[科普中國(guó)]-行走機(jī)構(gòu)

簡(jiǎn)介

行走機(jī)構(gòu)是行走式機(jī)器人的重要執(zhí)行部件，它由行走驅(qū)動(dòng)裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、位置檢測(cè)元件、傳感器、電纜及管路等組成。行走機(jī)構(gòu)一方面支承機(jī)器人的機(jī)身、臂部和手部，因而必須具有足夠的剛度和穩(wěn)定性；另一方面，還需根據(jù)作業(yè)任務(wù)的要求，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在更廣闊的空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。

行走機(jī)構(gòu)按其運(yùn)動(dòng)軌跡可分為固定軌跡式和無固定軌跡式兩類。固定軌跡式行走機(jī)構(gòu)主要用于工業(yè)機(jī)器人，如橫梁式機(jī)器人。無固定軌跡式行走機(jī)構(gòu)根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為輪式行走機(jī)構(gòu)、履帶式行走機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)式行走機(jī)構(gòu)等。在行走過程中，前兩種行走機(jī)構(gòu)與地面連續(xù)接觸，其形態(tài)為運(yùn)行車式，應(yīng)用較多，一般用于野外、較大型作業(yè)場(chǎng)合，也比較成熟；后一種與地面為間斷接觸，為動(dòng)物的腿腳式，該類機(jī)構(gòu)正在發(fā)展和完善中。

特點(diǎn)行走機(jī)構(gòu)根據(jù)其結(jié)構(gòu)分為車輪式、履帶式、步行式和其他方式。以下分別論述各行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)。

車輪式行走機(jī)構(gòu)車輪式行走機(jī)構(gòu)具有移動(dòng)平穩(wěn)、能耗小，以及容易控制移動(dòng)速度和方向等優(yōu)點(diǎn)，因此得到了普遍的應(yīng)用，但這些優(yōu)點(diǎn)只有在平坦的地面上才能發(fā)揮出來。目前應(yīng)用的車輪式行走機(jī)構(gòu)主要為三輪式或四輪式。

三輪式行走機(jī)構(gòu)具有最基本的穩(wěn)定性，其主要問題是如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)方向的控制。典型車輪的配置方法是一個(gè)前輪、兩個(gè)后輪，前輪作為操縱舵，用來改變方向，后輪用來驅(qū)動(dòng)；另一種是用后兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)輪僅起支承作用，并靠?jī)奢喌霓D(zhuǎn)速差或轉(zhuǎn)向來改變移動(dòng)方向，從而實(shí)現(xiàn)整體靈活的、小范圍的移動(dòng)。不過，要做較長(zhǎng)距離的直線移動(dòng)時(shí)，兩驅(qū)動(dòng)輪的直徑差會(huì)影響前進(jìn)的方向。

四輪式行走機(jī)構(gòu)也是一種應(yīng)用廣泛的行走機(jī)構(gòu)，其基本原理類似于三輪式行走機(jī)構(gòu)。下圖所示為四輪式行走機(jī)構(gòu)。其中圖a、圖b所示機(jī)構(gòu)采用了兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和兩個(gè)自位輪（圖a中后面兩輪和圖b中左、右兩輪是驅(qū)動(dòng)輪）；圖c所示是和汽車行走方式相同的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，為轉(zhuǎn)向采用了四連桿機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)中心大致在后輪車軸的延長(zhǎng)線上；圖d所示機(jī)構(gòu)可以獨(dú)立地進(jìn)行左、右轉(zhuǎn)向，因而可以提高回轉(zhuǎn)精度；圖e所示機(jī)構(gòu)的全部輪子都可以進(jìn)行轉(zhuǎn)向，能夠減小轉(zhuǎn)彎半徑。

在四輪式行走機(jī)構(gòu)中，自位輪可沿其回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，直至轉(zhuǎn)到要求的方向上為止，這期間驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生滑動(dòng)，因而很難求出正確的移動(dòng)量。另外，用轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，在靜止?fàn)顟B(tài)下行走機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生很大的阻力。

