未来建立月球长期科研设施、开发利用月球资源[1]、以月球为中转站走向深空已成为国际空间国家深空探测计划的热点．目前，前苏联的Lunokhod系列[2]、我国的玉兔号系列[3]、美国的好奇号[4]等典型的星表机器人已成功在月球或火星[5]表面着陆、巡视移动、科学探测．在面向月球探测活动中，机器人可在恶劣星表环境开展长时间大范围的资源探测、环境探测、设施建设等任务，是月球科学探测最直接有效的手段之一[6]；在载人星球探测活动中，机器人也可作为航天员感官和肢体的扩展和延伸，显著提升航天员的工作效率和效能，在极端环境预先探测、人机联合作业、科研站长期值守与维护等方面发挥有益的作用[7]．目前成功在轨应用的星表机器人均为六轮摇臂移动机构，具有较好的地形适应性，但该种移动机构仅适用于低坡度相对平坦的地形，不适用于较陡峭、起伏较大的地形，当遇到大沉陷和大角度坡困境时，一般采用绕行方案．然而，后续月球探测任务对机器人提出了进入、通过陡坡、深坑、熔岩管道等极端地形能力要求[8]．因此，亟需一类可开展大范围移动，又能够进入并通过陡坡、深坑、熔岩管道等多类极端非结构化地形的机器人[9]．针对上述极端环境探测需求，本研究设计了一种六支链轮足复合机器人，开展机器人运动学分析、特殊步态设计，并完成仿真验证及地面模拟地形环境试验验证．1 机器人构型设计1.1　六支链轮足移动构型设计针对未来月面探测需求，月面机器人须开展高效移动、大范围巡视、仪器投放、资源原位探测、样本识别与采集、资源探测开采及模块化搭载等任务[10]．月面机器人由移动、结构与机构、能源、电源数管、导航避障和科学载荷等分系统组成．在总体构型与布局方面，机器人采用六边形单舱布局，舱内放置须热控保温的载荷，机器人头部布置导航相机、定向天线和机械臂等，尾部布置太阳翼、同位素热源等，如图1所示．10.13245/j.hust.240771.F001图1月面机器人构型布局月面机器人采用轮足式移动机构，轮足复合方案融合了足式地形适应能力和轮式的高速高效性能，轮行方式满足大范围移动要求，足行方式满足复杂极端地形要求．同时轮足方案具有构型可变的特点，在压紧收拢状态具有较小的包络，满足可折展的特殊要求，如图2所示．机器人设计有六个移动支链，六足与两足、四足机器人相比，行走时具有三角形支撑的天然稳定特性，复杂地形适应性、承载性、安全性高、冗余度高，当1~2支链发生故障时仍具备移动能力，适用于月面复杂地形，不影响整体任务的成败[11]．10.13245/j.hust.240771.F002图2机器人压紧收拢示意图对于单个足部构型，如图3所示，在仿爬行运动三自由串联RRR型足式构型基础上，设计4自由度轮足机构，根部关节实现腿部前后摆动、俯仰关节实现腿部上下抬升、踝部关节实现腿式末端运动、轮式运动转向，轮驱电机用于驱动车轮转动．膝关节和根部关节通过平行四连杆结构连接，结构采用复合材料杆件，错落式设计，收拢后可重合．末端被动缓冲结构布置在踝关节电机上方，用于被动缓冲耗能．车轮继承玉兔号轻量化筛网轮方案[12]．10.13245/j.hust.240771.F003图3轮足复合串联式移动机构1.2　运动学分析根据机器人机构设计，建立单支链的运动学机构简图和坐标系如图4所示．10.13245/j.hust.240771.F004图4单腿机构原理简图1.2.1　单支链正运动学单腿具有三个自由度，两个绕z轴旋转，一个平行四杆机构(两个转动副)．初始的关节角布置的运动旋量(单位角速度ω和位置矢量r)表示为：ω1=[001]T,ω21=[010]T,ω22=[010]T,ω3=[001]T;r1=[000]T,r21=[000]T,r22=[L100]T,r3=[L200]T.产生的运动旋量表示为ξ=[ωr×ω]T，且有：ξ1=001000T;ξ21=010000T;ξ22=01000L1T;ξ3=0010-L20T.