步履式全地形六足機器人

楊 政， 馬春燕， 竇銀科， 王煜塵

(太原理工大學 電氣與動力工程學院， 山西 太原 030024)

引言

中國的極地科學考察事業距今已30多年，極地科學考察的環境十分惡劣，為了避免污染，對科研人員的要求苛刻，一些非常規極端環境還無科學考察的足跡，因此進行極地無人科考有很大的發展空間。目前極地科考用機器人只有傳統的履帶式或輪式結構，步履式和六足仿生結構的機器人在極地科考的應用十分罕見[1]。

近年來，輪足式機器人已成為國內外研究熱點。美國Boston Dynamics公司首款輪腿式機器人“Handle”，在結構上采用仿人形設計，以車輪代替足端，具有快速移動的能力，同時，能夠實現原地快速旋轉與爬坡功能[2]；瑞士蘇黎世聯邦理工大學機器人實驗室在2018年研制出名為“ANYmal”的四足輪腿式機器人，該輪式四足機器人在地面和傾斜地形上行走時，表現出高魯棒性和動態穩定性，甚至被推倒后，仍可爬起來繼續移動[3]； 日本東京工業大學SHIGEO等研制的Roller-Walker輪足混合式機器人，該機器人足端有一個轉換機構，當出現崎嶇地形時，采用足式運動，當地面平滑時，該機構使其轉換成輪式運動[4]。國內輪足式機器人起步較晚，但發展速度很快。清華大學在早期設計了含有8個車輪的輪腿式移動機器人，均勻分布在車身兩側，在進行越障或腿式模式運動時，2個車輪豎直排列，當作機器人的腿部。北京理工大學啟動“北理哪吒”項目，創新性提出了電動并聯式輪足機器人總體思路，將4個并聯六自由度運動平臺倒置，并在每個平臺下端安裝車輪組件，形成可實現輪式、足式和輪足復合式運動的電動并聯式輪足機器人—北理哪吒(BIT-NAZA)[5]。

但是上述機器人存在不足之處：輪式機械行駛結構主要缺點是附著力小，通過性能較差；履帶式行駛系統的結構復雜，質量大，而且沒有像輪胎那樣的緩沖作用，易使零部件磨損，所以其機動性差，行駛速度較低，且易損壞路面；四輪腿結構的機器人的足式運動速度慢，運動效率低且易側翻[6]。

提出了一種步履式全地形六足機器人，將履帶式與六足仿生結構相結合，克服傳統履帶式行駛結構不能在復雜地形工作的缺點，利用獨立多自由度轉向液壓支腿進行自由角度調整，補償地形凸凹高度差；同時采用導電滑環和掛膠履帶設計，機器人360°無死角轉動，可有效解決一般輪式或履帶式機器人在極地極惡劣自然環境下難以正常行進、非常規環境無法進行科考等等一系列問題。其優越的越野能力可以使其搭載不同的設備，完成各種不同任務類型的科考工作[7]。

步履式全地形六足機器人主體由中心腹部和六足組成，如圖1所示。其中六足呈中心對稱，均采用兩軸承座固定在中心腹部上， 結構穩定、剛性好，并且用舵機驅動整足轉動[8]，表1所示為步履式全地形六足機器人運動性能參數。

圖1 步履式全地形六足機器人

表1 運動性能參數

1 系統整體方案

1.1 腹部結構

1) 結構概述

中心腹部結構如圖2所示，腹部是由1塊2 mm的玻纖下中心板、1塊2 mm的碳纖上中心板和6塊2 mm 的碳纖側板組成的扁平六棱柱，迎風面積小，整體結構輕且承載力大。

圖2 中心腹部結構

根據空氣阻力公式：

(1)

