四履带搜救机器人的结构设计—移动平台设计 毕业设计

摘摘 要要分析了国内外履带式机器人的研究现状,讨论了履带式机器人在机械结构、稳定性和控制方法等方面的现有研究方法,列举了履带式机器人研究中存在的问题,展望了履带式机器人的发展方向。在观察分析其他机器人的结构及经验的基础上，进行方案比较选定的设计，是一种履带式搜救机器人的移动平台，设计内容包括设计行走底盘、摆臂和移动平台的减速器，并对机器人的局部受力情况作了具体的分析。为发挥四履带双摆臂机器人的最佳越障性能，本文从运动学的角度，在固定双履带机器人越障机理的基础上，分析了四履带双摆臂机器人克服台阶、斜坡、沟道等典型障碍的运动机理及其最大越障能力，重点研究了四履带双摆臂机器人正向和反向两种攀越台阶方式的运动机理及其最大越障能力。本文推导出机器人的最佳越障性能及对应的质心和摆臂的位置，可为机器人越障时质心位置的控制提供理论依据本设计的重点在于机器人的移动平台结构设计，由于机器人整体的设计难度较大，材料和机构精度要求较高，本设计为此类设计提供了较成熟的设计方案。关键字：关键字：机器人；质心；越障；攀越台阶；履带底盘； AbstractWhat this design was a section of marching fire robot foundation level carrier, the design content walks the chassis including the design and swing arm and the retarder as well as has made the concrete analysis to robots partial stress situation. Trial manufacturing overall robot structure. In the design trial manufacturing process, the unceasing observation analyzes other robots structure, absorbs the predecessor to experience, carries on the plan quite to designate. And goes down to the factory to process one to carry on the study, brings to completion the processing technique of manufacture, avoids stepping onto only pauses the written design to be separated from the actual manufacture the tortuous path.The current status domestic and overseas with respect to tracked mobile robots was surveyed, and the existing research approaches in terms of theme chinacal structure, stability and control algorithms of tracked mobile robots were described. To conclude, the problems to be solved were stated and the future development of tracked mobile robots was discussed.For performing the best obstacle-surmounting capability of four-track robot with two swing arms, obstaclesur mounting mechanism of the four-track robot with two swing arms and its capabilities of surmounting obstacles, including step and slope-climbing, and channel-crossing, are analyzed from the viewpoint of kinematics based on the obstaclesur mounting mechanism of the fixed two-track robot. Its motion mechanism and maximal obstacle-surmounting capability of step-climbing forward and backward are mainly analyzed. The theoretical value of maximal obstacle-surmounting capabilities of the prototype are obtained and compared with the test results. And the best obstaclesur mounting performance and the corresponding centroid and swing arm positions are deduced. This paper would provide theoretical basis for centroid position control in obstacle-surmounting process.This graduation projects key point lies in robots trial manufacturing research