四履帶搜救機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)

《四履帶搜救機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《四履帶搜救機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（65頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、摘摘 要要分析了國(guó)內(nèi)外履帶式機(jī)器人的研究現(xiàn)狀,討論了履帶式機(jī)器人在機(jī)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(jī)器人研究中存在的問題,展望了履帶式機(jī)器人的發(fā)展方向。在觀察分析其他機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行方案比較選定的設(shè)計(jì)，是一種履帶式搜救機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括設(shè)計(jì)行走底盤、擺臂和移動(dòng)平臺(tái)的減速器，并對(duì)機(jī)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(jī)器人的最佳越障性能，本文從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度，在固定雙履帶機(jī)器人越障機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析了四履帶雙擺臂機(jī)器人克服臺(tái)階、斜坡、溝道等典型障礙的運(yùn)動(dòng)機(jī)理及其最大越障能力，重點(diǎn)研究了四履帶雙擺臂機(jī)器人正向和反向兩種攀越臺(tái)階方

2、式的運(yùn)動(dòng)機(jī)理及其最大越障能力。本文推導(dǎo)出機(jī)器人的最佳越障性能及對(duì)應(yīng)的質(zhì)心和擺臂的位置，可為機(jī)器人越障時(shí)質(zhì)心位置的控制提供理論依據(jù)本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于機(jī)器人整體的設(shè)計(jì)難度較大，材料和機(jī)構(gòu)精度要求較高，本設(shè)計(jì)為此類設(shè)計(jì)提供了較成熟的設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：機(jī)器人；質(zhì)心；越障；攀越臺(tái)階；履帶底盤； AbstractWhat this design was a section of marching fire robot foundation level carrier, the design content walks the chassis including the

3、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

4、, 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 sta

5、tus 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 develop

6、ment 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, an

7、d channel-crossing, are analyzed from the viewpoint of kinematics based on the obstaclesur mounting mechanism of the fixed two-track robot. Its motion mechanism and maximal obstacle-surmounting capability of step-climbing forward and backward are mainly analyzed. The theoretical value of maximal obs

8、tacle-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-surm

9、ounting 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 car

10、ry 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目錄1 緒論 .11.1 引言.11.2 課題研究的背景及意義.21.2.1 課題研究的背景 .21.2.2 課題研究的意義 .21.3 機(jī)器人的研究現(xiàn)狀.31.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 .31.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 .51.3.3 搜救機(jī)器人的

11、發(fā)展趨勢(shì) .72 搜救機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析 .162.1 搜救機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求.162.2 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案分析.182.2.1 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) .182.2.2 腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) .192.2.3 履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) .202.2.4 履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn) .212.2.5 輪、履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)性能比較 .222.3 本研究采用的行走機(jī)構(gòu).222.4 搜救機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和擺臂結(jié)構(gòu).232.4.1 移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu) .232.4.2 擺臂結(jié)構(gòu) .242.5 越障分析.252.5.1 機(jī)器人跨越臺(tái)階 .262.5.2 跨越溝槽 .272.5.3 斜坡運(yùn)動(dòng)分析 .283 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)電機(jī)設(shè)

12、計(jì) .303.1 基于平地的最大速度的電機(jī)功率計(jì)算.303.2 爬坡最大坡度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算.314 移動(dòng)平臺(tái)的減速器相關(guān)設(shè)計(jì) .334.1 移動(dòng)平臺(tái)的減速器方案分析.334.1.1 移動(dòng)平臺(tái)的減速器應(yīng)滿足的要求 .334.1.2 移動(dòng)平臺(tái)的減速器方案分析 .334.2 移動(dòng)平臺(tái)的減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算.354.2.1 移動(dòng)平臺(tái)的減速器的傳動(dòng)方案分析 .354.2.2 配齒計(jì)算 .354.2.3 初步計(jì)算齒輪的主要參數(shù) .364.2.4 裝配條件的計(jì)算 .374.2.5 齒輪和軸強(qiáng)度的驗(yàn)算 .375 移動(dòng)機(jī)構(gòu)履帶設(shè)計(jì) .395.1 履帶的選擇 .395.2 確定帶的型號(hào)和節(jié)距.405.3 確定主從

13、動(dòng)輪數(shù)據(jù) .415.3.1 驅(qū)動(dòng)輪參數(shù)計(jì)算 .425.3.2 從動(dòng)輪參數(shù)設(shè)計(jì) .436 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) .446.1 驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì).446.2 驅(qū)動(dòng)軸的強(qiáng)度校核.467 擺臂設(shè)計(jì) .497.1 擺臂作用.497.2 翼板部分設(shè)計(jì).497.3 擺臂齒輪計(jì)算.517.4 擺臂輪軸的設(shè)計(jì).527.5 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(xiàn) .5701 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(dòng)中。作為當(dāng)代大學(xué)生對(duì)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(huì)看到有人被困在廢墟下，而外面的人卻一時(shí)無法將他們救出時(shí)，我們心

14、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(gè)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?；谶@種想法，搜救機(jī)器人從此誕生了。然而我國(guó)在各種災(zāi)害中，但據(jù)資料顯示，搜救機(jī)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明,超過 48 小時(shí)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(chǎng)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(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)開展救援工作的,此外,廢墟中形成的狹小空間使

15、搜救人員甚至搜救犬也無法進(jìn)入。災(zāi)難搜救機(jī)器人可以很好地解決上述問題。機(jī)器人可以在災(zāi)難發(fā)生后第一時(shí)間進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)尋找幸存者,對(duì)被困人員提供基本的醫(yī)療救助服務(wù),進(jìn)入救援人員無法進(jìn)入的現(xiàn)場(chǎng)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(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)開展1了大量的研究工作,可以在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋的各類機(jī)器人如可變形多態(tài)機(jī)器人、蛇形機(jī)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(jī)器人是人類智慧的產(chǎn)物，他能完成人類無法實(shí)現(xiàn)的作業(yè)，20 世紀(jì)就已經(jīng)得到社會(huì)各界人士高度重視的機(jī)器人，在 21 世紀(jì)更是如嬌嬌寵兒，得到世人關(guān)注。隨著全球環(huán)境的

