黃小平 金春花 黎 葦

（九江職業(yè)大學，江西 九江 332000）

機器人輪履復(fù)合式行走機構(gòu)設(shè)計及運動仿真

黃小平 金春花 黎 葦

（九江職業(yè)大學，江西 九江 332000）

在分析總結(jié)現(xiàn)有輪式機器人越障礙方案的基礎(chǔ)上，改進設(shè)計了一種履帶擺臂式越障礙驅(qū)動組件和四輪轉(zhuǎn)向驅(qū)動組件。機器人結(jié)構(gòu)主要由四輪驅(qū)動組件、轉(zhuǎn)彎組件和履帶擺臂組件構(gòu)成，通過零部件的設(shè)計，繪制出機器人的零件圖及裝配圖，通過SolidWorks三維建模軟件進行三維實體建模，建立了輪履復(fù)合式機器人的虛擬樣機模型，對機架進行有限元分析，并對所研制的履帶擺臂越障礙機器人的車輪行走機構(gòu)進行了仿真分析，驗證了本設(shè)計原理方案的可行性和結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性。

輪履復(fù)合式；機器人；有限元分析；SolidWorks；運動仿真

1．機器人輪履復(fù)合式行走機構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

在整個機器人系統(tǒng)設(shè)計中,運動系統(tǒng)機構(gòu)形式的選擇通常是一個首要的問題。要求機器人的移動機構(gòu)要具有很大的靈活性,而且特別強調(diào)在小型機器人前提下的機器人越障能力,因此機器人機構(gòu)必須能夠提供有效的運動方式。通過對輪式、履帶式、足式等不同移動機構(gòu)運動特性的綜合分析,結(jié)合設(shè)計需求和性能指標的具體要求,提出了一種小型輪履復(fù)合式移動機器人機構(gòu),兼顧了機器人的高速運動特性和越障能力。

機器人的基本結(jié)構(gòu)由4個車輪、4個擺臂和車體構(gòu)成，由車輪和擺臂履帶所構(gòu)成的4個運動對稱布置在車體的兩側(cè)。在每個運動單元中，除了旋轉(zhuǎn)驅(qū)動自由度以外，還有履帶擺臂繞中心軸的擺動自由度。由于二者位于同一個中心軸上，所以要求在一個中心線上實現(xiàn)兩個運動的傳遞。為此采用了內(nèi)外軸的傳遞形式來實現(xiàn)。圖1表示了一個運動單元的傳動機構(gòu)形式。由兩個DC電機經(jīng)過兩對末級減速齒輪分別將動力傳遞給內(nèi)軸和外軸，內(nèi)軸通過車輪連接件驅(qū)動車輪的旋轉(zhuǎn)運動，而外軸則通過凸緣結(jié)構(gòu)與擺臂相連來驅(qū)動擺臂的擺動。驅(qū)動電機采用Maxon DC電機，該集成了行星齒輪減速器和光電碼盤，具有體積小、質(zhì)量輕、輸出轉(zhuǎn)矩大的特點。在電機的輸出軸采用了末級齒輪減速傳動方式，一方面可以錯開驅(qū)動中心軸的位置，滿足內(nèi)外軸傳動要求，另一方面可以減小電機在軸向的直接受力，同時可以實現(xiàn)電機在車體內(nèi)的空間緊湊布局，以便減小車體的橫向尺寸，滿足機器人小型化的要求。內(nèi)外軸的具體裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 運動單元的傳動機構(gòu)Fig1.1 Transmission of the motor unit

圖2 內(nèi)外軸裝配結(jié)構(gòu)Fig1.2 Inside and outside the shaft assembly structure

2．輪履復(fù)合式行走機構(gòu)原理

2.1 輪式機構(gòu)工作原理

機器人履帶腿上擺，四輪著地。該模式用以實現(xiàn)機器人長距離快速高效的運動要求，可以前進、后退、轉(zhuǎn)彎、減小機器人占地空間，減小摩擦，提高運動的靈活性。驅(qū)動電機經(jīng)齒輪傳動到中心軸，再傳至車輪，從而驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動。每個車輪都由獨立的電機轉(zhuǎn)動，而且前后兩對輪都采取了中間斷軸的形式。四個電機獲得相同轉(zhuǎn)速，即車輪得到相同的轉(zhuǎn)速，機器人即可實現(xiàn)在平直路面上行駛。在彎道上行駛時，使左右兩側(cè)的電機獲得不同的轉(zhuǎn)速，從而使車輪獲得不同的轉(zhuǎn)速，即可順利實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。

