蔣曙光 ，汪 明

（宜興經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)應急管理局，江蘇 宜興 214200）

由于許多生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域高度危險，人工不方便進行檢查，即使能夠進入，傳統(tǒng)的人工巡檢方式也存在勞動強度大、工作效率低、檢測質(zhì)量低、手段單一等弊端。因此，防爆巡檢機器人也就應運而生，并且很快獲得了市場的廣泛認可。但是機器人的種類繁多，應用場合也各不相同，本文針對不同地形設計了一款六足防爆機器人，仿真結果表明，該機器人能適應各種復雜地形并圓滿完成任務[1-6]。

1 腿部結構設計

六足防爆巡檢機器人腿部設計是分布在圓盤形的身體上，因此每個腿都是一對三自由度的運動模型，每條腿都裝有3個舵機，舵機安裝在腿的3個關節(jié)上用來實現(xiàn)繞3個關節(jié)的運動，保證每條腿的正常運行[7-8]。用脛節(jié)來連接膝關節(jié)和踝關節(jié)，以確保每條腿的穩(wěn)定。六足步行機器人的腿大致是模仿昆蟲的腿，具有優(yōu)越的機動性、實用性和靈活性。六足防爆巡檢機器人使用三角步態(tài)，所以腿在行走過程中會交替支撐機器人及負載的重量，因此，機器人必須具有適當?shù)膭偠群统休d能力。六足防爆巡檢機器人的腿部結構仿生示意圖，如圖1所示。

圖1 六足步行機器人腿的結構示意圖

2 機身的設計

六足防爆巡檢機器人的六條腿分布在圓盤形狀的機身上，身體由圓形金屬制成，因為這樣可以非常簡潔，直徑為150 mm。使用兩個圓形的金屬上下疊加組成機身，用螺釘固定上下兩個圓形金屬。

在機器人機身板上鉆12個通孔，用來安裝六足防爆巡檢機器人的6條腿。通孔的直徑應大于M3的帶槽圓柱頭螺釘?shù)闹睆?，以便螺釘可以穿過通孔?？追植荚诎霃綖?5 mm的圓周上，同一組中的孔相隔25 mm。

為了承受負載承重載荷的舵機重量，且不影響機殼的結構，機身鉆孔時，12個孔分布在半徑為50 mm的圓周上，中心也鉆出了半徑為40 mm的圓。這樣可以大大減少零件的重量。機身是全身的中心，承載6 kg的載重量，旨在滿足負載、強度和適當尺寸要求。以上設計在實現(xiàn)輕量化的同時也強調(diào)自身和組件的可靠性，易于維護。機身主板如圖2所示。

圖2 機身主板

3 基節(jié)的設計

基節(jié)部分作為機器人腿部的安裝位置，應考慮安裝舵機。這里使用兩個片狀部件形成基部。上基節(jié)片如圖3所示。

圖3 上基節(jié)片

基節(jié)的特征形狀部分是腿部位置向前延伸，使腿部空間增大，減少腿部摩擦碰撞，長度為65 mm，前端寬25 mm，后端寬32 mm。分為上下兩塊，上基節(jié)片在主體前端設置4個安裝孔，主體后端設置2個安裝孔。當舵機轉(zhuǎn)動時，由舵機的固定部分帶動轉(zhuǎn)向器的主體轉(zhuǎn)動，構成六足防爆巡檢機器人的跟關節(jié)。

關節(jié)舵機安裝在下基節(jié)片上，下基節(jié)片同樣在主體前端設置4個安裝孔，主體后端設置2個安裝孔，通過圓柱銷與關節(jié)舵機板連接。下基節(jié)片如圖4所示，下基節(jié)片和上基節(jié)片尺寸基本一樣，只是下基節(jié)片的前端安裝孔中間設置了一個通孔。

圖4 下基節(jié)片

4 脛節(jié)片的設計

脛節(jié)又叫做中腿，它連接著膝關節(jié)和踝關節(jié)。膝關節(jié)和踝關節(jié)上的舵機輸出軸和脛節(jié)固定。從小腿上端向下看，膝關節(jié)脛節(jié)片是通過旋轉(zhuǎn)連接的關節(jié)執(zhí)行器來發(fā)生運動的。脛節(jié)下端與踝關節(jié)以及足部連接，帶動中足、下足[9-10]。

兩個舵機的旋轉(zhuǎn)軸和脛節(jié)片直接連接。從機器人機身向足部方向看下去，從腿的上端往下看，脛節(jié)片上端板連接到膝關節(jié)的舵機輸出軸上，膝關節(jié)執(zhí)行器帶動脛節(jié)片的旋轉(zhuǎn)。從底部到頂部，當腳的腳踝與腳踝轉(zhuǎn)向器接觸時，腳被固定，腳踝轉(zhuǎn)向器的扭矩通過脛節(jié)片傳遞，將扭矩傳遞給六足防爆巡檢機器人的身體運動。

其中一個脛節(jié)片需要安裝兩個舵機。由此引申出了傳動脛節(jié)片的設計。傳動脛節(jié)片的結構圖，如圖5所示。

圖5 傳動脛節(jié)片

脛節(jié)片長75 mm、寬22 mm、厚3 mm。脛節(jié)片兩端預留11 mm的通孔以便舵機輸出軸的安放，為固定舵機輸出軸，在以預留通孔的圓心為圓心的圓周上分別預制4個螺紋孔。在脛節(jié)片的中心線的兩側(cè)分布兩個通孔用以安裝兩根連接桿來連接兩根脛節(jié)片。脛節(jié)片的結構圖，如圖6所示。

圖6 脛節(jié)片結構圖

5 小結

本研究對六足防爆巡檢機器人的機身、基節(jié)及脛節(jié)片等機械結構進行了詳細設計，并對相應結構參數(shù)進行了優(yōu)化。仿真結果表明，該機器人能適應各種復雜地形，圓滿完成了任務，為同類機器人結構設計提供參考。