陈相吕，钱俊泽，高兴源，任家昊，何振鹏
中国民航大学，天津 300300
摘要：可移动式无人机器人的设计与研究具有重要的意义。文章意在探索一种轮腿切换式越障机器人，该机器人由两块STM32控制，以舵机和电机作为运动部件，搭载有图像传输模块和红外传感器，能够根据路况的不同进行模式切换，并实时传输路况信息。单片机内部通过步态算法，实现机器人腿式模式平稳行进；四个轮子皆可转向，使得机器人能够适应各种复杂的路面。该研究所提供的轮腿切换式越障机器人能够为后续可移动式无人机器人领域提供一个良好的思路与方向。关键词：轮腿切换；步态；四足机器人 中图分类号：TP294 基金项目：本文系大学生创新创业训练计划项目“轮腿自动交换式越障机器人（项目编号：201910059003）”的主要研究成果。
0 引言
随着社会的进步和科学技术的发展，可移动式无人机器人开始在生活中扮演着各种各样重要的角，根据移动实现的原理不同，可以分为车辆移动式、履带移动式、迈步行走式、混合移动式等。履带移动式机器人拥有较强的通过能力，能够适应较为复杂的路面环境，但其体积笨重；车辆移动式机器人则普遍采用轮式结构进行移动，速度较快，但是其对路面的要求较高，越障性能差；迈步行走机器人一般是双足、四足、六足的构型，这种类型的机器人越障能力最强，但是普遍速度较慢，而且能量利用率低内病外治
［1］
。综上，可
考虑使用一种轮、腿混合式机器人来实现能量和越障性能的双高利用率。轮、腿混合机器人的具体实现结构类型主要有：以轮式移动为主且机械腿可以微调的机器人；轮子装在多足机器人腿末端的轮腿一体式机器人；通过机械腿运动带动无动力轮子旱冰式滑行的机器人；轮子装在机器人躯干上，机械腿和轮子分离的轮、腿机器人。通常来讲，轮、腿切换式的移动机器人一般只能在两种运行模式之间转换，但是在大多数情况下，两种模式的切换足以满足工作环境的要求。
轮腿切换式机器人的一个很大的难点就在于机器人在四足行走时的步态［2］
，此研究一直是仿生机器人
［2］
领域的研究热点。为此，本文的机器人借鉴
了很多先前关于仿生机器人
［2］
的研究，主要针对机
器人的行走稳定性，转弯性能以及轮、腿切换的性能进行研究。以期在进行轮式行进时，四个轮子都能够
烘干炉进行90°的转动，从而使机器人能够在更小的区域内完成更为复杂的运动；而进行腿式运行时，借鉴波士顿动力学工程公司“机械狗”的结构，设计成拥有12个自由度的腿式结构，使机器人能够拥有较强的越障性能。
1 机器人机械结构设计
1.1 机械结构方案的选取
1.1.1 折叠轮式轮腿切换方案
如图1所示，该方案的腿末端由舵机控制一组电机和轮子，在进行腿式运行时，舵机转动使轮子的外侧面接触地面，电机通过控制器短接刹车将轮子锁住，使轮子充当机器人脚底板。在进行轮式运行时，机器人的关节伸直，舵机转动使轮子侧面接触地面，电机通电驱动轮子转动使机器人移动，而机器人最顶部的关节能够旋转90°，可以实现机器人的转向；由于四个轮子都单独由电机驱动，且都能进行90°的转动，这使得机器人的转向能力大大提高，对路面的适应能力也变得更强。值得注意的是，此方案虽然能够使得机器人结构更加小巧，但是由于轮子的滚动面及侧面需要一定的摩擦力来支持行走，轮子在进行轮、腿切换时摩擦力较大，容易损坏舵机，而且电机太过接触地面，使得对路面的要求稍高。
1.1.2 收腿式轮腿切换方案
该方案如图2和图3所示，这种方案的电机和
相应的轮子设置在机器人大腿与小腿的连接处，与方案1相同，其每个轮子都由一个电机单独控制，而且每个轮子都能够在90°范围内转动，保证了轮式运行对路面的适应性程度。腿式运行同样由三个舵
