一種可重構輪式機器人的對接機構設計

高趙成，張力平，2

（1.長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064；2.長安大學公路養護裝備國家工程實驗室，陜西 西安 710068）

0 引言

專家學者們受到社會性生物協作行為的啟發[1]，因此，自重構機器人的研究設計吸引了許多移動機器人研究學者的目光。自重構機器人能夠根據外界環境的不同改變機器人系統的構成，從而使機器人本身具有良好的環境適應性，尤其適合在非結構化環境中進行作業。單元模塊一般具有獨立運動的特性，同時可以與其他單元模塊進行連接，應對更加復雜的任務。

自重構機器人設計的要點就是它的重構連接機構，系統整體自重構運動的重要基礎是靈活可靠的對接機構[2]。自重構機器人從20世紀末發展至今，已經出現了許多不同的類型，根據對接機構所使用的連接原理，可以將對接機構大致分為機械式接口和電磁式接口兩類[3]。機械式接口的典型代表如北京航空航天大學的JL-2型機器人[4]，其采用機械手爪的方式進行模塊間的連接；Sohal等[5]設計的可重構機器人采用夾持式接口；張旭東[6]、何成林[7]設計的可重構履帶式機器人采用夾爪式對接機構，使用夾爪與卡盤配合實現兩個機器人的重構連接。AIST研究所提出的M-TRAN及M-TRANⅡ[8-9]采用電磁式接口，通過磁鐵以及形狀記憶合金進行模塊機器人間的對接與分離，趙傳武[10]采用釹磁鐵進行模塊化機器人的對接。

機械式對接機構連接可靠性高，耗能更低，對于小型自重構移動機器人而言，能夠擁有良好的續航能力。本研究設計了一種可重構輪式機器人，重點對單元模塊的對接機構進行分析，并使用SolidWorks和ADAMS對單模塊機器人進行三維建模以及對接機構的仿真分析。

1 機器人模塊結構設計

1.1 單元模塊結構

本研究所設計的可重構輪式機器人由若干個相同的單元模塊組成。各個單元模塊既可以獨立地作業，又可連接其他單元模塊，組成一個更大的機器人系統協同工作。自重構機器人的整體設計方案如圖1所示。

圖1 自重構機器人的整體設計方案

機器人單元模塊的外形尺寸為250 mm×250 mm×141 mm。根據不同的功能，該機器人單元模塊的機械系統主要分為兩部分：對接箱體和三輪全向移動底盤。對接箱體依據對接過程中的任務不同分為主動對接面與被動對接面，用以實現兩個模塊之間的對接；三輪全向移動底盤采用全向輪機構，使得運動形式更加方便靈活。

1.2 基于電推桿的對接機構設計

本研究基于電推桿的對接機構三維模型如圖2所示。所選擇的電推桿型號為MNTL，最大位移量為10 mm，速度為4 mm/s。

圖2 對接機構三維模型

圖2中，對接機構主要分為被動對接機構與主動對接軸兩部分。被動對接機構如圖2（a）所示，是基于電推桿進行設計的，電推桿與旋轉T軸尾端通過滑槽連接，旋轉T軸可以圍繞固定在安裝臺的旋轉軸做旋轉運動，其另一端與鎖止銷以及復位銷接觸。復位銷安裝在復位彈簧座A中，用以對運動機構進行復位，復位彈簧A提供復位所需要的動力。鎖止銷安裝在復位彈簧座B中，可以在復位彈簧B與旋轉T軸的共同作用下完成對接。主動對接軸如圖2（b）所示，固定于主動對接面，其沒有主動運動能力，端部設置有凹槽，可以與被動對接機構嵌合完成對接。

模塊對接時，電推桿伸出，帶動旋轉T軸繞旋轉軸轉動，旋轉T軸另一端推動復位銷移動壓縮復位彈簧A，同時鎖止銷被復位彈簧B彈出。主動對接軸進入被動對接孔并位移到兩對接面貼合，電推桿收回，直到鎖止銷完全滑入主動對接軸上的凹槽，完成對接。

模塊分離時，電推桿伸出，復位彈簧B將鎖止銷彈出，直至鎖止銷退出主動對接軸凹槽，主動對接軸退出被動對接孔后，電推桿收回，完成分離。

2 ADAMS仿真結果及分析

將對接機構模型在SolidWorks中進行簡化并導出為.x_t格式文件，將轉換后的文件導入ADAMS軟件，對導入的各零件按照實際名稱命名。根據設計原則，對導入模型中的各零件進行相應的連接設置，對在運動中不發生相對運動的進行固定副設置，對發生相對運動的進行相應的運動副設置。

在仿真中，對兩側鎖止銷分別施加平移驅動，驅動的函數為STEP函數，進行運動仿真，左右兩側的鎖止銷位移和電推桿位移如圖3至圖6所示。

圖3 左側鎖止銷位移

可以觀察到，在圖3和圖5所顯示的左右兩側鎖止銷位移曲線中，鎖止銷位移量約為5 mm。相應地，在圖4和圖6所示的左右兩側電推桿位移曲線中，電推桿的位移量約為7.7 mm，小于所選擇的電推桿的最大位移量10 mm，因此本研究的對接機構設計是合理的。

圖4 左側電推桿位移

圖5 右側鎖止銷位移

圖6 右側電推桿位移

3 結論

本研究介紹了一種新型的可重構輪式機器人，單元模塊可以獨立作業，也可以連接多個單元模塊形成新系統。文章重點對單模塊機器人的對接機構進行研究，單模塊機器人采用基于電推桿的機械式對接機構。最后對單元模塊的對接機構進行ADAMS仿真，通過仿真驗證了理論分析的正確性，為進一步實現輪式機器人的自重構打下基礎。