一种多姿态便携式履带机器人传动和结构设计

  ［３］ Ｆｒａｎｃｏｉｓ Ｍｉｃｈａｕｄ，Ｄｏｍｉｎｉｃ，Ｅｔｏｕｒｅｎａｕ．Ｍｕｌｔｉ—ｍｏｄａｌ ｌｏｃｏｍｏｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔｉｃ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｕｓｉｎｇ ｌｅｇ－ｔｒａｃｋ＿ｗｈｅｅｌ ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ａｕｔｏｎｏ— ｍｏｕｓ Ｒｏｂｏｔｓ，２００５（１８）：１３７—１５６．

  ２．１直线行走及转弯 机器人两侧运动单元中的履带等速运动，实现直线行走功

  能；两侧履带反向转动实现机器人原地土３６０。转向；不同速度 运转转向半径也不同。 ２．２越障

  机器人行进时遇到一般障碍（障碍物高度小于ｏ．１ ｍ），可 利用前轮尺寸优势直接通过；遇到较高的障碍物时，先将左右 段按前后顺序展开，使之支撑在障碍物上，同时驱动主体内部 电机，使主体在后轮支撑下，相对两侧翼板产生转动，从而抬高 重心，再借助履带的前移完成翻越过程，如图２所示。 ２．３跨沟

  文中提出了一种４自由度便携式履带机器人机械结构设 计方案。机器人整体结构分三段，采用模块化设计，具有可拆 装、维修方便等特点，设计完成后的机器人与同类机器人相比 较，从机械结构上保证了在越障性能、跨沟性能、路面自适应性 能等方面更加具有优势。

  机器人按三段式对称结构布局，分为中间主体段和左右两 侧翼，如图１所示。中间段可以装载各种仪器、设备，用于完成 各项作业任务，是机器人的运载平台，在运动中一般保持水平 姿态；两侧翼用于提供驱动力，是运动单元，并且可以绕机器人 中段旋转，给机器人提供额外辅助运动。

  １输“Ｉｊ＝ＩｊＪ；２电机；３减速器；４离合器；ｊ锥幽轮；ｔ；蜗杆；７蜗轮 圈６主体内部传动结构布局

  机器人中间段传动设计及特点： （１）两对电机采用对称、交错式排布，节省了主体内部空 间； （２）采用锥齿轮啮合，主要用来改变传动方向，同时避免 了牙嵌式电磁离合的轴向串动； （３）蜗轮、蜗杆起到两级减速作用，具有较大的减速比，并 具有自锁功能，给两侧运动单元提供足够的保持力矩，在主体 内部电机掉电的情况下，两侧运动单元保持原姿态而不会出现 反转现象； （４）牙嵌式电磁离合器适用于低速运动场合，具有体积 小、质量轻、保持力矩大的特点，当离合器在主体单元传动中处 于分离状态，可以实现两侧运动单元相对主体在ｙ轴方向自由 转动，这样三段式结构机器人就具备了复杂路况下的分段自适 应运动功能，如果机器人遇到碎石路面、崎岖地形的情况，通过 控制电磁离合处于结合状态，由内部电机主动控制两侧运动单 元，使机器人具有较强的路面通过性，通过离合器的使用可以 同时达到机器人的路面自适应指标和非正常路况所要求的通 过性指标。

  ４．１机器人零件组成及设计 机器人三段式结构中，左右段包括２个铝合金同步带轮、

  橡胶同步带、前后２块翼板、高弹性吸能缓冲元件、单独密封的 １５０ ｗ直流电机和锃电池组等；中间段主体部分采用整体密封

  式设计，包括直流电机、蜗轮、蜗杆、离合器及后支撑轮和各类 控钢卡板等。机器人三维模型如图７所示。

  】｜【ｌＡｏ Ｊｕ州岫，ＳＨＡＮＧ Ｊｉａｎ．ｚｈｏｎｇ，ＬＵｏ Ｚｉ－ｒｏｎｇ

  （Ｅｌｅｃｔｒｏ—Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｔｉｏｎ— ａｌ Ｄｅｆｅｎｃｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００７３。Ｃｈｉｎａ）

  从２０世纪８０年代，国外就对小型履带机器人展开了系统 研究，经过多年的技术积累和经验总结，已取得了可喜的研究 成果，比较有影响的是美国的ｐａｃｋｂｏｔ机器人［１］和ｔａｌｏｎ机器 人口］。这两种属于便携式履带机器人，它们应用在伊拉克战争 和阿富汗战争中，取得了巨大的成功。此外，英国研制的ｓｕｐｅｒ— ｗｈｅｅｌｂａｒｒｏｗ排爆机器人、加拿大谢布鲁克大学研制的ＡＺＩ— ＭＵＴ［３３机器人、日本的ＨｅｌｉｏｓＶＩＩ［４］机器人都属于小型履带机 器人，因其各自用途不同，在结构上各具特点。国内对该类机 器人研究起步较晚，但近期取得了一定成果，如沈阳自动化研 究所研制的ＣＬＩＭＢＥＲ［５］机器人，北京理工大学研制的四履腿 机器人［６］，北京航空航天大学研制可重构履腿机器人等。

