變步距可轉向四足爬樓機器人研究*

代傳昭，朱永剛

（安徽三聯學院機械工程學院，安徽 合肥 230601）

隨著我國老齡化的加劇，沒有電梯的老舊小區已成為一個亟待解決的社會問題，因此爬樓機器人成為社會關注熱點。而目前爬樓機器人的結構設計主要還是在腿部各關節加電機或氣缸，利用其簡單旋轉運動來實現機器人的行走，腳部一般采用履帶式、行星輪系結構或葉輪式結構，加上復雜的控制系統往往使機構成本高昂，同時還出現沖擊性大、舒適性不夠的缺點，在凹凸不平的復雜路面，其顛簸往往使人難以忍受。因此，國內外有采用四連桿、六連桿進行取代的傾向[1-2]。本設計采用四連桿機構為基礎，進行優化設計以獲得滿足足行運動模式的簡單機械結構，最后進行總體設計形成變步距可轉向四足爬樓機器人。機器人采用單電機驅動，同時融合仿生技術，使上樓運載機器人靈活性高、行動敏捷、運行平穩且噪音小，實現了既可載人還能載貨物，同時又可在平地中行進，并具有強大的多地形適應能力的設計。

1 樣機建模與制造

變步距可轉向式四足爬樓機器人為多自由度步行機器人，由腿部運動單元、變步距單元、轉向機構單元和自平衡機構單元組成。機器人的站立姿態外形圖如圖1所示。

圖1 機器人實物Fig.1 robot object

2 機器人腿部結構優化設計

2.1 設計模型的建立

鑒于簡化機構設計以及四連桿機構的可靠性，使用圖2所示的平面四連桿機簡化模型[3-4]。

圖2 平面四桿優化模型Fig.2 Optimization model of planar four bar linkages

本文以豎直高度150mm、水平距離200mm的臺階為例進行一般化的計算。

確定四連桿的設計變量：

2.2 建立目標函數

誤差為目標函數：

求解得得到結構為：

圖3所示為連桿點軌跡圖。

圖3 連桿點軌跡圖Fig.3 trajectory chart of selecting point on connecting rod

3 機器人腿部機構組成與運動分析

四足步行機器人以穩定的步姿行走時,其機身在腿架的支撐下與地面保持重心的平衡[5-6]。

3.1 四足機器人腿部連桿機構

如圖4所示為機器人單側行走機構原理圖。該機構包括兩對尺寸相同的曲柄連桿機構以及將兩機構連接起來的傳動桿、固定桿和腿調節桿。通過固定桿使與兩曲柄滑塊機構鉸連的腿部失去了旋轉的自由度，經過優化設計的腿部運動可以在一個運動周期內實現水平運動和垂直運動。自由度計算如下：

n=7，pl=10，ph=0

所以f=3n-2pl-ph=3*7-2*10=1。

爬樓過程分解步驟如圖5所示。

圖4 機器人行走機構Fig.4 robot walking mechanism

圖5 機器人爬樓過程分解圖Fig.5 decomposition diagram of climbing process

3.2 四足機器人變步距結構

特別設計的剛性活動聯軸器如圖6所示，是為了克服機械式機器人跨步固定的缺陷以適合不同尺寸樓道環境。通過增加撥盤系統操縱以實時改變步行機器人行走歩距。變步距系統的核心是剛性活動聯軸器，通過撥盤系統用來控制剛性活動聯軸器兩側軸的距離實現步距變化。

圖6 剛性活動聯軸器Fig.6 Rigid coupling

3.3 四足機器人轉向系統結構

轉向機構與剛性活動聯軸器一端傳動軸通過十字聯軸器、滾珠花鍵機構與翅膀相連，翅膀裝有移動導軌，如圖7所示。剛性活動聯軸器的另一端軸穿過翅膀與另一行走機構相連以實現另一側行走運動。轉向仿生展翅式機構如圖8所示，由腿部總成、鉸鏈、展翅四桿機構等相關配件組合，通過人工驅動方向盤，經由展翅四桿機構實現機器人腿部總成與機體的角度旋轉，從而實現機器人的轉向運動。

圖7 翅膀連接總成Fig.7 Wing assembly

圖8 轉向機構Fig.8 steering mechanism

轉向系統運動原理如圖9、圖10所示。如向左轉向時（機器頭部朝向為前進方向，前進方向向左為左轉向，向右為右轉向），左側翅膀側腿部著地行走的過程中，在右側翅膀側腿部著地前轉動方向盤，使得左側翅膀展開，待右側翅膀側腿部著地，左側翅膀側腿部著地前轉動方向盤，使左側翅膀側收攏，完成一次向左轉；向右轉向時（機器頭部朝向為前進方向，前進方向向左為左轉向，向右為右轉向），右側翅膀側腿部著地，在左側翅膀側腿部著地前轉動方向盤，使得左側翅膀展開，待左側翅膀側腿部著地，右側翅膀側腿部著地前轉動方向盤，使左側翅膀側收攏，完成一次向右轉。仿生的翅膀轉向結構新穎獨特，實現運動狀態下的步行機器人靈活轉向。

圖9 向右轉向Fig.9 circumstances of right turning

圖10 向左轉向Fig.10 circumstances of left turning

全方位水平姿態爬樓機器人，可以很好地進行直線移動，通過人工驅動腿調節桿的方式可以在上樓行進中進行姿態調整。

4 平衡機構

由于行走機構是由兩側的翅膀分別單獨執行的，機器人及其運載貨物的重量是由一側的翅膀單獨輪流支撐的，當機器人出現或左或右傾倒跡象時，難于保持平衡。配置平衡系統如圖11所示。例如當左側翅膀行走時，步行機器人向右傾斜。這時與左腿相固聯的左壓塊一起向下運動，平衡半圓管向左傾斜并由自身的重力保持向左傾斜，管內的平衡球向左運動以保證機器人的平衡。向右同理。

圖11 平衡機構Fig.11 Balance mechanism

5 關鍵零件有限元分析

機器人以鋼圓管為腿部支撐件，設計負載為100kg（980N），由分析可知機器人單側腿部支撐時，較大的變形易導致與另一側腿腳的干涉而難以完成預定的步伐，此時相對較為危險，故對此位置進行建模并使用Ansys的Structure模塊進行有限元分析。由圖12可以看出此腿工作狀態良好，完全可以承受100kg負載的載物運動[7-8]。

圖12 腿部圓管應變圖Fig.12 Strain diagram of the leg

6 結論

實踐證明，該爬樓機器人實物運行良好，各項性能達到預期目標，設計計算以及結構設計科學合理，其樣機參加了全國性比賽并獲獎，市場應用前景廣闊。