1、第 卷第 期 年 月兵工学报 ：一种轮腿复合型机器人的步态研究与越障性能分析姜祎，王挺，邵沛瑶，徐瑶，邵士亮，（中国科学院 沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁 沈阳；中国科学院 机器人与智能制造创新研究院，辽宁 沈阳；中国科学院大学，北京；沈阳航天新光集团有限公司，辽宁 沈阳；中煤科工集团沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺）摘要：为实现地面移动机器人在复杂地形下的环境探索需求，结合轮式机器人的高速特性和足式机器人对地形适应性强的特征，提出一种轮幅型轮腿复合型机器人，并针对其在移动过程中的振动问题以及爬梯过程中的越障问题，对机器人进行步态研究及性能分析。从静力学
2、分析中得出机器人轮腿结构以不同姿态着地时的受力情况，结合实际情况中机器人运动约束对机器人在前进、转向和越障等任务中的步态进行分析，并基于动力学仿真 软件建立动力学模型来模拟机器人不同步态下的振动情况以及越障性能。研究结果表明，结合本文提出的步态控制方法，该轮腿复合型机器人在复杂地形环境中具有较好的行进效率和越障能力。关键词：轮腿复合型机器人；步态研究；越障性能；稳定性；动力学分析 中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（），（，；，；，；，；，）：，兵 工 学 报第 卷，：；引言随着机器人技术的不断发展，机器人越来越多地代替人类来完成一些危险作业任务，各
3、类特种机器人不断发展，对性能的需求也在日益增长。现阶段，地面移动机器人按照运动机构构型主要可以分为轮式、履带式、足式、蛇形和复合型等。通过研究发现，使用单一结构的传统移动机器人难以满足复杂地形下的高效运行，复合型移动机器人已然成为移动机器人技术研究的一个热点方向。轮式机器人具有运动速度快、效率高、控制简单等优势，但越障能力较差，对地形环境的适应性不好。相比之下，足式机器人具有较强的地形适应性和越障能力，但是控制复杂、承载能力不强，在非结构性环境中行走效率很低。轮腿复合型机器人兼顾轮式机器人的快速性和足式机器人的强越障能力，在复杂地形中表现较好，在野外勘探、急救、安保等任务中有着较好的应用前景，
4、具有较高的研究价值。根据复合方式可将轮腿复合型机器人大体划分为以下 种，如图 所示。图 种轮腿复合型机器人 ）轮腿分离式：机器人同时具备轮结构与腿结构，两种结构相互独立，通过主动切换来适应地形环境。例如，中国科学技术大学 就有四轮四腿，平坦地面时轮结构着地，实现高速运动，跨越障碍时使用腿结构将机器人主体支起。）轮腿串联式：轮结构通过机械腿和机器人主体相连。该类机器人通常将轮结构安装在腿结构的末端或中间，通过控制电机来调整行进模式。例如，瑞士苏黎世联邦理工学院的四足机器人、腾讯 实验室的轮腿机器人 等。）轮幅型轮腿：其结构由多个均匀分布的杆组成，通过轴部旋转实现腿结构周期性接地。单轮幅机器人近似
5、足式机器人，当轮幅无限增加时则近似为轮式机器人。例如，美国凯斯西储大学的 机器人为三轮幅，越障能力较强但稳定性较差；德国人工智能研究中心的 机器人为五轮幅，牺牲了一定的越障性能但稳定性较好。）变结构轮腿：该类机器人的轮腿结构能够依靠自身结构的收缩和展开来切换行进机构，通常为轮结构与轮幅型轮腿结构间的切换。例如，台湾大学提出的四轮变结构轮腿机器人 以及韩国首尔科技大学提出的 等。考虑到野外作业任务需求，需要机器人在兼顾运行快速稳定性和越障能力的条件下，尽可能保证机器人结构紧凑、控制简便。轮腿复合式机器人与足式机器人相同，为保证机器人主体在行进过程中的稳定性应对其步态进行规划，常见步态有对角步态、
