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[摘 要]轮腿式机器人是一种兼具轮式和腿式机器人特性的復合式移动机器人，通过模拟足型昆虫腿结构能适应复杂地形的串并混联式轮腿结构，并由此设计具有各向同性的六足轮腿式移动机器人。通过对机器人的轴间跨距和轮腿刚度进行调节，使得设备的最大跨越沟渠宽度与最大攀越阶梯障碍高度均可以变化，在满足爬行使用要求的前提下可以获取机器人适应环境的最佳运动参数，极大地提高机器人在爬行中的容错率。
[关键词]机器人 轮腿式 越障能力
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）23-0083-01
1.引言
移动机器人作为机器人学中的一个重要分支，在侦查、巡视、探测等领域有着广阔的应用前景。对于移动机器人来说，其工作环境可能是城区或者建筑物等结构化环境或者是复杂、未知、多变的自然环境，对用于外太空探测的移动机器人更是如此。越障、跨沟等应对非结构化的复杂地形的能力是该类机器人的重要性能指标。与双足、四足机器人相比较，六足和八足机器人具有独特的非连续支撑行走方式，即在某条腿失稳情况下机器人仍具有良好的运动稳定性，同时具有不同的步态以应对不同的地形环境；与八足机器人相比，六足具有相对简单的机械结构，同时也使得控制算法生成较方便可以预见，这些优点将使六足机器人成为在复杂环境下机器人作业的最佳选择。同时，采用六足在需要时可将其中的两足转化成操作臂，进行手臂操作。因此，对六足机器人结构的研究具有深远的理论价值和工程应用意义。
2.机器人本体机构设计
2.1 机器人车体设计
机器人由躯干前部、躯干中部和躯干后部三部分组成，并且三部分之间的间距可调节。所述的躯干前部包括前轮腿组件、前躯干本体及设在两侧的第一电机，其中第一电机和前轮腿组件相连接；所述的躯干中部包括中轮腿组件、第二支架、固定于第二支架上的中躯干本体及分设在中躯干本体两侧的第二电机且设有对称四个电池组，其中第二电机和中轮腿组件相连接；所述的躯干后部包括后轮腿组件、第三支架、固定于第三支架的后躯干本体及后躯干本体两侧的第三电机，其中第三电机和后轮腿组件相连接。所述的第一支架、第二支架和第三支架分别包括底板及垂直于底板的前板、后板和两个侧板。所述的躯干前部、躯干中部和躯干后部之间通过调整轴和导向轴相连接。调整轴呈水平方向与中躯干本体固定设置，两端分别设有旋向相反的螺纹，伸入前、后躯干本体内与其内部安装有螺纹旋向相同的六角螺母相配合。导向轴与调整轴相平行且沿调整轴对称设置两根，用于三部分躯干主体的配合连接（图1）。
2.2 机器人六足轮腿设计
机器人的六足轮腿包括前轮腿组件、中轮腿组件和后轮腿组件。现以前轮腿组件进行腿部结构的详细介绍。前轮腿组件包括与第一电机输出轴相固定的轮腿固定架、弧状的轮腿、固定于轮腿固定架内的齿轮、贴附于轮腿外表面且与齿轮相啮合的齿轮条，所述轮腿与齿轮条的一端位于轮腿固定架内，轮腿与齿轮条的另一端通过导向套相连，轮腿位于轮腿固定架外部的一端与地面相接触，所述的轮腿与导向套之间构成互动配合。轮腿外弧面与齿轮之间设有弹性粒，轮腿的外弧面在于地面相接触的端部设有防滑垫。
对机器人腿的自由度进行分析，以前轮腿组件为例，该腿部机构中，活动构件数为3，运动副中低副的个数为2，高副的个数为1，因此该机构的自度为（图2）：
3.机器人电子控制系统设计
为了能够让机器人有运动的能量，需要在机器人本体上布置电池功能模块；为了控制各个电机按照指定指令运动，需要布置电机控制器模块；为了对机器人进行远程控制、与外部环境进行交互，需要在机器人上增添一些外围交互设备。
机器人电子系统整体如图3所示，驱动电机布置在各个驱动关节处，通过线缆与电机控制器相连；其他电子设备均集中安放在机器人本体处。机器人本体分为上中下3层，分别为外围设备、控制器和电池。
2.2 控制及交互设计
对电机控制、外围设备等各部分进行详细地设计说明。
