基于空间曲线啮合轮的六足机器人结构设计与分析

孙磊厚+朱江+刘光新

摘要：为减小六足机器人的体积及优化其结构，设计一种基于空间曲线啮合轮的六足机器人。详细介绍空间曲线啮合轮传动机构及执行机构的特点及设计思路，对机器人的受力情况进行分析。新型机器人结构简单，体积小且成本低。

关键词：六足机器人；空间曲线啮合轮；结构设计

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）06-0028-03

随着科学技术的不断发展，机器人的应用越来越广泛。移动机器人是机器人中的重要分支，其移动机构的主要形式有车轮式、腿足式、履带式、步进式、蠕动式、混合式、蛇行式等。传动机构是机器人的核心部件之一。空间曲线啮合轮传动机构又称空间曲线啮合轮。这种新型传动机构不是基于传统齿轮的空间曲面啮合原理，而是基于空间曲线啮合原理，即实现啮合传动的是一对空间曲线。如图1所示，空间曲线啮合轮传动机构包括主动轮基体、从动轮基体、主动钩杆、从动钩杆。

基于陈扬枝课题组新发明的空间曲线啮合轮传动机构，提出一种六足机器人结构设计。与同类机器人相比，设计完成后的机器人体积更小、传动机构传动比大、所需电动机数目少、结构简单、成本低。

1 机器人结构特点

1.1 传动机构

机器人采用空间曲线啮合轮传动机构，与传统传动机构相比具有以下优点：主动轮与从动轮转速比大，可达20∶1；钩杆直径最小可达0.1 mm，能够实现任意角度的交叉轴传动，有利于缩小机器人体积；质量轻，造价低廉。

1.2 行走步态

六足机器人（见图2）采取三角步态，将六足分为两组，机器人本体左侧的前足16、后足18与右侧的中足14为一组，右侧的前足15、后足13与左侧的中足17为另一组，分别组成2个三角支撑。当一组三角支撑中所有的足同时提起时，另一组三角支撑的三足不动，支撑身体；当提起的三足着地时，依靠足底摩擦力将机器人往前推，两组足循环轮换工作。

六足机器人两组三角步态相位差为0.5π，一组足运动时，另一组足保持原状态，如此轮换运动，通过足底摩擦力实现行走；转向通过转向离合器的结合与分开实现。

电动机3驱动右传动轴5转动，同时带动右传动轴上的主动轮6，21，25转动，主动轮与从动轮进行啮合传动，驱动与从动轮联接的输出轴转动，输出轴通过转向离合器带动凸轮机构转动，从而驱动足行走。左侧结构与右侧相同，电动机2与电动机3旋转方向相反。通过图2可见，左右两侧输出轴的旋转方向相同。机器人只需2台小型电动机即可实现行走与转向，结构简单，易于实现。用简单的程序对机器人进行控制，能够很大程度上简化结构与降低成本。

2 机器人结构设计思路

2.1 空间曲线啮合轮传动机构

根据文献确定主动钩杆的方程为：

主动钩杆螺旋线半径m=5 mm，主动钩杆螺旋线导程p=6π mm，传动比（主动轮与从动轮转速之比）i12=3，主动钩杆数目n1=6，从动钩杆数目n2=18，钩杆直径D=1 mm，主动轮转轴与从动轮转轴夹角为90°。

根据文献可得：主动轮外圆半径R1=m+2D=7 mm；从动轮基圆半径r2=m=45 mm。其中：θe为从动钩杆杆根参数，θe=-π/2；i21为从动轮与主动轮转速之比，i21=1/3。

根据主动钩杆与从动钩杆的曲线方程，使用Pro/E进行实体建模，主动轮与从动轮的模型见图3。

由于主动钩杆与从动钩杆的形状对瞬时传动比有较大影响，所以用Pro/E软件测量主动钩杆与从动钩杆瞬时转速，结果见图4。

从图4中可看出，主动轮与从动轮在转动过程中的速度保持不变，分别为1.5°/s，0.5°/s，因此主动轮与从动轮转速大小之比i21=3；同时，在仿真过程中没有发现主动钩杆与从动钩杆发生干涉现象，验证了参数选择与结构设计的合理性。

