一种可变形机器人的避障分析

杨晓帅，熊开封，庞 杰，赵 胡

（1.西南科技大学 制造科学与工程学院，绵阳 621010；2.西南科技大学 工程技术中心，绵阳 621010；3.西南科技大学 信息工程学院，绵阳 621010）

一种可变形机器人的避障分析

杨晓帅1，熊开封2，庞 杰3，赵 胡1

（1.西南科技大学 制造科学与工程学院，绵阳 621010；2.西南科技大学 工程技术中心，绵阳 621010；3.西南科技大学 信息工程学院，绵阳 621010）

为提高未知复杂环境下移动机器人的自主避障能力，提出了一种将齿轮传动和超声波模块相结合的四连杆式变形避障机器人。该机器人通过舵机传动、连杆180°极限变形来改变自身形态以快速适应障碍的分布并躲避障碍。利用ADAMS软件及室内搭建实物环境，对直线和弯道两种避障环境进行了仿真与实操，尤其宽度窄于机器人本体的特殊障碍环境，验证了避障算法及机器人结构设计方案的有效性。

变形机器人；四连杆；ADAMS仿真；避障

0 引言

自主避障是衡量智能移动机器人智能化程度的重要指标[1]，需要机器人本体、感知单元、智能算法等多方面综合协调，在机器人应用技术日益满足各种实际需求的过程中，自主避障机器人得到国内外学者的广泛关注[2]。现有三轮和四轮全向驱动，移动灵活，但机器人本身形状大小无法改变，对于静、动态障碍并存的未知复杂环境下的避障能力较差，特别是对于比机器人本体要小的一些窄缝等类似障碍无法通过。因此研究一种能够改变自身形状的机器人来克服这种不足，增加移动机器人在未知环境下的安全、可靠、灵活、快捷作业的能力，是很有必要的。本文着重设计了一种以连杆机构为本体的可变形避障机器人。

1 机器人建模

本文设计的机器人可以持续稳定地运行，具有灵活的换向和后退功能，可以在一定范围改变自身形态，自适应障碍分布的变化。

使用连杆设计了一种四连杆变形避障机器人，连杆机构原动件的运动规律不变，可用改变构件的相对长度的方法，使得从动件得到不同的运动规律，实现一定的输入输出函数。且依靠运动副的集合封闭来保障构件之间的接触，结构简单、工作可靠，该机器人实体如图1所示。采用4台标准舵机，分别放置在4个连杆的连接处。控制连杆的变形。考虑到空间的限制，传动稳定性，和方向的转换，使用齿轮传动，并选用全向轮。

该机构包括四个双头齿轮连杆、十二个嵌入在连杆内和连接件内的超声波传感器、8个正齿轮、一个舵机、一个舵机连接件、四个齿轮连杆连接件及三个全向轮；齿轮连杆连接件两端分别与双头齿轮连杆一端活动连接；齿轮连杆连接件前端嵌入有一个超声波传感器、齿轮连杆连接件底部还与全向轮连接；双头齿轮连杆两端分别与一个正齿轮上表面固定连接；正齿轮两两以1:1的传动比配合连接；每个双头齿轮连杆侧面嵌入两个超声波传感器、四个双头齿轮连杆共嵌入8个超声波传感器；所有双头齿轮连杆和齿轮连杆连接件首尾连接组成平行四边形结构。舵机通过舵机连接件与齿轮连杆连接件固定连接同时控制其中一个正齿轮的转动。

图1 机器人实体

2 机器人机构分析

如图2所示，该机器人的机构具有以下特性：

图2 机器人避障机构图

1）机构特性。该机构由四连杆机构变化而来，连杆尺寸相等，即L1和L2的长度相等，且相对中心对称分布，其铰链机构由两个传动比1:1的圆柱直齿轮代替。齿轮传动效率高，由于其传动比准确，所以便于精确控制，传动平稳，负载大，适合此处使用。

2）运动特性。四连杆机构通过舵机带动齿轮转动，使得L1和L3杆的夹角，即α角变化，机构沿X方向左右移动和沿y轴上下移动。

在图2所示的避障机构中，连杆1和连杆2均为摇杆机构，其转动角度在在 0°～180°范围内，将构件2固定为机架，以摇杆3相对于Y轴转角为0°时作为初始状态，随着摇杆3的顺时针转动，齿轮机构1向Y正方向移动，至摇杆3摆到180°，机构达到极限位置，然后摇杆3逆时针旋转接近180°回到初始状态，该机构可以完成一个周期内的运动，可以支持机器人完成在避障过程中的所需动作。

3 机器人避障分析

3.1 直线避障

机器人运行进入障碍间隙时，利用超声波传感器反馈的信息，会经程序算法处理后驱动全向轮改变机器人移动速度和方向，驱动舵机旋转经齿轮传动改变α角大小。使得小车宽度L2调整到障碍间隙L3之内，确保机器人顺利通过。