电机控制模块：电机安装在各个驱动关节处。机器人运动有自主和远程控制两种运动模式，自主运动模式是不需要外界实时给机器人运动指令，机器人可以自行运动；远程控制是通过远程控制软件实时给机器人发送运动指令。语音与图像交互模块：麦克风与摄像头安装在机器人语音和图像的交流本体最上层，通过麦克风、摄像头可进行语音和图像的交流。灾害发生需要救援被困人员时，可以让机器人进入一些人无法进入的狭小空间。
手势识别及地图重建模块：增添现有的一些3D体感摄像机，通过摄像机捕捉并分析得到人手的手势动作，将捕捉到的手势与之前程序中预设的进行比对，再让机器人进行相应的操作。无线模块：在机器人本体最上层安装天线，通过此天线实现机器人各种外围设备、电机控制器与远程控制软件之间的通信；远程控制可以通过电脑控制程序实现。
4.结语
本文运用仿生学的知识，通过模拟足形昆虫腿式结构，并且结合轮式机器人的特点，设计了一种多功能轮腿式六足机器人。该机器人可采用轮腿式行走方式通过安装3D体感摄像机等外围设备，实现与外部的语音图像交互以及手势操控、地图重建等功能。通过步态控制策划的规划，能够满足复杂环境下越障行走的要求，包括平地、爬坡以及阶梯障碍等。根据不同的环境参数，机器人的轴间跨距和轮腿刚度均可以进行调整，因此，设备最大跨越沟渠宽度与最大攀越阶梯障碍高度均可以变化，在满足爬行使用的要求下，可以获得机器人适应环境的最佳运动参数。所设计的机器人结构新颖、功能丰富，具有很强的实用价值。
参考文献
[1] 李沛轩.多功能六足轮腿式机器人设计[J].中国新技术新产品，2017（04）：121-122.
[2] 马泽润，郭为忠，高峰.一种新型轮腿式移动机器人的越障能力分析[J].机械设计与研究，2015，31（04）：6-10+15.
[3] 翟跃.轮腿式六足机器人步态规划及姿态融合算法研究[D].哈尔滨工业大学，2017.
[4] 宋新海.新型轮腿式机器人的设计与仿真[D].燕山大学，2013.
[5] 王浩.轮腿式六足侦查机器人设计与分析[D].南京理工大学，2017.
[6] 王浩，赫雷，曹雏清，周克栋.六足机器人轮腿结构设计与仿真分析[J].兵工自动化，2017，36（05）：81-84.
[7] 谭兴军.偏心轮腿六足机器人设计与分析[D].西南大学，2011.
[关键词]机器人 轮腿式 越障能力
中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）23-0083-01
1.引言
移动机器人作为机器人学中的一个重要分支，在侦查、巡视、探测等领域有着广阔的应用前景。对于移动机器人来说，其工作环境可能是城区或者建筑物等结构化环境或者是复杂、未知、多变的自然环境，对用于外太空探测的移动机器人更是如此。越障、跨沟等应对非结构化的复杂地形的能力是该类机器人的重要性能指标。与双足、四足机器人相比较，六足和八足机器人具有独特的非连续支撑行走方式，即在某条腿失稳情况下机器人仍具有良好的运动稳定性，同时具有不同的步态以应对不同的地形环境；与八足机器人相比，六足具有相对简单的机械结构，同时也使得控制算法生成较方便可以预见，这些优点将使六足机器人成为在复杂环境下机器人作业的最佳选择。同时，采用六足在需要时可将其中的两足转化成操作臂，进行手臂操作。因此，对六足机器人结构的研究具有深远的理论价值和工程应用意义。
2.机器人本体机构设计
2.1 机器人车体设计
机器人由躯干前部、躯干中部和躯干后部三部分组成，并且三部分之间的间距可调节。所述的躯干前部包括前轮腿组件、前躯干本体及设在两侧的第一电机，其中第一电机和前轮腿组件相连接；所述的躯干中部包括中轮腿组件、第二支架、固定于第二支架上的中躯干本体及分设在中躯干本体两侧的第二电机且设有对称四个电池组，其中第二电机和中轮腿组件相连接；所述的躯干后部包括后轮腿组件、第三支架、固定于第三支架的后躯干本体及后躯干本体两侧的第三电机，其中第三电机和后轮腿组件相连接。所述的第一支架、第二支架和第三支架分别包括底板及垂直于底板的前板、后板和两个侧板。所述的躯干前部、躯干中部和躯干后部之间通过调整轴和导向轴相连接。调整轴呈水平方向与中躯干本体固定设置，两端分别设有旋向相反的螺纹，伸入前、后躯干本体内与其内部安装有螺纹旋向相同的六角螺母相配合。导向轴与调整轴相平行且沿调整轴对称设置两根，用于三部分躯干主体的配合连接（图1）。
