李兆路,翟佳星,徐培培,桂佳清，陳威震，劉 旭

(長(zhǎng)安大學(xué) 工程機(jī)械學(xué)院， 陜西 西安 710064)

0 引言

自20世紀(jì)60年代以來，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展及世界安全形勢(shì)的變化，各國(guó)先后研發(fā)裝備了爆炸物偵察處理機(jī)器人，用以代替人類從事可能對(duì)人員生命健康構(gòu)成威脅的工作, 如軍事上處理可疑爆炸物、石化工業(yè)中處理化學(xué)危險(xiǎn)品等[1]。目前具有代表性的這類機(jī)器人包括英國(guó)研發(fā)并出口50多個(gè)國(guó)家的“手推車”排爆機(jī)器人，裝備駐阿富汗美軍的由美國(guó)Remotec公司研制的Andros系列機(jī)器人，沈陽(yáng)自動(dòng)化所研發(fā)的“靈蜥”系列機(jī)器人，由金吾科技公司研發(fā)并裝備新疆公安系統(tǒng)的“JW”系列機(jī)器人[2]。上述爆炸物偵察處理機(jī)器人性能較為先進(jìn)，同時(shí)具備偵察標(biāo)記處理爆炸物危險(xiǎn)品的功能，其中有的機(jī)器人已經(jīng)經(jīng)過沙場(chǎng)的檢驗(yàn)[3]。然而為滿足拆除、處理危險(xiǎn)品而采用的較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)也意味著較高的造價(jià)、較大的重量及體積，這就給大規(guī)模裝備受爆炸物威脅的一線基層人員帶來巨大的預(yù)算壓力。考慮到實(shí)際應(yīng)用中基層人員裝備的廣泛性對(duì)于裝備便攜性及其成本較為敏感，本文旨在運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)一款輕量化、低成本同時(shí)具有較強(qiáng)機(jī)動(dòng)性的通用便攜式爆炸物快速標(biāo)記處理機(jī)器人，以便于實(shí)現(xiàn)裝備的廣泛實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)可用于火場(chǎng)偵察反恐、核設(shè)施的檢查與維修等[4]。

1 機(jī)器人功能分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了降低成本，通過替換不同功能模塊快速實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)能力的柔性重構(gòu)組合[5]。根據(jù)機(jī)器人所需執(zhí)行功能，將本產(chǎn)品劃分為底盤模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、云臺(tái)、機(jī)械臂模塊。

1.1 底盤模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為便攜式爆炸物快速偵察標(biāo)記機(jī)器人的移動(dòng)載體,其底盤應(yīng)在低能耗的前提下具有一定的移動(dòng)速度和良好的姿態(tài)穩(wěn)定性，具有較大剛度，保證機(jī)器人上部機(jī)械臂的工作穩(wěn)定性，以避免機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生較大的擺動(dòng)；為適應(yīng)各種地理環(huán)境, 應(yīng)具有一定的爬坡和越障能力[6]。目前機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)主要有輪式、履帶式、輪履結(jié)合式。輪式結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、輪式滾動(dòng)摩擦阻力小、機(jī)械效率高等特點(diǎn),盡管履帶式結(jié)構(gòu)可以擁有更好的越野、越障能力，但是履帶式機(jī)器人的缺點(diǎn)是重量大、 能耗大[7]，考慮到恐怖襲擊經(jīng)常發(fā)生的環(huán)境地點(diǎn)，結(jié)合美軍在阿富汗、伊拉克遇到爆炸物威脅的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看[8]，路邊為暴恐分子安置爆炸物的常見地點(diǎn)，因此底盤結(jié)構(gòu)采用具有較大懸掛行程的輪式結(jié)構(gòu)即可滿足使用的需要同時(shí)保證便攜性，底盤動(dòng)力部分采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，搭配大容量的電池。底盤采用鋁合金，以保證較高的剛度及重量的合理分配。

1.1.1 分動(dòng)箱的設(shè)計(jì)

分動(dòng)箱是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力合理分配的一種裝置，將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出到后軸或同時(shí)輸出到前后軸。分動(dòng)箱處的直齒輪組是由齒數(shù)比為20∶30∶48的三個(gè)直齒圓柱齒輪組成，模數(shù)為0.5 mm，節(jié)徑分別為10 mm、15 mm、24 mm。該分動(dòng)箱的作用是將電機(jī)的運(yùn)動(dòng)分別傳送到前橋和后橋上，使該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng)，從而提高機(jī)器人的越野能力。分動(dòng)箱如圖1所示。為改變從傳動(dòng)軸處傳遞的運(yùn)動(dòng)方向，選用了一對(duì)錐齒輪，這對(duì)錐齒輪同時(shí)還肩負(fù)著改變傳動(dòng)比的作用。

1.1.2 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋的設(shè)計(jì)

盡管汽車底盤差速器能夠使不同驅(qū)動(dòng)輪以不同轉(zhuǎn)速作純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，但是考慮到常規(guī)差速器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和其尺寸和質(zhì)量較大，故本設(shè)計(jì)采用的方案是既不要差速器也不要差速鎖，而是用一根剛性軸貫通左右。雖然這種結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)彎時(shí)會(huì)有輪胎打滑，但考慮到整機(jī)尺寸和質(zhì)量，這種打滑可以忽略不計(jì)。在保證底盤機(jī)動(dòng)性能的同時(shí)滿足了經(jīng)濟(jì)性、可靠性要求。轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋和驅(qū)動(dòng)橋末端分別如圖2和圖3所示。

