一種新型四擺臂履帶式救援機器人的行走機構設計
2016-12-30 來源：東南大學機械工程學院 作者：丁豪，錢瑞明
摘要：依據災難救援的現實要求和對國內外救援機器人典型結構的分析比較，提出一種由主體模塊、內擺臂模塊和外擺臂模塊組成的新型行走系統，設計了相應的傳動機構及關鍵尺寸，結合跨越臺階分析了機器人的行走形態及各模塊的運動方式，體現了所設計救援機器人的重心位置調節功能在提高越障能力和越障過程平穩性方面的作用。
關鍵詞：履帶式救援機器人；行走系統；模塊化設計；重心位置調節
0. 引言
救援機器人是移動機器人在災難救援領域中的一種應用。目前問世的救援機器人種類較多，其中具有多地形適應性的移動機構主要有輪式、履帶式、腿足式、多節履帶式(腿履復合式)等類型。此類移動機構在具體應用時常存在越障性、靈活性與機械結構、控制系統開發方面難以協調統一的問題。例如輪式履帶式機器人結構簡單，易于控制，但其越障性能不高，運動靈活性不高；多節履帶式救援機器人具有較多的關節數和自由度數，運動靈活性和地形適應性高，但傳動系統和控制系統復雜【l】。因此，如何使移動機構與功能要求得到最佳匹配，是救援機器人開發與應用的關鍵問題。
現通過對常用四擺臂履帶式救援機器人配置結構的改進，提出一種質心位置可調的新型四擺臂履帶式救援機器人結構方案，并完成行走系統的設計。與傳統的四擺臂履帶式機器人相比，該結構最大的創新點在于取消了主體履帶．加強了4個擺臂的作用．同時通過對主體模塊的轉動控制．可以調整質心位置和變換觸地的擺臂履帶。該機器人綜合了多節履帶式救援機器人的優點，具有較強的地形適應能力和越障能力。同時該機器人整體結構布局緊湊，具有一定的對稱性，且未增加自由度和控制難度。
1.救援機器人行走系統方案設計
目前。國內外均較為重視救援機器人的研制工作，并取得一定的研究成果。日本東京工業大學廣瀨研究室從仿生的角度和基于超機械系統的思想先后研制了AcM、GENBU與soRYu等多款救援機器人樣機．可在各種狹小場所甚至水下進行救援【2】。美國“機器人輔助搜救中心”已經投入災難救援現場使用的8種機器人。包含了輪式、腿式、腿履復合式等多種結構，在現場取得較好效果。在我國，中國科學院沈陽自動化研究所以及各大高等院校均開展了有關救援機器人的研究【3]。廣州衛富科技公司研制的“衛富”危險作業機器人，采用三節折疊式履帶移動機構，可輕松翻越40咖高的障礙。上下400斜坡和樓梯。沈陽自動化研究所靈蜥系列機器人，采用輪一腿一履帶復合式移動機構。行走方式的不同切換使其具備較強的地面適應力。
救援機器人的越障性能是實際環境特點與機器人機構特點交互作用的結果。在機器人的設計過程中．除了提出滿足基本越障要求的機構方案，還需要根據實際環境對機器人關鍵尺寸的約束。以保證救援機器人具有良好的機動性與越障性能。災難現場環境特點較為復雜，文中所提出救援機器人的設計則是根據R0bocup國際救援機器人大賽所提供的簡化場地考慮的。它可分為結構地形和非結構地形，結構地形包括樓梯、高臺、斜坡等規則地形．非結構地形形狀不規則，但也是規則地形的重組與配合。圖l所示為本課題組前期研制的一種四擺臂履帶式移動機器人，行走系統采用主體模塊和4個擺臂的配置方案。通過對4個擺臂的協調控制使其具有較強的越障性能。該行走系統共有6個自由度，是目前國內外較為常用的結構形式。現對這種多節履帶式行走系統進行改進，主要是取消了主體履帶。改進后的行走系統三維外觀如圖2所示，它由主體模塊、內擺臂模塊和外擺臂模塊組成，控制履帶轉動與擺臂擺動的傳動機構都放置在擺臂內部，空間布局緊湊、對稱；外擺臂可繞擺臂中心軸擺動以輔助越障．主體模塊可圍繞中心軸轉動，以調節重心，增強越障過程中的整體穩定性。
該救援機器人行走方案的設計，主要是強化了4個擺臂的作用。圖3所示為機器人爬臺階時的形態設計圖，圖3(a)表示機器人先以正常姿態行駛至臺階前一定距離，此時內外擺臂并未展開：圖3(b)表示機器人外擺臂擺動至臺階觸停；圖3(c)表示機器人繼續行駛同時外擺臂擺動．此時機器人重心在后；為保證機器人爬臺階過程中的運動平穩性以及驅動力方面考慮，圖3(d)中主體模塊向前轉動一定角度：此后履帶繼續轉動，機器人接近攀爬成功，如圖3(e)所示；圖3(f)中擺臂已恢復水平位置，機器人成功爬上臺階。在整個爬臺階的過程中，機器人充分利用了前后擺臂的支撐作用，以及主體模塊前后擺動、及時調節重心的作用，保證了機器人越障時的平穩性。
2.救援機器人傳動系統方案設計
