基于空間曲線嚙合輪的六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

孫磊厚+朱江+劉光新

摘要：為減小六足機(jī)器人的體積及優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種基于空間曲線嚙合輪的六足機(jī)器人。詳細(xì)介紹空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)思路，對(duì)機(jī)器人的受力情況進(jìn)行分析。新型機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小且成本低。

關(guān)鍵詞：六足機(jī)器人；空間曲線嚙合輪；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）06-0028-03

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人中的重要分支，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要形式有車(chē)輪式、腿足式、履帶式、步進(jìn)式、蠕動(dòng)式、混合式、蛇行式等。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的核心部件之一?？臻g曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又稱(chēng)空間曲線嚙合輪。這種新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不是基于傳統(tǒng)齒輪的空間曲面嚙合原理，而是基于空間曲線嚙合原理，即實(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)的是一對(duì)空間曲線。如圖1所示，空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)輪基體、從動(dòng)輪基體、主動(dòng)鉤桿、從動(dòng)鉤桿。

基于陳揚(yáng)枝課題組新發(fā)明的空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提出一種六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與同類(lèi)機(jī)器人相比，設(shè)計(jì)完成后的機(jī)器人體積更小、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比大、所需電動(dòng)機(jī)數(shù)目少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

機(jī)器人采用空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：主動(dòng)輪與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速比大，可達(dá)20∶1；鉤桿直徑最小可達(dá)0.1 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的交叉軸傳動(dòng)，有利于縮小機(jī)器人體積；質(zhì)量輕，造價(jià)低廉。

1.2 行走步態(tài)

六足機(jī)器人（見(jiàn)圖2）采取三角步態(tài)，將六足分為兩組，機(jī)器人本體左側(cè)的前足16、后足18與右側(cè)的中足14為一組，右側(cè)的前足15、后足13與左側(cè)的中足17為另一組，分別組成2個(gè)三角支撐。當(dāng)一組三角支撐中所有的足同時(shí)提起時(shí)，另一組三角支撐的三足不動(dòng)，支撐身體；當(dāng)提起的三足著地時(shí)，依靠足底摩擦力將機(jī)器人往前推，兩組足循環(huán)輪換工作。

六足機(jī)器人兩組三角步態(tài)相位差為0.5π，一組足運(yùn)動(dòng)時(shí)，另一組足保持原狀態(tài)，如此輪換運(yùn)動(dòng)，通過(guò)足底摩擦力實(shí)現(xiàn)行走；轉(zhuǎn)向通過(guò)轉(zhuǎn)向離合器的結(jié)合與分開(kāi)實(shí)現(xiàn)。

電動(dòng)機(jī)3驅(qū)動(dòng)右傳動(dòng)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)右傳動(dòng)軸上的主動(dòng)輪6，21，25轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪進(jìn)行嚙合傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)與從動(dòng)輪聯(lián)接的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸通過(guò)轉(zhuǎn)向離合器帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)足行走。左側(cè)結(jié)構(gòu)與右側(cè)相同，電動(dòng)機(jī)2與電動(dòng)機(jī)3旋轉(zhuǎn)方向相反。通過(guò)圖2可見(jiàn)，左右兩側(cè)輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向相同。機(jī)器人只需2臺(tái)小型電動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)行走與轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。用簡(jiǎn)單的程序?qū)C(jī)器人進(jìn)行控制，能夠很大程度上簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)與降低成本。

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

2.1 空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)確定主動(dòng)鉤桿的方程為：

主動(dòng)鉤桿螺旋線半徑m=5 mm，主動(dòng)鉤桿螺旋線導(dǎo)程p=6π mm，傳動(dòng)比（主動(dòng)輪與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速之比）i12=3，主動(dòng)鉤桿數(shù)目n1=6，從動(dòng)鉤桿數(shù)目n2=18，鉤桿直徑D=1 mm，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)軸與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)軸夾角為90°。

