轮足复合式机器人设计

摘要
轮足复合式机器人是高科技产品的典型，是人们设置指定的程序通过中控系统实现机器人横移、越障或爬坡，跨沟、转弯等多种功能的高科技智能化产品。

它可代替人类在某些领域力所不能及的地方实现特定的任务和功能，能在有害环境下代替人类工作，侦查，排险等，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

本文主要进行了轮足复合式机器人的总体结构设计和控制系统设计。

轮足复合式机器人的机械结构由直流电机、编码器和短臂、长臂、轮子等部分组成，可按预定程序运动，实现横移、越障、爬坡、跨沟、转弯等功能。

控制系统部分的设计主要是选择合适的PLC中控系统，设计合理的PLC控制流程图，通过中控系统调节各个直流电机的转速来使轮足复合式机器人实现移动，爬坡，拐弯，越障等功能。

关键词：轮足复合式机器人；智能化；控制系统；越障
ABSTRACT
Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.
This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a Plc reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.
Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedom
目录
摘要 (i)
ABSTRACT............................................................................................................. i i 目录 ..................................................................................................................... i ii 1绪论 .. (1)
1.1课题的来源与研究的目的和意义 (2)
1.2 轮足式复合机器人的研究现状 (4)
1.2.1 轮足式复合机器人的结构的研究现状 (5)
1.2.2 轮足式复合机器人控制系统的研究现状 (7)
1.3本课题研究的内容 (9)
2 轮足复合式机器人总体方案结构的设计 (12)
2.1 轮足复合式机器人的总体方案图 (12)
2.2 轮足的布置形式 (14)
2.3 轮足的结构方案 (14)
2.4越障机构的设计 (14)
2.5 轮足的布置形式 (14)
2.6越障机构的设计 (14)
3 驱动装置的设计 (18)
3.1车轮电机的选型计算 (20)
3.2离合器的选型计算 (20)
3.3轴承的选型计算 (20)
3.4平键的选型计算 (20)
4 轮足复合式机器人的三维结构设计 (21)
4.1 Solidworks设计基础 (21)
4.1.2 草图绘制 (21)
4.1.3 基准特征，参考几何体的创建 (21)
4.1.4 拉伸、旋转、扫描和放样特征建 (22)
4.4.4 工程图的设计 (22)
4.4.5 装配设计 (22)
4.2轮子电机的三维建模 (22)
4.3轮足组件的三维建模 (23)
4.4短臂的三维建模 (24)
4.5轮足复合式机器人的三维建模 (24)
4.6三维软件设计总结 (25)
结论 (219)
致谢 (26)
参考文献 (27)
附录一 (32)
附录二 (36)
1绪论
随着人类探索自然界步伐的不断加速，各应用领域对具有复杂环境自主移动能力机器人的需求，日趋广泛而深入。

理论上，轮足复合式机器人具有比轮式机器人更加卓越的应对复杂地形的能力，因而被给予了巨大的关注，但到目前为止，由于自适应步行控制算法匮乏等原因，轮足式移动方式在许多实际应用中还无法付诸实践。

另一方面，作为地球上最成功的运动生物，多足昆虫则以其复杂精妙的肢体结构和简易灵巧的运动控制策略，轻易地穿越了各种复杂的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。

因此，将多足昆虫的行为学研究成果，融入到轮足复合式机器人的结构设计与控制中，开发具有卓越移动能力的轮足复合式机器人，对于轮足复合式机器人技术的研究与应用具有重要的理论和现实意义。

轮足复合式机器人地形适应能力强，具有冗余肢体，可以在失去若干肢体的情况下继续执行一定的工作，适合担当野外侦查、水下搜寻以及太空探测等对自主性、可靠性要求比较高的工作。

1.1课题的来源与研究的目的和意义
目前，用于在人类不宜、不便或不能进入的地域进行独立探测的机器人主要分两种，一种是由轮子驱动的轮行机器人，另一种是基于仿生学的步行机器人。

轮行机器人的不足之处在于对于未知的复杂自然地形，其适应能力很差，而步行机器人可以在复杂的自然地形中较为容易的完成探测任务。

因此轮足式复合机器人有广阔的应用前景，如军事侦察、矿山开采、核能工业、星球探测、消防及营救、建筑业等领域。

在步行机器人中，多足机器人是最容易实现稳定行走的。

在众多机器人中，模仿昆虫以及其他节肢动物们的肢体结构和运动控制策略而创造出的轮足复合式机器人是极具代表性的一种。

轮足复合式机器人与两足和轮足复合式机器人相比，具有控制结构相对简单、行走平稳、肢体冗余等特点，这些特点使轮足复合式机器人更能胜任野外侦查、水下搜寻以及太空探测等对独立性、可靠性要求比较高的工作。

