轮履复合机器人行走机构的设计及运动学分析

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移动机器人作为机器人的-个重要分支，在侦察、巡视、警戒、扫雷排险等危险与恶劣环境中有着广阔的应用前景。目前，机器人有三种类型的移动结构：轮式、履带式和腿式。轮式机器人具有结构简单、高速度、控制简单、运动稳定和低能耗等优点，但是它不适合于跨越像沟壑、台阶、楼梯等障碍，越障能力差。履带式结构的机器人相比轮式结构的机器人有着较强的地形适应能力，在陡峭地形、复杂环境下有着较高的越障能力和良好的环境适应性，但由于存在较大的摩擦阻力，其能耗很高且运动速度低。腿式机器人是最灵活的运动机构，但是，腿式机器人通常具有复杂的机械结构并且控制复杂 ，想要实现稳定高速的行走 ，还有诸多难题需要解决I 。

针对轮式结构的机器人和履带式结构的机器人各自的不足，提出了-种轮履复合机器人行走机构的设计方案。机器人通过 自身的可变形履带单元既可采用车轮方式前行，又可采用履带方式前行。采用车轮方式行走时，机器人具有速度高 、灵活性好 、能耗低等特点；采用履带方式行走时，机器人具有良好的越障能力和很好的环境适应性等优势。

2轮履复合机器人的结构特点轮履复合机器人结构，如图1所示。中间箱体及4个可变形履带单元等部分组成，采用拈化设计，按左右对称式结构布局。中间箱体可以装载电动机、机械臂、传感器、控制硬件、电池等，它是机器人的运载平台，在运动中保持水平姿态。机器 的4个可变形履带单元都是运动单元，其运动可以单独控制。每个可变形履带单元通过与其两侧配合的驱动轮摩擦传动。轮式移动和履带式移动进行复合，机器人具有结构紧凑、体积较型机构可重构等特点。

3轮履复合机器人行走机构的设计3.1轮履变体轮的设计机器人通过位于两驱动轮内部的伸展机构的伸展使得可变形弹性履带展成三角状。当伸展机构收回到两驱动轮内部时，可变形履带在弹性力作用下会收缩成圆形状。轮-履变体轮的三维模型，如图2所示。伸展机构采用的是两套可以联动的曲柄摆杆机构，它位于两驱动轮之间，曲柄与连杆之间及连杆与摆杆之间通过螺钉连接。摆杆通过销钉铰接在固定盘上。固定盘与中间箱体保持相对静止。其三维模型，如图3所示。为了尽量减轻机器人的质量，除了在结构上采取相应减轻重量的措施，还在满足受力、来稿日期：2012-09-04基金项目：军事医学科学院军事医学创新基金项目(2O12CxTTo07作者简介：司跃元，(1987-)，男，山东枣庄人，硕士研究生，主要研究方向：机器人技术；赵新华，(1962-)，男，天津人，教授，博导，主要研究方向：机器人技术192 司跃元等：轮履复合机器人行走机构的设计及运动学分析 第7期摩擦、传动等前提下，选用小密度的轻金属材料。如驱动轮采用铝合金、钛合金等轻质材料∩变形履带采用硅橡胶材料。

左后I。 Ir单元间箱体右后变形履带单元 右前变形履带单元后退二： 前进1.固定盘 2曲柄 3.连杆 4摆杆图3伸展机构的三维模型Fig.3 Three-Dimensional Model of Stretching Mechanism3.2行走传动系统的设计轮履复合机器人行走传动系统示意图，如图4所示。为使-个中心线上实现多个运动的传递和满足多自由度输出的需要，传动系统采用了内外套轴的传动形式。轴承嵌入到相应轴内，同心轴的外径尺寸设计为轴承的内圈尺寸。这样，节省了内部空间和避免了运动干涉，使传动设计简化。13(b驱动轮)通过螺钉与 22(轴 6)相连接，10(内驱动轮)通过螺钉与 15(轴 4)相连接 ，张开机构的曲柄与14(轴 3)通过销轴固定。13(9驱动轮)的传动路径如下：2(驱动电机)-3(减速器)- (联轴器 1)-5(齿轮 1)-2l(齿轮 6)-22(轴 6)-13(外驱动轮)；内驱动轮的传动路径如下：2(驱动电机)-3(减速器)-'4(联轴器 1)- (轴 1)- (齿轮 3)-16(齿轮2) 15(轴 4)-10(内驱动轮)；张开机构的传动路径如下：20(涡轮蜗杆减速电机)-l9(联轴器 2)-l8(轴5)-17(齿轮 5)(齿轮2) 14(轴 3)-张开机构。5(齿轮 1)和21(齿轮6)的啮合传动比与9(齿轮3)和 16(齿轮4)的啮合传动比相同，这样内外两驱动轮就获得相同的转速，可以实现两轮同步前行，借助驱动轮表面与履带表面摩擦，驱动弹性橡胶履带前进卷绕运动。