记θi为关节角度位置，计算关节的位姿变换矩阵：G1=eθ1ξ1=cos θ1-sin θ100sin θ1cos θ10000100001；G2=eθ2ξ21e-θ2ξ22=100L1(cos θ2-1)0100001-L1sin θ20001；G3=eθ3ξ3=cos θ3-sin θ30-L2(cos θ3-1)sin θ3cos θ30-L2sin θ300100001．令A=θ1+θ3,B=cos θ2-1，末端位姿变换矩阵为      G=G1G2G3=cos A-sin A0L1Bcosθ1+L2(cosθ1-cos A)sin Acos A0L1Bsinθ1+L2(sinθ1-sin A)001-L1sin θ20001．末端位置表示如下，其中初始位置为P0=[x00z0]T)．设S1=L1(cos θ2-1)+L2,S2=x0-L2，[P1]T=G[P01]T，      P=x0cos A+L1Bcos θ1+L2(cos θ1-cos A)x0sin A+L1Bsin θ1+L2(sin θ1-sin A)z0-L1sin θ2=S1cos θ1+S2cos AS1sin θ1+S2sin Az0-L1sin θ2.根据单支链正运动学可得出单腿工作空间是一个椭球壳形状，如图5所示，球壳的厚度由足末端到第三个关节转轴的距离决定，因此工作空间的大小主要由足末端到第三个关节转轴的距离决定，高度范围由第二个关节角决定．10.13245/j.hust.240771.F005图5单腿理论工作空间示意图1.2.2　单支链逆运动学推导逆运动学，假设在单腿坐标系下当前足末端的位置为P=[xfyfzf]T．由足末端的正运动学可以看出，足末端的高度有且仅和第二个关节角(平行四杆)有关．由正运动学的高度可以直接推导出第二个关节角θ2=arcsinz0-zfL1,θ2∈-69°π2，此时，第一个和第三个关节形成一个标准的平面二杆机构，可以用几何法求出逆解．设S3=xf2+yf2，S1cos θ1+S2cos(θ1+θ3)=xf,S1sin θ1+S2sin(θ1+θ3)=yf;θ3=±π-arccosS12+S22-S322S1S2,θ1=arctanyfxf∓arccosS32+S12-S222S1S3.1.2.3　多支链运动空间确定了三个关节的转角范围，在关节变量与工作空间映射关系的基础上，得到由随机点构成的单轮足的运动空间．六足机器人由于支腿数过多，为了机器人在工作中支腿相互协调不干涉，有必要研究相邻支腿的耦合可达空间．图6为机器人机身同一侧的三条支腿(L1，L2，L3)在机身基础坐标系下的运动空间，可看出三条支腿的运动空间重叠部分比较大，运动时相邻各支腿之间易产生干涉，须合理规划机器人运动．10.13245/j.hust.240771.F006图6三维空间下多轮足的可达工作空间1.2.4　机身工作空间对机身工作空间分析，机身和每条腿的坐标系建立如图7所示，足支撑点对称并且在单腿坐标系下P=[L20z0]T．分析三腿和六腿支撑工作空间如图8所示，可见足式构型使机身类似并联机构的动平台，为机身上方的作业设备提供较好的作业条件．10.13245/j.hust.240771.F007图7机身和每条腿的坐标系示意图10.13245/j.hust.240771.F008图8机身工作空间2 极端地形步态设计与分析2.1　足式运动步态当六轮足式月面机器人进入足式运动模式时，车轮锁死，机器人本体相当于六足机器人．目前主流六足机器人步行运动采取的是固定步态的方法，例如“3+3”步态、“4+2”步态、“5+1”步态等(图9和10)，机器人能根据环境切换不同的步态以应对不同的任务．其中“3+3”步态因其良好的稳定性和速度被广泛采用．