仿生輪腿式爬梯底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析與應(yīng)用

馮長(zhǎng)龍，行志剛，程 軍，李樹(shù)平

（1.河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院，焦作 454000）

國(guó)內(nèi)對(duì)智能爬樓裝置的研究起步較晚，經(jīng)過(guò)多年來(lái)不斷地研究探索，雖然也取得了一些理論研究成果，但距離轉(zhuǎn)換為成熟商品還有很大的距離[1]。文獻(xiàn)[2]提出的升降式爬梯機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)較為常見(jiàn)的樓梯結(jié)構(gòu)，動(dòng)作簡(jiǎn)單，但是體積龐大，動(dòng)作幅度大，且工程實(shí)踐能力弱，缺乏一定的穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[3]提出的行星輪式結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)爬樓輪的改裝，使其形狀發(fā)生變化。但是在行進(jìn)過(guò)程中裝置缺乏制動(dòng)功能，車輪易打滑，安全性大大降低；文獻(xiàn)[4]提出的連桿式結(jié)構(gòu)采用了較為穩(wěn)定的連接桿式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但在爬梯行進(jìn)過(guò)程中其動(dòng)力需求較高并且消耗較高。對(duì)于以上分析，可知對(duì)于新型爬梯裝置其安全性、重心的偏移問(wèn)題、靈活性、動(dòng)力供給等問(wèn)題都是該類裝置的研發(fā)要點(diǎn)。文章以上述問(wèn)題為切入點(diǎn)，研發(fā)了一款集爬臺(tái)階、越寬壕、克垂壁的仿生輪腿式爬梯底盤。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

1.1 裝置整體方案設(shè)計(jì)

裝置總體三維結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，仿生輪腿式爬梯底盤結(jié)構(gòu)由機(jī)架、連桿展翼機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)、后置升降機(jī)構(gòu)4 大部分組成。爬梯第1 階段：采用連桿展翼機(jī)構(gòu)，模擬人體上樓梯時(shí)需提升腿部至空中的動(dòng)作，其包含水平線位移、角位移；爬梯第2 階段：利用轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，模擬提升腿部后進(jìn)行腿部搖擺（角位移）至臺(tái)階上空的運(yùn)動(dòng)；爬梯第3 階段：通過(guò)后置升降機(jī)構(gòu)，模擬人體完成腳掌踏步（垂直線位移）至臺(tái)階面的過(guò)程。同時(shí)，運(yùn)用機(jī)架為三項(xiàng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等提供徑向和軸向載荷，使仿生輪腿式爬梯底盤更加穩(wěn)定。

圖1 裝置總體三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall three-dimensional structure of the device

1.2 連桿展翼機(jī)構(gòu)

連桿展翼機(jī)構(gòu)由絲杠滑塊結(jié)構(gòu)、限位轉(zhuǎn)動(dòng)軸、雙連桿結(jié)構(gòu)、展翼結(jié)構(gòu)、電機(jī)和行走輪組成。爬梯第1 步驟時(shí)，連桿展翼機(jī)構(gòu)利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的絲杠滑塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙連桿結(jié)構(gòu)通過(guò)線位移帶繞限位轉(zhuǎn)動(dòng)軸完成角位移。前排2 組行走輪借助電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)完成運(yùn)動(dòng)，其在保證抓地力的同時(shí)又能為底盤結(jié)構(gòu)提供動(dòng)力，有效防止了空轉(zhuǎn)。限位轉(zhuǎn)動(dòng)軸限制了動(dòng)翼展結(jié)構(gòu)的圓周運(yùn)動(dòng)，保證了連桿展翼機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

1.3 轉(zhuǎn)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)

轉(zhuǎn)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)由機(jī)架、蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)、電機(jī)、擺臂和行走輪組成。整個(gè)機(jī)構(gòu)可為仿生輪腿式爬梯底盤提供力學(xué)支撐和動(dòng)力支持。爬梯第2 步驟時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)等利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與蝸輪相對(duì)固連的擺臂和行走輪提在豎直平面內(nèi)完成轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使仿生輪腿式爬梯底盤的重心前移，由連桿展翼機(jī)構(gòu)和后置升降機(jī)構(gòu)為底盤提供穩(wěn)定性支持。同時(shí)，采用蝸輪蝸桿的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)在于其自鎖功能，保證機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的安全性[5]。電機(jī)借助齒輪傳動(dòng)，使兩行走輪接觸臺(tái)階面后達(dá)到同步即停、即轉(zhuǎn)的效果。

