高趙成，張力平，2

（1.長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710068）

0 引言

專家學(xué)者們受到社會(huì)性生物協(xié)作行為的啟發(fā)[1]，因此，自重構(gòu)機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)吸引了許多移動(dòng)機(jī)器人研究學(xué)者的目光。自重構(gòu)機(jī)器人能夠根據(jù)外界環(huán)境的不同改變機(jī)器人系統(tǒng)的構(gòu)成，從而使機(jī)器人本身具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，尤其適合在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。單元模塊一般具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的特性，同時(shí)可以與其他單元模塊進(jìn)行連接，應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的任務(wù)。

自重構(gòu)機(jī)器人設(shè)計(jì)的要點(diǎn)就是它的重構(gòu)連接機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)整體自重構(gòu)運(yùn)動(dòng)的重要基礎(chǔ)是靈活可靠的對(duì)接機(jī)構(gòu)[2]。自重構(gòu)機(jī)器人從20世紀(jì)末發(fā)展至今，已經(jīng)出現(xiàn)了許多不同的類型，根據(jù)對(duì)接機(jī)構(gòu)所使用的連接原理，可以將對(duì)接機(jī)構(gòu)大致分為機(jī)械式接口和電磁式接口兩類[3]。機(jī)械式接口的典型代表如北京航空航天大學(xué)的JL-2型機(jī)器人[4]，其采用機(jī)械手爪的方式進(jìn)行模塊間的連接；Sohal等[5]設(shè)計(jì)的可重構(gòu)機(jī)器人采用夾持式接口；張旭東[6]、何成林[7]設(shè)計(jì)的可重構(gòu)履帶式機(jī)器人采用夾爪式對(duì)接機(jī)構(gòu)，使用夾爪與卡盤(pán)配合實(shí)現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器人的重構(gòu)連接。AIST研究所提出的M-TRAN及M-TRANⅡ[8-9]采用電磁式接口，通過(guò)磁鐵以及形狀記憶合金進(jìn)行模塊機(jī)器人間的對(duì)接與分離，趙傳武[10]采用釹磁鐵進(jìn)行模塊化機(jī)器人的對(duì)接。

機(jī)械式對(duì)接機(jī)構(gòu)連接可靠性高，耗能更低，對(duì)于小型自重構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人而言，能夠擁有良好的續(xù)航能力。本研究設(shè)計(jì)了一種可重構(gòu)輪式機(jī)器人，重點(diǎn)對(duì)單元模塊的對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，并使用SolidWorks和ADAMS對(duì)單模塊機(jī)器人進(jìn)行三維建模以及對(duì)接機(jī)構(gòu)的仿真分析。

1 機(jī)器人模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 單元模塊結(jié)構(gòu)

本研究所設(shè)計(jì)的可重構(gòu)輪式機(jī)器人由若干個(gè)相同的單元模塊組成。各個(gè)單元模塊既可以獨(dú)立地作業(yè)，又可連接其他單元模塊，組成一個(gè)更大的機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同工作。自重構(gòu)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 自重構(gòu)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)方案

機(jī)器人單元模塊的外形尺寸為250 mm×250 mm×141 mm。根據(jù)不同的功能，該機(jī)器人單元模塊的機(jī)械系統(tǒng)主要分為兩部分：對(duì)接箱體和三輪全向移動(dòng)底盤(pán)。對(duì)接箱體依據(jù)對(duì)接過(guò)程中的任務(wù)不同分為主動(dòng)對(duì)接面與被動(dòng)對(duì)接面，用以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊之間的對(duì)接；三輪全向移動(dòng)底盤(pán)采用全向輪機(jī)構(gòu)，使得運(yùn)動(dòng)形式更加方便靈活。

1.2 基于電推桿的對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究基于電推桿的對(duì)接機(jī)構(gòu)三維模型如圖2所示。所選擇的電推桿型號(hào)為MNTL，最大位移量為10 mm，速度為4 mm/s。

