李 波 ，張 瑾 ，李國棟

(1．中國兵器裝備集團(tuán)上海電控研究所，上海200092;2．杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引 言

排爆機(jī)器人是指能代替人到不能去或不適宜去的有爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境中，直接在事發(fā)現(xiàn)場進(jìn)行偵察、排除和處理爆炸物及其他危險(xiǎn)品，也可對持槍、持械的恐怖分子實(shí)施有效攻擊的機(jī)器人。排爆機(jī)器人的研制始于20 世紀(jì)60年代，隨著國際上反恐形勢日趨嚴(yán)峻和反恐斗爭的深入，特別是“911”恐怖襲擊事件以來，國內(nèi)外的一些大公司、大學(xué)及科研院所，如美國的Remotec、iRobot，英國的P．W．Allen、ABP，德國的Telerob，國內(nèi)的中科院沈陽自動化研究所、北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等［1-2］，都先后從事相關(guān)系統(tǒng)和技術(shù)研究，并取得了卓有成效的進(jìn)展。

排爆機(jī)器人在實(shí)際運(yùn)行中受地形限制較大，如何實(shí)現(xiàn)全地形環(huán)境下的可靠運(yùn)行，是國內(nèi)外均在努力的方向。

本研究擬完成相關(guān)動力系統(tǒng)參數(shù)論證計(jì)算，并利用有限元方法分析主要傳動系統(tǒng)器件參數(shù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一臺高性能排爆機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)。

1 排爆機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

機(jī)器人要在各種復(fù)雜地形下行走，樓梯、斜坡、障礙物是一定要克服的3 種地形要素。如果機(jī)器人的運(yùn)動機(jī)構(gòu)能通過上述3 種地形，就能在全地形條件下暢通無阻。

本研究針對以上設(shè)計(jì)需求，分析幾種常用運(yùn)動機(jī)構(gòu):

(1)輪式機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，速度快，易控制，被廣泛應(yīng)用在各種車輛上。但由于車輪與地面接觸面積小，在軟、濕路面上，易產(chǎn)生沉陷和打滑，且越障能力不足，不能獨(dú)立完成復(fù)雜地形的移動［3］。

(2)履帶式機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)與地面接觸面積大、壓強(qiáng)小、轉(zhuǎn)彎半徑小，牽引附著性能、越野機(jī)動性、爬坡越溝性能均優(yōu)于輪式，但具有速度慢、減振差等缺點(diǎn)［4］。

(3)輪履復(fù)合機(jī)構(gòu)。兼具以上兩種機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，既能在平整路面上快速移動，也能在溝壑縱橫的道路上運(yùn)行［5］。

本研究設(shè)計(jì)要求機(jī)器人最大移動速度為1．6 m/s，能上、下不超過30°的斜坡(樓梯)，跨越400 mm 壕溝，越過250 mm 高的障礙物，對機(jī)器人適應(yīng)地形的能力提出了較高要求。經(jīng)過初步分析，筆者決定采用六履帶四輪復(fù)合式運(yùn)動機(jī)構(gòu)［6］。翻轉(zhuǎn)臂履帶輪的直徑小于車輪，在高速運(yùn)動時(shí)，前、后翻轉(zhuǎn)臂均收起，只有車輪著地，因而可以高速行駛。

排爆機(jī)器人總裝圖如圖1 所示。機(jī)器人在上、下樓梯或越障時(shí)，前、后翻轉(zhuǎn)臂放下起輔助支撐車輪向上/向下移動作用，完成攀爬功能。兩側(cè)車輪拆除后，車體能作為履帶式機(jī)構(gòu)越過部分狹窄障礙物。

圖1 排爆機(jī)器人總裝圖

2 排爆機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

2．1 機(jī)器人動力系統(tǒng)的組成

機(jī)器人主體移動機(jī)構(gòu)由一對主履帶、翻轉(zhuǎn)臂所組成，主履帶通過兩臺后置伺服電機(jī)驅(qū)動，翻轉(zhuǎn)臂通過前后各一臺伺服電機(jī)驅(qū)動。

