樓梯扶手清掃機(jī)器人的動(dòng)力特性研究

李劍英, 陳子華, 李墁強(qiáng), 陳瑞欣, 譚新海, 張銳博

（肇慶學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東肇慶 526061）

0 引言

國內(nèi)外學(xué)者對清掃機(jī)器人進(jìn)行了大量研究，也有了廣泛的市場應(yīng)用。賀廉云[1-2]提出利用平行四邊形形變特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)上下樓清掃功能的機(jī)器人；張嘉偉[3]提出了一種新型清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)方案及硬件設(shè)計(jì)思路，該清潔機(jī)器人適用于商業(yè)場所，且對所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析；周冬冬等[4]基于蟻群算法并結(jié)合家庭清掃機(jī)器人所遇障礙物，通過環(huán)境建模實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)器人的路徑規(guī)劃；魯重鋼等[5]基于STM對智能清掃機(jī)器人進(jìn)行開發(fā)。樓梯清掃機(jī)器人能否穩(wěn)定平順地爬行是研究關(guān)注點(diǎn)。Yuan[6]和Liu等[7]各自設(shè)計(jì)了一種輪腳混合式爬樓機(jī)器人，其輪子與腳部的上下組合伸縮實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)上下樓；Takahisa Kakudou等[8]研究了一種平移方式爬升方法，通過傳感器識(shí)別樓梯；姜雪梅[9]設(shè)計(jì)了一種采用雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下樓的機(jī)器人，用于樓梯、樓道自動(dòng)清潔，該機(jī)器人用絲杠實(shí)現(xiàn)升降；姚興田等[10]設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的樓道清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)樓道清潔機(jī)器人的智能路徑識(shí)別、避障、上下樓及清掃功能；王雪飛[11]基于STM設(shè)計(jì)了樓道清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)；張磊等[12]設(shè)計(jì)了使機(jī)器人與梯面保持平行的運(yùn)動(dòng)方式，防止機(jī)器人在踏步上移動(dòng)時(shí)的跌落與碰撞，針對機(jī)器人在踏步難轉(zhuǎn)身的問題，介紹了變半徑轉(zhuǎn)身及邊前后挪動(dòng)邊轉(zhuǎn)身的新方法；張磊還先后設(shè)計(jì)了平動(dòng)旋轉(zhuǎn)腿式樓梯清潔機(jī)器人[13-14]和升降伸縮式樓梯清潔機(jī)器人[15]。王福鑫等[16]設(shè)計(jì)了一款智能樓道清掃機(jī)，其行星輪爬升裝置帶著整個(gè)清掃機(jī)爬升，清掃裝置可以實(shí)現(xiàn)橫向清掃。

國內(nèi)外學(xué)者對清潔機(jī)器人和樓道清掃機(jī)器人進(jìn)行了大量研究，但對樓梯扶手清掃機(jī)器人的關(guān)注暫未見文獻(xiàn)報(bào)道，本文擬建立樓梯扶手清掃機(jī)器人的數(shù)字化模型，在此基礎(chǔ)上采用ADAMS軟件分析其攀爬齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和夾緊固定機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性。最后，比較仿真分析結(jié)果與理論設(shè)計(jì)，本文研究結(jié)果可為樓梯扶手清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 樓梯扶手清掃機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及基本原理

樓梯扶手清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，本文主要針對樓梯扶手清掃機(jī)器人的攀爬機(jī)構(gòu)和夾緊固定機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性開展研究。攀爬機(jī)構(gòu)為驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合傳遞動(dòng)力的機(jī)構(gòu)，夾緊固定機(jī)構(gòu)為主驅(qū)動(dòng)齒輪和對稱式齒輪及連桿組成的機(jī)構(gòu)。攀爬機(jī)構(gòu)布置在機(jī)器人底部，并用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪傳遞動(dòng)力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)器人攀爬；夾緊固定機(jī)構(gòu)布置在機(jī)器人尾部，使機(jī)器人能固定在樓梯扶手上，并與攀爬機(jī)構(gòu)共同作用，安全穩(wěn)定地在扶手上爬行。

