履帶式空投機(jī)器人的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(含外文翻譯）

1、<p>　　救災(zāi)救援空投機(jī)器人系統(tǒng)研究</p><p>　　——履帶式空投機(jī)器人的設(shè)計(jì)</p><p>　　Research on the System of Air-drop Robot to Disaster Area </p><p>　　——The Design of Air –drop Tracked Robot</p><p

2、><b>　　摘 要</b></p><p>　　履帶式空投機(jī)器人的是一種可攜帶急救物品，以履帶方式行進(jìn)的小型機(jī)器人平臺(tái)，它集成了機(jī)械工程、電子技術(shù)、智能控制、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域先進(jìn)研究成果，在軍事領(lǐng)域可用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察、破障、目標(biāo)指示與跟蹤，進(jìn)入核、生化污染區(qū)執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)、信號(hào)中續(xù)，或者直接對(duì)敵實(shí)施精確打擊等；在公共安全領(lǐng)域可用于安全監(jiān)視、防爆、反恐、救援、搶險(xiǎn)、救災(zāi)、以及充當(dāng)智能

3、運(yùn)輸工具等。</p><p>　　該機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，便于拆卸維修，可以分段自適應(yīng)復(fù)雜路面，并可主動(dòng)控制兩側(cè)翼板模塊的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)器人姿態(tài)變化，輔助爬坡、越障和跨溝；機(jī)器人經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計(jì)后具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力、機(jī)動(dòng)能力，并能抵抗一定高度的掉落沖擊。從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理、運(yùn)動(dòng)性能、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、抗摔結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面展開研究，并結(jié)合現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論、最優(yōu)化方法、新材料及新工藝等技術(shù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了詳細(xì)的工程設(shè)計(jì)。

4、機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程是，利用三維建模軟件建立機(jī)器人的參數(shù)化模型。機(jī)器人越野能力良好，越障高度0.5米（相當(dāng)于機(jī)器人外形長(zhǎng)度尺寸）、跨溝寬度0.4米，并能承受3米高的掉落沖擊。</p><p>　　關(guān)鍵詞：小型機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)性能：復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)；模塊化設(shè)計(jì)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Crawler-type

5、 Air-drop Tracked robot is a new kind of small locomotion platform which can carry first-aid items and walks along the crawler-track It has integrated many advanced research achievements in multi-domain, as Mechanical En

6、gineering,Electronics Technology, Compute Science and so on .This robot can be used to spy the environment of combat ,clear the dangerous direct and trace the enemy target .and execute assignments in dangerous environmen

7、t ．It can also be served as security scout，antit</p><p>　　It’s convenient for demolition and maintenance by use of modular design of the robot ,it also have the advantage of self-adapting more complex terrai

8、n. Through actively adjusted the rotation of flange flate ,the robot can change its attitudes, assisting grade climbing，obstacle surmounting,crossing ditch．Through seasonable structure layout and design ,the robot is end

9、owed with favorable adaptability to variable environment, well maneuver capability and high reliability. This thesis takes on the r</p><p>　　Key words: Small robot;Kinematics performance; Compound-locomotion

10、 mechanism；Modular design</p><p><b>　　.</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題來(lái)源、研究背景及意義1</p><p

11、>　　1.1.1 課題來(lái)源1</p><p>　　1.1.2 課題研究背景1</p><p>　　1.2 災(zāi)難救援機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)4</p><p>　　1.2.1 國(guó)內(nèi)研究概況4</p><p>　　1.2.2 發(fā)展趨勢(shì)5</p><p>　　1.3主要研究?jī)?nèi)容6</p>&l

12、t;p>　　2 履帶式空投機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.1 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析7</p><p>　　2.1.1輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)7</p><p>　　2.1.2 腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)7</p><p>　　2.1.3 履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)8</p><p>　　2.1.4 履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)

13、特點(diǎn)8</p><p>　　2.1.5 輪、履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)性能比較8</p><p>　　2.2 履帶機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)8</p><p>　　2.2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理9</p><p>　　2.2.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)態(tài)分析10</p><p>　　2.2.3 機(jī)器人翻身、復(fù)位11</p><

14、;p>　　2.3.4 機(jī)器人自適應(yīng)路面11</p><p>　　2.3 履帶機(jī)器人性能指標(biāo)分析與設(shè)計(jì)12</p><p>　　3 履帶式空投機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析14</p><p>　　3.1機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模14</p><p>　　3.2 機(jī)器人爬坡性能16</p><p>　　3.2.1 機(jī)器人爬坡性能理

15、論分析16</p><p>　　3.2.2 機(jī)器人爬坡性能數(shù)值計(jì)算18</p><p>　　3.3 機(jī)器人越障性能18</p><p>　　3.3.1機(jī)器人越障性能理論分析18</p><p>　　3.3.2機(jī)器人越障性能數(shù)值計(jì)算21</p><p>　　3.4機(jī)器人跨溝性能22</p>&l

16、t;p>　　3.4.1機(jī)器人跨溝性能理論分析22</p><p>　　3.4.2機(jī)器人跨溝性能數(shù)值計(jì)算23</p><p>　　3.5機(jī)器人上下臺(tái)階24</p><p>　　4 履帶式空投機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.1.1機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)

17、27</p><p>　　4.1.2機(jī)器人履帶張緊和支撐結(jié)構(gòu)27</p><p>　　4.2傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.2.1機(jī)器人翼板單元傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.2.2機(jī)器人主體傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)29</p><p>　　4.2.3機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)控制方案30</p>

18、<p>　　4.3機(jī)器人驅(qū)動(dòng)功率選擇30</p><p>　　4.3.1機(jī)器人行駛阻力計(jì)算30</p><p>　　4.3.2機(jī)器人驅(qū)動(dòng)功率確定與電機(jī)選擇30</p><p><b>　　5 總 結(jié)32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p>

19、<p>　　附錄：英文文獻(xiàn)及翻譯35</p><p><b>　　致 謝47</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題來(lái)源、研究背景及意義</p><p>　　1.1.1 課題來(lái)源</p><p>　　課題研究

20、來(lái)源于天津市科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“災(zāi)害環(huán)境下信息快速獲取空投機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”。</p><p>　　1.1.2 課題研究背景</p><p>　　我國(guó)70％以上的城市、50%以上的人口分布在氣象、地震、地質(zhì)、海洋等自然災(zāi)害嚴(yán)重的地區(qū)。這些年來(lái)發(fā)生的重大自然災(zāi)害，更是給我國(guó)人民生命財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展造成了重大損失。2008年5月12日，我國(guó)四川汶川發(fā)生特大地震，給受災(zāi)地區(qū)群眾生命財(cái)產(chǎn)和經(jīng)

