一种轮组结构爬楼梯机器人的传动和结构设计

电子机械工程

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Electro-MechanicalEngineering

2009年第25卷第6期2009.Vo.l25No.6

一种轮组结构爬楼梯机器人的传动和结构设计

刘祚时,童俊华,胡发焕(江西理工大学, 江西赣州341000)

*

摘 要:针对楼梯结构的变性,研制了具有爬梯强适应能力的轮组机构。该机构保证机器人具有良好的机动性,能够在平地行驶、爬楼梯、跨越障碍等动作状态间很好的过渡转换。介绍了机器人的结构特点及其运动功能实现,并对机器人的传动结构布局、传动实现、轮组设计等内容进行详细阐述。

关键词:爬楼梯机器人;越障机构;轮系

中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:1008-5300(2009)06-0048-04

DesignofTransmissionandStructureofaWheelsetsStair ClmibingRobot

LIUZuo sh,iTONGJun hua,HUFa huan

(JiangxiUniversityofScienceandTechnology, Ganzhou341000,China)

Abstract:Consideringthevariabilityofstaircaseclimbingstructure,anewtypeofwheelsetsmechanismwhichcanstronglyadapttothestaircasewasdeveloped.Themechanismensuresthattherobothasgoodmob ility,whichworkingmodescanbewellconvertedbetweenthestatesoftravellingonflatground,climbingthestairs,gettingoverobstaclesandsoon.Thestructuralcharacteristicsofrobotandrealizationofitskinematicfunctionsareintroduced.Thetransmissionstructurallayou,trealizationoftransmission,andwheelsetsmecha nismdesignetc.ofrobotaredescribedindetai.lKeywords:stair climbingrobo;tobstacle crossingmechanism;gearsystem

0 引 言

在城市里,楼梯是人造环境中最常见的障碍,也是最难跨越的障碍之一。因此,机器人的爬梯能力是移动机器人的重要越障性能指标。文中介绍的机器人根据 建筑楼梯模数协调标准 设计,能够适应各种尺寸规格的楼梯,控制简单,相比履带式和腿式爬楼装置有明显优势。通过加载不同的仪器设备,机器人可广泛用于危险环境探查、救灾、助残、搬运等作业,其应用价值巨大。

图1 爬楼机器人结构示意图

车体两侧的轮组皆具有两个旋转自由度,即小车轮的旋转和轮辐的旋转运动。中间两个电机具有自锁功能,采用大减速比的蜗轮蜗杆减速系统,与小轴相连驱动小车轮,实现机器人前进、后退和越障。两侧的较大功率直流电机经减速后与电磁离合器相连,最后通过管轴驱动轮辐,实现机器人的爬楼动作。

[6]

1 爬楼机器人的机构

文中设计的轮组式爬楼梯机器人的整体结构由两部份组成,包括位于机器人中间部位由四个轮组驱

动的主车架,以及轮组机构。图1给出了机器人三维虚拟样机

[7]

的示意图。机器人车轮的传动部份位于

2 机器人多姿态运动

2.1 直线行走及转弯

中央车体的底部,车体中间上边的空白部分则用于配

置所需控制电路、各种负载以及导航所需的传感器等。

机器人两侧运动单元中的小车轮等速运动,实现

:13

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直线行走功能;两侧小车轮反向转动实现机器人原地转向;不同速度运转实现不同的转向半径。2.2 越障

机器人直线行进时遇到一般障碍(障碍物高度小于0.1m),可利用小车轮尺寸优势直接通过;当前进的车轮碰上较高障碍而停止不动时,驱动轮系就演变成行星轮系,轮辐带着另外三个车轮绕前轮的轴线回转,实现翻越障碍的目的,如图2所示。

图4 机器人上楼梯

一、传动轴二、转臂过渡齿轮、中心齿轮、小车轮和驱动齿轮。传动轴一一端与中心齿轮配合,通过轴承空套在转臂上,一端与链轮配合,并通过轴承空套在主车架上;传动轴二一端通过螺栓与转臂固连,一端与链轮配

图2 机器人越障

2.3 跨沟

机器人在遇到较窄的深沟时(深沟宽度小于2倍轮辐长),为克服前进中的阻力,与越障机理一样,驱动轮系演变成了行星轮系,完成跨沟的过程,如图3所

示。

合,并通过轴承空套的主车架上;传动轴一与传动轴二通过轴承相互空套;过渡齿轮、驱动齿轮各自通过轴承空套在转臂上;小车轮通过螺栓与驱动齿轮固连,四个小车轮的中心轴线呈等角分布。

