基于空間曲線嚙合輪的六足機器人結構設計與分析

孫磊厚+朱江+劉光新

摘要：為減小六足機器人的體積及優化其結構，設計一種基于空間曲線嚙合輪的六足機器人。詳細介紹空間曲線嚙合輪傳動機構及執行機構的特點及設計思路，對機器人的受力情況進行分析。新型機器人結構簡單，體積小且成本低。

關鍵詞：六足機器人；空間曲線嚙合輪；結構設計

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）06-0028-03

隨著科學技術的不斷發展，機器人的應用越來越廣泛。移動機器人是機器人中的重要分支，其移動機構的主要形式有車輪式、腿足式、履帶式、步進式、蠕動式、混合式、蛇行式等。傳動機構是機器人的核心部件之一。空間曲線嚙合輪傳動機構又稱空間曲線嚙合輪。這種新型傳動機構不是基于傳統齒輪的空間曲面嚙合原理，而是基于空間曲線嚙合原理，即實現嚙合傳動的是一對空間曲線。如圖1所示，空間曲線嚙合輪傳動機構包括主動輪基體、從動輪基體、主動鉤桿、從動鉤桿。

基于陳揚枝課題組新發明的空間曲線嚙合輪傳動機構，提出一種六足機器人結構設計。與同類機器人相比，設計完成后的機器人體積更小、傳動機構傳動比大、所需電動機數目少、結構簡單、成本低。

1 機器人結構特點

1.1 傳動機構

機器人采用空間曲線嚙合輪傳動機構，與傳統傳動機構相比具有以下優點：主動輪與從動輪轉速比大，可達20∶1；鉤桿直徑最小可達0.1 mm，能夠實現任意角度的交叉軸傳動，有利于縮小機器人體積；質量輕，造價低廉。

1.2 行走步態

六足機器人（見圖2）采取三角步態，將六足分為兩組，機器人本體左側的前足16、后足18與右側的中足14為一組，右側的前足15、后足13與左側的中足17為另一組，分別組成2個三角支撐。當一組三角支撐中所有的足同時提起時，另一組三角支撐的三足不動，支撐身體；當提起的三足著地時，依靠足底摩擦力將機器人往前推，兩組足循環輪換工作。

六足機器人兩組三角步態相位差為0.5π，一組足運動時，另一組足保持原狀態，如此輪換運動，通過足底摩擦力實現行走；轉向通過轉向離合器的結合與分開實現。

電動機3驅動右傳動軸5轉動，同時帶動右傳動軸上的主動輪6，21，25轉動，主動輪與從動輪進行嚙合傳動，驅動與從動輪聯接的輸出軸轉動，輸出軸通過轉向離合器帶動凸輪機構轉動，從而驅動足行走。左側結構與右側相同，電動機2與電動機3旋轉方向相反。通過圖2可見，左右兩側輸出軸的旋轉方向相同。機器人只需2臺小型電動機即可實現行走與轉向，結構簡單，易于實現。用簡單的程序對機器人進行控制，能夠很大程度上簡化結構與降低成本。

2 機器人結構設計思路

2.1 空間曲線嚙合輪傳動機構

根據文獻確定主動鉤桿的方程為：

主動鉤桿螺旋線半徑m=5 mm，主動鉤桿螺旋線導程p=6π mm，傳動比（主動輪與從動輪轉速之比）i12=3，主動鉤桿數目n1=6，從動鉤桿數目n2=18，鉤桿直徑D=1 mm，主動輪轉軸與從動輪轉軸夾角為90°。

根據文獻可得：主動輪外圓半徑R1=m+2D=7 mm；從動輪基圓半徑r2=m=45 mm。其中：θe為從動鉤桿桿根參數，θe=-π/2；i21為從動輪與主動輪轉速之比，i21=1/3。

根據主動鉤桿與從動鉤桿的曲線方程，使用Pro/E進行實體建模，主動輪與從動輪的模型見圖3。

由于主動鉤桿與從動鉤桿的形狀對瞬時傳動比有較大影響，所以用Pro/E軟件測量主動鉤桿與從動鉤桿瞬時轉速，結果見圖4。

從圖4中可看出，主動輪與從動輪在轉動過程中的速度保持不變，分別為1.5°/s，0.5°/s，因此主動輪與從動輪轉速大小之比i21=3；同時，在仿真過程中沒有發現主動鉤桿與從動鉤桿發生干涉現象，驗證了參數選擇與結構設計的合理性。

