周文博

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

特種地面移動機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計與分析研究

周文博

（東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

在信息化背景下，現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭形式隨之發(fā)生了巨大的變化，特種地面移動機(jī)器人逐漸被運(yùn)用到其中。而要滿足軍事戰(zhàn)爭之需，就需要針對地面移動機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行完善設(shè)計，以確保能夠應(yīng)對復(fù)雜的軍事任務(wù)。本文針對特種地面移動機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了分析，在構(gòu)建相應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)成的完善搭建提出了具體對策。

特種地面移動機(jī)器人；機(jī)械系統(tǒng)；設(shè)計；對策；研究

對于我國現(xiàn)代軍事領(lǐng)域而言，針對特種地面機(jī)器人進(jìn)行研發(fā)，有著顯著的軍事效益，而在實(shí)際開展該項(xiàng)工作的過程中，需要將先進(jìn)的技術(shù)融入機(jī)械系統(tǒng)之中，才能夠以穩(wěn)定且可靠機(jī)械系統(tǒng)的搭建來滿足實(shí)際運(yùn)用之需。在實(shí)際設(shè)計中，機(jī)械系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)在底盤與上層搭載上，需要將關(guān)鍵技術(shù)完善運(yùn)用于其中，以促使機(jī)器人滿足多元化任務(wù)之需，并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)可靠運(yùn)行。而針對特種地面移動機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計展開研究，能夠在現(xiàn)有理論的指導(dǎo)下，為提升機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)控制的精準(zhǔn)度與智能化水平奠定基礎(chǔ)。

1 特種地面移動機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計下的總體功能與關(guān)鍵指標(biāo)

在實(shí)際開展這一設(shè)計工作的過程中，要想實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的完善設(shè)計，首先就需要明確該機(jī)器人的實(shí)際使用條件以及目的，在此基礎(chǔ)上來明確系統(tǒng)的總體功能與關(guān)鍵指標(biāo)，為指導(dǎo)設(shè)計工作實(shí)現(xiàn)規(guī)范且完善落實(shí)奠定基礎(chǔ)。而面對復(fù)雜的使用環(huán)境，要想完成多元化的任務(wù)，就要求機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)具備如下功能：一是基于不同任務(wù)來實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載的搭載；二是要求相應(yīng)的地盤要具備充足的動力，進(jìn)而才能夠?yàn)橥瓿上鄳?yīng)的任務(wù)要求奠定基礎(chǔ)；三是要具備良好的速度，進(jìn)而才能夠以較快的速度來實(shí)現(xiàn)移動；四是要求相應(yīng)的移動平臺具備良好的可靠性與穩(wěn)定性；五是要求要實(shí)現(xiàn)整個控制系統(tǒng)以及通訊與定位系統(tǒng)的完善設(shè)計，進(jìn)而為應(yīng)對復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境并順利且高效的完成任務(wù)提供保障。目前，美軍已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對特種地面移動機(jī)器人的設(shè)計，如圖1。而基于如上基本任務(wù)的要求下，在實(shí)際針對這一機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)展開設(shè)計工作的過程中，要明確關(guān)鍵指標(biāo)，具體而言為：移動速度、動力性能、環(huán)境適應(yīng)性、任務(wù)負(fù)載指標(biāo)，其中，對于該系統(tǒng)而言，最為重要的兩項(xiàng)指標(biāo)是移動速度與動力性能，并要求在實(shí)際設(shè)計中針對控制參數(shù)實(shí)現(xiàn)合理定位。

圖1 美軍特種地面移動機(jī)器人

2 特種地面移動機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的具體設(shè)計策略

2.1 總體設(shè)計方案

在該機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中，是由底盤、任務(wù)負(fù)載以及遠(yuǎn)程操控平臺組建而成，其中，在移動底盤的設(shè)計上，需要在具備基本的行走、傳動以及防護(hù)等功能外，還需要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及傳感、定位系統(tǒng)等的完善設(shè)計，能夠在實(shí)際移動運(yùn)行的過程中，將任何荷載安全可靠運(yùn)送到指定位置。而基于任務(wù)負(fù)載下，結(jié)合實(shí)際任務(wù)需求，主要是由機(jī)械手系統(tǒng)、打擊系統(tǒng)以及觀察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等構(gòu)成。在遠(yuǎn)程操作平臺下，作為機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)控制端，是由遠(yuǎn)程控制祭祀算計以及相應(yīng)操作界面等構(gòu)成的，同時，還需具備完善的通訊系統(tǒng)，具體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 特種地面移動機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 具體設(shè)計方法

2.2.1 在移動底盤系統(tǒng)的設(shè)計上

基于這一機(jī)械系統(tǒng)下，移動底盤承擔(dān)著任務(wù)荷載的功能，在實(shí)際運(yùn)行中，則是在接收到遠(yuǎn)程控制命令后，將任務(wù)運(yùn)送到指定地點(diǎn)，要求要在具備良好動力性能與通行能力的基礎(chǔ)上，具備相應(yīng)的負(fù)載能力、防護(hù)能力，且底盤要具備良好的剛性與穩(wěn)定性。

