楊 軍，張 敏，陳一心，任禮成，王飛宏，丁志遠(yuǎn)

（南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，南京 211167）

0 引言

移動(dòng)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要有輪式行走機(jī)構(gòu)，履帶式行走機(jī)構(gòu)和腿式行走機(jī)構(gòu)，其中輪式行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度快，靈敏度高，控制較為簡(jiǎn)單；履帶式結(jié)構(gòu)具有良好的自復(fù)位和越障能力，腿式機(jī)器人能夠很好地越障的同時(shí)具有一定的抗沖擊力能力。但由于移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境趨于復(fù)雜化，復(fù)合式機(jī)器人因時(shí)而生，在勘探、救援等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。如西安科技大學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)合變胞機(jī)構(gòu)理論，自主設(shè)計(jì)研究出一種新型輪履復(fù)合機(jī)器人，利用構(gòu)型—平面四連桿機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完成輪式、履帶式行走方式的轉(zhuǎn)換。長(zhǎng)安大學(xué)基于液壓系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的輪履復(fù)合機(jī)器人可適用于大型工程機(jī)械。以色列埃爾比特系統(tǒng)公司的可重構(gòu)履帶機(jī)器人[1]，通過將整個(gè)履帶收縮到輪的內(nèi)部完成輪履切換，但不能完成翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功能。

本文創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出一種旋轉(zhuǎn)式輪履復(fù)合式機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)輪式行走和履帶式行走共用同一套驅(qū)動(dòng)裝置，通過將輪和履帶的模塊化設(shè)計(jì)，以旋轉(zhuǎn)的方式達(dá)到增強(qiáng)機(jī)器人越障能力的目的。為今后機(jī)器人復(fù)合式底盤設(shè)計(jì)與研究提供一定的理論和技術(shù)支持。

1 旋轉(zhuǎn)式輪履復(fù)合式機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)式輪履復(fù)合機(jī)器人屬于輪履變形式的輪履復(fù)合式底盤設(shè)計(jì)。機(jī)器人采用2020鋁型材搭建底盤框架，在滿足機(jī)器人各項(xiàng)性能的基礎(chǔ)上，達(dá)到減少機(jī)器人自重的目的；選用PMMA做為固定履帶和輪的旋轉(zhuǎn)臂材料，同時(shí)兼顧硬度和穩(wěn)定性。利用蝸輪蝸桿電機(jī)的自鎖性；做為旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力源和鎖死裝置。機(jī)器人采用全輪驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)和轉(zhuǎn)向的快速性。

輪履復(fù)合式機(jī)器人需要兼顧輪式快速行走能力和輪帶式越障能力，旋轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)使得輪式和履帶式共用同一驅(qū)動(dòng)裝置，選用型號(hào)為XC38PG38的有刷行星齒輪減速電機(jī)作為機(jī)器人行走的動(dòng)力源，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、履帶和輪上的齒輪選擇模數(shù)和齒數(shù)相同的齒輪，使得電機(jī)到履帶軸和輪軸的傳動(dòng)比相同。因輪的直徑遠(yuǎn)大于履帶驅(qū)動(dòng)輪的直徑，在保證履帶式行走具有充足動(dòng)力的同時(shí)，輪式行走的速度得到保證。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用三維建模軟件Solid Works作為工具，設(shè)計(jì)出機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上建立零件圖并進(jìn)行機(jī)器人的整體裝配。旋轉(zhuǎn)式輪履復(fù)合機(jī)器人三維模型如圖1所示。

機(jī)器人整體利用鋁型材搭建的框架，在綜合考慮旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)空間范圍和需安裝的車載傳感器如攝像頭的視覺范圍等條件下確定機(jī)器人的長(zhǎng)度，根據(jù)電機(jī)的大小、旋轉(zhuǎn)軸和驅(qū)動(dòng)軸的性能確定機(jī)器人的寬度，同時(shí)機(jī)器人內(nèi)部預(yù)留足夠空間安裝機(jī)器人的電氣控制部分設(shè)備。

