可變形履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)

錢(qián)俊澤，杜超平，何振鵬，何 銳，廖 濤，徐唐進(jìn)

（中國(guó)民航大學(xué) a.工程技術(shù)訓(xùn)練中心；b.航空工程學(xué)院，天津 300300）

隨著機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)機(jī)器人由于自身?xiàng)l件的局限性已不能完成某些特殊作業(yè)任務(wù)。履帶式結(jié)構(gòu)具有傳動(dòng)效率高、支撐面積大、越野性能好、牽引附著能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，適合在危險(xiǎn)惡劣環(huán)境下工作。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)始重視對(duì)履帶式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，但由于履帶式機(jī)器人設(shè)計(jì)及控制算法復(fù)雜，其應(yīng)用仍具有局限性。因此，深入開(kāi)展履帶式機(jī)器人的研究，對(duì)提高其結(jié)構(gòu)性能和執(zhí)行任務(wù)的可靠性具有重要意義。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，中國(guó)研制的“靈蜥-B”機(jī)器人，設(shè)置3段履帶作為行走裝置，可越過(guò)40 cm高度障礙[1]。為充分發(fā)揮輪式結(jié)構(gòu)的快速性，突出履帶式結(jié)構(gòu)良好的地面適應(yīng)性，Michaud等[2]和中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所分別研制了Andros系列機(jī)器人和輪-腿-履帶復(fù)合移動(dòng)排爆機(jī)器人[3]。為使履帶式機(jī)器人具有靈活的物理結(jié)構(gòu)及良好的環(huán)境適應(yīng)能力和生存能力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和變形策略開(kāi)展了研究，設(shè)計(jì)了Single-Tracked機(jī)器人[4]、VGTV機(jī)器人[5]和CEBOT機(jī)器人[6]，提出了建立在連接規(guī)劃和路徑規(guī)劃之上的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。總體看來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)履帶式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制算法開(kāi)展了深入研究，但還存在一些不足，主要如下：①體積和重量太大；②越障能力差，越障高度有限；③與外部通信的研究不夠深入；④機(jī)動(dòng)性和靈活性需進(jìn)一步提高。

針對(duì)上述不足，通過(guò)理論計(jì)算設(shè)計(jì)出可變形履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型，基于SolidWorks三維建模平臺(tái)建立可變形履帶式機(jī)器人的三維模型。為深入研究該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)可靠性，以其前調(diào)節(jié)桿為研究對(duì)象，建立有限元模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到輕量化目的，設(shè)計(jì)了傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了機(jī)器人控制界面，最后進(jìn)行了實(shí)物制作。

1 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及傳動(dòng)系統(tǒng)布置

設(shè)計(jì)的可變形履帶式機(jī)器人由1個(gè)控制模塊（包括控制電路和驅(qū)動(dòng)電機(jī)）和2個(gè)相同的可變形履帶移動(dòng)單元模塊組成。

1.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖1所示。履帶輪部件由四連桿機(jī)構(gòu)（前調(diào)節(jié)桿、后調(diào)節(jié)桿、調(diào)節(jié)短桿、機(jī)架）構(gòu)成，履帶由帶輪 A1、A2、A3、A4共同支撐，其中 A1為驅(qū)動(dòng)輪。該結(jié)構(gòu)可保證在遇到較大障礙物時(shí)，機(jī)器人可通過(guò)驅(qū)動(dòng)前調(diào)節(jié)桿旋轉(zhuǎn)來(lái)調(diào)整履帶的幾何形狀，實(shí)現(xiàn)越障功能。

圖1 履帶機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of crawler robot structure

1.2 傳動(dòng)系統(tǒng)布置

機(jī)器人移動(dòng)單元模塊的傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。電機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)過(guò)齒輪G1帶動(dòng)G2傳遞到G3，G3帶動(dòng)G4傳遞到同步帶輪C1，接著通過(guò)同步帶CL1傳遞到同步帶輪C2，驅(qū)動(dòng)帶輪A1運(yùn)動(dòng)。

傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪G3和G4的運(yùn)轉(zhuǎn)方向如圖3所示。彈簧連接在車(chē)體與前調(diào)節(jié)桿之間，在平坦路面運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于受到彈簧的約束，前調(diào)節(jié)桿在彈簧力與齒輪G3反作用力之間維持平衡，保持既定姿態(tài)不變。當(dāng)行進(jìn)中遇到障礙時(shí)，彈簧力與齒輪G3反作用力的平衡關(guān)系被打破，前調(diào)節(jié)桿向上抬起使得履帶變形越過(guò)障礙，在越過(guò)障礙到達(dá)平坦路面時(shí)移動(dòng)單元模塊的機(jī)構(gòu)在彈力作用下恢復(fù)到平地運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)布置圖Fig.2 Transmission system layout

