个轮腿式移动越障机器人驱动装置的研究

本科毕业设计说明书（论文）第1页共42页目次1引言……………………………………………………………………………31.1移动机器人的发展概况…………………………………………………31.2轮腿式移动机器人的发展趋势…………………………………………31.3轮腿式移动机器人关键技术的研究……………………………………61.4本次设计目的及意义………………………………………………………62轮腿式移动机器人驱动方案设计…………………………………………72.1课题要求……………………………………………………………………72.2轮腿式机器人结构方案设计………………………………………………72.2.1轮腿配置方案的选择……………………………………………………82.2.2轮腿式机器人的结构方案………………………………………………82.2.3六轮腿的分布方案………………………………………………………82.2.4越障机构的设计…………………………………………………………92.2.5车轮方案设计……………………………………………………………112.2.6总体方案…………………………………………………………………123轮腿式移动机器人驱动装置结构设计………………………………………143.1车轮设计……………………………………………………………………143.1.1车轮直径设计……………………………………………………………143.1.2轮宽的选择………………………………………………………………143.2腿臂的设计………………………………………………………………143.3车底盘设计………………………………………………………………153.4机构受力分析与计算……………………………………………………163.4.1机构重力估计……………………………………………………………163.4.2受力分析…………………………………………………………………163.4.3前排轮翻越台阶时车身受力分析………………………………………173.4.4车轮驱动功率……………………………………………………………203.4.5关节功率计算……………………………………………………………203.4.6轮子驱动转矩计算………………………………………………………203.4.7在斜坡上所需的制动力…………………………………………………203.5驱动装置的设计……………………………………………………………213.5.1驱动方式概述……………………………………………………………213.5.2车轮电机和制动器选择设计……………………………………………223.5.3腿臂驱动电机和减速器，离合器的选择………………………………23本科毕业设计说明书（论文）第2页共42页3.6总体结构图………………………………………………………………244零件设计……………………………………………………………………254.1零件设计的主要方面……………………………………………………254.2零件具体设计……………………………………………………………254.2.1车体的设计……………………………………………………………254.2.2长臂的设计……………………………………………………………264.2.3短臂的设计……………………………………………………………264.2.4摇杆的设计……………………………………………………………264.2.5车轮的设计……………………………………………………………274.2.6腿臂驱动设计…………………………………………………………344.2.7整体结构………………………………………………………………355性能分析……………………………………………………………………365.1动态打滑的稳定性分析…………………………………………………365.2爬坡步态分析……………………………………………………………375.2.1坡面行使………………………………………………………………385.2.2越障步态………………………………………………………………39结论………………………………………………………………………………40致谢………………………………………………………………………………41参考文献…………………………………………………………………………42本科毕业设计说明书（论文）第3页共42页1引言1．1移动机器人的发展概况随着科技的进步，人类的视野越来越开阔，对未知世界进行探索的愿望越来越强烈。迄今为止，人们已经开始了对月亮、火星等宇宙星体的探索，也开始对地下埋藏的，乃至海底沉寂的历史古迹、文化遗产、地理地貌的研究。另外，现代战争的复杂程度越来越高，反恐斗争的难度也越来越大，需要人们能够及时准确地完成各种侦察或作战任务。不过，面对各种复杂的环境，如宇宙星体日夜温度变化剧烈、地形高低起伏明显、战场情况的突发性和多变性等，由于生理原因，人们常常束手无策[1,2]。可遥控控制、能够适应地形变化的移动机器人，为人类突破这些局限创造了条件。这种机器人可以适应不同环境，不受温度、湿度、空间、磁场辐射、重力等条件的影响，完成人类无法进行的探测任务。移动机器人是一种能够与外界环境交互的智能系统，在有障碍物的环境中能够面向目标自主运动，从而完成一定作业功能的机器人系统。用于军事侦察、反恐防暴等危险作业的小型地面移动机器人以其体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点成为移动机器人研究领域的又一热点。由于其工作环境复杂多变,很多时候要求机器人不是避开障碍或复杂地形,而是要越过并适应它。所以,研究开发具有越障功能的小型地面移动机器人以适应各种结构化、非结构化环境是非常必要的。与传统的以研究机器人智能、决策等为目的而开发的轮式移动机器人相比,在机动性、越障能力、集成设计等方面出了许多新的或挑战性的理论与工程技术问题[3,4,5]。1.2轮腿式移动机器人的发展趋势轮腿式移动机器人的发展较为发达，各国都在大力研究。