水陸兩棲無(wú)人巡邏車(chē)

摘 要：水陸兩棲車(chē)因具有雙重性能的特點(diǎn)，一直是車(chē)輛領(lǐng)域所研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，利用Pro/e三維繪圖軟件創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一款水陸兩棲無(wú)人巡邏車(chē)。該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要包括傳動(dòng)系統(tǒng)、水中推進(jìn)系統(tǒng)和機(jī)械臂系統(tǒng)三個(gè)關(guān)鍵部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，本款機(jī)器人可在工業(yè)巡檢，特殊環(huán)境勘察，極地科考等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

關(guān)鍵詞：水陸兩棲 Pro/e 智能車(chē)

0研究背景

近年來(lái)，針對(duì)水路兩棲車(chē)的研究一直是車(chē)輛領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。而水陸兩棲車(chē)“家族”主要集中在現(xiàn)代武器領(lǐng)域，一般體型較大，成本較高，且采用獨(dú)立的水上推進(jìn)器（如螺旋槳）驅(qū)動(dòng)，陸上行駛則靠履帶或車(chē)輪實(shí)現(xiàn)，多用于軍事，在救援，探測(cè)和科考等領(lǐng)域應(yīng)用起來(lái)較為困難。對(duì)此，我們旨在實(shí)現(xiàn)小型、智能和低成本的設(shè)計(jì)理念，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，利用Pro/e三維繪圖軟件設(shè)計(jì)了一款水陸兩棲無(wú)人巡邏車(chē)。

1傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 減速機(jī)構(gòu)

動(dòng)力從電機(jī)傳出后，經(jīng)行星齒輪減速器進(jìn)行兩級(jí)減速。行星齒輪減速器的外齒圈保持靜止，電機(jī)軸帶動(dòng)第一級(jí)行星架以及與行星架相配合的太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此即為從電機(jī)出來(lái)的原始轉(zhuǎn)速。第二級(jí)行星架上的行星輪繞第一級(jí)太陽(yáng)輪周向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減速獲得第二級(jí)轉(zhuǎn)速。同理， 極行星架上的行星輪繞第二級(jí)行星架上的太陽(yáng)輪周向轉(zhuǎn)動(dòng)，即可再次減速獲得輸出速度。使用行星齒輪減速器經(jīng)多級(jí)減速可實(shí)現(xiàn)較大的傳動(dòng)比，獲得合適的傳動(dòng)速度。

1.2 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

采用雙差速器機(jī)構(gòu)，由變速器輸出的動(dòng)力被分成兩部分，一部分動(dòng)力用于動(dòng)力輸出，即驅(qū)動(dòng)兩側(cè)的車(chē)輪行進(jìn)，另一部分用于轉(zhuǎn)向輸出，來(lái)控制車(chē)的轉(zhuǎn)向。

如圖（1）所示，轉(zhuǎn)向過(guò)程分析如下：

（1）向左轉(zhuǎn)向時(shí)的時(shí)候，通過(guò)控制多片離合器使轉(zhuǎn)向動(dòng)力與輸出動(dòng)力同向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向動(dòng)力帶動(dòng)兩側(cè)行星齒輪架反向旋轉(zhuǎn)，由于輸出動(dòng)力的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于行星齒輪架轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，因此車(chē)的速度在左端被反向減小，在右端被反向增大。這樣就使得車(chē)體向左轉(zhuǎn)向。

（2）同理，右轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)控制多片離合器，使得輸出動(dòng)力與轉(zhuǎn)向動(dòng)力反向旋轉(zhuǎn)，車(chē)體向右轉(zhuǎn)向。

（3）檔位回正時(shí)，差速器行星架被鎖死，輸出的動(dòng)力直接從差速器兩端傳至兩側(cè)車(chē)輪，此時(shí)車(chē)體保持直行。

（4）當(dāng)掛空擋的時(shí)候，輸出動(dòng)力兩端的齒輪被鎖死，轉(zhuǎn)向動(dòng)力持續(xù)帶動(dòng)差速器的行星架反向旋轉(zhuǎn)，此時(shí)車(chē)體即可原地旋轉(zhuǎn)。

2水中推進(jìn)系統(tǒng)

2.1對(duì)車(chē)輪的改進(jìn)

