馮長龍，行志剛，程 軍，李樹平

（1.河南理工大學 機械與動力工程學院，焦作 454000；2.河南理工大學 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院，焦作 454000）

國內(nèi)對智能爬樓裝置的研究起步較晚，經(jīng)過多年來不斷地研究探索，雖然也取得了一些理論研究成果，但距離轉(zhuǎn)換為成熟商品還有很大的距離[1]。文獻[2]提出的升降式爬梯機構(gòu)能夠適應(yīng)較為常見的樓梯結(jié)構(gòu)，動作簡單，但是體積龐大，動作幅度大，且工程實踐能力弱，缺乏一定的穩(wěn)定性；文獻[3]提出的行星輪式結(jié)構(gòu)通過對爬樓輪的改裝，使其形狀發(fā)生變化。但是在行進過程中裝置缺乏制動功能，車輪易打滑，安全性大大降低；文獻[4]提出的連桿式結(jié)構(gòu)采用了較為穩(wěn)定的連接桿式的結(jié)構(gòu)設(shè)計，但在爬梯行進過程中其動力需求較高并且消耗較高。對于以上分析，可知對于新型爬梯裝置其安全性、重心的偏移問題、靈活性、動力供給等問題都是該類裝置的研發(fā)要點。文章以上述問題為切入點，研發(fā)了一款集爬臺階、越寬壕、克垂壁的仿生輪腿式爬梯底盤。

1 機械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

1.1 裝置整體方案設(shè)計

裝置總體三維結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，仿生輪腿式爬梯底盤結(jié)構(gòu)由機架、連桿展翼機構(gòu)、轉(zhuǎn)動臂機構(gòu)、后置升降機構(gòu)4 大部分組成。爬梯第1 階段：采用連桿展翼機構(gòu)，模擬人體上樓梯時需提升腿部至空中的動作，其包含水平線位移、角位移；爬梯第2 階段：利用轉(zhuǎn)動機構(gòu)，模擬提升腿部后進行腿部搖擺（角位移）至臺階上空的運動；爬梯第3 階段：通過后置升降機構(gòu)，模擬人體完成腳掌踏步（垂直線位移）至臺階面的過程。同時，運用機架為三項運動機構(gòu)等提供徑向和軸向載荷，使仿生輪腿式爬梯底盤更加穩(wěn)定。

圖1 裝置總體三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall three-dimensional structure of the device

1.2 連桿展翼機構(gòu)

連桿展翼機構(gòu)由絲杠滑塊結(jié)構(gòu)、限位轉(zhuǎn)動軸、雙連桿結(jié)構(gòu)、展翼結(jié)構(gòu)、電機和行走輪組成。爬梯第1 步驟時，連桿展翼機構(gòu)利用電機驅(qū)動的絲杠滑塊機構(gòu)，實現(xiàn)雙連桿結(jié)構(gòu)通過線位移帶繞限位轉(zhuǎn)動軸完成角位移。前排2 組行走輪借助電機通過齒輪傳動完成運動，其在保證抓地力的同時又能為底盤結(jié)構(gòu)提供動力，有效防止了空轉(zhuǎn)。限位轉(zhuǎn)動軸限制了動翼展結(jié)構(gòu)的圓周運動，保證了連桿展翼機構(gòu)的平穩(wěn)運動狀態(tài)。

1.3 轉(zhuǎn)動臂機構(gòu)

轉(zhuǎn)動臂機構(gòu)由機架、蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)、電機、擺臂和行走輪組成。整個機構(gòu)可為仿生輪腿式爬梯底盤提供力學支撐和動力支持。爬梯第2 步驟時，轉(zhuǎn)動臂機構(gòu)等利用電機驅(qū)動的蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)與蝸輪相對固連的擺臂和行走輪提在豎直平面內(nèi)完成轉(zhuǎn)動，進而使仿生輪腿式爬梯底盤的重心前移，由連桿展翼機構(gòu)和后置升降機構(gòu)為底盤提供穩(wěn)定性支持。同時，采用蝸輪蝸桿的傳動結(jié)構(gòu)，優(yōu)點在于其自鎖功能，保證機構(gòu)運動的安全性[5]。電機借助齒輪傳動，使兩行走輪接觸臺階面后達到同步即停、即轉(zhuǎn)的效果。

