【《某轮腿复合式跳跃机器人的整体结构设计案例》3400字】

某轮腿复合式跳跃机器人的整体结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u13973某轮腿复合式跳跃机器人的整体结构设计案例 1272961.1机器人功能分析 1239251.2轮毂电机的设计 2236841.2.1内转子式轮毂电机设计 329131.2.2行星减速器设计 488611.2.3外壳及刹车盘设计 4147481.3三段式腿的设计 5179101.4跳跃机构的设计 6139741.5机身的设计 71.1机器人功能分析该轮腿复合式跳跃机器人主要由机身，两条三段式的腿和两个采用轮毂电机技术的车轮构成。该机器人是一款两轮两腿，平整地面用轮子快速移动，并通过跳跃来越障的自平衡机器人，可完成下蹲，原地转弯，单轮过斜坡且姿态保持稳定，跳跃等动作，速度可达每小时4.68公里，最高跳跃高度为0.3m。腿部采用四杆机构，目的是实现跳跃与平衡间的解耦，即车轮中心始终几近于在初始轮子中心和机器人质心的连线上，降低控制难度同时简化结构。两腿彼此独立，可以分别弯曲，将支腿保持在稳定的弯曲位置的主要是通过安装在支腿膝关节处的扭力弹簧来完成的。为了平稳及省略部分传动部件，让机器人结构更简单，位于车轮的电机采用轮毂电机，轮毂电机的驱动方式为间接驱动，即电机为内转子结构，转速较高，通过行星减速器实现减速，电机内转子的轴带动行星轮减速器的输入端即太阳轮轴，行星减速器的输出端即行星架的轴带动轮毂转动。整个结构的输入轴与输出轴共线，使得轮毂电机结构紧凑，可以实现更复杂的驱动方式，使机器人运动更加灵活，且使得跳跃运动只需要一组电机即可进行。如图1.1所示，机器人共有10个自由度，其中每条腿4个自由度，每个车轮有1个自由度。下图以机器人正面向前建立了坐标系，图中大圆柱代表主动关节，小圆柱代表从动关节。每个髋关节和膝关节只带有一个pitch自由度，在垂直于z轴即平行于xoz的平面内运动。图1.1机器人关节布局1.2轮毂电机的设计为了使机器人结构更简单，质量更轻，运动更灵活，引入了轮毂电机技术，即将轮毂和驱动装置直接合并为一体的电机，也就是把动力、传动和制动装置都整合到轮毂中，俗称电动轮[11]。省略了大量的传动部件。如图1.2和图1.3所示，该轮毂电机主要由三大部分组成：内转子式电机，行星减速器和车轮。图1.2轮毂电机三维图图1.3内转子电机及行星减速器三维图1.2.1内转子式轮毂电机设计该结构作为车轮的作为动力装置，如图1.3所示，转子由铁芯和嵌入铁芯的闭合导体组成，其外部是定子绕组，定子绕组产生的旋转磁场驱动转子做高速旋转运动，转子通过4个螺栓固定在法兰轴上，法兰轴的一端由深沟球轴承16005支承，轴承通过法兰轴的轴肩和轴承端盖实现轴向定位，该轴的另一端带动行星减速器的太阳齿轮轴，该周向固定采用花键连接，电机的定子绕组固定在电机壳体内壁，壳体外部有散热片。电机的壳体与壳盖用8个M3×6的内六角圆柱头螺栓连接，电机壳盖上用螺栓固定一个轴承闷盖，壳盖通过4个M6×35的螺栓与机器人的腿连接。1.2.2行星减速器设计内转子式轮毂电机利用高速内转子电机，通过行星减速器实现减速并得到较大的转矩。选用2K-H型行星减速器，在满足要求的情况下尽可能的减小减速器的体积，太阳齿轮、内齿圈和三个行星轮的模数1.5，行星轮和太阳轮齿数为24，齿厚为18mm，减速比为i=n主动轮/n行星架=4。如图1.4所示，行星减速器的内齿圈外轮廓与壳体的内壁面贴合并固定在壳体上，太阳轮通过平键与太阳轮轴连接，轴向通过套筒和轴用弹性挡圈实现定位，太阳轮轴的输入端与内转子电机的输出轴用矩形花键连接，且用双列角接触球轴承3200A-2RS支撑着行星架，行星架由左右两部分组成，两部分间通过6个M3×8的十字槽沉头螺钉连接，行星架的输出端通过矩形花键与轮毂连接，轴向用螺栓连接。三个行星齿轮通过深沟球轴承606-2Z安装在直径为6mm的轴上，轴向定位通过孔用弹性挡圈和套筒实现，三根行星齿轮轴均布在行星架上。