基于地下運輸機器人移動機構履帶及翼板的設計

關鍵詞：地下運輸機器人；履帶設計；翼板；結構優化

0引言

隨著社會發展和城市化進程的加快，地下空間的利用范圍不斷擴大，包括地鐵、地下停車場、管道隧道等場所。由于地下環境的復雜性和封閉性，物資運輸面臨著嚴峻的挑戰，如狹窄空間、陡峭的坡度以及不平整的地形，這使得傳統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。

履帶式移動機構因其卓越的地形適應能力和越障性能，已成為地下搜救機器人移動系統的主要選擇。結合翼板設計的履帶系統，能夠有效提升機器人在地面上的穩定性和通過性，但如何實現高效、穩定、輕量化的履帶及翼板系統設計仍然是當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的設計方案，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雜環境中的應用，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，可以有效增強機器人在復雜環境中的越障能力和穩定性，從而提升運輸任務中的機動性和工作效率。此外，優化設計的履帶與翼板系統不僅能降低設備重量和系統，還能提高系統運行可靠性。研究成果為設計的地下運輸機器人在實際應用中的履帶與綜合性能提供了重要的技術支持。

1履帶的選用

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

考慮到標準化設計的理念下對履帶設備的設計選擇中，將采用一種梯形雙面齒同步帶來構建履帶系統。其結合了皮帶來回滾轉的特點并融合進了鏈條及齒輪的部分優勢特性：其能夠實現精確且穩定的機械驅動；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定[3-6]。制造材質一般選用聚氨酯（PU）制成的合成纖維布料，因此重量很低但強度高，可以滿足高負荷的要求同時也能保持良好的運轉性能。

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

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

式中：r1為履帶主動輪半徑；n1為主動輪轉速。

2.1確定帶的型號和節距

由設計功率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，對應節距pb＝22.225mm。

圖3為雙面交錯梯狀齒形同步帶的結構，雙面齒同步帶的節距和齒形等同于單面齒同步帶的齒形和節距。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，確保機器人能夠穩定地適應復雜地形，本設計通過合理選擇主從動輪直徑，優化履帶與地面的接觸特性。在設計過程中，重點考慮了履帶驅動系統的效率、穩定性以及整體結構的協調性。

基于此，將履帶驅動輪的直徑設定為d1＝160.000mm，履帶從動輪直徑d2＝160.000mm。經過查閱相關設計參數，結合履帶與齒輪傳動系統的標準型號，將主動輪和從動輪型號選定為23XH。通過精確計算并查閱標準表，得到了實際優化后的直徑值為162.710mm。

2.3確定節線長度和帶寬

在設計履帶系統時，確定合適的節線長度和帶寬對于系統的穩定性和效率至關重要。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頻率，從而延長同步帶的使用壽命。過大的中心距會導致帶子產生較大的振蕩，影響傳動的穩定性，同時也會增加整個系統的體積和重量。相反，過小的中心距則可能導致同步帶的張力過大，從而使得系統工作時產生不必要的摩擦和能量損耗。因此，在本設計中，中心距被設為a＝400.000mm，以確保履帶系統在實際運行中的平穩性與高效性[10-13]。

當額定功率超過預設功率時，傳動能力已經達到了預期水平，因此選擇的參數是合理的。

為了降低履帶驅動裝置的質量，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、質量輕、強度高、硬度高以及耐熱性好等優點，可以滿足設計性能的要求。

3翼板部分設計

3.1翼板的作用

翼板在履帶系統中扮演著至關重要的角色，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性。翼板的設計不僅直接影響履帶的地面抓地力，還關系到履帶在不同地形中的通過性能。在履帶系統中，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，從而提升履帶的穩定性與耐用性[14]。

3.2翼板材料選擇與優化

在本次設計中，翼板的材料選擇與優化是確保履帶系統性能和耐用性的關鍵因素。考慮到翼板需要在復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計中的關鍵要求。對于重型履帶系統或需要在硬地面上行駛的應用，鋼質合金是一個常用的材料選擇。

3.3翼板結構設計與驗證

翼板設計為彎曲曲面，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力，避免應力集中。翼板的邊緣與履帶的連接處經過優化，設計為平滑過渡，減少局部磨損和疲勞。翼板的厚度設計基于履帶系統的工作載荷及預期的使用環境。過薄的翼板可能導致剛度不足，無法承受較大的載荷，而過厚的翼板將導致重量增加，不利于履帶系統的整體效率[16]。因此，通過理論計算和經驗值，翼板的厚度設定為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計，同時在螺栓孔周圍進行了加強處理，以提高連接強度。

假設翼板在承受一定載荷時發生彎曲變形，可以通過彎曲公式進行計算。設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定性[17]。

通過簡單的計算與分析，驗證了翼板的初步設計方案。雖然翼板在靜載荷下表現出較小的彎曲變形，但計算結果表明在高載荷情況下可能會出現屈服問題。因此，后續設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結束語、

本研究設計了一種適用于地下運輸機器人的履帶及翼板系統，旨在提升其在復雜地形中的越障能力和穩定性。通過精確計算主從動輪的直徑、節線長度及帶寬，優化了履帶系統的結構性能。同時，翼板設計采用高強度輕質材料，提升了系統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定性。

計算表明，設計的履帶及翼板系統具有較高的可靠性和較強的環境適應性。通過優化設計，不僅提高了機器人在地下復雜環境中的作業能力，還實現了輕量化、低噪聲和低材料成本的目標。未來研究可在此基礎上，繼續探索更先進的材料和智能化控制技術，進一步提升機器人在更加復雜環境下的適應能力和可靠性。