work, because the robot wholes design difficulty is big, the material and the organization accuracy requirement is high, this trial manufacturing product has not been able to take the mature product to carry on adds the manufacture, can only do for the guidance prototype supplies the reference.Key words: Robot; centroid; obstacle-surmounting; step-climbing; Caterpillar band chassis目录1 绪论 .11.1 引言.11.2 课题研究的背景及意义.21.2.1 课题研究的背景 .21.2.2 课题研究的意义 .21.3 机器人的研究现状.31.3.1 国外研究现状 .31.3.2 国内研究现状 .51.3.3 搜救机器人的发展趋势 .72 搜救机器人移动平台结构分析 .162.1 搜救机器人的设计要求.162.2 典型移动机构方案分析.182.2.1 轮式移动机构特点 .182.2.2 腿式移动机构特点 .192.2.3 履带式移动机构特点 .202.2.4 履、腿式移动机构特点 .212.2.5 轮、履、腿式移动机构性能比较 .222.3 本研究采用的行走机构.222.4 搜救机器人的移动平台结构和摆臂结构.232.4.1 移动平台结构 .232.4.2 摆臂结构 .242.5 越障分析.252.5.1 机器人跨越台阶 .262.5.2 跨越沟槽 .272.5.3 斜坡运动分析 .283 机器人驱动电机电机设计 .303.1 基于平地的最大速度的电机功率计算.303.2 爬坡最大坡度的驱动电机功率计算.314 移动平台的减速器相关设计 .334.1 移动平台的减速器方案分析.334.1.1 移动平台的减速器应满足的要求 .334.1.2 移动平台的减速器方案分析 .334.2 移动平台的减速器的设计计算.354.2.1 移动平台的减速器的传动方案分析 .354.2.2 配齿计算 .354.2.3 初步计算齿轮的主要参数 .364.2.4 装配条件的计算 .374.2.5 齿轮和轴强度的验算 .375 移动机构履带设计 .395.1 履带的选择 .395.2 确定带的型号和节距.405.3 确定主从动轮数据 .415.3.1 驱动轮参数计算 .425.3.2 从动轮参数设计 .436 传动轴的设计 .446.1 驱动轴的设计.446.2 驱动轴的强度校核.467 摆臂设计 .497.1 摆臂作用.497.2 翼板部分设计.497.3 摆臂齿轮计算.517.4 摆臂轮轴的设计.527.5 摆臂减速器相关参数.53全文总结 .54致 谢 .56参考文献 .5701 绪论1.1 引言近几年各种灾害不断的发生，各种灾害发生后世界人名都积极投入到救灾活动中。作为当代大学生对这些灾难尤其关注，一些人立即奔赴灾区，很多人捐款捐物。灾难后总会看到有人被困在废墟下，而外面的人却一时无法将他们救出时，我们心里十分焦急，总在想：里面的人肯定受了重伤，也一定很饿，如果有个小型搜救器能迅速钻到废墟里，探明受伤人位置和情况，给他们送去急需的药品和饮食该有多好啊。基于这种想法，搜救机器人从此诞生了。然而我国在各种灾害中，但据资料显示，搜救机器人并未得到很好的利用，参加搜救的主要还是以消防官兵，搜救犬及支援人士。地震、火灾、矿难等灾难发生后,在废墟中搜寻幸存者,给予必要的医疗救助,并尽快救出被困者是救援人员面临的紧迫任务。实际经验表明,超过 48 小时后被困在废墟中的幸存者存活的概率变得越来越低。由于灾难现场情况复杂,在救援人员自身安全得不到保证的情况很难进入现场开展救援工作的,此外,废墟中形成的狭小空间使搜救人员甚至搜救犬也无法进入。灾难搜救机器人可以很好地解决上述问题。机器人可以在灾难发生后第一时间进入灾难现场寻找幸存者,对被困人员提供基本的医疗救助服务,进入救援人员无法进入的现场搜集有关信息并反馈给救援指挥中心等。近年来,为了满足救援工作的需要,国内外很多研究机构开展1了大量的研究工作,可以在灾难现场废墟中狭小空间内搜寻的各类机器人如可变形多态机器人、蛇形机器人等相继被开发出来。1.2 课题研究的背景及意义1.2.1 课题研究的背景机器人是人类智慧的产物，他能完成人类无法实现的作业，20 世纪就已经得到社会各界人士高度重视的机器人，在 21 世纪更是如娇娇宠儿，得到世人关注。随着全球环境的变化，工作、生活中发生的意外事故的增多，一个必要的无人操作搜救机器人必然诞生。人类本体的搜救能力越来越显得拘束，人类在智慧上超出动物很多，但在特定环境的适应上就要比动物差很多。虽然人发明了很多的技术弥补了这一不足，但明显可以看到，舰船的灵活性比不上鱼类，飞机的灵活性比不上鸟类甚至昆虫，车辆的地形适应性比不上四条腿的动物。搜救机器人的研究可以弥补我们这方面的不足，对社会产生大的经济效益。搜救机器人的研究可以满足一些行业的需求。机器人由于其天生的多自由度，多冗余自由度，可以在狭小的空间内穿梭，可以满足在复杂环境中搜救、侦查、排除爆炸物等反恐任务。1.2.2 课题研究的意义（1）课题研究的社会意义搜救机器人的研究给搜救工作带来很大的方便，在灾难发生后，能够快速地投入到搜救工作中，提高搜救效率，减少人员伤亡，失踪等不幸事故，更好的为社会服务。（2）课题研究的科学意义搜救机器人的研发，在很大程度上弥补了我们在搜救领域的不足，为后期更好的扩展，奠定了基础。21.3 机器人的研究现状1. .3.1 国外研究现状近十年来，尤其是“9.11”事件之后，美国、日本等西方发达国家在地震、火灾等救援机器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各种可用于灾难现场救援的机器人。