搖臂式履輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

黃 彬，朱文博，劉立成

HUANG Bin, ZHU Wen-bo, LIU Li-cheng

（武漢理工大學(xué) 物流工程學(xué)院，武漢 430063）

0 引言

隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)中已得到廣泛地應(yīng)用[1]。但是面前很多機(jī)器人為固定位置的機(jī)器人，它們的移動(dòng)范圍收到很大的限制，不方便適用于各種應(yīng)用場(chǎng)合。為了滿足社會(huì)各種發(fā)展應(yīng)用的需要，出現(xiàn)了各種移動(dòng)是機(jī)器人。如輪式機(jī)器人具有速度快、效率高、易平衡、穩(wěn)定性好、以控制、技術(shù)較成熟，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)路況要求高，適應(yīng)力差。而相對(duì)的履帶式機(jī)器人野外作業(yè)能力強(qiáng)，對(duì)路況要求較低，但其效率低[2]。為了彌補(bǔ)輪式和履帶式行走機(jī)構(gòu)的不足，對(duì)搖臂式行走機(jī)器人進(jìn)行研究，探討了搖臂式履輪機(jī)器人的移動(dòng)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)，提出一種轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)。

1 搖臂式履輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)履帶與輪子的轉(zhuǎn)換功能，我們所設(shè)計(jì)內(nèi)容是，將機(jī)器人的四個(gè)輪子固定在底盤上，讓履帶可以升降，當(dāng)履帶平面低于輪子平面時(shí)，實(shí)現(xiàn)輪子向履帶轉(zhuǎn)換的過程，反向，可實(shí)現(xiàn)履帶向輪子的轉(zhuǎn)換過程。

圖1 履帶工作

圖2 履帶閑置

1.1 履帶支撐架設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)履帶的升降，傳統(tǒng)的履帶固定方式并不可行，所以我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的支撐架，該支撐架為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，包含兩個(gè)六角支撐輪系。安裝時(shí)，將一對(duì)履帶支撐架安裝在車體的兩側(cè)。之所以在支撐架中包含兩個(gè)支撐輪系，其目的是為了保持力矩的平衡。

考慮到支撐架總體的空間問題，以及帶輪的同步轉(zhuǎn)速問題，不可能令每個(gè)履帶輪都為主動(dòng)輪，所以我們便設(shè)定支撐架最左側(cè)和最右側(cè)的履帶輪為主動(dòng)輪，這樣還可以保持良好的平衡度。

圖3 履帶支撐架

為了使履帶只可以在豎直方向運(yùn)動(dòng)，所以我們?yōu)橹渭艿闹行牟糠衷O(shè)置了一個(gè)滑塊，它由工字型桿與支撐架主體相連，與滑塊對(duì)應(yīng)的是在機(jī)器人車廂兩端各設(shè)定了一條滑道。

圖4 支撐桿的另一角度視圖

機(jī)器人小車中的動(dòng)力來源一般為舵機(jī)或電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為了將舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為支撐架的直線運(yùn)動(dòng)，配合車廂滑道與支撐架上的滑塊，我們應(yīng)用了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)及其穩(wěn)定且機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單。我們將曲柄與連桿設(shè)定在了車廂的內(nèi)部，這是因?yàn)槿绻旁谕獠浚瑫?huì)對(duì)履帶的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干涉。

由于滑道行程有限，所以滑塊的運(yùn)動(dòng)存在極限位置，當(dāng)滑塊處于最上端時(shí)，履帶處于閑置狀態(tài)，當(dāng)滑塊處于最下端時(shí)，履帶處于工作狀態(tài)。也就是說，舵機(jī)控制曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，必須在一定的角度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，角度變化量為定值。所以，為了方便舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的控制，對(duì)曲柄和連桿長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算后，曲柄、連桿的設(shè)置效果為，當(dāng)曲柄與連桿處在一條直線時(shí)，滑塊處于下極限行程位置，履帶工作；當(dāng)曲柄與連桿重合時(shí)，滑塊處于上極限行程位置，履帶閑置。

