蔣曙光 ，汪 明

（宜興經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)應(yīng)急管理局，江蘇 宜興 214200）

由于許多生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域高度危險(xiǎn)，人工不方便進(jìn)行檢查，即使能夠進(jìn)入，傳統(tǒng)的人工巡檢方式也存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、檢測質(zhì)量低、手段單一等弊端。因此，防爆巡檢機(jī)器人也就應(yīng)運(yùn)而生，并且很快獲得了市場的廣泛認(rèn)可。但是機(jī)器人的種類繁多，應(yīng)用場合也各不相同，本文針對不同地形設(shè)計(jì)了一款六足防爆機(jī)器人，仿真結(jié)果表明，該機(jī)器人能適應(yīng)各種復(fù)雜地形并圓滿完成任務(wù)[1-6]。

1 腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

六足防爆巡檢機(jī)器人腿部設(shè)計(jì)是分布在圓盤形的身體上，因此每個(gè)腿都是一對三自由度的運(yùn)動(dòng)模型，每條腿都裝有3個(gè)舵機(jī)，舵機(jī)安裝在腿的3個(gè)關(guān)節(jié)上用來實(shí)現(xiàn)繞3個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，保證每條腿的正常運(yùn)行[7-8]。用脛節(jié)來連接膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，以確保每條腿的穩(wěn)定。六足步行機(jī)器人的腿大致是模仿昆蟲的腿，具有優(yōu)越的機(jī)動(dòng)性、實(shí)用性和靈活性。六足防爆巡檢機(jī)器人使用三角步態(tài)，所以腿在行走過程中會(huì)交替支撐機(jī)器人及負(fù)載的重量，因此，機(jī)器人必須具有適當(dāng)?shù)膭偠群统休d能力。六足防爆巡檢機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)仿生示意圖，如圖1所示。

圖1 六足步行機(jī)器人腿的結(jié)構(gòu)示意圖

2 機(jī)身的設(shè)計(jì)

六足防爆巡檢機(jī)器人的六條腿分布在圓盤形狀的機(jī)身上，身體由圓形金屬制成，因?yàn)檫@樣可以非常簡潔，直徑為150 mm。使用兩個(gè)圓形的金屬上下疊加組成機(jī)身，用螺釘固定上下兩個(gè)圓形金屬。

在機(jī)器人機(jī)身板上鉆12個(gè)通孔，用來安裝六足防爆巡檢機(jī)器人的6條腿。通孔的直徑應(yīng)大于M3的帶槽圓柱頭螺釘?shù)闹睆?，以便螺釘可以穿過通孔。孔分布在半徑為65 mm的圓周上，同一組中的孔相隔25 mm。

為了承受負(fù)載承重載荷的舵機(jī)重量，且不影響機(jī)殼的結(jié)構(gòu)，機(jī)身鉆孔時(shí)，12個(gè)孔分布在半徑為50 mm的圓周上，中心也鉆出了半徑為40 mm的圓。這樣可以大大減少零件的重量。機(jī)身是全身的中心，承載6 kg的載重量，旨在滿足負(fù)載、強(qiáng)度和適當(dāng)尺寸要求。以上設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)也強(qiáng)調(diào)自身和組件的可靠性，易于維護(hù)。機(jī)身主板如圖2所示。

圖2 機(jī)身主板

3 基節(jié)的設(shè)計(jì)

基節(jié)部分作為機(jī)器人腿部的安裝位置，應(yīng)考慮安裝舵機(jī)。這里使用兩個(gè)片狀部件形成基部。上基節(jié)片如圖3所示。

圖3 上基節(jié)片

基節(jié)的特征形狀部分是腿部位置向前延伸，使腿部空間增大，減少腿部摩擦碰撞，長度為65 mm，前端寬25 mm，后端寬32 mm。分為上下兩塊，上基節(jié)片在主體前端設(shè)置4個(gè)安裝孔，主體后端設(shè)置2個(gè)安裝孔。當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由舵機(jī)的固定部分帶動(dòng)轉(zhuǎn)向器的主體轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)成六足防爆巡檢機(jī)器人的跟關(guān)節(jié)。

關(guān)節(jié)舵機(jī)安裝在下基節(jié)片上，下基節(jié)片同樣在主體前端設(shè)置4個(gè)安裝孔，主體后端設(shè)置2個(gè)安裝孔，通過圓柱銷與關(guān)節(jié)舵機(jī)板連接。下基節(jié)片如圖4所示，下基節(jié)片和上基節(jié)片尺寸基本一樣，只是下基節(jié)片的前端安裝孔中間設(shè)置了一個(gè)通孔。

圖4 下基節(jié)片

4 脛節(jié)片的設(shè)計(jì)

脛節(jié)又叫做中腿，它連接著膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)。膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)上的舵機(jī)輸出軸和脛節(jié)固定。從小腿上端向下看，膝關(guān)節(jié)脛節(jié)片是通過旋轉(zhuǎn)連接的關(guān)節(jié)執(zhí)行器來發(fā)生運(yùn)動(dòng)的。脛節(jié)下端與踝關(guān)節(jié)以及足部連接，帶動(dòng)中足、下足[9-10]。

兩個(gè)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸和脛節(jié)片直接連接。從機(jī)器人機(jī)身向足部方向看下去，從腿的上端往下看，脛節(jié)片上端板連接到膝關(guān)節(jié)的舵機(jī)輸出軸上，膝關(guān)節(jié)執(zhí)行器帶動(dòng)脛節(jié)片的旋轉(zhuǎn)。從底部到頂部，當(dāng)腳的腳踝與腳踝轉(zhuǎn)向器接觸時(shí)，腳被固定，腳踝轉(zhuǎn)向器的扭矩通過脛節(jié)片傳遞，將扭矩傳遞給六足防爆巡檢機(jī)器人的身體運(yùn)動(dòng)。

其中一個(gè)脛節(jié)片需要安裝兩個(gè)舵機(jī)。由此引申出了傳動(dòng)脛節(jié)片的設(shè)計(jì)。傳動(dòng)脛節(jié)片的結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

圖5 傳動(dòng)脛節(jié)片

脛節(jié)片長75 mm、寬22 mm、厚3 mm。脛節(jié)片兩端預(yù)留11 mm的通孔以便舵機(jī)輸出軸的安放，為固定舵機(jī)輸出軸，在以預(yù)留通孔的圓心為圓心的圓周上分別預(yù)制4個(gè)螺紋孔。在脛節(jié)片的中心線的兩側(cè)分布兩個(gè)通孔用以安裝兩根連接桿來連接兩根脛節(jié)片。脛節(jié)片的結(jié)構(gòu)圖，如圖6所示。

圖6 脛節(jié)片結(jié)構(gòu)圖

5 小結(jié)

本研究對六足防爆巡檢機(jī)器人的機(jī)身、基節(jié)及脛節(jié)片等機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，該機(jī)器人能適應(yīng)各種復(fù)雜地形，圓滿完成了任務(wù)，為同類機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。