祝保領(lǐng)，金曉怡，鈕冬科，韓 旺，周宏宇

ZHU Bao-ling,JIN Xiao-yi,NIU Dong-ke,HAN Wang,ZHOU Hong-yu

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

移動(dòng)機(jī)器人具有良好的運(yùn)動(dòng)性能，廣泛應(yīng)用于災(zāi)難搜救、偵察探測和星球探索等諸多領(lǐng)域。近些年，移動(dòng)機(jī)器人面臨的作業(yè)環(huán)境越來越復(fù)雜多變，于是機(jī)器人的地形適應(yīng)能力、越障能力和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性就愈加重要[1]。

從移動(dòng)系統(tǒng)的角度來看，移動(dòng)機(jī)器人主要由輪系、車體和底盤三大模塊組成，受此啟發(fā)，國內(nèi)一些高校科研單位已經(jīng)考慮到通過組合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[2]，實(shí)現(xiàn)輪系、車體和底盤的有機(jī)組合，從而提高移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)性能。這方面不乏成功的先例，譬如國防科技大學(xué)從構(gòu)型創(chuàng)新和構(gòu)型組合出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款雙曲柄滑塊聯(lián)動(dòng)月球車[3]。

本文以行星輪機(jī)器人為研究對象，通過以往的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，現(xiàn)有的行星輪機(jī)器人，具有以下不足：

1）機(jī)器人整體體積較大存放不便；

2）機(jī)器人地面適應(yīng)能力較差，越障能力不足；

3）機(jī)器人拆卸不便，維護(hù)不便。

為了解決以上難題，設(shè)計(jì)了一款仿生可變形行星輪機(jī)器人。為了解決存儲體積大的問題，機(jī)器人底盤設(shè)計(jì)采用了一種新型四桿變形機(jī)構(gòu)，能夠滿足存儲和穩(wěn)定行駛的體積要求，通過輪距收縮能夠節(jié)約30%左右的存儲空間。同時(shí)在車體的設(shè)計(jì)上考慮到被動(dòng)適應(yīng)地形，設(shè)計(jì)了均化系統(tǒng)，保證四輪能夠在高低不平的路面上同時(shí)接地。為提高機(jī)器人可拆卸及易維護(hù)等性能，設(shè)計(jì)方案應(yīng)用了模塊化設(shè)計(jì)思想。模塊化設(shè)計(jì)的思想核心是將復(fù)雜的系統(tǒng)分解成多個(gè)簡單的功能模塊，有利于簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析，同時(shí)各功能模塊之間相互獨(dú)立布置，互換性比較強(qiáng)[4]。

1 行星輪機(jī)器人

行星輪機(jī)器人是一款基于輪系本身越障考慮而設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人，它采用行星輪結(jié)構(gòu)，通過自身輪系的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)越障功能，廣泛應(yīng)用于越障小車設(shè)計(jì)。

近年來，國內(nèi)一些高校已經(jīng)就行星輪機(jī)器人進(jìn)行過充分的研究和論證，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在這方面的研究起步較早，技術(shù)成熟，已發(fā)表的論文涉及行星輪的越障分析[5]、動(dòng)力學(xué)分析[6]和優(yōu)化設(shè)計(jì)[7]等諸多方面。此外華中科技大學(xué)針對行星輪機(jī)器人也已做過不少研究[8]。

2 行星輪越障分析

2.1 工作原理

行星輪系是一種先進(jìn)的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有傳動(dòng)功率大、承載能力大和結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，多應(yīng)用于越障機(jī)器人設(shè)計(jì)[9]。

行星輪基于差動(dòng)傳動(dòng)規(guī)律，如圖1所示，中心齒輪1由電機(jī)通過聯(lián)軸器等驅(qū)動(dòng)，通過齒輪嚙合帶動(dòng)過渡齒輪2和行星輪3進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，車輪4與驅(qū)動(dòng)輪3是固接在一起的，于是帶動(dòng)車輪繞著中心齒輪和驅(qū)動(dòng)齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，猶如行星繞著太陽公轉(zhuǎn)一般，所以形象地稱這種齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為行星輪系。

圖1 行星輪原理圖

在平坦路面行駛時(shí)，受到兩個(gè)輪子同時(shí)著地的約束，行星支架不會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，演變成定軸輪系，利用車輪快速驅(qū)動(dòng)前進(jìn)，其行駛效率和普通輪系無異。同時(shí)多輪著地，增大了車輪與地面的接觸面積，不僅提高了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，還降低了接地比壓，使機(jī)器人具有較好的地形通過性。當(dāng)遇到較大障礙物時(shí)，前進(jìn)的車輪受阻，于是演變成行星輪系，此時(shí)通過行星架的翻轉(zhuǎn)輕松實(shí)現(xiàn)越障和爬臺階。

