四履帶搜救機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計—移動平臺設(shè)計

四履帶搜救機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計—移動平臺設(shè)計,四履帶搜救機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計—移動平臺設(shè)計,履帶,搜救,機器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計,移動,挪動,平臺,設(shè)計 河南理工大學萬方科技學院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表 指導教師： 職稱： 教授 所在院（系）： 機械與動力工程系 教研室（研究室）： 題 目 四履帶搜救機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計—移動平臺設(shè)計 學生姓名 專業(yè)班級 學號 一、選題質(zhì)量： 1.本題目符合機械設(shè)計專業(yè)的培養(yǎng)目標，能夠充分鍛煉和培養(yǎng)分析問題和實際操作能 力，能夠體現(xiàn)綜合訓練的要求 2.設(shè)計任務(wù)難易程度和工作量適中，符合本科畢業(yè)設(shè)計要求，能在規(guī)定的時間內(nèi)完成。 3.所選題目較為新穎，故所收集的資料較少，工作量較大。 4.所選題目與實際貼合比較緊密，在實際的救援中也很重要。在設(shè)計過程中，對機 器人各個結(jié)構(gòu)和零件的設(shè)計、計算對我來說，是對以往所學知識的總結(jié)和應(yīng)用，所以 能夠滿足綜合訓練的要求。但是在設(shè)計過程中，對于我來說還是具有很大的難度，對 于這方面的涉足也并不是很多，并且且這方面的資料也是比較少，所以這對我來說也 是一個挑戰(zhàn)。 二、開題報告完成情況： 根據(jù)自己在各方面資料的收集和整理，通過對可行性的分析，結(jié)合老師給的題目 的選擇，我完成了這次設(shè)計的選題。 在選題結(jié)束之后，通過自己認真查閱相關(guān)的資料，最后結(jié)合本身的實際情況和設(shè) 計的時間任務(wù)完成了開題報告。 經(jīng)過指導老師同意，完成開題報告，同意開題。 三、階段性成果： 1.通過對搜救機器人的了解，再加上指導老師對我們的講解，算是對其有了一個大概的了解。前期階段主要是對有關(guān)于搜救機器人的各方面的文獻和資料進行搜集，為以后的設(shè)計做了必要的準備。 2.中期階段主要是依據(jù)參考資料，從上面找到一些關(guān)于關(guān)于搜救機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的信息，首先對其結(jié)構(gòu)有了大致的了解，其次是已有了大概的設(shè)計方法，并開始了一些基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 3.正在進行裝配圖的CAD畫圖和進行設(shè)計說明書的部分工作。 4.正在進行我在小組中所負責的主體部分的設(shè)計，包括履帶、齒輪和軸等部件的選材 以及數(shù)據(jù)計算等工作。 四、存在主要問題： 1、這次設(shè)計對我來說是個比較大挑戰(zhàn)，和同學的配合剛開始有很多不恰當?shù)牡胤?，但隨著設(shè)計的進行和不斷的討論磨合，也逐漸克服了這一問題。 2、搜救機器人設(shè)計對我是個新題，并且在搜索資料方面發(fā)現(xiàn)，關(guān)于搜救機器人的資料也并不是很多。 3、設(shè)計過程中關(guān)于自己所設(shè)計的方面不是太明確，經(jīng)過和同組同學的商量明確了自己 的任務(wù)。 4.由于資料過于稀少，沒有可參考的材料，在計算數(shù)據(jù)、校核、選材方面還有很大的 不明之處。 五、指導教師對學生在畢業(yè)實習中，勞動、學習紀律及畢業(yè)設(shè)計（論文）進展等方面的評語 指導教師： （簽名） 年 月 日 3 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 摘 要 分析了國內(nèi)外履帶式機器人的研究現(xiàn)狀,討論了履帶式機器 人在機械結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和控制方法等方面的現(xiàn)有研究方法,列舉 了履帶式機器人研究中存在的問題,展望了履帶式機器人的發(fā)展 方向。 在觀察分析其他機器人的結(jié)構(gòu)及經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，進行方案 比較選定的設(shè)計，是一種履帶式搜救機器人的移動平臺，設(shè)計內(nèi) 容包括設(shè)計行走底盤、擺臂和移動平臺的減速器，并對機器人的 局部受力情況作了具體的分析。 為發(fā)揮四履帶雙擺臂機器人的最佳越障性能，本文從運動 學的角度，在固定雙履帶機器人越障機理的基礎(chǔ)上，分析了四履 帶雙擺臂機器人克服臺階、斜坡、溝道等典型障礙的運動機理及 其最大越障能力，重點研究了四履帶雙擺臂機器人正向和反向兩 種攀越臺階方式的運動機理及其最大越障能力。本文推導出機器 人的最佳越障性能及對應(yīng)的質(zhì)心和擺臂的位置，可為機器人越障 時質(zhì)心位置的控制提供理論依據(jù) 本設(shè)計的重點在于機器人的移動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于機器 人整體的設(shè)計難度較大，材料和機構(gòu)精度要求較高，本設(shè)計為此 類設(shè)計提供了較成熟的設(shè)計方案。 關(guān)鍵字：機器人；質(zhì)心；越障；攀越臺階；履帶底盤； 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 Abstract What this design was a section of marching fire robot foundation level carrier, the design content walks the chassis including the design and swing arm and the retarder as well as has made the concrete analysis to robots partial stress situation. Trial manufacturing overall robot structure. In the design trial manufacturing process, the unceasing observation analyzes other robots structure, absorbs the predecessor to experience, carries on the plan quite to designate. And goes down to the factory to process one to carry on the study, brings to completion the processing technique of manufacture, avoids stepping onto only pauses the written design to be separated from the actual manufacture the tortuous path. The current status domestic and overseas with respect to tracked mobile robots was surveyed, and the existing research approaches in terms