履帶式行走機(jī)構(gòu)履帶式行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)很突出，采用該類行走機(jī)構(gòu)的機(jī)器人可以在凸凹不平的地面上行走，也可以跨越障礙物、爬不太高的臺(tái)階等。一般類似于坦克的履帶式機(jī)器人，由于沒有自位輪和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，要轉(zhuǎn)彎時(shí)只能靠左、右兩個(gè)履帶的速度差，所以不僅在橫向，而且在前進(jìn)方向上也會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，轉(zhuǎn)彎阻力大，不能準(zhǔn)確地確定回轉(zhuǎn)半徑。

下圖a所示是主體前、后裝有轉(zhuǎn)向器的履帶式機(jī)器人，它沒有上述的缺點(diǎn)，可以上、下臺(tái)階。它具有提起機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以使轉(zhuǎn)向器繞著圖中的A-A軸旋轉(zhuǎn)，這使得機(jī)器人上、下臺(tái)階非常順利，能實(shí)現(xiàn)諸如用折疊方式向高處伸臂、在斜面上保持主體水平等

各種各樣的姿勢(shì)。下圖b所示機(jī)器人的履帶形狀可為適應(yīng)臺(tái)階形狀而改變，也比一般履帶式機(jī)器人的動(dòng)作更為自如。

步行機(jī)構(gòu)類似于動(dòng)物那樣，利用腳部關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)、用步行方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，稱為步行機(jī)構(gòu)。采用步行機(jī)構(gòu)的步行機(jī)器人，能夠在凸凹不平的地上行走、跨越溝壑，還可以上、下臺(tái)階，因而具有廣泛的適應(yīng)性。但控制上有相當(dāng)?shù)碾y度，完全實(shí)現(xiàn)上述要求的實(shí)際例子很少。步行機(jī)構(gòu)有兩足、三足、四足、六足、八足等形式，其中兩足步行機(jī)構(gòu)具有最好的適應(yīng)性，也最接近人類，故又稱為類人雙足行走機(jī)構(gòu)。

1.兩足步行機(jī)構(gòu)

兩足步行機(jī)構(gòu)是多自由度的控制系統(tǒng)，是現(xiàn)代控制理論很好的應(yīng)用對(duì)象。這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其靜、動(dòng)行走性能及穩(wěn)定性和高速運(yùn)動(dòng)性能都較難實(shí)現(xiàn)。

如下圖所示，兩足步行機(jī)構(gòu)是一空間連桿機(jī)構(gòu)。在行走過程中，行走機(jī)構(gòu)始終滿足靜力學(xué)的靜平衡條件，也就是機(jī)器人的重心始終落在支持地面的一腳上。這種行走方式稱為靜止步態(tài)行走。

兩足步行機(jī)器人的動(dòng)步行有效地利用了慣性力和重力。人的步行就是動(dòng)步行，動(dòng)步行的典型例子是踩高蹺。高蹺與地面只是單點(diǎn)接觸，兩根高蹺在地面不動(dòng)時(shí)人想站穩(wěn)是非常困難的，要想原地停留，必須不斷踏步，不能總是保持步行中的某種瞬間姿態(tài)。

2.四足步行機(jī)構(gòu)

四足步行機(jī)構(gòu)比兩足步行機(jī)構(gòu)承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，其結(jié)構(gòu)也比六足、八足步行機(jī)器人簡(jiǎn)單。四足步行機(jī)構(gòu)在行走時(shí)機(jī)體首先要保證靜態(tài)穩(wěn)定，因此，其在運(yùn)動(dòng)的任一時(shí)刻至少應(yīng)有三條腿與地面接觸，以支撐機(jī)體，且機(jī)體的重心必須落在三足支撐點(diǎn)構(gòu)成的三角形區(qū)域內(nèi)，如圖所示。在這個(gè)前提下，四條腿才能按一定的順序抬起和落地，實(shí)現(xiàn)行走。在行走的時(shí)候，機(jī)體相對(duì)地面始終向前運(yùn)動(dòng)，重心始終在移動(dòng)。四條腿輪流抬、跨，相對(duì)機(jī)體也向前運(yùn)動(dòng)，不斷改變足落地的位置，構(gòu)成新的穩(wěn)定三角形，從而保證靜態(tài)穩(wěn)定。

