电动弹跳轮式复合机器人结构设计

林自旺，顾凯杰，王经纬，宋伟山，梁凯旋

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

0 引言

轮式移动机器人在空间探索、海洋开发、家庭应用等领域发挥着重要作用。在相对较为平坦的环境中，仅需要机器人有较为灵活的移动能力，而当遇到较大障碍物或沟渠时，移动机器人会受到严重的限制。在复杂的环境中，机器人要有对地面较强的通过能力和对环境的适应能力。在实际的应用中，为了越过障碍物，要求机器人具有一定的跳跃能力[1-3]。

弹跳机器人可以轻而易举的越过与自身尺寸相当的，甚至数倍于自身尺寸的障碍物或沟渠，因此更适合复杂和不可预测的环境[4]。但是，单纯的机器人弹跳运动会消耗大量的能量，且元件的磨损比较严重。因此，将弹跳运动和轮式移动结合，既可以节省能源，延长元件使用寿命，又可以使机器人的适用范围更广泛[5]。

本文构建了一个具有跳跃能力的轮式移动机器人，该机器人是在弹跳机器人MSU jumper[6]的基础上进行了结构优化和运动方式的结合设计，采用仿生设计方法和3D打印的制造技术，实现电动弹跳与轮式集成机器人体形小、质量轻这一优化目标。

1 复合机器人工作原理

1.1 复合机器人结构组成

图1为复合机器人结构，包括弹跳部分、轮式移动部分和控制部分。同时，三轮式移动结构被选为弹跳机器人的移动平台，实现平坦路面的轮式移动功能。

1.2 复合机器人的工作原理

电动弹跳轮式复合机器人的工作原理简图如图2所示。在工作执行开始时，机器人根据路况会进行运动方式的选择，选择方式如下：

图1 复合机器人结构

a) 当平坦路面时，机器人选择轮式移动运动方式，弹跳机构保持初始状态，通过机器人前轮驱动，使机器人到达工作目的地。

b) 当遇到较高障碍物时，机器人选择弹跳运动方式。经过弹跳运动，机器人完成跃过障碍物任务，并执行接下来的任务，最终达到工作目的地。

图2 机器人工作原理简图

在图2中展示了机器人弹跳运动的运动过程，该过程分为4个阶段：起跳调整阶段、压缩蓄能阶段、能量释放阶段和落地阶段。

1) 起跳调整阶段。在这一阶段，通过红外传感器检测到前方障碍物后，由移动轮调整机器人和障碍物的位置关系，使得机器人的起跳方向达到最佳。

2) 压缩蓄能阶段。当接到上述姿态调整完毕的指令后，控制器输出指令使弹跳机构的减速电动机开始工作。减速电动机的输出轴外置直齿啮合齿轮，从而带动压缩蓄能离合机构，实现六杆机构的“下蹲”压缩蓄能任务。

3) 能量释放阶段。弹跳机构完成压缩后，离合机构的末端处于最高点。当电机再旋转微小的角度后，弹跳机构释放能量，机器人跳跃离地。

4 )落地阶段。机器人在设计时，多数负重均在压缩板上。落地后，弹跳机构又可以起到缓冲作用，很好地保证机器人落地后的完整性。

2 复合机器人的结构设计

电动弹跳轮式复合机器人的设计不仅要实现弹跳高度和运动方式良好的结合，而且要实现机器人微型化和质量轻的目标。

2.1 弹跳机构设计

弹跳机构的设计包括3部分：六杆蓄能机构设计、传动部分设计和压缩-释放机构设计。为了简化机器人的结构，机器人弹跳主体部分选择6杆蓄能机构，而且4腿长度相等。6杆机构扭簧的压缩初始角α1为75°，压缩终止角α2为15°，压缩量为60°，其几何关系如图3所示。

图3 六杆机构杆长几何关系示意图

设机器人腿长为b，压缩终止时，底板与压缩板相距a，根据几何关系得：

x+a=2bsinα1

(1)

a=2bsinα2

(2)

式中x为压缩板和底板之间的压缩量，其值为50mm。由式(1)、式(2)求得，腿长b=49.13mm；将腿长进行圆整，设计腿长为50mm。为了减轻机构的整体质量，6杆蓄能机构中的上腿、下腿、压缩板和底板4部分均采用腹板-加强筋结构。传动部分选择现成的减速电机，将减速器和电机集成一体，这样不仅能够节省空间、提高效率，而且可以大大减轻机器人整体质量。减速电机的减速比为300，外置啮合齿轮组的减速比为6，总减速比为1 800。为了减轻机器人的质量和简化机器人的结构，将压缩-释放机构两者设计为一体结构，下面主要介绍压缩、释放机构的结构和工作原理。

