MROBOT机械系统设计与动力学分析研究

2015-02-24尤国富

橡塑技术与装备 2015年24期

关键词：机械系统履带移动机器人

尤国富

（建湖恒华机电有限公司，江苏盐城 224700）

MROBOT机械系统设计与动力学分析研究

Design of mechanical system and analysis of dynamics for MROBOT

尤国富

（建湖恒华机电有限公司，江苏盐城 224700）

MROBOT即小型地面机器人。在现代战场上，小型地面机器人作为一种尖端武器具有减少战争伤害、可进入恶劣作战环境进行作战的功能。我国目前已研制出能够适应未来城市小规模作战的机器人作战平台，这也为我国在相关领域的研究奠定了理论和实施基础。本文详细阐述了MROBOT系统的总体和机构设计，并对其进行了动力学建模和研究，最后对其未来的发展前景进行了概括。

移动机器人；机械系统设计；动力学分析

移动小型地面机器人研制于20世纪60年代末期，其目的是研究智能机器在复杂环境下进行行动和判断的能力。本文对实验中设计的一号和二号两枚移动机器人进行了机械设计上的对比，从而对MROBOT的合理化机械设计及动力学性能分析进行了详细的研究。

1 MROBOT机械系统的总体设计

在进行自主移动机器人的研究过程中，如何确保机器人本身的硬件系统得到准确实现是一个技术难题。因为移动机器人的设计不仅仅针对机构的设计，还包括用于机器人运动的驱动电路，感应外界刺激的感应电路，以及进行中央控制和操作的中央电路等不同的硬件部分。在实际的制作和生产当中，由于加工过程中会出现误差，进而导致机器人在设计时采用的传动方式不能够顺利实施。这样就会对机器人的操控带来负面影响，对移动机器人的控制难度也会相应加大。此外，移动机器人材质的选择决定了其驱动系统的选择，而驱动系统的选择又直接决定了移动机器人将采用何种动力源进行驱动。最终，动力源的重量又与移动机器人的总重量息息相关，所以，这些部分在设计之初就要进行充分的考虑，最大程度地协调好各方面的关系，从而实现对移动机器人的良好控制。

2 MROBOT的机械设计

机械系统是移动机器人的物质形体，是机器人软件操控得以顺利实施的物质媒介。其各项设计参数直接影响到机器人的各项运行指标。所以，相对合理的机械设计对于移动机器人的功能以及使用寿命来说具有非常重要的现实意义。在实际的机器人研发和制造过程中，由于研发制造的时间轴比较长，因此，机器人最终的功能体现会受到各方面因素的影响。比如在制造过程中制造精度加工材料的选择，以及热处理工艺等，这些外界的物理因素都会对移动机器人最终的物理性能造成影响。因此，机械设计对于MROBOT来说非常重要。在实验中我们制造了一号和二号两台不同的移动机器人，基于此展开机械设计的相关探讨与研究。

2.1 MROBOT一号的接卸设计特点

在一号MROBOT的设计过程中，移动机器人平台重要采用了三节可变式履带，通过设计加工以及后续的调试实验，主要解决了以下几个实际问题。

（1）确定了双层套轴轴系结构在可变式履带关节使用中的可行性。不同于传统的轴系设计，双层套轴轴系结构在实际运作当中实现了机器人在同一个圆心，不同半径的旋转动作的独立。这样的设计使得移动机器人的动力系统更加集中，这样的技术突破对于机器人的机动性能以及空间的有效利用具有非常重要的意义。尤其是对于移动机器人自翻身动作来说，该项技术革新使得机器人自翻分身动作时可以将重心放在身体前部，降低了动作的难度，同时也降低了为该动作提供动力的摆臂驱动电机的载荷。

（2）明确了涨紧套连接方式在小尺寸范围内的可靠性。涨紧连接套这种连接方式是一种相对较为柔性的连接方式。根据拧紧的高强度螺栓，使得包容面和被包容面之间产生压力来传递负荷。目前，该技术在我国许多相关行业得到了广泛的运用。但是小型机器人不同于其他领域的大型机器，小型机器人的传动轴大约为10 mm左右，在这样小的间距内使用涨紧连接无疑是一种技术挑战。通过安排具体的实验，验证了涨紧连接法在小型机器人上运用的可靠性。同时还掌握了相关的实验数据。

