六足防爆巡檢機器人機械結構設計

蔣曙光 ，汪 明

（宜興經濟技術開發區應急管理局，江蘇 宜興 214200）

由于許多生產作業區域高度危險，人工不方便進行檢查，即使能夠進入，傳統的人工巡檢方式也存在勞動強度大、工作效率低、檢測質量低、手段單一等弊端。因此，防爆巡檢機器人也就應運而生，并且很快獲得了市場的廣泛認可。但是機器人的種類繁多，應用場合也各不相同，本文針對不同地形設計了一款六足防爆機器人，仿真結果表明，該機器人能適應各種復雜地形并圓滿完成任務[1-6]。

1 腿部結構設計

六足防爆巡檢機器人腿部設計是分布在圓盤形的身體上，因此每個腿都是一對三自由度的運動模型，每條腿都裝有3個舵機，舵機安裝在腿的3個關節上用來實現繞3個關節的運動，保證每條腿的正常運行[7-8]。用脛節來連接膝關節和踝關節，以確保每條腿的穩定。六足步行機器人的腿大致是模仿昆蟲的腿，具有優越的機動性、實用性和靈活性。六足防爆巡檢機器人使用三角步態，所以腿在行走過程中會交替支撐機器人及負載的重量，因此，機器人必須具有適當的剛度和承載能力。六足防爆巡檢機器人的腿部結構仿生示意圖，如圖1所示。

圖1 六足步行機器人腿的結構示意圖

2 機身的設計

六足防爆巡檢機器人的六條腿分布在圓盤形狀的機身上，身體由圓形金屬制成，因為這樣可以非常簡潔，直徑為150 mm。使用兩個圓形的金屬上下疊加組成機身，用螺釘固定上下兩個圓形金屬。

在機器人機身板上鉆12個通孔，用來安裝六足防爆巡檢機器人的6條腿。通孔的直徑應大于M3的帶槽圓柱頭螺釘的直徑，以便螺釘可以穿過通孔。孔分布在半徑為65 mm的圓周上，同一組中的孔相隔25 mm。

為了承受負載承重載荷的舵機重量，且不影響機殼的結構，機身鉆孔時，12個孔分布在半徑為50 mm的圓周上，中心也鉆出了半徑為40 mm的圓。這樣可以大大減少零件的重量。機身是全身的中心，承載6 kg的載重量，旨在滿足負載、強度和適當尺寸要求。以上設計在實現輕量化的同時也強調自身和組件的可靠性，易于維護。機身主板如圖2所示。

圖2 機身主板

3 基節的設計

基節部分作為機器人腿部的安裝位置，應考慮安裝舵機。這里使用兩個片狀部件形成基部。上基節片如圖3所示。

圖3 上基節片

基節的特征形狀部分是腿部位置向前延伸，使腿部空間增大，減少腿部摩擦碰撞，長度為65 mm，前端寬25 mm，后端寬32 mm。分為上下兩塊，上基節片在主體前端設置4個安裝孔，主體后端設置2個安裝孔。當舵機轉動時，由舵機的固定部分帶動轉向器的主體轉動，構成六足防爆巡檢機器人的跟關節。

關節舵機安裝在下基節片上，下基節片同樣在主體前端設置4個安裝孔，主體后端設置2個安裝孔，通過圓柱銷與關節舵機板連接。下基節片如圖4所示，下基節片和上基節片尺寸基本一樣，只是下基節片的前端安裝孔中間設置了一個通孔。

圖4 下基節片

4 脛節片的設計

脛節又叫做中腿，它連接著膝關節和踝關節。膝關節和踝關節上的舵機輸出軸和脛節固定。從小腿上端向下看，膝關節脛節片是通過旋轉連接的關節執行器來發生運動的。脛節下端與踝關節以及足部連接，帶動中足、下足[9-10]。

兩個舵機的旋轉軸和脛節片直接連接。從機器人機身向足部方向看下去，從腿的上端往下看，脛節片上端板連接到膝關節的舵機輸出軸上，膝關節執行器帶動脛節片的旋轉。從底部到頂部，當腳的腳踝與腳踝轉向器接觸時，腳被固定，腳踝轉向器的扭矩通過脛節片傳遞，將扭矩傳遞給六足防爆巡檢機器人的身體運動。

其中一個脛節片需要安裝兩個舵機。由此引申出了傳動脛節片的設計。傳動脛節片的結構圖，如圖5所示。

圖5 傳動脛節片

脛節片長75 mm、寬22 mm、厚3 mm。脛節片兩端預留11 mm的通孔以便舵機輸出軸的安放，為固定舵機輸出軸，在以預留通孔的圓心為圓心的圓周上分別預制4個螺紋孔。在脛節片的中心線的兩側分布兩個通孔用以安裝兩根連接桿來連接兩根脛節片。脛節片的結構圖，如圖6所示。

圖6 脛節片結構圖

5 小結

本研究對六足防爆巡檢機器人的機身、基節及脛節片等機械結構進行了詳細設計，并對相應結構參數進行了優化。仿真結果表明，該機器人能適應各種復雜地形，圓滿完成了任務，為同類機器人結構設計提供參考。