尤國富

（建湖恒華機電有限公司，江蘇 鹽城 224700）

MROBOT機械系統(tǒng)設(shè)計與動力學(xué)分析研究

Design of mechanical system and analysis of dynamics for MROBOT

尤國富

（建湖恒華機電有限公司，江蘇 鹽城 224700）

MROBOT即小型地面機器人。在現(xiàn)代戰(zhàn)場上，小型地面機器人作為一種尖端武器具有減少戰(zhàn)爭傷害、可進入惡劣作戰(zhàn)環(huán)境進行作戰(zhàn)的功能。我國目前已研制出能夠適應(yīng)未來城市小規(guī)模作戰(zhàn)的機器人作戰(zhàn)平臺，這也為我國在相關(guān)領(lǐng)域的研究奠定了理論和實施基礎(chǔ)。本文詳細闡述了MROBOT系統(tǒng)的總體和機構(gòu)設(shè)計，并對其進行了動力學(xué)建模和研究，最后對其未來的發(fā)展前景進行了概括。

移動機器人；機械系統(tǒng)設(shè)計；動力學(xué)分析

移動小型地面機器人研制于20世紀(jì)60年代末期，其目的是研究智能機器在復(fù)雜環(huán)境下進行行動和判斷的能力。本文對實驗中設(shè)計的一號和二號兩枚移動機器人進行了機械設(shè)計上的對比，從而對MROBOT的合理化機械設(shè)計及動力學(xué)性能分析進行了詳細的研究。

1 MROBOT機械系統(tǒng)的總體設(shè)計

在進行自主移動機器人的研究過程中，如何確保機器人本身的硬件系統(tǒng)得到準(zhǔn)確實現(xiàn)是一個技術(shù)難題。因為移動機器人的設(shè)計不僅僅針對機構(gòu)的設(shè)計，還包括用于機器人運動的驅(qū)動電路，感應(yīng)外界刺激的感應(yīng)電路，以及進行中央控制和操作的中央電路等不同的硬件部分。在實際的制作和生產(chǎn)當(dāng)中，由于加工過程中會出現(xiàn)誤差，進而導(dǎo)致機器人在設(shè)計時采用的傳動方式不能夠順利實施。這樣就會對機器人的操控帶來負面影響，對移動機器人的控制難度也會相應(yīng)加大。此外，移動機器人材質(zhì)的選擇決定了其驅(qū)動系統(tǒng)的選擇，而驅(qū)動系統(tǒng)的選擇又直接決定了移動機器人將采用何種動力源進行驅(qū)動。最終，動力源的重量又與移動機器人的總重量息息相關(guān)，所以，這些部分在設(shè)計之初就要進行充分的考慮，最大程度地協(xié)調(diào)好各方面的關(guān)系，從而實現(xiàn)對移動機器人的良好控制。

2 MROBOT的機械設(shè)計

機械系統(tǒng)是移動機器人的物質(zhì)形體，是機器人軟件操控得以順利實施的物質(zhì)媒介。其各項設(shè)計參數(shù)直接影響到機器人的各項運行指標(biāo)。所以，相對合理的機械設(shè)計對于移動機器人的功能以及使用壽命來說具有非常重要的現(xiàn)實意義。在實際的機器人研發(fā)和制造過程中，由于研發(fā)制造的時間軸比較長，因此，機器人最終的功能體現(xiàn)會受到各方面因素的影響。比如在制造過程中制造精度加工材料的選擇，以及熱處理工藝等，這些外界的物理因素都會對移動機器人最終的物理性能造成影響。因此，機械設(shè)計對于MROBOT來說非常重要。在實驗中我們制造了一號和二號兩臺不同的移動機器人，基于此展開機械設(shè)計的相關(guān)探討與研究。

2.1 MROBOT一號的接卸設(shè)計特點

在一號MROBOT的設(shè)計過程中，移動機器人平臺重要采用了三節(jié)可變式履帶，通過設(shè)計加工以及后續(xù)的調(diào)試實驗，主要解決了以下幾個實際問題。

