履带式探援小车结构与功能设计研究

　　摘要：在灾难发生后救援人员无法直接接触到被困者，为获取被困者的信息，可使用探援机器进入并探测，为搜救人员提供宝贵的救援信息，也可以为被困者送水和面包等食物以维持其生命。本文正是探讨一种履带式探援小车，该小车底盘机构采用平行四边形的设计形式，可以行走于大部分障碍路面，其中重心平移特性更是加强了探测机器人跨越沟坎、台阶等障碍的能力。同时，强劲的动力和小巧的外观设计更是让它能够进入到很多人员无法进入的地域进行侦查，将环境状况提供给救援人员。蓄电池供电和低功耗设计，使其可长时间连续工作。
　　关键字：探援；平行四边形机构；重心平移特性
　　1 设计背景与意义
　　在火灾、水灾、地震、矿难中救援破障应具有在各种艰难路况下行进的能力且能够抵抗部分残余灾害的影响如余震、高温、潮湿等。应能够携带或牵引简易救援设备和探测仪器，并且有良好的通信能力。在遇到障碍时，能有一定突破障碍或支撑薄弱环节的能力。
　　 救援情况分析：在火灾、水灾、地震、矿难中救援应当注重效率，要在黄金72小时内发现幸存者并及时给与救助（震后20分钟获救的救活率达98%以上，震后一小时获救的救活率下降到63%，震后2小时还无法获救的人员中，窒息死亡人数占死亡人数的58%）就要求救援破障机械能够具有高运行速度和稳定性可靠性。并且操作简便，运载组装方便，自带照明设备。 
　　救援应注意：一是使用的工具不要伤及埋压人员；二是不要破坏了埋压人员所处空间周围的支撑条件，引起新的垮塌，使埋压人员再次遇险；三是应尽快与埋压人员的封闭空间沟通，使新鲜空气流人，挖扒中如尘土太大应喷水降尘，以免埋压者窒息；四是埋压时间较长，一时又难以救出，可设法向埋压者输送饮用水、食品和药品，以维持其生命。
　　在地震、火灾、矿难等灾难中，在人员无法进入的情况下，若能第一时间掌握受灾地域周围的环境条件，将探测机器人投放至受灾地区，在救援人员未进入灾区之前进行预期探测，能为救援提供宝贵的信息，方便救援计划的拟定，确保人员的安全以及救援的效率。
　　2 设计方案
　　2.1设计功能
　　1．实现前后左右行进以及原地旋转功能。
　　2．实现跨越部分障碍物的能力，如台阶、小沟等。
　　3．实现远程可视控制。
　　4．实现对灾区环境的温度检测（数字温度传感器），对受困人员所处位置的探测(人体释热传感器)，对灾区环境中是否含有易燃易爆气体的探测（气体传感器），对灾区环境的照度探测（光敏传感器），对机器人的可通过性的探测（红外测距传感器、激光可视定位），昏暗环境照明（LED灯）
　　5．平行四边形机构可为机器人的行进提供很好的结构支持（向前向后均可爬坡，无需调转车头），强劲的“心脏”（20kg•cm）为机器人提供足够的动力（可载重13kg），因而其越野性能强劲，能够很好的适应灾区复杂的地形地貌。
　　6．可携带一些应急救援物资
　　7．电力可供其持续行进6小时，电池或者电瓶均可供电，且更换方便
　　8．底盘加装履带式结构，运行稳定，爬坡能力强。
　　2.2电子结构
　　采用arduino16位单片机，结合数字温度传感器、人体释热传感器、红外测距传感器、直流电机驱动板、伺服电机、步进电机等设备，采用apc串口通信模块实现远程控制。
　　2.3理论设计计算
　　第一个小车模型参数：长60cm，高30cm。后经实验测试，效果不理想，原因为小车尺寸过大，整车重量约为3kg，而电机转矩只有2kg•cm,爬坡效果不理想。后更换电机及修改尺寸，其详细参数如下：
　　小车自重：4.755kg高：22.5cm
