第１期（总第２００期） ２０１ ７年２月 机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＩ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ． 文章编号：１ ６７２—６４１ ３（２０１ ７）０１—０２１ ９—０２ 轮腿式越障机器人的研究及发展米 谢哲东，马 婧，孟祥雨，李 壮 （吉林农业大－９ ２Ｙ－－程技术学院，吉林 长春 １３０１１８） 摘要：结合国内外轮腿式越障机器人的研究现状和成果，将其分为主动式、被动式，分析具有代表性的轮腿 式越障机器人的结构特点及存在问题，探讨了研究中的关键技术，并展望了轮腿式越障机器人的发展趋势。 关键词：越障能力；轮腿；机器人 中图分类号：ＴＰ２４２．３ 文献标识码：Ａ ０ 引言 随着人类活动领域的不断延伸，越障机器人的工 作环境也逐步深入到一些不可预测的环境中，这就要 求越障机器人具备很强的地形适应能力和高效自主的 运动模式 ］。根据行走方式的不同越障机器人分为轮 式、腿式、履带式和混合式等多种形式¨２］。轮式结构简 单，运行速度快，但在非结构化环境下其越障能力和平 稳性存在一定缺陷。腿式结构具有很强的地形适应能 力，但控制复杂，不易满足设计中高灵活性的要求。轮 腿式机器人融合了轮式高速高效性和腿式结构对复杂 地形的高适应性的特点，提升了越障能力，增大了作业 范围，近年来得到了迅速发展。 １轮腿式越障机器人国内外研究现状 轮腿式移动机器人按照越障时是否需要主动控制 分为两类：被动越障和主动越障 ］。 １．１ 被动越障轮腿式机器人 被动越障轮腿式机器人通过自身的柔性结构被动 地适应各种不同的地形条件，具有较强的适应能力，其 行驶效率高，方便控制，但是通过垂直台阶时要求车轮 与地面间摩擦因数不小于０．６，不具有主动适应性。 前苏联研制的行星探测车Ｌｕｎｏｋｈｏｄ一１＿４ｊ，被动悬 架随地形的变化而被动地改变。ＪＰＬ先后研制的移动 机器人Ｂｌｕｅｒｏｖｅｒ和Ｒｏｂｂｙ都是采用柔性底盘移动系 统以适应高低起伏的地面环境。ＥＰＦＬ研制的轮腿式移 动机器人Ｓｈｒｉｍｐ ＩｌＩ Ｒｏｂｏｔｌ５］通过前面车体平行四边形 机构与障碍的相互作用，适当提高车轮从而进行越障。 １．２ 主动越障轮腿式机器人 的角度从而改变机器人的质量分布；翻倒时，通过旋转 前后腿完成自位过程。日本千叶理工学院公布的 Ｈａｌｌｕｃ—ｌＩ采用轮腿分离式结构，在水平地面依靠车轮 滚动行进；在步态行走时车轮端面与地面接触实现迈 步向前。弗罗茨瓦夫大学设计出利用电机和液压混合 驱动的机器人ＬｅｇＶａｎ，遇到障碍时，小腿液压缸固定 到一定长度，只利用大腿液压缸的伸缩即能完成车体 底盘的升降。 国内对移动机器人的研究起步较晚，２Ｏ世纪８Ｏ 年代起在国家的大力支持下，很多科研院所和高校展 开研究，与国外先进水平的差距逐渐缩小。中国科技 大学研究了一种高机动性的移动机器人，可以跨越 １．５倍车轮半径高度的障碍物，前部为叉式双摆杆机 构，支撑部分为平行四边形机构。台湾大学研制的 ＴｗＶ利用体倾斜度和车轮响应值控制车体运作，使 用自适应控制器来稳定和控制其姿态和重心。２０１４ 年重庆大学研制的Ｒｏｌｌｉｎｇ—Ｗｏｌｆｌ６］在机架和大腿上安 装滚珠丝杠来驱动腿部的运动，改善轮腿受力状况，增 强系统的承载能力以及稳定性。 ２轮腿式越障机器人关键技术 ２．１越障机构 主动越障轮腿式机器人需要携带激光测距仪及传 感器等设备感知外界环境，随后通过驱动装置改变车 体姿态以越过障碍，具有较强的地形适应能力和越障 能力，但是成本较高，控制复杂，能耗大。 ＪＰＬ研制的Ｇｏ—Ｆｏｒ在即将翻转时调整后腿之间 机构设计是研制轮腿式越障机器人的核心技术， 目前，轮腿式越障机器人的典型机构如图１所示。以 往研制的轮腿式机器人结构复杂，其运动学和动力学 求解难度高、笨重，适应的环境具有局限性。从实际应 用的角度考虑，轮腿式移动机器人机构应轻质紧凑，目 前的轮腿式越障机器人尚不能完全满足任务要求。 近年来，一些科研单位在设计移动机器人时采用 轻质材料，减少机器人的质量；同时采用欠驱动机构减 少电机等驱动装置，以降低能量损耗；采用自适应结 构，提高机器人的负载能力，减少成本。 ２．２ 动力来源 ＊吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目（吉教科合字［２０１４１第６４号） 收稿日期：２０１６—０４～２５；修订日期：２０１６ １１—２５ 作者简介：谢哲东（１９７４），男，吉林双辽人，副教授，博士，研究方向：先进制造技术与装备及机器人技术。 ・ ２２Ｏ ・ 机械工程与自动化 ２０１７年第１期 （Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｌｉｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３０１１８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｗｈｅｅｌ—ｌｅｇｇｅｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ，ｔｈｅ ｗｈｅｅｌ—ｌｅｇｇｅｄ ｒｏｂｏｔｓ ａｒｅ ｄｉｖｉｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｗｏ ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ａｃｔｉｖｅ ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ ｐａｓｓｉｖｅ ｒｏｂｏｔｓ．Ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｃａｔｅｇｏｒｙ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｆｈｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄｓ ｏｆ ｗｈｅｅｌ—ｌｅｇｇｅｄ ｒｏｂｏｔｓ ｉｎ ｆｕｔｕｒｅ ａｒｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｒｍｏｕｎｔｉｎｇ ｏｂｓｔａｃｌｅ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ；ｗｈｅｅｌ—ｌｅｇｇｅｄ；ｒｏｂｏｔ