一種關(guān)節(jié)履帶復(fù)合式機(jī)器人動力結(jié)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動分析

聶朝瑞，劉 淼

(1.陜西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程與通用航空學(xué)院，陜西 西安 710100；2.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710021 )

0 引言

特殊任務(wù)機(jī)器人通常具備較強(qiáng)的惡劣環(huán)境適應(yīng)能力和戰(zhàn)場生存能力，仿生機(jī)器人也一直是各科技強(qiáng)國研究機(jī)構(gòu)不斷研發(fā)的重點領(lǐng)域，而四足機(jī)器人因為具有更高的穩(wěn)定性和更大的靈活性，一直是仿生機(jī)器人領(lǐng)域研究的焦點。

BigDog of Boston Dynamics掀起了各國研究機(jī)構(gòu)對軍用四足仿生機(jī)器人的研究熱潮[1，2]。文獻(xiàn)[3]基于狗前腿的骨骼-肌肉生物力學(xué)特性，設(shè)計了一種可以實現(xiàn)奔跑的腿部結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行了動力學(xué)分析。文獻(xiàn)[4]提出了三種仿生腿結(jié)構(gòu)并對其進(jìn)行了特性分析，得到了混聯(lián)腿優(yōu)于串聯(lián)腿的結(jié)論。文獻(xiàn)[5]提出了一種使用鉸鏈六連桿機(jī)構(gòu)形式的履帶機(jī)器人結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了傳統(tǒng)的履帶式結(jié)構(gòu)，但整體結(jié)構(gòu)相比較于傳統(tǒng)履帶機(jī)構(gòu)并未有更進(jìn)一步的提升。文獻(xiàn)[6]融合了輪式機(jī)器人和腿式機(jī)器人的特點，提出了一種輪腿交互變換的行走式機(jī)器人，但其整體實現(xiàn)策略更加復(fù)雜，導(dǎo)致系統(tǒng)冗余系數(shù)過高，對機(jī)器人處于真實環(huán)境中的可靠性和控制策略的耦合性提出了較大挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[7]設(shè)計了一種輪-履復(fù)合式的爬樓梯輪椅，其在結(jié)構(gòu)上優(yōu)化了輪子和履帶的功能優(yōu)點，并通過ADAMS對其進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析，得出了輪履復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到一定的行駛穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]針對固定履帶式運(yùn)動機(jī)構(gòu)越障性能差的問題，對雙擺臂機(jī)構(gòu)履帶機(jī)器人在翻越障礙時的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，得出雙擺臂機(jī)器人對越障的可執(zhí)行性和執(zhí)行效率方面有較大的優(yōu)勢。在機(jī)器人運(yùn)動控制方式上，有使用DSP來對煤礦探測機(jī)器人進(jìn)行控制的方式，也有使用Arduino硬件系統(tǒng)對輪式機(jī)器人的避障控制策略進(jìn)行規(guī)劃，對所設(shè)計的機(jī)械動力系統(tǒng)在輪式運(yùn)動狀態(tài)下的避障策略有一定借鑒作用[9，10]。

從以上的研究中可以看出，前人對四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計和虛擬步態(tài)分析做出了較多的研究，然而大多數(shù)機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，增加了在真實環(huán)境中的控制難度和不可靠性因素。若在研究設(shè)計中將履帶動力單元與機(jī)器人主體框架徹底分離，可使其具備將仿生運(yùn)動結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的多元仿生控制策略融入傳統(tǒng)履帶式機(jī)器人的能力，從而提高機(jī)器人在面對多種地形環(huán)境時克服障礙的能力。

1 機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)設(shè)計及地形運(yùn)動情況分析

機(jī)器人的動力結(jié)構(gòu)大致可分為三種：輪式、履帶式和仿生爬行。輪式具有結(jié)構(gòu)和控制簡單、平坦路面運(yùn)行速度高、運(yùn)動靈活和能耗較低的特點，但不適合跨越溝壑臺階等復(fù)雜地形及障礙。履帶式機(jī)器人相比輪式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，在陡峭地形環(huán)境下有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，但同時存在較大的輪-履摩擦阻力，在遠(yuǎn)距離或高速運(yùn)動過程中能耗較高。仿生腿式機(jī)器人的優(yōu)點是靈活性最高，但同時又有著較復(fù)雜的機(jī)械和傳動結(jié)構(gòu)，且在控制硬件領(lǐng)域及運(yùn)動算法上對機(jī)器人的控制和解耦合難度較大。

當(dāng)前大多數(shù)陸地機(jī)器人在機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方面基本是采用單一式結(jié)構(gòu)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)一般為輪式、履帶式、仿生腿式。經(jīng)過多種方案的優(yōu)勢和劣勢對比，本文提出了一種仿生關(guān)節(jié)履帶復(fù)合型機(jī)器人，通過機(jī)器人多種功能的有機(jī)融合使其在面對不同地形環(huán)境時的適應(yīng)性及通過能力得到有效提升。

