新型可變距式救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

鄭書(shū)華，吳明昊，黃葉浩，尚偉燕，葉川崎

（ 1.寧波工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，寧波 315016；2.寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，寧波 315211）

0 引言

近年來(lái)全球氣候變化莫測(cè)，自然災(zāi)害頻頻發(fā)生，08年汶川地震、10年玉樹(shù)地震、11年日本地震引發(fā)海嘯等，這些自然災(zāi)難以及諸多人為災(zāi)難均造成人員的重大傷亡和財(cái)產(chǎn)的重大損失，因此，在災(zāi)害發(fā)生之后，如何迅速而有效地展開(kāi)救援工作就顯得尤為重要。執(zhí)行特殊任務(wù)的救援機(jī)器人是一種加裝各種救援設(shè)備、測(cè)量?jī)x器和探測(cè)系統(tǒng)的智能作業(yè)車(chē)輛[1,2]。它具有體積小、隱蔽性好、快速反應(yīng)、機(jī)動(dòng)性好、生存能力強(qiáng)和成本低等特點(diǎn)，并且可以通過(guò)遠(yuǎn)程遙控甚至自主完成部分原本由人完成的任務(wù)，能夠大大減少?gòu)?fù)雜工作環(huán)境下人員的損耗并提高救援效率[3,4]。因此，適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。根據(jù)救援區(qū)域復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和要求，本文將對(duì)可變距救援機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的方案擬定

面對(duì)復(fù)雜的救援場(chǎng)地，救援時(shí)機(jī)器人可能要穿過(guò)隧道和橋面等，最后才能進(jìn)行救援。因此，需要設(shè)計(jì)氣動(dòng)可變距行走機(jī)構(gòu)。為提高行駛效率，設(shè)計(jì)輪式救援機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，并且通過(guò)控制左右輪速度不同實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向，該方案具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和控制容易的特點(diǎn)[5,6]。

氣動(dòng)可變距裝置具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。氣缸固定于左側(cè)板上，氣桿固定于右側(cè)板上，左側(cè)板與車(chē)體底板固定聯(lián)接，右側(cè)板與車(chē)體底板之間可以存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。右側(cè)板與車(chē)體底板之間的相對(duì)位置是靠三根同步平行氣桿來(lái)保證的。該撐開(kāi)結(jié)構(gòu)可大大提高變距撐開(kāi)速度，節(jié)省救援時(shí)間，經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)，撐開(kāi)時(shí)間可控制在1s之內(nèi)。該撐開(kāi)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好。

圖1 變距撐開(kāi)裝置

行走輪選取橡膠輪，該橡膠輪外圓直徑較大，可以增加車(chē)子前進(jìn)速度；輪子與地面之間為彈性接觸，不僅增大了輪子與地面之間的附著系數(shù)，而且降低了車(chē)身振動(dòng)。四個(gè)輪子分別被電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)固定安裝于左右側(cè)板上，電機(jī)輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與橡膠輪相連接。該結(jié)構(gòu)形式的行走系統(tǒng)，通過(guò)控制左右輪速度不同實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。

2 救援目標(biāo)抓取裝置的設(shè)計(jì)

救援目標(biāo)抓取方式可以有多種分類(lèi)，包括單爪式抓取裝置、一臂多爪式抓取裝置、吸盤(pán)抓取方式、掃鏟式抓取方式等等。各種抓取方式均有一定優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

該結(jié)構(gòu)形式的抓取裝置包括機(jī)械臂和機(jī)械手兩部分。其中機(jī)械手屬末端執(zhí)行器裝置。目前，常見(jiàn)的末端執(zhí)行器有機(jī)械式夾持器、吸附式執(zhí)行器、仿生手等。其中仿生手式末端執(zhí)行器能模仿動(dòng)物手部完成一定動(dòng)作，動(dòng)作靈活，但是該結(jié)構(gòu)形式的末端執(zhí)行器由于結(jié)構(gòu)和控制都比較復(fù)雜，在該救援任務(wù)中不適宜采用。吸附式執(zhí)行器和機(jī)械式夾持器是本設(shè)計(jì)任務(wù)中考慮采用的兩種末端執(zhí)行器。但是吸附式執(zhí)行器在吸附表面不規(guī)則目標(biāo)時(shí)受到局限。因此，設(shè)計(jì)中考慮采用鏟掃式抓取裝置。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。伸縮臂采用氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，斜形擋板裝于左右氣缸上，前擋板固定于氣桿上。底部裝有網(wǎng)狀收集器，可將救援物資收集在車(chē)體內(nèi)，以節(jié)省救援時(shí)間。該收集裝置可順利實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下不規(guī)則形狀救援物資短時(shí)間順利收集。

車(chē)體底板上固定安裝支撐軸座1，支撐軸通過(guò)軸承支撐于支撐座1上，支撐軸上固定安裝大齒輪和支撐座2上固定有兩個(gè)尼龍?zhí)淄玻猃執(zhí)淄灿脕?lái)固定氣缸。直流電機(jī)固定于車(chē)體上，通過(guò)齒輪帶動(dòng)支撐座2及其上的裝置做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)氣缸可自由伸縮，從而完成救援目標(biāo)的抓取。其中斜形擋板底部經(jīng)過(guò)磨削厚度較小，并且經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終確定斜形擋板與地面之間適宜的夾角為38°。該傾斜角的斜形擋板可以減小阻力，確保救援目標(biāo)順利收集。

圖2 鏟掃式收集裝置

3 車(chē)體參數(shù)及氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要以節(jié)省時(shí)間為基本原則，變矩機(jī)構(gòu)的存在，使機(jī)器人對(duì)地面具有較大的環(huán)境適應(yīng)能力，并且機(jī)器人本身體積小、搬運(yùn)物資效率高，適合各種狹小空間、環(huán)境復(fù)雜的受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)救援。車(chē)體主要參數(shù)如下表1所示。

表1 救援機(jī)器人總體尺寸 單位（mm）

氣動(dòng)原理圖如圖3所示。

圖3 氣動(dòng)控制系統(tǒng)

左右氣缸控制收集裝置快速伸縮，換向閥1控制左右氣缸同時(shí)進(jìn)退，換向閥2控制機(jī)器人左右輪變距撐開(kāi)與回縮。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)可變距救援機(jī)器人各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。主要完成以下工作。

1）設(shè)計(jì)出變距結(jié)構(gòu)方案，該變距結(jié)構(gòu)能夠使左右輪同步等速撐開(kāi)，確保救援機(jī)器人順利越過(guò)河道支撐橋到達(dá)救援區(qū)域；設(shè)計(jì)出四輪式差速行走機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)輪選取橡膠輪，有利于提高機(jī)器人行駛穩(wěn)定性；

2）設(shè)計(jì)新型氣動(dòng)救援目標(biāo)抓取裝置，并通過(guò)試驗(yàn)確定收集裝置固定擋板與地面之間的傾斜角度，以實(shí)現(xiàn)救援目標(biāo)的順利抓取和搬運(yùn)；

3）進(jìn)行了總體運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)主要驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行選型、對(duì)主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)校核。

本救援機(jī)器人經(jīng)過(guò)進(jìn)一步細(xì)化后有望用于災(zāi)場(chǎng)救援，可較快實(shí)現(xiàn)救援物資的安全轉(zhuǎn)移。

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