第一篇
2016年IEEE会议论文集
机械电子与自动化国际会议
8月7日 - 10日，中国哈尔滨
轮轨机器人的结构设计和分析
崔登起，郭文增和韩东 高学山
1.机电工程学院 2.机器人与系统国家重点实验室
北京理工大学 哈尔滨工业大学
北京100081 哈尔滨150001
cdql 984 @ 163. Com
摘要一本文主要介绍了轮轨机器人的系统组件，主要包括车身结构和控制系统。 通过分析驱动功率和选择爬行的功率，选择机器人的电机驱动。变量结构采用螺杆传动机构和螺杆传动结构设计，模拟变量结构验证螺杆 驱动设计原理的理性。 最后，进行了膨胀和收缩实验中机器人的可变结构。 实验结果表明，变量结构的正确性。
关键词一轮轨道，结构设计，移动机器人。
Ⅰ引言
迄今为止，已经有许多关于移动机器人的研究，因为它们可以帮助人们在复杂和不可预测的环境中执行危险任务，例如行星探测，智能和侦察，反恐怖和救援等等[1-3] 。例如，当突然发生灾害时，需要机器人快速经过不规则地形并及时到达其目的地。如果机器人克服障碍的能力较差，它将无法完成其工作，因为它可能在一个地方徘徊或运行。因此，机器人应具有显着的灵活性和可穿越性。在这种情况下，已经开发了各种机器人。通常，轨道机构和混合机构更适应于崎岖的地形。由于具有优良的稳定性，低地形压力和简单的控制系统，跟踪型机器人已广泛应用于不规则环境，一种称为“可变轨道机器人”。例如，CALEB-2 [4]，VSTR [5]，VGTV [6]，单轨道[7]，ROBHAZ-DT [8]，NEZA-I [9]等一些属于这种机器人。它们旨在通过调整轨道的配置来最大限度地提高对崎岖地形的灵活性和适应性。它们可以通过最小化与地面的接触长度来降低能耗。
根据上述类型的机器人的优点和缺点，近年来研究了一种称为轮轨机器人的新型机器人[10-15]。 在平地上，它可以以轮模式行走以节省能量并具有相对高的速度; 而在粗糙的道路或楼梯上，它可以在轨道模式下通过，如图1所示。 在本文中，一种新的可变形轮轨机器人已经发展，并参考以前的研究[16] [17]，分析了机器人的结构设计，第二部分介绍了机器人的结构系统，第三部分介绍了机器人的控制系统，第四部分根据驱动功率和爬升功率选择了驱动电机，并介绍了机器人的可变结构设计 机器人。 第五节验证机器人变量结构的合理性。 最后，我们的结论提供在第六节。
Ⅱ 机器人的机械结构
图1 机器人的机械结构
机器人的结构示意图如图1所示，包括四部分，可变结构装置，行走装置，箱体和尾杆。 机器人采用集成轮方案。 行走轮中安装有蜗轮蜗杆电机和可变结构机构的螺杆式可变结构和直流电机。 所以箱子只包含电源，尾杆电机和控制系统等。履带模式实现了被跟踪的齿和齿圈在轮式和履带式不同长度下的啮合。 尾翼采用360度翻转形式。 这种集成形式非常高，采用高度集成的模块化，易于拆卸，非常适合人们携带模块。
Ⅲ 机器人的控制系统
图2 机器人的控制系统
机器人控制系统采用分层结构，由智能板和控制板组成，构成人机交互协作，外部环境检测和姿态控制功能，如图2所示。该命令是由操作者根据外部环境的变化通过无线终端输入智能板，通过无线终端发送到控制板进行分析，控制2个直流齿轮电机和3个蜗轮电机的运动，从而实现 控制机器人的姿势。 姿势信息通过控制板陀螺仪内部的实时传感器传感机器人得到，智能板上的这些信息反馈给操作者，反映在PC人机界面中。 操作员根据反馈信息和实时环境通过PC接口或遥控器将机器人姿态要求和要求重置到机器人端。 在移动机器人的过程中，外部传感器，红外超声探头将检测到一些外部环境信息发送到控制板，以辅助操作者进行一些避障工作。
Ⅳ 轮轨机器人的步行装置设计
