輪步復(fù)合式移動機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)設(shè)計

王立華 任重義

1. 寧夏華振司法鑒定中心 寧夏 銀川 750001；2. 寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 寧夏 銀川 750021

引言

輪步復(fù)合式移動機(jī)器人經(jīng)常遇到在復(fù)雜環(huán)境中易陷于沙地中而無法進(jìn)行自救脫陷以及面對沙地、松軟地質(zhì)時很難快速高效通行的問題，從而為沙漠探測與救援、外星球探測等方面的移動機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)提供了參考。本文中提出了一種全新的輪步復(fù)合移動結(jié)構(gòu)，車輪可在輪子與輪步之間切換，同時具有輪式機(jī)器人移動速度快，能耗小的優(yōu)點和腿式機(jī)器人良好的沙土脫陷的能力。

1 設(shè)計需求分析及總體設(shè)計

1.1 移動方式及速度需求

本文所設(shè)計輪步復(fù)合式移動機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的運動執(zhí)行狀態(tài)則可分為輪行、步行運動、輪步復(fù)合三種狀態(tài)[1]。其中輪行運動設(shè)計是為了使移動機(jī)器人擁有較高的移動速度，鑒于本文所設(shè)計的輪步復(fù)合式移動機(jī)器人主要用于沙漠探測與救援、外星球探測等工作，因此其移動速度不宜過快，以免遺漏待救援人員或是探測點，但也不宜過慢，以防耽誤救援時間或探測任務(wù)。綜合上述理由，故將輪行移動速度設(shè)定為0-5.5m/s。

1.2 動力需求

本文所設(shè)計的輪步復(fù)合式移動機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的主要動力是由蓄電池提供電能，通過電動機(jī)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動的機(jī)械能，選用功率為3kw的直流無刷電機(jī)作為驅(qū)動的電機(jī)。

1.3 外廓尺寸及重量

移動機(jī)器人在完成沙漠探測與救援、外星球探測等工作中，難免會遇到一些陡坡或是高低不平的地面，因此就需要較高的穩(wěn)定性，所以本文所設(shè)計的輪步復(fù)合式移動機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)是將兩前輪之間的距離加大，設(shè)定為1.88m；兩后輪之間的距離加大，設(shè)定為1.47m，箱體的長、寬、高設(shè)計成大長度，小寬度和高度，設(shè)定為2.5m、0.75m、0.5m；箱體底面距底面的高度降低，設(shè)定為0.24m[2-3]。為了降低輪步復(fù)合式移動機(jī)器人陷于松軟沙地的概率，降低移動時的能量損耗，增加續(xù)航能力，由此將輪步復(fù)合式移動機(jī)構(gòu)的整體質(zhì)量設(shè)定為150kg。

本文所設(shè)計的輪步復(fù)合式移動機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)不需要過高的負(fù)載能力，將其設(shè)定為60kg。

1.4 總體方案設(shè)計

本文提出一種簡單的輪步復(fù)合式移動機(jī)構(gòu)方案，設(shè)計了雙擺桿（步行驅(qū)動桿和步行從動桿）折臂加輪子的機(jī)構(gòu)，通過轉(zhuǎn)動步行驅(qū)動桿改變雙擺桿之間的夾角，從而實現(xiàn)改變前后輪軸距的目的，并且通過對前、后輪制動與驅(qū)動狀態(tài)之間的切換，利用雙擺桿折臂機(jī)構(gòu)對輪軸提供水平外力，來實現(xiàn)輪步復(fù)合式移動，如圖1所示。

圖1 輪步復(fù)合式移動機(jī)構(gòu)方案設(shè)計圖

2 移動機(jī)構(gòu)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 移動機(jī)構(gòu)箱體設(shè)計

本設(shè)計的箱體材料采用超硬鋁合金，目的是在保證足夠強(qiáng)度要求的條件下，使機(jī)構(gòu)整體重量最輕化。箱體的長度設(shè)計為2.5m、寬度為0.75m、高度為0.5m，大長度、小寬度和高度的設(shè)計其一是為了減小機(jī)器人高速行駛時與空氣的接觸面積，從而減小風(fēng)阻提高行駛效率，另外是為了給后面的步行機(jī)構(gòu)提供足夠的空間。

