越障机器人

-1-创新设计题目：越障机器人设计题目：越障机器人完成日期：2010年5月学院：机械工程学院专业：机械工程及自动化指导老师：郑清春、孙启湲、武刚小组成员：林宇驰、刘海森、刘军、刘凯乐-2-课程成绩评价表20070189林宇驰07机械6班模型搭建论文撰写20070190刘海森07机械6班模型搭建造型设计20070191刘军07机械6班造型设计模型搭建20070192刘凯乐07机械6班造型设计论文撰写整体评价性能（70%）美观与创意（30%）评语：-3-目录一、问题的提出..............................-4-1.1实验目标................................-4-二、越障机器人结构及越障姿态分析............-4-2.2越障机器人越障姿态分析..................-4-三、模型的搭建..............................-6-3.2越障功能。..............................-7-四、实物图..................................-7-五、设计小结................................-8--4-一、问题的提出1.1实验目标移动越障机器人所处环境大多为复杂的非结构化环境，因此需要机器人具备高机动性、强大的环境感知能力和快速的反应能力。目前主要的越障方式有：轮式、腿式、履带式以及复合方式。其中轮式的效率最高，但适应能力最差；而腿式的适应能力最强，但效率最差；履带式有着良好的爬坡性能和一定的越障能力，但效率比较低，灵活机动性差；复合方式则兼顾各种方式的优缺点。为了使机器人具有较好的灵活性和适应性，越障机器人采用轮式、腿式、履带式相融合的复合方式。使用轮式移动方式，保证越障机器人的移动灵活机动；使用腿式结构，增强机器人的跨越障碍能力；使用履带式机构，提高机器人在沙土等松软路面的行驶二、越障机器人结构及越障姿态分析2.1越障机器人结构越障机器人包括车体、行驶机构、转臂越障机构等3部分：(1)车体用于固定和安装其它部件。(2)行驶机构主要由多个驱动车轮和4个直流电机及减速传动装置组成。驱动车轮由4个直流电机通过齿轮传动驱动，4个电机分别控制越障机器人前后左右两侧的驱动车轮，采用差动方式实现转向运动，并利用同步齿形带进行传动以保证前方驱动轮与后方驱动轮速度一致，从而方便地实现水平地面上的各种运动。采用4电机驱动是因为在实验过程中由于无法随意调整结构产生动力不足，以及传动障碍，所以采用4电机使运动更平稳和有足够的越障动力。(3)转臂越障机构主要由2个可以在竖直平面内一定角度旋转的转臂和2个直流电机（这里前轮与转臂共用两个直流电机，中间通过齿轮与同轴杆连接）及减速传动装置组成。每个转臂都有一个辅助轮和一些限制机构使转臂能够在越障是达到最好效果，避免卡死等现象，辅助轮和驱动车轮之间通过双面同步齿形带连接（由于实验构件限制这里用长履带来代替），双面同步齿形带内侧起到传动作用，双面同步齿形带外侧起到履带的作用，在特殊的环境下辅助越障和行驶。在遇到障碍或者特殊情况下，通过控制转臂的旋转角度（实验中只是简单的限定了转臂的旋转角度），可以使车体处于不同的状态，以配合行驶机构进行越障，从而提高机器人的越障能力。2.2越障机器人越障姿态分析(1)越障机器人通过角的计算接近角、离去角和通过角是轮式机器人在行驶越障过程中的重要参数。对于所设计的机器人来说，由于采用轮式、履带式等多种方式结合的复合方式越障，转臂的旋转伸出可使接近角和离去角在理论上达到90°，因此接近角和离去角对越障的影响可以忽略。下面主要分析当越障机器人在不使用履带而采用4轮驱动行驶时的通过角。-5-图2所示为机器人越障时的临界状态：可以得到如下关系方程式：若h2=h1，则越障机器人可以顺利通过障碍。所以当h2=h1时，可以求出后轮触地条件下的可通过的最大台阶高度通过角即为：当斜坡或者台阶的倾斜角度大于通过角时，越障机器人无法用4轮行驶的方式顺利通过，这时越障机器人要旋转转臂，改变车体姿态或者利用履带行驶的方式来通过障碍。