一種可投擲輪式偵察機(jī)器人的設(shè)計(jì)

沈軻飏，錢瑞明

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 211189)

小型化的可移動(dòng)偵察機(jī)器人在戰(zhàn)爭(zhēng)、反恐以及救援等領(lǐng)域的需求日顯突出。然而，在有些特定區(qū)域，比如狹小空間或者室內(nèi)，小型偵察機(jī)器人存在體積過大以及容易被發(fā)現(xiàn)等局限性(隱蔽性不夠)［1］。另外，小型偵察機(jī)器人也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本過高等缺點(diǎn)。而微型偵察機(jī)器人可以有效地彌補(bǔ)小型偵察機(jī)器人在以上方面的缺陷，可以協(xié)同甚至搭載在小型偵察機(jī)器人上面，從而更高效地完成特定任務(wù)。例如，由美國(guó)PARPA公司研發(fā)的Recon Scout機(jī)器人已經(jīng)裝備在軍隊(duì)的執(zhí)法機(jī)構(gòu)、海軍、聯(lián)邦調(diào)查局以及邊境巡邏隊(duì)等部門，并已在處理危險(xiǎn)事件中發(fā)揮了重要作用。由Rafal Czupryniak和Maciej Trojnacki開發(fā)的TTR可投擲偵察機(jī)器人［2］，能夠承受從7m高度掉落的沖擊。

模塊化設(shè)計(jì)作為一種大規(guī)模定制設(shè)計(jì)的重要方法，通過功能模塊的不同組合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的多樣化和用戶化，已廣泛應(yīng)用于機(jī)床、減速器、計(jì)算機(jī)、家電和家具等行業(yè)。而在國(guó)內(nèi)，特殊作業(yè)機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)尚處于研究階段。本文將模塊化的理念融入微型可投擲機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，研究模塊化微型可投擲偵察機(jī)器人的可實(shí)現(xiàn)性以及具體實(shí)現(xiàn)方法。

1 可投擲移動(dòng)機(jī)器人整體方案

為使機(jī)器人在投擲后具有移動(dòng)能力，機(jī)器人應(yīng)配置具有移動(dòng)功能的“肢干”，這些肢干可以是輪子、腿或者履帶等等。在選擇移動(dòng)方式時(shí)，應(yīng)考慮其在與地面觸碰過程中能夠吸收盡可能多的沖擊能量［3］。與腿式和履帶式移動(dòng)方式相比，輪式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，抵抗沖擊的各向同性能力強(qiáng)，在可投擲機(jī)器人的設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多。

基于可投擲、可移動(dòng)的功能目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用啞鈴式二輪結(jié)構(gòu)，如圖1所示，它由柱狀的機(jī)器人主體2、位于兩側(cè)的移動(dòng)輪3和后支撐桿1組成。在主體2上裝有傳感器攝像頭4、LED光源5以及麥克風(fēng)6，7和8分別為電機(jī)和內(nèi)部傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。為了提高機(jī)器人的抗震能力，主體直徑略小于移動(dòng)輪;移動(dòng)輪采用彈性較好的橡膠材料。內(nèi)置于主體2中的兩個(gè)電機(jī)通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別給兩個(gè)移動(dòng)輪提供動(dòng)力。

圖1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖

2 可投擲移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 移動(dòng)輪設(shè)計(jì)

在機(jī)器人跌落地面瞬間，移動(dòng)輪是第一道吸能減震環(huán)節(jié)，移動(dòng)輪產(chǎn)生形變可以有效吸收由于碰撞造成的沖擊，以保護(hù)機(jī)器人重要零部件。因此，移動(dòng)輪的設(shè)計(jì)將直接影響機(jī)器人的投擲性能［4］。

采用橡膠材料制作移動(dòng)輪，主要成分是丁苯橡膠(SBR)以及丁基橡膠(IIR)，將它們按照一定比例混合，達(dá)到設(shè)計(jì)需要的硬度，并具有較好的耐磨性﹑耐老化性和耐水性。

針對(duì)多種應(yīng)用環(huán)境，筆者設(shè)計(jì)了幾款不同的移動(dòng)輪，如圖2所示。A型移動(dòng)輪為螺旋式，由主輪伸出厚度較小、易于形變的12只“觸手”，在沖擊不算大的場(chǎng)合，觸手擔(dān)任吸收沖擊能量的主要任務(wù);而當(dāng)沖擊較大時(shí)，主輪也會(huì)發(fā)生形變來吸收沖擊能量。A型移動(dòng)輪具有一定的越障能力，而且質(zhì)量輕，但由于多邊形結(jié)構(gòu)導(dǎo)致平順性不夠好，使機(jī)器人在快速移動(dòng)過程產(chǎn)生較大噪聲。B型移動(dòng)輪為花瓣式，通過鏤空的方式來改變局部硬度，相比于A型，犧牲了部分的越障能力，換來更好的平順性。C型為齒輪式，幾乎沒有越障能力，但有最好的靜音性能。

圖2 不同式樣的移動(dòng)輪

2.2 可調(diào)角度支撐桿設(shè)計(jì)