　　底盘高度：28mm履带轮外端间距：32cm
　　外平行四边形连杆机构：长：45cm，宽：22.5cm
　　内平行四边形连杆机构：长：20.3cm，宽：20.3cm
　　直流电机转矩：20kg•cm额定电压：12V
　　伺服电机：转角范围30°—150°额定电压：6V
　　由经验参数初步设计：
　　由一般楼梯台阶高度（15cm-20cm）确定小车高度22.5cm，取小车长宽比2：1，故小车长：45cm，宽：22.5cm。由伺服电机转角范围在30°—150°之间，确定其中心水平方向可调范围在19.485cm—22.5cm之间，竖直方向可调范围在5.625cm—11.25cm之间，采用后驱的驱动方式。
　　驱动的任务仅仅是在确定了机械结构并计算出所需要的速度和驱动力矩之后选择合适的电机和相应的控制方法，这就涉及到电机的运行特性问题。
　　由于体积重量等原因限制，所以应选用质量小，功率适宜的永磁电机。它的励磁磁通是恒定的。在控制系统钟，通常用电枢电压作为控制信号，电压的大小与电机转速成正比，改变电压极性，电机运转方向也随之改变。下图是电枢控制的原理图。
　　Ia
　　（图二）电枢控制的原理图
　　根据电枢反应原理，电机转速n的计算公式为：
　　n=n0-KhTem=18000-3300=14700
　　式中n0＝Ua/Kt，Kh=Ra/KtKe,而Ua为电枢电压，Kt为转矩常数，Ra为电枢电阻，Ke
　　为电势常数，电机的电磁转矩Tem应为：
　　Tem＝CtφIa=KtIa=17.6~20kg•cm
　　式中Ia为电枢电流，Ct为常数，φ为磁通量。
　　上式是电枢控制的静态特性方程，即稳定运行状态方程，由此可得直流电机的机械特性和调节特性。
　　１）机械特性：
　　机械特性指控制电压恒定时，电机转速随转矩变化的关系。由转速公式可得到直流电机的机械特性，如下图所示。机械特性是线性的，当电压一定时，转速升高则转矩下降。特性曲线与纵轴的交点即为电磁转矩等于零时的理想空载转速n0，即：
　　n0＝Ua/Ke=18000
　　可以看出，空载时电机转速与电枢电压成正比。但实际电机空载运行中，即使电机轴上不带负载，因为自身的空载损耗，电磁转矩并不为零。机械特性曲线与横轴的交点为电机堵转时（n=0）的转矩，即所谓的电机堵转转矩Td，
　　Td=KtUa/Ra<1kgcm
　　在直流电机的机械特性图中，机械特性曲线斜率k的绝对值为：
　　k=tgα=n0/Td=Ra/KtKe
　　它表示机械特性的硬度，即电机的转速随转矩Tem的改变而变化的程度。由直流电机的机械特性图可以看出，随着控制电压Ua增大，电机的机械特性曲线平行地向转速和转矩增加的方向移动，但斜率不变，所以电枢控制时电机的机械特性是一组平行线。
　　２）调节特性：
　　电机的调节特性指电磁转矩恒定时，转速随控制电压变化的规律，下图所示。调节特性与横轴的交点，表示在某一电磁转距是电机的启动电压。转距一定时，若电机的控制电压大于相应的启动电压，电机便能启动并达到所要求的转速；反之，最大电磁转距小于要求的转距值，电机就无法启动。调节特性曲线上从原点至启动电压点的这一段横坐标所示的区域被称为伺服电机某一电磁转距值所对应的死区。死区电压的大小与电磁转距的大小成正比。
　　nn
　　Ua1>Ua2>Ua3TEM2>TEM1>TEM0
　　Ua1Ua2Ua3TEM0TEM1TEM2
　　00
　　UTem（图三）直流电机的机械特性（图四）直流电机的调节特性
