李兆路,翟佳星,徐培培,桂佳清，陳威震，劉 旭

(長安大學 工程機械學院， 陜西 西安 710064)

0 引言

自20世紀60年代以來，隨著機器人技術的發展及世界安全形勢的變化，各國先后研發裝備了爆炸物偵察處理機器人，用以代替人類從事可能對人員生命健康構成威脅的工作, 如軍事上處理可疑爆炸物、石化工業中處理化學危險品等[1]。目前具有代表性的這類機器人包括英國研發并出口50多個國家的“手推車”排爆機器人，裝備駐阿富汗美軍的由美國Remotec公司研制的Andros系列機器人，沈陽自動化所研發的“靈蜥”系列機器人，由金吾科技公司研發并裝備新疆公安系統的“JW”系列機器人[2]。上述爆炸物偵察處理機器人性能較為先進，同時具備偵察標記處理爆炸物危險品的功能，其中有的機器人已經經過沙場的檢驗[3]。然而為滿足拆除、處理危險品而采用的較為復雜的結構設計，同時也意味著較高的造價、較大的重量及體積，這就給大規模裝備受爆炸物威脅的一線基層人員帶來巨大的預算壓力。考慮到實際應用中基層人員裝備的廣泛性對于裝備便攜性及其成本較為敏感，本文旨在運用模塊化設計思想設計一款輕量化、低成本同時具有較強機動性的通用便攜式爆炸物快速標記處理機器人，以便于實現裝備的廣泛實際應用，同時可用于火場偵察反恐、核設施的檢查與維修等[4]。

1 機器人功能分析及結構設計

為了降低成本，通過替換不同功能模塊快速實現不同任務能力的柔性重構組合[5]。根據機器人所需執行功能，將本產品劃分為底盤模塊、驅動模塊、云臺、機械臂模塊。

1.1 底盤模塊結構設計

作為便攜式爆炸物快速偵察標記機器人的移動載體,其底盤應在低能耗的前提下具有一定的移動速度和良好的姿態穩定性，具有較大剛度，保證機器人上部機械臂的工作穩定性，以避免機械臂運動過程中產生較大的擺動；為適應各種地理環境, 應具有一定的爬坡和越障能力[6]。目前機器人底盤結構主要有輪式、履帶式、輪履結合式。輪式結構具有結構簡單、重量輕、輪式滾動摩擦阻力小、機械效率高等特點,盡管履帶式結構可以擁有更好的越野、越障能力，但是履帶式機器人的缺點是重量大、 能耗大[7]，考慮到恐怖襲擊經常發生的環境地點，結合美軍在阿富汗、伊拉克遇到爆炸物威脅的實際經驗來看[8]，路邊為暴恐分子安置爆炸物的常見地點，因此底盤結構采用具有較大懸掛行程的輪式結構即可滿足使用的需要同時保證便攜性，底盤動力部分采用直流電動機驅動，搭配大容量的電池。底盤采用鋁合金，以保證較高的剛度及重量的合理分配。

1.1.1 分動箱的設計

分動箱是實現發動機的動力合理分配的一種裝置，將發動機的動力輸出到后軸或同時輸出到前后軸。分動箱處的直齒輪組是由齒數比為20∶30∶48的三個直齒圓柱齒輪組成，模數為0.5 mm，節徑分別為10 mm、15 mm、24 mm。該分動箱的作用是將電機的運動分別傳送到前橋和后橋上，使該機器人可以實現四輪驅動，從而提高機器人的越野能力。分動箱如圖1所示。為改變從傳動軸處傳遞的運動方向，選用了一對錐齒輪，這對錐齒輪同時還肩負著改變傳動比的作用。

1.1.2 轉向驅動橋的設計

盡管汽車底盤差速器能夠使不同驅動輪以不同轉速作純滾動運動，但是考慮到常規差速器結構的復雜性和其尺寸和質量較大，故本設計采用的方案是既不要差速器也不要差速鎖，而是用一根剛性軸貫通左右。雖然這種結構在轉彎時會有輪胎打滑，但考慮到整機尺寸和質量，這種打滑可以忽略不計。在保證底盤機動性能的同時滿足了經濟性、可靠性要求。轉向驅動橋和驅動橋末端分別如圖2和圖3所示。