6、同侧步态、跳跃步态等。所使用的机构不同相应的步态也不同，机构的自由度越多步态的实现越复杂。轮腿分离式和轮腿串联式机器人的自由度较多，控制较为复杂；变结构轮腿需要主动切换来适应地形环境；轮幅型轮腿简化了行进机构的自由度，通过驱动轮腿电机旋转来实现各轮幅周期性交替着地，能够被动适应地形环境，结构简单更易控制。通过对前人所提轮幅型轮腿机器人的研究，发现轮幅数少时机器人行进效率较低越障能力 第 期一种轮腿复合型机器人的步态研究与越障性能分析强，轮幅数多时机器人的行进效率提高但越障能力减弱。针对户外复杂环境中的探索需求，本文提出一种新的轮幅型轮腿复合机器人，主体采用四个六轮幅轮腿机构和全对称结构，轮腿结
7、构使用弹簧减震。与目前常见的三轮幅、五轮幅轮腿复合机器人相比，同样具备一般户外楼梯障碍的跨越能力，且运动时更为平稳，高速运动时性能更优。由于机器人的运动步态对其运行效率和越障能力也有较大影响，本文还进行了直行、转向和越障等典型运动状态下的力学分析和步态研究，并通过软件仿真和样机实验测试了机器人的性能。机器人结构设计本文研究主要针对地面移动机器人在户外复杂地形下的环境探索问题。为平衡机器人行进和越障的性能，本文选择使用六轮幅轮腿结构。机器人整体结构如图 所示，个相同尺寸的轮腿结构对称安装在机器人机身两侧，通过大扭矩直流无刷电机进行驱动。机器人机身采用碳纤维材料，轮腿结构采用超硬铝合金材料制成。单
8、个轮腿结构如图 所示，为轮毂结构，为上部腿，为套筒帽，为下部图 六轮幅轮腿机器人整体结构图 图 六轮幅轮腿结构图 腿，为弹簧，为橡胶垫，相邻腿之间相位相差，电机带动轮毂旋转使得腿结构依次循环交替接触地面。腿结构分为上、下两个部分，上部直接固定在轮毂上，下部则通过套筒帽与上部相连。上部腿的行程腔体内设置减震弹簧，弹簧能够起到缓冲吸振的作用，从而减弱机器人本体受到振动破坏的风险。下部腿直接着地的部分安装了橡胶垫，增大与地面之间的摩擦力，同时避免金属直接与地面接触造成损伤。机器人基本参数如表 所示。表 六轮幅轮腿机器人基本参数 参数数值长度 宽度 轴距 轮距 轮腿长度 弹簧刚度系数（）弹簧阻尼系数（
9、）机器人步态分析多足动物在运动过程中腿部以一定规律摆动并交替支撑身体完成运动过程，这一周期性现象被称作步态。为了提升运动效率或节约能耗，多足动物在不同运动状态下呈现出不同的运动步态。以四足哺乳动物为例，随着运动环境和运动速度的不同，会切换不同的运动步态。如图 所示，步行时循环保持三条腿着地支撑身体缓慢移动；踱步时一侧的两条腿为一组交替支撑地面，速度提升；对角小跑状态下对角线上的脚来回切换，速度和稳定性兼备；奔跑状态下前侧两条腿为一组后侧两条腿为一组，交替着地高速前行，腿部腾空时间占比增加，出现空中飞行状态。图 四足动物步态 类比四足哺乳类动物，轮幅型轮腿机器人也具兵 工 学 报第 卷备类似步态
10、，大致可分为滚动步态、对角步态、同侧步态和前后步态 种，每种步态特性如表 所示。如图 所示，对角步态下处于对角线上的轮腿为一组相位一致，同轴轮腿间有相位差；同侧步态下机器人同侧的两轮腿为一组相位一致，同轴的轮腿间有相位差；前后步态下同轴的两轮腿为一组相位一致，同侧轮腿间有相位差；滚动步态则可看作是同侧轮腿相位差为零状态下的前后步态，四轮腿相位始终保持一致。表 机器人步态特征 步态轮腿关系对角对角线上轮腿相位一致，同轴轮腿有相位差同侧同侧轮腿相位一致，同轴轮腿有相位差前后同轴轮腿相位一致，同侧轮腿有相位差滚动四轮腿相位一致图 机器人运动步态 进行步态的研究与规划是保证机器人稳定运动的基础，使得机
11、器人在不同地形环境中实现前进、后退、定点转向、奔跑、越障等功能。选择合适的步态能够在一定程度上提升机器人在运行过程中的稳定性，保护其内部各部分器件免受损伤，提升能源利用效率、降低内耗。在后文中，围绕上述 种步态进行研究，分析在不同任务状态下的各步态的运动特性。机器人直行和转向性能分析在对机器人进行直行和转向分析时，主要考虑机器人的行进效率和稳定性，尽可能减轻运动过程中机器人振动带来的影响。本节首先对单轮腿结构进行受力分析，讨论本文提出的轮腿结构在一个运动周期内的状态变化，随后分别对机器人在直行和转向任务中机器人 种步态的特性进行分析讨论，并选取合适的步态。.单轮腿结构受力分析对于单个轮腿结构，
