一種新型船用運(yùn)輸機(jī)構(gòu)

房玉吉，李　瑋

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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一種新型船用運(yùn)輸機(jī)構(gòu)

房玉吉，李瑋

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

摘要：介紹國內(nèi)外幾款典型的應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動機(jī)構(gòu)，分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種面向“立板式”障礙的移動機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)對“立板式”障礙具有較好的適應(yīng)性，可順利跨越船舶通道中主橫艙壁上的門檻，用于船舶通道中的運(yùn)輸或巡檢等。

關(guān)鍵詞：移動機(jī)構(gòu)；“立板式”障礙；船舶通道

隨著遠(yuǎn)洋船舶不斷朝著大型化方向發(fā)展，艦船的噸位變得越來越大，船上人員變得也越來越多，這對艦船上的生活保障設(shè)施提出了更高的要求，出現(xiàn)了很多亟待解決的問題，其中有船上生活物品的轉(zhuǎn)運(yùn)問題，例如,食品，物品及垃圾的轉(zhuǎn)運(yùn)。由于艦船上出于對防水，防火的要求，設(shè)置了很多主橫隔壁，導(dǎo)致在主通道上，用于跨越主橫隔壁的門上也存在一定高度的門檻，這給物品轉(zhuǎn)運(yùn)帶來了較大的困難。

一般情況下艦上選擇人工搬運(yùn)或者使用木樁斜面的形式跨越門檻，由于艦員較多，每天要運(yùn)輸?shù)奈锲妨糠浅４螅斯ぐ徇\(yùn)的方式對人力資源消耗較大，使用木樁的形式在人員穿越主橫艙壁上門洞的時候容易撞頭受傷，且還牽扯到木樁的擺放和收集問題，兩種方式都不能很好地解決艦上物品轉(zhuǎn)運(yùn)問題。船上通道屬于非結(jié)構(gòu)環(huán)境，一般的運(yùn)輸機(jī)構(gòu)無法在該環(huán)境下正常使用。

1國外研究現(xiàn)狀

國外應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境的移動機(jī)構(gòu)最成功的案例當(dāng)數(shù)Sojourner探測車和火星車Mars Rover。Sojourner探測車外觀見圖1，由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制。該探測車采用6輪搖臂懸吊式結(jié)構(gòu)，對復(fù)雜地形具有優(yōu)良的適應(yīng)能力，該產(chǎn)品的4個角輪可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立驅(qū)動和控制，保證了良好的機(jī)動性[1]?；鹦擒嘙ars Rover外觀見圖2，已在火星成功著陸，該產(chǎn)品具有強(qiáng)大的越障能力、原地360°的轉(zhuǎn)彎能力及伸縮性，具備超強(qiáng)的機(jī)動性能。

圖1　Sojourner探測車外觀

圖2　火星車Mars Rover外觀

圖3　Go-for機(jī)器人外觀

Go-For機(jī)器人外觀見圖3，由美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制，此產(chǎn)品在翻倒時，通過旋轉(zhuǎn)改變前后腿的分布角度，從而改變自身的重量分布，實(shí)現(xiàn)自位過程，可以使自己重新站立起來[2]。德國人工智能研究中心研制出一款移動機(jī)器人，外觀見圖4。該產(chǎn)品屬于輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)的變結(jié)構(gòu)形式，由機(jī)體和4個輪子組成，每個輪子由5個桿件組成，對地形有較好的適應(yīng)性[3]，但該機(jī)器人顛簸震動較大，基本無法實(shí)現(xiàn)高速行駛。

圖4　輪腿混合式機(jī)器人ASGUARD外觀

最能代表當(dāng)今世界移動機(jī)構(gòu)發(fā)展水平和引領(lǐng)未來發(fā)展方向的兩款移動機(jī)構(gòu)應(yīng)數(shù)美國的“大狗”機(jī)器人和日本的“ASIMO”機(jī)器人。

