拆彈機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)＊

周思全，占向輝

（吉林大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海519041）

目前中國的機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展，相對應(yīng)也擴(kuò)大了全球機(jī)器人的市場規(guī)模，特種、服務(wù)機(jī)器人增速較穩(wěn)定。而本文講述的拆彈機(jī)器人因能在許多環(huán)境下，通過防爆專家或者專業(yè)人士的操控和指揮排除危險(xiǎn)或拆除炸彈，極大地保護(hù)了人身安全和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。但是，對于普通的拆彈機(jī)器人來說，一般的移動(dòng)輪機(jī)構(gòu)在轉(zhuǎn)彎時(shí)都需要一定旋轉(zhuǎn)半徑，在窄小的空間里一般不能水平橫向移動(dòng)，這在一定程度上限制了輪式機(jī)器人的使用。但是麥克納姆輪拆彈機(jī)器人可在原地移動(dòng)任何角度，身體轉(zhuǎn)動(dòng)非常順暢，可沿著水平方向所有的連續(xù)路線移動(dòng)，成為移動(dòng)機(jī)構(gòu)中的發(fā)展趨勢。由于拆彈機(jī)器人需要精準(zhǔn)多方位的移動(dòng)，因此麥克納姆輪全方位輪式移動(dòng)能夠較好解決這一問題。

本文描述的麥克納姆輪小車主要改進(jìn)是完全拋棄了傳統(tǒng)小車的驅(qū)動(dòng)輪，并使用了四輪驅(qū)動(dòng)的麥克納姆輪。與普通的小車相比，它具有靈活的轉(zhuǎn)向、動(dòng)力、穩(wěn)定性等優(yōu)勢。由于道路路段復(fù)雜，尤其面對狹窄的道路時(shí)，普通小車無法通過，而本文講述的拆彈機(jī)器車就可以解決這種問題，小車可以在復(fù)雜的路段使用平移方法轉(zhuǎn)彎，從而大大減少了使用時(shí)間。由于常規(guī)車身在涉險(xiǎn)路段或急轉(zhuǎn)彎時(shí)不穩(wěn)定，四輪驅(qū)動(dòng)功能能夠克服急轉(zhuǎn)彎和障礙物，從而大大提高小車的行駛穩(wěn)定性，大大改善小車的運(yùn)動(dòng)。它更適合應(yīng)用于軍事，并且很可能在以后應(yīng)用于災(zāi)難救援中。

1 麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)仿真建立

1.1 麥克納姆輪參數(shù)化模型

麥克納姆輪的車輪是可以全方位移動(dòng)的，它的組成部分主要是輪轂和輥?zhàn)?。首先對小麥輪的安裝尺寸和輪轂作用進(jìn)行了整體設(shè)置，確定了成型小麥輪所需的參數(shù)。麥輪寬是影響麥輪質(zhì)量的最重要參數(shù)之一，同時(shí)要設(shè)置軸與輪轂之間的固定角度為45°。通過設(shè)置麥輪的參數(shù)：車輪尺寸、輪寬、輪轂厚度、輥?zhàn)虞S個(gè)數(shù)、輥?zhàn)虞S直徑以及長度，采用UGNX10.0 軟件三維建模并裝配組裝成麥輪的參數(shù)化模型，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 麥克納姆輪UG 三維建模

1.2 機(jī)器人虛擬樣機(jī)建模

除了設(shè)計(jì)麥克納姆輪的結(jié)構(gòu)，在原有的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)建模并且裝配了機(jī)械手，打造拆彈機(jī)器人更加真實(shí)的模樣，最終建模結(jié)果如圖2 所示。

圖2 虛擬樣機(jī)的建模

整個(gè)拆彈機(jī)器人虛擬樣機(jī)的結(jié)構(gòu)包括4 個(gè)麥克納姆輪、4 個(gè)獨(dú)立懸掛系統(tǒng)、1 個(gè)機(jī)械手。麥克納姆輪可以非常靈活地運(yùn)動(dòng)，可沿平面上任意連續(xù)軌跡走到要求的位置；在不平整的路面，獨(dú)立懸掛系統(tǒng)提高了以麥克納姆輪為底盤的機(jī)器人的穩(wěn)定性；機(jī)械手的地盤可以進(jìn)行360°轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿部分可以實(shí)現(xiàn)多角度彎曲調(diào)試，以精確地抓取目標(biāo)物件。

