具有自适应性仿生腿及行走方式可切换式汽车

王棋 刘群

摘要： 高性能移动机器人主要用于灾难搜救、星球探测、军事侦察、矿山开采等非结构化环境中，其移动系统可分为轮式、腿式、履带式以及轮腿结合式四类。其中，轮腿式机器人不仅具备腿式机器人的高越障性能和对复杂地形的高适应性能，还兼备轮式机器人在平整地面上滚动的高速高效性能。具有自适应性仿生腿及行走方式可切换式汽车综合了轮式系统和腿式系统的优势，具备多种运动姿态，包括滚动、攀爬楼梯等，具有运行平稳、带负载能力强以及越障性能好的优点。可作为移动机器人平台搭载相关设备完成星球探测、军事侦察、扫雷排险等多种工作。

关键词：仿生退；自适应；自切换

中图分类号： U469.6文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

Abstract： Autonomous robots have many potential applications like farming， exploration，investigation and waste lean-up， based on their well-designed locomotion system.wheel-legged rover is a typical hybrid mobility system， inherits both advantages of wheeled and walking systems， i.e. the high-speed and efficient rolling performance for the first one； and the obstacle clearance performance as well as high adaptability to rough terrains for the second.The self - adaptive bionic legs and the way of walking self-switchable vehicle have many potential applications， including geological investigation，space exploration， military reconnaissance， defense， demining， etc.

Key words： bionic legs；self - adaptive；self-switchable

0.引言

高性能移动机器人主要用于灾难搜救、星球探测、军事侦察、矿山开采等非结构化环境中，其移动系统可分为轮式、腿式、履带式以及轮结合式四类。其中，轮腿式机器人不仅具备腿式机器人的高越障性能和对复杂地形的高适应性能，还兼备轮式机器人在平整地面上滚动的高速高效性能，因而引起了众多研究者的兴趣。智能移动机器人所行驶的路面工况恶劣，需具备灵活避障、越障和自动复位能力。虽然导航和控制技术可使机器人的避障能力得以加强，但其机动性和越障性的关键仍取决于自身的移动系统，如：行走机构、传动系统以及驱动系统等，因此有必要对机器人的移动机构和运动特性做进一步探索和研究。

1.存在的问题

（1）现实生活中，轮式车辆面临过无数无可奈何的尴尬境地：由于塌方、泥石流、暴雪等出现道路因一些小石块路障、路面泥泞或积雪使车轮受阻或打滑而不能前行等情况时，传统轮式汽车在遇到此状况时变得束手无策，只能等待救援。

（2）履带式工程车辆有较好的越障能力，但在转场过程中会破坏好路面，不得不用大型平板车装运，费力费时，机动性不好；而轮式工程车，如轮式起重机、轮式装载机、轮式水泥泵车、矿用汽车等不会破坏路面，但在施工现场事先未作平整时，因车轮所受阻力大，越障能力差，难于接近施工面。

2.建议

如果在车辆上面安装一套行走机构，利用Hoecken机构，根据仿生学原理发明设计出一套“腿”机构，与车辆原有的轮式行进方式进行了有机结合，共用一套动力驱动装置，来驱动六条腿的前行运动，每条腿又设置一个电机驱动的伸缩机构调节长度，以适应高低不同的路面。当车遇到凹凸不平的路面或者障碍物时，能够由轮式驱动切换为腿式驱动并将其“腿”伸出来抬高车辆，根据仿生学中昆虫的行走原理，向前跨越障碍，从而实现其越障功能。

（1）将Hoecken机构与仿生学结合设计出六腿爬行机构，同时仅使用一个电机驱动六条“腿”的爬行运动，即以简单的机构实现了较为复杂的运动，而且还降低了腿机构在采用两个以上动力源驱动时，各动力驱动协调控制的难度，因此，简化了控制，还获得了各腿之间良好的运动协调性。

（2）使腿机构与传统的车轮进行有机结合，使车辆的驱动方式在平坦路面与凹凸路面之间自由切换。当行进至不平路面，靠车轮驱动无法通过时，通过传感器信号采集和微控制器的分析判断、控制，仿生腿腿机构自动伸出，车辆便会在仿生腿的驱动下前进，以通过车轮无法行进的路段。

（3）在崎岖路面，通过“腿”的不同长度伸缩，使整车可以保持水平行进状态，对路面具有自适应性，能够应对复杂的路面。

3.总结

通过对国内外研究现状分析，人们在步行车辆方面主要研究的是半步轮、蠕动行进方式、推拉行进方式、轮腿式等仿生步行行进方式。在已研究的腿机构中，腿具有多自由度，这不仅需要多个动力源而且控制起来也比较复杂。针对以上存在的一些不足，本次设计准备设计具有一个自由度的腿机构且根据腿机构的运动特性而使用一个动力源驱动多条腿行进，并在腿上设计一个伸缩机构以使车辆在步行时能自动适应凹凸不平路面以尽可能保持车身处于水平状态，从而实现少自由度少动力源且能对凹凸不平路面进行自调平的功能；同时还只采用了一个动力源通过动力切换机构来驱动车轮或腿机构，从而使车辆既具有轮式行进方式的速度优势又具有腿式行进方式的越障能力强的特点。

参考文献（References）：

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