美國的“大狗”機(jī)器人外觀見圖5，由波士頓動力學(xué)工程公司(Boston Dynamics)專門為美國軍隊(duì)研究設(shè)計(jì)，該產(chǎn)品能夠在戰(zhàn)場上為士兵運(yùn)送彈藥、食物和其他物品。當(dāng)受到“騷擾”時，優(yōu)異的主動平衡性可使其保持穩(wěn)定，最新款“大狗”可以攀越35°的斜坡，可以承載40多kg的裝備，即使行走在冰面上，也不會摔倒。

圖5　“大狗”機(jī)器人外觀

日本的“ASIMO”機(jī)器人外觀見圖6，該產(chǎn)品行走自如，可進(jìn)行“8”字形行走和上下臺階，此外，該產(chǎn)品還能夠以6 kg/h的速度奔跑，而且能在奔跑過程中自行改變方向?！癆SIMO”的全身各部位具有極高的平衡性和協(xié)調(diào)性，能夠隨著音樂翩翩起舞，推車前進(jìn)、搬運(yùn)托盤更是讓其他機(jī)器人望塵莫及。

圖6　“ASIMO”機(jī)器人外觀

2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下移動機(jī)構(gòu)的研究主要集中在高校。南京理工大學(xué)設(shè)計(jì)的一種改進(jìn)的搖臂-轉(zhuǎn)向架式6輪腿移動機(jī)構(gòu)見圖7，在O、A、O′和A′點(diǎn)處分別安裝了直流伺服電機(jī)和增量編碼器，負(fù)責(zé)移動機(jī)構(gòu)越障時的抬腿操作和在非平整地面環(huán)境下調(diào)整關(guān)節(jié)角度以保持車體的平穩(wěn)；行駛機(jī)構(gòu)兩側(cè)的搖臂通過差速裝置連接，主車體固定在差速箱體上，差速裝置箱體與前搖臂固定，而差速裝置的差速軸與后搖臂固定，以減緩主車體左右傾斜程度[4]。

圖7　改進(jìn)的搖臂-轉(zhuǎn)向架式六輪腿移動機(jī)構(gòu)

北京航空航天大學(xué)提出了一種變結(jié)構(gòu)輪/腿式探測機(jī)器人(見圖8)，機(jī)器人車身采用可變形的平行六邊形結(jié)構(gòu)，6根桿順序以鉸鏈連接，通過控制連接點(diǎn)處角度的變化就可以使探測車橫向?qū)挾劝l(fā)生變化，車身兩側(cè)分別對稱裝有2條相同且相互獨(dú)立的輪腿混合結(jié)構(gòu)，每條腿都有3個自由度，其機(jī)構(gòu)可以變化為輪式或腿式步行機(jī)構(gòu)[5]。

圖8　變結(jié)構(gòu)輪/腿式探測機(jī)器人組成示意

哈爾濱工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的一款移動機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)見圖9，外觀圖見圖10。該機(jī)器人為輪腿復(fù)合式機(jī)構(gòu)，主要由車身和6套輪腿系統(tǒng)組成。每個車輪都有單獨(dú)的驅(qū)動電機(jī)，每個輪腿系統(tǒng)與車身的連接處有一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，也有獨(dú)立的驅(qū)動電機(jī)，整個機(jī)器人有12個自由度。該機(jī)器人對垂直障礙、壕溝障礙、斜面等典型障礙有較好的通過能力，但對立板式障礙通過性較差。

圖9　輪腿復(fù)合式移動機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)示意

圖10　輪腿復(fù)合式移動機(jī)器人外觀

3一種新型越障移動機(jī)構(gòu)

3.1總體結(jié)構(gòu)介紹

提出一種新型越障移動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖11，為輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)，整個移動機(jī)構(gòu)由車體和6套輪腿結(jié)構(gòu)組成。每套輪腿結(jié)構(gòu)與車體的連接處(圖中A、B、C、D、E、F)都有一個轉(zhuǎn)動副。將6套輪腿結(jié)構(gòu)按車前后方向分為4排，每排的輪腿結(jié)構(gòu)都有一個驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動，使整個輪腿結(jié)構(gòu)可以繞其轉(zhuǎn)動副在空間內(nèi)沿任意方向做任意角度的旋轉(zhuǎn)。針對船舶上空間狹小的特點(diǎn)，移動機(jī)構(gòu)需要有足夠的靈活性，且考慮到控制的復(fù)雜性，移動機(jī)構(gòu)的6個車輪中，只有最前和最后的2個車輪安裝有驅(qū)動行走和驅(qū)動轉(zhuǎn)向的電機(jī)，中間的4個車輪為萬向輪，這樣整個移動機(jī)構(gòu)共有8臺驅(qū)動電機(jī)，使該機(jī)構(gòu)可以在平面內(nèi)按照任意半徑旋轉(zhuǎn)。

