王 軍，李 明，馬東海

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

救援機(jī)器人是一種集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策、路徑規(guī)劃、行為控制等多種功能于一體的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。輪式機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)速度快、靈活性高、自主性強(qiáng)等特點(diǎn)，包括單輪、雙輪、三輪、四輪、五輪、六輪和多輪等多種類型。本文設(shè)計(jì)的四輪救援機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置采用四輪驅(qū)動(dòng)、獨(dú)立懸掛、差速轉(zhuǎn)向;在機(jī)構(gòu)可靠性、運(yùn)動(dòng)特性及造價(jià)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì);采用UG NX 6軟件進(jìn)行復(fù)合建模。

1 四輪行走機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，整個(gè)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要由懸掛系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)承載輪機(jī)構(gòu)和行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

1.1 承載式車身結(jié)構(gòu)

四輪機(jī)器人采用承載式車身結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量小、高度低、裝配容易、高速行駛穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)［1］。四輪機(jī)器人選用承載式車身機(jī)構(gòu)，底盤通過(guò)懸架與驅(qū)動(dòng)輪連接，使車身及承載物的重量能被四個(gè)獨(dú)立懸架平均承受，再平均分配給每個(gè)車輪，從而使各車輪的受力均衡，提高整個(gè)車輛的承載能力。底盤尺寸:長(zhǎng)700 mm，寬300 mm，高200 mm。

圖1 四輪行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.2 獨(dú)立懸掛系統(tǒng)

四輪機(jī)器人采用獨(dú)立懸掛系統(tǒng)，每一側(cè)的車輪都是單獨(dú)地通過(guò)彈性懸掛系統(tǒng)懸掛在車架或車身下面。其優(yōu)點(diǎn)是:質(zhì)量輕，減少了車身受到的沖擊，并提高了車輪的地面附著力;可用剛度小的較軟彈簧，改善汽車的舒適性;可以使發(fā)動(dòng)機(jī)位置降低，汽車重心也得到降低，從而提高汽車的行駛穩(wěn)定性;左右車輪單獨(dú)跳動(dòng)，互不相干，能減少車身的傾斜和震動(dòng)。

1.3 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

鏈傳動(dòng)是通過(guò)鏈條將具有特殊齒形的主動(dòng)鏈輪的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞到具有特殊齒形的從動(dòng)鏈輪的一種傳動(dòng)方式。鏈傳動(dòng)有許多優(yōu)點(diǎn)，與帶傳動(dòng)相比，無(wú)彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，工作可靠，效率高;傳遞功率大，過(guò)載能力強(qiáng)，相同工況下的傳動(dòng)尺寸小;所需張緊力小，作用于軸上的壓力小。本文中提出的四輪機(jī)器人結(jié)構(gòu)使用鏈條傳動(dòng)，將中心距設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)的，方便調(diào)節(jié)軸距，對(duì)越障爬坡能力提供很大幫助。

1.4 輪胎選擇

影響越野汽車越野性能的因素很多，如輪胎數(shù)、輪胎花紋、輪胎氣壓、驅(qū)動(dòng)型式、車架型式、驅(qū)動(dòng)橋型式、變速器型式、軸數(shù)、整車的外形尺寸、比功率以及一些部件的安裝位置等。這些參數(shù)直接關(guān)系到汽車的爬坡度、涉水深度、車速、越壕溝能力、越垂直障礙能力、最小轉(zhuǎn)彎半徑、縱向和橫向通過(guò)半徑、側(cè)傾角等［2］。車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，在滿足設(shè)計(jì)要求和適當(dāng)接地面積的前提下，應(yīng)盡可能使車輪大直徑、小寬度，從而使車輪能夠獲得較大的掛鉤牽引力和較大的側(cè)向力，保證車輪具有良好的牽引性能以及轉(zhuǎn)向操縱能力［3］。在設(shè)計(jì)和選型四輪機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的時(shí)候，在考慮到車身整體尺寸前提下，選擇了90/100－14的輪胎，輪胎直徑520 mm，胎面寬度70 mm，輪胎是越野輪胎，輪胎花紋比較粗糙。

2 小型四輪行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1)滾動(dòng)阻力Ff的存在原因

機(jī)器人在坡道上勻速上坡行駛時(shí)，除了要克服滾動(dòng)阻力Ff和空氣阻力(無(wú)風(fēng)情況下為0，可以忽略)外，還要克服重力沿坡道的分力即坡度阻力Fg。為了方便爬坡時(shí)進(jìn)行受力分析，首先分析了滾動(dòng)阻力的存在原因。