10.13245/j.hust.240771.F009图9轮足式机器人“3+3”步态规划示意图10.13245/j.hust.240771.F010图10“4+2”和“5+1”步态步序图根据对称性可以推断出，在满足全方位行走的条件下，机身单个周期T在不同步态下最小的最大步长：“3+3”步态为2S2，“4+2”步态为1.5S2，“5+1”步态为1.2S2．假定机器人在以“1+5”步态、“2+4”步态、“3+3”步态移动过程中，机器人机体的速度v恒定不变，无论采用哪种步态，其步长与步态周期相同且为确定值．六足轮足式月面机器人步态特性表见表1．可以推出：“3+3”步态的移动速度最快，“2+4”步态的移动速度次之，“1+5”步态的移动速度最慢．10.13245/j.hust.240771.T001表1六足轮足式月面机器人步态特性表步态类型支撑相个数支撑时间移动速度“1+5”55T/6慢“2+4”42T/3较快“3+3”3T/2快2.2　特殊步态设计六足轮足式月面机器人每条支腿都能够实现足式运动与轮式运动，其具有特色的复式运动结构决定了六足轮足式月面机器人不同于一般的腿式机器人或轮式机器人[13]，如图11所示，可在非结构环境下通过特殊复合步态实现高效行走[14]．10.13245/j.hust.240771.F011图11复杂不规则地形2.2.1　爬坡步态对于大坡度地形，当机器人爬坡时，为了整机获得最大牵引力，应该让所有轮足着地呈支撑相，且车轮的朝向与运动方向一致．机器人上坡姿态如图12所示，所有轮足的车轮朝向与运动方向一致．10.13245/j.hust.240771.F012图12坡度障碍越障模型机器人在爬坡时的轮足关系为：L1，L2和L2，L3两轮心的竖直高度差与水平距离的比值等于斜坡坡度的正切值．2.2.2　越障复合步态对于突起障碍，设计越障特殊步态，以跨越1 m直角障碍为例，越障步态分为如下6步(见图13)．10.13245/j.hust.240771.F013图13直角障碍越障步态a．在越障前，机器人调整姿态，六条轮足呈直线形式对称分布于机体两侧；b．到达障碍前方，驱动所有轮足关节使机体提升至障碍物之上，此时六支链全部呈支撑相；c．L1轮足改变位姿到达障碍上方与地面接触，其余轮足位姿不变；d．R1轮足改变位姿到达障碍上方与地面接触且轮缘后部到达障碍边缘的前方；e．提升L2与R2两条轮足，驱动L1，R1，L3与R3轮足车轮使机体前进，当L2与R2轮足到达障碍上方时，放下L2与R2轮足与地面接触．此状态L2与R2轮足呈摆动相，其余4条轮足为支撑相；f．提升L3与R3两条轮足，驱动L1，R1，L2与R2轮足车轮使机体前进，当L3与R3轮足到达障碍上方时，放下L3与R3轮足与地面接触．此状态L3与R3轮足呈摆动相，其余4条轮足为支撑相．当机器人越障时，首先须要将一条或两条支腿放置于障碍物之上．当机器人摆动相(非接触地面)的支腿凌空处于极限收缩状态，其余支撑相的支腿处于伸展状态时，机器人达到最大越障高度，如图14所示．通过此越障步态，越障高度可达1 m．10.13245/j.hust.240771.F014图14凸起障碍越障模型2.2.3　过坑复合步态对于凹陷障碍，凹陷障碍越障步态分为以下6步完成，图15为凹陷障碍越障步态．10.13245/j.hust.240771.F015图15凹陷障碍越障步态a．越障前，调整姿态，机器人R1与L3轮足腿位姿不变且R1腿垂直面向障碍，L1，L2，R2与R3轮足腿向与凹陷障碍相反的方向收缩，所有车轮朝向障碍方向并驱动车轮前进；b．在R1轮足轮缘前部到达障碍前，抬起一定角度，其余轮足位姿不变，继续驱动车轮前进；c．R1轮足跨过障碍与地面接触，抬起L1与R2轮足，并且L1与R2轮足向与凹陷障碍相同的方向收缩，其余轮足不变，继续驱动车轮前进，此状态L1与R2轮足呈摆动相，其余4条轮足为支撑相；d．