图3 轮轨机器人的步行装置设计
集成轮方案的设计如图3所示。 内齿圈通过安装在支架上的轴承与定位环固定连接
（用箱体固定）完成齿圈的径向定位，然后通过卡簧实现轴向定位，外齿圈和内齿圈
一模一样。 驱动电机固定在支架上，驱动齿轮轴通过齿轮驱动，另外两个齿轮通过齿轮啮合传动在齿轮轴上和内外齿轮上。 为了保证电机线通过连接轴，支撑两个通孔，内齿圈安装法兰采用中空结构。 定位方法简单，紧凑。
为了使机器人获得大的动态特性，根据轨道动态性能作为标准，使机器人能够实现更好的切换到车轮的性能。
A 驱动力
根据技术要求，假设机器人在地面上的加速度为O.Sm / s2，在移动机器人的运动中，力如图4所示，即平衡方程。
图4 平地上机器人的驱动力
Ft _______牵引力
Fy _______土阻力
Fa _______惯性力
Fi _______机器人启动时的惯性力
N _______地下沉参数特征
Kc _______地面内聚模量
Kphi;________地面摩擦粘度
W ________机器人的重量
根据土壤条件的参数lambda;i为0.01-0.05。牵引力可表示为
Ml _______输出转矩
Mf _______驱动轮摩擦阻力矩
R ________行走轮半径
为了简化计算，Mf=0.2Ml，计算驱动轮的转矩Ml= 3.12N.m。
B 攀登能力
与平地运行相比，攀登能力是衡量地面移动机器人和驾驶能力的重要指标。 如果机器人处于最大指数为30度斜率，线性运动的加速度a = 0.25m / ssup2;，加速到0.5m / s，在这个过程中，机器人的力如图5所示， 平衡方程。
图5 机器人爬行履带在履带模式下的示意图
牵引力可表示为
综合型（6），（7），有以下参数。驱动轮的扭矩为Ml = 28.16N·m。 单轴阻力矩为Mf = 13.14N·m。
单个电机的最大机械功率为
K _______安全系数，得1.3
eta;_______传输效率，达到85％
n________速度，r / min
获得P = 118W，根据上述计算，电动机性能的选择显示在表1
表1
当选择电机时，根据最大连续转矩和额定转矩的需求，决定齿轮箱的选择。
获得i = 79.41。完全确定3级行星齿轮箱GP42C匹配电机，减速比为81，质量为0.46kg，最大传动效率为72％，最大输出转矩为15N·m，允许瞬时输出 扭矩为22.5N·m。
在确定减速比时，检查最大速度值。
v = 1.57m / sgt; 1.5m / s满足速度要求。
C 螺杆驱动设计
如图6所示的可变装置集成在片内切片片与外片切片片轮之间，包括蜗杆驱动电机，
在支架上，支架与箱体固定连接，梯形螺杆旋转驱动装配齿轮，螺母与梯形螺杆配合固定连接驱动杆，驱动杆上下移动方向通过 光轴固定在两个连接板之间和直线轴承的内部安装。 通过利用蜗杆电机的旋转，从而实现摇臂的收缩和扩展功能。
图6 螺杆式可变结构装置图
图7 ADAMS模拟图中螺杆机构具有可变结构
图8 ADAMS模拟图中螺杆机构具有可变结构
通过机器人的模拟实验，得到图8中的扭矩曲线，可以看出扭矩需求的开始和结束阶段最大，主要是考虑结束，因为轨道在开始时处于松弛状态 ，所以启动阶段的仿真结果应该被忽略，但是根据仿真结果的下半部分显示的推力主动条需求约为2100N。
根据螺杆推力的计算公式
eta; ________螺杆驱动效率约为0.9-0.95
T _________扭矩，N·m
L _________螺钉导线,mm
螺杆导程为2mm，计算所需的电机转矩。 最后选用变频结构电机为GW31ZY，额定转速为27r / min，额定转矩2.5N·m，额定电流1.2A。
Ⅴ 实验原理和实验分析
