毅力號(hào)火星車等輪式移動(dòng)機(jī)器人（WMRs），以車輪為唯一移動(dòng)方式，專為平坦和崎嶇地表移動(dòng)設(shè)計(jì)，因其高度通用性和環(huán)境適應(yīng)性，在農(nóng)業(yè)、國(guó)防、工業(yè)、物流、緊急搜救乃至行星探測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域均得到了廣泛應(yīng)用。

　　然而，面對(duì)樓梯、臺(tái)階和陡坡，WMRs常因結(jié)構(gòu)限制難以應(yīng)對(duì)。對(duì)此，大多數(shù)研究人員嘗試通過(guò)改裝提升其多功能性和穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō)，WMRs的改裝主要有兩種方法：

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　　一是加裝混合機(jī)制，如輪式、履帶式和腿式，形成地形自適應(yīng)移動(dòng)機(jī)器人（TAMRs）。TAMRs在輔助機(jī)構(gòu)幫助下，具備高機(jī)動(dòng)性，能根據(jù)地形調(diào)整形態(tài)，保持高效移動(dòng)。但TAMRs設(shè)計(jì)和控制復(fù)雜，存在需大量執(zhí)行器，且靜態(tài)穩(wěn)定性不足等問(wèn)題。

　　另一種方法是使用可變形結(jié)構(gòu)。車輪尺寸的最優(yōu)選擇對(duì)于應(yīng)對(duì)多變地表、復(fù)雜環(huán)境導(dǎo)航、確保穩(wěn)定性及優(yōu)化能耗具有重要影響。可變直徑WMR通過(guò)嵌入異形主動(dòng)/被動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠調(diào)整車輪直徑適應(yīng)不同地形，并優(yōu)化速度、提升能源利用效率和機(jī)動(dòng)性。但目前，大多數(shù)可變直徑WMR系統(tǒng)只能進(jìn)行越障等單一應(yīng)用，在執(zhí)行器多的同時(shí)，還犧牲了多功能性，增加了復(fù)雜性和輪廓。

　　針對(duì)這一問(wèn)題，來(lái)自哈薩克斯坦納扎爾巴耶夫大學(xué)的研究人員進(jìn)行了深入研究，并提出了一種名為“Improbability Roller”的移動(dòng)機(jī)器人。

　　該機(jī)器人配備了兩個(gè)可變直徑的車輪，能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整車輪直徑，且使用僅三個(gè)執(zhí)行器便可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)/后退、轉(zhuǎn)向及獨(dú)立調(diào)節(jié)車輪直徑，從而在不同地形和任務(wù)間無(wú)縫切換。

　　同時(shí)，機(jī)器人采用了電纜驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可在0.74秒內(nèi)閉合車輪，是該領(lǐng)域最快的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，這增強(qiáng)了其對(duì)不可預(yù)見(jiàn)環(huán)境和操作要求變化的響應(yīng)能力。為驗(yàn)證性能，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來(lái)分析機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，以確保能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)不同輪徑下的行為。

　　此外，研究團(tuán)隊(duì)還制定了一個(gè)開(kāi)環(huán)控制策略。該策略允許機(jī)器人根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行移動(dòng)、轉(zhuǎn)向和調(diào)整輪徑等基本操作。在實(shí)行開(kāi)環(huán)策略的情況下，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)跟蹤不同速度下的軌跡，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該方法的有效性。

　　值得一提的是，為了驗(yàn)證機(jī)器人性能，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，包括軌跡跟蹤測(cè)試、直徑調(diào)整速度測(cè)試、轉(zhuǎn)向角效應(yīng)測(cè)試、爬坡能力測(cè)試和能效測(cè)試，以評(píng)估導(dǎo)航精度、輪徑變化響應(yīng)時(shí)間、轉(zhuǎn)向角度影響、坡度性能和能源消耗。

　　“Improbability Roller”機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作融合了機(jī)械設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、開(kāi)環(huán)控制和嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)等多個(gè)技術(shù)辦款。

