面向灾害救援的轮腿变形机器人设计

图1技术路线图
本机器人主要由机械系统和控制系统两大部分组成，其中机械系统包含驱动系统、转动轮、底盘和操作臂，
系统包含传感检测系统、遥操作计算机和自主控制系统。

传感检测系统负责检测感知环境变化情况，主要由摄像图2系统组成图
图3变形过程示意图
进一步的将整个变形过程进行面向实际情况的详细设计，运用三维设计软件设计模型。

如图4中的左图所示，变形轮均分为三部分，整体呈现圆形结构。

在1和3之间通过圆柱形的变形电机连接，在1和2之间通过安装于1上的舵机转动连接，2和3之间则是机械限位。

对比图4中的右图可以发现，整个变形轮结构紧凑、轻巧，三部分分别为框架结构大大减轻整体重量。

整个变形轮共有两个驱动源，分别是变形电机和舵机，变形电机与蓝色部分固定连接，可以驱动黄色部分相对蓝色部分转动；舵机固定于蓝色部分的舵机支架上，可以驱动红色部分相对于蓝色部分转动。

变形轮中间部分可以与机器人本体的电机相连，电机转动可以带动变形轮的转动来完成机器人的快速移动。

图4变形轮结构
变形完成后，如图5所示。

变形轮中的1变为腿部结构的大腿，即蓝色部分，2变为腿部结构的小腿，即红色部分，3则成为收拢臂，为黄色部分。

行走过程中依靠大腿和小腿及其驱动电机配合完成，类似于简单的人体腿部结构。

当需要迈步前进时，位于原来变形轮中间和机器人本体的驱动电机驱动大腿和小腿抬起，原来的舵机驱动小腿相对于大腿抬起，两种动作结合完成迈步动作。

这样在机器人的底盘上安装四组变形轮结构，常规条件下机器人使用轮子快速前进，必要条件下可以变形为腿式结构，迈步前进。

图5腿结构
分系统的设计
驱动系统
根据实际的越障和移动要求，驱动系统应该可以稳定的驱动转动轮转动和腿式行走时大腿的摆动，
变为腿式后要求大腿应该具有相对于底盘摆动和旋转的两个自由度，以便满足正常行走步态和越障需求。

如图为驱动系统的结构示意图，接口端用于和转动轮的中心固定连接，电机1通过同步轮带动转动轮转动，与电机支架固定，电机支架在电机2的驱动下可以相对于底盘进行一定范围的转动。

这样，在腿式行走时电可以控制大腿摆动的自由度，电机2可以控制大腿相对于底盘转动的自由度。

转动轮
转动轮在轮式移动过程中外形表现为轮子，在腿式移动过程中外形表现为行走腿，具备在电机控制下的变
图6驱动系统示意图
转动轮结构一样，具备模块化特征，可以在必要情况下互
相替换。

4.3底盘
底盘相当于机器人的躯干，整个机器人的重量和外界环境的冲击情况都需要底盘负担。

底盘还应保证整个机器人的稳定性和精准度，具有优良的抗变形能力，底盘需要具备多种安装接口，相当于模块化设计中的模块安装板。

针对底盘结构的重要使用情况，选用航空铝作为其加工材料，航空铝具有高刚度和低密度的突出优可以在保证机器人稳定性的基础上展现出灵巧、
的重要特性。

底盘接口设计图如图7所示，整个底盘结构为一个的航空铝材板，为减轻重量前端和后端加工出了较大凹槽。

在底盘上具有多种安装接口，目前设计安装驱动系统电机支架的电机接口，安装操作臂的接口和安装传感检测系统的接口，针对实际情况底盘保留有加工更多其他接口的条件。

图7底盘接口设计图
4.4操作臂
操作臂主要用于机器人在作业任务中移动和夹取小型货物，属于机器人的有效执行系统[8]。

操作臂安装于底盘前部，具有三个自由度，具有简易、灵活的基本特点，可以完成简单的作业任务。

操作臂的夹持手爪采用机械原理中常见的连杆机构设计，经过大量的实际应用检验，这种连杆设计常规有效。

整个操作臂是一款简单小型的机械臂，有三部驱动电机可以带来两个自由度的运动。

如图8所示是操作臂的结构示意图，关节1安装于底座上，底座通过螺钉固定于底盘上，三个关节都可以在电机控制下转动，
图8操作臂结构示意图
5结论与展望
本文设计了一种面向灾害救援的轮腿式变形机器人，可以根据实际路面情况在轮式转动和腿式行走两种状态之间切换。

整个机器人的机械系统主要由驱动系统、底盘和操作臂四大部分组成。

本文提出了一种轮腿变形的方法，设计了具体的转动轮结构，系统性的构建了一款轮腿变形机器人，该机器人具有模块化、轻量化和灵巧性的突出优点。

在灾害救援和物资运送中具有广泛的应用前景和价值。

但是由于研究时间和知识储备的有限，本文的研究还有一些需要进一步设计的方面。

例如操作臂夹持器的传动设计还不够细化，目前仅仅具备了初步功能，夹持器尺寸和具体结构上还需要严谨设计和计算来确定大小重量等。

变形轮的变形过程虽然取得了比较显著的效果，是对于变形轮的驱动系统确实比较大的考验，尚需要进一步的驱动能力校核计算。

此外，控制系统是整个机器人的运动中枢，本文仅设计出了控制系统的基本架构，。