電動(dòng)彈跳輪式復(fù)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

林自旺　顧凱杰　王經(jīng)緯　宋偉山　梁凱旋

摘要：彈跳機(jī)器人可以躍過(guò)數(shù)倍于自身尺寸的障礙物，與輪式移動(dòng)方式結(jié)合可以大大提高機(jī)器人的活動(dòng)范圍和對(duì)地形的適應(yīng)能力。本文研制了一種電動(dòng)彈跳和輪式移動(dòng)，兩種運(yùn)動(dòng)方式相集成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)機(jī)器人。提出了一種可靠的機(jī)器人壓縮和釋放能量的機(jī)構(gòu)。詳細(xì)介紹了整個(gè)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及彈跳運(yùn)動(dòng)和輪式移動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；彈跳運(yùn)動(dòng)；輪式移動(dòng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

輪式移動(dòng)機(jī)器人在空間探索、海洋開(kāi)發(fā)、家庭應(yīng)用等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在相對(duì)較為平坦的環(huán)境中，僅需要機(jī)器人有較為靈活的移動(dòng)能力，而當(dāng)遇到地形崎嶇、較大障礙物或溝渠時(shí)，一般的移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)就會(huì)受到嚴(yán)重的限制。在復(fù)雜的環(huán)境中，如地震救災(zāi)，機(jī)器人要有對(duì)地面較強(qiáng)的通過(guò)能力和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。在實(shí)際的應(yīng)用中，為了越過(guò)障礙物，要求機(jī)器人具有一定的跳躍能力[1～3]。

彈跳機(jī)器人可以輕而易舉的越過(guò)與自身尺寸相當(dāng)?shù)?，甚至?shù)倍于自身尺寸的障礙物或溝渠，因此更適合復(fù)雜和不可預(yù)測(cè)的環(huán)境[4]。但是，單純的機(jī)器人彈跳運(yùn)動(dòng)會(huì)消耗大量的能量，且元件的磨損程度會(huì)比較嚴(yán)重，而輪式移動(dòng)可以適應(yīng)相對(duì)較為平坦的地形。因此，將彈跳運(yùn)動(dòng)和輪式移動(dòng)結(jié)合，針對(duì)不同的地形，選擇適合的運(yùn)動(dòng)方式，既可以節(jié)省能源，延長(zhǎng)元件使用壽命，又可以使機(jī)器人的適用范圍更廣泛[5]。

本文構(gòu)建了一個(gè)具有跳躍能力的輪式移動(dòng)機(jī)器人，該機(jī)器人是在彈跳機(jī)器人MSU jumper[6]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)動(dòng)方式的結(jié)合設(shè)計(jì)，采用仿生設(shè)計(jì)方法和3D打印的制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)彈跳與輪式集成機(jī)器人形小、質(zhì)輕這一優(yōu)化目標(biāo)。

1復(fù)合機(jī)器人工作原理

1.1復(fù)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

復(fù)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其彈跳機(jī)構(gòu)由3部分組成：主體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)部分、壓縮釋放機(jī)構(gòu)。主體部分由上腿，下腿、壓縮板和底板四部分組成，形成了六桿機(jī)構(gòu)。壓縮和釋放機(jī)構(gòu)套在傳動(dòng)部分的輸出軸上，用以完成彈跳機(jī)構(gòu)的壓縮和釋放動(dòng)作。輪式移動(dòng)部分整體是三輪式結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)前輪、兩個(gè)直流減速電機(jī)和一個(gè)輔助支撐輪及其支架。同時(shí)，三輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)被選為彈跳機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)平坦路面的輪式移動(dòng)功能。

1.2復(fù)合機(jī)器人的工作原理

電動(dòng)彈跳輪式移動(dòng)復(fù)合機(jī)器人具有兩種運(yùn)動(dòng)方式：一種是彈跳運(yùn)動(dòng)方式；另一種是輪式移動(dòng)方式。在工作執(zhí)行開(kāi)始時(shí)，機(jī)器人根據(jù)路況會(huì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方式的選擇，選擇情況如下：

（1）當(dāng)是平坦路面時(shí)，機(jī)器人選擇輪式移動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式，彈跳機(jī)構(gòu)保持初始狀態(tài)，通過(guò)機(jī)器人前輪驅(qū)動(dòng)，使機(jī)器人到達(dá)工作目的地。

（2）當(dāng)遇到較高障礙物時(shí)，機(jī)器人選擇彈跳運(yùn)動(dòng)方式。經(jīng)過(guò)彈跳運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人完成躍過(guò)障礙物任務(wù)，并執(zhí)行接下來(lái)的任務(wù)，最終達(dá)到工作目的地。

2復(fù)合機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動(dòng)彈跳輪式復(fù)合機(jī)器人的設(shè)計(jì)不僅要實(shí)現(xiàn)彈跳高度和運(yùn)動(dòng)方式良好結(jié)合性的目標(biāo)，而且要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人微型化和重量輕的目標(biāo)。