由式(1)得，当α=0°时，L2=0。而实际上由于结构，此时L3的宽度为机器人连杆宽度。当其通过第一个障碍间隙时，如果第二个障碍间隙小于第一个的，机器人根据其输入的算法通过变换α角度使得连杆变形到适当位置然后通过此障碍，反之，为了提高速度，同样也会通过α的变化来调节其到合适的位置进行避障。

图3 机器人避障坐标系

3.2 弯道避障

在非结构地形环境的转向过程中，可用避障空间来表示障碍物信息。避障空间即为机器人在转向过程中所占用的空间范围。可以利用半圆周典型轨道进行分析，如图4所示。在进入等径弯道时，利用超声波避障算法调整α角度，通过四连杆机构带动机器人主体进行变形，调整到合适位位置后进行差速壁障。

图4 机器人弯道避障

当在y方向上机器人总体长度为2L1，即在y方向上极限大时，只需要保证D=2L1即可转弯。

当α角度为0时即X方向上极限大时（2L1）如图6所示，可得：

R1已知长度，由式(3)可知，通过求机器人在α=0角度时的极限不能通过位置（如图5所示）弯道D大于Dmin式(4)机器人可以通过。

图5 机器人弯道避障

4 ADAMS仿真

在对机器人的结构进行设计、分析得到各机构部件后，利用Creo三维制图软件对其进行装配。为了减少分析计算量，需对整个装配体进行必要的简化，去掉对分析影响较小的零部件。将简化后的装配体导入到ADAMS中，并通过定义各运动副的运动形式和驱动方式、方向等一系列。操作来实现整个机械结构的运动学仿真。通过仿真分析可提取到各部件的角位移、角速度及整个部件的质心移动等必要的时间曲线图，对这些数据倒数并加以分析可得出以下结论：如图6所示，机器人的齿轮传动和连杆速度基本一致。从极限伸缩最小点到最大点质心可以沿直线运动，有小幅波动。综上，最终得到机构的运动轨迹。

可以看出避障机器人的运动轨迹可以控制到直线位置，可以达到避障要求，因此，该机构是合理和可行的。

图6 机器人避障机构ADAMS仿真图

5 实物演示

如图7所示，针对直线、弯道两种环境，机器人在进入障碍前、障碍环境包围中、离开环境后三阶段，根据实际环境采用本文所提出的避障策略，顺利完成避障。

图7 机器人直线避障实物图

6 结束语

本文设计了一款四连杆式全自动可变形避障机器人，通过避障分析，得出其障碍间隙和可通过弯道的极限条件；对机器人整体结构进行运动学仿真，得出了机器人运动轨迹；对连杆避障机器人机构的研究有一定的参考价值。齿轮传动和舵机的结合使得控制简单，易操作。后期可以通过加入摄像头和雷达测距来优化智能机器人的避障和路径规划。

[1] 祝小梅,等.多足仿生步行机器人的机构设计与功能分析[J].机械设计与制造,2013,(9):35-38.

[2] 熊开封,等.基于改进型FNN的移动机器人未知环境路径规划[J].制造业自动化,1009-0134.2013.11.

[3] 庄皓岚,等.多节履带式机器人系统组成和越障性能研究[J].测控技术,2013,32(8):59-62,66.

【】【】

[4] 李春林,等.管径自适应轮式管道机器人设计[J].石油矿场机械,2010,39(6):39-42.

[5] Jing Li,Shimin Wei,Lei Guo,Xin Feng.Adaptive fuzzy control of a front-wheel drive bicycle robot[J].IEEE,2016,9.

[6] 肖晓萍,等.一自由度腿式行走机构的研究与设计[J].机械设计与制造,2012,(6):47-49.

[7] 康俊峰,等.卡管式插接管焊接机器人的结构设计与分析[J].制造业自动化,2016,(01):59-61

[8] 李特,等.螺旋驱动管内机器人自适应运动机理与机构设计[J].机械工程学报,2016,(09):9-17.

[9] Ming Ming Bian，Jin Lan Zhang,Binzhou Polytechnic.Mobile Robot Path Tracking Based on Fuzzy Control[J].Applied Mechanics and Materials,2015:736-739.

Obstacle avoidance analysis of a deformable robot

YANG Xiao-shuai1, XIONG Kai-feng2, PANG Jie3, ZHAO Hu1

TP203

：A

1009-0134(2017)07-0061-03

2017-03-18

西南科技大学大学生创新创业训练计划项目（教育部 201510619018）

杨晓帅（1995 -），男，山西晋中人，本科生，研究方向为机械设计制造。