12、其受力状态是周期性变化的。轮腿着地时的状态可以分为单腿着地和双腿着地两类，其中单腿着地又可以分为 个阶段。图 所示为单轮腿结构接地的 种情况下的受力分析。图 中，为轮腿中心，为轮腿 的末端，为轮腿 的末端，和 分别为轮腿 和轮腿 与竖直方向的夹角，和 分别为轮腿收到的支持力矩和摩擦力矩，为电机提供的驱动力矩；和 分别表示机器人主体对轮腿的作用力在水平方向和竖直方向上的分量；和 为腿 与地面接触点处地面对其的支持力的摩擦力，和分别为对应的支持力矩和摩擦力矩；和 为腿 与地面接触点处地面对其的支持力的摩擦力，和 分别为对应的支持力矩和摩擦力矩。要保证机器人能够正常的前进，则轮腿结构受力平衡时电机提
13、供的驱动力矩为保证机器人能够正常前进所需的最小力矩。由于轮腿结构上部腿和下部腿间装有减震弹簧，支撑腿的长度会随着轮腿受力的变化而变化。弹簧主要为了满足机器人高速状态下的减震需求，刚度系数较高；在低速越障过程中，弹簧的实际变化范围较小。因此在后续的理论分析过程中忽略弹簧形变导致的轮腿长度变化造成的影响，仅在仿真实验中对其进行模拟。状态：如图（）所示。轮腿结构同一时间仅有一条腿接地起支撑作用，当前的力平衡和力矩平衡公式如下：|（）（）式中：为接地腿 的长度。由式（）可知，该情 第 期一种轮腿复合型机器人的步态研究与越障性能分析图 单轮腿结构受力分析（左为轮腿受力模型图，右为轮腿力和力矩平衡图）（：
14、，：）况下轮腿结构所需的驱动力矩较大，进而会导致较大的瞬时电流，因此在机器人运动时应尽量避免出现所有轮腿同时处于该状态的情况。状态：如图（）所示，此时的腿结构直立着地，为状态 的接续状态，也是状态 和状态 中间的一个临界状态。该状态所需的平衡力矩相对较小，力矩平衡公式为 （）状态：如图（）所示，此时腿结构已经过状态 和状态 两个状态，摆动到轮腿结构重心偏后位置，此时的力矩平衡公式为 （）从式（）中可以看出，机器人在该状态下前进时所需的力矩较小，因此可以考虑使用该状态与状态 相结合的步态。状态：如图（）所示，该状态下轮腿结构有两条腿同时着地，力平衡和力矩平衡公式如下：|（）（）（）相比于单腿着地
15、情况，双腿着地的状态较为稳定，也更易于达成平衡。.直行步态分析由于在不同的步态下机器人轮腿的着地状态不同，机器人在一个周期内的姿态变化规律也不同。本节对于机器人直线行走时不同步态下的运动过程进行分析，忽略运动中轮腿结构旋转造成的质心变化，定义机器人几何中心为机器人质心位置。规定世界坐标系采用右手坐标系，轴朝向机器人前进方向，轴朝向竖直向上，坐标系原点 位于机器人质心竖直下方地平面上，机器人初始位姿下左前轮腿处于图（）所示状态。机器人以滚动步态行进时，其运动周期内包含四个轮腿的受力均处于图（）的状态，轮腿的瞬时电流峰值过大且变化范围较宽。将轮腿电机旋转角度和角速度表示为（）和（），机器人质心在
16、轴方向上的变化可表示为 ()，（）()，（）式中：为轮腿电机旋转角度；为常数系数；为轮腿长度；为机器人质心在 轴方向上的变化。对角步态、前后步态和同侧步态将轮腿两两分为一组，两兵 工 学 报第 卷组轮腿间相位相差，能够避免所有轮腿同时处于图（）的状态，从而有效减小轮腿瞬时电流的峰值。对角步态下，机器人质心在 轴方向上的变化可表示为 ()，（）()，（）前后步态下，机器人前后两组轮腿中心到地面的距离交替变化，进而导致机器人主体存在绕 轴转动的情况。此时机器人质心在 轴方向上的变化以及车身绕 轴的转动 可表示为()()，(（）)()，|（）|()()()()|，|()(（）)()(（）)|，|（）()()（），(（）)()（），|（）（）（），（）（），|（）()()()()()(（）)()(（）)|（）式中：为常数系数；为前后轮间距；为特殊状态下的机器人姿态角度，()（）同侧步态与前后步态相似，机器人左右两组轮腿中心到地面的距离交替变化，因而在行进过程中会绕 轴方向转动。此时，令左右轮间距为，机器人质心在 轴方向上的变化以及车身绕 轴的转动 可表示为()(（）)，（）()()，(（）)(