電動彈跳輪式復合機器人結構設計

林自旺　顧凱杰　王經緯　宋偉山　梁凱旋

摘要：彈跳機器人可以躍過數倍于自身尺寸的障礙物，與輪式移動方式結合可以大大提高機器人的活動范圍和對地形的適應能力。本文研制了一種電動彈跳和輪式移動，兩種運動方式相集成的復合運動機器人。提出了一種可靠的機器人壓縮和釋放能量的機構。詳細介紹了整個機器人的機械結構設計以及彈跳運動和輪式移動的實現。

關鍵詞：機器人；彈跳運動；輪式移動；結構設計

0 引言

輪式移動機器人在空間探索、海洋開發、家庭應用等領域發揮著重要作用。在相對較為平坦的環境中，僅需要機器人有較為靈活的移動能力，而當遇到地形崎嶇、較大障礙物或溝渠時，一般的移動機器人的運動就會受到嚴重的限制。在復雜的環境中，如地震救災，機器人要有對地面較強的通過能力和對環境的適應能力。在實際的應用中，為了越過障礙物，要求機器人具有一定的跳躍能力[1～3]。

彈跳機器人可以輕而易舉的越過與自身尺寸相當的，甚至數倍于自身尺寸的障礙物或溝渠，因此更適合復雜和不可預測的環境[4]。但是，單純的機器人彈跳運動會消耗大量的能量，且元件的磨損程度會比較嚴重，而輪式移動可以適應相對較為平坦的地形。因此，將彈跳運動和輪式移動結合，針對不同的地形，選擇適合的運動方式，既可以節省能源，延長元件使用壽命，又可以使機器人的適用范圍更廣泛[5]。

本文構建了一個具有跳躍能力的輪式移動機器人，該機器人是在彈跳機器人MSU jumper[6]的基礎上進行了結構優化和運動方式的結合設計，采用仿生設計方法和3D打印的制造技術，實現電動彈跳與輪式集成機器人形小、質輕這一優化目標。

1復合機器人工作原理

1.1復合機器人結構組成

復合機器人結構，其彈跳機構由3部分組成：主體結構、傳動部分、壓縮釋放機構。主體部分由上腿，下腿、壓縮板和底板四部分組成，形成了六桿機構。壓縮和釋放機構套在傳動部分的輸出軸上，用以完成彈跳機構的壓縮和釋放動作。輪式移動部分整體是三輪式結構，包括兩個前輪、兩個直流減速電機和一個輔助支撐輪及其支架。同時，三輪式移動結構被選為彈跳機器人的移動平臺，實現平坦路面的輪式移動功能。

1.2復合機器人的工作原理

電動彈跳輪式移動復合機器人具有兩種運動方式：一種是彈跳運動方式；另一種是輪式移動方式。在工作執行開始時，機器人根據路況會進行運動方式的選擇，選擇情況如下：

（1）當是平坦路面時，機器人選擇輪式移動運動方式，彈跳機構保持初始狀態，通過機器人前輪驅動，使機器人到達工作目的地。

（2）當遇到較高障礙物時，機器人選擇彈跳運動方式。經過彈跳運動，機器人完成躍過障礙物任務，并執行接下來的任務，最終達到工作目的地。

2復合機器人的結構設計

電動彈跳輪式復合機器人的設計不僅要實現彈跳高度和運動方式良好結合性的目標，而且要實現機器人微型化和重量輕的目標。

2.1彈跳機構設計

彈跳機構的設計包括三部分：六桿蓄能機構設計、傳動部分設計和壓縮—釋放機構設計。為了簡化機器人的結構，機器人彈跳主體部分選擇六桿蓄能機構，而且四腿長度相等。六桿機構扭簧的壓縮初始角為75°，壓縮終止角為15°，壓縮量為60°，為了減輕機構的整體重量，六桿蓄能機構中的上腿、下腿、壓縮板和底板四部分均采用腹板—加強筋結構。傳動部分選擇現成的減速電機，將減速器和電機集成一體，這樣不僅能夠節省空間、提高效率，而且可以大大減輕機器人整體重量。減速電機的減速比為300，外置嚙合齒輪組的減速比為6，總減速比為1800。同樣為了減輕機器人的重量和簡化機器人的結構，將壓縮—釋放機構兩者設計為一體結構，下面主要介紹壓縮、釋放機構的結構和工作原理。

圖1所示為壓縮釋放機構工作原理圖，該結構由離合件、插銷和魚線繩三部分組成。插銷1安裝于傳動機構的輸出軸，其伸出部分位于離合件2的180°槽內，離合件安裝于輸出軸上，離合件的內孔和輸出軸之間采用間隙配合方式。

當六桿機構壓縮初始狀態時，插銷1與離合件2的溝槽側面接觸。壓縮開始后，在傳動機構的帶動下，插銷1帶動離合件做逆時針旋轉。離合機構旋轉180°后，離合件2的末端上升到最高點。此時，六桿機構處于最大程度壓縮狀態，離合件2和插銷1兩者之間處于自由狀態。當輸出軸繼續轉動微小角度后，離合件2在插銷1的微小干擾和魚線繩3的拉力作用下，迅速旋轉回到初始位置，從而使得彈跳機構釋放能量。

插銷1保證了離合件2的單向旋轉，離合件2達到最高點可以在魚線繩3的作用下短暫鎖定，離合件2的180°缺口保證了突然釋放。該機構改進MSU jumper的單向軸承，實現了單向軸承的功能，同時也減輕了機器人的重量。

2.2輪式移動結構設計

基于電動彈跳輪式復合機器人的穩定性和平衡性，機器人輪式移動部分整體設計成三輪結構。兩前輪采用各自驅動方式，方便機器人移動的調整和轉向，兩前輪由兩個直流減速電機驅動，車輪直接安裝在減速電機的D字輸出軸上。輔助支撐輪起平衡作用，維持機器人的穩定性。

3復合機器人試驗分析與改進

3.1試驗分析

圖3.1所示為一組機器人彈跳試驗結果圖，在無控制系統的狀態下，電源直接帶動機器人電機，進行彈跳和輪式移動試驗。機器人的整體重量為85g，彈跳最高高度為21cm，從壓縮開始到彈跳離地的時間為4s。試驗結果驗證了壓縮釋放機構設計和輪式移動與彈跳運動結合的可行性。

同時，機器人試驗結果也出現了諸多問題。彈跳結束后，機器人容易傾倒，無法恢復行走狀態；機器人行走時的重心不穩；能量利用率不高。當機器人釋放的過程中，能量會大量損失。

3.2復合機器人改進

基于上述分析，電動彈跳輪式復合機器人的上下兩部分的質量分配可以繼續優化。考慮到機器人重心不穩的問題，可以改變機器人輪式和彈跳機構的結合方式。因此，機器人可以做如下改進：

（1）選擇壓縮板作為機器人輪式移動平臺，使得機器人上半部分分配更多重量，以減少跳躍過程的能力損失。

（2）在機器人選擇輪式移動運動時，彈跳機構處于完全壓縮狀態，以提高機器人的穩定性。

4結語

在本次設計過程中，為了使得機器人彈跳更高、兩種運動方式結合的更好，機器人的整體結構進行了很大程度的簡化設計。機器人個零件采用的腹板-加強筋結構保證了機器人強度，同時減輕了機器人的整體重量。彈跳部分是機器人設計中的關鍵，壓縮釋放機構是彈跳機構的關鍵。相對于MUS jumper中的單向軸承方案，本次設計方案中采用的離合機構具有更高的可靠性。