  ［４］ Ｇｕａｒｎｉｅｒｉ Ｍ，Ｄｅｂｅｎｅｓｔ Ｐ，Ｉｎｏｈ Ｔ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｅｌｉｏｓ ＶＩＩ：ａｎ ａｒＩｒＩ－ｅｑｕｉｐｐｅｄ ｔｒａｃｋｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ ｆｏｒ ｓｅａｒｃｈ ａｎ ｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｒｅｓｃｕｒｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ［ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ２００４ ＩＥＥＥ／ＲＳＪ Ｉｎｔｅｒｎａ— ｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｒｏｂｏｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｓｅｎｄａｉ，Ｊａ— ｐａｎ，２００４：３９—４５．

  基金项目：国家自然科学基金重点资助项耳（６０２３４６０３０） 作者简介：肖俊君（１９７９一），男，湖南湘潭人，在读硕士研究生，研究方向：机械设计及理论。

  Ａｂｓｔ瑚ｃｔ：Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ４ＤＯＦ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｐｅｄｒａｉｌ ｒｏｂｏｔ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ． Ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｓｅｇｍｅｎｔｅｄ ｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ， ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｒａｐｉｄｌｙ ｄｉｓａｓｓｅｍｂｌｅｄ ａｎｄ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｃａｒｒｙｉｎｇ ａｂｏｕｔ ｂｙ ｓｉｎｇｌｅ ｐｅｒｓｏｎ ｏｒ ｃａｒｒｙｉｎｇ ｏｕｔ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ． Ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ ｐｏｓｓｅｓｓｅｓ ｅｖｉｄｅｎｔ ｓｕｐｅｒｉｏｒｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｇｅｔｔｉｎｇ．ｏｖｅｒ ｏｂｓｔａｃｌｅｓ， ｓｔｒｉｄｉｎｇ ｏｖｅｒ ｄｉｔｃｈｅｓ ａｎｄ ｃｌｉｍｂｉｎｇ． Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｔｓ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ａｎｄ ｅｎｃｉｒｃｌｅ ｔｗｏ ｍａｉｎ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａＩ ｄｅｓｉｇｎ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｅｘｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｅｎｔｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒ— ａｌ ｌａｙｏｕｔ， ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ， ｍｏｄｕｌａｒｉｚｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｈｏｃｋ ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｅｔｃ． ｏｆ ｒｏｂｏｔ．

  机器人需要有较强的环境生存能力和较高的可靠性能，可 以应对一般的突发事件，如在科考侦查、战场作战、反恐排爆时 可以抵抗一定高度的坠落冲击和一定强度的爆炸冲击。针对 上述要求，机器人进行了抗冲击设计。

  （１）在机器人运动单元的前后翼板间布置了纵向的吸能、 缓冲块，主要是在ｚ轴方向承载主体对翼板的冲击；

  机器人遇到较窄的深沟时，顺序展开左右两段，调整车体 重心和外形尺寸，直接通过深沟，最后顺序收回左右段，过程如 图３所示。 ２．４上下台阶

  （１）在室内环境中，遇到较低的台阶，机器人利用前轮大 尺寸优势，依靠台阶提供的支持力直接上下楼梯；

  （２）遇到较高的台阶，机器人转动两侧翼板，完成上下台 阶运动，过程如图４所示。

  六角螺钉联接前翼板和后翼板，位于两块翼板中间的纵向弹性 缓冲块在螺钉的拉紧力下处于压缩状态，当同步带所需要张紧 力缺失时，可以放松拉紧螺钉，由缓冲块给同步带提供适当的 张紧力。

  图７机器人三维模型 机器人前后履带轮为减轻质量采用铝合金材料，设计成不 等半径尺寸，用来加强机器人前轮的越障能力，同时缩短了机 器人高度尺寸，减轻其质量。 ４．２机器人模块化设计 为满足可拆卸、易维护等要求，机器人采用模块化设计，分 为左翼板模块、右翼板模块、主体模块，３模块通过主轴和挡圈 联接，如图８所示。