圖1 旋轉(zhuǎn)式輪履復(fù)合式機(jī)器人三維圖

2 旋轉(zhuǎn)式輪履復(fù)合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能分析

2.1 機(jī)器人底盤力學(xué)性能分析

在相同的工況條件下，輪式行走的受力面積小于履帶式行走時(shí)的受力面積，因此對(duì)輪式行走時(shí)的機(jī)器人底盤進(jìn)行力學(xué)性能分析[2]。機(jī)器人底盤此時(shí)的受力情況較為復(fù)雜，因此對(duì)模型結(jié)構(gòu)理想化，將底盤的支撐力簡(jiǎn)化為固定支撐，因此形成應(yīng)該懸臂梁結(jié)構(gòu)模型[3]。將機(jī)器人重力載荷理想化為一組集中載荷F1，蝸輪蝸桿電機(jī)的力矩為M1，根據(jù)力的平移定理將重力合成為一個(gè)力矩M2和一個(gè)力F，因此整個(gè)機(jī)器人底盤受到的力為電機(jī)轉(zhuǎn)矩和M2的合力矩M和一個(gè)力F。對(duì)其進(jìn)行彈塑性彎曲校核，驗(yàn)證是否會(huì)產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形。根據(jù)極端受力情況F=20 000 N，彎矩最大處位于懸臂梁固定端，最大值Mmax=2.5 kN·m。

在Solid Works的插件Solid Works Simuation中進(jìn)行機(jī)器人底盤材料定義、添加約束和負(fù)載，在網(wǎng)格化模型后，得出機(jī)器人底盤的應(yīng)力、位移和應(yīng)變?cè)茍D，如圖2所示。進(jìn)行機(jī)器人底盤的彈塑性彎曲校核，角碼的連接件在生成運(yùn)算算例時(shí)將Toolbox緊固件轉(zhuǎn)換為螺栓接頭，在底盤的一端添加固定幾何體，在固定端添加轉(zhuǎn)矩，在另一端添加外力F，基于曲率的風(fēng)格為整個(gè)模型生成網(wǎng)格，運(yùn)行此算例，得到機(jī)器人的應(yīng)力云圖、位移云圖和應(yīng)變?cè)迫鐖D2、3、4所示。顯然機(jī)器人底盤未發(fā)生大尺度塑性變形，機(jī)器人底盤的應(yīng)變和應(yīng)變?cè)谠试S范圍內(nèi)，因此底盤力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 機(jī)器人底盤應(yīng)力云圖

圖3 機(jī)器人底盤位移云圖

圖4 機(jī)器人應(yīng)變?cè)茍D

2.2 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)主軸力學(xué)性能校核

機(jī)器人在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變形時(shí)，渦輪蝸桿旋轉(zhuǎn)電機(jī)提供動(dòng)力，以齒輪嚙合傳動(dòng)的方式帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂進(jìn)行輪履切換。旋轉(zhuǎn)變形所選用的電機(jī)型號(hào)為4058GW31ZY蝸輪蝸桿減速電機(jī)（額定轉(zhuǎn)矩為35 kg·cm）；機(jī)器人在進(jìn)旋轉(zhuǎn)變形時(shí)，旋轉(zhuǎn)主軸受到較大的力矩；因此需要對(duì)主軸進(jìn)行力學(xué)校核。主軸采用6061T6實(shí)心鋁棒加工而成，因?yàn)闄C(jī)器人旋轉(zhuǎn)主軸的對(duì)稱性，取主軸的一半進(jìn)行校核，在Solid Works Simuation中主軸的一端添加固定約束，是在另一端添加扭矩，在基于曲率的風(fēng)格下為整個(gè)模型生成網(wǎng)格后，運(yùn)行算例，得到機(jī)器人的應(yīng)力云圖、位移云圖和應(yīng)變?cè)迫鐖D5、6、7所示；旋轉(zhuǎn)主軸的力學(xué)性能滿足機(jī)器人性能要求。