（1）確定了雙層套軸軸系結(jié)構(gòu)在可變式履帶關(guān)節(jié)使用中的可行性。不同于傳統(tǒng)的軸系設(shè)計，雙層套軸軸系結(jié)構(gòu)在實際運作當(dāng)中實現(xiàn)了機器人在同一個圓心，不同半徑的旋轉(zhuǎn)動作的獨立。這樣的設(shè)計使得移動機器人的動力系統(tǒng)更加集中，這樣的技術(shù)突破對于機器人的機動性能以及空間的有效利用具有非常重要的意義。尤其是對于移動機器人自翻身動作來說，該項技術(shù)革新使得機器人自翻分身動作時可以將重心放在身體前部，降低了動作的難度，同時也降低了為該動作提供動力的擺臂驅(qū)動電機的載荷。

（2）明確了漲緊套連接方式在小尺寸范圍內(nèi)的可靠性。漲緊連接套這種連接方式是一種相對較為柔性的連接方式。根據(jù)擰緊的高強度螺栓，使得包容面和被包容面之間產(chǎn)生壓力來傳遞負荷。目前，該技術(shù)在我國許多相關(guān)行業(yè)得到了廣泛的運用。但是小型機器人不同于其他領(lǐng)域的大型機器，小型機器人的傳動軸大約為10 mm左右，在這樣小的間距內(nèi)使用漲緊連接無疑是一種技術(shù)挑戰(zhàn)。通過安排具體的實驗，驗證了漲緊連接法在小型機器人上運用的可靠性。同時還掌握了相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)。

（3）驗證了同步齒型帶代替履帶的可行性。履帶是移動機器人進行自由移動的主要載體，對于保護底盤以及機器人的其他部位也有很好的作用。由于履帶的設(shè)計成本較高，一般都采用標(biāo)準(zhǔn)件來代替。其中，齒型帶在實驗中可以代替履帶實現(xiàn)移動機器人的自由移動，同時也證明了齒型帶代替履帶的可操作性。

2.2 MROBOT一號和二號的傳動系統(tǒng)設(shè)計

一號和二號移動機器人均采用了相同的傳動系統(tǒng)，機器人實現(xiàn)行走的部分都是雙層套軸的軸系結(jié)構(gòu)，而驅(qū)動則是由一側(cè)的一個電機驅(qū)動，另一側(cè)則通過傳動履帶帶動從動輪向前運動。

2.3 MROBOT一號和二號的漲緊套設(shè)計

漲緊套的連接方式是基于錐面相互緊貼的內(nèi)外鋼圈作為過渡，當(dāng)軸向產(chǎn)生的力壓緊鋼圈時，內(nèi)部的套會將軸包緊，進而與連接的軸以及孔產(chǎn)生一個壓緊力，這個壓緊力會產(chǎn)生相應(yīng)的摩擦力，然后再用摩擦力傳遞軸向力以及扭矩。其中，漲緊套連接具有很多優(yōu)勢，例如其傳遞的扭矩比較大，而且其制作過程相對簡單，調(diào)整也較為方便，在安裝和拆卸過程中也比較容易。

2.4 MROBOT一號和二號的底盤設(shè)計

移動機器人的底盤是整個機器人的機械載體，同時也是在安裝其他零部件時進行定位的基準(zhǔn)位置。所以，移動機器人的底盤設(shè)計將會直接影響到機器人在運動過程中的傳動效率以及攛掇的精確度。其次，移動機器人的底盤對各個零部件的壽命也會造成一定程度的影響。一號機器人采用的是板式底盤，板式底盤就是將機器人內(nèi)部的零件安裝并且固定在一塊經(jīng)過處理和加工的平板上。二號機器人則采用了箱體式底盤，相對于一號機器人的平板式底盤，二號機器人的箱式底盤擁有更多優(yōu)勢。例如機器人的密封性能得到了改善，可具備防暑性能。此外，這種箱式底盤所采用材料的硬度也有所提高，可以有效保護機器人的內(nèi)部零件不受到外界環(huán)境的撞擊或其他破壞。

