摘要

摘要：为了提高自动引导小车在存有障碍物的硬质平坦地面上的工作能力，设计了一种新型的轮腿式自动引导小车，并阐述了小车在不同运动模式下的工作原理。对行走模式下的小车进行了运动学分析，得到足端工作空间。以足端的最大工作范围为前提规划了足端的运动轨迹，同时规划了车体的运动轨迹，并基于静态稳定裕度原理规划了小车整体的行走步态。利用ADAMS软件对该小车进行运动仿真分析，仿真结果表明所规划运动轨迹和行走步态是可行的。

1 引言
随着制造业自动化程度的不断提高，自动引导小车越来越受到关注。自动引导小车是智能型轮式移动机器人的一种，具有运输效率高、行动快捷、工作可靠等诸多优点，但传统的自动引导小车大多是在无障碍物的硬质平坦地面上工作的，基本不具备越障能力和爬坡能力或能力较弱，地面适应性较差[1]。足式移动机器人具有很强的地面适应能力，但其运行效率相对较低。结合两者的优点，人们设计出了多种轮腿式移动机器人。运动稳定性是衡量轮腿式移动机器人性能的一个重要指标，目前，对机器人运动稳定性评判的方法主要有静态稳定裕度、零力矩点法、能量稳定裕度等[2]。合理的步态规划和运动轨迹规划不仅能够使机器人实现按要求的行走，而且有助于提高机器人的稳定行走能力。因此，对步态和运动轨迹的规划具有十分重要的现实意义[3]。

为了提高自动引导小车对存有障碍物的硬质平坦地面的适应性，本文设计了一种新型的轮腿式自动引导小车。对小车的单腿进行了运动学分析，获得了足端工作空间。以使小车能够稳定行走为目的，规划了小车在起立过程中车体的运动轨迹，以及小车在行走过程中车体和足端的运动轨迹，并基于静态稳定裕度原理规划了小车整体的行走步态。最后利用 ADAMS 软件对该小车进行运动仿真分析，验证了本方案规划的运动轨迹和行走步态的可行性。

2 整体结构设计

该轮腿式自动引导小车主要由车体和腿部构成。其中，车体中将安装有能源系统、控制系统和环境感知系统等，腿部主要包括髋部、大腿、小腿、伺服电动缸和轮毂电机。腿部安装方式为前肘后膝式，相比其它安装方式，前肘后膝式具有更强的地面适应能力，运动更加平稳。轮毂电机安装在机械腿的末端，小车具有轮式、腿式和轮腿混合式三种运动模式，运动更加灵活。

该轮腿式自动引导小车应用于制造业中。在轮式模式下工作时，所有的伺服电动缸锁止不动，通过轮毂电机驱使小车运动，该模式应用在无障碍物的硬质平坦地面上行驶过程中，或是在越障的轮式运动过程中，其运动速度最大可达 46 m/min；在腿式模式下工作时，各个轮毂电机处于制动状态，此时其与小腿可视为一体，通过伺服电动缸驱使腿部并带动小车运动，该模式应用在硬质平坦地面上越障的行走过程中，其运动速度最大可达 7 m/min，可跨越最大长度为70 mm、高度为65 mm的障碍物；在轮腿混合式模式下工作时，轮毂电机提供前进的动力，通过伺服电动缸驱动腿部进而调整车体的位姿，该模式应用在无障碍物的硬质平坦地面上爬坡过程中，其运动速度最大可达 46 m/min，可爬坡度最大为 10o 的斜坡。

利用 SolidWorks 软件设计该轮腿式自动引导小车的各零件模型，装配得到该小车的装配体模型，
如图 1 所示。

图 1 轮腿式自动引导小车装配体模型

3 运动学分析
针对行走模式下的小车进行运动学分析。按照D-H 坐标系建立规则绘制单腿的 D-H 坐标系，如图2 所示，由此可得到单腿的各个连杆参数和关节变量，如表 1 所示。