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    • 论文
    主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

    研究提出适于月面极端地形的爬-滚机器人设计方案

    2021-03-24   来源:机械工程学报   作者:张元勋

    作者:张元勋, 黄泽东, 韩亮亮, 谷程鹏, 张文奇

    作者单位:重庆大学航空航天学院;重庆大学教育部深空探测联合研究中心;重庆大学机械工程学院 ;上海宇航系统工程研究所;中国航天科技集团有限公司空间结构与机构技术实验室

      

    月球地表环境恶劣,要求探测机器人具有极高的稳定性和可靠性。

      

      轮式和腿式构型相结合是星表机器人构型研究的方向之一。目前大多数轮腿式机器人构型方案采用在腿式机器人的腿部添加一个驱动轮,轮和腿结构和功能互相分离的策略,这种设计增加了驱动电动机数量,控制难度较大。

      

      一个由重庆大学、上海宇航系统工程研究所、中国航天科技集团的科研人员组成的研究团队提出一种兼有快速通过性和良好环境适应性的爬行滚动一体化机器人设计方案,通过机器人6条腿的形态变化,实现爬行和滚动两种运动模式。这种机器人与传统的轮腿式机器人相比,自由度更少,便于控制。

      

      爬-滚机器人包括前腿、中腿、后腿、躯体、控制器、辅助腿组件、电池等零部件。机器人躯体平台为长方体结构。前腿、后腿为两自由度的关节连杆串联结构,中腿为三自由度关节连杆串联结构,六条腿对称布置于躯体平台两侧。

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      爬-滚机器人设计方案


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      机器人辅助腿组件

      

      在爬-滚机器人整体设计方案中,腿组件主要有关节驱动模块、连杆、圆弧形腿足等零部件。关节驱动模块有伺服电动机、蜗轮蜗杆传动件,具有较好的承载能力和自锁性能。机器人六条腿对称交替布置,腿足采用圆弧形结构。电源、控制器、传感器集中布置于躯体围成的腔体内,便于防护设计。整个机器人共15个自由度,由15个伺服电动机独立控制,相比目前已有的爬行类、轮腿式机器人,驱动自由度较少,控制简单,结构紧凑。

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      机器人在不同环境中的运动模式

      

      在多数环境中,机器人采用基础运动模式,利用6个爬行腿交替运动完成爬行,可以获得较好的稳定性和地形适应能力。在需要执行快速移动的任务时,如平坦路面或下坡路段,通过调整机器人腿的形态,可切换成滚动模式,在辅助腿的推动下向前滚动,实现快速移动。

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      辅助腿推动机器人滚动过程

      

      机器人处于滚动模式时,如图所示,图a表示机器人辅助腿就位,此时辅助腿的末端连杆刚触地;图b表示辅助腿工作状态,此时辅助腿电动机继续施加力矩,辅助腿的末端连杆施加机器人反向作用力,不断提高机器人的速度,当辅助腿上双摇杆机构伸展到极限时,辅助腿离开地面,机器人在惯性作用下向前滚动;图c表示辅助腿离地时的状态,此时辅助腿电动机继续施加力矩,辅助腿的连杆逐渐收回;图d表示机器人收回辅助腿的状态,在滚动结束后辅助腿回到初始位置,准备下一次推动机器人滚动。辅助腿通过上述运动,实现曲柄摇杆机构上布置的电动机仅沿一个旋转方向转动,而双摇杆机构能往复拨动,具有较大的伸缩比和推动力。

      

      研究人员在对爬-滚机器人构型分析的基础上,建立了单腿正逆运动学模型,以运动学为基础,基于足端轨迹规划设计了爬行模式下机器人直行、原地转向步态;结合非结构地形的特殊性,通过尺寸和力约束条件分析了机器人滚动模式下的最大爬坡角和最大越障高度。

      

      基于ADAMS软件对机器人爬行模式直行、原地转向,滚动模式爬坡、越障等运动行为进行了模拟,并搭建了机器人移动试验平台,对机器人样机在实验室环境中进行了测试,仿真和试验证明了该设计方案的适用性和可行性,为后续特种探测机器人的研究提供借鉴。


      责任编辑:宫在芹

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