21、濟(jì)社會(huì)發(fā)展造成重大損失。5月14日，空降兵某部接到總參謀部命令：由于災(zāi)區(qū)通信和交通中斷，立即傘降人員進(jìn)入茂縣，執(zhí)行通信聯(lián)絡(luò)、災(zāi)情勘察、情況上報(bào)任務(wù)，為上級(jí)決策提供依據(jù)[4]。傘降救援險(xiǎn)象環(huán)生，在這種極端條件下，空投士兵具有極大的危險(xiǎn)性。將機(jī)器人技術(shù)、營(yíng)救行動(dòng)技術(shù)、災(zāi)難學(xué)等多學(xué)科知識(shí)有機(jī)融合，研制與開發(fā)用于搜尋和營(yíng)救的災(zāi)難救援機(jī)器人具有重要的意義，也是機(jī)器人學(xué)領(lǐng)域研究中的一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的新領(lǐng)域。</p><p>　

22、　2008年6月23日，胡錦濤總書記在中國(guó)科學(xué)院第十四次院士大會(huì)和中國(guó)工程院第九次院士大會(huì)上指出：“要加快遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用以及防災(zāi)減災(zāi)高技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和綜合集成，建立國(guó)家綜合減災(zāi)和風(fēng)險(xiǎn)管理信息共享平臺(tái)，完善國(guó)家和地方災(zāi)情監(jiān)測(cè)、預(yù)警、評(píng)估、應(yīng)急救助指揮體系”。</p><p>　　1995年發(fā)生在日本神戶—大阪的大地震，及其之后發(fā)生在美國(guó)俄克拉荷馬州的阿爾弗德聯(lián)邦大樓爆炸案揭開了救

23、援機(jī)器人技術(shù)研究的序幕，在救援機(jī)器人技術(shù)發(fā)展史上具有里程碑式的重要意義。尤其是機(jī)器人在9?11事件中的成功應(yīng)用，引發(fā)了人們研究救援機(jī)器人的熱潮，至今已經(jīng)有大量的研究成果在各種期刊與雜志上發(fā)表，理論和實(shí)際應(yīng)用都取得了很大的進(jìn)步。目前，世界各國(guó)已經(jīng)研制出了各式各樣的救援機(jī)器人系統(tǒng)，并在實(shí)踐方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。</p><p>　　日本是一個(gè)多核能、多地震的國(guó)家，其在救援機(jī)器人方面開展了相對(duì)全面的工作。自1995年神

24、戶—大阪地震發(fā)生后l0多年間，日本在災(zāi)難救援防護(hù)方面已經(jīng)形成了完備的國(guó)家體系。日本東京工業(yè)大學(xué)的廣瀨是最早從事救援機(jī)器人研究的學(xué)者之一，他所領(lǐng)導(dǎo)的廣瀨研究室，在考慮到災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的援助作業(yè)最重要的是確定受災(zāi)害者的位置，必須依靠能夠在像瓦礫那樣狹小的場(chǎng)所移動(dòng)的機(jī)器人來(lái)探察，為此他們研制出了“SOURYU-I”和“SOURYU-II”型救援機(jī)器人，如圖1-1。東京工業(yè)大學(xué)的KAMEGAWA等人提出了一種新的救援機(jī)器人平臺(tái)，該機(jī)器人由多節(jié)履帶車連

25、接而成，能夠進(jìn)入狹窄的空間，具有很好的越障能力和地面適應(yīng)能力。電氣通信大學(xué)忪野文俊研究室研制出一種信息搜集用機(jī)器人“MA-1”。神戶大學(xué)高森年等研制的“UMRS”系列機(jī)器人，旨在將機(jī)器人用于廢墟瓦礫中的探察作業(yè)。同時(shí)，日本的一些大公司也介入了救援機(jī)器人的研究和開發(fā)。SMERT-M是東芝公司研發(fā)的一種用于狹窄空間進(jìn)行檢測(cè)和危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)作業(yè)的機(jī)器人，可以搬運(yùn)5kg左右的重物；“SWAN”是三菱重工研制出的一種具有地形適應(yīng)能力，可以進(jìn)行中等重

26、載搬運(yùn)作業(yè)的機(jī)器人，可以搬運(yùn)10k</p><p>　　Souryu-1 Souryu-II</p><p>　　圖1-1 廣瀨研究室的救援機(jī)器人</p><p>　　在美國(guó)“9.11”事件后，災(zāi)難救援機(jī)器人技術(shù)日益受到重視，尤其是“9.11”事件中的災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)救援被認(rèn)為是災(zāi)難救援機(jī)器人的第一次實(shí)際應(yīng)

27、用，投入使用的部分機(jī)器人如圖1-2所示。其中，Inuktun公司投入使用了“MicroVGTV”、“MicroTraces”和“Mini Traces”三種機(jī)器人，它們的體積小，重量輕，在廢墟堆上用的最多，“Micro VGTV”和“Micro Traces”被證明更適宜于救援作業(yè)。Foster-Miller公司也使用了“Talon”，“SOLEM”和“Urbot”三種機(jī)器人系統(tǒng)：“SOLEM”被用于廢墟堆中的作業(yè)，“Talon”和“U

28、rbot”被用于建筑物的內(nèi)部檢測(cè)，它們具有更好的傳感和承載能力，而且具有較快的移動(dòng)速度。美國(guó)許多高校的研究中心、國(guó)家研究機(jī)構(gòu)和公司也同時(shí)進(jìn)行了救援機(jī)器人的研究。南佛羅里達(dá)大學(xué)研制出安裝有醫(yī)學(xué)傳感器的救援機(jī)器人“Bujold”，它能夠在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)獲取幸存者的生理信息和環(huán)境信息，并將其傳送到外界。其底部采用了可變形履帶，使得驅(qū)動(dòng)具有較高的運(yùn)動(dòng)和探測(cè)能力。明尼蘇達(dá)州大學(xué)的STOETER等人研制出了一種特殊的機(jī)器人“SCOUT”，如圖</p

29、><p>　　Micro VGTV alon</p><p><b>　　Urbot</b></p><p>　　圖1-2在世貿(mào)大廈進(jìn)行作業(yè)的救援機(jī)器人</p><p>　　Scout CONRO robo

30、t</p><p>　　圖1-3種救援機(jī)器人</p><p>　　在美國(guó)，用于災(zāi)難救援和探測(cè)的無(wú)人自主直升機(jī)同樣也得到眾多研究者的重視。自主直升機(jī)具有高空探測(cè)和投擲等作業(yè)能力，非地面移動(dòng)機(jī)器人所能夠代替。圖1-4四所示的救援機(jī)器人“Urbie”系列能夠用于城市災(zāi)難環(huán)境探測(cè)的救援作業(yè)，特別是采用輪、腿、履帶復(fù)合式的移動(dòng)機(jī)構(gòu)使機(jī)器人具有更強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)能力。CMU研制的無(wú)人自主直升機(jī)能夠迅速和系統(tǒng)的

31、大面積搜索，能夠準(zhǔn)確的判斷災(zāi)情以及發(fā)生事故或?yàn)?zāi)后受災(zāi)者的位置，從而指導(dǎo)救援隊(duì)伍的行動(dòng)方向，特別適應(yīng)于森林火災(zāi)、海難、污染地區(qū)和放射性地區(qū)的救援作業(yè)。如圖1-5所示。</p><p>　　Urbie Urbie Hybrid</p><p>　　圖1-4 救援機(jī)器人Urbie系列</p><p>　　CM