图5 轮组机构示意图

图3 机器人跨沟

由于转臂、过渡齿轮、驱动齿轮(包括小车轮)都是空套在相应的轴上,因此驱动轮系包含四个结构完全相同的差动轮系,这四个差动轮系共用中心轮和行星架,并且沿周向对称分布,增设过渡齿轮,可以保证同时着地的两个小车轮具有和中心齿轮相同的旋向,朝同一方向滚动前进。

3.2 机器人中间主体的传动设计

机器人中间主体用来布置驱动左右轮组运行的传动结构,其传动过程:首先由主体中间电机(LW1、2.4 上下楼梯

机器人行走遇到台阶时,小车轮驱动器停止并实

现自锁,防止在爬楼梯过程中小车轮滑移,轮辐驱动器起动实现上下楼梯的动作,过程如图4所示。

3 机器人的传动设计

3.1 轮组单元的传动设计

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电子机械工程第25卷

动,蜗轮连接链轮,通过链条连接到传动轴一,驱动中心齿轮转动;在上楼梯时,停止电机(LW1、RW1),并起到自锁作用,防止小车轮滑移,启动电机(LT1、RT1),经减速器后连接电磁离合器,带动锥齿轮,最后经过链传动机构传递给传动轴二,驱动转臂转动。机器人主体传动结构布局如图6

所示。

amax=190mm;

如图7所示,有以下关系:

R=l/l=

+(r+x)

(1)(2)

图7 轮组结构爬楼梯示意

图6 主车架内部传动结构布局

机器人中间部分传动设计具有以下特点:(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,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,给两侧小车轮提供足够的保持力矩,在主体内部电机掉电的情况下,两侧车轮组保持原姿态而不会出现滑移现象;

(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,这样机器人就具备了复杂路况下的自适应功能(直线行走和越障);如果机器人遇到楼梯,通过控制电磁离合处于结合状态,由两侧的较大功率电机(LT1、RT1)控制轮辐转动,使机器人具有较强的爬梯性,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爬梯所要求的通过性指标。

取b=bmin,a=amin,则r+x!220,得到Rmax=184.4mm;

同理取b=bmin,a=amax,有Rmin=134.4mm;轮组结构的最大r可通过a和b得到,如图8所示。

rmax=

a+b

2

(3)

取b=bmin,a=amin,得到rmax=130.4mm。

图8 轮组结构rmax示意

根据R以及r的范围,取恰当的值,可得到轮组结构转臂宽2tmax,如图9所示。

tmax

amin+(2r-amin)

=

2R

2

4 机器人结构设计

4.1 轮组单元的结构设计

轮组的结构尺寸范围根据楼梯的踏步高a和踏步

[1]

宽b两个参数来确定。 建筑楼梯模数协调标准 规定楼梯踏步高度不宜大于210mm,并不宜小于140mm;楼梯踏步宽度,应采用220mm、240mm、260mm、280mm、300mm、320mm;楼梯踏步高与宽的关系式:2a+b!600(a 踏步高;b 踏步宽)。

:bmin=220mm,in=mm,

2R-amin

(4)

综合上述条件公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4),可得到轮组结构的主要参数(R,r以及t),所设计出来的轮组能够自动适应各种规格的楼梯,具有强适应性。

4.2 机器人零件组成及设计

机器人结构中,轮组单元包括4套模数相同的直(,

第6期刘祚时,等:一种轮组结构爬楼梯机器人的传动和结构设计

51

参考文献:

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图10 机器人样机模型

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料)、橡胶轮、轮辐板等;中间主车架部分包括直流电机、蜗轮、蜗杆、链轮、链条、离合器和各类控制卡板等。机器人样机模型如图10

所示。

5 结 论

本文介绍了一种差动轮系爬楼机器人结构实现方法,从传动设计、结构设计、零件组成及选用等方面对

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,特别是轮组单元的设计,从而使机器人能适应多变环境,具备在城市环境中较强的生存能力。

作者简介:刘祚时(1963-),男,博士,教授。研究领域:人工智能,车辆工程,软件工程。

童俊华(1984-),男,在读研究生。研究领域:智能机器人。

胡发焕(1974-),男,硕士,讲师。研究领域:智能机器人。

(上接第47页)参考文献:

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作者简介:王韶平(1970-),男,主要从事机械制造领域工作。

姜海涛(1979-),男,主要从事工艺总体技术研究工作。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/3id1.html