国内外对轮足复合式机器人进行了广泛的研究，现在已有70多种轮足复合
式机器人问世，由于轮足复合式机器人多工作在非结构化、不确定的环境内，人们希望其控制系统更加灵活，并且具有更大的自主性。

同时轮足复合式机器人肢体较多，运动过程中需要实现各肢体之间的协调工作，如何方便可靠的实现这种协调，也是轮足复合式机器人结构设计研究的一个热点。

轮足复合式机器人是一种能够通过内、外传感器反馈信息感知环境及自身状态, 实现在有障碍物的环境中自主运动, 从而完成一定功能或任务的机器人系统。

目前已广泛运用于野外考察、地震救灾、环境检测、娱乐生活等诸多行业，在安全、军事、生活以及科学研究中扮演着越来越重要角色。

其中轮足式机器人结构简单，容易实现，具有移动速度快、转向性能好、行走效率高等特点。

但同时适应地形和避障的能力差。

轮足式机器人对地形的适应能力较好，可以跨越障碍物、台阶等，但运动间歇大，速度慢。

随着轮足复合式机器人的不断开发和应用范围的扩展，未来会在更多复杂且未知的环境中工作。

仅仅依靠轮式或者足式的机器人已无法完全适应工作环境的复杂性和多样性了。

为了配合对轮、足式机器人性能要求的逐渐提高，相继问世了许多复合式的移动机构，其中轮足式复合式机器人就融合了轮式足式机器人的特点。

既可以保证在平坦地面的移动效率又具有了良好的跨越障碍的能力。

但当轮足复合式机器人采用足式的方式行走时目前在技术上还存在许多困难，然而在自然界中存在的多足昆虫则可以通过它们长期进化得到的复杂且精妙的肢体结构和灵活的的运动方式，容易地通过了各种复杂的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。

因此，将多足昆虫的行为学研究成果，融入到移动机器人的结构设计与控制中，开发具有卓越移动能力的轮足式复合式机器人，对于足式复合式机器人技术的研究与应用都具有重要的理论和现实意义。

1.2 轮足式复合机器人的研究现状
1.2.1 轮足式复合机器人的结构的研究现状
20世纪60年代，轮足复合式机器人的研究工作开始起步。

随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了20世纪80 年代，现代轮足复合式机器人的研制工作进入了广泛开展的阶段。

世界上第一台真正意义的轮足复合式机器人是由Frank和McGhee于1977年制作的该机器人具有较好的
步态运动稳定性，但其缺点是，该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定的运动形式。

20世纪80、90年代最具代表性的轮足复合式机器人是日本ShigeoHirose实验室研制TITAN系列。

1981～1984年Hirose教授研制成功脚部装有传感和信号处理系统的TITAN-III。

它的脚底部由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。

姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应静态步行TITAN-Ⅵ机器人采用新型的直动型腿机构，避免了上楼梯过程中各腿间的干涉，并采用两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。

国内四足机器人研制工作从２０世纪８０年代起步，取得一定成果的研究机构有上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学等。

上海交通大学机器人研究所于１９９１年开展了ＪＴＵＷＭ系列仿壁虎式轮足复合式机器人的研究。

１９９６年该研究所研制成功了ＪＴＵＷＭ—ＩＩＩ，如图1所示。

该机器人采用开式链腿机构，每条腿有３个自由度，具有结构简单、外形灵巧、体积小、重量轻等特点。

它采用力和位置混合控制，脚底装有ＰＶＤＦ测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，实现了对角线动态行走。

但其步行速度较慢，极限步速仅为１.７ｋｍ／ｈ；另外，其负重能力有限，故在实际作业时实用性较差。

清华大学所研制的一款轮足复合式机器人，如图2所示。

它采用开环关节连杆机构作为步行机构，通过模拟动物的运动机理，实现比较稳定的节律运动，可以自主应付复杂的地形条件，完成上下坡行走、越障等功能。

不足之处是腿运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。

综上所述，美国、日本的研究最具代表性，其技术水平已经较为先进，实用化程度也在逐步提高。

国内四足步行机器的研究起步比较晚，在上个世纪９０年代以后才逐步有了成果，但研究水平据世界先进水平还有差距。

图一
图二
1.2.2 轮足式复合机器人控制系统的研究现状
在现代战争中,各国都在尽力追求“零死亡”,在达到预期的军事目的情况下,要求伤亡率降到最低。

在这种军事需求的牵引下,无人部队,包括无人飞机、无人地面武器搭载平台等将成为未来战争中的一支重要的力量。

本文结合实验室项目“轮腿复合式机器人”,初步完成了以下的研究工作: 首先完成了轮腿复合式机器人控制系统的设计、安装以及调试工作。

该机器人采用六套轮腿机构,每套轮腿机构分别由摆腿电机和行走电机控制机器人摆
腿和车轮的运动。

控制系统分为嵌入式计算机控制系统和运动控制器。

嵌入式计算机控制系统实现机器人平面运动及越障算法,生成电机运动指令,如速度、位置等信息;运动控制器完成电机的运动控制,包括速度PID和位置PID等,二者采用CAN总线通信。

