王 宇，范欽鈺，趙亞東，蔡 冬，趙寧寧

（吉林大學 汽車工程學院，吉林 長春 130025）

近年來，為實現(xiàn)生產過程自動化，機器人已廣泛應用于工廠的各個生產過程，而那些人力所限的外部環(huán)境或危險場所，將是機器人進一步發(fā)展的領域。

移動機器人中輪式或履帶式移動方式已獲得廣泛的應用，但也存在很多制約，輪腿移動方式具有輪式和履帶式移動方式所沒有的優(yōu)點，例如輪腿移動方式的機器人可以相對容易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等），并且機器人的腿型機構所具有的大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凹凸不平的地形的適應能力相對輪式或履帶式機器人而言更強.輪腿式移動機器人的立足點是離散的，跟地面的接觸面積較小，可以在地面上選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，也能夠行走自如，因此，當輪腿移動式機器結構配備相應的傳感器和作業(yè)裝置時，可用于工農業(yè)生產的許多方面（核工業(yè)中的管道裂縫檢測、工農業(yè)設備的探測，檢修和危險環(huán)境的救援等等）[1]。國內對此類仿生機械結構的研究較少，國外雖有相關研究，但輪腿結構仍存在一定問題，尤其是當機械結構或負重增加時，行走能力將大打折扣，因此機械平臺的選擇、輪腿結構的確立、越障高度的測量以及不同地形的適應性成為研究的重點。

1 開發(fā)流程

所開發(fā)的機械系統(tǒng)的流程圖如圖1所示。

圖1 開發(fā)流程Fig.1 Development process

1.1 機械平臺結構的確立

機械平臺結構是整個設計的基礎，為此，曾測試過4種不同的機械平臺并摸索出了最優(yōu)的平臺設計。

1.1.1 雙電機兩驅機械平臺

采用雙電機的模式，如圖2中（a）所示兩個電機各自帶動一個驅動輪，另外兩輪不提供動力，質量為0.23 kg，具備扭矩小的特點。優(yōu)點包括機械結構質量輕，可實現(xiàn)電子控制等，但其兩個輪驅動的模式導致驅動力明顯不足，無法實現(xiàn)連續(xù)運動，并且，兩個驅動輪均采用開環(huán)控制，速度不等，導致運動干涉現(xiàn)象的出現(xiàn)，從而無法控制運動方向。

1.1.2 雙電機四驅機械平臺

圖2中（b）為雙電機四輪驅動，其質量為0.32 kg，傳動比為8:1，金屬結構強度高，雖然解決了兩輪驅動動力不足的缺點，但仍然存在電機速度不同，運動干涉，車體難保證走直線等問題，且因扭矩過大，齒輪強度不足，很容易出現(xiàn)打齒的現(xiàn)象。

1.1.3 單電機四驅簡易機械平臺

單電機四輪驅動模式如圖2中（c）所示，質量僅為0.11 kg，電機轉速達10 000 r/min以上，傳動比5:1，雖然克服了運動干涉的缺點，但結構過于簡易，電機動力差，傳動比低也導致扭矩過小，放置于地面時無法運轉起來[2]。

1.1.4 基于飛思卡爾的機械平臺

為解決上代機械結構的種種問題，我們采用了制造精密的飛思卡爾智能車機械平臺。如圖2中（d）所示。

圖2 曾經考慮過的機構平臺Fig.2 Considered the institutional platform

1.2 機械平臺及其配件的選配

1.2.1 電機個數(shù)選擇

以往腿式機器人大多需要多個電機驅動以提供足夠的動力，但經實驗和資料得到的結論是：對于小型機器人來說，單電機優(yōu)勢更明顯。單電機通過齒輪傳動，避免產生運動干涉，防止出現(xiàn)不走直線的現(xiàn)象，而且具備重量輕，控制方便，效率高等優(yōu)勢。

1.2.2 底盤的結構

采用碳纖維底盤，既輕又結實，驅動軸處采用軸承減小阻力，結構設計成方便拆卸的，可以更容易地拆卸和更換輪腿，能降低結構的重心以防止側翻的發(fā)生[3]。

1.2.3 電機，電池的布局

電機位于構架的中心位置，驅動4軸，6節(jié)電池分為兩組，分置結構兩側，達到平衡，且電池的位置在中心靠前處以前移中心，提升越障能力。如重心在后會出現(xiàn)前輪越過障礙，整個平臺翹起，前輪與地面不接觸，喪失驅動能力的現(xiàn)象。

1.2.4 懸架的調教

懸架的剛度調教需要既不太軟又不太硬。太軟會導致在行走過程中由于顛簸造成結構底盤觸及地面，太硬又會無法適應地面的復雜情況造成顛簸甚至側傾，且對結構的沖擊大，造成結構的損壞。

