一種復合式機器人的輪足結構設計及仿真

朱藝萌，唐 龍，許劉林，彭 康，張子昕

（1.南京師范大學附屬中學，江蘇 南京 210007；2.中國人民解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇 南京210007；3.江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江212000）

一種復合式機器人的輪足結構設計及仿真

朱藝萌1，唐 龍1，許劉林2，彭 康2，張子昕3

（1.南京師范大學附屬中學，江蘇 南京 210007；2.中國人民解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇 南京210007；3.江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江212000）

對一種六輪足復合式機器人進行受力分析，得到了機器人電機輸出轉速和轉矩的表達式?；陲w機起落架結構設計了一種輪足結構，并對輪足結構在前擺、中間位置和后擺位置進行了分析，研究了各桿結構的尺寸比例關系。利用ADAMS軟件對輪足結構進行了仿真，結果表明，三角支架在120°轉角范圍，推桿設計行程為150 mm時，三角支架主動驅動和電動推桿主動驅動均滿足要求。

輪足結構；機器人；結構設計；運動仿真

輪足復合式機器人不僅具有輪式機器人快速機動的特點，又兼備了腿足式機器人優越的越障性能，能夠適應更加復雜的需求環境[1-3]。在平整地面上，六輪足機器人的轉向可以通過差速來實現。但在復雜環境下，機器人在適應環境時需要通過輪足擺腿結構擺動一定的角度進行姿態調整。因此，研究機器人的輪足結構，對于充分發揮其快速越障的性能具有重要意義[4，5]。

1 受力分析

輪足復合式機器人的輪足結構采取自下而上的設計思路，根據路面條件和速度要求，確定車輪直徑和驅動電機；采用四連桿機構，設計輪足式擺腿結構；通過受力分析，計算得到電動推桿的相關參數，選取符合要求的電動推桿；最后將各零部件組裝得到完整的輪足擺腿結構模塊。

設車輪直徑為D，最大行駛速度為v0，速度傳輸比為i，整車總重量為G.對于六輪足復合式機器人，電機輸出轉速nm與機器人行駛速度v的關系、電機輸出轉矩Tm與行駛驅動力Ft的關系如式1所示，其中η為傳動效率。

機器人運動時還需要考慮其最大爬坡角度，圖1是機器人在爬坡過程中的受力示意圖，此時所受阻力主要包括滾動阻力Ff、上坡阻力Fi、空氣阻力Fw、加速阻力Fj等。

圖1 機器人爬坡過程受力示意圖

其中，f是滾動摩擦系數，α是坡度角度，CD是空氣阻力系數，A是機器人平臺的迎風面積，δ是加速阻力系數。

所選驅動電機的輸出轉速nm、輸出轉矩Tm應該滿足式（3）所示的關系，其中αmax是機器人平臺所能夠爬越的最大斜坡角。

可以根據實際需求計算得出電機輸出轉速和輸出轉矩的值。例如，最大平地行駛速度為50 km/h，整車重量為40 kg，最大爬坡角度40°，驅動車輪直徑為80 mm，車輪與地面間的摩擦系數0.3，電機輸出與車輪間的速度傳輸比為2，傳動效率為0.8時，所受到的空氣阻力忽略不計，加速阻力主要由和機器人的加速度dv/dt決定，通過控制機器人平臺的加速度，將加速阻力控制在可以忽略的范圍內，設定安全系數μ為2，可以求得電機輸出轉速和輸出轉矩的要求為轉速大于3 684 r/min，轉矩大于3 N·m.

2 輪足結構設計分析

圖2是輪足結構示意圖，輪足復合式機器人輪足的設計是基于飛機起落架進行改進的結構[6]。電動推桿是動力元件，通過推桿自由端的伸縮運動實現車輪在一定范圍內擺動；輪足三角支架是連接件，將電動推桿的直線運動轉變成車輪的擺動運動，并實現車輪對平臺的穩固支撐；兩個從動桿是從動件，與電動推桿、輪足支架組成四連桿機構，使輪足結構穩定可控。

圖2 輪足結構示意圖

輪足結構設計的關鍵是實現車輪在平臺行駛方向上的前后擺動。圖3是運動過程中輪足結構的三種位置。電動推桿的長度用l表示，輪足支架的四個桿件分別用 l1、l2、l3、l4表示，l3與 l1反向延長線的夾角用β表示，l5、l6表示兩個從動桿件。安裝時使電動推桿l與輪足支架l1的夾角為β，輪足支架l1與水平面的夾角為2β，則輪足前擺最大角度為90°-β，如圖3（a）所示。后擺到最大位置時，輪足支架l3與水平面的夾角為β，即輪足后擺最大角度也為90°-β，如圖3（c）所示?；谏鲜龇治觯ㄟ^設計各個桿件的尺寸及其安裝位置，可以實現輪足前后90°-β的擺動，從而使輪足復合式機器人能夠越過臺階、斜坡、跨溝等障礙物。

各個桿件的尺寸與車輪大小需要呈一定比例關系。桿件尺寸相對車輪偏小時，平臺底盤質心與地面間距離的調節范圍小，難以發揮輪足結構底盤高度可調的優勢；桿件尺寸相對車輪偏大時，車輪支撐不穩定，機器人在運動過程中易發生傾擺、抖動等現象。車輪直徑為 D，輪足支架各桿件長度 l1、l2、l3、l4分別取值為 0.75D、D、2D、1.5D，從動件 l5、l6的長度分別取1.2D、1.3D，電動推桿的原始長度lmin取2D.本研究中β取值為15°，即前后擺動的最大角度可達到75°。由圖3（c）中的幾何關系可得到電動推桿行程要大于2l1cosβ，即要大于1.45D，取值為1.5D.

