劉建君，尚偉燕，葉川崎，黃權(quán)榮，魏建偉

（寧波工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，寧波 315016）

0 引言

全世界每年都遭受著大量自然災(zāi)害和人為災(zāi)害的破壞。巨大的災(zāi)害會(huì)造成大面積的建筑物坍塌和人員傷亡，災(zāi)害發(fā)生之后最緊急的事情就是搜救那些被困在廢墟中的幸存者。然而，復(fù)雜危險(xiǎn)的災(zāi)害現(xiàn)場給救援人員及幸存者帶來了巨大的安全威脅，也會(huì)阻礙救援工作快速有效地進(jìn)行。使用救援機(jī)器人進(jìn)行輔助搜救是解決這一難題的有效手段[1～3]。為提高救援效率，一方面要求救援機(jī)器人有能力穿越震后廢墟的復(fù)雜環(huán)境搜尋幸存者，并獲取幸存者所處環(huán)境相關(guān)信息，因而其行走機(jī)構(gòu)需具備可靠的越障能力和狹窄空間通過能力；另一方面要求救援機(jī)器人可以攜帶少量救援物資送達(dá)幸存者身邊，從而贏得寶貴救援時(shí)間。因此，研究震后救援機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)及物資供給機(jī)構(gòu)，可以提高救援的效率和可靠性，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 機(jī)器人車體部分的設(shè)計(jì)

機(jī)器人在不平地面狀況下行走時(shí)，為確保車身不發(fā)生側(cè)翻，左右輪距需要保持足夠間距。但救援機(jī)器人在行進(jìn)過程中通常會(huì)遇到狹窄地形，車身寬度往往會(huì)限制機(jī)器人正常通過。因此，如果在機(jī)器人上安裝一個(gè)變距裝置，其左右輪間距可根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整，可以提高機(jī)器人的復(fù)雜地面通過能力。

1.1 變距結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

變距裝置的主要結(jié)構(gòu)是螺套螺桿副，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 螺紋螺桿變距結(jié)構(gòu)簡圖

從圖1中可以看出，該變距結(jié)構(gòu)包括左右兩個(gè)對稱安裝的螺套結(jié)構(gòu)，左右兩個(gè)螺套中螺紋旋向相反，中間的螺桿可在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)。軸上安裝感應(yīng)裝置，以確保變距的精確性。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

變距時(shí)，左右輪同步等速撐開，使得左右輪關(guān)于車體縱向中心線時(shí)刻保持對稱，可以確保左右輪撐開時(shí)機(jī)器人重心不會(huì)發(fā)生偏移，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人復(fù)雜環(huán)境的穩(wěn)定行進(jìn)。變距結(jié)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝于車體上，左右螺套分別固定安裝于左右輪支承架上。

1.2 移動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，機(jī)器人的移動(dòng)系統(tǒng)主要有：輪式、腿式、履帶式[4]。輪式的移動(dòng)系統(tǒng)具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、移動(dòng)速度快和易控制的特點(diǎn)，但是對于復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力差；腿式移動(dòng)系統(tǒng)雖具有很強(qiáng)的地面適應(yīng)性和較好的機(jī)動(dòng)性，但是該形式移動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)速度慢，控制復(fù)雜[5,6]；履帶式移動(dòng)系統(tǒng)具有良好的越障性能及較強(qiáng)的適應(yīng)性。因此，設(shè)計(jì)中考慮采用履帶式移動(dòng)系統(tǒng)，符合救援機(jī)器人在行駛穩(wěn)定性和復(fù)雜地面適應(yīng)性上的要求。考慮到復(fù)雜行駛環(huán)境和安裝空間限制，行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案最終確定的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

由圖3可以看出，主動(dòng)輪支承于前后輪之間的支承架上，驅(qū)動(dòng)電機(jī)支架也固聯(lián)于支承架上，前后輪分別與前后輪支承軸通過鍵聯(lián)接。驅(qū)動(dòng)輪置于行走系統(tǒng)上方降低了地面沖擊對驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速齒輪的影響，有利于提高機(jī)器人行駛穩(wěn)定性，同時(shí)可以提高移動(dòng)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下工作的安全性和穩(wěn)定性。驅(qū)動(dòng)輪、誘導(dǎo)輪和支承輪上加工有輪齒，可以防止打滑，提高電動(dòng)機(jī)扭矩的傳遞效率。前后輪支承軸通過軸承支承于車身上，其中支承軸與軸承內(nèi)圈形成間隙配合，中間加涂潤滑油減少摩擦，便于變距過程中前后輪支承軸相對車身左右滑動(dòng)；前后輪支承軸上裝有支承軸擋圈，左右輪距最小時(shí)，靠兩側(cè)外支承軸擋圈限制車身的橫向串動(dòng)，左右輪距最大時(shí)，靠兩側(cè)內(nèi)支承軸擋圈限制車身的橫向串動(dòng)。

2 救援物質(zhì)運(yùn)輸裝置的設(shè)計(jì)

震后救援機(jī)器人在不同情況下，需要的救援物資各不相同。因此救援機(jī)器人的物資輸送系統(tǒng)需要有較高的環(huán)境適應(yīng)能力，從而完成不同的作業(yè)要求。本設(shè)計(jì)中救援機(jī)器人采用的是混合式物質(zhì)輸送裝置。該裝置包括救援物資儲(chǔ)運(yùn)裝置和機(jī)械手兩部分結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。

圖4 混合式救援物資輸送裝置結(jié)構(gòu)布置

其中，救援物資儲(chǔ)運(yùn)裝置主要起到貯存不同種類救援物資的作用，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 救援物資儲(chǔ)運(yùn)裝置

該救援裝置伸縮臂部分由兩個(gè)直流電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)。伸縮臂由兩節(jié)滑道組成。下滑道上安裝直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)及齒輪，上滑道安裝齒條，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下齒條可以實(shí)現(xiàn)前后滑移，可將救援物資直接運(yùn)輸?shù)奖痪仍畬ο竺媲?，或者在機(jī)械手的協(xié)助下抓取物資送達(dá)被救援對象。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)是抓取裝置設(shè)計(jì)中另外一個(gè)重要環(huán)節(jié)。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)中包括五個(gè)自由度，結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。

圖6 五自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖

舵機(jī)與小車車身固定聯(lián)接，在舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)下短臂可以帶動(dòng)機(jī)械臂完成360的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在鉸接點(diǎn)a、b、c、d處分別安裝四個(gè)舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)相鄰兩機(jī)械臂之間的相對轉(zhuǎn)動(dòng)。通過控制該結(jié)構(gòu)形式的機(jī)械臂可以使機(jī)械手較為準(zhǔn)確地救援，以完成救援任務(wù)，救援機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

本文對震后救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，總結(jié)如下：

1）履帶輪結(jié)構(gòu)的獨(dú)特設(shè)計(jì)可以降低復(fù)雜環(huán)境對驅(qū)動(dòng)電機(jī)的影響，其移動(dòng)系統(tǒng)具有良好的越障性能，可以確保救援任務(wù)的順利完成。

2）螺套螺桿變距結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使車體可以通過狹窄地形，增強(qiáng)了救援機(jī)器人地面通過性能。

3）救援物資儲(chǔ)運(yùn)裝置設(shè)計(jì)成儲(chǔ)存和抓取兩部分，一次可以運(yùn)輸足夠多的物資并在機(jī)械手的準(zhǔn)確動(dòng)作下確保救援物資順利到達(dá)被救援對象。

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