然而為了適應(yīng)凸凹不平的地面，以及在上、下臺(tái)階時(shí)改變步行方向，每只腳必須有兩個(gè)以上的自由度。

3.六足步行機(jī)構(gòu)

六足步行機(jī)器人的控制比四足步行機(jī)器人的控制更容易，六足步行機(jī)構(gòu)也更加穩(wěn)定。下圖所示為有十八個(gè)自由度的六足步行機(jī)器人，該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)相當(dāng)從容的步態(tài)。但要實(shí)現(xiàn)十八個(gè)自由度及包含力傳感器、接觸傳感器、傾斜傳感器在內(nèi)的穩(wěn)定的步行控制也是相當(dāng)困難的。

其他行走機(jī)構(gòu)為了達(dá)到特殊的目的，人們還研制了各種各樣的移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)。下左圖所示為爬壁機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)示意圖。左圖a所示為吸盤式行走機(jī)構(gòu)，其用吸盤交互地吸附在壁面上來移動(dòng)。左圖b所示機(jī)構(gòu)的滾子是磁鐵，當(dāng)然壁面是磁性體才適用。右圖所示是車輪和腳并用的機(jī)器人，腳端裝有球形轉(zhuǎn)動(dòng)體。除了普通行走之外，該機(jī)器人可以在管內(nèi)把腳向上方伸，用管斷面上的三個(gè)點(diǎn)支撐來移動(dòng)，也可以騎在管子上沿軸向或圓周方向移動(dòng)。其他行走機(jī)構(gòu)還有次擺線機(jī)構(gòu)推進(jìn)移動(dòng)車，用輻條突出的三輪車登臺(tái)階的輪椅機(jī)構(gòu)，用壓電晶體、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)等。2

起重機(jī)械的行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)包含整個(gè)起重機(jī)的行走和提升機(jī)構(gòu)部件的行走。除要注意其負(fù)荷的GD2和運(yùn)動(dòng)阻力外，還要考慮行走路線的坡度及室外行走時(shí)風(fēng)雨的影響使摩擦轉(zhuǎn)矩增大的因素。行走機(jī)構(gòu)的功率除由運(yùn)動(dòng)阻力決定的摩擦轉(zhuǎn)矩外，更要考慮加減速時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩。該轉(zhuǎn)矩要比靜轉(zhuǎn)矩大，其目的是減少加減速時(shí)間，提高運(yùn)行效率。3

旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)的行走機(jī)構(gòu)一般，大型鉆機(jī)多用履帶式行走機(jī)構(gòu)，小型鉆機(jī)多用輪胎式行走機(jī)構(gòu)，礦用鉆機(jī)采用履帶式的居多。為使鉆機(jī)行走時(shí)有較高的靈活性，每條履帶應(yīng)采用單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)裝置。特別是小型旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，在國(guó)外均采用油馬達(dá)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，也有些鉆機(jī)采用電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的。輪胎式鉆機(jī)用于開采分散的小礦體更能發(fā)揮它的作用，履帶式鉆機(jī)多用在作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)、工作面比較固定的采場(chǎng)。還有些小型旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)，其平臺(tái)可以全回轉(zhuǎn)，以便節(jié)省移孔位的輔助作業(yè)時(shí)間。大多數(shù)鉆機(jī)的行走速度在1.2～2.8 km/h之間，爬坡能力為10°～15°，對(duì)地比壓小于1。對(duì)不同的露天礦，可選用不同寬度的履帶板。4