圖5 滑塊下極限行程位置

圖6 滑塊上極限行程位置

也就是說，舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)變化角度為180°，這是一個(gè)比較容易控制的特殊值，舵機(jī)主軸的單向旋轉(zhuǎn)就可實(shí)現(xiàn)滑塊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可不必變換轉(zhuǎn)向。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)無死點(diǎn)，防止舵機(jī)卡死。

1.2 鎖死機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

履帶一般工作在崎嶇不平的道路，會(huì)上下震動(dòng)，單純的靠曲柄連桿機(jī)構(gòu)支撐受力是不行的，而且，當(dāng)履帶閑置時(shí)，因其整體部分重量較大，靠曲柄連桿機(jī)構(gòu)受力也是不行的。為了解決如上問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種鎖死機(jī)構(gòu)，無論履帶處于何種狀態(tài)，都是由鎖死機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)支撐受力。這就大大保證了履帶部分的可靠性與穩(wěn)定性。

圖7 鎖死機(jī)構(gòu)（滑塊縮回）

滑道的左右兩端各設(shè)置了一個(gè)凸輪滑塊，當(dāng)履帶處于閑置狀態(tài)時(shí)，凸輪滑塊處于伸出狀態(tài)，將支撐架滑塊支撐起來，承受履帶部分的重力；當(dāng)履帶向工作狀態(tài)過渡時(shí)，凸輪滑塊縮回，使其與滑道平面共面，緊接著曲柄滑塊的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，將履帶放下，滑塊達(dá)到下極限行程位置時(shí)，舵機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)；凸輪滑塊再次伸出，這樣就可以講支撐架滑塊固定在最低端，履帶工作。當(dāng)履帶由工作狀態(tài)向閑置狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，與上述流程相反。同時(shí)參照?qǐng)D7和圖8。

圖8 滑塊伸出狀態(tài)

為了使控制凸輪滑塊的伸出與縮回（往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)），我們?cè)O(shè)計(jì)了一種凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)為：可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換為往復(fù)的直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)凸輪可以承受較大的徑向力。為了保證凸輪滑塊的復(fù)位，我們將滑塊的上下兩端各設(shè)定了一個(gè)彈簧，這樣也可以保證滑塊上的聯(lián)動(dòng)桿可以緊貼凸輪。凸輪中心與聯(lián)動(dòng)桿軸線共線。

凸輪的元周線由三種圓弧組成。當(dāng)凸輪滑塊聯(lián)動(dòng)桿上的圓弧與凸輪大圓弧相切時(shí)，凸輪滑塊被頂起伸出；當(dāng)切點(diǎn)由大圓弧經(jīng)小圓弧過渡到中型圓弧時(shí)，由于彈簧的彈力，使聯(lián)動(dòng)桿緊貼凸輪弧線，滑塊慢慢回縮；當(dāng)切點(diǎn)達(dá)到中型圓弧最低點(diǎn)時(shí)，滑塊完全縮回，與滑道平面共面。這樣就實(shí)現(xiàn)了凸輪滑塊的伸出與縮回的轉(zhuǎn)換。

圖9 凸輪周線布置

由于一個(gè)滑道系統(tǒng)對(duì)應(yīng)著左右兩個(gè)凸輪，為了節(jié)約成本，最理想的情形是，一個(gè)主動(dòng)力輸入可以使兩個(gè)凸輪同時(shí)旋轉(zhuǎn)。為了達(dá)到這一目的，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種四連桿凸輪機(jī)構(gòu)，其工作原理類似于四連桿，且構(gòu)件初始時(shí)保持對(duì)稱。

桿一的中心部分與舵機(jī)主軸相連，作為動(dòng)力輸入。桿一左右兩端鉸接著桿二與桿三，桿二與桿三的另一端分別與左右凸輪上的一點(diǎn)鉸接。同時(shí)參照?qǐng)D9[3]。

