作品简介

  传统的轮式、履带式机器人具有机械结构简单、运动速度快、能耗低、控制简单等优点，在相对平坦的结构环境下具有较大的优势。但是在较为复杂的地形，诸如山地、丘陵、沼泽、沙漠的复杂非结构环境上，履带式机器人适应性较差。 但六足机器人便可以很好的解决这个问题。六足机器人多以仿生学为基础，在地形适应性方面具有传统轮式、履带式机器人无法比拟的优势，能够在绝大多数非结构地形中保持良好的行走功能。但是多组机器人的行进方式为多步态协调前进，所以前进的速度相较于轮式机器人较慢，在平地前进时效率较低。

所以结合了履带式机器人在平地高速行进的特点，以及六足机器人的复杂地形适应性，设计出本产品——多地形自适应探索机器人。在平地行进时，通过电机带动履带轮中心带轮传动，实现平地上的快速前进，移动速度约15km/h。遇到复杂地形时，可通过六自由度的六足机械腿之间的相互配合，可以轻松地完成在复杂地形上的行走任务。机械腿末端配有仿鸡爪式手足复用结构，行走时辅助行走，停止时可以收集样品。在复杂地形下，还需要机器人的保护机制，机械腿可以通过电动推杆带动整体蜷缩包裹住机身，并通过保护气囊护住整机。为避免机体上下倒置，所以安装上了周转轮系，可实现整体的上下翻转，从而解决了避障保护时的困难。

相较于其他产品，本产品以扩大多足机器人的适应性、稳定性为目标，通过运用组合原理、机构变异等创新原理和方法，提出一种可适应多种地形的多功能探索机器人，不但保证了在平地时的运行效率，大大提高了机器人在各种地形环境下的适应性、稳定性，对未来多足机器人多地形探索研究具有一定意义。

设计原理

机械结构部分
1.1 总体结构设计

多地形自适应探索机器人主要由壳体、三角履带轮、腿部结构和行星轮系组成，壳体作为主要机架，支撑其他部件运动。六条机械腿固定在机架支撑轴上，依靠电动推杆可实现上下移动与摆动，从而带动总体向前行进。

行星轮系固定在壳体内，依靠中心轮支撑着三角履带轮，并通过直流伺服电机将动力传递到履带轮上，实现履带轮的运动。
   1.2 壳体设计

壳体总的结构设计成对称的六面体形状，来增加其运动的稳定性，以及满足机器人正反运动需求。另外遵守结构仿生、功能仿生的原则，提高机器人的可操作性和可行性。

壳体采用近似于六面体的结构，六个顶角安装主支撑轴，来固定六条腿的基节。辅助支撑轴安装在4条较短的棱边处，用来固定摆动电动推杆。壳体内部可安装行星轮系，以及安放直流伺服电机。
   1.3 三角形履带轮

项目履带轮主要由多V带传动机构、减震机构、三角形履带机构和辅助翻转支撑机构4部分组成。三角形履带可实现机器人在沼泽、河滩、沙漠等多种地形快速前进，弥补六足机械腿的不足以及提高机器人的多地形适应性。另外，在探索机器人意外侧翻之后，可以通过六足支撑使履带轮离地一定高度，再通过行星轮系使三角履带轮翻转，实现侧翻之后翻转履带轮而不用翻转整个机体，即可让探索机器人继续前进。

另外，采用三角形履带，其通过性和爬坡能力超强，且由于重心低、附着系数大，具有良好的抵抗翻倾和下滑的坡地稳定性性，同时还具有转弯半径小的机动性、爬坡能力强的越野性等特点。
  1.3.1 多V带传动机构

为了让三角形履带三个传动轮共同转动，一起带动履带运动，提高前进动力，采用多V带轮机构来满足这一项要求。

通过壳体内的直流伺服电机，带动中心轴转动从而带动中心V带轮转动，将动力通过带传递给小V带轮，小V带轮再将动力传递给履带传动轮，从而带动三角履带轮前进。     
   1.3.2  减震机构

