基于機(jī)器人搖桿齒輪式的設(shè)計與平衡探討

徐 濱

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥 238000）

煤炭開采過程中，礦難慘劇難免發(fā)生，因此需要移動機(jī)器人進(jìn)行登陸探測與救援工作[1]。為解決復(fù)雜地形的高效率勘探問題，機(jī)器人的行走與平衡機(jī)構(gòu)成為現(xiàn)階段的研究熱點[2]。高進(jìn)可等[3]人利用圓錐齒輪嚙合型差動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了搖桿式四輪煤礦探測機(jī)器人的復(fù)雜地形勘探，并通過虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行樣機(jī)的實地試驗。然而，差動平衡機(jī)構(gòu)對于齒輪的彎曲強(qiáng)度的要求較高，否則會出現(xiàn)齒輪滾動，機(jī)器人行走不均衡的情況。程志紅等[4]人提出一種對稱的空間連桿式差動平衡機(jī)構(gòu)，具有較大的搖臂擺角范圍和良好的線平均性，能夠很好解決機(jī)器人行走的不均衡問題。本文以四輪搖桿式機(jī)器人為主體設(shè)計了搖桿齒輪式差動平衡機(jī)構(gòu)，著重分析了差動輪系、搖臂軸、殼體的選擇依據(jù)，為搖桿齒輪式機(jī)器人的實際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

一 機(jī)器人搖桿齒輪式差動平衡機(jī)構(gòu)總體設(shè)計

（一）總體設(shè)計要求

本設(shè)計為機(jī)器人搖桿齒輪式差動平衡機(jī)構(gòu)，如圖1所示，主要參照四輪搖桿式機(jī)器人移動系統(tǒng)中的平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，包含了機(jī)器人搖桿差動機(jī)構(gòu)、車體兩側(cè)搖桿懸架和獨(dú)立驅(qū)動輪四個部分。其中，機(jī)器人搖桿差動平衡機(jī)構(gòu)裝置的左右兩半軸連接車體兩側(cè)的左右搖桿，左右搖桿懸架再與車體的四個驅(qū)動輪連接。同時，左右兩側(cè)移動系統(tǒng)采用搖臂懸架式共同組成懸架系統(tǒng)，能應(yīng)對復(fù)雜的地形。此外，為了確保機(jī)器人能夠順利地越過障礙，行走在不平的路面上，這就要求機(jī)器人的底盤距地面要有一定的距離。

圖1 搖桿式四輪機(jī)器人的移動系統(tǒng)簡圖

（二）平衡機(jī)構(gòu)總體設(shè)計方案

機(jī)器人搖桿齒輪式差動平衡機(jī)構(gòu)的差動機(jī)構(gòu)形式采用對稱式行星錐齒輪差速機(jī)構(gòu)。這種差速機(jī)構(gòu)通常被應(yīng)用在汽車驅(qū)動橋上，是一種典型的差速機(jī)構(gòu)。對稱式行星錐齒輪差速機(jī)構(gòu)的差動輪系由左右兩側(cè)中心錐齒輪和中間若干行星錐齒輪組成，通常行星錐齒輪數(shù)選取2或4個[5]。差速器殼體轉(zhuǎn)角（）和左右兩側(cè)搖桿轉(zhuǎn)角關(guān)系：

圖2 機(jī)器人搖桿差動平衡機(jī)構(gòu)原理圖

為了便于后期維護(hù)、保養(yǎng)，將機(jī)器人搖桿齒輪式差動平衡機(jī)構(gòu)裝置要被設(shè)計相對獨(dú)立的部件。機(jī)器人搖桿齒輪式差動平衡機(jī)構(gòu)的殼體或底座連接機(jī)器人的載物平臺和主體，該裝置的兩側(cè)半軸可視為搖臂軸，用連接部件連接著左右兩搖桿懸架。平衡裝置的殼體設(shè)計采用中空機(jī)構(gòu)。殼體的空間大小要求，能夠容下差動輪系，還要保證差動輪系在工作的時候，不受殼體干擾。綜上所述，機(jī)器人搖桿齒輪式差動平衡機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計，如圖3所示。

圖3 機(jī)器人搖桿齒輪式差動平衡機(jī)構(gòu)總體設(shè)計模型

二 平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計方案分析

（一）平衡機(jī)構(gòu)差動輪系設(shè)計

1.平衡機(jī)構(gòu)的齒輪參數(shù)選擇

行星齒輪數(shù)n：取值大小依據(jù)于差動平衡裝置的承載能力。對于車類來說，轎車n取值為2，貨車和越野車等承載能力大的，n取值為4[5]，考慮四輪搖桿機(jī)器人工作情況，負(fù)載能力不是特別大，所以行星齒輪數(shù)n的取值為：n=2。

對于任何對稱圓錐行星齒輪式差速器中，為了使兩個或四個行星齒輪與左、右兩半軸齒輪嚙合，這就要求兩半軸齒輪齒數(shù)和必須被行星齒輪輪數(shù)整除，達(dá)不到這一個條件行星齒輪和半軸齒輪就不能裝配。設(shè)左半軸齒輪數(shù)，右半軸齒輪數(shù)，滿足公式[5]：