32、U Helicopter AR Yamaha Rmax</p><p>　　圖1-5 美國(guó)的幾種空中救援機(jī)器人</p><p>　　總之，針對(duì)在異常危險(xiǎn)與復(fù)雜災(zāi)難環(huán)境下研制與開發(fā)用于搜尋災(zāi)難救援機(jī)器人，是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)新興研究領(lǐng)域。因此，本申請(qǐng)研究課題具有重要的理論意義與實(shí)用價(jià)值</p><p>　　1.2

33、 災(zāi)難救援機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)</p><p>　　1.2.1 國(guó)內(nèi)研究概況</p><p>　　國(guó)內(nèi)的許多高校和研究所在海難救援機(jī)器人、自主救援無(wú)人機(jī)和地面移動(dòng)特種作業(yè)機(jī)器人等救援機(jī)器人技術(shù)方面也開展了廣泛地研究。</p><p>　　2002年由上海消防研究所、上海交通大學(xué)和上海消防局三家單位共同承擔(dān)的國(guó)家863項(xiàng)目“履帶式、輪式消防滅火機(jī)器人”研制成功并順

34、利通過驗(yàn)收。在國(guó)家863計(jì)劃資助下，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制了蛇形機(jī)器人、水面救援機(jī)器人、基于復(fù)合機(jī)構(gòu)的非結(jié)構(gòu)環(huán)境移動(dòng)機(jī)器人等。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所和廣州衛(wèi)富公司成功研制出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、能完成反恐、防暴等綜合任務(wù)的“危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人”產(chǎn)品樣機(jī)。2005年9月l2日，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所與日本國(guó)際災(zāi)難救援系統(tǒng)研究院聯(lián)合成立了“中日救援及安全機(jī)器人技術(shù)研究中心”，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，有效推動(dòng)了機(jī)器人技術(shù)在災(zāi)難救援中的應(yīng)用。</p>

35、<p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)也研制了多種災(zāi)難援救機(jī)器人。如為開灤煤礦研制的履帶式煤礦事故搶險(xiǎn)探測(cè)機(jī)器人，采用履帶加前后擺臂的運(yùn)動(dòng)方式，同時(shí)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行了防水、防爆、電磁兼容等可靠性設(shè)計(jì)，并且該機(jī)器人本體攜帶了易爆氣體、溫度及風(fēng)速等傳感器；研制了可在各種地貌上行走，可翻越垂直障礙、溝壑、爬樓梯的變結(jié)構(gòu)履帶移動(dòng)機(jī)器人；履帶式可重構(gòu)微小型機(jī)器人，能夠自動(dòng)散開進(jìn)行環(huán)境偵測(cè)或執(zhí)行其它任務(wù)。研制的輪足復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人全面綜合了輪式機(jī)器人

36、運(yùn)動(dòng)速度快、足式機(jī)器人越障能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于危險(xiǎn)環(huán)境的檢測(cè)；軍民兩用小型探測(cè)機(jī)器人廣泛用于災(zāi)難信息的收集。</p><p>　　國(guó)防科技大學(xué)在2001年研制了一種蛇形救援機(jī)器人。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)于2006年6月成功研制了我國(guó)第一臺(tái)用于煤礦救援的“CUMT-1”型礦井搜救機(jī)器人。西安郵電學(xué)院也成功研制出了一種可用于礦難救援的機(jī)器人。清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西安交通大學(xué)，上海交通大學(xué)等高等院校也開展了相關(guān)技術(shù)的研究

37、。</p><p>　　1.2.2 發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　(1)拓展便攜式、履帶機(jī)器人的使用范圍</p><p>　　目前便攜式、履帶機(jī)器人在民用領(lǐng)域主要用途是安全監(jiān)視、反恐、排爆、消防、搜救；在軍事領(lǐng)域主要用途是洞穴、建筑物勘測(cè)、掃雷、破障、生化戰(zhàn)劑探測(cè)等；但這還遠(yuǎn)不能滿足目前日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)、生活需求和軍事需求，正因?yàn)槿绱耍澜绺鲊?guó)開始積極拓展小型履帶式機(jī)

38、器未的使用范圍，包括將便攜式履帶機(jī)器人用于家庭服務(wù)、科學(xué)考察、充當(dāng)旅行助手或者是在戰(zhàn)爭(zhēng)中用于目標(biāo)指示、火力發(fā)射、戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸、通信中繼等。</p><p>　　(2)實(shí)際應(yīng)用履帶機(jī)器人</p><p>　　目前，履帶機(jī)器人無(wú)論是軍用還是民用都未普及，主要是該類機(jī)器人造價(jià)不菲，如一臺(tái)Packbot價(jià)值32萬(wàn)人民幣，雖然在阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)，伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中使用過，但由于價(jià)格太高，美軍也未能大面積部署。進(jìn)一步

39、降低機(jī)器人成本，推向?qū)嵱没拍芡诰虺鰴C(jī)器人的潛力和存在價(jià)值。</p><p>　　(3)增加便攜式履帶機(jī)器人與其它種類機(jī)器人之間的互操作能力</p><p>　　單一的地面小型履帶機(jī)器人所能完成的任務(wù)有限，為提高執(zhí)行任務(wù)能力，在多種作業(yè)環(huán)境下如地面、水下和空中，各類機(jī)器人要求能密切集成與合作，這樣需要機(jī)器人之間增強(qiáng)互操作能力，互操作能力所需的信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和接口涉及信息傳輸、建模、處理與安全

40、以及人機(jī)接口等方面技術(shù)。</p><p>　　(4)進(jìn)一步提高便攜式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性和運(yùn)動(dòng)可靠性</p><p>　　機(jī)器人可根據(jù)外界環(huán)境變化主動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)輔助爬坡、越障，從而增強(qiáng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性和地形通過能力；另外機(jī)器人應(yīng)具備良好的運(yùn)動(dòng)可靠性，如機(jī)器人有抗沖擊能力，執(zhí)行任務(wù)時(shí)從高處掉落而不損壞。</p><p>　　(5)開發(fā)通用機(jī)器人和“即插即用”，有效載荷&

41、lt;/p><p>　　利用一種機(jī)器人可以裝載不同的“即插即用”作業(yè)載荷，可減少專用機(jī)器人數(shù)量，提高基礎(chǔ)機(jī)器人的質(zhì)量，可以極大地提高機(jī)器人的作業(yè)效能，降低其使用和維修成本。</p><p>　　(6)進(jìn)一步提高自主能力由于便攜式、履帶機(jī)器人控制距離有限，當(dāng)履帶機(jī)器人在危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)時(shí)，其控制操作人員的安全不能保證，此外遙控機(jī)器人的操作人員需要專門訓(xùn)練，因而需要進(jìn)一步提高小型履帶機(jī)器人自主能力。&

42、lt;/p><p>　　(7)采用標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化技術(shù)。機(jī)器人裝備有通信系統(tǒng)，在與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)化接口技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可使機(jī)器人更具備操控性，同時(shí)機(jī)器人通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護(hù)性、兼容性也更好。</p><p>　　(8)采用商業(yè)現(xiàn)貨和開放式系統(tǒng)。如電池和電機(jī)等元器件。機(jī)器人在設(shè)計(jì)、制造時(shí)盡量采用標(biāo)準(zhǔn)的已商業(yè)化的元器件，標(biāo)準(zhǔn)化元器件可降低機(jī)器人制造成本、縮短機(jī)器人生產(chǎn)周期

