矿井救援机器人行走机构设计

第一章绪论 1.1 项目概述本文介绍的是一种履带式搜救机器人设计, 结构简单、制造方便、性能可靠、成本低廉。履带式行走机构, 使机器人具有更出色的越障能力。两条履带均设置有正反转，且可无级调速，使机器人行走、转弯更加灵活。整机共七个自由度，可实现物体的夹持、搬运、码放。在消防领域，此机器人可在加装声像传输设备等辅助设备的情况下，完成火场侦察、勘测、救援、灭火等任务。论文在这方面具有一定意义。 1.2 目的及意义本题目研制开发一种制造简单，使用方便的搜救机器人。中国是一个自然灾害和社会事故多发的国家,煤矿事故、泥石流、台风时有发生。这些灾难发生后现场环境具有复杂性、未知性及潜在的二次伤害(比如煤矿的二次爆炸、建筑物的二次坍塌等)等特点,给救援队员的生命安全带来了很大隐患。因此有必要研制一种能在第一时间代替搜救队员深入到这种危险灾难环境并探测现场有用信息的移动机器人,为下一步营救行动的计划、决策提供可靠依据。搜救机器人往往需要在高温、强热辐射、浓烟、地形复杂、障碍物多、化学腐蚀、易燃易爆等恶劣环境中进行火场侦察，化学危险品探测、灭火、冷却、洗消、破拆、救人、启闭阀门、搬移物品、堵漏等作业，因此，作为某种特定功能的消防机器人应该具备以下某项或几项行走和自卫功能： a. 登爬坡、登梯及障碍物跨越功能； b. 耐高温和抗热辐射功能； c. 防雨淋功能； d. 防爆(隔爆)功能； e. 防化学腐蚀功能；f. 防电磁干扰功能； g. 遥控功能等。 1.3 国内外发展概况美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称机器人王国的日本起步至少要早五六年。经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。综观它的发展史，道路是曲折的，不平坦的。由于美国政府从 60 年代到 70 年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点发展项目，只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来说，在只看到眼前利益，政府又无财政支持的情况下，宁愿错过良机，固守在使用刚性自动化装置上，也不愿冒着风险，去应用或制造机器人。加上，当时美国失业率高达 6．65％，政府担心发展机器人会造成更多人失业，因此不予投资，也不组织研制机器人，这不能不说是美国政府的战略决策错误。70年代后期，美国政府和企业界虽有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使日本的工业机器人后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。进入80年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。 80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，并很快占领了美国60％的机器人市场。尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：性能可靠，功能全面，精确度高；机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。英国早在 1966 年，美国 Unimation公司的尤尼曼特机器人和 AMF公司的沃莎特兰机器人就已经率先进入英国市场。1967年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。接着，英国 Hall Automation公司研制出自己的机器人RAMP。70年代初期，由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的Lighthall报告，对工业机器人实行了限制发展的严厉措施，因而机器人工业一蹶不振，在西欧差不多居于末位。但是，国际上机器人蓬勃发展的形势很快使英政府意识到：机器人技术的落后，导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。于是，从70年代末开始，英国政府转而采取支持态度，推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期日本在 60 年代末正处于经济高度发展时期，年增长率达 11％。第二次世界大战后，日本的劳动力本来就紧张，而高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。为此，日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。正是由于日本当时劳动力显著不足，机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎。日本政府一方面在经济上采取了积极的扶植政策，鼓励发展和推广应用机器人，从而更进一步激发了企业家从事机器人产业的积极性。尤其是政府对中、小企业的一系列经济优惠政策，如由政府银行提供优惠的低息资金，鼓励集资成立“机器人长期租赁公司”，公司出资购入机器人后长期租给用户，使用者每月只需付较低廉的租金，大大减轻了企业购入机器人所需的资金负担；政府把由计算机控制的示教再现型机器人作为特别折扣优待产品，企业除享受新设备通常的40%折扣优待外，还可再享受 13％的价格补贴。另一方面，国家出资对小企业进行应用机器人的专门知识和技术指导等等。这一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年，到 80年代中期，已一跃而为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法：“日本机器人的发展经过了 60 年代的摇篮期，70 年代的实用期，到 80 年代进人普及提高期。”