　　在機(jī)械設(shè)計(jì)方面，“Improbability Roller”機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)引入了可變直徑車輪機(jī)制，突破了傳統(tǒng)固定直徑機(jī)器人的局限。該機(jī)制通過(guò)伸縮桿、可擴(kuò)展輪轂和柔性結(jié)構(gòu)的組合，實(shí)現(xiàn)了車輪直徑的動(dòng)態(tài)調(diào)整，不僅增強(qiáng)了機(jī)器人與地面的接觸面積，提升了牽引力和穩(wěn)定性，還實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的超強(qiáng)地形適應(yīng)能力。此外，機(jī)器人底盤(pán)作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的支撐基礎(chǔ)，采用了輕量且堅(jiān)固的設(shè)計(jì)，以確保在承受操作負(fù)載的同時(shí)保持高效移動(dòng)。

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　　機(jī)器人車輪的設(shè)計(jì)靈感源自NASA的可折疊太陽(yáng)能陣列項(xiàng)目，采用了類似的可擴(kuò)展框架。具體來(lái)說(shuō)，車輪由多個(gè)通過(guò)三個(gè)關(guān)節(jié)連接的子鏈接段組成，每個(gè)子鏈接段都支持車輪的平滑地?cái)U(kuò)展和收縮。車輪直徑的動(dòng)態(tài)變化則依賴于固定在每個(gè)子鏈接段中部關(guān)節(jié)上的線性桿，這些線性桿通過(guò)線性軸承滑動(dòng)。當(dāng)對(duì)連接在關(guān)節(jié)上的字符串施加拉力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生向車輪結(jié)構(gòu)中心拉動(dòng)的力，從而實(shí)現(xiàn)車輪直徑的調(diào)整。為了快速且高效地實(shí)現(xiàn)這一調(diào)整過(guò)程，研究團(tuán)隊(duì)特別設(shè)計(jì)了一個(gè)由齒輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滑輪系統(tǒng)。

　　在運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方面，為了描述機(jī)器人在實(shí)際環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，研究團(tuán)隊(duì)為“Improbability Roller”機(jī)器人構(gòu)建了精確的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。該模型全面考慮了機(jī)器人的位置、高度、方向角等關(guān)鍵參數(shù)，并深入剖析了車輪半徑與車輪變形電機(jī)角速度之間的關(guān)系，考慮了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的齒輪比，以及機(jī)器人線性速度和角速度的計(jì)算方法。通過(guò)這一模型，研究團(tuán)隊(duì)能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)機(jī)器人在不同控制輸入下的運(yùn)動(dòng)軌跡，這為后續(xù)控制策略的制定提供了有力支持。

　　在開(kāi)環(huán)控制方面，研究團(tuán)隊(duì)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，為“Improbability Roller”機(jī)器人量身定制了開(kāi)環(huán)控制策略。該策略通過(guò)預(yù)定的軌跡配置文件來(lái)指導(dǎo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了軌跡跟蹤和遠(yuǎn)程操作模式的雙重功能。操作員可以實(shí)時(shí)提供線性速度和轉(zhuǎn)向角的參考值，系統(tǒng)則通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型將這些參考值轉(zhuǎn)換為執(zhí)行器命令，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的精準(zhǔn)控制。

　　在嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)方面，“Improbability Roller”機(jī)器人采用了Arduino Mega2560微控制器作為主處理單元，并配備了先進(jìn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、無(wú)線通信模塊和電源系統(tǒng)。這一架構(gòu)不僅確保了機(jī)器人能夠高效接收并執(zhí)行高級(jí)命令，還實(shí)現(xiàn)了與Dynamixel齒輪電機(jī)的無(wú)縫連接和多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)通信。同時(shí)，2.4GHz無(wú)線攝像頭運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的加入，進(jìn)一步提升了機(jī)器人的遠(yuǎn)程操作精度和軌跡跟蹤能力。整個(gè)系統(tǒng)由高性能的LiPo電池供電，并通過(guò)降壓轉(zhuǎn)換器確保電壓穩(wěn)定，為機(jī)器人的持續(xù)運(yùn)行提供了可靠保障。

