轮翼复合机器人运动模式研究

王 雄，田佳乐

（榆林学院，榆林 719000）

0 引言

作为智能制造的典型产品，机器人被广泛的应用于生产生活中。如果机器人没有较好的地面适用能力，那么机器人将很难完成任务，这就对其运动灵活性和环境适应性提出了更高的要求[1～3]。

复合机器人能够根据所处环境的变化而灵活应用自身的结构，得到了国内外研究者的广泛重视[4]。复合机器人包括轮-腿式复合机器人、轮-履式复合机器人、腿-履式复合机器人、腿-轮-履复合机器人、球-轮复合机器人、轮-翼复合机器人等。其中轮翼复合机器人融合了轮式高速高效的特点和旋翼飞行器的空域适应能力而备受关注。较为典型的代表是2009年美国Terrafugia公司研制了陆空两用变形车Terrafugia Transition[5]，可在高速公路上行驶，又能在天空中飞行。2017年2月俄罗斯Hoversurf公司设计制造了Scorpion-3[6]，Scorpion-3是一款消费级四旋翼飞行摩托，它的承载重量300kg，最高速度70km/h。2017年3月Airbus公司发布了智能概念车Pop.Up[7]，由胶囊状座舱、带轮底盘、无人机三部分组成。地面行驶转为飞行时，四螺旋桨无人机飞来与客舱接合，带着客舱脱离底座起飞。

在现有轮翼复合机器人中，车轮和旋翼组合方式基本上采用了简单机械组合，且部分机器人运动需要空间较大，并不灵活。因此，榆林学院科技活动中心以新型的旋翼复合轮为基础，设计了一种适应不同环境的轮式和飞行可互换的复合型机器人YLROBOT-V。YLROBOT-V具有较强环境适应能力，可转换为车型结构，轮式行走，提高运动速度及平稳性；也可转换为飞行结构，原地起飞进入空域。本文对YLROBOT-V机器人的结构和运动特性进行阐述，研究运动模式，最后通过样机的实验验证，证实了YLRT-V运动的可行性。

1 YLROBOT-Ⅴ

如图1所示。YLROBOT-Ⅴ的机械结构由4个旋翼复合轮、2个模式转换装置和1个底板构成。轮翼复合轮用车轮和旋翼组合设计，旋翼置于车轮内，车轮转动由直流减速电机通过同步带传动，旋翼由同轴的无刷直流电机驱动。旋翼复合轮安装于模式转换装置上，模式转换装置由舵机驱动，舵机安装于底板上。模式转换装置用于轮式运动模式和飞行行驶模式的转换。

图1 YLROBOT-Ⅴ

图2 控制系统

机器人采用集中式控制系统，由控制器Arduino Mega 2560对电机进行控制。轮式运动采用直流减速电机进行驱动，飞行行驶通过无刷直流电机进行驱动，而模式切换装置采用大扭矩舵机进行驱动。轮式运动的车轮通过1号、2号、3号和4号直流减速电机驱动，分别对应左前轮、右前轮、左后轮和右后轮。飞行行驶的旋翼通过1号、2号、3号和4号无刷直流电机驱动，分别对应右前旋翼、左前旋翼、左后旋翼和右后旋翼。模式转换装置由大扭矩舵机进行驱动，1号舵机对应左侧模式转换装置，2号舵机对应右侧模式转换装置。

2 轮翼复合机器人运动控制

机器人的运动通过脉冲宽度调制（PWM）进行控制。改变PWM占空比，即电机电枢电压接通时间与通电周期的比值，从而控制轮式运动模块和飞行行驶的电机速度，以及模式转换的姿态。

2.1 轮式运动模式

在轮式运动时，通过控制4个直流减速电机的正反转来控制运动方向。假设正转为前进，反转为后退，机器人主要有五种运动状态，前进、后退、停止、左转、右转。其中前进、后退和停止控制方式类同，本文以前进为例进行说明。坐转、右转控制方法类同，本文以左转为例进行说明。

设电机持续接通电源的最大转速为vm，占空比为D，则电机平均速度v：

2.1.1 前进

4个直流电机以相同的速度v正转，则机器人前进。运行距离s为：

2.1.2 左转

1）原地左转

左测车轮后退，右侧车轮前进，机器人原地逆时针旋转，运动示意俯视图如图3所示。

图3 原地左转

机器人在t=0时刻位于A1点，经过时间t后机器人转动到A2点，从A1到A2的位移s为

机器人俯视为正方形结构，边长为d，则：

可得：

即原地旋转的角度θ为：

2）差动左转

左侧车轮速度为v1，右侧车轮速度为v2，v2>v1。将轮子等效为点，参考图3可得运动示意图如图4所示。

图4 差动左转

机器人在t=0时刻位于A1点，经过时间t后机器人转动到A2点，左侧车轮位移s1为：

可得：

右侧车轮位移s2为：

可得：

显然，机器人航向角变化即为θ，则：

移动的距离s近似为：

2.2 飞行行驶模式

机器人处于飞行行驶模式时，工作原理与一般的X型四旋翼飞行器类似。四旋翼飞行器旋翼产生的升力大小靠自身转速控制。为了使飞行器平稳的起飞，就要抵消旋翼在旋转时所产生的扭力矩，即对角线上交叉对应的两个旋翼的旋转方向相同，相邻旋翼旋转方向相反，X型四旋翼飞行状态如图5所示。

