可爬腿轮混合机器人

杨轩轩 郭星宇 金章勇 王瀚琦

摘  要：越障机器人是机器人领域的一个重要分支，主要凭借传感器等设备在非结构化环境里进行自主决策及动作执行，多运用于地形检测，灾害搜救等方面。本文将对越障机器人背景进行简单介绍，并将对其组成原理和市场应用进行进行分析

关键词：越障机器人;腿轮混合;组成原理和市场应用

1越障机器人的背景

首先是项目背景，众所周知，越障机器人是机器人领域的一个重要分支，主要凭借传感器等设备在非结构化环境里进行自主决策及动作执行，多运用于地形检测，灾害搜救等方面。

现在主流地面机器人侦察系统主要可分轮式、履带式和特殊行走机构三类平台，其中轮式结构由于其结构成熟、控制简便、行进速度和传动效率高等优点，为地面机器人最常采用的形式。然轮式机器人在安防巡逻和军事侦察等领域已经崭露头角，是执行外星球探测任务的种种着陆器的主要类型。轮式结构 主要应用于从微型到大型的多种规格的机器人，又可分为两轮、三轮、四轮和多轮等结构，履带式结构有很好的越障和在复杂恶劣地面上保持机动性的能力，且具备良好的承载能力，因而成为军用地面机器人常采用的形式之一，多用于排爆、巡逻和辅助作战等重要方面。履带式结构多见于中小型机器人，有单节、双节、多节和多种特殊结构。，此外，地面机器人还有腿式、轮腿式等特殊结构。腿式机器人对各种地形的适应性比较强，稳定性较高，然而机械结构设计和控制系统算法都相当复杂，且仿生腿机器人的机动性较自然界的节肢动物有较大差距。但因其 具有独特的结构优势，腿式机器人仍然是未来机器人的一个重要研究方向，轮腿式机器人多为轮式机器人的变型，在机械结构变化不太大的情况下显著提高了其越障能力，但机器人稳定性比较差，且控制相对与普通轮式机器人更复杂。

目前多数越障机器人均为单一的轮式，履带式，或足式，而这三种形式分别存在越障能力弱，能量利用率低，负重比差等不足。混合式结构虽有研发但大多由于能耗较大，成本过高，控制复杂等从而难以普及。

轮式/四足可变形智能侦察机器人是一款能在较复杂地形环境下行走运动的侦察机器人，它是在轮式运动的车体上增加四足行走机构，通过车体变形达到行走模式转变的目的，该机器人将轮式行走和四足行走兩种运动形式相结合，前者适于平坦地面的轮式快速移动，后者适于较复杂地面（如废墟）上的四足行走。同时可通过自行设计的手持遥控器对机器人移动及摄像头云台进行控制，将获得的传感器数据及视频实时传至手持遥控器及上位计算机平台。

为解决这些问题，我们特研发了这款轮腿混合式越障机器人。

2组成原理原理

该作品仅由一个电机带动，采取轮腿混合模式的同时使用普通圆形轮加越障用扇形轮的结构，除此之外机构创新，多种运动模式可以自由切换并在后期可以两栖使用。

通过相对较长的腿设计使得我们产品横纵向自由度均较高，同时主体结构设计精巧，较小的体型使得产品在狭窄的环境里也能运动自如。

采取普通圆形轮加越障用扇形轮的设计，较好的中和了单一模式的不足，并能依据环境选择不同的轮子行进，有效提高机器人性能。

特殊的轮腿设计使得机器人运动模式多样，除能够轻松越过障碍外还能在相对狭窄的墙体缝隙中上下攀爬。

创新性的将扇形轮和普通轮相结合，同时保障机器人的越障能力和行驶的稳定性。并且机构创新，仅由一个电机带动机器运行，相对已有越障机器人较大程度上降低了产品能耗，有效的节约成本。至于作品操作也极为简便。

除此还有运动模式多，体型精巧，可搭载多种传感器等优势。

主体的涡轮设计使机器人能够自主决定落地轮，如图所示，机器人即便摔倒也能迅速爬起，并能根据地形选择合适的轮着地。

3市场应用

创新性的将扇形轮和普通轮相结合，同时保障机器人的越障能力和行驶的稳定性。并且机构创新，仅由一个电机带动机器运行，相对已有越障机器人较大程度上降低了产品能耗，有效的节约成本。至于作品操作也极为简便。

除此还有运动模式多，体型精巧，可搭载多种传感器等优势。

因此，我们的作品在民用，科学，军事等多个领域相对已有的越障机器人能够提供更多元的服务，同时较低的成本也使得作品性价比较高，能更好的满足用户需求，市场前景十分乐观。

而在作品的后续研发中，我们将通过硬件升级，技术改进，增强其适用性，安全性和自动化程度，增设感知系统、模式识别等智能板块，促使作品更加智能化，并将研发更多型号的越障机器人，扩大作品应用领域，促进机器人技术发展，使越障机器人创造更多价值。

参考文献

[1]  唐新星，范大川，韩方元，崔玉定.基于双6-UPU并联机构的步行机器人步行越障步态仿真与试验（英文）[J].农业工程学报，2019，35（08）：83-91

[2]  魏军英，杨世强，王吉岱，张彦囡，王鹏.八轮式爬楼越障机器人设计与仿真分析[J/OL].机械科学与技术：1-6[2019-07-11].

[3]  李琳，李超宇，杨冰冰.基于行星轮机构履带式煤矿侦察机器人越障性能分析[J].煤炭技术，2018，37（11）：289-292

作者简介：杨轩轩（1997-），男，汉族，郑州大学机械工程学院2016级学生。