主驅(qū)動系主要由鋰電池、直流無刷電機(jī)、集成式行星減速機(jī)、錐齒輪副、主驅(qū)動輪等組成，其原理如圖2所示。

圖2 機(jī)器人主驅(qū)動系統(tǒng)原理圖

2．2 機(jī)器人傳動比的計(jì)算

2．2．1 傳動系最小減速比計(jì)算

機(jī)器人的最小減速比應(yīng)由機(jī)器人行駛的最大速度及電機(jī)額定轉(zhuǎn)速共同決定。機(jī)器人的行駛速度、系統(tǒng)的傳動比如式(1～2)所示:

由式(1～2)得:

式中:v—機(jī)器人運(yùn)動速度，km/s;n—驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min;ne—電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min;i—傳動比;rz—車輪外半徑，m。

設(shè)計(jì)采用BG 系列永磁無刷電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速:ne=37 000 r/min;采用6 英寸山地車車輪作為輪系機(jī)構(gòu)，外徑:rz=0．152 4 m。

由vmax=1．6 m/s(5．76 km/h)，ne=3 700 r/min，rz=6(0．152 4 m)代入式(3)得:

2．2．2 傳動系最大減速比計(jì)算

機(jī)器人的最大減速比應(yīng)由機(jī)器人行走時(shí)最小速度和電機(jī)額定轉(zhuǎn)速共同決定。根據(jù)電機(jī)外特性，機(jī)器人在低速爬坡時(shí)，應(yīng)以峰值轉(zhuǎn)矩來計(jì)算傳動比。若將nfp=ne代入式(3)計(jì)算，則會產(chǎn)生較大誤差。所以，研究者應(yīng)該用電機(jī)恒轉(zhuǎn)矩區(qū)間內(nèi)的特性來計(jì)算其在最低速穩(wěn)定爬坡時(shí)的調(diào)速比，使機(jī)器人能夠在設(shè)定的αmax=30°坡度上穩(wěn)定爬坡，則其需要的牽引力為:

將式(4)代入式(3)，得:

式中:Tmax—電動機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩，N·m。

由電機(jī)外特性，選擇恒功率臨界點(diǎn)的速度nh=n，代入式(1)，得:

將vmin=0．5 m/s，vmax=1．6 m/s，imin=43 代入式(6)，得:

imax=137

2．3 機(jī)器人動力系統(tǒng)功率的計(jì)算

2．3．1 機(jī)器人額定功率計(jì)算

機(jī)器人在正常路面上行駛達(dá)到最大速度時(shí)，其所需功率即為最大額定功率，其計(jì)算公式如下:

式中:Pf—機(jī)器人在正常路面高速行駛時(shí)的最大功率，kW;G—機(jī)器人自重，N;CD—風(fēng)阻系數(shù);vmax—機(jī)器人最高行駛速度，km/s;fd—機(jī)器人在正常路面上行駛時(shí)的摩擦系數(shù);η—機(jī)器人的機(jī)械效率。

由于機(jī)器人運(yùn)行速度相對不高，為簡化計(jì)算而忽略風(fēng)阻系數(shù)影響，即只考慮理想狀態(tài)下在正常道路上穩(wěn)定行駛時(shí)的額定功率。則式(7)可簡約為:

式中:fd—摩擦系數(shù)，fd=sinα +f'cosα。若在正常路面上行駛，其坡度較小，故:cosα≈1，sin≈γ，則:

式中:f'—滾動摩擦系數(shù)，f' =0．03～0．04;γ—道路坡度，坡高與坡水平的距離之比，γ－0．025;fd=0．055～0．065。

機(jī)器人的機(jī)械效率由3 部分組成，如公式(10)所示:

式中:ηd—動力裝置機(jī)械效率，ηd=0．80～0．95;ηch—傳動裝置機(jī)械效率，ηch=0．80～0．90;ηx—行駛裝置的機(jī)械效率，ηx=0．85～0．90。

