四轮救援机器人实验装置虚拟设计与实现

王 军，李 明，马东海

(中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 221116)

救援机器人是一种集环境感知、动态决策、路径规划、行为控制等多种功能于一体的综合实验平台。轮式机器人具有运动速度快、灵活性高、自主性强等特点，包括单轮、双轮、三轮、四轮、五轮、六轮和多轮等多种类型。本文设计的四轮救援机器人实验装置采用四轮驱动、独立悬挂、差速转向;在机构可靠性、运动特性及造价方面具有明显的优势;采用UG NX 6软件进行复合建模。

1 四轮行走机构的机构设计

如图1所示，整个机器人行走机构的设计主要由悬挂系统、底盘系统、传动系统承载轮机构和行走驱动机构组成。

1.1 承载式车身结构

四轮机器人采用承载式车身结构，具有质量小、高度低、装配容易、高速行驶稳定性好等优点［1］。四轮机器人选用承载式车身机构，底盘通过悬架与驱动轮连接，使车身及承载物的重量能被四个独立悬架平均承受，再平均分配给每个车轮，从而使各车轮的受力均衡，提高整个车辆的承载能力。底盘尺寸:长700 mm，宽300 mm，高200 mm。

图1 四轮行走机构结构图

1.2 独立悬挂系统

四轮机器人采用独立悬挂系统，每一侧的车轮都是单独地通过弹性悬挂系统悬挂在车架或车身下面。其优点是:质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力;可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性;可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶稳定性;左右车轮单独跳动，互不相干，能减少车身的倾斜和震动。

1.3 传动结构

链传动是通过链条将具有特殊齿形的主动链轮的运动和动力传递到具有特殊齿形的从动链轮的一种传动方式。链传动有许多优点，与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高;传递功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小;所需张紧力小，作用于轴上的压力小。本文中提出的四轮机器人结构使用链条传动，将中心距设计成可调节的，方便调节轴距，对越障爬坡能力提供很大帮助。

1.4 轮胎选择

影响越野汽车越野性能的因素很多，如轮胎数、轮胎花纹、轮胎气压、驱动型式、车架型式、驱动桥型式、变速器型式、轴数、整车的外形尺寸、比功率以及一些部件的安装位置等。这些参数直接关系到汽车的爬坡度、涉水深度、车速、越壕沟能力、越垂直障碍能力、最小转弯半径、纵向和横向通过半径、侧倾角等［2］。车轮结构设计方面，在满足设计要求和适当接地面积的前提下，应尽可能使车轮大直径、小宽度，从而使车轮能够获得较大的挂钩牵引力和较大的侧向力，保证车轮具有良好的牵引性能以及转向操纵能力［3］。在设计和选型四轮机器人驱动轮的时候，在考虑到车身整体尺寸前提下，选择了90/100－14的轮胎，轮胎直径520 mm，胎面宽度70 mm，轮胎是越野轮胎，轮胎花纹比较粗糙。

2 小型四轮行走机构驱动系统的设计

2.1 驱动系统

1)滚动阻力Ff的存在原因

机器人在坡道上匀速上坡行驶时，除了要克服滚动阻力Ff和空气阻力(无风情况下为0，可以忽略)外，还要克服重力沿坡道的分力即坡度阻力Fg。为了方便爬坡时进行受力分析，首先分析了滚动阻力的存在原因。

当轮胎滚动于硬质路面时如图2(a)所示。由于轮胎弹性变形产生弹性迟滞现象，和路面的接触点有两个即C1和C2。当机器人静止时，轮胎所受的地面作用力为C1点和C2点的合力即FZ;轮胎滚动时，C1和C2的变形相同，但由于弹性迟滞现象，C1和C2所受的地面作用力前大后小，即力的前后分布不对称。这样，合力FZ偏离法线，前移一段距离a，它随弹性迟滞的增大而增大，受力情况如图2(b)所示。

图2中G为轮胎所受载荷;v代表前进的方向和速度;T1为作用在轮胎上的驱动转矩;FL为轮轴对轮胎的水平作用力;Fi为驱动力矩T1所引起的道路对轮胎的切向反作用力;轮胎所受的地面作用力FZ与轮胎所受载荷G大小相等、方向相反。

图2 轮胎滚动阻力分析图

假设轮胎的半径为r，根据力矩平衡条件可得:

