懸架式六桿機構機器人機構設計與分析

冷鴻彬，朱洪俊，周俊，孫智勇，修星晨

(西南科技大學制造科學與工程學院，四川綿陽 621010)

懸架式六桿機構機器人機構設計與分析

冷鴻彬，朱洪俊，周俊，孫智勇，修星晨

(西南科技大學制造科學與工程學院，四川綿陽 621010)

設計了一種懸架式六桿機構越障機器人，其獨特對稱的六桿機構和平行四邊形機構的使用不僅簡化了機器人本體，還提高了其越障、轉向能力。闡述了這種機器人的結構、原理，并借助雙履帶機器人的越障原理對懸架式六桿機構機器人的越障能力和轉向能力進行了研究，為越障機器人的設計提供了新的思路。

六桿機構懸架;越障能力;轉向能力

越障機器人要面臨的地形環境復雜，這就對機器人的越障能力、平穩能力、地面適應能力提出了較高的要求。按照傳統的移動方式，有腿式、輪式、履帶式以及復合式幾種機構模型［1］。腿式機器人地面適應性強，穩定性高，但機構及其控制復雜，運行速度也較低。輪式機器人移動靈活，控制簡單，但越障時不能跨越大于輪子直徑的壕溝和高于輪子直徑的臺階，機構本身穩定性較差，不能適應復雜的地形。履帶式機器人地面適應能力強，穩定性高，但轉彎半徑大轉向能力較差，且轉彎時履帶的磨損較大，能耗較高。復合式越障機器人是適形越障機器人的一種，包括輪/腿式、輪/履式等多種組合結構形式。近年來，國內外的專家學者對復合式越障機器人進行了大量的研究工作，包括對轉臂式［2］、搖臂式、雙曲柄聯動扭桿式［3］懸架機器人的越障能力與穩定性分析。懸架是機器人的關鍵部件，連接車輪和車體，對機器人的移動性能影響較大。美國 JPL實驗室研制的 Rocky系列火星車以及已成功登陸火星的“索杰納”、 “勇氣號”、“機遇號”火星車均采用6輪獨立驅動的搖桿—轉向架懸架系統［4－5］。

針對以上研究現狀，文中設計了一種輪/履組合的懸架式機器人。該機器人采用了一種新型的六桿機構懸架，該機構由前后左右對稱的六桿機構和平行四邊形機構與4組履帶組成，具有地面適應性強、穩定性高、轉向能力好等特點，其結構簡單，易于控制。

1 懸架式六桿機構機器人機構

1.1 懸架式六桿機構工作原理

該機器人采用的六桿機構懸架包括左、右車架、車體三部分。左、右車架通過3組平行四邊形機構相連接，在實現聯動的同時還進一步加強了越障機器人的自適應能力，使兩側非整體式履帶抬起時減小對車體的影響，使車體不傾斜或者傾斜度減小，從而讓車體獲得最大的穩定性。懸架式六桿機構機器人三維模型見圖1。

圖1 懸架式六桿機構機器人三維模型

1.2 單邊車架結構

如圖2所示，單邊車架由2個六桿機構、1個平行四邊形機構和2個非整體式履帶組成。其中六桿機構由曲柄AB、連桿BD、DE和滑塊C，非整體式履帶EF組成。曲柄和滑塊都固連在車體上，履帶中的后輪F通過軸固連在車體上。前輪E與后輪F連接，后輪為主動輪，通過履帶帶動前輪，前輪為從動輪。

圖2 車架結構

整個車體有4個主動輪，由4個電機帶動，電機的正反轉控制車體的前進、后退。機器人采用差速轉向，所以不需要單獨的電機控制其轉向，4個主動輪是機器人行進的主要動力源。整個車體只需要1個驅動曲柄AB，曲柄AB轉動的同時通過平行四邊形機構帶動同側的曲柄A1B1和另一側的兩曲柄轉動，電機的正反轉控制履帶的升和降，因此機器人采用相同的5個電機控制，其輪子的半徑和履帶的長度也相等。在正常行走時，機器人是履帶式行走，當機器人遇到不能直接通過的障礙物時，通過電機驅動曲柄AB轉動，在六桿機構的作用下使履帶EF仰起一定的角度，以確保機器人順利通過前方障礙。