43、，并有利于機(jī)器人零件之間的互換。</p><p><b>　　1.3主要研究?jī)?nèi)容</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)將圍繞以下幾個(gè)方面展開研究：</p><p>　　(1)災(zāi)難救援機(jī)器人研究現(xiàn)況調(diào)研</p><p><b>　　．國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。</b></p><p>　

44、　(2)履帶式空投機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)</p><p>　?。畽C(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案研究；</p><p>　?。畽C(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理分析；</p><p>　?。畽C(jī)器人多種運(yùn)動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)；</p><p>　?。畽C(jī)器人翻身復(fù)位和路面自適應(yīng)功能；</p><p>　?。銛y式履帶機(jī)器人性能指標(biāo)調(diào)研與分析；</p>&

45、lt;p>　?。趪?guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀提出便攜式履帶機(jī)器人應(yīng)達(dá)到的性能指標(biāo)。</p><p>　　(3)履帶式空投機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析</p><p>　　．機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析；</p><p>　　．機(jī)器人抗傾覆性能、越障性能、跨溝性能理論計(jì)算； </p><p>　?。畽C(jī)器人上下臺(tái)階功能。</p><p>　　(4

46、)履帶機(jī)式空投器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　．機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)布局與模塊化設(shè)計(jì)；</p><p>　?。畽C(jī)器人的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；</p><p>　?。畽C(jī)器人驅(qū)動(dòng)功率理論計(jì)算與電機(jī)選擇；</p><p>　　2 履帶式空投機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析</p>

47、<p>　　機(jī)器人按移動(dòng)方式分主要有輪式、履帶式、腿足式三種，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。</p><p>　　2.1.1輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)</p><p>　　輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)按輪的數(shù)里可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。其結(jié)構(gòu)組成簡(jiǎn)單、重量輕、摩擦阻力小，機(jī)械效率高，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

48、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(lái)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。</p><p>　　2輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)有美國(guó)研制的SuBot機(jī)器人和Scout機(jī)器人，其特點(diǎn)是體積小、重量輕、轉(zhuǎn)向靈活能實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)；6輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)有 1 997年發(fā)射的“索杰納”火星車，該機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)具有良好的穩(wěn)定性，并能跨越一定高度的障礙：8輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)有前

49、蘇聯(lián)L叮lokhod八輪月球探測(cè)車，8輪機(jī)構(gòu)能使探測(cè)車行駛更穩(wěn)定。</p><p>　　2.1.2 腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)</p><p>　　腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有：</p><p>　　(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

50、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。</p><p>　　(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；</p><p>　　(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)而不必考慮地面的粗糙程度和腿的放位置，8腿移動(dòng)機(jī)器人，

51、特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，越野能力強(qiáng)。</p><p>　　腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)有：</p><p>　　(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；</p><p>　　(2)腿式機(jī)器人對(duì)地面適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)靈活性需要進(jìn)一步提高；</p><p>　　(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；</p>&l

52、t;p>　　(4)該機(jī)構(gòu)未進(jìn)入實(shí)用化階段．</p><p>　　2.1.3 履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)</p><p>　　履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分為1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，移動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)在于機(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)路面產(chǎn)生一定的破壞。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)比較輪式移動(dòng)機(jī)

53、構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：</p><p>　　(1)支撐面積大、接地比壓小、滾動(dòng)阻尼小、通過性比較好；</p><p>　　(2)越野機(jī)動(dòng)性能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)；</p><p>　　(3)履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好：</p><p>　　(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。</p>

54、<p>　　六履帶機(jī)器人，車體前后各有一對(duì)履帶鰭，可以輔助翻越障礙，運(yùn)動(dòng)十分靈活。</p><p>　　2.1.4 履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)</p><p>　　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(wú)法與其比擬

55、，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。</p><p>　　2.1.5 輪、履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)性

56、能比較</p><p>　　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。</p><p>　　表2-l典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能對(duì)比表</p><p>　　2.2 履帶機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)</p><p>　　本文提出來(lái)的多姿態(tài)履帶機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)采用的是履、腿（輪）復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)最大優(yōu)點(diǎn)在于在傳統(tǒng)履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，加強(qiáng)了機(jī)器人

57、越障、爬坡性能并提高了環(huán)境適應(yīng)能力。</p><p>　　(1)機(jī)器人具有兩種運(yùn)動(dòng)模式、多運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，機(jī)器人可根據(jù)行駛環(huán)境來(lái)主動(dòng)選擇運(yùn)動(dòng)效率較高的運(yùn)動(dòng)模式，如機(jī)器人在復(fù)雜路面上行駛時(shí)采用履腿復(fù)合結(jié)構(gòu)可提高機(jī)器人的越野能力；在規(guī)則路面上行進(jìn)時(shí)可去除履帶以輪式行進(jìn)提高行駛效率。</p><p>　　(2)機(jī)器人還具備一項(xiàng)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，能根據(jù)地形條件的復(fù)雜程度，通過主動(dòng)調(diào)節(jié)兩側(cè)展帶與車身約束關(guān)系來(lái)選擇

58、自適應(yīng)環(huán)境或者是主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境，自適應(yīng)環(huán)境可以提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng) 穩(wěn)定性能、平順性能；主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境可以提高機(jī)器人通過性能，機(jī)器人設(shè)計(jì)方案如下圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1履帶機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成</p><p>　　2.2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理</p><p>　　履帶機(jī)器人按三段式對(duì)稱結(jié)構(gòu)布局，分為中間主體段和左右兩側(cè)翼板(如圖2.7所示)，中間段可以裝載各種儀

59、器、設(shè)備用于完成各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)，它是運(yùn)載平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中一般保持水平姿態(tài)；兩側(cè)翼板用于提供驅(qū)動(dòng)力是運(yùn)動(dòng)單元，可以繞機(jī)器人主體旋轉(zhuǎn)輔助機(jī)器人攀爬越障，運(yùn)動(dòng)原理圖如圖2-2所示，機(jī)器人共有4個(gè)自由度，履帶自身轉(zhuǎn)動(dòng)和翼板繞主體轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　(1)履帶自身轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器人通過兩側(cè)翼板中的電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)后履帶輪，將后輪旋轉(zhuǎn)自由度轉(zhuǎn)變?yōu)槁膸мD(zhuǎn)動(dòng)自由度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)和后退，</p><p>　　(2

60、)翼板繞主體轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器人中間主體內(nèi)的兩臺(tái)直流龜機(jī)驅(qū)動(dòng)左右翼板部分沿Y軸方向繞主體轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。</p><p>　　圖2-2便攜式履帶機(jī)器人運(yùn)動(dòng)原理簡(jiǎn)圖</p><p>　　2.2.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)態(tài)分析</p><p>　　機(jī)器人在主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境時(shí)具備多種運(yùn)動(dòng)功能和形體變化功能，根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和形體變化特點(diǎn)總結(jié)出以下4種典型運(yùn)動(dòng)姿態(tài)(如圖2-3所示)。&

