機(jī)器人輪履復(fù)合式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

黃小平 金春花 黎 葦

（九江職業(yè)大學(xué)，江西 九江 332000）

機(jī)器人輪履復(fù)合式行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

黃小平 金春花 黎 葦

（九江職業(yè)大學(xué)，江西 九江 332000）

在分析總結(jié)現(xiàn)有輪式機(jī)器人越障礙方案的基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種履帶擺臂式越障礙驅(qū)動(dòng)組件和四輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)組件。機(jī)器人結(jié)構(gòu)主要由四輪驅(qū)動(dòng)組件、轉(zhuǎn)彎組件和履帶擺臂組件構(gòu)成，通過零部件的設(shè)計(jì)，繪制出機(jī)器人的零件圖及裝配圖，通過SolidWorks三維建模軟件進(jìn)行三維實(shí)體建模，建立了輪履復(fù)合式機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型，對機(jī)架進(jìn)行有限元分析，并對所研制的履帶擺臂越障礙機(jī)器人的車輪行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)原理方案的可行性和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。

輪履復(fù)合式；機(jī)器人；有限元分析；SolidWorks；運(yùn)動(dòng)仿真

1．機(jī)器人輪履復(fù)合式行走機(jī)構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

在整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)形式的選擇通常是一個(gè)首要的問題。要求機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)要具有很大的靈活性,而且特別強(qiáng)調(diào)在小型機(jī)器人前提下的機(jī)器人越障能力,因此機(jī)器人機(jī)構(gòu)必須能夠提供有效的運(yùn)動(dòng)方式。通過對輪式、履帶式、足式等不同移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性的綜合分析,結(jié)合設(shè)計(jì)需求和性能指標(biāo)的具體要求,提出了一種小型輪履復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu),兼顧了機(jī)器人的高速運(yùn)動(dòng)特性和越障能力。

機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)由4個(gè)車輪、4個(gè)擺臂和車體構(gòu)成，由車輪和擺臂履帶所構(gòu)成的4個(gè)運(yùn)動(dòng)對稱布置在車體的兩側(cè)。在每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元中，除了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)自由度以外，還有履帶擺臂繞中心軸的擺動(dòng)自由度。由于二者位于同一個(gè)中心軸上，所以要求在一個(gè)中心線上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的傳遞。為此采用了內(nèi)外軸的傳遞形式來實(shí)現(xiàn)。圖1表示了一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式。由兩個(gè)DC電機(jī)經(jīng)過兩對末級減速齒輪分別將動(dòng)力傳遞給內(nèi)軸和外軸，內(nèi)軸通過車輪連接件驅(qū)動(dòng)車輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而外軸則通過凸緣結(jié)構(gòu)與擺臂相連來驅(qū)動(dòng)擺臂的擺動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用Maxon DC電機(jī)，該集成了行星齒輪減速器和光電碼盤，具有體積小、質(zhì)量輕、輸出轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)。在電機(jī)的輸出軸采用了末級齒輪減速傳動(dòng)方式，一方面可以錯(cuò)開驅(qū)動(dòng)中心軸的位置，滿足內(nèi)外軸傳動(dòng)要求，另一方面可以減小電機(jī)在軸向的直接受力，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)在車體內(nèi)的空間緊湊布局，以便減小車體的橫向尺寸，滿足機(jī)器人小型化的要求。內(nèi)外軸的具體裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 運(yùn)動(dòng)單元的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig1.1 Transmission of the motor unit

圖2 內(nèi)外軸裝配結(jié)構(gòu)Fig1.2 Inside and outside the shaft assembly structure

2．輪履復(fù)合式行走機(jī)構(gòu)原理

2.1 輪式機(jī)構(gòu)工作原理

機(jī)器人履帶腿上擺，四輪著地。該模式用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人長距離快速高效的運(yùn)動(dòng)要求，可以前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、減小機(jī)器人占地空間，減小摩擦，提高運(yùn)動(dòng)的靈活性。驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)到中心軸，再傳至車輪，從而驅(qū)動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。每個(gè)車輪都由獨(dú)立的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且前后兩對輪都采取了中間斷軸的形式。四個(gè)電機(jī)獲得相同轉(zhuǎn)速，即車輪得到相同的轉(zhuǎn)速，機(jī)器人即可實(shí)現(xiàn)在平直路面上行駛。在彎道上行駛時(shí)，使左右兩側(cè)的電機(jī)獲得不同的轉(zhuǎn)速，從而使車輪獲得不同的轉(zhuǎn)速，即可順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

