水陸兩棲無人巡邏車

摘 要：水陸兩棲車因具有雙重性能的特點，一直是車輛領域所研究的熱點問題。本文采用模塊化的設計理念，利用Pro/e三維繪圖軟件創新設計了一款水陸兩棲無人巡邏車。該產品結構主要包括傳動系統、水中推進系統和機械臂系統三個關鍵部分。實驗結果顯示，本款機器人可在工業巡檢，特殊環境勘察，極地科考等多個領域發揮重要作用。

關鍵詞：水陸兩棲 Pro/e 智能車

0研究背景

近年來，針對水路兩棲車的研究一直是車輛領域的一個熱點問題。而水陸兩棲車“家族”主要集中在現代武器領域，一般體型較大，成本較高，且采用獨立的水上推進器（如螺旋槳）驅動，陸上行駛則靠履帶或車輪實現，多用于軍事，在救援，探測和科考等領域應用起來較為困難。對此，我們旨在實現小型、智能和低成本的設計理念，采用模塊化的設計方法，利用Pro/e三維繪圖軟件設計了一款水陸兩棲無人巡邏車。

1傳動系統設計

1.1 減速機構

動力從電機傳出后，經行星齒輪減速器進行兩級減速。行星齒輪減速器的外齒圈保持靜止，電機軸帶動第一級行星架以及與行星架相配合的太陽輪轉動，此即為從電機出來的原始轉速。第二級行星架上的行星輪繞第一級太陽輪周向轉動，實現減速獲得第二級轉速。同理， 極行星架上的行星輪繞第二級行星架上的太陽輪周向轉動，即可再次減速獲得輸出速度。使用行星齒輪減速器經多級減速可實現較大的傳動比，獲得合適的傳動速度。

1.2 轉向機構

采用雙差速器機構，由變速器輸出的動力被分成兩部分，一部分動力用于動力輸出，即驅動兩側的車輪行進，另一部分用于轉向輸出，來控制車的轉向。

如圖（1）所示，轉向過程分析如下：

（1）向左轉向時的時候，通過控制多片離合器使轉向動力與輸出動力同向旋轉，轉向動力帶動兩側行星齒輪架反向旋轉，由于輸出動力的速度遠遠大于行星齒輪架轉動的速度，因此車的速度在左端被反向減小，在右端被反向增大。這樣就使得車體向左轉向。

（2）同理，右轉時，通過控制多片離合器，使得輸出動力與轉向動力反向旋轉，車體向右轉向。

（3）檔位回正時，差速器行星架被鎖死，輸出的動力直接從差速器兩端傳至兩側車輪，此時車體保持直行。

（4）當掛空擋的時候，輸出動力兩端的齒輪被鎖死，轉向動力持續帶動差速器的行星架反向旋轉，此時車體即可原地旋轉。

2水中推進系統

2.1對車輪的改進

為了實現在水中前行，該智能車采用螺旋槳作為推進器，將螺旋槳的葉片與車輪的輪輻條有機結合設計出水陸兩棲輪。正常陸地行駛時，車輪左右對稱布置在車體兩側，當進入水域時，需將車輪轉過90度。水中推進螺旋槳和陸地行駛的車輪共用一套動力，縮小了系統尺寸。

2.2車輪換向機構

車體正常行駛時，動力從中央動力源傳出，此時多片摩擦離合器中的壓緊彈簧利用壓板將摩擦片壓緊在錐齒輪端面上，摩擦片與傳動軸之間通過花鍵配合，發動機的轉矩即可傳遞到車輪轉軸上，驅動輪旋轉。

當車輪進行轉向時，需要中斷傳動，此時離合器分離，通過轉動桿在箱座上的環形槽內轉動帶動車輪轉過90度。當轉向過程結束后，多片摩擦離合器中的壓板重新將摩擦片壓緊在錐齒輪端面上，輪開始重新正常旋轉。

3機械臂系統

機械臂系統采用關節式，共四個關節，整體自由度為6。機械臂底端固連在轉盤上，可隨轉盤旋轉。前端的機械手通過四連桿機構控制爪的開合實現夾取物品。機械臂設置在車體頂端的車艙內，需要機械臂動作時打開艙門，機械臂展開作業，夾取的樣本存入車艙內。使用結束后折疊放回車倉，關閉艙門。該水陸兩棲無人巡邏車的三維實體模型如圖（2）所示。

4產品優點及適用場景分析

該水陸兩棲無人巡邏車將傳統車輪的輪輻條改造成螺旋槳形式，輔助以轉向機構，以其作為推進裝置，既節省了空間，而且在支撐承重的同時兼做水中推進用途。整體靈活性較高，可實現較廣的作業范圍，可折疊式機械臂結構同時保證了車型整體的美觀性。

該智能車由于其強大的交通適應能力，可用于探測巡檢，收集樣本；還可以代替救援人員進行現場探測，使得救援人員及時了解現場情況；對于特殊場合，也可以通過操縱機械手直接進行現場維修。在提高勞動效率的同時，更保障了工作的安全性。

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作者簡介：段東新（1998-），男，山東菏澤人，山東科技大學本科生在讀，主修機械設計制造及其自動化專業。