林自旺　顧凱杰　王經(jīng)緯　宋偉山　梁凱旋

摘要：彈跳機(jī)器人可以躍過數(shù)倍于自身尺寸的障礙物，與輪式移動方式結(jié)合可以大大提高機(jī)器人的活動范圍和對地形的適應(yīng)能力。本文研制了一種電動彈跳和輪式移動，兩種運(yùn)動方式相集成的復(fù)合運(yùn)動機(jī)器人。提出了一種可靠的機(jī)器人壓縮和釋放能量的機(jī)構(gòu)。詳細(xì)介紹了整個機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及彈跳運(yùn)動和輪式移動的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；彈跳運(yùn)動；輪式移動；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

輪式移動機(jī)器人在空間探索、海洋開發(fā)、家庭應(yīng)用等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在相對較為平坦的環(huán)境中，僅需要機(jī)器人有較為靈活的移動能力，而當(dāng)遇到地形崎嶇、較大障礙物或溝渠時，一般的移動機(jī)器人的運(yùn)動就會受到嚴(yán)重的限制。在復(fù)雜的環(huán)境中，如地震救災(zāi)，機(jī)器人要有對地面較強(qiáng)的通過能力和對環(huán)境的適應(yīng)能力。在實(shí)際的應(yīng)用中，為了越過障礙物，要求機(jī)器人具有一定的跳躍能力[1～3]。

彈跳機(jī)器人可以輕而易舉的越過與自身尺寸相當(dāng)?shù)?，甚至?shù)倍于自身尺寸的障礙物或溝渠，因此更適合復(fù)雜和不可預(yù)測的環(huán)境[4]。但是，單純的機(jī)器人彈跳運(yùn)動會消耗大量的能量，且元件的磨損程度會比較嚴(yán)重，而輪式移動可以適應(yīng)相對較為平坦的地形。因此，將彈跳運(yùn)動和輪式移動結(jié)合，針對不同的地形，選擇適合的運(yùn)動方式，既可以節(jié)省能源，延長元件使用壽命，又可以使機(jī)器人的適用范圍更廣泛[5]。

本文構(gòu)建了一個具有跳躍能力的輪式移動機(jī)器人，該機(jī)器人是在彈跳機(jī)器人MSU jumper[6]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和運(yùn)動方式的結(jié)合設(shè)計(jì)，采用仿生設(shè)計(jì)方法和3D打印的制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電動彈跳與輪式集成機(jī)器人形小、質(zhì)輕這一優(yōu)化目標(biāo)。

1復(fù)合機(jī)器人工作原理

1.1復(fù)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

復(fù)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其彈跳機(jī)構(gòu)由3部分組成：主體結(jié)構(gòu)、傳動部分、壓縮釋放機(jī)構(gòu)。主體部分由上腿，下腿、壓縮板和底板四部分組成，形成了六桿機(jī)構(gòu)。壓縮和釋放機(jī)構(gòu)套在傳動部分的輸出軸上，用以完成彈跳機(jī)構(gòu)的壓縮和釋放動作。輪式移動部分整體是三輪式結(jié)構(gòu)，包括兩個前輪、兩個直流減速電機(jī)和一個輔助支撐輪及其支架。同時，三輪式移動結(jié)構(gòu)被選為彈跳機(jī)器人的移動平臺，實(shí)現(xiàn)平坦路面的輪式移動功能。

1.2復(fù)合機(jī)器人的工作原理

電動彈跳輪式移動復(fù)合機(jī)器人具有兩種運(yùn)動方式：一種是彈跳運(yùn)動方式；另一種是輪式移動方式。在工作執(zhí)行開始時，機(jī)器人根據(jù)路況會進(jìn)行運(yùn)動方式的選擇，選擇情況如下：

（1）當(dāng)是平坦路面時，機(jī)器人選擇輪式移動運(yùn)動方式，彈跳機(jī)構(gòu)保持初始狀態(tài)，通過機(jī)器人前輪驅(qū)動，使機(jī)器人到達(dá)工作目的地。

（2）當(dāng)遇到較高障礙物時，機(jī)器人選擇彈跳運(yùn)動方式。經(jīng)過彈跳運(yùn)動，機(jī)器人完成躍過障礙物任務(wù)，并執(zhí)行接下來的任務(wù)，最終達(dá)到工作目的地。

2復(fù)合機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電動彈跳輪式復(fù)合機(jī)器人的設(shè)計(jì)不僅要實(shí)現(xiàn)彈跳高度和運(yùn)動方式良好結(jié)合性的目標(biāo)，而且要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人微型化和重量輕的目標(biāo)。

