【一种越障机器人设计8000字（论文）】

一种越障机器人设计摘要避障机器人是当前社会的研究热点之一，它在将人们从特殊的工作环境下解放出来的同时，又可以在抗震救灾中代替人工参与救援行动，这既保障了人们的安全，也提高劳动率并降低生产成本。本文中所设计的越障机器人属于一种软体机器人，其自由度要高过大多刚性机器人，并且软体机器人结构要简于刚性机器人。本文中选择了设计一款气动软体驱动器，其采用气体驱动的方式，以实现越障机器人进行前后左右四个方向的越障移动。在实物制造过程中，首先选择好了各部件所用材料，再通过建模软件中建好硅胶模具、主板、连接件模型，然后利用3D打印技术打出实物，将硅胶溶液配置完成后，进行脱泡处理，最后使用打印出的硅胶模具浇筑出实体。将越障机器人全部组装完成后，搭建实验平台，进行功能测试。关键词：越障机器人，气动软体驱动器，3D打印技术目录第一章绪论 第一章绪论1.1研究意义以及背景随着科技水平的发展以及人类生活环境的延伸扩大，人们自身已经无法承担多种任务,因为许多活动已不是传统意义上简单的操作，故而机器人代替人类展开作业已经逐渐成为了一种必然趋势。由于人们的工作环境，也从局限于工厂和车间等固定的场所作业，变成了走向室外。人类生命活动领域不断拓展，机器人的工作环境也渐渐步入到某些无法全面感知的特殊环境中，在这些特殊环境中，不仅会遇到岩石丛生，还有山地、沙地以及变化比较剧烈的地层、岩性、岩相、构造、矿产、水文等各种地质内容。因此诞生了避障机器人，有利于人类安全的探索未知世界。目前，美国、日本以及很多欧洲发达国家都已经研发出了多种多样的越障机器人，其中许多种类的越障机器人在各个方面得到广泛使用。在我国，越障机器人也在各个领域逐渐应用起来，在“嫦娥工程”中的月球车，其代替人工在月球表面行驶并完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务。在矿洞遇险救灾方面，救援队伍和工人会面临着瓦斯等一些有毒气体的健康威胁以及矿洞坍塌危险，人们的健康甚至生命得不到保障。所以需要研发一种机器人，通过远程控制使其代替人类进入复杂且危险的环境中进行检测和作业。在军事应用方面，处于地理环境特殊时，使用越障机器人来进行物资运输途，可以使人员更加安全，又可以降低军费开销。由此可见，具有智能特性的移动越障机器人代替人类在无法进入或者不便到达的特殊环境中进行作业，既减轻了人类的工作强度，又完成高难度高危险的工作，同时保护人类的生命和财产安全。随着人类在非结构化环境中作业逐渐增多，同时探险救援、消防排爆、以及核工业等诸多领域对越障机器人有着越来越迫切的需求。为此，我们需要可以通过非结构化环境并且做自由运动的设备来完成高难高危的作业要求。研究制造一种越障能力强的机器人，扩展机器人的工作空间，使其代替人工到达特殊环境中完成作业，可使用于农业、工业、医疗、国防以及服务业等诸多领域。可越障机器人是当今在非结构化环境中自由行进的机构研究活动中的重要分支，可以在危险环境中进行检测、勘察、清扫卫生、安装维修、搬运、以及救灾等工作，具有重要的现实意义。在本课题中所制作的越障机器人是一种软体机器人，它相较于刚性机器人，其具有以下几个优点：（1）自由度高传统的刚性机器人中，一个手臂大约只有六七个自由度，相较于此，软体机器人由于可以自由改变自身形体大小从而具有较高自由度，可多达几十个自由度，使其具有更好的灵活性。（2）成本低廉制造软体机器人所使用到的材料大多简单易得，并且由于结构简单，不需要太多的控制以及其他零部件来支撑运动，所以相较于刚性机器人来说，经济方面价格实惠，具有市场竞争力。1.2国内外研究现状越障机器人是机器人研究领域的一个重要分支，是一种可以凭借控制驱动器状态，来改变自身状态以适应周围的环境要求，在特殊环境里进行自主决策与路径规划，集动作的控制和执行等多样化的功能于一体的高自由度的智能机器设备。