悬架式六杆机构机器人机构设计与分析

冷鸿彬，朱洪俊，周俊，孙智勇，修星晨

(西南科技大学制造科学与工程学院，四川绵阳 621010)

悬架式六杆机构机器人机构设计与分析

冷鸿彬，朱洪俊，周俊，孙智勇，修星晨

(西南科技大学制造科学与工程学院，四川绵阳 621010)

设计了一种悬架式六杆机构越障机器人，其独特对称的六杆机构和平行四边形机构的使用不仅简化了机器人本体，还提高了其越障、转向能力。阐述了这种机器人的结构、原理，并借助双履带机器人的越障原理对悬架式六杆机构机器人的越障能力和转向能力进行了研究，为越障机器人的设计提供了新的思路。

六杆机构悬架;越障能力;转向能力

越障机器人要面临的地形环境复杂，这就对机器人的越障能力、平稳能力、地面适应能力提出了较高的要求。按照传统的移动方式，有腿式、轮式、履带式以及复合式几种机构模型［1］。腿式机器人地面适应性强，稳定性高，但机构及其控制复杂，运行速度也较低。轮式机器人移动灵活，控制简单，但越障时不能跨越大于轮子直径的壕沟和高于轮子直径的台阶，机构本身稳定性较差，不能适应复杂的地形。履带式机器人地面适应能力强，稳定性高，但转弯半径大转向能力较差，且转弯时履带的磨损较大，能耗较高。复合式越障机器人是适形越障机器人的一种，包括轮/腿式、轮/履式等多种组合结构形式。近年来，国内外的专家学者对复合式越障机器人进行了大量的研究工作，包括对转臂式［2］、摇臂式、双曲柄联动扭杆式［3］悬架机器人的越障能力与稳定性分析。悬架是机器人的关键部件，连接车轮和车体，对机器人的移动性能影响较大。美国 JPL实验室研制的 Rocky系列火星车以及已成功登陆火星的“索杰纳”、 “勇气号”、“机遇号”火星车均采用6轮独立驱动的摇杆—转向架悬架系统［4－5］。

针对以上研究现状，文中设计了一种轮/履组合的悬架式机器人。该机器人采用了一种新型的六杆机构悬架，该机构由前后左右对称的六杆机构和平行四边形机构与4组履带组成，具有地面适应性强、稳定性高、转向能力好等特点，其结构简单，易于控制。

1 悬架式六杆机构机器人机构

1.1 悬架式六杆机构工作原理

该机器人采用的六杆机构悬架包括左、右车架、车体三部分。左、右车架通过3组平行四边形机构相连接，在实现联动的同时还进一步加强了越障机器人的自适应能力，使两侧非整体式履带抬起时减小对车体的影响，使车体不倾斜或者倾斜度减小，从而让车体获得最大的稳定性。悬架式六杆机构机器人三维模型见图1。

图1 悬架式六杆机构机器人三维模型

1.2 单边车架结构

如图2所示，单边车架由2个六杆机构、1个平行四边形机构和2个非整体式履带组成。其中六杆机构由曲柄AB、连杆BD、DE和滑块C，非整体式履带EF组成。曲柄和滑块都固连在车体上，履带中的后轮F通过轴固连在车体上。前轮E与后轮F连接，后轮为主动轮，通过履带带动前轮，前轮为从动轮。

图2 车架结构

整个车体有4个主动轮，由4个电机带动，电机的正反转控制车体的前进、后退。机器人采用差速转向，所以不需要单独的电机控制其转向，4个主动轮是机器人行进的主要动力源。整个车体只需要1个驱动曲柄AB，曲柄AB转动的同时通过平行四边形机构带动同侧的曲柄A1B1和另一侧的两曲柄转动，电机的正反转控制履带的升和降，因此机器人采用相同的5个电机控制，其轮子的半径和履带的长度也相等。在正常行走时，机器人是履带式行走，当机器人遇到不能直接通过的障碍物时，通过电机驱动曲柄AB转动，在六杆机构的作用下使履带EF仰起一定的角度，以确保机器人顺利通过前方障碍。

1.3 曲柄转角与履带仰角关系

如图3所示，取曲柄AB水平时为初始位置，当曲柄AB转过角度α(0°≤α≤180°)时，履带EF的仰角为β(0°≤β≤90°)。

图3 曲柄转角与履带仰角关系

根据已建立的坐标系得到各点的坐标:

在△AB1C中有:

文中的目的是要找出β与α的关系，先找到角度β、θ2与输入角度α之间的关系。

利用向量E1D1得:

则由式(7)—(11)可以得出角度β与角度α的关系式。

根据实际需要履带EF仰角能达到即可，为了方便分析曲柄转角与履带仰角的关系，取AB=AC=25 cm，BD=60 cm，DE=EF=30 cm，θ1=45°。代入上式中有:

则式 (14)表示的就是履带仰角β与曲柄转角α的关系。

2 双履带机器人越障分析

通常可以将障碍物简化为斜坡、台阶、壕沟等典型障碍地形［6］。机器人越过障碍，是指在驱动力作用下机器人移动，其质心能够越过障碍物的关键边界线，且能够保持稳定和继续移动能力。其中最能体现机器人越障性能优越性的是台阶，因此文中主要分析悬架式六杆机构机器人越台阶的性能，为了方便研究其越障性能，首先对双履带机器人的越障原理进行研究。