其中，在底盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計上，基于實(shí)際運(yùn)行環(huán)境與任務(wù)需求下，可選擇履帶式結(jié)構(gòu)作為驅(qū)動裝置，常用的履帶驅(qū)動有前置、后置以及高置三種，而從坦克裝甲車的設(shè)計看，采用高置履帶形式下傳送的效率偏低，而對于小型的地面移動機(jī)器人而言，運(yùn)用這一履帶方式會耗費(fèi)極大的電能，并弱化機(jī)器人的動力性能。而與前置履帶形式相比，后置形式運(yùn)行的阻力較小，進(jìn)行促使相應(yīng)的移動效率較高，并且不容易發(fā)生履帶脫離現(xiàn)象，因此，選擇驅(qū)動輪后置結(jié)構(gòu)。在動力分系統(tǒng)的設(shè)計上，為了促使機(jī)器人具備足夠的動力來實(shí)現(xiàn)移動并完成任務(wù)，就需要實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的合理設(shè)計，但需要注意的是要避免過分加大動力系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)良好的匹配。在實(shí)際設(shè)計中，選擇了兩個直流伺服電機(jī)與相應(yīng)控制系統(tǒng)組成了這一動力分系統(tǒng)。在傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計上，基于特種地面移動機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行之需下，對底盤負(fù)載能力提出了較高的要求，并要具備高速低力矩輸出。在實(shí)際設(shè)計中，采用的是變速箱設(shè)計，借助所具備的多個檔位以及對傳動鏈的改變，能夠滿足實(shí)際使用之需。

2.2.2 在上層搭載系統(tǒng)的設(shè)計上

在整個機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)中，負(fù)載系統(tǒng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要結(jié)合實(shí)際任務(wù)之需，根據(jù)任務(wù)剖面來選配不同的負(fù)載，在實(shí)際設(shè)計中，相應(yīng)的負(fù)載與自身所具備的功能如下：第一，在兩自由度武器平臺上，其能夠?qū)崿F(xiàn)不同任務(wù)的執(zhí)行，并實(shí)現(xiàn)對武器裝備的選配，在運(yùn)行中，要能夠?qū)崿F(xiàn)對目標(biāo)的可靠觀測與瞄準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)武器激發(fā)來完成打擊任務(wù)；第二，重抓取能力機(jī)械手，主要的功能的是在完成簡單搬運(yùn)工作的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對爆炸物的處理，要求要具備良好的靈活性與較強(qiáng)的功能新；第三，武器定裝機(jī)械手，主要的功能在于實(shí)現(xiàn)對近距離輕型武器的搭載，實(shí)現(xiàn)對前兩項(xiàng)負(fù)載的有效補(bǔ)充，主要搭載的武器為阻擊步槍等。在實(shí)際進(jìn)行設(shè)計的過程中，要求上層搭載系統(tǒng)各部分構(gòu)件要具備如下的性能特點(diǎn)：在具備良好堅固性的基礎(chǔ)上方便使用，同時要確保體積小、穩(wěn)定性高且易于修復(fù)。

在具體設(shè)計中，基于兩自由度武器平臺的設(shè)計上，選擇了具備武器與觀瞄設(shè)備的回轉(zhuǎn)型平臺，且是由高低、兩自由度組成，并基于武器的特殊需求進(jìn)行了特殊設(shè)計。為了確?；剞D(zhuǎn)重復(fù)定位具備較高的精準(zhǔn)度，則采用了精密性星齒輪減速器，用以支撐傳動之需，并增加了選裝變壓器，以實(shí)現(xiàn)對回轉(zhuǎn)精度的進(jìn)一步控制。在武器定裝機(jī)械手的設(shè)計上，具備了三個自由度，也就是相應(yīng)的肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)在仰俯上活動自由，且相應(yīng)旋轉(zhuǎn)自由，在手肘關(guān)節(jié)上，采用了傳動軸與支撐桿件，在滿足武器定裝之需的同時，實(shí)現(xiàn)對肘關(guān)節(jié)仰俯角度的有效控制。而在重抓取能力機(jī)械手的設(shè)計上，則結(jié)合實(shí)際任務(wù)之需，采用了六個自由度的設(shè)計方案，在完全伸展開的前提下，最大抓取能力在20kg。且在這一設(shè)計上，能夠提升機(jī)器人處理危險品的能力，而最為突出的一點(diǎn)是，在實(shí)際設(shè)計中，將大臂回轉(zhuǎn)和仰俯自由度進(jìn)行了結(jié)合設(shè)計，能夠?yàn)橛行Ы档蜋C(jī)械臂負(fù)載。通過如上設(shè)計的完成，則能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)上層搭載系統(tǒng)的完善設(shè)計并滿足機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行之需。

3 結(jié)語

綜上，基于信息化軍事作戰(zhàn)背景，為了進(jìn)一步提升我國軍隊(duì)作戰(zhàn)的智能化水準(zhǔn)，特種地面移動機(jī)器人被逐漸運(yùn)用于軍事領(lǐng)域中。為了確保相應(yīng)機(jī)器人能夠滿足實(shí)際運(yùn)用之需，就需要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)機(jī)械系統(tǒng)的完善設(shè)計。在實(shí)踐中需要結(jié)合機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行環(huán)境與任務(wù)需求，明確總體功能并制定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，針對機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的移動底盤系統(tǒng)以及上層搭載系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完善設(shè)計。

[1]盧秋紅，蔣金鵬，付西光.基于開放式架構(gòu)的反恐排爆機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)分析[J].上海電機(jī)學(xué)院學(xué)報，2014,9.

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