一種小型陸空兩棲機器人的選型分析與結構設計

羅慶生，陳胤霏2，劉星棟，朱 琛

(1.北京理工大學 機電學院，北京 100081; 2.廣東省潮陽實驗學校，廣東 汕頭 515100)

0 引言

為了適應災害救援、資源勘探、野外偵查等復雜作業、復雜場景、復雜地形產生的特殊需求，可發展對外部環境有很強適應能力的陸空兩棲機器人[1-2]。但這種新型的陸空兩棲機器人要兼具地面運動能力和空中運動能力，其功能是地面機器人和飛行機器人的有機結合。常用的地面機器人有輪式、履帶式、足式或復合式。足式機器人相對于輪式和履帶式機器人來說，對于復雜的非結構化環境適應能力更強。在足式機器人中，四足機器人是最有應用前途的。飛行機器人常用的形式有固定翼、多旋翼、撲翼、直升機等形式，多旋翼相對于其他的形式有可控性強、機動性好等優勢，是一種成本低，效率高的方案。因此文章所提出的陸空兩棲機器人其構型方案是四足機器人和四旋翼飛行器的有機組合[3]。

1 小型陸空兩棲機器人構型設計

文章擬研制一款適應于災害救援、資源勘探和野外偵查的小型陸空兩棲機器人。該機器人能在陸、空兩棲條件下可靠運動，有一定的非結構地形適應能力；能實現陸地低角度偵查和空中高角度偵查；續航時間不小于30 min。為了更好的自主執行偵查任務，該機器人還應具備路徑規劃、目標識別和自主跟蹤、自主返航和自主著陸等功能。

陸空兩棲機器人常見的構型方式有一體式和組合式。一體式構型的案例如文獻[1]和文獻[2]所示，就是在現有飛行器的構型基礎上，增加地面機器人的相關機構和運動功能。常見的地面機器人其運動形式有主動式和被動式，主動式即機器人本身帶地面運動的驅動構件，如帶有驅動的腿式構件或帶有驅動的輪和履帶等。被動式是指機器人實現地面運動的構件是在外力驅動下的，如文獻[1]所示的籠式陸空兩棲機器人就是在旋翼飛行器的推力作用下向前滾動的。

文章擬定的構型方案是將四旋翼飛行器和四足步行機器人的主體功能進行結合，使其兼具四旋翼飛行器的靈活性和四足機器人的地形適應性。空中飛行模式采用四旋翼飛行器完成，地面機動模式則采用四足步行機器人完成。考慮到四足機器人行走速度較慢，也可以采用輪腿復合式的運動機構。至于如何將四旋翼飛行器和四足步行機器人的運動功能有機結合起來是文章研究的重點。經過深思熟慮，將X型四旋翼飛行器的四條機臂沿機身的圓周均布，將四足步行機器人的四條腿也對稱安置在機身的兩邊，出于機器人的結構應當盡量輕量化的考慮，可以將四旋翼飛行器的驅動電機固定在四足機器人的腿上。通過腿部自由度的運動，實現地面運動狀態和空中飛行狀態的切換。這個方案為一體式設計方案。另外一種方案是將四足步行機器人和四旋翼飛行器組合在一起，稱為組合式設計方案。在該方案中，四足步行機器人作為地面基站使用，四旋翼飛行器可以自由的在四足步行機器人機體上起落，于是地面機器人和飛行機器人可以實現協同工作，以完成在不同環境、不同視角的偵查任務。

結合對現有任務的分析，初定該機器人的相關設計指標如表1所示。

表1 設計指標一覽表

以上提出的兩種方案各有其優缺點，文章將從方案的可行性、可維護性和成本控制等角度綜合討論這兩種構型方案。

2 一體式機器人總體構型設計

一體式構型方案設計主要涉及到四足步行機器人的腿機構自由度設計、運動工作空間設計和四旋翼飛行器動力元件布置方案設計等。腿是足式動物運動的關鍵，腿的關節分布和各個關節間的幾何關系奠定了生物實現各類復雜運動的基礎。文章研究的四足機器人仿生腿機構設計，參考了自然界中的爬行動物如螃蟹、螳螂等的腿的分布形式。通過觀察這些爬行動物，發現它們每條腿的主干部分大致可分為大腿、中間腿和小腿三部分，每條腿上有3個主動關節。對于陸空兩棲機器人來講，機體自身的重量直接關系到機器人的負載能力和續航能力，因此對機器人的機身機構進行必要的精簡是機器人性能提升的必經之路。