2.平衡機(jī)構(gòu)圓錐齒輪的齒輪強(qiáng)度計算

差動平衡裝置的齒輪需要進(jìn)行彎曲強(qiáng)度計算，而齒輪的疲勞壽命可以不用考慮，主要原因器人搖桿差動平衡裝置的行星齒輪在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中只作為等臂推力桿使用，當(dāng)左搖桿懸架轉(zhuǎn)的角速度與右懸架速度不一樣，則差動平衡裝置半軸中心錐齒輪和行星錐齒輪才會產(chǎn)生滾動。機(jī)器人搖桿齒輪式差動平衡機(jī)構(gòu)齒輪的彎曲應(yīng)力為[6]：

式中：T表示差動平衡裝置的行星齒輪對半軸齒輪的轉(zhuǎn)矩大小，其單位為：

所以所述機(jī)器人搖桿差動平衡機(jī)構(gòu)的齒輪強(qiáng)度滿足要求。

（二）全浮式搖臂軸的設(shè)計

借鑒汽車驅(qū)動橋的半軸設(shè)計機(jī)器人搖桿齒輪式差動平衡機(jī)構(gòu)的搖臂軸系。如圖5（a）、（b）是搖臂軸的非浮式和浮式結(jié)構(gòu)。通過比較可以發(fā)現(xiàn)：在圖5（b）中一個軸套被加在搖臂軸上搖臂軸，添加的軸套可以和搖臂軸共同旋轉(zhuǎn)，底座支承形式是通過軸承連接軸套，區(qū)別圖5（a）直接作用在搖臂軸上。從設(shè)計原理上，圖5（b）彎矩不會在中心搖臂軸上產(chǎn)生。但是在實際中，加工工藝、部件裝配的精度、支撐做的剛度等影響，會產(chǎn)生彎矩，彎矩應(yīng)為5～70MPa[3]。在四輪搖桿式機(jī)器人差動平衡機(jī)構(gòu)中采用浮式搖臂軸。若采取這種結(jié)構(gòu)，對設(shè)計的差動平衡機(jī)構(gòu)的半軸有不少優(yōu)點，第一中心搖臂軸受到彎矩減小，進(jìn)而彎矩變形也會明顯變輕，最終確保傳動系統(tǒng)存在適當(dāng)?shù)拈g隙，機(jī)構(gòu)運(yùn)動的靈活性得到保證。在設(shè)計時若傳動部件受到彎曲變形過大，會對機(jī)構(gòu)的特性產(chǎn)生不好的干擾，情形嚴(yán)重的會使機(jī)構(gòu)卡死，造成機(jī)器故障。第二，中心搖臂軸受力簡單，只會受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。在設(shè)計時設(shè)計者會根據(jù)實際情況把所許用應(yīng)力改高，從而使中心搖臂軸（半軸）的半徑變小。第三，差動平衡裝置的半軸（中心搖臂軸）上不會安裝過多的零件，結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠。第四，套軸部分只受彎矩作用而不會受到扭矩作用，軸套不會扭轉(zhuǎn)而形變，軸套又與半軸連接，造成半軸不會受到扭矩。采用浮式搖臂軸的結(jié)構(gòu)的不足之處是搖臂軸側(cè)與底座支承部分的結(jié)構(gòu)不簡單，安裝時候不方便。比較優(yōu)缺點，浮式搖臂軸的設(shè)計采用優(yōu)點大于缺點。

圖5 非浮式和全浮氏搖臂軸連接

（三）平衡機(jī)構(gòu)底座及殼體的設(shè)計

支承座架是機(jī)器人搖桿差動平衡裝置中主體部件之一，它要承受整個機(jī)器人主體的重力，并要向機(jī)器人搖桿差動平衡機(jī)構(gòu)傳遞對應(yīng)扭矩和彎矩?？紤]底座的受力情況，底座可用LC4鋁合金作為材料。此材料常常用在承載力大的零件，所以用在四輪機(jī)器人搖桿齒輪式差動平衡裝置的底座和殼體是滿足條件的。四輪搖桿式機(jī)器人的搖桿差動平衡機(jī)構(gòu)的支承底座的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)該包括以下幾個主要的部分：一是應(yīng)該包含載物平臺；二是主車體的中心部分及差動平衡裝置的底座中間部分安裝一個殼體，殼體是為裝中心錐齒輪和行星齒輪而存在的，及為該平衡裝置的差動錐齒輪系提供正常的工作空間，相當(dāng)于行星架；三是底座兩側(cè)服務(wù)于搖臂軸兩個側(cè)支承，它們相對底座中心點對稱；這一組測支撐作用向左搖桿右搖桿傳遞載荷。以上三部分為該設(shè)計的底座及殼體。同時，把底座及殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計為組合式結(jié)構(gòu)。又因功能不同，把底座和殼體分開來設(shè)計，最終再把兩者組裝起來。

三 結(jié)論

本文參照傳統(tǒng)的汽車對稱式齒輪差動平衡裝置的設(shè)計方法，確定了四輪機(jī)器人的搖桿齒輪式差動平衡機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計方案，主體采用對稱式圓錐行星齒輪差動平衡裝置和搖臂軸采用全浮式搖臂軸結(jié)構(gòu)。該設(shè)計的差動平衡裝置的支撐座設(shè)計為底座和殼體兩大部分，差動平衡裝置的結(jié)構(gòu)合理，機(jī)器人搖桿齒輪式差動平衡機(jī)構(gòu)的部件設(shè)計滿足零件的互換性，滿足機(jī)器人移動系統(tǒng)受外部環(huán)境需要。