林自旺，顧凱杰，王經(jīng)緯，宋偉山，梁凱旋

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

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)遇到較大障礙物或溝渠時(shí)，移動機(jī)器人會受到嚴(yán)重的限制。在復(fù)雜的環(huán)境中，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，且元件的磨損比較嚴(yán)重。因此，將彈跳運(yùn)動和輪式移動結(jié)合，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(gè)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)器人體形小、質(zhì)量輕這一優(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

圖1為復(fù)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)，包括彈跳部分、輪式移動部分和控制部分。同時(shí)，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

電動彈跳輪式復(fù)合機(jī)器人的工作原理簡圖如圖2所示。在工作執(zhí)行開始時(shí)，機(jī)器人根據(jù)路況會進(jìn)行運(yùn)動方式的選擇，選擇方式如下：

圖1 復(fù)合機(jī)器人結(jié)構(gòu)

a) 當(dāng)平坦路面時(shí)，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。

b) 當(dāng)遇到較高障礙物時(shí)，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。

圖2 機(jī)器人工作原理簡圖

在圖2中展示了機(jī)器人彈跳運(yùn)動的運(yùn)動過程，該過程分為4個(gè)階段：起跳調(diào)整階段、壓縮蓄能階段、能量釋放階段和落地階段。

1) 起跳調(diào)整階段。在這一階段，通過紅外傳感器檢測到前方障礙物后，由移動輪調(diào)整機(jī)器人和障礙物的位置關(guān)系，使得機(jī)器人的起跳方向達(dá)到最佳。

2) 壓縮蓄能階段。當(dāng)接到上述姿態(tài)調(diào)整完畢的指令后，控制器輸出指令使彈跳機(jī)構(gòu)的減速電動機(jī)開始工作。減速電動機(jī)的輸出軸外置直齒嚙合齒輪，從而帶動壓縮蓄能離合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)六桿機(jī)構(gòu)的“下蹲”壓縮蓄能任務(wù)。

3) 能量釋放階段。彈跳機(jī)構(gòu)完成壓縮后，離合機(jī)構(gòu)的末端處于最高點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)再旋轉(zhuǎn)微小的角度后，彈跳機(jī)構(gòu)釋放能量，機(jī)器人跳躍離地。

4 )落地階段。機(jī)器人在設(shè)計(jì)時(shí)，多數(shù)負(fù)重均在壓縮板上。落地后，彈跳機(jī)構(gòu)又可以起到緩沖作用，很好地保證機(jī)器人落地后的完整性。

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)動方式良好的結(jié)合，而且要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人微型化和質(zhì)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3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6桿蓄能機(jī)構(gòu)，而且4腿長度相等。6桿機(jī)構(gòu)扭簧的壓縮初始角α1為75°，壓縮終止角α2為15°，壓縮量為60°，其幾何關(guān)系如圖3所示。

圖3 六桿機(jī)構(gòu)桿長幾何關(guān)系示意圖

設(shè)機(jī)器人腿長為b，壓縮終止時(shí)，底板與壓縮板相距a，根據(jù)幾何關(guān)系得：

x+a=2bsinα1

(1)

a=2bsinα2

(2)

式中x為壓縮板和底板之間的壓縮量，其值為50mm。由式(1)、式(2)求得，腿長b=49.13mm；將腿長進(jìn)行圓整，設(shè)計(jì)腿長為50mm。為了減輕機(jī)構(gòu)的整體質(zhì)量，6桿蓄能機(jī)構(gòu)中的上腿、下腿、壓縮板和底板4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)器人整體質(zhì)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1 800。為了減輕機(jī)器人的質(zhì)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4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3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。

1—離合件；2—插銷；3—魚線繩；4—外置大齒輪圖4 壓縮釋放機(jī)構(gòu)工作原理圖

當(dāng)6桿機(jī)構(gòu)壓縮初始狀態(tài)時(shí)，插銷1與離合件2的溝槽側(cè)面接觸。壓縮開始后，插銷1帶動離合件做逆時(shí)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(shí)，6桿機(jī)構(gòu)處于最大程度壓縮狀態(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，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(shí)也減輕了機(jī)器人的質(zhì)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2個(gè)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5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)器人的整體質(zhì)量為85g，彈跳最高高度為21cm， 從壓縮開始到彈跳離地的時(shí)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。

圖5 機(jī)器人彈跳試驗(yàn)結(jié)果圖

同時(shí)，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(shí)的質(zhì)心不穩(wěn)；能量利用率不高。圖6所示為機(jī)器人模型彈跳過程簡化圖，可將機(jī)器人簡化為兩物塊連接一彈簧的模型。當(dāng)機(jī)器人釋放的過程中，能量會大量損失。

圖6 機(jī)器人模型彈跳過程簡化圖

彈簧剛剛完全釋放且機(jī)器人未離地時(shí)，彈簧儲存的能量EK完全轉(zhuǎn)化為物塊1的動能：

(3)

式中，M1、M2分別為物塊1和物塊2的質(zhì)量，V1為物塊1的速度。

機(jī)器人跳躍離地，物塊1和物塊2達(dá)到共速，其速度V2滿足下式：

M1V1=(M1+M2)V2

(4)

(5)

由式(3)、式(4)、式(5)其損失的能量ΔE為：

(6)

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質(zhì)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(shí)，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

為了使得機(jī)器人彈跳更高、兩種運(yùn)動方式結(jié)合得更好，對機(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(shí)減輕了機(jī)器人的整體質(zhì)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，本設(shè)計(jì)方案中采用的離合機(jī)構(gòu)具有更高的可靠性。同時(shí)，電動彈跳輪式復(fù)合機(jī)器人的彈跳運(yùn)動存在很大的能力損失，從而導(dǎo)致彈跳高度并不理想。如何改進(jìn)機(jī)器人的上下部分的質(zhì)量分配和兩種運(yùn)動的結(jié)合方式將是今后繼續(xù)深入研究的問題。

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