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轮履复合式移动机器人设计及运动模式分析

摘要：移动机器人作为目前的研究热点，针对单纯轮式机器人和单纯履带式机

器人的缺点提出一种轮履复合式移动机器人，分析了轮履复合式移动机器人设计

结构及运动模式，提出了轮履复合式移动机器人未来的发展方向。

关键词：轮履复合式；移动机器人；运动模式

1前言

轮履复合式移动机器人将轮式与履带式行驶方式相结合，克服了纯轮式避障

越障能力差和纯履带式速度慢、功耗大的缺点，不仅能够保持较高的自适应性和

通过性，而且能够保持较快的行驶速度，在军事侦查、空间探测等领域发挥着重

要作用。

2总体结构设计

机器人基本结构是由四个车轮、四个履带腿和车体构成的三节式复合结构，

采用对称设计，由四个结构尺寸相同的运动单元对称分布在车体两侧形成，每个

运动单元包括一个履带腿机构和一个驱动轮机构。四个履带腿均配置在驱动轮内

侧，不仅能实现履带腿自身的旋转传动，还能使履带腿整体绕驱动轮中心轴摆动。

3分系统设计

3.1控制系统设计

控制系统是机器人行走、越障等模式实现的核心。控制系统主要由两个CPU

构成，其中主CPU采用的是Cortex－M3作为内核，主要实现舵机控制和相关数

据的获取处理，主CPU还通过无线模块NRF24L01与上位机PC进行通讯。辅助

CPU主要实现红外传感器数据获取以及障碍物的判断，此外通过红外控制器编解

码实现移动机器人自主运行和手工控制运行两种方式的无缝切换。

本设计采用的舵机是CDS系列机器人舵机，proMOTIONCDS系列机器人舵机

属于一种集电机、伺服驱动、总线式通讯接口为一体的集成伺服单元，该系列舵

机具有位置、温度、速度、电压反馈。由于舵机接口只有一个信号线接口，具备

接收和发送的功能，而LPC1768开发板的UART0信号线管脚分为发送端TXD

（P0．2）和接收端RXD（P0．3）两个信号接口，所以要使用74HC126数据缓冲

器来辅助进行数据的传输。使用两组74HC126数据缓冲器将舵机信号线接收和发

送功能分开至LPC1768核心的UART发送端TXD（P0．2）和接收端RXD（P0．3）

管脚，并使用两个IO口管脚（P1．0和P1．1）控制数据的收发。

3.2传感器系统设计

对障碍物的识别是实现越障的重要前提，而传感器系统是障碍物识别的核心

系统。本移动机器人的设计采用了HC－SR04超声距离传感器和夏普

GP2Y0A41SKOF型红外测距传感器来识别周围的环境信息，并通过这两个传感器

数据进行障碍物识别。采用GY85九轴传感器（包含HMC5883L电子罗盘、

ITG3205陀螺仪）来进行角度定位，3144里程计来确定移动机器人行走的距离。

超声距离传感器位于移动机器人的正前方，且配有一个可以旋转的云台，通过云

台的旋转可以探测到左、左前、前、右前、右五个方向的距离，探测范围为

30cm到300cm，主要探测距离移动机器人较远的环境参数，该移动机器人还有

配备有四个红外距离传感器，分别放置于移动机器人的左、右、前左、前右四个

方位。红外传感器探测范围为3cm到30cm，主要探测距离移动机器人近处的环

境参数。移动机器人的位置信息由陀螺仪、电子罗盘、里程计经过数据融合确定。

主CPU主要实现超声、里程计、红外传感器、九轴传感器相关数据的获取处理。

为了实现获取移动以其人前方180°的障碍物信息，超声传感器架在一个云台上，

云台通过一个舵控制其旋转。其中超声传感器数据获取，云台数据获取均是通过

软件中断实现控制。GY85九轴传感器（陀螺仪和电子罗盘）通过IIC获取数据信

息。两个3144里程计分别使用两个外部中断来进行计数。

4运动模式分析

移动机器人的轮履复合结构为其提供了多种运动模式，除了具备一般机器人

的运动能力外，其运动特性主要体现在越障能力上。由于该机器人装有四个独立

摆动的履带腿，通过不同的摆动关节角控制可以实现不同的越障姿态，更加灵活、

适应性强。

4.1轮式运动

当机器人需要长距离快速高效移动时，机器人四个履带腿上摆，四个驱动轮

着地，可以减少占地空间，减小摩擦，实现前进、后退、转弯的灵活运动。

4.2腿式运动

该结构可实现机器人在非结构环境下的越障运动，通过控制履带腿的关节角，

增加车体净空高度，实现腿式摆动，提高越障能力。

4.3履带运动