陆空两栖侦查机器人结构设计

随着机器人、车辆、无人机技术的日益成熟，更多更先进的机器人车辆和无人机将安装各种武器系统用于执行军事任务，从而减少战场上的人员伤亡。陆空两栖侦查机器人因具有地面行走和空中飞行两种模式，侦查灵活性高、可越障、实时侦查监视和危险区域作战侦查，从而成为作战侦查的新力量。

对于陆空两栖机器人的研究，国外研究较早并取得突破，美国等技术相对领先的国家早已将陆空机器人的相关技术应用到生产、生活以及军事上，美国军方研制的陆空两柄飞行器在装满燃料时，持续400km空中或陆地运输。另外，美国还研制出采用气动人工肌肉方式的六足仿生步行机器人Biobot。荷兰三轮飞行汽车PAL-V公司研制出了融汽车、摩托车和旋翼机于一体飞行汽车。

国内有关陆空两栖机器人的研究起步较晚，尤其是可以完成垂直起降的陆空两栖设备。沈阳航空航天大学对军用飞行汽车的外部造型进行了设计。装甲兵工程学院研制一款采用涵道风扇作为飞行动力元件的陆空两用飞行汽车。南京理工大学设计研发了基于视觉信息系统的多用途地面移动机器人。

文中采用了仿生轮式腿和轮式前进的两种行走方式，对侦查机器人越障、飞行、灵活性、稳定性、安全性、传动方式和行走机构进行了设计分析，设计了陆空两栖侦查机器人，并满足设计要求。

1 陆空两栖侦查机器人的工作机理及总体设计

1.1 机器人工作机理

机构在两栖机器人设计中占有重要的位置，是整个机器人构成中一个不可缺少的部分，它与机器人设计有着不可分割的内在联系。陆空两柄侦查机器人飞行部分是采用8个直流无刷电机（两个一组）直接驱动8个螺旋桨提供升力，两个电机为一组，两个电机在同一竖直轴线上反向安装，分别驱动两个螺旋桨相对反向转动，两个电机相互抵消扭矩。每组电机分别固定在由机架伸出的4个杆件终端。在陆空两柄转换时可以垂直起降，飞行部分没有机械传动，结构简单，不易损坏，易于维护。

地面行驶部分采用4个仿生轮式腿结构，既可以周转行走前进，又可以采用轮式快速前进，两种行进方式无缝切换，具有很强的越障能力，左右4个轮式腿分别由两个无刷电机驱动。设计的陆空两栖侦查机器人的总体结构如图1所示。

将路面行进越障和飞行结合到一起，得以实现立体侦查。

陆空两栖侦查机器人的性能指标见表1。

表1 陆空两栖侦查机器人的性能指标

1.2 总体设计方案

1.2.1 机器人机身材料的选择

在材料选择方面，主要考虑材料的质量以及材料的机械性能。文中陆空两栖侦查机器人的材料采用金属与非金属材料相结合的方式。

1.2.1.1 非金属材料

陆空两栖侦查机器人对材料的重量和强度的要求较高，由于碳纤维材料具有重量轻、韧性好、刚度高且具有良好的机械性能，所以陆空两柄侦查机器人的机架、肋板等造型结构采用了碳纤维结构，同时齿轮材料采用聚合物塑料，既减轻了重量又可增加负载能力。

1.2.1.2 金属材料

陆空两栖侦查机器人承载和运动过程中不应产生严重的变形和断裂，从力学的角度即具有足够的强度。主要材料选用各种碳钢和铝合金。由于该机器人负载小、白重轻，经过两者比较，除了对强度和刚度要求较高的齿轮、轴等传动部件选用金属材料，其余部件选用铝合金材料，大大降低了飞机的净载重量。

1.2.2 传动方式的选择

机器人的机械传动方式分为齿轮齿条传动、蜗轮蜗杆传动、带传动、链传动等，齿轮齿条和蜗轮蜗杆传动不适合长距离传动，链传动的自身质量很大，不适合在飞行机器人上使用。而带传动中心距变化范围大，传动平稳，噪音小且缓冲吸振，结构简单，成本低，质量小，适合在飞行机器人上使用。

文中机器人的路面行驶部分结构采用MXL型同步齿形带传动，同步带1在电机2的驱动下将动力传给行星轮系主动轴3，行星轮系主动轴3驱动行星轮架4周转或小行星轮5转动。采用同步齿形带传动效率高、行走速度快、传动结构紧凑且缓冲吸震使行走更加的平稳。地面行走部分传动机构如图2所示。