雙行走機構機器人交互機構的技術現狀與發展

金承珂,郭鐵錚,鄭亦峰,汪超,尹越

(南京工程學院 a. 工業中心; b. 創新創業學院,江蘇 南京 211167)

0 引言

隨著特種機器人的應用越來越廣泛,各種多行走機構機器人的優勢逐漸體現出來。常用的移動機器人按其行走機構可以分為輪式機器人[1]、履帶式機器人[2-5]、步行(足式)機器人[6-7]、復合式機器人[8-14]、耦合式機器人[15-18]、疊加式機器人[19-20]。輪式、履帶式、足式機器人作為單行走機構的機器人由于結構相對簡單而廣泛運用。

單行走機構機器人通常僅適應某幾種地形,在不適應的地形中并不能很好地運行,甚至無法運行。而復合式機器人與耦合式機器人作為多行走機構的機器人,可在多種環境內自由行動,例如輪履耦合(復合)式機器人既可在平地高速運動,也可在惡劣環境內依靠履帶進行越障。另外疊加式機器人通常可用于克服某種機器人的缺點,例如輪履疊加(半履帶)用于解決單原動機型履帶結構內主傳動機構過于復雜的問題。除此之外還有一些特殊的行走機構,例如柔性行走機構、剛柔耦合行走機構等等,由于這些特殊的行走機構研究較少,目前技術還不成熟,故此文不做贅述。

1 各種行走機構的結構特點

1.1 單行走機構特點

單行走機構由于結構簡單、可靠性高,故使用最為廣泛,例如輪式、履帶式,利用輪胎或履帶提供著地力,由于末端執行機構通常為一個構件(輪轂)或種類較少的構件(履帶)的組合,故可根據需求自由設計,例如軍用履帶車輛會使用金屬掛膠履帶,但大部分輪履耦合結構無法使用金屬掛膠履帶,甚至必須使用可伸長和收縮的特制履帶。

1.2 復合式行走機構特點

復合式行走機構通常由同時使用某兩種行走機構并添加一個轉換機構構成,比較常見的是輪履復合,其結構是基于履帶式底盤設計,利用一套液壓系統將輪式結構頂出,并將動力與履帶主動輪脫離,同時與輪式相接。而輪腿復合結構類似,這里不做贅述。

復合式行走機構相對與單行走機構的優點主要體現為可在不同的地形使用不同種類的行走機構。

1.3 耦合式行走機構特點

與復合式行走機構不同的是,耦合式行走機構通常為一套行走機構并可利用變形、重組、分離等方法進行行走模式的切換。其中變形或重組的方式會導致末端執行機構過于復雜,通常表現為輪子不夠圓整、履帶需要收縮、腿式需要較高自由度和較長的腳尖行程。這難免出現離合器或相似結構,導致結構臃腫、成本過高、可靠性差。另外用于末端執行器變形所需相應的連桿機構會占用部分車體空間。

耦合機構通過分離進行行走機構變換的結構中,可以只存在一種常規行走機構與一套轉換機構,利用轉換機構將常規行走機構的一部分分離。此結構雖然有結構簡單可靠、占用車體空間較少等優點,但可使用的范圍較小。因為3種基礎行走機構中只有履帶式結構包含輪式所需結構。

1.4 疊加式行走機構特點

疊加式行走機構通常指輪履疊加(也有與氣墊結構疊加的)。因為單原動機型履帶結構內需要一個方向控制來提供轉向自由度,故傳動機構比較復雜,而雙原動機履帶結構由于原動機冗余結構限制,或是功率較小,或是機械效率較低,無法滿足一些大馬力履帶機械的要求。故可利用輪式結構常用的阿克曼轉向結構進行轉向,以簡化結構,提高可靠性。但此種結構越障性能弱于履帶車輛,而最高速度又低于輪式車輛,此結構在20世紀運用非常廣泛,現在由于雙流傳動履帶結構件的標準化使用而逐漸減少。

另外因為腿式與其他行走機構疊加會導致行走機構不但無法得到腿式結構靈活性高的優點,還會使得腿式結構控制較難,故此種結構較少見,通常運用于例如管道檢修等場景。

2 交互結構分析

2.1 常用復合式交互結構分析

復合式行走機構是利用頂升機構將其中一套行走機構頂出,然后利用離合器的結構將動力分至所需的行走機構上。其中輪履復合結構如圖1所示,雖然結構臃腫,但結構可靠、成本較低。也有少數小型機器人動力不分離,雖然結構簡單,但也產生了較多的功率浪費,尤其是行走機構中包含有較厚橡膠履帶結構的機器人。

