一種基于探索者增加輪式救援機器人支架穩(wěn)定性的設(shè)計

劉瀚仁 張龍剛 馬蘭蘭 李聰

摘?要：懸掛系統(tǒng)是目前車輛必不可少的裝置之一，它是車架和車輪之間的一些傳力連接裝置的總稱，它可以傳遞作用在車輪和車架之間的力和力矩，緩沖車輛在通過崎嶇不平的路面的時候的抖動，衰減由此引起的震動，增加車輛通過的平穩(wěn)性。

關(guān)鍵詞：懸掛系統(tǒng);平穩(wěn)性

現(xiàn)今全球重大自然災(zāi)害頻頻發(fā)生，給人類的生命財產(chǎn)安全帶來了嚴重的威脅。災(zāi)難發(fā)生后，一般會造成建筑物坍塌、道路損壞等，若災(zāi)難發(fā)生在偏遠村莊，甚至?xí)斐纱蠓秶藛T受困受傷的情況。而機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置，可應(yīng)用在這些復(fù)雜危險、惡劣、任務(wù)繁重的環(huán)境中，擔負起抗災(zāi)救援的任務(wù)，為救援人員提供幫助，緩解人力勞動，提高救援效率。災(zāi)難過后的救援行動經(jīng)大量實驗和實踐證明，如果我們采用移動機器人進行救援，那么就可以有效地提高救援+效率縮短救援時間，盡快進入災(zāi)區(qū)內(nèi)部搜救這些幸存者并及時補給物資，大大縮減幸存人員被困時間。然而，復(fù)雜危險的災(zāi)后環(huán)境存在著極大的安全隱患，有些危險區(qū)域救援機器人無法攜帶物資進入或者搜救傷員，單靠現(xiàn)有的救援機器人的通過性雖然可以達到要求，但是他們的懸掛系統(tǒng)往往做的十分復(fù)雜，對于地形的要求局限性較大。

國內(nèi)外現(xiàn)階段有很多關(guān)于對移動機器人的設(shè)計和研究。其研究大致可以歸納為四種類型，分別為輪式機器人，履帶式機器人，腿式機器人，復(fù)合式機器人。其裝置一般由動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、底盤和救援執(zhí)行機構(gòu)組成。

現(xiàn)有的輪式機器人機動性能好、結(jié)構(gòu)簡單等，但是越障性能和穩(wěn)定性比較差，我們根據(jù)輪式機器人的這一缺點對輪式機器人的改進設(shè)計，設(shè)計制作新式的輪式救援機器人支架，主要是增加六輪車的地形適應(yīng)力，使其可以在復(fù)雜地段平穩(wěn)通過，這種結(jié)構(gòu)可以在一定程度上減輕災(zāi)后救援工作中勞動強度大、效率低下的問題。

1 研究內(nèi)容

在我國災(zāi)后重建工作中，隨著我國科技技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)有的人工救援與工作環(huán)境惡劣形成鮮明矛盾。在傳統(tǒng)的救援模式工作下，在災(zāi)后環(huán)境復(fù)雜惡劣，救援行動實施起來困難重重。目前已經(jīng)設(shè)計研究了一款新式的輪式救援六輪車支架，可以在復(fù)雜的地形上面移動救援物資或者是轉(zhuǎn)移傷員，做到輔助救援人員目的，甚至可以實施自主救援行為。

我們采用機器時代公司推出的“探索者”機械電子創(chuàng)新平臺進行機器人的輪式救援機器人設(shè)計制作制作，該平臺引用的的元素化設(shè)計和模塊化設(shè)計，可以給學(xué)生以想象的空間，利用所學(xué)的機械專業(yè)相關(guān)知識，設(shè)計構(gòu)思巧妙的機械裝置，組成可以投入實際使用的輪式救援機器人。

在此基礎(chǔ)上，我們改進了傳統(tǒng)探索者六輪車的傳動系統(tǒng)，將之前的直接連接傳動換成了現(xiàn)在的懸掛連接傳動，并且改進了車輪與車架之間的連接方式，令救援車能夠獲得更大的著地幾率，增加車身的穩(wěn)定性。

2 新“探索者”救援車傳動機構(gòu)模型說明

傳動機構(gòu)三維圖如右圖，所示，我們利用CATIA軟件繪制該裝置的三維圖，各個零件之間的配合與作用均在右圖下方表示。

（1）可轉(zhuǎn)動鉸鏈：車輪產(chǎn)生震動時，通過本裝置與彈簧減震配合，吸收震動效果。（2）傳動機構(gòu)固定件：通過該裝置達到固定傳動零件的目的，使各個零件連接到一起。（3）避震彈簧：本裝置種的主要零件，吸收震動，使車身更加平穩(wěn)。（4）車輪固定件：與車身連接件固定車輪，令車輪不發(fā)生晃動。（5）車輪：特制車輪增加了車輪的耐磨性和摩擦力，使用壽命更長，韌性更高。

3 新“探索者”救援車傳動裝置設(shè)計

傳統(tǒng)探索者機器人的橡膠輪胎支架雖然在平面上的穩(wěn)定性十分好，但是對于災(zāi)后救援機器人來說，在復(fù)雜地面上的穩(wěn)定性才是我們需要更加注重過的。我們通過現(xiàn)有“探索者”鈑金零件進行安裝設(shè)計，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進行改裝優(yōu)化。

由于之前的傳統(tǒng)連接方式在通過崎嶇不平的路面時會造成車身的劇烈顛簸，對救援車的零件有很大的損傷，車身也很不平穩(wěn)，甚至?xí)a(chǎn)生翻車的現(xiàn)象，對救援過程造成了很不利的影響。我們改進之后的救援車的懸掛裝置如圖1所示。增加了懸掛系統(tǒng)之后，在車子通過不平穩(wěn)路面時，莊之內(nèi)的彈簧會吸收輪子產(chǎn)生的震動，進而衰弱路面帶來的顛簸，使車身在通過時獲得更大的平穩(wěn)性。

當救援車進入崎嶇不平的路面時，車輪首先發(fā)生上下的抖動，帶動（4）裝置發(fā)生震動，由于在零件（4）上面首先連接了一個彈簧，這時彈簧會吸收掉大部分的震動，并且由于（1）處為可轉(zhuǎn)動鉸鏈連接，零件之間可以相互轉(zhuǎn)動，配合彈簧也可以抵擋一部分震動，這樣就會將車輪的絕大部分震動逐漸的衰減為一個對救援車影響很小的范圍。

4 新“探索者”救援車工作環(huán)境分析

在災(zāi)后，常見的地形存在著障礙、溝渠、階梯障礙等，構(gòu)建了一個災(zāi)后救援的路況，把傳統(tǒng)的輪結(jié)構(gòu)改為四輪獨立懸掛設(shè)計，將支架其中一條臂更改成擁有較大強度的彈簧裝置，這樣在通過復(fù)雜的地形的時候可以增加輪與地面的接觸的幾率。增加在通過復(fù)雜地形的新式橡膠輪子摩擦力，使它們在任何時候都有足夠的與地面接觸的面積。現(xiàn)在我們通過整體簡化，將模型放到Ansys軟件中進行動力學(xué)仿真。發(fā)現(xiàn)我們的裝置能夠適應(yīng)絕大多數(shù)的地形障礙，車身所發(fā)生的顛簸在設(shè)計允許的范圍內(nèi)，對于絕大多數(shù)的不規(guī)則路面都能以一個相對平穩(wěn)的姿態(tài)順利通過，滿足我們的設(shè)計要求。

作者簡介：劉瀚仁（1999-），男，漢族，吉林四平人，本科，研究方向：機械。