圖5 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)力云圖

圖6 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)軸位移云圖

圖7 機(jī)器人旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)變?cè)茍D

2.3 履帶式行走結(jié)構(gòu)越障過程分析

機(jī)器人在履帶式行走狀態(tài)下，其越障能力和裝載能力更好，更加適應(yīng)在非理想條件下的行走。因齒輪嚙合的要求，旋轉(zhuǎn)式輪履復(fù)合式機(jī)器人采用全向驅(qū)動(dòng)[4]的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走，且每個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度相同，如圖8（a）所示，為正常狀態(tài)下的履帶行走，圖8（b）機(jī)器人前輪接近障礙物[3]，通過機(jī)器人的車載紅外傳感器確定障礙物離機(jī)器人的距離，從而機(jī)器人進(jìn)入越障準(zhǔn)備狀態(tài)，圖8（c）機(jī)器人前輪旋轉(zhuǎn)臂由前輪的蝸輪蝸桿電機(jī)控制旋轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定的角度，進(jìn)行越障。圖8（d）機(jī)器人前輪越過障礙物，此時(shí)，前后輪蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)電機(jī)鎖死，后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)提高動(dòng)力，使得機(jī)器人行走；直至后輪接觸到障礙物，后輪進(jìn)入越障準(zhǔn)備狀態(tài)，如圖8（e）所示，前輪旋轉(zhuǎn)臂恢復(fù)到齒輪嚙合狀態(tài)，后輪的蝸輪蝸桿旋轉(zhuǎn)電機(jī)控制后輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度，進(jìn)行后輪的越障。最終，如圖8（f）所示，機(jī)器人完成整個(gè)越障[5]過程，進(jìn)行正常行走。

圖8 旋轉(zhuǎn)式輪履復(fù)合式機(jī)器人越障過程原理簡(jiǎn)圖

3 基于全局視角的導(dǎo)航

3.1 導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輪履機(jī)器人常作業(yè)于戶外等道路情況較復(fù)雜的地面，而常用的激光雷達(dá)/慣性組合導(dǎo)航，GPS/慣性組合導(dǎo)航等導(dǎo)航系統(tǒng)可能無法提供最優(yōu)的道路規(guī)劃信息，因此機(jī)器人采用基于全局視角的導(dǎo)航方式。利用無人機(jī)搭載高位雙目攝像頭對(duì)機(jī)器人周圍環(huán)境信息進(jìn)行采集，經(jīng)過圖像預(yù)處理和傾斜角校正后，進(jìn)行特征值深度數(shù)據(jù)計(jì)算和機(jī)器人特征匹配，匹配成功后確定關(guān)鍵幀圖像。通過將關(guān)鍵幀中高度數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，將道路信息立體化，實(shí)現(xiàn)三維空間的路徑規(guī)劃[6]。具體控制系統(tǒng)總體控制流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)總體控制流程圖

3.2 圖像預(yù)處理

3.2.1 Harris角點(diǎn)提取

在高位視角的圖像中，為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的高效性，選擇了角點(diǎn)作為深度數(shù)據(jù)的判斷條件，既保留了環(huán)境的特征信息，又可以有效的減少了信息數(shù)據(jù)量。進(jìn)行Harris角點(diǎn)提取前需要利用二階Butterworth低通濾波器進(jìn)行圖像的銳化，再利用Canny算子進(jìn)行圖像邊緣檢測(cè)，減小道路信息中的多余信息量。如圖10所示為采集到單目的灰度圖像和對(duì)應(yīng)提取Harris角點(diǎn)后的特征點(diǎn)圖像（Canny邊緣提取為黑色，特征值角點(diǎn)為紅色）。

圖10 圖像預(yù)處理圖

3.2.2 關(guān)鍵幀提取

由于無人機(jī)采集高位視角圖像時(shí)具有一定的抖動(dòng)性，需要先對(duì)采集的視頻圖像進(jìn)行消抖處理[7]，在該系統(tǒng)中利用特征值匹配來進(jìn)行圖像消抖，特征匹配公式如下。

式中：Pˉi為數(shù)據(jù)庫(kù)中機(jī)器人自身的特征值；Pi為圖像中對(duì)比的特征值；i表示像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，當(dāng)整體特征值越相似DEV的值越接近于1，當(dāng)特征匹配值大于等于閾值時(shí)，確定當(dāng)前幀為關(guān)鍵幀，并進(jìn)行深度數(shù)據(jù)計(jì)算。

3.3 深度數(shù)據(jù)計(jì)算與校正

利用SGBM匹配算法對(duì)高位雙目攝像頭采集的雙目圖像進(jìn)行深度信息恢復(fù)，通過代價(jià)計(jì)算、動(dòng)態(tài)規(guī)劃和后處理實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的空間信息計(jì)算，SAD代價(jià)公式如下。