1.2.5 差速器的鎖死

原結構的差速器對于現(xiàn)有的控制是一個阻礙，輪腿式結構導致行駛阻力大，差速器會使動力散失，無法實現(xiàn)越障的功能，因而對其進行了改造，通過去除差速器中的行星輪并注入熱熔膠消除了差速，使其在行走過程中不再出現(xiàn)滑轉的現(xiàn)象，同時動力能夠均勻地分配到4個驅動輪上。

1.2.6 輪軸與輪腿結構的裝配

由于輪腿式結構在行走過程中與地面的接觸是非連續(xù)的，與傳統(tǒng)輪式結構相比阻力要大許多，因而為防止輪腿與輪軸之間的打滑，采用螺母與防松墊片相配合的方法，防止了相對滑動現(xiàn)象的發(fā)生，確保了動力的傳遞。

1.3 輪腿結構的選擇

1.3.1 仿生原理

現(xiàn)行的小機器人受限于動力不足，質量過大，輪胎過小及其他外部條件的制約，而昆蟲（蟑螂）面臨相同的情況卻很好的適應了環(huán)境。因此，昆蟲（蟑螂）提供了設計的靈感[4]?，F(xiàn)在車輛的車輪是連續(xù)接觸的，越障能力有限，而設計的輪腿是非連續(xù)性接觸，越障能力更突出。蟑螂是仿生源，它有3對腳，經觀察，蟑螂始終保持身體一側的前后腿與身體另一側的中間腿步態(tài)一致，但因六支腳的設計過于復雜，采用四輪設計，模擬到小車上就是斜對側輪腿的相位不同。斜對側的輪腿相位相差60°[5]。同一時間至少有兩只腳與地面接觸，確保了車身的穩(wěn)定性。但后期的實驗發(fā)現(xiàn)，3個腿的設計因步幅過大，會出現(xiàn)輪腿卡死在地面上的現(xiàn)象，于是，我們選擇了每個輪上6個腿的設計，既保證了越障能力，又最大化地減小了行駛阻力。

圖3 輪腿結構理論分析Fig.3 Theoretical analysis of the wheel legs

1.3.2 單個輪腿的設計

實驗發(fā)現(xiàn)輪腿與地面的接觸角度很重要且腳是平的好，因為摩擦力大[6]。另外，為進一步增大摩擦力，在輪腿與地面的接觸部分套上了熱縮管。輪腿與地面的接觸時間越長越好，因為這樣可以提高小車的穩(wěn)定性及更好地利用電機的驅動力。另一方面，腳與腳的跨度越大，越障能力越強[7]。綜合上述兩因素，結合實驗，確定了最佳的輪腿設計。

彎曲的結構能夠吸收沖擊，輪腿彎曲的方向很重要，之前曾采用向后彎的設計但發(fā)現(xiàn)其容易出現(xiàn)被越過的障礙纏住的可能性，所以保留了現(xiàn)在向前彎的設計，這類似于人行走的方式。

1.3.3 輪腿的布置

在設計的過程中，曾試驗過多種輪腿[8]。

1.3.4 塑料切割式輪腿（如圖4（a））

此類輪腿越障能力強且與地面摩擦力大，但所用的工程塑料較薄。將自制的各種輪腿固定在車軸上存在很多困難。首先，為減小重量自制的輪腿普遍較薄，無論是瓶蓋，金屬板還是塑料板，厚度都不超過5 mm，插在車軸上很容易發(fā)生側傾，尤其是在負重之后，其結構強度低，易損壞，而采用厚塑料又會造成質量過重。其次，過薄的輪腿容易與輪軸發(fā)生相對轉動，尤其是對于輪腿結構，其承受很大的扭矩。雖然曾嘗試過涂膠水等方法，但效果始終不明顯。最后設計出輪轂+輪腿的結構。

購買的模型車的輪轂上有6根輻條，通過在輻條之間插入塑料螺釘，再將螺釘旋入塑料板，并用螺母緊固的方法可以很好地解決輪腿與輪軸的相對轉動問題。

由于螺絲都是標準件，旋向相同，所以存在著一側越旋越緊另一側越旋越松的問題，通過在越旋越松的輪轂外側附加螺母的方法可以很好地解決這個問題。為增大摩擦力，在塑料輪腿的外側包上了橡膠管，經試驗，這種相對簡單的方法能很好地防止輪腿打滑。