2.2 机器人六足轮腿设计
机器人的六足轮腿包括前轮腿组件、中轮腿组件和后轮腿组件。现以前轮腿组件进行腿部结构的详细介绍。前轮腿组件包括与第一电机输出轴相固定的轮腿固定架、弧状的轮腿、固定于轮腿固定架内的齿轮、贴附于轮腿外表面且与齿轮相啮合的齿轮条，所述轮腿与齿轮条的一端位于轮腿固定架内，轮腿与齿轮条的另一端通过导向套相连，轮腿位于轮腿固定架外部的一端与地面相接触，所述的轮腿与导向套之间构成互动配合。轮腿外弧面与齿轮之间设有弹性粒，轮腿的外弧面在于地面相接触的端部设有防滑垫。
对机器人腿的自由度进行分析，以前轮腿组件为例，该腿部机构中，活动构件数为3，运动副中低副的个数为2，高副的个数为1，因此该机构的自度为（图2）：
3.机器人电子控制系统设计
为了能够让机器人有运动的能量，需要在机器人本体上布置电池功能模块；为了控制各个电机按照指定指令运动，需要布置电机控制器模块；为了对机器人进行远程控制、与外部环境进行交互，需要在机器人上增添一些外围交互设备。
机器人电子系统整体如图3所示，驱动电机布置在各个驱动关节处，通过线缆与电机控制器相连；其他电子设备均集中安放在机器人本体处。机器人本体分为上中下3层，分别为外围设备、控制器和电池。
2.2 控制及交互设计
对电机控制、外围设备等各部分进行详细地设计说明。
电机控制模块：电机安装在各个驱动关节处。机器人运动有自主和远程控制两种运动模式，自主运动模式是不需要外界实时给机器人运动指令，机器人可以自行运动；远程控制是通过远程控制软件实时给机器人发送运动指令。语音与图像交互模块：麦克风与摄像头安装在机器人语音和图像的交流本体最上层，通过麦克风、摄像头可进行语音和图像的交流。灾害发生需要救援被困人员时，可以让机器人进入一些人无法进入的狭小空间。
手势识别及地图重建模块：增添现有的一些3D体感摄像机，通过摄像机捕捉并分析得到人手的手势动作，将捕捉到的手势与之前程序中预设的进行比对，再让机器人进行相应的操作。无线模块：在机器人本体最上层安装天线，通过此天线实现机器人各种外围设备、电机控制器与远程控制软件之间的通信；远程控制可以通过电脑控制程序实现。
4.结语
本文运用仿生学的知识，通过模拟足形昆虫腿式结构，并且结合轮式机器人的特点，设计了一种多功能轮腿式六足机器人。该机器人可采用轮腿式行走方式通过安装3D体感摄像机等外围设备，实现与外部的语音图像交互以及手势操控、地图重建等功能。通过步态控制策划的规划，能够满足复杂环境下越障行走的要求，包括平地、爬坡以及阶梯障碍等。根据不同的环境参数，机器人的轴间跨距和轮腿刚度均可以进行调整，因此，设备最大跨越沟渠宽度与最大攀越阶梯障碍高度均可以变化，在满足爬行使用的要求下，可以获得机器人适应环境的最佳运动参数。所设计的机器人结构新颖、功能丰富，具有很强的实用价值。
参考文献
[1] 李沛轩.多功能六足轮腿式机器人设计[J].中国新技术新产品，2017（04）：121-122.
[2] 马泽润，郭为忠，高峰.一种新型轮腿式移动机器人的越障能力分析[J].机械设计与研究，2015，31（04）：6-10+15.
[3] 翟跃.轮腿式六足机器人步态规划及姿态融合算法研究[D].哈尔滨工业大学，2017.
[4] 宋新海.新型轮腿式机器人的设计与仿真[D].燕山大学，2013.
[5] 王浩.轮腿式六足侦查机器人设计与分析[D].南京理工大学，2017.
[6] 王浩，赫雷，曹雏清，周克栋.六足机器人轮腿结构设计与仿真分析[J].兵工自动化，2017，36（05）：81-84.
[7] 谭兴军.偏心轮腿六足机器人设计与分析[D].西南大学，2011.