2.2 履帶機(jī)構(gòu)工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)齒輪傳動(dòng)到套筒，再傳至大履帶輪，大履帶驅(qū)動(dòng)輪經(jīng)內(nèi)軸傳遞旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。通過履帶腿支撐桿連接孔與外軸凸緣相連接來傳遞履帶腿的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)履帶腿機(jī)構(gòu)都具有2自由度，即履帶本身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和整個(gè)履帶腿繞驅(qū)動(dòng)軸擺動(dòng)。履帶腿由自由履帶輪、驅(qū)動(dòng)履帶輪和履帶及其支撐張緊機(jī)構(gòu)組成。對于履帶傳動(dòng)必須要有張緊機(jī)構(gòu)，常用的張緊方法是采用支撐輪和壓緊輪的方式。但是在本設(shè)計(jì)中若要采用這種方式，就需要有四套這樣的張緊裝置，這樣一來不僅使得機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，而且使整個(gè)機(jī)器人的質(zhì)量大大增加，不僅不能符合輕量化的設(shè)計(jì)要求，而且會(huì)使得機(jī)構(gòu)運(yùn)行不靈巧。為此，在設(shè)計(jì)中采用了簡潔的螺釘拉緊、端面壓緊的裝置。具體方案是在小履帶輪端的擺臂桿側(cè)面設(shè)計(jì)一滑動(dòng)槽，在槽內(nèi)鑲嵌一滑塊機(jī)構(gòu)，滑塊機(jī)構(gòu)用四個(gè)鎖緊螺栓來鎖緊，并通過螺釘將履帶拉緊。

為了滿足輕量化的要求，在材料的選擇上也需斟酌選擇。在滿足受力、摩擦等條件的前提下，選擇密度較小、質(zhì)量輕、耐磨性較好的非金屬材料，如尼龍和聚碳酸醋等也可減小整機(jī)的重量，但對于那些傳動(dòng)件、摩擦件、受力件較大的零件依然要選擇金屬材料，以滿足其剛度要求。圖3為機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)示意圖：

圖3 輪履復(fù)合行走機(jī)構(gòu)Fig2.1 Round shoe composite running gear

3．行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 創(chuàng)建仿真模型并進(jìn)行仿真

創(chuàng)建模型即是將零部件按照一定要求進(jìn)行裝配。分別把車輪、軸和軸承座插入，然后按結(jié)合面裝配。將裝配好的行走機(jī)構(gòu)模型，在裝配環(huán)境下直接進(jìn)入仿真環(huán)境。進(jìn)行仿真之前，將軸承座設(shè)為靜止零部件，其它設(shè)置為運(yùn)動(dòng)零部件，基本連接關(guān)系生成以后，根據(jù)實(shí)際需要，我們還要添加生成一些約束，將車輪和軸的固定約束、軸和軸承座的旋轉(zhuǎn)副，力的單位設(shè)置為，仿真動(dòng)畫時(shí)間間隔為，幀數(shù)為100，由COSMOS/Motion直接把軸和車輪進(jìn)行固定定義，在這里由于COSMOS/Motion和Solid-Works出自同一個(gè)開發(fā)平臺，所以在這里可以自動(dòng)識別在Solid-Works中裝配行走機(jī)構(gòu)模型時(shí)零件之間的旋轉(zhuǎn)副。各參數(shù)及約束設(shè)置完畢后進(jìn)行仿真，將仿真過程錄制成動(dòng)畫進(jìn)行保存，將速度及加速度繪制成曲線進(jìn)行保存。

3.2 仿真結(jié)果

對模型進(jìn)行施加運(yùn)動(dòng)和施加載荷，在分析模型后可以輸出仿真結(jié)果。將分析結(jié)果保存為圖標(biāo)形式，并繪制曲線，如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果Fig3.1 The simulation results

4．結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了具有直線行走、轉(zhuǎn)彎、越障、跨溝、爬坡等功能的輪履復(fù)合式行走機(jī)構(gòu)。并且運(yùn)用了二維繪制軟件Auto-CAD、三維繪制軟件Solid-Works進(jìn)行了圖形繪制及建模，對其關(guān)鍵構(gòu)建進(jìn)行了分析，并對行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，證明了設(shè)計(jì)的合理性及正確性。

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TP242

B

1671-5136(2014)03-0133-03

2014-07-14

黃小平（1979—），女，九江職業(yè)大學(xué)講師、碩士。研究方向：機(jī)械電子；

金春花（1981—），女，九江職業(yè)大學(xué)講師、碩士。研究方向：電子電路自動(dòng)化設(shè)計(jì)；

黎葦（1973—），女，九江職業(yè)大學(xué)教授、碩士。研究方向：機(jī)械電子。