楊柳勇，莊陳鳳

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一種小型工程車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

楊柳勇1，莊陳鳳2

（1.溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江 溫州 325035；2.龍泉市車輛綜合性能檢測(cè)站，浙江 龍泉 323700）

該工程車為機(jī)器人比賽中的工程機(jī)器人，主要結(jié)構(gòu)包括底盤(pán)，外殼，前鏟，甲板，麥克納姆輪，甲板傳動(dòng)裝置。工程機(jī)器人在比賽中擔(dān)任輔助其它機(jī)器人，做后勤工作的任務(wù)。其基本功能包括：①實(shí)現(xiàn)彈丸的運(yùn)輸和補(bǔ)給。②干擾敵方機(jī)器人的進(jìn)攻路線，打亂對(duì)方陣型。工程機(jī)器人在比賽中僅有一輛，因此其重要性不言而喻。一旦工程機(jī)器人被擊殺，則我方的后勤補(bǔ)給將嚴(yán)重落后于敵方，極其不利于我方其它機(jī)器人進(jìn)行接下來(lái)的戰(zhàn)斗。因此工程機(jī)器人自身的靈活走位和自保能力尤為重要。

彈丸補(bǔ)給；干擾；自保

前言

機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)今世界的主流尖端科技。在經(jīng)過(guò)了 50 多年發(fā)展之后，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迎來(lái)了全新的時(shí)代。在未來(lái)的 3 到 5 年內(nèi)，全球機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)，而中國(guó)將成為全球最重要的市場(chǎng)之一。工程機(jī)器人（工程車）是其中的一種，設(shè)計(jì)要求如下：底盤(pán)是指承載和安裝機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)及其附屬部件，可使機(jī)器人產(chǎn)生水平方向運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。裝甲模塊是模擬裝甲保護(hù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，工程機(jī)器人的裝甲與底盤(pán)剛性連接成一個(gè)整體，比賽過(guò)程中裝甲與底盤(pán)不可發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。見(jiàn)圖1所示。以下為設(shè)計(jì)模塊詳述。

1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.1 麥克納姆輪的工作原理

見(jiàn)圖2所示。該工程車通過(guò)控制麥克納姆輪可以實(shí)現(xiàn)在平坦地面上的全向運(yùn)動(dòng)，這種全方位移動(dòng)方式是基于一個(gè)有許多位于機(jī)輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機(jī)輪轉(zhuǎn)向力轉(zhuǎn)化到一個(gè)機(jī)輪法向力上面。依靠各自機(jī)輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產(chǎn)生一個(gè)合力矢量從而保證了這個(gè)平臺(tái)在最終的合力矢量的方向上能自由地移動(dòng)，而不改變機(jī)輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當(dāng)輪子繞著固定的輪心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)小滾子的包絡(luò)線為圓柱面，所以該輪能夠連續(xù)地向前滾動(dòng)。麥克納姆輪結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動(dòng)靈活，是很成功的一種全方位輪。有4個(gè)這種新型輪子進(jìn)行組合，可以更靈活方便的實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)功能?；邴溈思{姆輪技術(shù)的全方位運(yùn)動(dòng)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)前行、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)及其組合等運(yùn)動(dòng)方式。

圖1 小型工程車的三維模型

圖2 麥克納姆輪

1.2 麥克納姆路的思路

該驅(qū)動(dòng)方式使工程車能夠在狹隘地形依然保持優(yōu)秀的機(jī)動(dòng)性，可以充分利用地形進(jìn)行躲避和追擊。每一個(gè)麥克納姆輪均采用獨(dú)立懸掛式安裝，再將四個(gè)電機(jī)集中到一個(gè)總控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)需要執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以直接控制相關(guān)麥輪的運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)方式見(jiàn)圖3-6所示。紅色實(shí)線箭頭是車輪向前轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力，藍(lán)色箭頭是車輪向后轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦力，虛線是分力。

圖3 麥輪前轉(zhuǎn)受力分析a

于是圖3左邊的小車就會(huì)向前跑，右邊的小車會(huì)向后跑。

圖4左邊的小車就順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，右邊的小車逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖4 麥輪前轉(zhuǎn)受力分析b

圖5左邊的小車向左平移，右邊的小車向右平移。圖6麥輪斜向運(yùn)動(dòng)。

圖5 麥輪受力分析c

圖6 麥輪斜向運(yùn)動(dòng)

2 甲板伸縮機(jī)構(gòu)