（1）中间悬挂减震弹簧机构

为了防止履带轮在越障时被动自适应机构模块向上顶起从而使主体失去减震吸能的作用。

悬挂模块主要包括固定板、连杆和减震弹簧。在设计过程中减震弹簧和连杆分别与固定板之间形成一定夹角，要求减震弹簧与固定板之间的夹角大于连杆与固定板之间的夹角。实现通过障碍物时可以使主体保持稳定性以及减少振动。

（2）轮部悬挂减震弹簧机构

当前轮碰上障碍物，受到多种作用力时，为了保证机身的稳定性，减少振动，在前轮传动轴上安装悬挂弹簧。

另外，为了使前轮可以随弹簧浮动，在支撑板上增加槽口浮动后置空间，预留后移5cm空间以及前移1cm空间。预留后移5cm可以使前轮柔性化，保证机身稳定性，预留前移1cm是为了使其他两个履带传动轮移动，来避免履带松垮甚至脱落。

轮部和中间的悬挂减震弹簧机构共同作用，提高探索机器人行驶过程的稳定性、安全性和可靠性。

1.3.3 三角形履带机构

（1）三角形履带组件

三角形履带由橡胶套环铰接组成，通过金属销连接橡胶套环和连接板。金属销采用间隙配合，使金属销与套环及板之间无直接摩擦。履带运动时，只有橡胶套环产生弹性扭转，噪音小，寿命长。另外受力情况好，拆装较方便。

（2）履带与传动轮配合

传动轮与履带之间采用近似渐开线配合，即渐开线齿轮具有角速比不变的优点，渐开线齿形的接触点上的正压力方向始终与渐开线的基园相切，这样可以保证啮合时传动比的恒定。从而实现受力与传动稳定，以及便于制造。

1.3.4 辅助翻转支撑机构

为了避免三角履带轮翻转的时候，履带松垮甚至脱落，增加了翻转辅助支撑机构。

辅助翻转支撑机构由连杆1、连杆2、滑动支撑块以及三角连杆组成一个摇杆滑块机构。在舵机的带动下，使摇杆摆动，从而带动三角连杆向前推进，进而滑动支撑块将履带撑起。
   1.4 手足复用机械腿结构设计

1.4.1 功能要求

本产品为六足机器人，机械腿的总体设计原型来源于自然界的昆虫，每条腿都由四部分组成：基节、摆动大腿，摆动小腿、触底小腿。本产品设计的小腿和其他产品不同在于将基节和大腿的顺序相互交换，并将摆动小腿与基节直接相连，从而实现运动迁移。

在行动时需要六足协同工作在进行结构设计的同时不但需要保证运动的灵活性，也需要考虑其运动步态的平稳性。由于在负载地形的探索中，机器人整体的体积不能过大，所以整机尺寸控制在1.5m之内，所以机械腿的总长需要小于1.5m。

本产品手足复用机械腿集成了一般六足机械腿的多种自由度结构的同时配合手足复用结构可实现（1）抓握、（2）辅助六足行走的功能。手爪末端配备电机，带动足端小腿实现整周翻转，实现多角度夹取物块。

1.4.2.大腿结构设计

（1）大腿结构

大腿通过中心孔配合安装在总体的主支撑之上，主要承担机械腿的上下移动和前后摆动。为了减轻大腿的重量，采用工字形的腿部形状，在保证弯曲刚度的同时减少了腿部的重量。

在大腿侧面装有两个连接凸台，用于连接电动推杆，工字形截面也能很好的避免连接部位相互干涉从而导致磨损或损坏。大腿上端下两端通过升降电动推杆实现腿的升降，在不工作时起到一个辅助支撑的作用。

为了降低滑动时的摩擦磨损，在大腿内孔中安装滑动导轨，与主支撑轴相配合，从而保证了滑动的连贯性流畅性。大腿的摆动主要通过摆动电动推杆的通过传动轴传递给连接凸台，从而驱动大腿的左右摆动。六足的前后摆动角度与电动推杆的行程相关，为避免在移动时六足相互干涉，电动推杆的行程控制在200~500 mm 之间。