如图4所示，以后履带轮轴心O1为原点，以O1O2为x轴正向的坐标系，设机器人履带轮半径为R(含履带厚度)，机器人质心的坐标为G(l，h)，且0＜l＜L(L为O1O2的长度)，h＞－R。

图4 双履带机器人越障

(1)机器人越台阶［7］

机器人越台阶是在其前端的履带机构搭上台阶后，在驱动力作用下机器人继续前进，使机器人的仰角和中心逐渐增大和上升。当机器人重心越过台阶外角线时，就可以以接触点为翻转中心向前翻转，并在驱动力和由重力提供的翻转力矩下顺利攀越直台阶上表面。

机器人的重心恰好能通过台阶的外角线时，机器人达到攀越台阶的临界状态，如图4(a)所示，设机器人的仰角为α，台阶的高度为H，可建立如下函数:

式(15)表明:若R、l、h确定，则机器人能够攀越的台阶高度H随机器人仰角α变化而变化，H的最大值即为机器人能够攀爬的台阶的最大高度。

将式(15)分别对l、h求偏导可得:

可见，H(α，l，h)为关于h的减函数，关于l的增函数。因此机器人移动平台的质心偏前、偏下时更有利于机器人跨越台阶等障碍。

3 悬架式六杆机构机器人越障分析

3.1 悬架式六杆机构机器人的质心分布

所以机器人质心随着履带仰角β变化的轨迹是以为半径的圆。

3.2 机器人越台阶能力分析

由式(18)可知，当=0时，机器人攀爬的台阶高度有最大值，将l=xG，h=yG代入式 (15)可以求出机器人攀爬台阶的最大高度Hmax:

3.3 机器人跨越壕沟能力分析

该机器人遇到此类型障碍时可不用转动曲柄直接通过，具体的原理如图7所示。

图7 机器人越壕沟

因此机器人可跨越壕沟的最大宽度lmax等于履带长度，即lmax=l3。

3.4 机器人过阶梯型障碍能力分析

机器人在通过阶梯型障碍时可看做攀爬斜坡，其工作原理如图8所示:(1)在正常行进时，机器人保持8轮着地状态，当前方出现阶梯型障碍时停止前进。(2)通过电机驱动主动曲柄AB逆时针转动，使得履带EF仰起一定的角度并继续向前行进，直至前方履带压在障碍物边沿。(3)电机驱动4个主动轮继续向前行进，并使前方履带完全爬上阶梯，当后方履带靠近阶梯时停止前进。驱动曲柄AB顺时针转动，使得同侧两履带达到共线状态。(4)此时机器人的4条履带已经完全附着在阶梯上并成共线状态，电机继续驱动4个主动轮，机器人即可顺利地爬上阶梯。

图8 机器人越阶梯

3.5 机器人转向能力分析

此机器人为4履带式，当需要转向时只需驱动曲柄AB，使得4条履带的仰角达到，机器人处于4轮着地状态，如图9(a)所示，从而可以将机器人的多履带转向问题简化为4个独立车轮的转向问题。

当机器人需要转向时，通过差速转向，即通过调整履带两侧电机的转速来实现，不需要另设转向系统，简化了机构的设计，并提高了稳定性。当两侧的轮子以相同的速度同时向前或向后转动时，该机器人实现直线行进，如图9(b)所示进。若两侧轮子转速不同或一侧向前一侧向后，则机器人实现转向，并向速度小的一侧转向，如图9(c)所示。若两侧履带转向相反且速度相同时，可实现绕一点360°转动，如图9(d)所示。

图9 机器人转向姿态

4 结论

提出了一种新型的悬架式越障机器人，悬架中的六杆机构能够实现履带的升和降，结构简单易于控制，并加入了多个平行四边形机构实现了联动，增加了机器人的稳定性。文中主要对机器人的结构、越障原理进行了阐述与分析，为越障机器人的机构设计提供了重要的参考价值。

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Design and Analysis on the Six-bar Mechanism Suspension Robot

LENG Hongbin，ZHU Hongjun，ZHOU Jun，SUN Zhiyong，XIU Xingchen
(School of Manufacturing Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China)

A kind of six-bar mechanism suspension barrier robot was designed，its unique symmetrical six-bar mechanism and parallelogram mechanism simplified the robot body，and increased the barrier，steering ability.The structure，principle of the robot were introduced and the abilities of barrier and steering were analyzed by analyzing the obstacle-surmounting principle of fixed double tracked robot.It provides a new idea for the design of barrier robot.

Six-bar mechanism suspension;Obstacle surmounting performance;Steering capability

TH13

A

1001－3881(2014)9－049－5

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.013

2013－03－25

冷鸿彬 (1989—)，男，硕士研究生，主要研究方向为机械设计及机构学、机械设计与制造。通信作者:朱洪俊，E－mail:375887795@qq.com。