2.1 基于兩自由度腿機構的構型方案

從盡量保證該機器人機體輕量化角度考慮，首先擬采用兩自由度腿機構。通過采用連桿機構，可用兩個主動關節來實現該機器人行走所需的基本足端軌跡。和常用的三自由度腿機構相比，這時機器人可節省3個舵機。此時對應的機器人腿機構如圖1所示。由圖可以看出，該機器人的腿部采用了雙搖桿機構，其中ac段為機器人的小腿，桿cd和桿be共同構成了機器人的中間腿，大腿為三桿副def。d和f為主動關節，構成了腿機構的兩個自由度。旋轉關節f決定機器人沿前進方向的運動，旋轉關節d決定機器人的側向運動。四旋翼飛行器的無刷電機固定在小腿段上，圖1(a)和圖1(b)分別代表了機器人行走時和飛行時的姿態。圖2所示為機器人的整體構型，四條腿沿機身兩側對稱分布，與機體相連的4個旋轉關節呈正方形狀分布，這樣就可以保證在機器人的腿機構呈飛行姿態時，4個電機的位置可以滿足四旋翼飛行器呈現X型布局。

圖1 小型陸空兩棲機器人腿機構

圖2 小型陸空兩棲機器人整體構型

當該機器人的四旋翼部分處于飛行狀態時，要保持姿態穩定在很大程度上依賴機器人巧妙的構型。因此構型中的機構必須保證各關節位置控制的準確性和抗干擾性。在一體式陸空機器人構型方案中，為了保證機器人在飛行模式時的姿態穩定性，各關節的驅動采用數字伺服舵機完成，舵機可以控制關節旋轉的角度和速度。除此之外，腿機構在飛行模式時，還利用了雙搖桿機構的機械干涉位置，讓電機軸和機身垂直，防止在升力作用下，舵機位置被拉偏，從而造成有效力矩的相互抵消和干擾力矩的形成，以此來幫助機器人保持機身姿態。最終確定的該機器人構型參數如表2所示。

表2 構型參數一覽表

在該機器人結構設計和動力器件選型中，文章參考了機架為F330的四旋翼飛行器的配置方案。飛行模式所需器件選用了無刷直流電機、正反槳和3 s航模電池；關節運動采用數字舵機，單個舵機的運動范圍為0～180°。所選動力器件如表3所示。

表3 標準器件選型一覽表

當確定所有的標準器件后，即可進行機器人的造型設計，相應的三維模型如圖3和圖4所示，其中圖3是腿機構的三維結構圖，圖4為機器人整機的三維實體圖，其中圖4(a)反映的是地面運動模式，圖4(b)反映的是飛行模式。

圖3 腿機構實體造型圖

圖4 機器人整體實體造型圖

小型陸空兩棲機器人實物樣機如圖5所示，其整機外殼采用3D打印技術制作，材質為PLA。通過樣機運動效果檢測實驗發現，兩自由度腿機構可以實現機器人的大部分步態[3]，但腿機構描繪的足端軌跡相對固定，足端的可達域太小，運動靈活性相對較差，難以適應復雜的非結構化地貌環境。

圖5 兩自由度腿機構的機器人實物樣機

2.2 基于三自由度腿機構的構型方案

為了解決兩自由度腿機構運動靈活性較差所帶來的問題，嘗試采用四足機器人最常用的三自由度腿機構進行構型設計[4]，在這種構型中為機器人的髖關節、大腿關節和小腿關節各配置一個自由度，且將四旋翼飛行器的旋轉電機與槳葉安裝在機器人的小腿上[5-6]，所述構型如圖6所示，其中d關節固定于機器人的機體上，決定著機器人腿沿前進方向的擺動，而關節b和c垂直于d關節，決定著機器人腿沿側向的運動。

圖6 三自由度腿機構構型

圖7 三自由度腿機構整機構型

圖7所示為三自由度腿機構機器人的整機構型，其中主體構型依然是仿爬行四足動物的造型。該機器人的四條腿均由三自由度腿機構組成，其中大腿關節軸線垂直于地面。表4所示為機器人相關的構型參數。

表4 三自由度腿機構機器人構型參數一覽表

三自由度腿機構相對于兩自由度腿機構而言，其足端的可達域范圍明顯提升，且具有更為豐富的足端軌跡，使得人們可以通過調整腿部的位置來調節機器人的重心，由此則增強了機器人對行走環境的適應能力。在機器人動力器件的選型中，關節驅動依然采用數字舵機，考慮到由于腿部自由度的增強，導致機器人整體重量的上升，舵機選用功率更大的RDS3115，其堵轉扭矩為15 kg/cm。

圖8 三自由度腿機構實體造型圖

圖8所示為三自由度腿機構實體造型，機器人整機的三維實體模型則如圖9所示。為了盡可能實現機器人機體的輕量化，機體連接件采用輕質鋁合金材料鏤空制作，小腿關節采用亞克力材料，舵盤材料為塑料，機器人實物樣機如圖10所示。為了使機器人在飛行模式時能夠穩定保持姿態，在設計腿部電機座時使電機軸反向延長線垂直通過舵機軸，且在電機座的結構上加裝機械限位塊，確保舵機在外力沖擊下也不會發生旋轉，以此保證小腿關節不受外加力矩的干擾[7]。