2.2 執行機構

如圖2所示，執行機構由轉向離合器11、凸輪機構12、足13以及滑動桿套19組成。輸出軸10聯接轉向離合器11與凸輪機構12，凸輪機構12聯接足13，滑動桿套19一端套在足13上，另一端嵌在箱體20的滑槽內。當轉向離合器11結合，輸出軸10帶動凸輪機構12做勻速圓周運動，滑動桿套19在箱體20滑槽內做水平往復運動，足13做邁步運動。

3 機器人受力分析

空間曲線嚙合輪傳動機構為六足機器人的核心部件之一，所以有必要對其進行受力分析。在傳動過程中，主動鉤桿與從動鉤桿在嚙合點處的受力大小相等、方向相反，所以對主動鉤桿進行受力分析即可。

工作時，在嚙合點處的電動機輸出轉矩與嚙合力對主動輪轉軸的轉矩大小相等、方向相反。主動輪與從動輪的材料選用不銹鋼，設定電動機最大允許輸出轉矩為150 N·mm，經過計算確定應在鉤桿頂部（圖5中1處）施加的力Fx約為20 N，Fy約為15 N，Fz約為-7 N。通過ANSYS軟件求解可得出，主動鉤桿的受力與變形情況如圖5和圖6所示。

從圖5中可以看到，在鉤桿的根部（圖5中2處）受到的應力最大。從圖6中可以看到，鉤桿的最大變形量發生在頂部（圖6中3處）。通過ANSYS計算可知，最大變形量為0.063 μm。鉤桿變形量微小，在允許范圍內，確定以上設計的主動輪與從動輪結構可以滿足六足機器人的行走要求。

4 結論

1） 采用空間曲線嚙合輪傳動機構（下轉第31頁）設計的六足機器人主要由主動輪、從動輪、轉向離合器、凸輪機構以及足組成，結構清晰簡單。

2）主動輪鉤桿與從動輪鉤桿直徑最小可達0.1 mm，能夠實現任意角度的交叉軸嚙合傳動，有利于縮小機器人體積，特別是微小空間內的機器人。

3）機器人只需要2個電動機即可實現行走與轉向，程序編寫簡單，便于工作人員操作，成本低。

參考文獻

[1] 楊斌久.基于ADAMS技術的3-TPT并聯機器人機構動態仿真[J].機械制造，2004（7）：14-15.

[2] CHEN YANG-ZHI，XIANG XIAOYONG， LUOLIANG.A Corrected Equation of Space Curve Meshing[J].Mech Mach Theory，2009（44）： 1 348-1 359.

[3] 羅亮.空間曲線嚙合輪重合度及其參數設計公式[D].廣州：華南理工大學，2009.

[4] 胡強.空間曲線嚙合輪機構的彈性變形失效準則及強度設計公式[D].廣州：華南理工大學，2010.

摘要：為減小六足機器人的體積及優化其結構，設計一種基于空間曲線嚙合輪的六足機器人。詳細介紹空間曲線嚙合輪傳動機構及執行機構的特點及設計思路，對機器人的受力情況進行分析。新型機器人結構簡單，體積小且成本低。

關鍵詞：六足機器人；空間曲線嚙合輪；結構設計

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）06-0028-03

隨著科學技術的不斷發展，機器人的應用越來越廣泛。移動機器人是機器人中的重要分支，其移動機構的主要形式有車輪式、腿足式、履帶式、步進式、蠕動式、混合式、蛇行式等。傳動機構是機器人的核心部件之一。空間曲線嚙合輪傳動機構又稱空間曲線嚙合輪。這種新型傳動機構不是基于傳統齒輪的空間曲面嚙合原理，而是基于空間曲線嚙合原理，即實現嚙合傳動的是一對空間曲線。如圖1所示，空間曲線嚙合輪傳動機構包括主動輪基體、從動輪基體、主動鉤桿、從動鉤桿。

基于陳揚枝課題組新發明的空間曲線嚙合輪傳動機構，提出一種六足機器人結構設計。與同類機器人相比，設計完成后的機器人體積更小、傳動機構傳動比大、所需電動機數目少、結構簡單、成本低。