以O(shè)XYZ為坐標(biāo)軸給出了機(jī)器人腿部運(yùn)動結(jié)構(gòu)簡圖，如圖1所示。機(jī)器人由四組結(jié)構(gòu)相同的運(yùn)動單元構(gòu)成，每個單元由大臂2、小臂1和驅(qū)動輪4構(gòu)成，它們之間相互協(xié)調(diào)形成一組多運(yùn)動形式的運(yùn)動單元。每組運(yùn)動單元具有三種不同型號行星減速無刷電機(jī)，其中安裝在主體上的大臂電機(jī)6用來驅(qū)動大臂的擺動及姿態(tài)保持；另外兩個電機(jī)集成在了行星減速齒輪傳動箱上，分別用來驅(qū)動履帶的運(yùn)行和小臂的擺動，在機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)上二者的運(yùn)動情況完全獨立。

1-小臂；2-大臂;3-主框體;4-驅(qū)動輪;5-從動輪;6-大臂電機(jī);7-小臂電機(jī);8-履帶電機(jī);9-角度傳感器

如圖1(b)所示，兩個電機(jī)7和8全部安裝在大臂和小臂的連接處，達(dá)到空間的合理緊湊和傳動效率的最大化，設(shè)計了行星齒輪機(jī)構(gòu)保證兩個電機(jī)并行獨立工作且不發(fā)生干涉。為了能夠?qū)崿F(xiàn)仿生步態(tài)運(yùn)行，大臂和小臂均可正反向旋轉(zhuǎn)。硬件控制系統(tǒng)可以通過傳感器精確測量和控制旋轉(zhuǎn)角度及速度。由于采用了這種電機(jī)布置，機(jī)器人在以輪式和履帶形式運(yùn)動時可以通過硬件和軟件形成分時四驅(qū)動力布局。

機(jī)器人腿部為四組并聯(lián)機(jī)構(gòu)，每組運(yùn)動機(jī)構(gòu)有3個自由度：大臂的旋轉(zhuǎn)擺臂運(yùn)動，小臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和小臂履帶的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。機(jī)器人每組運(yùn)動機(jī)構(gòu)的動力來源是3種不同齒輪減速比的行星減速無刷電機(jī)，由于受構(gòu)成機(jī)器人本身和搭載設(shè)備的重量和尺寸限制，要求使用的電機(jī)必須具備特定的性能要求。控制大臂和小臂旋轉(zhuǎn)的電機(jī)需要體積緊湊和大扭矩，而履帶電機(jī)需要在特定扭矩情況下能達(dá)到較高的轉(zhuǎn)速，因此選擇結(jié)構(gòu)緊湊且減速比大的無刷行星齒輪減速電機(jī)。由于空間尺寸的限制，相比傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動機(jī)構(gòu)，行星齒輪減速電機(jī)的效率顯著提高，動力傳動損失小于10%。

2 機(jī)器人大臂-小臂行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計

小臂和履帶共同集成在一個部件上，為了小臂的擺動和履帶的運(yùn)轉(zhuǎn)不發(fā)生機(jī)械干涉，在大臂和小臂的關(guān)節(jié)處設(shè)計了行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)，如圖2所示。小臂電機(jī)和履帶電機(jī)安裝在大臂，內(nèi)齒環(huán)11安裝在內(nèi)齒盤10上，內(nèi)齒盤10又與小臂(圖中未示出)連接，小臂電機(jī)2通過齒輪3和內(nèi)齒環(huán)11的行星輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動小臂擺動，履帶電機(jī)6通過一組減速齒輪驅(qū)動履帶驅(qū)動輪。通過這種設(shè)計，小臂的擺動和履帶驅(qū)動輪7的轉(zhuǎn)動可以獨立運(yùn)動互不干涉，齒輪傳動機(jī)構(gòu)全部被包含在了內(nèi)齒盤內(nèi)部，起到了對傳動機(jī)構(gòu)的密封作用，此種設(shè)計也合理地利用了緊湊的空間。

1-大臂；2-小臂驅(qū)動電機(jī)；3-傳動齒輪A；4-軸承；5-傳動齒輪B；6-履帶輪電機(jī)；7-履帶驅(qū)動輪；8-履帶；9-傳動主軸；10-內(nèi)齒盤；11-內(nèi)齒環(huán)

機(jī)器人在動力結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計為采用輪式運(yùn)動結(jié)構(gòu)、履帶運(yùn)動結(jié)構(gòu)和類四足靈長動物仿生臂結(jié)構(gòu)的混合結(jié)構(gòu)模式提供了可行性。