圖1 樓梯扶手清掃機(jī)器人結(jié)構(gòu)

2攀爬機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性分析

利用三維建模軟件對樓梯扶手清掃機(jī)器人攀爬機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化建模，該模型為一對相互嚙合的齒輪副，如圖2所示。齒輪副的基本參數(shù)如表1所示，齒輪材料選用45鋼。

表1 齒輪副的基本參數(shù)

圖2 攀爬齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

將攀爬機(jī)構(gòu)的齒輪副數(shù)字化模型導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行動(dòng)力特性分析，并施加接觸和驅(qū)動(dòng)力，在齒輪2上添加轉(zhuǎn)速為72°/s的驅(qū)動(dòng)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 齒輪副角速度曲線

從圖3可知，攀爬機(jī)構(gòu)的齒輪副轉(zhuǎn)速為107.6 °/s，與理論計(jì)算值108.0 °/s基本接近。

樓梯扶手清掃機(jī)器人攀爬驅(qū)動(dòng)選用的是直流減速強(qiáng)力電動(dòng)機(jī)，齒輪1采用固定副，輸入6860 N·mm的轉(zhuǎn)矩添加在齒輪2上，結(jié)果如圖4所示。

圖4 齒輪副嚙合處受力曲線

從圖4可知，滿載時(shí)輸出穩(wěn)定，輸出轉(zhuǎn)矩大小為7130 N·mm，嚙合處受力為405 N，齒輪嚙合處受力在起動(dòng)時(shí)瞬間增加，但沒有明顯的碰撞和波動(dòng)，說明樓梯扶手清掃機(jī)器人可以平緩穩(wěn)定地攀爬在樓梯扶手上，且進(jìn)行下一步的清潔。

3 夾緊固定機(jī)構(gòu)動(dòng)力特性分析

利用三維建模軟件對樓梯扶手清掃機(jī)器人的夾緊固定機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化建模，夾緊固定機(jī)構(gòu)由主驅(qū)動(dòng)齒輪、對稱式齒輪、連接桿和圓柱銷組成（如圖5）。將夾緊固定機(jī)構(gòu)的數(shù)字化模型導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行動(dòng)力特性分析，部件采用轉(zhuǎn)動(dòng)約束、固定約束和點(diǎn)接觸，以及在圓柱銷接觸處添加動(dòng)摩擦力，本文選用的摩擦因數(shù)為0.1，并在主驅(qū)動(dòng)齒輪上添加36 °/s的轉(zhuǎn)速。

圖5 夾緊固定機(jī)構(gòu)數(shù)字化模型

3.1 連接桿1的動(dòng)力特性分析

添加轉(zhuǎn)速為36 °/s在主驅(qū)動(dòng)齒輪上，對連接桿1的加速度、角速度和角加速度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 連接桿1的加速度、角速度和角加速度曲線

從圖6可知，在0～0.01 s內(nèi)連接桿1的角加速度有瞬時(shí)變化，從0增大至3.0×10-4°/s2后又減小，分析發(fā)現(xiàn)，短時(shí)間內(nèi)有微小振動(dòng)的主要原因是電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪的瞬間有一定沖擊，但瞬間的不穩(wěn)定不會(huì)對整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程產(chǎn)生影響，在0.01 s后連接桿1的角加速度穩(wěn)定地接近于0，說明清掃機(jī)器人能很好地在扶手上夾緊；連接桿1的加速度仿真結(jié)果為5.15 mm/s2，與理論計(jì)算值5.00 mm/s2基本保持一致，說明連桿1受力穩(wěn)定，幾乎沒有振動(dòng)和晃動(dòng)；連接桿1的角速度仿真結(jié)果為48 °/s，與理論計(jì)算值48 °/s結(jié)果保持一致。

3.2 連接桿2的動(dòng)力特性分析

添加轉(zhuǎn)速為36 °/s在主驅(qū)動(dòng)齒輪上，對連接桿2的加速度、角速度和角加速度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 連接桿2的加速度、角速度和角加速度曲線