2.2 越障分析

行星輪系依靠自身的行星架翻轉(zhuǎn)進(jìn)行越障，不需要復(fù)雜的輔助機(jī)構(gòu)，因此大大簡化了機(jī)械機(jī)構(gòu)。其越障過程如圖2所示。

圖2 行星輪越障過程示意圖

跨越垂直障礙的極限值是衡量機(jī)器人越障能力的重要參數(shù)，臺階是最典型的垂直障礙，行星輪機(jī)器人依靠自身的翻轉(zhuǎn)可輕松實(shí)現(xiàn)爬臺階的功能。如圖3所示，驅(qū)動(dòng)齒輪圓心到中心齒輪圓心的距離為R，車輪半徑為r，行星輪可跨越垂直障礙的極限值為H，由圖中的幾何關(guān)系易得最大跨越高度的關(guān)系式：

圖3 行星輪跨越垂直障礙時(shí)的狀態(tài)圖

3 機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置

行星輪機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置基于懸架的幾何尺寸、越障要求及全地形通過性的考慮，通過模型仿真及組合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法確定總體設(shè)計(jì)方案。機(jī)器人的配置方案確定輪系、懸架和車體系統(tǒng)的組合方案，并確定適當(dāng)?shù)牡妆P方案，考慮的基本概念及所進(jìn)行的分析如表1所示。

表1 機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化配置方案

考慮到地形特點(diǎn)（如山地、叢林、城市道路、樓道臺階）的不確定性，在參數(shù)配置的過程中研究了一系列可能的運(yùn)動(dòng)值計(jì)算，基于Pro/E軟件和ADMAS軟件聯(lián)合仿真計(jì)算，評估機(jī)器人的總的運(yùn)動(dòng)尺寸、車輪間距及車體機(jī)架等參數(shù)。通過精確的參數(shù)分析，深層次地評價(jià)配置的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)系統(tǒng)的最優(yōu)化組合設(shè)計(jì)。

4 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)可分為4組行星輪驅(qū)動(dòng)模塊、均化分節(jié)車體模塊和變形底盤模塊三大部分。每個(gè)越障行星輪都是獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，電機(jī)功率50W。由于采用了均化系統(tǒng)，機(jī)器人在高低不同的地面上能夠均化各輪的壓力，使機(jī)器人保持行駛平衡。機(jī)器人約重25KG，車體外形尺寸為51cm×48cm×28cm（長×寬×高），在平坦路面上的行駛速度為0.5m/s。

4.1 行星輪驅(qū)動(dòng)模塊

如圖4、圖5所示分別為行星輪傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，詳細(xì)地表明了行星輪布局和動(dòng)力傳遞的情況，考慮到電機(jī)布置與底盤變形可能存在的沖突，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用渦輪蝸桿直流電機(jī)。設(shè)計(jì)速度不高，但要求機(jī)器人的越障能力，采用了較大的減速比來提高車輪的驅(qū)動(dòng)力矩，以滿足粗糙路面的驅(qū)動(dòng)要求。為了進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)速和增加驅(qū)動(dòng)力矩，采用減速皮帶輪傳輸電機(jī)驅(qū)動(dòng)力。

車輪的配置基于重量和抓地能力的考慮，確定適用于越野的輪胎設(shè)計(jì)，選擇在驅(qū)動(dòng)輪的輪緣上注塑橡膠材料，并加工凹凸錯(cuò)落的紋理。

為了防止行星輪在攀越直角障礙時(shí)，行星架與直角障礙發(fā)生干涉，布置在每兩組行星齒輪之間的支架零件都盡量往內(nèi)部收縮。同時(shí)在行星輪傳動(dòng)部件的空隙處布置了一些螺釘孔，用于將左右兩塊行星輪支架固定在一起。

圖4 行星輪傳動(dòng)系統(tǒng)

圖5 行星輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

4.2 縱向分節(jié)車體模塊

為了降低接地比壓，均分各車輪上的壓力，提高地形適應(yīng)能力，在縱向分節(jié)車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中配置了均化系統(tǒng)[10]，如圖6所示，車體兩側(cè)的邊框架上分別固定了一組軸承，用來安裝車體的兩根轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸。機(jī)器人兩側(cè)的輪子通過轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向架間距相對于車體的中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)[11]，順應(yīng)地勢不平，能夠保證四組行星輪同時(shí)接地，并保持各輪的壓力均分。

轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸的鉸接實(shí)現(xiàn)了縱向分節(jié)車體的設(shè)計(jì)[12]，機(jī)器人左右車體通過相對偏移和轉(zhuǎn)動(dòng)被動(dòng)適應(yīng)地形變化，輔助車體均化系統(tǒng)的運(yùn)行。

