付 慧，胡艷凱

（1.西安交通工程學(xué)院電氣工程學(xué)院，陜西 西安710300；2.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，陜西 西安710300）

隨著《中國制造2025》行動綱領(lǐng)的實施和引導(dǎo)，國內(nèi)機器人行業(yè)得到了迅速發(fā)展[1-2]。機器人的功能越來越多，智能化程度也大大提升。移動式機器人方面例如探險機器人、掃地機器人、巡航機器人，已廣泛應(yīng)用到野外、家庭及企業(yè)等領(lǐng)域，能夠幫助或者輔助人們完成某些特定的任務(wù)或工作[3-7]。移動式機器人的移動功能主要體現(xiàn)在機器人底盤或仿人機器人的下肢，對整個機器人產(chǎn)品的穩(wěn)定性及功能性的實現(xiàn)至關(guān)重要[8-9]。

本文設(shè)計了一種可移動機器人的底盤結(jié)構(gòu)，底盤中間車輪與前后車輪分別呈三角形分布，不但可以提高機器人整體的穩(wěn)定性，而且可以進行前進、后退及轉(zhuǎn)向。此外，本文設(shè)計的機器人底盤具有一定的開放性，可以搭載不同的機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)不同的功能，例如搭載機器人上肢，可作為仿人機器人應(yīng)用在商場、醫(yī)院等場所，為人們提供導(dǎo)航、信息查詢等服務(wù)；也可以搭載機械手臂，作為可移動式的機械手臂，應(yīng)用在車間、物流公司等，幫助人們搬運貨物。

1 輪式機器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的新型機器人底盤結(jié)構(gòu)主要包括底盤架、前后車輪架、前后車輪、位于底盤中間兩側(cè)的主動輪、安裝架、轉(zhuǎn)動軸、齒輪盤、電機、前叉、油管體、固定座。底盤架底端的前后兩側(cè)分別固定有車輪架，且底盤架上表面開設(shè)的凹槽中固定有安裝架，底盤架底端的中間位置固定有安裝座；安裝座的內(nèi)部固定有軸承，且軸承的內(nèi)環(huán)與轉(zhuǎn)動軸固定連接；轉(zhuǎn)動軸的中間位置固定有齒輪盤，且齒輪盤與電機輸出軸上安裝的齒輪通過輪齒嚙合轉(zhuǎn)動連接；轉(zhuǎn)動軸兩側(cè)分別安裝兩個主動輪，且主動輪的車輪直徑大于底盤前后兩個小車輪的直徑；主動輪在移動過程中將動力傳給其他車輪，提高裝置穩(wěn)定性的同時提高裝置的移動速度。

另外，底盤前后兩個車輪架的下端分別安裝兩個小車輪，且車輪架由安裝架、前叉、油管體、固定座組成；安裝架由減震彈簧和框架組成，且設(shè)置有兩個安裝架，可提升裝置的減震性能。移動機器人底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計見圖1、圖2、第98頁圖3。

圖1 機器人底盤整體結(jié)構(gòu)

圖2 機器人底盤主動輪結(jié)構(gòu)

圖3 底盤小車輪結(jié)構(gòu)

工作原理：工作時可將需要安裝的部件安裝在底盤架1上端的安裝架5上，在底盤架1的上端和下端分別設(shè)置有具有減震效果的安裝架5和車輪架B6，車輪架B6的前叉12在油管體13內(nèi)上下移動，使得底盤架1的上端和下端均具有一定的減震性能，可提升裝置整體的減震性能，在底盤架1的前后分別設(shè)置車輪B7和車輪A3，并且在底盤架1的兩側(cè)設(shè)置主動輪4，使得底盤架1中間部位與前端和后端均可構(gòu)成三角形，極大地提高了底盤架1的穩(wěn)定性能。工作時，僅控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，可以實現(xiàn)機器人的前進和后退動作。

2 輪式機器人底盤主要參數(shù)

為了使機器人底盤各核心零部件發(fā)揮最大功能，使機器人具有一定的使用性能，下述為底盤結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計。

整體底盤總長為80 cm，總寬為60 cm，兩個主動輪直徑為25 cm，能夠承受最大載重量為150 kg；兩個小車輪直徑為15 cm，能夠承受最大載重量為77 kg，整個底盤及輔助支撐架均選用鋁合金材質(zhì)，最大限度地滿足機械設(shè)計的輕量化原則，且具有一定的負(fù)載能力。

根據(jù)小車的自身重量及負(fù)載，最終確定驅(qū)動電機采用兩相混合式步進電機[10-11]，額定扭矩為36 N·m，具有噪音低、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、傳動效率高、抖動小的特點。另外，連接電機輸出軸的齒輪盤主要參數(shù)為：模數(shù)m=1；齒數(shù)z=20；壓力角α=20°；減速比為3。具體計算公式為

式中：T1為電機的額定扭矩，36 N·m；i為減速比，3；φ為傳動效率，0.95；n為安全系數(shù)，1.2。經(jīng)過計算得到機器人底盤的最大扭矩T'=85.5 N·m。

假設(shè)小車兩主動輪重心位于底板兩側(cè)邊緣，小車兩從動輪重心位于底板前后側(cè)邊緣，具體計算公式為

式中：F1為主動車輪承重；h1為主動車輪重心距機器人底盤重心距離，0.3 m；F2為從動小車輪承重；h2為從動車輪重心距機器人底盤重心距離，0.4 m。

經(jīng)過數(shù)據(jù)計算得到主動輪承重、從動輪承重與機器人車輪承重扭矩的關(guān)系為

由上文可知機器人主動輪和從動輪的最大承受力分別為150 kg和77 kg，通過計算可以得到機器人小車車輪承重扭矩為T''=107.8 N·m。

機器人小車最大理論扭矩T'小于機器人小車車輪承重扭矩T''，即T'

上述分析說明本文設(shè)計的機器人移動底盤能夠承受一定的負(fù)載，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計符合對稱原則，底板承受載荷分布比較均勻，因此穩(wěn)定性較高。上述計算得到的最大承重扭矩為機器人設(shè)備使用于托運、搬運等情況，例如承運貨物、分揀快遞等場合，如果需要搭載機械手臂或者仿人機器人上半身，則還需要進行機器人負(fù)載的校核。

本文對機器人底盤進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和主要核心部件的選型計算，為下一步對機器人進行運動學(xué)和動力學(xué)研究和仿真研究提供了參考。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的一種輪式機器人底盤結(jié)構(gòu)，具有兩個主動輪和兩個從動小車輪，且具有三角形分布特點，提高了整個底盤在運動過程中的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計比較簡單且有一定的創(chuàng)新?？刂葡到y(tǒng)平臺僅需要控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，整體設(shè)計成本低，維修方便，具有很強的穩(wěn)定性。在底盤架前后的從動小車輪安裝設(shè)置有具有減震效果的安裝架和車輪架，使得底盤架的上端和下端均具有一定的減震性能，在底盤負(fù)載移動過程中，能夠在一定范圍內(nèi)補償由于負(fù)載分布不均造成的小車抖動或失衡現(xiàn)象。

機器人結(jié)構(gòu)符合對稱設(shè)計原則，承受載荷分布較均勻，能夠提高機器人底盤在工作過程中的穩(wěn)定性，降低故障率，機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計簡單明了，方便維修。此外，本文設(shè)計的輪式機械底盤還具有一定的開放性，可以直接在機場、火車站、工廠等場所幫助人們搬運行李和貨物，也可以搭載或配合不同的機械附件，應(yīng)用在不同的場合和工作環(huán)境，實現(xiàn)不同的功能。