一、前言

前篇《详谈麦克纳姆轮(一)》提及了全向运动中蟾宫的移动方式,对比如表1,全向轮的类别、麦轮的外形、结构、运动分析,本文将依据前述分析从安装、机械设计的角度介绍麦轮的安装方式、底盘的设计方案。

由绪论章节,国内外研究的消防机器人其移动功能采用的方式主要有三大类:仿人足、履带式、轮式。表2.2 是对上述三类消防机器人移动装置优缺点的总结[25,26-27]

1  移动方式优缺点比较

类别

种类

优点

缺点

轮式

3

4

6

8

结构简单、质量轻、轮式滚动摩擦阻力小、机械效率高

轮子与地面的附着力不如履带式,越野性能差

履带式

双履带

4履带

6履带

越野能力强,可爬越楼梯、壕沟、门槛等障碍物

结构复杂,质量大,摩擦阻力大,机械效率低

多足步行式

2

4

6

8

越野能力强

结构复杂、机械效率低

二、麦轮的整体布局

1. 安装方式

(1)麦克纳姆轮安装在相互平行的轴线上。

(2)先按照以下方法区分麦克纳姆轮的安装方向。

图1 A轮(右旋轮)

 

图2 B 轮(左旋轮)                           

则合理的安装方式共有一下两种:

图3 X形布局

图4 O形布局

即:相同的麦克纳姆轮(左旋轮或右旋轮)放在底盘对角线

2. 布局

麦克纳姆轮的布局主要分为:X-正方形(X-square)、X-长方形(X-rectangle)、O-正方形(O-square)、O-长方形(O-rectangle)。其中 X O 表示的是与四个轮子地面接触的辊子所形成的图形;正方形与长方形指的是四个轮子与地面接触点所围成的形状,如图5所示

图5 麦克纳姆轮的布局方式

X-正方形:当主轮在电机转矩的驱动下,主轮转动产生的力矩经摩擦力分解后,辊子分解力一部分垂直于辊子,一部分沿辊子轴线,这两部分摩擦力垂直方向的另辊子空转,浪费力,而沿着辊子轴线的力则可以起到驱动小车运动,因此在X-正方形中,如图6所示,红色箭头表示有效摩擦力,因此在水平方向的摩擦力会被抵消,而向前的摩擦力则驱动整个底盘向前运动。

图6 摩擦力示意图

通过改变主轮旋转方向,可以更改摩擦力的方向。但是,除了可以实现左右前后移动外,当进行旋转运动时,发现无论摩擦力朝向怎么排布,摩擦力始终都会经过会经过同一个点,所以无法保证底盘可以绕中心旋转一定的角度,这很大程度限制了麦轮的活动特性,因此很少使用这种排布方式。

其余分析同样,特征如下

X-长方形:轮子转动可以产生 yaw 轴转动力矩,但转动力矩的力臂一般会比较短。这种安装方式也不多见。

O-正方形:四个轮子位于正方形的四个顶点,平移和旋转都没有任何问题。受限于机器人底盘的形状、尺寸等因素,这种安装方式虽然理想,但可遇而不可求。

O-长方形:轮子转动可以产生 yaw 轴转动力矩,而且转动力矩的力臂也比较长。是最常见的安装方式。

三、结构设计

1.麦克纳姆轮尺寸

QMA系列全向轮是轻负载的45°全向轮。轮毂使用钢板冲压成型,坚固而轻便,每个小轮子内嵌两个轴承,滚动平稳顺滑。表2为麦轮的部分尺寸,列出了选型时重要的参数

 

QMA-10

QMA-15

外径(mm

101.64寸)

152.46寸)

宽度(mm

45.7

53

细分数

10

14

轴承数

20

28

轮毂材料

小轮材料

橡胶

橡胶

内孔直径(mm

12

20

连接方式

法兰盘M5×6

法兰盘M6×6

自重

360 g

800 g

承载力(KG

45

70

2.麦轮与电机连接方式

轮组与电机之间直接连接,可减少因中间传动件损耗的效率。连接示意图如图7所示。

连接法兰2固定在底盘上,电机通过端部的螺栓孔与连接法固定。电机输出轴与连接法兰之间通过轴承连接,末端与麦轮法兰连接,麦轮法兰与麦克纳姆轮固定。电机输出轴端部带有螺纹孔,在麦轮的另一端通过加挡片,用螺栓连接挡片和电机轴,以充当电机轴的轴向定位。

1-电机  2-连接法兰  3-连接螺钉  4-滚动轴承  

5-麦轮法兰  6-挡片  7-固定螺钉  8-紧定螺钉

轮组电机连接示意图

3.底盘设计

轮式底盘设计最常见的方案为将麦轮直接安装于底座上,在满足运动学的条件上,还需要具备良好的控制性能与驱动性能。但需要考虑的因素为:当路面不平坦时或者安装不到位时,就会出现其中三只轮子着地,另一只轮子无法接触地面。4个麦轮若无法保证同时着地的话,此时整体运动方向将会发生改变,因为移动装置的运动状态是由所有轮子共同决定,只要一个轮子脱离地面运动状态将会发生变化,因此在设计底盘时需要加入弹性装置,从而保证四轮同时着地。

另外,底盘设计应当满足移动功能的同时,要确保整体功能的实现。在达到要求的基础上,力求结构简单、方便拆装、质量轻便等特点。

图8 底盘结构示意图

为保证在地面不平整或装配误差存在情况下,四个轮子能够同时着地,底盘整体结构为底盘前架为悬挂摇摆式,后架与底盘整体固定,从而前轮可以绕中心轴左右摆动,在任何情况下总可以保证四个轮子同时着地。

底盘由四组麦克纳姆轮、四个驱动电机、悬挂前车架、底盘固定支架、2525铝型材及部件固定件和连接件组成。悬挂前车架通过轴承座和中心轴连接到底盘底板上,并在前轮组两侧各放置两对弹簧阻尼器充当避震,以保持底盘搭载部件的稳定性。

为保护系统结构免受振动的损伤和提高越障能力,在底盘上安装弹簧避震器。弹簧避震器的作用是减少外界的震动或冲击对设备、控制元件等的影响,并凭借其材料、结构的特点,如弹簧器件,吸收外界的振动或冲击的能量,然后缓慢地释放,从而起到减震缓冲的作用。

底盘支架采用碳纤板作为材料,碳纤板是一种由碳纤维、金属、陶瓷、树脂、等基体复合制成的结构材料。根据与碳纤维复合的材料种类不同,可以将碳纤维复合材料分为四类:金属基、陶瓷基、树脂基、混凝土基碳纤维复合材料,具有抗冲击性、拉伸强度高、抗震性、耐腐蚀性等良好性能。其力学性能如表3

表3 碳纤维板设计计算力学性能

性能指标

高强度I

高强度II

抗拉强度(MPA

重要构件

1150

1000

一般构件

1500

1400

弹性模量(MPA

重要构件

160000

140000

一般构件

抗应变(ԑ

重要构件

0.007

0.007

一般构件

0.01

0.01

为避免避震器局部受力而导致断裂,避震器与安装座之间均应留有缝隙,如图9所示,可以使用垫片填充。

图9 避震器安装图