圖7甲板的伸出縮回功能，幫助工程車輕易地實(shí)現(xiàn)了彈丸的補(bǔ)給。在取彈位置，伸出甲板可以獲取大量彈丸，但甲板若長(zhǎng)期處于彈出狀態(tài)，一方面重心會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的偏移，另一方面也不利于工程車在狹隘路段的轉(zhuǎn)向等。為了保證工程車在行駛過(guò)程中的平穩(wěn)性，做了可以收回甲板的設(shè)計(jì)。該甲板運(yùn)動(dòng)由齒輪齒條來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)?？刂讫X輪的電機(jī)獨(dú)立傳動(dòng)，與麥輪電機(jī)類似地連接到總控制系統(tǒng)。齒輪齒條傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式相比較于常見(jiàn)的鏈傳動(dòng)具有更好的平穩(wěn)性，在彈丸獲取的過(guò)程從減少了甲板的振動(dòng)，防止彈丸大量地散落。

圖7 甲板下的齒輪齒條機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)甲板的伸出和縮回

3 前鏟

工程車在比賽中經(jīng)常被當(dāng)做是一個(gè)輔助位來(lái)看待，一旦遭遇到其它具備進(jìn)攻能力強(qiáng)大的機(jī)器人車輛就會(huì)陷入任人宰割的局面，但由于工程車無(wú)法自行發(fā)射彈丸進(jìn)行正面的戰(zhàn)斗，我們可以利用工程車體積較大，重量在所有車輛中處于中上的一個(gè)噸位來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)能夠?qū)π⌒筒奖囋斐赏{的前鏟，見(jiàn)圖8。該前鏟上有鋸齒狀紋路，一旦卡住敵方步兵車的要害位置，便可將其牢牢“抓住”，然后利用墻體和自身重量的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行猛烈的沖擊。這要求前鏟一方面要足夠低，只有低于其他車輛的底盤(pán)才有可能實(shí)現(xiàn)上述功能。另一方面前鏟也是工程機(jī)器人正面的兩塊“裝甲”，為了適應(yīng)激烈的對(duì)抗，需要使用強(qiáng)度較好的材料來(lái)制作。

圖8 工程車前鏟

4 彈簧

每一個(gè)麥克納姆輪的懸架均配置有彈簧緩震機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖9所示。該機(jī)構(gòu)一方面是為了減少工程車在行駛過(guò)程中遇不平坦路面的振動(dòng)，導(dǎo)致甲板上的部分彈丸會(huì)散落出去。更主要的是大大強(qiáng)化了車輛在對(duì)抗中的穩(wěn)定性，在防側(cè)翻上具有更好的表現(xiàn)。每個(gè)懸架上的彈簧并非垂直設(shè)計(jì)，而是更接近于水平方向的傾斜設(shè)計(jì)。當(dāng)工程車毫無(wú)防護(hù)的側(cè)面受到撞擊時(shí)，能夠大大減緩沖擊力，防止側(cè)翻。

圖9 減震彈簧

[1] 張星.重慶大學(xué)——基于麥克納姆輪的全向AGV運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究[J].重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文,2016,05.

[2] 第十七屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽RoboMaster機(jī)甲大師裁判系統(tǒng)規(guī)范手冊(cè),2018.01.

[3] 假如明天沒(méi)有太陽(yáng).CSDN博客.麥克納姆輪全向移動(dòng)原理,2017. 07.20.

A kind of small engineering vehicle structure design

Yang Liuyong1, Zhuang Chenfeng2

( 1.Wenzhou university, Zhejiang Wenzhou 325035;2.Longquan City Vehicle Comprehensive Performance test station, Zhejiang Longquan 323700 )

This engineering vehicle is an engineering robot in the master of machine a competition. Its main structure includes chassis, shell, front shovel, deck, McNamee wheel and deck transmission device. Engineering robot in the competition to assist other robots, do the task of logistics. Its basic function includes the transportation and supply of lairealization projectile. To disrupt the attacking line of enemy robots and the formation of the enemy. The engineering robot is only one in the race, so its importance is obvious. Once the engineering robots are killed, our logistics will be seriously behind the enemy, and will be extremely detrimental to our other robots in the next fight. Therefore, the flexible walking and self-protection ability of engineering robots is particularly important.

projectile supply; Interference; self-preservation

U462.1

A

1671-7988(2018)21-109-03

U462.1

A

1671-7988(2018)21-109-03

楊柳勇，就職于溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。

溫州大學(xué)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放項(xiàng)目（18SK72）。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.038