當(dāng)輪胎滾動(dòng)于硬質(zhì)路面時(shí)如圖2(a)所示。由于輪胎彈性變形產(chǎn)生彈性遲滯現(xiàn)象，和路面的接觸點(diǎn)有兩個(gè)即C1和C2。當(dāng)機(jī)器人靜止時(shí)，輪胎所受的地面作用力為C1點(diǎn)和C2點(diǎn)的合力即FZ;輪胎滾動(dòng)時(shí)，C1和C2的變形相同，但由于彈性遲滯現(xiàn)象，C1和C2所受的地面作用力前大后小，即力的前后分布不對(duì)稱。這樣，合力FZ偏離法線，前移一段距離a，它隨彈性遲滯的增大而增大，受力情況如圖2(b)所示。

圖2中G為輪胎所受載荷;v代表前進(jìn)的方向和速度;T1為作用在輪胎上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩;FL為輪軸對(duì)輪胎的水平作用力;Fi為驅(qū)動(dòng)力矩T1所引起的道路對(duì)輪胎的切向反作用力;輪胎所受的地面作用力FZ與輪胎所受載荷G大小相等、方向相反。

圖2 輪胎滾動(dòng)阻力分析圖

假設(shè)輪胎的半徑為r，根據(jù)力矩平衡條件可得:

式中，F(xiàn)za=Tf為滾動(dòng)阻力矩，阻礙輪胎的滾動(dòng);F1=T1r為驅(qū)動(dòng)力;Ff=Tfr為滾動(dòng)阻力。

從式(1)、式(2)可以看出，真正驅(qū)動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)的力為地面切向反作用力Fi。其中Ff=Tfr=FZar=Gf，f為滾動(dòng)阻力系數(shù)，F(xiàn)f是由輪胎產(chǎn)生的彈性遲滯損失引起的。Ff越小，F(xiàn)i越大，機(jī)器人移動(dòng)速度越高。

驅(qū)動(dòng)輪所需轉(zhuǎn)矩根據(jù)滾動(dòng)摩擦定律，可得:

角度α簡(jiǎn)易測(cè)試方法:將輪胎站立在木板上，將木板一端緩緩抬起，直到輪子開始滾動(dòng)，測(cè)量此時(shí)木板與地面的夾角，即為α的度數(shù)［4］。

FN為支撐面的正壓力，即:

則:

M=δ·FN=18.18×10－3×800=14.544 N·m驅(qū)動(dòng)輪所需驅(qū)動(dòng)力為:

驅(qū)動(dòng)輪所需功率為:

2)爬坡受力分析

機(jī)器人爬坡受力示意圖如圖3所示。爬坡時(shí)的機(jī)器人所受的滾動(dòng)阻力Ff=Tfr=Gf cosβ，坡道分力Fg=G sinβ。此時(shí)機(jī)器人所受的總阻力為:

圖3 爬坡受力示意圖

Fn為斜坡上支撐面的正壓力，即:

驅(qū)動(dòng)輪在斜坡上克服滑動(dòng)摩擦力所需驅(qū)動(dòng)力為:

在斜坡上克服滑動(dòng)摩擦力所需功率為:

爬坡時(shí)坡道分力為:

機(jī)器人在以0.5 m/s的速度爬30°的斜坡時(shí)，克服坡道分力所需的功率:

機(jī)器人在爬30°坡時(shí)所需總功率為:

2.2 減速電機(jī)選擇

機(jī)器人的電源選用的是24 V/10 AH的磷酸鐵鋰電池，最大額定輸出電流20 A，過(guò)載電流30 A(不超過(guò)30 s);選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電壓為24 V。根據(jù)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算，選型為24 V/250 W直流有刷永磁電機(jī)兩臺(tái)。

2.3 鏈輪鏈條的選取

由于輪式移動(dòng)機(jī)器人爬越垂直障礙物的能力比較差，論文中選擇了直徑比較大的驅(qū)動(dòng)輪。參考了驅(qū)動(dòng)輪的直徑和機(jī)器人在驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的移動(dòng)速度，選擇了第二級(jí)減速鏈輪，主動(dòng)鏈輪是11齒，從動(dòng)鏈輪80齒，減速比7.27∶1。與驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)的齒輪減速器級(jí)聯(lián)，減速比達(dá)到了64∶1，驅(qū)動(dòng)輪上最大扭矩23 N·m。鏈條分別選用型號(hào)為1/2*1/8的自行車鏈條和25 H的鏈條。

3 四輪機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 底盤的設(shè)計(jì)

