災(zāi)后救援機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

盧孔寶，陳華勇

(浙江水利水電學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

隨著全球氣候的變化以及人為破壞環(huán)境的影響，近年來地震等自然災(zāi)害頻頻發(fā)生，這類災(zāi)難造成了人員傷亡、財物被毀等巨大損失.然而災(zāi)難導(dǎo)致的路面坍塌、房屋摧毀、山體滑坡等現(xiàn)象，阻礙了救援人員的救援，同時也給救援人員的人身帶來了安全隱患[1].采用救援機器人進(jìn)行輔助搜救、發(fā)送受災(zāi)畫面、提供災(zāi)情數(shù)據(jù)是目前常見的一種有效手段.因災(zāi)后環(huán)境惡劣、地面復(fù)雜，對救援機器人的越障能力和機器人的適應(yīng)能力都有很高的要求[2].機器人要完成穿越廢墟、自主搬運障礙物、發(fā)送所需信息等工作，從而給救援提供有效方案制定和爭取寶貴救援時間提供參考和幫助.因此研發(fā)適應(yīng)復(fù)雜惡劣環(huán)境的救援機器人具有一定現(xiàn)實意義.

1 傳統(tǒng)救援機器人行走結(jié)構(gòu)分析

現(xiàn)有傳統(tǒng)的救援機器人行走機構(gòu)主要有輪式、履帶式、腿足式等.這些行走機構(gòu)在復(fù)雜道路環(huán)境下都有各自的優(yōu)點，同時也存在不足之處，選取了常見行走機構(gòu)對地面適應(yīng)性、越障能力、經(jīng)濟性和加工裝配方面等進(jìn)行分析，以此為依據(jù)提出優(yōu)化設(shè)計的方案.

1.1 輪式行走機構(gòu)

輪式行走機構(gòu)機械機構(gòu)相對簡單，通常適應(yīng)在道路相對平坦的場合，其越障能力主要取決于輪子直徑和電機驅(qū)動力，由于其行走主要依靠輪子與地面的線接觸，其適應(yīng)能力相對較差，但該行走機構(gòu)具有加工裝配比較方便，費用低廉等特點[3].

1.2 履帶式行走機構(gòu)

履帶式行走機構(gòu)其行走主要依靠履帶與地面的面接觸，對于泥濘道路、凹凸不平路面、小程度的坍塌路都能適應(yīng)，其適應(yīng)能力相對較好，越障能力也大大優(yōu)于輪式行走機構(gòu)，但履帶行走機構(gòu)底盤高度會影響其越障能力.該行走機構(gòu)加工裝配相對簡單方便，費用也適中.

1.3 腿足式行走機構(gòu)

這種行走機構(gòu)靈活性很強，適合復(fù)雜的道路，但由于其結(jié)構(gòu)重力集中在腿足上，容易被松軟地面和廢墟堆雜物中陷住、卡住，且行走時要隨時調(diào)整機構(gòu)重心達(dá)到平衡，同時這種行走機構(gòu)制造成本較高，裝配要求較高.

綜合上述幾種常見行走機構(gòu)，在適應(yīng)性、越障功能、制造成本等方面進(jìn)行了綜合評價(見表1).

表1 常見行走機構(gòu)綜合評價指標(biāo)

通過常見行走機構(gòu)綜合評價指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)履帶式的行走機構(gòu)相對適合災(zāi)后環(huán)境中行走，但還存在一定缺陷，需要在傳統(tǒng)履帶式行走機構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出了行走機構(gòu)的本體進(jìn)行伸縮可變，一定程度上可避開及其惡劣的道路環(huán)境，由此提高行走機構(gòu)的越障能力和適應(yīng)性.

2 災(zāi)后救援機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 救援機器人整體方案設(shè)計

為了爭取救援時間，救援機器人需要快速、平穩(wěn)的通過救援通道，有時甚至需要穿越河道、坍塌路面等復(fù)雜道路.為適應(yīng)復(fù)雜路況擬設(shè)計的機器人采用履帶式行走機構(gòu)，為了便于靈活操作兩側(cè)履帶各設(shè)電機驅(qū)動，便于實現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，行走機構(gòu)本體設(shè)計成可伸縮式，并設(shè)計頂升機構(gòu)，使行走機構(gòu)伸縮更靈活同時減輕伸縮電機負(fù)載，達(dá)到根據(jù)路面情況隨時調(diào)整行走機構(gòu)尺寸的功能，提高機器人對復(fù)雜路面的適應(yīng)性.

救援機器人除能通過復(fù)雜路面外，更重要的是利用機械手開展救援工作，機械手可實現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，完成快速定位、抓取、救援等工作.整體設(shè)計方案(見圖1).