（2）卸荷部件

1）卸荷套功用

由于该关节处为大腿和小腿连接处，连接轴所承受的弯矩较大，为避免应力集中，使轴发生变形甚至断裂，因此利用卸荷带轮原理，在连接的阶梯轴处加上一个卸荷套，卸荷套与轴之间用轴承隔开，这样既能使轴所受弯矩通过卸荷套卸到刚度较大的大腿上，从而减小轴所受弯矩，又能使电机动力顺利传给阶梯轴，进而带动小腿翻转。

2）零部件间工作原理

电机固定在大腿根部处，电机旋转通过联轴器将动力传递给连接轴，，连接轴带动转动转换块旋转，进而带动小腿旋转，实现小腿翻转。卸荷套一端通过轴承与连接轴相接，一端与大腿相接，从而实现对轴的卸荷。

3）转动转换块设计

为了更好地实现小腿翻转以及收缩张开等各种动作，我们设计了一个上下左右都对称的转动转换块，并在其中开一个键槽，从而使电机传递的动力通过传动轴传递给该转换块，进而带动小腿旋转。转换块上下均有两个夹板，一端连接电动推杆，另一端连接连杆，从而使小腿完成张开收紧等动作，实现小腿运动及机器人自我保护功能。
   1.4.3 小腿结构设计

为了实现小腿的支撑作用，将小腿设计成两段拼接式结构，始终保持支撑腿的末端始终与地面垂直，从而减少弯矩对机械腿的损伤。小腿的前端主要通过基节和大腿相连接，小腿末端设计了镂空结构用于安装手足复用机构，将在下文中具体陈述。小腿内部设计成弯板形结构，保证了主要受力方向的支承刚度的同时，减轻了小腿的重量，避免了末端腿过重而损坏翻转电机。

小腿前端通过连杆将基节和小腿相连，为了保证小腿摆动的动力，在前端设计电动推杆凸台用来驱动小腿运动。电动推杆的一端与基节相连，保证了在小腿末端在转动的同时不影响正常的摆动动作。通过电动推杆的伸缩移动，从而带动前端小腿往复摆动。
   1.4.4 手足复用手爪机构

手足复用结构的创意灵感来自于鸡爪，对鸡爪运动的简化分析，设计出一款二自由度欠驱动手指来模拟鸡爪的运动模式。本产品中的手足复用结构仅为参考模型，仅满足最佳的尺寸比例，具体的宽度尺寸需要对产品的具体使用情况来进行确定。

手足复用爪主要实现辅助行走和物体夹取功能，当行走时，指尖首先触地，欠自由度弹簧打开，用于缓冲地面的冲击力。机械爪用于夹取的是时候，通过舵机带动曲柄转动，连杆带动支撑杆驱动手爪上下运动，为了表示清楚内部结构，结构中弹簧用红线表示。  
   1.5轮系设计

1.5.1功能及组成

轮系主要是用来传递动力，通过双联滑移齿移动使不同的齿轮进行啮合，从而使机器人在不同情况下实现不同的功能。其中正常行进时两传动齿轮啮合，实现履带轮的行走；当机器人发生侧翻时，行星轮系起作用，从而实现履带轮的翻转。

本轮系由行星轮系外加两个传动齿轮（z₄=40, z₅=20）（其中一个与行星轮系中心外齿轮共同组成双联滑移齿轮）以及轴、轴承若干。行星轮系由一个中心内齿轮（z₃=80）、一个中心外齿轮（z₁=40）、三个行星轮（z₂=20）、一个三件行星架组成。所选齿轮齿数、轮数满足行星轮设计的同心条件、装配条件（即两种心轮的齿数应同为奇数或偶数、两中心轮齿数之和为行星轮数的整数倍）。所有齿轮模数m均为5。