開合屋蓋結(jié)構(gòu)的行走機(jī)構(gòu)根據(jù)臺(tái)車與軌道的接觸方式和輪軌數(shù)量，行走機(jī)構(gòu)分為單軌單輪行走機(jī)構(gòu)、單軌多輪行走機(jī)構(gòu)、雙軌雙輪行走機(jī)構(gòu)及多軌多輪行走機(jī)構(gòu)4種。把一個(gè)臺(tái)車與一條軌道的一個(gè)軌面有輪接觸的稱為單軌單輪行走機(jī)構(gòu)；稱為單軌多輪行走機(jī)構(gòu)；其他依此類推。

單軌單輪行走機(jī)構(gòu)單軌單輪行走機(jī)構(gòu)（如圖）是吊車上常用的行走機(jī)構(gòu)，其他形式的行走機(jī)構(gòu)都源于此機(jī)理。由于軟鉤吊車在垂直軌道方向的水平力較小，所以吊車上常使用單軌單輪行走機(jī)構(gòu)。由于開合屋蓋結(jié)構(gòu)垂直軌道方向的水平力較大，以及垂直向上屋蓋浮力的存在，采用單軌單輪行走機(jī)構(gòu)的移動(dòng)屋蓋很少。但對(duì)小跨度無上浮合力的開合屋蓋可以考慮采用。

單軌多輪行走機(jī)構(gòu)單輪多軌行走機(jī)構(gòu)是住單一軌道的多個(gè)軌而上布置有不同功能的車輪。這些車輪的功能分別為行走車輪、導(dǎo)向車輪和抗浮車輪。在輪驅(qū)動(dòng)方式下，行走車輪為驅(qū)動(dòng)輪，其他功能的車輪均為從動(dòng)輪。

下圖行走機(jī)構(gòu)只能沿著軌道方向移動(dòng)，而垂直于軌道4個(gè)方向的位移都得到了約束。

下圖移動(dòng)屋蓋的行走機(jī)構(gòu)，它采用了輪驅(qū)動(dòng)方式的單軌多輪行走機(jī)構(gòu)。在移動(dòng)屋蓋主桁架的切線方向布置行走車輪，軌道也傾斜布置在切線平面內(nèi)，在該垂直方向布置上下兩個(gè)導(dǎo)向輪，利用軌道上翼緣和腹板形成的T形截面設(shè)置屋蓋抗風(fēng)上浮卡槽。為了確保在規(guī)定的不同固定?？课恢玫陌踩?，在行走機(jī)構(gòu)上設(shè)置了油壓驅(qū)動(dòng)的鎖定銷栓。

下圖是Ohita穹頂開合機(jī)構(gòu)圖。這一機(jī)構(gòu)采用了鋼纜繩驅(qū)動(dòng)方式、異形單軌多輪行走機(jī)構(gòu)方案。驅(qū)動(dòng)機(jī)械安裝在地坪上，驅(qū)動(dòng)方式非常簡(jiǎn)潔。其異形軌道具有異形軌道的功能，對(duì)運(yùn)動(dòng)方向以外各方向均進(jìn)行了約束。該行走機(jī)構(gòu)有別于一般情況下臺(tái)車固定在移動(dòng)屋蓋上，隨屋蓋一起移動(dòng)的特點(diǎn)，其臺(tái)車是固定在移動(dòng)屋蓋的支承結(jié)構(gòu)上，屋蓋在臺(tái)車上移動(dòng)。為了防止鋼絞線與結(jié)構(gòu)沖突，而特為鋼絞線布設(shè)了導(dǎo)向輪。

單軌多輪行走機(jī)構(gòu)適用于行走軌道平面內(nèi)荷載較大，而與其垂直的導(dǎo)向輪方向的橫向荷載較小的情況，行走機(jī)構(gòu)緊湊，尺寸較小。一般來講，異形軌道比普通單軌單輪軌道更適合承擔(dān)較大的橫向力和抗浮荷載。