1.3 曲柄轉角與履帶仰角關系

如圖3所示，取曲柄AB水平時為初始位置，當曲柄AB轉過角度α(0°≤α≤180°)時，履帶EF的仰角為β(0°≤β≤90°)。

圖3 曲柄轉角與履帶仰角關系

根據已建立的坐標系得到各點的坐標:

在△AB1C中有:

文中的目的是要找出β與α的關系，先找到角度β、θ2與輸入角度α之間的關系。

利用向量E1D1得:

則由式(7)—(11)可以得出角度β與角度α的關系式。

根據實際需要履帶EF仰角能達到即可，為了方便分析曲柄轉角與履帶仰角的關系，取AB=AC=25 cm，BD=60 cm，DE=EF=30 cm，θ1=45°。代入上式中有:

則式 (14)表示的就是履帶仰角β與曲柄轉角α的關系。

2 雙履帶機器人越障分析

通常可以將障礙物簡化為斜坡、臺階、壕溝等典型障礙地形［6］。機器人越過障礙，是指在驅動力作用下機器人移動，其質心能夠越過障礙物的關鍵邊界線，且能夠保持穩定和繼續移動能力。其中最能體現機器人越障性能優越性的是臺階，因此文中主要分析懸架式六桿機構機器人越臺階的性能，為了方便研究其越障性能，首先對雙履帶機器人的越障原理進行研究。

如圖4所示，以后履帶輪軸心O1為原點，以O1O2為x軸正向的坐標系，設機器人履帶輪半徑為R(含履帶厚度)，機器人質心的坐標為G(l，h)，且0＜l＜L(L為O1O2的長度)，h＞－R。

圖4 雙履帶機器人越障

(1)機器人越臺階［7］

機器人越臺階是在其前端的履帶機構搭上臺階后，在驅動力作用下機器人繼續前進，使機器人的仰角和中心逐漸增大和上升。當機器人重心越過臺階外角線時，就可以以接觸點為翻轉中心向前翻轉，并在驅動力和由重力提供的翻轉力矩下順利攀越直臺階上表面。

機器人的重心恰好能通過臺階的外角線時，機器人達到攀越臺階的臨界狀態，如圖4(a)所示，設機器人的仰角為α，臺階的高度為H，可建立如下函數:

式(15)表明:若R、l、h確定，則機器人能夠攀越的臺階高度H隨機器人仰角α變化而變化，H的最大值即為機器人能夠攀爬的臺階的最大高度。

將式(15)分別對l、h求偏導可得:

可見，H(α，l，h)為關于h的減函數，關于l的增函數。因此機器人移動平臺的質心偏前、偏下時更有利于機器人跨越臺階等障礙。

3 懸架式六桿機構機器人越障分析

3.1 懸架式六桿機構機器人的質心分布

所以機器人質心隨著履帶仰角β變化的軌跡是以為半徑的圓。

3.2 機器人越臺階能力分析

由式(18)可知，當=0時，機器人攀爬的臺階高度有最大值，將l=xG，h=yG代入式 (15)可以求出機器人攀爬臺階的最大高度Hmax:

3.3 機器人跨越壕溝能力分析

該機器人遇到此類型障礙時可不用轉動曲柄直接通過，具體的原理如圖7所示。

圖7 機器人越壕溝

因此機器人可跨越壕溝的最大寬度lmax等于履帶長度，即lmax=l3。

3.4 機器人過階梯型障礙能力分析

機器人在通過階梯型障礙時可看做攀爬斜坡，其工作原理如圖8所示:(1)在正常行進時，機器人保持8輪著地狀態，當前方出現階梯型障礙時停止前進。(2)通過電機驅動主動曲柄AB逆時針轉動，使得履帶EF仰起一定的角度并繼續向前行進，直至前方履帶壓在障礙物邊沿。(3)電機驅動4個主動輪繼續向前行進，并使前方履帶完全爬上階梯，當后方履帶靠近階梯時停止前進。驅動曲柄AB順時針轉動，使得同側兩履帶達到共線狀態。(4)此時機器人的4條履帶已經完全附著在階梯上并成共線狀態，電機繼續驅動4個主動輪，機器人即可順利地爬上階梯。