2.2 执行机构

如图2所示，执行机构由转向离合器11、凸轮机构12、足13以及滑动杆套19组成。输出轴10联接转向离合器11与凸轮机构12，凸轮机构12联接足13，滑动杆套19一端套在足13上，另一端嵌在箱体20的滑槽内。当转向离合器11结合，输出轴10带动凸轮机构12做匀速圆周运动，滑动杆套19在箱体20滑槽内做水平往复运动，足13做迈步运动。

3 机器人受力分析

空间曲线啮合轮传动机构为六足机器人的核心部件之一，所以有必要对其进行受力分析。在传动过程中，主动钩杆与从动钩杆在啮合点处的受力大小相等、方向相反，所以对主动钩杆进行受力分析即可。

工作时，在啮合点处的电动机输出转矩与啮合力对主动轮转轴的转矩大小相等、方向相反。主动轮与从动轮的材料选用不锈钢，设定电动机最大允许输出转矩为150 N·mm，经过计算确定应在钩杆顶部（图5中1处）施加的力Fx约为20 N，Fy约为15 N，Fz约为-7 N。通过ANSYS软件求解可得出，主动钩杆的受力与变形情况如图5和图6所示。

从图5中可以看到，在钩杆的根部（图5中2处）受到的应力最大。从图6中可以看到，钩杆的最大变形量发生在顶部（图6中3处）。通过ANSYS计算可知，最大变形量为0.063 μm。钩杆变形量微小，在允许范围内，确定以上设计的主动轮与从动轮结构可以满足六足机器人的行走要求。

4 结论

1） 采用空间曲线啮合轮传动机构（下转第31页）设计的六足机器人主要由主动轮、从动轮、转向离合器、凸轮机构以及足组成，结构清晰简单。

2）主动轮钩杆与从动轮钩杆直径最小可达0.1 mm，能够实现任意角度的交叉轴啮合传动，有利于缩小机器人体积，特别是微小空间内的机器人。

3）机器人只需要2个电动机即可实现行走与转向，程序编写简单，便于工作人员操作，成本低。

参考文献

[1] 杨斌久.基于ADAMS技术的3-TPT并联机器人机构动态仿真[J].机械制造，2004（7）：14-15.

[2] CHEN YANG-ZHI，XIANG XIAOYONG， LUOLIANG.A Corrected Equation of Space Curve Meshing[J].Mech Mach Theory，2009（44）： 1 348-1 359.

[3] 罗亮.空间曲线啮合轮重合度及其参数设计公式[D].广州：华南理工大学，2009.

[4] 胡强.空间曲线啮合轮机构的弹性变形失效准则及强度设计公式[D].广州：华南理工大学，2010.

摘要：为减小六足机器人的体积及优化其结构，设计一种基于空间曲线啮合轮的六足机器人。详细介绍空间曲线啮合轮传动机构及执行机构的特点及设计思路，对机器人的受力情况进行分析。新型机器人结构简单，体积小且成本低。

关键词：六足机器人；空间曲线啮合轮；结构设计

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）06-0028-03

随着科学技术的不断发展，机器人的应用越来越广泛。移动机器人是机器人中的重要分支，其移动机构的主要形式有车轮式、腿足式、履带式、步进式、蠕动式、混合式、蛇行式等。传动机构是机器人的核心部件之一。空间曲线啮合轮传动机构又称空间曲线啮合轮。这种新型传动机构不是基于传统齿轮的空间曲面啮合原理，而是基于空间曲线啮合原理，即实现啮合传动的是一对空间曲线。如图1所示，空间曲线啮合轮传动机构包括主动轮基体、从动轮基体、主动钩杆、从动钩杆。

基于陈扬枝课题组新发明的空间曲线啮合轮传动机构，提出一种六足机器人结构设计。与同类机器人相比，设计完成后的机器人体积更小、传动机构传动比大、所需电动机数目少、结构简单、成本低。

