冷鴻彬，朱洪俊，周俊，孫智勇，修星晨

(西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽 621010)

懸架式六桿機(jī)構(gòu)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析

冷鴻彬，朱洪俊，周俊，孫智勇，修星晨

(西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽 621010)

設(shè)計了一種懸架式六桿機(jī)構(gòu)越障機(jī)器人，其獨特對稱的六桿機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)的使用不僅簡化了機(jī)器人本體，還提高了其越障、轉(zhuǎn)向能力。闡述了這種機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、原理，并借助雙履帶機(jī)器人的越障原理對懸架式六桿機(jī)構(gòu)機(jī)器人的越障能力和轉(zhuǎn)向能力進(jìn)行了研究，為越障機(jī)器人的設(shè)計提供了新的思路。

六桿機(jī)構(gòu)懸架;越障能力;轉(zhuǎn)向能力

越障機(jī)器人要面臨的地形環(huán)境復(fù)雜，這就對機(jī)器人的越障能力、平穩(wěn)能力、地面適應(yīng)能力提出了較高的要求。按照傳統(tǒng)的移動方式，有腿式、輪式、履帶式以及復(fù)合式幾種機(jī)構(gòu)模型［1］。腿式機(jī)器人地面適應(yīng)性強(qiáng)，穩(wěn)定性高，但機(jī)構(gòu)及其控制復(fù)雜，運(yùn)行速度也較低。輪式機(jī)器人移動靈活，控制簡單，但越障時不能跨越大于輪子直徑的壕溝和高于輪子直徑的臺階，機(jī)構(gòu)本身穩(wěn)定性較差，不能適應(yīng)復(fù)雜的地形。履帶式機(jī)器人地面適應(yīng)能力強(qiáng)，穩(wěn)定性高，但轉(zhuǎn)彎半徑大轉(zhuǎn)向能力較差，且轉(zhuǎn)彎時履帶的磨損較大，能耗較高。復(fù)合式越障機(jī)器人是適形越障機(jī)器人的一種，包括輪/腿式、輪/履式等多種組合結(jié)構(gòu)形式。近年來，國內(nèi)外的專家學(xué)者對復(fù)合式越障機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究工作，包括對轉(zhuǎn)臂式［2］、搖臂式、雙曲柄聯(lián)動扭桿式［3］懸架機(jī)器人的越障能力與穩(wěn)定性分析。懸架是機(jī)器人的關(guān)鍵部件，連接車輪和車體，對機(jī)器人的移動性能影響較大。美國 JPL實驗室研制的 Rocky系列火星車以及已成功登陸火星的“索杰納”、 “勇氣號”、“機(jī)遇號”火星車均采用6輪獨立驅(qū)動的搖桿—轉(zhuǎn)向架懸架系統(tǒng)［4－5］。

針對以上研究現(xiàn)狀，文中設(shè)計了一種輪/履組合的懸架式機(jī)器人。該機(jī)器人采用了一種新型的六桿機(jī)構(gòu)懸架，該機(jī)構(gòu)由前后左右對稱的六桿機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)與4組履帶組成，具有地面適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、轉(zhuǎn)向能力好等特點，其結(jié)構(gòu)簡單，易于控制。

1 懸架式六桿機(jī)構(gòu)機(jī)器人機(jī)構(gòu)

1.1 懸架式六桿機(jī)構(gòu)工作原理

該機(jī)器人采用的六桿機(jī)構(gòu)懸架包括左、右車架、車體三部分。左、右車架通過3組平行四邊形機(jī)構(gòu)相連接，在實現(xiàn)聯(lián)動的同時還進(jìn)一步加強(qiáng)了越障機(jī)器人的自適應(yīng)能力，使兩側(cè)非整體式履帶抬起時減小對車體的影響，使車體不傾斜或者傾斜度減小，從而讓車體獲得最大的穩(wěn)定性。懸架式六桿機(jī)構(gòu)機(jī)器人三維模型見圖1。

圖1 懸架式六桿機(jī)構(gòu)機(jī)器人三維模型

1.2 單邊車架結(jié)構(gòu)

如圖2所示，單邊車架由2個六桿機(jī)構(gòu)、1個平行四邊形機(jī)構(gòu)和2個非整體式履帶組成。其中六桿機(jī)構(gòu)由曲柄AB、連桿BD、DE和滑塊C，非整體式履帶EF組成。曲柄和滑塊都固連在車體上，履帶中的后輪F通過軸固連在車體上。前輪E與后輪F連接，后輪為主動輪，通過履帶帶動前輪，前輪為從動輪。

圖2 車架結(jié)構(gòu)