轉向拉桿是轉向機構的重要組成部分，直接影響著車輛的穩定性、安全性和使用壽命。轉向拉桿分為轉向直拉桿和轉向橫拉桿,轉向直拉桿將導向搖臂運動傳遞給轉向節臂。該機器人采用了轉向拉桿的結構，但與一般汽車不同的是，它采用了前后橋都有轉向功能的結構，這也就意味著4個輪子都具有轉向能力，這種結構有利于更好地轉向。四輪轉向總體結構如圖4所示，轉向拉桿結構如圖5所示。

圖1 分動箱 圖2 轉向驅動橋結構 圖3 轉向驅動橋末端結構

圖4 四輪轉向總體結構

圖5 轉向拉桿結構

1.1.3 減震機構的設計

減震機構采用的是彈簧阻尼減震器。彈簧能夠緩沖絕大部分沖擊，而阻尼器則能夠極大地減弱彈簧的震動，兩者結合起來能夠保證底盤的越野能力并且使上部設備在崎嶇的路面上保持相對的穩定。圖6為減震器的結構示意圖。

1.2 驅動模塊的分析設計

參考類似尺寸質量的輪式行走裝置，根據預計的整機質量對功率進行預選，決定選用有刷直流545電機，轉速為7 000 r/min。整機的減速機構分為三個部分：電機處的減速齒輪、分動箱處的減速齒輪和車橋處的減速齒輪。電機處的減速采用一對直齒輪，模數為0.5 mm，傳動比為1∶9，齒數分別為10和90，該對齒輪的嚙合示意圖如圖7所示。

圖6 減震器的結構示意圖 圖7 減速機構齒輪

1.3 云臺、機械手模塊的分析設計

排爆偵察機器人上經常使用彩色COD攝像機對周邊情況進行觀察 ,使用多自由度機械手[9]對爆炸物進行處理，有的機器人裝備了霰彈槍，用以引爆銷毀爆炸物。 為了實現不同任務能力的快速轉換，本設計采用了通用型云臺，可以根據實際需要選擇配備不同裝備，如圖8所示的是用以處理爆炸物的6自由度機械手及標記爆炸物的噴漆罐。

2 裝配制造及虛擬仿真

為了提高設計的運動性能與可靠性，利用SolidWorks對本產品建立了三維模型，如圖9所示[10]。在裝配過程中應保證裝配精度即最大程度地保證產品裝配后的實際幾何參數、性能參數和理想的幾何參數的重合度。最后利用ADAMS進行了仿真，仿真結果驗證了底盤及云臺機械手系統運動的穩定性，其中擺臂的加速度仿真曲線如圖10所示。

圖8 機械手及標記爆炸物的噴漆罐

圖9 整機軸測圖

圖10 擺臂的加速度仿真曲線

3 結論與展望

本文針對目前爆炸物偵察處理設備結構復雜、難以攜帶、成本高昂的不足，設計了一種低成本輕量化通用的爆炸物快速偵察標記機器人，該設備重量輕、機動靈活性好，可以彌補現有排雷機器人在諸如爆炸物標記、火場偵察任務中靈活性不足的缺點。本文首先根據爆炸物處理任務的工作環境設計了與之相適應的機器人底盤結構，包括減速減震及轉向傳動機構，之后設計了與之匹配的云臺及機械臂機構，最后為保證可靠性，通過SolidWorks及ADAMS對本產品進行建模及仿真。本文從實際工作需求和經濟負擔角度提出了輕量化的便攜式爆炸物快速偵察標記機器人，它具有的輕便靈活、經濟性好的特點有利于實現廣泛地裝備一線人員和更好地服務于無力購買大型爆炸物處理設備的不發達地區，而這些地區恰恰是深受爆炸物困擾的地區。

參考文獻：

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[2] 范路橋,姚錫凡,祁亨年,等.排爆機器人的研究現狀及其關鍵技術[J].機床與液壓,2008(6):139-143.

[3] Reichard K,Simpson T,Rogan C,et al.Design and development of a family of explosive ordnance disposal (EOD) robots[G]//Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering.[s.l.]:[s.n.]，2008,7112.

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[5] 舒暢,熊蓉,傅周東.基于模塊化設計方法的服務機器人結構設計[J].機電工程,2010(2):1-4.

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[10] 田娟.基于虛擬樣機技術的移動機器人越障性能研究[D].包頭:內蒙古科技大學,2012：4-7.