A 实验原型和参数
图9 实验原型
轮轨可变结构移动机器人实验系统包括机器人平台和用户控制终端，如图9所示。操作员通过遥控机器人轮轨开关，尾杆旋转和前后位置变换，操作期间所有姿态数据 通过无线传输模块发送到计算机PC接口，包括车轮/履带机器人运行时的姿态数据。
实验室开发的机器人平台的基本参数如重量，尺寸，结构各部分如表2所示。两种模式如图10和图11所示。
表Ⅱ
原型参数
图10 机器人轨迹模式图 图11 机器人轮模式图
B 可变结构器件测试
本实验的目的是通过单轮测试车轮/履带机械手动态切换的可变结构，验证轮式和履带机构的运动特性以及电机选择是否合理。
图12 可变结构的膨胀过程
图12显示了车轮/轨道变量结构的膨胀过程。车轮/履带机器人的车轮状态如图12（a）所示，当用户发出`expand指令时，两侧的摆臂由车轮下部的螺杆机构集成蜗轮电机驱动逐渐分心。摆臂轮的位置较高，因此轨道的上部与环形齿轮分开，如图12（b）所示。然后，随着小臂进一步向下，轨道在顶部和齿圈上出现啮合，并且轨道的下端逐渐分开齿圈，如图12（c）所示。在这个过程中，图12（b）中的红色区域位于顶部齿圈中，当摆臂伸展时，几个带齿圈啮合的齿不会展开有效支撑，因此轨道的齿是在没有有效张力的收缩状态下，在拉伸过程中，当轨道伸展到一定长度时，例如在图12（c）的中间状态，可以是短驱动轮旋转，使得轨道的红色区域将啮合齿圈。然后停止行走轮，驱动履带轮使摆臂最终完成切换到履带，如图12（d）所示。
图13 可变结构的收缩过程
图13示出了轮/轨道变量结构的回缩过程。车轮/轨道机器人的车轮状态如图13（a）所示，当用户发出“退回”指令时，两侧的摆臂由螺杆机构的电机驱动。在轨道端部逐渐啮合齿圈，并且轨道的顶部啮合与轨道模式啮合相同，如图13（b）所示，然后用于进一步恢复的摆臂与齿圈啮合轨道，并且上部逐渐远离齿圈，如图13（c）所示。由于摇臂上的多个齿在收缩到摇臂轮的过程中有效支撑，导致不能通过轨道啮合状态切换到轮啮合状态，最终导致收缩现象，例如在摇臂收缩过程中示出的图13（d）。同样的解决方案是慢速旋转的轮子，收缩效果会更好。事实上，从图13（d）中可以看出，在收缩的状态下，赛道已经成为一个基本的机构，在不太苛刻的场合可以走到车轮。
图14 螺杆膨胀和收缩机理的当前图表
图14是电机在收缩和膨胀过程中的额定电压和电流曲线。膨胀时间约为SSs，所需转矩的中间部分较小，所需的电流在20s之前和之后为10s 相对较大，最大扭矩出现在末端，尺寸约为0.65A，并且恢复过程约需45s左右，整条曲线相对稳定; 负载膨胀是指支撑其机器人的bo，在前10s，电流曲线和膨胀过程基本相同，这是因为轨道尚未开始支撑接地盒，并且盒子接地 电流较大，连续整个过程保持在1.2A电流的额定电流下，但在60s开始时，电动机电流急剧增加，主要是由于轨道张力引起的增加，实际上可以认为合理设置开度。
Ⅵ 总结
本文主要介绍轮轨机器人的系统组件，主要包括车身结构和控制系统。 通过分析驱动功率和选择爬行的功率，选择机器人的电机驱动。 可变结构采用螺杆传动机构，设计了螺杆传动结构，模拟可变结构验证了螺杆传动设计原理的合理性。 最后，进行了膨胀和收缩实验中机器人的可变结构。 实验结果表明，变量结构的正确性。
致谢
这项工作得到了中国国家自然科学基金（批准号61273344），机器人和系统国家重点实验室（HIT）（批准号：KLK-2011-ZD-06）以及机器人国家重点实验室和 系统（SIA）（批准号SKLRS-2014-ZD-03）。
参考文献
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