箱體的底板厚度為0.05m，壁厚為0.01m，厚底板、薄壁厚的設(shè)計是在結(jié)構(gòu)輕量化的條件下能最大限度地提高箱體的負(fù)載能力。底板上附加有固定前后傳動軸的軸承座，以加強(qiáng)筋的方式焊接在箱體底板上。箱體外兩側(cè)延伸出長為0.6m、寬為0.15m、厚為0.02m的前輪支撐架，目的是為了增加箱體的寬度，從而提高其穩(wěn)定性，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 輪步復(fù)合式移動機(jī)構(gòu)箱體

車輪分為橡膠輪胎和鋁合金輪轂兩部分，其直徑設(shè)計為0.88m，寬度設(shè)計為0.2m。采用寬大橡膠輪胎是為了增加輪子與地面摩擦力和接觸面積，從而提供更好的抓地性和降低其與地面的壓強(qiáng)，不易陷于沙地中。

2.2 移動機(jī)構(gòu)驅(qū)動、制動設(shè)計

電動機(jī)均選用機(jī)械式制動。機(jī)械式制動就是指利用機(jī)械裝置使電動機(jī)切斷電源后通過增加角移式閘瓦和制動閘輪相接觸間的壓力，產(chǎn)生摩擦力來完成制動，使其立即停轉(zhuǎn)[4]。其中直流電動機(jī)可實現(xiàn)電機(jī)斷電制動，從而實現(xiàn)車輪的制動與驅(qū)動狀態(tài)間的切換和步行機(jī)構(gòu)的運行。

電動機(jī)與箱體之間用M16的螺栓進(jìn)行連接，減速箱減速比均設(shè)計為i=2∶1，其目的是在保證給主傳動軸提供足夠的轉(zhuǎn)速的情況下，增加傳動軸的扭矩。減速箱與箱體間也用M16的螺栓進(jìn)行連接，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示，左圖為前減速箱，右圖為后減速箱。

圖3 輪步復(fù)合式移動機(jī)構(gòu)減速箱

3 移動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 前、后驅(qū)機(jī)構(gòu)設(shè)計

前驅(qū)機(jī)構(gòu)采用了十字軸式萬向聯(lián)軸器與前輪軸結(jié)合的傳動方式，實現(xiàn)增加兩前輪之間的間距的目的[5]。通過前傳動軸將動力傳給萬向聯(lián)軸器，再傳給前輪，同時，在前輪支撐架中間用圓形十字支撐架固定前輪軸，這樣以便于實現(xiàn)在擁有前驅(qū)動的同時又能進(jìn)行轉(zhuǎn)向，控制機(jī)器人的行進(jìn)方向。采用這種傳動方式為的是給機(jī)器人提供前后四驅(qū)動，達(dá)到更好的爬坡越坑脫陷的能力。

后驅(qū)動機(jī)構(gòu)由后傳動軸、后傳動軸上的皮帶輪,步行驅(qū)動桿、步行從動桿內(nèi)的皮帶輪，連接步行驅(qū)動桿、步行從動桿的傳動軸1，連接后輪的傳動軸2以及固定各傳動軸的軸承組成，由后傳動軸通過各皮帶輪、各傳動軸以帶傳動的方式將動力傳遞給后輪，實現(xiàn)后驅(qū)動。由于后傳動軸輸出的轉(zhuǎn)速是經(jīng)過后驅(qū)減速箱減速的，加之考慮到移動速度不宜過快也不宜過慢，故將帶傳動比設(shè)定為1∶1。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 前后驅(qū)機(jī)構(gòu)