2.1彈跳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈跳機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)包括三部分：六桿蓄能機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動部分設(shè)計(jì)和壓縮—釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。為了簡化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，機(jī)器人彈跳主體部分選擇六桿蓄能機(jī)構(gòu)，而且四腿長度相等。六桿機(jī)構(gòu)扭簧的壓縮初始角為75°，壓縮終止角為15°，壓縮量為60°，為了減輕機(jī)構(gòu)的整體重量，六桿蓄能機(jī)構(gòu)中的上腿、下腿、壓縮板和底板四部分均采用腹板—加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。傳動部分選擇現(xiàn)成的減速電機(jī)，將減速器和電機(jī)集成一體，這樣不僅能夠節(jié)省空間、提高效率，而且可以大大減輕機(jī)器人整體重量。減速電機(jī)的減速比為300，外置嚙合齒輪組的減速比為6，總減速比為1800。同樣為了減輕機(jī)器人的重量和簡化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，將壓縮—釋放機(jī)構(gòu)兩者設(shè)計(jì)為一體結(jié)構(gòu)，下面主要介紹壓縮、釋放機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理。

圖1所示為壓縮釋放機(jī)構(gòu)工作原理圖，該結(jié)構(gòu)由離合件、插銷和魚線繩三部分組成。插銷1安裝于傳動機(jī)構(gòu)的輸出軸，其伸出部分位于離合件2的180°槽內(nèi)，離合件安裝于輸出軸上，離合件的內(nèi)孔和輸出軸之間采用間隙配合方式。

當(dāng)六桿機(jī)構(gòu)壓縮初始狀態(tài)時，插銷1與離合件2的溝槽側(cè)面接觸。壓縮開始后，在傳動機(jī)構(gòu)的帶動下，插銷1帶動離合件做逆時針旋轉(zhuǎn)。離合機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)180°后，離合件2的末端上升到最高點(diǎn)。此時，六桿機(jī)構(gòu)處于最大程度壓縮狀態(tài)，離合件2和插銷1兩者之間處于自由狀態(tài)。當(dāng)輸出軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動微小角度后，離合件2在插銷1的微小干擾和魚線繩3的拉力作用下，迅速旋轉(zhuǎn)回到初始位置，從而使得彈跳機(jī)構(gòu)釋放能量。

插銷1保證了離合件2的單向旋轉(zhuǎn)，離合件2達(dá)到最高點(diǎn)可以在魚線繩3的作用下短暫鎖定，離合件2的180°缺口保證了突然釋放。該機(jī)構(gòu)改進(jìn)MSU jumper的單向軸承，實(shí)現(xiàn)了單向軸承的功能，同時也減輕了機(jī)器人的重量。

2.2輪式移動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于電動彈跳輪式復(fù)合機(jī)器人的穩(wěn)定性和平衡性，機(jī)器人輪式移動部分整體設(shè)計(jì)成三輪結(jié)構(gòu)。兩前輪采用各自驅(qū)動方式，方便機(jī)器人移動的調(diào)整和轉(zhuǎn)向，兩前輪由兩個直流減速電機(jī)驅(qū)動，車輪直接安裝在減速電機(jī)的D字輸出軸上。輔助支撐輪起平衡作用，維持機(jī)器人的穩(wěn)定性。

3復(fù)合機(jī)器人試驗(yàn)分析與改進(jìn)

3.1試驗(yàn)分析

圖3.1所示為一組機(jī)器人彈跳試驗(yàn)結(jié)果圖，在無控制系統(tǒng)的狀態(tài)下，電源直接帶動機(jī)器人電機(jī)，進(jìn)行彈跳和輪式移動試驗(yàn)。機(jī)器人的整體重量為85g，彈跳最高高度為21cm，從壓縮開始到彈跳離地的時間為4s。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了壓縮釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和輪式移動與彈跳運(yùn)動結(jié)合的可行性。

同時，機(jī)器人試驗(yàn)結(jié)果也出現(xiàn)了諸多問題。彈跳結(jié)束后，機(jī)器人容易傾倒，無法恢復(fù)行走狀態(tài)；機(jī)器人行走時的重心不穩(wěn)；能量利用率不高。當(dāng)機(jī)器人釋放的過程中，能量會大量損失。

3.2復(fù)合機(jī)器人改進(jìn)

基于上述分析，電動彈跳輪式復(fù)合機(jī)器人的上下兩部分的質(zhì)量分配可以繼續(xù)優(yōu)化?？紤]到機(jī)器人重心不穩(wěn)的問題，可以改變機(jī)器人輪式和彈跳機(jī)構(gòu)的結(jié)合方式。因此，機(jī)器人可以做如下改進(jìn)：

（1）選擇壓縮板作為機(jī)器人輪式移動平臺，使得機(jī)器人上半部分分配更多重量，以減少跳躍過程的能力損失。

（2）在機(jī)器人選擇輪式移動運(yùn)動時，彈跳機(jī)構(gòu)處于完全壓縮狀態(tài)，以提高機(jī)器人的穩(wěn)定性。

4結(jié)語

在本次設(shè)計(jì)過程中，為了使得機(jī)器人彈跳更高、兩種運(yùn)動方式結(jié)合的更好，機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了很大程度的簡化設(shè)計(jì)。機(jī)器人個零件采用的腹板-加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)保證了機(jī)器人強(qiáng)度，同時減輕了機(jī)器人的整體重量。彈跳部分是機(jī)器人設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，壓縮釋放機(jī)構(gòu)是彈跳機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵。相對于MUS jumper中的單向軸承方案，本次設(shè)計(jì)方案中采用的離合機(jī)構(gòu)具有更高的可靠性。