机器人轮履复合式行走机构设计及运动仿真

2014-04-26黄小平金春花

长沙民政职业技术学院学报 2014年3期

关键词：行走机构履带车轮

黄小平金春花黎苇

（九江职业大学，江西九江 332000）

机器人轮履复合式行走机构设计及运动仿真

黄小平金春花黎苇

（九江职业大学，江西九江 332000）

在分析总结现有轮式机器人越障碍方案的基础上，改进设计了一种履带摆臂式越障碍驱动组件和四轮转向驱动组件。机器人结构主要由四轮驱动组件、转弯组件和履带摆臂组件构成，通过零部件的设计，绘制出机器人的零件图及装配图，通过SolidWorks三维建模软件进行三维实体建模，建立了轮履复合式机器人的虚拟样机模型，对机架进行有限元分析，并对所研制的履带摆臂越障碍机器人的车轮行走机构进行了仿真分析，验证了本设计原理方案的可行性和结构设计的正确性。

轮履复合式；机器人；有限元分析；SolidWorks；运动仿真

1．机器人轮履复合式行走机构关键结构

在整个机器人系统设计中,运动系统机构形式的选择通常是一个首要的问题。要求机器人的移动机构要具有很大的灵活性,而且特别强调在小型机器人前提下的机器人越障能力,因此机器人机构必须能够提供有效的运动方式。通过对轮式、履带式、足式等不同移动机构运动特性的综合分析,结合设计需求和性能指标的具体要求,提出了一种小型轮履复合式移动机器人机构,兼顾了机器人的高速运动特性和越障能力。

机器人的基本结构由4个车轮、4个摆臂和车体构成，由车轮和摆臂履带所构成的4个运动对称布置在车体的两侧。在每个运动单元中，除了旋转驱动自由度以外，还有履带摆臂绕中心轴的摆动自由度。由于二者位于同一个中心轴上，所以要求在一个中心线上实现两个运动的传递。为此采用了内外轴的传递形式来实现。图1表示了一个运动单元的传动机构形式。由两个DC电机经过两对末级减速齿轮分别将动力传递给内轴和外轴，内轴通过车轮连接件驱动车轮的旋转运动，而外轴则通过凸缘结构与摆臂相连来驱动摆臂的摆动。驱动电机采用Maxon DC电机，该集成了行星齿轮减速器和光电码盘，具有体积小、质量轻、输出转矩大的特点。在电机的输出轴采用了末级齿轮减速传动方式，一方面可以错开驱动中心轴的位置，满足内外轴传动要求，另一方面可以减小电机在轴向的直接受力，同时可以实现电机在车体内的空间紧凑布局，以便减小车体的横向尺寸，满足机器人小型化的要求。内外轴的具体装配结构如图2所示。

图1 运动单元的传动机构Fig1.1 Transmission of the motor unit

图2 内外轴装配结构Fig1.2 Inside and outside the shaft assembly structure

2．轮履复合式行走机构原理

2.1 轮式机构工作原理

机器人履带腿上摆，四轮着地。该模式用以实现机器人长距离快速高效的运动要求，可以前进、后退、转弯、减小机器人占地空间，减小摩擦，提高运动的灵活性。驱动电机经齿轮传动到中心轴，再传至车轮，从而驱动车轮转动。每个车轮都由独立的电机转动，而且前后两对轮都采取了中间断轴的形式。四个电机获得相同转速，即车轮得到相同的转速，机器人即可实现在平直路面上行驶。在弯道上行驶时，使左右两侧的电机获得不同的转速，从而使车轮获得不同的转速，即可顺利实现转弯。

2.2 履带机构工作原理及结构设计

驱动电机经齿轮传动到套筒，再传至大履带轮，大履带驱动轮经内轴传递旋转动力。通过履带腿支撑杆连接孔与外轴凸缘相连接来传递履带腿的摆动运动。每个履带腿机构都具有2自由度，即履带本身旋转运动和整个履带腿绕驱动轴摆动。履带腿由自由履带轮、驱动履带轮和履带及其支撑张紧机构组成。对于履带传动必须要有张紧机构，常用的张紧方法是采用支撑轮和压紧轮的方式。但是在本设计中若要采用这种方式，就需要有四套这样的张紧装置，这样一来不仅使得机构的设计更加复杂，而且使整个机器人的质量大大增加，不仅不能符合轻量化的设计要求，而且会使得机构运行不灵巧。为此，在设计中采用了简洁的螺钉拉紧、端面压紧的装置。具体方案是在小履带轮端的摆臂杆侧面设计一滑动槽，在槽内镶嵌一滑块机构，滑块机构用四个锁紧螺栓来锁紧，并通过螺钉将履带拉紧。

为了满足轻量化的要求，在材料的选择上也需斟酌选择。在满足受力、摩擦等条件的前提下，选择密度较小、质量轻、耐磨性较好的非金属材料，如尼龙和聚碳酸醋等也可减小整机的重量，但对于那些传动件、摩擦件、受力件较大的零件依然要选择金属材料，以满足其刚度要求。图3为机器人行走机构示意图：

图3 轮履复合行走机构Fig2.1 Round shoe composite running gear

3．行走机构运动仿真

3.1 创建仿真模型并进行仿真

创建模型即是将零部件按照一定要求进行装配。分别把车轮、轴和轴承座插入，然后按结合面装配。将装配好的行走机构模型，在装配环境下直接进入仿真环境。进行仿真之前，将轴承座设为静止零部件，其它设置为运动零部件，基本连接关系生成以后，根据实际需要，我们还要添加生成一些约束，将车轮和轴的固定约束、轴和轴承座的旋转副，力的单位设置为，仿真动画时间间隔为，帧数为100，由COSMOS/Motion直接把轴和车轮进行固定定义，在这里由于COSMOS/Motion和Solid-Works出自同一个开发平台，所以在这里可以自动识别在Solid-Works中装配行走机构模型时零件之间的旋转副。各参数及约束设置完毕后进行仿真，将仿真过程录制成动画进行保存，将速度及加速度绘制成曲线进行保存。

3.2 仿真结果

对模型进行施加运动和施加载荷，在分析模型后可以输出仿真结果。将分析结果保存为图标形式，并绘制曲线，如图4所示。