工程运输机器人底盘设计

中国高新科技

China High-techNO.18 2019

( Cumulativety NO.54 )

工程运输机器人底盘设计

廖明轩　梁潇龙　曹艺隆　蒲雅熙

（哈尔滨理工大学工程训练中心，黑龙江 哈尔滨 150000）

摘要：阐述了机器人的结构设计并简单说明其控制方案，该机器人的设计，充分考虑了实际运用过程中的具体情况，能够有效减轻工人的劳动负荷。通过对基本参数的计算，比较其他方案的优缺点，说明了该机器人履带底盘的优势和技术特点。该物料搬运机器人的使用能够大大提高土木工程建设和其他工作的效率，满足现代化城市建设需求。

关键词：物料运输；机器人；底盘设计　　文献标识码：A　　中图分类号：TP242

文章编号：2096-4137（2019）18-24-03　　DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2019.18.07

0　引言

结合电子控制技术和机械机构设计的优势，机器人成为当下研究的热门领域之一。随着现代城市建设的不断发展，人力成本不断提高，在现代土木工程建设中，依然需要大量人力实现物料搬运，尤其是在工地现场。由于大型施工机械对地面碾压，搬运工人常常需要在地面凹凸不平的条件下反复搬运沉重的施工材料，工作环境恶劣，搬运效率低下。对于大多数土木建设，都是直接暴露在室外的，由于施工周期较长，如果遭遇高温、暴雨等极端天气，工人将无法进行物料搬运，对于某些施工材料（水泥），在一定程度上对人体皮肤会有腐蚀作用，在与人体汗水混合后，这种腐蚀作用会更加明显，危害工人的安全。

随着人工智能的发展，机器人已经越来越多地取代了人的工作。对于高强度、重复单一的劳动，完全可以针对性地开发出一种用于工地、工厂等环境、自动化程度较高的物料搬运机器人去取代人的工作，提高工作效率，降低人员的安全风险和人力成本。这种机器人需要适应工地凹凸不平的地面，防水耐高温，考虑到工地经常有车辆进出，需要能够主动规避车辆等其他障碍物，具备全天候使用的能力。

1　底盘的设计和控制方案

1.1　底盘机械结构设计

底盘采用履带结构，考虑到实际运用状态下的地面特点，参考通过性要求极高的坦克底盘设计，履带结构具有通过性好、结构简单等特点。由于车体尺寸和载重要求，采用4对负重轮支撑全车重量，负重轮通过弹簧避震机构与车体连接，避震机构允许负重轮沿车体坐标系X方向和Y方向在一定行程内运动，缓解地面对机器人运动产生的震动干扰，保障机器人运动的稳定性和良好的通过性。

考虑到机器人在实际运用过程中会面临涉水的问题，在底盘结构上，把主动轮放置到底盘后部最高处，并对其进行密封和防水处理，在机器人运动过程中，后部一般情况下不会受到碰撞，故这种布置方式一定程度上提高了电机的安全性。

为了提升该机器人的场地适应性，分别在底盘上方中部和前部布置了张紧轮，可以根据场地条件，调节其张紧程度。而且兼顾了导向轮的作用，防止在使用过程中，履带由于受到其他干扰从底盘脱落。

在材料上，由于采用履带结构，底盘较高，不稳定性也相应增高，故底盘轮系均采用铝锰合金材料，表面经过阳极氧化处理，保证其具有较高的强度和扛锈蚀能力。通过适当提升避震系统和轮系的

收稿日期：2019-07-08

作者简介：廖明轩（1998-），男，江西吉安人，哈尔滨理工大学工程训练中心，研究方向：机械工程。

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重量，在一定程度上，压低重心，提高稳定性。

机器人结构简图如图1所示，机器人坐标系如图2所示。

图1　机器人结构简图 图2　机器人坐标系

1.2　搬运平台的设计与减震

国际规定的水泥的重量偏差为50±1kg（±2%）,水泥袋尺寸综合偏差约为±2%，水泥袋尺寸为 730 mm×500mm。考虑到实际应用过程中，水泥搬运的难度较大，对人体损伤也较大，故其进行水泥运输的可能性也较多，所以在设计上，优先考虑其对水泥的搬运能力。弹簧减震系统如图3所示。

图3　弹簧减震系统简图

1.3　控制系统说明

由于采用履带结构，故转向需要依靠电机转动方向，使履带差动实现转向。由于采用了全电控制，对控制系统采用闭环控制，故可以实现不同转弯半径转向的精确控制。机器人在运动过程中，需要规避障碍物，这需要控制系统对任务环境有感知能力，采取机械视觉技术，在机器人前端增加视觉模块，实现对路线和路线方向的环境感知，对于机器人对空间坐标的感知和路径的自主规划，用GPS模块实现，再综合其他的模块，实现机器人对任务环境的感知和路径导航规划的智能化。