根據救援機器人行走系統設計要求，當內擺臂模塊與
地面接觸時，機器人存在履帶轉動、主體模塊擺動和2個外擺臂的相對獨立轉動等4個自由度。圖4所示為該機器人一側內外擺臂和主體模塊的傳動機構簡圖(異側結構對稱)。該方案的空間配置使救援機器人結構緊湊、對稱，具有良好的空間利用率。
2．1機器人履帶轉動傳動系統設計
如圖4所示，履帶轉動機構置于外擺臂內部。直流伺服電動機l經自帶的減速器減速后，通過錐齒輪副2帶動外擺臂內傳動短軸3轉動，經過鏈輪4、鏈5形成的鏈傳動將轉動效果傳遞到套筒6上，這樣，套筒即可帶動驅動輪7使得履帶進行轉動。其中，同側的內外擺臂是聯動的，均由同一個電動機提供驅動力。履帶轉動運動傳遞路徑為：1—2—3—5-珥—+6—7。
2．2機器人擺臂擺動傳動系統設計
圖4中擺臂擺動機構置于內擺臂內部。其中，直流伺服電動機12經內部減速器減速后。首先帶動蝸桿13進行轉動。從而蝸輪14繼之轉動．內擺臂內傳動短軸15將轉動效果傳遞到鏈輪16、鏈17形成的鏈傳動，從動鏈輪與擺臂中心軸18是鍵連接的。而軸18與外擺臂擋板通過法蘭固定。從而，電動機驅動可引起外擺臂的擺動。擺臂擺動運動傳遞路徑為：12一13一14一15一16一17一18。值得注意的是，套筒7與擺臂中心軸18是同軸的，二者相對主體中心軸11均可自由轉動，并且通過軸承、法蘭等連接具有擺臂擺動與履帶轉動不同的運動形式，從而實現雙自由度輸出。
2．3機器人主體模塊擺動傳動系統設計
如圖4所示．主體擺動機構置于主體模塊內部。電動機8的輸出軸帶動小齒輪9轉動，并咬著大齒輪10進行公轉，大齒輪通過花鍵與擋圈固定在主體中心軸ll上，而后者靠法蘭固定在內擺臂內側板上。通過合適的框架結
l一主覆帶電動機；2、3一錐齒輪副；4一主覆帶鏈輪；5一主覆
帶傳動鏈；6一套筒；7一覆帶驅動輪；8一主體電動機；9、lO一主
體直齒輪副；11一主體中心軸；12一擺臂電動機；13一蝸桿；14一蝸輪；
15一傳動短軸；16一擺臂鏈輪；17—擺臂傳動鏈；18一擺臂中心軸
圖4機器人傳動方案機構簡圖
構可使小齒輪固定在主體箱上，這樣，主體便可以圍著主軸進行轉動，從而方便整體質心的轉移。
3.救援機器人主參數設計
結合Robocup國際賽事所提供的地形，基于迷宮寬度、高臺、樓梯等結構地形的具體尺寸。可確定機器人的關鍵尺寸。其中，走廊寬度形=l 200嗍，高臺高度日=300 mm，樓梯踏步高^=200 mm，樓梯踏步寬6=250 mm。綜合各項指標，使機器人在滿足越障基本要求下，具有更加緊湊的尺寸。
由于機器人的工作環境具有一定的非結構化和不確定性，機器人在運動過程中與環境的交互作用較為復雜。針對機器人的結構特點及其工作環境。計算時假設【5]：1)環境地面是剛性的；2)環境中無可移動的地形；3)機器人越障過程均為低速、勻速運動。且與環境平穩接觸。
3．1走廊行走
救援機器人最基本的運動需求是在平地走廊內自由行走、轉向。假設車體的寬度為曰，長度為L，且履帶式移動機構可原地零半徑轉向，如圖5所示。因此要滿足該機器人最長對角線長度要小于走廊通道寬度．即：
3．2翻越高臺
救援機器人翻越高臺過程中，擺臂長度必須要高于臺階的高度，并且當擺臂與臺階成某一角度(設a=500)時，
有足夠的驅動力將機器人撐起。擺臂的中心距為L1，內外擺臂的驅動輪、從動輪半徑均為尺，如圖6所示，可得：
3．3爬樓梯
圖6機器人翻越高臺就關節式履帶機器人而言，若使機器人能夠平穩地爬樓梯，避免運動過程中沖擊等造成的不利影響，機器人擺臂長度必須要高于臺階高度，且其展開總長至少能夠跨越3個臺階。如圖7所示，可得：
根據式(1)一式(3)，并結合機器人結構參數和Robocup國際賽事所提供的參數，可得機器人尺寸的理論范圍，再考慮到機器人的內部結構，鏈輪傳動等的設計。最終確定的救援機器人部分關鍵結構尺寸如表l所示。
表1救援機器人總體結構尺寸
4.結語
基于災難實地救援的現實需求，對目前國內外常見的四擺臂履帶救援機器人行走系統進行改進，提出了一種由主體模塊、內擺臂模塊和外擺臂模塊組成的新型行走系統結構，可通過對機器人質心位置的調節，來提高機器人的越障能力和越障過程的平穩性。文中詳盡闡述了機器人的行走方案及其傳動機構。并根據模擬環境確定了機器人的關鍵尺寸．可為該型救援機器人樣機的研制與應用奠定了設計基礎。
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