1 机器人结构特点

1.1 传动机构

机器人采用空间曲线啮合轮传动机构，与传统传动机构相比具有以下优点：主动轮与从动轮转速比大，可达20∶1；钩杆直径最小可达0.1 mm，能够实现任意角度的交叉轴传动，有利于缩小机器人体积；质量轻，造价低廉。

1.2 行走步态

六足机器人（见图2）采取三角步态，将六足分为两组，机器人本体左侧的前足16、后足18与右侧的中足14为一组，右侧的前足15、后足13与左侧的中足17为另一组，分别组成2个三角支撑。当一组三角支撑中所有的足同时提起时，另一组三角支撑的三足不动，支撑身体；当提起的三足着地时，依靠足底摩擦力将机器人往前推，两组足循环轮换工作。

六足机器人两组三角步态相位差为0.5π，一组足运动时，另一组足保持原状态，如此轮换运动，通过足底摩擦力实现行走；转向通过转向离合器的结合与分开实现。

电动机3驱动右传动轴5转动，同时带动右传动轴上的主动轮6，21，25转动，主动轮与从动轮进行啮合传动，驱动与从动轮联接的输出轴转动，输出轴通过转向离合器带动凸轮机构转动，从而驱动足行走。左侧结构与右侧相同，电动机2与电动机3旋转方向相反。通过图2可见，左右两侧输出轴的旋转方向相同。机器人只需2台小型电动机即可实现行走与转向，结构简单，易于实现。用简单的程序对机器人进行控制，能够很大程度上简化结构与降低成本。

2 机器人结构设计思路

2.1 空间曲线啮合轮传动机构

根据文献确定主动钩杆的方程为：

主动钩杆螺旋线半径m=5 mm，主动钩杆螺旋线导程p=6π mm，传动比（主动轮与从动轮转速之比）i12=3，主动钩杆数目n1=6，从动钩杆数目n2=18，钩杆直径D=1 mm，主动轮转轴与从动轮转轴夹角为90°。

根据文献可得：主动轮外圆半径R1=m+2D=7 mm；从动轮基圆半径r2=m=45 mm。其中：θe为从动钩杆杆根参数，θe=-π/2；i21为从动轮与主动轮转速之比，i21=1/3。

根据主动钩杆与从动钩杆的曲线方程，使用Pro/E进行实体建模，主动轮与从动轮的模型见图3。

由于主动钩杆与从动钩杆的形状对瞬时传动比有较大影响，所以用Pro/E软件测量主动钩杆与从动钩杆瞬时转速，结果见图4。

从图4中可看出，主动轮与从动轮在转动过程中的速度保持不变，分别为1.5°/s，0.5°/s，因此主动轮与从动轮转速大小之比i21=3；同时，在仿真过程中没有发现主动钩杆与从动钩杆发生干涉现象，验证了参数选择与结构设计的合理性。

2.2 执行机构

如图2所示，执行机构由转向离合器11、凸轮机构12、足13以及滑动杆套19组成。输出轴10联接转向离合器11与凸轮机构12，凸轮机构12联接足13，滑动杆套19一端套在足13上，另一端嵌在箱体20的滑槽内。当转向离合器11结合，输出轴10带动凸轮机构12做匀速圆周运动，滑动杆套19在箱体20滑槽内做水平往复运动，足13做迈步运动。

3 机器人受力分析

空间曲线啮合轮传动机构为六足机器人的核心部件之一，所以有必要对其进行受力分析。在传动过程中，主动钩杆与从动钩杆在啮合点处的受力大小相等、方向相反，所以对主动钩杆进行受力分析即可。

工作时，在啮合点处的电动机输出转矩与啮合力对主动轮转轴的转矩大小相等、方向相反。主动轮与从动轮的材料选用不锈钢，设定电动机最大允许输出转矩为150 N·mm，经过计算确定应在钩杆顶部（图5中1处）施加的力Fx约为20 N，Fy约为15 N，Fz约为-7 N。通过ANSYS软件求解可得出，主动钩杆的受力与变形情况如图5和图6所示。