圖2 對(duì)接機(jī)構(gòu)三維模型

圖2中，對(duì)接機(jī)構(gòu)主要分為被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)與主動(dòng)對(duì)接軸兩部分。被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)如圖2（a）所示，是基于電推桿進(jìn)行設(shè)計(jì)的，電推桿與旋轉(zhuǎn)T軸尾端通過(guò)滑槽連接，旋轉(zhuǎn)T軸可以圍繞固定在安裝臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其另一端與鎖止銷以及復(fù)位銷接觸。復(fù)位銷安裝在復(fù)位彈簧座A中，用以對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位彈簧A提供復(fù)位所需要的動(dòng)力。鎖止銷安裝在復(fù)位彈簧座B中，可以在復(fù)位彈簧B與旋轉(zhuǎn)T軸的共同作用下完成對(duì)接。主動(dòng)對(duì)接軸如圖2（b）所示，固定于主動(dòng)對(duì)接面，其沒(méi)有主動(dòng)運(yùn)動(dòng)能力，端部設(shè)置有凹槽，可以與被動(dòng)對(duì)接機(jī)構(gòu)嵌合完成對(duì)接。

模塊對(duì)接時(shí)，電推桿伸出，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)T軸繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)T軸另一端推動(dòng)復(fù)位銷移動(dòng)壓縮復(fù)位彈簧A，同時(shí)鎖止銷被復(fù)位彈簧B彈出。主動(dòng)對(duì)接軸進(jìn)入被動(dòng)對(duì)接孔并位移到兩對(duì)接面貼合，電推桿收回，直到鎖止銷完全滑入主動(dòng)對(duì)接軸上的凹槽，完成對(duì)接。

模塊分離時(shí)，電推桿伸出，復(fù)位彈簧B將鎖止銷彈出，直至鎖止銷退出主動(dòng)對(duì)接軸凹槽，主動(dòng)對(duì)接軸退出被動(dòng)對(duì)接孔后，電推桿收回，完成分離。

2 ADAMS仿真結(jié)果及分析

將對(duì)接機(jī)構(gòu)模型在SolidWorks中進(jìn)行簡(jiǎn)化并導(dǎo)出為.x_t格式文件，將轉(zhuǎn)換后的文件導(dǎo)入ADAMS軟件，對(duì)導(dǎo)入的各零件按照實(shí)際名稱命名。根據(jù)設(shè)計(jì)原則，對(duì)導(dǎo)入模型中的各零件進(jìn)行相應(yīng)的連接設(shè)置，對(duì)在運(yùn)動(dòng)中不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行固定副設(shè)置，對(duì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副設(shè)置。

在仿真中，對(duì)兩側(cè)鎖止銷分別施加平移驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)的函數(shù)為STEP函數(shù)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，左右兩側(cè)的鎖止銷位移和電推桿位移如圖3至圖6所示。

圖3 左側(cè)鎖止銷位移

可以觀察到，在圖3和圖5所顯示的左右兩側(cè)鎖止銷位移曲線中，鎖止銷位移量約為5 mm。相應(yīng)地，在圖4和圖6所示的左右兩側(cè)電推桿位移曲線中，電推桿的位移量約為7.7 mm，小于所選擇的電推桿的最大位移量10 mm，因此本研究的對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

圖4 左側(cè)電推桿位移

圖5 右側(cè)鎖止銷位移

圖6 右側(cè)電推桿位移

3 結(jié)論

本研究介紹了一種新型的可重構(gòu)輪式機(jī)器人，單元模塊可以獨(dú)立作業(yè)，也可以連接多個(gè)單元模塊形成新系統(tǒng)。文章重點(diǎn)對(duì)單模塊機(jī)器人的對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，單模塊機(jī)器人采用基于電推桿的機(jī)械式對(duì)接機(jī)構(gòu)。最后對(duì)單元模塊的對(duì)接機(jī)構(gòu)進(jìn)行ADAMS仿真，通過(guò)仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輪式機(jī)器人的自重構(gòu)打下基礎(chǔ)。