一種新型船用運輸機構

房玉吉，李　瑋

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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一種新型船用運輸機構

房玉吉，李瑋

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

摘要：介紹國內外幾款典型的應用于非結構環境下的移動機構，分析其各自的優缺點，提出一種面向“立板式”障礙的移動機構。該機構對“立板式”障礙具有較好的適應性，可順利跨越船舶通道中主橫艙壁上的門檻，用于船舶通道中的運輸或巡檢等。

關鍵詞：移動機構；“立板式”障礙；船舶通道

隨著遠洋船舶不斷朝著大型化方向發展，艦船的噸位變得越來越大，船上人員變得也越來越多，這對艦船上的生活保障設施提出了更高的要求，出現了很多亟待解決的問題，其中有船上生活物品的轉運問題，例如,食品，物品及垃圾的轉運。由于艦船上出于對防水，防火的要求，設置了很多主橫隔壁，導致在主通道上，用于跨越主橫隔壁的門上也存在一定高度的門檻，這給物品轉運帶來了較大的困難。

一般情況下艦上選擇人工搬運或者使用木樁斜面的形式跨越門檻，由于艦員較多，每天要運輸的物品量非常大，人工搬運的方式對人力資源消耗較大，使用木樁的形式在人員穿越主橫艙壁上門洞的時候容易撞頭受傷，且還牽扯到木樁的擺放和收集問題，兩種方式都不能很好地解決艦上物品轉運問題。船上通道屬于非結構環境，一般的運輸機構無法在該環境下正常使用。

1國外研究現狀

國外應用于非結構環境的移動機構最成功的案例當數Sojourner探測車和火星車Mars Rover。Sojourner探測車外觀見圖1，由美國噴氣推進實驗室研制。該探測車采用6輪搖臂懸吊式結構，對復雜地形具有優良的適應能力，該產品的4個角輪可實現獨立驅動和控制，保證了良好的機動性[1]。火星車Mars Rover外觀見圖2，已在火星成功著陸，該產品具有強大的越障能力、原地360°的轉彎能力及伸縮性，具備超強的機動性能。

圖1　Sojourner探測車外觀

圖2　火星車Mars Rover外觀

圖3　Go-for機器人外觀

Go-For機器人外觀見圖3，由美國噴氣推進實驗室研制，此產品在翻倒時，通過旋轉改變前后腿的分布角度，從而改變自身的重量分布，實現自位過程，可以使自己重新站立起來[2]。德國人工智能研究中心研制出一款移動機器人，外觀見圖4。該產品屬于輪腿復合式結構的變結構形式，由機體和4個輪子組成，每個輪子由5個桿件組成，對地形有較好的適應性[3]，但該機器人顛簸震動較大，基本無法實現高速行駛。

圖4　輪腿混合式機器人ASGUARD外觀

最能代表當今世界移動機構發展水平和引領未來發展方向的兩款移動機構應數美國的“大狗”機器人和日本的“ASIMO”機器人。

美國的“大狗”機器人外觀見圖5，由波士頓動力學工程公司(Boston Dynamics)專門為美國軍隊研究設計，該產品能夠在戰場上為士兵運送彈藥、食物和其他物品。當受到“騷擾”時，優異的主動平衡性可使其保持穩定，最新款“大狗”可以攀越35°的斜坡，可以承載40多kg的裝備，即使行走在冰面上，也不會摔倒。

圖5　“大狗”機器人外觀

日本的“ASIMO”機器人外觀見圖6，該產品行走自如，可進行“8”字形行走和上下臺階，此外，該產品還能夠以6 kg/h的速度奔跑，而且能在奔跑過程中自行改變方向。“ASIMO”的全身各部位具有極高的平衡性和協調性，能夠隨著音樂翩翩起舞，推車前進、搬運托盤更是讓其他機器人望塵莫及。

圖6　“ASIMO”機器人外觀

2國內研究現狀

國內在應用于非結構環境下移動機構的研究主要集中在高校。南京理工大學設計的一種改進的搖臂-轉向架式6輪腿移動機構見圖7，在O、A、O′和A′點處分別安裝了直流伺服電機和增量編碼器，負責移動機構越障時的抬腿操作和在非平整地面環境下調整關節角度以保持車體的平穩；行駛機構兩側的搖臂通過差速裝置連接，主車體固定在差速箱體上，差速裝置箱體與前搖臂固定，而差速裝置的差速軸與后搖臂固定，以減緩主車體左右傾斜程度[4]。

圖7　改進的搖臂-轉向架式六輪腿移動機構

北京航空航天大學提出了一種變結構輪/腿式探測機器人(見圖8)，機器人車身采用可變形的平行六邊形結構，6根桿順序以鉸鏈連接，通過控制連接點處角度的變化就可以使探測車橫向寬度發生變化，車身兩側分別對稱裝有2條相同且相互獨立的輪腿混合結構，每條腿都有3個自由度，其機構可以變化為輪式或腿式步行機構[5]。