3.2 步行機(jī)構(gòu)設(shè)計

步行機(jī)構(gòu)采用的是雙擺桿折臂機(jī)構(gòu)，主體上由步行驅(qū)動桿、步行從動桿、行星齒系、軸承座、步行傳動軸、大軸承、小軸承、傳動軸1、傳動軸2和后輪組成，步行驅(qū)動桿通過大軸承與箱體連接，通過行星齒系進(jìn)行運動。

由于電機(jī)轉(zhuǎn)速普遍較快，而步行驅(qū)動桿在實際應(yīng)用時的轉(zhuǎn)速要求很低，以確保輸出的扭矩更大，因此將行星齒系的傳動比設(shè)定為36∶1。步行驅(qū)動桿的轉(zhuǎn)動范圍在上半圓內(nèi)，步行從動桿通過傳動軸1和小軸承與步行驅(qū)動桿桿連接，由步行驅(qū)動桿的轉(zhuǎn)動帶動其進(jìn)行運動。其具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 步行機(jī)構(gòu)

3.3 總體設(shè)計

通過對輪步復(fù)合式移動機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計需求分析、設(shè)計方案確定以及主要零部件的設(shè)計介紹，可得到輪步復(fù)合式移動機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)總體設(shè)計的三維模型圖，如圖6所示。

圖6 輪步復(fù)合式移動機(jī)構(gòu)三維模型圖

4 輪步復(fù)合式移動機(jī)構(gòu)運動執(zhí)行及功能

本文所設(shè)計的輪步復(fù)合式移動機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的運動執(zhí)行狀態(tài)分為輪行、步行運動、輪步復(fù)合三種狀態(tài)。

4.1 輪行、步行運動

輪行運動依靠鉛酸蓄電池提供電力給前驅(qū)制動電機(jī)、后驅(qū)制動電機(jī)，制動電機(jī)通電后，解除制動開始轉(zhuǎn)動。

步行運動是通過鉛酸蓄電池提供電力給步行制動電機(jī)，步行制動電機(jī)通電解除制動，將動力通過后驅(qū)減速箱傳遞給步行傳動軸，步行傳動軸通過行星齒系將動力傳給予其固接的步行驅(qū)動桿、步行驅(qū)動桿緩慢轉(zhuǎn)動，帶動與步行驅(qū)動桿通過傳動軸、小軸承轉(zhuǎn)動連接的步行從動桿，在重力作用下步行運動。

4.2 輪步復(fù)合運動

當(dāng)移動機(jī)器人陷在松軟沙地時，就需要輪步復(fù)合運動系統(tǒng)。輪步復(fù)合運動的實現(xiàn)是通過輪行運動與步行運動機(jī)構(gòu)相結(jié)合實現(xiàn)。本文以前輪陷入沙地為例采用復(fù)合運動方式實現(xiàn)脫困，后輪脫困方式與之相似。

鉛酸蓄電池提供電力給前驅(qū)制動電機(jī)和步行制動電機(jī)，使前驅(qū)和步行機(jī)構(gòu)運行起來。此過程中前輪轉(zhuǎn)速低，防止前輪繼續(xù)下陷；后驅(qū)制動電機(jī)不通電，處于制動中，則后輪處于制動狀態(tài)；步行機(jī)構(gòu)運動，借助后輪與地面的附著力，給箱體提供水平推力，通過前輪支架，將推力傳給前輪。利用前輪低速轉(zhuǎn)動與沙坑的附著力和步行機(jī)構(gòu)的水平推力，已達(dá)到前輪脫陷目的。其功能實現(xiàn)如表1所示。

表1 輪步復(fù)合式移動工作狀態(tài)表（前輪脫困）

5 結(jié)束語

移動機(jī)器人在執(zhí)行沙漠探測與救援、外星球探測等方面的工作時，經(jīng)常會遇到移動機(jī)構(gòu)陷于沙坑無法移動的問題，輪步復(fù)合式移動機(jī)器人是一種極具研究價值和應(yīng)用前景的松軟沙土地面移動機(jī)器人，在未來的沙漠探測與救援、外星球探測等方面將扮演越來越重要的角色。