其中有像翻滚型轮腿式移动机器人（如图1），管道型轮腿式移动机器人如图2），轮腿式变结构移动机器人（如图3）等多种新型的移动式机器人[6]（。并且向着智能化，微型化发展，越来越来多的微型智能化移动式机器人出现在社会的各个行业中，并且充当着重要的角色。本科毕业设计说明书（论文）第4页共42页图1翻滚型轮腿式移动机器人图2管道型轮腿式移动机器人图3轮腿式变结构移动机器人据国外媒体报道，近日美国研究人员推出一款取名为“Three”的新式netbook电脑机器人[9]（如图4）。据介绍，该机器人的底盘结构为两个滑动轮胎，而轮胎的中间连接部分则负责承载netbook电脑。整个设计结构简单而且十分易于实际操作，即使没有相关的原理知识，也能够在说明书的介绍下方便控制以及拆卸安装。图4“Three”新式netbook电脑机器人设计人员还表示，该机器人内部装有大功率发动机，以及最先进的机器设备。仅仅在安装上相应的软件与装载上主人识别系统，整个机器人将完全在顾客的掌控之下，让顾客享受到全方位服务。此外，如果顾客觉得仍然不过瘾，顾客可以安装红外线传感器本科毕业设计说明书（论文）第5页共42页以及外置摄像仪器等装置。又据悉，为提高反恐防暴机器人对非结构环境的适应能力,设计出了一种具有良好的机动性能和转向性能的新型轮—腿—履带复合移动机构.通过机器人机构分析与本体的稳定性分析,论证了其结构设计的可行性及好的稳定性.从而设计出了这种轮—腿—履带复合移动机器人[10]（如图5）。图5轮—腿—履带复合移动机器人研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动，以及替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。随着机器人技术的不断发展，工业领域的焊接、喷漆、搬运、装配、铸造等场合，己经开始大量使用机器人。另外在军事、海洋探测、航天、医疗、农业林业甚到服务娱乐行业，也都开始使用机器人。而作为一种新型探测用具，轮腿式移式机器人由于其机动性及智能化，可以从事很多人类难以亲身参与的工作。如复杂危险地形的探测、外星球的探测及一些军事领域的侦查等。机器人的爬坡和越障能力作为机器人野外适应能力的两大主要指标是地面移动机器人研究的重点内容。又由于轮腿式移动机器人大多数时候都工作在崎岖不平的地形中．倾覆稳定性对这种机器人而言是非常重要的．运动过程中发生的倾覆可能导致机器人驱动系统失灵、运动失控、无法复位、元件损坏乃至系统报废等一系列问题是今后轮腿式移动机器人研究的重点内容。真正的智能化和完全的自主移动的关键技术。导航研究的目标就是没有人的干预下使机器人有目的地移动并完成特定任务，进行特定操作。机器人通过装配的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步的动作[11,12]。本科毕业设计说明书（论文）第6页共42页1.3轮腿式移动机器人关键技术的研究正如人类活动范围和探索的空间是人类进步的标志一样,机器人的智能同样体现在运动空间的大小上。为了获得更大的独立性,人们也对机器人的灵活性及智能提出更高的要求,要求机器人能够在一定范围内安全运动,完成特定的任务,增强机器人对环境的适应能力。因此,近年来,移动机器人特别是自主式移动机器人成为机器人研究领域的中心之一[7]。(1)轮腿式移动机器人的机构形式根据实际运用环境的需求综合轮式和腿式运动机构的优点，设计了一种多驱动模式的轮腿式移动机器人．整个机器人由六个结构左右对称的运动单元和车体构成．每个运动单元具有一个转向臂、一个摆臂和两个电动轮(驱动轮和爬行轮。对于运动在不平坦地形中的移动机器人而言,其倾覆稳定性非常关键.对称结构的轮腿式机器人，它有六个独立的轮腿运动单元,能够变化多种构形.采用动态能量稳定锥方法和倾覆稳定性指数对机器人的稳定性进行综合评价,建立了一个模糊神经网络白适应控制系统.根据稳定性指数值,该系统可以实时改变机器人的构形和速度,保证其倾覆稳定性.正弦路面上的仿真结果表明,该系统所产生的动作实时性好、可靠性高,能够降低机器人白主越障过程中的危险[14,15]。(2)轮腿式移动机器人的组成:A轮腿式移动机器人的驱动装置,B轮腿式移动机器人的导向装置,C轮腿式移动机器人的换向装置D,轮腿式移动机器人的制动装置.1.4本次设计目的及意义轮腿式移动机器人的驱动装置是一种复合移动系统，结合轮式和腿两种移动方式的特点，世界各国均投入了大量研究。课题对机器人腿式和轮式移动原理进行了解和掌握，在此基础上对两种移动方式进行综合，设计出一种适合野外非结构环境下的移动机器人驱动装置，在机构上有所创新，机器人能够在复杂路面上行走、具有较强的越障能力。在机械CAD环境下设计驱动装置的总体方案和结构，各种机电元件进行选型设计，并对机器人越障行为进行分析与研究。本科毕业设计说明书（论文）第7页共42页2轮腿式移动机器人驱动方案设计2.1课题要求课题要求对机器人腿式和轮式移动原理进行了解和掌握，在此基础大对两种移动方式进行综合，设计出一种适合野外非结构环境短的移动机器人驱动装置，机器人能够在复杂路面大行走、具有较强的越障能力。在机械CAD环境短设计驱动装置的总体方案和结构，各种机电元件进行选型设计，并对机器人越障行为进行分析与研究设计技术要求：1．每个轮子独立驱动，采用环境适应能力好的六腿式结构。2．重量短于45Kg，外形尺寸长度不超过800mm，宽度不超过600mm。3．机器人最大移动速度10Km/h，具备越障和爬坡能力。4．要求能够翻越250mm高的障碍,能够爬15°的斜坡。2.2轮腿式机器人结构方案设计2.2.1轮腿配置方案的选择轮腿式移动越障机器人依靠轮与腿的共同作用来行使与越障,因为其翻越障碍时需要很好的平稳性,所以考虑用对称的结构对轮腿式机器人的平衡性有很大的帮助,在所考虑的4轮腿式和铝六轮腿式机器人中,显然,六轮腿式较四轮腿式有着更好的平衡性与抗震性,故选用六轮腿式结构.2.2.2轮腿式机器人的结构方案因为在行使的过程中,轮腿机器人是需要越障行使,其越障机构