跳跃式移动机器人机构设计及实现

第29卷第1期 2007年1月 机器人ROBOT V0J29NoI Jan，2007 文章编号：1002-0446(2007)01-0051-05 可跳跃式移动机器人机构设计及实现 李保江，胡玉生 (南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016) 摘要：构建了一个具有跳跃能力的移动式机器人机器人在较平坦地形下采用轮式移动方式前行；遇到障碍 物或沟渠时，可以进行跳跃，从而扩大运动范围介绍了机器人机械系统的总体结构，给出了机器人的本体结构及起 跳姿态，并分析了机器人的运动过程然后，详细分析了机器人的跳跃机构、跳跃参数调节机构、倾覆翻转机构等关 键机构的工作原理，给出了机构设计方案最后，根据总体设计要求选定了机器人的一些关键参数 关键词：移动机器人；机构设计；跳跃机构 中图分类号：TP24 文献标识码：B Mechanism Design and Realization of Mobile Robots with Hopping Ability LI Bao-jiang，HU Yu-sheng (College ofMechanical and Electrical neering，Nanjing University ofAeronautics and Astronautics，Nanfing 210016。China) Abstract：A mobile robot with hopping ability is constructedIn the flat environment，the robot moves with its wheels，In the environment with obstacles and ditches，the robot can hop to extend its motion rangeThe architecture of the robot me chanieal system，the structure of the robot body，the hopping stance and the locomotion process are introducedThe hopping mechanical system，the hopping parameter adjusting system，and the overturning system arc analyzed in detail，and the sys tem design is presentedSome key parameters of the robot are determined according to requirements of the overall design Keywords：mobile robot；mechanism design；hopping mechanism 1引言(Introduction) 轮式或履带式移动机器人机构简单，运动时消 耗能量不多，但是很难越过高度超过限制的障碍物 随着机器人形体的减小，地形对运动的限制作用越 来越大步行或爬行机器人翻越障碍物的能力稍强， 但是机构复杂，自由度、关节、驱动部件较多，实际应 用受到限制跳跃式机器人可以跃过数倍于自身 高度的障碍物或沟渠，对地形有较强的适应力但 是，跳跃运动首先需要克服自身重力影响，且腾空和 触地阶段动力学方程复杂，平衡难以控制 “J 在机器人的研制过程中，把多种运动方式集成 到一种机器人身上，是扩展机器人运动范围、提高机 器人适应能力的主要途径日本的Yamanaka把滚动 运动方式和跳跃运动方式结合起来，构建了可以进 行跳跃运动的滚动式球形机器人 Birch等研制的 机械蟋蟀，同时具有爬行运动方式和跳跃运动方 式 本文构建了一个具有跳跃能力的轮式移动机器 人，给出了该机器人关键机构的设计及工作原理分 析该机器人把轮式运动和跳跃运动很好地结合起 来：机器人在平坦地形下采用轮式行进方式，节约了 能量；在碰到障碍物或沟渠时，机器人可以跳跃，从 而扩大了运动范围该机器人的所有姿态调节运动 都在地面完成，避免了复杂的动力学方程分析 2机器人总体结构(Architecture of the ro- bot) 若要具有轮式移动和跳跃两种运动方式，则机 器人至少需要具有移动机构和跳跃机构此外，如果 机器人跳跃后落地时机体倾覆，必须有倾覆翻转机 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50275078)；国防科工委基础研究资助项目(110403-053) 收稿日期：20060223 维普资讯 52 机器人 构来恢复正常的运行姿态为了使机器人按照指定 方向和角度起跳，机器人还必须有起跳方向和起跳 角度调节机构落地缓冲机构也是必不可少的，它保 证了和地面的碰撞不至于损伤机载仪器此外，还需 2007年1月 要电机传动机构、底盘等其它辅助机构图1是该机 器人机械系统的组成依据此总体方案设计的机器 人机构如图2所示，图2右下方是机器人以62。