雙軌雙輪行走機(jī)構(gòu)一般來講，雙軌雙輪為臺(tái)車在兩個(gè)相互垂直方向上各布置一個(gè)輪軌裝置，主要受力方向的輪為行走車輪，另一個(gè)方向?yàn)閷?dǎo)向車輪。在輪驅(qū)動(dòng)方式下，行走車輪為驅(qū)動(dòng)輪，其他功能的車輪均為從動(dòng)輪。雙軌雙輪行走機(jī)構(gòu)適合移動(dòng)屋蓋根部或行走機(jī)構(gòu)只承受單方向力和單方向水平合力的情況下，且移動(dòng)屋蓋的尺寸為中小規(guī)模的開合屋蓋結(jié)構(gòu)上。下圖是某小型開合屋蓋結(jié)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)圖，作為一種較特殊的情況，兩個(gè)輪均布置在了同一個(gè)方向，用軌道邊緣導(dǎo)向，用L型金屬件抗浮。

下圖是小松穹頂?shù)尿?qū)動(dòng)與行走機(jī)構(gòu)，移動(dòng)屋蓋采用鋼纜繩牽引、普通雙軌雙輪行走機(jī)構(gòu)，由于移動(dòng)屋蓋采用了人字型鉸接結(jié)構(gòu)，移動(dòng)屋蓋對(duì)支承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向壓力和水平推力，移動(dòng)屋蓋還受有風(fēng)的上浮力，為此，設(shè)計(jì)者采用了一個(gè)豎向輪軌和一個(gè)水平輪軌的雙軌雙輪布置方案，用以約束和傳遞豎向壓力和水平推力。由于受到空間尺寸和建筑外形的限制，屋蓋的抗浮沒有采用普通的輪軌方案，而是采用了一種特殊的裝置。該裝置還有另一個(gè)的作用——防止在開合過程中發(fā)生地震時(shí)移動(dòng)屋蓋脫軌。

由實(shí)例看出：從受力看，臺(tái)車或行走機(jī)構(gòu)受有3個(gè)方向的作用力，其中兩個(gè)方向的荷載較大，另一方向是出現(xiàn)概率較小、持續(xù)時(shí)間極短的風(fēng)荷上浮合力或防止地震脫軌的約束；從約束看，需要從3個(gè)方向?qū)ε_(tái)車加以約束。實(shí)例采用雙輪雙軌行走機(jī)構(gòu)，輪軌布置在兩個(gè)主要受力方向，受力較小方向的安全防范抗浮裝置采用非輪軸裝置。

多軌多輪行走機(jī)構(gòu)多軌多輪行走機(jī)構(gòu)是在每個(gè)需要約束方向的平面內(nèi)均布設(shè)一個(gè)或兩個(gè)普通輪軌行走裝置。這些車輪分別為行走輪、導(dǎo)向輪和抗浮輪。主要受力方向布置的車輪稱為行走輪，與行走輪在同一平面內(nèi)相反方向的輪為抗浮輪；在垂直行走輪平面內(nèi)的車輪為導(dǎo)向輪。有時(shí)導(dǎo)向輪也具有行走輪的部分功能。在輪驅(qū)動(dòng)方式下，行走輪為驅(qū)動(dòng)輪，其他車輪均為從動(dòng)輪。

多軌多輪行走機(jī)構(gòu)適用于大跨度、大規(guī)模的移動(dòng)屋蓋體系。由于需要在垂直行走方向的4個(gè)方向的軌道槽內(nèi)布設(shè)輪軌，加之機(jī)械檢修空間，所以軌道槽及其支承結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度、尺度都要很大。

除局部塊狀劃分的空間移動(dòng)方式的開合屋蓋外，多軌多輪行走機(jī)構(gòu)適用于各類剛性屋蓋劃分方法的開合結(jié)構(gòu)。5