1 機器人結構特點

1.1 傳動機構

機器人采用空間曲線嚙合輪傳動機構，與傳統傳動機構相比具有以下優點：主動輪與從動輪轉速比大，可達20∶1；鉤桿直徑最小可達0.1 mm，能夠實現任意角度的交叉軸傳動，有利于縮小機器人體積；質量輕，造價低廉。

1.2 行走步態

六足機器人（見圖2）采取三角步態，將六足分為兩組，機器人本體左側的前足16、后足18與右側的中足14為一組，右側的前足15、后足13與左側的中足17為另一組，分別組成2個三角支撐。當一組三角支撐中所有的足同時提起時，另一組三角支撐的三足不動，支撐身體；當提起的三足著地時，依靠足底摩擦力將機器人往前推，兩組足循環輪換工作。

六足機器人兩組三角步態相位差為0.5π，一組足運動時，另一組足保持原狀態，如此輪換運動，通過足底摩擦力實現行走；轉向通過轉向離合器的結合與分開實現。

電動機3驅動右傳動軸5轉動，同時帶動右傳動軸上的主動輪6，21，25轉動，主動輪與從動輪進行嚙合傳動，驅動與從動輪聯接的輸出軸轉動，輸出軸通過轉向離合器帶動凸輪機構轉動，從而驅動足行走。左側結構與右側相同，電動機2與電動機3旋轉方向相反。通過圖2可見，左右兩側輸出軸的旋轉方向相同。機器人只需2臺小型電動機即可實現行走與轉向，結構簡單，易于實現。用簡單的程序對機器人進行控制，能夠很大程度上簡化結構與降低成本。

2 機器人結構設計思路

2.1 空間曲線嚙合輪傳動機構

根據文獻確定主動鉤桿的方程為：

主動鉤桿螺旋線半徑m=5 mm，主動鉤桿螺旋線導程p=6π mm，傳動比（主動輪與從動輪轉速之比）i12=3，主動鉤桿數目n1=6，從動鉤桿數目n2=18，鉤桿直徑D=1 mm，主動輪轉軸與從動輪轉軸夾角為90°。

根據文獻可得：主動輪外圓半徑R1=m+2D=7 mm；從動輪基圓半徑r2=m=45 mm。其中：θe為從動鉤桿桿根參數，θe=-π/2；i21為從動輪與主動輪轉速之比，i21=1/3。

根據主動鉤桿與從動鉤桿的曲線方程，使用Pro/E進行實體建模，主動輪與從動輪的模型見圖3。

由于主動鉤桿與從動鉤桿的形狀對瞬時傳動比有較大影響，所以用Pro/E軟件測量主動鉤桿與從動鉤桿瞬時轉速，結果見圖4。

從圖4中可看出，主動輪與從動輪在轉動過程中的速度保持不變，分別為1.5°/s，0.5°/s，因此主動輪與從動輪轉速大小之比i21=3；同時，在仿真過程中沒有發現主動鉤桿與從動鉤桿發生干涉現象，驗證了參數選擇與結構設計的合理性。

2.2 執行機構

如圖2所示，執行機構由轉向離合器11、凸輪機構12、足13以及滑動桿套19組成。輸出軸10聯接轉向離合器11與凸輪機構12，凸輪機構12聯接足13，滑動桿套19一端套在足13上，另一端嵌在箱體20的滑槽內。當轉向離合器11結合，輸出軸10帶動凸輪機構12做勻速圓周運動，滑動桿套19在箱體20滑槽內做水平往復運動，足13做邁步運動。

3 機器人受力分析

空間曲線嚙合輪傳動機構為六足機器人的核心部件之一，所以有必要對其進行受力分析。在傳動過程中，主動鉤桿與從動鉤桿在嚙合點處的受力大小相等、方向相反，所以對主動鉤桿進行受力分析即可。

工作時，在嚙合點處的電動機輸出轉矩與嚙合力對主動輪轉軸的轉矩大小相等、方向相反。主動輪與從動輪的材料選用不銹鋼，設定電動機最大允許輸出轉矩為150 N·mm，經過計算確定應在鉤桿頂部（圖5中1處）施加的力Fx約為20 N，Fy約為15 N，Fz約為-7 N。通過ANSYS軟件求解可得出，主動鉤桿的受力與變形情況如圖5和圖6所示。