3 多向接觸力反饋感知履帶小臂復(fù)合機(jī)構(gòu)設(shè)計及仿真

3.1 機(jī)器人小臂復(fù)合機(jī)構(gòu)設(shè)計

機(jī)器人的小臂和履帶結(jié)合，使得小臂既可以在輪式和履帶狀況下運(yùn)行，又能以四足仿生動物的步態(tài)模式行走。處于非仿生步態(tài)行走模式下的小臂可以固定在特定角度，機(jī)器人此時使用履帶模式運(yùn)動。履帶小臂復(fù)合機(jī)構(gòu)由內(nèi)齒盤、內(nèi)齒環(huán)、履帶驅(qū)動輪、剛性連接片、張緊調(diào)節(jié)連接塊、微形變材料和力傳感器組件組成。

在機(jī)器人核心驅(qū)動構(gòu)件(即小臂傳動機(jī)構(gòu))中，機(jī)器人單獨一個小臂傳動機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。內(nèi)齒盤5連接剛性連接片8，小臂電機(jī)驅(qū)動內(nèi)齒盤5，可以使小臂轉(zhuǎn)動。履帶電機(jī)驅(qū)動中心齒輪，帶動履帶驅(qū)動輪4使履帶運(yùn)動。履帶張緊調(diào)節(jié)孔9是調(diào)節(jié)履帶松緊的裝置，使用快速的螺栓壓緊機(jī)構(gòu)使調(diào)節(jié)履帶松緊快速簡單。微形變結(jié)構(gòu)3選用鎂鋁合金材料，設(shè)置在兩片剛性連接體之間，如圖4所示。微形變材料3中埋置有多路差動式壓電傳感器模塊，在機(jī)器人使用仿生步態(tài)運(yùn)動過程中，機(jī)器人小臂的柔性足底1通過小臂微形變結(jié)構(gòu)在不同方向上的重量分布及受力變化，實時測量和反饋小臂足底1在接觸地面時的受力情況，從而間接構(gòu)成機(jī)器人單個腿部在運(yùn)動過程中足底的受力閉環(huán)模型，為機(jī)器人步態(tài)運(yùn)動算法提供實時數(shù)據(jù)支撐。

1-足型柔性從動輪；2-機(jī)械臂壓電傳感器組件；3-微形變結(jié)構(gòu)材料；4-小臂履帶驅(qū)動輪；5-驅(qū)動輪內(nèi)齒盤；6-鑲嵌在內(nèi)齒盤中的內(nèi)齒輪環(huán)；7-履帶驅(qū)動齒輪；8-履帶驅(qū)動輪的剛性連接片；9-履帶驅(qū)動臂的可調(diào)伸縮連接孔

3.2 機(jī)器人小臂連接件仿真優(yōu)化

機(jī)器人小臂連接件作為機(jī)器人對運(yùn)動行為進(jìn)行外部力感知的一個重要傳感部件，此外還充當(dāng)著對小臂柔性傳動輪和驅(qū)動輪的連接作用。在SolidWorks Simulation環(huán)境中對設(shè)計的機(jī)器人小臂連接件進(jìn)行仿真及優(yōu)化，最終形成如圖5所示的輕量化鋁合金小臂連接件。小臂連接件設(shè)計使用1060合金，屈服極限為27.57 MPa。經(jīng)過仿真分析，得到小臂多向力反饋模塊的應(yīng)力云圖和變形云圖，如圖6和圖7所示。由圖6和圖7可以看出：小臂連接件在100 N的給定壓力條件下，構(gòu)件內(nèi)部所承受的米塞斯靜屈服力在2.547 MPa范圍,遠(yuǎn)小于設(shè)計連接件的屈服極限;同時連接模塊每個計算節(jié)點在外力載荷下相對原始位置的偏移量極限值為8.512×10-3mm，低于后期微小形變壓力傳感器的最大形變安全值。

圖4 小臂傳動機(jī)械結(jié)構(gòu)三維視圖

圖5 小臂多向力反饋模塊網(wǎng)格化模型 圖6 小臂多向力反饋模塊等效應(yīng)力云圖(100 N 圖7 小臂多向力反饋模塊合位 )移云圖(100 N)

4 結(jié)論

本文研究設(shè)計了一種關(guān)節(jié)-履帶復(fù)合式機(jī)器人動力機(jī)構(gòu)的機(jī)械傳動系統(tǒng)。這種傳動系統(tǒng)具有在平坦路面、泥濘地面和復(fù)雜崎嶇路面的路況下通過自適應(yīng)判別方式達(dá)到不同形式的高效運(yùn)行的基礎(chǔ)功能。通過虛擬仿真，結(jié)果表明機(jī)器人的機(jī)械傳動系統(tǒng)對平路、沙地、臺階及崎嶇路面等顯示出了較強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性。研究設(shè)計的機(jī)器人動力結(jié)構(gòu)和相適應(yīng)的控制邏輯，為機(jī)器人在危險特殊路況環(huán)境中的探測、營救和施工作業(yè)帶來一些新的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和思路。