它由机器人学、机械原理、自动控制、计算机视觉、多传感器信息融合技术等多个学科联系共同搭建而成，充分展出了现代信息技术以及人工智能技术的最新研究成果，具有很高的应用价值，可使用于人民日常生活、抢险救灾和军事方面。在当代机器人学中相当有意义并且十分活跃的一个研究范畴。国外对非结构化环境中的自主越障机器人的研究开始的相对早些，在19世纪60年代开始就有能够爬楼越障的专利出现。从那开始，各国纷纷向该领域冲击，其中美国、俄罗斯、日本、德国等国家走在世界的前列，技术相对来说也较为成熟，一部分产品已经投入市场。但是很多研究成果还存在各种缺点，没有做到至善至美，有很多方面需要提高。我国对这种类型的机器人的研究开始的相对晚些，然而近几年涌现很多这方面的成品，但广泛的投入市场还需要一段时间的研究和开发。2019年，波士顿动力公司开发了Spot足式机器人，Spot机器人身高0.84m，自重30kg,最大负载14kg,采用电池供电，电气驱动，运用了3D视觉系统，拥有17个关节点。如果给机器人加上5个自由度的手臂，该机器人可以移动抓取物体。由于采用了深度相机、立体相机等传感器，Spot具有全自主导航功能。该机器人的行走结构和人类较为相似，能够高效的完成较为复杂的工作。该机器人以雷达、立体相机等作为传感器，使之可自主行动，四肢灵活，相互协调跨越障碍。上海交通大学研发的六足并联机器人，又被称作“章鱼侠”，它具有视觉、力觉、识别地形、主动避障等各项功能。最突出的优势是它的负载能力与全向运动性能。这款机器人能够负载超过300kg，而且能够满足各个方向的运动需求。足式结构使它具有很强的越障能力，配合强负载使得它成为灾害救援的小能手图2-11.3主要研究内容本篇论文主要研究了越障机器人的结构设计和制作方法，在驱动方式和制备材料选择以及运动原理方面进行了深入研究以及详细阐述，同时也介绍了软体驱动器以及其他部件制作的所涉及的关键技术与设备。在设计与制作完成后，对实物机器人进行调试，并进行后续的不断修改完善，尽力达到设计出所需目标，完成预期效果。1.4论文结构分布第一章，主要内容介绍分析了越障机器人的研究目的与意义、具体应用方向以及国内外发展现状，并且对本论文内容进行了一个大体的概括总结。第二章，对越障机器人的结构设计进行了阐述，主要分为驱动方式的选择、制作材料的选择、总体部件的设计以及运动分析四个大部分。第三章，对制备过程进行了详细的说明，分别是制造模具所涉及的技术介绍和整体结构制备的操作方法。第四章，先进行硅胶气囊在不同气压下的形变实验，观察并记录数据，在安全气压值下，将制作的成品机器人进行运动实验，以此检验是否达到制作目的。最后总结概括本文。

第二章越障机器人结构设计2.1引言在越障机器人的设计中，首先要考虑驱动方式，材料以及建模三个方面的问题。驱动方式上主要可以分为绳拉驱动、气动或者液压驱动、智能材料驱动、化学反应驱动、生物混合驱动、磁场驱动等多种驱动类型。材料方面既要考虑到材料的获取是否容易，同时又要考虑其的成本问题以及环保性。由于设计的主体的大部分是由模具浇筑而成，主板和连接件都是3D打印制作，所以建模合理性至关重要。2.2驱动方式的选择在此次课题中选择气压驱动为驱动方式，选择原因如下几点：(1)空气来源广泛，容易获取，在使用过后可以直接排出到环境中，不会产生任何污染。(2)空气黏度系数小，所以气体在充气放气中产生的摩擦力较小，无论是充气还是放气，都可以快速达到要求，且对气囊连接处的损害降到最低。（3）气动对工作环境没有过高要求。特别在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境工作时，安全性和可靠性优于其他的大部分传动方式。