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摘 要：通过对轮式、腿式和履带式行走机构的研究与分析，基于Autodesk Inventor软件 ，设计完成了一种复合式的、新型的轮腿式行走机构 ，通过对模型的计算与分析，优化了设计结果。经校核，此机构可以跨越350mm高的垂直障碍，以最高3.5Km/h的速度行驶，携带120Kg的负载。
关键词：轮腿式；行走机构；三维；结构设计
随着科技的发展，越来越多的机器人被用于航天探测，海底及矿产勘测等领域，并且不断地向其他领域发展、渗透。目前，国内外许多单位及个人都对各种行走机构展开了许多研究。其中，使用最为广泛的为轮式行走机构。其活动灵活，功耗较小并且控制简单，但是在越障能力上受限于其轮胎大小，一般只能越过低于轮胎半径的障碍。另一种腿式行走机构在越障能力上有着得天独厚的优势，但是相比轮式而言，其操控较为复杂。
为了保持轮式行走机构活动灵活，控制简单的优点，并最大限度的提高其越障能力，人们提出了新型的轮腿式行走机构。轮腿式行走机构因综合了轮式和腿式行走机构两者的优点，从而有较好的行走和越障能力，其设计的重点在于对轮腿间相对位置的主动控制。
目前对于轮腿式行走机构的研究，国内外专家提出了许多非常先进的解决方案，比如美国NASA发布的全地形行星探测机器人，北京科技大学机械工程学院的杨耀东、姜勇等在中南大学学报（自然科学版）上发布的一款复合轮式海底行走机构等等。但是，上述两种轮腿式机器人的操控并不是非常简单。
1.方案的提出
1.1方案的确定
为了追求更加简单的机构，并且实现较好的越障能力，本文从这一角度出发，利用Inventor2012的概念草图功能，设计出一个新型六轮轮腿式行走机构，图1为其结构简图。
图1中，ADEB是轮腿，E和F之间将由一个直线运动单元，使E和F之间的距离处于可控状态下，从而控制轮腿围绕的D关节来回受控摆动，从而完成越障功能。其能够通过垂直250毫米的障碍。
此方案优点是只需控制一个直线运动单元就能完成轮胎间位置的主动调整，并且，与复合轮式行走机构相比，不必再配套一套液压系统，从而可以减轻整个机构的重量，并且减少维护工作。
1.2动作流程规划
以跨越350mm垂直障碍（台阶）为例，经过在Inventor软件中利用概念草图进行动作的模拟，规划出一套完整的动作方案，机构整个越障过程如下表所示。
2.机构的主要结构设计
2.1机构参数要求
越障能力：垂直350mm；
功率：<10kw；
行驶速度：>0.5m/s；
机构重量：120KG ；
最大载重量：120KG；
最大行驶推力：>2000N。
其中机构重量允许有±2%的偏差，如果没有特殊说明，以上指标都是对于整个机构（六轮 ）而言的。
2.2机构介绍及部分结构参数
以已有的概念草图为基础，使用Inventor2012 软件进行设计、建模，设计出了新型轮腿式行走机构，其单边机构可见图3。
从图1及图3中可以看出，整个机构分成两边（另一边和图3所示部分对称），每边有三个带独立动力的轮胎，可以提供比较大的动力，同时在部分轮胎动力损坏的情况下，整个机构不至于完全瘫痪，保证了一定的可靠性和容错性。其中前后轮还配置有转向架，可以配合行驶动力完成转向动作。其中前轮、中轮以及中轮、后轮间距大约600mm，DF间间距为400mm，DE之间间距约200mm，D点处于AB两轮的中垂线上。
其中，每边机构仅有的单个直线运动单元可以控制E和F之间的距离在208mm到380mm之间受控变化，驱动轮腿围绕D点受控摆动，从而实现轮胎间相对位置的主动调整，进而实现整个机构的越障功能。
单边机构总重约60.5Kg，常态下总长约1400mm，总高约600mm。其最大行走速度约为3.5Km/h；可以越过高度为350mm的垂直障碍，即可以越过相对于自身高度约60%的垂直障碍。整个机构可以负载约120Kg的重量（包含其控制系统）。
2.3直线运动单元
机构选取电子推杆作为直线运动单元。所需电子推杆的行程为200mm左右，最大输出912N，最大输出拉力为1197.6N。根据这些参数以及力姆泰克电子推杆选型手册，选择LAM2-S2 -200-FO-DC24V-HP电子推杆较为合适，其部分参数如下：
2.4行驶运动单元