2.1彈跳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈跳機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括三部分：六桿蓄能機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)和壓縮—釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了簡(jiǎn)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，機(jī)器人彈跳主體部分選擇六桿蓄能機(jī)構(gòu)，而且四腿長(zhǎng)度相等。六桿機(jī)構(gòu)扭簧的壓縮初始角為75°，壓縮終止角為15°，壓縮量為60°，為了減輕機(jī)構(gòu)的整體重量，六桿蓄能機(jī)構(gòu)中的上腿、下腿、壓縮板和底板四部分均采用腹板—加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)部分選擇現(xiàn)成的減速電機(jī)，將減速器和電機(jī)集成一體，這樣不僅能夠節(jié)省空間、提高效率，而且可以大大減輕機(jī)器人整體重量。減速電機(jī)的減速比為300，外置嚙合齒輪組的減速比為6，總減速比為1800。同樣為了減輕機(jī)器人的重量和簡(jiǎn)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，將壓縮—釋放機(jī)構(gòu)兩者設(shè)計(jì)為一體結(jié)構(gòu)，下面主要介紹壓縮、釋放機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理。

圖1所示為壓縮釋放機(jī)構(gòu)工作原理圖，該結(jié)構(gòu)由離合件、插銷和魚(yú)線繩三部分組成。插銷1安裝于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出軸，其伸出部分位于離合件2的180°槽內(nèi)，離合件安裝于輸出軸上，離合件的內(nèi)孔和輸出軸之間采用間隙配合方式。

當(dāng)六桿機(jī)構(gòu)壓縮初始狀態(tài)時(shí)，插銷1與離合件2的溝槽側(cè)面接觸。壓縮開(kāi)始后，在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，插銷1帶動(dòng)離合件做逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。離合機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°后，離合件2的末端上升到最高點(diǎn)。此時(shí)，六桿機(jī)構(gòu)處于最大程度壓縮狀態(tài)，離合件2和插銷1兩者之間處于自由狀態(tài)。當(dāng)輸出軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)微小角度后，離合件2在插銷1的微小干擾和魚(yú)線繩3的拉力作用下，迅速旋轉(zhuǎn)回到初始位置，從而使得彈跳機(jī)構(gòu)釋放能量。

插銷1保證了離合件2的單向旋轉(zhuǎn)，離合件2達(dá)到最高點(diǎn)可以在魚(yú)線繩3的作用下短暫鎖定，離合件2的180°缺口保證了突然釋放。該機(jī)構(gòu)改進(jìn)MSU jumper的單向軸承，實(shí)現(xiàn)了單向軸承的功能，同時(shí)也減輕了機(jī)器人的重量。

2.2輪式移動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于電動(dòng)彈跳輪式復(fù)合機(jī)器人的穩(wěn)定性和平衡性，機(jī)器人輪式移動(dòng)部分整體設(shè)計(jì)成三輪結(jié)構(gòu)。兩前輪采用各自驅(qū)動(dòng)方式，方便機(jī)器人移動(dòng)的調(diào)整和轉(zhuǎn)向，兩前輪由兩個(gè)直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，車輪直接安裝在減速電機(jī)的D字輸出軸上。輔助支撐輪起平衡作用，維持機(jī)器人的穩(wěn)定性。

3復(fù)合機(jī)器人試驗(yàn)分析與改進(jìn)

3.1試驗(yàn)分析

圖3.1所示為一組機(jī)器人彈跳試驗(yàn)結(jié)果圖，在無(wú)控制系統(tǒng)的狀態(tài)下，電源直接帶動(dòng)機(jī)器人電機(jī)，進(jìn)行彈跳和輪式移動(dòng)試驗(yàn)。機(jī)器人的整體重量為85g，彈跳最高高度為21cm，從壓縮開(kāi)始到彈跳離地的時(shí)間為4s。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了壓縮釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和輪式移動(dòng)與彈跳運(yùn)動(dòng)結(jié)合的可行性。

同時(shí)，機(jī)器人試驗(yàn)結(jié)果也出現(xiàn)了諸多問(wèn)題。彈跳結(jié)束后，機(jī)器人容易傾倒，無(wú)法恢復(fù)行走狀態(tài)；機(jī)器人行走時(shí)的重心不穩(wěn)；能量利用率不高。當(dāng)機(jī)器人釋放的過(guò)程中，能量會(huì)大量損失。

3.2復(fù)合機(jī)器人改進(jìn)

基于上述分析，電動(dòng)彈跳輪式復(fù)合機(jī)器人的上下兩部分的質(zhì)量分配可以繼續(xù)優(yōu)化?？紤]到機(jī)器人重心不穩(wěn)的問(wèn)題，可以改變機(jī)器人輪式和彈跳機(jī)構(gòu)的結(jié)合方式。因此，機(jī)器人可以做如下改進(jìn)：

（1）選擇壓縮板作為機(jī)器人輪式移動(dòng)平臺(tái)，使得機(jī)器人上半部分分配更多重量，以減少跳躍過(guò)程的能力損失。

（2）在機(jī)器人選擇輪式移動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈跳機(jī)構(gòu)處于完全壓縮狀態(tài)，以提高機(jī)器人的穩(wěn)定性。

4結(jié)語(yǔ)

在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了使得機(jī)器人彈跳更高、兩種運(yùn)動(dòng)方式結(jié)合的更好，機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了很大程度的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。機(jī)器人個(gè)零件采用的腹板-加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)保證了機(jī)器人強(qiáng)度，同時(shí)減輕了機(jī)器人的整體重量。彈跳部分是機(jī)器人設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，壓縮釋放機(jī)構(gòu)是彈跳機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵。相對(duì)于MUS jumper中的單向軸承方案，本次設(shè)計(jì)方案中采用的離合機(jī)構(gòu)具有更高的可靠性。