一種新型四擺臂履帶式救援機器人的行走機構(gòu)設(shè)計
2016-12-30 來源：東南大學機械工程學院 作者：丁豪，錢瑞明
摘要：依據(jù)災(zāi)難救援的現(xiàn)實要求和對國內(nèi)外救援機器人典型結(jié)構(gòu)的分析比較，提出一種由主體模塊、內(nèi)擺臂模塊和外擺臂模塊組成的新型行走系統(tǒng)，設(shè)計了相應(yīng)的傳動機構(gòu)及關(guān)鍵尺寸，結(jié)合跨越臺階分析了機器人的行走形態(tài)及各模塊的運動方式，體現(xiàn)了所設(shè)計救援機器人的重心位置調(diào)節(jié)功能在提高越障能力和越障過程平穩(wěn)性方面的作用。
關(guān)鍵詞：履帶式救援機器人；行走系統(tǒng)；模塊化設(shè)計；重心位置調(diào)節(jié)
0. 引言
救援機器人是移動機器人在災(zāi)難救援領(lǐng)域中的一種應(yīng)用。目前問世的救援機器人種類較多，其中具有多地形適應(yīng)性的移動機構(gòu)主要有輪式、履帶式、腿足式、多節(jié)履帶式(腿履復合式)等類型。此類移動機構(gòu)在具體應(yīng)用時常存在越障性、靈活性與機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)開發(fā)方面難以協(xié)調(diào)統(tǒng)一的問題。例如輪式履帶式機器人結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，但其越障性能不高，運動靈活性不高；多節(jié)履帶式救援機器人具有較多的關(guān)節(jié)數(shù)和自由度數(shù)，運動靈活性和地形適應(yīng)性高，但傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)復雜【l】。因此，如何使移動機構(gòu)與功能要求得到最佳匹配，是救援機器人開發(fā)與應(yīng)用的關(guān)鍵問題。
現(xiàn)通過對常用四擺臂履帶式救援機器人配置結(jié)構(gòu)的改進，提出一種質(zhì)心位置可調(diào)的新型四擺臂履帶式救援機器人結(jié)構(gòu)方案，并完成行走系統(tǒng)的設(shè)計。與傳統(tǒng)的四擺臂履帶式機器人相比，該結(jié)構(gòu)最大的創(chuàng)新點在于取消了主體履帶．加強了4個擺臂的作用．同時通過對主體模塊的轉(zhuǎn)動控制．可以調(diào)整質(zhì)心位置和變換觸地的擺臂履帶。該機器人綜合了多節(jié)履帶式救援機器人的優(yōu)點，具有較強的地形適應(yīng)能力和越障能力。同時該機器人整體結(jié)構(gòu)布局緊湊，具有一定的對稱性，且未增加自由度和控制難度。
1.救援機器人行走系統(tǒng)方案設(shè)計
目前。國內(nèi)外均較為重視救援機器人的研制工作，并取得一定的研究成果。日本東京工業(yè)大學廣瀨研究室從仿生的角度和基于超機械系統(tǒng)的思想先后研制了AcM、GENBU與soRYu等多款救援機器人樣機．可在各種狹小場所甚至水下進行救援【2】。美國“機器人輔助搜救中心”已經(jīng)投入災(zāi)難救援現(xiàn)場使用的8種機器人。包含了輪式、腿式、腿履復合式等多種結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)場取得較好效果。在我國，中國科學院沈陽自動化研究所以及各大高等院校均開展了有關(guān)救援機器人的研究【3]。廣州衛(wèi)富科技公司研制的“衛(wèi)富”危險作業(yè)機器人，采用三節(jié)折疊式履帶移動機構(gòu)，可輕松翻越40咖高的障礙。上下400斜坡和樓梯。沈陽自動化研究所靈蜥系列機器人，采用輪一腿一履帶復合式移動機構(gòu)。行走方式的不同切換使其具備較強的地面適應(yīng)力。