為了實(shí)現(xiàn)在水中前行，該智能車(chē)采用螺旋槳作為推進(jìn)器，將螺旋槳的葉片與車(chē)輪的輪輻條有機(jī)結(jié)合設(shè)計(jì)出水陸兩棲輪。正常陸地行駛時(shí)，車(chē)輪左右對(duì)稱(chēng)布置在車(chē)體兩側(cè)，當(dāng)進(jìn)入水域時(shí)，需將車(chē)輪轉(zhuǎn)過(guò)90度。水中推進(jìn)螺旋槳和陸地行駛的車(chē)輪共用一套動(dòng)力，縮小了系統(tǒng)尺寸。

2.2車(chē)輪換向機(jī)構(gòu)

車(chē)體正常行駛時(shí)，動(dòng)力從中央動(dòng)力源傳出，此時(shí)多片摩擦離合器中的壓緊彈簧利用壓板將摩擦片壓緊在錐齒輪端面上，摩擦片與傳動(dòng)軸之間通過(guò)花鍵配合，發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩即可傳遞到車(chē)輪轉(zhuǎn)軸上，驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)車(chē)輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，需要中斷傳動(dòng)，此時(shí)離合器分離，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)桿在箱座上的環(huán)形槽內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)過(guò)90度。當(dāng)轉(zhuǎn)向過(guò)程結(jié)束后，多片摩擦離合器中的壓板重新將摩擦片壓緊在錐齒輪端面上，輪開(kāi)始重新正常旋轉(zhuǎn)。

3機(jī)械臂系統(tǒng)

機(jī)械臂系統(tǒng)采用關(guān)節(jié)式，共四個(gè)關(guān)節(jié)，整體自由度為6。機(jī)械臂底端固連在轉(zhuǎn)盤(pán)上，可隨轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)。前端的機(jī)械手通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)控制爪的開(kāi)合實(shí)現(xiàn)夾取物品。機(jī)械臂設(shè)置在車(chē)體頂端的車(chē)艙內(nèi)，需要機(jī)械臂動(dòng)作時(shí)打開(kāi)艙門(mén)，機(jī)械臂展開(kāi)作業(yè)，夾取的樣本存入車(chē)艙內(nèi)。使用結(jié)束后折疊放回車(chē)倉(cāng)，關(guān)閉艙門(mén)。該水陸兩棲無(wú)人巡邏車(chē)的三維實(shí)體模型如圖（2）所示。

4產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)及適用場(chǎng)景分析

該水陸兩棲無(wú)人巡邏車(chē)將傳統(tǒng)車(chē)輪的輪輻條改造成螺旋槳形式，輔助以轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，以其作為推進(jìn)裝置，既節(jié)省了空間，而且在支撐承重的同時(shí)兼做水中推進(jìn)用途。整體靈活性較高，可實(shí)現(xiàn)較廣的作業(yè)范圍，可折疊式機(jī)械臂結(jié)構(gòu)同時(shí)保證了車(chē)型整體的美觀性。

該智能車(chē)由于其強(qiáng)大的交通適應(yīng)能力，可用于探測(cè)巡檢，收集樣本；還可以代替救援人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)，使得救援人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況；對(duì)于特殊場(chǎng)合，也可以通過(guò)操縱機(jī)械手直接進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修。在提高勞動(dòng)效率的同時(shí)，更保障了工作的安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳亮. 一種新型的水陸兩棲球形機(jī)器人的研究[D]. 北京郵電大學(xué)， 2012.

[2] 馮巍， 楊洋， 周靜. 小型兩棲機(jī)器人推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與水動(dòng)力學(xué)分析[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2006， 25（11）：1325-1327.

[3] 楊清海， 喻俊志， 譚民，等. 兩棲仿生機(jī)器人研究綜述[J]. 機(jī)器人， 2007， 29（6）：601-608.

[4] Jung Seung Ho Jeong， Design and control of a small quad-rotor system under practical limitations[M]：IEEE，2011：1163-1167.

[5] 黃遠(yuǎn)燦. 國(guó)內(nèi)外軍用機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用， 2009（2）：25-31.

作者簡(jiǎn)介：段東新（1998-），男，山東菏澤人，山東科技大學(xué)本科生在讀，主修機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)。