机进行控制，12个舵机能够提供12个自由度，多自由度使机器人的越障性能更好，能够更好地适应复杂路面。机器人的轮、腿切换由腿上的舵机控制。例如，由腿式切换为轮式时，舵机将机器人的大腿和小腿向内收，小腿末端与机器人身体下底面接触，大腿、小腿和机器人身体构成三角形，三角形具有稳定性使得机器人运行更稳定，而此时大腿和小腿接触处接触地面，即轮子接触地面，从而实现机器人轮式运行，而机器人由轮式切换为腿式则同理。由此机器人便能够实现轮、腿运行。
1.1.3 方案的比较与选择
方案1：将机器人的轮子与腿放在一个系统上，由轮子底面充当机器人的脚底板，轮子的侧面用于轮式行走。此方案虽然能够使得机器人结构更加小巧，但是由于轮子的滚动面及侧面需要一定的摩擦力来支持行走，使得轮子在进行轮、腿切换时摩擦力较大，
容易损坏舵机；而且电机太过接触地面，使得对路面的要求稍高。
方案2：将机器人的轮子安装在大、小腿连接处即肘关节处，这种情况虽然会加大机器人部分腿部的长度，但是能够解决上述方案1中的对地形要求的问题，而且使得轮腿切换更为平滑顺畅。
因此，综合利弊，考虑选择方案2为最终方案。
窑炉技术1.2 机器人机械结构的设计
1.2.1 机器人腿式运行的机械结构设计与分析
为实现上述方案的结构设计，如图4所示，机器人一条腿拥有三个舵机。整个机器人采用12个舵机对机器人的腿部结构进行控制，每个舵机能够提供1个自由度，从而12个舵机能够为机器人提供12个自由度；舵机2和舵机3能够绕笛卡尔坐标系中的Y 轴转动，实现机器人的胳膊与肘关节的运动，如此，机器人能够实现直线方向的行走。而顶部设有舵机1，其能够实现绕笛卡尔坐标系中的Z 轴转动，从而能够实现机器人的转向。如此，12个舵机能够实现机器人行走及转向的功能。
图
1 折叠轮轮式结构图
图2 收腿式结构图
广谱抗菌素图
3 收腿轮式结构图图4 机器人舵机和电机分布图
舵机2
舵机3
电机
舵机1
空间3个自由度，与平面3个自由度不同。空间结构的自由度=所有活动构件自由度－所有运动副引入的约束数，其公式为：生态仪
F=6×n-5×P
5
-4×P4-3×P3-2×P2-P1
式中：n为活动构件数；P1、P2、P3、P4、P5分别为1~5级运动副个数。
图5为机器人的腿部结构。舵机1可以控制整条腿绕定轴转动，舵机2可以控制腿部绕与舵机1垂直的轴转动，舵机3是通过转动在轮子和腿之间转换，该三处均为转动副；
计算该机构的自由度：
n=3，P
5
=3
P
4
=P3=P2=P1=0
F=6×n-5×P
5
-4×P4-3×P3-2×P2-P1=3所以，该轮腿的自由度为3，分别由3个舵机控制每个自由度。2 机器人的电路设计
2.1 运动控制概述
在此方案中12个舵机的控制采用一块STM32单片机，将其称为底盘控制器，如图7所示。底盘控制器只负责接收主体控制器指令以及MPU6050陀螺仪数据来进行姿态计算以及空间位置的规划，以此输出PWM信号控制舵机。该控制板供电采用2S7.4V航模锂电池直接供电，避免大电流需要的高功率DC-DC 芯片。
图5 机器人舵机分布图舵机2舵机3
舵机1
1.2.2 机器人轮式运行的机械结构设计与分析
为了实现机器人轮式运行，舵机2和舵机3将机器人大腿与小腿蜷起，如图6所示，大腿、小腿及身体三部分构成一个三角形结构，三角形具有稳定性，从而使得机器人轮式运行更加稳定，电机设在机器人肘关节处，电机位置如图4所示，而顶部的舵机1绕笛卡尔坐标系中的Z轴转动，能够实现机器人轮式结构的转向，从而实现机器人的轮式运行。变结构轮腿式机器人兼有轮式行驶机构和腿式步行机构的优点［3］。