根據(jù)文獻(xiàn)可得：主動(dòng)輪外圓半徑R1=m+2D=7 mm；從動(dòng)輪基圓半徑r2=m=45 mm。其中：θe為從動(dòng)鉤桿桿根參數(shù)，θe=-π/2；i21為從動(dòng)輪與主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速之比，i21=1/3。

根據(jù)主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿的曲線方程，使用Pro/E進(jìn)行實(shí)體建模，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的模型見(jiàn)圖3。

由于主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿的形狀對(duì)瞬時(shí)傳動(dòng)比有較大影響，所以用Pro/E軟件測(cè)量主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4中可看出，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的速度保持不變，分別為1.5°/s，0.5°/s，因此主動(dòng)輪與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速大小之比i21=3；同時(shí)，在仿真過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿發(fā)生干涉現(xiàn)象，驗(yàn)證了參數(shù)選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

如圖2所示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)向離合器11、凸輪機(jī)構(gòu)12、足13以及滑動(dòng)桿套19組成。輸出軸10聯(lián)接轉(zhuǎn)向離合器11與凸輪機(jī)構(gòu)12，凸輪機(jī)構(gòu)12聯(lián)接足13，滑動(dòng)桿套19一端套在足13上，另一端嵌在箱體20的滑槽內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)向離合器11結(jié)合，輸出軸10帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)12做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)桿套19在箱體20滑槽內(nèi)做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，足13做邁步運(yùn)動(dòng)。

3 機(jī)器人受力分析

空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為六足機(jī)器人的核心部件之一，所以有必要對(duì)其進(jìn)行受力分析。在傳動(dòng)過(guò)程中，主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿在嚙合點(diǎn)處的受力大小相等、方向相反，所以對(duì)主動(dòng)鉤桿進(jìn)行受力分析即可。

工作時(shí)，在嚙合點(diǎn)處的電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與嚙合力對(duì)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩大小相等、方向相反。主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的材料選用不銹鋼，設(shè)定電動(dòng)機(jī)最大允許輸出轉(zhuǎn)矩為150 N·mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算確定應(yīng)在鉤桿頂部（圖5中1處）施加的力Fx約為20 N，F(xiàn)y約為15 N，F(xiàn)z約為-7 N。通過(guò)ANSYS軟件求解可得出，主動(dòng)鉤桿的受力與變形情況如圖5和圖6所示。

從圖5中可以看到，在鉤桿的根部（圖5中2處）受到的應(yīng)力最大。從圖6中可以看到，鉤桿的最大變形量發(fā)生在頂部（圖6中3處）。通過(guò)ANSYS計(jì)算可知，最大變形量為0.063 μm。鉤桿變形量微小，在允許范圍內(nèi)，確定以上設(shè)計(jì)的主動(dòng)輪與從動(dòng)輪結(jié)構(gòu)可以滿(mǎn)足六足機(jī)器人的行走要求。

4 結(jié)論

1） 采用空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（下轉(zhuǎn)第31頁(yè)）設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人主要由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向離合器、凸輪機(jī)構(gòu)以及足組成，結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單。

2）主動(dòng)輪鉤桿與從動(dòng)輪鉤桿直徑最小可達(dá)0.1 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的交叉軸嚙合傳動(dòng)，有利于縮小機(jī)器人體積，特別是微小空間內(nèi)的機(jī)器人。

3）機(jī)器人只需要2個(gè)電動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)行走與轉(zhuǎn)向，程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單，便于工作人員操作，成本低。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊斌久.基于ADAMS技術(shù)的3-TPT并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真[J].機(jī)械制造，2004（7）：14-15.

[2] CHEN YANG-ZHI，XIANG XIAOYONG， LUOLIANG.A Corrected Equation of Space Curve Meshing[J].Mech Mach Theory，2009（44）： 1 348-1 359.

[3] 羅亮.空間曲線嚙合輪重合度及其參數(shù)設(shè)計(jì)公式[D].廣州：華南理工大學(xué)，2009.

