快递投、送机器狗一、设计背景随着网络购物带动物流业的高速发展，针对目前快递投递员的实际投递需要，为了解决快递员投递过程爬楼梯、揽件、递件的繁琐工作量并针对楼梯结构的变性, 研制了具有以爬梯强适应能力的轮组机构为底盘同时具有一体化递送能力和代替签收能力的上部机械结构。
该机构保证机器人具有良好的机动性, 能够在平地行驶、爬楼梯、跨越障碍等动作状态间很好的过渡转换同时实现上部快件平衡稳定，始终水平。
主要实现节约快递员工作量，同时为取件顾客提供上门服务。
下面介绍了机器人的结构特点、运动功能实现, 并对机器人的传动结构布局、传动实现、轮组设计及上部上下自平衡装置等内容进行详细阐述。
关键字：投送、爬楼、越障、自平衡二、爬楼机器人的机构及传动1、爬楼机器人爬行机构及下部底盘轮组式爬楼梯机器人的底部整体结构由两部份组成, 包括位于机器人中间部位由四个轮组驱动的主车架, 以及轮组机构。
图1给出了机器人三维虚拟样机的示意图。
机器人车轮的传动部份位于中央车体的底部, 车体中间上边的空白部分则用于配置所需控制电路、各种负载以及导航所需的传感器等。
图1 爬楼机器人结构示意图车体两侧的轮组皆具有两个旋转自由度, 即小车轮的旋转和轮辐的旋转运动。
中间两个电机具有自锁功能, 采用大减速比的蜗轮蜗杆减速系统, 与小轴相连驱动小车轮, 实现机器人前进、后退和越障。
两侧的较大功率直流电机经减速后与电磁离合器相连, 最后通过管轴驱动轮辐, 实现机器人的爬楼动作。
图1 爬楼机器人结构示意图2、爬楼机器人抓取货物机构采用链条传动，叉车模型，将插取的要分发的货物抓取到货物栏内，货物栏两端通过轴承与机器人整体相连，保证了爬楼过程货物的时刻水平及重心的稳定。
3、轮组单元的传动设计如图2所示, 轮组采用行星轮式结构, 包括传动轴一、传动轴二、转臂过渡齿轮、中心齿轮、小车轮和驱动齿轮。
传动轴一一端与中心齿轮配合, 通过轴承空套在转臂上, 一端与链轮配合, 并通过轴承空套在主车架上; 传动轴二一端通过螺栓与转臂固连, 一端与链轮配合, 并通过轴承空套的主车架上; 传动轴一与传动轴二通过轴承相互空套;过渡齿轮、驱动齿轮各自通过轴承空套在转臂上; 小车轮通过螺栓与驱动齿轮固连, 四个小车轮的中心轴线呈等角分布。
图2 轮组机构示意图由于转臂、过渡齿轮、驱动齿轮(包括小车轮)都是空套在相应的轴上, 因此驱动轮系包含四个结构完全相同的差动轮系, 这四个差动轮系共用中心轮和行星架, 并且沿周向对称分布, 增设过渡齿轮, 可以保证同时着地的两个小车轮具有和中心齿轮相同的旋向, 朝同一方向滚动前进。
4、机器人中间主体的传动设计机器人中间主体用来布置驱动左右轮组运行的传动结构, 其传动过程: 首先由主体中间电机( LW1、RW1)提供驱动力, 经减速器后带动蜗杆驱动蜗轮传动, 蜗轮连接链轮, 通过链条连接到传动轴一, 驱动中心齿轮转动; 在上楼梯时, 停止电机( LW 1、RW1) , 并起到自锁作用, 防止小车轮滑移, 启动电机( LT1、RT1), 经减速器后连接电磁离合器, 带动锥齿轮, 最后经过链传动机构传递给传动轴二, 驱动转臂转动。
机器人主体传动结构布局如图3所示。
图3主车架内部传动结构布局机器人中间部分传动设计具有以下特点:( 1) 两对电机采用对称、交错式排布, 节省了主体内部空间;( 2) 采用锥齿轮啮合, 用来改变传动方向, 同时避免了牙嵌式电磁离合的轴向串动;( 3) 蜗轮、蜗杆起到两级减速作用, 具有较大的减速比, 并具有自锁功能, 给两侧小车轮提供足够的保持力矩, 在主体内部电机掉电的情况下, 两侧车轮组保持原姿态而不会出现滑移现象;( 4) 牙嵌式电磁离合器适用于低速运动场合, 具有体积小、质量轻、保持力矩大的特点, 当离合器在主体单元传动中处于分离状态, 可以实现两侧运动单元相对主体在y轴方向自由转动, 这样机器人就具备了复杂路况下的自适应功能(直线行走和越障) ; 如果机器人遇到楼梯, 通过控制电磁离合处于结合状态, 由两侧的较大功率电机( LT1、RT1 )控制轮辐转动, 使机器人具有较强的爬梯性, 通过离合器的使用可以同时达到机器人的路面自适应指标和爬梯所要求的通过性指标。
四、机器人实现功能1、直线行走功能两侧小车轮反向转动实现机器人原地转向; 不同速度运转实现不同的转向半径。
2、越障机器人直线行进时遇到一般障碍(障碍物高度小于0. 1 m ), 可利用小车轮尺寸优势直接通过; 当前进的车轮碰上较高障碍而停止不动时, 驱动轮系就演变成行星轮系, 轮辐带着另外三个车轮绕前轮的轴线回转, 实现翻越障碍的目的, 如图4所示。