（1）履带式机搜救机器人履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险物等作业的需要，在传统的轮式移动机器人的基础上发展起来的。图 1-1 给出了目前国际上几家著名机器人公司的典型产品，他们主要是为了满足军事需要而开发的，体积普遍偏大，不太适合在倒塌的建筑物废墟中狭小空间内搜寻幸存者。（a）Foster-Miller 公司（b）Inuktun 公司的 （c）SPAWAR 的 的 SOLEM 机器人 Minitrac 机器人 urbot 机器人图 1-1 机器人公司给出的典型产品（2）可变性（多态）搜救机器人 为了能进入狭小空间展开搜救工作，要求机器人的体积要尽可能小，但体积小了搜索视野就会受到限制，为了解决这已矛盾，近年来在传统牵引式多态搜救机器人。图 1-2 为美国 Irobot公司生产的 Packbot 系列机器人，packbot 机器人有一对鳍形前肢，这对鳍形前肢可以帮助崎岖的地面上导航，也可以升高感知平台以便更好地观察。图 1-3 为加拿大 inuktun 公司 MicroVGTV 3多态搜救机器人，他可以根据搜索通道的大小及搜寻范围的远近灵活地调整形状和尺寸。 (a)正常状态 （b）直立状态图 1-2 美国 Irobot 公司 packbot 多态搜救机器人 （a）平躺状态 （b）半直立状态 （c）直立状态图 1-3 加拿大 Inuktun 公司 Micro VGTV 多态搜救机器人（3)仿生搜救机器人虽然履带式可变形多态机器人可根据搜索空间的大小改变其形状和尺寸，但受驱动方式的限制，其体积不可能做得很小。为了满足对更狭小空间搜索的需要，人们根据生态学原理研制了各种体积更小的仿生机器人，其中蛇形机器人就是其中很重要的一类。图 1-4(a)为 cmu 研制的安装的蛇形机器人。图 4（b）为日本大阪大学研制的蛇形机器人。图 1-4（c）为美国加州大学伯克利分校研制的身高不足 2cm 的苍蝇搜救机器人。随着技术的不断成熟，相信蛇形、蝇形等仿生机器人会在灾难搜救工作中发挥越来越大的不可替代的特殊作用。4 （a）CMU 研制的基于移动平台的蛇形机器人 (b)日本大阪大学研制的蛇形机器人（c）加州大学伯克利分校研制的苍蝇机器人图 1-4 仿生机器人1.3.2 国内研究现状在日本大阪大学研制出蛇形机器人不久，我国中国科学院沈阳自动哈研究所，国防科技大学，北京航空航天大学等单位也都相继研制出了类似的蛇形机器人系统。在 5.12 地震发生后，针对乱石之中被埋在抚恤下的生命很难发现， “如果有能穿越乱石的机器人，也许就可以发现废墟下的生命迹象从而救出更多的人！“谢敬涛等 5 位重庆交大的 5 位同学经过商量后便有这个想法，发明一个越障能力强的机器人-蛇形机器人（图 1-5）.5图 1-5 重庆交大的能翻越障碍的机器人由中科院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室研制的空中搜索探测机器人、废墟表面搜救机器人(如图 1-6),在位于北京西郊凤凰岭的国家地震紧急救援训练基地完成了综合调试演练，并达到了预期性能指标。这标志着我国地震搜救机器人系统已进入到示范应用阶段，有望在“十二五”期间作为地震应急搜救装备投入实际使用。图 1-6 空中搜索探测机器人、废墟表面搜救机器人国内首台煤矿搜救机器人(样机)在江苏徐州诞生，该机器人由中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所研制。目前这台搜救6机器人采用点对点式的无线控制方式，有效控制范围为 300 米，每台售价约 40 万元。由葛世荣教授领导的科研小组正在研制使用中继站式无线通讯方式，成功后将可实现对机器人 1.5 公里范围内的无线控制。煤矿搜救机器人采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式，它能在矿难发生后深入事故现场探测火灾温度、瓦斯浓度、灾害场景、呼救声讯等信息，并实时回传采集到的信息和图像，为救灾指挥人员提供重要的灾害信息。同时，机器人还能携带急救药品、生命维持液、食品和千斤顶、撬棍等自救工具以协助被困人员实施自救和逃生。据悉，此机器人通过改装后还可广泛应用于地面救火、有害气体测试等用途。 图 1-7 煤矿搜救机器人(样机)以上是目前世界上的搜救机器人的发展现状。搜救机器人多种多样，然而真正应用在实际中的机器人目前不是很多。由于技术发展的限制，很多机器人只能在一个方面使用，没有几种多功能的搜救机器人，但是很多机器人又有相同的地方。1.3.3 搜救机器人的发展趋势然而，灾难后的废墟中有各种各样的障碍物。有些障碍物对7于人类不算什么，但是对于目前的机器人却是个高不可攀的大山。就算是在灵活的机器人也不如人类灵活，如何提高机器人的灵活性和越障能力是现在机器人发展的主要方向。移动性是救援机器人开展搜救工作的基础和前提,灾难现场的复杂性对机器人的运动能力提出了很高的要求,目前可根据搜救现场空间大小而改变形状和大小的可变形多态机器人,根据仿生学原理具有更强移动搜索能力、体积更小的仿生机器人成为研究热点。由于搜救现场环境的复杂性,在结构化室内环境下已成熟的导航、定位以及未知环境搜索等算法很难在搜救过程中使用,目前搜救机器人一般采用有线或无线以手工操纵的半自主工作方式为主,研究的热点在于提高机器人识别幸存者的准确率上。随着技术的不断成熟和发展以及救援工作的需要,组建机器人救援队实现在复杂的非结构化未知环境中进行快速搜索将会成为可能。履带式的机器人是在传统轮式机器人的基础上发展起来的，履带式机器人负重能力强，越障能力出色，适应性好，被广泛应用在各种方面，但是履带式机器人一般体积较大，无法穿越一些狭小的地方。可变形的机器人灵活性好，越障能力因可变形而有所提升，体积可小可大，适用范围更广。