图4为行驶运动单元。其由伺服电机、减速箱、轮胎支撑架和轮胎等零部件组成。行驶运动单元采用直流伺服电机作为动力源，使用精密行星减速器进行动力调节后输出到轮毂。轮毂采用双螺母连接，可以防止轮胎的松动。
2.4.1减速箱的选择
由于本机构所需的减速箱减速比较大，而且要求减速箱外型尺寸以及重量都要较小，普通的圆柱齿轮减速箱或者斜齿轮减速箱并不能满足要求。
行星齿轮减速器具有传动比大，外形尺寸小，传递负载高，重量小等特点，完全能够胜任移动机构适应各种复杂地面的动力传递需求。上海嘉田传动机械有限公司提供了PL60-32-D2-S1精密行星减速器，具有外形尺寸小，重量轻，承载力大等特点，部分参数如下：
经验算，由于轮胎所受支撑力过大，超过输出轴的最大径向力需增加支撑以外，其余各性能指标均能胜任。
2.4.2电机的选择
综合考虑各种电机，因伺服电机的控制精度高，在额定转速以内运行时能够保持输出额定转矩，在额定转速以上时保证恒功率输出，使其较之步进电机的矩频特性大大提高。同时，伺服电机的过载能力好，响应速度快。故选用伺服电机。
经过相关资料的查阅，因BONMET SA旗下直流伺服电机重量相对较轻，同时，对于行走机构这样一个移动的平台，相对于交流电源，使用直流电源能够更加能够适应工作条件，故采用2.5轮胎支撑方案 2.5.1轮胎支撑的形式
由于轮胎受到的支持力远远大于减速箱输出轴的最大径向力，同时要对轮胎进行轴向的限位，承受轮胎偶尔产生的轴向力，需要另外对轮胎加以支撑。对于支撑的形式，一般可用圆锥滚子轴承，角接触轴承，深沟球轴承及深沟球轴承和推力轴承的组合等形式。
经计算该轮轴的最大转速为约93r/min，转速不高，但可能承受较大径向载荷，同时由于工作环境的影响，当车身发生倾斜时，也会发生要承受较大轴向载荷的情况，故不采用单独使用深沟球轴承。同时，为了简化机构，深沟球轴承和推力轴承的组合也将不予采用。
由于轮轴的转速较低，而承受的载荷较大，相比较而言，圆锥滚子轴承相对于角接触轴承，更加适合作为轮胎的支撑。同时，为了结构的简化，圆锥滚子轴承采用正装的形式。故在此机构中采用圆锥滚子轴承32905。
2.5.2轴承的润滑方式
由于本轴承的转速较低，dn值较小，故采用脂润滑形式。根据最新轴承手册，选取钙基润滑脂ZG-3，其主要参数如下：
2.6电子推杆安装方式的设计
2.6.1电子推杆与轮腿的连接
电子推杆两端都提供了插销端的连接接口。但是，在电子推杆拉力和推力的影响下，轮腿上与电子推杆连接的部分容易发生一定的形变，如果采用直接连接的方式，容易由于变形导致电子推杆的卡死，或者使电子推杆承受不必要的扭矩，降低其工作的可靠性。为此，机构选取GE20C型自润滑向心关节轴承作为电子推杆与轮腿的连接，其结构图如图6。
2.6.2电子推杆与车架的连接
机构中电子推杆通过电子推杆安装架和车架连接，电子推杆安装架见图7。
在这个结构中，GE20C轴承的作用和前文中1（电子推杆与轮腿的连接）中的描述相同，图中的零件（指电子推杆安装轴）在轮腿上也有使用。轴端轴承座的作用首先为支撑GE20C，其次为连接电子推杆，电子推杆与GE20C的外圈为过盈配合。安装盖板并不是主要受力零件，其主要作用是限制电子推杆围绕电子推杆安装轴的旋转。
E与F点的距离LEF与电子推杆伸出长度L的对应关系为LEF=L+198，其中L∈[8，200]。
3.结论
本文提出了一种新型轮腿式行走机构，在满足一定的越障能力前提下，具有操控简单，整个机构的重量较轻的优点。.
参考文献：
[1]EEFOCUS，NASA发布全地形行星探测机器人，http//ww.eefocus.com/html/08-05/42642s.shtml，2008.05.
[2]杨耀东，姜勇，冯雅丽等，复合轮式海底行走机构的越障性能，中南大学学报（自然科学版），2011.09，第42卷增刊2，296-299.
[3]张松林，最新轴承手册，北京，电子工业出版社，2007.01.
[4]李晓沛，尺寸极限与配合的设计和选用，北京，中国标准出版社，2012.12，53-175.
[5]陈铁鸣，王连明，王黎钦，机械设计（修订版），第三版，哈尔滨出版社，2003.08，207-233.
[6]欧特克，Autodesk Inventor 进阶培训教程，北京，电子工业出版社，2011.01，314-329.