圖9 機器人整機實體造型圖

圖10 三自由度腿機構機器人實物樣機

3 組合式機器人總體構型設計

圖11 組合式陸空兩棲機器人

組合式機器人指的是機器人整體可以拆分為一個地面機器人和一個飛行機器人的方案，地面機器人給飛行機器人提供一個降落和起飛的平臺[8]。相比于一體式機器人構型方案，因為移除了可變形的腿部機構，所以飛行機器人的質量有所減輕，飛行時機身的穩定性更高，續航時間也更長，并且對關節電機的依賴程度大大降低，提高了整機的可靠性。除了在飛行穩定性上有了較大提升外，組合式機器人也可以實現協同偵察，在節省能量方面還有一定的優勢[9]。需要說明的是，組合式機器人的協同偵察是指地面機器人可以進行低角度拍攝，負責在一些飛行機器人難以到達的區域進行偵察；飛行機器人可以進行高空俯瞰，具有非常廣闊的視野，負責較大范圍內的全局偵察，還能夠對地面機器人的偵察進行指導。從能量角度分析，飛行機器人通過搭乘地面機器人的方式可以節省自身的能量，保證較長的續航時間，因為同樣重量的機器人，采用地面輪式方式前進所耗能量大約是飛行方式的一半[10]。文章所構想的小型陸空兩棲機器人組合式構型方案包括一個地面機器人和一個飛行機器人，其三維模型如圖11所示。由圖可見，其中的地面機器人采用足輪混合式構型，該機器人的四條腿每條都有3個關節，和前文所述的一體式構型相同。在每條腿上裝備帶有驅動電機的輪式結構。輪子分布在機器人的頭部和尾部，保證機器人擁有足夠的足部運動空間。機器人結構設計依然沿襲了輕量化做法，腿部零件在保證強度的前提下采用鏤空制作。輪式驅動電機采用帶有減速器的直流電機。飛行機器人部分則采用標準無人機機架，其相關參數如表5所示。

表5 組合式陸空兩棲機器人相關參數一覽表

4 實驗結果與分析

文章對小型陸空兩棲機器人的一體式方案和組合式方案分別進行了構型研究，兩種方案在理論層面都是可行的，且在工程層面均能實現所需功能，但它們在實用性和可靠性等方面還是存在一些不同。通過對比，發現一體式方案在構型上更為巧妙，將機臂和腿機構結合在一起的想法使機器人系統在構型上大大簡化，機器人輕量化的效果得到明顯提升，整個機器人的集成度很高。但一體式方案也存在一些明顯的不足。首先，從系統穩定性層面看，可旋轉關節的設計與飛行器姿態的穩定性要求之間存在矛盾。由于機器人依靠腿關節運動，因此旋轉自由度必不可少，而在飛行模式下，希望旋轉關節有非常好的位置保持性能。正反槳所產生的升力以及飛行中遇到的氣流波動均會對關節產生沖擊，機器人非穩定降落或者飛行中碰到障礙物也會對關節電機產生沖擊，這些沖擊極有可能使電機的相對位置發生偏移，從而影響飛行器的飛行姿態，還極有可能損壞電機，因此對關節電機抗沖擊性能要求很高，這點會和機器人低成本制造方案的要求相悖。其次，一體式方案在飛行狀態下，機器人每條腿的腿關節電機必須同時工作，從而保持飛行器穩定的飛行姿態。12個伺服舵機同時長時間工作，將極大消耗電量，會顯著縮短續航時間，不利于機器人相關作業任務的順利實施。

組合式陸空兩棲機器人構型方案和一體式方案相比，地面機器人和飛行機器人均保持了各自系統的完整性。飛行機器人是一個完整的旋翼飛行器，可以保證飛行的穩定性和續航時間。同時組合式方案的優勢在于兩個機器人的協同作業，飛行機器人在空中進行高角度偵查，提供全局視野。當獲得目標信息后，指導地面機器人進行細節偵查和跟蹤。通過這種協作，在提高偵查效率的同時保證了機器人系統的穩定性和續航時間。最后，在組合式方案中，地面機器人給飛行機器人提供了停泊的平臺，有利于機器人的協作時位置的共享和機器人的回收。

綜合來看，組合式方案相對于一體式方案而言，在功能性、實用性和穩定性等方面具有明顯優勢。

5 結語

文章主要研究了一種小型陸空兩棲機器人的總體構型及其方案設計。首先根據該機器人要能實現陸地低角度偵查和空中高角度偵查的使用需求，深入開展了需求分析，確定該機器人要兼具地面運動能力和空中運動能力，其功能是地面機器人和飛行機器人的有機結合，據此提出了相應的設計指標，然后分別探討了一體式和組合式兩種設計方案，進行了機構的構型分析。在一體式構型方案中，對兩自由度結構腿和三自由度結構腿分別進行了闡述與分析。最后綜合對比了一體式構型方案和組合式構型方案，通過對優缺點的綜合對比，得出組合式構型方案在功能性、實用性和穩定性等方面具有明顯優勢，為后續真實物理樣機的研制提供了可靠、可信的依據。