六轮腿复合型移动机器人越障分析及机构设计

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随着对移动机器人的研究 、发展和移动机器人技术的不断完善，移动机器人的应用也越来越广，面向无人化复杂野外环境考察及勘探的需求也应运而生。为了提高地面机器人的快速响应能力和野外地形环境的适应能力，需要设计-种适合于移动机器人的、具有良好机动性和高通过性的移动机构。目前移动机器人移动机构主要有履带、轮式、腿式以及由上述单-移动机构形式组合派生形成的复合移动机构等形式，这些移动机构各有优缺点。履带式和腿式地形环境的通过能力强，但驱动效率低、机动性差，不适合进行长距离和高速机动；而轮式机器人驱动高效，机动性强，同时其驱动高效性还可间接延长机器人的续航能力，但通过能力差；轮腿复合移动机构即有轮式移动机构的良好的机动性，又有腿式移动机构的高通过性，因此优势明显。

2试验本体概述轮腿复合型移动机器人是指驱动轮与摆腿复合作移动机构的移动机器人。研究对象为六轮腿复合型移动机器人，由六个轮腿复合移动机构单元作移动机器人的移动机构，利用驱动轮移动的高效性实现机器人的高速机动，通过主动改变摆腿角度可使机器人变化出各种构型，提高对地形的通过能力，从而使移动机器人既有很强的越障能力又有在平坦地面的快速运动能力。六轮腿复合型移动机器人在机动性和地面适应能力方面的综合优势明显，这种移动机器人可以代替人在危险环境工作，也可以从事灾害救援、军事侦察等活动。

3机器人越障过程分析六轮腿复合型移动机器人要能够适应野外复杂的地形环境，因此机器人要有越障和避障的能力㈣。机器人越障过程分析，是机器人运动控制的基础，是机器人机构设计的依据。选取了两种典型障碍坎和沟对机器人本体进行越障过程分析。

3.1机器人过坎能力分析过坎的过程可分为三步，即前轮越障、中轮越障和后轮越障。上坎过程示意图，如图 1所示。

3.1.1前轮过恐析前轮过坎时希望前轮可以抬得尽量高，即机器人的姿态前高后低。前轮过坎的临界状态时中轮和后轮着地，在坎下，前轮准备与坎的上沿接触。机器人能够保持如图所示姿态，即机器人在此状态稳定，因此需要满足机器人重心在中轮和后轮之间。

来稿日期：2012-08-11基金项目：国家 863计划项目资助(2007AAo4z257，2007AA04Z250，2006AA04Z215)作者简介：高英丽，(1977-)，女，辽宁盘锦人，本科学历，工程师，主要研究方向：机械工程172 高英丽等：六轮腿复合型移动机器人越障分析及机构设计 第6期机器人在如图1所示姿态的重心坐标：G机器人1( 机器人l，y机器人l，z 器人1)机器人重心作垂线与 轴的交点坐标：XGl 机器人l-zl机器人l ta l机器人后轮着地点作垂线与 轴的交点坐标x -：- -面LfitRmil(fit ，fit艘)重心位于中轮和后轮之间，即 。p P。。

由如图所示构型分析得到：Llsinfl1Hl L/sinfll因此前轮能越过的最大高度：I 2L2lsin/31式中：-摆腿长度；-腿间距；因此Ⅳ 和卢 可以确定。

图 1机器人上坎过程构型示意图Fig.1 The Chart of Robot Across Ridge3.1.2中轮过恐析中轮过坎时希望前轮可以抬得尽量高，此时前轮在坎上，后轮在坎下。中轮过坎的临界状态时中轮与箱体相切，切点位于坎上沿的边缘。前摆腿和前轮垂直于地面在坎上，后摆腿和后轮垂直于地面，在坎下 ，临界离开地面，即机器人前轮和中轮着地受力，后轮着地不受力。机器人能够保持如图所示姿态，即机器人在此状态稳定，因此需要满足机器人重心在前轮和中轮之间。

