基于高架四邊形結構的越障機器人機構分析和仿真

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(中國科學技術大學精密機械與精密儀器系，安徽 合肥 230026)

0 引言

隨著機器人的發展，人們對機器人結構性能的要求越來越多元化[1-2]，為解決輪式機器人在復雜和有障礙物的環境下能夠順利通過的問題，設計一款能夠適應非結構化復雜地形的輪式機器人，成為現實中對輪式移動機器人的一種需求。一般來說，跨越有障礙物地形的機器人有主動越障[3-4]和被動越障[5-7]2種。主動越障機器人需要根據環境條件主動地調整結構來適應地形，因此需要具備良好的地形感知能力，并能夠根據地形準確地進行運動控制，這就增加了機器人設計和控制難度。而被動跨越機器人的機構能夠根據地形被動地進行自我結構調整來適應地形，不需要傳感設備和太復雜的控制系統，降低了設計難度。

在此，提出一種能夠被動跨越障礙物和自適應非結構化地形的六輪機器人。它在結構上采用了可自適應調整的四邊形結構，使其擁有良好的越障及適應復雜路面的能力。該機器人車高330 mm，具有跨越單個240 mm(相當于車輪直徑的1.5倍)障礙物和連續臺階的能力，并且在翻越障礙物時不需要外部地面條件的先驗信息，被動地適應地形。這種良好的越障性能和被動適應地形能力，可以使機器人能夠在有臺階和坑洼不平的環境中自由行走，提高了機器人對地形的適應能力。因此，這種機器人可以為未來智能機器人進入非結構化環境中工作提供一種結構參考。

1 機器人結構

機器人結構如圖1所示。

圖1 機器人結構

機器人主要由前叉、機體和尾部3個部分組成。前叉機構由1個雙曲柄四連桿機構與機體連接，在機器人越障過程中起導向的作用，前叉的彈簧懸掛使前輪與地面之間更好的接觸；機體的兩側各有1個平行四邊形結構，平行四邊形通過2個轉動副與機體連接，2個平行四邊形起到中間機體越障的功能；尾部與機體之間固定，保持機器人的穩定性。機器人由6個輪子獨立驅動。通過前后輪轉向和機器人兩側中間輪的差速，可以實現機器人轉向運動。

2 機器人機構分析

當機器人前輪遇到障礙物時,前叉雙曲柄機構會被動變形,使前輪沿著障礙物外輪廓前進。因此前叉部分在機器人越障過程中起到了引導機器人越障的作用。由于前叉機構參數不同，相應的前輪運動軌跡曲線會不同,機器人越障性能也不同。為分析前叉機構參數與機器人越障高度之間的關系，建立了如圖2所示的前叉機構幾何模型。

圖2 前叉機構幾何模型

圖1中，P(x,y)點為機器人前輪的幾何中心，連桿之間相互用轉動副連接，AB桿固定在xy坐標系上，其余桿件可以在xy坐標系內繞相應的轉動副旋轉。通過各連桿之間的幾何關系，可以得到P點在xy坐標系內運動位置：

(1)

其中

(2)

由式(1)可知，輪心P點在xy坐標系內運動軌跡點的坐標xp和yp只與角度γ有關，其中yp為輪心能越障的高度，因此只要將方程中的a，b，c，d，h和γ6個未知量進行優化,就能得到前輪的運動軌跡和越障高度。在這里，設定機器人能夠越障的高度為240 mm(輪徑的1.5倍)。根據設計需要，取a=85 mm,b=165 mm,c+h=380 mm。通過取不同的c，d和γ值來得到輪心P點的運動軌跡。雙曲柄機構通過取不同的參數值，在ADAMS仿真軟件中得到的輪心P點的運動軌跡曲線如圖3所示。

圖3 軌跡曲線仿真

由圖3可知，只有曲線6，7，8，9，10，11可以達到240 mm的設計高度，但由軌跡曲線放大圖可見，曲線7，8，9，10，11的曲線有一部分在垂直線的右邊。由這些軌跡曲線設計出來的機器人，前叉機構在跨越臺階時會要求車體往后退，而機器人實際攀爬時，其他5個車輪前行的動力大于頭部車輪后撤的動力,這樣會導致機器人被卡死。因此選擇運動軌跡曲線6，此時連桿機構對應的c=115 mm，d=180 mm，γ=25°。

在越障過程中，如果中前輪和中后輪之間距離太小，會造成中前輪和中后輪同時越障的情況，這樣會使輪子受到的力和力矩加大，并造成機體在越障過程中出現不穩定，為避免這種情況的發生，對中前輪和中后輪之間的距離進行分析。中輪越障過程中兩輪同時越障的臨界情況如圖4所示，即中前輪將要越過障礙物，中后輪已經開始越障。