of theme chinacal structure, stability and control algorithms of tracked mobile robots were described. To conclude, the problems to be solved were stated and the future development of tracked mobile robots was discussed. For performing the best obstacle-surmounting capability of four- track robot with two swing arms, obstaclesur mounting mechanism of the four-track robot with two swing arms and its capabilities of surmounting obstacles, including step and slope-climbing, and channel-crossing, are analyzed from the viewpoint of kinematics based on the obstaclesur mounting mechanism of the fixed two-track robot. 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 Its motion mechanism and maximal obstacle-surmounting capability of step-climbing forward and backward are mainly analyzed. The theoretical value of maximal obstacle-surmounting capabilities of the prototype are obtained and compared with the test results. And the best obstaclesur mounting performance and the corresponding centroid and swing arm positions are deduced. This paper would provide theoretical basis for centroid position control in obstacle-surmounting process. This graduation projects key point lies in robots trial manufacturing research work, because the robot wholes design difficulty is big, the material and the organization accuracy requirement is high, this trial manufacturing product has not been able to take the mature product to carry on adds the manufacture, can only do for the guidance prototype supplies the reference. Key words: Robot; centroid; obstacle-surmounting; step-climbing; Caterpillar band chassis 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 目錄 1 緒論 .1 1.1 引言 .1 1.2 課題研究的背景及意義 .2 1.2.1 課題研究的背景 .2 1.2.2 課題研究的意義 .2 1.3 機器人的研究現(xiàn)狀 .3 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀 .3 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .5 1.3.3 搜救機器人的發(fā)展趨勢 .7 2 搜救機器人移動平臺結(jié)構(gòu)分析 .16 2.1 搜救機器人的設(shè)計要求 .16 2.2 典型移動機構(gòu)方案分析 .18 2.2.1 輪式移動機構(gòu)特點 .18 2.2.2 腿式移動機構(gòu)特點 .19 2.2.3 履帶式移動機構(gòu)特點 .20 2.2.4 履、腿式移動機構(gòu)特點 .21 2.2.5 輪、履、腿式移動機構(gòu)性能比較 .22 2.3 本研究采用的行走機構(gòu) .22 2.4 搜救機器人的移動平臺結(jié)構(gòu)和擺臂結(jié)構(gòu) .23 2.4.1 移動平臺結(jié)構(gòu) .23 2.4.2 擺臂結(jié)構(gòu) .24 2.5 越障分析 .25 2.5.1 機器人跨越臺階 .26 2.5.2 跨越溝槽 .27 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 2.5.3 斜坡運動分析 .28 3 機器人驅(qū)動電機電機設(shè)計 .30 3.1 基于平地的最大速度的電機功率計算 .30 3.2 爬坡最大坡度的驅(qū)動電機功率計算 .31 4 移動平臺的減速器相關(guān)設(shè)計 .33 4.1 移動平臺的減速器方案分析 .33 4.1.1 移動平臺的減速器應(yīng)滿足的要求 .33 4.1.2 移動平臺的減速器方案分析 .33 4.2 移動平臺的減速器的設(shè)計計算 .35 4.2.1 移動平臺的減速器的傳動方案分析 .35 4.2.2 配齒計算 .35 4.2.3 初步計算齒輪的主要參數(shù) .36 4.2.4 裝配條件的計算 .37 4.2.5 齒輪和軸強度的驗算 .37 5 移動機構(gòu)履帶設(shè)計 .39 5.1 履帶的選擇 .39 5.2 確定帶的型號和節(jié)距 .40 5.3 確定主從動輪數(shù)據(jù) .41 5.3.1 驅(qū)動輪參數(shù)計算 .42 5.3.2 從動輪參數(shù)設(shè)計 .43 6 傳動軸的設(shè)計 .44 6.1 驅(qū)動軸的設(shè)計 .44 6.2 驅(qū)動軸的強度校核 .46 7 擺臂設(shè)計 .49 7.1 擺臂作用 .49 7.2 翼板部分設(shè)計 .49 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 7.3 擺臂齒輪計算 .51 7.4 擺臂輪軸的設(shè)計 .52 7.5 擺臂減速器相關(guān)參數(shù) .53 全文總結(jié) .54 致 謝 .56 參考文獻 .57 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 1 1 緒論 1.1 引言 近幾年各種災(zāi)害不斷的發(fā)生，各種災(zāi)害發(fā)生后世界人名都積 極投入到救災(zāi)活動中。作為當代大學生對這些災(zāi)難尤其關(guān)注，一 些人立即奔赴災(zāi)區(qū)，很多人捐款捐物。災(zāi)難后總會看到有人被困 在廢墟下，而外面的人卻一時無法將他們救出時，我們心里十分 焦急，總在想：里面的人肯定受了重傷，也一定很餓，如果有個 小型搜救器能迅速鉆到廢墟里，探明受傷人位置和情況，給他們 送去急需的藥品和飲食該有多好啊。基于這種想法，搜救機器人 從此誕生了。然而我國在各種災(zāi)害中，但據(jù)資料顯示，搜救機器 人并未得到很好的利用，參加搜救的主要還是以消防官兵，搜救 犬及支援人士。 地震、火災(zāi)、礦難等災(zāi)難發(fā)生后,在廢墟中搜尋幸存者,給予 必要的醫(yī)療救助,并盡快救出被困者是救援人員面臨的緊迫任務(wù)。 