具有俯仰可调整单元的闭链多足机器人设计 | CJME论文推荐

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引用论文

Ruan, Q., Wu, J. & Yao, Ya. Design and Analysis of a Multi-Legged Robot with Pitch Adjustive Units. Chin. J. Mech. Eng. 34, 64 (2021). https://doi.org/10.1186/s10033-021-00578-z

研究背景及目的

与轮式和履带式移动系统相比较，足式移动机器人具有突出的运动灵活性和复杂地形下的越障能力，在野外勘探、山地运输、灾后救援以及军事侦察等领域具有广泛的应用前景。然而，具有仿生特性的串联开链式机械腿的足式机器人控制复杂，承载能力弱且能耗相对较高，单自由度闭链机械腿式机器人克服了以上弊端，但是由于其足端轨迹相对固定，越障性能受到一定的制约，依然迟滞了其实用化进程。

串联开链机构式机械腿的每个关节均需布置伺服驱动元件，单腿具有三个或更多自由度，其优势在于自由度多，动作灵活，可完成复杂动作并实现较高的移动速度，劣势在于系统复杂度较高，刚性和负载能力较弱，限制了可靠性和实用性；并联机构式足式移动系统的优势在于高刚度和良好负载能力，劣势在于移动速度和驱动效率较低；闭链连杆式多足移动系统的优势在于充分发挥闭链连杆机构的少自由度和相应少动力机的特性，有效简化了控制系统，同时具有闭链机构的高刚度和良好负载能力。

研究目标是以闭链连杆式机械腿为构型基础，结合具腿组单元整体俯仰调整的功能，通过腿组整体仰起，大范围调整机器人的等效抬腿高度，从而以最小的复杂度代价换取大尺度障碍的越障性能，以期使闭链多足移动系统具备行走越障性。

试验方法 

搭建一台试验原理样机，分别进行高度为350mm的垂直障碍攀爬测试、以及20°纵坡坡面上进行行走测试。以理论分析得到的越障策略为基础，样机采用无线遥控的方式进行垂直障碍攀爬的操作控制。同时将俯仰调整单元的俯仰驱动进行锁定，此时机身可认为是刚体，进行同样工况下的行走作为对照试验。分别记录垂直障碍与纵坡越障的参数与实际性能，并与对照实验相对比得出实验结论。

结果

攀爬垂直障碍与纵坡的对照实验表明，采用具有整体俯仰调整单元的闭链多足移动机器人可进行大尺度障碍物的攀爬跨越。相比于刚性机身，其垂直障碍的越障能力由124mm提升至350mm，效果显著。

结论

(1) 面向越障性能，提出一种具有整体俯仰调整单元的少自由度闭链多足移动机器人。

(2) 基于运动学分析与闭链六杆机械腿的杆长尺寸优化，提出双足整体俯仰调整单元与四足整体俯仰调整单元，对两种方案的跨步长、跨步高以及机身高度起伏等参数进行比较，得到四足整体俯仰调整单元具有更好的性能。

(3) 提出垂直障碍越障的攀爬策略，并对其俯仰角度与对应可跨越的垂直障碍的尺寸对应关系进行了计算。与此同时，给出了基于碰撞概率的推荐俯仰角度曲线。

(4) 经过理论分析、虚拟样机仿真与机器人样机试验的结果对比，具有整体俯仰调整单元的闭链多足移动机器人跨越垂直障碍的能力达到了350mm，其纵坡跨越性能达到20°。

前景与应用

本文提出一种具备高越障性的闭链多足移动机器人，可以应用于对越障性能有较高要求的场合，如山地运输物流，在军事上可用于前线突击，以及军用物资补给等场合。

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[3] 颜鸿森. 姚燕安等译. 机械装置的创造性设计[M]. 机械工业出版社, 2002.

团队带头人介绍

姚燕安，博士，教授，博士生导师；北京交通大学机器人研究中心执行副主任，教育部载运工具先进制造与测控技术国防重点实验室执行副主任；教育部新世纪优秀人才，首届国防科技人才（军口杰青）；主持承担科研项目100余项（其中省部级以上40余项）；主持获2017年度教育部高等学校优秀成果奖技术发明二等奖、2013年度北京市科学技术三等奖、2018年度北京市科学技术三等奖；发表论文155篇（SCI/EI检索110篇，Best Paper 3 篇）；著作1部、参著3部、译著1部；获发明专利授权99项；培养研究生70人；成果转化开发出产品60余种；主要学术兼职：联合国教科文组织高等教育与产业合作教席（UNESCOChair）研究员，中国宇航学会无人飞行器分会导航与控制专业委员会委员，中国机械工程学会机械传动分会机构学专业委员会委员，中国机械工程学会机器人分会委员，国际机构与机器理论联合会（IFToMM）连杆与机械控制执行委员会委员，FME（SCI期刊）编委，北京化工大学兼职教授，山东科技大学兼职教授，中央美术学院兼职研究生导师。

团队研究方向

团队致力于新概念地面移动机器人的研究。在国际上提出“连杆式整体闭链移动系统”的原创概念，进行了系统理论研究、核心技术攻关以及工程产品开发，形成了具有鲜明学术特色的一个新方向；提出与现有机器人概念迥异的“几何机器人”科普概念和以几何机器人为载体的“MSEAP（将数学、科学、工程、艺术和哲学融合集成）”教育与研究理念，2013年获北京市青少年科技教育突出贡献奖。

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编辑：恽海艳   校对：向映姣

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