机器人在如图所示姿态的重心坐标：G机器人2(Xtnz.2，y机器人2，zl机器人2)机器人重心作垂线与 轴的交点坐标 晓：c2Xan.-Za 人2 (5)机器人前轮着地点作垂线与 轴的交点坐标x ：Z (6)机器人中轮着地点作垂线与 轴的交点坐标 ：jlf2-Lsinfit，I 2min( L埘， 冠 j (7)重心位于前轮和中轮之间，即： 。：p由构型分析得到：R-bLcosa (1LsinfitM 1siq82bcosfl (8)日2 2lsinfl2式中： -摆腿长度；堪 间距；R-轮半径；6-箱体厚度的-半；因此 fitM和 可以确定 ，进而 日 可以确定。

3.1.3后轮过恐析中轮过坎后调整机器人位姿，使机器人重心在坎上，后腿带动后轮抬起，后轮即可过坎。

经分析， P卢 ，所以机器人本体过坎的最大高度是：H： 2/si (9)由以上分析可知，机器人本体过坎的最大高度与轮半径 ，箱体厚度-半 b，摆腿长度 己，腿间距 2相关。

32机器人过沟能力分析沟的两侧地面高度相同，沟的宽度小于等于腿间距时，机器人不用变换构型很容易就能通过；沟的宽度大于腿间距时，机器人可以越过的沟的宽度及机器人构型，如图 2所示。

圃 --圈 - - 莶 - -.iL- - 皿 图2机器人可以通过宽度大于腿间距的沟的构型示意图Fig.2 Configuration Diagram of that Robots Can Pass and theWidth is Greater than the Leg Spacing根据过沟过程分析可知，机器人前轮可以通过沟，机器人本体就能通过沟。因此机器人可以通过的沟的最大宽度即是机器人前轮可以通过的沟的最大宽度。机器人前轮过沟的临界状态时前摆腿和前轮与地面平行在沟的前沿，前轮临界接触地面，后摆腿和后轮垂直于地面，在沟的后沿，机器人中轮和后轮着地受力，前轮着地不受力。机器人能够保持如图所示姿态，即机器人在此状态稳定，因此需要满足机器人重心在中轮和后轮之间。

机器人在如图 2所示姿态的重心坐标：G机器人3( 机器人3，l，机器人3，zl机器人3)机器人重心作垂线与 轴的交- 坐标 。：sXc3 机器入32l机器人3卢3 (10)、， 、， 、， 、， ###176 机械设计与制造No.6June.2013(1，O，0，0)，偏移 (0，0，0)，扫描 ，i1，2，，n：(1)当 时，H (Ⅳ)d (4)(2)对于每-个点 h ，在扫描 口中，找到与之欧氏距离最近的点 。

1 l-、/( ) (y .- .) ( 1 (5)(3)求解扫描日 的旋转rk和偏移dk。

(4)若两扫描点云距离之差< (设定闽值)，则停止迭代。否则，继续上述算法迭代，直至收敛。

6实验验证为了验证模特机器人模拟女性体型的效果，采用上述算法程序匹配人体扫描和模特扫描，以计算匹配差值。如图2所示∩以看出，腹部匹配效果最好，腰部模拟效果略有偏差，肩部以及胸部模拟效果较其他部位差值略大，但基本体型模拟效果可观。经多次试验证明，该匹配点云轮廓误差距离不超过 2cm，如表 2所示。证明原型建模算法是可行有效的。

图2匹配实验Fig.2 Matching Experiments表 2匹配差值Tab.2 Diference of Matching7结论针对服装制造与销售业，设计制造了-个可以模拟成年女性体型的模特机器人，虽然在某些情况下有-定的误差，但均在可以接受的范围之内。她与传统人台模特相比，具有更加精确、便捷的量体裁衣效果。对于顾客来说，提供了更为高效的购衣体验，不再有试衣之烦。在今后的研究中，将对硬件外观(如皮肤)作进- 步的完善，使之更相像于女性，同时，将对算法作进-步改进，减少匹配误差，以优化模特机器人的模拟效果，使之能更加高效精确地模拟成年女性的体型。