整個車體有4個主動輪，由4個電機(jī)帶動，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制車體的前進(jìn)、后退。機(jī)器人采用差速轉(zhuǎn)向，所以不需要單獨的電機(jī)控制其轉(zhuǎn)向，4個主動輪是機(jī)器人行進(jìn)的主要動力源。整個車體只需要1個驅(qū)動曲柄AB，曲柄AB轉(zhuǎn)動的同時通過平行四邊形機(jī)構(gòu)帶動同側(cè)的曲柄A1B1和另一側(cè)的兩曲柄轉(zhuǎn)動，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制履帶的升和降，因此機(jī)器人采用相同的5個電機(jī)控制，其輪子的半徑和履帶的長度也相等。在正常行走時，機(jī)器人是履帶式行走，當(dāng)機(jī)器人遇到不能直接通過的障礙物時，通過電機(jī)驅(qū)動曲柄AB轉(zhuǎn)動，在六桿機(jī)構(gòu)的作用下使履帶EF仰起一定的角度，以確保機(jī)器人順利通過前方障礙。

1.3 曲柄轉(zhuǎn)角與履帶仰角關(guān)系

如圖3所示，取曲柄AB水平時為初始位置，當(dāng)曲柄AB轉(zhuǎn)過角度α(0°≤α≤180°)時，履帶EF的仰角為β(0°≤β≤90°)。

圖3 曲柄轉(zhuǎn)角與履帶仰角關(guān)系

根據(jù)已建立的坐標(biāo)系得到各點的坐標(biāo):

在△AB1C中有:

文中的目的是要找出β與α的關(guān)系，先找到角度β、θ2與輸入角度α之間的關(guān)系。

利用向量E1D1得:

則由式(7)—(11)可以得出角度β與角度α的關(guān)系式。

根據(jù)實際需要履帶EF仰角能達(dá)到即可，為了方便分析曲柄轉(zhuǎn)角與履帶仰角的關(guān)系，取AB=AC=25 cm，BD=60 cm，DE=EF=30 cm，θ1=45°。代入上式中有:

則式 (14)表示的就是履帶仰角β與曲柄轉(zhuǎn)角α的關(guān)系。

2 雙履帶機(jī)器人越障分析

通?？梢詫⒄系K物簡化為斜坡、臺階、壕溝等典型障礙地形［6］。機(jī)器人越過障礙，是指在驅(qū)動力作用下機(jī)器人移動，其質(zhì)心能夠越過障礙物的關(guān)鍵邊界線，且能夠保持穩(wěn)定和繼續(xù)移動能力。其中最能體現(xiàn)機(jī)器人越障性能優(yōu)越性的是臺階，因此文中主要分析懸架式六桿機(jī)構(gòu)機(jī)器人越臺階的性能，為了方便研究其越障性能，首先對雙履帶機(jī)器人的越障原理進(jìn)行研究。

如圖4所示，以后履帶輪軸心O1為原點，以O(shè)1O2為x軸正向的坐標(biāo)系，設(shè)機(jī)器人履帶輪半徑為R(含履帶厚度)，機(jī)器人質(zhì)心的坐標(biāo)為G(l，h)，且0＜l＜L(L為O1O2的長度)，h＞－R。

圖4 雙履帶機(jī)器人越障

(1)機(jī)器人越臺階［7］

機(jī)器人越臺階是在其前端的履帶機(jī)構(gòu)搭上臺階后，在驅(qū)動力作用下機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)，使機(jī)器人的仰角和中心逐漸增大和上升。當(dāng)機(jī)器人重心越過臺階外角線時，就可以以接觸點為翻轉(zhuǎn)中心向前翻轉(zhuǎn)，并在驅(qū)動力和由重力提供的翻轉(zhuǎn)力矩下順利攀越直臺階上表面。

機(jī)器人的重心恰好能通過臺階的外角線時，機(jī)器人達(dá)到攀越臺階的臨界狀態(tài)，如圖4(a)所示，設(shè)機(jī)器人的仰角為α，臺階的高度為H，可建立如下函數(shù):

式(15)表明:若R、l、h確定，則機(jī)器人能夠攀越的臺階高度H隨機(jī)器人仰角α變化而變化，H的最大值即為機(jī)器人能夠攀爬的臺階的最大高度。

將式(15)分別對l、h求偏導(dǎo)可得:

可見，H(α，l，h)為關(guān)于h的減函數(shù)，關(guān)于l的增函數(shù)。因此機(jī)器人移動平臺的質(zhì)心偏前、偏下時更有利于機(jī)器人跨越臺階等障礙。