圖8 機器人越階梯

3.5 機器人轉向能力分析

此機器人為4履帶式，當需要轉向時只需驅動曲柄AB，使得4條履帶的仰角達到，機器人處于4輪著地狀態，如圖9(a)所示，從而可以將機器人的多履帶轉向問題簡化為4個獨立車輪的轉向問題。

當機器人需要轉向時，通過差速轉向，即通過調整履帶兩側電機的轉速來實現，不需要另設轉向系統，簡化了機構的設計，并提高了穩定性。當兩側的輪子以相同的速度同時向前或向后轉動時，該機器人實現直線行進，如圖9(b)所示進。若兩側輪子轉速不同或一側向前一側向后，則機器人實現轉向，并向速度小的一側轉向，如圖9(c)所示。若兩側履帶轉向相反且速度相同時，可實現繞一點360°轉動，如圖9(d)所示。

圖9 機器人轉向姿態

4 結論

提出了一種新型的懸架式越障機器人，懸架中的六桿機構能夠實現履帶的升和降，結構簡單易于控制，并加入了多個平行四邊形機構實現了聯動，增加了機器人的穩定性。文中主要對機器人的結構、越障原理進行了闡述與分析，為越障機器人的機構設計提供了重要的參考價值。

［1］李翠蘭，馬培蓀，高雪官，等.一種新型的可被動適應崎嶇表面的六輪月球漫游車［J］.傳動技術，2005，19(1): 9－13.

［2］王文超，曹志奎，馬培蓀，等.轉臂式八輪移動月球機器人設計與分析［J］.傳動技術，2003(3):27－31.

［3］尚建忠，羅自榮，張新訪.兩種輪式月球車懸架方案及其虛擬樣機仿真［J］.中國機械工程，2006(1):49－52.

［4］HAYATI S，VOLPE R，BACKES P，et al.The Rocky 7 Rover:A Marssciencecraft Prototype［C］//IEEE International Conference on Robotics and Automation.Piscataway，NJ，USA:IEEE，1997:2458－2464.

［5］LINDEMANN R A，VOORHEES C J.Mars Exploration Rover Mobility Assembly Design，Test and Performance［C］//IEEE International Conference on Systems，Man and Cybernetics.Piscataway，NJ，USA:IEEE，2005:450－455.

［6］CHOI B S，SONG S M.Fully Automated Obstacle-crossing Gaitsfor Walking Machines［J］.IEEE Transactions on Systems，Manand Cybernetics，1998，18(6):952－964.

［7］LIU J G，WANG Y C，MA S G，et al.Analysis of Stairsclimbing Ability for a Tracked Reconfigurable Modular Robot［C］//IEEE International Workshop on Safety，Security and Rescue Robotics，Piscataway，NJ，USA:IEEE，2005:36－41.

［8］趙希慶.四連桿變形履帶式機器人的設計與研究［D］.長沙:國防科技大學，2009:16－31.

［9］李所軍.月球探測車搖臂懸架設計參數優化與折展實驗研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2009:16－28.

［10］王朝陽，胡淼，湯永江，等.輪履復合式移動機器人設計及越障功能分析［J］.機械傳動，2010(4):38－41.

［11］方海峰，葛世榮，李允旺.具有被動擺臂的四履帶機器人越障性能分析［J］.中國礦業大學學報，2010，39 (4):682－686.

［12］濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京:高等教育出版社，2006:143－164.

［13］孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006:109－125.

Design and Analysis on the Six-bar Mechanism Suspension Robot

LENG Hongbin，ZHU Hongjun，ZHOU Jun，SUN Zhiyong，XIU Xingchen
(School of Manufacturing Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China)

A kind of six-bar mechanism suspension barrier robot was designed，its unique symmetrical six-bar mechanism and parallelogram mechanism simplified the robot body，and increased the barrier，steering ability.The structure，principle of the robot were introduced and the abilities of barrier and steering were analyzed by analyzing the obstacle-surmounting principle of fixed double tracked robot.It provides a new idea for the design of barrier robot.

Six-bar mechanism suspension;Obstacle surmounting performance;Steering capability

TH13

A

1001－3881(2014)9－049－5

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.013

2013－03－25

冷鴻彬 (1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向為機械設計及機構學、機械設計與制造。通信作者:朱洪俊，E－mail:375887795@qq.com。