仿生机器人模仿各种小型动物等，更加灵活，体积小更加能穿越各种障碍，能更好的完成搜索任务。如蛇形机器人近年来, 特别是 2000 年以来,以蛇形机器人为代表的仿生机器人正在成为新的研究热点,且已经取得不少突破性研究成果。近些年来来搜救机器人在各个方面大放光彩，在全球和我国都出现了一些表现出众的例子8下面介绍几种搜救机器人使用案例：（1）搜救机器人在西弗吉尼亚矿难救援中的应用2006 年年初,美国西弗吉尼亚 Sago 煤矿发生矿难,造成 12 名矿工死亡。事故发生后,救援人员使用 GPS 测定被困矿工的方位,然后从地面上钻了 3 个深孔,以便给井下输送氧气,同时期望对井下的状况进行检测。救援人员分别放入空气探测仪和摄像头,但均无功而返。为了从水平方向对井下情况进行探测,美国劳工部矿业安全与卫生局通过深孔向井下派出了一个救援机器人,如图1-8 所示。这是搜救机器人被第一次用于矿难的救援,但最终因机器人中途行进过程中陷入泥潭而受阻。图 1-8 搜救机器人用于矿难救援（2）搜救机器人亮相得克萨斯 可检测出众多潜在危险一批勇敢的机器人在上周参与了得克萨斯州受灾城市培训中心的模拟救援工作。它们可举起 120 磅的重物，还可检测出化学战剂、放射线和其他一些潜在危险。9图 1-9 Mesa Robotics 公司生产的 Matilda 机器人名为 Eyeball、Dragon Runner、ToughBot、Marv、Matilda 和Talon 的机器人在上周勇敢地参与了得克萨斯州 A&M 大学附属的一个 52 英亩的受灾城市培训中心的模拟救援工作。该中心是在 1997 年开放的，由大学的得克萨斯工程扩展服务（Texas Engineering Extension Service）负责运作，它主要被用来培训得克萨斯州应急反应部队以及来自全球各地的消防队员和救援队员。进行机器人的演习，是某些年美国国土安全部下属的科技管理局和商业部下属的国家标准与技术学会赞助进行的第四次演习，据纽约时报称本次演习的任务比较复杂，主要是寻找各种评估机器人性能的方法以便对它们进行比较。图 1-9 中显示的是 Mesa Robotics 公司生产的 Matilda 机器人在受灾城市中的操作帐篷内等候病人。它的重量为 61 磅，可以举起两倍于其体重的负荷；据得克萨斯工程扩展服务组织称，它配备了音频视频输入和化学、生物和放射性感应器。10图 1-10 teleMax 机器人图 1-10 是正在进行国家标准与技术协会响应评价的 teleMax机器人。它可以提供爆炸装备处理和有害物质处理服务。它配备了一只铰接杆和化学制品、气体和/或放射性物质感应器。图 1-11 Segway 公司的 Robotic Mobility PlatformSegway 公司的 Robotic Mobility Platform 也参与了国家标准与技术协会的评估，它可以负担 400 磅的有效负荷并以每小时18 英里的速度行走 15 英里。这款四轮驱动的电子平台可以自动运作或者远程遥控，如图 1-11。11图 1-12 HERO（危险环境机器人守望者）图 1-12 中显示的是 HERO（危险环境机器人守望者）在进行耐久试验过程中穿过受灾城市的主街道的情景。它是由 First Response Robotics 公司生产，配备了一个Kevlar 机体的、防水的无线夜视照相机，只需 3 分钟就可以走出运输箱并开始工作。图 1-13 AirRobotAirRobot 也参与了国家标准与技术协会的评估，它在处理受灾现场时具有一个特殊的优势。这款回转稳定的机器人很容易进行转圈，便于控制，此外它还配备了一个稳定的照相机平台，可用于搜救人员等方面，如图 1-13。12图 1-14 Foster-Miller 公司生产的 Talon-HazmatFoster-Miller 公司生产的 Talon-Hazmat 正在靠近受灾城市中一列充满化学物质负载的列车残骸。Talon 配备了各种最先进的感应器，可以检测出化学战剂、放射线和许多其他的潜在危险，如图 1-14。图 1-15 Robotic FX 公司生产的 Negotiator Tactical Surveillance 机器人Robotic FX 公司生产的 Negotiator Tactical Surveillance 机器人可以携带照相机和其他感应器登上飞机的楼梯。它是通过远程遥控的，搜救人员可以在亲身进入受灾现场之前利用它评估灾情危险级数，如图 1-15。（3）机器蛇和小吊车1995 年 1 月 17 日清晨 5 时 46 分，日本关西地区发生了 7.3级地震，史称阪神大地震。在受灾最严重的神户市，共有 5 万余人伤亡，房屋受创而无家可归者近 32 万人，损失总额约合 100013亿美元。 在这次地震之后，日本政府开始探索使用机器人来搜救受灾者的可能性。许多幸存者会被埋在废墟当中不易发现，可燃物、燃气管道和漏电可能导致二次灾害，甚至是救援者的活动也可能导致受灾者的再次受伤。而传统使用的地震搜救犬需要大量的培训时间，其灵敏度也比不上现代电子设备。相比而言，机器人会更有优势。 从 1996 年开始，日本机械工程师学会机器人与机电分会实施了一个五年计划，鼓励开展各类灾后搜救机器人的研发；2002年，日本文部科学省也启动了一个类似的计划，力图在五年之内让搜救机器人产业商业化。 在这些计划的支持下，已经出现了几种可以投入使用的灾后搜救机器人。在 3 月 11 日的日本史上最强地震之后，两支由机器人研究人员带领的救援机器人队伍，便开始奔赴受灾地区展开营救工作。 东北大学信息科学研究生院的田所谕教授带领的小组，携带着名为“Snakebot”的蛇形搜索机器人。这台机器人的外形像是一个长达八米的试管刷，使用特殊的多马达驱动系统，能够适应大多数地形，并且可以拐过狭小的角度。它的作用和结构都与医生使用的内窥镜非常相似：头部有探照光源和摄像头，能够将废墟内的景象传递给控制者，并且由控制者来决定它的探察方向。 