淺述小型鉸接式履帶機器人的設(shè)計

摘要：履帶式機器人由于其緊湊的結(jié)構(gòu)和強大的通過性被工業(yè)農(nóng)業(yè)及消防搜救領(lǐng)域大規(guī)模運用。常見的履帶式機器人轉(zhuǎn)向方式多采用差速轉(zhuǎn)向，這就對其機身的長寬比的設(shè)計有較大要求，但是實際使用中這樣的設(shè)計有較大的局限性，即傳統(tǒng)履帶機器人由于差速轉(zhuǎn)向的使用方式使其車身無法設(shè)計的很長，否則會有很強的橫向摩擦力。但是長的車身又有助于提高其越障能力，為解決這一矛盾設(shè)計了一款小型鉸接式履帶機器人，并給出詳細的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動力系統(tǒng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：鉸接;履帶機器人

項目來源：太原工業(yè)學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目（省級）

項目編號：20181410124

1.研究背景

履帶式搜救勘察機器人是一種以履帶為行走機構(gòu)，受人遠距離控制的無線遙控勘察機器人，可代替人工進入廢墟、危房、有害氣體泄露等危險場所進行勘察搜救等工作，并可攜帶一定的急救物品。整機分為兩部分，用作行走功能的履帶及排障用的副履帶，和圖像傳輸設(shè)備組成。

2.現(xiàn)有產(chǎn)品研究

目前市面上常見的履帶機器人多為傳統(tǒng)形式，即使用雙履帶（有或無輔助越障機構(gòu)）的行走機構(gòu)。使用差速轉(zhuǎn)向的轉(zhuǎn)向方式，車身短小長寬比例較小，接近正方形。由于考慮跨越障礙的能力，底盤大多設(shè)計的較高（非全部），因此導(dǎo)致重心較高，這在實際使用的過程中特別是針對相對較高的障礙物會出現(xiàn)翻車的情況。

3.研究的意義及目的

為解決傳統(tǒng)履帶車由于差速轉(zhuǎn)向方式使得車身不能設(shè)計的很長的問題（長的車身在差速轉(zhuǎn)向時有很強的橫向摩擦力，但長尺寸的車身有有助于提高越障能力，可有效防止出現(xiàn)因車身過短而翻車的情況），將大型工程機械中常用的鉸接式轉(zhuǎn)向機構(gòu)代入小型履帶式機器人的設(shè)計中。且將優(yōu)化內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)與動力系統(tǒng)，做到動力強、成本低、易維護、適合大規(guī)模使用的履帶機器人。

4.履帶式機器人設(shè)計實踐

4.1車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在鉸接式履帶機器人的設(shè)計中，將傳統(tǒng)履帶車的車身拉長，并從中部截斷使之形成前車與后車，中間通過銷軸鉸接這便是鉸接式履帶車的雛形。前車與后車各有兩條履帶，總共四條。

車體結(jié)構(gòu)近似等腰梯形，前車與后車結(jié)構(gòu)大致相同且呈對稱狀態(tài)，各由四片板狀部件構(gòu)成（分別是頂板、底盤、2個側(cè)板）板狀部件上有榫卯限位孔，由四根50MM螺柱上下方向連接。前后主動輪軸距為222mm。并留有用于安裝其他作業(yè)設(shè)備的安裝位置。

4.2鉸接結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計

由于履帶式機器人整體尺寸較小又要保持良好的車身剛性，所以只保留了左右運動用來完成轉(zhuǎn)向動作。

前后車鉸接連接點由6片三角形合頁構(gòu)成，每3片為一組分別位于車架最上方與最下方。前車2片后車4片相互咬合，中間由銷軸貫穿，可以左右方向運動完成轉(zhuǎn)向動作。

轉(zhuǎn)向動力來源于一臺20kg扭力的金屬舵機，轉(zhuǎn)向舵機安裝于后車前端，轉(zhuǎn)向搖臂安裝于前車后端。轉(zhuǎn)向舵機通過“一”字型搖臂和球頭拉桿將舵機的扭力傳遞給轉(zhuǎn)向搖臂。最小轉(zhuǎn)彎半徑為406mm。