轉(zhuǎn)向拉桿是轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的重要組成部分，直接影響著車輛的穩(wěn)定性、安全性和使用壽命。轉(zhuǎn)向拉桿分為轉(zhuǎn)向直拉桿和轉(zhuǎn)向橫拉桿,轉(zhuǎn)向直拉桿將導(dǎo)向搖臂運(yùn)動(dòng)傳遞給轉(zhuǎn)向節(jié)臂。該機(jī)器人采用了轉(zhuǎn)向拉桿的結(jié)構(gòu)，但與一般汽車不同的是，它采用了前后橋都有轉(zhuǎn)向功能的結(jié)構(gòu)，這也就意味著4個(gè)輪子都具有轉(zhuǎn)向能力，這種結(jié)構(gòu)有利于更好地轉(zhuǎn)向。四輪轉(zhuǎn)向總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，轉(zhuǎn)向拉桿結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖1 分動(dòng)箱 圖2 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋結(jié)構(gòu) 圖3 轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)橋末端結(jié)構(gòu)

圖4 四輪轉(zhuǎn)向總體結(jié)構(gòu)

圖5 轉(zhuǎn)向拉桿結(jié)構(gòu)

1.1.3 減震機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

減震機(jī)構(gòu)采用的是彈簧阻尼減震器。彈簧能夠緩沖絕大部分沖擊，而阻尼器則能夠極大地減弱彈簧的震動(dòng)，兩者結(jié)合起來能夠保證底盤的越野能力并且使上部設(shè)備在崎嶇的路面上保持相對(duì)的穩(wěn)定。圖6為減震器的結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 驅(qū)動(dòng)模塊的分析設(shè)計(jì)

參考類似尺寸質(zhì)量的輪式行走裝置，根據(jù)預(yù)計(jì)的整機(jī)質(zhì)量對(duì)功率進(jìn)行預(yù)選，決定選用有刷直流545電機(jī)，轉(zhuǎn)速為7 000 r/min。整機(jī)的減速機(jī)構(gòu)分為三個(gè)部分：電機(jī)處的減速齒輪、分動(dòng)箱處的減速齒輪和車橋處的減速齒輪。電機(jī)處的減速采用一對(duì)直齒輪，模數(shù)為0.5 mm，傳動(dòng)比為1∶9，齒數(shù)分別為10和90，該對(duì)齒輪的嚙合示意圖如圖7所示。

圖6 減震器的結(jié)構(gòu)示意圖 圖7 減速機(jī)構(gòu)齒輪

1.3 云臺(tái)、機(jī)械手模塊的分析設(shè)計(jì)

排爆偵察機(jī)器人上經(jīng)常使用彩色COD攝像機(jī)對(duì)周邊情況進(jìn)行觀察 ,使用多自由度機(jī)械手[9]對(duì)爆炸物進(jìn)行處理，有的機(jī)器人裝備了霰彈槍，用以引爆銷毀爆炸物。 為了實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)能力的快速轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)采用了通用型云臺(tái)，可以根據(jù)實(shí)際需要選擇配備不同裝備，如圖8所示的是用以處理爆炸物的6自由度機(jī)械手及標(biāo)記爆炸物的噴漆罐。

2 裝配制造及虛擬仿真

為了提高設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)性能與可靠性，利用SolidWorks對(duì)本產(chǎn)品建立了三維模型，如圖9所示[10]。在裝配過程中應(yīng)保證裝配精度即最大程度地保證產(chǎn)品裝配后的實(shí)際幾何參數(shù)、性能參數(shù)和理想的幾何參數(shù)的重合度。最后利用ADAMS進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了底盤及云臺(tái)機(jī)械手系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，其中擺臂的加速度仿真曲線如圖10所示。

圖8 機(jī)械手及標(biāo)記爆炸物的噴漆罐

圖9 整機(jī)軸測(cè)圖

圖10 擺臂的加速度仿真曲線

3 結(jié)論與展望

本文針對(duì)目前爆炸物偵察處理設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以攜帶、成本高昂的不足，設(shè)計(jì)了一種低成本輕量化通用的爆炸物快速偵察標(biāo)記機(jī)器人，該設(shè)備重量輕、機(jī)動(dòng)靈活性好，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有排雷機(jī)器人在諸如爆炸物標(biāo)記、火場(chǎng)偵察任務(wù)中靈活性不足的缺點(diǎn)。本文首先根據(jù)爆炸物處理任務(wù)的工作環(huán)境設(shè)計(jì)了與之相適應(yīng)的機(jī)器人底盤結(jié)構(gòu)，包括減速減震及轉(zhuǎn)向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，之后設(shè)計(jì)了與之匹配的云臺(tái)及機(jī)械臂機(jī)構(gòu)，最后為保證可靠性，通過SolidWorks及ADAMS對(duì)本產(chǎn)品進(jìn)行建模及仿真。本文從實(shí)際工作需求和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)角度提出了輕量化的便攜式爆炸物快速偵察標(biāo)記機(jī)器人，它具有的輕便靈活、經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)有利于實(shí)現(xiàn)廣泛地裝備一線人員和更好地服務(wù)于無力購(gòu)買大型爆炸物處理設(shè)備的不發(fā)達(dá)地區(qū)，而這些地區(qū)恰恰是深受爆炸物困擾的地區(qū)。

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