其次完成了轮腿复合式机器人运动学建模及分析。

机器人的运动学分为两部分:平面行驶运动学和空间位姿运动学。

平面行驶运动学中,建立了机器人差速转向的运动学模型,设计运动轨迹分析机器人车轮的速度分布。

空间位姿运动学中,建立了机器人通用的空间运动学模型和质心运动学模型,并且针对机器人在越障过程中会出现的特殊姿态,简化了通用的质心运动学模型,得到不同的特殊姿态下的质心运动学模型,为机器人的越障稳定性控制提供了依据。

再次完成了轮腿复合式机器人针对典型障碍的越障分析。

针对垂直障碍、壕沟障碍、斜坡障碍三种典型障碍,分析了机器人的越障能力,规划了机器人的越障动作,提出了综合考虑越障裕度、越障安全及越障稳定性的优化方法,对机器人的越障姿态进行数值优化。

在ADAMS中对所规划的机器人越障动作进行虚拟仿真,验证了所规划越障动作的正确性。

最后,编制了控制机器人的人机交互界面,完成了机器人平面行驶运动学及越障实验,验证了本文提出的机器人控制理论的正确性。

1.3本课题研究的内容
本论文主要研究运用SolidWorks对轮足复合式机器人进行设计。

在设计过程中，了解轮足复合式机器人的结构特征和三维软件的使用要领。

本文的设计目标是设计一种轮足式复合机器人。

该机器人结合了轮式机器人和足式机器人的具多优点，能够在不同的底面实现考察，检测等等功用。

其研究内容包括：
（1）功能分析与方案设计；
（2）结构设计与三维造型；
（3）运动仿真；
（4）控制系统设计。

2 轮足复合式机器人总体方案结构的设计
2.1 轮足复合式机器人的总体方案图
本次设计的轮足复合式机器人采取的方案是：采用铸铁刚度好的铸铁机架作为主体，通过车轮电机实现机器人的移动，通过程序控制各个车轮电机的转速实现机器人的转弯，通过涡轮装置实现电机的自锁从而控制机器人的轮足的转动实现机器人的越障跨沟等等功能，总之，轮足复合式机器人是人们设置指定的程序通过中控系统实现机器人横移、越障或爬坡，跨沟、转弯等多种功能。

具体方案布局图如下：
2.2 轮足的布置形式
本次设计，是讲6个轮子分成三组，每一组轮子具有相同的运动轨迹，分别为前排轮、中排轮、后排轮，其具体的布置结构简图如下：
2.3 轮足的结构方案
轮足是机器人的核心部件轮足的摆动是通过机架立面的电机实现，而轮子的转动是通过外侧的直流电机实现的，轮足复合式机器人就是通过控制电机的转速以及相关的制动器、离合器的配合来实现跨沟，转弯，越障等等功能。

其具体结构图如下：
2.4越障机构的设计
为了使机器人能够顺利地跨越一定宽度的障碍物，应该将轮足的结构设计成可以越障的结构。

考虑到四连杆机构的设计较为简单，在这里我们选择四连杆机构（图1）作为轮足复合式机器人的越障机构，最主要的一点就是平行四边形连杆机构更容易控制机构的角速度，这对于机器人的整个的控制来说是最大的优点。

设计平行四边形连杆机构时，将每一组轮足设计成长臂和短臂连接。

并且长臂和短臂在同一平面内转动，其平面在车身的侧面，该机构具有两个自由度。

由于机构具有自锁的特点，所以当机器人越障时，只需要控制电机的转停和速度既可，而当机器人需要移动时，控制轮足的电机不让它转动而车轮电机转动就行了。

轮足复合机器人越障示意图如图2所示。

图1 平行四边形连杆机构
图2 越障示意图
3 驱动装置的设计
3.1车轮电机的选型计算
已知整个轮足复合式机器人的总重量150KG,其他重量50KG ，我们取总重量为200Kg ，移动速度为1~2r/min 。

