劉吉兆 劉軒昂 陳豐峰 劉仁杰 黃 錦

1.湖南工學(xué)院，衡陽，421002 2.中南大學(xué)，長沙，410082

0 引言

近年來，多發(fā)的自然災(zāi)害、人為災(zāi)難嚴(yán)重威脅著人類生命財(cái)產(chǎn)安全，引起了人們的廣泛關(guān)注。在一些突發(fā)性災(zāi)難現(xiàn)場，如火災(zāi)隨時(shí)可能引發(fā)的爆炸、地震后建筑物二次倒塌、有毒物質(zhì)泄露等現(xiàn)場，施救人員無法深入現(xiàn)場探測或救援。人們急于探知災(zāi)難現(xiàn)場的內(nèi)部險(xiǎn)情，但又難以接近或進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場，此時(shí)，搜救車的參與可有效提高搜救效率，減少施救人員傷亡。近10年來，美國、日本等發(fā)達(dá)國家在地震、火災(zāi)等救援機(jī)器人的研究方面做了大量的工作，研究出各種可用于災(zāi)難現(xiàn)場救援的機(jī)器人，如美國iRobot公司生產(chǎn)的Pack－Bot系列機(jī)器人［1］、加拿大Inuktun公司研制的Micro VGTV多態(tài)搜救機(jī)器人［2］，美國卡梅隆大學(xué)研制的安裝在移動(dòng)平臺(tái)上的蛇形機(jī)器人，日本大阪大學(xué)研制的蛇形機(jī)器人［3］，美國加州大學(xué)伯克利分校研制的大小不足3cm的蒼蠅搜救機(jī)器人［4］。在國內(nèi)，救災(zāi)機(jī)器人的研究剛剛起步，但進(jìn)展很快。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所［5］、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)［6］、北京航空航天大學(xué)等單位也都相繼研制出類似的蛇形機(jī)器人系統(tǒng)。

目前，國內(nèi)外研制的履帶式搜救機(jī)器人雖具有較強(qiáng)的越障能力，但大多數(shù)體積過大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、缺乏對狹小空間進(jìn)行探測的能力［7］；而輪式搜救機(jī)器人雖能對狹小空間進(jìn)行探測，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不具備越障能力等問題。為此，本文設(shè)計(jì)出了一種能模仿蛇形進(jìn)行球面探測，并具有較強(qiáng)越障能力，能對狹小空間進(jìn)行探測的仿生越障探測車，該車可應(yīng)用于地震、礦難、火災(zāi)等災(zāi)難搜索救援工作。

1 探測車的組成和工作原理

探測車包括機(jī)械部分和電控部分。機(jī)械部分由行走越障系統(tǒng)和蛇形探測系統(tǒng)組成，電控部分由供電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機(jī)載遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)組成。圖1為該探測車的三維仿真圖。

1.1 機(jī)械部分

1.1.1 行走越障系統(tǒng)

行走越障系統(tǒng)由車架1、前輪雙曲柄越障機(jī)構(gòu)2、左右側(cè)部平行四邊形越障機(jī)構(gòu)3和后輪支撐機(jī)構(gòu)4組成，如圖1所示。本車設(shè)計(jì)為六輪越障，車體前后各安裝一個(gè)能轉(zhuǎn)向的驅(qū)動(dòng)輪，兩側(cè)各有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，此設(shè)計(jì)可以保證車體在崎嶇不平的路面上運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。各桿的連接均為鉸接，從而增強(qiáng)探測車的機(jī)動(dòng)性。

（1）車架。車架由高強(qiáng)度、輕量化的纖維樹脂材料制造而成，設(shè)計(jì)形狀為類五邊形，可使車體機(jī)動(dòng)靈活越障。

圖1 探測車的三維仿真圖

（2）前輪雙曲柄越障機(jī)構(gòu)（圖2）。前輪雙曲柄越障機(jī)構(gòu)由平面雙曲柄機(jī)構(gòu)、減震彈簧、轉(zhuǎn)向電機(jī)及導(dǎo)向前輪組成。當(dāng)前輪遇到障礙時(shí)，其受到的阻力使平面雙曲柄機(jī)構(gòu)產(chǎn)生被動(dòng)形變，從而帶動(dòng)前輪沿障礙側(cè)壁爬升攀越障礙。彈簧4可隨著伸縮軸的滑動(dòng)而伸縮起到蓄能減震作用；轉(zhuǎn)向電機(jī)6帶動(dòng)車體前叉轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)輪胎7轉(zhuǎn)向。