圖3 傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪受力圖Fig.3 Force diagram of transmission gear

該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使得復(fù)合單元模塊的移動(dòng)機(jī)構(gòu)能在1個(gè)驅(qū)動(dòng)力的作用下根據(jù)不同的約束環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)履帶的變形越障。

2 可變形履帶移動(dòng)單元模塊的機(jī)構(gòu)參數(shù)

在越障過(guò)程中，可變形履帶移動(dòng)單元各模塊構(gòu)件間會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，為滿(mǎn)足移動(dòng)單元模塊在越障過(guò)程中姿態(tài)的調(diào)整以及履帶不脫帶，要保證履帶在形狀變化過(guò)程中長(zhǎng)度形變量盡可能小，對(duì)影響履帶長(zhǎng)度變化的履帶支撐機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 履帶機(jī)器人機(jī)構(gòu)參數(shù)Fig.4 Crawler robot mechanism parameter

在主軸軸心O處建立Oxy平面坐標(biāo)系，其中x軸與 OD 重合，y 軸與 O2O3垂直。圖 4 中點(diǎn) O1、O2、O3、O4分別為輪 A1、A2、A3、A4的輪心，其他各參數(shù)釋義如表 1所示。

表1 輪履復(fù)合移動(dòng)單元的機(jī)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Mechanism parameters of wheeled compound mobile units

3 履帶輪的機(jī)構(gòu)參數(shù)分析

輪心 O1、O2、O3、O4和點(diǎn) B、C、D 的向量的表達(dá)式可寫(xiě)為

調(diào)節(jié)短桿CD與車(chē)體OD的夾角γ隨前調(diào)節(jié)桿OB與車(chē)體OD的夾角α的變化而變化。將式（6）和式（7）合并整理可得γ與α的關(guān)系為

由式（8）可知調(diào)節(jié)短桿CD與車(chē)體OD的夾角γ隨 α 的變化而變化，可設(shè)與帶輪 A1、A2、A3、A4相切的線(xiàn)段A1A2、A2A3、A3A4、A4A1分別為l10（α）、l20（α）、l30（α）、l40（α），與履帶支撐輪相接觸的履帶長(zhǎng)度為lc（α），則履帶總長(zhǎng)度l（α）表達(dá)式為

其中，l10（α）、l20（α）、l30（α）、l40（α）、lc（α）與機(jī)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系可表示為

對(duì)影響履帶長(zhǎng)度的主要參數(shù)r、r0、m、h進(jìn)行分析：當(dāng)輪A3的半徑r分別取25 mm、35 mm、45 mm時(shí)，履帶長(zhǎng)度（lα）隨夾角α的變化關(guān)系，如圖5所示；當(dāng)輪A2的半徑r0分別取10 mm、15 mm、20 mm時(shí)，履帶長(zhǎng)度（lα）隨夾角 α 的變化關(guān)系，如圖6所示；輪A2、A3的中心距m分別取80mm、100mm、120mm時(shí)，履帶長(zhǎng)度l（α）隨夾角α的變化關(guān)系，如圖7所示；主軸中心與機(jī)架垂直距離h分別取25 mm、35 mm、45 mm時(shí)，履帶長(zhǎng)度（lα）隨夾角α的變化關(guān)系，如圖8所示。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中參數(shù)取的實(shí)際值為：r=25 mm、r0=20 mm、m=80 mm、h=25 mm，這可以保證機(jī)器人正常運(yùn)動(dòng)時(shí)不受履帶變形量影響?？紤]到機(jī)器人的裝配精度和履帶自身形變對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能的影響，取履帶的實(shí)際長(zhǎng)度l=720 mm。

圖5 不同r下履帶長(zhǎng)度l隨夾角α的變化Fig.5 Track length changes with angle α under different r

圖6 不同r0下履帶長(zhǎng)度l隨夾角α的變化Fig.6 Track length changes with angle α when r0is different

圖7 不同m下履帶長(zhǎng)度l隨夾角α的變化Fig.7 Track length changes with angle α under different m

圖8 不同h下履帶長(zhǎng)度l隨夾角α的變化Fig.8 Track length changes with angle α under different h

4 履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)三要素包括：設(shè)計(jì)變量、約束條件和優(yōu)化目標(biāo)，則優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型可描述為