實際經(jīng)驗表明,超過 48 小時后被困在廢墟中的幸存者存活的概率 變得越來越低。 由于災(zāi)難現(xiàn)場情況復(fù)雜,在救援人員自身安全得不到保證的 情況很難進入現(xiàn)場開展救援工作的,此外,廢墟中形成的狹小空間 使搜救人員甚至搜救犬也無法進入。災(zāi)難搜救機器人可以很好地 解決上述問題。 機器人可以在災(zāi)難發(fā)生后第一時間進入災(zāi)難現(xiàn)場尋找幸存者,對 被困人員提供基本的醫(yī)療救助服務(wù),進入救援人員無法進入的現(xiàn) 場搜集有關(guān)信息并反饋給救援指揮中心等。 近年來,為了滿足救援工作的需要,國內(nèi)外很多研究機構(gòu)開展 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 2 了大量的研究工作,可以在災(zāi)難現(xiàn)場廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋的各 類機器人如可變形多態(tài)機器人、蛇形機器人等相繼被開發(fā)出來。 1.2 課題研究的背景及意義 1.2.1 課題研究的背景 機器人是人類智慧的產(chǎn)物，他能完成人類無法實現(xiàn)的作業(yè)， 20 世紀就已經(jīng)得到社會各界人士高度重視的機器人，在 21 世紀 更是如嬌嬌寵兒，得到世人關(guān)注。隨著全球環(huán)境的變化，工作、 生活中發(fā)生的意外事故的增多，一個必要的無人操作搜救機器人 必然誕生。人類本體的搜救能力越來越顯得拘束，人類在智慧上 超出動物很多，但在特定環(huán)境的適應(yīng)上就要比動物差很多。雖然 人發(fā)明了很多的技術(shù)彌補了這一不足，但明顯可以看到，艦船的 靈活性比不上魚類，飛機的靈活性比不上鳥類甚至昆蟲，車輛的 地形適應(yīng)性比不上四條腿的動物。搜救機器人的研究可以彌補我 們這方面的不足，對社會產(chǎn)生大的經(jīng)濟效益。搜救機器人的研究 可以滿足一些行業(yè)的需求。機器人由于其天生的多自由度，多冗 余自由度，可以在狹小的空間內(nèi)穿梭，可以滿足在復(fù)雜環(huán)境中搜 救、偵查、排除爆炸物等反恐任務(wù)。 1.2.2 課題研究的意義 （1）課題研究的社會意義 搜救機器人的研究給搜救工作帶來很大的方便，在災(zāi)難發(fā)生 后，能夠快速地投入到搜救工作中，提高搜救效率，減少人員傷 亡，失蹤等不幸事故，更好的為社會服務(wù)。 （2）課題研究的科學意義 搜救機器人的研發(fā)，在很大程度上彌補了我們在搜救領(lǐng)域的 不足，為后期更好的擴展，奠定了基礎(chǔ)。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 3 1.3 機器人的研究現(xiàn)狀 1.3.1 國外研究現(xiàn)狀 近十年來，尤其是“9.11”事件之后，美國、日本等西方發(fā) 達國家在地震、火災(zāi)等救援機器人的研究方面做了大量的工作， 研究出了各種可用于災(zāi)難現(xiàn)場救援的機器人。 （1）履帶式機搜救機器人 履帶式機器人是為了滿足軍事偵察、拆除危險物等作業(yè)的需 要，在傳統(tǒng)的輪式移動機器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。圖 1-1 給出 了目前國際上幾家著名機器人公司的典型產(chǎn)品，他們主要是為了 滿足軍事需要而開發(fā)的，體積普遍偏大，不太適合在倒塌的建筑 物廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋幸存者。 （a） Foster-Miller 公司（b）Inuktun 公司的 （c）SPAWAR 的 的 SOLEM 機器人 Minitrac 機器人 urbot 機器人 圖 1-1 機器人公司給出的典型產(chǎn)品 （2）可變性（多態(tài)）搜救機器人 為了能進入狹小空間展開搜救工作，要求機器人的體積要 盡可能小，但體積小了搜索視野就會受到限制，為了解決這已矛 盾，近年來在傳統(tǒng)牽引式多態(tài)搜救機器人。圖 1-2 為美國 Irobot 公司生產(chǎn)的 Packbot 系列機器人，packbot 機器人有一對鰭形前 肢，這對鰭形前肢可以幫助崎嶇的地面上導航，也可以升高感知 平臺以便更好地觀察。圖 1-3 為加拿大 inuktun 公司 MicroVGTV 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 4 多態(tài)搜救機器人，他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠近 靈活地調(diào)整形狀和尺寸。 (a)正常狀態(tài) （b）直立狀態(tài) 圖 1-2 美國 Irobot 公司 packbot 多態(tài)搜救機器人 （a）平躺狀態(tài) （b）半直立狀態(tài) （c）直立狀態(tài) 圖 1-3 加拿大 Inuktun 公司 Micro VGTV 多態(tài)搜救機器人 （3)仿生搜救機器人 雖然履帶式可變形多態(tài)機器人可根據(jù)搜索空間的大小改變其 形狀和尺寸，但受驅(qū)動方式的限制，其體積不可能做得很小。為 了滿足對更狹小空間搜索的需要，人們根據(jù)生態(tài)學原理研制了各 種體積更小的仿生機器人，其中蛇形機器人就是其中很重要的一 類。圖 1-4(a)為 cmu 研制的安裝的蛇形機器人。圖 4（b）為日 本大阪大學研制的蛇形機器人。圖 1-4（c）為美國加州大學伯克 利分校研制的身高不足 2cm 的蒼蠅搜救機器人。隨著技術(shù)的不斷 成熟，相信蛇形、蠅形等仿生機器人會在災(zāi)難搜救工作中發(fā)揮越 來越大的不可替代的特殊作用。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 5 （a）CMU 研制的基于移動平臺的蛇形機器人 (b)日本大阪大學研制的蛇形機器人 （c）加州大學伯克利分校研制的蒼蠅機器人 圖 1-4 仿生機器人 1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 在日本大阪大學研制出蛇形機器人不久，我國中國科學院沈 陽自動哈研究所，國防科技大學，北京航空航天大學等單位也都 相繼研制出了類似的蛇形機器人系統(tǒng)。 在 5.12 地震發(fā)生后，針對亂石之中被埋在撫恤下的生命很 難發(fā)現(xiàn)， “如果有能穿越亂石的機器人，也許就可以發(fā)現(xiàn)廢墟下 的生命跡象從而救出更多的人！“謝敬濤等 5 位重慶交大的 5 位 同學經(jīng)過商量后便有這個想法，發(fā)明一個越障能力強的機器人- -蛇形機器人（圖 1-5）. 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 6 圖 1-5 重慶交大的能翻越障礙的機器人 由中科院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室研制的 空中搜索探測機器人、廢墟表面搜救機器人(如圖 1-6),在位于北 京西郊鳳凰嶺的國家地震緊急救援訓練基地完成了綜合調(diào)試演練， 并達到了預(yù)期性能指標。這標志著我國地震搜救機器人系統(tǒng)已進 入到示范應(yīng)用階段，有望在“十二五”期間作為地震應(yīng)急搜救裝 備投入實際使用。 圖 1-6 空中搜索探測機器人、廢墟表面搜救機器人 國內(nèi)首臺煤礦搜救機器人(樣機)在江蘇徐州誕生，該機器人 由中國礦業(yè)大學可靠性與救災(zāi)機器人研究所研制。目前這臺搜救 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 7 機器人采用點對點式的無線控制方式，有效控制范圍為 300 米， 每臺售價約 40 萬元。 由葛世榮教授領(lǐng)導的科研小組正在研制使用中繼站式無線通 訊方式，成功后將可實現(xiàn)對機器人 1.5 公里范圍內(nèi)的無線控制。 