由于高速時(shí)，η 損失有所增加，η 應(yīng)取較低值，即:η=0．578。

由設(shè)計(jì)任務(wù)要求機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)配置:重量G =1 800 N，vmax=1．6 m/s(5．76 km/h)代入式(8)得:

Pf≈0．274 kW

為保障機(jī)器人完全具有帶G=600 N 負(fù)載能力，防止過載而損壞，取安全系數(shù)K =2，機(jī)器人需要的額定總功率為:

Pe=2 ×0．274≈0．548 kW

2．3．2 機(jī)器人電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算

機(jī)器人主驅(qū)動電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的選取，應(yīng)滿足爬坡和驍原地中心轉(zhuǎn)向?yàn)槟繕?biāo)的需要，計(jì)算公式如下式所示:

式中:Tmax—電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩，N·m;imax—最大傳動速比;imin—最小傳動速比;φ—履帶與地面附著系數(shù);rz—車輪半徑，m。

由設(shè)計(jì)任務(wù)要求取:G =1 800 N，rz=0．152 4 m，vmax=1．8 km/h，μmax=1，imax=137，imin=43，fd=0．55～0．65，L=0．6 m，B=0．8 m，η =0．578，φ =0．4，代入式(11)，得:

0．867 5 N·m≤Tmax≤5．14 N·m

3 排爆機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)仿真

通過機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)參數(shù)計(jì)算可知，最大轉(zhuǎn)矩靠錐齒傳動軸傳遞到車輪，是關(guān)鍵主零件。下面以錐齒傳動軸為例，論述有限元分析技術(shù)的應(yīng)用。

該部件主要用于傳遞主驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)矩到外行駛輪，分析件在組裝圖中的位置如圖3 所示，是運(yùn)動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。為了保證平臺在運(yùn)行過程中的可靠性，需要知道分析件工作中的最大變形量和最大應(yīng)力值，再與其所用材料的許用值進(jìn)行比較，得出分析部件的安全系數(shù)和安全度結(jié)論［7］。所以，這里借助有限元分析技術(shù)對該傳動軸進(jìn)行數(shù)值仿真模擬的建立和計(jì)算。

圖3 分析件在組裝圖中的位置

不同的分析目的對于CAD 模型的要求不同。在建立有限元模型時(shí)，如果只關(guān)注結(jié)構(gòu)整體，則可以將結(jié)構(gòu)的細(xì)小特征壓縮。例如，要分析結(jié)構(gòu)整體模態(tài)，則可去除小的圓角、倒角和螺栓孔等。這就需要在簡化模型時(shí)本著抓住主要矛盾、忽略次要矛盾的理念，對不影響整個(gè)模型受力的細(xì)小結(jié)構(gòu)和影響生成高質(zhì)量網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化和去除，保留主要結(jié)構(gòu)，忽略次要結(jié)構(gòu)［8］。

該零件選用45 號鋼，其材料特性如表1 所示。

表1 選用材料屬性

綜合考慮模型最小幾何特征和網(wǎng)格數(shù)目等因素，本研究將平均網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1 mm，選用8 節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID185，總共得到161 358 個(gè)節(jié)點(diǎn)和153 812 個(gè)單元。

根據(jù)已知約束和載荷條件，本研究在有限元模型上添加對應(yīng)位置的約束和載荷如圖4 所示。

考慮該傳動軸在電機(jī)啟動的瞬間的應(yīng)力值和變形量會是最大，此時(shí)的模型邊界條件包含:

(1)約束條件。階梯軸與固定軸承連接部分約束徑向和軸向移動，以及繞徑向和切向的轉(zhuǎn)動，鍵槽部分約束切向移動和軸向的轉(zhuǎn)動;

圖4 邊界條件施加位置

(2)載荷?？紤]到齒輪傳動中兩對齒嚙合和一對齒嚙合兩種情況，選用電機(jī)啟動的瞬間只有一對齒嚙合的特殊情況，施加轉(zhuǎn)矩(考慮將轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化為力施加在單齒的切向方向上)為:

Tc=T×i×n=1 160 N·mm×42×18/22×0．81=32 288 N·mm

本研究將建立好得到的有限元模型導(dǎo)入大型有限元分析軟件ANSYS 中，可得到模型的變形量和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，其變形云圖和應(yīng)力值如圖5 所示。

圖5 軸模型有限元分析計(jì)算的變形、應(yīng)力云圖

由圖5 可以看出，該部件最大變形量為0．064 mm，主要分布在錐齒輪部位;該部件最大應(yīng)力為132 MPa，分布在模型的軸向固定槽處。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，該模型的最大應(yīng)力為132 MPa，小于該零件材料的屈服強(qiáng)度355 MPa。其安全系數(shù)為n=355/128 =2．7。通過應(yīng)力云圖可以看出分析件在軸向固定槽出現(xiàn)應(yīng)力較大，其他大部分區(qū)域的應(yīng)力值都很小，所以該零件在該種工況下足以滿足其強(qiáng)度要求。

4 機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)的測試

歷時(shí)近一年時(shí)間，目前本研究已完成排爆機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)的組裝調(diào)試工作，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行以下測試:

(1)正常路面行駛速度的測試。在混凝土路面，負(fù)重60 kg，全速運(yùn)行;激光測速儀測得速度v=1．61 m/s。

(2)爬樓梯測試。樓梯臺階高150 mm、間距300 mm，每層有14 個(gè)臺階，中間有轉(zhuǎn)彎平臺分隔，共用時(shí)t=11．8 s，測試現(xiàn)場如圖6 所示。

(3)爬斜坡測試。斜坡傾角35°，從底部爬到頂部共用時(shí)約t =8 s。在斜坡任意位置可以暫停后重新啟動。

(4)跨越障礙物測試。用大石塊堆砌一道高250 mm、寬250 mm 的石檻，機(jī)構(gòu)用時(shí)約t =5 s，順利跨越。

以上測試表明機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)完全符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 爬樓梯試驗(yàn)圖

5 結(jié)束語

本研究從運(yùn)動學(xué)角度出發(fā)，在輪履復(fù)合機(jī)構(gòu)越障機(jī)理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了動力系統(tǒng)的傳動比、額定功率、最大轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的實(shí)用數(shù)值，并運(yùn)用有限元分析技術(shù)優(yōu)化了傳動系統(tǒng)主要部件的參數(shù)設(shè)計(jì)，提高了部件與整體系統(tǒng)的可靠性與安全性。最后對運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動性能進(jìn)行了實(shí)地驗(yàn)證，為今后進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

該排爆機(jī)器人運(yùn)動機(jī)構(gòu)尚未在復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行嚴(yán)格測試，實(shí)際環(huán)境比本研究的試驗(yàn)環(huán)境要更復(fù)雜，對運(yùn)動機(jī)構(gòu)的性能將提出更高要求，這是下一步將要繼續(xù)研究的方向。

［1］陳 波，李曉楠，王 進(jìn)． 警用機(jī)器人一覽［J］． 輕兵器，2005(6):28-29．

［2］王越超．我國危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人研究開發(fā)取得新進(jìn)展［J］．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2005(6):11-18．

［3］曹其新，張 蕾．輪式自主移動機(jī)器人［M］．上海:上海交通大學(xué)出版社，2012．

［4］陳淑艷，陳文家．履帶式移動機(jī)器人研究綜述［J］．機(jī)電工程，2007，24(12):109-112．

［5］KIM J H，LEE C G． Variable transformation shapes of single-tracked mechanism for a rescue robot［C］//Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Control，Automation and Systems． Seoul:IEEE，2007:1057-1061．

［6］ROHMER E，YOSHIDA T，OHNO K，et al． Quince:A Collaborative Mobile Robotic Platform for Rescue Robots Research and Development［C］// The 5thInternational Conference on the Advanced Mechatronics． Tokyo:Japan Society of Mechanical Engineers，2010:225-230．

［7］張志文，等．機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析［M］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002．

［8］趙汝嘉，曹 巖．機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析及應(yīng)用軟件［M］．北京:高等教育出版社，2012．