式中,C—— 空氣阻力系數，與物體的迎風面積、物體光滑程度以及物體的形狀有關

ρ—— 空氣密度，正常的干燥空氣可取1.293 g/L

S—— 物體迎風面積

v—— 物體與空氣的相對運動速度

在設計機器人的腹部時，為減少迎風面積，可以在遭遇風暴的情況下減小受到的阻力，以保證機器人的穩定性[9]。

中心腹部內部結構如圖3所示，置有控制中心，包括主控板、舵機驅動板、直流減速電機驅動板和6個轉向舵機[10]。

圖3 中心腹部內部結構

2) 主控板

主控板是整個六足機器人的控制核心，負責人機交互以及協調機器人整體運動。選用意法半導體集團生產的STM32F407ZGT6單片機，擁有高達(192+4) kB的SRAM，16 MB內存空間，主頻為168 MHz，在浮點運算和數據處理當中有及其突出的優勢，非常適用于所設計的六足機器人[11]。

3) 舵機驅動板和直流減速電機驅動板

舵機驅動板和直流減速電機驅動板均采用Altera公司生產的低功耗的復雜可編程邏輯器件EPM1270 T144I5芯片。將舵機控制程序寫入舵機驅動板內，控制6個轉向舵機，負責六足的水平轉動。通過實驗測試，每足回轉范圍可達60°。將電機控制程序寫入直流減速電機驅動板內，控制直流減速電機，負責6個履帶小車精確爬行。

4) 舵機

采用DS3120MG型單軸數字舵機，體積小、扭力大(具有20 kg扭力)、質量輕、散熱性能好，同時舵機內部自帶控制電路和比例電位器。舵機控制流程如圖4所示，控制脈沖輸入舵機的控制電路中，可控制舵機轉動，同時將比例電位器內信息通過比例電壓返回控制電路中，實時監控舵機的旋轉角度[12]。因此，舵機更加適合在六足機器人上使用。

圖4 舵機控制流程

1.2 足部結構

足部結構如圖5所示，六足均由機械臂(大臂和小臂)和履帶小車構成，萬向節連接小臂和履帶小車。機械臂有4個自由度： 水平回轉、大臂上下擺動、小臂上下擺動以及小車自由回轉。每足采用兩軸承座固定在腹部，結構緊湊、回轉靈敏、裝配維護方便。

圖5 足部結構

1) 機械臂結構

機械臂采用鋁合金制成，大臂長為35 cm，小臂長為30 cm，大小臂之間轉動角度達15°。大臂上下擺動和小臂上下擺動均采用L1101010101型電動推桿驅動，輸入電壓為12 V，推力可達到60 N，體積小、精度高，使用DS3120MG舵機直接驅動。同時，大臂和小臂均采用鏤空設計，重量輕，同時減少迎風面積，減小所受阻力[13]。

2) 導電滑環

導電滑環如圖6所示，小臂與履帶小車采用萬向節連接，可自由擺動，同時采用H083-0605TC型導電滑環設計，實現小車360°回轉無死角。具有體積小、扭矩低、損耗小、電噪聲低等優點，非常適用于六足機器人的設計[14]。

圖6 導電滑環

導電滑環可以實現機器人小臂和履帶小車信號及電流的傳遞，是一種可旋轉的連接器。導電滑環主要分為定子和轉子兩部分，其中定子采用金屬環，轉子采用電刷絲，定子和轉子分別連接輸入輸出導線。導電滑環工作時，轉子隨著設備轉動，定子始終不動，轉子可以實現任意角度的旋轉。通過定子中環片的滑動與轉子中電刷絲的接觸摩擦傳遞信號，這種方式的優點是在保持傳輸信號的同時不發生繞線事故。

傳統機器人運動關節通常采用舵機控制，改進后采用舵機和導電滑環結合的驅動方式。一是可以利用導電滑環獲取關節的偏移量，機械臂下部的全向關節因崎嶇的地形移動時，導電滑環會產生一個角度偏移的返回值，用以調整修正關節角度，防止因為通過崎嶇地面造成的履帶方向偏轉，比傳統的舵機更能適應凹凸不平的地形；二是導電滑環可以實現任意角度自由轉動，帶動萬向關節360°無死角轉動[15]。

