基于地下運輸機器人移動機構(gòu)履帶及翼板的設(shè)計

關(guān)鍵詞：地下運輸機器人；履帶設(shè)計；翼板；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0引言

隨著社會發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，地下空間的利用范圍不斷擴(kuò)大，包括地鐵、地下停車場、管道隧道等場所。由于地下環(huán)境的復(fù)雜性和封閉性，物資運輸面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如狹窄空間、陡峭的坡度以及不平整的地形，這使得傳統(tǒng)的人工運輸手段難以高效滿足、安全的物流需求。地下運輸機器人利用其自動化、定制化的特點，成為解決這一問題的有效手段。

履帶式移動機構(gòu)因其卓越的地形適應(yīng)能力和越障性能，已成為地下搜救機器人移動系統(tǒng)的主要選擇。結(jié)合翼板設(shè)計的履帶系統(tǒng)，能夠有效提升機器人在地面上的穩(wěn)定性和通過性，但如何實現(xiàn)高效、穩(wěn)定、輕量化的履帶及翼板系統(tǒng)設(shè)計仍然是當(dāng)前研究的熱點與難點。本課題針對這些需求，提出了一種新型履帶及翼板系統(tǒng)的設(shè)計方案，以提升地下運輸機器人的水平綜合性能。

地下運輸機器人在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用，對于提高物資運輸效率和操作安全具有重要意義。通過研究適用于地下運輸機器人的履帶及翼板系統(tǒng)，可以有效增強機器人在復(fù)雜環(huán)境中的越障能力和穩(wěn)定性，從而提升運輸任務(wù)中的機動性和工作效率。此外，優(yōu)化設(shè)計的履帶與翼板系統(tǒng)不僅能降低設(shè)備重量和系統(tǒng)，還能提高系統(tǒng)運行可靠性。研究成果為設(shè)計的地下運輸機器人在實際應(yīng)用中的履帶與綜合性能提供了重要的技術(shù)支持。

1履帶的選用

本設(shè)計方案中，地下運輸機器人的整體結(jié)構(gòu)由履帶驅(qū)動系統(tǒng)、翼板支撐結(jié)構(gòu)、電機驅(qū)動模塊、控制系統(tǒng)和傳感器模塊組成，各部分良好工作以形成復(fù)雜的物資運輸需求。整機設(shè)計如圖1所示。

考慮到標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的理念下對履帶設(shè)備的設(shè)計選擇中，將采用一種梯形雙面齒同步帶來構(gòu)建履帶系統(tǒng)。其結(jié)合了皮帶來回滾轉(zhuǎn)的特點并融合進(jìn)了鏈條及齒輪的部分優(yōu)勢特性：其能夠?qū)崿F(xiàn)精確且穩(wěn)定的機械驅(qū)動；因為它沒有像其他類型那樣存在著相互間的接觸點而產(chǎn)生阻力或影響到運行效果等缺點——這使得它的使用更加高效并且可靠穩(wěn)定[3-6]。制造材質(zhì)一般選用聚氨酯（PU）制成的合成纖維布料，因此重量很低但強度高，可以滿足高負(fù)荷的要求同時也能保持良好的運轉(zhuǎn)性能。

從以上對同步帶性能的分析中可以得出結(jié)論，選用梯形雙面齒同步帶作為移動裝置設(shè)計履帶能夠滿足設(shè)計性能及工作的環(huán)境條件要求。

由已知后軸輸出功率為P＝0.1750kW，設(shè)計裝置移動速度v移＝1m/s，根據(jù)公式：

式中：r1為履帶主動輪半徑；n1為主動輪轉(zhuǎn)速。

2.1確定帶的型號和節(jié)距

由設(shè)計功率Pd＝0.2275kW和n1＝120r/min考慮到可以用雙面交錯梯狀齒型同步帶作為履帶使用，由圖2查得型號選用XH型，對應(yīng)節(jié)距pb＝22.225mm。

圖3為雙面交錯梯狀齒形同步帶的結(jié)構(gòu)，雙面齒同步帶的節(jié)距和齒形等同于單面齒同步帶的齒形和節(jié)距。其中，圖3a為DA型雙面齒同步帶，其兩面帶齒呈對稱排列；圖3b為DB型雙面齒同步帶，其兩面帶齒呈交錯位置排列，本裝置設(shè)計履帶選擇DB型[7-9]。XH型同步帶W＝2.797mm，p＝15.490mm，其中W為寬度，T為節(jié)距。

2.2確定主從動輪直徑

為了提高履帶與地面之間的摩擦性能，確保機器人能夠穩(wěn)定地適應(yīng)復(fù)雜地形，本設(shè)計通過合理選擇主從動輪直徑，優(yōu)化履帶與地面的接觸特性。在設(shè)計過程中，重點考慮了履帶驅(qū)動系統(tǒng)的效率、穩(wěn)定性以及整體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性。

基于此，將履帶驅(qū)動輪的直徑設(shè)定為d1＝160.000mm，履帶從動輪直徑d2＝160.000mm。經(jīng)過查閱相關(guān)設(shè)計參數(shù)，結(jié)合履帶與齒輪傳動系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)型號，將主動輪和從動輪型號選定為23XH。通過精確計算并查閱標(biāo)準(zhǔn)表，得到了實際優(yōu)化后的直徑值為162.710mm。

