基于機械原理的教學用掃雷機器人教具的設計

王 飛，劉克毅，劉 焱，趙 輝，李進韜

（新疆工程學院，新疆 烏魯木齊830023）

0 引言

在機械原理的教學過程中，機構是教學中的重要內容。機械教具的使用可以使學生充分理解并掌握各種機構的組成、工作特點及用途。因此，制作出滿足機械結構教學的低成本教具，通過使用與教學內容有關的模型，采用理論知識和工程實例相結合的教學方式，易于學生掌握，培養學生的學習興趣，從而改善教學效果，提高教學質量[1]。

本文利用機械基礎課程中的相關知識設計了在教學中可以用到的教具，既能突出實踐性又能提高學生的創新性思維，也能讓學生對基本知識掌握的更加深刻[2]。

文中設計的掃雷機器人教具的特點是其擁有獨特的外形，可以集多種展示機構于一體，能夠激發學生的創造性思維。可用于機械原理和機械設計相關的基本機構展示。目前來說隨著各種教學用具的發展，越來越多的老師和學生也更加青睞于外形獨特，功能齊全的創新型教學用具，同時本教具的設計兼顧機械原理的展示和掃雷機器人的實用性，有利于增加教學的觀賞性，使課堂上的知識學習更加的生動形象。

1 掃雷機器人整體系統設計

不同領域的機器人其用途不同，外形也不同，一般來說，機器人需要具備一個或多個擬人功能，如行走功能，若加上傳感器和控制系統就能具備一定的感知功能。機器人基本由傳感部分、機械部分和控制部分三大部分組成。這三大部分又可進一步細分為感受系統、環境交互系統、驅動系統、機械結構系統、控制系統、人機交互系統[3]。

本教具的設計以掃雷機器人為模型，其功能為完成掃雷并進行標記。總體包括掃雷環系統、支撐臂系統、轉動系統和行走系統，機械系統見圖1，其中掃雷環系統1主要作用是檢測和標記，采用槽輪機構實現轉動，檢測地雷的位置，采用機械手對發現的地雷的位置進行標記，機械手的張開與夾緊是利用凸輪機構帶動的動力推桿往復推動來實現的；支撐臂系統2采取了桁架結構，可以達到支撐平衡的目的；轉動系統3采用了行星輪機構來實現變速轉動；行走系統4采用了履帶式行走方式，其中行走機架采用具有緩沖和復位作用的六桿機構，使掃雷車有一定的自適應變形能力，動力的傳遞采用同步帶傳動方式。

通過上述機構的組合，在完成平面連桿機構、凸輪機構、行星輪系機構、間歇運動機構等機構的機械原理教學展示的同時，也能具備掃雷機器人的一些基本動作和功能。

2 掃雷環系統結構設計

掃雷環結構如圖2，其主要作用是檢測和標記。掃雷機器人通過掃雷環1感知確定地雷的位置，掃雷環內部有感應線圈，通過電磁感應原理可以探測到地下的地雷。槽輪機構2的從動槽輪連結伸縮杠，主動撥盤連接臂板，馬達7驅動主動撥盤使臂板輪繞槽輪機構2的從動槽輪進行360度轉動，臂板上固定的電動機6帶動齒輪系3轉動，使凸輪機構4推動機械手5實現抓取擠壓液體標記瓶，將瓶子里的有色液體擠出，形成圓形的標記，實現標記的功能。

2.1 槽輪機構的設計

在本設計中掃雷環要求旋轉進行標記，實現擠壓標記瓶的機械手的轉動并不要求快速轉動，能實現平穩轉動進行明顯的標記即可，為了盡可能的在本設計中用到更多的機構，故選擇槽輪機構。槽輪機構2的從動槽輪連結伸縮杠，主動撥盤連接臂板，馬達7驅動主動撥盤使臂板輪繞槽輪機構2的從動槽輪進行360度轉動。槽輪機構是典型的間歇轉動機構，其主要的優點是結構單一不復雜，外形長短緊湊，機械的轉動效率高，并能較平穩地、間歇地進行轉動，適宜用在速度不高的場合[4]，槽輪機構見圖3。

2.2 機械手的設計

機械手主要完成物品的抓取動作。根據其與物品接觸的種類不同，可分為夾持式和吸附式手部[5]。本設計中機械手的作用是擠壓標記瓶，對地雷的位置進性標記，為了更多的展示構件，機械手部采用外夾式，選用結構簡單的二指外形，可以實現張開與閉合動作，動力由電動機通過輪系帶動凸輪提供。

