機器人復合式移動機構淺析

楊喜飛

摘 要：復合式行走機構集合了輪式、履帶式或足式行走機構的優點，具備更好的適應能力，本文通過對復合式移動機構的設計原則進行梳理，分析不同設計原則下復合式移動機構的優缺點，為更好的開展復合式移動機構的設計提供借鑒。

關鍵詞：機器人；移動機構；復合式

前言

移動機器人已經廣泛應用在生產生活的各種領域，如家庭安防、陪護、救援、掃雷排險等 [1]。機器人移動機構的設計， 尤其是機器人移動機構的移動控制以及越障能力，對于機器人移動性能和應用場景影響重大。

現有的移動機器人的移動機構主要有輪式、履帶式和足式， 其中以輪式的效率最高， 但其適應能力相對較差， 而足式的適應能力最強但其效率最低， 履帶式移動機構是將圓環狀的循環軌道卷繞在若干車輪外， 使車輪不直接與地面接觸， 利用履帶可以緩和地面的凹凸不平。它具有良好的穩定性能、越障能力和較長的使用壽命， 適合在崎嶇的地面上行使。但履帶式整體機構笨重， 消耗的功率大 ， 足式移動機構基本上是模仿人或動物的下肢機構形態而制成的，具備出色的地面適應能力和越野能力 ， 但結構比較復雜， 運動控制的難度較大， 而且移動速度較慢[2]。

基于現有常規移動機構存在的不足，也陸續出現了一些復合式移動機構，如輪履復合式、輪足復合式等，復合式行走機構集合了輪式、履帶式或足式行走機構的優點，具備更好的適應能力，如越障和上下樓梯等。本文通過對復合式移動機構的設計原則進行梳理，分析不同設計原則下復合式移動機構的設計應用，為復合式移動機構的設計提供借鑒。

一、輪履復合式

輪履復合式是將輪式和履帶式進行復合設計的移動機構。目前主要通過以下兩種復合思路進行設計：

并聯疊加原則。即將輪式和履帶式在運動上相對獨立的疊加在機器人移動本體上。在移動本體上，通過設置各自獨立的傳動機構實現驅動輪和履帶的驅動，輪式和履帶式行走功能的切換，往往通過伸縮或升降機構來實現。

串聯原則。即將輪式和履帶式在運動上相互關聯的設置在機器人移動本體上，參見圖1。在移動本體上，通過設置共用的傳動機構實現驅動輪和履帶的同時驅動，如將驅動輪直接設置在履帶主動輪或從動輪的輪軸上，輪式和履帶式行走功能的切換，由履帶的擺動調整來實現。

輪履復合式行走機構，由于輪式和履帶式行走機構的技術都非常成熟，控制也較為簡單，能夠適應多數環境移動需要，但方向調整能力和越障能力仍有不足。

二、輪足復合式

輪履復合式是將輪式和足式進行復合設計的移動機構。同樣主要通過以下兩種復合思路進行設計：

并聯疊加原則。即將輪式和足式在運動上相對獨立的疊加在機器人移動本體上，在移動本體上，通過設置各自獨立的傳動機構實現驅動輪和履帶的驅動，輪式和足式行走功能的切換，往往通過驅動輪或足的伸縮或升降機構來實現。足的具體結構可根據使用場景靈活選用，如磁吸足或真空足等。

串聯原則。即將輪式和足式在運動上相互關聯的設置在機器人移動本體上，如圖2。在移動本體上，通過設置共用的傳動機構實現驅動輪和履帶的同時驅動，如將驅動輪設置在足底上。

輪履復合式行走機構，由于足式行走機構的技術難度較高，尤其是行走穩定性控制方面，雖然方向調整能力和越障能力均很優秀，能夠適應絕大多數環境移動需要，但其控制和行走穩定性方面難度極大。

三、履足復合式

輪履復合式是將輪式和足式進行復合設計的移動機構。同樣主要通過以下兩種復合思路進行設計：

并聯疊加原則。即將履帶式和足式在運動上相對獨立的疊加在機器人移動本體上，在移動本體上，通過設置各自獨立的傳動機構實現驅動輪和履帶的驅動，履帶式和足式行走功能的切換，往往通過驅動輪或足的伸縮或升降機構來實現。其中，足的具體結構也可根據使用場景靈活選用，如磁吸足或真空足等，履帶也可以選擇多節式。

串聯原則。即將履帶式和足式在運動上相互關聯的設置在機器人移動本體上，參見圖3。在移動本體上，通過設置共用的傳動機構實現足和履帶的同時驅動，如將驅動輪設置在足底上。

履足復合式行走機構，雖然足式行走機構的技術難度較高，尤其是行走穩定性控制方面，但通過在一些特定場所切換至履帶式行走機構，能夠降低機器人的行走不穩定性，且能夠適應絕大多數環境移動需要，但其整體的控制系統仍存在較大技術難度。

四、其他復合式移動機構

此外，隨著機器人應用范圍的擴展，也涌現出了很多其他形式的復合式移動機構，如將無人機技術與傳統的輪式、履帶式和足式進行復合，出現了能夠切換至飛行模式的移動機器人；將輪船或浮體技術與傳統的輪式、履帶式和足式進行復合，實現機器人能夠在水面上或水中行走等。

小結

本文也通過對復合式設計的兩個基本原理在三種常規行走機構中的設計應用做了詳細的示例分析，但復合式設計會對其整體的穩定性設計、控制系統設計、重量和負載能力等產生較大影響，需要根據實際需要和技術儲備情況，進行合理的設計。

參考文獻：

[1] 肖佳濤，雷澤勇，覃倩倩.移動機器人行走機構[J].機械工程師，2018（2）：95-97.

[2] 王朝陽，胡淼，湯永紅.輪履復合式移動機器人設計及越障功能分析[J].機械傳動，2010，34（4）：38-41.