震后救援機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉建君，尚偉燕，葉川崎，黃權(quán)榮，魏建偉

（寧波工程學(xué)院 機械學(xué)院，寧波 315016）

0 引言

全世界每年都遭受著大量自然災(zāi)害和人為災(zāi)害的破壞。巨大的災(zāi)害會造成大面積的建筑物坍塌和人員傷亡，災(zāi)害發(fā)生之后最緊急的事情就是搜救那些被困在廢墟中的幸存者。然而，復(fù)雜危險的災(zāi)害現(xiàn)場給救援人員及幸存者帶來了巨大的安全威脅，也會阻礙救援工作快速有效地進行。使用救援機器人進行輔助搜救是解決這一難題的有效手段[1～3]。為提高救援效率，一方面要求救援機器人有能力穿越震后廢墟的復(fù)雜環(huán)境搜尋幸存者，并獲取幸存者所處環(huán)境相關(guān)信息，因而其行走機構(gòu)需具備可靠的越障能力和狹窄空間通過能力；另一方面要求救援機器人可以攜帶少量救援物資送達幸存者身邊，從而贏得寶貴救援時間。因此，研究震后救援機器人行走機構(gòu)及物資供給機構(gòu)，可以提高救援的效率和可靠性，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 機器人車體部分的設(shè)計

機器人在不平地面狀況下行走時，為確保車身不發(fā)生側(cè)翻，左右輪距需要保持足夠間距。但救援機器人在行進過程中通常會遇到狹窄地形，車身寬度往往會限制機器人正常通過。因此，如果在機器人上安裝一個變距裝置，其左右輪間距可根據(jù)需要隨時調(diào)整，可以提高機器人的復(fù)雜地面通過能力。

1.1 變距結(jié)構(gòu)的設(shè)計

變距裝置的主要結(jié)構(gòu)是螺套螺桿副，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

圖1 螺紋螺桿變距結(jié)構(gòu)簡圖

從圖1中可以看出，該變距結(jié)構(gòu)包括左右兩個對稱安裝的螺套結(jié)構(gòu)，左右兩個螺套中螺紋旋向相反，中間的螺桿可在電機驅(qū)動下轉(zhuǎn)動。軸上安裝感應(yīng)裝置，以確保變距的精確性。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

變距時，左右輪同步等速撐開，使得左右輪關(guān)于車體縱向中心線時刻保持對稱，可以確保左右輪撐開時機器人重心不會發(fā)生偏移，從而實現(xiàn)機器人復(fù)雜環(huán)境的穩(wěn)定行進。變距結(jié)構(gòu)中驅(qū)動電機安裝于車體上，左右螺套分別固定安裝于左右輪支承架上。

1.2 移動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前，機器人的移動系統(tǒng)主要有：輪式、腿式、履帶式[4]。輪式的移動系統(tǒng)具有機械結(jié)構(gòu)簡單、移動速度快和易控制的特點，但是對于復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力差；腿式移動系統(tǒng)雖具有很強的地面適應(yīng)性和較好的機動性，但是該形式移動系統(tǒng)運動速度慢，控制復(fù)雜[5,6]；履帶式移動系統(tǒng)具有良好的越障性能及較強的適應(yīng)性。因此，設(shè)計中考慮采用履帶式移動系統(tǒng)，符合救援機器人在行駛穩(wěn)定性和復(fù)雜地面適應(yīng)性上的要求。考慮到復(fù)雜行駛環(huán)境和安裝空間限制，行走系統(tǒng)設(shè)計方案最終確定的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

由圖3可以看出，主動輪支承于前后輪之間的支承架上，驅(qū)動電機支架也固聯(lián)于支承架上，前后輪分別與前后輪支承軸通過鍵聯(lián)接。驅(qū)動輪置于行走系統(tǒng)上方降低了地面沖擊對驅(qū)動電機及減速齒輪的影響，有利于提高機器人行駛穩(wěn)定性，同時可以提高移動系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下工作的安全性和穩(wěn)定性。驅(qū)動輪、誘導(dǎo)輪和支承輪上加工有輪齒，可以防止打滑，提高電動機扭矩的傳遞效率。前后輪支承軸通過軸承支承于車身上，其中支承軸與軸承內(nèi)圈形成間隙配合，中間加涂潤滑油減少摩擦，便于變距過程中前后輪支承軸相對車身左右滑動；前后輪支承軸上裝有支承軸擋圈，左右輪距最小時，靠兩側(cè)外支承軸擋圈限制車身的橫向串動，左右輪距最大時，靠兩側(cè)內(nèi)支承軸擋圈限制車身的橫向串動。

2 救援物質(zhì)運輸裝置的設(shè)計

震后救援機器人在不同情況下，需要的救援物資各不相同。因此救援機器人的物資輸送系統(tǒng)需要有較高的環(huán)境適應(yīng)能力，從而完成不同的作業(yè)要求。本設(shè)計中救援機器人采用的是混合式物質(zhì)輸送裝置。該裝置包括救援物資儲運裝置和機械手兩部分結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)布置如圖4所示。

圖4 混合式救援物資輸送裝置結(jié)構(gòu)布置

其中，救援物資儲運裝置主要起到貯存不同種類救援物資的作用，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 救援物資儲運裝置

該救援裝置伸縮臂部分由兩個直流電機同步驅(qū)動。伸縮臂由兩節(jié)滑道組成。下滑道上安裝直流驅(qū)動電機及齒輪，上滑道安裝齒條，在電機驅(qū)動下齒條可以實現(xiàn)前后滑移，可將救援物資直接運輸?shù)奖痪仍畬ο竺媲?，或者在機械手的協(xié)助下抓取物資送達被救援對象。機械臂結(jié)構(gòu)是抓取裝置設(shè)計中另外一個重要環(huán)節(jié)。機械臂結(jié)構(gòu)中包括五個自由度，結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。

圖6 五自由度機械臂結(jié)構(gòu)示意圖

舵機與小車車身固定聯(lián)接，在舵機的驅(qū)動下短臂可以帶動機械臂完成360的旋轉(zhuǎn)運動。在鉸接點a、b、c、d處分別安裝四個舵機，實現(xiàn)相鄰兩機械臂之間的相對轉(zhuǎn)動。通過控制該結(jié)構(gòu)形式的機械臂可以使機械手較為準確地救援，以完成救援任務(wù)，救援機械手結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 機械手結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

本文對震后救援機器人結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，總結(jié)如下：

1）履帶輪結(jié)構(gòu)的獨特設(shè)計可以降低復(fù)雜環(huán)境對驅(qū)動電機的影響，其移動系統(tǒng)具有良好的越障性能，可以確保救援任務(wù)的順利完成。

2）螺套螺桿變距結(jié)構(gòu)設(shè)計使車體可以通過狹窄地形，增強了救援機器人地面通過性能。

3）救援物資儲運裝置設(shè)計成儲存和抓取兩部分，一次可以運輸足夠多的物資并在機械手的準確動作下確保救援物資順利到達被救援對象。

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