基本信息
- 项目名称：
- 基于可变径轮的探测器行走越障装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 设计一种基于可变直径轮的探测器行走越障装置，该装置采用被动式悬架集成六个可变直径驱动轮的主体结构方案，单侧悬架由一个杠杆机构和导块机构串联而成，具有3个自由度，对应任意地形都有相应的机构形态，因此能被动适应地形，平均各个车轮载荷，提高地面附着力，同时自由度数不过多，增加可靠性。配合可变直径轮，可通过各种复杂的障碍。该行走越障装置可作为各种探测器和运载装置的移动载体。
- 详细介绍：
- 行走越障装置是探测器移动系统的重要组成部分，起到减轻主车体受地形扰动，协调车轮运动和受力的作用。本设计根据行走移动装置运行的主要路况，分析机构所需的自由度，提出新型的悬架机构，并进行了结构设计。对探测器行走越障装置在针对任务和作用对象分析的基础上的详细设计进行了系统的研究。 提出的探测器行走越障装置由行走机构、单侧悬架、单侧摇臂、均角平衡机构和车体组成，总体成对称结构，在联接关系上单侧悬架与摇臂固接，再通过均角平衡机构与主车体相联，使车体的俯仰角为两侧的平均值，运行更加平稳；单侧悬架是一个无弹簧的自由机构，由一个杠杆机构和导块机构串联而成，具有3个自由度，对应任意地形都有相应的机构形态，因此能被动适应地形，平均各个车轮载荷，提高地面附着能力；悬架杆件末端安装前、中、后可变径驱动轮，各自独立驱动，为了提高驱动力，由车体上的动力经过布置在悬架杆件内部的传动装置传到轮轴，再由一个逻辑变量控制动力用于扩径与运行的流向，解决扩径驱动的问题。最后将车体上各个部件间的刚性联接或刚性构件释放，替代成减振机构或减振器，既解决各个部件间的装配与联接问题又起平稳减震的效果。 设计体现总体设计的思想，将动力装置、减速机、机构和总体布置结合考虑，在机构设计时处理好整体空间布局和功能实现，然后在机构设计的基础上进行力学分析，得出各运动副受力与运动参数对性能的影响，指导结构设计，而在结构设计时，在工艺可行和功能满足的前提下优化结构和减少材料，达到对整体刚度的构架，实现结构紧凑的要求。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 行走越障装置是探测器移动系统的重要组成部分，起到减轻主车体受地形扰动，协调车轮运动和受力的作用，广泛用作各种探测器和运载装置的移动载体，因此设计性能优越的行走越障装置显得非常重要。 本设计在对国内外各种移动系统和行走机构方面的研究成果和发展情况全面分析的基础上，根据移动系统在各种路况下运行所需要的功能和结合工艺结构上的要求，确定了行走越障装置的总体方案，并对可变直径驱动轮、差速器、后驱动总成、前驱动总成、均角平衡机构和单侧悬架等部件进行了从机构到结构的详细设计，并建立了三维实体模型和运动仿真。 设计创新点： 1、提出的被动式悬架能够被动变化机构形态以对不同形状的地面进行仿形，对地面具有自适应能力，使每个车轮始终和地面保持良好的接触，。平均各个车轮载荷，提高地面附着能力。 2、后中驱动轮采用将车体上电机的动力经差速器和悬架分动箱平均分配到后、中四个驱动轮上的传动方案，保证后中的四个驱动轮获得足够动力并根据地形分配载荷和灵活转向。前轮强力驱动以翻越更高的垂直障碍和引导转向。 3、可变直径驱动轮机构新颖，结构巧妙，可变化轮径以适应各种地形，变径过程中外轮片冗余自由度，使车轮有一定的自适应地面的特性。 4、设计置于车体尾部的空间连杆式均角平衡机构，解决两侧悬架相对车体有扭转自由度而铰接点处又没有空间安装齿式差动平衡机构时车体的支撑与平衡问题。
科学性、先进性