煤礦搜救機器人采用自主避障和遙控引導相結(jié)合的行走控制 方式，它能在礦難發(fā)生后深入事故現(xiàn)場探測火災(zāi)溫度、瓦斯?jié)舛取?災(zāi)害場景、呼救聲訊等信息，并實時回傳采集到的信息和圖像， 為救災(zāi)指揮人員提供重要的災(zāi)害信息。 同時，機器人還能攜帶急救藥品、生命維持液、食品和千斤 頂、撬棍等自救工具以協(xié)助被困人員實施自救和逃生。 據(jù)悉，此機器人通過改裝后還可廣泛應(yīng)用于地面救火、有害 氣體測試等用途。 圖 1-7 煤礦搜救機器人(樣機) 以上是目前世界上的搜救機器人的發(fā)展現(xiàn)狀。搜救機器人多種多 樣，然而真正應(yīng)用在實際中的機器人目前不是很多。由于技術(shù)發(fā) 展的限制，很多機器人只能在一個方面使用，沒有幾種多功能的 搜救機器人，但是很多機器人又有相同的地方。 1.3.3 搜救機器人的發(fā)展趨勢 然而，災(zāi)難后的廢墟中有各種各樣的障礙物。有些障礙物對 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 8 于人類不算什么，但是對于目前的機器人卻是個高不可攀的大山。 就算是在靈活的機器人也不如人類靈活，如何提高機器人的靈活 性和越障能力是現(xiàn)在機器人發(fā)展的主要方向。 移動性是救援機器人開展搜救工作的基礎(chǔ)和前提,災(zāi)難現(xiàn)場 的復(fù)雜性對機器人的運動能力提出了很高的要求,目前可根據(jù)搜 救現(xiàn)場空間大小而改變形狀和大小的可變形多態(tài)機器人,根據(jù)仿 生學原理具有更強移動搜索能力、體積更小的仿生機器人成為研 究熱點。由于搜救現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性,在結(jié)構(gòu)化室內(nèi)環(huán)境下已成 熟的導航、定位以及未知環(huán)境搜索等算法很難在搜救過程中使用,目 前搜救機器人一般采用有線或無線以手工操縱的半自主工作方式 為主,研究的熱點在于提高機器人識別幸存者的準確率上。隨著 技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展以及救援工作的需要,組建機器人救援隊 實現(xiàn)在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化未知環(huán)境中進行快速搜索將會成為可能。 履帶式的機器人是在傳統(tǒng)輪式機器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的， 履帶式機器人負重能力強，越障能力出色，適應(yīng)性好，被廣泛應(yīng) 用在各種方面，但是履帶式機器人一般體積較大，無法穿越一些 狹小的地方。 可變形的機器人靈活性好，越障能力因可變形而有所提升， 體積可小可大，適用范圍更廣。 仿生機器人模仿各種小型動物等，更加靈活，體積小更加能 穿越各種障礙，能更好的完成搜索任務(wù)。如蛇形機器人近年來, 特別是 2000 年以來,以蛇形機器人為代表的仿生機器人正在成為 新的研究熱點,且已經(jīng)取得不少突破性研究成果。 近些年來來搜救機器人在各個方面大放光彩，在全球和我國 都出現(xiàn)了一些表現(xiàn)出眾的例子 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 9 下面介紹幾種搜救機器人使用案例： （1）搜救機器人在西弗吉尼亞礦難救援中的應(yīng)用 2006 年年初,美國西弗吉尼亞 Sago 煤礦發(fā)生礦難,造成 12 名礦工死亡。事故發(fā)生后,救援人員使用 GPS 測定被困礦工的方 位,然后從地面上鉆了 3 個深孔,以便給井下輸送氧氣,同時期望 對井下的狀況進行檢測。救援人員分別放入空氣探測儀和攝像頭,但 均無功而返。為了從水平方向?qū)虑闆r進行探測,美國勞工部 礦業(yè)安全與衛(wèi)生局通過深孔向井下派出了一個救援機器人,如圖 1-8 所示。這是搜救機器人被第一次用于礦難的救援,但最終因機 器人中途行進過程中陷入泥潭而受阻。 圖 1-8 搜救機器人用于礦難救援 （2）搜救機器人亮相得克薩斯 可檢測出眾多潛在危險 一批勇敢的機器人在上周參與了得克薩斯州受災(zāi)城市培訓中心的 模擬救援工作。它們可舉起 120 磅的重物，還可檢測出化學戰(zhàn)劑、 放射線和其他一些潛在危險。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 10 圖 1-9 Mesa Robotics 公司生產(chǎn)的 Matilda 機器人 名為 Eyeball、Dragon Runner、ToughBot、Marv、Matilda 和 Talon 的機器人在上周勇敢地參與了得克薩斯州 A&M 大學附屬的 一個 52 英畝的受災(zāi)城市培訓中心的模擬救援工作。 該中心是在 1997 年開放的，由大學的得克薩斯工程擴展服務(wù) （Texas Engineering Extension Service）負責運作，它主要 被用來培訓得克薩斯州應(yīng)急反應(yīng)部隊以及來自全球各地的消防隊 員和救援隊員。 進行機器人的演習，是某些年美國國土安全部下屬的科技管理局 和商業(yè)部下屬的國家標準與技術(shù)學會贊助進行的第四次演習，據(jù) 紐約時報稱本次演習的任務(wù)比較復(fù)雜，主要是尋找各種評估機器 人性能的方法以便對它們進行比較。 圖 1-9 中顯示的是 Mesa Robotics 公司生產(chǎn)的 Matilda 機器人在 受災(zāi)城市中的操作帳篷內(nèi)等候病人。它的重量為 61 磅，可以舉 起兩倍于其體重的負荷；據(jù)得克薩斯工程擴展服務(wù)組織稱，它配 備了音頻視頻輸入和化學、生物和放射性感應(yīng)器。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 11 圖 1-10 teleMax 機器人 圖 1-10 是正在進行國家標準與技術(shù)協(xié)會響應(yīng)評價的 teleMax 機器人。它可以提供爆炸裝備處理和有害物質(zhì)處理服務(wù)。它配備 了一只鉸接桿和化學制品、氣體和/或放射性物質(zhì)感應(yīng)器。 圖 1-11 Segway 公司的 Robotic Mobility Platform Segway 公司的 Robotic Mobility Platform 也參與了國家標 準與技術(shù)協(xié)會的評估，它可以負擔 400 磅的有效負荷并以每小時 18 英里的速度行走 15 英里。這款四輪驅(qū)動的電子平臺可以自動 運作或者遠程遙控，如圖 1-11。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 12 圖 1-12 HERO（危險環(huán)境機器人守望者） 圖 1-12 中顯示的是 HERO（危險環(huán)境機器人守望者）在進行 耐久試驗過程中穿過受災(zāi)城市的主街道的情景。 它是由 First Response Robotics 公司生產(chǎn)，配備了一個 Kevlar 機體的、防水的無線夜視照相機，只需 3 分鐘就可以走出 運輸箱并開始工作。 圖 1-13 AirRobot AirRobot 也參與了國家標準與技術(shù)協(xié)會的評估，它在處理受 災(zāi)現(xiàn)場時具有一個特殊的優(yōu)勢。這款回轉(zhuǎn)穩(wěn)定的機器人很容易進 行轉(zhuǎn)圈，便于控制，此外它還配備了一個穩(wěn)定的照相機平臺，可 用于搜救人員等方面，如圖 1-13。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 13 圖 1-14 Foster-Miller 公司生產(chǎn)的 Talon-Hazmat Foster-Miller 公司生產(chǎn)的 Talon-Hazmat 正在靠近受災(zāi)城市 中一列充滿化學物質(zhì)負載的列車殘骸。