角起 跳时的姿态图 1可跳跃式移动机器人机械系统 l l I I l 三轮式移动机构 l弹簧式跳跃机构 1倾覆翻转机构1 1落地缓冲机构I 起跳参数调节机栖I电机传动机构 l底盘等其它机构 J L L 主 被 侧 起 起 压 行 纂 动 动 蓄 压 锁 释 防 翼 橡 支 跳 跳 霾 走 电 机 囊 式 式 倾 式 胶 撑 方 角 囊 动 构 日IJ 后 能 缩 定 放 向 度 传 轮 轮 机 机 机 机 覆 翻 轮 架 调 调 措 转 缓 缓 节 节 机 机 构 构 构 构 施 机 冲 冲 机 机 机 构 构 构 构 构 构 图1机器人的机械系统组成 Fig1 Architecture of robot mechanical system 10 起跳姿态(诬。角度起跳) l压缩、锁定、释放机构；2一压缩释放电机；3一主动式前轮机构；4一被动式后轮机构；5一六杆式弹簧蓄能机构； 6一行走电机及附属机构；7一底盘；8一起跳角度调节电机；9一起跳角度调节机构；10一压缩释放电机传动机构 图2机器人行走及起跳姿态 Fig2 Posture of robot body when its moving and hopping 维普资讯 第29卷第1期 李保江等： 可跳跃式移动机器人机构设计及实现 一般情况下，机器人采用三轮方式行进前两轮 为主动轮，由直流电机驱动码盘保证了机器人的直 线行走和特定角度的转向后轮为随动轮，主要起支 撑平衡作用 机器人的跳跃机构采用六连杆弹簧蓄能压缩 释放电机及压缩、锁定、释放机构均位于车头，这样 的布局有利于提高跳跃高度及距离机器人起跳参 数调节装置可以设置的参数包括起跳方向和起跳角 度起跳方向由两个前轮调节；起跳角度由专门的机 构调节，动力源是起跳角度调节电机 机器人对障碍物或沟渠的识别、对路径的规划 由视觉、规划和控制系统给出本文主要研究机构部 分的设计及原理分析 3运动过程(Moving process) 机器人采用三轮行进时，六连杆蓄能机构处于 压缩状态，前轮、后轮处在行走位置，底板处于悬空 状态机器人靠两个独立的直流电机驱动，实现移动 行走 当决策与控制系统判断出有需要跳跃才能越过 的障碍物和沟渠时，发出指令让机器人跳跃机器人 的动作步骤依次为：起跳参数设置与起跳准备，跳 跃，落地后可能倾覆的翻转，恢复行走姿态 两前轮精确调节机器人的起跳方向，跳跃角度 调节机构精确调节起跳角度角度调节过程为：后轮 首先抬起至固定位置，然后车体前部逐渐抬起，底板 完全落地起跳角度调节范围为0。到9O。起跳准备 就绪后，压缩释放电机正转，触发锁定释放机构锁 定释放机构的突然释放使机器人实现跳跃， 腾空阶段不对机器人姿态进行控制如果落地 后机器人身体倾覆，倾覆翻转机构负责把机器人恢 复成前轮和底板着地姿态 姿态恢复过程为：起跳角度调节电机首先放下车 体前部至行走位置，然后压缩释放电机反转拉动钢丝 绳，同时实现后轮落地和蓄能机构的压缩蓄能机构 压缩到一定位置后，压缩电机停止转动，短接该电机 正负极，依靠电机内部磁场阻力实现对蓄能机构的锁 定机器人恢复行走姿态，一个跳跃周期完毕 4关键机构实现(Realization of pivotal sys- tems) 41跳跃机构 跳跃机构主要由两部分构成：六连杆式蓄能机 构，压缩、锁定、释放机构两部分间采用钢丝绳拉伸 方式传递动力六连杆式蓄能机构的详细分析可参 见文3这里主要分析压缩、锁定、释放机构的工作 原理 压缩释放电机15与小齿轮16固联，小齿轮与 大齿轮1无变位拟合，电机对六连杆蓄能机构的压 缩释放动力通过钢丝13传递大齿轮与轴5是间隙 配合，大齿轮的轴套有凹缺，可以容纳钢珠11和卡 销3，见图3的A。A视图电机反转带动大齿轮正转， 此时为压缩阶段，AA视图是已经开始压缩时的状 态大齿轮的轴套带动钢珠正转，钢珠挤压顶销7，顶 销卡住和绞轮1O固联的固定销9绞轮开始缠绕钢 丝，压缩六连杆机构，开始蓄能 If-奔 I樱 1 $9H- f呻市 l 缳萍 。 、 一 卜I固定销 o-绞轮： 卜钢珠： 2-滚针轴承： 3_钢丝； 4_钢丝导筒 5-压缩释放电机 e_，J啮轮 图3压缩、锁定、释放机构工作原理图 Fig3 Principle of the compressing，locking，releasing system 六连杆蓄能机构压缩到指定程度后，短接压缩 释放电机的正负极，依靠电机内部磁场阻力实现对 蓄能机构的锁定 电机正转带动大齿轮反转，此时为释放阶段大 齿轮轴套反转带动钢珠反转钢丝产生的巨大反向 拉力会通过绞轮、固定销传递到顶销并让其去填补 钢珠让出的空间顶销和固定销的瞬时脱开实现六 连杆机构的突然释放 棘爪4保证轴的单向旋转，卡销3防止离合器 套2随大齿轮的反转而缓慢脱开，保证机构的突然 释放瞬时释放是实现跳跃的关键 42起跳参数调节机构 起跳参数包括起跳方向和起跳角度装有码盘 的两个前轮精确调节起跳方向，专门的角度调节机 构调节起跳角度 图4左图为机器人行走时起跳角度调节机构的 姿态，右图为其起跳时的姿态机器人需要跳跃时， 起跳角度调节电机正转带动与它固联的拨杆5顺时 维普资讯 54 机器人 2007年1月 针转动，拨动尾轮杆2逆时针转动当连线BE超过 BD的位置时，尾轮杆会在弹簧3的拉动下到达起跳 位置，如图4右图所示拨杆的继续转动会拨动六连 杆底杆7，以这种方式抬起机器人机体前部，实现起 跳角度0。