周思全，占向輝

（吉林大學(xué)珠海學(xué)院，廣東 珠海519041）

目前中國的機器人的產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展，相對應(yīng)也擴大了全球機器人的市場規(guī)模，特種、服務(wù)機器人增速較穩(wěn)定。而本文講述的拆彈機器人因能在許多環(huán)境下，通過防爆專家或者專業(yè)人士的操控和指揮排除危險或拆除炸彈，極大地保護了人身安全和人民的生命財產(chǎn)安全。但是，對于普通的拆彈機器人來說，一般的移動輪機構(gòu)在轉(zhuǎn)彎時都需要一定旋轉(zhuǎn)半徑，在窄小的空間里一般不能水平橫向移動，這在一定程度上限制了輪式機器人的使用。但是麥克納姆輪拆彈機器人可在原地移動任何角度，身體轉(zhuǎn)動非常順暢，可沿著水平方向所有的連續(xù)路線移動，成為移動機構(gòu)中的發(fā)展趨勢。由于拆彈機器人需要精準多方位的移動，因此麥克納姆輪全方位輪式移動能夠較好解決這一問題。

本文描述的麥克納姆輪小車主要改進是完全拋棄了傳統(tǒng)小車的驅(qū)動輪，并使用了四輪驅(qū)動的麥克納姆輪。與普通的小車相比，它具有靈活的轉(zhuǎn)向、動力、穩(wěn)定性等優(yōu)勢。由于道路路段復(fù)雜，尤其面對狹窄的道路時，普通小車無法通過，而本文講述的拆彈機器車就可以解決這種問題，小車可以在復(fù)雜的路段使用平移方法轉(zhuǎn)彎，從而大大減少了使用時間。由于常規(guī)車身在涉險路段或急轉(zhuǎn)彎時不穩(wěn)定，四輪驅(qū)動功能能夠克服急轉(zhuǎn)彎和障礙物，從而大大提高小車的行駛穩(wěn)定性，大大改善小車的運動。它更適合應(yīng)用于軍事，并且很可能在以后應(yīng)用于災(zāi)難救援中。

1 麥克納姆輪運動仿真建立

1.1 麥克納姆輪參數(shù)化模型

麥克納姆輪的車輪是可以全方位移動的，它的組成部分主要是輪轂和輥子。首先對小麥輪的安裝尺寸和輪轂作用進行了整體設(shè)置，確定了成型小麥輪所需的參數(shù)。麥輪寬是影響麥輪質(zhì)量的最重要參數(shù)之一，同時要設(shè)置軸與輪轂之間的固定角度為45°。通過設(shè)置麥輪的參數(shù)：車輪尺寸、輪寬、輪轂厚度、輥子軸個數(shù)、輥子軸直徑以及長度，采用UGNX10.0 軟件三維建模并裝配組裝成麥輪的參數(shù)化模型，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 麥克納姆輪UG 三維建模

1.2 機器人虛擬樣機建模

除了設(shè)計麥克納姆輪的結(jié)構(gòu)，在原有的基礎(chǔ)上設(shè)計建模并且裝配了機械手，打造拆彈機器人更加真實的模樣，最終建模結(jié)果如圖2 所示。

圖2 虛擬樣機的建模

整個拆彈機器人虛擬樣機的結(jié)構(gòu)包括4 個麥克納姆輪、4 個獨立懸掛系統(tǒng)、1 個機械手。麥克納姆輪可以非常靈活地運動，可沿平面上任意連續(xù)軌跡走到要求的位置；在不平整的路面，獨立懸掛系統(tǒng)提高了以麥克納姆輪為底盤的機器人的穩(wěn)定性；機械手的地盤可以進行360°轉(zhuǎn)動，連桿部分可以實現(xiàn)多角度彎曲調(diào)試，以精確地抓取目標物件。

整個機器人的運動方案主要是將麥克納姆輪的多維度運動與機械手配合，讓機器人順利到達目的地，順利拆除目標。

2 機器人虛擬樣機的運動仿真

對于機器人虛擬樣機的運動仿真，主要是對4 個麥克納姆輪的不同狀態(tài)進行仿真并加以分析。在整個設(shè)計過程中，使用西門子UG NX10.0 軟件進行運動仿真，使設(shè)計過程的尺寸和結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)，提高三維設(shè)計的效率。

2.1 第一種狀態(tài)

當(dāng)4 個麥輪想要執(zhí)行向前或向后運動時，小車可以實現(xiàn)向前或向后運動。

仿真方案：為探討輥子在驅(qū)動輪勻速條件下的運動情況，通過NX10.0 運動仿真模塊，給予驅(qū)動輪一個恒定的轉(zhuǎn)速，研究其對輥子的速度及加速度的影響。

運動副：添加一個以車身為基軸的旋轉(zhuǎn)副，并為其添加一個恒定的速度，再為每一個單獨的輥子添加一個相對于驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)副，使其可以相對于驅(qū)動輪自轉(zhuǎn)，然后為輥子與地面添加3D 接觸，附上合理的摩擦力和重力。

結(jié)果：導(dǎo)出最終分析結(jié)果，如圖3 所示。驅(qū)動輪在勻速條件下，輥子做勻速運動，由于每個驅(qū)動輪上有16 個輥子，計算得出每個輥子接觸地面角度為22.5°，所以速度和位移曲線會呈現(xiàn)周期性變化，同時加速度為0，符合預(yù)期對其運動仿真的要求。

圖3 小車輥子平移加速度、速度、位移分析結(jié)果

2.2 第二種狀態(tài)

當(dāng)小車行駛到直角拐彎時，路寬略大于車長，而普通小車幾乎無法轉(zhuǎn)彎，而汽麥克納姆輪可以通過自身的優(yōu)勢直接向右行駛順利通過復(fù)雜路段。

仿真方案：為探討輥子在驅(qū)動輪加速條件下的運動情況，通過NX10.0 運動仿真模塊，給予驅(qū)動輪1、3 一個逆時針轉(zhuǎn)向的加速度、給予驅(qū)動輪2、4 一個順時針的加速度，給予驅(qū)動輪一個恒定的加速度，研究其對輥子的速度及加速度的影響。

運動副：對驅(qū)動輪整體添加一個以車身為基軸的旋轉(zhuǎn)副，并為其添加一個加速度，再為每一個單獨的輥子添加一個相對于驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)副，使其可以相對于驅(qū)動輪自轉(zhuǎn)，然后為輥子與地面添加3D 接觸，附上合理的摩擦力和重力。

結(jié)果：導(dǎo)出最終分析結(jié)果，如圖4 所示。驅(qū)動輪在加速條件下，加速度恒定，每個輥子的速度越來越大，單個輥子接觸的地面的周期越來越小，并且加速度也在不斷增加。驅(qū)動輪1、3 和驅(qū)動輪2、4 的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速不同，小車可實現(xiàn)向右平移，符合預(yù)期對其運動仿真的要求。

圖4 小車輥子平移加速度、速度、位移分析結(jié)果

3 結(jié)論

本方案設(shè)計了基于麥克納姆輪的拆彈機器人，用UG NX 軟件制作出來數(shù)學(xué)模型然后進行裝配，并且做了運動學(xué)仿真，在各種仿真情況下都能符合人們的要求。