这种机器人的行动速度并不快，每分钟只能前进 3 米左右；但是它的体积优势明显。它能攀爬 20 度的斜坡，挤过狭窄的缝隙，以传回的图像帮助救援者设计最好的救援方案。它还曾经应用于佛罗里达州的一次停车场坍塌事故当中，表现令人满意。 14另一队由千叶工业大学未来机器人技术中心副主任小柳荣次率领。小柳荣次是一位搜救机器人专家，主要从事能够在坎坷地形自由行动的机器人技术研究，曾经在 2004 和 2005 年两次获得世界机器人大赛搜救机器人比赛的冠军。 这次他和团队带来的是 2010 年 9 月刚刚经过测试的搜救机器人 Quince，大小大概和一辆婴儿车相仿。这台机器人可以在一百米内遥控，可以攀爬楼梯，还可以给待援救者送去水和食物。 表面看来，Quince 像是台玩具吊车，在车身中央的位置向上伸出一只长长的机械手。它的驱动系统很奇特，可以说是腿，也可以说是轮子。它的四个马达分别控制四个主动轮，每个主动轮又通过履带驱动一只从动轮。当需要爬坡时，主动轮和从动轮的组合就像是一条短腿，以“举起放下”的循环，轻松攀爬前进。通过低底盘的设计，这台小机器人竟然可以爬上 82 度的陡峭斜坡。 同样，Quince 也带有摄像头，还能绘制所在环境的三维地图。它还有红外线传感器和二氧化碳探测器，能够感知密闭空间里幸存者的体温和呼吸这正是搜救机器人的特征之一。please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings152 搜救机器人移动平台结构分析2.1 搜救机器人的设计要求搜救机器人在灾后搜救展开了新思路，但是也暴露了一些问题。综合考虑机器人技术和搜救环境，未来的搜救机器人技术需求应包括以下几个方面。1机动装置设计在废墟搜救中，机动是机器人首先面临的问题。作为机器人机动主体的底盘，需要装载所有的传感器。考虑废墟倒塌的环境，底盘的设计应该满足以下需求。（1）能够通过粗糙地形，越过或绕过障碍物，能够高低，能够通过狭窄空间。（2）能够耐热、防水、防火、防爆、防腐蚀， 。（3）重量轻，能够在不发生滑动和再次倒塌的情况下对空间进行快速搜索。2传感器城市搜救的两个明确任务：一是寻找可能的幸存者，二是在最初的结构评估过程中对空间进行分类。因此，机器人携带的传感器必须使它们在移动中探测受灾者和收集受灾者信息。如传感器的设计需要能够确定受灾者的生命迹象，并确定幸存者的状态，为了判断出受困者所在的位置和其所在地点的情形，需要综合16GPS、惯性测量装置、编译器、陀螺仪、加速计、触摸、移动、视觉和声学传感器获得的信息等。3通信使用有线通信的机器人在行动中通信系链易缠绕，限制了机器人的移动，适合于短距离的搜救行动。未来的发展是采用无线通信。在纽约世贸中心救援中使用的机器人就是利用无线以太网（2.4GHz 802.11） 、有线通信方式与指挥中心保持通信联络。无线以太网由于带宽的问题，易导致通信中断，因此，需要加强动力、抗干扰能力的设计。4图像处理通过操纵机器人能够获取现场图像，用于确定墙壁和柱子计结构的破坏，管道和储藏库的泄漏和破裂等。同时机器人能够通过获得的现场结构信息绘制出新的结构图，从而向救援人员报告受灾后的精确位置及可能的通路。地图的绘制可以由一个机器人完成，也可以与其他机器人合作来完成。5导航技术提高机器人搜索效率和范围，开展视觉导航技术的相关研究。视觉在机器人路径规划、避障；自动爬楼梯过程中是非常重要的。如 NASA 喷气动力实验室利用图像的楼梯边缘判断方法，解决了机器人爬楼梯的自动化。6人机交互界面为了方便使用者在救援行动中有效的使用机器人，便捷的人机交互是非常必须的。一个有效的用户界面必须能够向操作员提供足够的决策参考信息，用于制定机器人的下一步行动。在这样的界面下，使用者能够很容易的获得机器人的方向、位置和动力，17操作众多的设备，比如摄像机、灯光和车载钳子，准确的控制机器人的移动，从摄像机获得图像。7群体机器人协同在面对一个巨大灾难的时候，可以考虑由多个机器人组成群体，通过系统协调来完成单机器人无法或难以完成的工作。群体机器人系统具有空间分布、功能分布、时间分布等特点，所以群体机器人系统比单机器人系统具有更强的优越性，主要表现在以下几个方面。（1）群体机器人系统可以实现单机器人系统无法实现的复杂任务。（2）设计和制造多个简单机器人比单个复杂机器人更容易、成本更低。（3）使用群体机器人系统可以大大节约时间、提高效率。（4）群体机器人系统的平行性和冗余性可以提高系统的柔性和弹性。2.2 典型移动机构方案分析 机器人在地面上移动的方式通常有三种：轮式、腿式和履带式。另外还有步进移动式、蠕动式、混合移动式、蛇行移动式等。2.2.1 轮式移动机构特点轮式移动机构在救灾机器人中是最为普通的运动方式，轮式机器人移动机构普遍具有结构简单、运动速度快、能源利用率高的、机动性好强的特点，同时具有自重轻、不损坏路面、作业循环时间短和工作效率高等优势。控制的角度看，编程简单并有较高的可靠性，每个轮子都可以独立驱动。与履带式移动机器人相比，18当跨越不平坦地形时，轮式机器人有着固有的不足，限制了其运动能力，其稳定性和对环境的适应性完全依赖于环境本身的状况，对于进入复杂的环境完成既定任务存在严重的困难。轮式移动机构按轮的数量可分为 2 轮、3 轮、4 轮、6 轮、8 轮。该结构存在着一定的局限性，只能在相对平坦、表面较硬的路面上行驶，如遇到软性地面(如沼泽、草地、雪地、沙地等)容易打滑、沉陷，但可根据具体地面环境采用一些预防措施来缓解该类情况的出现，如采用不同种类的款式轮胎以提高其越野能力，象沙漠车辆、山地车辆等，其各种结构如图 2-1 所示。 图2-1 轮式移动装置示意图2.2.2 腿式移动机构特点腿足式移动机构分 2 腿、4 腿、6 腿、8 腿等形式。腿式移动机构优点有：（1）腿式机器人的地形适应能力强。腿式机器人运动轨迹由一系列离散点组成，崎岖地形可以给这些离散点提供支撑，使机器人平稳运动；而轮式和履带式机器人的运动是连续规迹，有些起伏较大的地形则不支持这种连续运动轨迹，进而限制了该类机器人活动范围。