救援機器人的越障性能是實際環(huán)境特點與機器人機構(gòu)特點交互作用的結(jié)果。在機器人的設(shè)計過程中．除了提出滿足基本越障要求的機構(gòu)方案，還需要根據(jù)實際環(huán)境對機器人關(guān)鍵尺寸的約束。以保證救援機器人具有良好的機動性與越障性能。災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境特點較為復雜，文中所提出救援機器人的設(shè)計則是根據(jù)R0bocup國際救援機器人大賽所提供的簡化場地考慮的。它可分為結(jié)構(gòu)地形和非結(jié)構(gòu)地形，結(jié)構(gòu)地形包括樓梯、高臺、斜坡等規(guī)則地形．非結(jié)構(gòu)地形形狀不規(guī)則，但也是規(guī)則地形的重組與配合。圖l所示為本課題組前期研制的一種四擺臂履帶式移動機器人，行走系統(tǒng)采用主體模塊和4個擺臂的配置方案。通過對4個擺臂的協(xié)調(diào)控制使其具有較強的越障性能。該行走系統(tǒng)共有6個自由度，是目前國內(nèi)外較為常用的結(jié)構(gòu)形式。現(xiàn)對這種多節(jié)履帶式行走系統(tǒng)進行改進，主要是取消了主體履帶。改進后的行走系統(tǒng)三維外觀如圖2所示，它由主體模塊、內(nèi)擺臂模塊和外擺臂模塊組成，控制履帶轉(zhuǎn)動與擺臂擺動的傳動機構(gòu)都放置在擺臂內(nèi)部，空間布局緊湊、對稱；外擺臂可繞擺臂中心軸擺動以輔助越障．主體模塊可圍繞中心軸轉(zhuǎn)動，以調(diào)節(jié)重心，增強越障過程中的整體穩(wěn)定性。
該救援機器人行走方案的設(shè)計，主要是強化了4個擺臂的作用。圖3所示為機器人爬臺階時的形態(tài)設(shè)計圖，圖3(a)表示機器人先以正常姿態(tài)行駛至臺階前一定距離，此時內(nèi)外擺臂并未展開：圖3(b)表示機器人外擺臂擺動至臺階觸停；圖3(c)表示機器人繼續(xù)行駛同時外擺臂擺動．此時機器人重心在后；為保證機器人爬臺階過程中的運動平穩(wěn)性以及驅(qū)動力方面考慮，圖3(d)中主體模塊向前轉(zhuǎn)動一定角度：此后履帶繼續(xù)轉(zhuǎn)動，機器人接近攀爬成功，如圖3(e)所示；圖3(f)中擺臂已恢復水平位置，機器人成功爬上臺階。在整個爬臺階的過程中，機器人充分利用了前后擺臂的支撐作用，以及主體模塊前后擺動、及時調(diào)節(jié)重心的作用，保證了機器人越障時的平穩(wěn)性。
2.救援機器人傳動系統(tǒng)方案設(shè)計
根據(jù)救援機器人行走系統(tǒng)設(shè)計要求，當內(nèi)擺臂模塊與
地面接觸時，機器人存在履帶轉(zhuǎn)動、主體模塊擺動和2個外擺臂的相對獨立轉(zhuǎn)動等4個自由度。圖4所示為該機器人一側(cè)內(nèi)外擺臂和主體模塊的傳動機構(gòu)簡圖(異側(cè)結(jié)構(gòu)對稱)。該方案的空間配置使救援機器人結(jié)構(gòu)緊湊、對稱，具有良好的空間利用率。
2．1機器人履帶轉(zhuǎn)動傳動系統(tǒng)設(shè)計
如圖4所示，履帶轉(zhuǎn)動機構(gòu)置于外擺臂內(nèi)部。直流伺服電動機l經(jīng)自帶的減速器減速后，通過錐齒輪副2帶動外擺臂內(nèi)傳動短軸3轉(zhuǎn)動，經(jīng)過鏈輪4、鏈5形成的鏈傳動將轉(zhuǎn)動效果傳遞到套筒6上，這樣，套筒即可帶動驅(qū)動輪7使得履帶進行轉(zhuǎn)動。其中，同側(cè)的內(nèi)外擺臂是聯(lián)動的，均由同一個電動機提供驅(qū)動力。履帶轉(zhuǎn)動運動傳遞路徑為：1—2—3—5-珥—+6—7。
2．2機器人擺臂擺動傳動系統(tǒng)設(shè)計
圖4中擺臂擺動機構(gòu)置于內(nèi)擺臂內(nèi)部。其中，直流伺服電動機12經(jīng)內(nèi)部減速器減速后。首先帶動蝸桿13進行轉(zhuǎn)動。從而蝸輪14繼之轉(zhuǎn)動．內(nèi)擺臂內(nèi)傳動短軸15將轉(zhuǎn)動效果傳遞到鏈輪16、鏈17形成的鏈傳動，從動鏈輪與擺臂中心軸18是鍵連接的。而軸18與外擺臂擋板通過法蘭固定。從而，電動機驅(qū)動可引起外擺臂的擺動。擺臂擺動運動傳遞路徑為：12一13一14一15一16一17一18。值得注意的是，套筒7與擺臂中心軸18是同軸的，二者相對主體中心軸11均可自由轉(zhuǎn)動，并且通過軸承、法蘭等連接具有擺臂擺動與履帶轉(zhuǎn)動不同的運動形式，從而實現(xiàn)雙自由度輸出。