　　為了評(píng)估“Improbability Roller”機(jī)器人的開(kāi)環(huán)軌跡跟蹤、車輪的打開(kāi)和關(guān)閉速度、不同轉(zhuǎn)向角下的性能、不同車輪尺寸的爬坡能力以及各種條件下的成本運(yùn)輸指標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試。

　　該實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證“Improbability Roller”機(jī)器人車輪尺寸變化的快速性和穩(wěn)定性。相較其他驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用電纜滑輪機(jī)制的“Improbability Roller”機(jī)器人，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)（0.74秒）將車輪尺寸從最大直徑調(diào)整至最小直徑。這種快速的致動(dòng)能力對(duì)于機(jī)器人在實(shí)時(shí)適應(yīng)環(huán)境和障礙方面至關(guān)重要。實(shí)驗(yàn)還顯示，在車輪從擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)變形至壓縮狀態(tài)時(shí)，電機(jī)電流消耗達(dá)到峰值（約1A），而在返回至默認(rèn)（擴(kuò)展）狀態(tài)時(shí)，由于利用了彈性字符串中儲(chǔ)存的勢(shì)能，電機(jī)電流消耗降低至約0.6A。

　　該實(shí)驗(yàn)旨在評(píng)估機(jī)器人的軌跡跟蹤精度和轉(zhuǎn)向性能。“Improbability Roller”機(jī)器人配備了獨(dú)特的轉(zhuǎn)向機(jī)制，可通過(guò)獨(dú)立調(diào)整兩個(gè)車輪的直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)向角。研究團(tuán)隊(duì)在不同速度和復(fù)雜軌跡下對(duì)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向性能進(jìn)行了全面評(píng)估。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)器人在S形軌跡、復(fù)雜路徑和直線加圓形軌跡等多種軌跡上均表現(xiàn)出了出色的軌跡跟蹤精度。同時(shí)，通過(guò)比較實(shí)際軌跡與模擬軌跡的均方根誤差（RMSE），研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了機(jī)器人在真實(shí)世界應(yīng)用中的潛力。

　　該實(shí)驗(yàn)旨在驗(yàn)證機(jī)器人在不同坡度上的穩(wěn)定性和越障能力。可變直徑車輪使“Improbability Roller”機(jī)器人在爬坡能力方面表現(xiàn)卓越。通過(guò)調(diào)整車輪直徑，機(jī)器人能夠控制其質(zhì)心位置，從而增強(qiáng)在斜坡上的穩(wěn)定性和平衡性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著車輪直徑的減小，機(jī)器人的爬坡能力顯著增強(qiáng)。在車輪直徑為225mm時(shí)，機(jī)器人甚至能夠成功攀爬高達(dá)37°的斜坡而不發(fā)生滑移。

　　在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)模擬了多種復(fù)雜地形和任務(wù)場(chǎng)景以全面評(píng)估“Improbability Roller”的實(shí)際應(yīng)用潛力。機(jī)器人成功攀爬了高度為130mm的樓梯、穿越了寬度僅為240mm的狹窄空間，并在20秒內(nèi)連續(xù)完成了這三項(xiàng)任務(wù)。此外，機(jī)器人還在松散的碎石、草地、巖石和雪地等多種地形上展現(xiàn)了其出色的地形適應(yīng)能力和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向性能。在最大負(fù)載實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人更是承載了超過(guò)自身重量的額外4公斤負(fù)載，且車輪仍未發(fā)生變形。

　　該實(shí)驗(yàn)旨在評(píng)估機(jī)器人在不同車輪尺寸和速度下的能耗表現(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)采用成本運(yùn)輸（CoT）指標(biāo)評(píng)估了“Improbability Roller”機(jī)器人在不同車輪尺寸和速度下的能耗效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在平坦地面上行駛50m的距離時(shí)，機(jī)器人的CoT值隨著速度的增加而降低，表明機(jī)器人在高速行駛時(shí)更加節(jié)能。然而，車輪變形電機(jī)在維持中間和較小車輪直徑時(shí)需要消耗更多的能量，因此機(jī)器人的整體能耗效率受到了一定影響。這一發(fā)現(xiàn)為后續(xù)優(yōu)化機(jī)器人的能耗管理提供了重要參考。

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