約束條件為

其中：E（x）為期望優(yōu)化目標(biāo)；xi為離散設(shè)計(jì)變量單元密度或厚度；Ki為單元?jiǎng)偠?；u、f為節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力向量；λc和c為結(jié)構(gòu)的性能約束（應(yīng)力或應(yīng)變）；Vi和V分別為單元體積和總體積；xmin和xmax分別為約束變量xc上下限[7]。對(duì)前調(diào)節(jié)桿的優(yōu)化三要素設(shè)定如表2所示。

表2 調(diào)節(jié)桿的優(yōu)化三要素設(shè)定Tab.2 Three parameters for adjusting bar optimization

4.2 前調(diào)節(jié)桿拓?fù)鋬?yōu)化

前調(diào)節(jié)桿是機(jī)器人四連桿機(jī)構(gòu)的重要組成部分，在前進(jìn)中承受的載荷和沖擊最大，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，在滿(mǎn)足強(qiáng)度要求的前提下達(dá)到輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)機(jī)器人后續(xù)制作具有實(shí)際意義。

分析前調(diào)節(jié)桿之前，先在三維建模軟件Solidworks中建立前調(diào)節(jié)桿的實(shí)體模型，再導(dǎo)入到Hypermesh中對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，逐步對(duì)前調(diào)節(jié)桿進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分,前調(diào)節(jié)桿有限元模型如圖9所示。

圖9 前調(diào)節(jié)桿有限元模型Fig.9 Finite element model of front adjusting bar

分析前調(diào)節(jié)桿受力，約束孔1和孔2的5個(gè)自由度，并在孔3～5的內(nèi)壁施加壓力，如圖10所示，其值分別為 20 MPa、40 MPa、10 MPa。

圖10 前調(diào)節(jié)桿載荷分布示意圖Fig.10 Load distribution on front adjusting bar

經(jīng)18次迭代后得到的拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖如圖11所示。密度云圖顯示此模型中密度值為1的部分，其余部分從視圖中刪除。

圖11 前調(diào)節(jié)桿拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果Fig.11 Optimized topology of front adjusting bar

從優(yōu)化后的材料分布結(jié)果圖可得到結(jié)構(gòu)調(diào)整后的前調(diào)節(jié)桿幾何模型，如圖12所示。

圖12 優(yōu)化后前調(diào)節(jié)桿幾何模型Fig.12 Geometry model of optimized front adjusting bar

在上述約束和載荷條件下，對(duì)前調(diào)節(jié)桿進(jìn)行靜力分析，其應(yīng)力云圖如圖13～圖15所示。

圖13 前調(diào)節(jié)桿在Press 1下的應(yīng)力分布Fig.13 Stress distribution on front adjusting bar under Press One

圖14 前調(diào)節(jié)桿在Press 2下的應(yīng)力分布Fig.14 Stress distribution on front adjusting bar under Press Two

圖15 前調(diào)節(jié)桿在Press 3下的應(yīng)力分布Fig.15 Stress distribution on front adjusting bar under Press Three

由以上可知，在承受載荷Press 1、Press 2、Press 3的情況下，前調(diào)節(jié)桿均在壓力所施加的軸承孔內(nèi)達(dá)到應(yīng)力最大值，其值為41.11 MPa。亞克力板拉伸強(qiáng)度在55～77 MPa水平，彎曲強(qiáng)度在 90～130 MPa水平，滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

將拓?fù)鋬?yōu)化理論應(yīng)用于機(jī)器人機(jī)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)，在保證其結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上大大減輕了部件的質(zhì)量。利用拓?fù)鋬?yōu)化后的密度云圖，可以確定前調(diào)節(jié)桿輕量化后的基本形狀，為后續(xù)實(shí)物制作提供參考，使其更加滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 履帶式機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及樣機(jī)搭建

控制部分包含控制界面、wifi數(shù)傳模塊、單片機(jī)、外設(shè)以及電源電路5大部分。控制界面由Microsoft Visual Studio基于開(kāi)源代碼編寫(xiě)而成，其主要功能是向下位機(jī)發(fā)送指令集并產(chǎn)生實(shí)時(shí)響應(yīng)[8]；控制指令由包頭FF、數(shù)據(jù)位、包尾FF構(gòu)成，單片機(jī)識(shí)別包頭包尾后進(jìn)入Fuction函數(shù)進(jìn)行比對(duì)數(shù)據(jù)位，進(jìn)而進(jìn)入相應(yīng)的外設(shè)控制函數(shù)，無(wú)包頭包尾的指令視為空指令，單片機(jī)識(shí)別后不產(chǎn)生任何有效控制；控制頁(yè)面編寫(xiě)過(guò)程中嵌入wifi視頻的網(wǎng)絡(luò)地址，從而實(shí)現(xiàn)視頻從網(wǎng)頁(yè)到頁(yè)面顯示的過(guò)渡[9]。主控制界面如圖16所示。