圖4 中輪越障臨界情況

對平行四邊形高度h的分析，應當避免車輪與桿件發生干涉。它的臨界條件如圖5所示。由于機器人要跨越240 mm的站障礙物，因此β=arcsin(240/280)=58.99°；由于α>90°，容易造成越障時中后輪脫離地面造成騰空現象，對機器人的穩定性和越障性能有影響，因此β+γ≥90°，γ≥31.01°，而h=R/sinγ≥80/sin31.01°=155.28 mm，因此取h=160 mm。

圖5 平行四邊形高度分析

3 越障動力學仿真

在機器人結構分析完成后，得到設計后的機器人車身長度為960 mm,車身寬度為650 mm,6個輪子直徑為160 mm,設計跨越障礙物的高度為240 mm。將機器人設計結構導入到ADAMS軟件中，對其進行越障仿真。在軟件中設置機器人主體材料為鋁合金，通過設計材料后可以計算出該機器人車的總重量為20.5 kg。在ADAMS仿真中，設計了2個臺階，從左向右方向，臺階的高度依次為160 mm和240 mm，如圖6所示。

圖6 機器人越障仿真環境

機器人跨越臺階二，即高度為240 mm障礙物時的越障過程如圖7所示。

圖7 機器人越障仿真過程

圖7a表示前輪在自身與地面的摩擦力和后面幾個輪子推力作用力下，通過前叉四邊形結構的轉動從而使前輪抬起，跨越障礙物的過程；圖7b表示中前輪在力的作用下，通過平行四邊形相對于機體

圖8 越障仿真數據圖

轉動，跨越障礙物過程；圖7c表示中后輪跨越障礙物的過程；圖7d表示尾輪跨越障礙物的過程。最終機器人順利跨越障礙物。

在ADAMS軟件參數設置中，設置機器人車輪與地面接觸力的摩擦系數為0.6，設置車輪轉動角度與時間的函數為270d*time(d表示角度，*表示乘號)。對機器人進行運動仿真，得到動力學結果如圖8所示。

為了方便觀察分析，在圖8中加入了8條垂直于時間軸的直線，這8條垂直線的時間點分別代表機器人前輪、中前輪、中后輪、尾輪與2個臺階接觸時刻。

由圖8可知，在t為1.7 s，2.7 s，3.6 s，4.5 s時刻，機器人的前輪、中前輪、中后輪、尾輪與分別臺階一接觸。由于此時輪心速度沿水平方向變成沿垂直方向，所以輪心速度會下降；由于車輪與臺階接觸時，兩者會產生擠壓，因此車輪受到X軸方向的力，X軸方向的力為越障車輪提供摩擦力，同時產生Y軸方向的力，Y軸方向力使車輪能夠抬起并越障；各輪在跨越障礙物過程中會產生相應的與地面的接觸力轉矩。因此每次接觸都會出現一個相應的運動學參數變化區間; 在t為7.06 s，8.23 s，9.23 s，10.20 s時，機器人各輪分別與臺階二接觸，同樣也出現相應的變化區間。

通過仿真可知，經過結構分析后的機器人具有良好的越障性能，能夠滿足順利跨越設計高度的要求。并從仿真結果中可以得到機器人在越障過程的動力學參數數據，通過對動力學數據分析可以進一步指導機器人結構的優化。

4 越障性能驗證實驗

在進行了理論分析和仿真實驗后，按照上述結構設計并制作了一款機器人，其實物如圖9所示。

圖9 機器人實物

對機器人進行實驗，實驗設置了2種地形環境，分別為單個障礙物和連續臺階，如圖10和圖11所示。圖10是機器人前輪、中前輪、中后輪、尾輪依次翻越高度為240 mm障礙物的過程；圖11是機器人翻越連續臺階的過程，臺階參數為150 mm×280 mm×8(高×寬×臺階數)，可以看出機器人可輕松通過連續臺階。

圖10 機器人跨越單個障礙物實驗

圖11 機器人跨越連續臺階實驗

同時，對機器人在坑洼不平的沙土地及草地等非機構化路面上進行實驗，也獲得了較好的實驗效果。

5 結束語

通過設置機器人的越障高度，對機器人前叉四邊形、機體平行四邊形及尾輪等結構進行分析，得出相應的結構尺寸。將經過分析后的機器人結構在ADAMS軟件中進行越障實驗，驗證了經過分析后的機器人結構能夠達到相應的越障高度要求，并且得出的仿真數據對機器人結構做進一步的優化具有指導意義。最后，通過實驗，驗證了設計的六輪被動越障機器人，具有良好的跨越單個障礙物及連續臺階等非結構化地形的被動自適應能力。