从图5中可以看到，在钩杆的根部（图5中2处）受到的应力最大。从图6中可以看到，钩杆的最大变形量发生在顶部（图6中3处）。通过ANSYS计算可知，最大变形量为0.063 μm。钩杆变形量微小，在允许范围内，确定以上设计的主动轮与从动轮结构可以满足六足机器人的行走要求。

4 结论

1） 采用空间曲线啮合轮传动机构（下转第31页）设计的六足机器人主要由主动轮、从动轮、转向离合器、凸轮机构以及足组成，结构清晰简单。

2）主动轮钩杆与从动轮钩杆直径最小可达0.1 mm，能够实现任意角度的交叉轴啮合传动，有利于缩小机器人体积，特别是微小空间内的机器人。

3）机器人只需要2个电动机即可实现行走与转向，程序编写简单，便于工作人员操作，成本低。

参考文献

[1] 杨斌久.基于ADAMS技术的3-TPT并联机器人机构动态仿真[J].机械制造，2004（7）：14-15.

[2] CHEN YANG-ZHI，XIANG XIAOYONG， LUOLIANG.A Corrected Equation of Space Curve Meshing[J].Mech Mach Theory，2009（44）： 1 348-1 359.

[3] 罗亮.空间曲线啮合轮重合度及其参数设计公式[D].广州：华南理工大学，2009.

[4] 胡强.空间曲线啮合轮机构的弹性变形失效准则及强度设计公式[D].广州：华南理工大学，2010.

摘要：为减小六足机器人的体积及优化其结构，设计一种基于空间曲线啮合轮的六足机器人。详细介绍空间曲线啮合轮传动机构及执行机构的特点及设计思路，对机器人的受力情况进行分析。新型机器人结构简单，体积小且成本低。

关键词：六足机器人；空间曲线啮合轮；结构设计

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）06-0028-03

随着科学技术的不断发展，机器人的应用越来越广泛。移动机器人是机器人中的重要分支，其移动机构的主要形式有车轮式、腿足式、履带式、步进式、蠕动式、混合式、蛇行式等。传动机构是机器人的核心部件之一。空间曲线啮合轮传动机构又称空间曲线啮合轮。这种新型传动机构不是基于传统齿轮的空间曲面啮合原理，而是基于空间曲线啮合原理，即实现啮合传动的是一对空间曲线。如图1所示，空间曲线啮合轮传动机构包括主动轮基体、从动轮基体、主动钩杆、从动钩杆。

基于陈扬枝课题组新发明的空间曲线啮合轮传动机构，提出一种六足机器人结构设计。与同类机器人相比，设计完成后的机器人体积更小、传动机构传动比大、所需电动机数目少、结构简单、成本低。

1 机器人结构特点

1.1 传动机构

机器人采用空间曲线啮合轮传动机构，与传统传动机构相比具有以下优点：主动轮与从动轮转速比大，可达20∶1；钩杆直径最小可达0.1 mm，能够实现任意角度的交叉轴传动，有利于缩小机器人体积；质量轻，造价低廉。

1.2 行走步态

六足机器人（见图2）采取三角步态，将六足分为两组，机器人本体左侧的前足16、后足18与右侧的中足14为一组，右侧的前足15、后足13与左侧的中足17为另一组，分别组成2个三角支撑。当一组三角支撑中所有的足同时提起时，另一组三角支撑的三足不动，支撑身体；当提起的三足着地时，依靠足底摩擦力将机器人往前推，两组足循环轮换工作。

六足机器人两组三角步态相位差为0.5π，一组足运动时，另一组足保持原状态，如此轮换运动，通过足底摩擦力实现行走；转向通过转向离合器的结合与分开实现。

电动机3驱动右传动轴5转动，同时带动右传动轴上的主动轮6，21，25转动，主动轮与从动轮进行啮合传动，驱动与从动轮联接的输出轴转动，输出轴通过转向离合器带动凸轮机构转动，从而驱动足行走。左侧结构与右侧相同，电动机2与电动机3旋转方向相反。通过图2可见，左右两侧输出轴的旋转方向相同。机器人只需2台小型电动机即可实现行走与转向，结构简单，易于实现。用简单的程序对机器人进行控制，能够很大程度上简化结构与降低成本。