16、變化，工作、生活中發(fā)生的意外事故的增多，一個(gè)必要的無人操作搜救機(jī)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(dòng)物很多，但在特定環(huán)境的適應(yīng)上就要比動(dòng)物差很多。雖然人發(fā)明了很多的技術(shù)彌補(bǔ)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(jī)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(dòng)物。搜救機(jī)器人的研究可以彌補(bǔ)我們這方面的不足，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生大的經(jīng)濟(jì)效益。搜救機(jī)器人的研究可以滿足一些行業(yè)的需求。機(jī)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(huì)意義搜

17、救機(jī)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(huì)服務(wù)。（2）課題研究的科學(xué)意義搜救機(jī)器人的研發(fā)，在很大程度上彌補(bǔ)了我們?cè)谒丫阮I(lǐng)域的不足，為后期更好的擴(kuò)展，奠定了基礎(chǔ)。21.3 機(jī)器人的研究現(xiàn)狀1. .3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀近十年來，尤其是“9.11”事件之后，美國(guó)、日本等西方發(fā)達(dá)國(guó)家在地震、火災(zāi)等救援機(jī)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(chǎng)救援的機(jī)器人。（1）履帶式機(jī)搜救機(jī)器人履帶式機(jī)器人是為了滿足軍事偵察、拆除危險(xiǎn)物等作業(yè)的需要，在傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。圖 1-1 給出

18、了目前國(guó)際上幾家著名機(jī)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(jī)器人 Minitrac 機(jī)器人 urbot 機(jī)器人圖 1-1 機(jī)器人公司給出的典型產(chǎn)品（2）可變性（多態(tài)）搜救機(jī)器人 為了能進(jìn)入狹小空間展開搜救工作，要求機(jī)器人的體積要盡可能小，但體積小了搜索視野就會(huì)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(jī)器人。圖 1-2 為美國(guó) Irobot公司生產(chǎn)的 Packbot 系列機(jī)器人，packbot

19、 機(jī)器人有一對(duì)鰭形前肢，這對(duì)鰭形前肢可以幫助崎嶇的地面上導(dǎo)航，也可以升高感知平臺(tái)以便更好地觀察。圖 1-3 為加拿大 inuktun 公司 MicroVGTV 3多態(tài)搜救機(jī)器人，他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠(yuǎn)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(guó) Irobot 公司 packbot 多態(tài)搜救機(jī)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(jī)器人（3)仿生搜救機(jī)器人雖然履帶式可變形多態(tài)機(jī)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(dòng)方式的限制，其體積不可能做得很小。為了滿

20、足對(duì)更狹小空間搜索的需要，人們根據(jù)生態(tài)學(xué)原理研制了各種體積更小的仿生機(jī)器人，其中蛇形機(jī)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(jī)器人。圖 4（b）為日本大阪大學(xué)研制的蛇形機(jī)器人。圖 1-4（c）為美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研制的身高不足 2cm 的蒼蠅搜救機(jī)器人。隨著技術(shù)的不斷成熟，相信蛇形、蠅形等仿生機(jī)器人會(huì)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。4 （a）CMU 研制的基于移動(dòng)平臺(tái)的蛇形機(jī)器人 (b)日本大阪大學(xué)研制的蛇形機(jī)器人（c）加州大學(xué)伯克利分校研制的蒼蠅機(jī)器人圖 1-4 仿生機(jī)器人1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀在日本大阪大學(xué)研制出蛇形機(jī)器人不久，我國(guó)中

21、國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)哈研究所，國(guó)防科技大學(xué)，北京航空航天大學(xué)等單位也都相繼研制出了類似的蛇形機(jī)器人系統(tǒng)。在 5.12 地震發(fā)生后，針對(duì)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(jī)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(xué)經(jīng)過商量后便有這個(gè)想法，發(fā)明一個(gè)越障能力強(qiáng)的機(jī)器人-蛇形機(jī)器人（圖 1-5）.5圖 1-5 重慶交大的能翻越障礙的機(jī)器人由中科院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的空中搜索探測(cè)機(jī)器人、廢墟表面搜救機(jī)器人(如圖 1-6),在位于北京西郊鳳凰嶺的國(guó)家地震緊急救援訓(xùn)練基地完成了綜合調(diào)試演練，并達(dá)到了預(yù)期性能指標(biāo)。

22、這標(biāo)志著我國(guó)地震搜救機(jī)器人系統(tǒng)已進(jìn)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(shí)際使用。圖 1-6 空中搜索探測(cè)機(jī)器人、廢墟表面搜救機(jī)器人國(guó)內(nèi)首臺(tái)煤礦搜救機(jī)器人(樣機(jī))在江蘇徐州誕生，該機(jī)器人由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)可靠性與救災(zāi)機(jī)器人研究所研制。目前這臺(tái)搜救6機(jī)器人采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的無線控制方式，有效控制范圍為 300 米，每臺(tái)售價(jià)約 40 萬元。由葛世榮教授領(lǐng)導(dǎo)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(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人 1.5 公里范圍內(nèi)的無線控制。煤礦搜救機(jī)器人采用自主避障和遙控引導(dǎo)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(chǎng)探測(cè)火災(zāi)溫度、瓦斯?jié)舛?、?zāi)害場(chǎng)景、呼救聲訊等信

23、息，并實(shí)時(shí)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(shí)，機(jī)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(shí)施自救和逃生。據(jù)悉，此機(jī)器人通過改裝后還可廣泛應(yīng)用于地面救火、有害氣體測(cè)試等用途。 圖 1-7 煤礦搜救機(jī)器人(樣機(jī))以上是目前世界上的搜救機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀。搜救機(jī)器人多種多樣，然而真正應(yīng)用在實(shí)際中的機(jī)器人目前不是很多。由于技術(shù)發(fā)展的限制，很多機(jī)器人只能在一個(gè)方面使用，沒有幾種多功能的搜救機(jī)器人，但是很多機(jī)器人又有相同的地方。1.3.3 搜救機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)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(duì)7于人類不算什么，但是對(duì)于目前的機(jī)

