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基于变胞机构的移动机器人构型设计分

析

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

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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

[1]

带轮组可以紧紧地贴着井壁，完成深井救援任务。

1.

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