李满香 陈宁
唐山行者机器人有限公司 063000
摘要：传统设计模式的移动机器人配置形式单一，机构运动关系相对固定，无法在复杂的地质条件中快速通行。而作为一种新的机构形式，变胞机构能够瞬时使机器人的构件合并或者分离，机构构件数量与自由度数变化迅速，对不同地质环境有着极强的适应性，具有灵活性、稳定性的运动特点，本文将对变胞机构机器人做出研究与分析，探究其构型设计要点。
关键词：变胞机构；移动机器人；构型设计
引言：近年来，人工智能已经被广泛应用于各个领域，特别是机器人领域，机器人技术已成为行业研究热点，因行业的特殊性质，机器人需要在不同环境下执行高难度任务。从功能条件划分，机器人主要分为移动式和操作式机器人两种，移动机器人内的机器装置可自动执行特定任务，也能根据场景改变用于交通运输或者环境勘察等方面。
1.变胞移动机器人的工作环境要求
目前变胞移动机器人主要被用于执行事故灾难、自然灾难或者山体坍塌等一系列突发性事故的救援与勘察，设计出一款能够灵活穿梭于现场、可承重运载的移动机器人至关重要。分析事故现场对机器人提出的功能要求，主要包含以下几方面内容：在平整的地面可以快速通过，在阶梯和陡坡位置稳定匀速的通过；空载状态下能够高速行驶；可躲避或者直接跨越障碍物，必要时可垂直攀爬越过障碍物。在不同的构态下分析变胞移动机器人的工作原理，具体如下：（1）变胞源构态，可适应空载的工作状态。机器人变胞机构内自由度的变化会直接影响运动方向，设计机构时刻利用该特性对变胞机构最初运动方向加以控制。机器人源始构态可描述其常规构态，大小腿连杆和趾骨连杆有着相对独立的自由度，所以变胞移动机器人可以实现12个自由度的驱动运行。（2）第一构态，可适应凹凸路面的稳定运输。此时大腿与小腿连杆之间固接，杆件数量减少，这种情况下机器人可用于救援现场，能够在现场爬楼梯。（2）第二构态，适合用于地面上的高速运行。大小腿连杆形成直连杆，与移动平台平行，趾骨连杆和小腿连杆相连，履带行走轮组和机构趾骨并联，为机器人行走和转型提供足够的动力，使机器人运行更加平稳。（3）第三构态，适合用于障碍物跨越与垂直攀爬的环境。遇到山路地形时，机器人自身平台被太够，履带行走轮组可自动适应崎岖的地面。在深井环境下，移动几人将构态做出改变，使趾骨连杆转化为垂直的工作状态，履带轮组可以紧紧地贴着井壁，完成深井救援任务[1]。
2.变胞移动机器人的设计思路
2.1轮式变胞机器人
这种机器人机构简单且移动速度较快，变胞机构和轮式结构的综合解决了传统机器人对地形适应性较差的缺陷。一种可用于内线路巡检机器人，机器人内部包含机械系统和驱动控制系统，在巡检过程中越障性能较强，可稳定行走。没有障碍物时，机器人和线路属于啮齿行走状态，出现障碍物时，机器人前后夹紧轮被打开，行走轮停止运转，并在驱动作用下，行走轮沿着内齿轮开始爬升运动，在一定的推力作用下完成越障。
2.2履带式变胞机器人
该机器人主要以履带作为行走机构，履带和地面之间的接触面积比较大，且对地面压力比较小，可终于国防与军事领域。比如雪豹系列排爆机器人就是双固定履带式机器人，其负重能力与越障能力很强。这种机器人的构型变换需要与其他机构进行联合设计，未来可变性设计将成为履带式机器人的重要发展趋势，在变胞结构的应用下该机器人将转为特种移动机器人。
2.3足式变胞机器人
与平面构态的机器人不同，足式变胞机器人关键设计十分复杂，躯干要不可进行俯仰动作，能够适应起伏地形条件，这类机器人对环境的适应能力很强，可步态协调性很高。足式变胞机器人的设计关键在于躯干位置，关节与运动副的设计决定其复杂程度，经过躯干创新设计提升机器人机架性能，丰富运动功能，使机器人身上集中了多种类型生物的运行速度和运动灵活性。
3.变胞移动机器人的构型设计
3.1驱动方式
机器人在连续运动期间，机构的约束方式会不断发生变化，此时源构件会产生分离与合并变化，变胞机器人的类型丰富，结构设计充满个性化，使其驱动方式也与传统机器人有着较大差别。轮式巡检机器人的重构方式需要内外齿轮和行星轮驱动相互配合，通过齿轮相互啮合传递动力，使机器人平稳运动，且运动期间结构紧凑。多足机器人的机身等效机构即杆件与关节部分属于特定机构，在地面移动期间，等效机构可以变化。北京航天航空大学的研发团队了设计了一款六足机器人，其运动模式是串并联混合机构经过发展与变化产生的结果。机器人在步行中由等效机构构成，在提升机器人环境适应能力的同时，也提高了机器人整机性能。目前变胞移动机器人可用于崎岖山路救援任务，机器人的驱动方式主要由履带、橡胶带花纹以及电机轴实现，机器人牵引力与输出扭矩为其带来较强的攀爬能力，利用子爬行器完成多种驱动模式下的运行。
3.2构型设计
以变胞原理为基础设计的移动机器人，同传统意义上的移动机器人有着显著的不同，特别是工作原理上，为了说明变胞机器人的工作原理，需绘制其移动机构的简图，如图1所示。图中的移动机器人共有3个自由度，这属于履带式机器人与足式机器人的综合体，主要由4个变胞机械腿组成。从1至4几部分分别代表着胯骨平台、大腿连杆、小腿连杆、趾骨连杆。
.png)
基于仿生构型设计原则，在生物运动机理的基础条件下，实现变胞机器人结构和功能的实践应用。对机器人采用链式机构集，其中分别包含8个刚性构建与转动关节，8杆单环机构可突出四足机器人的躯干可重构优势。遵循组合构型设计原则，按照已知的结构对可以协同作业的机器人进行足够构型设计，比如仿生与医疗机器人团队研发出变胞爬行机器人RSTAR，机器人横臂可实现车轮倾斜与轴部旋转，机器人共四个伸缩机构，车轮处支持自动调整，使其外形与尺寸发生改变，经过自我变形完成协同工作，在工作期间克服障碍或者穿越不同地形。
反转构型和个性化构型设计原则也是当前变胞移动机器人的设计方法，无论是协同，还是扭转动作都可用于机器人设计，通过躯干敢接的变化，完成机器人内部空间优化配置，改变驱动关键相对位置，调整机构刚度与形态，使机器人可以更加真实的模仿不同生物，并将所有生物优势集于一身，为后续机器人的智能化发展奠定基础[2]。
总结：总而言之，上世纪末人们提出了变胞机构，经过多年的发展，变胞机构已经被熟练的应用于移动机器人领域内，这使变胞机器人一度成为前沿学科。经过变胞机构的优化设计，变胞移动机器人在运动期间能够根据场景的变化转变自身结构，提升轮式机器人、履带式机器人以及足式机器人对环境的自适应能力，强化机器人内部变胞机构的协调性。
参考文献：
[1]王亚伟. 基于变胞原理的移动机器人的设计与研究[D].沈阳工业大学,2019.
[2]郑书勤. 基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人的机构设计与分析[D].电子科技大学,2018.