當(dāng)凸輪滑塊處于縮回狀態(tài)時(shí)，左右凸輪中心及其各自的鉸接點(diǎn)與聯(lián)動(dòng)桿共線，此時(shí)，四連桿凸輪機(jī)構(gòu)的形狀為矩形；桿一的舵機(jī)旋轉(zhuǎn)一個(gè)小角度時(shí)，帶動(dòng)桿一轉(zhuǎn)動(dòng)，桿一帶動(dòng)左右的桿二與桿三平動(dòng)，從而帶動(dòng)左右的凸輪各自轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，再帶動(dòng)凸輪滑塊伸出。這樣在整體上就實(shí)現(xiàn)了對(duì)凸輪滑塊的控制。同時(shí)參照?qǐng)D9和圖10。

圖10 搖臂式履輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)工作流程圖

2 機(jī)構(gòu)特性

搖臂式履輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)最關(guān)鍵的部位是支持車體上下移動(dòng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。履帶支撐架的升降由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)控制，這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，噪音小。同時(shí)，支撐架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，可以保證履帶工作的平穩(wěn)性。起升降作用的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)可抽象為圖11所示。

圖11 曲柄滑塊系統(tǒng)

2.1 機(jī)構(gòu)的干涉約束

當(dāng)支撐架上的滑塊處于上極限行程位置時(shí)，曲柄與連桿重合，當(dāng)滑塊處于下極限行程位置時(shí)，曲柄與連桿共線，且這兩種狀態(tài)下的直線俊處于豎直位置，所以，有：

其中：l為連桿長(zhǎng)度，h為曲柄長(zhǎng)度，a1為支撐架上滑塊處于下極限行程位置時(shí)距曲柄銷釘?shù)呢Q直距離，a2為滑塊處于上極限行程位置時(shí)距曲柄銷釘?shù)呢Q直距離。a1，a2的大小均由機(jī)構(gòu)布局人為設(shè)定[4]。

2.2 機(jī)構(gòu)的速度加速度分析計(jì)算

已知：經(jīng)過舵機(jī)驅(qū)動(dòng)桿1一恒角速度旋轉(zhuǎn)，做周期性運(yùn)動(dòng)。取b點(diǎn)經(jīng)過的點(diǎn)1’，2’，3’，4’，5’，6’進(jìn)行分析。用矢量方程圖解法求解：

圖12 速度矢量圖

圖13 加速度矢量圖

以此類推，可得圖中各點(diǎn)的速度與加速度。

3 整機(jī)搖臂式履輪轉(zhuǎn)換曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真

完成了搖臂式履輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的整機(jī)在Pro/E中的建模與裝配后，將建立在虛擬樣機(jī)中的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)系統(tǒng)另存為Parasolid格式導(dǎo)入ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[6]。在ADAMS中，完成含有運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的虛擬樣機(jī)仿真環(huán)境的設(shè)置，仿真時(shí)間的確定，約束關(guān)系的確立，使機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，在該環(huán)境下進(jìn)行齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。其建模后添加約束效果如圖14所示。

圖14 系統(tǒng)動(dòng)力建模

圖15 系統(tǒng)添加約束

圖16 搖臂式履輪轉(zhuǎn)換輸出速度

圖17 搖臂式履輪轉(zhuǎn)換輸出加速度

4 結(jié)束語

整個(gè)搖臂式鋁輪轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)首先提出了一種換腳機(jī)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)其建立初步模型，細(xì)化其工作過程，然后利用同一構(gòu)件上的兩點(diǎn)間的運(yùn)動(dòng)矢量方程做機(jī)構(gòu)的速度及其加速度的圖解分析。最后將建立的機(jī)構(gòu)用ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析，由結(jié)果可得出此機(jī)構(gòu)具有可行性，運(yùn)行平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，能夠支持較大范圍的扭矩，能很好地滿足工作需要，為作為機(jī)器人各種作業(yè)搭載平臺(tái)的行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了參考。

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