仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)與仿真

宋宇嘉， 胡旭光， 惠 樊， 王 慶， 王妍瑋

(哈爾濱石油學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150028)

為了適應(yīng)時(shí)代的需求，在國家的鼓勵號召下，我國的機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展越來越壯大，而拆彈機(jī)器人作為一種可遠(yuǎn)程操控的機(jī)器人，大大提高了安全性。操作人員利用遙控拆除炸彈，能夠使人們遠(yuǎn)離具有危險(xiǎn)性的爆炸品，進(jìn)而避免因拆彈帶來的危險(xiǎn)甚至人員死亡。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，軍事行業(yè)壓力日益上升，傳統(tǒng)的軍事裝備已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代軍事化的要求，為了減輕人工壓力，研究了一種可以掃描并自主控制的拆彈機(jī)器人。只需遠(yuǎn)程操控，機(jī)器人即可完成自動掃描，并且準(zhǔn)確地完成操作任務(wù)，從而解放部分人力，提高作業(yè)效率。

設(shè)計(jì)一款具有排爆、拆除功能的機(jī)器人，該機(jī)器人在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上作了改進(jìn)，使之可以尋跡行駛到指定地點(diǎn)，找到任意放置的可疑鐵磁材料薄片，搜索到可疑鐵磁材料薄片后將其搬移到指定位置，具有非常廣泛的發(fā)展空間。

該機(jī)器人行走方式采用了履帶輪設(shè)計(jì)。主要改進(jìn)的是：拋棄了傳統(tǒng)機(jī)器人的驅(qū)動設(shè)計(jì)，與普通的機(jī)器人相比，它具有轉(zhuǎn)向靈活、動力系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢。由于道路路況復(fù)雜，尤其面對狹窄的道路時(shí)，普通機(jī)器人無法通過，而該拆彈機(jī)器人就可以解決這種問題，機(jī)器人可以在復(fù)雜的路段使用平移方法轉(zhuǎn)彎，從而大大減少了使用時(shí)間。由于常規(guī)機(jī)器人身在涉險(xiǎn)路段或急轉(zhuǎn)彎時(shí)不穩(wěn)定，履帶功能能夠克服急轉(zhuǎn)彎和障礙物，從而大大提高機(jī)器人的行駛穩(wěn)定性，大大改善機(jī)器人的運(yùn)動性能。所以它更適合應(yīng)用于軍事，并且很可能在以后應(yīng)用于災(zāi)難救援中。

表1 各軸的運(yùn)動及動力參數(shù)

1 拆彈機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 拆彈機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)

1.1.1 機(jī)械臂電機(jī)的選型計(jì)算

1.1.2 機(jī)械臂關(guān)節(jié)傳動方式的選擇

根據(jù)機(jī)器人的工作要求，機(jī)械臂關(guān)節(jié)需要能夠完成上下轉(zhuǎn)動，以此確定末端執(zhí)行器的位置及機(jī)械臂位姿，因此，選用齒輪傳動方式。

(1)選擇齒輪材料、熱處理、精度及齒數(shù)

根據(jù)機(jī)械臂的性能，選用6級精度(GB/T 10095-2000)。選擇小齒輪材料為45鋼，調(diào)質(zhì)，齒面硬度為230 HBS；大齒輪材料為45鋼，正火，齒面硬度為190 HBS。硬度相差40 HBS，合適。

選齒數(shù)比u=3.2，選小齒輪齒數(shù)z1=24。則大齒輪齒數(shù)z2=uz1=3.2×24=76.8，取77實(shí)際齒數(shù)比u′=3.208。

齒數(shù)比誤差為：

所得誤差0.25%<5%，即誤差范圍允許。

由于兩齒面均為齒面硬度≤350 HBS的軟齒面，故可按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。

(2)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)公式為：

由文獻(xiàn)[14]確定公式中各參數(shù)。

1)確定公式中各參數(shù)

試選載荷系數(shù)Kt=1.8(t表示試選)。

查得齒寬系數(shù)φd=1.0(軟齒面、非對稱布置)。

查齒面硬度得小齒輪、大齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim1=590 MPa，σHlim2=470 MPa。