[4] 胡強(qiáng).空間曲線嚙合輪機(jī)構(gòu)的彈性變形失效準(zhǔn)則及強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

摘要：為減小六足機(jī)器人的體積及優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種基于空間曲線嚙合輪的六足機(jī)器人。詳細(xì)介紹空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)思路，對(duì)機(jī)器人的受力情況進(jìn)行分析。新型機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小且成本低。

關(guān)鍵詞：六足機(jī)器人；空間曲線嚙合輪；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）06-0028-03

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人中的重要分支，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要形式有車(chē)輪式、腿足式、履帶式、步進(jìn)式、蠕動(dòng)式、混合式、蛇行式等。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的核心部件之一?？臻g曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又稱(chēng)空間曲線嚙合輪。這種新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不是基于傳統(tǒng)齒輪的空間曲面嚙合原理，而是基于空間曲線嚙合原理，即實(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)的是一對(duì)空間曲線。如圖1所示，空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)輪基體、從動(dòng)輪基體、主動(dòng)鉤桿、從動(dòng)鉤桿。

基于陳揚(yáng)枝課題組新發(fā)明的空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提出一種六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與同類(lèi)機(jī)器人相比，設(shè)計(jì)完成后的機(jī)器人體積更小、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比大、所需電動(dòng)機(jī)數(shù)目少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

機(jī)器人采用空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：主動(dòng)輪與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速比大，可達(dá)20∶1；鉤桿直徑最小可達(dá)0.1 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的交叉軸傳動(dòng)，有利于縮小機(jī)器人體積；質(zhì)量輕，造價(jià)低廉。

1.2 行走步態(tài)

六足機(jī)器人（見(jiàn)圖2）采取三角步態(tài)，將六足分為兩組，機(jī)器人本體左側(cè)的前足16、后足18與右側(cè)的中足14為一組，右側(cè)的前足15、后足13與左側(cè)的中足17為另一組，分別組成2個(gè)三角支撐。當(dāng)一組三角支撐中所有的足同時(shí)提起時(shí)，另一組三角支撐的三足不動(dòng)，支撐身體；當(dāng)提起的三足著地時(shí)，依靠足底摩擦力將機(jī)器人往前推，兩組足循環(huán)輪換工作。

六足機(jī)器人兩組三角步態(tài)相位差為0.5π，一組足運(yùn)動(dòng)時(shí)，另一組足保持原狀態(tài)，如此輪換運(yùn)動(dòng)，通過(guò)足底摩擦力實(shí)現(xiàn)行走；轉(zhuǎn)向通過(guò)轉(zhuǎn)向離合器的結(jié)合與分開(kāi)實(shí)現(xiàn)。

電動(dòng)機(jī)3驅(qū)動(dòng)右傳動(dòng)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)右傳動(dòng)軸上的主動(dòng)輪6，21，25轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪進(jìn)行嚙合傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)與從動(dòng)輪聯(lián)接的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸通過(guò)轉(zhuǎn)向離合器帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)足行走。左側(cè)結(jié)構(gòu)與右側(cè)相同，電動(dòng)機(jī)2與電動(dòng)機(jī)3旋轉(zhuǎn)方向相反。通過(guò)圖2可見(jiàn)，左右兩側(cè)輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向相同。機(jī)器人只需2臺(tái)小型電動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)行走與轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。用簡(jiǎn)單的程序?qū)C(jī)器人進(jìn)行控制，能夠很大程度上簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)與降低成本。

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

2.1 空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)確定主動(dòng)鉤桿的方程為：

主動(dòng)鉤桿螺旋線半徑m=5 mm，主動(dòng)鉤桿螺旋線導(dǎo)程p=6π mm，傳動(dòng)比（主動(dòng)輪與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速之比）i12=3，主動(dòng)鉤桿數(shù)目n1=6，從動(dòng)鉤桿數(shù)目n2=18，鉤桿直徑D=1 mm，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)軸與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)軸夾角為90°。

根據(jù)文獻(xiàn)可得：主動(dòng)輪外圓半徑R1=m+2D=7 mm；從動(dòng)輪基圓半徑r2=m=45 mm。其中：θe為從動(dòng)鉤桿桿根參數(shù)，θe=-π/2；i21為從動(dòng)輪與主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速之比，i21=1/3。