图5 X型四旋翼

飞行模式主要有五种运动状态，悬停、垂直运动、偏航运动、俯仰运动、翻滚运动。通过控制无刷直流电机的转速来控制运动，而电机的转速控制方法与轮式运动时相同。需要说明的是，本文均指理想状态。在实际场景中，外部环境干扰引起的误差不在本文讨论范围之内。

旋翼拉力与旋翼直径、螺距、浆宽度、转速和大气压力等有关系，将其余量的乘积用系数k表示，则粗略估算单个旋翼的拉力F。

2.2.1 悬停

每个电机带着螺旋桨转动的时候会产生一个向上的提升力以及转动方向相反的反扭矩力，当两个对角轴产生的反扭矩力相同时能够相互抵消，进而保证航向的稳定。与此同时，4个电机产生的向上提升力总和等于机器人本身重力时，机器人即可悬停于空中。即M1、M2、M3和M4产生升力等于重力。机器人质量为m，即：

则每个电机转速v：

2.2.2 垂直运动

在悬停的基础上继续保证反转扭矩相互抵消，增加总提升力使其大于重力，就能垂直上升，而减少总提升力使其小于重力，就能垂直下降。即M1、M2、M3和M4在保证速度已知的情况下，同时增速或减速，机器人会上升或下降。以垂直向上运动为例：

则垂直向上的加速度a：

2.2.3 偏航、俯仰、翻滚运动

偏航、俯仰、翻滚运动和垂直运动类似。偏航时保持总提升力与重力相等，当顺时针反转扭矩大于逆时针反转扭矩时，即M1和M3减速，M2和M4增速，机器人顺时针偏航。反之，机器人逆时针偏航。

俯仰运动即前后运动。当M1和M2减速，M3和M4增速，产生水平向前的分力，机器人会在水平力作用下向前移动，即前俯。反之，则机器人后仰。

滚转运动即侧向运动，当M2和M3增速，M1和M4减速，机器人会往右滚转，进而向右侧移动。反之，机器人会往左翻滚。

以顺时针偏航为例，速度变化量为Δv，M1和M3速度为：

M2和M4速度v″为：

2.3 运动模式转换

模式转换就是发送PWM控制信号给舵机，使其达到预期转角，从而控制姿态。显然，两种运动模式转换需要舵机90°的变化。

Arduino Mega2560是8位控制器，其数据分辨率为256，将其划分为256份。舵机控制的高电平时间为0.5～2.5ms，脉冲宽度为2ms，则可确定 PWM的控制精度为7.8125μs，故舵机转动与定位以7.8125μs为单位递增控制。由舵机的极限转角185°可知，每一脉冲将产生0.72265625°的转角，则以0.72265625°作为舵机的控制精度。舵机转动的角度为：

PWM高电平的宽度为：

高电平宽度为1.473ms。

3 轮翼复合机器人运动实现

YLROBOT-V重量为2kg，轮式运动和模式转换在榆林学院科技活动中心验证，飞行行驶在榆林学院操场进行验证。

3.1 轮式运动验证

机器人轮式运动时，共有5个状态，将上述流程编制算法，在榆林机器人轮式运动状态时进行实验验证。前进、后退、左转、右转和停止均可顺利完成。图6展示机器人前进和原地左转的运动状态。

图6 轮式运动验证

3.2 飞行模式验证

控制器输出PWM信号控制电机，飞行模式验证成功。图7展示机器人从起飞、上升到空中悬停，最后接触地面的状态。

图7 飞行行驶验证

3.3 模式转换验证

模式转换指轮式运动状态与飞行行驶状态的相互转换。调节PWM脉冲宽度，通过控制舵机的旋转角度使机器人达到预想姿态，图8展示机器人轮式运动模式转换到飞行行驶模式的变化过程。

图8 模式转换验证

4 结语

轮翼复合机器人YLROBOT-V可完成轮式运动和飞行行驶且两种运动模式转换方便。实验结果表明：

1）机器人可原地起飞，克服了起飞需要空间比较大的缺陷。

2）机器人采用了旋翼复合轮，在适应较为复杂环境的同时解决了复合方式复杂的问题。

本机器人具有广泛的应用前景，其控制方法可为其他机器人的研究提供参考。