Talon 配備了各種最先進 的感應(yīng)器，可以檢測出化學戰(zhàn)劑、放射線和許多其他的潛在危險， 如圖 1-14。 圖 1-15 Robotic FX 公司生產(chǎn)的 Negotiator Tactical Surveillance 機器人 Robotic FX 公司生產(chǎn)的 Negotiator Tactical Surveillance 機器人可以攜帶照相機和其他感應(yīng)器登上飛機的樓 梯。它是通過遠程遙控的，搜救人員可以在親身進入受災(zāi)現(xiàn)場之 前利用它評估災(zāi)情危險級數(shù)，如圖 1-15。 （3）機器蛇和小吊車 1995 年 1 月 17 日清晨 5 時 46 分，日本關(guān)西地區(qū)發(fā)生了 7.3 級地震，史稱阪神大地震。在受災(zāi)最嚴重的神戶市，共有 5 萬余 人傷亡，房屋受創(chuàng)而無家可歸者近 32 萬人，損失總額約合 1000 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 14 億美元。 在這次地震之后，日本政府開始探索使用機器人來搜救受災(zāi) 者的可能性。許多幸存者會被埋在廢墟當中不易發(fā)現(xiàn)，可燃物、 燃氣管道和漏電可能導致二次災(zāi)害，甚至是救援者的活動也可能 導致受災(zāi)者的再次受傷。而傳統(tǒng)使用的地震搜救犬需要大量的培 訓時間，其靈敏度也比不上現(xiàn)代電子設(shè)備。相比而言，機器人會 更有優(yōu)勢。 從 1996 年開始，日本機械工程師學會機器人與機電分會實 施了一個五年計劃，鼓勵開展各類災(zāi)后搜救機器人的研發(fā)；2002 年，日本文部科學省也啟動了一個類似的計劃，力圖在五年之內(nèi) 讓搜救機器人產(chǎn)業(yè)商業(yè)化。 在這些計劃的支持下，已經(jīng)出現(xiàn)了幾種可以投入使用的災(zāi)后 搜救機器人。在 3 月 11 日的日本史上最強地震之后，兩支由機 器人研究人員帶領(lǐng)的救援機器人隊伍，便開始奔赴受災(zāi)地區(qū)展開 營救工作。 東北大學信息科學研究生院的田所諭教授帶領(lǐng)的小組，攜帶 著名為“Snakebot”的蛇形搜索機器人。這臺機器人的外形像是 一個長達八米的試管刷，使用特殊的多馬達驅(qū)動系統(tǒng)，能夠適應(yīng) 大多數(shù)地形，并且可以拐過狹小的角度。它的作用和結(jié)構(gòu)都與醫(yī) 生使用的內(nèi)窺鏡非常相似：頭部有探照光源和攝像頭，能夠?qū)U 墟內(nèi)的景象傳遞給控制者，并且由控制者來決定它的探察方向。 這種機器人的行動速度并不快，每分鐘只能前進 3 米左右； 但是它的體積優(yōu)勢明顯。它能攀爬 20 度的斜坡，擠過狹窄的縫 隙，以傳回的圖像幫助救援者設(shè)計最好的救援方案。它還曾經(jīng)應(yīng) 用于佛羅里達州的一次停車場坍塌事故當中，表現(xiàn)令人滿意。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 15 另一隊由千葉工業(yè)大學未來機器人技術(shù)中心副主任小柳榮次 率領(lǐng)。小柳榮次是一位搜救機器人專家，主要從事能夠在坎坷地 形自由行動的機器人技術(shù)研究，曾經(jīng)在 2004 和 2005 年兩次獲得 世界機器人大賽搜救機器人比賽的冠軍。 這次他和團隊帶來的是 2010 年 9 月剛剛經(jīng)過測試的搜救機 器人 Quince，大小大概和一輛嬰兒車相仿。這臺機器人可以在一 百米內(nèi)遙控，可以攀爬樓梯，還可以給待援救者送去水和食物。 表面看來，Quince 像是臺玩具吊車，在車身中央的位置向上 伸出一只長長的機械手。它的驅(qū)動系統(tǒng)很奇特，可以說是腿，也 可以說是輪子。它的四個馬達分別控制四個主動輪，每個主動輪 又通過履帶驅(qū)動一只從動輪。當需要爬坡時，主動輪和從動輪的 組合就像是一條短腿，以“舉起放下”的循環(huán)，輕松攀爬前進。 通過低底盤的設(shè)計，這臺小機器人竟然可以爬上 82 度的陡峭斜 坡。 同樣，Quince 也帶有攝像頭，還能繪制所在環(huán)境的三維地圖。 它還有紅外線傳感器和二氧化碳探測器，能夠感知密閉空間里幸 存者的體溫和呼吸這正是搜救機器人的特征之一。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 16 2 搜救機器人移動平臺結(jié)構(gòu)分析 2.1 搜救機器人的設(shè)計要求 搜救機器人在災(zāi)后搜救展開了新思路，但是也暴露了一些問 題。綜合考慮機器人技術(shù)和搜救環(huán)境，未來的搜救機器人技術(shù)需 求應(yīng)包括以下幾個方面。 1機動裝置設(shè)計 在廢墟搜救中，機動是機器人首先面臨的問題。作為機器人 機動主體的底盤，需要裝載所有的傳感器。考慮廢墟倒塌的環(huán)境， 底盤的設(shè)計應(yīng)該滿足以下需求。 （1）能夠通過粗糙地形，越過或繞過障礙物，能夠高低， 能夠通過狹窄空間。 （2）能夠耐熱、防水、防火、防爆、防腐蝕， 。 （3）重量輕，能夠在不發(fā)生滑動和再次倒塌的情況下對空 間進行快速搜索。 2傳感器 城市搜救的兩個明確任務(wù)：一是尋找可能的幸存者，二是在 最初的結(jié)構(gòu)評估過程中對空間進行分類。因此，機器人攜帶的傳 感器必須使它們在移動中探測受災(zāi)者和收集受災(zāi)者信息。如傳感 器的設(shè)計需要能夠確定受災(zāi)者的生命跡象，并確定幸存者的狀態(tài)， 為了判斷出受困者所在的位置和其所在地點的情形，需要綜合 GPS、慣性測量裝置、編譯器、陀螺儀、加速計、觸摸、移動、 視覺和聲學傳感器獲得的信息等。 3通信 使用有線通信的機器人在行動中通信系鏈易纏繞，限制了機 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 17 器人的移動，適合于短距離的搜救行動。未來的發(fā)展是采用無線 通信。在紐約世貿(mào)中心救援中使用的機器人就是利用無線以太網(wǎng) （2.4GHz 802.11） 、有線通信方式與指揮中心保持通信聯(lián)絡(luò)。無 線以太網(wǎng)由于帶寬的問題，易導致通信中斷，因此，需要加強動 力、抗干擾能力的設(shè)計。 4圖像處理 通過操縱機器人能夠獲取現(xiàn)場圖像，用于確定墻壁和柱子計 結(jié)構(gòu)的破壞，管道和儲藏庫的泄漏和破裂等。同時機器人能夠通 過獲得的現(xiàn)場結(jié)構(gòu)信息繪制出新的結(jié)構(gòu)圖，從而向救援人員報告 受災(zāi)后的精確位置及可能的通路。地圖的繪制可以由一個機器人 完成，也可以與其他機器人合作來完成。 5導航技術(shù) 提高機器人搜索效率和范圍，開展視覺導航技術(shù)的相關(guān)研究。 視覺在機器人路徑規(guī)劃、避障；自動爬樓梯過程中是非常重要的。 如 NASA 噴氣動力實驗室利用圖像的樓梯邊緣判斷方法，解決了 機器人爬樓梯的自動化。 6人機交互界面 為了方便使用者在救援行動中有效的使用機器人，便捷的人 機交互是非常必須的。一個有效的用戶界面必須能夠向操作員提 供足夠的決策參考信息，用于制定機器人的下一步行動。在這樣 的界面下，使用者能夠很容易的獲得機器人的方向、位置和動力， 操作眾多的設(shè)備，比如攝像機、燈光和車載鉗子，準確的控制機 器人的移動，從攝像機獲得圖像。 7群體機器人協(xié)同 在面對一個巨大災(zāi)難的時候，可以考慮由多個機器人組成群 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 18 體，通過系統(tǒng)協(xié)調(diào)來完成單機器人無法或難以完成的工作。群體 機器人系統(tǒng)具有空間分布、功能分布、時間分布等特點，所以群 體機器人系統(tǒng)比單機器人系統(tǒng)具有更強的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以 下幾個方面。 （1）群體機器人系統(tǒng)可以實現(xiàn)單機器人系統(tǒng)無法實現(xiàn)的復(fù) 雜任務(wù)。 （2）設(shè)計和制造多個簡單機器人比單個復(fù)雜機器人更容易、 成本更低。 （3）使用群體機器人系統(tǒng)可以大大節(jié)約時間、提高效率。 （4）群體機器人系統(tǒng)的平行性和冗余性可以提高系統(tǒng)的柔 性和彈性。 2.2 典型移動機構(gòu)方案分析 機器人在地面上移動的方式通常有三種：輪式、腿式和履帶 式。另外還有步進移動式、蠕動式、混合移動式、蛇行移動式等。 2.2.1 輪式移動機構(gòu)特點 輪式移動機構(gòu)在救災(zāi)機器人中是最為普通的運動方式，輪式機器 人移動機構(gòu)普遍具有結(jié)構(gòu)簡單、運動速度快、能源利用率高的、 機動性好強的特點，同時具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時 間短和工作效率高等優(yōu)勢?？刂频慕嵌瓤矗幊毯唵尾⒂休^高的 可靠性，每個輪子都可以獨立驅(qū)動。與履帶式移動機器人相比， 當跨越不平坦地形時，輪式機器人有著固有的不足，限制了其運 動能力，其穩(wěn)定性和對環(huán)境的適應(yīng)性完全依賴于環(huán)境本身的狀況， 對于進入復(fù)雜的環(huán)境完成既定任務(wù)存在嚴重的困難。輪式移動機 構(gòu)按輪的數(shù)量可分為 2 輪、3 輪、4 輪、6 輪、8 輪。該結(jié)構(gòu)存在 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 19 著一定的局限性，只能在相對平坦、表面較硬的路面上行駛，如 遇到軟性地面(如沼澤、草地、雪地、沙地等)容易打滑、沉陷， 但可根據(jù)具體地面環(huán)境采用一些預(yù)防措施來緩解該類情況的出現(xiàn)， 如采用不同種類的款式輪胎以提高其越野能力，象沙漠車輛、山 地車輛等，其各種結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。 圖2-1 輪式移動裝置示意圖 2.2.2 腿式移動機構(gòu)特點 腿足式移動機構(gòu)分 2 腿、4 腿、6 腿、8 腿等形式。腿式移動 機構(gòu)優(yōu)點有： （1）腿式機器人的地形適應(yīng)能力強。腿式機器人運動軌跡 由一系列離散點組成，崎嶇地形可以給這些離散點提供支撐，使 機器人平穩(wěn)運動；而輪式和履帶式機器人的運動是連續(xù)規(guī)跡，有 些起伏較大的地形則不支持這種連續(xù)運動軌跡，進而限制了該類 機器人活動范圍。 （2）腿式機器人的腿部具有多個自由度，運動更具有靈活 性，通過調(diào)節(jié)腿的長度可以控制機器人重心位置，因此不易翻倒， 穩(wěn)定性更高； （3）腿式機器人的身體與地面分離，這種機械結(jié)構(gòu)優(yōu)點在 于機器人身體可以平穩(wěn)地運動而不必考慮地面的租糙程度和腿的 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 20 放位置，8腿移動機器人如圖2-2所示，特點是穩(wěn)定性好，越野能 力強。 腿式移動機構(gòu)缺點有： （1）該類機器人的移動速度慢，機動性較差因此機器人的 負載不能太重； （2）腿式機器入對地面適應(yīng)性和運動靈活性需要進一步提高； （3）腿式機器人控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，控制方法還有待完善； （4）該機構(gòu)未進入實用化階段。 圖 2-2 腿式行走機器人 2.2.3 履帶式移動機構(gòu)特點 履帶式移動機構(gòu)分為l條履帶、2條履帶(履帶可車體左右布 置或者車體前后布置)、3條履帶、4條履帶，6條履帶，履帶式移 動機構(gòu)與地面較大的接觸面積，因此在較大的區(qū)域內(nèi)分布機器人 的重量，較大的接觸區(qū)域使機器人具有較好的驅(qū)動牽引力，機動 性能好、越野性能強，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、摩擦阻力大， 機械效率低，在自身重量比較大的情況下會對路面產(chǎn)生一定的破 壞。履帶式移動機構(gòu)比較輪式移動機構(gòu)有以下幾個特點： （1）撐面積大、接地比壓小、滾動阻尼小、通過性比較好； （2）越野機動往能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)； 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 21 （3）履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好； （4）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜重量大，運動慣性大，減震功能差，零件 易損壞。 圖2-3為一部分履帶式移動機構(gòu)的簡圖 圖2-3 履帶式移動裝置示意圖 履帶式實際是一種自己為自己鋪路的輪式車輛。它是將環(huán)狀 循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸。履 帶式的的優(yōu)點是著地面積比車輪式大，所以著地壓強?。涣硗馀c 路面黏著力強，能吸收較小的凸凹不平，適于松軟不平的地面。 因此，履帶式廣泛用在各類建筑機械及軍用車輛上。并且履帶式 結(jié)構(gòu)是通過兩條履帶差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。不但可以實現(xiàn)超小半徑轉(zhuǎn)彎， 還可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。靈活性極佳。 2.2.4 履、腿式移動機構(gòu)特點 履腿復(fù)合移動機構(gòu)綜合了履帶式和腿式兩種移動機構(gòu)的優(yōu)勢， 在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機構(gòu)地面 適應(yīng)性能好，在復(fù)雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面，它的活 動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動機構(gòu)無法與其比擬， 適合作為機器人的推進系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動機構(gòu)往往是兩條履帶 與車身相對固定，很大程度上限制了機器人地形適應(yīng)能力(此時 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 22 機器人履帶高度和長度直接決定了機器人越障、跨溝等性能)， 為了解決該問題履式移動系統(tǒng)中引入了關(guān)節(jié)履帶機構(gòu)，兩條履帶 不再相對車體固定而是能繞車身轉(zhuǎn)動，這樣能大大提高機器人的 環(huán)境適應(yīng)能力，但履、腿復(fù)合機構(gòu)本身存在著一定的不足如結(jié)構(gòu) 復(fù)雜、運動控制困難等。 2.2.5 輪、履、腿式移動機構(gòu)性能比較 車輪式，履帶式、腿足式移動系統(tǒng)性能比較見表 2-1 所示。 表 2-1 典型移動機構(gòu)的性能對比 2.3 本研究采用的行走機構(gòu) 履帶式機器人具有良好的越障能力和地面適應(yīng)性，已得到廣 泛的應(yīng)用典型的履帶式機器人可分為固定履帶式機器人和擺臂 履帶式機器人擺臂履帶式機器人根據(jù)擺臂的數(shù)量可分為四履帶 雙擺臂機器人和六履帶四擺臂機器人. 