61、lt;/p><p>　　圖2-3機(jī)器人多種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)</p><p><b>　　(1)并攏態(tài)</b></p><p>　　并攏態(tài)是機(jī)器人正常行進(jìn)姿態(tài)（如圖2-3(a)所示），正常行進(jìn)分為直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎兩種情況，機(jī)器人兩側(cè)運(yùn)動(dòng)單元中的履帶等速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)直線行走功能；反向或不等速運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人滑差轉(zhuǎn)向。</p><p><b

62、>　　(2)單翼搭接態(tài)</b></p><p>　　單翼搭接態(tài)是機(jī)器人越障、跨溝姿態(tài)（如圖2-3(b)所示），作用是在機(jī)器人越障、跨溝過程中能展開翼板搭接到高處的障礙物或是深溝對(duì)面，給機(jī)器人通過提供支撐力幫助攀爬，或者在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中作為復(fù)位姿態(tài)出現(xiàn)。</p><p><b>　　(3)雙翼展開態(tài)</b></p><p>　　雙

63、冀展開態(tài)也是機(jī)器人的一種行進(jìn)姿態(tài)（如圖2-3(c)所示），能增加機(jī)器人x方向的長(zhǎng)度尺寸使機(jī)器人在跨溝時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)；另外機(jī)器人在通過松軟地形時(shí)以該種姿態(tài)行使可以減少對(duì)地面的區(qū)域集中壓力提高路面通過性。</p><p><b>　　(4)彎身態(tài)</b></p><p>　　彎身態(tài)是機(jī)器人結(jié)構(gòu)變形姿態(tài)（如圖2-3(e)所示），可以實(shí)現(xiàn)三輪車輛的運(yùn)動(dòng)方式，此時(shí)兩個(gè)履帶輪作為機(jī)

64、器人的前驅(qū)動(dòng)輪，后惰輪作為支撐輪：該姿態(tài)也能抬升中間主體高度升起安裝在主體上的監(jiān)視器，從而拓寬機(jī)器人視線擴(kuò)大偵查范圍。</p><p>　　2.2.3 機(jī)器人翻身、復(fù)位</p><p>　　機(jī)器人在野外未知環(huán)境下執(zhí)勤，可能在翻越障礙、上下臺(tái)階、突遇溝壑的情況下發(fā)生車體傾覆，車體傾覆后的機(jī)器人極有可能失去運(yùn)動(dòng)能力不能完成作業(yè)任務(wù)，此時(shí)機(jī)器人需要具有車身自動(dòng)復(fù)位功能。翻身、復(fù)位過程如圖2-4所

65、示，機(jī)器人先轉(zhuǎn)動(dòng)側(cè)冀板使一端履帶輪接觸地面如圖2-4(a)、2-4(b)，由地面提供支撐反力將主體逆時(shí)針反轉(zhuǎn)、復(fù)位如圖2-4(c)、2-4(d)，然后順序收回側(cè)翼如圖2-4(e)、2-4(f)、2-4(g)完成車體復(fù)位動(dòng)作如圖2-4(h)。</p><p>　　圖2-4便攜式履帶機(jī)器人自動(dòng)翻身過程</p><p>　　2.3.4 機(jī)器人自適應(yīng)路面</p><p>　

66、　機(jī)器人在松軟或者地面起伏較大的地形條件下慢速行駛時(shí)，可以采用自適應(yīng)路面方式行進(jìn)，此時(shí)機(jī)器人主體后部中輪放下與地面接觸，離合器松開，機(jī)器人左右兩側(cè)翼板繞主體自由轉(zhuǎn)動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了一輪、兩履混合移動(dòng)方式，優(yōu)點(diǎn)在于能夠使機(jī)器人三段自適應(yīng)路面一方面能減緩?fù)綆Ы拥乇葔?，另一方面提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平順性能(如圖2-5所示)．</p><p>　　圖2-5自適應(yīng)復(fù)雜路面</p><p>　　機(jī)器人自

67、適應(yīng)路面時(shí)，主體內(nèi)部控制元件的工作狀態(tài)為翼板驅(qū)動(dòng)電機(jī)停轉(zhuǎn)、離合器松開，左右翼板繞主體自由轉(zhuǎn)動(dòng)，其中電機(jī)、離合器工作先后順序請(qǐng)參考表4-1。</p><p>　　2.3 履帶機(jī)器人性能指標(biāo)分析與設(shè)計(jì)</p><p>　　表2-2履帶機(jī)器人外形尺寸</p><p>　　表2-3履帶機(jī)器人性能指標(biāo)</p><p>　　履帶機(jī)器人利用有限的設(shè)計(jì)空間實(shí)

68、現(xiàn)了良好的機(jī)動(dòng)性能，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)如下：</p><p>　　(1)當(dāng)機(jī)器人用于探測(cè)，負(fù)荷較輕時(shí)，機(jī)器人可以轉(zhuǎn)動(dòng)兩側(cè)翼板輔助越障、攀爬，此時(shí)機(jī)器人具有很好的運(yùn)動(dòng)靈活性；</p><p>　　(2)當(dāng)機(jī)器人需要越野、穿越廢墟時(shí)，負(fù)載重，此時(shí)機(jī)器兩側(cè)翼板不再轉(zhuǎn)動(dòng)，而是相對(duì)于中間主體固定，依靠大前輪進(jìn)行越障。</p><p>　　履帶機(jī)器人在設(shè)計(jì)時(shí)為減輕重量，主要零部件

69、大多采用70A4，設(shè)計(jì)完成后機(jī)器人外形尺寸如表2-2所示，能達(dá)到的性能指標(biāo)如表2-3所示。</p><p>　　3 履帶式空投機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析</p><p>　　履帶機(jī)器人活動(dòng)空間包括了各種非結(jié)構(gòu)地形，如起伏地面、斜坡、障礙、壕溝、淺坑、臺(tái)階等，針對(duì)多種地形，機(jī)器人必需具備一種性能良好的移動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的各種運(yùn)動(dòng)功能，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能包括了爬坡、越障、跨溝上下臺(tái)階等。本章也將圍繞著

70、這幾個(gè)方面進(jìn)行闡述，研究?jī)?nèi)容包括機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、機(jī)器人爬坡性能分析、攀越障礙性能分析、跨溝性能分析、上下臺(tái)階性能分析。</p><p>　　3.1機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模</p><p>　　履帶機(jī)器人正常狀態(tài)下行使時(shí)（左右翼板未展開），是一種典型的兩履帶運(yùn)動(dòng)方式，假定機(jī)器人履帶在平整路面內(nèi)接地比壓平均分布，建立起XOY基礎(chǔ)坐標(biāo)系（如圖3-1所示）。</p><p>　　

71、圖3-1機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型</p><p><b>　　圖中： </b></p><p><b>　　—履帶長(zhǎng)度；</b></p><p>　　—兩履帶中心軸在車體寬度方向上的距離；</p><p>　　—機(jī)器人左翼板瞬心（具體位置由受力情況決定）；</p><p>　　—機(jī)器

