四履带搜救机器人的结构设计—移动平台设计

河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 Abstract What 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 robot s partial stress situation Trial manufacturing overall robot structure In the design trial manufacturing process the unceasing observation analyzes other robot s 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 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 project s key point lies in robot s trial manufacturing research work because the robot whole s 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 目录 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 课题研究的背景及意义 2 1 2 1 课题研究的背景 2 1 2 2 课题研究的意义 2 1 3 机器人的研究现状 3 1 3 1 国外研究现状 3 1 3 2 国内研究现状 5 1 3 3 搜救机器人的发展趋势 7 2 搜救机器人移动平台结构分析 16 2 1 搜救机器人的设计要求 16 2 2 典型移动机构方案分析 18 2 2 1 轮式移动机构特点 18 2 2 2 腿式移动机构特点 19 2 2 3 履带式移动机构特点 20 2 2 4 履 腿式移动机构特点 21 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 2 2 5 轮 履 腿式移动机构性能比较 22 2 3 本研究采用的行走机构 22 2 4 搜救机器人的移动平台结构和摆臂结构 23 2 4 1 移动平台结构 23 2 4 2 摆臂结构 24 2 5 越障分析 25 2 5 1 机器人跨越台阶 26 2 5 2 跨越沟槽 27 2 5 3 斜坡运动分析 28 3 机器人驱动电机电机设计 30 3 1 基于平地的最大速度的电机功率计算 30 3 2 爬坡最大坡度的驱动电机功率计算 31 4 移动平台的减速器相关设计 33 4 1 移动平台的减速器方案分析 33 4 1 1 移动平台的减速器应满足的要求 33 4 1 2 移动平台的减速器方案分析 33 4 2 移动平台的减速器的设计计算 35 4 2 1 移动平台的减速器的传动方案分析 35 4 2 2 配齿计算 35 4 2 3 初步计算齿轮的主要参数 36 4 2 4 装配条件的计算 37 4 2 5 齿轮和轴强度的验算 37 5 移动机构履带设计 39 5 1 履带的选择 39 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 5 2 确定带的型号和节距 40 5 3 确定主从动轮数据 41 5 3 1 驱动轮参数计算 42 5 3 2 从动轮参数设计 43 6 传动轴的设计 44 6 1 驱动轴的设计 44 6 2 驱动轴的强度校核 46 7 摆臂设计 49 7 1 摆臂作用 49 7 2 翼板部分设计 49 7 3 摆臂齿轮计算 51 7 4 摆臂轮轴的设计 52 7 5 摆臂减速器相关参数 53 全文总结 54 致 谢 56 参考文献 57 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 1 1 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 2 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 3 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 1 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 4 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 5 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 6 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 7 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 8 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 9 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 10 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 11 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 12 图 1 11 Segway 公司的 Robotic Mobility Platform Segway 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 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 AirRobot 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 13 AirRobot 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 图 1 14 Foster Miller 公司生产的 Talon Hazmat Foster 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 14 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 1000 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 15 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 16 2 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 17 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 GPS 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 18 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 19 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 20 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 21 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 22 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 23 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 24 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 25 2 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 26 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 27 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 28 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 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 29 2 cossin cos0 h LR d 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 max h 2 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 河南理河南理 工大学万方科技学院本科毕业论文工大学万方科技学院本科毕业论文 30 机器人在平地图 2 9 a 跨越沟槽的宽度 1 L max1 LLr 4 在角度为的斜坡图 2 9 b 上跨越沟槽的宽度 5 1 L max1 tanLLrh 2 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