計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：

取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN1=0.95，KHN2=0.85。

2)設(shè)計(jì)計(jì)算

由公式試算小齒輪分度圓直徑d1t(代入[σH]中較小的值)。

d1t=30.588 mm

計(jì)算圓周速度：

齒寬b=φd·d1t=1×30.58=30.58 mm。

齒高h(yuǎn)=2.25mt2.25×1.274=2.866 5。

載荷系數(shù)K：

K=KAKvKHαKHβ=1×1×1×1.417=1.417

式中：Kv為動載荷系數(shù)，查表取Kv=1；KHα為齒間載荷分配系數(shù)，KHα=KFα=1；KA為使用系數(shù)，查表取KA=1；KHβ為齒向載荷分布系數(shù)，查表用插值法，取KHβ=1.417；KFβ為取1.4。

按實(shí)際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑d1：

計(jì)算分度圓直徑d=mz：

d1=1×24=24 mm
d2=1×77=77 mm

齒寬b1=φdd1b1=1×24=24 mm，取b2=30 mm。

3)校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度

載荷系數(shù)K=1×1×1×1.417=1.417。

齒形系數(shù)YFa1=2.65，YFa2=2.22。

應(yīng)力校正系數(shù)YSa1=1.58，YSa2=1.77。

查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限σFlim1=215 MPa。

大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限σFlim2=190 MPa。

彎曲疲勞壽命系數(shù)FKN1=0.89，F(xiàn)KN2=0.92。

取彎曲疲勞安全系數(shù)SF=1.3，取應(yīng)力修正系數(shù)YST=2，則：

通過計(jì)算大小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度均足夠。

按照以上大臂齒輪傳動計(jì)算與校核的步驟，得到大臂與小臂間及小臂和末端執(zhí)行器間的傳動方式。均選用齒輪傳動，小齒輪齒數(shù)z1=16，大齒輪齒數(shù)z2=48，模數(shù)m=1，分度圓直徑d1=16 mm，d2=48 mm，校核后彎曲疲勞強(qiáng)度均足夠。

1.2 拆彈機(jī)器人末端執(zhí)行器

要對炸彈等危險(xiǎn)品進(jìn)行拆除，末端執(zhí)行器要求有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力，手指一定需要具有足夠的角度來進(jìn)行張合，要保證夾持的范圍，還要保證末端執(zhí)行器位于合適的位置，精度準(zhǔn)確，而且，末端執(zhí)行器必須使用輕質(zhì)的材料，并且材料本身確保剛度和韌性。為了防止拆除過程中危險(xiǎn)品滑落，手爪處安裝橡膠墊片。

機(jī)械手爪兩指依靠兩個(gè)相同大小的齒輪的嚙合進(jìn)行張合。設(shè)計(jì)的兩齒輪均為齒面硬度≤350 HBS的軟齒面，故按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，然后按照齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核，兩齒輪齒數(shù)均為z=16，模數(shù)m=2，分度圓直徑d=30 mm，校核后彎曲疲勞強(qiáng)度均足夠。

1.3 拆彈機(jī)器人VR設(shè)計(jì)

機(jī)器人作為自動執(zhí)行任務(wù)的人造機(jī)器裝置，被廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域，技術(shù)發(fā)展趨勢迅猛，機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的研究正是其中不可或缺的一部分。機(jī)器人運(yùn)動需要通過坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行大量的復(fù)雜運(yùn)算，來確定其行動路徑。本文旨研究在如何利用VR技術(shù)，將機(jī)器人運(yùn)動直觀化，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在虛擬空間中的交互式仿真運(yùn)動。

采用了三方平臺共同協(xié)作完成機(jī)器人仿真運(yùn)動的功能。我們使用V-rep進(jìn)行機(jī)器人的建模與運(yùn)動計(jì)算，使用Unity搭建此次交互式仿真運(yùn)動的平臺，利用HTCVive的VR技術(shù)完成了本系統(tǒng)的交互功能和仿真運(yùn)動直觀化。