圖8 連接桿2的角速度和角動(dòng)量曲線

從圖7可知，連接桿2的加速度和角速度均增加，但增幅均較小，分析發(fā)現(xiàn)，主要原因是右臂帶動(dòng)連接桿2運(yùn)動(dòng)，傳遞給連接桿2的力逐漸增加，但增幅較小。角加速度逐漸減小從而使角速度增加緩慢，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，夾緊過程平順，其主要原因是圓柱銷內(nèi)部潤滑劑與摩擦力緩沖了起動(dòng)過程的沖擊與振動(dòng)。對比各曲線的變化可知，連接桿2的加速度、角速度和角加速度變化值均較小，說明夾緊固定機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和受力較穩(wěn)定。

從圖8可知，通過分析連接桿2的角動(dòng)量發(fā)現(xiàn)，其仿真值和理論計(jì)算值幾乎保持一致，如選取0.1 s處的數(shù)值計(jì)算得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為1.22×10-5kg·mm2，與理論計(jì)算值1.20×10-5kg·mm2幾乎一致，且連接桿2在連接桿1穩(wěn)定的狀態(tài)下被驅(qū)動(dòng)時(shí)角速度和角動(dòng)量的變化范圍都很小。

3.3 圓柱銷1的動(dòng)力特性分析

添加轉(zhuǎn)速為36°/s在主驅(qū)動(dòng)齒輪上，對圓柱銷1的單位轉(zhuǎn)矩、平移速度和平移加速度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 圓柱銷1的單位轉(zhuǎn)矩、平移速度和平移加速度曲線

從圖9可知，圓柱銷1的單位轉(zhuǎn)矩在1.5388 ～1.5392 N·mm小范圍內(nèi)增加，且增速較慢，其平均值為1.5390 N·mm，與理論計(jì)算值1.5400 N·mm相差不大，通過分析圓柱銷1的平移速度和平移加速度可知，圓柱銷1的平移速度較慢且穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)平移加速度為0，說明運(yùn)動(dòng)過程摩擦力緩沖了沖擊與振動(dòng)。圓柱銷1在0～0.01 s內(nèi)平移加速度變化的主要原因是起動(dòng)過程的微小沖擊與振動(dòng)。

3.4 圓柱銷2的動(dòng)力特性分析

添加轉(zhuǎn)速為36 °/s在主驅(qū)動(dòng)齒輪上，對圓柱銷2的單位轉(zhuǎn)矩、平移速度和平移加速度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10所示。

圖10 圓柱銷2的單位轉(zhuǎn)矩、平移速度和平移加速度曲線

從圖10可知，相較圓柱銷1，圓柱銷2的單位轉(zhuǎn)矩要小得多，在0.204～0.214 N·mm范圍內(nèi)增加，且增速也較慢，其平均值為0.209 N·mm，約為圓柱銷1單位轉(zhuǎn)矩的1/7。通過分析平移速度和平移加速度可知，圓柱銷2的平移速度減小較慢且穩(wěn)定，穩(wěn)定時(shí)平移加速度為0，說明運(yùn)動(dòng)過程摩擦力緩沖了沖擊與振動(dòng)。進(jìn)一步分析可知，圓柱銷2在運(yùn)動(dòng)過程沖擊載荷和單位轉(zhuǎn)矩都較小，運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)。

4 結(jié)語

在建立樓梯扶手清掃機(jī)器人數(shù)字化模型基礎(chǔ)上，通過ADAMS對其攀爬齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明：齒輪驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)時(shí)受力較為平穩(wěn)，樓梯扶手清掃機(jī)器人的攀爬過程較穩(wěn)定，幾乎沒有振動(dòng)；對夾緊固定機(jī)構(gòu)的連接桿和圓柱銷的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，研究表明，機(jī)器人在攀爬和固定時(shí)，夾緊固定機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)和受力較平穩(wěn)，且不會(huì)在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大沖擊，具有良好的穩(wěn)定性，本文研究結(jié)果可為樓梯扶手清掃機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。