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1、可跳跃式移动机器人机构设计及实现姓 名： 丁龙 指导教师： 修磊 院 系： 信息工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 20906071010 可跳跃式移动机器人机构设计及实现摘要：构建了一个具有跳跃能力的移动式机器人机器人在较平坦地形下采用轮式移动方式前行；遇到障碍物或沟渠时，可以进行跳跃，从而扩大运动范围.介绍了机器人机械系统的总体结构，给出了机器人的本体结构及起跳姿态，并分析了机器人的运动过程.然后，详细分析了机器人的跳跃机构、跳跃参数调节机构、倾覆翻转机构等关键机构的工作原理，给出了机构设计方案.最后，根据总体设计要求选定了机器人的一些关键参数.关键词：移动机器人；机构设
2、计；跳跃机构1 引言轮式或履带式移动机器人机构简单，运动时消耗能量不多，但是很难越过高度超过限制的障碍物.随着机器人形体的减小，地形对运动的限制作用越来越大.步行或爬行机器人翻越障碍物的能力稍强，但是机构复杂，自由度、关节、驱动部件较多，实际应用受到限制.跳跃式机器人可以跃过数倍于自身高度的障碍物或沟渠，对地形有较强的适应力。但是，跳跃运动首先需要克服自身重力影响，且腾空和触地阶段动力学方程复杂，平衡难以控制，在机器人的研制过程中，把多种运动方式集成到一种机器人身上，是扩展机器人运动范围、提高机器人适应能力的主要途径.日本的Yamanaka把滚动运动方式和跳跃运动方式结合起来，构建了可以进行跳
3、跃运动的滚动式球形机器人 ，Birch等研制的机械蟋蟀，同时具有爬行运动方式和跳跃运动方式 ，本文构建了一个具有跳跃能力的轮式移动机器人，给出了该机器人关键机构的设计及工作原理分析.该机器人把轮式运动和跳跃运动很好地结合起来：机器人在平坦地形下采用轮式行进方式，节约了能量；在碰到障碍物或沟渠时，机器人可以跳跃，从而扩大了运动范围该机器人的所有姿态调节运动都在地面完成，避免了复杂的动力学方程分析.2 机器人总体结构若要具有轮式移动和跳跃两种运动方式，则机器人至少需要具有移动机构和跳跃机构.此外，如果机器人跳跃后落地时机体倾覆，必须有倾覆翻转机构来恢复正常的运行姿态.为了使机器人按照指定方向和角度
4、起跳，机器人还必须有起跳方向和起跳角度调节机构.落地缓冲机构也是必不可少的，它保证了和地面的碰撞不至于损伤机载仪器.此外，还需要电机传动机构、底盘等其它辅助机构图1是该机器人机械系统的组成依据此总体方案设计的机器人机构如图2所示，图2右下方是机器人以62角起跳时的姿态图.一般情况下，机器人采用三轮方式行进.前两轮为主动轮，由直流电机驱动码盘保证了机器人的直线行走和特定角度的转向.后轮为随动轮，主要起支撑平衡作用.机器人的跳跃机构采用六连杆弹簧蓄能.压缩释放电机及压缩、锁定、释放机构均位于车头，这样的布局有利于提高跳跃高度及距离.机器人起跳参数调节装置可以设置的参数包括起跳方向和起跳角度起跳方向
5、由两个前轮调节；起跳角度由专门的机构调节，动力源是起跳角度调节电机机器人对障碍物或沟渠的识别、对路径的规划由视觉、规划和控制系统给出本文主要研究机构部分的设计及原理分析3 运动过程机器人采用三轮行进时，六连杆蓄能机构处于压缩状态，前轮后轮处在行走位置，底板处于悬空状态.机器人靠两个独立的直流电机驱动，实现移动行走当决策与控制系统判断出有需要跳跃才能越过的障碍物和沟渠时，发出指令让机器人跳跃.机器人的动作步骤依次为：起跳参数设置与起跳准备，跳跃，落地后可能倾覆的翻转，恢复行走姿态.两前轮精确调节机器人的起跳方向，跳跃角度调节机构精确调节起跳角度.角度调节过程为：后轮首先抬起至固定位置，然后车体前
6、部逐渐抬起，底板完全落地.起跳角度调节范围为0到9O,起跳准备就绪后，压缩释放电机正转，触发锁定释放机构.锁定释放机构的突然释放使机器人实现跳跃，腾空阶段不对机器人姿态进行控制.如果落地后机器人身体倾覆，倾覆翻转机构负责把机器人恢复成前轮和底板着地姿态.姿态恢复过程为：起跳角度调节电机首先放下车体前部至行走位置，然后压缩释放电机反转拉动钢丝绳，同时实现后轮落地和蓄能机构的压缩.蓄能机构压缩到一定位置后，压缩电机停止转动，短接该电机正负极，依靠电机内部磁场阻力实现对蓄能机构的锁定.机器人恢复行走姿态，一个跳跃周期完毕.4 关键机构实现41 跳跃机构跳跃机构主要由两部分构成：六连杆式蓄能机构，压缩
