浅述小型铰接式履带机器人的设计

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　　摘要：履带式机器人由于其紧凑的结构和强大的通过性被工业农业及消防搜救领域大规模运用。常见的履带式机器人转向方式多采用差速转向，这就对其机身的长宽比的设计有较大要求，但是实际使用中这样的设计有较大的局限性，即传统履带机器人由于差速转向的使用方式使其车身无法设计的很长，否则会有很强的横向摩擦力。但是长的车身又有助于提高其越障能力，为解决这一矛盾设计了一款小型铰接式履带机器人，并给出详细的内部结构和动力系统的解决方案。
　　 关键词：铰接;履带机器人
　　 项目来源：太原工业学院大学生创新创业项目（省级）
　　 项目编号：20181410124
　　 1.研究背景
　　 履带式搜救勘察机器人是一种以履带为行走机构，受人远距离控制的无线遥控勘察机器人，可代替人工进入废墟、危房、有害气体泄露等危险场所进行勘察搜救等工作，并可携带一定的急救物品。整机分为两部分，用作行走功能的履带及排障用的副履带，和图像传输设备组成。
　　 2.现有产品研究
　　 目前市面上常见的履带机器人多为传统形式，即使用双履带（有或无辅助越障机构）的行走机构。使用差速转向的转向方式，车身短小长宽比例较小，接近正方形。由于考虑跨越障碍的能力，底盘大多设计的较高（非全部），因此导致重心较高，这在实际使用的过程中特别是针对相对较高的障碍物会出现翻车的情况。
　　 3.研究的意义及目的
　　 为解决传统履带车由于差速转向方式使得车身不能设计的很长的问题（长的车身在差速转向时有很强的横向摩擦力，但长尺寸的车身有有助于提高越障能力，可有效防止出现因车身过短而翻车的情况），将大型工程机械中常用的铰接式转向机构代入小型履带式机器人的设计中。且将优化内部机械结构与动力系统，做到动力强、成本低、易维护、适合大规模使用的履带机器人。
　　 4.履带式机器人设计实践
　　 4.1车体结构的设计
　　 在铰接式履带机器人的设计中，将传统履带车的车身拉长，并从中部截断使之形成前车与后车，中间通过销轴铰接这便是铰接式履带车的雏形。前车与后车各有两条履带，总共四条。
　　 车体结构近似等腰梯形，前车与后车结构大致相同且呈对称状态，各由四片板状部件构成（分别是顶板、底盘、2个侧板）板状部件上有榫卯限位孔，由四根50MM螺柱上下方向连接。前后主动轮轴距为222mm。并留有用于安装其他作业设备的安装位置。
　　 4.2铰接结构与转向机构的设计
　　 由于履带式机器人整体尺寸较小又要保持良好的车身刚性，所以只保留了左右运动用来完成转向动作。
　　 前后车铰接连接点由6片三角形合页构成，每3片为一组分别位于车架最上方与最下方。前车2片后车4片相互咬合，中间由销轴贯穿，可以左右方向运动完成转向动作。
　　 转向动力来源于一台20kg扭力的金属舵机，转向舵机安装于后车前端，转向摇臂安装于前车后端。转向舵机通过“一”字型摇臂和球头拉杆将舵机的扭力传递给转向摇臂。最小转弯半径为406mm。
　　 4.3履带的形状与布局设计
　　 履带形状设计为三角形，有4对承重轮与1个主动轮构成，由一个“人”字形大架连接。主动轮设计在4对承重轮的上方与承重轮呈现三角形形状。这样的设计有助于将动力系统的整体位置抬高，从而使底盘的位置也变高，有助于提升跨越障碍的性能。
　　 4.4减震机构的设计
　　 履带减震机构由球头连杆、三角摇臂、液压减震器构成，履带在俯仰运动时，其力通过球头连杆传递给三角摇臂，三角摇臂可以改变力的方向，最后传递给机身上方的液压减震器。
　　 4.5动力系统设计
　　 中央动力使用的是3660无刷电机，使用三级减速的行星齿轮减速器，电源为3S锂电池可供机器人连续工做30分钟，可根据不同情况搭载不同容量的电池。
　　 4.6传动系统的设计
　　 传动系统的设计采用“土”字形布局，即电机通过行星齿轮减速器输出动力后经过前车波箱将动力传递给前车的主动轮，然后在通过万向节和传动轴将动力传递到后车波箱来带动后车的主动轮。
　　 4.7越障辅助机构的设计
　　 越障辅助机构由两条可以活动的副履带构成，其安装在前车履带的第一对承重轮外侧，设计副履带的意义在于，当履带车遇到高大障碍物时副履带可以起到导引的作用。
　　 4.8关于图像传输设备
　　 摄像头安装在机器人的前端，操作者可利用图像传输终端的屏幕进行第一人称和超视距范围的操作。
　　 使用5.8G 32频点 TS5823 600mw图像传输发射机和90度广角摄像头，理论有效图像传输距离为800～1200m左右。
　　 4.9关于操作
　　 使用无线遥控操作。可满足机器人的前进、后退、左转向、右转向、副履带的抬升与下降、开关图像传输设备。
　　 多余的通道可搭载其他工作设备，例如操控机械手、操控灭火器等。
　　 5.功能简述
　　 5.1新式履带机器人能完成前进后退及转向操作，最小转弯半径为406mm。
　　 5.2能跨越更高或跨距更长的障碍物，能有效的防止翻车情况的出现。
　　 5.3搭载图像传输设备，可实现第一人称视角操控或超视距操控。
　　 5.4使用无线电遥控的操控方式，可由一人或双人驾驶。主驾驶负责机器人行进操作，副驾驶负责操作作业设备。
　　 6.实物样机的制作
　　 采用3mm碳纤维板材作为车架的主要材料。连接方式主要使用螺栓螺母连接，从而达到加工和组装简易，维护和保养方便。
　　 电子设备的选配使用市面上的现有产品，包括无刷电机、无刷电子调速器、锂电池、舵机、图像传输设备等都可以轻松找到，成本低廉匹配度较高。
　　 7.外观设想
　　 外观采用“仿生”设计，以响尾蛇头部的侧形并结合已经设计好的内部结构推导铰接式履带机器人的外观。
　　 8.结束语
　　 履帶式搜救机器人能代替人类进入危险地带，可为避免事故对搜救人员造成不必要的伤害，本设计旨在提供一种履带式机器人的解决方案，仅供参考。
　　参考文献：
　　 [1]兰宇.全地形双节履带运输车转向性能研究[D].2017（06）
　　 [2]董超.全地形铰接式履带车辆转向与俯仰运动性能研究[D].2017（12）
　　 [3]陈金涛，李力，王俊杰.铰接式履带车辆转向特性仿真研究[J].计算机仿真，2007（12）
　　 [4]刘承志，孙雅琦.浅述智能救援履带式机器人[J].科学与信息化，2018，20（09）：191-192
　　 [5]王国强，程悦荪，马若丁.铰接式履带车辆的结构参数对转向性能的影响
　　 [6]吉林工业大学学报，2007，27（2）：7-12
　　（作者：太原工业学院设计艺术系）
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