本文提出來的便攜式履帶機器人移動系統(tǒng)采用的是履帶式 的結(jié)構(gòu)，加強了機器人越障、爬坡性能并提高了環(huán)境適應(yīng)能力。 主要結(jié)構(gòu)如下圖所示 移動方式 輪式 履帶式 腿式 移動速度 快 較快 慢 越障能力 差 一般 好 復(fù)雜程度 簡單 一般 復(fù)雜 能耗量 小 較小 大 控制難易 易 一般 復(fù)雜 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 23 圖 2-4 履帶式機器人結(jié)構(gòu)組成 1.后輪驅(qū)動電機及組件 2.擺臂電機及組件 3.主履帶 4.擺臂履帶 5.齒輪 總體設(shè)計方案如圖 2-4 所示。采用后輪驅(qū)動，差速轉(zhuǎn)向，可 實現(xiàn)原地 360轉(zhuǎn)向。擺臂電動機驅(qū)動擺臂可在 360范圍內(nèi)旋 轉(zhuǎn)，提高機器人跨越溝槽和爬越臺階的越障的能力和翻轉(zhuǎn)后自復(fù) 位的功能。 根據(jù)井下環(huán)境對機器人的要求，主要設(shè)計性能參數(shù)如下： L1=600mm,L2=350mm,R=80mm,r=35mm,B(車體寬度)=500mm。車體質(zhì) 量為 50kg,擺臂質(zhì)量不超過 5kg,機器人做直線運動最大速度等于 1m/s,自備電源運行時間大于等于 4 小時。最大越障高度 H=300mm，跨越最大溝壑寬度 C=500mm。如 2-5 圖： 圖 2-5 機器人尺寸大小 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 24 2.4 搜救機器人的移動平臺結(jié)構(gòu)和擺臂結(jié)構(gòu) 2.4.1 移動平臺結(jié)構(gòu) 機器人的平臺結(jié)構(gòu)支持起整個機器人的框架，為機器人安裝 的各個部件提供安裝的固定支架，并且能保護機器人內(nèi)部的部件， 防止出現(xiàn)意外使其損壞。 機器人的主體為箱架結(jié)構(gòu)，各種零件和構(gòu)件分布在箱體上， 箱體為長方體，但為了減輕重量，去除一部分不必要的的箱壁， 留下安裝構(gòu)件的主要部分。機器人主體使用后輪驅(qū)動，差速轉(zhuǎn)向， 移動動力由齒輪帶動履帶，使主體移動。 箱體分雙層，下層安裝電機、軸和齒輪等動力部分以及支撐 各個構(gòu)件的支架等構(gòu)架。其下層大體形狀如下圖 2-6 圖 2-6 機器人箱體結(jié)構(gòu) 2.4.2 擺臂結(jié)構(gòu) 擺臂的作用是是機器人在越障時起輔助作用，使機器人受力 情況改變，更加靈活的適應(yīng)崎嶇的環(huán)境。 主要作用為以下兩點： （1）支撐擺臂的前輪，使之能夠自由滾動。 （2）360 度轉(zhuǎn)動時，能夠支撐起車體。 為了使與擺臂相連的輪能夠自由轉(zhuǎn)動，設(shè)計成輸出軸上套軸 承，軸承支撐車輪的形式。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 25 為了使擺臂轉(zhuǎn)動時能夠支撐起車體，車體前方的輸出軸是由 擺臂電機經(jīng)減速器輸出的。輸出軸通過花鍵與擺臂翼板固定連接。 采用花鍵的原因是安裝方便。 擺臂主體實際上是一塊鋼板，尺寸略小于輪。前導輪安裝在 一個短軸上，而短軸也是通過六角螺母嵌到翼板上的。為了使軸 翼板不發(fā)生相對錯動，故當翼板安裝到位后，用螺栓將翼板連接 起來。 2.5 越障分析 機器人的大小要能使其越過一些一些經(jīng)常出現(xiàn)在煤礦廢墟 里的各種障礙，我們需要計算機器人所能跨越的高度，溝壑以及 在一些斜坡上的運動情況。 研究擺臂履帶機器人的越障機理與越障能力，有利于對機 器人的越障運動進行操作與控制，可保證其運行穩(wěn)定性和最佳越 障性能 本文從運動學的角度，在固定雙履帶機器人越障機理 的基礎(chǔ)上，分析四履帶雙擺臂機器人對臺階、斜坡、溝道等典型 障礙的越障運動機理。 履帶式移動機器人面臨的環(huán)境多為非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境，非結(jié)構(gòu) 地形環(huán)境是多樣的、復(fù)雜的三維地形，包括天然形成的起伏、崎 嶇地形，以及人工修建的坡路、階梯、溝道等人工地形影響或 阻止機器人平臺正常移動的地形、地物稱為障礙地形而很多地 形具有相近的幾何構(gòu)特征，為了便于分析與表述，通常將障礙地 形簡化為斜坡、臺階、連續(xù)臺階、凸臺、溝道等具有典型特征的 地形表征斜坡的幾何構(gòu)形特征是坡度和坡向，坡度是高度的最 大變化率，坡向是最大變化率的區(qū)域方向，其關(guān)鍵邊界線為斜坡 底部與頂部轉(zhuǎn)折線表征溝道的幾何構(gòu)形特征是跨度和深度，其 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 26 關(guān)鍵邊界線為溝道兩側(cè)邊緣線 機器人克服障礙，是指機器人利用其行走機構(gòu)驅(qū)使機器人移 動，使其質(zhì)心越過障礙的關(guān)鍵邊界線，在此過程中機器人不發(fā)生 傾覆，不受障礙卡阻，能繼續(xù)保持機器人的穩(wěn)定姿態(tài)與移動能 力對于履帶機器人，可將其攀越凸臺的過程分解為上臺階和下 臺階的過程，將其攀爬連續(xù)臺階的過程根據(jù)其幾何構(gòu)形特征的尺 寸簡化為攀爬斜坡或依次攀爬臺階的情況因此，只需著重分析 機器人攀爬臺階、斜坡以及跨越溝道的越障運動機理為了便于 研究履帶機器人的越障機理，首先對固定雙履帶機器人的越障機 理進行研究 2.5.1 機器人跨越臺階 （1）越障機理分析 當機器人在爬越臺階時，機器人履帶底線與地面之間的夾角 將隨時間而逐漸增加，其重心越過臺階的支撐點時，機器人就跨 過了臺階完成爬越動作。 （2）越障過程分析 煤礦井下搜救機器人爬越臺階的過程如圖 2-7 所示，機器人 借助擺臂的初始擺角，在履帶機構(gòu)的驅(qū)使下，使其主履帶前端搭 靠在臺階的支撐點上，機器人繼續(xù)移動，驅(qū)動擺臂逆時針擺動， 當機器人重心越過臺階邊緣時，旋轉(zhuǎn)擺臂關(guān)節(jié)，機器人在自身重 力影響下，車體下移，機器人成功地爬越臺階。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 27 圖 2-7 機器人爬越臺階過程 由運動過程可以看出，機器人在越障第三階段圖 2-7（C）重 心的位置處于臨界狀態(tài)，機器人重心只有越過臺階邊緣，機器人 才能成功的越過障礙。由此可分析出機器人的最大越障高度。 圖 2-8 機器人上臺階臨界狀態(tài)示意圖 由圖 2-8 所示幾何關(guān)系可得： cos()cot/sinxLhR （1）變換式（1）可得： siR （2） 2cosin/cos0hLRd （3）利用式（3）求出 ，代入式（2）可算出機器人跨越障礙 的最大高度 。maxh 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 28 2.5.2 跨越溝槽 （1）越障機理分析 對于小于機器人前后履帶輪中心距地溝槽，因機器人重心在 機器人車體內(nèi)，當機器人重心越過下一個溝槽的支撐點時，機器 人就越過了溝槽，完成了跨越動作。也可能由于重心未能過去， 傾翻在溝槽內(nèi)。當溝槽大于中心距時，履帶式機器人可以看做爬 越凸臺障礙。 （2）越障分析 履帶式移動機器人跨越溝槽時，機器人重心不斷向前移動， 當重心越過溝槽邊緣時，受重力作用，機器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象， 運動不穩(wěn)定。由機器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機器人重心在以 r 為半 徑的圓內(nèi)，由于擺臂展開后機器人履帶與地接觸長度變大，為了 計算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應(yīng)處于展開狀態(tài)。 