2.5 MROBOT二號機器人的行走機構(gòu)設(shè)計

（1）優(yōu)化履帶設(shè)計。出于使用成本以及性能的考慮，移動機器人的履帶將采用齒型帶來代替。齒型帶在材料以及齒型方面有以下特點。齒型帶的填料主要有填充材料和骨架類材料。其中，骨架材料直接決定了帶子的使用性能。出于對移動機器人行走穩(wěn)定性的考慮，填料主要采用了橡膠作為主要填料。這樣可以有效提升移動機器人在行走過程中的抓地能力。

（2）輪系設(shè)計。在一號移動機器人的設(shè)計當(dāng)中，其輪系主要采用了同步帶輪系的方法。也就是在輪子上加裝了擋圈，以防帶子進行橫向的移動。但是，這樣的方法對于履帶傳動來說并不完全適用。因為如果擋圈的高度太高就會與地面形成接觸，這也就失去了履帶傳動的意義。但是太低又無法避免由于原地打轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的橫向力而最終導(dǎo)致履帶的橫向移動。所以，在進行二移動機器人的設(shè)計時吸取一號移動機器人的設(shè)計經(jīng)驗，取消了原有的擋圈，用光輪作為代替，光輪可以一直壓在內(nèi)側(cè)沒有齒的地方來承受重力，同時還可以有效避免履帶的橫向移動。

3 MROBOT的動力學(xué)性能研究

移動機器人的設(shè)計初衷就是為了實現(xiàn)機器人可以代替人在環(huán)境較為惡劣或地形較為復(fù)雜的條件下作業(yè)。所以，針對移動機器人可以做的一些特殊動作必須進行充分考慮，例如攀爬、自翻身、自撐起等動作。這些動作可以集中反映機器人的動力性能，針對機器人默寫圖書動作的研究可以進一步提升移動機器人的動力性能。

3.1 撐起動力學(xué)性能

對于移動機器人來說，為確保其可以順利通過障礙物可以設(shè)計一個雙臂自撐起功能。在面對障礙時，移動機器人的雙臂可以向前移動，并撐住地面將底盤撐起至一定的高度。這時，移動機器人的重心也得到了相應(yīng)的提高。

3.2 翻越障礙動力學(xué)性能

對于樓梯等相似的垂直障礙來說，移動機器人必須具備相應(yīng)的翻越性能。在接近垂直障礙物時，移動機器人自身的視覺傳到系統(tǒng)會自動分辨前方的障礙物可否順利翻越，之后再接近障礙物時會通過驅(qū)動將前臂向上抬升轉(zhuǎn)動，同時位于前部的履帶也部分抬升，在接觸垂直障礙物時，移動機器人的前臂支撐障礙物表面，升起的履帶也不斷運轉(zhuǎn)，給機器人一個向上的升力，當(dāng)機器人的重心在爬升過程中越過障礙物時，就可以依靠重力的作用實現(xiàn)順利的障礙翻越了。

4 結(jié)束語

移動機器人的研究與多種學(xué)科領(lǐng)域都有交集，隨著技術(shù)的發(fā)展和相互滲透，移動機器人將會面臨更為廣闊的發(fā)展前景。其機械設(shè)計將更為成熟和精良，操作也將更為簡單。我們相信，未來移動機器人將在制造業(yè)以及諸如醫(yī)療、航海、建筑等非制造業(yè)發(fā)揮越來越大的作用。

[1] 歐屹. MROBOT機械系統(tǒng)設(shè)計與動力學(xué)分析研究[J]. 南京理工大學(xué)，2006.

[2] 高曉燕.多用途特殊移動作業(yè)機器人機械系統(tǒng)設(shè)計與分析研究[J]. 南京理工大學(xué)，2007.

[3] 楊曉光. 機器人機械動力學(xué)系統(tǒng)的廣義同步研究[J]. 東北大學(xué)，2007.

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1009-797X (2015) 24-0121-03

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10.13520/j.cnki.rpte.2015.24.048

尤國富（1986-），男，畢業(yè)于南華大學(xué)，本科學(xué)歷，研究方向為機械設(shè)計制造及自動化。

2015-11-25