1.3.5 鋁片拼接式輪腿（如圖4（b））

以金屬鋁片為材料，將其剪裁成三角形，并在3個頂點開槽，與另外開槽的條形鋁片相拼接，并用熱熔膠加以固定，且在著地處貼上飛思卡爾智能車的輪胎橡膠以增大摩擦力。

1.3.6 螺釘式輪腿（如圖 4（c、d、e、f））

以飲料瓶改為基體，在蓋子的四周對稱地打6個孔，配以長度為6 cm的螺釘，用螺母鎖緊，前端彎曲，并套上熱縮管以增加摩擦系數(shù)。

圖4 各式輪腿Fig.4 Different kind of wheel legs

2 輪腿實驗

通過實驗方法對不同輪腿的越障能力進行比較，確定最好輪腿設計。

2.1 越障能力的評判標準

1.）快；2）高效；3）穩(wěn)定；4）行駛阻力（即所需的驅動力）??；5）能越過高的障礙[9]。

2.2 試驗方法

在實驗過程中，經常要更換輪腿來實驗，但機械平臺的傳動系統(tǒng)較為復雜，每次拆卸都十分費力，耗時較長，且因為系統(tǒng)都是齒輪嚙合，在更換輪腿的過程中，極易損壞齒輪，所以，采用了模擬實驗的方法以減少輪腿在小車上的拆裝次數(shù)。試驗方法如下：

所有的輪腿本質上可以分為3類

1）由瓶蓋和螺絲釘制成的 （共計4種：3只直腳，3只彎腳的，6只直腳的，6只彎腳的）

2）由金屬板拼接而成的3）由塑料板切割而成的實驗原理：1，2，3三組各自的機理相同，因此可以進行組內的簡化實驗對比，確定每組的最優(yōu)方案。

自制實驗平臺：將各種輪腿裝在沒有電機的簡單四驅車平臺上（四輪是通過齒輪與傳動軸相互連接的，用以保證輪腿間相互的相位關系）。

試驗方法：在模擬四驅車平臺上加上載荷，使其與小車質量相同（確保實驗結果可以適用于真實的車身平臺），用彈簧測力計鉤住實驗車身，換上不同的輪腿[10]，通過彈簧拖動實驗車身，保持近似勻速行駛，記下拖動每種輪腿時的彈簧測力計示數(shù)，示數(shù)大則說明該種輪腿的阻力大，不適合越障，否則相反。在每組中分別相互比較以得出最優(yōu)解。

組與組之間通過設置不同的障礙高度檢測各種輪腿所能通過的最大高度來確定合適的輪腿結構。

2.3 試驗結果和數(shù)據

經過大量試驗并參照越障能力的參考標準可得出以下結果，如表1所示。

表1 仿生機構不同輪腿測試數(shù)據表Tab.1 Experiment results of different kind of legs

2.4 試驗結論分析

通過實驗得到的數(shù)據可以分析出如下結論：

1）6腿后彎與3腿后彎的結構違反生物結構特征，易被越過的障礙物絆住，影響通過性，因此不合理。

2）3腿前彎、3腿側彎的設計步幅過大，由于機械本身質量的原因，容易造成輪腿卡死在地面上，行駛阻力過大，易造成電機堵轉，因此不合理。

3）三角鋁片的設計因為鋁片間是拼接相連的，雖涂有熱熔膠，但結構強度依然達不到要求，尤其是在越障的情況下，極易損壞，以此不合理。

4）自制的塑料輪腿雖然越障能力突出，但塑料板強度低，易損壞，同樣不合理。

5）6腿側彎與6腿前彎相比，行駛阻力大，造成動力的浪費，所以排除。

結論：經考慮各種因素，6腿前彎的結構形式最大限度地滿足了越障的要求，綜合性能突出，是最佳的結構。

3 不同地形適應性

越障能力的另一個體現(xiàn)就是能適應各種路面，為模擬自然環(huán)境，在自然界采集了各種路面要素，并搭設了自己的實驗平臺[11]，成功的模擬出了6種常見的路面情況。具體方法為：

1）采集自然界的各種路面信息，提取要素。

2）搭建仿真道路。

3）將道路分為若干小段。

4）在每個小段里設置不同的道路環(huán)境。

表2 自然界路面要素表Tab.2 Surface elements of nature

圖5 模擬仿真路面Fig.5 Road simulation

使不同的輪腿結構在仿真路面上行走，經比較，所設計的6腿彎曲式機械結構通過路面用時最短，且不受羈絆，能夠很好地適應各種路面，通過能力突出，滿足了仿生越障機械結構的使用要求。

4 結束語

給出了一種與以往輪式行走車輛不同的設計。采用輪腿式設計，通過與地面的非連續(xù)性接觸，實現(xiàn)了極高越障能力。在設計中，創(chuàng)造性地采用了模擬實驗的方法，簡化了實驗的次數(shù)，完成了對不同輪腿的測試并得出了最優(yōu)解，即六腳彎曲式輪腿設計。此設計結構對多種路面均有很好的通過性，且越障能力突出，可以輕松地越過與機械結構同高的障礙物。

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