并正式把1980年定为“产业机器人的普及元年”，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本政府和企业充分信任机器人，大胆使用机器人。机器人也没有辜负人们的期望，它在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面，发挥着越来越显著的作用，成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的一支不可缺少的队伍。日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，使日本汽车及电子产品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时，日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场……这使“山姆大叔” 后悔不已。日本由于制造、使用机器人，增大了国力，获得了巨大的好处。法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。法国机器人的发展比较顺利，主要原因是通过政府大力支持的研究计划，建立起一个完整的科学技术体系。即由政府组织一些机器人基础技术方面的研究项目，而由工业界支持开展应用和开发方面的工作，两者相辅相成，使机器人在法国企业界很快发展和普及。德国德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。这里所说的德国，主要指的是原联邦德国。它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。其所以如此，是因为德国的机器人工业一起步，就遇到了国内经济不景气。但是德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的。因为战争，导致劳动力短缺，以及国民技术水平高，都是实现使用机器人的有利条件。到了70年代中后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路；在改善劳动条件计划中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。日尔曼民族是一个重实际的民族，他们始终坚持技术应用和社会需求相结合的原则。除了像大多数国家一样，将机器人主要应用在汽车工业之外，突出的一点是德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业，报废了旧机器，购买了现代化自动设备、电子计算机和机器人，使纺织工业成本下降、质量提高，产品的花色品种更加适销对路。到1984年终于使这一被喻为快完蛋的行业重新振兴起来。与此同时，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。 1.4 主要研究内容本题目主要研究的内容是设计行走底盘和四自由度手臂，本题目研制开发一种消防机器人基础级载体。对机器人的局部受力情况作了具体的分析。第二章方案比较与方案选择2.1行走机构方案比较机器人在地面上移动的方式通常有三种：车轮式、履带式和步行式。步行移动方式是模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路，对环境适应性好。根据调查,在地球上近一半的地面不适合于传统的轮式或履带式车辆行走，但是一般多足动物却能在这些地方行动自如,显然足式与轮式及履带式行走方式相比具有独特的优势. 足式行走对崎岖路面具有很好的适应能力,足式运动方式的立足点是离散的点,可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点。但是步行移动方式的智能程度也相对较高。正因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上也还不成熟，不适于在要求灵活和可靠性高的工作环境中。车轮式移动是最常见的一种地面行进方式。车轮式移动的优点是：能高速稳定的移动，能量利用效率高，机构和控制简单，而且技术比较成熟。驱动与转弯机构可分以下几种形式： 1. 驱动、转向轮一体径向转向，如同前驱动式轿车 2. 驱动轮、转向轮分置，如同后驱动式卡车 3. 两侧驱动轮异速转弯，如同轮椅前两种驱动转弯形式不单要设计有合理的驱动机构，还要有较好的转向机构，增加了自由度的同时又要考虑为这个自由度提供动力单元，以及转向差速系统，使得整机复杂程度大大提升，机构繁琐，稳定性降低。第三种形式仅用一套差速系统和一组跟踪轮就可实现转向，可是跟踪轮通常采用万向轮，无规则定向，在路面情况复杂下行驶极其不稳定，且在停止和启动时遵循前一运动状态轨迹，缺乏应急灵活性。而其车轮式移动共有的缺点就是对路面要求较高，适于平整硬质路面。越障性能严重缺失。履带式实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。履带式的的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与路面黏着力强，能吸收较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。因此，履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。并且履带式结构是通过两条履带差速实现转弯。不但可以实现超小半径转弯，还可以实现原地转弯。灵活性极佳。 2.2 手臂机构方案比较对于整体行走机器人载具而言，行走机构只是用来完成大空间内整体移动