圖1 輪履復合結構

履腿復合(腿式自由度≥2)機構則可將腿式作為頂出機構,且此時無需離合器,但腿式結構本身就可在末端安裝履帶(輪式),即履(輪)腿耦合,故有腿式參與的復合機構較少。

綜上所述,復合機構中輪履復合結構較多,是為了解決機器人在各地形的機動性和通過性方面的問題,且結構比較成熟,故運用較為廣泛。而履腿式的復合機構通常用于單自由度的腿式結構,例如Jansen機構,但由于性能有限,故運用較少。

2.2 常用耦合式交互結構分析

耦合式行走機構通常有變形、重組、分離3種變換行走機構的方式。其中通過變形或重組的行走機構通常會基于一種基礎行走機構,例如輪履耦合會基于輪式或基于履帶式設計。其中基于輪式的耦合機構會利用連桿等結構改變車輪外輪廓的形狀,如圖2所示。此種方法雖然可使結構可靠,但由于是基于輪式設計的,外輪廓線長度并沒有發生變化,且履帶狀態時外輪廓為三角形,接地面積較小。故即使在履帶狀態下,越障能力依然有限,比較適合于越野環境并不是很復雜的情形。

圖2 基于輪式設計的輪履重構結構

基于履帶式結構的耦合式機器人則通常靠連桿機構展開履帶,如圖3所示,但此種機構通常會設置可伸縮履帶,或依靠連桿機構將履帶夾住[21-22],如圖4所示,并以此來補償履帶和輪式外輪廓線長度的變化,雖然接地面積較大但是成本較高或可靠性較差,故適用范圍有限。

圖3 基于履帶式設計的輪履耦合結構

圖4 夾持履帶式結構的輪履耦合結構

依靠分離機構的輪履耦合機構則是基于履帶式結構設計的,利用撥叉或其他結構將履帶與地面脫離,并掛到附近的掛輪上[23],故避免了內部連桿及離合器的使用,較為可靠且成本低,如圖5所示。輪式運行時依靠主動輪與承重輪之間的鏈傳動帶動承重輪提供牽引力,并依靠張緊機構保持輪式運行時履帶不接觸地面,依靠承重輪前端靠車體側的下掛輪可使履帶接入角的可用范圍增大。另外可以安裝懸掛,且結構與履帶機器人相似,故簧下質量較小,運行更加平穩。

圖5 基于分離履帶結構的輪履耦合結構

綜上所述,以輪履耦合為例,基于輪式或履帶式的、依靠連桿結構進行重組變換的機器人非標結構較多,且運動學模型較復雜,故而成本較高,優化較困難,并不適合大規模的運用。而基于分離履帶結構的輪履耦合越野機器人具備了各個地形中的較高通過性,且結構簡單可靠,可用于如偵察、反恐等工作。

3 交互結構傳動機構分析

3.1 內部傳動鏈分析

復合式行走機構與耦合式行走機構的內部傳動鏈并不相同,其中復合行走機構由于有兩套基本行走機構,故內部傳動鏈并不復雜,從原動機輸出以后連接到一個用于轉換末端執行機構的離合器即可,而后利用控制系統同時控制頂升機構與離合器的開合即可完成行走模式的切換,如圖6所示。而復合機構中帶有雙自由度及以上腿式結構的則可依靠腿式結構的收縮代替頂升機構。

圖6 復合式行走機構內部傳動流程圖

上述傳動路線雖然裝入機器人中會比較臃腫,但是便于設計、安裝與調試,故可靠性較高。

耦合式行走機構可分為串聯結構與并聯結構。其中串聯機構通常用于輪腿或履腿等結構無耦合的底盤,此時無實際內部傳動鏈,取而代之的是舵機、電機的疊加安置,機械結構簡單,行走機構切換主要依靠控制系統直接切換至動力輸出元件,甚至可以同時輸出動力,以提高越野性能。而并聯結構不同,當常規的輪履耦合由于內部元件的相互耦合無法實現串聯布置時,需要一個用于實現履帶運行的履帶架以及改變履帶架結構的連桿組,另外與輪履復合輸出方式相同,也需要一套控制輸出元件的離合器(此離合器由于要與車體和連桿結構連接,故有時做成離合器組,結構相較輪履復合的離合器更為復雜),另外輪式運行有的會直接依靠履帶架作為輪子運行,故動力傳輸不一定經過履帶架,輪履變換則利用控制系統控制連桿組與離合器達到輪履變換的目的,如圖7所示。