式中，Fza=Tf为滚动阻力矩，阻碍轮胎的滚动;F1=T1r为驱动力;Ff=Tfr为滚动阻力。

从式(1)、式(2)可以看出，真正驱动机器人移动的力为地面切向反作用力Fi。其中Ff=Tfr=FZar=Gf，f为滚动阻力系数，Ff是由轮胎产生的弹性迟滞损失引起的。Ff越小，Fi越大，机器人移动速度越高。

驱动轮所需转矩根据滚动摩擦定律，可得:

角度α简易测试方法:将轮胎站立在木板上，将木板一端缓缓抬起，直到轮子开始滚动，测量此时木板与地面的夹角，即为α的度数［4］。

FN为支撑面的正压力，即:

则:

M=δ·FN=18.18×10－3×800=14.544 N·m驱动轮所需驱动力为:

驱动轮所需功率为:

2)爬坡受力分析

机器人爬坡受力示意图如图3所示。爬坡时的机器人所受的滚动阻力Ff=Tfr=Gf cosβ，坡道分力Fg=G sinβ。此时机器人所受的总阻力为:

图3 爬坡受力示意图

Fn为斜坡上支撑面的正压力，即:

驱动轮在斜坡上克服滑动摩擦力所需驱动力为:

在斜坡上克服滑动摩擦力所需功率为:

爬坡时坡道分力为:

机器人在以0.5 m/s的速度爬30°的斜坡时，克服坡道分力所需的功率:

机器人在爬30°坡时所需总功率为:

2.2 减速电机选择

机器人的电源选用的是24 V/10 AH的磷酸铁锂电池，最大额定输出电流20 A，过载电流30 A(不超过30 s);选择驱动电机的额定电压为24 V。根据对驱动系统的计算，选型为24 V/250 W直流有刷永磁电机两台。

2.3 链轮链条的选取

由于轮式移动机器人爬越垂直障碍物的能力比较差，论文中选择了直径比较大的驱动轮。参考了驱动轮的直径和机器人在驱动电机额定转速下的移动速度，选择了第二级减速链轮，主动链轮是11齿，从动链轮80齿，减速比7.27∶1。与驱动电机内的齿轮减速器级联，减速比达到了64∶1，驱动轮上最大扭矩23 N·m。链条分别选用型号为1/2*1/8的自行车链条和25 H的链条。

3 四轮机器人行走机构的结构设计

3.1 底盘的设计

机器人移动机构的底盘是整个机器人各部件的承载平台，同时也是各主要部件的装配设计基准。底盘的设计好坏直接影响到机器人的传动精度和传动效率，并且对运动部件的寿命有直接的影响［5］。在设计底盘时，既要考虑到底盘在运动过程中承受震动及其他载荷会产生的变形，又要考虑底盘自身的强度和刚度要求。本文所设计的行走机构底盘主要承载行走机构驱动系统、悬挂系统、搭载系统三个部分。要求在总体设计要求提出的尺寸指标下合理安排和设计各部件的安装结构。既满足论文所提出的性能要求，又能够在要求的尺寸下安装各个部件。

此外，作为小型的移动机器人，在充分考虑其运行的复杂路况及环境下，符合车体的尺寸小、质量轻等要求，从经济和实用的角度考虑，本设计选择方钢管材料，并在底盘的设计时在满足强度要求的同时使结构紧凑，达到轻量化的目的。本文最终底盘的设计尺寸为:700 mm×300 mm×200 mm。

3.2 轮胎轮毂的选取

轮式机器人的特点是机动灵活，在平坦的路面上可以较快的速度、较低的功耗长距离地执行任务，但本文设计的轮式机器人要求在楼梯、斜坡、凸台等复杂环境下执行救援任务。四轮机器人结构简单，由于机器人在越障时没有辅助的越障设备，只能依靠驱动轮提供的驱动力越障。

最终对四轮机器人的轮胎选取型号为90/100－14的越野摩托车轮胎，轮毂则选用14 in(1 in=2.54 cm)的辐条式轮毂，此款轮毂上的传动链轮安装孔和选择的链轮的安装孔是吻合的。

3.3 悬挂和传动部分的设计

独立悬挂系统是每一侧的驱动轮都是单独地通过弹性悬挂系统悬挂在车架或底盘下面的。其优点［6］是:质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力;移动机器人重心也得到降低，从而提高移动机器人的移动稳定性;左右轮单独跳动，互不相干，能减少车身的倾斜和震动。

