哈薩克斯坦納扎爾巴耶夫大學(xué)研究團隊推出可變直徑車輪移動機器人
毅力號火星車等輪式移動機器人（WMRs），以車輪為唯一移動方式，專為平坦和崎嶇地表移動設(shè)計，因其高度通用性和環(huán)境適應(yīng)性，在農(nóng)業(yè)、國防、工業(yè)、物流、緊急搜救乃至行星探測等多個領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。
然而，面對樓梯、臺階和陡坡，WMRs常因結(jié)構(gòu)限制難以應(yīng)對。對此，大多數(shù)研究人員嘗試通過改裝提升其多功能性和穩(wěn)定性。一般來說，WMRs的改裝主要有兩種方法：
一是加裝混合機制，如輪式、履帶式和腿式，形成地形自適應(yīng)移動機器人（TAMRs）。TAMRs在輔助機構(gòu)幫助下，具備高機動性，能根據(jù)地形調(diào)整形態(tài)，保持高效移動。但TAMRs設(shè)計和控制復(fù)雜，存在需大量執(zhí)行器，且靜態(tài)穩(wěn)定性不足等問題。
另一種方法是使用可變形結(jié)構(gòu)。車輪尺寸的最優(yōu)選擇對于應(yīng)對多變地表、復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)航、確保穩(wěn)定性及優(yōu)化能耗具有重要影響。可變直徑WMR通過嵌入異形主動/被動機構(gòu)，能夠調(diào)整車輪直徑適應(yīng)不同地形，并優(yōu)化速度、提升能源利用效率和機動性。但目前，大多數(shù)可變直徑WMR系統(tǒng)只能進行越障等單一應(yīng)用，在執(zhí)行器多的同時，還犧牲了多功能性，增加了復(fù)雜性和輪廓。
針對這一問題，來自哈薩克斯坦納扎爾巴耶夫大學(xué)的研究人員進行了深入研究，并提出了一種名為“Improbability Roller”的移動機器人。
該機器人配備了兩個可變直徑的車輪，能夠動態(tài)調(diào)整車輪直徑，且使用僅三個執(zhí)行器便可實現(xiàn)前進/后退、轉(zhuǎn)向及獨立調(diào)節(jié)車輪直徑，從而在不同地形和任務(wù)間無縫切換。
同時，機器人采用了電纜驅(qū)動的驅(qū)動機構(gòu)，可在0.74秒內(nèi)閉合車輪，是該領(lǐng)域最快的驅(qū)動機構(gòu)，這增強了其對不可預(yù)見環(huán)境和操作要求變化的響應(yīng)能力。為驗證性能，研究團隊開發(fā)了一個運動學(xué)模型來分析機器人的運動學(xué)特性，以確保能準(zhǔn)確預(yù)測不同輪徑下的行為。
此外，研究團隊還制定了一個開環(huán)控制策略。該策略允許機器人根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)進行移動、轉(zhuǎn)向和調(diào)整輪徑等基本操作。在實行開環(huán)策略的情況下，研究團隊通過跟蹤不同速度下的軌跡，團隊驗證了該方法的有效性。
值得一提的是，為了驗證機器人性能，研究團隊還進行了一系列實驗驗證，包括軌跡跟蹤測試、直徑調(diào)整速度測試、轉(zhuǎn)向角效應(yīng)測試、爬坡能力測試和能效測試，以評估導(dǎo)航精度、輪徑變化響應(yīng)時間、轉(zhuǎn)向角度影響、坡度性能和能源消耗。
“Improbability Roller”機器人的設(shè)計與制作融合了機械設(shè)計、運動學(xué)建模、開環(huán)控制和嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)等多個技術(shù)辦款。
在機械設(shè)計方面，“Improbability Roller”機器人的機械設(shè)計引入了可變直徑車輪機制，突破了傳統(tǒng)固定直徑機器人的局限。該機制通過伸縮桿、可擴展輪轂和柔性結(jié)構(gòu)的組合，實現(xiàn)了車輪直徑的動態(tài)調(diào)整，不僅增強了機器人與地面的接觸面積，提升了牽引力和穩(wěn)定性，還實現(xiàn)了機器人的超強地形適應(yīng)能力。此外，機器人底盤作為整個結(jié)構(gòu)的支撐基礎(chǔ)，采用了輕量且堅固的設(shè)計，以確保在承受操作負載的同時保持高效移動。
機器人車輪的設(shè)計靈感源自NASA的可折疊太陽能陣列項目，采用了類似的可擴展框架。具體來說，車輪由多個通過三個關(guān)節(jié)連接的子鏈接段組成，每個子鏈接段都支持車輪的平滑地擴展和收縮。車輪直徑的動態(tài)變化則依賴于固定在每個子鏈接段中部關(guān)節(jié)上的線性桿，這些線性桿通過線性軸承滑動。當(dāng)對連接在關(guān)節(jié)上的字符串施加拉力時，會產(chǎn)生向車輪結(jié)構(gòu)中心拉動的力，從而實現(xiàn)車輪直徑的調(diào)整。為了快速且高效地實現(xiàn)這一調(diào)整過程，研究團隊特別設(shè)計了一個由齒輪電機驅(qū)動的滑輪系統(tǒng)。
在運動學(xué)建模方面，為了描述機器人在實際環(huán)境中的運動狀態(tài)，研究團隊為“Improbability Roller”機器人構(gòu)建了精確的運動學(xué)模型。該模型全面考慮了機器人的位置、高度、方向角等關(guān)鍵參數(shù)，并深入剖析了車輪半徑與車輪變形電機角速度之間的關(guān)系，考慮了驅(qū)動電機的齒輪比，以及機器人線性速度和角速度的計算方法。通過這一模型，研究團隊能夠準(zhǔn)確預(yù)測機器人在不同控制輸入下的運動軌跡，這為后續(xù)控制策略的制定提供了有力支持。