72、人右履板瞬心（具體位置由受力情況決定）：</p><p>　　—機(jī)器人車身與水平線夾角；</p><p>　　—機(jī)器人左翼板移動(dòng)速度；</p><p>　　—機(jī)器人右翼板移動(dòng)速度；</p><p>　　—到左履帶板中心線距離；</p><p>　　—到右履帶板中心線距離；</p><p>　　—

73、與的延長(zhǎng)線與、的矢量連線相交點(diǎn)（即為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)瞬心位置）;</p><p>　　—車體中軸線與、連線的交點(diǎn)。</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　根據(jù)車輛機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)中的雅可比矩陣，求出履帶式車輛的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下式(3.1)所示。</p><p>　　以XOY基礎(chǔ)坐標(biāo)系為參照，為機(jī)器人在坐

74、標(biāo)系下方向上的速度：為機(jī)器人在坐標(biāo)系下方向上的速度；為機(jī)器人在坐標(biāo)系下的角速度。</p><p>　　根據(jù)公式(3.1)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程推導(dǎo)與兩側(cè)履帶瞬心位置有關(guān)，而兩側(cè)同步帶的瞬心位置由履帶受力情況決定，對(duì)履帶進(jìn)行分析，假定P點(diǎn)是履帶等效受力點(diǎn)（如圖3.2所示）推導(dǎo)出公式(3-2)。</p><p>　　圖3-2同步帶受力圖</p><p><b>　

75、　圖中：】</b></p><p><b>　　—履帶長(zhǎng)度，</b></p><p><b>　　—履帶寬度，</b></p><p>　　—受力點(diǎn)對(duì)履帶幾何中心點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩：</p><p>　　—履帶上任意點(diǎn)到點(diǎn)的距離；</p><p>　　—履帶上任意點(diǎn)與點(diǎn)相連

76、，連線與水平線的夾角：</p><p>　　—距離點(diǎn)為的微元受力；</p><p>　　—同步帶在方向受力；</p><p>　　—同步帶在方向受力；</p><p>　　—點(diǎn)與履帶中心點(diǎn)在軸方向上的距離；</p><p>　　—點(diǎn)與履帶中心點(diǎn)在方向上的距離；</p><p>　　(3.2) 參

77、數(shù)條件：</p><p>　　3.2 機(jī)器人爬坡性能</p><p>　　3.2.1 機(jī)器人爬坡性能理論分析</p><p>　　機(jī)器人在爬坡時(shí)有兩項(xiàng)約束條件（1）幾何約束，主要是考慮靜態(tài)穩(wěn)定性約束。（2）物理約束，考慮機(jī)器人與坡面之間附著力大小對(duì)爬坡性能的影響。</p><p>　　當(dāng)機(jī)器人不能滿足靜態(tài)穩(wěn)定性條件時(shí)車身會(huì)產(chǎn)生傾理：或者機(jī)器人

78、在爬坡時(shí)可能由于履帶與地面附著力不夠而導(dǎo)致車身沿坡面下滑，最終機(jī)器人爬坡角度由這兩項(xiàng)因素決定，機(jī)器人爬坡狀態(tài)如圖3-4所示。</p><p>　　(a)機(jī)器人正向爬坡 (b)機(jī)器人側(cè)向傾覆</p><p>　　圖3-3機(jī)器人抗顛履分析簡(jiǎn)圖</p><p><b>　　圖3-3中：</b>&l

79、t;/p><p><b>　　—機(jī)器人重心；</b></p><p><b>　　—爬坡角度；</b></p><p><b>　　—前輪直徑；</b></p><p><b>　　—后輪直徑；</b></p><p>　　—重心到后輪

80、點(diǎn)距離；</p><p><b>　　—翼板中軸線；</b></p><p>　　—重心與前后輪軸線點(diǎn)的夾角；</p><p>　　—機(jī)器人前后輪中心線長(zhǎng)度：</p><p><b>　　—機(jī)器人寬度：</b></p><p><b>　　—后輪支撐點(diǎn)：</b

81、></p><p><b>　　—重心離地高度；</b></p><p>　　—重心垂線到點(diǎn)的距離；</p><p><b>　　（1）幾何約束</b></p><p>　　機(jī)器人爬坡時(shí)傾覆情況分兩種，正向傾覆和側(cè)向傾覆（如圖3-3（a））所示，當(dāng)坡面角度增加時(shí)，機(jī)器人重心點(diǎn)的垂線與坡面線的交

82、點(diǎn)向后移動(dòng)，逐漸向機(jī)器人后輪支點(diǎn)靠近，兩者之間的距離逐漸減??；當(dāng)大于0時(shí)，機(jī)器人處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)?shù)扔?時(shí)，機(jī)器人處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)小于0時(shí)，機(jī)器人處于失穩(wěn)狀態(tài)。</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p><b>　　正向傾覆計(jì)算如下：</b></p><p><b>　　求出：</b

83、></p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　其中：常數(shù)；令計(jì)算結(jié)果為。</p><p><b>　　側(cè)向傾覆計(jì)算如下：</b></p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　因?yàn)闄C(jī)器人為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，所

84、以其重心位置處于機(jī)器人的中軸線上，計(jì)算式如下，</p><p><b>　　令計(jì)算結(jié)果為。</b></p><p><b>　?。?）物理約束</b></p><p>　　機(jī)器人與坡面之間附著力大小應(yīng)大于機(jī)器人沿斜坡方向的重力分量。</p><p><b>　　(3-6)</b>

85、;</p><p><b>　　令計(jì)算結(jié)果為。</b></p><p>　　綜合（3.4）式、（3.5）式、（3.6）式，最終機(jī)器人爬坡角度取小值。</p><p>　　3.2.2 機(jī)器人爬坡性能數(shù)值計(jì)算</p><p><b>　　(1)理論計(jì)算</b></p><p>　

86、　機(jī)器人爬坡能力大小與路面附著系數(shù)、自身結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)。根據(jù)資料查得：橡膠同步帶在較光滑的路面行駛（不考慮履刺對(duì)附著力大小的影響），附著系數(shù)可取0.7或者橡膠，同步帶在摩擦力較大的路面上行駛，附著系數(shù)可取1.2；機(jī)器人外形尺寸請(qǐng)參考上節(jié)2.3；需要補(bǔ)充的參數(shù)有機(jī)器人重心位置尺寸（如圖3-3）：（l）機(jī)器人總體重心距后輪軸線為R3，值為230mm；（2）重心位置與前、后輪連軸線之間的夾角為值為；（3）重心離坡面的高度尺寸為B值為131mm。

87、</p><p>　　根據(jù)（3.4）式得出：，；根據(jù)（3.5）式得出：；</p><p>　　根據(jù)（3.6）式得出：在附著系數(shù)取0．7的情況下或者在附著系數(shù)取1.2的情況下</p><p><b>　　(2)計(jì)算結(jié)果對(duì)比</b></p><p>　　由計(jì)算結(jié)果得到機(jī)器人正向傾覆角度為，測(cè)向傾覆角度為，綜合正向、側(cè)向傾覆角