减震器是弹性悬挂中的关键构件，减震器的安装位置决定着机器人的稳定性和减震装置的使用寿命，减震器的安装方向沿着连杆绕支点的圆弧的切线［7］。由M=L×F可得，在力矩相等的情况下，力臂L和和力F是成反比的，减震器下端与连杆支点距离越短，减震器受力越大。在弹簧弹性强度相同的情况下，颠簸的路面上车体受到的震动更小。

传动链轮的中心距离设计为310 mm－360 mm可调，能够调节轴距、重心位置和链条的预紧力。如图4所示。

图4 悬挂、传动部分示意图

使用三维建模软件UG软件设计的结构示意图如图5所示，框架式结构预留了后期的控制器、传感器、电池的安装位置。

4 四轮机器人实验装置越障运动分析

4.1 四轮机器人装配

四轮机器人的设计和零部件选型后，分别设计零件图和生成三视图，并对三视图标注尺寸，进行机械加工。由于机械加工的精度达不到设计图纸上的公差要求，在不改变四轮机器人性能的基础上，对四轮机器人结构做了适当的调整。最终加工成型的小型轮式机器人行走机构如图6所示。四轮机器人的连杆的长度可调节，车身长度为1 1001 220mm。

图5 四轮机器人结构示意图

图6 四轮救援机器人底盘实物图

4.2 爬坡实验结果分析

四轮机器人在场地中的30°的坡道上爬坡时，将调速的占空比调节为50。在四轮机器人有初速度的情况下，四轮机器人能够顺利爬上斜坡。斜坡表面长度2 m，耗时5.2 s，由

平均速度v=0.38m/s。

四轮机器人在无初速度的情况下爬坡，由于要克服加速度所产生的阻力，四轮机器人仍然能顺利爬坡，但是爬坡的平均速度低于有初速度的情况。

将四轮机器人放置在场地中的40°的斜坡上时，占空比仍然是50。轮胎在坡道底部打滑，轮胎提供的抓地力不能够克服行驶阻力和重力在斜坡上的分力之和，四轮机器人不能够爬上40°的斜坡。经过实验测得，轮胎与坡道的摩擦系数约为μ=0.68，带入公式:

其中，β =34.8°。

将斜坡的坡度降到35°，四轮机器人在有初速度的情况下，能够爬上斜坡;但是四轮机器人的速度在上坡的过程中下降，并有轻微的打滑现象。若将四轮机器人在坡道的底部以零初速度爬坡，四轮机器人只能在坡道底部打滑，但是有上坡的趋势。将坡道降至33°时，四轮机器人就能够顺利爬上斜坡。

4.3 爬楼梯实验结果分析

试验场地中的楼梯的梯高150 mm，梯宽200 mm，楼梯的坡度为37°。由于四轮机器人在爬楼梯过程中，四轮机器人的俯仰角度一直是变化的。而且越野轮胎的胎纹比较粗糙，能够和楼梯的棱角咬合紧密，四轮机器人的爬楼梯提供了较大的力，使得四轮机器人能够成功爬上楼梯。由于楼梯的坡度大，轮式机器人在楼梯上震动较大，所以四轮机器人在爬楼梯的过程中速度控制在50。

在爬楼梯实验时，对四轮机器人的轴距长度进行调整，四轮机器人的最长轴距为700 mm，最短轴距是580 mm，实验中将轴距调整到580 mm，重心离后轴的距离缩短了60 mm。四轮机器人在爬楼梯过程中会出现后仰的情况，不能够爬上楼梯。逐次增加轴距10 mm进行实验，直到轴距增加到660 mm时四轮机器人爬坡时将不再出现后仰的情况。此时的四轮机器人长度是1 180 mm。

5 结束语

灾难救援机器人性能不断完善，在火灾、水灾、毒气、放射性物质以及地震、爆炸等灾难救援中起到非常重要的作用［8］。本文开发设计了四轮救援机器人实验平台，完成了轮式机器人行走机构的结构设计，利用UG软件对实验机构进行参数化建模，分析越障性能，对机器人驱动电机、传动部分选型;细化了轮式机器人的加工零件图。经测试，实验装置越障能力良好，满足了设计要求。

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