跳躍滾動(dòng)復(fù)合輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)

李銘陽(yáng)+連若綺+胡頔

研究背景

現(xiàn)代科技的發(fā)展使機(jī)器人逐漸被應(yīng)用到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，有些環(huán)境和場(chǎng)合對(duì)于機(jī)器人的移動(dòng)和操作能力有很高的要求。特別是近年來(lái)各種自然災(zāi)難和恐怖活動(dòng)后的廢墟，環(huán)境復(fù)雜多樣，地面軟硬相間、凸凹不平、溝壑眾多，這就要求機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有高環(huán)境適應(yīng)性、強(qiáng)移動(dòng)性，特別是應(yīng)該具有很強(qiáng)的越障能力。為解決此問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種既可以跳躍越障，又可以自由移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)——跳躍滾動(dòng)復(fù)合輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。

該移動(dòng)機(jī)構(gòu)將青蛙跳躍的仿生原理和構(gòu)型設(shè)計(jì)的方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了具有跳躍功能的復(fù)合輪設(shè)計(jì)。該移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與完成，使彈跳與輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)更加緊湊、輕便。同時(shí)在功能上，運(yùn)動(dòng)與跳躍更加靈活，具有很好的應(yīng)用前景。

研究過(guò)程

跳躍移動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)合輪設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕便緊湊的設(shè)計(jì)目標(biāo)，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中將輪式結(jié)構(gòu)與彈跳裝置結(jié)合。其設(shè)計(jì)理念來(lái)源于青蛙的雙腿彈跳原理，見(jiàn)圖1。當(dāng)青蛙雙腿彈跳時(shí)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)可以看作對(duì)稱的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)轉(zhuǎn)化各個(gè)連桿零件的形狀，使其整體上呈圓形就組成了輪式機(jī)構(gòu)。在輪式機(jī)構(gòu)中應(yīng)用彈簧機(jī)構(gòu)可以驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)青蛙的雙腿彈跳功能——這就是該機(jī)構(gòu)的原理。

當(dāng)常規(guī)狀態(tài)下拉開(kāi)彈簧裝置，機(jī)構(gòu)呈現(xiàn)圓形的輪式結(jié)構(gòu)。當(dāng)彈簧機(jī)構(gòu)被釋放后機(jī)構(gòu)從圓形狀態(tài)變?yōu)闄E圓狀態(tài)，可以產(chǎn)生對(duì)地面的反作用力，實(shí)現(xiàn)彈跳功能。輪子由連桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成，在工作狀態(tài)下機(jī)構(gòu)外形呈圓形。在此狀態(tài)下拉簧被拉伸展開(kāi)，為彈跳過(guò)程積蓄能量。當(dāng)觸發(fā)裝置啟動(dòng)后，拉簧的能量被迅速釋放，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由圓構(gòu)型變化為橢圓構(gòu)型，使機(jī)構(gòu)對(duì)地面產(chǎn)生瞬時(shí)的作用力，起到彈跳作用。機(jī)構(gòu)的彈跳方向通過(guò)控制輪的接地點(diǎn)控制。

移動(dòng)機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了復(fù)合輪之后，復(fù)合輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)也采用了簡(jiǎn)單輕便的設(shè)計(jì)思想。采用了簡(jiǎn)單的兩輪的差動(dòng)結(jié)構(gòu)，即在車體的左右兩側(cè)各配置一個(gè)復(fù)合輪，然后采用一個(gè)平衡車體運(yùn)動(dòng)的尾部支撐結(jié)構(gòu)。這樣的設(shè)計(jì)使整個(gè)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、可靠。彈簧的拉伸與復(fù)位靠繩索機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，繩索機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)。絲杠機(jī)構(gòu)配置在尾部以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平衡與重量平衡。整體機(jī)構(gòu)如圖2所示。

