先对其进行参数设计。 ３头部四杆机构参数设计 机器人头部四杆机构简图，如图３所示 。 图３头部四杆机构简图 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ Ｈｅａｄ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ Ｆｏｕｒ Ｂａｒ Ｌｉｎｋａｇｅ 以 点建立坐标系ＸＡＹ，如图３所示。要使轮足式机器人能 正常越障，则应使前轮中心Ｅ点的轨迹如图３中粗线所示，即使 得Ｅ点在抬升过程中 逐渐减小。按照这一轨迹要求，可以设计 四杆机构的各参数，满足越过２倍前轮直径的台阶。 由三心定理可知ＣＥ杆相对于ＡＢ杆运动的速度瞬心为交点 Ｆ点为ＣＢ与ＤＡ延长线的交点），在坐标系中应满足： ＹＥ≥ＹＦ （１） ｆ１＋ｆ：×ｓｉｎ 一ｆ ｘｓｉｎ ≥ ｌ ，ｔ ａｎｏｑ （２） 由于ＣＤＥ共线可知： ｔ （ ）： ４ ＸＣＯＳ￣３一￡２ ＸＣＯＳＯ￣１ ｆｌ＋１２ ｘｓｉｎａｌ—ｆ５ ｘｓｉｎ￣２－１４ ｘｓｉｎａ３ 一一 ４机器人爬越台阶面的运动分析 在轮足式机器人的传统分析中，未考虑越障过程中机器人的 速度波动，在越障中可能会出现功率不够，无法越障的现象。大多 数越障分析都把越障过程当作匀速运动，或根本就没考虑，从而 导致理论分析与实际运动之间存在较大的偏差。甚至在实际运动 中，受到外界环境影响后，就很有可能出现越障失败的现象，因此 在设计时，应该尽可能使分析接近实际情况。为了保证轮足式机 器人合理越障，对机器人进行动力学分析，写出机器人运动学方 程就变得非常有必要。 为保证轮足式机器人能顺利爬越台阶面，由理论分析及结合 三维模型的运动仿真分析，越障过程中需要考虑车体各部分的运 动状态［９１。设在地面建立全局坐标系ＯＸＹ，在车体、ＢＣ杆、ＣＥ杆、 ＡＤ杆、前轮上分别建立局部坐标系Ｏ Ｙ （ ：０，１，２，３，４，５），各局 部坐标系与全局坐标系 轴之间的夹角为ａｉ，各构件绕其坐标系 原点的转动惯量为ｚ 车体平动速度为 坐标系０４Ｘ ｌ， 的原点 （即前轮中心）在车体坐标系中的位矢为其相对全局坐标系的速 度为 则有： ＋ｒＦＡＥ ａ （５Ｌ Ｊ） 各构件的平动动能为： ＝华 （６） 其中：ｍ『＇＿构件ｉ质量； 广构件ｉ的平动速度。 车轮转动动能： ５ ２ ＝半：ｍ 为车轮质量） （７） 式中： 『＿＿各轮子圆心相对地面的绝对速度。 构件ｉ的转动动能： ２ ：孥（ ：０－４） （８） 而前壁对前轮的正向压力Ｆ，可由Ａｄａｍｓ运动分析中的传感 器模块测出来，由瞬时输出功率等于输入功率可得到下面式子： ＝ ｌ［（ｍ０十ｍ１＋ｍ２＋ｍ３＋ｍ４）ｇ＋ｔｘ２Ｆｌｙ ＋￣２Ｆｖ （９） 小车的总能量； 。一各支撑轮轮与地面的摩擦系数； ｌｔｆ一前轮与前壁的摩擦系数。 Ｎｏ．８ 机械设计与制造 联合上式可解得： ｆ （ｍ。＋ｍｌ＋ｍ２＋ｍ３＋ｍ４） ＋３ｍ４ ＋２ｍ２ｖ１Ａｕｇ．２０１６ 前轮质心高度 前 轮 ｙ ｙ ＋Ｉｔ，（乏 ， Ｆ） 而 ＋ 奄 （１０） Ｙ 由式（１５）可得到Ｐ－ｖ关系。由于电机功率为定值，进而可确 定 －ｚ关系。根据轮足式机器人越障前的运动初速度，在Ａｄａｍｓ 方 向 加 速 度， 中进行运动仿真，并由所求得的 —ｔ变化规律，可得轮足式机器 人在爬越台阶面时准确的运动特性。 （ （ ５基于Ａｄａｍｓ的机器人越障过程仿真 基于所构建的理论模型。基于Ａｄａｍｓ对轮足式机器人进行 运动仿真模拟分析嗍。设轮足式机器人攀越的台阶面为车轮直径 的２倍，即Ｈ＝２０Ｏｍｍ。将相关结构数据及运动变量带入并仿真。 图７前轮Ｙ方向加速度变化曲线 ｉｇ．Ｆ７ Ｔｈｅ Ｆｒｏｎｔ Ｗｈｅｅｌ Ｙ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｃｕｎｒｅ 轮足式机器人头部机构质心变化曲线，如图４所示。曲线变 化平稳，说明机器人运动状态相对平稳，运动过程可行。前轮接触 障碍物后会有速度下降的过程，如图５所示。后继续上升，满足越 障过程运动分析。加速度曲线，如图７所示。在整个运动中轮足式 可以得到在越障过程中其头部机构质心高度、车体 方向速度、 前轮ｙ方向速度、前轮ｙ方向加速度随时间的变化规律，如图４～ 图７所示。 机器人加速度变化较小，说明在整个越障中机器人运动相对平 稳。图６中结果可以看出轮足式机器人在攀越障碍物时速度有波 动较小，在一定程度上速度能保持平稳，但在接台阶面时由于墙 壁里的作用机器人在此时会产生较大的速度波动，后在其他轮作 用下成功越障。 ６结论 讨论的轮足式机器人，通过机器人头部四杆机构的合理设计 与应用，大大提高轮足式机器人的越障能力，同时具备较好的地 形适应能力。通过理论计算以及结合Ａｄａｍｓ仿真分析可知：轮足 式机器人有较好的爬越台阶障碍物的能力，并且从运动曲线中可 图４前轮质心高度变化曲线 Ｆｉｇ．４ Ｆｒｏｎｔ Ｗｈｅｅｌ Ｃｅｎｔｒｏｉｄ Ｈｅｉｇｈｔ Ｃｈａｎｇｅ Ｃｕｒｖｅ 知运动较为平稳。可为实物设计提供一定的理论依据。 参考文献 ［１］李科杰危险作业机器人发展战略研究［Ｊ］．机器人技术及应用，２００３（５）： １４一＿２２ 主 （ｕ Ｋｅ－ｊｉｅ．Ｄａｎｇｅｏｒｎｓ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ｒｏｂｏｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｓｔｕｄｙ［Ｊ］． ＲｏｂｏｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００３（５）：１４＿ｌ２Ｚ） 体 ｘ 方 向 速 度 ［２］刘佳，李春书，许丽华．轮腿式移动机器人越障运动学建模与仿真［Ｊ］＿机 械设计，２０１ １，２８（８）：２４－２７． （Ｌｉｕ Ｊｉａ，Ｌｉ Ｃｈｕｎ－－ｓｈｕ，Ｘｕ ｌｉ－ｈｕａＷｈｅｅｌ ｌｅｇ ｔｙｐｅ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｏｂｓｔａｃｌｅ ｎｅｇｏｔｉａｔｉｏｎ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｆｅｓｉｇｎ， ２０１１，２８（８）：２ －２７．） 图５车体Ｘ方向速度变化曲线 Ｆｉｇ．５ Ｃａｒ Ｂｏｄｙ Ｘ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｓｐｅｅｄ Ｃｈａｎｇｅ Ｃｕｒｖｅ ［３］程刚．非结构化环境中移动机器人系统越障运 国科技技术大学，２ｏｏ６（５）． Ｄ］．合肥：中 （Ｃｈｅｎ Ｇａｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ ｕｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｅｎｖｉｏｎｍｅｎｔｒ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｏｂｉｌｅ ｒｏｂｏｔ ｏｂｓｔａｃｌｅ－ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ［Ｄ］．Ｈｅｆｅｉ：Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅ— ｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６（５）．） 主 体 Ｙ ［４］曹冲振，王风芹，张吉亮．虾形六轮移动机器＾尾部越障性能分析［Ｊ］．机 械设计与制造．２００９（１１）：１６４－１６６． （Ｃａｏ Ｃｈｏｎｇ－ｚｈｅｎ，Ｗａｎｇ Ｆｅｎｇ．．．．ｑｉｎ，Ｚｈａｎｇ Ｊｉ－ｌｉａｎ￣Ｏｂｓｔａｃｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ 方 向 速 度 ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔａｉｌ ｐａｒｔ ｏｆ ｓｉｘ－ｗｈｅｅｌ ｓｈｒｉｍｐ ｍｏｂｉｌｅ ｏｒｂｏｔ［Ｊ］．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ，２００９（１１）：１６４－１＆） ［５］杨树风．带有机械臂的全方位移动棚器人的研制［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业 图６前轮Ｙ方向速度变化曲线 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ Ｆｒｏｎｔ Ｗｈｅｅｌ Ｙ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｓｐｅｅｄ Ｃｈａｎｇｅ Ｃｕｒｖｅ 大学。２００６． （下转第５３页）