(2)越障机器人的越障姿态及越障动作分析当越障机器人在平地运动时，因为轮式的行驶效率大于履带式，所以为减少系统无用功，采用4轮驱动式行驶，只有在特殊路面的情况下才采用履带式。当越障机器人遇到障碍物的时候，主要靠履带与障碍物之间作用来带动小车前进。（a）当障碍物高度hh’或坡度θφ时，机器人可以直接通过障碍，使越障机器人转臂与车体平行，用履带方式行驶的状态（如图4所示），降低重心，来完成越障动作。（b）当障碍物高度满足h’hl（转臂长）或坡度θφ时，机器人无法直接通过障碍，转动后臂到达平行于车体的位置，采用履带式行驶，借助前臂的翻转增大通过角从而跨越障碍，完成越障动作。（c）当障碍物高度满足hlh'或坡度θφ时,仅使用前臂无法翻越障碍，转动越障机器人后臂将车体撑起，前臂进入越障的状态，同时调整后臂姿态改变车体角度防止倾覆并提高越障机器人重心增强越障能力，来完成越障动作。-6-实验中缺乏定量的结构数据和构件，所以就只采用了一对履带进行验证。转臂的长度，转动角度，辅助轮与驱动轮半径无法进行定量调节所以小车越障能力受到限制，实验中只是通过翻越实验室内的一个小台来进行验证说明其可行性。无法做到上文中的定量分类验证。三、模型的搭建我们在初步分析了上述需要实现的功能后，开始了我们方案的选择和模型的搭建。3.1行走功能。（1）骨架的搭建。首先，要先把这辆小车的骨架搭起来。我们挑选了多列的板作为底板，再用各种尺寸的砖和梁，搭成了小车的骨架。（2）轮胎的安装。骨架搭建好后，就要考虑怎么让小车行走的问题了。有多种组件可以实现这种功能，例如说履带或者车轮，这次试验我们采用了轮胎，并且前后轮并不等半径，后轮还通过齿轮和连杆使它能够在一定范围内转动更好的完成越障功能。（3）电机的放置。接下来就是放置电机了。这里主要是指用来带动轮胎运动的发动机的发置的选择。轮胎驱动方面，先要考虑的是采用四轮驱动好，还是两轮驱动好。四轮驱动的好处是力量比较大，速度快，但缺点是在转弯方面不好控制；而二轮就比较容易实现转弯的控制问题。考虑到四轮驱动能够在前后轮其中之一悬空空转时仍然能够给小车提供动力，容易实现小车的越障功能，所以我们这里采用四轮驱动。考虑到整辆车重量的分布，电机对称放置在小车四个对称角落上，便于传动并且是小车重心平稳。-7-3.2越障功能。越障小车的越障功能主要体现在履带式转臂上，通过履带和障碍物之间产生的作用力带动小车翻越障碍。履带由驱动轮，辅助轮和连接它们的履带组成，在实验中为了防止翻越障碍时卡死，我们还在转臂后方安装了一自由小轮，既限定了转臂的转动角度，又使越障过程更加顺畅。四、实物图-8-五、设计小结这个实验是我们本次机器人仿真模拟实验的最后一个，相对之前的几个实验难度有明显的提高，我们在咨询老师之后选择的是组建一个越障小车。通过这个实验来验证履带式旋转臂在翻越障碍时的作用。由于我们之前对越障机器人的了解少之又少，在这次试验中遇到了好多困难，比如如何选择机器人的结构，如何保持机器人重心的稳定，如何爬越障碍并保持车型稳定等等。我们在通过网络查找资料，初步了解旋转臂越障的原理之后我们就开始进行实验。。通过资料我们发现要使小车很好的完成越障功能那么轮子的大小，旋转臂的长度等都要进行定量计算，但是实验条件无法满足我们的要求我们只有放弃定量分析的方式，而采用不断试验改进来进行定性分析。在这过程中我们试验了多种轮径大小搭配，以及各种模型的搭建、组合，最后我们发现不同的组合能实现不同的功能，这对我们进行试验的成功提供了新的捷径，同时我们的思维也得到了充分的发散，这对我们日后的学习生活都是有帮助的。本次实验我们在同学，网络和老师等的帮助下，解决了一个个问题最后终于实现了机器人的越障功能，虽然我们的本次试验没有涉及太多的程序编译，但是我们仍然对其付出颇多并获得了我们想要的越障机器人。从这几次试验中团队合作精神得到了充分的体现，还有不同组之间的交流与合作，这些对我们以后都是有帮助的，从中我们获益匪浅。