24、器人卻是個(gè)高不可攀的大山。就算是在靈活的機(jī)器人也不如人類靈活，如何提高機(jī)器人的靈活性和越障能力是現(xiàn)在機(jī)器人發(fā)展的主要方向。移動(dòng)性是救援機(jī)器人開展搜救工作的基礎(chǔ)和前提,災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力提出了很高的要求,目前可根據(jù)搜救現(xiàn)場(chǎng)空間大小而改變形狀和大小的可變形多態(tài)機(jī)器人,根據(jù)仿生學(xué)原理具有更強(qiáng)移動(dòng)搜索能力、體積更小的仿生機(jī)器人成為研究熱點(diǎn)。由于搜救現(xiàn)場(chǎng)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(dǎo)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(jī)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(diǎn)在于提高機(jī)器人識(shí)別幸存者的準(zhǔn)確率上。隨著技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展以及救援工

25、作的需要,組建機(jī)器人救援隊(duì)實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化未知環(huán)境中進(jìn)行快速搜索將會(huì)成為可能。履帶式的機(jī)器人是在傳統(tǒng)輪式機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，履帶式機(jī)器人負(fù)重能力強(qiáng)，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(jī)器人一般體積較大，無法穿越一些狹小的地方?？勺冃蔚臋C(jī)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(jī)器人模仿各種小型動(dòng)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(jī)器人近年來, 特別是 2000 年以來,以蛇形機(jī)器人為代表的仿生機(jī)器人正在成為新的研究熱點(diǎn),且已經(jīng)取得不少突破性研究成果。近些年來來搜救機(jī)器人在各個(gè)方面大放光彩，在全

26、球和我國(guó)都出現(xiàn)了一些表現(xiàn)出眾的例子8下面介紹幾種搜救機(jī)器人使用案例：（1）搜救機(jī)器人在西弗吉尼亞礦難救援中的應(yīng)用2006 年年初,美國(guó)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(cè)定被困礦工的方位,然后從地面上鉆了 3 個(gè)深孔,以便給井下輸送氧氣,同時(shí)期望對(duì)井下的狀況進(jìn)行檢測(cè)。救援人員分別放入空氣探測(cè)儀和攝像頭,但均無功而返。為了從水平方向?qū)虑闆r進(jìn)行探測(cè),美國(guó)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(gè)救援機(jī)器人,如圖1-8 所示。這是搜救機(jī)器人被第一次用于礦難的救援,但最終因機(jī)器人中途行進(jìn)過程中陷入泥潭而受阻。圖 1-8 搜救機(jī)器人用于

27、礦難救援（2）搜救機(jī)器人亮相得克薩斯 可檢測(cè)出眾多潛在危險(xiǎn)一批勇敢的機(jī)器人在上周參與了得克薩斯州受災(zāi)城市培訓(xùn)中心的模擬救援工作。它們可舉起 120 磅的重物，還可檢測(cè)出化學(xué)戰(zhàn)劑、放射線和其他一些潛在危險(xiǎn)。9圖 1-9 Mesa Robotics 公司生產(chǎn)的 Matilda 機(jī)器人名為 Eyeball、Dragon Runner、ToughBot、Marv、Matilda 和Talon 的機(jī)器人在上周勇敢地參與了得克薩斯州 A&M 大學(xué)附屬的一個(gè) 52 英畝的受災(zāi)城市培訓(xùn)中心的模擬救援工作。該中心是在 1997 年開放的，由大學(xué)的得克薩斯工程擴(kuò)展服務(wù)（Texas Engineering Exte

28、nsion Service）負(fù)責(zé)運(yùn)作，它主要被用來培訓(xùn)得克薩斯州應(yīng)急反應(yīng)部隊(duì)以及來自全球各地的消防隊(duì)員和救援隊(duì)員。進(jìn)行機(jī)器人的演習(xí)，是某些年美國(guó)國(guó)土安全部下屬的科技管理局和商業(yè)部下屬的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)學(xué)會(huì)贊助進(jìn)行的第四次演習(xí)，據(jù)紐約時(shí)報(bào)稱本次演習(xí)的任務(wù)比較復(fù)雜，主要是尋找各種評(píng)估機(jī)器人性能的方法以便對(duì)它們進(jìn)行比較。圖 1-9 中顯示的是 Mesa Robotics 公司生產(chǎn)的 Matilda 機(jī)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(fù)荷；據(jù)得克薩斯工程擴(kuò)展服務(wù)組織稱，它配備了音頻視頻輸入和化學(xué)、生物和放射性感應(yīng)器。10圖 1-10 teleMax 機(jī)器

29、人圖 1-10 是正在進(jìn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(huì)響應(yīng)評(píng)價(jià)的 teleMax機(jī)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(xué)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 PlatformSegway 公司的 Robotic Mobility Platform 也參與了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(huì)的評(píng)估，它可以負(fù)擔(dān) 400 磅的有效負(fù)荷并以每小時(shí)18 英里的速度行走 15 英里。這款四輪驅(qū)動(dòng)的電子平臺(tái)可以自動(dòng)運(yùn)作或者遠(yuǎn)程遙控，如圖 1-11。11圖 1-12 HERO（危險(xiǎn)環(huán)境機(jī)器人守望者）圖 1-12 中顯示的是 HERO（危

30、險(xiǎn)環(huán)境機(jī)器人守望者）在進(jìn)行耐久試驗(yàn)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(gè)Kevlar 機(jī)體的、防水的無線夜視照相機(jī)，只需 3 分鐘就可以走出運(yùn)輸箱并開始工作。圖 1-13 AirRobotAirRobot 也參與了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會(huì)的評(píng)估，它在處理受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)具有一個(gè)特殊的優(yōu)勢(shì)。這款回轉(zhuǎn)穩(wěn)定的機(jī)器人很容易進(jìn)行轉(zhuǎn)圈，便于控制，此外它還配備了一個(gè)穩(wěn)定的照相機(jī)平臺(tái)，可用于搜救人員等方面，如圖 1-13。12圖 1-14 Foster-Miller 公司生產(chǎn)的 Talon-HazmatFoster-Miller 公司生產(chǎn)的 Talo