88、度，兩者取小值，機(jī)器人最大抗傾覆角度為。</p><p>　　最終機(jī)器人在附著系數(shù)取0.7的情況下，爬坡角度為</p><p>　　在附著系數(shù)取1.2的情況下，爬坡角度為</p><p>　　3.3 機(jī)器人越障性能</p><p>　　機(jī)器人行進(jìn)時(shí)遇到障礙，首先將兩側(cè)翼板按前后順序展開，使之支撐在障礙物上如圖 3-4(b), 3-4(c).然

89、后驅(qū)動(dòng)主體內(nèi)部直流電機(jī)，使主體在中輪支撐下相對(duì)兩塊側(cè)翼板產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而抬高機(jī)器人整體重心，如圖3-4(d)最后機(jī)器人借助履帶的前移完成翻越過程。</p><p>　　圖3-4翻越過程簡(jiǎn)圖</p><p>　　綜合幾何約束、物理約束對(duì)機(jī)器人越障過程進(jìn)行分析。</p><p>　　3.3.1機(jī)器人越障性能理論分析</p><p>　?。?）基于重

90、心計(jì)算的越障分析</p><p>　　機(jī)器人跨越垂直障礙時(shí)兩側(cè)翼板搭接到障礙物上，利用翼板電機(jī)驅(qū)動(dòng)主體轉(zhuǎn)動(dòng)，從而抬高翼板重心，姿態(tài)如圖3-5所示（圖3-5中G2點(diǎn)的位置隨主體負(fù)載變化而變化）．</p><p><b>　　圖3-5越障分析1</b></p><p>　　圖3-5中：—機(jī)器人翼板單元重心；</p><p>

91、<b>　　—機(jī)器人主體重心；</b></p><p><b>　　—前輪中心；</b></p><p><b>　　—后輪中心；</b></p><p><b>　　—中輪中心：</b></p><p><b>　　—障礙物垂直高度；</

92、b></p><p><b>　　—與夾角；</b></p><p><b>　　—與夾角；</b></p><p><b>　　—距點(diǎn)極半徑</b></p><p><b>　　—距；</b></p><p>　　—機(jī)器人主

93、體與地面水平夾角；</p><p>　　—翼板單元與地面水平夾角；</p><p><b>　　物理約束：</b></p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　(1)式中為左右兩塊翼板重心對(duì)支點(diǎn)的力矩，為中間主體的重心對(duì)支點(diǎn)的力矩。</p><p>&

94、lt;b>　　幾何約束：</b></p><p><b>　　(3-2)</b></p><p><b>　　(3-3)</b></p><p><b>　　取值范圍：</b></p><p><b>　　(3-4)</b></p&

95、gt;<p><b>　　高度越障的表達(dá)式</b></p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　公式（5）所含參數(shù)表達(dá)式如下</p><p>　　最后綜合（3-1）~（3-5）得出越障高度H與機(jī)器人五個(gè)尺寸參數(shù)之間的關(guān)系：</p><p><b>　　

96、(3-6)</b></p><p>　?。?）基于摩擦力計(jì)算的越障分析</p><p>　　機(jī)器人越障時(shí)，履帶與坡角接觸面的附著力應(yīng)大于機(jī)器人中輪與地面的滾動(dòng)摩擦力，這樣履帶才能提供足夠的驅(qū)動(dòng)力使機(jī)器人翻越障礙，機(jī)器人越障姿態(tài)如圖3-6所示。</p><p>　　機(jī)器人未負(fù)載或輕負(fù)載時(shí)取值，表示翼板與坡面的法向接觸力，表示機(jī)器人中輪與地面法向接觸力，對(duì)機(jī)

97、器人進(jìn)行力學(xué)分析。</p><p><b>　　圖3-6越障分析2</b></p><p><b>　　幾何約束：</b></p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　物理約束：（條件：，為附著力系數(shù)，為滾動(dòng)系數(shù)。）</p><p&g

98、t;<b>　　(3-8)</b></p><p>　　3.3.2機(jī)器人越障性能數(shù)值計(jì)算</p><p>　　機(jī)器人翻越垂直障礙時(shí)，越障高度與外形尺寸和重心位置相關(guān)，機(jī)器人外形尺寸請(qǐng)參考上節(jié)2.3，機(jī)器人主體和履帶重量及重心位置尺寸需要補(bǔ)充，相關(guān)尺寸參數(shù)標(biāo)記請(qǐng)參考圖3-7。</p><p>　　圖3-7中各參數(shù)取值：</p>&l

99、t;p>　　—器人履帶重量25Kg.</p><p>　　—機(jī)器人主體重25IKg,’</p><p><b>　　—值為0.</b></p><p><b>　　—值為9.60t</b></p><p><b>　　—值為4.580，</b></p>&l

100、t;p><b>　　—值為309mm，</b></p><p><b>　　—值為340mm。</b></p><p>　　機(jī)器人在越障過程中角度逐漸變大，重心抬高，機(jī)器人的越障高度也隨之增大．當(dāng)取值時(shí)根據(jù)(3-4)式可以得出取范圍小于,根據(jù)(3-6)式、(3-8）式得出機(jī)器人理論最大越障高度H為531mm。</p><

101、p>　　3.4機(jī)器人跨溝性能</p><p>　　機(jī)器人遇到較窄的深溝時(shí)，以正常的行進(jìn)方式通過；機(jī)器人遇到較寬的深溝時(shí)，首先順序轉(zhuǎn)動(dòng)兩側(cè)翼板，使車身長(zhǎng)度達(dá)到最大尺寸后再向前運(yùn)動(dòng)如圖3-7(a). 3-7（b），展開的翼板跨過深溝搭接到對(duì)面支撐點(diǎn)如圖3-7(c) 3-7(d).通過深溝后最后順序收回左右翼板，完成整個(gè)跨溝過程。</p><p>　　圖3-7跨溝過程簡(jiǎn)圖</p>

102、;<p>　　3.4.1機(jī)器人跨溝性能理論分析</p><p>　　(1)機(jī)器人跨越較窄的深溝</p><p>　　機(jī)器人以正常姿態(tài)跨越較窄的深溝時(shí)，跨溝寬度不能超過機(jī)器人重心距前輪或后輪最小距離，機(jī)器人跨溝姿態(tài)如圖3-8所示。</p><p><b>　　圖3-8跨越窄溝</b></p><p><

103、b>　　圖3-8中：</b></p><p><b>　　—機(jī)器人翼板重心：</b></p><p><b>　　—機(jī)器人主體重心；</b></p><p><b>　　—前輪直徑；</b></p><p><b>　　—后輪直徑；</b>

104、;</p><p>　　—前后輪之間的中心距；</p><p>　　—主體重心與水平線夾角（重心與主體對(duì)稱軸線重合）：</p><p>　　—翼板重心與水平線夾角；</p><p>　　—翼板對(duì)稱軸與水平線夾角；</p><p>　　—機(jī)器人主體重心到后輪距離；</p><p>　　—翼板重心到

105、前輪距離；</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　機(jī)器人總體重心位置尺寸為</p><p><b>　　機(jī)器人跨溝寬度</b></p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　(2)機(jī)器人跨越較寬的深溝

