基于鉸鏈六桿機構的變形式履帶機器人結構設計

張 禹，劉萬聰

(沈陽工業大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110870)

0 引言

生活中一些自然災害和意外災害時有發生,如火災、地震、泥石流、瓦斯爆炸等，使得人類無法進入這些危險環境勘察現場及時救援，這時可以使用移動機器人代替人類進入現場，探測未知環境。移動機器人種類很多，其中履帶式機器人是在輪式機器人的基礎上加以改造而成，通過履帶與地面直接接觸形成較大的作用面，可以在惡劣環境或野外進行作業[1]，能夠應用于各種復雜多變的路面。

履帶式移動機器人由于具有很好的環境適應能力，因而在民用、工業領域[2]得以廣泛應用，其更為顯著的特點是能夠在松軟地面平穩運行，不易打滑，其機動性能好，在越障方面更勝一籌。此外，還可以根據實際需要，在履帶式移動機器人上架構武器平臺或機械手，用于廢料處理[3]或實現反恐[4]、排爆[5]、偵查和突擊功能等，有利于在軍用[6]上發揮其整體性功能。正是由于履帶式移動機器人這些獨特的優點，因而其具有廣闊的應用前景，成為眾多科研人員的研究對象。

1 自適應被動變形履帶機器人

本文在傳統的單節雙履帶式移動機器人基礎之上提出一種基于鉸鏈六桿機構具有自適應被動變形能力的履帶式機器人。該機器人本體由車體模塊、被動自適應變形履帶模塊和擺臂模塊三個模塊構成，如圖1所示。在設計過程中采用模塊化設計方法將機器人的行走機構分解成多個相對簡單的模塊，方便制造、裝配并且具有更好的擴展性。機器人采用履帶式移動機構，履帶外廓的履齒與地面接觸方式為面接觸，接觸面積大，摩擦力大，可以產生較大的驅動力，具有很好的地面適應性。

2 變形履帶模塊結構設計

2.1 自適應被動變形機構

自適應被動變形機構(變形履帶模塊)是機器人移動平臺的核心部分，主要由15個零部件組成，如圖2所示。其中由后調節桿、上調節桿、主調節桿、機架組成的四桿機構，以及由兩個前調節桿、主調節桿、機架組成的四桿機構共同構成一組鉸鏈六桿機構，以實現履帶輪廓的被動自適應變形。

1-車體模塊;2-被動自適應變形履帶模塊;3-擺臂模塊

2.2 變形復位機構

在圖2中，主調節桿上設有兩個彈簧上接口，在張緊輪和機架處分別設有一個彈簧下接口，緩沖彈簧和復位彈簧兩端固定于上、下接口處作為模塊的變形復位機構，其作用主要有以下幾點：

(1) 緩沖作用:機器人自身結構的穩定性是其在非結構化環境中平穩行進、安全作業的保證，而緩沖彈簧可以起到很好的減震作用，從而提高機器人的抗沖擊能力，減小對機器人的損害。

(2) 復位作用:當機器人跨越障礙進入約束較小的環境后，依靠復位彈簧的收縮力可以將履帶變形模塊的運動姿態調整到合理的位置。

(3) 調節負載:位于張緊輪上的緩沖彈簧為機器人承受負載的主調節口，位于機架上的復位彈簧為機器人承受負載的微調節口，以確保機器人即使承受不同的負載也能適應復雜多變的地面環境。

1-履帶前導輪;2-主履帶;3-上調節桿;4-同步帶;5-履帶驅動輪;6-后調節桿;7-后支撐輪;8-驅動軸;9-機架外板 ;10-復位彈簧;11-前支撐輪;12-前調節桿;13-張緊輪;14-緩沖彈簧;15-主調節桿

3 變形履帶模塊桿件運動關系分析

圖3為變形機構運動簡圖。如圖3所示建立局部坐標系OXY，坐標原點位于后支撐輪的轉動中心處，X軸正方向平行于水平方向向右，Y軸正方向垂直于水平方向向上，設主調節桿CF與X軸夾角為α；前調節桿CD、DE與X軸夾角分別為β、γ；上調節桿BC與X軸夾角為λ，后調節桿AB與X軸夾角為μ(所有角度都以與X軸夾角為銳角計算)。被動變形履帶機構各桿件長度參數如表1所示。

圖3 被動自適應變形機構運動簡圖

連桿參數符號數值(mm)后連桿ABl1220上連桿BCl2835前連桿CDl3140前連桿DEl4140主調節桿CFl5335前后支撐輪距離AEl6500

3.1 桿件角度變化分析

在封閉四邊形ABCF和CDEF中，根據多邊形矢量關系式可知：

AB+BC+CF+FA=0.

(1)

CD+DE+EF+FC=0.

(2)

由圖3坐標系各構件之間幾何關系可將式(1)改寫成：

(3)

其中：lFA為后支撐輪到主調節桿CF擺動中心F的距離；θ1為點F與點A的連線與X軸之間的夾角，為定值。

將式(2)改寫成：

(4)

其中:lFE為前支撐輪到主調節桿CF擺動中心F的距離；θ2為點F與點E的連線與X軸之間的夾角，角度不隨變形機構的變化而變化。

將式(3)和(4)聯立可得出被動變形機構在運動過程中各桿件的角度與主調節桿CF和X軸之間夾角α的關系，如圖4所示。

由圖4可知，當機器人遇到障礙發生變形時，后調節桿AB與X軸之間的夾角μ隨著姿態角α增加而減小，變化幅度不大；上調節桿BC與X軸之間的夾角λ隨著姿態角α增加而增加，變化幅度較小，近似呈線性關系；前調節桿DE與X軸之間的夾角γ隨著姿態角α增加而增加，變化幅度較大，近似呈線性關系；前調節桿CD與X軸之間的夾角β隨著姿態角α增加而減小，CD在被動自適應變形機構形變量最大時與前調節桿DE成一條直線，夾角β與夾角γ相等。

3.2 動輪坐標變化分析

在坐標系XOY中，履帶機器人驅動輪B、前導向輪C、張緊輪D的中心坐標分別為：

(5)

(6)

(7)

聯立式(3)～式(7)，可得各動輪中心的坐標隨姿態角α的變化，如圖5所示。

圖4 各桿件角度與姿態角α的關系

圖5 各動輪中心坐標隨姿態角α的變化

由圖5可知，在履帶機器人跨越障礙物時，被動自適應變形機構從未變形到形變量最大的過程中，前導向輪C與張緊輪D的高度上升，驅動輪B高度下降，由于上升高度值比下降值大，機器人整體質心提高，這時可通過降低擺臂位置來調節質心高度，使機器人運動更加穩定；在這個過程中，驅動輪B、前導向輪C、張緊輪D的X坐標都隨之增大，即被動自適應機構的質心向后移動，這樣有利于移動機器人跨越障礙物，提高其運動穩定性。

4 結語

首先，提出一種基于鉸鏈六桿機構具有自適應被動變形機構的履帶式移動機器人，重點介紹了被動自適應變形模塊的機構組成，并對其變形、復位機構進行了說明；其次，根據自適應被動變形機構運動簡圖建立坐標系，對其運動過程中各桿件之間角度變化以及機器人驅動輪、導向輪、張緊輪位置變化進行分析，結果表明當移動機構發生變形時機器人運動穩定，具有良好的越障能力。