一种可投掷轮式侦察机器人的设计

沈轲飏，钱瑞明

(东南大学机械工程学院，江苏南京 211189)

小型化的可移动侦察机器人在战争、反恐以及救援等领域的需求日显突出。然而，在有些特定区域，比如狭小空间或者室内，小型侦察机器人存在体积过大以及容易被发现等局限性(隐蔽性不够)［1］。另外，小型侦察机器人也存在结构复杂且成本过高等缺点。而微型侦察机器人可以有效地弥补小型侦察机器人在以上方面的缺陷，可以协同甚至搭载在小型侦察机器人上面，从而更高效地完成特定任务。例如，由美国PARPA公司研发的Recon Scout机器人已经装备在军队的执法机构、海军、联邦调查局以及边境巡逻队等部门，并已在处理危险事件中发挥了重要作用。由Rafal Czupryniak和Maciej Trojnacki开发的TTR可投掷侦察机器人［2］，能够承受从7m高度掉落的冲击。

模块化设计作为一种大规模定制设计的重要方法，通过功能模块的不同组合实现产品的多样化和用户化，已广泛应用于机床、减速器、计算机、家电和家具等行业。而在国内，特殊作业机器人的模块化设计尚处于研究阶段。本文将模块化的理念融入微型可投掷机器人的设计中，研究模块化微型可投掷侦察机器人的可实现性以及具体实现方法。

1 可投掷移动机器人整体方案

为使机器人在投掷后具有移动能力，机器人应配置具有移动功能的“肢干”，这些肢干可以是轮子、腿或者履带等等。在选择移动方式时，应考虑其在与地面触碰过程中能够吸收尽可能多的冲击能量［3］。与腿式和履带式移动方式相比，轮式结构简单紧凑，抵抗冲击的各向同性能力强，在可投掷机器人的设计中应用较多。

基于可投掷、可移动的功能目标，本文设计的机器人采用哑铃式二轮结构，如图1所示，它由柱状的机器人主体2、位于两侧的移动轮3和后支撑杆1组成。在主体2上装有传感器摄像头4、LED光源5以及麦克风6，7和8分别为电机和内部传动机构。为了提高机器人的抗震能力，主体直径略小于移动轮;移动轮采用弹性较好的橡胶材料。内置于主体2中的两个电机通过传动机构分别给两个移动轮提供动力。

图1 机器人整体结构图

2 可投掷移动机器人结构设计

2.1 移动轮设计

在机器人跌落地面瞬间，移动轮是第一道吸能减震环节，移动轮产生形变可以有效吸收由于碰撞造成的冲击，以保护机器人重要零部件。因此，移动轮的设计将直接影响机器人的投掷性能［4］。

采用橡胶材料制作移动轮，主要成分是丁苯橡胶(SBR)以及丁基橡胶(IIR)，将它们按照一定比例混合，达到设计需要的硬度，并具有较好的耐磨性﹑耐老化性和耐水性。

针对多种应用环境，笔者设计了几款不同的移动轮，如图2所示。A型移动轮为螺旋式，由主轮伸出厚度较小、易于形变的12只“触手”，在冲击不算大的场合，触手担任吸收冲击能量的主要任务;而当冲击较大时，主轮也会发生形变来吸收冲击能量。A型移动轮具有一定的越障能力，而且质量轻，但由于多边形结构导致平顺性不够好，使机器人在快速移动过程产生较大噪声。B型移动轮为花瓣式，通过镂空的方式来改变局部硬度，相比于A型，牺牲了部分的越障能力，换来更好的平顺性。C型为齿轮式，几乎没有越障能力，但有最好的静音性能。

图2 不同式样的移动轮

2.2 可调角度支撑杆设计

为了使得机器人能够获得不同的俯仰角，以便获得最合适的视野，尾部支撑杆采用了可以手动调节角度的机构，如图3所示。支撑杆的调节机构可看成一个空间连杆机构，其中A为移动副，B为球－平面副，C为橡胶柔性件，此处简化为球面副。调节杆1前后移动，便能调整支撑杆与地面的角度。支撑杆的侧向定位主要靠橡胶节点自身的弹力。

图3 支撑杆结构简图

2.3 传动机构设计

移动轮无法吸收来自地面的全部冲击，冲击能量经过移动轮后会传递到机器人主体内部的传动机构，然后再传递到电机轴上，而电机轴是所有环节中最弱的一环［4］。因而在设计传动机构时，有必要考虑如何减小对电机轴的冲击。

首先，电机自带减速器，这样可以减小电机轴上的工作载荷。其次，在电机减速器输出轴与移动轮轴之间增加一级齿轮传动(如图1中8所示)，借助齿轮再次吸收部分冲击能量，同时电机轴线与移动轮轴线的偏置也有利于机器人内部结构的布置。

2.4 内部布局

鉴于机器人的尺寸很小，合理地利用内部空间显得尤为重要。在设计中融入模块化的思想，将机器人主体内部结构划分为以下几个功能区域，如图4所示:电机区、控制板区、电池区以及传感器区。各区部件均安装在铝合金支架上。

图4 机器人主体支架及内部结构布局

3 仿真分析

由于主体支架是机器人各功能区部件的支承体，所以其是保证机器人整体结构稳定性和强度、刚度的关键结构件，因此有必要校核其力学性能。

使用ANSYS Workbench对主体支架作模态分析，结果如图5所示，其中一阶到六阶的共振频率分别 为 1 591Hz、3 797Hz、4 473Hz、5 025Hz、6 807Hz以及6 974Hz。而机器人最高移动速度为1m/s，换算成转速为2.3r/s。由于A型移动轮子上有12个触手，可以算出振动频率大概为28Hz，这个结果远小于核心支架的固有频率，因此核心支架具有足够的振动稳定性。

图5 主体支架的模态分析结果(第一阶振型)

图6 跌落时轮轴受力随时间分布

使用ADAMS对机器人进行跌落仿真，设置机器人从2m高处水平跌落至刚性地面。仿真结果如图6所示，最大接触力发生在0.6s左右，最大值约为630N。可以看出，橡胶轮能够起到一定的缓冲作用，轮轴承受力在允许范围内。

本文提出了一种微型可投掷轮式侦察机器人的设计方案，详细设计了各功能模块，分析了关键件支架的力学特性，并研制出实物样机(如图7所示)。样机外形尺寸为220mm×110mm×110mm，质量800g，平地最大移动速度1m/s，续航时间1.5h。

图7 机器人实物样机

4 结束语

初步试用情况表明，该机器人具有结构紧凑、体积小、质量轻、行走灵活等特点，跨越台阶高度30mm，能承受6m投掷高度的冲击。进一步的极限作业能力测试尚在进行中。

［1］ Gao Hengrui，Bi Shusheng，Zhang Rong，et al .Design of a throwable two － wheeled reconnaissance robot［C］//Proceedings of the 2012 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.Beijing:Intelligent Robotics Institute，2012:2150 －2151.

［2］ Rafal Czupryniak，Maciej Trojnacki.Throwable tactical robotdescription of construction and performed tests［J］.Journal of Automation，Mobile Robotics ＆ Intelligent Systems，2010，10(6):26－32.

［3］ Cameron J M，Arkin R C.Survival of falling robots［J］.SPIE Mobile Robots，1991，9(11):126 －128.

［4］ Zhang Liancun，Huang Qiang.Design and realization for throwable semi－ autonomous reconnaissance robot［C］//Proc.of IEEE International Conference on Automation and Logistics.Beijing:Intelligent Robotics Institute，2011:6－7.