到90。的调节 图4起跳角度调节机构工作原理图 Fig4 Principle of hopping angle adjusting system 跳跃落地后，在继续行走前需进行姿态恢复，即 把3个轮子放置到行走位置角度调节电机反转带 动拨杆逆时针转动，把机器人前部逐渐放至行走位 置然后压缩释放电机转动，钢丝绳逐渐拉紧，在六 连杆蓄能的同时把尾轮杆拉至行走位置卡销8起 定位作用 43倾覆翻转机构 机器人跳跃后触地时与地面的碰撞可能使机器 人倾覆随着跳跃高度和跳跃距离的增大，发生倾覆 的可能性增大 设计时尽量使质量集中于头部且均匀地分布在 机器人长度方向的两侧，这样有利于提高跳跃高度， 保证触地时首先是前轮接触地面此外两前轮间距 达到243 mm，加上橡胶轮和支撑架的缓冲，有效预 防了机器人落地后机体的倾覆 为减小跳跃式机器人中至关重要的质量，在设 计中没有安装倾覆翻转机构，只为以后改进做了预 留预留的倾覆翻转机构称为侧翼式翻转机构，图5 是其工作过程原理图尽量安排机器人的质量分布 和形状，使它从正面看起来近似于三角形，如图5 (1)其中BC是底面，AB、AC是对称的两个侧面正 常落地姿态是底面落地，机器人不需做翻转+如果机 器人落地发生倾覆，即侧面着地由于机体的对称 性，假定AC面触地，如图5(1)让侧翼A c绕c点 缓慢张开支撑地面，使机器人ABC姿态逐渐恢复，其 过程可见图5(1)(3)当重心超过c点后，机器人 姿态在重力作用下将自动复原，即过程(4)，然后侧 翼A c收回两侧翼同时起保护机体内仪器的作用 图5 倾覆翻转机构工作过程示意图 Fig5 Principle of the overturn system 侧翼翻转机构工作原理类似于人倒地后用手支 撑逐渐站立文1中有类似的机构 44缓冲机构 机器人的落地缓冲由橡胶轮和缓冲支撑架两层 缓冲措施构成，基本上可以保证在跳跃高度为1 ITI 时机载仪器不受损伤 5关键参数选择(Choice of pivotal parame- ters) 设计目标是使总质量为15 kg的机器人垂直跳 跃高度达到1 m考虑到机器人尺寸限度，把六连杆 蓄能机构的侧杆长度定为1 10 mm，上下杆长度定为 30 mm侧杆与机器人宽度方向夹角为60。时为六连 杆机构的放松状态(弹簧仍保留一定的预紧力，以保 持机器人为刚性机械系统)，此时六连杆机构在弹簧 方向的长度约为140 mm夹角为20。时为锁定状态， 此时六连杆机构弹簧方向长度约为237 mm 六连杆蓄能机构采用两根弹簧时，弹簧可选参 数为：材料直径d=30 mm，弹簧中径D =20 mm，弹 簧有效圈数n=31，单圈弹簧刚度k =907 Nmm如 果采用4根弹簧，弹簧参数为：材料直径d=2-0 mln，弹 簧中径D =12 mm，弹簧有效圈数n=54，单圈弹簧 刚度k=907 Nmm弹簧材料均为弹簧钢，有关参 数的具体意义可参见文7 六连杆机构 、Y方向长度及受力的关系为： Y=、 = +、 = (1) dx=F dy (2) 联立两式得到： 4k( ) Fy= ： ： 一C 维普资讯 第29卷第1期 李保江等： 可跳跃式移动机器人机构设计及实现 55 、 分别为弹簧和钢丝绳拉力；dx、dy为 、Y方向 的微位移；z。为弹簧原长 代入相关参数得到：采用两根弹簧时，钢丝绳最 大拉力为Fy =3601 N；采用4根弹簧时，Fy = 3809 N最后选择24 V、30 rmin、型号为JM120 3540C的直流电机作为压缩释放电机 图6六连杆机构示意图 Fig6 Sketch of the six-link system 图7六连杆机构受力分析示意图 Fig7 Force sketch of the six-link system 压缩释放电机和压缩释放机构间由减速比为 444的齿轮组连接，缠绕钢丝绳的绞轮直径为 19 mm完全压缩六连杆蓄能机构，绞轮需转193 圈，压缩时间为172 S 6结论(Conclusion) 在介绍可跳跃式移动机器人机械系统总体结构 及运动过程的基础上，详细分析了机器人的跳跃机 构、起跳参数调节机构、倾覆翻转机构等主要机构的 工作原理及实现过程，并选定了关键参数，对跳跃式 机器人机构设计有参考意义 参考文献(References) 1 Fiofini P，Burdick JThe development of hopping capabilities for small robotsJAutonomous Robots，2003，14(203)：239 254 2李保江，朱剑英弹跳式机器人研究综述J机械科学与技 术，2005，24(7)：803807 3李保江弹跳机器人动力学分析J南京航空航天大学学报， 2006，38(1)：7680 4Vermeulen J，Lefeber D，De Man HA control strategyfor a robot with one articulated leg