（2）腿式机器人的腿部具有多个自由度，运动更具有灵活19性，通过调节腿的长度可以控制机器人重心位置，因此不易翻倒，稳定性更高；（3）腿式机器人的身体与地面分离，这种机械结构优点在于机器人身体可以平稳地运动而不必考虑地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移动机器人如图2-2所示，特点是稳定性好，越野能力强。腿式移动机构缺点有： （1）该类机器人的移动速度慢，机动性较差因此机器人的负载不能太重； （2）腿式机器入对地面适应性和运动灵活性需要进一步提高； （3）腿式机器人控制系统较为复杂，控制方法还有待完善； （4）该机构未进入实用化阶段。图 2-2 腿式行走机器人2.2.3 履带式移动机构特点履带式移动机构分为l条履带、2条履带(履带可车体左右布置或者车体前后布置)、3条履带、4条履带，6条履带，履带式移动机构与地面较大的接触面积，因此在较大的区域内分布机器人的重量，较大的接触区域使机器人具有较好的驱动牵引力，机动性能好、越野性能强，缺点是结构复杂、重量大、摩擦阻力大，机械效率低，在自身重量比较大的情况下会对路面产生一定的破20坏。履带式移动机构比较轮式移动机构有以下几个特点：（1）撑面积大、接地比压小、滚动阻尼小、通过性比较好；（2）越野机动往能好，爬坡越沟等性能均优于轮式结构；（3）履带支撑面上有履齿不打滑，牵引附着性能好；（4）结构较复杂重量大，运动惯性大，减震功能差，零件易损坏。图2-3为一部分履带式移动机构的简图图2-3 履带式移动装置示意图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。2.2.4 履、腿式移动机构特点履腿复合移动机构综合了履带式和腿式两种移动机构的优势，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。履带移动机构地面21适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为机器人的推进系统；传统履带移动机构往往是两条履带与车身相对固定，很大程度上限制了机器人地形适应能力(此时机器人履带高度和长度直接决定了机器人越障、跨沟等性能)，为了解决该问题履式移动系统中引入了关节履带机构，两条履带不再相对车体固定而是能绕车身转动，这样能大大提高机器人的环境适应能力，但履、腿复合机构本身存在着一定的不足如结构复杂、运动控制困难等。2.2.5 轮、履、腿式移动机构性能比较车轮式，履带式、腿足式移动系统性能比较见表 2-1 所示。 表 2-1 典型移动机构的性能对比2.3 本研究采用的行走机构 履带式机器人具有良好的越障能力和地面适应性，已得到广泛的应用典型的履带式机器人可分为固定履带式机器人和摆臂履带式机器人摆臂履带式机器人根据摆臂的数量可分为四履带双摆臂机器人和六履带四摆臂机器人. 本文提出来的便携式履带机器人移动系统采用的是履带式的结构，加强了机器人越障、爬坡性能并提高了环境适应能力。主要结构如下图所示移动方式轮式履带式腿式移动速度快较快慢越障能力差一般好复杂程度简单一般复杂能耗量小较小大控制难易 易一般复杂22 图 2-4 履带式机器人结构组成1.后轮驱动电机及组件 2.摆臂电机及组件 3.主履带 4.摆臂履带 5.齿轮总体设计方案如图 2-4 所示。采用后轮驱动，差速转向，可实现原地 360转向。摆臂电动机驱动摆臂可在 360范围内旋转，提高机器人跨越沟槽和爬越台阶的越障的能力和翻转后自复位的功能。根据井下环境对机器人的要求，主要设计性能参数如下：L1=600mm,L2=350mm,R=80mm,r=35mm,B(车体宽度)=500mm。车体质量为 50kg,摆臂质量不超过 5kg,机器人做直线运动最大速度等于1m/s,自备电源运行时间大于等于 4 小时。最大越障高度H=300mm，跨越最大沟壑宽度 C=500mm。如 2-5 图：图 2-5 机器人尺寸大小232.4 搜救机器人的移动平台结构和摆臂结构2.4.1 移动平台结构机器人的平台结构支持起整个机器人的框架，为机器人安装的各个部件提供安装的固定支架，并且能保护机器人内部的部件，防止出现意外使其损坏。机器人的主体为箱架结构，各种零件和构件分布在箱体上，箱体为长方体，但为了减轻重量，去除一部分不必要的的箱壁，留下安装构件的主要部分。机器人主体使用后轮驱动，差速转向，移动动力由齿轮带动履带，使主体移动。箱体分双层，下层安装电机、轴和齿轮等动力部分以及支撑各个构件的支架等构架。其下层大体形状如下图 2-6图 2-6 机器人箱体结构2.4.2 摆臂结构摆臂的作用是是机器人在越障时起辅助作用，使机器人受力情况改变，更加灵活的适应崎岖的环境。主要作用为以下两点：（1）支撑摆臂的前轮，使之能够自由滚动。（2）360 度转动时，能够支撑起车体。为了使与摆臂相连的轮能够自由转动，设计成输出轴上套轴承，轴承支撑车轮的形式。24为了使摆臂转动时能够支撑起车体，车体前方的输出轴是由摆臂电机经减速器输出的。输出轴通过花键与摆臂翼板固定连接。采用花键的原因是安装方便。摆臂主体实际上是一块钢板，尺寸略小于轮。前导轮安装在一个短轴上，而短轴也是通过六角螺母嵌到翼板上的。为了使轴翼板不发生相对错动，故当翼板安装到位后，用螺栓将翼板连接起来。2.5 越障分析机器人的大小要能使其越过一些一些经常出现在煤矿废墟里的各种障碍，我们需要计算机器人所能跨越的高度，沟壑以及在一些斜坡上的运动情况。研究摆臂履带机器人的越障机理与越障能力，有利于对机器人的越障运动进行操作与控制，可保证其运行稳定性和最佳越障性能 本文从运动学的角度，在固定双履带机器人越障机理的基础上，分析四履带双摆臂机器人对台阶、斜坡、沟道等典型障碍的越障运动机理。