圖 2-9 跨越溝槽示意圖 機器人在平地圖 2-9（a）跨越溝槽的寬度 ： 1Lmax1r （4） 在角度為 的斜坡圖 2-9(b)上跨越溝槽的寬度 ： （5）1Lmax1tanrh 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 29 2.5.3 斜坡運動分析 機 器 人 在 斜 坡 上 運 動 時 ， 起 受 力 情 況 如 圖 2-10 所 示 ， 機 器 人 勻 速 行 駛 或 靜 止 時 ， 其 驅(qū) 動 力 ： （6）sinFG 圖 2-10 機器人上坡受力示意圖 最大靜摩擦力系數(shù)為 ，最大靜摩擦力為： （7）maxcosFG 當 時，機器人能平穩(wěn)行駛。a 當 時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。x 已知煤礦井下機器人在井下地面最大靜摩擦系數(shù) ，則機器 人爬越的最大坡度為: （8）1maxtn() 爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為： ax(cosi)g （9） 通過上述分析，可以根據(jù)機器人履帶與運動面的摩擦系數(shù)來 確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機的特性，確 定其運動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。 本章重點圍繞礦用履帶搜救機器人的爬坡性能、越障性能、 跨溝性能三方面，對機器人移動原理進行理論分析，運動過程進 行數(shù)值計算，驗證了該機器人在惡劣環(huán)境下具有優(yōu)良機動能力。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 30 機器人的爬坡角度最大為 ；垂直越障高度最大為 ：03300mm 最大跨溝寬度為 。500mm 3 機器人驅(qū)動電機電機設(shè)計 3.1 基于平地的最大速度的電機功率計算 假設(shè)機器人以最大速度 勻速前進，輪子作瞬時純滾動，sm1 前進時不考慮空氣阻力的影響。如下圖所示： 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 31 平地直線運動受力圖 根據(jù)理論力學平面交匯力系平衡條件和合力矩定理： 0F 1I niOM 則，移動機器人平地直線運動的平衡方程為： 0,0 , 31221 mgLNfRFmgNYfXLRO 則， fMLR5.312 可以得出，機器人兩側(cè)電機經(jīng)移動平臺的減速器后在最大速 度下需要提供的極限扭矩為 11.76Nm。 在最大的行駛速度下，驅(qū)動電機經(jīng)過減速箱減速后需要提供 的極限轉(zhuǎn)速為： min43.19maxrDvn 3.2 爬坡最大坡度的驅(qū)動電機功率計算 相對于平地行駛過程，爬坡能力對于機器人的驅(qū)動能力是一 個重要的衡量標準，所以在進行驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計時，爬坡指標的計 算也應(yīng)作為選擇電機的必須依據(jù)。 假設(shè)移動機器人在最大指標上勻速行駛，速度為 0.1 。sm 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 32 在行駛過程中輪子作純滾動，不考慮空氣阻力的影響。機器人爬 坡受力情況如圖： 機器人爬坡受力圖 爬坡的平衡方程為： 03cos,003cos in, 1221 mgLNfRMFmgNYfXLRL 解之得：M =43.12Nm,可以得出機器人兩側(cè)電機經(jīng)移動平臺L 的減速器減速后在最大坡度下爬坡需要提供的極限扭矩為 21.56Nm. 在 0.1 的速度爬坡時，驅(qū)動電機經(jīng)過移動平臺的減速器sm 后所需提供的轉(zhuǎn)速為： n= =11.94Dvminr 由以上分析可知，機器人平地直線運動時要求的驅(qū)動電機 輸出轉(zhuǎn)速較大，而爬坡時的要求的驅(qū)動電機輸出扭矩較大。因 此在選電機型時，應(yīng)根據(jù)平地直線運動要求轉(zhuǎn)速和爬坡要求扭 矩進行選擇。 根據(jù)最大爬坡要求，初步確定驅(qū)動電機經(jīng)移動平臺的減速 器后的功率為： =53.8W30nMKPL 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 33 則所需電機的輸出功率為： =88.19WoutinP 則可選擇如下表 3-1 電機： 表 3-1 電動機性能參數(shù) 產(chǎn)品型號 電壓 額定電流 轉(zhuǎn)速 輸出功率 效率 Maxon-Ec45 24V 6.5A 1800r/min 150W 79% 4 移動平臺的減速器相關(guān)設(shè)計 4.1 移動平臺的減速器方案分析 移動減速傳動機構(gòu)是完成機器人前進、后退、轉(zhuǎn)向等各種運 動的關(guān)鍵部件，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換，將動力機的轉(zhuǎn)速減低到所 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 34 需的轉(zhuǎn)速，同時扭矩達增大到所需的扭矩。 本機構(gòu)采用二級減速器，電動機通過移動平臺的減速器的實 現(xiàn)減速、增大轉(zhuǎn)矩。電動機安裝在移動平臺的減速器前端，通過 錐齒輪改變軸的方向，輸出履帶驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩，為復(fù)雜狀況下救災(zāi) 機器人提供主要動力。 4.1.1 移動平臺的減速器應(yīng)滿足的要求 （1）目前大部分的煤礦都處于深井開采，深度大都為數(shù)百米， 甚至上千米，遠遠深于恒溫帶的深度，隨著深度的增加，地溫逐 漸升高，造成地下溫度很高。移動平臺的減速器必須滿足在高溫 下工作要求； （2）我國開采的礦井，大部分都為高瓦斯礦井，井內(nèi)充滿了 濃厚的瓦斯。移動平臺的減速器應(yīng)有隔爆防爆的作用； （3）搜救機器人的行駛路況復(fù)雜，在行駛過程的啟動、停止、 前進與后退換向頻繁。其載重較大，要有較大的啟動轉(zhuǎn)矩，啟動 平穩(wěn)，換向靈敏； （4）搜救機器人遙控操作，電動機用蓄電池提供能源。體積 要小，重量要輕。 4.1.2 移動平臺的減速器方案分析 減速器的種類很多，按照傳動類型可分為齒輪減速器、蝸桿 減速器和行星減速器以及它們互相組合起來的減速器；按照傳動 級數(shù)可分為單級和多級減速器；按照齒輪形狀可分為圓柱齒輪減 速器、圓錐齒輪減速器和圓錐-圓柱齒輪減速器；按照傳動的 布置形式由可以分為展開式、分流式和同軸式減速器。 （1）展開式齒輪減速器結(jié)構(gòu)簡單，但齒輪相對于軸承的位 置不對稱，因此要求軸有較大的剛度。高速級齒輪布置在遠離轉(zhuǎn) 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 35 矩輸入端，這樣，軸在轉(zhuǎn)矩的作用下產(chǎn)生的扭矩變形和在載荷作 用下軸產(chǎn)生的彎曲變形可部分的互相抵消，以減緩沿齒寬載荷分 布不均勻的現(xiàn)象。用于載荷比較平衡的場合。 （2）同軸式齒輪減速器橫向尺寸較小，兩對齒輪侵入油中 深度大致相同。但軸向尺寸和重量較大，且中間軸較長、剛度差， 沿齒寬載荷分布不均勻，高速軸的承載能力難以充分利用，適合 小型、微型機械適用。 （3）蝸輪蝸桿減速機的主要特點是具有反向自鎖功能，可 以有較大的減速比，輸入軸和輸出軸不在同一軸線上，也不在同 一平面上。但是一般體積較大，傳動效率不高，精度不高。 （4）行星減速器其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精 度較高，使用壽命很長，額定輸出扭矩可以