1.4 后置升降機(jī)構(gòu)

后置升降機(jī)構(gòu)由機(jī)架、絲杠滑塊結(jié)構(gòu)、電機(jī)和行走輪等組成。爬梯第3 步驟時(shí)，升降機(jī)構(gòu)借助電機(jī)提供的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，使絲杠上的滑塊上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)固連在滑塊上的2 組并聯(lián)后置行走結(jié)構(gòu)在垂直方向完成線位移。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，后置升降機(jī)構(gòu)與連桿展翼機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)相互配合，實(shí)現(xiàn)在爬梯等越障過(guò)程中自適應(yīng)調(diào)節(jié)底盤面保持恒水平穩(wěn)定狀態(tài)，為工程實(shí)踐應(yīng)用提供強(qiáng)有力技術(shù)保障。

2 靜力學(xué)仿真

將已完成建模的仿生輪腿式爬梯底盤結(jié)構(gòu)各局部裝置三維建模導(dǎo)入Altair Inspire 仿真軟件中，對(duì)每一部分進(jìn)行有限元?jiǎng)澐郑⑻砑雍线m的載荷工況[6]。

2.1 二連桿裝置力學(xué)仿真

通過(guò)與實(shí)際分析對(duì)比，對(duì)二連桿裝置施加約束和扭矩。如圖2 所示，通過(guò)在二連桿裝置上部連接孔a 處施加大小為700 N·m 的扭矩，模擬裝置受到旋轉(zhuǎn)支架所作用的扭矩。在裝置下部b、c、d、e 4 個(gè)等效孔洞中，對(duì)其添加約束，其具體施加情況如圖2（a）所示。

圖2 二連桿裝置力學(xué)仿真結(jié)果Fig.2 Mechanical simulation results of two-rod connecting device

二連桿裝置的等效分布云圖如圖2（b）所示，其最大應(yīng)力為36.7 MPa，應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其屈服極限，則不需對(duì)其進(jìn)行額外強(qiáng)化處理。在上部連接孔a 處，其應(yīng)力相較其它位置更大。

2.2 升降軸裝置力學(xué)仿真

通過(guò)與實(shí)際分析對(duì)比，對(duì)升降裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，提取其中心兩裝配齒輪軸來(lái)替代完整升降軸工作效應(yīng)。如圖3 所示，在兩齒輪軸光滑圓柱表面a施加大小為700 N·m 大小的扭矩，以來(lái)模擬電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶來(lái)的扭矩。由于兩齒輪表面所在平面在齒輪軸工作時(shí)保持不變，故在兩齒輪正面b 施加固定約束，其具體的施加情況如圖3（a）所示。

圖3 升降軸裝置力學(xué)仿真結(jié)果Fig.3 Mechanical simulation results of lifting shaft device

升降軸裝置的等效分布云圖如圖3（b）所示，其最大應(yīng)力為42 MPa，應(yīng)力小于其屈服極限。在兩齒輪軸與細(xì)桿交界處，其應(yīng)力相較其它位置更大。

2.3 中轉(zhuǎn)臂裝置仿真

通過(guò)與實(shí)際分析對(duì)比，對(duì)中轉(zhuǎn)臂裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，提取其中心兩裝配蝸輪蝸桿和相連齒輪軸來(lái)替代完整中轉(zhuǎn)臂裝置工作效應(yīng)。如圖4 所示，在蝸輪中心孔a 處施加大小為700 N·m、方向?yàn)轫槙r(shí)針的扭矩。對(duì)蝸輪光滑表面b 施加固定約束，其具體的施加情況如圖4（a）所示。

圖4 中轉(zhuǎn)臂裝置力學(xué)仿真結(jié)果Fig.4 Mechanical simulation results of the rotating arm device

中轉(zhuǎn)臂裝置的等效分布云圖如圖4（b）所示，其最大應(yīng)力為39.8 MPa，應(yīng)力小于其屈服極限。在蝸輪蝸桿嚙合處，其應(yīng)力相較其它位置更大。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