履带式移动机器人面临的环境多为非结构地形环境，非结构地形环境是多样的、复杂的三维地形，包括天然形成的起伏、崎岖地形，以及人工修建的坡路、阶梯、沟道等人工地形影响或阻止机器人平台正常移动的地形、地物称为障碍地形而很多地形具有相近的几何构特征，为了便于分析与表述，通常将障碍地形简化为斜坡、台阶、连续台阶、凸台、沟道等具有典型特征的地形表征斜坡的几何构形特征是坡度和坡向，坡度是高度的最大变化率，坡向是最大变化率的区域方向，其关键边界线为斜坡底部与顶部转折线表征沟道的几何构形特征是跨度和深度，其25关键边界线为沟道两侧边缘线 机器人克服障碍，是指机器人利用其行走机构驱使机器人移动，使其质心越过障碍的关键边界线，在此过程中机器人不发生倾覆，不受障碍卡阻，能继续保持机器人的稳定姿态与移动能力对于履带机器人，可将其攀越凸台的过程分解为上台阶和下台阶的过程，将其攀爬连续台阶的过程根据其几何构形特征的尺寸简化为攀爬斜坡或依次攀爬台阶的情况因此，只需着重分析机器人攀爬台阶、斜坡以及跨越沟道的越障运动机理为了便于研究履带机器人的越障机理，首先对固定双履带机器人的越障机理进行研究2.5.1 机器人跨越台阶（1）越障机理分析当机器人在爬越台阶时，机器人履带底线与地面之间的夹角将随时间而逐渐增加，其重心越过台阶的支撑点时，机器人就跨过了台阶完成爬越动作。（2）越障过程分析煤矿井下搜救机器人爬越台阶的过程如图 2-7 所示，机器人借助摆臂的初始摆角，在履带机构的驱使下，使其主履带前端搭靠在台阶的支撑点上，机器人继续移动，驱动摆臂逆时针摆动，当机器人重心越过台阶边缘时，旋转摆臂关节，机器人在自身重力影响下，车体下移，机器人成功地爬越台阶。26 图 2-7 机器人爬越台阶过程由运动过程可以看出，机器人在越障第三阶段图 2-7（C）重心的位置处于临界状态，机器人重心只有越过台阶边缘，机器人才能成功的越过障碍。由此可分析出机器人的最大越障高度。 图 2-8 机器人上台阶临界状态示意图由图 2-8 所示几何关系可得： cos()cot/sinxLhRR（1）变换式（1）可得： sin/coshLRR（2） 2cossin/cos0hLRd（3）利用式（3）求出，代入式（2）可算出机器人跨越障碍的最大高度。maxh272.5.2 跨越沟槽（1）越障机理分析对于小于机器人前后履带轮中心距地沟槽，因机器人重心在机器人车体内，当机器人重心越过下一个沟槽的支撑点时，机器人就越过了沟槽，完成了跨越动作。也可能由于重心未能过去，倾翻在沟槽内。当沟槽大于中心距时，履带式机器人可以看做爬越凸台障碍。（2）越障分析履带式移动机器人跨越沟槽时，机器人重心不断向前移动，当重心越过沟槽边缘时，受重力作用，机器人将产生前倾现象，运动不稳定。由机器人质心变化规律可知机器人重心在以 r 为半径的圆内，由于摆臂展开后机器人履带与地接触长度变大，为了计算最大跨越壕沟宽度，摆臂履带应处于展开状态。图 2-9 跨越沟槽示意图机器人在平地图 2-9（a）跨越沟槽的宽度： 1Lmax1LLr（4）在角度为的斜坡图 2-9(b)上跨越沟槽的宽度： （5）1Lmax1tanLLrh 282.5.3 斜坡运动分析机器人在斜坡上运动时，起受力情况如图2-10 所示，机器人匀速行驶或静止时，其驱动力： （6）sinFG图 2-10 机器人上坡受力示意图最大静摩擦力系数为，最大静摩擦力为：（7）maxcosFG当时，机器人能平稳行驶。maxFF当时，机器人受重力的影响将沿斜面下滑。maxFF已知煤矿井下机器人在井下地面最大静摩擦系数，则机器人爬越的最大坡度为: （8）1maxtan ( )爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为： max(cossin)ag（9）通过上述分析，可以根据机器人履带与运动面的摩擦系数来确定一些陡坡是否能够安全爬升，并根据坡度和电机的特性，确定其运动过程最大加速及爬升都陡坡的快速性。本章重点围绕矿用履带搜救机器人的爬坡性能、越障性能、跨沟性能三方面，对机器人移动原理进行理论分析，运动过程进行数值计算，验证了该机器人在恶劣环境下具有优良机动能力。29机器人的爬坡角度最大为；垂直越障高度最大为：030最大跨沟宽度为。3 机器人驱动电机电机设计3.1 基于平地的最大速度的电机功率计算假设机器人以最大速度匀速前进，轮子作瞬时纯滚动，sm1前进时不考虑空气阻力的影响。如下图所示：30平地直线运动受力图根据理论力学平面交汇力系平衡条件和合力矩定理： 0F 01IniOFM则，移动机器人平地直线运动的平衡方程为： 0, 00, 00, 0312211mgLLNfRMMFMmgNNYfRMXLLRO则， NmmgLLNfRMMLRL52.23312可以得出，机器人两侧电机经移动平台的减速器后在最大速度下需要提供的极限扭矩为 11.76Nm。在最大的行驶速度下，驱动电机经过减速箱减速后需要提供的极限转速为：min43.119maxmaxrDvn3.2 爬坡最大坡度的驱动电机功率计算相对于平地行驶过程，爬坡能力对于机器人的驱动能力是一个重要的衡量标准，所以在进行驱动系统设计时，爬坡指标的计算也应作为选择电机的必须依据。假设移动机器人在最大指标上匀速行驶，速度为 0.1。sm31在行驶过程中轮子作纯滚动，不考虑空气阻力的影响。机器人爬坡受力情况如图：机器人爬坡受力图爬坡的平衡方程为： please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings解之得：M =43.12Nm,可以得出机器人两侧电机经移动平台L的减速器减速后在最大坡度下爬坡需要提供的极限扭矩为21.56Nm.在 0.1的速度爬坡时，驱动电机经过移动平台的减速器sm后所需提供的转速为： n=11.94Dvminr由以上分析可知，机器人平地直线运动时要求的驱动电机输出转速较大，而爬坡时的要求的驱动电机输出扭矩较大。因此在选电机型时，应根据平地直线运动要求转速和爬坡要求扭矩进行选择。