整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方案主要是將麥克納姆輪的多維度運(yùn)動(dòng)與機(jī)械手配合，讓機(jī)器人順利到達(dá)目的地，順利拆除目標(biāo)。

2 機(jī)器人虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真

對于機(jī)器人虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真，主要是對4 個(gè)麥克納姆輪的不同狀態(tài)進(jìn)行仿真并加以分析。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，使用西門子UG NX10.0 軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，使設(shè)計(jì)過程的尺寸和結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，提高三維設(shè)計(jì)的效率。

2.1 第一種狀態(tài)

當(dāng)4 個(gè)麥輪想要執(zhí)行向前或向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車可以實(shí)現(xiàn)向前或向后運(yùn)動(dòng)。

仿真方案：為探討輥?zhàn)釉隍?qū)動(dòng)輪勻速條件下的運(yùn)動(dòng)情況，通過NX10.0 運(yùn)動(dòng)仿真模塊，給予驅(qū)動(dòng)輪一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)速，研究其對輥?zhàn)拥乃俣燃凹铀俣鹊挠绊憽?/p>

運(yùn)動(dòng)副：添加一個(gè)以車身為基軸的旋轉(zhuǎn)副，并為其添加一個(gè)恒定的速度，再為每一個(gè)單獨(dú)的輥?zhàn)犹砑右粋€(gè)相對于驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)副，使其可以相對于驅(qū)動(dòng)輪自轉(zhuǎn)，然后為輥?zhàn)优c地面添加3D 接觸，附上合理的摩擦力和重力。

結(jié)果：導(dǎo)出最終分析結(jié)果，如圖3 所示。驅(qū)動(dòng)輪在勻速條件下，輥?zhàn)幼鰟蛩龠\(yùn)動(dòng)，由于每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上有16 個(gè)輥?zhàn)樱?jì)算得出每個(gè)輥?zhàn)咏佑|地面角度為22.5°，所以速度和位移曲線會(huì)呈現(xiàn)周期性變化，同時(shí)加速度為0，符合預(yù)期對其運(yùn)動(dòng)仿真的要求。

圖3 小車輥?zhàn)悠揭萍铀俣?、速度、位移分析結(jié)果

2.2 第二種狀態(tài)

當(dāng)小車行駛到直角拐彎時(shí)，路寬略大于車長，而普通小車幾乎無法轉(zhuǎn)彎，而汽麥克納姆輪可以通過自身的優(yōu)勢直接向右行駛順利通過復(fù)雜路段。

仿真方案：為探討輥?zhàn)釉隍?qū)動(dòng)輪加速條件下的運(yùn)動(dòng)情況，通過NX10.0 運(yùn)動(dòng)仿真模塊，給予驅(qū)動(dòng)輪1、3 一個(gè)逆時(shí)針轉(zhuǎn)向的加速度、給予驅(qū)動(dòng)輪2、4 一個(gè)順時(shí)針的加速度，給予驅(qū)動(dòng)輪一個(gè)恒定的加速度，研究其對輥?zhàn)拥乃俣燃凹铀俣鹊挠绊憽?/p>

運(yùn)動(dòng)副：對驅(qū)動(dòng)輪整體添加一個(gè)以車身為基軸的旋轉(zhuǎn)副，并為其添加一個(gè)加速度，再為每一個(gè)單獨(dú)的輥?zhàn)犹砑右粋€(gè)相對于驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)副，使其可以相對于驅(qū)動(dòng)輪自轉(zhuǎn)，然后為輥?zhàn)优c地面添加3D 接觸，附上合理的摩擦力和重力。

結(jié)果：導(dǎo)出最終分析結(jié)果，如圖4 所示。驅(qū)動(dòng)輪在加速條件下，加速度恒定，每個(gè)輥?zhàn)拥乃俣仍絹碓酱螅瑔蝹€(gè)輥?zhàn)咏佑|的地面的周期越來越小，并且加速度也在不斷增加。驅(qū)動(dòng)輪1、3 和驅(qū)動(dòng)輪2、4 的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速不同，小車可實(shí)現(xiàn)向右平移，符合預(yù)期對其運(yùn)動(dòng)仿真的要求。

圖4 小車輥?zhàn)悠揭萍铀俣?、速度、位移分析結(jié)果

3 結(jié)論

本方案設(shè)計(jì)了基于麥克納姆輪的拆彈機(jī)器人，用UG NX 軟件制作出來數(shù)學(xué)模型然后進(jìn)行裝配，并且做了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，在各種仿真情況下都能符合人們的要求。