圖1 災(zāi)后救援機器人整體設(shè)計圖

2.2 機器人行走車架體設(shè)計

機器人行走車架體主要由車架伸縮裝置、行走裝置頂升裝置等組成車架伸縮裝置主要由齒輪齒條嚙合機構(gòu)實現(xiàn)，電機帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪與齒條1、齒條2嚙合，并帶動兩齒條反向直線運動，實現(xiàn)行走機構(gòu)的伸縮功能，為保證傳動的穩(wěn)定性，在齒條上設(shè)有依靠導(dǎo)向塊，保證兩齒條移動的平穩(wěn)性[4].實現(xiàn)左右履帶以行走機構(gòu)為中心勻速伸縮，確保機器人在復(fù)雜道路上保持平穩(wěn).

車架伸縮裝置的兩側(cè)為行走裝置，其設(shè)有兩組同步帶輪，每組帶輪上安裝同步齒形帶，兩組前側(cè)主動輪由電機帶動實現(xiàn)行車機構(gòu)的前進(jìn)、后退、差速轉(zhuǎn)彎等功能.

在平整路面車架伸縮裝置可輕松的將車體兩側(cè)車輪推出，但如機器人處于復(fù)雜路面時，由于地面不平整、不規(guī)則，行走裝置左右移動的阻力大大增加，很難實現(xiàn)車架伸縮功能，為解決這一技術(shù)難題，在車體底部設(shè)計頂升裝置，依靠電機帶動頂升齒輪，頂升齒輪與頂升齒條嚙合，頂升齒條將車體頂升，減少履帶與地面的摩擦阻力，從而輕松實現(xiàn)車架伸縮功能.機器人行走車架體建模及結(jié)構(gòu)(見圖2).

2.3 救援機械手的設(shè)計

救援機械手在該救援機器人中的作用主要是搬除障礙物、傳遞救援物資等作用，因救援特殊性所需的機械手需具備實現(xiàn)快速抓取不同形狀、不同規(guī)格物體等功能[5].救援機械手采為“夾持式”抓取，手指圓弧形，其結(jié)構(gòu)形式為兩平行四桿機構(gòu)，通過扇形齒輪傳動，實現(xiàn)手抓的夾持與分開，從而完成救援工作.救援機械手建模及結(jié)構(gòu)(見圖3).

①-右側(cè)從動輪；②-右側(cè)主動輪；③-履帶；④-底盤；⑤-抬升電機；⑥-抬升電機安裝板；⑦-頂桿；⑧-左側(cè)主動輪電機；⑨-伸縮齒條；⑩-行走機架體；-伸縮裝置電機；-定位塊圖2 機器人行走車架體

①-轉(zhuǎn)臺電機；②-腕部電機；③-轉(zhuǎn)臺；④-臂部電機安裝板；⑤-機械手臂連接板；⑥-機器人臂部關(guān)節(jié)；⑦-機器人腕部關(guān)節(jié)；⑧-機械手固定塊；⑨-手指關(guān)節(jié)連桿；⑩-手指關(guān)節(jié)；-連接件；-機械手電機；-腕部電機；-聯(lián)軸器；-調(diào)整塊圖3 救援機械手

救援機械手主要由轉(zhuǎn)臺、腕部關(guān)節(jié)、臂部關(guān)節(jié)、機械手指等組成，均有電機實現(xiàn)其關(guān)節(jié)的運動.可實現(xiàn)360°無死角的救援工作開展.由轉(zhuǎn)臺、腕部關(guān)節(jié)實現(xiàn)大致定位，調(diào)整臂部關(guān)節(jié)實現(xiàn)精確定位，機械手指實現(xiàn)抓取、救援工作.

救援機械手動作分析，轉(zhuǎn)臺與鏈接底板相連，通過電機可實現(xiàn)360°回轉(zhuǎn)，腕部關(guān)節(jié)一側(cè)轉(zhuǎn)臺鉸接另一側(cè)與臂部關(guān)節(jié)鉸接，電機傳遞動力可實現(xiàn)機械手臂大幅度的調(diào)整方位.臂部關(guān)節(jié)的另一側(cè)與機械手指實現(xiàn)固定連接.電機傳遞動力可實現(xiàn)機械手的微調(diào)實現(xiàn)較高精度的定位.救援機械手指通過扇形齒輪、連桿機構(gòu)實現(xiàn)張開和收攏.

2.4 驅(qū)動電機扭矩計算

災(zāi)后救援機械手各個關(guān)節(jié)均有電機控制其運動，為使救援機械手能有效抓取救援取物，故電機的驅(qū)動力需要進(jìn)行計算.其中救援機械手指和救援機械手腕部電機相對重要需根據(jù)計算選型，均可參照腕部電機的計算方法進(jìn)行選型即可[6].

(1)救援機械手指驅(qū)動電機計算

救援機械手夾緊力約束主要是消除物件在手指中的移動，從而判斷手指對物件的約束是否可靠時，一般要考慮手指與物件的接觸狀態(tài)夾緊力的大小、方向和作用點等[7].機械手指關(guān)節(jié)部分結(jié)構(gòu)(見圖4).