即：
mm s G =mg =200×10=2000N V =1-2m/min =16.6-33.3/
具体的电机设计计算如下: 1、确定运行时间
本次设计加速时间
01(t -t )60=
Vl
l
Vl 负载速度（m/min ）
有速度可知每秒上升50mm ，0.033
1.2=1.2360
=-
÷l s
电机转速
电机=Vl n PB
2400/min 0.005
电机=
==Vl n r PB
3.负载转矩
0.3102000.005
1.73.220.9
⨯⨯⨯=
==⨯B gMP TL N m μπηπ
式中： 4.电机转矩 启动转矩
12()2636.9(0.00032)
1.25.6060 1.2
+⨯+=
==⨯S NM JM JL JM T N m
t ππ
必须转矩
() 2.36.=+=TM TL TS S N m
S 为安全系数，这里取1.0。

根据以上得出数据，我们选用电机型号为160BL-A ，此无电机厂家为机电产品。

根据电机的特性曲线以及参数表如下：
根据计算和特性曲线以及电机基本参数表，我们选用电机型号为160BL-4030H1-LK-B，电机额定功率为0.1KW，额定转矩为7.62N.m，最大转矩为9N.m，
额定转速为 3000r/min。

电机大致图如下：
外形尺寸130x160，电机输出轴径为25mm。

3.2离合器的选型计算
离合器借助通入磁轭内励磁线圈中的电流产生磁力吸引衔铁，从而使与磁轭
和衔铁相连的两上牙形齿爪接合传递转矩。

牙嵌式电磁离合器可分为线圈旋转（有滑环式）和线圈静止（无滑环式）两种，前一种的励磁线圈回转，电流经滑环引入，后一种励磁线圈静止，电流直接通入线圈。

为了使离、合容易，一般采用三角形牙或梯形牙。

如下图所示为线圈旋转牙嵌式电磁离合器，图上部为接合状态，下部为分离状态。

主动齿轮1安装在轴9的滚动轴承上，衔铁3和磁轭8的相对端面上有三角形齿，励磁线圈6置于磁轭内。

件2、3间的内啮合齿轮副有导向和传扭的双重作用。

线圈通电建立磁场后磁轭将衔铁吸住，端面齿啮合，动力由齿轮1经齿圈2传给已接合的衔铁和磁轭，由轴9输出。

离合器断电时，压缩弹簧7使衔铁复位，两半离合器牙分开，隔磁环4的作用是使磁力线构成回路，减少磁损失，提高接合力。

3.2轴承的选型计算
根据根据条件，轴承预计寿命16×365×8=48720小时；
(1）已知nⅡ=458.2r/min 两轴承径向反力：FR1=FR2=500.2N；
初先两轴承为深沟球轴承6204型。

根据课本P265（11-12）得轴承内部轴向力FS=0.63FR则
FS1=FS2=0.63FR1=315.1N；
(2)∵FS1+Fa=FS2Fa=0 故任意取一端为压紧端，现取1端为压紧端
FA1=FS1=315.1N FA2=FS2=315.1N；
(3)计算当量载荷
P1、P2根据课本P263表（11-9）取f P=1.5;根据课本P262（11-6）式得P1=fP(x1FR1+y1FA1)=1.5×(1×500.2+0)=750.3N；
P2=fp(x2FR1+y2FA2)=1.5×(1×500.2+0)=750.3N；
(4)轴承寿命计算
∵P1=P2故取P=750.3N；
∵深沟球轴承ε=3；
3.4键的选型计算
键联结是通过键实现轴和轴上零件的周向固定以传递运动和转矩。

其中有类型也可以实现轴向固定和传递轴向力，有些类型并能实现轴向动联结，于在圆锥
筛的轴上主要通过键来实现传递转矩和轴向固定所以，只需选用常见的普通平键，键的类型可根据使用要求、工作条件和联结的结构特点选定，键的长度根据轴毂的长度从标准中选取，键的b×h根据径来确定。

轴和轮子的联结，d=30mm, 参考资料2P5-194表5-3-18 (GB/T1095-1979)选用B10×105，
4 轮足复合式机器人的三维结构设计
4.1 Solidworks设计基础
熟悉SolidWorks的工作环境；了解SolidWorks的命令，掌握在SolidWorks 工作环境中文件的打开、保存、导入等基本操作，掌握三维建模流程。

4.1.1草图绘制
掌握点、直线、矩形、弧度圆等基本图形的绘制方法；掌握样条、文字等高级几何图形的绘制方法；理解集合约束的概念并在草图绘制中熟练应用几何约束；熟练应用阵列、实体转换等草图绘制工具；能综合应用各种草图绘制实体和利用草图绘制工具完成草图绘。