本結構中機械手是水平放置的，并不能利用推桿自身的重力復位，設計中采用了壓縮彈簧的彈性力來實現推桿的復位問題，如圖4。

2.3 凸輪機構的設計

機械手的夾緊過程需要推動桿實現往復運動，除了可以應用液壓缸之外，還可以采用凸輪機構帶動推桿往復運動[6]。

凸輪機構的凸輪轉動可以由帶傳動帶動或者是齒輪傳動帶動，在本設計中選擇了齒輪傳動帶動，如圖5，推桿的頂端與凸輪相結合，凸輪與大齒輪固接，小齒輪與大齒輪嚙合，在傳動過程中需要較低的轉速，采用了錐齒輪作為中間傳動，可以改變輪系的傳動比和改變齒輪的轉動方向，也便于安裝電動機。為避免推桿的頂端與凸輪之間產生較大的摩擦，并使推桿易于推動機械手實現擠壓標記瓶，在推桿頂端設計了一個小滾輪。

3 支撐臂系統結構設計

支撐臂結構的主要作用是支撐掃雷環，使掃雷環與車體連接并能帶動掃雷環在一定范圍內轉動，需要支撐臂具有轉動平穩、平衡性好、強度高的要求。常見的具有支撐作用的機構有伸縮式和桁架式。由于在本設計中掃雷環在車體前方較遠的位置，所以采用桁架結構支撐臂。由桿件通過焊接、鉚接或螺栓連接而成的支撐橫梁結構稱之為桁架結構，桁架由直桿組成的一般具有三角形單元的平面或空間結構，桁架結構具有較好的強度，在跨度較大的時候也可以很好的節省材料降低成本[7]。

在本設計中，由于掃雷車的車身的長度大于寬度，從車身上部到掃雷環部分的長度較長，考慮到受力的平衡問題以及在跨度較大的情況下臂部的強度問題，這里設計的桁架3是具有三角形單元的空間結構，通過焊接連接，位于前端的伸縮杠1與小支撐臂2連結，實現掃雷環的上下運動，位于尾部的平衡板可以對桁架進行平衡，其外形設計成鼓形有利于提高強度，掃雷支撐臂結構見圖6。

4 轉動系統結構設計

轉動結構的作用是連接車體與支撐臂結構，并帶動支撐臂結構在一定范圍內穩定轉動。常用的機構中能夠實現這種運動的有普通齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動、行星輪系傳動、馬達等，基于設計的教具要展示更多機構的機械原理的目的，本部分設計選擇行星輪機構。行星輪機構1帶動轉動體2轉動，防傾裝置3起到防止支撐臂結構傾斜的作用，轉動結構如圖7。

本設計中采用的行星輪系是圓柱齒輪組成的周轉輪系，見圖8，中心輪1由電機3驅動，與車體連結的行星輪2外嚙合，行星輪與齒圈4內嚙合，因需要低轉速，選取太陽齒輪為主動輪，通過確定主動件的轉動速度和轉動的方向，則被動件齒圈的轉動速度、旋轉方向就可以定下來。由于齒圈與轉動部分相連接，所以當齒圈轉動時即可帶動掃雷臂部進行平穩的轉動，來達到設計的目的。

5 行走系統結構設計

常見到的機器人行走方式有履帶式、輪式以及仿生步行式[8]。地面光滑的道路上可以采用輪式機器人或行走式機器人，如在日常生活中常見的服務型機器人。而在地面環境比較復雜或者需要較強的平穩性要求時，一般會采用履帶式機器人。

本設計中的掃雷機器人由于工作應用環境的要求采用履帶式行走機構，履帶行走機構具有行動平穩，自適應強，受力面積大，摩擦力大的特點[9]。在本設計中的行走系統見圖9，除了采用了履帶設計之外，還采用了六桿機構作為車架，通過加上緩沖彈簧和復位彈簧可以使其具有一定的自適應變形的能力。此六桿機構由兩個四桿機構所組成，他們分別是由板架、后連桿、中間連桿、以及上連桿組成的四桿機構和由板架、中間連桿和兩個前連桿組成的四桿機構，具有緩沖功能、復位功能和調整受力的功能。

6 結論

掃雷環系統采用槽輪機構能夠實現轉動，并且運用了機械手裝置和凸輪機構可以實現對掃雷區域做標記的功能。支撐臂系統采用了桁架結構作為整體構架，起到對掃雷環支撐和連接車體的作用。轉動系統用行星輪系來實現，由于外部的太陽輪與套筒部分相連固定所以此轉動輪系為行星輪系，可以實現一定范圍內的緩慢轉動，可滿足掃雷過程中的需要，也能提高作業的效率。行走系統中采用履帶式行走，用六桿機構組成履帶的機架，可以實現自適應變形從而能夠適應掃雷作業時的復雜地形，利用同步帶傳動由兩個電機帶動兩個驅動輪來實現驅動輪的不同轉速轉動，從而實現履帶的直行和轉向。

掃雷機器人教具的最大特點就是其擁有獨特的外形，集多種展示機構于一體，通過完成掃雷的動作，同時展示各個機構的配合和工作特點，讓觀看者在思考當中掌握理論課上的知識點，有利于增加教學的觀賞性，使課堂上的知識學習更加的生動形象，激發同學們的學習興趣。