1.4 后置升降機構(gòu)

后置升降機構(gòu)由機架、絲杠滑塊結(jié)構(gòu)、電機和行走輪等組成。爬梯第3 步驟時，升降機構(gòu)借助電機提供的動力驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，使絲杠上的滑塊上下運動，進而實現(xiàn)固連在滑塊上的2 組并聯(lián)后置行走結(jié)構(gòu)在垂直方向完成線位移。在運動過程中，后置升降機構(gòu)與連桿展翼機構(gòu)和轉(zhuǎn)動臂機構(gòu)相互配合，實現(xiàn)在爬梯等越障過程中自適應(yīng)調(diào)節(jié)底盤面保持恒水平穩(wěn)定狀態(tài)，為工程實踐應(yīng)用提供強有力技術(shù)保障。

2 靜力學仿真

將已完成建模的仿生輪腿式爬梯底盤結(jié)構(gòu)各局部裝置三維建模導入Altair Inspire 仿真軟件中，對每一部分進行有限元劃分，并添加合適的載荷工況[6]。

2.1 二連桿裝置力學仿真

通過與實際分析對比，對二連桿裝置施加約束和扭矩。如圖2 所示，通過在二連桿裝置上部連接孔a 處施加大小為700 N·m 的扭矩，模擬裝置受到旋轉(zhuǎn)支架所作用的扭矩。在裝置下部b、c、d、e 4 個等效孔洞中，對其添加約束，其具體施加情況如圖2（a）所示。

圖2 二連桿裝置力學仿真結(jié)果Fig.2 Mechanical simulation results of two-rod connecting device

二連桿裝置的等效分布云圖如圖2（b）所示，其最大應(yīng)力為36.7 MPa，應(yīng)力遠遠小于其屈服極限，則不需對其進行額外強化處理。在上部連接孔a 處，其應(yīng)力相較其它位置更大。

2.2 升降軸裝置力學仿真

通過與實際分析對比，對升降裝置進行簡化處理，提取其中心兩裝配齒輪軸來替代完整升降軸工作效應(yīng)。如圖3 所示，在兩齒輪軸光滑圓柱表面a施加大小為700 N·m 大小的扭矩，以來模擬電機轉(zhuǎn)動時帶來的扭矩。由于兩齒輪表面所在平面在齒輪軸工作時保持不變，故在兩齒輪正面b 施加固定約束，其具體的施加情況如圖3（a）所示。

圖3 升降軸裝置力學仿真結(jié)果Fig.3 Mechanical simulation results of lifting shaft device

升降軸裝置的等效分布云圖如圖3（b）所示，其最大應(yīng)力為42 MPa，應(yīng)力小于其屈服極限。在兩齒輪軸與細桿交界處，其應(yīng)力相較其它位置更大。

2.3 中轉(zhuǎn)臂裝置仿真

通過與實際分析對比，對中轉(zhuǎn)臂裝置進行簡化處理，提取其中心兩裝配蝸輪蝸桿和相連齒輪軸來替代完整中轉(zhuǎn)臂裝置工作效應(yīng)。如圖4 所示，在蝸輪中心孔a 處施加大小為700 N·m、方向為順時針的扭矩。對蝸輪光滑表面b 施加固定約束，其具體的施加情況如圖4（a）所示。

圖4 中轉(zhuǎn)臂裝置力學仿真結(jié)果Fig.4 Mechanical simulation results of the rotating arm device