2 机器人结构设计思路

2.1 空间曲线啮合轮传动机构

根据文献确定主动钩杆的方程为：

主动钩杆螺旋线半径m=5 mm，主动钩杆螺旋线导程p=6π mm，传动比（主动轮与从动轮转速之比）i12=3，主动钩杆数目n1=6，从动钩杆数目n2=18，钩杆直径D=1 mm，主动轮转轴与从动轮转轴夹角为90°。

根据文献可得：主动轮外圆半径R1=m+2D=7 mm；从动轮基圆半径r2=m=45 mm。其中：θe为从动钩杆杆根参数，θe=-π/2；i21为从动轮与主动轮转速之比，i21=1/3。

根据主动钩杆与从动钩杆的曲线方程，使用Pro/E进行实体建模，主动轮与从动轮的模型见图3。

由于主动钩杆与从动钩杆的形状对瞬时传动比有较大影响，所以用Pro/E软件测量主动钩杆与从动钩杆瞬时转速，结果见图4。

从图4中可看出，主动轮与从动轮在转动过程中的速度保持不变，分别为1.5°/s，0.5°/s，因此主动轮与从动轮转速大小之比i21=3；同时，在仿真过程中没有发现主动钩杆与从动钩杆发生干涉现象，验证了参数选择与结构设计的合理性。

2.2 执行机构

如图2所示，执行机构由转向离合器11、凸轮机构12、足13以及滑动杆套19组成。输出轴10联接转向离合器11与凸轮机构12，凸轮机构12联接足13，滑动杆套19一端套在足13上，另一端嵌在箱体20的滑槽内。当转向离合器11结合，输出轴10带动凸轮机构12做匀速圆周运动，滑动杆套19在箱体20滑槽内做水平往复运动，足13做迈步运动。

3 机器人受力分析

空间曲线啮合轮传动机构为六足机器人的核心部件之一，所以有必要对其进行受力分析。在传动过程中，主动钩杆与从动钩杆在啮合点处的受力大小相等、方向相反，所以对主动钩杆进行受力分析即可。

工作时，在啮合点处的电动机输出转矩与啮合力对主动轮转轴的转矩大小相等、方向相反。主动轮与从动轮的材料选用不锈钢，设定电动机最大允许输出转矩为150 N·mm，经过计算确定应在钩杆顶部（图5中1处）施加的力Fx约为20 N，Fy约为15 N，Fz约为-7 N。通过ANSYS软件求解可得出，主动钩杆的受力与变形情况如图5和图6所示。

从图5中可以看到，在钩杆的根部（图5中2处）受到的应力最大。从图6中可以看到，钩杆的最大变形量发生在顶部（图6中3处）。通过ANSYS计算可知，最大变形量为0.063 μm。钩杆变形量微小，在允许范围内，确定以上设计的主动轮与从动轮结构可以满足六足机器人的行走要求。

4 结论

1） 采用空间曲线啮合轮传动机构（下转第31页）设计的六足机器人主要由主动轮、从动轮、转向离合器、凸轮机构以及足组成，结构清晰简单。

2）主动轮钩杆与从动轮钩杆直径最小可达0.1 mm，能够实现任意角度的交叉轴啮合传动，有利于缩小机器人体积，特别是微小空间内的机器人。

3）机器人只需要2个电动机即可实现行走与转向，程序编写简单，便于工作人员操作，成本低。

参考文献

[1] 杨斌久.基于ADAMS技术的3-TPT并联机器人机构动态仿真[J].机械制造，2004（7）：14-15.

[2] CHEN YANG-ZHI，XIANG XIAOYONG， LUOLIANG.A Corrected Equation of Space Curve Meshing[J].Mech Mach Theory，2009（44）： 1 348-1 359.

[3] 罗亮.空间曲线啮合轮重合度及其参数设计公式[D].广州：华南理工大学，2009.

[4] 胡强.空间曲线啮合轮机构的弹性变形失效准则及强度设计公式[D].广州：华南理工大学，2010.