4.3履帶的形狀與布局設(shè)計

履帶形狀設(shè)計為三角形，有4對承重輪與1個主動輪構(gòu)成，由一個“人”字形大架連接。主動輪設(shè)計在4對承重輪的上方與承重輪呈現(xiàn)三角形形狀。這樣的設(shè)計有助于將動力系統(tǒng)的整體位置抬高，從而使底盤的位置也變高，有助于提升跨越障礙的性能。

4.4減震機構(gòu)的設(shè)計

履帶減震機構(gòu)由球頭連桿、三角搖臂、液壓減震器構(gòu)成，履帶在俯仰運動時，其力通過球頭連桿傳遞給三角搖臂，三角搖臂可以改變力的方向，最后傳遞給機身上方的液壓減震器。

4.5動力系統(tǒng)設(shè)計

中央動力使用的是3660無刷電機，使用三級減速的行星齒輪減速器，電源為3S鋰電池可供機器人連續(xù)工做30分鐘，可根據(jù)不同情況搭載不同容量的電池。

4.6傳動系統(tǒng)的設(shè)計

傳動系統(tǒng)的設(shè)計采用“土”字形布局，即電機通過行星齒輪減速器輸出動力后經(jīng)過前車波箱將動力傳遞給前車的主動輪，然后在通過萬向節(jié)和傳動軸將動力傳遞到后車波箱來帶動后車的主動輪。

4.7越障輔助機構(gòu)的設(shè)計

越障輔助機構(gòu)由兩條可以活動的副履帶構(gòu)成，其安裝在前車履帶的第一對承重輪外側(cè)，設(shè)計副履帶的意義在于，當(dāng)履帶車遇到高大障礙物時副履帶可以起到導(dǎo)引的作用。

4.8關(guān)于圖像傳輸設(shè)備

攝像頭安裝在機器人的前端，操作者可利用圖像傳輸終端的屏幕進行第一人稱和超視距范圍的操作。

使用5.8G 32頻點 TS5823 600mw圖像傳輸發(fā)射機和90度廣角攝像頭，理論有效圖像傳輸距離為800～1200m左右。

4.9關(guān)于操作

使用無線遙控操作?？蓾M足機器人的前進、后退、左轉(zhuǎn)向、右轉(zhuǎn)向、副履帶的抬升與下降、開關(guān)圖像傳輸設(shè)備。

多余的通道可搭載其他工作設(shè)備，例如操控機械手、操控滅火器等。

5.功能簡述

5.1新式履帶機器人能完成前進后退及轉(zhuǎn)向操作，最小轉(zhuǎn)彎半徑為406mm。

5.2能跨越更高或跨距更長的障礙物，能有效的防止翻車情況的出現(xiàn)。

5.3搭載圖像傳輸設(shè)備，可實現(xiàn)第一人稱視角操控或超視距操控。

5.4使用無線電遙控的操控方式，可由一人或雙人駕駛。主駕駛負責(zé)機器人行進操作，副駕駛負責(zé)操作作業(yè)設(shè)備。

6.實物樣機的制作

采用3mm碳纖維板材作為車架的主要材料。連接方式主要使用螺栓螺母連接，從而達到加工和組裝簡易，維護和保養(yǎng)方便。

電子設(shè)備的選配使用市面上的現(xiàn)有產(chǎn)品，包括無刷電機、無刷電子調(diào)速器、鋰電池、舵機、圖像傳輸設(shè)備等都可以輕松找到，成本低廉匹配度較高。

7.外觀設(shè)想

外觀采用“仿生”設(shè)計，以響尾蛇頭部的側(cè)形并結(jié)合已經(jīng)設(shè)計好的內(nèi)部結(jié)構(gòu)推導(dǎo)鉸接式履帶機器人的外觀。

8.結(jié)束語

履帶式搜救機器人能代替人類進入危險地帶，可為避免事故對搜救人員造成不必要的傷害，本設(shè)計旨在提供一種履帶式機器人的解決方案，僅供參考。

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（作者：太原工業(yè)學(xué)院設(shè)計藝術(shù)系）