2.2 履帶機構(gòu)工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

驅(qū)動電機經(jīng)齒輪傳動到套筒，再傳至大履帶輪，大履帶驅(qū)動輪經(jīng)內(nèi)軸傳遞旋轉(zhuǎn)動力。通過履帶腿支撐桿連接孔與外軸凸緣相連接來傳遞履帶腿的擺動運動。每個履帶腿機構(gòu)都具有2自由度，即履帶本身旋轉(zhuǎn)運動和整個履帶腿繞驅(qū)動軸擺動。履帶腿由自由履帶輪、驅(qū)動履帶輪和履帶及其支撐張緊機構(gòu)組成。對于履帶傳動必須要有張緊機構(gòu)，常用的張緊方法是采用支撐輪和壓緊輪的方式。但是在本設(shè)計中若要采用這種方式，就需要有四套這樣的張緊裝置，這樣一來不僅使得機構(gòu)的設(shè)計更加復(fù)雜，而且使整個機器人的質(zhì)量大大增加，不僅不能符合輕量化的設(shè)計要求，而且會使得機構(gòu)運行不靈巧。為此，在設(shè)計中采用了簡潔的螺釘拉緊、端面壓緊的裝置。具體方案是在小履帶輪端的擺臂桿側(cè)面設(shè)計一滑動槽，在槽內(nèi)鑲嵌一滑塊機構(gòu)，滑塊機構(gòu)用四個鎖緊螺栓來鎖緊，并通過螺釘將履帶拉緊。

為了滿足輕量化的要求，在材料的選擇上也需斟酌選擇。在滿足受力、摩擦等條件的前提下，選擇密度較小、質(zhì)量輕、耐磨性較好的非金屬材料，如尼龍和聚碳酸醋等也可減小整機的重量，但對于那些傳動件、摩擦件、受力件較大的零件依然要選擇金屬材料，以滿足其剛度要求。圖3為機器人行走機構(gòu)示意圖：

圖3 輪履復(fù)合行走機構(gòu)Fig2.1 Round shoe composite running gear

3．行走機構(gòu)運動仿真

3.1 創(chuàng)建仿真模型并進行仿真

創(chuàng)建模型即是將零部件按照一定要求進行裝配。分別把車輪、軸和軸承座插入，然后按結(jié)合面裝配。將裝配好的行走機構(gòu)模型，在裝配環(huán)境下直接進入仿真環(huán)境。進行仿真之前，將軸承座設(shè)為靜止零部件，其它設(shè)置為運動零部件，基本連接關(guān)系生成以后，根據(jù)實際需要，我們還要添加生成一些約束，將車輪和軸的固定約束、軸和軸承座的旋轉(zhuǎn)副，力的單位設(shè)置為，仿真動畫時間間隔為，幀數(shù)為100，由COSMOS/Motion直接把軸和車輪進行固定定義，在這里由于COSMOS/Motion和Solid-Works出自同一個開發(fā)平臺，所以在這里可以自動識別在Solid-Works中裝配行走機構(gòu)模型時零件之間的旋轉(zhuǎn)副。各參數(shù)及約束設(shè)置完畢后進行仿真，將仿真過程錄制成動畫進行保存，將速度及加速度繪制成曲線進行保存。

3.2 仿真結(jié)果

對模型進行施加運動和施加載荷，在分析模型后可以輸出仿真結(jié)果。將分析結(jié)果保存為圖標形式，并繪制曲線，如圖4所示。

圖4 仿真結(jié)果Fig3.1 The simulation results

4．結(jié)束語

本文設(shè)計了具有直線行走、轉(zhuǎn)彎、越障、跨溝、爬坡等功能的輪履復(fù)合式行走機構(gòu)。并且運用了二維繪制軟件Auto-CAD、三維繪制軟件Solid-Works進行了圖形繪制及建模，對其關(guān)鍵構(gòu)建進行了分析，并對行走機構(gòu)進行了運動仿真分析，證明了設(shè)計的合理性及正確性。

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TP242

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1671-5136(2014)03-0133-03

2014-07-14

黃小平（1979—），女，九江職業(yè)大學講師、碩士。研究方向：機械電子；

金春花（1981—），女，九江職業(yè)大學講師、碩士。研究方向：電子電路自動化設(shè)計；

黎葦（1973—），女，九江職業(yè)大學教授、碩士。研究方向：機械電子。