基于机械原理的教学用扫雷机器人教具的设计

王 飞，刘克毅，刘 焱，赵 辉，李进韬

（新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐830023）

0 引言

在机械原理的教学过程中，机构是教学中的重要内容。机械教具的使用可以使学生充分理解并掌握各种机构的组成、工作特点及用途。因此，制作出满足机械结构教学的低成本教具，通过使用与教学内容有关的模型，采用理论知识和工程实例相结合的教学方式，易于学生掌握，培养学生的学习兴趣，从而改善教学效果，提高教学质量[1]。

本文利用机械基础课程中的相关知识设计了在教学中可以用到的教具，既能突出实践性又能提高学生的创新性思维，也能让学生对基本知识掌握的更加深刻[2]。

文中设计的扫雷机器人教具的特点是其拥有独特的外形，可以集多种展示机构于一体，能够激发学生的创造性思维。可用于机械原理和机械设计相关的基本机构展示。目前来说随着各种教学用具的发展，越来越多的老师和学生也更加青睐于外形独特，功能齐全的创新型教学用具，同时本教具的设计兼顾机械原理的展示和扫雷机器人的实用性，有利于增加教学的观赏性，使课堂上的知识学习更加的生动形象。

1 扫雷机器人整体系统设计

不同领域的机器人其用途不同，外形也不同，一般来说，机器人需要具备一个或多个拟人功能，如行走功能，若加上传感器和控制系统就能具备一定的感知功能。机器人基本由传感部分、机械部分和控制部分三大部分组成。这三大部分又可进一步细分为感受系统、环境交互系统、驱动系统、机械结构系统、控制系统、人机交互系统[3]。

本教具的设计以扫雷机器人为模型，其功能为完成扫雷并进行标记。总体包括扫雷环系统、支撑臂系统、转动系统和行走系统，机械系统见图1，其中扫雷环系统1主要作用是检测和标记，采用槽轮机构实现转动，检测地雷的位置，采用机械手对发现的地雷的位置进行标记，机械手的张开与夹紧是利用凸轮机构带动的动力推杆往复推动来实现的；支撑臂系统2采取了桁架结构，可以达到支撑平衡的目的；转动系统3采用了行星轮机构来实现变速转动；行走系统4采用了履带式行走方式，其中行走机架采用具有缓冲和复位作用的六杆机构，使扫雷车有一定的自适应变形能力，动力的传递采用同步带传动方式。

通过上述机构的组合，在完成平面连杆机构、凸轮机构、行星轮系机构、间歇运动机构等机构的机械原理教学展示的同时，也能具备扫雷机器人的一些基本动作和功能。

2 扫雷环系统结构设计

扫雷环结构如图2，其主要作用是检测和标记。扫雷机器人通过扫雷环1感知确定地雷的位置，扫雷环内部有感应线圈，通过电磁感应原理可以探测到地下的地雷。槽轮机构2的从动槽轮连结伸缩杠，主动拨盘连接臂板，马达7驱动主动拨盘使臂板轮绕槽轮机构2的从动槽轮进行360度转动，臂板上固定的电动机6带动齿轮系3转动，使凸轮机构4推动机械手5实现抓取挤压液体标记瓶，将瓶子里的有色液体挤出，形成圆形的标记，实现标记的功能。

2.1 槽轮机构的设计

在本设计中扫雷环要求旋转进行标记，实现挤压标记瓶的机械手的转动并不要求快速转动，能实现平稳转动进行明显的标记即可，为了尽可能的在本设计中用到更多的机构，故选择槽轮机构。槽轮机构2的从动槽轮连结伸缩杠，主动拨盘连接臂板，马达7驱动主动拨盘使臂板轮绕槽轮机构2的从动槽轮进行360度转动。槽轮机构是典型的间歇转动机构，其主要的优点是结构单一不复杂，外形长短紧凑，机械的转动效率高，并能较平稳地、间歇地进行转动，适宜用在速度不高的场合[4]，槽轮机构见图3。

2.2 机械手的设计

机械手主要完成物品的抓取动作。根据其与物品接触的种类不同，可分为夹持式和吸附式手部[5]。本设计中机械手的作用是挤压标记瓶，对地雷的位置进性标记，为了更多的展示构件，机械手部采用外夹式，选用结构简单的二指外形，可以实现张开与闭合动作，动力由电动机通过轮系带动凸轮提供。

