項目背景

　　腿部和車輪這兩種方法在地面運(yùn)動平臺上被廣泛采用。經(jīng)過漫長的演變過程，大多數(shù)陸地動物的腿部都靈活有力，并能夠快速順暢地在不平坦的天然地形上奔馳。在另一方面，人類發(fā)明了平地上專用的運(yùn)動車輪，其出色的功率效率和在平地上高速的流暢運(yùn)行是腿部運(yùn)動無法比擬的。

　　由此，來自國立臺灣大學(xué)的仿生機(jī)器人實驗室(BioRoLa) 團(tuán)隊致力于設(shè)計一個腿輪混合式機(jī)器人，它結(jié)合了車輪和腿部的移動性，在平坦和惡劣環(huán)境下都能為室內(nèi)室外行走提供一個移動平臺。

　　機(jī)械設(shè)計

　　大多數(shù)混合動力平臺上不同的輪子和腿都有不同的裝置和激勵器，相比這些平臺，這款名為Quattroped 的腿輪混合式移動機(jī)器人采用了一種轉(zhuǎn)換機(jī)制，可將自身特定的一部分變形成為一個輪子或一條腿。從幾何角度來說，一個輪子通常有一個圓形輪圈，而旋轉(zhuǎn)軸則位于輪圈中間。輪圈與地面接觸，而旋轉(zhuǎn)軸與機(jī)器人身體上的一點(diǎn)相連，此點(diǎn)就是“髖關(guān)節(jié)”。在一般情況下，輪式移動時輪子在平地上運(yùn)動并不斷旋轉(zhuǎn)，車輪與地面的接觸點(diǎn)就位于髖關(guān)節(jié)下的一定距離處。相對而言，用腿移動時腿部以周期性方式運(yùn)動，在髖關(guān)節(jié)和地面接觸點(diǎn)之間沒有特定的幾何配置;因此腿部在運(yùn)動中的相對位置具有周期性頻繁變化的特點(diǎn)。

　　基于這一觀察發(fā)現(xiàn)，將髖關(guān)節(jié)移出圓形輪圈中心并將連續(xù)運(yùn)動模式改為其他運(yùn)動模式，即能達(dá)到輪模式向腿模式的轉(zhuǎn)換。

　　這激發(fā)了我們?nèi)ピO(shè)計一種能直接控制圓形輪圈和髖關(guān)節(jié)的相對位置的模式，從而它既能進(jìn)行輪運(yùn)動又能進(jìn)行腿運(yùn)動。由于圓形輪圈是一個二維的對象，實現(xiàn)這一目標(biāo)的最直接的方法是再增加一個自由度(DOF)，沿著運(yùn)動方向調(diào)節(jié)髖關(guān)節(jié)相 對圓形輪圈的位置。兩個自由度的運(yùn)動也互相形成直角。此外，無論是輪模式還是腿模式都能有效運(yùn)行同一組的驅(qū)動功率。

　　機(jī)電一體化

　　我們采用NI CompactRIO嵌入式控制系統(tǒng)作為機(jī)器人控制器，它包括一個400MHz 的實時處理器和3M 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。FPGA直接連接NI C系列I/O 模塊，這些模塊能從載板傳感器和激勵器獲得數(shù)據(jù)。對于模擬I/O我們采用NI 9205和NI 9264I/O模塊，對于數(shù)字I/O采用NI 9401和NI 9403I/O模塊。FPGA與實時處理器相連，并通過IEEE 802.11無線方式與電腦進(jìn)行通訊。

 　　圖1. Quattroped - 腿輪混合式移動平臺