楊柳勇，莊陳鳳

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一種小型工程車結構設計

楊柳勇1，莊陳鳳2

（1.溫州大學機電工程學院，浙江 溫州 325035；2.龍泉市車輛綜合性能檢測站，浙江 龍泉 323700）

該工程車為機器人比賽中的工程機器人，主要結構包括底盤，外殼，前鏟，甲板，麥克納姆輪，甲板傳動裝置。工程機器人在比賽中擔任輔助其它機器人，做后勤工作的任務。其基本功能包括：①實現(xiàn)彈丸的運輸和補給。②干擾敵方機器人的進攻路線，打亂對方陣型。工程機器人在比賽中僅有一輛，因此其重要性不言而喻。一旦工程機器人被擊殺，則我方的后勤補給將嚴重落后于敵方，極其不利于我方其它機器人進行接下來的戰(zhàn)斗。因此工程機器人自身的靈活走位和自保能力尤為重要。

彈丸補給；干擾；自保

前言

機器人技術是當今世界的主流尖端科技。在經(jīng)過了 50 多年發(fā)展之后，機器人產(chǎn)業(yè)迎來了全新的時代。在未來的 3 到 5 年內(nèi)，全球機器人產(chǎn)業(yè)將呈現(xiàn)井噴式增長，而中國將成為全球最重要的市場之一。工程機器人（工程車）是其中的一種，設計要求如下：底盤是指承載和安裝機器人動力系統(tǒng)及其附屬部件，可使機器人產(chǎn)生水平方向運動的機構。裝甲模塊是模擬裝甲保護機器人的結構，工程機器人的裝甲與底盤剛性連接成一個整體，比賽過程中裝甲與底盤不可發(fā)生相對移動。見圖1所示。以下為設計模塊詳述。

1 驅動機構

1.1 麥克納姆輪的工作原理

見圖2所示。該工程車通過控制麥克納姆輪可以實現(xiàn)在平坦地面上的全向運動，這種全方位移動方式是基于一個有許多位于機輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機輪轉向力轉化到一個機輪法向力上面。依靠各自機輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個合力矢量從而保證了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動，而不改變機輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當輪子繞著固定的輪心軸轉動時，各個小滾子的包絡線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動。麥克納姆輪結構緊湊，運動靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個這種新型輪子進行組合，可以更靈活方便的實現(xiàn)全方位移動功能。基于麥克納姆輪技術的全方位運動設備可以實現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉及其組合等運動方式。

圖1 小型工程車的三維模型

圖2 麥克納姆輪

1.2 麥克納姆路的思路

該驅動方式使工程車能夠在狹隘地形依然保持優(yōu)秀的機動性，可以充分利用地形進行躲避和追擊。每一個麥克納姆輪均采用獨立懸掛式安裝，再將四個電機集中到一個總控制系統(tǒng)進行控制。當需要執(zhí)行相應的運動時，可以直接控制相關麥輪的運動。其運動方式見圖3-6所示。紅色實線箭頭是車輪向前轉產(chǎn)生的摩擦力，藍色箭頭是車輪向后轉產(chǎn)生的摩擦力，虛線是分力。

圖3 麥輪前轉受力分析a

于是圖3左邊的小車就會向前跑，右邊的小車會向后跑。

圖4左邊的小車就順時針旋轉，右邊的小車逆時針旋轉。

圖4 麥輪前轉受力分析b

圖5左邊的小車向左平移，右邊的小車向右平移。圖6麥輪斜向運動。

圖5 麥輪受力分析c

圖6 麥輪斜向運動

2 甲板伸縮機構

圖7甲板的伸出縮回功能，幫助工程車輕易地實現(xiàn)了彈丸的補給。在取彈位置，伸出甲板可以獲取大量彈丸，但甲板若長期處于彈出狀態(tài)，一方面重心會發(fā)生嚴重的偏移，另一方面也不利于工程車在狹隘路段的轉向等。為了保證工程車在行駛過程中的平穩(wěn)性，做了可以收回甲板的設計。該甲板運動由齒輪齒條來進行傳動?？刂讫X輪的電機獨立傳動，與麥輪電機類似地連接到總控制系統(tǒng)。齒輪齒條傳動的運動方式相比較于常見的鏈傳動具有更好的平穩(wěn)性，在彈丸獲取的過程從減少了甲板的振動，防止彈丸大量地散落。

圖7 甲板下的齒輪齒條機構來實現(xiàn)甲板的伸出和縮回

3 前鏟

工程車在比賽中經(jīng)常被當做是一個輔助位來看待，一旦遭遇到其它具備進攻能力強大的機器人車輛就會陷入任人宰割的局面，但由于工程車無法自行發(fā)射彈丸進行正面的戰(zhàn)斗，我們可以利用工程車體積較大，重量在所有車輛中處于中上的一個噸位來設計一個能夠對小型步兵車造成威脅的前鏟，見圖8。該前鏟上有鋸齒狀紋路，一旦卡住敵方步兵車的要害位置，便可將其牢牢“抓住”，然后利用墻體和自身重量的優(yōu)勢進行猛烈的沖擊。這要求前鏟一方面要足夠低，只有低于其他車輛的底盤才有可能實現(xiàn)上述功能。另一方面前鏟也是工程機器人正面的兩塊“裝甲”，為了適應激烈的對抗，需要使用強度較好的材料來制作。

圖8 工程車前鏟

4 彈簧

每一個麥克納姆輪的懸架均配置有彈簧緩震機構，見圖9所示。該機構一方面是為了減少工程車在行駛過程中遇不平坦路面的振動，導致甲板上的部分彈丸會散落出去。更主要的是大大強化了車輛在對抗中的穩(wěn)定性，在防側翻上具有更好的表現(xiàn)。每個懸架上的彈簧并非垂直設計，而是更接近于水平方向的傾斜設計。當工程車毫無防護的側面受到撞擊時，能夠大大減緩沖擊力，防止側翻。

圖9 減震彈簧

[1] 張星.重慶大學——基于麥克納姆輪的全向AGV運動控制技術研究[J].重慶大學碩士學位論文,2016,05.

[2] 第十七屆全國大學生機器人大賽RoboMaster機甲大師裁判系統(tǒng)規(guī)范手冊,2018.01.

[3] 假如明天沒有太陽.CSDN博客.麥克納姆輪全向移動原理,2017. 07.20.

A kind of small engineering vehicle structure design

Yang Liuyong1, Zhuang Chenfeng2

( 1.Wenzhou university, Zhejiang Wenzhou 325035;2.Longquan City Vehicle Comprehensive Performance test station, Zhejiang Longquan 323700 )

This engineering vehicle is an engineering robot in the master of machine a competition. Its main structure includes chassis, shell, front shovel, deck, McNamee wheel and deck transmission device. Engineering robot in the competition to assist other robots, do the task of logistics. Its basic function includes the transportation and supply of lairealization projectile. To disrupt the attacking line of enemy robots and the formation of the enemy. The engineering robot is only one in the race, so its importance is obvious. Once the engineering robots are killed, our logistics will be seriously behind the enemy, and will be extremely detrimental to our other robots in the next fight. Therefore, the flexible walking and self-protection ability of engineering robots is particularly important.

projectile supply; Interference; self-preservation

U462.1

A

1671-7988(2018)21-109-03

U462.1

A

1671-7988(2018)21-109-03

楊柳勇，就職于溫州大學機電工程學院。

溫州大學實驗室開放項目（18SK72）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.038