3 懸架式六桿機(jī)構(gòu)機(jī)器人越障分析

3.1 懸架式六桿機(jī)構(gòu)機(jī)器人的質(zhì)心分布

所以機(jī)器人質(zhì)心隨著履帶仰角β變化的軌跡是以為半徑的圓。

3.2 機(jī)器人越臺階能力分析

由式(18)可知，當(dāng)=0時，機(jī)器人攀爬的臺階高度有最大值，將l=xG，h=yG代入式 (15)可以求出機(jī)器人攀爬臺階的最大高度Hmax:

3.3 機(jī)器人跨越壕溝能力分析

該機(jī)器人遇到此類型障礙時可不用轉(zhuǎn)動曲柄直接通過，具體的原理如圖7所示。

圖7 機(jī)器人越壕溝

因此機(jī)器人可跨越壕溝的最大寬度lmax等于履帶長度，即lmax=l3。

3.4 機(jī)器人過階梯型障礙能力分析

機(jī)器人在通過階梯型障礙時可看做攀爬斜坡，其工作原理如圖8所示:(1)在正常行進(jìn)時，機(jī)器人保持8輪著地狀態(tài)，當(dāng)前方出現(xiàn)階梯型障礙時停止前進(jìn)。(2)通過電機(jī)驅(qū)動主動曲柄AB逆時針轉(zhuǎn)動，使得履帶EF仰起一定的角度并繼續(xù)向前行進(jìn)，直至前方履帶壓在障礙物邊沿。(3)電機(jī)驅(qū)動4個主動輪繼續(xù)向前行進(jìn)，并使前方履帶完全爬上階梯，當(dāng)后方履帶靠近階梯時停止前進(jìn)。驅(qū)動曲柄AB順時針轉(zhuǎn)動，使得同側(cè)兩履帶達(dá)到共線狀態(tài)。(4)此時機(jī)器人的4條履帶已經(jīng)完全附著在階梯上并成共線狀態(tài)，電機(jī)繼續(xù)驅(qū)動4個主動輪，機(jī)器人即可順利地爬上階梯。

圖8 機(jī)器人越階梯

3.5 機(jī)器人轉(zhuǎn)向能力分析

此機(jī)器人為4履帶式，當(dāng)需要轉(zhuǎn)向時只需驅(qū)動曲柄AB，使得4條履帶的仰角達(dá)到，機(jī)器人處于4輪著地狀態(tài)，如圖9(a)所示，從而可以將機(jī)器人的多履帶轉(zhuǎn)向問題簡化為4個獨立車輪的轉(zhuǎn)向問題。

當(dāng)機(jī)器人需要轉(zhuǎn)向時，通過差速轉(zhuǎn)向，即通過調(diào)整履帶兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，不需要另設(shè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，簡化了機(jī)構(gòu)的設(shè)計，并提高了穩(wěn)定性。當(dāng)兩側(cè)的輪子以相同的速度同時向前或向后轉(zhuǎn)動時，該機(jī)器人實現(xiàn)直線行進(jìn)，如圖9(b)所示進(jìn)。若兩側(cè)輪子轉(zhuǎn)速不同或一側(cè)向前一側(cè)向后，則機(jī)器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，并向速度小的一側(cè)轉(zhuǎn)向，如圖9(c)所示。若兩側(cè)履帶轉(zhuǎn)向相反且速度相同時，可實現(xiàn)繞一點360°轉(zhuǎn)動，如圖9(d)所示。

圖9 機(jī)器人轉(zhuǎn)向姿態(tài)

4 結(jié)論

提出了一種新型的懸架式越障機(jī)器人，懸架中的六桿機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)履帶的升和降，結(jié)構(gòu)簡單易于控制，并加入了多個平行四邊形機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了聯(lián)動，增加了機(jī)器人的穩(wěn)定性。文中主要對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、越障原理進(jìn)行了闡述與分析，為越障機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計提供了重要的參考價值。

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Design and Analysis on the Six-bar Mechanism Suspension Robot

LENG Hongbin，ZHU Hongjun，ZHOU Jun，SUN Zhiyong，XIU Xingchen
(School of Manufacturing Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China)

A kind of six-bar mechanism suspension barrier robot was designed，its unique symmetrical six-bar mechanism and parallelogram mechanism simplified the robot body，and increased the barrier，steering ability.The structure，principle of the robot were introduced and the abilities of barrier and steering were analyzed by analyzing the obstacle-surmounting principle of fixed double tracked robot.It provides a new idea for the design of barrier robot.

Six-bar mechanism suspension;Obstacle surmounting performance;Steering capability

TH13

A

1001－3881(2014)9－049－5

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.013

2013－03－25

冷鴻彬 (1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為機(jī)械設(shè)計及機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計與制造。通信作者:朱洪俊，E－mail:375887795@qq.com。