根据最大爬坡要求，初步确定驱动电机经移动平台的减速器后的功率为：=53.8W30nMKPL32则所需电机的输出功率为：=88.19WoutinPP 则可选择如下表 3-1 电机：表 3-1 电动机性能参数产品型号电压额定电流转速输出功率效率Maxon-Ec4524V6.5A1800r/min150W79%4 移动平台的减速器相关设计4.1 移动平台的减速器方案分析移动减速传动机构是完成机器人前进、后退、转向等各种运动的关键部件，利用齿轮的速度转换，将动力机的转速减低到所33需的转速，同时扭矩达增大到所需的扭矩。本机构采用二级减速器，电动机通过移动平台的减速器的实现减速、增大转矩。电动机安装在移动平台的减速器前端，通过锥齿轮改变轴的方向，输出履带驱动轮转矩，为复杂状况下救灾机器人提供主要动力。4.1.1 移动平台的减速器应满足的要求 （1）目前大部分的煤矿都处于深井开采，深度大都为数百米，甚至上千米，远远深于恒温带的深度，随着深度的增加，地温逐渐升高，造成地下温度很高。移动平台的减速器必须满足在高温下工作要求； （2）我国开采的矿井，大部分都为高瓦斯矿井，井内充满了浓厚的瓦斯。移动平台的减速器应有隔爆防爆的作用； （3）搜救机器人的行驶路况复杂，在行驶过程的启动、停止、前进与后退换向频繁。其载重较大，要有较大的启动转矩，启动平稳，换向灵敏； （4）搜救机器人遥控操作，电动机用蓄电池提供能源。体积要小，重量要轻。4.1.2 移动平台的减速器方案分析减速器的种类很多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们互相组合起来的减速器；按照传动级数可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式由可以分为展开式、分流式和同轴式减速器。（1）展开式齿轮减速器结构简单，但齿轮相对于轴承的位置不对称，因此要求轴有较大的刚度。高速级齿轮布置在远离转34矩输入端，这样，轴在转矩的作用下产生的扭矩变形和在载荷作用下轴产生的弯曲变形可部分的互相抵消，以减缓沿齿宽载荷分布不均匀的现象。用于载荷比较平衡的场合。（2）同轴式齿轮减速器横向尺寸较小，两对齿轮侵入油中深度大致相同。但轴向尺寸和重量较大，且中间轴较长、刚度差，沿齿宽载荷分布不均匀，高速轴的承载能力难以充分利用，适合小型、微型机械适用。（3）蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。（4）行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大，但价格略贵。另外行星减速箱，有平齿和斜齿 2 种，精度和价格都有不同。（5）谐波减速器的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差，输入转速不能太高，价格较高。根据复杂路况下搜救机器人的行驶速度及各项工作要求，综合各种减速器的特点，本设计采用二级减速传动，依传递运动和转矩，又根据减速箱空间的限制采用二级行星齿轮减速器。4.2 移动平台的减速器的设计计算4.2.1 移动平台的减速器的传动方案分析 根据上述设计要求可知，该行星轮减速器传递功率高，传动比较大，工作环境恶劣等特点。故采用双级行星齿轮传动。352K-H 型结构简单，制造方便，适用于任何情况下的大小功率的传动。选用由两个 2X-A 型行星齿轮传动串联而成的双级行星齿轮减速器较为合理，名义传动比可分为进行传动。6, 621iipp4.2.2 配齿计算根据 2K-H 型行星齿轮传动比的值和按其配齿计算公式，ip可按第一级传动的内齿，行星齿轮的齿数。先考虑到该行星b1c1齿轮传动的外廓尺寸，故选取第一级中心齿轮数为 23 和行星a1齿轮数为。根据内齿轮，则。3npzizab11111151zb对内齿轮齿数进行圆整后，此时实际的 P 值与给定的 P 值稍有变化，但是必须控制在其传动比误差范围内。实际传动比为:6zzabi111其传动比误差0i根据同心条件可得行星轮的齿数为c1 462111zzzabc所求的适用于非变位或高度变位的行星齿轮传动。再考zc1虑到安装条件为： （整数）46311czzba第二级传动比为 6，选择中心齿数和行星齿轮数目与第一ip2级相同，则。46,115,23222zzzcba364.2.3 初步计算齿轮的主要参数齿轮材料和热处理的选择：中心齿轮和中心齿轮，以A1A2及行星齿轮和均采用 20CrMnTi,渗碳后淬火，淬透性不错，C1C2耐低温冲击，能够满足要求。齿面硬度为 58-62HRC,查行星齿轮传动设计可知，取，MPaH500lim2lim340mmNF中心齿轮加工精度为 6 级，高速级与低速级的内齿轮均采用42CrMo,这种材料经过正火和调质处理，以获得相当的强度和硬度等力学性能，调质硬度为 217-259HRC，取，MPaH510lim，轮和的加工精度为 7 级。2lim360mmNFB1B2几何尺寸的计算根据齿轮的公式，可计算出高速级和低速级齿轮的模数 m、齿数 z、分度圆直径 、基圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径。其结果如下 2 个表格中所示：高速级齿轮 低速级齿轮低速级太阳轮行星轮内齿圈模数 m0.60.60.6齿数 z2346115分度圆直径 d13.827.669高速级太阳轮行星轮内齿圈模数 m0.40.40.4齿数 z2346115分度圆直径 d9.218.446齿顶圆直径10.419.245.28齿根圆直径8.617.44737齿顶圆直径1528.868.28齿根圆直径12.326.170.54.2.4 装配条件的计算对设计的齿轮副应满足以下条件的计算：(1)邻接条件在行星轮传动中，为保证两相邻行星轮的齿顶不致相碰，相邻两行星轮的中心距应大于两齿顶圆半径之和，由公式验算其邻接条件 （为行星轮的直径， a 为中心pacnadsin2acd距）(2)同心条件 按公式对于高度变位有，已知高速级bcaZZZ 2，满足公式则满足同心条件。低速级115