從圖5中可以看到，在鉤桿的根部（圖5中2處）受到的應力最大。從圖6中可以看到，鉤桿的最大變形量發生在頂部（圖6中3處）。通過ANSYS計算可知，最大變形量為0.063 μm。鉤桿變形量微小，在允許范圍內，確定以上設計的主動輪與從動輪結構可以滿足六足機器人的行走要求。

4 結論

1） 采用空間曲線嚙合輪傳動機構（下轉第31頁）設計的六足機器人主要由主動輪、從動輪、轉向離合器、凸輪機構以及足組成，結構清晰簡單。

2）主動輪鉤桿與從動輪鉤桿直徑最小可達0.1 mm，能夠實現任意角度的交叉軸嚙合傳動，有利于縮小機器人體積，特別是微小空間內的機器人。

3）機器人只需要2個電動機即可實現行走與轉向，程序編寫簡單，便于工作人員操作，成本低。

參考文獻

[1] 楊斌久.基于ADAMS技術的3-TPT并聯機器人機構動態仿真[J].機械制造，2004（7）：14-15.

[2] CHEN YANG-ZHI，XIANG XIAOYONG， LUOLIANG.A Corrected Equation of Space Curve Meshing[J].Mech Mach Theory，2009（44）： 1 348-1 359.

[3] 羅亮.空間曲線嚙合輪重合度及其參數設計公式[D].廣州：華南理工大學，2009.

[4] 胡強.空間曲線嚙合輪機構的彈性變形失效準則及強度設計公式[D].廣州：華南理工大學，2010.

摘要：為減小六足機器人的體積及優化其結構，設計一種基于空間曲線嚙合輪的六足機器人。詳細介紹空間曲線嚙合輪傳動機構及執行機構的特點及設計思路，對機器人的受力情況進行分析。新型機器人結構簡單，體積小且成本低。

關鍵詞：六足機器人；空間曲線嚙合輪；結構設計

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）06-0028-03

隨著科學技術的不斷發展，機器人的應用越來越廣泛。移動機器人是機器人中的重要分支，其移動機構的主要形式有車輪式、腿足式、履帶式、步進式、蠕動式、混合式、蛇行式等。傳動機構是機器人的核心部件之一。空間曲線嚙合輪傳動機構又稱空間曲線嚙合輪。這種新型傳動機構不是基于傳統齒輪的空間曲面嚙合原理，而是基于空間曲線嚙合原理，即實現嚙合傳動的是一對空間曲線。如圖1所示，空間曲線嚙合輪傳動機構包括主動輪基體、從動輪基體、主動鉤桿、從動鉤桿。

基于陳揚枝課題組新發明的空間曲線嚙合輪傳動機構，提出一種六足機器人結構設計。與同類機器人相比，設計完成后的機器人體積更小、傳動機構傳動比大、所需電動機數目少、結構簡單、成本低。

1 機器人結構特點

1.1 傳動機構

機器人采用空間曲線嚙合輪傳動機構，與傳統傳動機構相比具有以下優點：主動輪與從動輪轉速比大，可達20∶1；鉤桿直徑最小可達0.1 mm，能夠實現任意角度的交叉軸傳動，有利于縮小機器人體積；質量輕，造價低廉。

1.2 行走步態

六足機器人（見圖2）采取三角步態，將六足分為兩組，機器人本體左側的前足16、后足18與右側的中足14為一組，右側的前足15、后足13與左側的中足17為另一組，分別組成2個三角支撐。當一組三角支撐中所有的足同時提起時，另一組三角支撐的三足不動，支撐身體；當提起的三足著地時，依靠足底摩擦力將機器人往前推，兩組足循環輪換工作。

六足機器人兩組三角步態相位差為0.5π，一組足運動時，另一組足保持原狀態，如此輪換運動，通過足底摩擦力實現行走；轉向通過轉向離合器的結合與分開實現。

電動機3驅動右傳動軸5轉動，同時帶動右傳動軸上的主動輪6，21，25轉動，主動輪與從動輪進行嚙合傳動，驅動與從動輪聯接的輸出軸轉動，輸出軸通過轉向離合器帶動凸輪機構轉動，從而驅動足行走。左側結構與右側相同，電動機2與電動機3旋轉方向相反。通過圖2可見，左右兩側輸出軸的旋轉方向相同。機器人只需2臺小型電動機即可實現行走與轉向，結構簡單，易于實現。用簡單的程序對機器人進行控制，能夠很大程度上簡化結構與降低成本。