3 運動學仿真

利用分析軟件ADAMS對輪足擺腿結構進行仿真，首先是擺腿擺動120°角度范圍內，對于推桿行程的變化，據此可以驗證推桿最大行程的選取是否正確；然后是推桿在特定行程范圍內移動時，對于擺腿結構擺動角度的變化的驗證。

圖4為擺腿機構模型圖，其中A和B兩點固定在車體上，推桿的兩個圓柱體為移動副，其余各處均為鉸接轉動副。

3.1 三角支架主動驅動仿真

圖5為三角支架主動驅動時在A點施加力矩的仿真模型圖。在A點添加轉動驅動力矩，此時推桿為從動件，在三角支架轉動的角度范圍內可以得到推桿的行程要求。

圖5 A點施加力矩時的仿真模型

以三角支架作為驅動主動件時，隨著支架的轉動，推桿跟隨著實現伸縮平移運動。圖6是三角支架作為主動件時的仿真曲線圖，從圖中可以看出，三角支架在120°轉角范圍內，推桿的行程要求為105 mm，因此此次所選取的推桿（其行程為150 mm）滿足要求。

圖6 三角支架作為主動件時仿真曲線圖

3.2 電動推桿主動驅動仿真

圖7 是推桿作為主動件時的仿真模型。其中電動推桿作為主動驅動，三角支架以及車輪為從動件，在推桿移動副上施加一個平移運動，此時驗證推桿在105 mm 行程運動范圍內可以得到的三角支架轉動的角度范圍。

圖7 推桿作為主動件時的仿真模型

以電動推桿作為驅動主動件時，隨著電動推桿的伸縮運動，三角支架跟隨著實現轉動，由圖8可以看出，推桿在105 mm行程范圍內時，三角支架所能夠擺動的角度為120°，滿足要求。

圖8 電動推桿作為主動件時仿真曲線圖

4 結束語

（1）對輪足復合式機器人在平地和爬坡過程中的情況進行了受力分析，推導了電機轉速和轉矩在滿足需求時的表達形式，求解了滿足設計需求的相關參數。

（2）基于飛機起落架結構設計了輪足結構，并對輪足結構在運動過程中的三種位置情況進行了詳細分析，得到了輪足結構的尺寸比例關系。

（3）利用ADAMS軟件對輪足結構進行了仿真，得到了三角支架作為主動件時推桿的動作曲線及推桿作為主動件時三角支架的擺動角度，驗證了結構滿足設計要求。

[1]鄧哲宇.輪式移動機器人建模與運動控制策略研究[D].杭州：浙江大學，2015.

[2]劉 靜，趙曉光，譚 民.腿式機器人的研究綜述[J].機器人，2006，28（1）：81-88.

[3]趙旦譜.非結構地形輪足式移動機器人設計與步態規劃研究[D].北京：清華大學，2010.

[4]談自忠.機器人學與自動化的未來發展趨勢[J].中國科學院院刊，2015（06）：772-774.

[5]胡師柿，宋春華.機器人的現狀及發展趨勢[J].科技經濟導刊，2016（10）：34-36.

[6]董偉光，王洪光，姜 勇.一種輪足復合式爬壁機器人動力學建模與分析[J].機器人，2015（03）：264-270.

Design and Simulation of Wheel Foot Structure of a Composite Robot

ZHU Yi-meng1，TANG Long1，XU Liu-lin2，PENG Kang2，ZHANG Zi-xin3
（1.High School Affiliated to Nanjing Normal University，Nanjing Jiangsu 210007，China；2.College of Field Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China；3.School of Electronic Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212000，China）

The force analysis of a six wheeled compound robot is carried out，and the expression of the rotational speed and torque of the robot motor is obtained.Based on the structure of the aircraft landing gear，a wheel foot structure is designed，and the position of the front foot，the middle position and the rear pendulum are analyzed.The relationship between the size of the rod structure is studied.The wheel foot structure is simulated by using ADAMS software.The results show that the triangle bracket is in the range of 120°，the push rod design schedule for 150 mm，drive and the triangle bracket can satisfy the requirements of driving electric putter.

wheel foot structure；robot；sructure design；motion simulation

TP242.6

A

1672-545X（2017）10-0041-04

2017-07-15

朱藝萌（2000-），女，江蘇人，高中，研究方向：結構力學；唐 龍（1967-），男，江蘇人，物理教師，學士（本科），研究方向：結構設計與仿真。