[7]尚伟燕，李舜酩，六轮腿式探测车行走机构结构设计及动力学分析，机械制造，2010.10，15-18.
关键词：轮腿式；行走机构；三维；结构设计
随着科技的发展，越来越多的机器人被用于航天探测，海底及矿产勘测等领域，并且不断地向其他领域发展、渗透。目前，国内外许多单位及个人都对各种行走机构展开了许多研究。其中，使用最为广泛的为轮式行走机构。其活动灵活，功耗较小并且控制简单，但是在越障能力上受限于其轮胎大小，一般只能越过低于轮胎半径的障碍。另一种腿式行走机构在越障能力上有着得天独厚的优势，但是相比轮式而言，其操控较为复杂。
为了保持轮式行走机构活动灵活，控制简单的优点，并最大限度的提高其越障能力，人们提出了新型的轮腿式行走机构。轮腿式行走机构因综合了轮式和腿式行走机构两者的优点，从而有较好的行走和越障能力，其设计的重点在于对轮腿间相对位置的主动控制。
目前对于轮腿式行走机构的研究，国内外专家提出了许多非常先进的解决方案，比如美国NASA发布的全地形行星探测机器人，北京科技大学机械工程学院的杨耀东、姜勇等在中南大学学报（自然科学版）上发布的一款复合轮式海底行走机构等等。但是，上述两种轮腿式机器人的操控并不是非常简单。
1.方案的提出
1.1方案的确定
为了追求更加简单的机构，并且实现较好的越障能力，本文从这一角度出发，利用Inventor2012的概念草图功能，设计出一个新型六轮轮腿式行走机构，图1为其结构简图。
图1中，ADEB是轮腿，E和F之间将由一个直线运动单元，使E和F之间的距离处于可控状态下，从而控制轮腿围绕的D关节来回受控摆动，从而完成越障功能。其能够通过垂直250毫米的障碍。
此方案优点是只需控制一个直线运动单元就能完成轮胎间位置的主动调整，并且，与复合轮式行走机构相比，不必再配套一套液压系统，从而可以减轻整个机构的重量，并且减少维护工作。
1.2动作流程规划
以跨越350mm垂直障碍（台阶）为例，经过在Inventor软件中利用概念草图进行动作的模拟，规划出一套完整的动作方案，机构整个越障过程如下表所示。
2.机构的主要结构设计
2.1机构参数要求
越障能力：垂直350mm；
功率：<10kw；
行驶速度：>0.5m/s；
机构重量：120KG ；
最大载重量：120KG；
最大行驶推力：>2000N。
其中机构重量允许有±2%的偏差，如果没有特殊说明，以上指标都是对于整个机构（六轮 ）而言的。
2.2机构介绍及部分结构参数
以已有的概念草图为基础，使用Inventor2012 软件进行设计、建模，设计出了新型轮腿式行走机构，其单边机构可见图3。
从图1及图3中可以看出，整个机构分成两边（另一边和图3所示部分对称），每边有三个带独立动力的轮胎，可以提供比较大的动力，同时在部分轮胎动力损坏的情况下，整个机构不至于完全瘫痪，保证了一定的可靠性和容错性。其中前后轮还配置有转向架，可以配合行驶动力完成转向动作。其中前轮、中轮以及中轮、后轮间距大约600mm，DF间间距为400mm，DE之间间距约200mm，D点处于AB两轮的中垂线上。
其中，每边机构仅有的单个直线运动单元可以控制E和F之间的距离在208mm到380mm之间受控变化，驱动轮腿围绕D点受控摆动，从而实现轮胎间相对位置的主动调整，进而实现整个机构的越障功能。
单边机构总重约60.5Kg，常态下总长约1400mm，总高约600mm。其最大行走速度约为3.5Km/h；可以越过高度为350mm的垂直障碍，即可以越过相对于自身高度约60%的垂直障碍。整个机构可以负载约120Kg的重量（包含其控制系统）。
2.3直线运动单元
机构选取电子推杆作为直线运动单元。所需电子推杆的行程为200mm左右，最大输出912N，最大输出拉力为1197.6N。根据这些参数以及力姆泰克电子推杆选型手册，选择LAM2-S2 -200-FO-DC24V-HP电子推杆较为合适，其部分参数如下：
2.4行驶运动单元
图4为行驶运动单元。其由伺服电机、减速箱、轮胎支撑架和轮胎等零部件组成。行驶运动单元采用直流伺服电机作为动力源，使用精密行星减速器进行动力调节后输出到轮毂。轮毂采用双螺母连接，可以防止轮胎的松动。
2.4.1减速箱的选择