圖4 機械手指關(guān)節(jié)部分結(jié)構(gòu)示意圖

所設(shè)計的救援機械手兩手指內(nèi)側(cè)之間距離：L=30 mm；扇形齒輪半徑：R扇=20 mm；支點與手頂端距離為：b=40 mm.預(yù)所夾持最大重物：1 000 g，即G=20 N；

查手冊得金屬與木制物品之間靜摩擦系數(shù)：f=0.5；

救援機械手指所需的夾緊力：

(1)

根據(jù)公式：

F軸×R扇=F×b

(2)

F軸=40 N，設(shè)F′為齒輪圓周力

F×sinγ×cosγ=F軸

(3)

解得F′=250 N.

所設(shè)計的扇形齒輪半徑R扇=0.02 m

救援機械手指驅(qū)動力為：

M=F′×R扇=5 N·m

(4)

(2)救援機械手腕部電機驅(qū)動力計算

救援機械手手腕電機驅(qū)動力計算需考慮眾多因素，查機械設(shè)計手冊，機械手臂腕部驅(qū)動驅(qū)動力矩可按式(5)進(jìn)行計算：

M驅(qū)=M慣+M偏+M摩

(5)

其中：M驅(qū)—驅(qū)動手腕擺動的驅(qū)動力矩，N·cm；

M慣—慣性力矩，N·cm；

M摩—手腕處與前臂端部的摩擦阻力距，N·cm.

①手腕加速運動時產(chǎn)生的慣性力矩:

設(shè)手腕擺動是的角速度為ω，啟動所用時間為Δt，則：

M慣=(J+J1)ω/Δt

(6)

其中:J—參與手腕擺動部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量,N·cm；J1—工件對手腕擺動軸線的轉(zhuǎn)動慣量,N·cm.

②手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩：

M偏=G1e1+G2e2(N·cm)

(7)

其中：G3—手腕擺動件的重量，N;

e3—手腕擺動件的重心到擺動軸線的偏心距，N.

當(dāng)工件的重心與手腕的擺動軸線重合時，則：G1e1=0

③手腕擺動軸在軸頸處得摩擦阻力距M摩與選用的各裝置類型有關(guān).

綜合式(5)～式(7)的力矩計算，救援機械手手腕電機驅(qū)動力12 N·cm.

3 救援機器人運行與實驗

救援機器人進(jìn)行了樣機制作(見圖5)，并對其進(jìn)行了多次運行與調(diào)試，救援機器人可輕松實現(xiàn)行走裝置的伸縮功能，運行平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向靈活，適應(yīng)在坑洼路面、廢墟堆等復(fù)雜路面前行[8].動力源采用24 V直流電機，行走速度可達(dá)18 m/min，機械手可抓取不同規(guī)格的圓柱體、長方體等物.抓取最大重量可達(dá)1 kg，抓取圓柱體直徑范圍15～105 mm，抓取長方體規(guī)格15 mm×15 mm～95 mm×95 mm，伸縮行程最大可達(dá)85 mm，伸縮功能最長耗時1.5 s.救援機器人各種救援姿態(tài)(見圖6).

圖5 災(zāi)后救援機器人實物圖

4 結(jié) 語

本文對災(zāi)后救援機器人的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，并試制了樣機進(jìn)行了調(diào)試和實驗，實驗結(jié)果表明所設(shè)計的救援機器人道路適應(yīng)性強，運動靈活，機械手可抓取不同形狀、多種規(guī)格的物體.該救援機器人可進(jìn)入災(zāi)后道路復(fù)雜的地段，為災(zāi)后救援、搜尋被困人群等提供幫助，加裝攝像頭等功能可傳遞災(zāi)后現(xiàn)場照片，為進(jìn)一步救援方案的制定和實施提供數(shù)據(jù).對同類救援機器人的開發(fā)研制具有一定借鑒意義.

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭書華,吳明昊,黃葉浩，等.新型可變距式救援機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析[J].制造業(yè)自動化,2013,35(8)1-2,7.

[2] 楊俊駒，林 睿,王振華,等．輪式移動機器人運動控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016,39(2)：22-27.

[3] 趙化成，劉 武，潘聰華,等，重力勢能驅(qū)動的自行避障小車設(shè)計與制作[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報，2016，28(6)：73-76.

[4] 陶來華，盧孔寶.一種機械手的運動機構(gòu)[P].中國專利：201420370927X，2014-12-24.

[5] 李世光，申夢茜,王文文，等.一種Mecanum輪式移動平臺增量PID控制系統(tǒng)設(shè)計[J].山東科技大學(xué)學(xué)報,2016,35(1):86-96．

[6] 邱宣懷，郭可謙，吳宗澤，等.機械設(shè)計[M].4版.北京：高等教育出版社，1997.

[7] 吳麗華，陳豪鵬，祝銘力．基于Solidworks的爬樓送水小車設(shè)計與仿真[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報，2017，29(4)：79-83

[8] 李起偉,張立亞.礦山應(yīng)急救援機器人全局路線規(guī)劃的研究[J].煤炭技術(shù),2016,35(8):249-251.