31、n-Hazmat 正在靠近受災(zāi)城市中一列充滿化學(xué)物質(zhì)負(fù)載的列車殘骸。Talon 配備了各種最先進(jìn)的感應(yīng)器，可以檢測(cè)出化學(xué)戰(zhàn)劑、放射線和許多其他的潛在危險(xiǎn)，如圖 1-14。圖 1-15 Robotic FX 公司生產(chǎn)的 Negotiator Tactical Surveillance 機(jī)器人Robotic FX 公司生產(chǎn)的 Negotiator Tactical Surveillance 機(jī)器人可以攜帶照相機(jī)和其他感應(yīng)器登上飛機(jī)的樓梯。它是通過遠(yuǎn)程遙控的，搜救人員可以在親身進(jìn)入受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)之前利用它評(píng)估災(zāi)情危險(xiǎn)級(jí)數(shù)，如圖 1-15。（3）機(jī)器蛇和小吊車1995 年 1 月 17 日清晨 5 時(shí) 46

32、 分，日本關(guān)西地區(qū)發(fā)生了 7.3級(jí)地震，史稱阪神大地震。在受災(zāi)最嚴(yán)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 100013億美元。 在這次地震之后，日本政府開始探索使用機(jī)器人來搜救受災(zāi)者的可能性。許多幸存者會(huì)被埋在廢墟當(dāng)中不易發(fā)現(xiàn)，可燃物、燃?xì)夤艿篮吐╇娍赡軐?dǎo)致二次災(zāi)害，甚至是救援者的活動(dòng)也可能導(dǎo)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(xùn)時(shí)間，其靈敏度也比不上現(xiàn)代電子設(shè)備。相比而言，機(jī)器人會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。 從 1996 年開始，日本機(jī)械工程師學(xué)會(huì)機(jī)器人與機(jī)電分會(huì)實(shí)施了一個(gè)五年計(jì)劃，鼓勵(lì)開展各類災(zāi)后搜救機(jī)器人的研發(fā)；2002年，日本文部科學(xué)省也啟

33、動(dòng)了一個(gè)類似的計(jì)劃，力圖在五年之內(nèi)讓搜救機(jī)器人產(chǎn)業(yè)商業(yè)化。 在這些計(jì)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(jī)器人。在 3 月 11 日的日本史上最強(qiáng)地震之后，兩支由機(jī)器人研究人員帶領(lǐng)的救援機(jī)器人隊(duì)伍，便開始奔赴受災(zāi)地區(qū)展開營(yíng)救工作。 東北大學(xué)信息科學(xué)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(jī)器人。這臺(tái)機(jī)器人的外形像是一個(gè)長(zhǎng)達(dá)八米的試管刷，使用特殊的多馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(jī)器人的行

34、動(dòng)速度并不快，每分鐘只能前進(jìn) 3 米左右；但是它的體積優(yōu)勢(shì)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(jì)最好的救援方案。它還曾經(jīng)應(yīng)用于佛羅里達(dá)州的一次停車場(chǎng)坍塌事故當(dāng)中，表現(xiàn)令人滿意。 14另一隊(duì)由千葉工業(yè)大學(xué)未來機(jī)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(jī)器人專家，主要從事能夠在坎坷地形自由行動(dòng)的機(jī)器人技術(shù)研究，曾經(jīng)在 2004 和 2005 年兩次獲得世界機(jī)器人大賽搜救機(jī)器人比賽的冠軍。 這次他和團(tuán)隊(duì)帶來的是 2010 年 9 月剛剛經(jīng)過測(cè)試的搜救機(jī)器人 Quince，大小大概和一輛嬰兒車相仿。這臺(tái)機(jī)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

35、者送去水和食物。 表面看來，Quince 像是臺(tái)玩具吊車，在車身中央的位置向上伸出一只長(zhǎng)長(zhǎng)的機(jī)械手。它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)很奇特，可以說是腿，也可以說是輪子。它的四個(gè)馬達(dá)分別控制四個(gè)主動(dòng)輪，每個(gè)主動(dòng)輪又通過履帶驅(qū)動(dòng)一只從動(dòng)輪。當(dāng)需要爬坡時(shí)，主動(dòng)輪和從動(dòng)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(jìn)。通過低底盤的設(shè)計(jì)，這臺(tái)小機(jī)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(cè)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(jī)器人的特征之一。please contact Q 3053703061 give yo

36、u more perfect drawings152 搜救機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析2.1 搜救機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求搜救機(jī)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(jī)器人技術(shù)和搜救環(huán)境，未來的搜救機(jī)器人技術(shù)需求應(yīng)包括以下幾個(gè)方面。1機(jī)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)在廢墟搜救中，機(jī)動(dòng)是機(jī)器人首先面臨的問題。作為機(jī)器人機(jī)動(dòng)主體的底盤，需要裝載所有的傳感器?？紤]廢墟倒塌的環(huán)境，底盤的設(shè)計(jì)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(dòng)和再次倒塌的情況下對(duì)空間進(jìn)行快速搜索。2傳感器城市搜救的兩個(gè)明確

37、任務(wù)：一是尋找可能的幸存者，二是在最初的結(jié)構(gòu)評(píng)估過程中對(duì)空間進(jìn)行分類。因此，機(jī)器人攜帶的傳感器必須使它們?cè)谝苿?dòng)中探測(cè)受災(zāi)者和收集受災(zāi)者信息。如傳感器的設(shè)計(jì)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(diǎn)的情形，需要綜合16GPS、慣性測(cè)量裝置、編譯器、陀螺儀、加速計(jì)、觸摸、移動(dòng)、視覺和聲學(xué)傳感器獲得的信息等。3通信使用有線通信的機(jī)器人在行動(dòng)中通信系鏈易纏繞，限制了機(jī)器人的移動(dòng)，適合于短距離的搜救行動(dòng)。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(jī)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)

38、由于帶寬的問題，易導(dǎo)致通信中斷，因此，需要加強(qiáng)動(dòng)力、抗干擾能力的設(shè)計(jì)。4圖像處理通過操縱機(jī)器人能夠獲取現(xiàn)場(chǎng)圖像，用于確定墻壁和柱子計(jì)結(jié)構(gòu)的破壞，管道和儲(chǔ)藏庫的泄漏和破裂等。同時(shí)機(jī)器人能夠通過獲得的現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)信息繪制出新的結(jié)構(gòu)圖，從而向救援人員報(bào)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(gè)機(jī)器人完成，也可以與其他機(jī)器人合作來完成。5導(dǎo)航技術(shù)提高機(jī)器人搜索效率和范圍，開展視覺導(dǎo)航技術(shù)的相關(guān)研究。視覺在機(jī)器人路徑規(guī)劃、避障；自動(dòng)爬樓梯過程中是非常重要的。如 NASA 噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室利用圖像的樓梯邊緣判斷方法，解決了機(jī)器人爬樓梯的自動(dòng)化。6人機(jī)交互界面為了方便使用者在救援行動(dòng)中有效的使用機(jī)器人，