圖16 主控制界面Fig.16 Main control interface

采用MTK7620N為wifi模塊主芯片，支持IEEE 802.11.b/g/n協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，基于MIPS24Kc內(nèi)核，產(chǎn)生580 kHz主頻，支持2.4 G頻段MIMO，實(shí)現(xiàn)最高300 Mbps的傳輸速度。供電后wifi模塊發(fā)出信號(hào)供上位機(jī)連接，當(dāng)控制頁(yè)面連接上wifi信號(hào)后即可發(fā)送指令。接收到上位機(jī)的指令后wifi模塊通過(guò)串口通信（模塊的RX與TX和單片機(jī)的串口1RX、TX對(duì)接）從而傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行指令識(shí)別并產(chǎn)生有效控制。wifi模塊接收到上位機(jī)的指令后通過(guò)串口通信（模塊的RX與TX和單片機(jī)的串口1RX、TX對(duì)接）傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行指令識(shí)別并產(chǎn)生有效控制[10]。

單片機(jī)采用STM32F1ZET6大容量芯片作為主控芯片，ZET6有豐富的片上資源：8個(gè)定時(shí)器以及多路ADC和DAC、多個(gè)高速I(mǎi)/O。當(dāng)單片機(jī)識(shí)別指令后進(jìn)入Fuction函數(shù)進(jìn)行匹配數(shù)據(jù)位，數(shù)據(jù)由6位構(gòu)成：前2位為外設(shè)選擇位；中間2位為外設(shè)號(hào)選擇位；后2位為參量設(shè)置位。單片機(jī)識(shí)別上位機(jī)發(fā)出的有效指令后，產(chǎn)生一次相關(guān)外設(shè)函數(shù)的調(diào)用，如需連續(xù)控制，上位機(jī)則需要連續(xù)發(fā)送指令。

外設(shè)包含wifi視頻，2個(gè)9 G云臺(tái)舵機(jī)，4個(gè)MG996大扭矩舵機(jī)、2個(gè)10 KG/CM扭矩的減速電機(jī)。wifi視頻用于實(shí)時(shí)路況與環(huán)境監(jiān)測(cè)，其中：2個(gè)云臺(tái)舵機(jī)提供兩自由度采集角度；4個(gè)MG996舵機(jī)組合成四自由度的機(jī)械手，模擬人類(lèi)手夾持物體的動(dòng)作；2個(gè)大扭矩減速電機(jī)提供履帶車(chē)的源動(dòng)力。

電源電路包含5節(jié)串聯(lián)的18650大容量鋰電池、2塊LM2596降壓穩(wěn)壓電路、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及限流保護(hù)電路。1塊LM2596用于L298N及電機(jī)供電，另1塊用于單片機(jī)及剩余外設(shè)供電。

考慮外設(shè)同時(shí)工作時(shí)電路的峰值電流可能超過(guò)單個(gè)芯片的承受上限，故在并聯(lián)支路上串聯(lián)電流檢測(cè)模塊，當(dāng)電流超過(guò)3 A（降壓芯片所能承受的最大電流）時(shí)給單片機(jī)1個(gè)反饋信號(hào)切斷相應(yīng)支路，以達(dá)到保護(hù)電路的目的?？勺冃温膸綑C(jī)器人的實(shí)物樣機(jī)如圖17所示。

圖17 可變形履帶式機(jī)器人樣機(jī)Fig.17 Prototype of deformable tracked robot

6 結(jié)語(yǔ)

1）提出了一種可變形履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)并介紹其設(shè)計(jì)思路，運(yùn)用理論推導(dǎo)、參數(shù)優(yōu)化分析等方法確定了輪-履復(fù)合移動(dòng)單元模塊的機(jī)構(gòu)參數(shù)。通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析了越障性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，對(duì)影響履帶長(zhǎng)度變化的履帶支撐機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了可行性分析。

2）以機(jī)器人重要部件的四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立有限元優(yōu)化模型，以應(yīng)力和重量為優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用有限元法對(duì)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。結(jié)果表明，在滿(mǎn)足其強(qiáng)度要求的前提下達(dá)到了輕量化的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為機(jī)器人實(shí)物制作提供技術(shù)參考。

3）對(duì)履帶式機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并結(jié)合軟件控制界面、wifi數(shù)傳模塊、單片機(jī)、外設(shè)以及電源電路進(jìn)行樣機(jī)制作，結(jié)果表明該履帶式機(jī)器人可利用遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸控制，后續(xù)將結(jié)合北斗定位進(jìn)一步提升其信號(hào)傳輸功能。