轮腿交互变换式行走机器人运动学分析

0 引言

近年来机器人技术的研究是最活跃的领域之一，得到了世界各国的广泛关注。根据其运动形式的不同机器人可分为轮式、履带式和足式机器人。基于轮式机器人行走速度快、腿式机器人越障能力强的特点国内外广大学者以及机器人爱好者陆续研制出一系列轮腿式、关节履带式、轮履带腿式移动机器人，以期在保持较高移动效率的前提下，提高机器人的越障能力。典型代表有美国JPL实验室研制的Rocky系列小型机器人；瑞士联邦学院EPFL自主式系统实验室研制的具有被动爬行能力的六轮腿全地形机器人Shrimp；iRobot 公司的履带腿式机器人Pack-Bot；哈工大的复合运动模式四足机器人；北京理工大学研制的四轮履带腿式移动机器人；中科院沈阳自动化研究所研制的轮履腿多复合智能移动机器人；上海交通大学研制的六轮腿移动机器人等。

在足式机器人中，四足机器人的稳定性及负载能力远远大于双足机器人其机构冗余和控制复杂程度比六足和八足机器人简单，因此四足机器人具有较好的综合性能。近年来在组合行走机器人中，人们对轮腿一体式机器人的研究最为普遍；然而轮腿一体式机器人行走速度较轮式机器人慢且行走时不够稳定。为了解决速度及稳定性问题，同时提高机器人的越障能力本文提出一种轮腿交互变换式行走机器人的解决方案。轮腿交互变换式行走机器人具有运动速度快且运动比较平稳的特点，同时能够实现零转动半径原地变换方向、轮式快速行走、腿式越障和实时进行轮腿行走模式互换的功能。

1 机器人整体结构设计

首先使用SolidWorks三维建模软件对其结构进行建模然后分别建立轮式行走运动模型、腿式行走运动学模型以及对中间轮腿交互变换方式进行研究。针对轮腿交互变换方式、腿式行走时各关节之间的谐动以及稳定性控制两大重要问题，设计一种稳定运动的控制系统通过控制系统的模块化处理提高机器人运动的稳定性与可靠性。

轮腿交互变换式行走机器人机械结构如图1所示。

机器人整体采用对称结构设计，主要由机体、座椅、4个轮式行走机构和4个腿式行走机构组成。4个轮式行走机构和4个腿式行走机构依次交错成45°安装在机体下部座椅通过气缸减震器安装在机体上部。每个轮式行走机构由轮式机构支架、轮式机构转向器和轮毂电机构成；每个腿式行走机构由脚、大腿、小腿、髋关节、膝关节、踝关节和腿式机构转向器构成；座椅部分由气缸减震器、可伸缩连杆、可折叠扶手、左手操控手柄、右手操控手柄、座椅、控制器和可调节踏板构成且通过气缸减震器连接在机体上。所述各关节均采用伺服电机驱动所有伺服电机的转速及角度均由控制器调控。

为了更好地对轮腿交互变换式行走机器人进行运动学分析满足结构紧凑、零转动半径、全方位运动、快速行进及越障能力强的要求，这里运用SolidWorks三维建模软件对其进行实体建模，其实体模型如图2所示。为了最大限度地节省转向空间、确保机器人整体运动的平衡、合理布置轮腿位置以最大限度地减小整个机构的运动空间机体选择采用中心对称且具有和谐美感的圆作为设计理念。此外，每个轮式行走机构有两个自由度实现平地任意方向行走和轮腿交互变换行走时方向的改变；每个腿式行走机构由髋关节、膝关节、踝关节组成共5个自由度髋关节负责调节机器人站立后腿部机构所要前进的方向，膝关节负责腿部机构的抬起与落下踝关节负责腿式行走时脚的位姿同时髋关节、膝关节、踝关节协同提供向前的驱动力以保证机器人整体平稳向前行走以实现不同形式地形的越障。机器人上部不仅可以载人而且可以载物，在此根据实际情况设计成载人的座椅，该座椅加入了人性化的设计理念；为了使机器人行走时座椅的方向与行走方向一致座椅设计成可以绕气缸减震器进行360°旋转以满足客户使用时的方向感；鉴于客户乘坐时的舒适感在此采用气缸减震器来消除机器人在复杂地形越障时所产生的上下波动。

2 机器人运动学分析

2.1 轮式行走

当路况较好时，为了提高机器人行走速度及稳定性而采用轮式行走机构行走。使用轮式行走机构行走时，可以进行前行、左转、右转和原地变换方向。其中原地变换方向一般用于空间较小的场合如在狭窄楼梯间进行转向、必要时的原地调整方向等。

每个轮式行走机构由一个舵机和一个轮毂电机进行驱动舵机用于调整机器人的行走方向轮毂电机用于驱动机器人向前运动。舵机和轮毂电机均由控制器控制。

2.2 轮腿交互变换方式

当机器人进入复杂地形时轮式行走不能满足越障的需要。在此通过控制系统自动调节4个轮的方向并进行原地旋转，使4个腿式行走机构的行走方向调整到原轮式行走方向；然后通过控制模块指合的调用，使机器人腿部完全站立并将大腿、小腿调节到所要运动的方向。然后屈膝，调用腿式行走命合从而实现机器人稳步向前迈进。当从复杂地形进入平地行走时，为了提高机器人的行走速度，通过控制系统将4个腿式行走机构蜷缩固定在原折叠位置，同时控制轮式行走机构调整方向并向前运动。轮腿交互变换过程如图3所示。图3中：1为轮式直行状态；2为轮式原地变换方向过程；3为腿式行走方向；4为腿式机构伸展过程；5为腿式机构直立状态；6为腿式机构调整后状态；7为腿式机构收缩；8为腿式行走状态一；9为腿式行走状态二；10为腿式机构直立（为变换至轮式行走做准备）。

2.3 腿式行走

为了更好地保证机器人步态行走时的稳定性在此采用空间对角步态行走的方式。为了将机器人行走步态更加清晰地呈现出来，首先将整个步态行走机构建立在同一个空间坐标系中，然后对其进行运动学分析；以下先分析单腿的运动学模型然后再简要分析对角双腿行走时的步态[]最后呈现整体机构的步态运动。

2.3.1 单腿运动

为了实现机器人步态行走时进行不同形式地形的越障必须得到机器人的运动学方程。以机体几何中心O为原点建立右手笛卡尔坐标系，如图4所示给出了机器人右前腿（RF）的关节结构示意图。图4中，机器人有5个自由度其中有2个转向自由度、3个行走自由度。分析其足端运动轨迹、相邻关节角度，由此确定大腿、小腿、足端和各关节运动过程在空间坐标系中的具体位置及各关节运动时的角速度和角加速度。右前腿各关节参数如表1所示。其中，表示机器人腿关节中的杆件长度a，表示腿的方向转角d表示

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