式中：x,y為圖像坐標(biāo)系中的位置；L，R分別對(duì)應(yīng)的是左目圖像坐標(biāo)系和右目圖像坐標(biāo)系，以左目圖像的匹配點(diǎn)為中心，在右目圖像中逐步計(jì)算特征點(diǎn)的差值，來確定圖像的深度信息；將最深點(diǎn)設(shè)為1將深度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的高度數(shù)據(jù)，將高度數(shù)據(jù)與車載激光測(cè)距儀測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的立體化。

如圖11所示，是雙目攝像頭的視差計(jì)算圖（可參考圖10灰度圖像），圖像中顏色越淺的地方，空間距離越近。

圖11 視差計(jì)算圖

由于攝像頭采集高位圖像存在一定的傾斜角，所以利用車載ENC03陀螺儀和MMA7361加速度計(jì)進(jìn)行車身水平姿態(tài)的測(cè)算，通過對(duì)比車身特征值傾斜度對(duì)特征值高度數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的校正。

3.4 路徑規(guī)劃及輪履選擇

常用的路徑規(guī)劃的算法有Dijkstr算法[8]，F(xiàn)loyd算法[9]。但是Dijkstra算法存在復(fù)雜度高的缺陷，而Floyd算法則多用于多源最短路徑規(guī)劃，所以該系統(tǒng)選擇了基于A*算法的路徑規(guī)劃。A*算法公式如下。

式中： H(n)為到目標(biāo)點(diǎn)的啟發(fā)式估計(jì)代價(jià)；G(n)表示到任意結(jié)點(diǎn)的實(shí)際代價(jià)，當(dāng)?shù)侥繕?biāo)節(jié)點(diǎn)的估計(jì)代價(jià)小于實(shí)際代價(jià)時(shí)就可以求得最優(yōu)解。

通過計(jì)算道路信息中各個(gè)結(jié)點(diǎn)間的顛簸度，當(dāng)?shù)缆奉嶔ざ却笥谠O(shè)定值或小于無法越障的閾值，且轉(zhuǎn)換效率大于預(yù)計(jì)繞障效率時(shí)，選擇履帶形態(tài)進(jìn)行直接越障，其他情況選擇輪式形態(tài)進(jìn)行繞道越障的方式。通過結(jié)合A*算法的數(shù)條路徑規(guī)劃來選擇實(shí)際復(fù)雜道路的機(jī)器人導(dǎo)航[10]。

3.5 MATLAB 3D環(huán)境建模

環(huán)境信息的立體化，可以感知復(fù)雜環(huán)境下的情況，針對(duì)顛簸路面和平整地面可以分別選用履帶式和輪式機(jī)器人分別進(jìn)行行駛，實(shí)現(xiàn)更高效率的機(jī)器人行駛，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的最優(yōu)導(dǎo)航，確保機(jī)器人在復(fù)雜條件下的行走能力。

如圖12所示，是通過高位攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行視差計(jì)算得到的道路信息(參考圖9灰度圖)，利用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)的道路3D環(huán)境建模。該模型的場(chǎng)景與真實(shí)環(huán)境的信息相似程度較高，可以準(zhǔn)確地識(shí)別出道路上較大區(qū)域障礙物的位置和基本的大小，實(shí)現(xiàn)了基本環(huán)境信息的識(shí)別。

圖12 3D環(huán)境建模圖

實(shí)際導(dǎo)航系統(tǒng)中，利用圖處理極大減少圖片中不必要的環(huán)境信息，減少了系統(tǒng)計(jì)算量，在一定程度上提高了輪履復(fù)合機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的響應(yīng)速度和能力。在完成了對(duì)環(huán)境的建模后，通過微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人各個(gè)模塊的控制，實(shí)現(xiàn)在較為復(fù)雜環(huán)境下的自動(dòng)路徑規(guī)劃和形態(tài)切換。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種旋轉(zhuǎn)式輪履復(fù)合式機(jī)器人，通過驗(yàn)證其不同行走情況下的驅(qū)動(dòng)能力、在輪式行走下的底盤力學(xué)性能和旋轉(zhuǎn)變形時(shí)的旋轉(zhuǎn)軸性能。最后，提出一種基于高位雙目攝像頭的機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)，完成對(duì)機(jī)器人的路線規(guī)劃。