變步距可轉(zhuǎn)向四足爬樓機(jī)器人研究*

代傳昭，朱永剛

（安徽三聯(lián)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230601）

隨著我國(guó)老齡化的加劇，沒(méi)有電梯的老舊小區(qū)已成為一個(gè)亟待解決的社會(huì)問(wèn)題，因此爬樓機(jī)器人成為社會(huì)關(guān)注熱點(diǎn)。而目前爬樓機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要還是在腿部各關(guān)節(jié)加電機(jī)或氣缸，利用其簡(jiǎn)單旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走，腳部一般采用履帶式、行星輪系結(jié)構(gòu)或葉輪式結(jié)構(gòu)，加上復(fù)雜的控制系統(tǒng)往往使機(jī)構(gòu)成本高昂，同時(shí)還出現(xiàn)沖擊性大、舒適性不夠的缺點(diǎn)，在凹凸不平的復(fù)雜路面，其顛簸往往使人難以忍受。因此，國(guó)內(nèi)外有采用四連桿、六連桿進(jìn)行取代的傾向[1-2]。本設(shè)計(jì)采用四連桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以獲得滿足足行運(yùn)動(dòng)模式的簡(jiǎn)單機(jī)械結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行總體設(shè)計(jì)形成變步距可轉(zhuǎn)向四足爬樓機(jī)器人。機(jī)器人采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)融合仿生技術(shù)，使上樓運(yùn)載機(jī)器人靈活性高、行動(dòng)敏捷、運(yùn)行平穩(wěn)且噪音小，實(shí)現(xiàn)了既可載人還能載貨物，同時(shí)又可在平地中行進(jìn)，并具有強(qiáng)大的多地形適應(yīng)能力的設(shè)計(jì)。

1 樣機(jī)建模與制造

變步距可轉(zhuǎn)向式四足爬樓機(jī)器人為多自由度步行機(jī)器人，由腿部運(yùn)動(dòng)單元、變步距單元、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)單元和自平衡機(jī)構(gòu)單元組成。機(jī)器人的站立姿態(tài)外形圖如圖1所示。

圖1 機(jī)器人實(shí)物Fig.1 robot object

2 機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)模型的建立

鑒于簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及四連桿機(jī)構(gòu)的可靠性，使用圖2所示的平面四連桿機(jī)簡(jiǎn)化模型[3-4]。

圖2 平面四桿優(yōu)化模型Fig.2 Optimization model of planar four bar linkages

本文以豎直高度150mm、水平距離200mm的臺(tái)階為例進(jìn)行一般化的計(jì)算。

確定四連桿的設(shè)計(jì)變量：

2.2 建立目標(biāo)函數(shù)

誤差為目標(biāo)函數(shù)：

求解得得到結(jié)構(gòu)為：

圖3所示為連桿點(diǎn)軌跡圖。

圖3 連桿點(diǎn)軌跡圖Fig.3 trajectory chart of selecting point on connecting rod

3 機(jī)器人腿部機(jī)構(gòu)組成與運(yùn)動(dòng)分析

四足步行機(jī)器人以穩(wěn)定的步姿行走時(shí),其機(jī)身在腿架的支撐下與地面保持重心的平衡[5-6]。

3.1 四足機(jī)器人腿部連桿機(jī)構(gòu)

如圖4所示為機(jī)器人單側(cè)行走機(jī)構(gòu)原理圖。該機(jī)構(gòu)包括兩對(duì)尺寸相同的曲柄連桿機(jī)構(gòu)以及將兩機(jī)構(gòu)連接起來(lái)的傳動(dòng)桿、固定桿和腿調(diào)節(jié)桿。通過(guò)固定桿使與兩曲柄滑塊機(jī)構(gòu)鉸連的腿部失去了旋轉(zhuǎn)的自由度，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的腿部運(yùn)動(dòng)可以在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)。自由度計(jì)算如下：

n=7，pl=10，ph=0

所以f=3n-2pl-ph=3*7-2*10=1。

爬樓過(guò)程分解步驟如圖5所示。

圖4 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)Fig.4 robot walking mechanism

圖5 機(jī)器人爬樓過(guò)程分解圖Fig.5 decomposition diagram of climbing process

3.2 四足機(jī)器人變步距結(jié)構(gòu)

特別設(shè)計(jì)的剛性活動(dòng)聯(lián)軸器如圖6所示，是為了克服機(jī)械式機(jī)器人跨步固定的缺陷以適合不同尺寸樓道環(huán)境。通過(guò)增加撥盤系統(tǒng)操縱以實(shí)時(shí)改變步行機(jī)器人行走歩距。變步距系統(tǒng)的核心是剛性活動(dòng)聯(lián)軸器，通過(guò)撥盤系統(tǒng)用來(lái)控制剛性活動(dòng)聯(lián)軸器兩側(cè)軸的距離實(shí)現(xiàn)步距變化。