由于本机构所需的减速箱减速比较大，而且要求减速箱外型尺寸以及重量都要较小，普通的圆柱齿轮减速箱或者斜齿轮减速箱并不能满足要求。
行星齿轮减速器具有传动比大，外形尺寸小，传递负载高，重量小等特点，完全能够胜任移动机构适应各种复杂地面的动力传递需求。上海嘉田传动机械有限公司提供了PL60-32-D2-S1精密行星减速器，具有外形尺寸小，重量轻，承载力大等特点，部分参数如下：
经验算，由于轮胎所受支撑力过大，超过输出轴的最大径向力需增加支撑以外，其余各性能指标均能胜任。
2.4.2电机的选择
综合考虑各种电机，因伺服电机的控制精度高，在额定转速以内运行时能够保持输出额定转矩，在额定转速以上时保证恒功率输出，使其较之步进电机的矩频特性大大提高。同时，伺服电机的过载能力好，响应速度快。故选用伺服电机。
经过相关资料的查阅，因BONMET SA旗下直流伺服电机重量相对较轻，同时，对于行走机构这样一个移动的平台，相对于交流电源，使用直流电源能够更加能够适应工作条件，故采用2.5轮胎支撑方案 2.5.1轮胎支撑的形式
由于轮胎受到的支持力远远大于减速箱输出轴的最大径向力，同时要对轮胎进行轴向的限位，承受轮胎偶尔产生的轴向力，需要另外对轮胎加以支撑。对于支撑的形式，一般可用圆锥滚子轴承，角接触轴承，深沟球轴承及深沟球轴承和推力轴承的组合等形式。
经计算该轮轴的最大转速为约93r/min，转速不高，但可能承受较大径向载荷，同时由于工作环境的影响，当车身发生倾斜时，也会发生要承受较大轴向载荷的情况，故不采用单独使用深沟球轴承。同时，为了简化机构，深沟球轴承和推力轴承的组合也将不予采用。
由于轮轴的转速较低，而承受的载荷较大，相比较而言，圆锥滚子轴承相对于角接触轴承，更加适合作为轮胎的支撑。同时，为了结构的简化，圆锥滚子轴承采用正装的形式。故在此机构中采用圆锥滚子轴承32905。
2.5.2轴承的润滑方式
由于本轴承的转速较低，dn值较小，故采用脂润滑形式。根据最新轴承手册，选取钙基润滑脂ZG-3，其主要参数如下：
2.6电子推杆安装方式的设计
2.6.1电子推杆与轮腿的连接
电子推杆两端都提供了插销端的连接接口。但是，在电子推杆拉力和推力的影响下，轮腿上与电子推杆连接的部分容易发生一定的形变，如果采用直接连接的方式，容易由于变形导致电子推杆的卡死，或者使电子推杆承受不必要的扭矩，降低其工作的可靠性。为此，机构选取GE20C型自润滑向心关节轴承作为电子推杆与轮腿的连接，其结构图如图6。
2.6.2电子推杆与车架的连接
机构中电子推杆通过电子推杆安装架和车架连接，电子推杆安装架见图7。
在这个结构中，GE20C轴承的作用和前文中1（电子推杆与轮腿的连接）中的描述相同，图中的零件（指电子推杆安装轴）在轮腿上也有使用。轴端轴承座的作用首先为支撑GE20C，其次为连接电子推杆，电子推杆与GE20C的外圈为过盈配合。安装盖板并不是主要受力零件，其主要作用是限制电子推杆围绕电子推杆安装轴的旋转。
E与F点的距离LEF与电子推杆伸出长度L的对应关系为LEF=L+198，其中L∈[8，200]。
3.结论
本文提出了一种新型轮腿式行走机构，在满足一定的越障能力前提下，具有操控简单，整个机构的重量较轻的优点。.
参考文献：
[1]EEFOCUS，NASA发布全地形行星探测机器人，http//ww.eefocus.com/html/08-05/42642s.shtml，2008.05.
[2]杨耀东，姜勇，冯雅丽等，复合轮式海底行走机构的越障性能，中南大学学报（自然科学版），2011.09，第42卷增刊2，296-299.
[3]张松林，最新轴承手册，北京，电子工业出版社，2007.01.
[4]李晓沛，尺寸极限与配合的设计和选用，北京，中国标准出版社，2012.12，53-175.
[5]陈铁鸣，王连明，王黎钦，机械设计（修订版），第三版，哈尔滨出版社，2003.08，207-233.
[6]欧特克，Autodesk Inventor 进阶培训教程，北京，电子工业出版社，2011.01，314-329.
[7]尚伟燕，李舜酩，六轮腿式探测车行走机构结构设计及动力学分析，机械制造，2010.10，15-18.