106、</p><p>　　機(jī)器人在跨越寬溝過程中，將兩側(cè)翼板展開，外形達(dá)到最大尺寸，跨越深溝的寬度取總體重心到前后輪最小距離，參數(shù)標(biāo)記如圖3-9。</p><p><b>　　圖3-9跨越深溝</b></p><p>　　機(jī)器人重心位置尺寸為</p><p><b>　　(3-11)</b></p

107、><p><b>　　機(jī)器人跨溝寬度</b></p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　3.4.2機(jī)器人跨溝性能數(shù)值計(jì)算</p><p>　　機(jī)器人跨溝寬度與結(jié)構(gòu)外形尺寸、重心位置尺寸相關(guān)，機(jī)器人外形尺寸請(qǐng)參考上節(jié)2.3:機(jī)器人重心位置尺寸取值,取值,取值400mm, 取值3

108、40mm, 取值,取11Kg, 取14Kg.</p><p>　　根據(jù)公式(3.10）和公式(3.12)計(jì)算出機(jī)器人正常姿態(tài)下跨越深溝寬度為=268 (mm),機(jī)器人兩側(cè)翼板展開姿態(tài)下跨越深溝寬度為=425（nun）。</p><p>　　3.5機(jī)器人上下臺(tái)階</p><p>　　室內(nèi)環(huán)境中，機(jī)器人遇到較低的臺(tái)階可利用前輪大尺寸優(yōu)勢(shì)，依靠臺(tái)階提供的支持力直接上下樓梯

109、過程（如圖3-10所示）；遇到較高的臺(tái)階，機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)兩側(cè)冀板，完成上下臺(tái)階運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　圖3-10機(jī)器人上下臺(tái)階過程</p><p><b>　　圖3-11中：</b></p><p><b>　　—機(jī)器人體重量；</b></p><p><b>　　—前輪直徑；</b

110、></p><p><b>　　—后輪直徑：</b></p><p>　　—機(jī)器人重心到后輪距離：</p><p>　　—重心與水平線夾角：</p><p><b>　　—前輪越障角度；</b></p><p><b>　　—臺(tái)階角度；</b>&l

111、t;/p><p><b>　　—臺(tái)階寬度；</b></p><p>　　機(jī)器人在上下臺(tái)階過程中，重心位置偏向后輪，取后輪為支點(diǎn)進(jìn)行分析（如圖3-10所示），得出機(jī)器人能平穩(wěn)、連續(xù)上臺(tái)階的最佳條件為：</p><p><b>　　(3-13)</b></p><p><b>　　(3-14)&l

112、t;/b></p><p>　　公式(3.13)和公式(3.14)中的參數(shù)、（摩擦系數(shù)）具體取值由環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)決定。</p><p>　　機(jī)器人在非連續(xù)狀態(tài)下上臺(tái)階，參考條件如下：</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p><b>　　(3-16)</b></p&

113、gt;<p>　　機(jī)器人應(yīng)盡量避免上下其它結(jié)構(gòu)尺寸的樓梯。</p><p>　　機(jī)器人在干沙地環(huán)境中爬坡角度至少為45；在橡膠同步帶與地面附著系數(shù)為0.7時(shí)，機(jī)器人爬坡高度至少為35；垂直越障高度為500mm:最大跨溝寬度為400mm。</p><p>　　4 履帶式空投機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)<

114、;/b></p><p>　　機(jī)器人采用履腿復(fù)合移動(dòng)結(jié)構(gòu)，為分左翼板、右翼板、中間主體三段。</p><p>　　(1)左、右翼板各包括兩個(gè)同步帶輪、橡膠同步帶、前后兩塊鋁合金翼板、高彈性緩沖塊、100w直流電機(jī)和鏗電池組等，</p><p>　　(2)中間段主體部分包括直流電機(jī)、蝸輪、蝸桿、離合器以及中輪和各類控制卡板等(如圖4-1所示)。</p>

115、;<p>　　機(jī)器人同步帶、前后同步帶輪、翼板等零件設(shè)計(jì)尺寸與材料選用如下：</p><p>　　(1)橡膠同步帶采用兩條寬為90mm的雙面交錯(cuò)梯狀齒形同步帶，該型號(hào)同步帶具有履帶的功用，優(yōu)點(diǎn)是地面附著性能良好可以適應(yīng)沙地、沼澤、崎嶇山地等一些惡劣的地形條件。</p><p>　　(2)機(jī)器人的前、后輪采用鋁合金制成，前輪直徑300mm，后輪直徑190mm.兩輪一大一小設(shè)計(jì)既

116、增加機(jī)器人越障能力又縮小機(jī)器人總體高度尺寸。</p><p>　　(3)機(jī)器人左右翼板分別包括了前翼板、后翼板共4塊翼板，翼板采用10mm厚的硬鋁合金制成，為了提高翼板的抗沖擊性能上面附有加強(qiáng)筋。</p><p>　　(4)另外機(jī)器人4塊高彈性緩沖塊采用鋼制彈簧與螺栓螺母制成，翼板內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用Maxon公司100w EC直流電機(jī)，翼板轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)采用sow直流電機(jī)，電池組采用鋰聚合物動(dòng)力電

117、池，離合器采用牙嵌式電磁離合器，該類型離合器特點(diǎn)是體積小、傳遞轉(zhuǎn)矩大。</p><p>　　圖4-1機(jī)器人的零部件組成</p><p>　　4.1.1機(jī)器人模塊化設(shè)計(jì)</p><p>　　機(jī)器人采用三段式模塊化設(shè)計(jì)，分為左翼板模塊、右翼板模塊、主體模塊，三部分通過彈性聯(lián)軸器聯(lián)接，拆卸時(shí)只需沿聯(lián)軸器內(nèi)的花鍵槽卸下兩側(cè)的軸用擋圈即可拆出翼板模塊如圖4.2所示。</

118、p><p>　　圖4-2機(jī)器人模塊構(gòu)成</p><p>　　左、右翼板模塊為完全對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在拆卸翼板電機(jī)、電池和中輪后，左、右翼板可以實(shí)現(xiàn)通用，這樣更加便于加工制造、更換和維修；另外左、右翼板模塊擁有各自獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，單個(gè)翼板模塊就可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退等基本的行走功能。當(dāng)兩個(gè)翼板模塊通過輸出轉(zhuǎn)軸法蘭組合后可帶動(dòng)主體模塊運(yùn)動(dòng)，若兩翼板模塊運(yùn)動(dòng)速度不同，機(jī)器人轉(zhuǎn)彎半徑也就不一樣；如果兩翼板模塊運(yùn)動(dòng)

119、速度相同、方向相反，那么機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，原地轉(zhuǎn)向功能非常有利于機(jī)器人在狹小空間范圍內(nèi)活動(dòng)。</p><p>　　4.1.2機(jī)器人履帶張緊和支撐結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖4-3機(jī)器人履帶張緊與支撐結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　彈性緩沖塊（如圖4.3所示）不僅起到減緩沖擊力的作用，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)同步帶張緊。機(jī)器人通過后驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)橡膠同步帶前行，同步帶在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后