根據(jù)主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿的曲線方程，使用Pro/E進(jìn)行實(shí)體建模，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的模型見(jiàn)圖3。

由于主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿的形狀對(duì)瞬時(shí)傳動(dòng)比有較大影響，所以用Pro/E軟件測(cè)量主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4中可看出，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的速度保持不變，分別為1.5°/s，0.5°/s，因此主動(dòng)輪與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速大小之比i21=3；同時(shí)，在仿真過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿發(fā)生干涉現(xiàn)象，驗(yàn)證了參數(shù)選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

如圖2所示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)向離合器11、凸輪機(jī)構(gòu)12、足13以及滑動(dòng)桿套19組成。輸出軸10聯(lián)接轉(zhuǎn)向離合器11與凸輪機(jī)構(gòu)12，凸輪機(jī)構(gòu)12聯(lián)接足13，滑動(dòng)桿套19一端套在足13上，另一端嵌在箱體20的滑槽內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)向離合器11結(jié)合，輸出軸10帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)12做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)桿套19在箱體20滑槽內(nèi)做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，足13做邁步運(yùn)動(dòng)。

3 機(jī)器人受力分析

空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為六足機(jī)器人的核心部件之一，所以有必要對(duì)其進(jìn)行受力分析。在傳動(dòng)過(guò)程中，主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿在嚙合點(diǎn)處的受力大小相等、方向相反，所以對(duì)主動(dòng)鉤桿進(jìn)行受力分析即可。

工作時(shí)，在嚙合點(diǎn)處的電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與嚙合力對(duì)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩大小相等、方向相反。主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的材料選用不銹鋼，設(shè)定電動(dòng)機(jī)最大允許輸出轉(zhuǎn)矩為150 N·mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算確定應(yīng)在鉤桿頂部（圖5中1處）施加的力Fx約為20 N，F(xiàn)y約為15 N，F(xiàn)z約為-7 N。通過(guò)ANSYS軟件求解可得出，主動(dòng)鉤桿的受力與變形情況如圖5和圖6所示。

從圖5中可以看到，在鉤桿的根部（圖5中2處）受到的應(yīng)力最大。從圖6中可以看到，鉤桿的最大變形量發(fā)生在頂部（圖6中3處）。通過(guò)ANSYS計(jì)算可知，最大變形量為0.063 μm。鉤桿變形量微小，在允許范圍內(nèi)，確定以上設(shè)計(jì)的主動(dòng)輪與從動(dòng)輪結(jié)構(gòu)可以滿(mǎn)足六足機(jī)器人的行走要求。

4 結(jié)論

1） 采用空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（下轉(zhuǎn)第31頁(yè)）設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人主要由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向離合器、凸輪機(jī)構(gòu)以及足組成，結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單。

2）主動(dòng)輪鉤桿與從動(dòng)輪鉤桿直徑最小可達(dá)0.1 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的交叉軸嚙合傳動(dòng)，有利于縮小機(jī)器人體積，特別是微小空間內(nèi)的機(jī)器人。

3）機(jī)器人只需要2個(gè)電動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)行走與轉(zhuǎn)向，程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單，便于工作人員操作，成本低。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊斌久.基于ADAMS技術(shù)的3-TPT并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真[J].機(jī)械制造，2004（7）：14-15.

[2] CHEN YANG-ZHI，XIANG XIAOYONG， LUOLIANG.A Corrected Equation of Space Curve Meshing[J].Mech Mach Theory，2009（44）： 1 348-1 359.

[3] 羅亮.空間曲線嚙合輪重合度及其參數(shù)設(shè)計(jì)公式[D].廣州：華南理工大學(xué)，2009.

[4] 胡強(qiáng).空間曲線嚙合輪機(jī)構(gòu)的彈性變形失效準(zhǔn)則及強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.