中轉(zhuǎn)臂裝置的等效分布云圖如圖4（b）所示，其最大應(yīng)力為39.8 MPa，應(yīng)力小于其屈服極限。在蝸輪蝸桿嚙合處，其應(yīng)力相較其它位置更大。

3 運動學仿真

將建立好的爬梯底盤模型導入到ADAMS 中并添加約束以及驅(qū)動。在蝸桿、蝸輪之間添加齒輪副，滑塊絲杠之間添加螺旋副，輪子和光軸之間添加轉(zhuǎn)動副，連桿之間添加轉(zhuǎn)動副，電機軸添加驅(qū)動，仿真步長設(shè)置為0.05。通過對底盤各個部位的運動學仿真，驗證運動的可行性[7]。

3.1 連桿展翼機構(gòu)運動仿真分析

展翼角度-滑塊線位移仿真結(jié)果如圖5 所示。實線為滑塊隨絲桿運動在x 軸方向上的線位移曲線，其近似為一條對折直線，說明滑塊隨絲桿的轉(zhuǎn)動保持勻速直線運動、運動平穩(wěn)且無卡結(jié)現(xiàn)象；虛線為展翼機構(gòu)轉(zhuǎn)動的角度變化曲線，角度變化范圍為0°～40°，曲線光滑可導，說明展翼機構(gòu)轉(zhuǎn)動過程平滑且無明顯速度突變。

圖5 展翼角度-滑塊線位移仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of spread wing angle-slider line displacement

3.2 行進輪攀越臺階運動仿真分析

行進輪攀越臺階運動仿真結(jié)果如圖6 所示。曲線1 為前輪中心運動曲線、曲線2 為中輪中心運動曲線、曲線3 為后輪中心運動曲線。行進輪0～0.5 s在臺階水平面做直線運動；0.5～0.7 s 時，通過連桿帶動展翼機構(gòu)繞限位轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動使前輪抬升，底盤整體前移至前輪位于第1 階樓梯踏步面上；1.2～1.3 s時，通過轉(zhuǎn)動臂轉(zhuǎn)動使中輪抬升，中輪位于臺階上；1.6～1.7 s 時，通過絲桿傳動使升降機構(gòu)上升，后輪位于臺階上，3 組輪交替攀越臺階。其中，行進輪未抬升的時間段內(nèi)各條曲線的波動值近似為0，說明爬梯過程中底盤運動平穩(wěn)。

圖6 行進輪攀越臺階運動仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of climbing steps of traveling wheel

3.3 底盤結(jié)構(gòu)負載運動質(zhì)心仿真分析

如圖7 所示，文章為研究仿生輪腿式爬梯底盤負載狀態(tài)下的越障性能，故向底盤中心施加除重力外大小為700 N 的載荷進行仿真分析，得到底盤結(jié)構(gòu)爬樓梯時質(zhì)心在Z 方向位移-速度分量隨時間變化關(guān)系。圖7 中實線為質(zhì)心變化曲線，虛線為速度變化曲線，底盤在0～0.5 s 和1.4～2.5 s 內(nèi)進行勻速運動。結(jié)合圖7 可知，0.5～0.7 s 前輪抬升，后方行進輪動力不變時，整體速度降低，此與圖7 中0.5～1.0 s速度變化相對應(yīng)，進一步驗證了運動的可靠性。底盤運動速度的變化由行進輪的交替抬升造成，圖7中各時間段虛線近似直線，說明攀越臺階時行進輪規(guī)律性控制速度。實線在各時間內(nèi)近似直線，說明底盤在質(zhì)心抬升階段時平緩抬升的性質(zhì)。

圖7 爬梯過程底盤結(jié)構(gòu)質(zhì)心位移-速度仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of center of mass displacementvelocity of chassis structure during ladder climbing