彈簧機(jī)構(gòu)的觸發(fā)機(jī)構(gòu)通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的彈性機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。彈簧的拉緊和觸發(fā)裝置主要由開(kāi)口銷、絲杠、絲杠螺母、開(kāi)口銷頂錐組成。首先，絲杠螺母在絲杠的反驅(qū)動(dòng)狀態(tài)下壓入開(kāi)口銷，然后開(kāi)口銷與絲杠螺母一起運(yùn)動(dòng)拉緊彈簧。當(dāng)絲杠螺母帶動(dòng)開(kāi)口銷運(yùn)動(dòng)到頂端頂?shù)介_(kāi)口銷頂錐后，開(kāi)口銷被打開(kāi)，釋放彈簧實(shí)現(xiàn)彈跳功能。

跳躍角度可通過(guò)輪子的角度調(diào)整。通過(guò)調(diào)整兩輪的不同彈射角度，可以實(shí)現(xiàn)斜上方的跳躍，從而實(shí)現(xiàn)三維跳躍過(guò)程。所謂三維跳躍是機(jī)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)向前和向后的跳躍，而且可以實(shí)現(xiàn)側(cè)向跳躍。

樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

完成了原理分析與構(gòu)型設(shè)計(jì)后，為節(jié)約成本，選擇采用鋁合金材料制作了跳躍機(jī)構(gòu)樣機(jī)，樣機(jī)參數(shù)為：直流伺服電機(jī)10W×l，5W×2；轉(zhuǎn)動(dòng)速度80r/min；整體尺寸256mm×190mm×124mm；重量300g；最大速度0.5m/s。

單輪彈跳實(shí)驗(yàn)（圖3左）表明，輪子在彈簧力的作用下可以輕松跳起。輪式行走實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)構(gòu)在輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)下可以自由移動(dòng)。橢圓式輪型運(yùn)動(dòng)越障實(shí)驗(yàn)（圖3右上）表明，當(dāng)輪子的彈簧被放松后，機(jī)構(gòu)成橢圓狀態(tài)，此時(shí)機(jī)構(gòu)能夠跨越更大的障礙物。移動(dòng)機(jī)構(gòu)的跳躍實(shí)驗(yàn)表明（圖3右下），機(jī)構(gòu)在彈簧力的作用下能夠跳起20cm。由于機(jī)構(gòu)目前只能由操作者遙控控制，在彈射角度的控制上有一定難度，打算以后采用碼盤及自主控制解決該問(wèn)題。當(dāng)彈跳角度分別為45°、60°、90°時(shí)，對(duì)應(yīng)跳躍高度為159.1mm、194.8mm和225mm；跳躍距離為159.1mm、112.5mm和0mm。

應(yīng)用前景及設(shè)想

前景：該跳躍移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、彈跳距離既髙又遠(yuǎn)、彈跳方向多樣可控的特點(diǎn)。能夠應(yīng)用到各種復(fù)雜環(huán)境中完成巡視與搜索任務(wù)，應(yīng)用前景廣闊。

改進(jìn)設(shè)想：該機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步改進(jìn)，主要是結(jié)構(gòu)精細(xì)化設(shè)計(jì)，選擇更加輕質(zhì)的材料?？刂粕喜捎米詣?dòng)檢測(cè)跳躍角度的方法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跳躍。逐漸實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)中起跳。

創(chuàng)新點(diǎn)

原理上，應(yīng)用青蛙跳躍的仿生原理和構(gòu)型設(shè)計(jì)的方法相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了具有跳躍功能的復(fù)合輪設(shè)計(jì)。

機(jī)構(gòu)上，采用輪式機(jī)構(gòu)與四連桿機(jī)構(gòu)和彈簧機(jī)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了輪式運(yùn)動(dòng)的同時(shí)可以完成跳躍功能。

應(yīng)用上，所設(shè)計(jì)的移動(dòng)跳躍機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、輕便緊湊，適用于在較復(fù)雜環(huán)境中移動(dòng)。

該項(xiàng)目獲得第31屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組工程學(xué)一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目構(gòu)思新穎，設(shè)計(jì)巧妙，結(jié)構(gòu)緊湊，易于操作，采用了連桿機(jī)構(gòu)和彈簧相結(jié)合的復(fù)合機(jī)構(gòu)，克服了同類項(xiàng)目難以適應(yīng)地面環(huán)境的缺點(diǎn)，不僅具有一定的科學(xué)價(jià)值，還有很好的使用性能。endprint