在開環(huán)控制方面，研究團隊基于運動學(xué)模型，為“Improbability Roller”機器人量身定制了開環(huán)控制策略。該策略通過預(yù)定的軌跡配置文件來指導(dǎo)機器人的運動，實現(xiàn)了軌跡跟蹤和遠程操作模式的雙重功能。操作員可以實時提供線性速度和轉(zhuǎn)向角的參考值，系統(tǒng)則通過運動學(xué)模型將這些參考值轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器命令，從而實現(xiàn)對機器人的精準(zhǔn)控制。
在嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)方面，“Improbability Roller”機器人采用了Arduino Mega2560微控制器作為主處理單元，并配備了先進的電機驅(qū)動器、無線通信模塊和電源系統(tǒng)。這一架構(gòu)不僅確保了機器人能夠高效接收并執(zhí)行高級命令，還實現(xiàn)了與Dynamixel齒輪電機的無縫連接和多點網(wǎng)絡(luò)通信。同時，2.4GHz無線攝像頭運動捕捉系統(tǒng)的加入，進一步提升了機器人的遠程操作精度和軌跡跟蹤能力。整個系統(tǒng)由高性能的LiPo電池供電，并通過降壓轉(zhuǎn)換器確保電壓穩(wěn)定，為機器人的持續(xù)運行提供了可靠保障。
為了評估“Improbability Roller”機器人的開環(huán)軌跡跟蹤、車輪的打開和關(guān)閉速度、不同轉(zhuǎn)向角下的性能、不同車輪尺寸的爬坡能力以及各種條件下的成本運輸指標(biāo)，研究團隊進行了一系列實驗來進行基準(zhǔn)測試。
該實驗旨在驗證“Improbability Roller”機器人車輪尺寸變化的快速性和穩(wěn)定性。相較其他驅(qū)動機構(gòu)，利用電纜滑輪機制的“Improbability Roller”機器人，能夠在極短的時間內(nèi)（0.74秒）將車輪尺寸從最大直徑調(diào)整至最小直徑。這種快速的致動能力對于機器人在實時適應(yīng)環(huán)境和障礙方面至關(guān)重要。實驗還顯示，在車輪從擴展?fàn)顟B(tài)變形至壓縮狀態(tài)時，電機電流消耗達到峰值（約1A），而在返回至默認(rèn)（擴展）狀態(tài)時，由于利用了彈性字符串中儲存的勢能，電機電流消耗降低至約0.6A。
該實驗旨在評估機器人的軌跡跟蹤精度和轉(zhuǎn)向性能。“Improbability Roller”機器人配備了獨特的轉(zhuǎn)向機制，可通過獨立調(diào)整兩個車輪的直徑來實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)向角。研究團隊在不同速度和復(fù)雜軌跡下對機器人的轉(zhuǎn)向性能進行了全面評估。實驗結(jié)果顯示，機器人在S形軌跡、復(fù)雜路徑和直線加圓形軌跡等多種軌跡上均表現(xiàn)出了出色的軌跡跟蹤精度。同時，通過比較實際軌跡與模擬軌跡的均方根誤差（RMSE），研究團隊進一步驗證了機器人在真實世界應(yīng)用中的潛力。
該實驗旨在驗證機器人在不同坡度上的穩(wěn)定性和越障能力。可變直徑車輪使“Improbability Roller”機器人在爬坡能力方面表現(xiàn)卓越。通過調(diào)整車輪直徑，機器人能夠控制其質(zhì)心位置，從而增強在斜坡上的穩(wěn)定性和平衡性。實驗結(jié)果顯示，隨著車輪直徑的減小，機器人的爬坡能力顯著增強。在車輪直徑為225mm時，機器人甚至能夠成功攀爬高達37°的斜坡而不發(fā)生滑移。
在現(xiàn)實場景實驗中，研究團隊模擬了多種復(fù)雜地形和任務(wù)場景以全面評估“Improbability Roller”的實際應(yīng)用潛力。機器人成功攀爬了高度為130mm的樓梯、穿越了寬度僅為240mm的狹窄空間，并在20秒內(nèi)連續(xù)完成了這三項任務(wù)。此外，機器人還在松散的碎石、草地、巖石和雪地等多種地形上展現(xiàn)了其出色的地形適應(yīng)能力和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向性能。在最大負載實驗中，機器人更是承載了超過自身重量的額外4公斤負載，且車輪仍未發(fā)生變形。
該實驗旨在評估機器人在不同車輪尺寸和速度下的能耗表現(xiàn)。研究團隊采用成本運輸（CoT）指標(biāo)評估了“Improbability Roller”機器人在不同車輪尺寸和速度下的能耗效率。實驗結(jié)果顯示，在平坦地面上行駛50m的距離時，機器人的CoT值隨著速度的增加而降低，表明機器人在高速行駛時更加節(jié)能。然而，車輪變形電機在維持中間和較小車輪直徑時需要消耗更多的能量，因此機器人的整體能耗效率受到了一定影響。這一發(fā)現(xiàn)為后續(xù)優(yōu)化機器人的能耗管理提供了重要參考。
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