摘要：為減小六足機(jī)器人的體積及優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種基于空間曲線嚙合輪的六足機(jī)器人。詳細(xì)介紹空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)思路，對(duì)機(jī)器人的受力情況進(jìn)行分析。新型機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小且成本低。

關(guān)鍵詞：六足機(jī)器人；空間曲線嚙合輪；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）06-0028-03

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人中的重要分支，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要形式有車(chē)輪式、腿足式、履帶式、步進(jìn)式、蠕動(dòng)式、混合式、蛇行式等。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的核心部件之一?？臻g曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又稱(chēng)空間曲線嚙合輪。這種新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不是基于傳統(tǒng)齒輪的空間曲面嚙合原理，而是基于空間曲線嚙合原理，即實(shí)現(xiàn)嚙合傳動(dòng)的是一對(duì)空間曲線。如圖1所示，空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括主動(dòng)輪基體、從動(dòng)輪基體、主動(dòng)鉤桿、從動(dòng)鉤桿。

基于陳揚(yáng)枝課題組新發(fā)明的空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提出一種六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與同類(lèi)機(jī)器人相比，設(shè)計(jì)完成后的機(jī)器人體積更小、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比大、所需電動(dòng)機(jī)數(shù)目少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

機(jī)器人采用空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：主動(dòng)輪與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速比大，可達(dá)20∶1；鉤桿直徑最小可達(dá)0.1 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的交叉軸傳動(dòng)，有利于縮小機(jī)器人體積；質(zhì)量輕，造價(jià)低廉。

1.2 行走步態(tài)

六足機(jī)器人（見(jiàn)圖2）采取三角步態(tài)，將六足分為兩組，機(jī)器人本體左側(cè)的前足16、后足18與右側(cè)的中足14為一組，右側(cè)的前足15、后足13與左側(cè)的中足17為另一組，分別組成2個(gè)三角支撐。當(dāng)一組三角支撐中所有的足同時(shí)提起時(shí)，另一組三角支撐的三足不動(dòng)，支撐身體；當(dāng)提起的三足著地時(shí)，依靠足底摩擦力將機(jī)器人往前推，兩組足循環(huán)輪換工作。

六足機(jī)器人兩組三角步態(tài)相位差為0.5π，一組足運(yùn)動(dòng)時(shí)，另一組足保持原狀態(tài)，如此輪換運(yùn)動(dòng)，通過(guò)足底摩擦力實(shí)現(xiàn)行走；轉(zhuǎn)向通過(guò)轉(zhuǎn)向離合器的結(jié)合與分開(kāi)實(shí)現(xiàn)。

電動(dòng)機(jī)3驅(qū)動(dòng)右傳動(dòng)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)右傳動(dòng)軸上的主動(dòng)輪6，21，25轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪進(jìn)行嚙合傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)與從動(dòng)輪聯(lián)接的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸通過(guò)轉(zhuǎn)向離合器帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)足行走。左側(cè)結(jié)構(gòu)與右側(cè)相同，電動(dòng)機(jī)2與電動(dòng)機(jī)3旋轉(zhuǎn)方向相反。通過(guò)圖2可見(jiàn)，左右兩側(cè)輸出軸的旋轉(zhuǎn)方向相同。機(jī)器人只需2臺(tái)小型電動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)行走與轉(zhuǎn)向，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。用簡(jiǎn)單的程序?qū)C(jī)器人進(jìn)行控制，能夠很大程度上簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)與降低成本。

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

2.1 空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)文獻(xiàn)確定主動(dòng)鉤桿的方程為：

主動(dòng)鉤桿螺旋線半徑m=5 mm，主動(dòng)鉤桿螺旋線導(dǎo)程p=6π mm，傳動(dòng)比（主動(dòng)輪與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速之比）i12=3，主動(dòng)鉤桿數(shù)目n1=6，從動(dòng)鉤桿數(shù)目n2=18，鉤桿直徑D=1 mm，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)軸與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)軸夾角為90°。

根據(jù)文獻(xiàn)可得：主動(dòng)輪外圓半徑R1=m+2D=7 mm；從動(dòng)輪基圓半徑r2=m=45 mm。其中：θe為從動(dòng)鉤桿桿根參數(shù)，θe=-π/2；i21為從動(dòng)輪與主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速之比，i21=1/3。