為了使得機(jī)器人能夠獲得不同的俯仰角，以便獲得最合適的視野，尾部支撐桿采用了可以手動(dòng)調(diào)節(jié)角度的機(jī)構(gòu)，如圖3所示。支撐桿的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可看成一個(gè)空間連桿機(jī)構(gòu)，其中A為移動(dòng)副，B為球－平面副，C為橡膠柔性件，此處簡(jiǎn)化為球面副。調(diào)節(jié)桿1前后移動(dòng)，便能調(diào)整支撐桿與地面的角度。支撐桿的側(cè)向定位主要靠橡膠節(jié)點(diǎn)自身的彈力。

圖3 支撐桿結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

移動(dòng)輪無法吸收來自地面的全部沖擊，沖擊能量經(jīng)過移動(dòng)輪后會(huì)傳遞到機(jī)器人主體內(nèi)部的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，然后再傳遞到電機(jī)軸上，而電機(jī)軸是所有環(huán)節(jié)中最弱的一環(huán)［4］。因而在設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，有必要考慮如何減小對(duì)電機(jī)軸的沖擊。

首先，電機(jī)自帶減速器，這樣可以減小電機(jī)軸上的工作載荷。其次，在電機(jī)減速器輸出軸與移動(dòng)輪軸之間增加一級(jí)齒輪傳動(dòng)(如圖1中8所示)，借助齒輪再次吸收部分沖擊能量，同時(shí)電機(jī)軸線與移動(dòng)輪軸線的偏置也有利于機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布置。

2.4 內(nèi)部布局

鑒于機(jī)器人的尺寸很小，合理地利用內(nèi)部空間顯得尤為重要。在設(shè)計(jì)中融入模塊化的思想，將機(jī)器人主體內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分為以下幾個(gè)功能區(qū)域，如圖4所示:電機(jī)區(qū)、控制板區(qū)、電池區(qū)以及傳感器區(qū)。各區(qū)部件均安裝在鋁合金支架上。

圖4 機(jī)器人主體支架及內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局

3 仿真分析

由于主體支架是機(jī)器人各功能區(qū)部件的支承體，所以其是保證機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和強(qiáng)度、剛度的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，因此有必要校核其力學(xué)性能。

使用ANSYS Workbench對(duì)主體支架作模態(tài)分析，結(jié)果如圖5所示，其中一階到六階的共振頻率分別 為 1 591Hz、3 797Hz、4 473Hz、5 025Hz、6 807Hz以及6 974Hz。而機(jī)器人最高移動(dòng)速度為1m/s，換算成轉(zhuǎn)速為2.3r/s。由于A型移動(dòng)輪子上有12個(gè)觸手，可以算出振動(dòng)頻率大概為28Hz，這個(gè)結(jié)果遠(yuǎn)小于核心支架的固有頻率，因此核心支架具有足夠的振動(dòng)穩(wěn)定性。

圖5 主體支架的模態(tài)分析結(jié)果(第一階振型)

圖6 跌落時(shí)輪軸受力隨時(shí)間分布

使用ADAMS對(duì)機(jī)器人進(jìn)行跌落仿真，設(shè)置機(jī)器人從2m高處水平跌落至剛性地面。仿真結(jié)果如圖6所示，最大接觸力發(fā)生在0.6s左右，最大值約為630N。可以看出，橡膠輪能夠起到一定的緩沖作用，輪軸承受力在允許范圍內(nèi)。

本文提出了一種微型可投擲輪式偵察機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)設(shè)計(jì)了各功能模塊，分析了關(guān)鍵件支架的力學(xué)特性，并研制出實(shí)物樣機(jī)(如圖7所示)。樣機(jī)外形尺寸為220mm×110mm×110mm，質(zhì)量800g，平地最大移動(dòng)速度1m/s，續(xù)航時(shí)間1.5h。

圖7 機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)

4 結(jié)束語

初步試用情況表明，該機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、行走靈活等特點(diǎn)，跨越臺(tái)階高度30mm，能承受6m投擲高度的沖擊。進(jìn)一步的極限作業(yè)能力測(cè)試尚在進(jìn)行中。

［1］ Gao Hengrui，Bi Shusheng，Zhang Rong，et al .Design of a throwable two － wheeled reconnaissance robot［C］//Proceedings of the 2012 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.Beijing:Intelligent Robotics Institute，2012:2150 －2151.

［2］ Rafal Czupryniak，Maciej Trojnacki.Throwable tactical robotdescription of construction and performed tests［J］.Journal of Automation，Mobile Robotics ＆ Intelligent Systems，2010，10(6):26－32.

［3］ Cameron J M，Arkin R C.Survival of falling robots［J］.SPIE Mobile Robots，1991，9(11):126 －128.

［4］ Zhang Liancun，Huang Qiang.Design and realization for throwable semi－ autonomous reconnaissance robot［C］//Proc.of IEEE International Conference on Automation and Logistics.Beijing:Intelligent Robotics Institute，2011:6－7.