3) 履帶小車

為了應對不同復雜崎嶇的地形，機器人的履帶采用掛膠履帶，可以方便更換橡膠模塊以應對不同的工作環境。履帶替換有以下幾種：

(1) 常規行進履帶如圖7所示，用于通常情況下的機器人行進，其厚度、寬度均與履帶基體本身相同，花紋深度與數量始終，適用平整路面上；

圖7 常規行進履帶

(2) 松軟易陷地面行進履帶如圖8所示， 用于在地質松軟車體容易陷入的地面行進，其長度大大增加，可以減小車體對于地面的壓強，防止陷入和幫助快速通過；

圖8 松軟易陷地面行進履帶模塊

(3) 崎嶇路面行進履帶如圖9所示，用于巖架，溝壑地區的行進，采用三棱柱形金屬履帶模塊，相比于橡膠模塊大大加強對于巖石的固定強度防止其在翻越巖體、溝壑時滑落；

圖9 崎嶇路面行進履帶

(4) 防滑行進履帶如圖10所示，用于冰面等較為光滑的地面行進，其突出的大量鋸齒使車體摩擦力大大增加，減少車體的打滑并幫助快速通過[12]。

圖10 防滑行進履帶

為了延長履帶板的使用壽命，經過多種材料的測試，最終在履帶板中加入橡膠襯套。首先，橡膠襯套的彈性變形能力較強，履帶小車運動時噪聲小，減振效果強；其次，橡膠襯套中的橡膠形狀可靈活改變，可自由選擇各個方向的剛度；同時，橡膠襯套結構簡單，可添加在金屬材質的履帶板上，并且可輕易承受各個方向的載荷。在設計橡膠襯套時，應采用圓柱體形狀，根據受力測試分析，一般橡膠襯套容易在與履帶板帖接部分以及折疊彎曲部分產生損壞，所以在其端部設計為圓角可以更好的提高其使用壽命[16]。

2 六足機器人動力設計

步履式全地形六足機器人采用改進的步履式動力設計。六足分散在不同區域，相對傳統運動方式更有利于尋找到較大的支撐面積以及最合適的支撐位置，進而更有利于穿過崎嶇復雜路面；其次，步履式系統在路況較為崎嶇以及松軟地面上可以做到主動減振，這也是傳統運動方式難以解決的問題。根據測試數據表明，在崎嶇不平的堅硬地面上行駛的平均速度為：履帶式工程車輛為8～16 km/h ，輪式車輛為5～8 km/h，而足式動物的奔跑速度最高可達56 km/h；在有25.4 cm(1 in)深軟土的地面上履帶式車輛所需要的推進功率7.46 kW/t，輪式車輛所需要的推進功率為11.3 kW/t，而足式行走車輛只需要5.22 kW/t。因此可知步行式運動方式較傳統的運動方式速度更快，同時更加節省能量[17]。

但是步履式結構采用輪式與步行機構結合，輪式結構存在較為明顯的缺陷，在冰面、瓷磚等光滑地面上摩擦較小，非常容易打滑，造成不必要的損失。履帶式結構彌補了輪式結構這一缺陷，其牽引性能和通過性能更加出色，并且履帶板上都有履齒，可深入質地松軟的地面中，相對而言適用于更多的復雜地形[18]。所以將步履式中的輪式機構改進為履帶式，采用步履式行走機構與履帶式機構的結合來解決這一問題。與傳統履帶式機器人只能在相當平坦的地面上才能工作相比，更換履帶式結構的步履式機器人可以自由地根據不同需求調整其足部關節，實現在野外崎嶇的傾斜路面上正常行走。這樣可以博取眾長，既有履帶式的大承載力，也有步履式優越的越野性能。在較為平整的地面行進可以采用履帶式前進模式，在復雜的山地可以采用步履式的前進模式[19]。

