基于铰链式行星履带式机器人的机械设计

陈文轶 刘青松 张广志

【摘  要】搜救机器人的研究给搜救工作带来很大的方便，在灾难发生后，能够快速地投入到搜救工作中，提高搜救效率，本文在分析搜救机器人技术要求的基础上，设计了一种基于铰链式行星履带式机器人的机械结构，该结构简单、实用，能有效增强救灾机器人的通过性和对路面的适应能力。

【关键词】履带式机器人;三角行星;机械设计

引言

很多自然灾害，让我们难以预测和防范，这些灾害往往会带来很大的损失和伤害。随着科技的进步、发展，搜救机器人在各种抢险救灾中发挥着越来越重要的作用。而现有的搜救机器人一般结构复杂、制作成本高，难以投入实际应用中。鉴于此，本文提出了一种基于铰链式行星履带式行走机构的搜救机器人，克服了履带式行走机构不能翻越梯度较高的障碍的弱点，增强了搜救机器人的通过性和对路面的适应能力。

1搜救机器人技术要求

针对搜救机器人所要实现的功能、结构以及工作环境，搜救机器人应满足以下要求：保证机器人能够在各种路况下稳定的行走;有视觉采集装置（摄像头）;遥控装置，按照人的意识行走;生命探测（人体热释电传感器）。要保证机器人能够在不平坦的废墟中稳定地行走，则要求机器人具有一定的越障能力和行驶稳定性。本文设计了一种基于铰链式的行星履带行走机构，能够适合各种路况，更加增强了机器人的越障能力，有很强的实用性。

2铰链式行星履带式机器人的机械设计

2.1三角行星结构原理

三角行星结构，其结构与工作原理为，由直流电机驱动中心齿轮转动，来带动过渡齿轮进行转动，而驱动齿轮和履带轮是固接在一起的，从而带动履带轮轮绕驱动轮轴转动。三角行星装置合理的添加到履带行走机构上，就能够克服履带不能翻越较高梯度障碍这一弱点。在梯度较为平缓的路况下，该机构和正常的履带式行走机构一样，有较好的适应性和通过性，能适应大多数路况。当遇到较大梯度的障碍时，该行走机构由定轴轮系转变为行星轮系，行星轮架转动，空转轮变为前行驶轮，原前行驶轮变为后行驶轮，后行驶轮变为空转轮。即该行走机构通过驱动轮在定轴轮系和行星轮系的的转换提高越障能力。

2.2铰链式行星履带车身结构设计

行星轮系越障轮不需要借助复杂的辅助机构，来实现平面上运动与越障运动之间转换，因此作业时具有很高的可靠性。但是对于翻越大型障碍，该系统则有较大的难度，为此，本文设计了基于铰链式行星履带车身结构，中间三角形出的车体通过铰链相连，使得车体的前后两部分能够围绕铰链上下转动，因此，结合了链接式车体后，越障能力可大大加强。

搜救机器人机械结构的具体参数主要考虑到的因素有：（1）可跨越最大垂直障碍高度，（2）最小转弯半径，（3）静态稳定性。

2.3 机器人驱动系统设计

设计的行星履带式行走机构的动力来源于电机驱动，同时机器人的转向依靠两侧履带的速度差实现。本系统需要四个电机作为动力源输出动力，前部分车身左右各一个电机，后部分左右各一个电机。前部分车身的每个电机（通过一些齿轮或链条的传动）分别控制左右两个轮的转动。后部分的两个电机分别控制左右单个轮的转动。这样铰接式车身的设计更增强了救灾机器人的通过性和对路面的适应能力。

车体上可装设摄像头，进行视频采集，车体可装设生命探测（人体热释电传感器），进行被困人员的体征探测;可装设北斗导航系统，进行高精度的定位，可装设遥控信号发射与接收器，使得搜救机器人能够实现远距离遥控。

3.结论与展望

本文所设计的基于铰链式行星机构的履带式行走机构，这种设计机构简单，并具有以下特点：

1.将行星机构与履带结合，提高搜救机器人的越障能力，尤其是客服了履带式行走机构无法翻越梯度较大障碍的弱点。

2.配套的设计铰接式车身，提高搜救机器人的通过性。

3.铰接式车身的设计更增强了救灾机器人的通过性和对路面的适应能力。

如控制系统能有效加装无线控制的搜救系统，系统将更加灵活方便，提高机器人的实用性。机器人安装北斗导航系统能够实现远距离遥控，高精度的定位将更能提高搜救机器人搜救的目的性，使得该机器人能真正能投入到市场应用中。

参考文献：

[1]刘金国，王越超，李斌，等.灾难救援机器人研究现状、关键性能及展望[J].機械工程学报，2016，52（12）：1-12.

[2] 张涛，尚红，许建华，等.机器人技术在地震废墟搜索救援中的应用[J].自然灾害学报，2012，21（5）：108-112

[3] 肖松雷，华剑. 机器人在搜索救援中的应用[J]. 机器人技术与应用，2016.

作者简介：

陈文轶，嘉兴学院电气工程及其自动化专业学生，研究方向为智能控制。

（作者单位：嘉兴学院南湖学院）