張 禹，劉萬聰

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

生活中一些自然災(zāi)害和意外災(zāi)害時有發(fā)生,如火災(zāi)、地震、泥石流、瓦斯爆炸等，使得人類無法進(jìn)入這些危險環(huán)境勘察現(xiàn)場及時救援，這時可以使用移動機(jī)器人代替人類進(jìn)入現(xiàn)場，探測未知環(huán)境。移動機(jī)器人種類很多，其中履帶式機(jī)器人是在輪式機(jī)器人的基礎(chǔ)上加以改造而成，通過履帶與地面直接接觸形成較大的作用面，可以在惡劣環(huán)境或野外進(jìn)行作業(yè)[1]，能夠應(yīng)用于各種復(fù)雜多變的路面。

履帶式移動機(jī)器人由于具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力，因而在民用、工業(yè)領(lǐng)域[2]得以廣泛應(yīng)用，其更為顯著的特點是能夠在松軟地面平穩(wěn)運(yùn)行，不易打滑，其機(jī)動性能好，在越障方面更勝一籌。此外，還可以根據(jù)實際需要，在履帶式移動機(jī)器人上架構(gòu)武器平臺或機(jī)械手，用于廢料處理[3]或?qū)崿F(xiàn)反恐[4]、排爆[5]、偵查和突擊功能等，有利于在軍用[6]上發(fā)揮其整體性功能。正是由于履帶式移動機(jī)器人這些獨特的優(yōu)點，因而其具有廣闊的應(yīng)用前景，成為眾多科研人員的研究對象。

1 自適應(yīng)被動變形履帶機(jī)器人

本文在傳統(tǒng)的單節(jié)雙履帶式移動機(jī)器人基礎(chǔ)之上提出一種基于鉸鏈六桿機(jī)構(gòu)具有自適應(yīng)被動變形能力的履帶式機(jī)器人。該機(jī)器人本體由車體模塊、被動自適應(yīng)變形履帶模塊和擺臂模塊三個模塊構(gòu)成，如圖1所示。在設(shè)計過程中采用模塊化設(shè)計方法將機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)分解成多個相對簡單的模塊，方便制造、裝配并且具有更好的擴(kuò)展性。機(jī)器人采用履帶式移動機(jī)構(gòu)，履帶外廓的履齒與地面接觸方式為面接觸，接觸面積大，摩擦力大，可以產(chǎn)生較大的驅(qū)動力，具有很好的地面適應(yīng)性。

2 變形履帶模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 自適應(yīng)被動變形機(jī)構(gòu)

自適應(yīng)被動變形機(jī)構(gòu)(變形履帶模塊)是機(jī)器人移動平臺的核心部分，主要由15個零部件組成，如圖2所示。其中由后調(diào)節(jié)桿、上調(diào)節(jié)桿、主調(diào)節(jié)桿、機(jī)架組成的四桿機(jī)構(gòu)，以及由兩個前調(diào)節(jié)桿、主調(diào)節(jié)桿、機(jī)架組成的四桿機(jī)構(gòu)共同構(gòu)成一組鉸鏈六桿機(jī)構(gòu)，以實現(xiàn)履帶輪廓的被動自適應(yīng)變形。

1-車體模塊;2-被動自適應(yīng)變形履帶模塊;3-擺臂模塊

2.2 變形復(fù)位機(jī)構(gòu)

在圖2中，主調(diào)節(jié)桿上設(shè)有兩個彈簧上接口，在張緊輪和機(jī)架處分別設(shè)有一個彈簧下接口，緩沖彈簧和復(fù)位彈簧兩端固定于上、下接口處作為模塊的變形復(fù)位機(jī)構(gòu)，其作用主要有以下幾點：

(1) 緩沖作用:機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是其在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中平穩(wěn)行進(jìn)、安全作業(yè)的保證，而緩沖彈簧可以起到很好的減震作用，從而提高機(jī)器人的抗沖擊能力，減小對機(jī)器人的損害。

(2) 復(fù)位作用:當(dāng)機(jī)器人跨越障礙進(jìn)入約束較小的環(huán)境后，依靠復(fù)位彈簧的收縮力可以將履帶變形模塊的運(yùn)動姿態(tài)調(diào)整到合理的位置。

(3) 調(diào)節(jié)負(fù)載:位于張緊輪上的緩沖彈簧為機(jī)器人承受負(fù)載的主調(diào)節(jié)口，位于機(jī)架上的復(fù)位彈簧為機(jī)器人承受負(fù)載的微調(diào)節(jié)口，以確保機(jī)器人即使承受不同的負(fù)載也能適應(yīng)復(fù)雜多變的地面環(huán)境。

1-履帶前導(dǎo)輪;2-主履帶;3-上調(diào)節(jié)桿;4-同步帶;5-履帶驅(qū)動輪;6-后調(diào)節(jié)桿;7-后支撐輪;8-驅(qū)動軸;9-機(jī)架外板 ;10-復(fù)位彈簧;11-前支撐輪;12-前調(diào)節(jié)桿;13-張緊輪;14-緩沖彈簧;15-主調(diào)節(jié)桿