將建立好的爬梯底盤模型導(dǎo)入到ADAMS 中并添加約束以及驅(qū)動(dòng)。在蝸桿、蝸輪之間添加齒輪副，滑塊絲杠之間添加螺旋副，輪子和光軸之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，連桿之間添加轉(zhuǎn)動(dòng)副，電機(jī)軸添加驅(qū)動(dòng)，仿真步長(zhǎng)設(shè)置為0.05。通過(guò)對(duì)底盤各個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)的可行性[7]。

3.1 連桿展翼機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

展翼角度-滑塊線位移仿真結(jié)果如圖5 所示。實(shí)線為滑塊隨絲桿運(yùn)動(dòng)在x 軸方向上的線位移曲線，其近似為一條對(duì)折直線，說(shuō)明滑塊隨絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)保持勻速直線運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)且無(wú)卡結(jié)現(xiàn)象；虛線為展翼機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度變化曲線，角度變化范圍為0°～40°，曲線光滑可導(dǎo)，說(shuō)明展翼機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程平滑且無(wú)明顯速度突變。

圖5 展翼角度-滑塊線位移仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of spread wing angle-slider line displacement

3.2 行進(jìn)輪攀越臺(tái)階運(yùn)動(dòng)仿真分析

行進(jìn)輪攀越臺(tái)階運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖6 所示。曲線1 為前輪中心運(yùn)動(dòng)曲線、曲線2 為中輪中心運(yùn)動(dòng)曲線、曲線3 為后輪中心運(yùn)動(dòng)曲線。行進(jìn)輪0～0.5 s在臺(tái)階水平面做直線運(yùn)動(dòng)；0.5～0.7 s 時(shí)，通過(guò)連桿帶動(dòng)展翼機(jī)構(gòu)繞限位轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)使前輪抬升，底盤整體前移至前輪位于第1 階樓梯踏步面上；1.2～1.3 s時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)使中輪抬升，中輪位于臺(tái)階上；1.6～1.7 s 時(shí)，通過(guò)絲桿傳動(dòng)使升降機(jī)構(gòu)上升，后輪位于臺(tái)階上，3 組輪交替攀越臺(tái)階。其中，行進(jìn)輪未抬升的時(shí)間段內(nèi)各條曲線的波動(dòng)值近似為0，說(shuō)明爬梯過(guò)程中底盤運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

圖6 行進(jìn)輪攀越臺(tái)階運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of climbing steps of traveling wheel

3.3 底盤結(jié)構(gòu)負(fù)載運(yùn)動(dòng)質(zhì)心仿真分析

如圖7 所示，文章為研究仿生輪腿式爬梯底盤負(fù)載狀態(tài)下的越障性能，故向底盤中心施加除重力外大小為700 N 的載荷進(jìn)行仿真分析，得到底盤結(jié)構(gòu)爬樓梯時(shí)質(zhì)心在Z 方向位移-速度分量隨時(shí)間變化關(guān)系。圖7 中實(shí)線為質(zhì)心變化曲線，虛線為速度變化曲線，底盤在0～0.5 s 和1.4～2.5 s 內(nèi)進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)。結(jié)合圖7 可知，0.5～0.7 s 前輪抬升，后方行進(jìn)輪動(dòng)力不變時(shí)，整體速度降低，此與圖7 中0.5～1.0 s速度變化相對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)的可靠性。底盤運(yùn)動(dòng)速度的變化由行進(jìn)輪的交替抬升造成，圖7中各時(shí)間段虛線近似直線，說(shuō)明攀越臺(tái)階時(shí)行進(jìn)輪規(guī)律性控制速度。實(shí)線在各時(shí)間內(nèi)近似直線，說(shuō)明底盤在質(zhì)心抬升階段時(shí)平緩抬升的性質(zhì)。

圖7 爬梯過(guò)程底盤結(jié)構(gòu)質(zhì)心位移-速度仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of center of mass displacementvelocity of chassis structure during ladder climbing

4 控制邏輯方案設(shè)計(jì)

4.1 控制邏輯圖的設(shè)計(jì)