图4所示为压缩释放机构工作原理图，该结构由离合件、插销和鱼线绳3部分组成。插销1安装于传动机构的输出轴，其伸出部分位于离合件2的180°槽内，离合件安装于输出轴上，离合件的内孔和输出轴之间采用间隙配合方式。

1—离合件；2—插销；3—鱼线绳；4—外置大齿轮图4 压缩释放机构工作原理图

当6杆机构压缩初始状态时，插销1与离合件2的沟槽侧面接触。压缩开始后，插销1带动离合件做逆时针旋转。离合机构旋转180°后，离合件2的末端上升到最高点。此时，6杆机构处于最大程度压缩状态。当输出轴继续转动微小角度后，离合件2在插销1的微小干扰和鱼线绳3的拉力作用下，迅速旋转回到初始位置，弹跳机构释放能量。

插销1保证了离合件2的单向旋转，离合件2达到最高点可以在鱼线绳3的作用下短暂锁定，离合件2的180°缺口保证了突然释放。该机构改进MSU jumper的单向轴承，实现了单向轴承的功能，同时也减轻了机器人的质量。

2.2 轮式移动结构设计

基于电动弹跳轮式复合机器人的稳定性和平衡性，机器人轮式移动部分整体设计成三轮结构。两前轮采用各自驱动方式，方便机器人移动的调整和转向，两前轮由2个直流减速电机驱动，车轮直接安装在减速电机的D字输出轴上。辅助支撑轮起平衡作用，维持机器人的稳定性。

3 复合机器人试验分析与改进

3.1 试验分析

图5所示为一组机器人弹跳试验结果图，在无控制系统的状态下，电源直接带动机器人电机，进行弹跳和轮式移动试验。机器人的整体质量为85g，弹跳最高高度为21cm， 从压缩开始到弹跳离地的时间为4s。试验结果验证了压缩释放机构设计和轮式移动与弹跳运动结合的可行性。

图5 机器人弹跳试验结果图

同时，机器人试验结果也出现了诸多问题。弹跳结束后，机器人容易倾倒，无法恢复行走状态；机器人行走时的质心不稳；能量利用率不高。图6所示为机器人模型弹跳过程简化图，可将机器人简化为两物块连接一弹簧的模型。当机器人释放的过程中，能量会大量损失。

图6 机器人模型弹跳过程简化图

弹簧刚刚完全释放且机器人未离地时，弹簧储存的能量EK完全转化为物块1的动能：

(3)

式中，M1、M2分别为物块1和物块2的质量，V1为物块1的速度。

机器人跳跃离地，物块1和物块2达到共速，其速度V2满足下式：

M1V1=(M1+M2)V2

(4)

(5)

由式(3)、式(4)、式(5)其损失的能量ΔE为：

(6)

3.2 复合机器人改进

基于上述分析，电动弹跳轮式复合机器人的上下两部分的质量分配可以继续优化。考虑到机器人重心不稳的问题，可以改变机器人轮式和弹跳机构的结合方式。因此，机器人可以做如下改进：

1) 选择压缩板作为机器人轮式移动平台，使得机器人上半部分分配更多质量，以减少跳跃过程的能力损失。

2) 在机器人选择轮式移动运动时，弹跳机构处于完全压缩状态，以提高机器人的稳定性。

4 结语

为了使得机器人弹跳更高、两种运动方式结合得更好，对机器人的整体结构进行了很大程度的简化设计。机器人零件采用的腹板-加强筋结构，保证了机器人强度，同时减轻了机器人的整体质量。弹跳部分是机器人设计中的关键，压缩释放机构是弹跳机构的关键。相对于MUS jumper中的单向轴承方案，本设计方案中采用的离合机构具有更高的可靠性。同时，电动弹跳轮式复合机器人的弹跳运动存在很大的能力损失，从而导致弹跳高度并不理想。如何改进机器人的上下部分的质量分配和两种运动的结合方式将是今后继续深入研究的问题。

[1] 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):803-807.

[2] 赵杰，韩庆虎，刘刚锋. 小型跳跃机器人的研究[J]. 制造业自动化，2007,29(9):41-44.

[3] 郭坚毅，朱剑英，王化明，等. 单动发动机式弹跳机构的控制与实现[J]. 机械科学与技术，2009(1):41-44.

[4] 李保江，胡玉生. 可跳跃式移动机器人机构设计与实现[J]. 机器人，2007,29(1):41-44.

[5] 张克通. 轮式移动弹跳机器人研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2010.

[6] Jianguo Zhao, Jing Xu, Bingtuan Gao, Ning Xi, Fernando J. Cintrón, Matt W. Mutka, Li Xiao. MSU Jumper: A Single-Motor-Actuated Miniature Steerable Jumping Robot[J]. IEEE Transactions on Robots, 2013,29(3):602-614.