拆彈機器人運動機構的創新設計＊

周思全，占向輝

（吉林大學珠海學院，廣東 珠海519041）

目前中國的機器人的產業正在蓬勃發展，相對應也擴大了全球機器人的市場規模，特種、服務機器人增速較穩定。而本文講述的拆彈機器人因能在許多環境下，通過防爆專家或者專業人士的操控和指揮排除危險或拆除炸彈，極大地保護了人身安全和人民的生命財產安全。但是，對于普通的拆彈機器人來說，一般的移動輪機構在轉彎時都需要一定旋轉半徑，在窄小的空間里一般不能水平橫向移動，這在一定程度上限制了輪式機器人的使用。但是麥克納姆輪拆彈機器人可在原地移動任何角度，身體轉動非常順暢，可沿著水平方向所有的連續路線移動，成為移動機構中的發展趨勢。由于拆彈機器人需要精準多方位的移動，因此麥克納姆輪全方位輪式移動能夠較好解決這一問題。

本文描述的麥克納姆輪小車主要改進是完全拋棄了傳統小車的驅動輪，并使用了四輪驅動的麥克納姆輪。與普通的小車相比，它具有靈活的轉向、動力、穩定性等優勢。由于道路路段復雜，尤其面對狹窄的道路時，普通小車無法通過，而本文講述的拆彈機器車就可以解決這種問題，小車可以在復雜的路段使用平移方法轉彎，從而大大減少了使用時間。由于常規車身在涉險路段或急轉彎時不穩定，四輪驅動功能能夠克服急轉彎和障礙物，從而大大提高小車的行駛穩定性，大大改善小車的運動。它更適合應用于軍事，并且很可能在以后應用于災難救援中。

1 麥克納姆輪運動仿真建立

1.1 麥克納姆輪參數化模型

麥克納姆輪的車輪是可以全方位移動的，它的組成部分主要是輪轂和輥子。首先對小麥輪的安裝尺寸和輪轂作用進行了整體設置，確定了成型小麥輪所需的參數。麥輪寬是影響麥輪質量的最重要參數之一，同時要設置軸與輪轂之間的固定角度為45°。通過設置麥輪的參數：車輪尺寸、輪寬、輪轂厚度、輥子軸個數、輥子軸直徑以及長度，采用UGNX10.0 軟件三維建模并裝配組裝成麥輪的參數化模型，其結構如圖1 所示。

圖1 麥克納姆輪UG 三維建模

1.2 機器人虛擬樣機建模

除了設計麥克納姆輪的結構，在原有的基礎上設計建模并且裝配了機械手，打造拆彈機器人更加真實的模樣，最終建模結果如圖2 所示。

圖2 虛擬樣機的建模

整個拆彈機器人虛擬樣機的結構包括4 個麥克納姆輪、4 個獨立懸掛系統、1 個機械手。麥克納姆輪可以非常靈活地運動，可沿平面上任意連續軌跡走到要求的位置；在不平整的路面，獨立懸掛系統提高了以麥克納姆輪為底盤的機器人的穩定性；機械手的地盤可以進行360°轉動，連桿部分可以實現多角度彎曲調試，以精確地抓取目標物件。

整個機器人的運動方案主要是將麥克納姆輪的多維度運動與機械手配合，讓機器人順利到達目的地，順利拆除目標。

2 機器人虛擬樣機的運動仿真

對于機器人虛擬樣機的運動仿真，主要是對4 個麥克納姆輪的不同狀態進行仿真并加以分析。在整個設計過程中，使用西門子UG NX10.0 軟件進行運動仿真，使設計過程的尺寸和結構關聯，提高三維設計的效率。

2.1 第一種狀態

當4 個麥輪想要執行向前或向后運動時，小車可以實現向前或向后運動。

仿真方案：為探討輥子在驅動輪勻速條件下的運動情況，通過NX10.0 運動仿真模塊，給予驅動輪一個恒定的轉速，研究其對輥子的速度及加速度的影響。

運動副：添加一個以車身為基軸的旋轉副，并為其添加一個恒定的速度，再為每一個單獨的輥子添加一個相對于驅動輪的旋轉副，使其可以相對于驅動輪自轉，然后為輥子與地面添加3D 接觸，附上合理的摩擦力和重力。

結果：導出最終分析結果，如圖3 所示。驅動輪在勻速條件下，輥子做勻速運動，由于每個驅動輪上有16 個輥子，計算得出每個輥子接觸地面角度為22.5°，所以速度和位移曲線會呈現周期性變化，同時加速度為0，符合預期對其運動仿真的要求。

圖3 小車輥子平移加速度、速度、位移分析結果

2.2 第二種狀態

當小車行駛到直角拐彎時，路寬略大于車長，而普通小車幾乎無法轉彎，而汽麥克納姆輪可以通過自身的優勢直接向右行駛順利通過復雜路段。

仿真方案：為探討輥子在驅動輪加速條件下的運動情況，通過NX10.0 運動仿真模塊，給予驅動輪1、3 一個逆時針轉向的加速度、給予驅動輪2、4 一個順時針的加速度，給予驅動輪一個恒定的加速度，研究其對輥子的速度及加速度的影響。

運動副：對驅動輪整體添加一個以車身為基軸的旋轉副，并為其添加一個加速度，再為每一個單獨的輥子添加一個相對于驅動輪的旋轉副，使其可以相對于驅動輪自轉，然后為輥子與地面添加3D 接觸，附上合理的摩擦力和重力。

結果：導出最終分析結果，如圖4 所示。驅動輪在加速條件下，加速度恒定，每個輥子的速度越來越大，單個輥子接觸的地面的周期越來越小，并且加速度也在不斷增加。驅動輪1、3 和驅動輪2、4 的轉向和轉速不同，小車可實現向右平移，符合預期對其運動仿真的要求。

圖4 小車輥子平移加速度、速度、位移分析結果

3 結論

本方案設計了基于麥克納姆輪的拆彈機器人，用UG NX 軟件制作出來數學模型然后進行裝配，并且做了運動學仿真，在各種仿真情況下都能符合人們的要求。