圖7 常用輪履耦合內部傳動流程圖

上述傳動路線是變形或重組的通用結構,雖然性能良好,但設計、安裝與調試皆較復雜,且在越過沼澤、廢墟等地形時雜物如進入機體結構(尤其是輪履變換結構)會導致故障,而可靠性與成本皆制約了此種機器人的廣泛運用。

3.2 末端執行機構分析

復合式行走機構與耦合式行走機構的動力輸出結構也不相同。復合行走機構的末端執行元件與單行走機構相同,這里便不再贅述。

耦合結構的末端執行元件分為幾種情況,其中串聯式的輪腿、履腿結構并不特殊,而非串聯式的輪腿或履腿耦合目前研究較少。相比之下,并聯式的輪履耦合結構目前研究較多,但都大同小異,其中輪式結構或是依靠履帶架上的小承重輪作為行走機構主體,或是直接將履帶架作為輪子運行。

履帶式最常用的方式是可伸縮的履帶從履帶架內伸出,依靠連桿機構張緊;其次則是基于輪式結構的越野機器人,其結構是利用履帶架變形形成平面,而履帶仍然包在履帶架外緣,從而得到履帶運行的形式。

4 交互結構輔助部分分析

4.1 懸掛布置分析

以輪履交互機構為例,輪履復合機構通常對其中一種行走機構的懸掛沒有額外的要求,而另一種行走機構有時需根據舉升機構。為使結構更緊湊,可將舉升機構作為懸掛布置。例如履帶結構設計,可利用液壓系統將輪胎從底部頂出,此時即可將液壓系統配合阻尼孔與限制器,將蓄能器作為彈性元件,加上原有的導向機構,從而形成一套完整的懸掛系統。此結構性價比高,但由于結構受頂升機構的限制,性能有限。

另外也有結構較緊湊的,令兩種行走機構共用一套懸掛系統,其中運用較多的是輪腿耦合機器人,如圖8所示。此種機器人可直接利用腿式結構的自由度作為懸掛自由度,性能較好。但對腿式結構的程序控制與機器人的閉環控制要求較高。

圖8 輪腿耦合機器人

在并聯型的耦合機構中,基于變形與重組結構的懸掛系統較難布置。因為要同時考慮兩種行走方式,且有多條主傳動鏈的存在,另外轉換機構與行走機構較近,若要布置懸掛,則懸掛需將整套行走機構、轉換機構與車體隔開,這會導致結構復雜,可靠性差,同時難以避免簧下質量過大,減震效果也就相應變差。而分離結構的耦合結構則與單行走機構結構相同,并不會產生多余的簧下質量。

4.2 所需控制及轉向系統分析

在復合行走機構與耦合行走機構中,中大型機器人底盤中需控制的部分通常以常規的動力輸入控制、末端執行件的選擇控制(通常為離合器與連桿組,部分機器人沒有此部件)以及是否需要變換行走模式控制(全自動機器人)這3種為主。

在疊加行走機構中,僅需多套常規的動力輸入控制。但與單行走機構不同,由于單個機器人中僅需要一套轉向機構即可以達到所需的轉向自由度,例如阿克曼轉向結構、差速輪、可控制轉速差的兩條履帶。考慮到結構的復雜程度,其中最常用阿克曼轉向結構,差速輪通常用于倉儲AGV的轉向結構中,而需大功率的可控轉速差的兩條履帶由于較復雜則較少使用。剩下的輪胎或履帶等則僅需由差速器分配動力。復合或耦合行走機構中轉向自由度由各自結構提供。

5 結語

通過對各種雙行走機構機器人的結構、傳動鏈、末端執行機構、控制方式與轉向機構的分析,得出了各種雙行走機構機器人的優缺點、常用結構與適用范圍。

對于輪履耦合結構,提出了變形、重組、分離3種變換行走機構的方式,并分別根據輪式或履帶式的設計分析了其優缺點與適用范圍,得出輪履耦合中利用分離結構進行行走機構切換的方式性價比最高的結論。

另外根據相應性能、可靠性與成本分析得到了未來多行走機構的特種機器人性價比較高的結構發展方向和趨勢。