機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的底盤是整個(gè)機(jī)器人各部件的承載平臺(tái)，同時(shí)也是各主要部件的裝配設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。底盤的設(shè)計(jì)好壞直接影響到機(jī)器人的傳動(dòng)精度和傳動(dòng)效率，并且對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的壽命有直接的影響［5］。在設(shè)計(jì)底盤時(shí)，既要考慮到底盤在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中承受震動(dòng)及其他載荷會(huì)產(chǎn)生的變形，又要考慮底盤自身的強(qiáng)度和剛度要求。本文所設(shè)計(jì)的行走機(jī)構(gòu)底盤主要承載行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)、搭載系統(tǒng)三個(gè)部分。要求在總體設(shè)計(jì)要求提出的尺寸指標(biāo)下合理安排和設(shè)計(jì)各部件的安裝結(jié)構(gòu)。既滿足論文所提出的性能要求，又能夠在要求的尺寸下安裝各個(gè)部件。

此外，作為小型的移動(dòng)機(jī)器人，在充分考慮其運(yùn)行的復(fù)雜路況及環(huán)境下，符合車體的尺寸小、質(zhì)量輕等要求，從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用的角度考慮，本設(shè)計(jì)選擇方鋼管材料，并在底盤的設(shè)計(jì)時(shí)在滿足強(qiáng)度要求的同時(shí)使結(jié)構(gòu)緊湊，達(dá)到輕量化的目的。本文最終底盤的設(shè)計(jì)尺寸為:700 mm×300 mm×200 mm。

3.2 輪胎輪轂的選取

輪式機(jī)器人的特點(diǎn)是機(jī)動(dòng)靈活，在平坦的路面上可以較快的速度、較低的功耗長(zhǎng)距離地執(zhí)行任務(wù)，但本文設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人要求在樓梯、斜坡、凸臺(tái)等復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行救援任務(wù)。四輪機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，由于機(jī)器人在越障時(shí)沒(méi)有輔助的越障設(shè)備，只能依靠驅(qū)動(dòng)輪提供的驅(qū)動(dòng)力越障。

最終對(duì)四輪機(jī)器人的輪胎選取型號(hào)為90/100－14的越野摩托車輪胎，輪轂則選用14 in(1 in=2.54 cm)的輻條式輪轂，此款輪轂上的傳動(dòng)鏈輪安裝孔和選擇的鏈輪的安裝孔是吻合的。

3.3 懸掛和傳動(dòng)部分的設(shè)計(jì)

獨(dú)立懸掛系統(tǒng)是每一側(cè)的驅(qū)動(dòng)輪都是單獨(dú)地通過(guò)彈性懸掛系統(tǒng)懸掛在車架或底盤下面的。其優(yōu)點(diǎn)［6］是:質(zhì)量輕，減少了車身受到的沖擊，并提高了車輪的地面附著力;移動(dòng)機(jī)器人重心也得到降低，從而提高移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)穩(wěn)定性;左右輪單獨(dú)跳動(dòng)，互不相干，能減少車身的傾斜和震動(dòng)。

減震器是彈性懸掛中的關(guān)鍵構(gòu)件，減震器的安裝位置決定著機(jī)器人的穩(wěn)定性和減震裝置的使用壽命，減震器的安裝方向沿著連桿繞支點(diǎn)的圓弧的切線［7］。由M=L×F可得，在力矩相等的情況下，力臂L和和力F是成反比的，減震器下端與連桿支點(diǎn)距離越短，減震器受力越大。在彈簧彈性強(qiáng)度相同的情況下，顛簸的路面上車體受到的震動(dòng)更小。

傳動(dòng)鏈輪的中心距離設(shè)計(jì)為310 mm－360 mm可調(diào)，能夠調(diào)節(jié)軸距、重心位置和鏈條的預(yù)緊力。如圖4所示。

圖4 懸掛、傳動(dòng)部分示意圖

使用三維建模軟件UG軟件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，框架式結(jié)構(gòu)預(yù)留了后期的控制器、傳感器、電池的安裝位置。

4 四輪機(jī)器人實(shí)驗(yàn)裝置越障運(yùn)動(dòng)分析

4.1 四輪機(jī)器人裝配

四輪機(jī)器人的設(shè)計(jì)和零部件選型后，分別設(shè)計(jì)零件圖和生成三視圖，并對(duì)三視圖標(biāo)注尺寸，進(jìn)行機(jī)械加工。由于機(jī)械加工的精度達(dá)不到設(shè)計(jì)圖紙上的公差要求，在不改變四輪機(jī)器人性能的基礎(chǔ)上，對(duì)四輪機(jī)器人結(jié)構(gòu)做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。最終加工成型的小型輪式機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)如圖6所示。四輪機(jī)器人的連桿的長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)，車身長(zhǎng)度為1 1001 220mm。

圖5 四輪機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 四輪救援機(jī)器人底盤實(shí)物圖