图1.4行星轮减速器三维图1.2.3外壳及刹车盘设计内转子电机有自身完整的外壳，一侧为电机输出轴，另一侧装有轴承闷盖，轴承闷盖通过8个M3×6的内六角圆柱头螺钉与电机外壳连接，电机外壳通过均布的4个M6×35的螺栓与机器人的小腿端部连接，另一侧通过均布的12个M4×8的内六角圆柱头螺钉与减速器外壳连接，减速器输出端处有轴承透盖与半粗羊毛毡圈用作防尘和封油，其外侧是利用螺栓和花键与减速器输出轴相连接的轮毂，轮毂、盘式刹车片和轮辐利用4个M6×25螺栓、螺母和垫片的组合用来固定。1.3三段式腿的设计腿是该机器人实现轮式运动与跳跃的关键结构，腿部具有髋、膝和踝三个部位的多个方向的自由度。如图1.5所示，该机器人的三段式腿分别为大腿，从动大腿和小腿。在本设计中，髋、膝和踝处共有5个关节，各关节只有1个自由度，使该机器人的腿是一个二维平面的腿，结构简单，从而减轻了重量，同时设计、加工、装配难度也都降低很多，驱动难度也大大降低。在髋关节处，机器人的大腿外侧通过螺栓与大扭矩的电机直接相连，大腿内侧通过深沟球轴承61902与机身相连。在从动髋关节处，从动大腿与机身间通过两个深沟球轴承606连接。在从动膝关节处，从动大腿与小腿间通过两个深沟球轴承606连接。在膝关节处，大腿与小腿间的轴承为深沟球轴承6000。轴承的轴向定位一端由阶梯孔实现，一端由轴用或弹性挡圈实现。三段式腿的设计主要目的是实现平衡和跳跃的解耦，该机器人站立在两个大车轮上，由两条三段式腿将身体与车轮连接，三段式腿与机身组成四杆机构，机身作为机架，两连架杆为大腿和从动大腿，连杆作为小腿，连杆前端连接车轮，使得跳跃过程中转动连杆时，车轮中心始终几近于在初始轮子中心和机器人质心的连线上，如图1.5中红色线所示，从而实现平衡和跳跃的解耦。并且利用扭簧来抵消自身重量，减少运行时髋关节处电机的控制力，提高效率和跳跃的高度。膝关节与轮子间的中心距为270mm，髋关节与膝关节间的中心距为267mm，从动髋关节与从动膝关节间的中心距为282mm，髋关节与从动髋关节间的中心距为135mm，膝关节与从动膝关节间的中心距为66mm。该轮腿复合式跳跃机器人可以主动控制腿长和支撑力，更有利于重心调整和姿态控制，提高了轮式在复杂路况下的通行能力，身体平衡性和安全性。图1.5机器人腿部结构图1.6三段式腿结构1.4跳跃机构的设计实现单腿跳跃机器人前向跳跃的基础是原地跳跃，在多腿跳跃机器人跳跃的过程中，若将其每条腿的运动都视为同步，则研究其中一条腿的跳跃机理也就等同于研究多腿跳跃机器人整体的跳跃机理，这种简化方式使得对于机器人跳跃机理的研究变得更为简单、直接与高效。同时，单腿机器人的跳跃机理也能够推广到轮腿机器人的跳跃当中。正因如此，研究单腿机器人的连续原地跳跃，能够为实现轮腿机器人整体的原地跳跃打开局面[12]。实现跳跃运动的本质是大量能量的瞬间释放：相比于电动弹簧蓄能式驱动，化学能燃爆式驱动和气动反冲式驱动存在能量利用率低，体积大等问题，故选用电动弹簧蓄能式驱动：主要以电机及减速机构或电效应形变材料作为驱动源，缓慢使弹性材料形变增加其内能并在极限位置释放，利用弹性元件的回复力产生能量爆发实现跳跃。跳跃系统是决定弹跳机器人性能最重要的系统，主要由驱动机构，蓄能执行机构、行程分配机构、锁定释放机构、地面作用机构等组成，以实现弹簧机构的蓄能、锁定、释放三个工作状态。驱动机构运动需要大功率，弹簧等弹性构件的能量在蓄积之后瞬间释放需要锁定释放机构。实现跳跃的储能装置用簧丝直径为3mm，弹簧中径为40mm，有效圈数为12圈的圆柱螺旋扭转弹簧，材料选用硅锰弹簧钢。跳跃结构工作过程：在初始状态，位于髋关节处的电机开始转动，驱动三段式的腿以膝关节为中心弯曲，克服位于膝关节的扭力弹簧的回复力并使其压缩；当扭力弹簧压缩到一定程度，锁定在该状态，等待释放；解除锁定，利用扭力弹簧瞬间释放大量的弹性势能，带动跳跃结构对地面产生冲击，实现跳跃。并且可以通过控制腿的弯曲程度改变跳跃高度。如图1.7所示，实现跳跃的分解步骤：弯曲腿部→锁定→伸展腿部→飞行阶段→落地。图1.7跳跃过程1.5机身的设计机身的主要作用是收纳并安装机器人所用的电池，控制板，臀部电机以及距离传感器和光学摄像头，给机器人提供有关环境信息。使两条独立的腿与机身组成一个统一体，机器人通过四个马达保持平衡和机动:其中两个位于车轮中，另外两个安装在腿部与身体的连接处。