多运动态可重构轮履复合式机器人机械设计

移动机器人可携带多种载荷进入危险或未知的环境执行任务适用于生产、国防和科学研究等多个领域,已经在空间探测、灾害救援、防暴反恐、消防救险等任务中发挥重要作用.根据运动形态,地面移动机器人可分为轮式、履带式、腿式、轮腿复合、轮履复合等多种结构形式.轮式机器人具有结构简单、效率高、质量轻和易于控制等优点适应于平坦、不易沉陷的地形环境,新型轮系和悬架使轮式机器人在空间探测和高速平台等方面得到广泛应用.履带式移动机构结构紧凑、越野能力强目前应用于机器人的移动结构主要包括两平行履带结构、鳍状肢履带结构、四履带结构5-1和六履带结构等.

相对于传统的地面移动机器人,可重构机器人能根据工作环境的变化改变自身构型,从而具有更强的适应能力.针对两平行履带结构越障能力弱的特点,Yamauchi研制了采用鳍状肢履带结构的Packbot系列机器人,黑沫提出了基于平行四边形机构的可变形履带机器人李智卿等研制了通过改变履带轮和运动轮位置实现轮一履多姿态转换的NEZA-1机器人.Paillat等研制的B2P2机器人实现了轮轴之间角度和距离的变化距离调节由长螺杆机构完成.吴兴研制的变体轮通过液压传动机构直连伸展臂来控制伸展臂的展开和收回.以色列埃尔比特系统公司推出了一款具有轮履复合功能的可重构履带机器人(VIPeR),其履带变形机构可将整根履带收缩于轮体内,从而使机器人具有轮式和履带式两种运动形态,但不具备翻转运动形态.李海泓等研制的轮履变结构反恐机器人转动传动轴带动曲柄支撑摆杆,实现形态转换,体积小、便于携带.

本文进行了不同于上述机器人的一种可重构轮履复合式移动机器人新型结构设计模式转换通过并行四连杆机构实现,并进行了仿真优化变形结构可靠性高变形轨迹优良.样机见图1其具有轮式、履带式和翻转3种运动形态,实现了优越的沙地行进、原地转向、攀爬越障、翻倒后行进等多种功能.

1 基本原理

1.1 机器人结构

机器人的机械结构如图1,由变形履带、形态转换机构、翻转机构、车体和控制系统构成.变形履带的结构见图2.履带采用3层结构,由弹性层、啮合层和约束层构成.内层为弹性层,采用弹性材料主要作用是提供预紧力并适应履带长度的变化;中间层为啮合层离散分布的履带条与履带轮啮合传递运动与动力;外层为约束层,保证变形履带完全展开的总长恒定,不受弹性层的影响.
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机器人运动模式的重构由形态转换机构实现,形态转换机构的结构和原理如图3所示,其中,电机、蜗轮蜗杆、主轴、驱动架和空套轴构成驱动系统,为轮履变换过程提供驱动力.V型连杆、T型连杆和连杆A、B、E、F共同构成两套并联的四连杆机构用于与变形履带配合实现轮式和三角履带两种行进模式的变换.机器人形态转换机构的T型连杆、蜗轮与主轴固联,V型连杆、驱动架和空套轴三者固联并可相对主轴旋转.
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轮-履转换过程如图4所示,形态转换机构内置于车轮内部时,如图4(a),机器人处于轮式行进模式在变形层弹性力作用下履带条与履带轮完全啮合保证啮合随带轮转动.
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机器人需重构为履带模式时,电机驱动蜗杆相对蜗轮作空间运动,带动驱动架和V型连杆相对主轴轴线旋转,V型连杆驱动并联的两套四连杆机构展开如图4(b),同时在形态转换机构的作用下,变形履带弹性层拉伸变长.当V型连杆运动到如图4(c)所示极限位置时,形态转换机构完全展开整个履带完全展开呈三角形约束层被完全拉伸,并承受带轮的驱动力限制履带的变形履带条与履带轮分组啮合传递运动从而实现了机器人的轮履转换

1.2 机器人运动形态

机器人通过调整自身机构能实现轮式(图5(a))、履带式(图5(b))和翻转(图5(c))3种运动形态.机器人处于翻转形态时,在稳定架提供的反力矩作用下,三角履带轮整体绕主轴翻转.
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2 运动学与驱动力矩分析

2.1 形态转换机构运动学分析

对应图3所示的轮履形态转换机构设计模型,取T型连杆为机架构件(固定件)以履带轮圆心为参考点在图6所示的直角坐标系的基础上建立形态转换机构的参数化几何模型图6中:

1)履带轮圆心为A,其半径为R;履带支撑轮的圆心分别为F和J半径为r;

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