2 機器人結構設計思路

2.1 空間曲線嚙合輪傳動機構

根據文獻確定主動鉤桿的方程為：

主動鉤桿螺旋線半徑m=5 mm，主動鉤桿螺旋線導程p=6π mm，傳動比（主動輪與從動輪轉速之比）i12=3，主動鉤桿數目n1=6，從動鉤桿數目n2=18，鉤桿直徑D=1 mm，主動輪轉軸與從動輪轉軸夾角為90°。

根據文獻可得：主動輪外圓半徑R1=m+2D=7 mm；從動輪基圓半徑r2=m=45 mm。其中：θe為從動鉤桿桿根參數，θe=-π/2；i21為從動輪與主動輪轉速之比，i21=1/3。

根據主動鉤桿與從動鉤桿的曲線方程，使用Pro/E進行實體建模，主動輪與從動輪的模型見圖3。

由于主動鉤桿與從動鉤桿的形狀對瞬時傳動比有較大影響，所以用Pro/E軟件測量主動鉤桿與從動鉤桿瞬時轉速，結果見圖4。

從圖4中可看出，主動輪與從動輪在轉動過程中的速度保持不變，分別為1.5°/s，0.5°/s，因此主動輪與從動輪轉速大小之比i21=3；同時，在仿真過程中沒有發現主動鉤桿與從動鉤桿發生干涉現象，驗證了參數選擇與結構設計的合理性。

2.2 執行機構

如圖2所示，執行機構由轉向離合器11、凸輪機構12、足13以及滑動桿套19組成。輸出軸10聯接轉向離合器11與凸輪機構12，凸輪機構12聯接足13，滑動桿套19一端套在足13上，另一端嵌在箱體20的滑槽內。當轉向離合器11結合，輸出軸10帶動凸輪機構12做勻速圓周運動，滑動桿套19在箱體20滑槽內做水平往復運動，足13做邁步運動。

3 機器人受力分析

空間曲線嚙合輪傳動機構為六足機器人的核心部件之一，所以有必要對其進行受力分析。在傳動過程中，主動鉤桿與從動鉤桿在嚙合點處的受力大小相等、方向相反，所以對主動鉤桿進行受力分析即可。

工作時，在嚙合點處的電動機輸出轉矩與嚙合力對主動輪轉軸的轉矩大小相等、方向相反。主動輪與從動輪的材料選用不銹鋼，設定電動機最大允許輸出轉矩為150 N·mm，經過計算確定應在鉤桿頂部（圖5中1處）施加的力Fx約為20 N，Fy約為15 N，Fz約為-7 N。通過ANSYS軟件求解可得出，主動鉤桿的受力與變形情況如圖5和圖6所示。

從圖5中可以看到，在鉤桿的根部（圖5中2處）受到的應力最大。從圖6中可以看到，鉤桿的最大變形量發生在頂部（圖6中3處）。通過ANSYS計算可知，最大變形量為0.063 μm。鉤桿變形量微小，在允許范圍內，確定以上設計的主動輪與從動輪結構可以滿足六足機器人的行走要求。

4 結論

1） 采用空間曲線嚙合輪傳動機構（下轉第31頁）設計的六足機器人主要由主動輪、從動輪、轉向離合器、凸輪機構以及足組成，結構清晰簡單。

2）主動輪鉤桿與從動輪鉤桿直徑最小可達0.1 mm，能夠實現任意角度的交叉軸嚙合傳動，有利于縮小機器人體積，特別是微小空間內的機器人。

3）機器人只需要2個電動機即可實現行走與轉向，程序編寫簡單，便于工作人員操作，成本低。

參考文獻

[1] 楊斌久.基于ADAMS技術的3-TPT并聯機器人機構動態仿真[J].機械制造，2004（7）：14-15.

[2] CHEN YANG-ZHI，XIANG XIAOYONG， LUOLIANG.A Corrected Equation of Space Curve Meshing[J].Mech Mach Theory，2009（44）： 1 348-1 359.

[3] 羅亮.空間曲線嚙合輪重合度及其參數設計公式[D].廣州：華南理工大學，2009.

[4] 胡強.空間曲線嚙合輪機構的彈性變形失效準則及強度設計公式[D].廣州：華南理工大學，2010.