4 控制邏輯方案設(shè)計

4.1 控制邏輯圖的設(shè)計

仿生輪腿式爬梯底盤控制邏輯如圖8 所示。

圖8 仿生輪腿式爬梯底盤控制邏輯Fig.8 Bionic wheel leg ladder chassis control logic diagram

4.2 上樓梯流程仿真

底盤上、下樓梯狀態(tài)仿真如圖9 所示，圖9（a）～（d）表示上樓狀態(tài)，圖9（e）～（g）表示下樓狀態(tài)。

圖9 底盤上樓梯狀態(tài)仿真Fig.9 Simulation diagram of the state of stairs on the chassis

步驟1 機器抵達樓梯邊緣時，通過讀取位置傳感器反饋當前機器所處位置。當判斷位于樓梯底端時，如圖9（a）所示，機器人啟動單臺階爬梯模式。連桿展翼機構(gòu)抬升，使前輪（前排行走輪）接觸第1個樓梯臺階面上，如圖9（b）所示，然后機器整體向前移動一段距離；

步驟2 轉(zhuǎn)動臂機構(gòu)即將到達第1 個樓梯臺階面前沿時，轉(zhuǎn)動臂機構(gòu)向后方轉(zhuǎn)動，機器整體向前移動一段距離，此時機器前輪和中輪（轉(zhuǎn)動臂行走輪）都接觸臺階面，如圖9（c）所示；

步驟3 升降機構(gòu)向上運動，機器整體前移，使后輪（后排行走輪）接觸第1 個樓梯臺階面，轉(zhuǎn)動臂機構(gòu)復位，后置升降機構(gòu)向下運動使后輪接觸臺階面，如圖9（d）所示。

4.3 下樓梯流程仿真

步驟1 機器人位于樓梯頂端連桿展翼機構(gòu)下降，使前輪接觸第1 個樓梯臺階面。如圖9（e）所示，機器整體向前移動；

步驟2 當轉(zhuǎn)動臂機構(gòu)剛越過樓梯沿時，后置升降機構(gòu)向上運動，使中輪接觸第1 個臺階面，如圖9（f）所示，整體機構(gòu)再次向前移動；

步驟3 當后置升降機構(gòu)越過樓梯沿時，后置升降機構(gòu)向下運動，使后輪接觸第1 個臺階面，即完成了一階臺階下降，如圖9（g）所示。

5 試驗與分析

爬樓梯輪椅樣機[8]如圖10 所示，基于實驗的易操作性，文章搭建出放縮版物理樣機，該樣機質(zhì)量為9.2 kg，外形尺寸為600 mm×500 mm×480 mm。

圖10 爬樓梯輪椅物理樣機Fig.10 Physical prototype of a staircase wheelchair

本研究選取高度較低，臺階面較大的樓梯進行了樣機空載上、下臺階試驗測試，記錄試驗數(shù)據(jù)并剔除粗大誤差等，最終得到數(shù)據(jù)如表1 所示。試驗結(jié)果表明，攀爬一級臺階平均總時長為11.8 s，下降一級臺階平均總時長為12.47 s。該物理樣機距離實際工程樣機有一定差距，但其在某方面驗證仿生輪腿式爬梯底盤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和高效性。

表1 試驗測試Tab.1 Trial test

6 結(jié)語

本研究利用SolidWorks 軟件完成了一款可實現(xiàn)自調(diào)節(jié)底盤保持恒水平穩(wěn)定的仿生輪腿式爬梯底盤結(jié)構(gòu)建模設(shè)計。并借助Altair Inspire 有限元仿真軟件對二連桿裝置、升降軸裝置、中轉(zhuǎn)臂裝置仿真分析，得出各裝置最大應(yīng)力值及分布情況。最后基于ADAMS 軟件對連桿展翼機構(gòu)并結(jié)合FTdesigner 技術(shù)、進行輪攀越臺階和底盤結(jié)構(gòu)負載運動質(zhì)心運動學仿真分析，驗證其運動的穩(wěn)定性、可行性。并研發(fā)了以助老為應(yīng)用點的爬樓梯輪椅物理樣機，開展其多次攀爬及下降一級臺階的試驗。