2 拆彈機(jī)器人的仿真

對該拆彈機(jī)器人的soilword仿真三維模型圖(圖1)、機(jī)械臂(圖2)、爪子(圖3)、履帶(圖4)如圖所示，具體操作為：

第一步，選擇作圖基準(zhǔn)面。選擇起始的基準(zhǔn)面一定要考慮周全，因?yàn)檫@涉及到零件的裝配、加工工藝、工程圖出圖以及3D建模效率等。

第二步，建草圖，有直線、圓/圓弧、曲線、多邊形等基本繪圖命令，輔助命令有倒角/圓角(Chamfer/Fillet)、陣列/鏡面(Pattern/Mirror)、字符(Text)等命令。

第三步，利用造型特征功能如拉伸(Extruded)、掃描(Swept)、放樣(Lofted)、旋轉(zhuǎn)(Revolved)，即可建立初步的實(shí)體輪廓，其間可能還會用到一些必要的輔助功能如倒角/圓角(Chamfer/Fillet)、陣列/鏡面(Pattern/Mirror)、抽殼/拔模角(Shell/Draft)等命令。

圖1 拆彈機(jī)器人三維模型圖

圖2 拆彈機(jī)器人機(jī)械臂

圖3 拆彈機(jī)器人爪子

圖4 拆彈機(jī)器人履帶

3 拆彈機(jī)器人模型的制作

(1)拆彈機(jī)器人的制作：拆彈機(jī)器人的運(yùn)動主要通過驅(qū)動電機(jī)控制，驅(qū)動齒輪和從動輪圍通過履帶包覆傳動連接。

(2)機(jī)械手的制作：機(jī)械手的運(yùn)動主要通過四個(gè)舵機(jī)控制，舵機(jī)連接夾具，從而實(shí)現(xiàn)拆彈的運(yùn)動。

圖5 拆彈機(jī)器人右視圖

圖6 拆彈機(jī)器人正視圖

(3)云臺：控制終端可以進(jìn)行視頻、音頻的無線傳輸，同時(shí)控制機(jī)器人的行走方向、擺臂的擺動、爪子的抓合、攝像頭的拍攝角度等。

(4)機(jī)械手爪子：由渦輪蝸桿帶動，通過爪子的鉸鏈連接機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)爪子上下兩片的平行開合。

(5)機(jī)械臂：可以360°自由旋轉(zhuǎn)，有四臺專用的伺服電機(jī)與其相連，拆彈機(jī)器人性能大大提升。

(6)履帶：地面支撐面積大，通過性能比較好，能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境；越野機(jī)動性好，具有很強(qiáng)的自復(fù)位能力，可以從任何顛覆狀態(tài)恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)；履帶支撐面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好。

4 結(jié)論

這款VR仿生拆彈機(jī)器人，由末端裝置、機(jī)器臂、驅(qū)動裝置、傳動軸、VR五部分組成。其末端執(zhí)行器通過兩齒輪嚙合控制手爪的張合；機(jī)械臂分大臂和小臂，采用齒輪傳動，選用了相同的電機(jī)驅(qū)動，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的俯仰動作，從而定位末端執(zhí)行器的位置；腰部通過錐齒輪的傳動，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，選用直流伺服電機(jī)驅(qū)動；驅(qū)動裝置采用履帶輪設(shè)計(jì)，其實(shí)物真正做到了行駛靈活。傳動軸帶動機(jī)器人的車輪，從而控制機(jī)器人的前進(jìn)；VR技術(shù)可讓操作人員在不排爆的情況下進(jìn)行模擬演練。另外對選用的元件進(jìn)行了計(jì)算和校核，并據(jù)此繪制了機(jī)械二維圖。

綜上，本設(shè)計(jì)是基于理想狀態(tài)下對危險(xiǎn)品進(jìn)行拆除，但在實(shí)際工作環(huán)境中，可能出現(xiàn)不可預(yù)知情況，因此，設(shè)計(jì)的此拆彈機(jī)器人為試驗(yàn)機(jī)，在今后的設(shè)計(jì)中，要加以完善。