本结构中机械手是水平放置的，并不能利用推杆自身的重力复位，设计中采用了压缩弹簧的弹性力来实现推杆的复位问题，如图4。

2.3 凸轮机构的设计

机械手的夹紧过程需要推动杆实现往复运动，除了可以应用液压缸之外，还可以采用凸轮机构带动推杆往复运动[6]。

凸轮机构的凸轮转动可以由带传动带动或者是齿轮传动带动，在本设计中选择了齿轮传动带动，如图5，推杆的顶端与凸轮相结合，凸轮与大齿轮固接，小齿轮与大齿轮啮合，在传动过程中需要较低的转速，采用了锥齿轮作为中间传动，可以改变轮系的传动比和改变齿轮的转动方向，也便于安装电动机。为避免推杆的顶端与凸轮之间产生较大的摩擦，并使推杆易于推动机械手实现挤压标记瓶，在推杆顶端设计了一个小滚轮。

3 支撑臂系统结构设计

支撑臂结构的主要作用是支撑扫雷环，使扫雷环与车体连接并能带动扫雷环在一定范围内转动，需要支撑臂具有转动平稳、平衡性好、强度高的要求。常见的具有支撑作用的机构有伸缩式和桁架式。由于在本设计中扫雷环在车体前方较远的位置，所以采用桁架结构支撑臂。由杆件通过焊接、铆接或螺栓连接而成的支撑横梁结构称之为桁架结构，桁架由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构，桁架结构具有较好的强度，在跨度较大的时候也可以很好的节省材料降低成本[7]。

在本设计中，由于扫雷车的车身的长度大于宽度，从车身上部到扫雷环部分的长度较长，考虑到受力的平衡问题以及在跨度较大的情况下臂部的强度问题，这里设计的桁架3是具有三角形单元的空间结构，通过焊接连接，位于前端的伸缩杠1与小支撑臂2连结，实现扫雷环的上下运动，位于尾部的平衡板可以对桁架进行平衡，其外形设计成鼓形有利于提高强度，扫雷支撑臂结构见图6。

4 转动系统结构设计

转动结构的作用是连接车体与支撑臂结构，并带动支撑臂结构在一定范围内稳定转动。常用的机构中能够实现这种运动的有普通齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、行星轮系传动、马达等，基于设计的教具要展示更多机构的机械原理的目的，本部分设计选择行星轮机构。行星轮机构1带动转动体2转动，防倾装置3起到防止支撑臂结构倾斜的作用，转动结构如图7。

本设计中采用的行星轮系是圆柱齿轮组成的周转轮系，见图8，中心轮1由电机3驱动，与车体连结的行星轮2外啮合，行星轮与齿圈4内啮合，因需要低转速，选取太阳齿轮为主动轮，通过确定主动件的转动速度和转动的方向，则被动件齿圈的转动速度、旋转方向就可以定下来。由于齿圈与转动部分相连接，所以当齿圈转动时即可带动扫雷臂部进行平稳的转动，来达到设计的目的。

5 行走系统结构设计

常见到的机器人行走方式有履带式、轮式以及仿生步行式[8]。地面光滑的道路上可以采用轮式机器人或行走式机器人，如在日常生活中常见的服务型机器人。而在地面环境比较复杂或者需要较强的平稳性要求时，一般会采用履带式机器人。

本设计中的扫雷机器人由于工作应用环境的要求采用履带式行走机构，履带行走机构具有行动平稳，自适应强，受力面积大，摩擦力大的特点[9]。在本设计中的行走系统见图9，除了采用了履带设计之外，还采用了六杆机构作为车架，通过加上缓冲弹簧和复位弹簧可以使其具有一定的自适应变形的能力。此六杆机构由两个四杆机构所组成，他们分别是由板架、后连杆、中间连杆、以及上连杆组成的四杆机构和由板架、中间连杆和两个前连杆组成的四杆机构，具有缓冲功能、复位功能和调整受力的功能。

6 结论

扫雷环系统采用槽轮机构能够实现转动，并且运用了机械手装置和凸轮机构可以实现对扫雷区域做标记的功能。支撑臂系统采用了桁架结构作为整体构架，起到对扫雷环支撑和连接车体的作用。转动系统用行星轮系来实现，由于外部的太阳轮与套筒部分相连固定所以此转动轮系为行星轮系，可以实现一定范围内的缓慢转动，可满足扫雷过程中的需要，也能提高作业的效率。行走系统中采用履带式行走，用六杆机构组成履带的机架，可以实现自适应变形从而能够适应扫雷作业时的复杂地形，利用同步带传动由两个电机带动两个驱动轮来实现驱动轮的不同转速转动，从而实现履带的直行和转向。

扫雷机器人教具的最大特点就是其拥有独特的外形，集多种展示机构于一体，通过完成扫雷的动作，同时展示各个机构的配合和工作特点，让观看者在思考当中掌握理论课上的知识点，有利于增加教学的观赏性，使课堂上的知识学习更加的生动形象，激发同学们的学习兴趣。