淺述小型鉸接式履帶機器人的設計

摘要：履帶式機器人由于其緊湊的結構和強大的通過性被工業農業及消防搜救領域大規模運用。常見的履帶式機器人轉向方式多采用差速轉向，這就對其機身的長寬比的設計有較大要求，但是實際使用中這樣的設計有較大的局限性，即傳統履帶機器人由于差速轉向的使用方式使其車身無法設計的很長，否則會有很強的橫向摩擦力。但是長的車身又有助于提高其越障能力，為解決這一矛盾設計了一款小型鉸接式履帶機器人，并給出詳細的內部結構和動力系統的解決方案。

關鍵詞：鉸接;履帶機器人

項目來源：太原工業學院大學生創新創業項目（省級）

項目編號：20181410124

1.研究背景

履帶式搜救勘察機器人是一種以履帶為行走機構，受人遠距離控制的無線遙控勘察機器人，可代替人工進入廢墟、危房、有害氣體泄露等危險場所進行勘察搜救等工作，并可攜帶一定的急救物品。整機分為兩部分，用作行走功能的履帶及排障用的副履帶，和圖像傳輸設備組成。

2.現有產品研究

目前市面上常見的履帶機器人多為傳統形式，即使用雙履帶（有或無輔助越障機構）的行走機構。使用差速轉向的轉向方式，車身短小長寬比例較小，接近正方形。由于考慮跨越障礙的能力，底盤大多設計的較高（非全部），因此導致重心較高，這在實際使用的過程中特別是針對相對較高的障礙物會出現翻車的情況。

3.研究的意義及目的

為解決傳統履帶車由于差速轉向方式使得車身不能設計的很長的問題（長的車身在差速轉向時有很強的橫向摩擦力，但長尺寸的車身有有助于提高越障能力，可有效防止出現因車身過短而翻車的情況），將大型工程機械中常用的鉸接式轉向機構代入小型履帶式機器人的設計中。且將優化內部機械結構與動力系統，做到動力強、成本低、易維護、適合大規模使用的履帶機器人。

4.履帶式機器人設計實踐

4.1車體結構的設計

在鉸接式履帶機器人的設計中，將傳統履帶車的車身拉長，并從中部截斷使之形成前車與后車，中間通過銷軸鉸接這便是鉸接式履帶車的雛形。前車與后車各有兩條履帶，總共四條。

車體結構近似等腰梯形，前車與后車結構大致相同且呈對稱狀態，各由四片板狀部件構成（分別是頂板、底盤、2個側板）板狀部件上有榫卯限位孔，由四根50MM螺柱上下方向連接。前后主動輪軸距為222mm。并留有用于安裝其他作業設備的安裝位置。

4.2鉸接結構與轉向機構的設計

由于履帶式機器人整體尺寸較小又要保持良好的車身剛性，所以只保留了左右運動用來完成轉向動作。

前后車鉸接連接點由6片三角形合頁構成，每3片為一組分別位于車架最上方與最下方。前車2片后車4片相互咬合，中間由銷軸貫穿，可以左右方向運動完成轉向動作。

轉向動力來源于一臺20kg扭力的金屬舵機，轉向舵機安裝于后車前端，轉向搖臂安裝于前車后端。轉向舵機通過“一”字型搖臂和球頭拉桿將舵機的扭力傳遞給轉向搖臂。最小轉彎半徑為406mm。

4.3履帶的形狀與布局設計

履帶形狀設計為三角形，有4對承重輪與1個主動輪構成，由一個“人”字形大架連接。主動輪設計在4對承重輪的上方與承重輪呈現三角形形狀。這樣的設計有助于將動力系統的整體位置抬高，從而使底盤的位置也變高，有助于提升跨越障礙的性能。

4.4減震機構的設計

履帶減震機構由球頭連桿、三角搖臂、液壓減震器構成，履帶在俯仰運動時，其力通過球頭連桿傳遞給三角搖臂，三角搖臂可以改變力的方向，最后傳遞給機身上方的液壓減震器。

4.5動力系統設計

中央動力使用的是3660無刷電機，使用三級減速的行星齒輪減速器，電源為3S鋰電池可供機器人連續工做30分鐘，可根據不同情況搭載不同容量的電池。

4.6傳動系統的設計

傳動系統的設計采用“土”字形布局，即電機通過行星齒輪減速器輸出動力后經過前車波箱將動力傳遞給前車的主動輪，然后在通過萬向節和傳動軸將動力傳遞到后車波箱來帶動后車的主動輪。

4.7越障輔助機構的設計

越障輔助機構由兩條可以活動的副履帶構成，其安裝在前車履帶的第一對承重輪外側，設計副履帶的意義在于，當履帶車遇到高大障礙物時副履帶可以起到導引的作用。

4.8關于圖像傳輸設備

攝像頭安裝在機器人的前端，操作者可利用圖像傳輸終端的屏幕進行第一人稱和超視距范圍的操作。

使用5.8G 32頻點 TS5823 600mw圖像傳輸發射機和90度廣角攝像頭，理論有效圖像傳輸距離為800～1200m左右。

4.9關于操作

使用無線遙控操作?？蓾M足機器人的前進、后退、左轉向、右轉向、副履帶的抬升與下降、開關圖像傳輸設備。

多余的通道可搭載其他工作設備，例如操控機械手、操控滅火器等。

5.功能簡述

5.1新式履帶機器人能完成前進后退及轉向操作，最小轉彎半徑為406mm。

5.2能跨越更高或跨距更長的障礙物，能有效的防止翻車情況的出現。

5.3搭載圖像傳輸設備，可實現第一人稱視角操控或超視距操控。

5.4使用無線電遙控的操控方式，可由一人或雙人駕駛。主駕駛負責機器人行進操作，副駕駛負責操作作業設備。

6.實物樣機的制作

采用3mm碳纖維板材作為車架的主要材料。連接方式主要使用螺栓螺母連接，從而達到加工和組裝簡易，維護和保養方便。

電子設備的選配使用市面上的現有產品，包括無刷電機、無刷電子調速器、鋰電池、舵機、圖像傳輸設備等都可以輕松找到，成本低廉匹配度較高。

7.外觀設想

外觀采用“仿生”設計，以響尾蛇頭部的側形并結合已經設計好的內部結構推導鉸接式履帶機器人的外觀。

8.結束語

履帶式搜救機器人能代替人類進入危險地帶，可為避免事故對搜救人員造成不必要的傷害，本設計旨在提供一種履帶式機器人的解決方案，僅供參考。

參考文獻：

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（作者：太原工業學院設計藝術系）