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 131.编码盘 2.驱动电机 3.减速器 4联轴器 1 5.齿轮 1 6.齿轮2 7.轴 18.轴架 9.齿轮 3 10.内驱动轮 1 1.轴2 12.固定盘 l3夕 驱动轮 14轴3l5.轴 4 16.齿轮4 17.齿轮5 18.轴 5 19.联轴器 220.涡轮蜗杆减速电机 21.齿轮6 22.轴 6图4轮履复合机器人行走传动系统示意图Fig.4 Diagram of Transmission System for Robot4行走机构运动学分析4。1车轮行进时的运动学分析机器人轮式行走的模型，如图5所示〃立的坐标系如图所示，其中XOY为固定在地面上的平面坐标系，xoy为通过机器人质心 o(几何中心)的坐标系。

图5机器人轮式行走模型Fig.5 Model of Robot Walking with Wheel选鳃器人质 L，o为运动参考点，设机器人质心的线速度为，角速度为埘，则：因为机器人是由四个驱动轮驱动的，机器人右侧两个驱动电机的角速度为 ，左侧两个驱动电机的角速度为 。，设左侧驱动轮与右侧驱动轮之间的距离为f，驱动轮的半径为则：埘 l r 2rW 1 rZ(2)只要适当控制驱动轮的速度和方向便可实现机器人在平面内前进 、后退和以任意半径转弯等功能131。

4.2履带行进时的运动学分析4.2.1机器人越沟壑当机器人遇到沟壑时，可变形履带呈现三角状，所能越过的O 0 1 o g g g口 No.7July.201 3 机械设计与制造 193沟壑宽度撒于机器人质心的位置和变形履带的接地长度，要保证当机器人质心M在超过沟壑左边界之前，机器人前端变形履带要达到沟壑的右边界，当机器人后端履带脱离沟壑左边界时，机器人质心要到达沟壑的右边界，否则机器人会发生倾翻而坠人沟壑中。机器人越沟壑的过程，如图6所示。 因为机器人的质心为其几何中心，可以得出，机器人所能越过的沟壑宽度要满足D L，式中： -机器人车体的长度；D-沟壑的宽度。

图 6机器人越沟壑的过程Fig.6 Course of Robot Surmounting Ditch4.2.2机器人爬坡当机器人所爬越斜坡超过-定角度时，就会发生倾翻现象，而不能顺利通过斜坡。机器人爬坡过程，如图 7所示。

图7机器人爬坡的过程Fig.'/Course of Robot Climbing Slope机器人如果能稳定上坡而不发生倾翻现象，就得使质心铅垂线在前后辅助轮与地面支撑点之间，当质心铅垂线通过后辅助轮与斜面的支撑点时，此时机器人达到临界稳定状态，临界状态对应的斜面坡度即是机器人能顺利攀爬斜面的最大坡度，由图7的几何关系可知：atan 鲁 (3)此外 ，履带与地面的附着因数也会影响机器人所能顺利爬坡的最大坡度，由于履带的驱动力是来自地面对履带的附着力，故当机器人在附着因数为A的地面上行驶时有： ～tan A(4)综上所述，轮履复合机器人发生倾翻的临界角 如以下关系所示：当鲁>A，aantan A (5)当