圖2 前輪雙曲柄越障機(jī)構(gòu)原理圖

（3）側(cè)部平行四邊形越障機(jī)構(gòu)（圖3）。兩側(cè)平行四邊形越障機(jī)構(gòu)包括兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)和前后驅(qū)動(dòng)輪。當(dāng)前驅(qū)動(dòng)輪與障礙物接觸時(shí)，平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)整體產(chǎn)生形變，前輪形成有效被動(dòng)越障，后輪依然與地面接觸推動(dòng)車體向前；當(dāng)前輪越過障礙后即轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)輪，帶動(dòng)后輪攀爬障礙。由于平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)遇障礙偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生形變，降低了車體重心、上升高度和傾斜度，從而使得探測車能夠更平穩(wěn)地實(shí)現(xiàn)單邊越障。

圖3 側(cè)部平行四邊形連桿越障機(jī)構(gòu)原理圖

（4）后輪支撐機(jī)構(gòu)（圖2中的部件4）。后輪支撐機(jī)構(gòu)和前輪雙曲柄越障機(jī)構(gòu)的組成相同，這樣能實(shí)現(xiàn)前后方向上的越障。當(dāng)車體前進(jìn)時(shí)后輪起支撐作用，保證車體的平穩(wěn)性。

1.1.2 蛇形探測系統(tǒng)

蛇形探測系統(tǒng)由多組兩自由度角斜機(jī)構(gòu)（圖4）和攝像頭（或其他傳感器）組成。兩自由度角斜機(jī)構(gòu)由直齒圓錐齒輪3、角斜連桿2、45°角的錐齒輪曲軸4及機(jī)架組成。

圖4 兩自由度角斜機(jī)構(gòu)原理圖

直流伺服電機(jī)1帶動(dòng)直齒圓錐齒輪繞45°角的錐齒輪曲軸公轉(zhuǎn)，直流伺服電機(jī)2帶動(dòng)整個(gè)角斜機(jī)構(gòu)進(jìn)行自轉(zhuǎn)，當(dāng)這兩個(gè)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行時(shí)能達(dá)到空間球面轉(zhuǎn)動(dòng)的效果。在多組角斜機(jī)構(gòu)的協(xié)同工作下，使得蛇形探測系統(tǒng)能夠進(jìn)行空間360°的柔性轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣裝在角斜機(jī)構(gòu)的攝像頭就能達(dá)到對狹小空間進(jìn)行探測的目的。

1.2 電控部分

圖5為探測車電控系統(tǒng)原理框圖。整個(gè)車載控制系統(tǒng)使用一臺(tái)九通道35MHz無線遙控發(fā)射/接收器作為主控制器，運(yùn)用PWM控制方式，伺服電機(jī)外接MOSFET放大電橋作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分。蛇形探測系統(tǒng)采用單片機(jī)主控，配合預(yù)先設(shè)定好的系統(tǒng)邏輯混控電路，其中兩個(gè)通道用于電機(jī)位置選擇，由單片機(jī)選擇接通對應(yīng)一對電機(jī)的通斷，另兩個(gè)通道分別控制兩個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速。

圖5 探測車電控系統(tǒng)原理圖

1.2.1 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)采用16片相互串聯(lián)的鋰電池，其中12V作為驅(qū)動(dòng)電源，5V作為控制電源。蓄電池和機(jī)載電路板安裝在車架內(nèi)部，蓄電池左側(cè)設(shè)有電源開關(guān)、充電插頭等輔助電氣設(shè)備。

1.2.2 控制系統(tǒng)

遙控發(fā)射/接收采用PCM編碼技術(shù)傳輸控制信號，PCM是以PCM幀的形式發(fā)送控制信號，在發(fā)送之前將脈沖寬度用數(shù)字編碼反映舵機(jī)臂的位置，同時(shí)加入CRC校驗(yàn)算法，接收機(jī)收到PCM幀，根據(jù)脈沖轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，然后進(jìn)行CRC校驗(yàn)。如果受到干擾，則二進(jìn)制數(shù)據(jù)位會(huì)發(fā)生變化，則CRC校驗(yàn)無法通過，接收機(jī)丟棄該幀，等待接收下一個(gè)正常的幀。