39、便捷的人機(jī)交互是非常必須的。一個(gè)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(jī)器人的下一步行動(dòng)。在這樣的界面下，使用者能夠很容易的獲得機(jī)器人的方向、位置和動(dòng)力，17操作眾多的設(shè)備，比如攝像機(jī)、燈光和車載鉗子，準(zhǔn)確的控制機(jī)器人的移動(dòng)，從攝像機(jī)獲得圖像。7群體機(jī)器人協(xié)同在面對(duì)一個(gè)巨大災(zāi)難的時(shí)候，可以考慮由多個(gè)機(jī)器人組成群體，通過系統(tǒng)協(xié)調(diào)來完成單機(jī)器人無法或難以完成的工作。群體機(jī)器人系統(tǒng)具有空間分布、功能分布、時(shí)間分布等特點(diǎn)，所以群體機(jī)器人系統(tǒng)比單機(jī)器人系統(tǒng)具有更強(qiáng)的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）群體機(jī)器人系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)器人系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)。（2）設(shè)計(jì)和制造多個(gè)簡(jiǎn)單

40、機(jī)器人比單個(gè)復(fù)雜機(jī)器人更容易、成本更低。（3）使用群體機(jī)器人系統(tǒng)可以大大節(jié)約時(shí)間、提高效率。（4）群體機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)方案分析 機(jī)器人在地面上移動(dòng)的方式通常有三種：輪式、腿式和履帶式。另外還有步進(jìn)移動(dòng)式、蠕動(dòng)式、混合移動(dòng)式、蛇行移動(dòng)式等。2.2.1 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)在救災(zāi)機(jī)器人中是最為普通的運(yùn)動(dòng)方式，輪式機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)普遍具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)速度快、能源利用率高的、機(jī)動(dòng)性好強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時(shí)間短和工作效率高等優(yōu)勢(shì)?？刂频慕嵌瓤矗幊毯?jiǎn)單并有較高的可靠性，每個(gè)輪子都可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。與履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比

41、，18當(dāng)跨越不平坦地形時(shí)，輪式機(jī)器人有著固有的不足，限制了其運(yùn)動(dòng)能力，其穩(wěn)定性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，對(duì)于進(jìn)入復(fù)雜的環(huán)境完成既定任務(wù)存在嚴(yán)重的困難。輪式移動(dòng)機(jī)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)存在著一定的局限性，只能在相對(duì)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(dòng)裝置示意圖2.2.2 腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分 2 腿、4

42、 腿、6 腿、8 腿等形式。腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有：（1）腿式機(jī)器人的地形適應(yīng)能力強(qiáng)。腿式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡由一系列離散點(diǎn)組成，崎嶇地形可以給這些離散點(diǎn)提供支撐，使機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)；而輪式和履帶式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而限制了該類機(jī)器人活動(dòng)范圍。（2）腿式機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)更具有靈活19性，通過調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)度可以控制機(jī)器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高；（3）腿式機(jī)器人的身體與地面分離，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)器人身體可以平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移動(dòng)機(jī)器人如圖2-2所示，特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，越野能力強(qiáng)。腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)

43、有： （1）該類機(jī)器人的移動(dòng)速度慢，機(jī)動(dòng)性較差因此機(jī)器人的負(fù)載不能太重； （2）腿式機(jī)器入對(duì)地面適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)靈活性需要進(jìn)一步提高； （3）腿式機(jī)器人控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，控制方法還有待完善； （4）該機(jī)構(gòu)未進(jìn)入實(shí)用化階段。圖 2-2 腿式行走機(jī)器人2.2.3 履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)履帶式移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)器人的重量，較大的接觸區(qū)域使機(jī)器人具有較好的驅(qū)動(dòng)牽引力，機(jī)動(dòng)性能好、越野性能強(qiáng)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、摩擦阻力大，機(jī)械效率低，在自身重量比較大的情況下會(huì)對(duì)路面

44、產(chǎn)生一定的破20壞。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)比較輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）撐面積大、接地比壓小、滾動(dòng)阻尼小、通過性比較好；（2）越野機(jī)動(dòng)往能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)；（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(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)圖圖2-3 履帶式移動(dòng)裝置示意圖履帶式實(shí)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(diǎn)是著地面積比車輪式大，所以著地壓強(qiáng)?。涣硗馀c路面黏著力強(qiáng)，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(jī)械及

45、軍用車輛上。并且履帶式結(jié)構(gòu)是通過兩條履帶差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。不但可以實(shí)現(xiàn)超小半徑轉(zhuǎn)彎，還可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。靈活性極佳。2.2.4 履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)履腿復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)綜合了履帶式和腿式兩種移動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)地面21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(dòng)范圍廣，性能可靠，使用壽命長(zhǎng)，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無法與其比擬，適合作為機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)往往是兩條履帶與車身相對(duì)固定，很大程度上限制了機(jī)器人地形適應(yīng)能力(此時(shí)機(jī)器人履帶高度和長(zhǎng)度直接決定了機(jī)器人越障、跨溝等性能)，為了解決該問題履式移動(dòng)系統(tǒng)中引入了關(guān)節(jié)履帶機(jī)構(gòu)，兩條履帶不再

46、相對(duì)車體固定而是能繞車身轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣能大大提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，但履、腿復(fù)合機(jī)構(gòu)本身存在著一定的不足如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)控制困難等。2.2.5 輪、履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)性能比較車輪式，履帶式、腿足式移動(dòng)系統(tǒng)性能比較見表 2-1 所示。 表 2-1 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能對(duì)比2.3 本研究采用的行走機(jī)構(gòu) 履帶式機(jī)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(jī)器人可分為固定履帶式機(jī)器人和擺臂履帶式機(jī)器人擺臂履帶式機(jī)器人根據(jù)擺臂的數(shù)量可分為四履帶雙擺臂機(jī)器人和六履帶四擺臂機(jī)器人. 本文提出來的便攜式履帶機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)采用的是履帶式的結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)了機(jī)器人越障、爬坡性能并提高了環(huán)境適應(yīng)能力。主要