圖11　新型越障移動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

3.2越障動作規(guī)劃

下面根據(jù)圖12對越障移動機(jī)構(gòu)跨越“立板式”障礙的動作規(guī)劃進(jìn)行分析，為表達(dá)方便，移動機(jī)構(gòu)以其側(cè)視圖表示。

圖12　移動機(jī)構(gòu)動作規(guī)劃示意

1)初始狀態(tài)為“立板式”障礙在移動機(jī)構(gòu)的正前方，如圖12a)所示。此時機(jī)構(gòu)最前排輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)通過電機(jī)驅(qū)動向前抬起，使前輪高于障礙的高度，如圖12b)所示，通過最后排輪的驅(qū)動使整個機(jī)構(gòu)前進(jìn)，障礙在前排車輪的下方順利通過，進(jìn)入如圖12c)所示的狀態(tài)，前排輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)向后擺動，恢復(fù)到初始狀態(tài)。

2)第二排的2套輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)按順時針方向向后擺動，使其車輪高于障礙物的高度，如圖12d)所示。此時前、后車輪驅(qū)動整個機(jī)構(gòu)前進(jìn)，進(jìn)入圖12e)所示的狀態(tài)。第二排輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)繼續(xù)按順時針方向旋轉(zhuǎn)，直至回復(fù)到初始狀態(tài)，如圖12f)所示。

3)第三排輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)重復(fù)步驟2中第二排輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)的動作，經(jīng)過圖12g)所示狀態(tài)，進(jìn)入圖12h)所示狀態(tài)。

4)最后排輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)順時針旋轉(zhuǎn)抬起，如圖12i)所示，通過最前排車輪驅(qū)動前進(jìn)，最后排車輪跨越障礙后，反方向旋轉(zhuǎn)，回復(fù)到初始狀態(tài)，如圖12j)所示。

即使在有一定負(fù)載的情況下，該移動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可保證在越障的整個過程中，整體的重量重心都在輪腿復(fù)合式結(jié)構(gòu)的支撐范圍內(nèi)，機(jī)構(gòu)不會發(fā)生傾覆。

4結(jié)束語

目前國內(nèi)外的移動機(jī)構(gòu)均不能較好的應(yīng)對“立板式”障礙，所提出的越障移動機(jī)構(gòu)對“立板式”障礙的適應(yīng)性較強(qiáng)，可應(yīng)用于該類典型障礙環(huán)境中的運(yùn)輸、巡檢等，有一定的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

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[4] 方崗.六輪腿自主移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模糊控制技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2006.

[5] 田娜,丁希侖,戴建生,等.一種新型的變結(jié)構(gòu)輪/腿式探測車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2004(1):268-270.

特此更正。

A New Type of Obstacle-climbing Mobile Institution

FANG Yu-ji, LI Wei

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The typical mobile institutions for the environment of complex structure of terrain are introduced and their advantages and disadvantages are analyzed. A new mobile institution for the vertical-plated obstacle is put forward, which has high adaptability to the vertical-plated obstacle. It can well across the threshold in the ship channel, and can be used in transportation or inspection in the ship channel.

Key words:mobile institutions; vertical-plated obstacle; ship channel

中圖分類號：U664

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0119-04

第一作者簡介：房玉吉(1985-)，男，碩士，工程師E-mail:lfivlf@163.com

基金項(xiàng)目：國家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.031

更正聲明：本刊2015年第6期第144頁，由于排版人員疏漏，將標(biāo)題“1項(xiàng)目背景”漏掉，

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶輔助系統(tǒng)