2．3機器人主體模塊擺動傳動系統(tǒng)設(shè)計
如圖4所示．主體擺動機構(gòu)置于主體模塊內(nèi)部。電動機8的輸出軸帶動小齒輪9轉(zhuǎn)動，并咬著大齒輪10進行公轉(zhuǎn)，大齒輪通過花鍵與擋圈固定在主體中心軸ll上，而后者靠法蘭固定在內(nèi)擺臂內(nèi)側(cè)板上。通過合適的框架結(jié)
l一主覆帶電動機；2、3一錐齒輪副；4一主覆帶鏈輪；5一主覆
帶傳動鏈；6一套筒；7一覆帶驅(qū)動輪；8一主體電動機；9、lO一主
體直齒輪副；11一主體中心軸；12一擺臂電動機；13一蝸桿；14一蝸輪；
15一傳動短軸；16一擺臂鏈輪；17—擺臂傳動鏈；18一擺臂中心軸
圖4機器人傳動方案機構(gòu)簡圖
構(gòu)可使小齒輪固定在主體箱上，這樣，主體便可以圍著主軸進行轉(zhuǎn)動，從而方便整體質(zhì)心的轉(zhuǎn)移。
3.救援機器人主參數(shù)設(shè)計
結(jié)合Robocup國際賽事所提供的地形，基于迷宮寬度、高臺、樓梯等結(jié)構(gòu)地形的具體尺寸。可確定機器人的關(guān)鍵尺寸。其中，走廊寬度形=l 200嗍，高臺高度日=300 mm，樓梯踏步高^=200 mm，樓梯踏步寬6=250 mm。綜合各項指標，使機器人在滿足越障基本要求下，具有更加緊湊的尺寸。
由于機器人的工作環(huán)境具有一定的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，機器人在運動過程中與環(huán)境的交互作用較為復雜。針對機器人的結(jié)構(gòu)特點及其工作環(huán)境。計算時假設(shè)【5]：1)環(huán)境地面是剛性的；2)環(huán)境中無可移動的地形；3)機器人越障過程均為低速、勻速運動。且與環(huán)境平穩(wěn)接觸。
3．1走廊行走
救援機器人最基本的運動需求是在平地走廊內(nèi)自由行走、轉(zhuǎn)向。假設(shè)車體的寬度為曰，長度為L，且履帶式移動機構(gòu)可原地零半徑轉(zhuǎn)向，如圖5所示。因此要滿足該機器人最長對角線長度要小于走廊通道寬度．即：
3．2翻越高臺
救援機器人翻越高臺過程中，擺臂長度必須要高于臺階的高度，并且當擺臂與臺階成某一角度(設(shè)a=500)時，
有足夠的驅(qū)動力將機器人撐起。擺臂的中心距為L1，內(nèi)外擺臂的驅(qū)動輪、從動輪半徑均為尺，如圖6所示，可得：
3．3爬樓梯
圖6機器人翻越高臺就關(guān)節(jié)式履帶機器人而言，若使機器人能夠平穩(wěn)地爬樓梯，避免運動過程中沖擊等造成的不利影響，機器人擺臂長度必須要高于臺階高度，且其展開總長至少能夠跨越3個臺階。如圖7所示，可得：
根據(jù)式(1)一式(3)，并結(jié)合機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)和Robocup國際賽事所提供的參數(shù)，可得機器人尺寸的理論范圍，再考慮到機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，鏈輪傳動等的設(shè)計。最終確定的救援機器人部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸如表l所示。
表1救援機器人總體結(jié)構(gòu)尺寸
4.結(jié)語
基于災(zāi)難實地救援的現(xiàn)實需求，對目前國內(nèi)外常見的四擺臂履帶救援機器人行走系統(tǒng)進行改進，提出了一種由主體模塊、內(nèi)擺臂模塊和外擺臂模塊組成的新型行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可通過對機器人質(zhì)心位置的調(diào)節(jié)，來提高機器人的越障能力和越障過程的平穩(wěn)性。文中詳盡闡述了機器人的行走方案及其傳動機構(gòu)。并根據(jù)模擬環(huán)境確定了機器人的關(guān)鍵尺寸．可為該型救援機器人樣機的研制與應(yīng)用奠定了設(shè)計基礎(chǔ)。
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