陆空两柄侦查机器人驱动方式的选择及计算

1 地面行走机构设计

地面行走部分采用行星轮系的原理，实现仿生腿行走和轮式前进两种行进方式的转换，从而提高越障能力的目的，地面行走机构如图3所示。

变速箱输出轴通过键与主轴输入齿轮1和棘轮5分别固定在一起，主轴输入齿轮1与同步阶梯直齿轮2啮合，同步阶梯直齿轮2与双面齿同步带3外啮合，双面齿同步带3与小同步轮4内啮合，小同步轮4通过键与轮子固定到一起。当棘爪6不运动且同步齿输出轴1有速度输出时，轮子转动，机器人以普通轮子滚动方式前进；当棘爪6运动时，棘轮5与机架刚性固定在一起，即变速箱输出轴与机架固定到一起，行星轮系开始周转，从而实现仿生轮式腿功能。

机器人在地面行走时既可做周转行走前进，又可采用轮式快速前进，当整个仿生腿周转时，3个轮子相对于杆件不动，这时机器人采用越障能力极强的仿生腿结构前进。当仿生腿不周转时，3个小轮子相对于杆件和地面进行转动，提高行进速度。在两种行走方式间可以任意转化，将速度输入主轴和机架（杆件）固定在一起实现仿生周转，反之采用后者轮式快速行进。

2 驱动方式的选择及计算

2.1 驱动方式的选择

驱动装置是驱动陆空两柄侦查机器人到达指定位置的动力源。机器人动力源多采用直流电动机，直流电动机大致分为有刷直流电动机和无刷直流电动机两种。

有刷电机具有速度大、体积小、质量轻、安装方便等优点，但有刷电机在工作过程中摩擦损耗大、发热快且噪音较大；无刷电机具有低干扰、噪音低、运转顺畅、寿命长，但其造价高，易受高磁场环境影响。由于陆空两栖侦查机器人在性能上要求较高，在综合考虑其传动方式及结构形式后选用无刷直流电机作为驱动源。

2.2 无刷电机额定功率的计算

相对于普通行驶过程，爬坡能力对于移动机器人的驱动能力是一个重要的衡量指标，所以在进行驱动系统设计时，用爬坡指标为计算依据进行电机的初选。

把轮式腿看作半径是60mm的轮子，来确定直流电机的功率。假设在角度是30°的斜坡上直线匀速行驶，对机器人进行受力分析：

根据理论力学平衡条件，有平衡方程：

X方向静力平衡：

Y方向静力平衡：

以O点为对象力矩平衡：

由于是四驱，所以近似看

由上式可得：

式中：M1，M2——作用于驱动轮的驱动力矩，N·mm；

M——总质量，估算总质量为4kg；

N——地面对驱动轮的法向反作用力，N；

f1，f2——地面对驱动轮的切向反作用力，N。

每侧电机经减速后在最大坡度情况下需要提供的极限扭矩是588N·mm，在仿生周转的情况下，最大转速n=60r/min，选择电机的功率大约在P=T×n/9550=7.38W。

根据计算所得出的数据选用功率为10W的无刷直流电机。所设计的陆空两柄侦查机器人的实物样机如图4所示。

3 结语

设计了一种能够完成仿生行走和轮子滚动前进相互转换和飞行越障的侦查机器人。它由飞行部分和路面行进两部分组成，飞行部分利用8个无刷直流电机驱动螺旋桨直接提供升力完成垂直起降以及高速飞行。陆行部分依据行星轮系和定轴轮系相互转化的原理，以仿生轮式腿和普通轮子结合并相互转换的方式来完成快速前进和高效越障的任务。通过远程遥控的方式来完成多种环境、恶劣环境下的搜救抢险及侦查任务。