机器人结构设计及获奖作品精析

时间：2023-10-02 理论教育版权反馈

【摘要】：另一方面，考虑到这种新型轮腿式机器人的主要特点是可高速行进，用于完成侦查等任务，对各腿同步的要求并不高，因此，选用第三种方案进行设计。新型轮腿式机器人的基本结构主要包括躯体、腿部和驱动装置。驱动装置造型新型轮腿式机器人的驱动装置由电动机和行星齿轮减速器构成，其三维实体造型如图3-9所示。

机器人结构设计及获奖作品精析

1.总体方案的选择和确定

新型轮腿式机器人采用三角步态行走，因此可把6条腿分为两组，身体一侧的前腿、后腿与另一侧的中间腿为一组，两组腿交替摆动与支撑，使机身一直处于相对平稳的状态。

通过查阅相关资料可知，功能型轮腿式机器人的运动原理较为简单，把电动机的功率及转速引出来分别传送到两组腿上，使其同步即可。因此，设计出以下几种方案：

1）方案一：将两组腿错开180°布置，用一个电动机带动，通过蜗杆蜗轮、同步带、锥齿轮等传动装置进行动力传递，实现两组腿的运行。

2）方案二：选用两个电动机分别对两组腿进行单独控制，同样需要同步带等传动机构来实现三角步态的运行。

3）方案三：选用六个电动机对每一个腿进行单独控制，这样可省去传动装置部分，直接由电动机带动腿运转。

比较以上三个方案：方案一只选择了一个电动机，能很好地实现两组腿之间的同步问题。但传动装置太多，必须加大箱体才能装载所有零件，同时两组腿之间被相对“固定”成180°布置，只有一个旋转自由度，这样一来使机器人灵活性不够，只能单纯地完成直线行进，无法实现转弯等功能。方案二在方案一的基础上有所改进，能分别控制两组腿的不同运动，自由度数为2，但方案一中存在的问题仍没有得到有效的解决。方案三中采用六个电动机进行控制，机器人有6个旋转自由度，腿与腿之间的同步不易满足，但由于省去了传动装置部分，大大节省了机体内的空间。同时，由于六条腿相对独立，通过控制电动机间的转速差，可进一步实现原地转弯、行进中转弯、四足甚至多足同时着地等动作，使机器人的运动更为灵活多变，更能适应恶劣的环境。另一方面，考虑到这种新型轮腿式机器人的主要特点是可高速行进，用于完成侦查等任务，对各腿同步的要求并不高，因此，选用第三种方案进行设计。

2.结构设计

采用Pro/E三维建模软件对新型轮腿式机器人的机械结构进行设计造型。新型轮腿式机器人的基本结构主要包括躯体、腿部和驱动装置。按照Pro/E建模的规则，使用各种适当的建模方法（拉伸、旋转、扫描、镜像等），对机器人的各部分结构进行造型。

（1）躯体造型设计新型轮腿式机器人的躯体采用框架式结构，其三维实体模型和实物分别如图3-4和图3-5所示。

图3-4 新型轮腿式机器人躯体的三维实体模型

a）侧板模型 b）躯体整体模型

图3-5 新型轮腿式机器人躯体实物图

（2）腿部造型设计新型轮腿式机器人腿部的三维实体模型和实物分别如图3-6和图3-7所示。如图3-6a所示，机器人腿部由两个单足和联轴器组成。两个单足分别呈180°对称安装在联轴器的两侧，用螺钉加以固定。单足的具体形状如图3-6b所示，之所以将机器人的足部设计成弧形，主要是弧形足部具有以下优势：①与直杆结构相比，弧形结构在机器人从“卧”到“站”的过程中，受力点更接近电动机回转轴，如图3-8所示，因此电动机所需的扭矩较小，减小了电动机的负担，同时增大了电动机选择的范围；②比起直杆结构弧形结构的触地面积更大，防滑性能更为优越；③在遇到复杂地质条件的地形时，例如石缝、滩涂等，直杆式足部容易陷入其中，使得机器人进退困难，而弧形足部却能大大降低这种风险。

（3）驱动装置造型新型轮腿式机器人的驱动装置由电动机和行星齿轮减速器构成，其三维实体造型如图3-9所示。