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

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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(,