L1与R2轮足跨过障碍与地面接触，抬起L2与R3轮足，并且L2与R3轮足向与凹陷障碍相同的方向收缩，其余轮足不变，继续驱动车轮前进；e．L2与R3轮足跨过障碍与地面接触且轮缘后部到达障碍前方，L2与R3的轮地接触点的连线经过机体中心，抬起L3轮足，继续驱动车轮前进，此状态L3轮足呈摆动相，其余5条轮足为支撑相；f．R3轮足跨过障碍与地面接触且轮缘后部到达障碍前方，越障结束．由机器人凹陷障碍越障模型(图16)可知，当机器人跨坑时，首先须要将一条腿或者两条腿跨越沟壑，其余支腿呈支撑相保持机体平稳站立．机器人单腿R1跨过沟壑，R1轮缘后部与沟壑边缘平齐；其余5腿为支撑相，其中L1，L2，R2与R3相对机体向后收，L1与R2的轮地接触点的连线经过机体中心且轮缘前部与沟壑边缘平齐，此时机器人达到最大跨坑宽度状态．10.13245/j.hust.240771.F016图16凹陷障碍越障模型3 仿真与试验验证在Adams和Matlab联合仿真环境下，建立机器人仿真模型，对机器人各种运动步态进行仿真验证．研制机器人原理样机，搭建模拟月貌月壤的试验环境，开展机器人不同运动模式的试验验证．3.1　常规移动功能验证机器人原理样机首先在模拟地形中利用足式步态移动方式通过崎岖的模拟月面地形环境(图17)，然后原地转向(图18)，最后利用轮式移动方式移动．各种运动模式下均运行顺利，对崎岖不平的地形具有较好的适应能力．10.13245/j.hust.240771.F017图17机器人样机“3+3”步态试验10.13245/j.hust.240771.F018图18机器人样机原地转向试验3.2　爬坡步态仿真与试验验证针对机器人对不同坡度的适应能力开展了仿真和试验(图19和20)，试验结果表明：机器人在低坡度轮行模式具有较高的效率，对于大斜坡(如30°斜坡)，足式移动模式具有更好的通过性．10.13245/j.hust.240771.F019图19爬坡步态ADAMS仿真10.13245/j.hust.240771.F020图20机器人原理样机轮式移动爬坡试验3.3　越障步态仿真与试验验证根据上文越障复合步态设计，以1 m突起障碍为例，对跨越台阶步态开展仿真(图21)，仿真结果表明：L1车轮上一点的法向位移为1 m(图22)，通过轮足复合步态可实现大障碍环境的通过．开展了机器人样机1 m障碍的越障试验，试验结果与仿真结果相同(图23)．10.13245/j.hust.240771.F021图21跨越台阶障碍步态ADAMS仿真10.13245/j.hust.240771.F022图22L1车轮法向位移10.13245/j.hust.240771.F023图231 m越障移动试验3.4　过坑步态仿真与试验验证根据过坑复合步态设计，对越沟工况开展了仿真(图24)，验证了过坑步态设计的正确性．以1 m凹陷障碍为例，机器人样机开展了过坑试验，试验结果与仿真结果相同(图25)．10.13245/j.hust.240771.F024图24越沟步态ADAMS仿真10.13245/j.hust.240771.F025图251 m越沟试验4 结语面向未来月面多功能探测需求，设计了一种六支链轮足复合机器人，具备可折展、高冗余度、高安全性、轻量化的特点，可同时满足月面大范围移动、复杂极端地形进入的要求，完成了机器人单支链及多支链的运动学分析，设计了机器人足式、腿式、轮足结合特殊步态．研制了六支链轮足复合机器人原理样机，搭建了仿真环境及地面模拟地形环境，对机器人构型及步态设计开展了验证，试验结果表明六支链轮足复合机器人对崎岖地形、大障碍地形等复杂地形有较强的适应能力．研究成果可用于未来无人及载人月球探测，如月面熔洞进入、阴影坑探测、月面组装和月面建造等任务．