圖8　變結構輪/腿式探測機器人組成示意

哈爾濱工業大學設計的一款移動機器人行走機構見圖9，外觀圖見圖10。該機器人為輪腿復合式機構，主要由車身和6套輪腿系統組成。每個車輪都有單獨的驅動電機，每個輪腿系統與車身的連接處有一個轉動關節，也有獨立的驅動電機，整個機器人有12個自由度。該機器人對垂直障礙、壕溝障礙、斜面等典型障礙有較好的通過能力，但對立板式障礙通過性較差。

圖9　輪腿復合式移動機器人行走機構示意

圖10　輪腿復合式移動機器人外觀

3一種新型越障移動機構

3.1總體結構介紹

提出一種新型越障移動機構結構見圖11，為輪腿復合式結構，整個移動機構由車體和6套輪腿結構組成。每套輪腿結構與車體的連接處(圖中A、B、C、D、E、F)都有一個轉動副。將6套輪腿結構按車前后方向分為4排，每排的輪腿結構都有一個驅動電機驅動，使整個輪腿結構可以繞其轉動副在空間內沿任意方向做任意角度的旋轉。針對船舶上空間狹小的特點，移動機構需要有足夠的靈活性，且考慮到控制的復雜性，移動機構的6個車輪中，只有最前和最后的2個車輪安裝有驅動行走和驅動轉向的電機，中間的4個車輪為萬向輪，這樣整個移動機構共有8臺驅動電機，使該機構可以在平面內按照任意半徑旋轉。

圖11　新型越障移動機構結構示意

3.2越障動作規劃

下面根據圖12對越障移動機構跨越“立板式”障礙的動作規劃進行分析，為表達方便，移動機構以其側視圖表示。

圖12　移動機構動作規劃示意

1)初始狀態為“立板式”障礙在移動機構的正前方，如圖12a)所示。此時機構最前排輪腿復合式結構通過電機驅動向前抬起，使前輪高于障礙的高度，如圖12b)所示，通過最后排輪的驅動使整個機構前進，障礙在前排車輪的下方順利通過，進入如圖12c)所示的狀態，前排輪腿復合式結構向后擺動，恢復到初始狀態。

2)第二排的2套輪腿復合式結構按順時針方向向后擺動，使其車輪高于障礙物的高度，如圖12d)所示。此時前、后車輪驅動整個機構前進，進入圖12e)所示的狀態。第二排輪腿復合式結構繼續按順時針方向旋轉，直至回復到初始狀態，如圖12f)所示。

3)第三排輪腿復合式結構重復步驟2中第二排輪腿復合式結構的動作，經過圖12g)所示狀態，進入圖12h)所示狀態。

4)最后排輪腿復合式結構順時針旋轉抬起，如圖12i)所示，通過最前排車輪驅動前進，最后排車輪跨越障礙后，反方向旋轉，回復到初始狀態，如圖12j)所示。

即使在有一定負載的情況下，該移動機構的結構特點可保證在越障的整個過程中，整體的重量重心都在輪腿復合式結構的支撐范圍內，機構不會發生傾覆。

4結束語

目前國內外的移動機構均不能較好的應對“立板式”障礙，所提出的越障移動機構對“立板式”障礙的適應性較強，可應用于該類典型障礙環境中的運輸、巡檢等，有一定的應用前景。

參考文獻

[1] 何峰.六輪腿移動機器人運動分析及控制系統的研究[D].南京：南京理工大學，2005.

[2] 徐賀.可重構多機動模式移動機器人及其關鍵技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2006.

[3] EICH MARKUS, GRIMMINGER FELIX, KIRCHNER FRANK.Proprioceptive control of a hybrid legged-wheeled robot[C]∥Proceedings of the 2008 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics,Bangkok, Thailand, February 21-26,2009:774-775.

[4] 方崗.六輪腿自主移動機器人結構設計和模糊控制技術研究[D].南京：南京理工大學，2006.

[5] 田娜,丁希侖,戴建生,等.一種新型的變結構輪/腿式探測車機構設計與分析[J].機械設計與研究,2004(1):268-270.

特此更正。

A New Type of Obstacle-climbing Mobile Institution

FANG Yu-ji, LI Wei

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The typical mobile institutions for the environment of complex structure of terrain are introduced and their advantages and disadvantages are analyzed. A new mobile institution for the vertical-plated obstacle is put forward, which has high adaptability to the vertical-plated obstacle. It can well across the threshold in the ship channel, and can be used in transportation or inspection in the ship channel.

Key words:mobile institutions; vertical-plated obstacle; ship channel

中圖分類號：U664

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0119-04

第一作者簡介：房玉吉(1985-)，男，碩士，工程師E-mail:lfivlf@163.com

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.031

更正聲明：本刊2015年第6期第144頁，由于排版人員疏漏，將標題“1項目背景”漏掉，

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶輔助系統