救援机器人工程设计及带式移动系统结构分析

ii救援机器人工程设计及带式移动系统结构分析摘要我国是世界上灾难发生最为严重的少数国家之一，具有灾害种类多、发生频率高和分布地域广等特点。救援机器人正是为了灾难救援的现实需求而提出的。本课题将研究机器人技术在灾难救援领域的一种应用，其商业化产品应能部分代替救援队员进入危险环境执行搜索救援任务，并将感知的现场信息传送给场外控制人员，为各类救援策略的制定提供有价值的支持。本课题主要对救援机器人系统结构进行分析，并依据典型的救援环境设计出具有越障功能的机器人。本文主要完成了以下工作：（1）通过比较国内外救援机器人的典型结构和详细的讨论分析，确定了救援机器人的行走方案，即四摆臂履带救援机器人。（2）通过分析四摆臂履带机器人的机构特点，设计了机器人的传动系统，选择合适的动力源，并对机器人内部进行合理布置。在机器人具体设计过程中采用了模块化设计思想，将机器人分为主体模块、行走模块、摆臂模块，总体结构对称、紧凑，布局合理。（3）基于模拟的灾难环境，对救援机器人的行走越障过程进行运动学分析。针对特定障碍，设计出了一系列动作姿态。关键词：救援机器人；履带；传动方案；越障iiiiContactpointsdetectionfortrackedmobilerobotsusinginclinationoftrackchainsABSTRACT—Atrackedmobilerobothashighmobilityandstabilitytogetoverroughterrainbychangingitsformaccordingtoenvironments.However,itishardforanoperatortocontrolthemechanismskillfullybyremotecontrol.Oneofthesolutionsoftheproblemisanimplementationofanautonomouscontrolsystem.Adetectionofdistributedcontactpointsbetweenthecrawlersandanenvironmentenabletheautonomouscontrol.Inthispaper,theauthorsproposeadistributedcontactsensorfortrackedvehicle.Inordertoapplytouchsensorstoeachtrackshoe,aproblemofelectricwiringshastobesolvedbecausethecrawlerisrotatingcontinuously.Inourproposedmethod,Contactpointsaredetectedbymeasuringinclinationiftrackshoesoptically.Foropticalsensingoftheinclination,aspecialreflectorisdesignedandevaluated.Theauthorsdevelopedamethodfordistributedcontactsensingoftrackedvehicle,andexaminedwhetherthesensorcandetectcontactpointduringthestepclimbingmotion.Keywords—SearchandRescueRobots,TrackedMobileRobots,DistributedtouchSensor,InclinationofTrackChains,ViewAngleFilteriiiiii目录摘要..................................................................IABSTRACT...............................................................II目录...............................................................III第一章绪论...........................................................11.1移动机器人的研究起源和发展.........................................11.2.2国内救援机器人的研究现状.......................................51.3本课题研究意义及主要研究内容.......................................6第二章救援机器人灾难环境介绍和行走系统方案分析.........................82.1救援机器人设计要求.................................................82.2救援机器人行走方案分类和比较.......................................82.2.1轮式行走系统...................................................82.2.2履带式行走系统.................................................92.2.3腿式行走系统...................................................92.2.4履、腿复合式行走系统..........................................102.2.5行走系统性能比较..............................................102.3本章小结..........................................................11第三章救援机器人总体方案设计..........................................123.1总体尺寸与关键参数的确定..........................................133.1.1迷宫行走......................................................143.1.2跨越高台......................................................143.1.4上下楼梯......................................................163.1.5机器人尺寸参数的建立..........................................183.2传动方案与传动机构的分析设计......................................193.3机器人动力源的计算和选择..........................................233.3.1机器人行走系统动力分析........................................23iviv3.3.2救援机器人摆臂动力分析........................................283.4具体零部件设计....................................................303.4.1传动设计......................................................303.4.2箱体设计......................................................313.4.3履带及驱（从）动轮设计........................................323.4.4其他零件设计..................................................343.5本章小结..........................................................34结束语...............................................................35致谢..................................................错误!未定义书签。参考文献...............................................................3611第一章绪论1.1移动机器人的研究起源和发展由于人类探索活动的深度和广度不断提高，促成了机器人的诞生。机器人不仅可以代替人来做许多劳动强度大、劳动时间长的工作，更可在人类无法到达的恶劣环境中工作，有些环境甚至是致命危险的环境，例如深海作业、排除爆炸装置等。随着电子信息技术的突飞猛进，机器人作为一种新型的生产工具，具备极大的优越性，得到了飞跃发展。作为一种先进的机电一体化产品，机器人技术的发展与自动控制技术的发展息息相关。人们期望机器人在许多人类无法涉及的区域能代替人类劳动完成更复杂的任务，例如在军事侦察、扫雷除险、防止核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广泛的应用前景。所以未来的机器人所面临的环境将是未知的、不可预测的、非人为的构造的环境，机器人所完成的任务也将越来越复杂，因而对机器人的控制系统提出了更高的要求。作为控制系统设计的前提要求机器人执行机构具有良好的运动学和动力学特性，同时也对机器人的执行机构提出了更高要求[1]。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，与传统机器人不同，移动机器人可以通过改变本体位置而完成特定任务。目前，移动机器人主要用于对一些危险和未知的地域进行探索，由于其具有很强的地形适应性，可以穿越野外崎岖地形，从而达到探测目的。移动机器人具有尺寸小，行走灵活，自由度多等特点，在灾难搜救、行星探测、军事侦察、科学研究等方面具有巨大的社会效益和经济效益，可以在战时参加军事活动，和平时期为经济建设服务。因此，移动机器人受到了越来越多人的关注和研究。移动机器人发展至今，可以从以下方面对其进行分类[2]：（1）工作环境：室内移动机器人和室外移动机器人；（2）移动方式：轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇形机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等；（3）控制体系结构：功能式(水平式)结构机器人、行为式(垂直式)结构机器人和混合式机器人；（4）功能和用途：医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等；（5）作业空22间：陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器。在过去几十年中，移动机器人得到了很大的发展，其应用得到了充分的发掘，现在已经可以在各个领域中看见移动机器人的身影。同时，移动机器人在飞速的朝着智能化和多样化方向发展，将在国民经济和安全中起着重要作用并具有重大的战略意义。1.2国内外救援机器人的研究现状救援机器人是移动机器人在灾难救援领域中的一种应用，它是为救援而采取先进科学技术研制的移动机器人，如地震救援机器人，它是一种专门用于大地震后在地下商场等危险地区寻找幸存者执行救援任务的机器人。目前救援机器人可分为军用救援机器人、灾后救援机器人、水下救援机器人等。救援机器人是针对某一特定的灾难环境而设计的，所以它应具有良好的越障能力、感知能力和通信能力等。救援机器人以其独特的体积小、灵活、高效等诸多优点成为灾难辅助救援的有效工具并引起全世界的广泛关注。早在上个世纪60年代末期，斯坦福的科研人员就开始研究移动机器人，经过三年的努力，Shakey自主移动机器人问世，其研究目的是应用