发条行走机器人设计

1. 问题描述

发条行走机器人是利用发条作为动力，实现机器人行走和转向的功能。现要求设计一机器人，使其能够直立行走，在上紧一次发条后，能实现行走和转向的功能。要求设计结构简单、运动灵活，行走时不倾倒。

图7−15 无级登高梯

（a）整体图；（b）折叠图

1—活页转板；2—踏板；3—伸缩圆管；4—锥形锁紧装置；5—踏板同时作为链条储存管；6—手摇轮； 7—导轨；8—壳体；9—联轴器；10—刚性链；11—拉杆；12—导轨；13—刚性链储存管

2. 基于基元模型的问题分析

首先，建立发条行走机器人物元M，即

M= (行走机器人,C,V)=(Om,cm,vm)

根据功能分析法，按需执行的功能对行走机器人进行分解。做变换T，使

TM={M1,M2,M3,M4}={行走机构,转向机构,动力机构,机壳}

行走机构要求末端执行件与地面之间保持一定的距离差，且具有一定的行程范围。参照人行走的动作，可以用曲柄摇杆机构来实现，即

M 1=(行走机构,原理,曲柄摇杆机构)=(Om1,cm1,vm1)

根据物元的发散性（一征多值），并结合机械原理知识，有

M 1−|{M11 ,M12}

其中，

M 11=(行走机构,原理,曲柄摇块机构)=(Om11,cm11,vm11)；

M 12=(行走机构,原理,摆动凸轮机构)=(Om12,cm12,vm12)。

对应的行走机构的原理图如图7−16所示。

图7−16 行走机构原理图

（a）曲柄摇杆机构；（b）曲柄摇块机构；（c）摆动凸轮机构

转向机构要求机器人在行走的过程中实现间歇转向，它可用物元M2来表示，即

下面运用可拓学知识，对电动机带动转向轮转向的一系列过程进行分析。由事元的蕴含规则可知：

A 1⇐A2⇐A3⇐A4

其中，A1=(转向,支配对象,转向轮)；；

由于电动机做连续的旋转运动，因此转向机构也做连续运动。该问题属于一组矛盾问题。在该问题中，拟达到的目的是对转向机构实行间歇控制，以改变机器人运动的速度方向。常用的解决方法是增加一控制装置，对机器人的转向进行实时控制。其结果可能会导致控制的复杂性提高。因此，这是一组技术矛盾。

将该技术矛盾用标准参数描述，待改善的参数为：速度（NO.9）；导致恶化的参数为：测控的复杂性（NO.37）。

3. 基于TRIZ创新原理的可行解预测

查询经典冲突矩阵表，得相应的发明原理为：#3 局部特性原理；#34抛弃或再生修复原理；#27廉价替代原理；#16局部作用或过度作用原理。这里选用#3局部特性原理，具体内容如下。

局部特性原理#3 a. 从物体或外部介质（外部作用）的一致结构过渡到不一致结构；b. 物体的不同部分应当具有不同的功能；c. 物体的每一部分均应具备最适于它工作的条件。

由上述原理得到启示：考虑改变齿轮或中间传动件的结构，使其带动转向轮间歇运作。

4. 可行解的基元变换

由以上TRIZ原理解的提示，结合可拓蕴含规则的描述可知：由锥齿轮组成的差速机构能改变运动的传递方向，保证转向过程的实现。现若想实现间歇传动，就必须对与电动机直接相连的齿轮组进行改进。

根据机械原理的知识可知，不完全齿轮机构可实现间歇传动。因此，做变换T1，使

其中，M31是齿轮组中的一个齿轮，M31⊂M3 ，

=(不完全齿轮,齿数,v)。

此时，间歇机构物元M0可表示为

M 0=(间歇机构,原理,不完全齿轮)

根据物元的发散性（一征多值），有

M 0−|{M01 ,M02}

其中，

M 01=间( 歇机构,原理,槽轮机构)；

M 02=(间歇机构,原理,凸轮机构)。

5. 优度评价

对行走装置，可以选择结构尺寸、运动范围和可靠性作为评价指标，采用层次分析法（AHP）计算出每个方案的权重，再建立相应的关联函数，计算其优度。下面只对每个方案进行定性分析。对于方案一曲柄摇杆机构，如图 7−16（a）所示，由于连杆的存在，结构尺寸和运动范围较大；方案二曲柄摇块机构，如图 7−16（b）所示，运动范围较小，结构紧凑；方案三摆动凸轮机构，如图6−1（c）所示，由于存在凸轮，其曲线轮廓的设计与制造较为不便，同时存在高副接触，故其应力较为集中，机构的使用寿命较短。综合考虑以上设计方案，选用方案二曲柄摇块机构较优。

对转向的间歇机构，可选择紧凑性和可靠性作为衡量指标，仍可采用上述的层次分析法对每个方案进行定性分析（略）。最终选择不完全齿轮机构作为转向的间歇机构。

6. 最终方案

这样，行走机构和转向机构都可以通过相应的装置来实现，只需对其内部结构进行组合排列，以达到简化传动方案的目的。最终设计的发条机器人的传动原理图如图7−17所示。

图7−17 发条机器人的传动原理图