4.2 爬坡實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

四輪機(jī)器人在場(chǎng)地中的30°的坡道上爬坡時(shí)，將調(diào)速的占空比調(diào)節(jié)為50。在四輪機(jī)器人有初速度的情況下，四輪機(jī)器人能夠順利爬上斜坡。斜坡表面長(zhǎng)度2 m，耗時(shí)5.2 s，由

平均速度v=0.38m/s。

四輪機(jī)器人在無(wú)初速度的情況下爬坡，由于要克服加速度所產(chǎn)生的阻力，四輪機(jī)器人仍然能順利爬坡，但是爬坡的平均速度低于有初速度的情況。

將四輪機(jī)器人放置在場(chǎng)地中的40°的斜坡上時(shí)，占空比仍然是50。輪胎在坡道底部打滑，輪胎提供的抓地力不能夠克服行駛阻力和重力在斜坡上的分力之和，四輪機(jī)器人不能夠爬上40°的斜坡。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，輪胎與坡道的摩擦系數(shù)約為μ=0.68，帶入公式:

其中，β =34.8°。

將斜坡的坡度降到35°，四輪機(jī)器人在有初速度的情況下，能夠爬上斜坡;但是四輪機(jī)器人的速度在上坡的過(guò)程中下降，并有輕微的打滑現(xiàn)象。若將四輪機(jī)器人在坡道的底部以零初速度爬坡，四輪機(jī)器人只能在坡道底部打滑，但是有上坡的趨勢(shì)。將坡道降至33°時(shí)，四輪機(jī)器人就能夠順利爬上斜坡。

4.3 爬樓梯實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)場(chǎng)地中的樓梯的梯高150 mm，梯寬200 mm，樓梯的坡度為37°。由于四輪機(jī)器人在爬樓梯過(guò)程中，四輪機(jī)器人的俯仰角度一直是變化的。而且越野輪胎的胎紋比較粗糙，能夠和樓梯的棱角咬合緊密，四輪機(jī)器人的爬樓梯提供了較大的力，使得四輪機(jī)器人能夠成功爬上樓梯。由于樓梯的坡度大，輪式機(jī)器人在樓梯上震動(dòng)較大，所以四輪機(jī)器人在爬樓梯的過(guò)程中速度控制在50。

在爬樓梯實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)四輪機(jī)器人的軸距長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)整，四輪機(jī)器人的最長(zhǎng)軸距為700 mm，最短軸距是580 mm，實(shí)驗(yàn)中將軸距調(diào)整到580 mm，重心離后軸的距離縮短了60 mm。四輪機(jī)器人在爬樓梯過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)后仰的情況，不能夠爬上樓梯。逐次增加軸距10 mm進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直到軸距增加到660 mm時(shí)四輪機(jī)器人爬坡時(shí)將不再出現(xiàn)后仰的情況。此時(shí)的四輪機(jī)器人長(zhǎng)度是1 180 mm。

5 結(jié)束語(yǔ)

災(zāi)難救援機(jī)器人性能不斷完善，在火災(zāi)、水災(zāi)、毒氣、放射性物質(zhì)以及地震、爆炸等災(zāi)難救援中起到非常重要的作用［8］。本文開發(fā)設(shè)計(jì)了四輪救援機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，完成了輪式機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用UG軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，分析越障性能，對(duì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)部分選型;細(xì)化了輪式機(jī)器人的加工零件圖。經(jīng)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)裝置越障能力良好，滿足了設(shè)計(jì)要求。

［1］曾志斌．軍用越野車越野性能分析［J］.客車技術(shù)與研究，2007(5):24－26．

［2］蔣云峰，蘇波，毛寧.輪式移動(dòng)機(jī)器人輪－地接觸模型研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2010，9(9):1187－1192．

［3］喬鳳斌，楊汝清.六輪移動(dòng)機(jī)器人爬樓梯能力分析［J］.機(jī)器人，2004，26(4):301－305.

［4］蔡積仁.淺談滾動(dòng)摩擦［J］.物理通報(bào)，2006，6(2):37－40．

［5］王勇，葛世榮.煤礦救災(zāi)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及需要重點(diǎn)解決的技術(shù)問(wèn)題［J］.煤礦機(jī)械，2007，28(4):107－109．

［6］陳殿生，黃宇，王田苗.輪式腿型機(jī)器人的越障分析與仿真［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，35(3):371－375．

［7］趙慶平.移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析及控制［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2004．

［8］錢善華，葛世榮，王永勝，等.救災(zāi)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與煤礦救災(zāi)的應(yīng)用［J］.機(jī)器人，2006，28(3):350－354.