7、、锁定、释放机构.两部分间采用钢丝绳拉伸方式传递动力.这里主要分析压缩、锁定、释放机构的工作原理.压缩释放电机15与小齿轮16固联，小齿轮与大齿轮1无变位拟合，电机对六连杆蓄能机构的压缩释放动力通过钢丝13传递.大齿轮与轴5是间隙配合，大齿轮的轴套有凹缺，可以容纳钢珠11和卡销3，见图3的A-A视图电机反转带动大齿轮正转，此时为压缩阶段，A-A视图是已经开始压缩时的状态.大齿轮的轴套带动钢珠正转，钢珠挤压顶销7，顶销卡住和绞轮1O固联的固定销9.绞轮开始缠绕钢丝，压缩六连杆机构，开始蓄能压缩、锁定、释放机构工作原理图六连杆蓄能机构压缩到指定程度后，短接压缩释放电机的正负极，依靠电机内部磁场阻力
8、实现对蓄能机构的锁定.电机正转带动大齿轮反转，此时为释放阶段.大齿轮轴套反转带动钢珠反转.钢丝产生的巨大反向拉力会通过绞轮、固定销传递到顶销并让其去填补钢珠让出的空间顶销和固定销的瞬时脱开实现六连杆机构的突然释放.棘爪4保证轴的单向旋转，卡销3防止离合器套2随大齿轮的反转而缓慢脱开，保证机构的突然释放,瞬时释放是实现跳跃的关键.42 起跳参数调节机构起跳参数包括起跳方向和起跳角度,装有码盘的两个前轮精确调节起跳方向，专门的角度调节机构调节起跳角度.图4左图为机器人行走时起跳角度调节机构的姿态，右图为其起跳时的姿态,机器人需要跳跃时，起跳角度调节电机正转带动与它固联的拨杆5顺时针转动，拨动尾轮杆
9、2逆时针转动.当连线BE超过BD的位置时，尾轮杆会在弹簧3的拉动下到达起跳位置，如图4右图所示拨杆的继续转动会拨动六连杆底杆7，以这种方式抬起机器人机体前部，实现起跳角度0到90的调节 起跳角度调节机构工作原理图跳跃落地后，在继续行走前需进行姿态恢复，即把3个轮子放置到行走位置.角度调节电机反转带动拨杆逆时针转动，把机器人前部逐渐放至行走位置.然后压缩释放电机转动，钢丝绳逐渐拉紧，在六连杆蓄能的同时把尾轮杆拉至行走位置卡销8起定位作用43 倾覆翻转机构机器人跳跃后触地时与地面的碰撞可能使机器人倾覆.随着跳跃高度和跳跃距离的增大，发生倾覆的可能性增大.设计时尽量使质量集中于头部且均匀地分布在机器
10、人长度方向的两侧，这样有利于提高跳跃高度，保证触地时首先是前轮接触地面.此外两前轮间距达到243 mm，加上橡胶轮和支撑架的缓冲，有效预防了机器人落地后机体的倾覆.为减小跳跃式机器人中至关重要的质量，在设计中没有安装倾覆翻转机构，只为以后改进做了预留.预留的倾覆翻转机构称为侧翼式翻转机构，图5是其工作过程原理图.尽量安排机器人的质量分布和形状，使它从正面看起来近似于三角形，如图5(1)其中BC是底面，AB、AC是对称的两个侧面正常落地姿态是底面落地，机器人不需做翻转+如果机器人落地发生倾覆，即侧面着地由于机体的对称性，假定AC面触地，如图5(1)让侧翼A c绕c点慢张开支撑地面，使机器人ABC
11、姿态逐渐恢复，其过程可见图5(1)(3)当重心超过c点后，机器人姿态在重力作用下将自动复原，即过程(4)，然后侧翼A c收回两侧翼同时起保护机体内仪器的作用倾覆翻转机构工作过程示意图侧翼翻转机构工作原理类似于人倒地后用手支撑逐渐站立.44 缓冲机构机器人的落地缓冲由橡胶轮和缓冲支撑架两层缓冲措施构成，基本上可以保证在跳跃高度为1M时机载仪器不受损伤.5 关键参数选择设计目标是使总质量为15 kg的机器人垂直跳跃高度达到1 m.考虑到机器人尺寸限度，把六连杆蓄能机构的侧杆长度定为110 mm，上下杆长度定为30mm.侧杆与机器人宽度方向夹角为60时为六连杆机构的放松状态(弹簧仍保留一定的预紧力，
12、以保持机器人为刚性机械系统)，此时六连杆机构在弹簧向的长度约为140 mm夹角为20时为锁定状态，此时六连杆机构弹簧方向长度约为237 mm六连杆蓄能机构采用两根弹簧时，弹簧可选参数为：材料直径d=30 mm，弹簧中径D =20 mm，弹簧有效圈数n=31，单圈弹簧刚度k =907 Nmm如果采用4根弹簧，弹簧参数为：材料直径d=2.0 mm，弹簧中径D =12 mm，弹簧有效圈数n=54，单圈弹簧刚度k=907 Nmm弹簧材料均为弹簧钢，六连杆机构 、Y方向长度及受力的关系为：联立两式得到：代入相关参数得到： 采用两根弹簧时，钢丝绳最大拉力为Fy=3601 N；采用4根弹簧时，Fy=3809
13、 N最后选择24 V、30 rmin、型号为JM1203540C的直流电机作为压缩释放电机.压缩释放电机和压缩释放机构间由减速比为444的齿轮组连接，缠绕钢丝绳的绞轮直径为19mm完全压缩六连杆蓄能机构，绞轮需转1.93圈，压缩时间为17.2 S.6 结论在介绍可跳跃式移动机器人机械系统总体结构及运动过程的基础上，详细分析了机器人的跳跃机构、起跳参数调节机构、倾覆翻转机构等主要机构的工作原理及实现过程，并选定了关键参数，对跳跃式机器人机构设计有参考意义。参考文献:1 李保江，朱剑英弹跳式机器人研究综述J机械科学与技术2 李保江弹跳机器人动力学分析J南京航空航天大学学报，3 徐颢机械设计手册(第4卷)M北京：机械工业出版社，