根據(jù)主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿的曲線方程，使用Pro/E進(jìn)行實(shí)體建模，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的模型見(jiàn)圖3。

由于主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿的形狀對(duì)瞬時(shí)傳動(dòng)比有較大影響，所以用Pro/E軟件測(cè)量主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，結(jié)果見(jiàn)圖4。

從圖4中可看出，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的速度保持不變，分別為1.5°/s，0.5°/s，因此主動(dòng)輪與從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速大小之比i21=3；同時(shí)，在仿真過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿發(fā)生干涉現(xiàn)象，驗(yàn)證了參數(shù)選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

如圖2所示，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)向離合器11、凸輪機(jī)構(gòu)12、足13以及滑動(dòng)桿套19組成。輸出軸10聯(lián)接轉(zhuǎn)向離合器11與凸輪機(jī)構(gòu)12，凸輪機(jī)構(gòu)12聯(lián)接足13，滑動(dòng)桿套19一端套在足13上，另一端嵌在箱體20的滑槽內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)向離合器11結(jié)合，輸出軸10帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)12做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)桿套19在箱體20滑槽內(nèi)做水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，足13做邁步運(yùn)動(dòng)。

3 機(jī)器人受力分析

空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為六足機(jī)器人的核心部件之一，所以有必要對(duì)其進(jìn)行受力分析。在傳動(dòng)過(guò)程中，主動(dòng)鉤桿與從動(dòng)鉤桿在嚙合點(diǎn)處的受力大小相等、方向相反，所以對(duì)主動(dòng)鉤桿進(jìn)行受力分析即可。

工作時(shí)，在嚙合點(diǎn)處的電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與嚙合力對(duì)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩大小相等、方向相反。主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的材料選用不銹鋼，設(shè)定電動(dòng)機(jī)最大允許輸出轉(zhuǎn)矩為150 N·mm，經(jīng)過(guò)計(jì)算確定應(yīng)在鉤桿頂部（圖5中1處）施加的力Fx約為20 N，F(xiàn)y約為15 N，F(xiàn)z約為-7 N。通過(guò)ANSYS軟件求解可得出，主動(dòng)鉤桿的受力與變形情況如圖5和圖6所示。

從圖5中可以看到，在鉤桿的根部（圖5中2處）受到的應(yīng)力最大。從圖6中可以看到，鉤桿的最大變形量發(fā)生在頂部（圖6中3處）。通過(guò)ANSYS計(jì)算可知，最大變形量為0.063 μm。鉤桿變形量微小，在允許范圍內(nèi)，確定以上設(shè)計(jì)的主動(dòng)輪與從動(dòng)輪結(jié)構(gòu)可以滿(mǎn)足六足機(jī)器人的行走要求。

4 結(jié)論

1） 采用空間曲線嚙合輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（下轉(zhuǎn)第31頁(yè)）設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人主要由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向離合器、凸輪機(jī)構(gòu)以及足組成，結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單。

2）主動(dòng)輪鉤桿與從動(dòng)輪鉤桿直徑最小可達(dá)0.1 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的交叉軸嚙合傳動(dòng)，有利于縮小機(jī)器人體積，特別是微小空間內(nèi)的機(jī)器人。

3）機(jī)器人只需要2個(gè)電動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)行走與轉(zhuǎn)向，程序編寫(xiě)簡(jiǎn)單，便于工作人員操作，成本低。

參考文獻(xiàn)

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[2] CHEN YANG-ZHI，XIANG XIAOYONG， LUOLIANG.A Corrected Equation of Space Curve Meshing[J].Mech Mach Theory，2009（44）： 1 348-1 359.

[3] 羅亮.空間曲線嚙合輪重合度及其參數(shù)設(shè)計(jì)公式[D].廣州：華南理工大學(xué)，2009.

[4] 胡強(qiáng).空間曲線嚙合輪機(jī)構(gòu)的彈性變形失效準(zhǔn)則及強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式[D].廣州：華南理工大學(xué)，2010.