图
6 机器人轮式运行三角形结构示意图
图
7 底盘控制器
将另一块STM32单片机称为主体控制器，主体控制器负责与外界通信，接收外部控制指令，控制直流减速电机以及进行运动决策等操作。
该底盘控制器运行经典的对角步态算法［4］。因为在对角小跑步态下，为了实现机器人快速稳定的
直线运动，对角腿交替摆动，且髋关节需保持初始角度，规划的质心轨迹在对角支撑相的移动下沿直线移动，且移动距离与摆动相步长相同［4］，但是控制难度偏高。而采用的经典对角步态在每完成一个运动周期后都会
恢复到静止状态，虽然速度受到影响但是控制相对简单，后续二次开发主要在主体控制器上且仅需更改部分参数即可适应新加装的配件，可有效降低开发难度。
2.2 图像处理概述
由于设备机载单片机算力有限，该机器人将不在本地进行图像处理，图像由摄像头采集之后直接由5.8 G 图传系统发送回上位机，在上位机进行图像识别与处理，在经过降噪后可借助计算机的强大算力和简化yolov2进行目标检测，从而对图像进行实时的处理与分析，并将分析结果传给机器人，这避免了机载设备进行图像识别导致算力不足，或者机载设备进行处理导致较大功耗和发热的问题。
2.3 运作原理的框图说明
下面通过一个框图来总述此机器人电控系统的运作原理，框图如图8所示。首先以一个STM32单片机为主体，进行主体控制，其相当于生物的大脑，能够接收到遥控信号并发出相应的指令，能够接收图
传模块发出的信号并完成信号的处理，还能够通
过A4950驱动器完成对腿部4个电机的控制。由于STM32芯片串口个数的局限性，对舵机的控制需要额外使用一块STM32单片机，通过串口在两块单片机之间形成通信。而依旧以第一块为主体，充当生物大脑的功能，而第二块则充当生物脊椎的作用，仅完成对12个舵机姿态的控制；在两者之间通过串口传达控制指令和反馈指令。至此，两块STM32即可完成对机器人的全部控制。
3 结语
本文主要叙述了一种轮腿自动交换式越障机器人的设计，其包括身体、腿部运动系统、轮式运动系统、位置传感器系统以及核心控制系统。该轮腿自动交换式越障机器人的设计引入了轮腿切换式机构设计，拥有12个自由度，相较于传统机器人拥有适应性能强、可调节范围广、应用领域多的特点，可以适应不同地形地貌，代替人类完成复杂的甚至危险的工作。该机器人还配有一套人机交互的上位机系统，能够及时获得机器人第一时间的信息，并对危险情况进行判断，做出及时、正确的处理，更加安全可靠。该设计紧凑，可调节性高，耗材少，具有高性价比的特点。在机器人广泛应用的今天，该轮腿自动交换式越障机器人的设计将对一些高危工作提供有力的帮助，具有很高的研究价值和市场价值。
参考文献
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床与液压，2019，47（23）：41-46． ［2］吕志忠，张成维，钟功祥，等.一种四足磁吸附爬壁机器人运
动学分析及仿真［J ］.工程科学与技术，2020（2）：121-129.［3］徐坤.一种新型变结构轮腿式机器人的设计与分析.中南大
学学报（自然科学版），2009（S1）：91-101.［4］宋旺达，倪受东，马冬.4足机器人多步态规划与仿真［J ］.轻
工机械，2020（5）：43-48.羟甲基丙烯酰胺
图8 电控原理框图
减速电机
舵机控制陀螺仪
A4950驱动器
控制指令
反馈指令遥控信号
图像采集
图像发送
管理
STM32
主体控制
STM32底盘控制
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