2.3確定節(jié)線長度和帶寬

在設(shè)計履帶系統(tǒng)時，確定合適的節(jié)線長度和帶寬對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率至關(guān)重要。中心距的選擇對同步帶的工作效果有顯著影響，合理的中心距可以減緩帶輪之間的旋轉(zhuǎn)頻率，從而延長同步帶的使用壽命。過大的中心距會導(dǎo)致帶子產(chǎn)生較大的振蕩，影響傳動的穩(wěn)定性，同時也會增加整個系統(tǒng)的體積和重量。相反，過小的中心距則可能導(dǎo)致同步帶的張力過大，從而使得系統(tǒng)工作時產(chǎn)生不必要的摩擦和能量損耗。因此，在本設(shè)計中，中心距被設(shè)為a＝400.000mm，以確保履帶系統(tǒng)在實際運行中的平穩(wěn)性與高效性[10-13]。

當(dāng)額定功率超過預(yù)設(shè)功率時，傳動能力已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期水平，因此選擇的參數(shù)是合理的。

為了降低履帶驅(qū)動裝置的質(zhì)量，可以選用硬鋁合金作為履帶主、從動輪的材料。硬鋁合金主要添加了銅、鎂和錳等元素，因此硬鋁合金具有密度小、質(zhì)量輕、強度高、硬度高以及耐熱性好等優(yōu)點，可以滿足設(shè)計性能的要求。

3翼板部分設(shè)計

3.1翼板的作用

翼板在履帶系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，其主要作用是增加履帶與地面之間的接觸面積，從而提高牽引力和地面適應(yīng)性。翼板的設(shè)計不僅直接影響履帶的地面抓地力，還關(guān)系到履帶在不同地形中的通過性能。在履帶系統(tǒng)中，翼板能夠有效分散地面不平帶來的壓力，減小履帶對地面的侵害，降低地面沖擊力，從而提升履帶的穩(wěn)定性與耐用性[14]。

3.2翼板材料選擇與優(yōu)化

在本次設(shè)計中，翼板的材料選擇與優(yōu)化是確保履帶系統(tǒng)性能和耐用性的關(guān)鍵因素。考慮到翼板需要在復(fù)雜多變的地形中使用，材料必須具備較高的強度、耐磨性、抗腐蝕性以及優(yōu)良的韌性和彈性[15]。因此，材料的選擇不僅要滿足機械性能的基本要求，還要考慮長期使用過程中可能遭遇的惡劣環(huán)境和極端條件。

翼板需要承受較大的壓力和摩擦，材料的耐磨性是首要考慮因素。在這一方面，聚氨酯（PU）材料是一個理想的選擇。聚氨酯材料具有出色的耐磨性、抗沖擊性及較強的彈性，能夠有效減緩與地面接觸時產(chǎn)生的磨損，從而延長翼板的使用壽命。翼板材料的強度和剛度也是設(shè)計中的關(guān)鍵要求。對于重型履帶系統(tǒng)或需要在硬地面上行駛的應(yīng)用，鋼質(zhì)合金是一個常用的材料選擇。

3.3翼板結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗證

翼板設(shè)計為彎曲曲面，旨在增加與地面接觸的面積，從而提高牽引力并減少摩擦。彎曲的形狀也有助于在受載時分散應(yīng)力，避免應(yīng)力集中。翼板的邊緣與履帶的連接處經(jīng)過優(yōu)化，設(shè)計為平滑過渡，減少局部磨損和疲勞。翼板的厚度設(shè)計基于履帶系統(tǒng)的工作載荷及預(yù)期的使用環(huán)境。過薄的翼板可能導(dǎo)致剛度不足，無法承受較大的載荷，而過厚的翼板將導(dǎo)致重量增加，不利于履帶系統(tǒng)的整體效率[16]。因此，通過理論計算和經(jīng)驗值，翼板的厚度設(shè)定為27.500mm。翼板與履帶板通過螺栓連接。為了避免螺栓連接處因長期受力而松動，螺栓連接處采取了雙重加固設(shè)計，同時在螺栓孔周圍進(jìn)行了加強處理，以提高連接強度。

假設(shè)翼板在承受一定載荷時發(fā)生彎曲變形，可以通過彎曲公式進(jìn)行計算。設(shè)定翼板承受均勻分布的載荷q，翼板的長度為L，厚度為h，材料的彈性模量為E，求解翼板的最大彎曲變形δmax。彎曲變形計算公式為：

計算結(jié)果表明，在均勻載荷作用下，翼板的最大彎曲變形為0.259mm，這一變形值相對較小，說明翼板能夠保持較好的剛度和穩(wěn)定性[17]。

通過簡單的計算與分析，驗證了翼板的初步設(shè)計方案。雖然翼板在靜載荷下表現(xiàn)出較小的彎曲變形，但計算結(jié)果表明在高載荷情況下可能會出現(xiàn)屈服問題。因此，后續(xù)設(shè)計將考慮增加材料強度或厚度，以確保翼板在各種工況下的安全性和耐久性。

4結(jié)束語、

本研究設(shè)計了一種適用于地下運輸機器人的履帶及翼板系統(tǒng)，旨在提升其在復(fù)雜地形中的越障能力和穩(wěn)定性。通過精確計算主從動輪的直徑、節(jié)線長度及帶寬，優(yōu)化了履帶系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能。同時，翼板設(shè)計采用高強度輕質(zhì)材料，提升了系統(tǒng)的跨越障礙能力并有效降低了整體重量，確保了良好的剛性和穩(wěn)定性。

計算表明，設(shè)計的履帶及翼板系統(tǒng)具有較高的可靠性和較強的環(huán)境適應(yīng)性。通過優(yōu)化設(shè)計，不僅提高了機器人在地下復(fù)雜環(huán)境中的作業(yè)能力，還實現(xiàn)了輕量化、低噪聲和低材料成本的目標(biāo)。未來研究可在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)探索更先進(jìn)的材料和智能化控制技術(shù)，進(jìn)一步提升機器人在更加復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)能力和可靠性。