2　履带结构的受力分析及参数设定

2.1　最大载荷设定和避震弹簧的计算

根据国家标准，一袋730mm×500mm的水泥袋装水泥50±1kg，该物料搬运机器人搬运设计载荷为4袋这种规格的水泥袋，故设计载荷：

=m×n =200kg。式中，

为许用载荷；m为单个标准水泥袋

重量；n为水泥袋数目。

考虑到实际使用过程中的冲击等其他可能超负

荷的情况，设定安全系数f=1.8，

故理论最大载荷为：式中，为理论最大载荷；f为设定安

全系数。

车身自重

=50kg，故最大总重M总=410kg 。底盘结构如图4所示，底盘的避震装置采用的是弹簧最大弹力为

的负压弹簧，一共布

置避震系统数目n1=8组，每组弹簧数量n2=3，每组弹簧在初始长度时，与水平面成45°夹角。

图4　底盘结构布置正视图

故计算机器人的最大负载：

式中，为机器人最大能承受的负载；

为弹簧最大弹力；n1为避震系统数目； n2为单组避震系统中弹簧数量。

由于

，故满足设计要求。

在机器人行进过程中，履带与地面直接接触的长度为。为了能获得更高的通过性能，

设计履带对地面的最大压强为

，设履带

宽度为：

式中，

为履带宽度；M总为理论最大载荷；

为轮对地面的最大压强；为履带与地面

直接接触的长度。计算得到履带宽度为55.4mm，取标准值

56mm。

故该机器人的主要参数如下：长度=837mm，宽度=645mm；高度=450mm，自重=50kg，许用负载=200kg，最大安全载荷=410kg，接触压强=2×105Pa。

2.2　单个负重轮载荷计算和受力分析

根据节2.1计算出的最大总重

kg。底盘的避震装置采用的是弹簧最大弹力为F弹簧=500N的负压弹簧，一共布置避震系统数目n1＝4组，每组弹簧数量n2＝3，每组弹簧初始长度时，与水平面成45°夹角。

故计算机器人的最大负载：

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2019年第18期（总第54期）

中国高新科技

China High-techNO.18 2019

( Cumulativety NO.54 )

海绵城市综合体节水节能集成设计方案

余　凡

（湖南北山建设集团股份有限公司，湖南 长沙 410001）

摘要：阐述了海绵城市的基本概念，并结合某海绵城市综合体项目建设工程，围绕其节水节能设计方案进行分析，其中涉及生态节能亭、透水路面、海绵体设计以及其他相关节水节能方面的内容，有助于解决城市内涝干旱以及水资源不均衡等问题，希望为相关工程提供可行性参考。

关键词：海绵城市；节水节能；集成设计；生态亭　　文献标识码：A　　中图分类号：U445文章编号：2096-4137（2019）18-26-03　　DOI：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2019.18.08

0　引言

城市内涝或者水资源匮乏等问题在很大程度上制约着城市的可持续发展，而且这类问题也严重影响了城市的生产和日常生活，极端情况下还会威胁到人民群众的安全。为了更加有针对性地解决这类问题，海绵城市的理念被提出并逐步应用于城市的发展。

共8栋，均采用可拆卸钢框架结构临时建筑形式，总用钢量约1500t。整体建筑效果如图1所示。

1　工程概况

徐州市某中心一期工程建设总建筑面积13981.18m2，其中会务中心1栋、大企业办公社区

图1　整体建筑效果

F最大负载 =F弹簧×n1×cos45°×n2 =500×4×cos45°×3

式中，F最大负载为机器人最大能承受的负载；F弹簧

为弹簧最大弹力；n1为避震系统数目；n2为单组避震系统中弹簧数目。

轮式结构机器人在行进过程中轮胎和地面接触的面积通过经验公式得出

A=12cm2接触压强： 计算得：P=3.6*106pa。

虑实际运用过程中的具体情况，能够有效减轻工人的劳动负荷。现代城市建设逐步趋向高效率、高智能，故在机器人的应用上，具备很好的市场潜力和巨大的市场需求。在机器人的程序设计上，采取了嵌入式技术实现多种功能的扩展，机器人具备机械学习的能力，能够自主规划路径和自动避障，该物料搬运机器人的使用能够大大提高土木工程建设和其他工作的工作效率，满足现代化城市建设需求。

参考文献

[1]　 GB 9774-2010．中华人民共和国国家标准：水泥包

装袋[S].2010.[2]　 哈尔滨工业大学理论力学教研室．理论力学（Ⅰ）

[M]．7 版．北京：高等教育出版社，2009.[3]　 杨可桢，程光蕴，李仲生．机械设计基础[M]．5

版．北京：高等教育出版社，2006．

3　结语

相比于传统轮胎的底盘设计，履带设计的压强更小，承载能力更高，具有更加良好的通过性。故采用履带结构的底盘设计，能够满足工作需求，具备全地形通过的能力。该机器人设计上，充分考·26·

（责任编辑：李　华）