3 變形履帶模塊桿件運(yùn)動關(guān)系分析

圖3為變形機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖。如圖3所示建立局部坐標(biāo)系OXY，坐標(biāo)原點位于后支撐輪的轉(zhuǎn)動中心處，X軸正方向平行于水平方向向右，Y軸正方向垂直于水平方向向上，設(shè)主調(diào)節(jié)桿CF與X軸夾角為α；前調(diào)節(jié)桿CD、DE與X軸夾角分別為β、γ；上調(diào)節(jié)桿BC與X軸夾角為λ，后調(diào)節(jié)桿AB與X軸夾角為μ(所有角度都以與X軸夾角為銳角計算)。被動變形履帶機(jī)構(gòu)各桿件長度參數(shù)如表1所示。

圖3 被動自適應(yīng)變形機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖

連桿參數(shù)符號數(shù)值(mm)后連桿ABl1220上連桿BCl2835前連桿CDl3140前連桿DEl4140主調(diào)節(jié)桿CFl5335前后支撐輪距離AEl6500

3.1 桿件角度變化分析

在封閉四邊形ABCF和CDEF中，根據(jù)多邊形矢量關(guān)系式可知：

AB+BC+CF+FA=0.

(1)

CD+DE+EF+FC=0.

(2)

由圖3坐標(biāo)系各構(gòu)件之間幾何關(guān)系可將式(1)改寫成：

(3)

其中：lFA為后支撐輪到主調(diào)節(jié)桿CF擺動中心F的距離；θ1為點F與點A的連線與X軸之間的夾角，為定值。

將式(2)改寫成：

(4)

其中:lFE為前支撐輪到主調(diào)節(jié)桿CF擺動中心F的距離；θ2為點F與點E的連線與X軸之間的夾角，角度不隨變形機(jī)構(gòu)的變化而變化。

將式(3)和(4)聯(lián)立可得出被動變形機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中各桿件的角度與主調(diào)節(jié)桿CF和X軸之間夾角α的關(guān)系，如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)機(jī)器人遇到障礙發(fā)生變形時，后調(diào)節(jié)桿AB與X軸之間的夾角μ隨著姿態(tài)角α增加而減小，變化幅度不大；上調(diào)節(jié)桿BC與X軸之間的夾角λ隨著姿態(tài)角α增加而增加，變化幅度較小，近似呈線性關(guān)系；前調(diào)節(jié)桿DE與X軸之間的夾角γ隨著姿態(tài)角α增加而增加，變化幅度較大，近似呈線性關(guān)系；前調(diào)節(jié)桿CD與X軸之間的夾角β隨著姿態(tài)角α增加而減小，CD在被動自適應(yīng)變形機(jī)構(gòu)形變量最大時與前調(diào)節(jié)桿DE成一條直線，夾角β與夾角γ相等。

3.2 動輪坐標(biāo)變化分析

在坐標(biāo)系XOY中，履帶機(jī)器人驅(qū)動輪B、前導(dǎo)向輪C、張緊輪D的中心坐標(biāo)分別為：

(5)

(6)

(7)

聯(lián)立式(3)～式(7)，可得各動輪中心的坐標(biāo)隨姿態(tài)角α的變化，如圖5所示。

圖4 各桿件角度與姿態(tài)角α的關(guān)系

圖5 各動輪中心坐標(biāo)隨姿態(tài)角α的變化

由圖5可知，在履帶機(jī)器人跨越障礙物時，被動自適應(yīng)變形機(jī)構(gòu)從未變形到形變量最大的過程中，前導(dǎo)向輪C與張緊輪D的高度上升，驅(qū)動輪B高度下降，由于上升高度值比下降值大，機(jī)器人整體質(zhì)心提高，這時可通過降低擺臂位置來調(diào)節(jié)質(zhì)心高度，使機(jī)器人運(yùn)動更加穩(wěn)定；在這個過程中，驅(qū)動輪B、前導(dǎo)向輪C、張緊輪D的X坐標(biāo)都隨之增大，即被動自適應(yīng)機(jī)構(gòu)的質(zhì)心向后移動，這樣有利于移動機(jī)器人跨越障礙物，提高其運(yùn)動穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

首先，提出一種基于鉸鏈六桿機(jī)構(gòu)具有自適應(yīng)被動變形機(jī)構(gòu)的履帶式移動機(jī)器人，重點介紹了被動自適應(yīng)變形模塊的機(jī)構(gòu)組成，并對其變形、復(fù)位機(jī)構(gòu)進(jìn)行了說明；其次，根據(jù)自適應(yīng)被動變形機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖建立坐標(biāo)系，對其運(yùn)動過程中各桿件之間角度變化以及機(jī)器人驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、張緊輪位置變化進(jìn)行分析，結(jié)果表明當(dāng)移動機(jī)構(gòu)發(fā)生變形時機(jī)器人運(yùn)動穩(wěn)定，具有良好的越障能力。