（3）验证了同步齿型带代替履带的可行性。履带是移动机器人进行自由移动的主要载体，对于保护底盘以及机器人的其他部位也有很好的作用。由于履带的设计成本较高，一般都采用标准件来代替。其中，齿型带在实验中可以代替履带实现移动机器人的自由移动，同时也证明了齿型带代替履带的可操作性。

2.2 MROBOT一号和二号的传动系统设计

一号和二号移动机器人均采用了相同的传动系统，机器人实现行走的部分都是双层套轴的轴系结构，而驱动则是由一侧的一个电机驱动，另一侧则通过传动履带带动从动轮向前运动。

2.3 MROBOT一号和二号的涨紧套设计

涨紧套的连接方式是基于锥面相互紧贴的内外钢圈作为过渡，当轴向产生的力压紧钢圈时，内部的套会将轴包紧，进而与连接的轴以及孔产生一个压紧力，这个压紧力会产生相应的摩擦力，然后再用摩擦力传递轴向力以及扭矩。其中，涨紧套连接具有很多优势，例如其传递的扭矩比较大，而且其制作过程相对简单，调整也较为方便，在安装和拆卸过程中也比较容易。

2.4 MROBOT一号和二号的底盘设计

移动机器人的底盘是整个机器人的机械载体，同时也是在安装其他零部件时进行定位的基准位置。所以，移动机器人的底盘设计将会直接影响到机器人在运动过程中的传动效率以及撺掇的精确度。其次，移动机器人的底盘对各个零部件的寿命也会造成一定程度的影响。一号机器人采用的是板式底盘，板式底盘就是将机器人内部的零件安装并且固定在一块经过处理和加工的平板上。二号机器人则采用了箱体式底盘，相对于一号机器人的平板式底盘，二号机器人的箱式底盘拥有更多优势。例如机器人的密封性能得到了改善，可具备防暑性能。此外，这种箱式底盘所采用材料的硬度也有所提高，可以有效保护机器人的内部零件不受到外界环境的撞击或其他破坏。

2.5 MROBOT二号机器人的行走机构设计

（1）优化履带设计。出于使用成本以及性能的考虑，移动机器人的履带将采用齿型带来代替。齿型带在材料以及齿型方面有以下特点。齿型带的填料主要有填充材料和骨架类材料。其中，骨架材料直接决定了带子的使用性能。出于对移动机器人行走稳定性的考虑，填料主要采用了橡胶作为主要填料。这样可以有效提升移动机器人在行走过程中的抓地能力。

（2）轮系设计。在一号移动机器人的设计当中，其轮系主要采用了同步带轮系的方法。也就是在轮子上加装了挡圈，以防带子进行横向的移动。但是，这样的方法对于履带传动来说并不完全适用。因为如果挡圈的高度太高就会与地面形成接触，这也就失去了履带传动的意义。但是太低又无法避免由于原地打转而产生的横向力而最终导致履带的横向移动。所以，在进行二移动机器人的设计时吸取一号移动机器人的设计经验，取消了原有的挡圈，用光轮作为代替，光轮可以一直压在内侧没有齿的地方来承受重力，同时还可以有效避免履带的横向移动。

3 MROBOT的动力学性能研究

移动机器人的设计初衷就是为了实现机器人可以代替人在环境较为恶劣或地形较为复杂的条件下作业。所以，针对移动机器人可以做的一些特殊动作必须进行充分考虑，例如攀爬、自翻身、自撑起等动作。这些动作可以集中反映机器人的动力性能，针对机器人默写图书动作的研究可以进一步提升移动机器人的动力性能。

3.1 撑起动力学性能

对于移动机器人来说，为确保其可以顺利通过障碍物可以设计一个双臂自撑起功能。在面对障碍时，移动机器人的双臂可以向前移动，并撑住地面将底盘撑起至一定的高度。这时，移动机器人的重心也得到了相应的提高。

3.2 翻越障碍动力学性能

对于楼梯等相似的垂直障碍来说，移动机器人必须具备相应的翻越性能。在接近垂直障碍物时，移动机器人自身的视觉传到系统会自动分辨前方的障碍物可否顺利翻越，之后再接近障碍物时会通过驱动将前臂向上抬升转动，同时位于前部的履带也部分抬升，在接触垂直障碍物时，移动机器人的前臂支撑障碍物表面，升起的履带也不断运转，给机器人一个向上的升力，当机器人的重心在爬升过程中越过障碍物时，就可以依靠重力的作用实现顺利的障碍翻越了。