基于PROE的反恐机器人结构设计

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基于PRO/E的反恐机器人的结构设计

蒋宏伟 德州大学 机电工程学院 中国 山东省 德州 253023

前言

反恐机器人的结构，尤其是其步行方式被国内外各种研究及应用分析。一款基于PRO/E反恐机器人已经被设计出来，该机器人是可远程操控的，外观是流线型设计。步行方式设计使用8个驱动轮。在正常步行和爬梯步行中，8个轮子同时转动，但是转动速度是不同的。弹药供给装置及武器抛射装置使机器人可以同时扫描，弹药填充及抛射操作。因而机器人集成探测，武器及弹药填充各种功能。可以通过PRO/E实现对机器人的虚拟仿真，其仿真结果达到设计要求。

关键词：反恐机器人 步行方式 虚拟设计

一、介绍

当前，国际社会反恐形势日益严峻，为了更好的应对恐怖危胁，反恐机器人慢慢加入到许多国家的特警部队中，它们可以在关键时刻代替特警战士深入危险地带，特别是可以帮助特警移除爆炸物，保证特警人身安全[1]。现存的反恐机器人大多使用履带行进，因此它可以行驶在非常差的路面情况下[2],但是履带步行方式会引起很大的噪音，以致机器人很容易被恐怖分子发现。于是，改进反恐机器人的结构，尤其是步行方式，就非常有必要。

二、总体设计

1.设计要求：

1.1爬梯时无噪音或噪音，不受楼梯坡度及台阶高度限制；

1.2集成探测、武器及弹药填充功能，方便在复杂环境下应对各种问题； 2. 整体结构及工作原理：

该反恐机器人设计为远程控制，并可以通过安装在机身上的摄像头给操作者传回即时图像。然后，根据这些图像，特警战士可以控制机器人实现复杂操作如步行，爬梯，扫描，弹药填充及弹射。该设计的优点是使机器人不容易发生误判。反恐机器人的外型及装配爆炸图如图1和图2所示。

3.设计过程：

该设计是基于pro/e软件的概念设计，采用自下而上，自顶到根的设计方法。

3.1车身设计 为了实现爬梯，该机器人使用如图3示的车身。该车身有助于集中重量于前部防止爬梯时倾翻，车身是流线型的，阻力小，更加美观。

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3.2步行方式设计

步行方式对完成目标非常重要。“蜘蛛型”与“步进型”的对比结果如下[4]。

考虑到楼梯的实际坡度很少超过45度，每个台阶低于200mm，因而“步进式”的步行方式被使用，容易实现及控制，故其成本大幅减小。工作方式如图4示。在正常步行及爬梯步行中，8个轮子同时转动，然则转动速度不同。当正常运转时，8个转轮可以根据需要实现连续线性地改变速度，当爬楼梯时，不仅仅有连接点转动，8个轮子也在缓慢转动。这种设计是为了保证良好的抓地以及防止从楼梯上滑下。

当机器人进行爬梯时，第3轮和第4轮轮轴上的联结点A、B以逆时针方式同时运动，同时，4个轮子轴向缓慢靠近。爬梯过程一共分为三个阶段：

阶段一：联结点A逆时针变化180度。（图5a到图5b）

阶段二：联结点A和B同时向轴向转动。（图5c）

阶段三：当机器人由楼梯进入平地时，联结点A、B变化至如图5d所示的水平位置。联结点A停止转动，点B也在变化180度后停止。机器人继续以初始状态向前运动。

无障碍条件下的运行情况有以下方式： 1）8轮同步转动实现前进和后退；

2）左4轮与右4轮以不同速度运行，实现转弯。

机器人的传动系统如图6所示。运行过程由4个马达控制（A,B,C,D），马达A通过轴驱动轮3，第8链驱动轮4，第7链驱动轮1和轮2。马达D与A有同样的功能，用于控制右边四轮。马达B通过第5对齿轮副驱动轴II，通过第1对齿轮副联结实现轴1上的结点运动。右轮的装配与轮1的完全一致，因此两轮的运动是同步的。马达C的功能与B是一样的，即实现控制后部两联结点的转速。

3.3 弹药填充装置的设计

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弹药填充装置[4]的设计中，夹具是最重要的部分。使用平行联结点的平移型夹具及其结构如图7所示。平稳型夹具可以实现目标自动定心，目标平均受力。因此，当夹着危险品时，危险品的外壳不容易受伤，换句话说，平移型夹具不容易引起有害气体或病毒的泄露，不容易引起炸弹的爆炸[6]。 夹具的前部装备有摄像头，通过它可以将目标物体的位置、大小及其它信息传回。一旦可疑目标被发现，由人控制的机器人使用夹具就可以退回到安全的地方。

3.4武器抛射装置的设计

抛射系统由液压装置、旋转台及发射器组成，结构由图8所示。

夜压装置可以将旋转台提升86mm实现发射器伸出并发射，发射角度水平方向覆盖360度，垂直方向60度，还可以通过底盘调节器增加60度，如图9示。

3.5舱门开启装置的设计

为了使舱门在拉开后仍然平行于初始位置并粘附于高处节省空间，联结点的长度受限于构造圈及装置限度。舱门开启装置基于这个长度设计。

舱门由四个联杆驱动，停留在如图10示的位置，以使发射器伸出。

3.6主摄像头的设计

为达到探测、标注各类数据信息清楚的目的，机器人需要如图11所示的机械臂。

机械臂，属开环机械装置，可以实现多向运行。装置在机械臂上的摄像头可以实现不同角度和高度对目标进行扫描及射击。

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三、结论

尽管该设计及仿真基于PRO/E，反恐机器人可以在不发出噪音或微噪音的条件下实现爬梯，并完成扫描对象，抓取物体，抛射弹药及其它功能。这是款集成了探测功能，武器弹药自动填充的反恐机器人。

参考书目

[1]黥云 《反恐机器人，特警的替身》 科学朋友，200605，24-25

[2]陈晓东 《国外反恐机器人的科技特点分析》 机器人科学及应用 200506 15-17

[3]胡熙仁 张乐乐 陆春红 《PRO/E应用教程》 北京 清华大学出版社 2007

[4]李玉刚 胡平 梁建宏 《小型地面弹药填充机器人的结构性设计》 大连大学学报200806 62-64

[5]吕元均 陈琼 《基于虚拟仿真的爬行机器人探究》 河北科技师范大学学报 200801 50-52

[6]莫海军 吴小维 《爆物移除机器人及相关技术》 机器人技术及应用 200504 31-36