譯碼電路采用單片機(jī)作為主控器，主要由操作面板、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路以及驅(qū)動(dòng)陣列等組成。由單片機(jī)各口線控制激活相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器和繼電器。

1.2.3 機(jī)載遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)

機(jī)載遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)由一套視頻傳送系統(tǒng)和遙控系統(tǒng)組成。視頻傳送系統(tǒng)包含了攝像頭、視頻發(fā)射器及視頻接收器、監(jiān)視器等，從攝像頭輸出的圖像為亮度/色度混合的視頻信號，通過模擬無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送到接收器所處的控制臺(tái)。手持遙控器采用PCM編碼FM發(fā)射控制技術(shù)，分別設(shè)有行走越障系統(tǒng)和蛇形探測系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制桿，與車載電子線路的控制信號相匹配。

1.3 建模與仿真

運(yùn)用UG軟件對探測車進(jìn)行三維建模及模擬裝配，得到虛擬樣機(jī)（圖1）。然后運(yùn)用Adams軟件對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得出各構(gòu)件的空間運(yùn)動(dòng)軌跡圖、位移圖（圖6）、受力分析圖（圖7）等。

圖6 探測車前輪越障機(jī)構(gòu)抬高位移曲線圖

由圖6分析可知：OA段時(shí)，探測車在平地行駛；AB段時(shí)，雙曲柄機(jī)構(gòu)產(chǎn)生形變，前連桿向上抬起帶動(dòng)前輪攀越斜坡；BC段中，前輪越過斜坡并復(fù)位；CD段中，車體前輪攀越高度為100mm側(cè)面凹凸不平的臺(tái)階；DE段中，前輪越過臺(tái)階后并復(fù)位。同時(shí)，從圖6中可以確定此次探測車前輪的最大越障高度。由圖7所示的彈簧受力曲線表明，減震彈簧在攀越陡坡時(shí)受力呈直線上升趨勢，攀爬臺(tái)階時(shí)呈非線性上升趨勢，受力峰值為420N。

圖7 探測車彈簧受力曲線圖

最后通過對多種路況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，進(jìn)一步分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，從而得到最終設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 樣機(jī)制造與調(diào)試

運(yùn)用UG軟件將虛擬樣機(jī)生成零件工程圖及裝配圖，根據(jù)圖紙對探測車的各個(gè)零件進(jìn)行加工，再參照裝配圖，并結(jié)合電控部分對整車進(jìn)行組裝，實(shí)現(xiàn)機(jī)電結(jié)合。然后對實(shí)物樣機(jī)各項(xiàng)性能進(jìn)行調(diào)試、檢測，最終完成一款各種性能優(yōu)異的新型仿生越障探測車的研制工作。圖8為探測車電控系統(tǒng)實(shí)物圖，圖9為仿生越障探測車實(shí)物圖。

圖8 探測車電控系統(tǒng)實(shí)物圖

圖9 仿生越障探測車實(shí)物圖

3 技術(shù)參數(shù)

針對實(shí)物樣機(jī)，筆者對其進(jìn)行了全面的測試，得到了越障探測車的基本技術(shù)參數(shù)，如表1所示。

表1 越障探測車基本技術(shù)參數(shù)

4 結(jié)語

通過吸取國內(nèi)外搜救機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，提出了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作原理和具體方案，并對探測車各項(xiàng)功能進(jìn)行分析，確定了機(jī)械部分和電控部分的設(shè)計(jì)思路。應(yīng)用UG、Adams軟件對虛擬樣機(jī)三維建模與仿真，優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)。最后，通過加工、裝配及性能調(diào)試，成功研制出一款新型仿生越障探測車。該探測車具有空間多角度蛇形探測、高機(jī)動(dòng)越障的優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于地震、礦難、火災(zāi)等災(zāi)難搜索救援以及排爆、排查有毒物泄漏等工作，基本符合各項(xiàng)搜索救援任務(wù)的要求，適應(yīng)了當(dāng)今救援機(jī)器人的發(fā)展趨勢。

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