　　由于普通540电机转速在7700~13000（rpm）之间，但堵转转矩很低，不能直接用于驱动履带，因而外加一个小型减速箱体，使转速保持在120rpm,满足了设计需求。具体结构尺寸如下图所示：
　　（图五）直流电机结构尺寸图
　　３）动力源选取：
　　不需要太大的输出扭矩，必须能灵活操控，而且要求体积小，重量轻、方便检修，毫无疑问是蓄电池提供的直流电源外加直流电机。但他有其缺点就是蓄电池的重量太大，在要求不大的情况下我们可以采用锂电池。他的优点就是容量大，体积小，过电流大，重量轻。
　　另外机器人还需要一类共给数字IC，单片机，传感器工作的电源，为+6v，约数十到数几百mA。他必须和电机的电源分开，形成单独供电。这样可以使CPU供电更加稳定。
　　连架杆由伺服电机控制，其转动范围为30°—150°，内平行四边形机构为菱形。按小车要求，连架杆不做整周转动，故成一双摇杆机构。各杆长度满足杆长条件：a（最短杆长度）+b（最长杆长度）≤c+d（其余两杆长度之和）。机构压力角为60°，传动角为30°。
　　X方向受力：f1-F2sinθ1+f2*cosθ1>=0（1）
　　Y方向受力：F1+F2*cosθ1+f2*sinθ1-mg=0（2）
　　转矩M：F2*h/sinθ1-mg*=0（3）
　　f1=F1*f2=F2*
　　取mg=5kg*9.8m/s=49N
　　H为设计通过障碍高度为10cm
　　a为长边长是45cm，b为高是22.5cm
　　为摩擦因素取0.7
　　由（3）式得=
　　由上式可以看出，在一定范围内，爬升高度h与平行四边形机构夹角θ有关，h越高θ越小。
　　联立（1）（2）得变为
　　可知：当摩擦因素越大时，台阶对机器人的支撑力越小，其向上升的力f2也越小，因此，摩擦因数较小的材料制作机器人履带，但是摩擦因数较小则在其他路面上其前进的动力不足，因适当选用合适材料，使其工作在适当条件下。经实验选择橡胶或金属履带效果较好。
　　2.4工作原理及分析
　　小车采用直流电机后驱的驱动方式
　　过台阶时：小车平行四边形连杆转向前端，高于或接触台阶，凭借小车强劲的动力爬越台阶。
　　过凹坑时：小车平行四边形连杆转向前端，当小车履带抵住凹坑边缘时，小车平行四边形连杆转向后端，小车重心后移，履带与凹坑边缘平行，通过凹坑。
　　2.5机械创新点
　　机械结构采用履带式，底盘类似于坦克的底盘，运行稳定，爬坡效果好，还可跨越大约35cm的凹坑。机器人体型采用平形四边形设计，前后均可爬坡，可有效控制爬坡高度，可自行调节角度适应不同高度的台阶，机构重心空间位置可调，可调高度在7.5cm—15cm之间，前后摇杆摆动幅度在30°—150°范围内，电子控制结构置于H型底盘中央，可实现摄像头等电子设备相对稳定性。
　　2.6实验可行性
　　经过现场测试，机器人表现出了一定程度上的通过障碍物的能力，但仍然表现出很多不足，重心位置与预想位置不同是通过实验发现的重要问题之一，会进一步改进其结构尺寸。
　　参考文献
　　［1］邓星钟，机电传动控制（第三版），华中科技大学，2001.
　　［2］朱龙根，机械系统设计（第二版），机械工业出版社，2002.
　　［3］梁森,王侃夫,黄杭美.自动检测与转换技术(第二版)[M].北京:机械工业出版社,2007.
　　［4］张成新，柔性机器人协调操作的动力学分析与规划[D]，北京工业大学，2002.

《履带式探援小车结构与功能设计研究》

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