圖6 剛性活動(dòng)聯(lián)軸器Fig.6 Rigid coupling

3.3 四足機(jī)器人轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)與剛性活動(dòng)聯(lián)軸器一端傳動(dòng)軸通過(guò)十字聯(lián)軸器、滾珠花鍵機(jī)構(gòu)與翅膀相連，翅膀裝有移動(dòng)導(dǎo)軌，如圖7所示。剛性活動(dòng)聯(lián)軸器的另一端軸穿過(guò)翅膀與另一行走機(jī)構(gòu)相連以實(shí)現(xiàn)另一側(cè)行走運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向仿生展翅式機(jī)構(gòu)如圖8所示，由腿部總成、鉸鏈、展翅四桿機(jī)構(gòu)等相關(guān)配件組合，通過(guò)人工驅(qū)動(dòng)方向盤，經(jīng)由展翅四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腿部總成與機(jī)體的角度旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。

圖7 翅膀連接總成Fig.7 Wing assembly

圖8 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)Fig.8 steering mechanism

轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)原理如圖9、圖10所示。如向左轉(zhuǎn)向時(shí)（機(jī)器頭部朝向?yàn)榍斑M(jìn)方向，前進(jìn)方向向左為左轉(zhuǎn)向，向右為右轉(zhuǎn)向），左側(cè)翅膀側(cè)腿部著地行走的過(guò)程中，在右側(cè)翅膀側(cè)腿部著地前轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，使得左側(cè)翅膀展開(kāi)，待右側(cè)翅膀側(cè)腿部著地，左側(cè)翅膀側(cè)腿部著地前轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，使左側(cè)翅膀側(cè)收攏，完成一次向左轉(zhuǎn)；向右轉(zhuǎn)向時(shí)（機(jī)器頭部朝向?yàn)榍斑M(jìn)方向，前進(jìn)方向向左為左轉(zhuǎn)向，向右為右轉(zhuǎn)向），右側(cè)翅膀側(cè)腿部著地，在左側(cè)翅膀側(cè)腿部著地前轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，使得左側(cè)翅膀展開(kāi)，待左側(cè)翅膀側(cè)腿部著地，右側(cè)翅膀側(cè)腿部著地前轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤，使左側(cè)翅膀側(cè)收攏，完成一次向右轉(zhuǎn)。仿生的翅膀轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)新穎獨(dú)特，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的步行機(jī)器人靈活轉(zhuǎn)向。

圖9 向右轉(zhuǎn)向Fig.9 circumstances of right turning

圖10 向左轉(zhuǎn)向Fig.10 circumstances of left turning

全方位水平姿態(tài)爬樓機(jī)器人，可以很好地進(jìn)行直線移動(dòng)，通過(guò)人工驅(qū)動(dòng)腿調(diào)節(jié)桿的方式可以在上樓行進(jìn)中進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

4 平衡機(jī)構(gòu)

由于行走機(jī)構(gòu)是由兩側(cè)的翅膀分別單獨(dú)執(zhí)行的，機(jī)器人及其運(yùn)載貨物的重量是由一側(cè)的翅膀單獨(dú)輪流支撐的，當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)或左或右傾倒跡象時(shí)，難于保持平衡。配置平衡系統(tǒng)如圖11所示。例如當(dāng)左側(cè)翅膀行走時(shí)，步行機(jī)器人向右傾斜。這時(shí)與左腿相固聯(lián)的左壓塊一起向下運(yùn)動(dòng)，平衡半圓管向左傾斜并由自身的重力保持向左傾斜，管內(nèi)的平衡球向左運(yùn)動(dòng)以保證機(jī)器人的平衡。向右同理。

圖11 平衡機(jī)構(gòu)Fig.11 Balance mechanism

5 關(guān)鍵零件有限元分析

機(jī)器人以鋼圓管為腿部支撐件，設(shè)計(jì)負(fù)載為100kg（980N），由分析可知機(jī)器人單側(cè)腿部支撐時(shí)，較大的變形易導(dǎo)致與另一側(cè)腿腳的干涉而難以完成預(yù)定的步伐，此時(shí)相對(duì)較為危險(xiǎn)，故對(duì)此位置進(jìn)行建模并使用Ansys的Structure模塊進(jìn)行有限元分析。由圖12可以看出此腿工作狀態(tài)良好，完全可以承受100kg負(fù)載的載物運(yùn)動(dòng)[7-8]。

圖12 腿部圓管應(yīng)變圖Fig.12 Strain diagram of the leg

6 結(jié)論

實(shí)踐證明，該爬樓機(jī)器人實(shí)物運(yùn)行良好，各項(xiàng)性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，設(shè)計(jì)計(jì)算以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，其樣機(jī)參加了全國(guó)性比賽并獲獎(jiǎng)，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。