47、結(jié)構(gòu)如下圖所示移動(dòng)方式輪式履帶式腿式移動(dòng)速度快較快慢越障能力差一般好復(fù)雜程度簡(jiǎn)單一般復(fù)雜能耗量小較小大控制難易 易一般復(fù)雜22 圖 2-4 履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成1.后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)及組件 2.擺臂電機(jī)及組件 3.主履帶 4.擺臂履帶 5.齒輪總體設(shè)計(jì)方案如圖 2-4 所示。采用后輪驅(qū)動(dòng)，差速轉(zhuǎn)向，可實(shí)現(xiàn)原地 360轉(zhuǎn)向。擺臂電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)擺臂可在 360范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，提高機(jī)器人跨越溝槽和爬越臺(tái)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(duì)機(jī)器人的要求，主要設(shè)計(jì)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

48、 5kg,機(jī)器人做直線運(yùn)動(dòng)最大速度等于1m/s,自備電源運(yùn)行時(shí)間大于等于 4 小時(shí)。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(jī)器人尺寸大小232.4 搜救機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)和擺臂結(jié)構(gòu)2.4.1 移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)機(jī)器人的平臺(tái)結(jié)構(gòu)支持起整個(gè)機(jī)器人的框架，為機(jī)器人安裝的各個(gè)部件提供安裝的固定支架，并且能保護(hù)機(jī)器人內(nèi)部的部件，防止出現(xiàn)意外使其損壞。機(jī)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(zhǎng)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(jī)器人主體使用后輪驅(qū)動(dòng)，差速轉(zhuǎn)向，移動(dòng)動(dòng)力由齒輪帶動(dòng)履帶，使主體移動(dòng)。箱體分雙

49、層，下層安裝電機(jī)、軸和齒輪等動(dòng)力部分以及支撐各個(gè)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(jī)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(jī)器人在越障時(shí)起輔助作用，使機(jī)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(diǎn)：（1）支撐擺臂的前輪，使之能夠自由滾動(dòng)。（2）360 度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能夠支撐起車體。為了使與擺臂相連的輪能夠自由轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)計(jì)成輸出軸上套軸承，軸承支撐車輪的形式。24為了使擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能夠支撐起車體，車體前方的輸出軸是由擺臂電機(jī)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(shí)際上是一塊鋼板，尺寸略小于輪。前導(dǎo)輪安裝在一個(gè)

50、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(duì)錯(cuò)動(dòng)，故當(dāng)翼板安裝到位后，用螺栓將翼板連接起來。2.5 越障分析機(jī)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(jì)算機(jī)器人所能跨越的高度，溝壑以及在一些斜坡上的運(yùn)動(dòng)情況。研究擺臂履帶機(jī)器人的越障機(jī)理與越障能力，有利于對(duì)機(jī)器人的越障運(yùn)動(dòng)進(jìn)行操作與控制，可保證其運(yùn)行穩(wěn)定性和最佳越障性能 本文從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度，在固定雙履帶機(jī)器人越障機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析四履帶雙擺臂機(jī)器人對(duì)臺(tái)階、斜坡、溝道等典型障礙的越障運(yùn)動(dòng)機(jī)理。履帶式移動(dòng)機(jī)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

51、、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(jī)器人平臺(tái)正常移動(dòng)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(jiǎn)化為斜坡、臺(tái)階、連續(xù)臺(tái)階、凸臺(tái)、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25關(guān)鍵邊界線為溝道兩側(cè)邊緣線 機(jī)器人克服障礙，是指機(jī)器人利用其行走機(jī)構(gòu)驅(qū)使機(jī)器人移動(dòng)，使其質(zhì)心越過障礙的關(guān)鍵邊界線，在此過程中機(jī)器人不發(fā)生傾覆，不受障礙卡阻，能繼續(xù)保持機(jī)器人的穩(wěn)定姿態(tài)與移動(dòng)能力對(duì)于履帶機(jī)器人，

52、可將其攀越凸臺(tái)的過程分解為上臺(tái)階和下臺(tái)階的過程，將其攀爬連續(xù)臺(tái)階的過程根據(jù)其幾何構(gòu)形特征的尺寸簡(jiǎn)化為攀爬斜坡或依次攀爬臺(tái)階的情況因此，只需著重分析機(jī)器人攀爬臺(tái)階、斜坡以及跨越溝道的越障運(yùn)動(dòng)機(jī)理為了便于研究履帶機(jī)器人的越障機(jī)理，首先對(duì)固定雙履帶機(jī)器人的越障機(jī)理進(jìn)行研究2.5.1 機(jī)器人跨越臺(tái)階（1）越障機(jī)理分析當(dāng)機(jī)器人在爬越臺(tái)階時(shí)，機(jī)器人履帶底線與地面之間的夾角將隨時(shí)間而逐漸增加，其重心越過臺(tái)階的支撐點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人就跨過了臺(tái)階完成爬越動(dòng)作。（2）越障過程分析煤礦井下搜救機(jī)器人爬越臺(tái)階的過程如圖 2-7 所示，機(jī)器人借助擺臂的初始擺角，在履帶機(jī)構(gòu)的驅(qū)使下，使其主履帶前端搭靠在臺(tái)階的支撐點(diǎn)上，機(jī)器人繼

53、續(xù)移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)擺臂逆時(shí)針擺動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人重心越過臺(tái)階邊緣時(shí)，旋轉(zhuǎn)擺臂關(guān)節(jié)，機(jī)器人在自身重力影響下，車體下移，機(jī)器人成功地爬越臺(tái)階。26 圖 2-7 機(jī)器人爬越臺(tái)階過程由運(yùn)動(dòng)過程可以看出，機(jī)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(jī)器人重心只有越過臺(tái)階邊緣，機(jī)器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機(jī)器人的最大越障高度。 圖 2-8 機(jī)器人上臺(tái)階臨界狀態(tài)示意圖由圖 2-8 所示幾何關(guān)系可得： cos()cot/sinxLhRR（1）變換式（1）可得： sin/coshLRR（2） 2cossin/cos0hLRd（3）利用式（3）求出，代入式（2）可算出機(jī)器人跨越障礙的最大高度。max

