六足偵察機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及越障性能分析

摘要：【目的】為了提升無(wú)人偵察機(jī)器人在復(fù)雜地形環(huán)境下作業(yè)的通過(guò)能力及穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種適用于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的六足偵察機(jī)器運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。【方法】首先，針對(duì)機(jī)器人高承載、高靈活性要求，提出靈活性與通過(guò)能力協(xié)同設(shè)計(jì)方法，結(jié)合蟑螂腿部構(gòu)型，優(yōu)化設(shè)計(jì)低慣量單腿結(jié)構(gòu)，通過(guò)推導(dǎo)正-逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，利用蒙特卡洛法分析機(jī)器人工作空間，并確定了腿部機(jī)構(gòu)參數(shù)；其次，采用Ansys WorkBench軟件對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性；最后，利用Matlab軟件與Adams軟件對(duì)機(jī)器人越障過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，設(shè)計(jì)并完成了工程樣機(jī)試驗(yàn)。【結(jié)果】結(jié)果表明，該六足機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化地形下的高穩(wěn)定性運(yùn)動(dòng)。研究為進(jìn)一步研究復(fù)雜地形下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：無(wú)人偵察機(jī)器人；非結(jié)構(gòu)化地形；高通過(guò)能力；靜力學(xué)分析；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 04. 012

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和人類(lèi)對(duì)未知領(lǐng)域的探索，越來(lái)越多的機(jī)器人被應(yīng)用于危險(xiǎn)的、人類(lèi)難以接近的極其復(fù)雜的工作中去。目前，地面移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)被成功應(yīng)用于軍事偵察、災(zāi)害救援、電站巡檢等諸多領(lǐng)域[1-4]。如iRobot公司的輪履式移動(dòng)機(jī)器人Pack Bot及Remote公司的Andros系列排爆機(jī)器人，在低坡度非結(jié)構(gòu)地形下可代替士兵完成軍事偵察、排爆作業(yè)[5]。Morfax 公司的履帶式Wheelbarrow 和SuperM地面移動(dòng)機(jī)器人，采用無(wú)線電控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)1 km范圍內(nèi)的遠(yuǎn)距離遙控[6]。蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)研發(fā)的用于石油化工設(shè)施巡檢的四足機(jī)器人ANYmal系列，可完成在結(jié)構(gòu)化地形下的自動(dòng)巡檢工作[7]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究的面向月球探測(cè)重載作業(yè)的六足機(jī)器人HITCR，為地外星球作業(yè)提供了可靠的解決方案[8]。南昌大學(xué)針對(duì)果園采摘作業(yè)研制的六足仿生機(jī)器人，采用新型結(jié)構(gòu)形式，解決了行業(yè)應(yīng)用的難題[9]。

足式機(jī)器人擁有離散落足點(diǎn)，可輕松攀爬或跨越障礙，能自適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化地形，在軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[10-12]?；诠鈱W(xué)載荷的偵察機(jī)器人作業(yè)時(shí)需要同時(shí)具備高穩(wěn)定性及高通過(guò)能力。目前所研制的足式機(jī)器人雖具有一定的地形適應(yīng)能力，但雙足、四足機(jī)器人缺乏六足機(jī)器人的穩(wěn)定性及多足構(gòu)型的容錯(cuò)能力；而六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度較慢、靈活性不高[13]。為解決此類(lèi)問(wèn)題，北京航空航天大學(xué)針對(duì)星球探測(cè)，研制了一種高度對(duì)稱(chēng)性六足輪腿機(jī)器人，采用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，輪行模式下運(yùn)行速度達(dá)0. 8 m/s，步行模式下最大步長(zhǎng)為0. 1 m[14]。浙江大學(xué)設(shè)計(jì)了一款仿哺乳動(dòng)物3關(guān)節(jié)腿部結(jié)構(gòu)的六足機(jī)器人，通過(guò)減小自身關(guān)節(jié)尺寸和慣量，依靠慣性傳感器可實(shí)現(xiàn)無(wú)視覺(jué)行走，并滿(mǎn)足低功耗設(shè)計(jì)需求[15]。河北工業(yè)大學(xué)通過(guò)分析螞蟻形態(tài)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)了一款柔順型六足機(jī)器人[16]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出分布式二次規(guī)劃方法，提高了電驅(qū)動(dòng)六足機(jī)器人的爬坡能力，可通過(guò)坡度達(dá)到30°[17]。

為進(jìn)一步提升六足機(jī)器人面向復(fù)雜非結(jié)構(gòu)地形的通過(guò)能力和穩(wěn)定性，本文結(jié)合相關(guān)六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和控制策略，提出了靈活性與通過(guò)能力協(xié)同設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了一款大轉(zhuǎn)矩電驅(qū)關(guān)節(jié)、低慣量足的六足機(jī)器人構(gòu)型，以提高野外勘查機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度、靈活性及越障通過(guò)能力。