均化系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸在垂直方向上有一個(gè)自由度，經(jīng)過身體的平均，機(jī)器人車身中心的升降值等于所有車輪的平均垂直偏移變化量，車體的俯仰和滾轉(zhuǎn)均化使得機(jī)器人在保證良好的移動(dòng)性的同時(shí)，還具有很好的穩(wěn)定性[13]。

圖6 機(jī)器人的均化系統(tǒng)

4.3 變形底盤模塊

基于烏龜自我防護(hù)的仿生設(shè)計(jì)，機(jī)器人配置的變形底盤可將行星輪組隱藏在車體內(nèi)部，在復(fù)雜的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)自我防護(hù)。如圖7所示，機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)儲存模式和展開模式的輪距轉(zhuǎn)化[14]，通過四組對稱的四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行變形，當(dāng)?shù)妆P展開時(shí)，四桿機(jī)構(gòu)變成一個(gè)菱形，當(dāng)?shù)妆P收縮時(shí)，四桿機(jī)構(gòu)則變成一條直線，每組四桿機(jī)構(gòu)具有獨(dú)立驅(qū)動(dòng)裝置。

四桿機(jī)構(gòu)的工作原理如圖8所示，圖中最下方A點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)被限制在2個(gè)方向上有一個(gè)線性導(dǎo)軌，并通過絲桿滑塊在y方向上被致動(dòng)，從而帶動(dòng)其他桿的轉(zhuǎn)動(dòng)。而E點(diǎn)和B點(diǎn)固定鉸接在浮動(dòng)邊框的兩端，C，D兩點(diǎn)具有3個(gè)自由度，既可以轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以沿著x方向或y方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)桿的包絡(luò)空間的轉(zhuǎn)化。

圖7 機(jī)器人的展開模式（左）和收縮模式（右）

圖8 底盤轉(zhuǎn)化原理圖

浮動(dòng)邊框布置的內(nèi)部空間足夠容納行星車輪，四桿機(jī)構(gòu)的收縮使機(jī)器人在儲存時(shí)可以將車輪完全隱藏在車體內(nèi)部，能夠節(jié)約30%左右的存儲空間。

5 運(yùn)動(dòng)性能分析

5.1 側(cè)傾狀態(tài)分析

如圖9所示，機(jī)器人在傾角為b的斜坡上側(cè)傾勻速穩(wěn)定行駛，由于對稱模塊化布置，重心位置即為機(jī)器人的幾何中心點(diǎn)位置。

圖9 機(jī)器人側(cè)傾狀態(tài)

機(jī)器人側(cè)傾行駛的穩(wěn)定條件是穩(wěn)定力矩大于傾覆力矩，在臨界狀態(tài)下，機(jī)器人的上面車輪的地面支撐力N1為零，車身將以下面車輪的外側(cè)軸線側(cè)翻。臨界狀態(tài)下的傾角b的計(jì)算方程如下：

由上式可以看出，降低機(jī)器人的重心高度，可以增大側(cè)傾角，但重心過低，又影響機(jī)器人的通過性。因此，機(jī)器人的移動(dòng)系統(tǒng)的配置時(shí)重力應(yīng)盡量集中到車輪上，這樣在不影響通過性的情況下，不僅能夠增大傾斜角，還能夠提高機(jī)器人的穩(wěn)定性[15]。

5.2 爬坡狀態(tài)分析

機(jī)器人爬坡狀態(tài)如圖10所示，重力G沿斜坡水平方向的分力Ff即為坡度阻力：

圖10 機(jī)器人爬坡受力狀態(tài)示意圖

機(jī)器人勻速行駛，車輪與地面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)為j，機(jī)器人對地面的壓力為FN，可得滾動(dòng)阻力f：

機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)力等于作用在每個(gè)車輪上的驅(qū)動(dòng)力之和：

式中，N為斜坡對于每個(gè)車輪的總支撐力，f為車輪與地面間的附著系數(shù)。

綜合以上各式，可得機(jī)器人沿斜坡勻速行駛時(shí)的受力方程：

關(guān)于機(jī)器人的ADMAS仿真測試和現(xiàn)場試驗(yàn)另文分析。

6 結(jié)論

1）基于組合優(yōu)化設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)思想，結(jié)合機(jī)構(gòu)創(chuàng)新，設(shè)計(jì)了一款仿生可變形的行星輪機(jī)器人，給出了移動(dòng)系統(tǒng)配置方案，分析了機(jī)器人的越障能力和運(yùn)動(dòng)性能。

2）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了輪系、車體、懸架和底盤的有機(jī)組合，在各自的設(shè)計(jì)方案中確定適當(dāng)?shù)臋C(jī)構(gòu)，進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，提升了機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化的自然環(huán)境和臺階、街道等結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的地形通過能力和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

3）通過Pro/E軟件和ADMAS軟件聯(lián)合仿真計(jì)算，進(jìn)行深層次的評價(jià)分析，將推動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)。

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