- 1、对行走越障装置的作用对象和工作任务进行分析，得出总体所需的机构自由度，确定以被动式悬架集成六个可变直径驱动轮的主体结构方案，并根据单侧悬架爬越阶梯障碍的情况进行了力学分析，得出可翻越障碍临界条件。2、根据车体运行要求，设计两路传动装置。一路将车体上电机的动力经差速器和悬架分动箱平均分配到后、中四个驱动轮上，悬架分动箱自动分配后、中驱动轮载荷，保证后中的四个驱动轮获得足够动力并根据地形分配载荷和灵活转向。另一路作为前驱装置，采用大功率以保证在翻越垂直障碍时获得足够转矩，通过控制两侧转速差引导车体转向。3、设计可变直径驱动轮，采用六个并联的泛菱形机构驱动轮片展开，组合电磁失电式牙嵌离合器和电磁牙嵌离合器，实现在某一轮径状态下的锁定和扩径时的车轮机构与悬架机构联接，通过开关量控制轮轴动力用于扩径与运行的流向。4、设计置于车体尾部的连杆式均角平衡机构，解决两侧悬架相对车体有扭转自由度而铰接点处又没有空间安装齿式差动平衡机构时车体的支撑与平衡问题。
获奖情况及鉴定结果
- 作品的子部件《适应性调整轮径式越障车轮》由“2009年国家大学生创新性实验计划”资助，在第三届江苏省大学生机械创新设计大赛中荣获一等奖第一名。又为全校中唯一被选取参与第三届全国大学生创新论坛的作品。
作品所处阶段
- 完成包括总体方案的设计、传动系统的设计、变径轮部件的设计、驱动装置的设计。
技术转让方式
- 洽谈
作品可展示的形式
- 部分部件的样机，总装图纸，各部装图纸，各部件的展示录像。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 基于可变径轮的探测机器人行走越障装置可用于矿难后井下救援、震后救灾与灾区探测的设备上，可增大车体的越障能力，节省空间，增强平稳性，提高机械的适应性。所使用的变径机构可用于起重机吊头，很容易实现水泥管的吊装，尤其是水泥管不易安装的场合。适应性调整轮径式车轮缘的柔性，使水泥管吊装过程中不会因水泥管内部的凸起等缺陷而引起应力集中，保证了水泥管的安全。
同类课题研究水平概述
- 轮式行走机构以其结构简单可靠、高速稳定、能量利用率高、操作性好而被广泛地应用在移动机器人和车辆中。美国航天局利用轮系驱动的探测机器人“勇气号”完成了火星的探测，其良好的效果吸引了不少关于基于轮系驱动的，以设计行走机构来提升探测器越障性能的课题，并取得不错的成果。 移动机器人是一种由传感器、遥控器、和自动控制移动载体组成的机器人系统，其中自动控制移动载体由行走越障装置，外加自动控制电路组成。研究移动机器人，首先要考虑的是移动方式，可以是轮式（如二轮、四轮、六轮和变几何轮、全方位轮）、履带式、足式（二足、四足、六足），还包括各种移动方式的组合（如轮足复合式、轮履复合式）。轮式驱动效率高，控制方式和结构简单，适用于平坦路面；履带式越障能力强，抗干扰性能好；足式移动机构适于山岳地带和凹凸不平的环境；但结构和控制复杂。现今移动机器人的移动机构己经不仅仅限制于轮式或足式，将各种行走机构给合而成的越障机构现今得到广泛应用，其中轮腿式行走机构为最典型的一种，具有速度快、稳定性好以及对地面的适应能力强的特点，可充分提高移动机器人的机动性能。 行走越障装置中技术难度最大的是行走机构和悬挂装置，目前有较多研究行走机构以提升控测器越障性能的课题，行走装置作为探测器的元素，由于使用环境的不同，其间没有绝对优劣的可比性。为此有必要针对特定的环境来专门设计相应的探测器，对此分析了几种典型的地形环境，对以往的轮式、腿式、和各种综合的移动系统进行分析和总结，确定一种切实可加工制作同时又具有较优性能的移动机器人结构方案。 六轮摇臂-转向架式移动系统具有较强的适应性和越障性能，典型代表有火星探测车勇气号、美国JP实验室研制的rocky系列探测车。该车体六个车轮能单独绕过岩石，而保持车体不完全倾斜。另外变直径式车轮的设计与运用有孙鹏等研究的深空探测车可变直径车轮，并完成了探测车的虚拟模型，但没有对变径轮与车体的综合集成效果进行分析，运用变径轮车轮的更优结构还有待探索。系统工程与控制工程可作为探测器设计、性能评价、控制和仿真的理论根据，自主移动机器人技术的发展，已提出许多良好的机体结构，可为设计提供借鉴。