  ［５］王挺，王越超，赵忆文．多机构复合智能移动机器人的研制［Ｊ］．机 器人．２００４，２６（４）：２８９—２９４．

  ［６］段星光，黄强，李科杰．小型轮履腿复合机器人设计及运动特性分 析［Ｊ］．机械工程学报，２００５（８）：１０８—１１３．

  ｐ盯ｔａＭｅ删ｌｍｂｏｔ １）ｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔ１１ｎ锄ｉ鼹ｉＯｎ蛆ｄ ｓｂｍｃｔｕｒｅ ｏｆ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｍｕｌｔｉ ｐｏｓｅｄ

  介绍了一种４自由度的便携式履带机器人结构实现方法， 从传动设计、零件组成及选用，模块化设计和抗冲击设计等方 面对机器人的结构进行了详细说明，在机械结构上保证了机器 人多运动功能的实现，从而使机器人能适应各种复杂环境，具 备较强的生存能力，并且通过模块化设计后，机器人易于维护 和更换。

  ［２］ Ｐａｕｌ Ｊ Ｌｅｗｉｓ，Ｄｒ Ｎｉｃｈｏ【ａｓ ＦＩａｎｎ，Ｔｏｒｒｉｅ ＭｉｔｃｈｅＩ Ｒ，ｅｔ ａＩ．ｃｈａｏｓ ａｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｕｌｔｒａ—ｍｏｂｉｌｅ ＳＵＧＶ：ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｗｈｅｅｌｓ， ｔｒａｃｋｓ，ａｎｄ ｌｅｇｓ［ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｓＰＩＥ，２００５（５８０４）：４２７— ４３８．

  （２）运动单元与主体之间布置侧向缓冲块，承载，轴方向 上整个侧板对主体的冲击，以及承载运动单元ｙ方向转矩和综 合方向的弯矩；

  （３）主体单元两侧面可安装附加弹性块，起到减缓侧向冲 击的作用，缓冲件结构布局如图９所示。

  如图９所示纵向缓冲块位置的缓冲结构还具有第二项功 能，满足橡胶同步带自张紧需要。机器人通过后驱动轮带动橡 胶同步带实现前行，同步带在长时间运行后，容易失去张紧力， 发生脱带现象，必须对橡胶同步带进行张紧，（履带车辆通常是 采用压轮、压块来实现这一目的），在本结构中使用内六角调节 螺钉联合纵向缓冲块来调节橡胶同步带的张紧度，首先通过内

  摘要：提出了一种新型４自由度便携式履带机器人结构设计的具体方案。机器人采用三段式模块化设计，可迅速拆卸，适

  ［１］ Ｙａｍａｕｃｈｉ Ｂ．ＰａｃｋＢｏｔ：ａ ｖｅｒｓａｔｉｌｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｒｏｂｏｔｉｃｓ ［ｃ］．Ｉｎ ｕｎｍａｎｎｅｄ Ｇｒｏｕｎｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＶＩ．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ，２００４（５４２Ｚ）：２２８—２３７．

  合单人携带和来维护；机器人拥有非常良好的机动性能，在越障、跨沟、攀爬方面有着非常明显优势。介绍了机器人的结构特点

  及其运动功能实现，并围绕传动设计和结构设计两大方面，对机器人的传动结构布局、传动实现、模块化结构设计、抗冲

  ３．１机器人左右运动单元的传动设计及特点 机器人采用履带方式运动，安装在运动单元上的电机接减

  镳嵫簇豌鹘】翁， 速箱，通过锥齿轮啮合驱动履带后轮，后轮带动履带平动，实现

  机器人共有４个自由度，即两个平动自由度和两个旋转自 由度。机器人通过两侧翼板中的电机，直接驱动后履带轮，将 后轮旋转自由度转变为履带的平移自由度，实现机器人前进和 后退。机器人中间主体内的两台电机分别驱动左右翼板部分 以机器人ｙ轴为轴心绕中间主体转动，产生两个旋转自由度。

  文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—２３５４（２００７）０３一００１０—０４

  便携式履带机器人拥有非常良好的运动性能，在室内环境中可 以上下楼梯、跨越台阶，在室外非结构地形中可以翻越障碍、跨 越壕沟、自适应路面。通过加载不同的设备和仪器，机器人可 大范围的使用在救援、抢险、防爆、科考、军事等领域，其应用价值十分 巨大。

  在机器人两侧翼板当中；主体内部仅用来布置驱动左右两侧翼 板转动的传动结构，其传动过程：首先由主体内部电机提供驱 动力，经减速器后带动蜗杆驱动蜗轮转动，蜗轮连接电磁离合 器，最后通过锥齿轮连接到翼板输出轴，驱动翼板旋转。两侧 翼板旋转的传动结构布局如图６所示。