摘 要：水陸兩棲車因具有雙重性能的特點(diǎn)，一直是車輛領(lǐng)域所研究的熱點(diǎn)問題。本文采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，利用Pro/e三維繪圖軟件創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款水陸兩棲無人巡邏車。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要包括傳動系統(tǒng)、水中推進(jìn)系統(tǒng)和機(jī)械臂系統(tǒng)三個關(guān)鍵部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本款機(jī)器人可在工業(yè)巡檢，特殊環(huán)境勘察，極地科考等多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：水陸兩棲 Pro/e 智能車

0研究背景

近年來，針對水路兩棲車的研究一直是車輛領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)問題。而水陸兩棲車“家族”主要集中在現(xiàn)代武器領(lǐng)域，一般體型較大，成本較高，且采用獨(dú)立的水上推進(jìn)器（如螺旋槳）驅(qū)動，陸上行駛則靠履帶或車輪實(shí)現(xiàn)，多用于軍事，在救援，探測和科考等領(lǐng)域應(yīng)用起來較為困難。對此，我們旨在實(shí)現(xiàn)小型、智能和低成本的設(shè)計(jì)理念，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，利用Pro/e三維繪圖軟件設(shè)計(jì)了一款水陸兩棲無人巡邏車。

1傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 減速機(jī)構(gòu)

動力從電機(jī)傳出后，經(jīng)行星齒輪減速器進(jìn)行兩級減速。行星齒輪減速器的外齒圈保持靜止，電機(jī)軸帶動第一級行星架以及與行星架相配合的太陽輪轉(zhuǎn)動，此即為從電機(jī)出來的原始轉(zhuǎn)速。第二級行星架上的行星輪繞第一級太陽輪周向轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)減速獲得第二級轉(zhuǎn)速。同理， 極行星架上的行星輪繞第二級行星架上的太陽輪周向轉(zhuǎn)動，即可再次減速獲得輸出速度。使用行星齒輪減速器經(jīng)多級減速可實(shí)現(xiàn)較大的傳動比，獲得合適的傳動速度。

1.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

采用雙差速器機(jī)構(gòu)，由變速器輸出的動力被分成兩部分，一部分動力用于動力輸出，即驅(qū)動兩側(cè)的車輪行進(jìn)，另一部分用于轉(zhuǎn)向輸出，來控制車的轉(zhuǎn)向。

如圖（1）所示，轉(zhuǎn)向過程分析如下：

（1）向左轉(zhuǎn)向時的時候，通過控制多片離合器使轉(zhuǎn)向動力與輸出動力同向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向動力帶動兩側(cè)行星齒輪架反向旋轉(zhuǎn)，由于輸出動力的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于行星齒輪架轉(zhuǎn)動的速度，因此車的速度在左端被反向減小，在右端被反向增大。這樣就使得車體向左轉(zhuǎn)向。

（2）同理，右轉(zhuǎn)時，通過控制多片離合器，使得輸出動力與轉(zhuǎn)向動力反向旋轉(zhuǎn)，車體向右轉(zhuǎn)向。

（3）檔位回正時，差速器行星架被鎖死，輸出的動力直接從差速器兩端傳至兩側(cè)車輪，此時車體保持直行。

（4）當(dāng)掛空擋的時候，輸出動力兩端的齒輪被鎖死，轉(zhuǎn)向動力持續(xù)帶動差速器的行星架反向旋轉(zhuǎn)，此時車體即可原地旋轉(zhuǎn)。

2水中推進(jìn)系統(tǒng)

2.1對車輪的改進(jìn)

為了實(shí)現(xiàn)在水中前行，該智能車采用螺旋槳作為推進(jìn)器，將螺旋槳的葉片與車輪的輪輻條有機(jī)結(jié)合設(shè)計(jì)出水陸兩棲輪。正常陸地行駛時，車輪左右對稱布置在車體兩側(cè)，當(dāng)進(jìn)入水域時，需將車輪轉(zhuǎn)過90度。水中推進(jìn)螺旋槳和陸地行駛的車輪共用一套動力，縮小了系統(tǒng)尺寸。

2.2車輪換向機(jī)構(gòu)

車體正常行駛時，動力從中央動力源傳出，此時多片摩擦離合器中的壓緊彈簧利用壓板將摩擦片壓緊在錐齒輪端面上，摩擦片與傳動軸之間通過花鍵配合，發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)矩即可傳遞到車輪轉(zhuǎn)軸上，驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)車輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向時，需要中斷傳動，此時離合器分離，通過轉(zhuǎn)動桿在箱座上的環(huán)形槽內(nèi)轉(zhuǎn)動帶動車輪轉(zhuǎn)過90度。當(dāng)轉(zhuǎn)向過程結(jié)束后，多片摩擦離合器中的壓板重新將摩擦片壓緊在錐齒輪端面上，輪開始重新正常旋轉(zhuǎn)。

3機(jī)械臂系統(tǒng)

機(jī)械臂系統(tǒng)采用關(guān)節(jié)式，共四個關(guān)節(jié)，整體自由度為6。機(jī)械臂底端固連在轉(zhuǎn)盤上，可隨轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)。前端的機(jī)械手通過四連桿機(jī)構(gòu)控制爪的開合實(shí)現(xiàn)夾取物品。機(jī)械臂設(shè)置在車體頂端的車艙內(nèi)，需要機(jī)械臂動作時打開艙門，機(jī)械臂展開作業(yè)，夾取的樣本存入車艙內(nèi)。使用結(jié)束后折疊放回車倉，關(guān)閉艙門。該水陸兩棲無人巡邏車的三維實(shí)體模型如圖（2）所示。

4產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)及適用場景分析

該水陸兩棲無人巡邏車將傳統(tǒng)車輪的輪輻條改造成螺旋槳形式，輔助以轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，以其作為推進(jìn)裝置，既節(jié)省了空間，而且在支撐承重的同時兼做水中推進(jìn)用途。整體靈活性較高，可實(shí)現(xiàn)較廣的作業(yè)范圍，可折疊式機(jī)械臂結(jié)構(gòu)同時保證了車型整體的美觀性。

該智能車由于其強(qiáng)大的交通適應(yīng)能力，可用于探測巡檢，收集樣本；還可以代替救援人員進(jìn)行現(xiàn)場探測，使得救援人員及時了解現(xiàn)場情況；對于特殊場合，也可以通過操縱機(jī)械手直接進(jìn)行現(xiàn)場維修。在提高勞動效率的同時，更保障了工作的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳亮. 一種新型的水陸兩棲球形機(jī)器人的研究[D]. 北京郵電大學(xué)， 2012.

[2] 馮巍， 楊洋， 周靜. 小型兩棲機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與水動力學(xué)分析[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2006， 25（11）：1325-1327.

[3] 楊清海， 喻俊志， 譚民，等. 兩棲仿生機(jī)器人研究綜述[J]. 機(jī)器人， 2007， 29（6）：601-608.

[4] Jung Seung Ho Jeong， Design and control of a small quad-rotor system under practical limitations[M]：IEEE，2011：1163-1167.

[5] 黃遠(yuǎn)燦. 國內(nèi)外軍用機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2009（2）：25-31.

作者簡介：段東新（1998-），男，山東菏澤人，山東科技大學(xué)本科生在讀，主修機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)。