图4机器人越障3、跨沟机器人在遇到较窄的深沟时(深沟宽度小于2倍轮辐长) , 为克服前进中的阻力, 与越障机理一样, 驱动轮系演变成了行星轮系, 完成跨沟的过程, 如图5所示。
图5 机器人跨沟4、上下楼梯机器人行走遇到台阶时, 小车轮驱动器停止并实现自锁, 防止在爬楼梯过程中小车轮滑移, 轮辐驱动器起动实现上下楼梯的动作, 过程如图6所示。
图65、自动跟踪该机器狗可以按设定路线自主行走,并可通过无线遥控实现路线选择及较精确定位,同时,用红外线实现了对特定目标的跟踪,使该机器狗具有了智能化。
五、机器人结构设计1、轮组单元的结构设计轮组的结构尺寸范围根据楼梯的踏步高a 和踏步宽b 两个参数[ 1] 来确定。
..建筑楼梯模数协调标准规定楼梯踏步高度不宜大于210 mm, 并不宜小于140 mm; 楼梯踏步宽度, 应采用220 mm、240mm、260 mm、280mm、300mm、320 mm; 楼梯踏步高与宽的关系式:2a+ b! 600( a. 踏步高; b. 踏步宽)。
根据以上条件可知: bm in = 220 mm, am in = 140 mm, am ax = 190 mm ;如图7所示, 有以下关系:R = l / 2 ( 1)l = a2+ ( r + x )2( 2)图7轮组结构爬楼梯示意取b = bm in , a = amin , 则r + x ! 22 0, 得到Rm ax = 184. 4mm; 同理取b= bm in, a = amax, 有Rmin = 134. 4 mm; 轮组结构的最大r 可通过a 和b 得到, 如图8所示。
rmax =a2+ b22( 3)取b= bm in, a = am in, 得到rm ax = 130. 4mm 。
图8轮组结构rmax示意根据R 以及r 的范围, 取恰当的值, 可得到轮组结构转臂宽2tmax, 如图9所示。
tmax =a2m in + ( 2r - amin ) 2R2- a2m in2R( 4)综合上述条件公式( 1)、公式( 2)、公式( 3)、公式( 4) , 可得到轮组结构的主要参数(R, r 以及t) , 所设计出来的轮组能够自动适应各种规格的楼梯, 具有强适应性。
2、机器人零件组成及设计机器人结构中, 轮组单元包括4 套模数相同的直齿圆柱齿轮(为减轻重量, 可考虑采用密度较小的材料)、橡胶轮、轮辐板等; 中间主车架部分包括直流电机、蜗轮、蜗杆、链轮、链条、离合器和各类控制卡板等。
图9轮组结构tm ax示意3、要实现跟踪功能,必须进行被跟踪物体的位置检测。
我们设计了由红外发射、接收管构成的模拟人眼的红外跟踪器。
该跟踪器结构简单、价格低廉,能实现对指定目标的跟踪,其结构示意图如图10所示。
图中为微型车加装了一对红外接收器作为眼睛,并在两个眼睛之间增加挡板。
当被跟踪目标上的红外发光管发出的红外光被装在跟踪小车上的红外接收管收到后,可根据这两只接收器的输出信号判断目标的相对方位。
即当一只接收管收到信号后可断定目标在该接收管的一侧,令小车转向该向行驶;当两只接收器同时收到信号后可断定目标在前方,令小车直行或停止(可据接近开关判断若已跟上了目标则停车)当两只接收器都不导通时断定目标在后方,令小车原地转向。
如此即可实现目标跟踪。
图10 红外跟踪器六、主要创新点1、爬楼机器人的机构文中设计的轮组式爬楼梯机器人的整体结构由两部份组成, 包括位于机器人中间部位由四个轮组驱动的主车架, 以及轮组机构。
底盘车轮的传动部份位于中央车体的底部, 车体中间上边的空白部分则用于配置所需控制电路、各种负载以及导航所需的传感器等。
图1.. 爬楼结构示意图车体两侧的轮组皆具有两个旋转自由度, 即小车轮的旋转和轮辐的旋转运动。
中间两个电机具有自锁功能, 采用大减速比的蜗轮蜗杆减速系统, 与小轴相连驱动小车轮, 实现机器人前进、后退和越障。
两侧的较大功率直流电机经减速后与电磁离合器相连, 最后通过管轴驱动轮辐, 实现机器人的爬楼动作。
2、自平衡机构货物自平衡机构使货物重心时刻保持平稳，保证爬坡过程中货物及机器人重心平稳。
七、推广应用价值本文介绍了一种差动轮系爬楼机器人结构实现方法, 从传动设计、结构设计、零件组成及选用等方面对机器人的结构进行了详细说明, 在机械结构上保证了机器人多运动功能的实现, 特别是轮组单元的设计及抓取结构的设计，从而使机器人能适应多变环境, 具备在城市环境中较强的生存能力，可以较好的适应快递员在不同的投递环境，完成远程遥控投递、揽件工作，既节省了体力同时提高了工作效率。
同时此机器人可以针对个别残疾人快递员等特殊群体完成快递工作，应用前景旷阔、普适性强、开发潜能巨大。