張瑞君，曹歡玲，陸 濤，周劍飛，徐導(dǎo)勇，魏 堯

（浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院，浙江臨安 311300）

在自然界中，存在許多人類難以到達(dá)的地方和可能危及人類生命的特殊場(chǎng)合，如工地、地震救援等。災(zāi)害搜救工作的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性往往給救援工作帶來極大的困難，救援機(jī)器人將成為災(zāi)害輔助救援的有效工具[1-2]。本文設(shè)計(jì)了一款能在廢墟狹小空間中破障穿行的小型救援機(jī)器人。將裝有多級(jí)減速器的直流電機(jī)作為履帶裝置的動(dòng)力，采用四驅(qū)方式。綜合考慮底盤離地面高度和機(jī)器人整體高度，初步設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輪直徑為80 mm，支持輪直徑為36 mm，如圖1所示。

1 行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

搜救機(jī)器人面對(duì)的工作環(huán)境是廢墟，由大量的碎磚塊、被損毀的家居用品等組成。廢墟中各種小障礙極多且凹凸不平，為此，行走機(jī)構(gòu)選取類似于同步帶的行走履帶。履帶內(nèi)齒面為同步帶標(biāo)準(zhǔn)齒形，外齒面（著地面）采用矩形截面齒形，以提高其攀越障礙的能力。工作時(shí)，帶齒與帶輪的齒槽相嚙合，是一種嚙合運(yùn)動(dòng)，因而具有帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，如耐屈撓性好、伸長(zhǎng)率小、強(qiáng)度高等。驅(qū)動(dòng)輪的齒形為標(biāo)準(zhǔn)同步帶輪齒形，帶擋邊以限制履帶橫向移動(dòng)。從攀越障礙、防止打滑、動(dòng)力以及履帶式獨(dú)特的轉(zhuǎn)彎方式角度分析，

圖1 行走履帶

2 機(jī)械手設(shè)計(jì)

對(duì)于采用履帶式行走方式的救援機(jī)器人而言，行走機(jī)構(gòu)用來完成空間內(nèi)的整體移動(dòng)。為了增強(qiáng)救援機(jī)器人對(duì)廢墟內(nèi)部復(fù)雜狀況的適應(yīng)性，引入能夠完成三維空間操作任務(wù)且能夠精確操控的多自由度機(jī)械手[3-4]。綜合實(shí)際可行性及角度分析，借鑒實(shí)際制作經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種四自由度機(jī)械臂，如圖2所示。優(yōu)點(diǎn)為：非工作狀態(tài)時(shí)機(jī)構(gòu)所占空間和整體體積較小、重量輕、動(dòng)作較精確及操作靈活。機(jī)械手要完成破障任務(wù)，需要具備一定的承載能力，例如利用破障電鋸將橫向阻擋在通道內(nèi)的木棍鋸斷后，由機(jī)械手將其從前進(jìn)道路上抓離。

設(shè)計(jì)一款平行四邊形連桿式平動(dòng)型抓取機(jī)構(gòu)，如圖3所示。連架桿A、連架桿C、連桿E、機(jī)架以及與之對(duì)應(yīng)的連架桿B、連架桿D、連桿F、機(jī)架分別組成一個(gè)雙曲柄機(jī)構(gòu)。由于連架桿A與連架桿C長(zhǎng)度相等，連架桿B與連架桿D長(zhǎng)度相等，故成為平行四邊形機(jī)構(gòu)。連架桿A作為動(dòng)力源，連架桿A與B通過齒輪連接傳遞驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)A受到驅(qū)動(dòng)力按箭頭運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，B同時(shí)被帶動(dòng)，平行四邊形機(jī)構(gòu)中的連桿E和F向夾持機(jī)構(gòu)的中心軸同步平移，完成夾取動(dòng)作。

圖2 機(jī)械臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖3 抓取機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

3 破障裝置和鏟車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

破障工具根據(jù)動(dòng)力源不同分為三類：電動(dòng)式、液壓式和氣動(dòng)式?？紤]到救援機(jī)器人的內(nèi)部空間小和承載能力有限，為此需要提供動(dòng)力源的液壓式和氣動(dòng)式不在考慮范圍內(nèi)。常見電動(dòng)破障工具根據(jù)原理不同分為：圓盤鋸、電鏈鋸、曲線鋸、電鉆等[5]，通過改造常見電動(dòng)工具，設(shè)計(jì)出符合基本要求的小型化破障裝置——往復(fù)式電鋸，如圖4。

圖4 往復(fù)式電鋸破障裝置結(jié)構(gòu)圖

圖5 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

圖6 鏟斗抬升機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖7 鏟推裝置結(jié)構(gòu)圖

在狹小的廢墟通道內(nèi)，對(duì)于體積較大的障礙物，無法使用破障設(shè)備破除，例如一塊斜靠在通道壁上的石板、一堆碎石塊堵塞前進(jìn)通道。面對(duì)這類狀況，機(jī)械手無法抓取體積過大的障礙物，破障電鋸也無法發(fā)揮作用，這時(shí)最好的解決辦法是將障礙物推開，或者直接將障礙物搬離。借鑒鏟雪車的前鏟結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了具備鏟車搬運(yùn)功能、鏟推功能、保護(hù)功能及開辟通道功能的鏟推設(shè)備。鏟斗被設(shè)計(jì)成150°夾角，能夠?qū)⒕仍畽C(jī)器人前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力分解，產(chǎn)生向左、右兩側(cè)方向的分力，在前進(jìn)過程中將障礙物推向兩側(cè)[6]。鏟推裝置結(jié)構(gòu)上采用了連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，如圖6，使用兩個(gè)精確定位的小型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，提供足夠的抬升動(dòng)力同時(shí)確保搬運(yùn)障礙物的過程穩(wěn)定進(jìn)行。為避免前置鏟斗對(duì)履帶行走機(jī)構(gòu)翻越障礙性能產(chǎn)生影響，鏟斗最大抬升高度定為40 mm，如圖7。

4 總結(jié)

圖8 救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

救援機(jī)器人的實(shí)際工作環(huán)境非常復(fù)雜，需要考慮的因素很多，因此，其功能設(shè)計(jì)很難面面俱到。經(jīng)過對(duì)救援機(jī)器人實(shí)際廢墟運(yùn)行環(huán)境具體分析，并對(duì)搜救任務(wù)執(zhí)行過程中可能遇到的多種需求進(jìn)行假設(shè)研究，明確了救援機(jī)器人應(yīng)達(dá)到的功能配備和性能指標(biāo)[7-8]，實(shí)現(xiàn)了越野功能、破障功能、多自由度機(jī)械手功能等。救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

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