仿生輪腿式爬梯底盤控制邏輯如圖8 所示。

圖8 仿生輪腿式爬梯底盤控制邏輯Fig.8 Bionic wheel leg ladder chassis control logic diagram

4.2 上樓梯流程仿真

底盤上、下樓梯狀態(tài)仿真如圖9 所示，圖9（a）～（d）表示上樓狀態(tài)，圖9（e）～（g）表示下樓狀態(tài)。

圖9 底盤上樓梯狀態(tài)仿真Fig.9 Simulation diagram of the state of stairs on the chassis

步驟1 機(jī)器抵達(dá)樓梯邊緣時(shí)，通過(guò)讀取位置傳感器反饋當(dāng)前機(jī)器所處位置。當(dāng)判斷位于樓梯底端時(shí)，如圖9（a）所示，機(jī)器人啟動(dòng)單臺(tái)階爬梯模式。連桿展翼機(jī)構(gòu)抬升，使前輪（前排行走輪）接觸第1個(gè)樓梯臺(tái)階面上，如圖9（b）所示，然后機(jī)器整體向前移動(dòng)一段距離；

步驟2 轉(zhuǎn)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)即將到達(dá)第1 個(gè)樓梯臺(tái)階面前沿時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)向后方轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器整體向前移動(dòng)一段距離，此時(shí)機(jī)器前輪和中輪（轉(zhuǎn)動(dòng)臂行走輪）都接觸臺(tái)階面，如圖9（c）所示；

步驟3 升降機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)，機(jī)器整體前移，使后輪（后排行走輪）接觸第1 個(gè)樓梯臺(tái)階面，轉(zhuǎn)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)復(fù)位，后置升降機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)使后輪接觸臺(tái)階面，如圖9（d）所示。

4.3 下樓梯流程仿真

步驟1 機(jī)器人位于樓梯頂端連桿展翼機(jī)構(gòu)下降，使前輪接觸第1 個(gè)樓梯臺(tái)階面。如圖9（e）所示，機(jī)器整體向前移動(dòng)；

步驟2 當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)臂機(jī)構(gòu)剛越過(guò)樓梯沿時(shí)，后置升降機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)，使中輪接觸第1 個(gè)臺(tái)階面，如圖9（f）所示，整體機(jī)構(gòu)再次向前移動(dòng)；

步驟3 當(dāng)后置升降機(jī)構(gòu)越過(guò)樓梯沿時(shí)，后置升降機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)，使后輪接觸第1 個(gè)臺(tái)階面，即完成了一階臺(tái)階下降，如圖9（g）所示。

5 試驗(yàn)與分析

爬樓梯輪椅樣機(jī)[8]如圖10 所示，基于實(shí)驗(yàn)的易操作性，文章搭建出放縮版物理樣機(jī)，該樣機(jī)質(zhì)量為9.2 kg，外形尺寸為600 mm×500 mm×480 mm。

圖10 爬樓梯輪椅物理樣機(jī)Fig.10 Physical prototype of a staircase wheelchair

本研究選取高度較低，臺(tái)階面較大的樓梯進(jìn)行了樣機(jī)空載上、下臺(tái)階試驗(yàn)測(cè)試，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并剔除粗大誤差等，最終得到數(shù)據(jù)如表1 所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，攀爬一級(jí)臺(tái)階平均總時(shí)長(zhǎng)為11.8 s，下降一級(jí)臺(tái)階平均總時(shí)長(zhǎng)為12.47 s。該物理樣機(jī)距離實(shí)際工程樣機(jī)有一定差距，但其在某方面驗(yàn)證仿生輪腿式爬梯底盤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和高效性。

表1 試驗(yàn)測(cè)試Tab.1 Trial test

6 結(jié)語(yǔ)

本研究利用SolidWorks 軟件完成了一款可實(shí)現(xiàn)自調(diào)節(jié)底盤保持恒水平穩(wěn)定的仿生輪腿式爬梯底盤結(jié)構(gòu)建模設(shè)計(jì)。并借助Altair Inspire 有限元仿真軟件對(duì)二連桿裝置、升降軸裝置、中轉(zhuǎn)臂裝置仿真分析，得出各裝置最大應(yīng)力值及分布情況。最后基于ADAMS 軟件對(duì)連桿展翼機(jī)構(gòu)并結(jié)合FTdesigner 技術(shù)、進(jìn)行輪攀越臺(tái)階和底盤結(jié)構(gòu)負(fù)載運(yùn)動(dòng)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、可行性。并研發(fā)了以助老為應(yīng)用點(diǎn)的爬樓梯輪椅物理樣機(jī)，開(kāi)展其多次攀爬及下降一級(jí)臺(tái)階的試驗(yàn)。