3 六足機器人工作流程

步履式全地形六足機器人工作流程如下，如圖11所示。

圖11 六足機器人工作流程

(1) 開機，系統自檢各線路是否正常連接，檢查與控制器是否握手成功；

(2) 監測車體周圍環境狀況，如監測到有風暴，則轉換為避險模式，降低車體高度，躲避險情；

(3) 確認無風暴后，轉換為行進模式，各履帶轉向同一角度，車體前進；

(4) 監測履帶轉向裝置處導電滑環是否有返回值，如有說明因地形原因導致履帶偏移或滑動，則按返回值計算偏移角度并修正；

(5) 監測車體行進途中是否遇到障礙，例如溝渠、裂隙、碎石等，如監測到有障礙，則轉換為避障模式，抬升車體高度，并轉換為步行行進狀態，越過障礙；

(6) 不斷重復以上監測流程，始終保持機器人正常運行，直到按計劃完成任務。

4 實驗結果與分析

機器人測試實驗如表2所示，針對不同地形，對步履式全地形六足機器人進行了速度測試、負重測試、靈活度測試以及抗干擾能力測試。

表2 機器人測試實驗

當實驗環境處于常規平坦路面時，機器人行進采用正常模式，機械臂上下部推桿收縮，車體升至最高，同時更換常規行進履帶。對于直線下行進速度的測試，無負載狀態下行進速度為0.7 m/s，接近正常人的步行速度，在施加最大負載下機器人速度略有減慢；對于靈活度的測試，進行90°轉向時僅需3 s，在實驗過程中遇到障礙物或者突發情況時可做到靈活轉向；對于直線行駛時抗干擾能力的測試，由于采用導電滑環的設計，可實時矯正履帶小車偏移角度，因此即使施加外力，機器人的行進方向也不會出現明顯偏差。

當實驗環境處于松軟易陷路面和光滑路面時，機器人更換相匹配的履帶替換模塊，其行進速度、靈活度以及抗干擾能力相對常規平坦路面略有變化，但是依舊保持良好的性能。

當實驗環境處于崎嶇路面時，機器人行進采用越障模式，機械臂上部推桿推出，下部推桿收縮，同時更換崎嶇路面行進履帶。在前方有障礙物時，機器人前肢抬起，前進越過障礙后放下，依次使中肢，后肢越過障礙，從而完成越障操作；遇到溝壑時，先將中肢后移，使重心位于后方，前進讓前肢到達溝壑另一端，再讓中肢前移，使重心位于前方，再前進越過溝壑。通過實驗數據顯示，在該模式下行進速度為0.3 m/s，相對于其他路面速度有所降低，且行進途中略有顛簸，但并未使負載物掉落，其轉向時的靈活度以及抗干擾能力變化不大。

當進行強風測試時，為提高機器人的穩定性，采用避險模式，機械臂上部推桿收縮，下部推桿推出，此時六足張開以降低車體重心。通過實驗數據顯示，其行進速度略有降低，在轉向時較為緩慢，但是由于六足仿生結構以及導電滑環的設計，其抗干擾能力依舊有良好的表現。

通過在不同地形下對步履式全地形六足機器人進行性能測試，可以得知采用履帶式與六足仿生結構相結合，并引入掛膠履帶，在大部分復雜地形中可正常行進以及帶負載工作，同時可保證其較高的靈活度以及抗干擾能力。

5 結論

設計了一個步履式全地形六足機器人，有多種模式可供選擇。在避障模式下，可通過六足上下和前后移動越過裂隙及石塊等障礙物；在自我保護的模式下，可通過降低車體高度來減小受風面積，提高機器人的穩定性，等周圍環境恢復正常再繼續保持運動。與傳統的機器人相比，模式更為多樣，遇到各種復雜地形和多種突發情況可轉換成對應的運動模式針對性地前進。通過實驗表明，機器人實現了在不同的地形環境下，采用不同的工作模式，可以安全、穩定、靈活的運行，具有一定的實用價值。主要創新點如下：

(1) 采用導電滑環的設計，防止因為通過崎嶇地面造成的履帶方向偏轉以及履帶小車不能自由轉動的問題，實現機器人360°無死角轉動，適應各種復雜的地形；

(2) 采用掛膠履帶的設計，更換不同種類的履帶模塊以應對履帶的損傷與不同的地形；

(3) 采用改進的步履式動力設計，通過調整大小臂的電動推桿可以實現機器人的角度調整，補償地形凸凹高度差，進而能夠在傾斜地形正常行駛。