4.1.2 基准特征-参考几何体的创建
清楚明白基于特征的建模方式、参数化思想等概念；灵活运用各种建立基准点的方法；灵活运用各种建立基准轴方法；灵活运用各种建立基准面的方法；灵活运用坐标系的建立方法；能根据建模需要综合应用各种参考几何体。

4.1.3拉伸、旋转、扫描和放样特征建模
灵活运用拉伸特征的概念与建立方法；灵活运用旋转特征的概念与建立方法；
掌握扫描特征的概念与建立方法；灵活运用放样特征的概念与建立方法；通过实践能够准确分析零件的特征，灵活运用拉伸和旋转也正建立三维模型。

综合应用扫描、放样、弯曲、镜向、阵列等特征建立各种实体。

4.1.4工程图设计
灵活运用用户自定义工程图格式文件的方法；灵活运用建立标准三视图，剖视图，断面图，局部图，辅助视图等方法；灵活运用各种注释的方法。

4.1.5装配设计
灵活运用自底向上的装配方法；灵活运用生成装配体爆炸图的方法；灵活运用SolidWorks智能装配技术；灵活运用装配体零部件的状态和属性控制，并能够在装配体中设计子装配体；灵活运用干涉检查；灵活运用自上向下的装配方法；灵活运用在装配模型工程图中添加零件序号；灵活运用生成装配体材料明细表的方法。

4.2轮子电机的三维建模
4.3轮足组件的三维建模
4.4短臂的三维建模
4.5轮足复合式机器人的三维建模
4.6三维软件设计总结
通过此次设计，又一次提升了运用三维软件的水平，并吸收了不少经验，总结为一下几点。

（1）有零件图纸作图与空想设计作图不同，零件尺寸已经给出，作图时先不考虑尺寸是否真的合适，根据尺寸作出零件的三维图，但到装配时必须要
考虑尺寸是否合适，由于AutoCAD图纸效果不好，导致尺寸会有出错，
甚至有出现欠定义尺寸，所以，此时必须通过配合后在衡量尺寸，再进
行修改，直到满足配合要求。

（2）工具集的确方便了作图，通过选择零件类型，输入数据，就能生成出标准零件，但有时需要用到的零件在工具集上也未必能找到，所以此时要随
机应变，运用其他零件代替并通过修改或添加零件使其满足要求。

（3）作三维图时要灵活变通，解决问题的方法总比问题多，当一种方法不能正
常作图时，试试另一种方法，这不但能完成零件制作，同时也可以培养
出更好的作图思路，和打破规矩的新想法。

（4）规则的零件，要学会使用一些能够节省时间的命令，如镜向，阵列等，“能省则省”。

（5）关于装配，曾经带给我很大的阻碍，花了很多时间才弄清原因所在。

在一可活动子装配体上，即使活动范围会产生干涉，也不能对其设定活动范
围，如高级配合里的距离范围，和角度范围，即使在该活动范围并不影
响父配体，也不可设定。

因为一旦设定范围后，在父装配体上会将子装
配体视为完全定义的模型，这样会对子装配体之间的配合产生矛盾，将
不能完成装配。

看懂图是作图的首要任务，看图就是了解零件的工具，没有工具则无法制出零件，所以画图不能急于下笔，想透了零件的结构，想透图中的虚实线，这才是高效作图的重中之重。

进行零件建模前，一般应进行深入的特征分析，搞清零件是由那几个特征组成，明确各个特征的形状，他们之间的相对位置和表面连接关系，然后按照特征的主次关系，按一定的顺序进行建模。

一个复杂的零件，可能是许多个简单特征经过相互之间的叠加、切除或相交组成。

所以零件建模时，特征的生成顺序十分重要，不同的建模过程虽然可以构造出同样的实体零件，但其造型过程及实体的构型结构却直接影响到实体模型的稳定性、可修改性、可理解性及实体模型的应用。

尤其在二维图纸上，我们能看到的只是零件的平面图，而内部特征则以虚线给予表示，另外还有零件的相贯线，这表示了各个特征相交时出现线段。

在零件的草图绘制过程中，必须要选好第一个草绘平面，这很关键，这个平面决定了往后建模的所用到的命令，简单的说，一个圆柱可以作一个圆形然后拉伸，也可以作一个长方体旋转，虽然他们的结果都一样，但所用的草绘平面和命令就截然不同。

如果我们要的是一条轴，那我们就应该选择第二种方法为好了。

由于此设计的零件都是比较规则的零件，所用到的命令大部分是拉伸命令和旋转命令，而且很多零件都是拥有对称关系，所以为了节省时间，提高效率，经常会用到镜向特征命令。