54、h272.5.2 跨越溝槽（1）越障機(jī)理分析對(duì)于小于機(jī)器人前后履帶輪中心距地溝槽，因機(jī)器人重心在機(jī)器人車體內(nèi)，當(dāng)機(jī)器人重心越過下一個(gè)溝槽的支撐點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人就越過了溝槽，完成了跨越動(dòng)作。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內(nèi)。當(dāng)溝槽大于中心距時(shí)，履帶式機(jī)器人可以看做爬越凸臺(tái)障礙。（2）越障分析履帶式移動(dòng)機(jī)器人跨越溝槽時(shí)，機(jī)器人重心不斷向前移動(dòng)，當(dāng)重心越過溝槽邊緣時(shí)，受重力作用，機(jī)器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。由機(jī)器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機(jī)器人重心在以 r 為半徑的圓內(nèi)，由于擺臂展開后機(jī)器人履帶與地接觸長(zhǎng)度變大，為了計(jì)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(jī)器人在平地圖

55、 2-9（a）跨越溝槽的寬度： 1Lmax1LLr（4）在角度為的斜坡圖 2-9(b)上跨越溝槽的寬度： （5）1Lmax1tanLLrh 282.5.3 斜坡運(yùn)動(dòng)分析機(jī)器人在斜坡上運(yùn)動(dòng)時(shí)，起受力情況如圖2-10 所示，機(jī)器人勻速行駛或靜止時(shí)，其驅(qū)動(dòng)力： （6）sinFG圖 2-10 機(jī)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(dāng)時(shí)，機(jī)器人能平穩(wěn)行駛。maxFF當(dāng)時(shí)，機(jī)器人受重力的影響將沿斜面下滑。maxFF已知煤礦井下機(jī)器人在井下地面最大靜摩擦系數(shù)，則機(jī)器人爬越的最大坡度為: （8）1maxtan ( )爬坡時(shí)克服摩擦力所需的最大加速度為： max(coss

56、in)ag（9）通過上述分析，可以根據(jù)機(jī)器人履帶與運(yùn)動(dòng)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(jī)的特性，確定其運(yùn)動(dòng)過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。本章重點(diǎn)圍繞礦用履帶搜救機(jī)器人的爬坡性能、越障性能、跨溝性能三方面，對(duì)機(jī)器人移動(dòng)原理進(jìn)行理論分析，運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證了該機(jī)器人在惡劣環(huán)境下具有優(yōu)良機(jī)動(dòng)能力。29機(jī)器人的爬坡角度最大為；垂直越障高度最大為：030最大跨溝寬度為。3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)電機(jī)設(shè)計(jì)3.1 基于平地的最大速度的電機(jī)功率計(jì)算假設(shè)機(jī)器人以最大速度勻速前進(jìn)，輪子作瞬時(shí)純滾動(dòng)，sm1前進(jìn)時(shí)不考慮空氣阻力的影響。如下圖所示：30平地直線運(yùn)動(dòng)受力圖根據(jù)理論力學(xué)平面交

57、匯力系平衡條件和合力矩定理： 0F 01IniOFM則，移動(dòng)機(jī)器人平地直線運(yùn)動(dòng)的平衡方程為： 0, 00, 00, 0312211mgLLNfRMMFMmgNNYfRMXLLRO則， NmmgLLNfRMMLRL52.23312可以得出，機(jī)器人兩側(cè)電機(jī)經(jīng)移動(dòng)平臺(tái)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(dòng)電機(jī)經(jīng)過減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為：min43.119maxmaxrDvn3.2 爬坡最大坡度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算相對(duì)于平地行駛過程，爬坡能力對(duì)于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)能力是一個(gè)重要的衡量標(biāo)準(zhǔn)，所以在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，爬坡指標(biāo)的計(jì)算也應(yīng)作為選擇電機(jī)的必須依據(jù)

58、。假設(shè)移動(dòng)機(jī)器人在最大指標(biāo)上勻速行駛，速度為 0.1。sm31在行駛過程中輪子作純滾動(dòng)，不考慮空氣阻力的影響。機(jī)器人爬坡受力情況如圖：機(jī)器人爬坡受力圖爬坡的平衡方程為： please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings解之得：M =43.12Nm,可以得出機(jī)器人兩側(cè)電機(jī)經(jīng)移動(dòng)平臺(tái)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(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過移動(dòng)平臺(tái)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(jī)器人平地直線運(yùn)動(dòng)時(shí)要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較大，而爬坡時(shí)的要求的

59、驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩較大。因此在選電機(jī)型時(shí)，應(yīng)根據(jù)平地直線運(yùn)動(dòng)要求轉(zhuǎn)速和爬坡要求扭矩進(jìn)行選擇。根據(jù)最大爬坡要求，初步確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)移動(dòng)平臺(tái)的減速器后的功率為：=53.8W30nMKPL32則所需電機(jī)的輸出功率為：=88.19WoutinPP 則可選擇如下表 3-1 電機(jī)：表 3-1 電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)產(chǎn)品型號(hào)電壓額定電流轉(zhuǎn)速輸出功率效率Maxon-Ec4524V6.5A1800r/min150W79%4 移動(dòng)平臺(tái)的減速器相關(guān)設(shè)計(jì)4.1 移動(dòng)平臺(tái)的減速器方案分析移動(dòng)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是完成機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等各種運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換，將動(dòng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速減低到所33需的轉(zhuǎn)速，同時(shí)扭矩達(dá)增大到所需的

60、扭矩。本機(jī)構(gòu)采用二級(jí)減速器，電動(dòng)機(jī)通過移動(dòng)平臺(tái)的減速器的實(shí)現(xiàn)減速、增大轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)安裝在移動(dòng)平臺(tái)的減速器前端，通過錐齒輪改變軸的方向，輸出履帶驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩，為復(fù)雜狀況下救災(zāi)機(jī)器人提供主要?jiǎng)恿Α?.1.1 移動(dòng)平臺(tái)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)平臺(tái)的減速器必須滿足在高溫下工作要求； （2）我國(guó)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(dòng)平臺(tái)的減速器應(yīng)有隔爆防爆的作用； （3）搜救機(jī)器人的行駛路況復(fù)雜，在行駛過程的啟動(dòng)、停止、前進(jìn)與后退換向頻繁。其載重

61、較大，要有較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)平穩(wěn)，換向靈敏； （4）搜救機(jī)器人遙控操作，電動(dòng)機(jī)用蓄電池提供能源。體積要小，重量要輕。4.1.2 移動(dòng)平臺(tái)的減速器方案分析減速器的種類很多，按照傳動(dòng)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(dòng)級(jí)數(shù)可分為單級(jí)和多級(jí)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(dòng)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(jiǎn)單，但齒輪相對(duì)于軸承的位置不對(duì)稱，因此要求軸有較大的剛度。高速級(jí)齒輪布置在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)34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

62、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(chǎng)合。（2）同軸式齒輪減速器橫向尺寸較小，兩對(duì)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(zhǎng)、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(jī)械適用。（3）蝸輪蝸桿減速機(jī)的主要特點(diǎn)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(dòng)效率不高，精度不高。（4）行星減速器其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長(zhǎng)，額定輸出扭矩可以做的很大，但價(jià)格略貴。另外行星減速箱，有平齒和斜齒 2 種，精度和價(jià)格都有不同。

63、（5）諧波減速器的諧波傳動(dòng)是利用柔性元件可控的彈性變形來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的，體積不大、精度很高，但缺點(diǎn)是柔輪壽命有限、不耐沖擊，剛性與金屬件相比較差，輸入轉(zhuǎn)速不能太高，價(jià)格較高。根據(jù)復(fù)雜路況下搜救機(jī)器人的行駛速度及各項(xiàng)工作要求，綜合各種減速器的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用二級(jí)減速傳動(dòng)，依傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，又根據(jù)減速箱空間的限制采用二級(jí)行星齒輪減速器。4.2 移動(dòng)平臺(tái)的減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算4.2.1 移動(dòng)平臺(tái)的減速器的傳動(dòng)方案分析 根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求可知，該行星輪減速器傳遞功率高，傳動(dòng)比較大，工作環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。故采用雙級(jí)行星齒輪傳動(dòng)。352K-H 型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，適用于任何情況下的大小功率的傳動(dòng)。選用由兩個(gè)

64、2X-A 型行星齒輪傳動(dòng)串聯(lián)而成的雙級(jí)行星齒輪減速器較為合理，名義傳動(dòng)比可分為進(jìn)行傳動(dòng)。6, 621iipp4.2.2 配齒計(jì)算根據(jù) 2K-H 型行星齒輪傳動(dòng)比的值和按其配齒計(jì)算公式，ip可按第一級(jí)傳動(dòng)的內(nèi)齒，行星齒輪的齒數(shù)。先考慮到該行星b1c1齒輪傳動(dòng)的外廓尺寸，故選取第一級(jí)中心齒輪數(shù)為 23 和行星a1齒輪數(shù)為。根據(jù)內(nèi)齒輪，則。3npzizab11111151zb對(duì)內(nèi)齒輪齒數(shù)進(jìn)行圓整后，此時(shí)實(shí)際的 P 值與給定的 P 值稍有變化，但是必須控制在其傳動(dòng)比誤差范圍內(nèi)。實(shí)際傳動(dòng)比為:6zzabi111其傳動(dòng)比誤差0i根據(jù)同心條件可得行星輪的齒數(shù)為c1 462111zzzabc所求的適用于非變位

65、或高度變位的行星齒輪傳動(dòng)。再考zc1慮到安裝條件為： （整數(shù)）46311czzba第二級(jí)傳動(dòng)比為 6，選擇中心齒數(shù)和行星齒輪數(shù)目與第一ip2級(jí)相同，則。46,115,23222zzzcba364.2.3 初步計(jì)算齒輪的主要參數(shù)齒輪材料和熱處理的選擇：中心齒輪和中心齒輪，以A1A2及行星齒輪和均采用 20CrMnTi,滲碳后淬火，淬透性不錯(cuò)，C1C2耐低溫沖擊，能夠滿足要求。齒面硬度為 58-62HRC,查行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)可知，取，MPaH500lim2lim340mmNF中心齒輪加工精度為 6 級(jí)，高速級(jí)與低速級(jí)的內(nèi)齒輪均采用42CrMo,這種材料經(jīng)過正火和調(diào)質(zhì)處理，以獲得相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和硬度等力

66、學(xué)性能，調(diào)質(zhì)硬度為 217-259HRC，取，MPaH510lim，輪和的加工精度為 7 級(jí)。2lim360mmNFB1B2幾何尺寸的計(jì)算根據(jù)齒輪的公式，可計(jì)算出高速級(jí)和低速級(jí)齒輪的模數(shù) m、齒數(shù) z、分度圓直徑 、基圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑。其結(jié)果如下 2 個(gè)表格中所示：高速級(jí)齒輪 低速級(jí)齒輪低速級(jí)太陽輪行星輪內(nèi)齒圈模數(shù) m0.60.60.6齒數(shù) z2346115分度圓直徑 d13.827.669高速級(jí)太陽輪行星輪內(nèi)齒圈模數(shù) m0.40.40.4齒數(shù) z2346115分度圓直徑 d9.218.446齒頂圓直徑10.419.245.28齒根圓直徑8.617.44737齒頂圓直徑1528.868.28齒根圓直徑12.326.170.54.2.4 裝配條件的計(jì)算對(duì)設(shè)計(jì)的齒輪副應(yīng)滿足以下條件的計(jì)算：(1)鄰接條件在行星輪傳動(dòng)中，為保證兩相鄰行星輪的齒頂不致相碰，相鄰兩行星輪的中心距應(yīng)大于兩齒頂圓半徑之和，由公式驗(yàn)算其鄰接條件 （為行星輪的直徑， a 為中心pacnadsin2acd距）(2)同心條件 按公式對(duì)于高度變位有，已知高速級(jí)bcaZZZ 2，滿足公式則滿足同心條件。低速級(jí)115