(4)气动动作迅速、反应快、调节方便，可利用气压信号实现自动控制。(5)气动元件建模简单、对材料要求较低，容易获取成本低廉，且使用寿命较长，性价比较高。经过各方面的综合考虑以及相互对比，最终在制作过程中，选择气压驱动方式。2.3材料的选择在上文中，我们采取了气压驱动方式，因为该方式会产生快速形变，所以我们在制作气动软体驱动器中，选取的材料必须是承载能力高且具有一定韧性的柔性材料。与此同时我们还需要考虑材料的安全性、易于获取性以及成本价格的问题。所以在此次设计中，我们采用硅胶作为气动软体驱动器的制作原料，硅胶分为有机硅胶和无机硅胶，我们选择的硅胶是一种有机硅胶，有机硅胶是一种有机硅化合物，是指含有Si-C键、且至少有一个有机基是直接与硅原子相连的化合物，选择原因如下：（1）有机硅胶具有良好的电绝缘性能，是一种稳定的电绝缘材料。（2）其具有10至80的邵氏硬度范围，有充分空间选择所需硬度，来实现特定的功能。（3）其拉伸长度范围与撕裂强度范围较高，满足实验要求。（4）其冷却速度较快，有利于模型快速成型，节约时间成本，并且减少其他误差。在选择连接部件与主板的制作材料时，我们选择了PLA材料进行3D打印。PLA是一种新型的生物降解材料，使用的是可再生的植物资源，从其中提取的淀粉原料研制而成的，具备良好的生物降解性，在使用完毕后，可以被大自然里面的微生物完全降解，不会污染环境。PLA材料比ABS或PETG材料价格低廉且容易获取，最终选择其作为3D打印的原材料。2.4整体设计2.4.1气动软体驱动器设计气动软体驱动器首先通过solidworks软件进行模具建模，接下来运用3D打印机打出实物模具，最后进行浇筑分为两个部分，分别是在x-y平面运动和x-z平面运动的两部分。上层气腔外壁由较柔软的硅胶制成，为了约束底层的延展性，底层采用质地较硬的硅胶材料制作。同时要求每两个气腔之间的质地较薄，便于快速的充气膨胀。在x-y平面运动的驱动器由两个相同气囊反向连接在一起，即约束层与约束层相对粘连一起，并且在主板的左右两侧呈现对称分布，左右两边各安装三个相同的此类软体气动驱动器，这是为了保证机器其运动过程中的稳定性与平稳性。x-z平面运动的驱动器一个齿形管状气囊，该气囊不设计约束层，充放气导致其收缩，不产生弯曲，该驱动器通过连接件与六个x-y平面运动部件末端连接，分别编号为A、B、C、D、E、F、a、b、c、d、e、f。模具如下图所示图2-12.4.2主板与连接件设计主板与连接件是使用PLA材料通过3D建模打印得到。主板是一个凹形的，它通过连接件分别与相对应的x-y平面的驱动部件相互连接，同时起到固定气囊的作用，主板的设计主要是给驱动器提供固定位置。连接件主要起到了连接作用，一共有六个相同连接件连接主板和水平方向运动的驱动器，其余六个连接件形状大小一致，连接两种驱动装置。2.5运动原理2.5.1驱动器运动原理（1）xy水平面上的驱动器可以实现大幅度的弯曲形变，通过气泵进行充气，当达到一定气压时，由于驱动器中仅相邻气腔壁厚度较小，所以气腔变大膨胀，其他壁由于厚度足够，因此不发生变化，驱动器底部为约束层，我们在约束层嵌入了一层很薄的柔韧性更好的硅胶薄片，进一步降低了底部延展性，从而使其不受压强大小的影响，不发生膨胀，从而驱动器向约束层凹陷，实现驱动器弯曲，当驱动器气囊排出气体时，气腔收缩，驱动器完全恢复到原来的状态，从而实现了水平面的移动。（2）垂直平面上的驱动器为齿形管状，相邻齿壁都是薄的，通过气泵的充气排气，引起压强大小变化，从而产生的压力变化，使其延长或者收短。气泵充入空气，驱动器内压强增大，产生向外的压力，驱动器在垂直面上实现拉伸。气泵排出空气，管内压强变小，小于大气压强，产生向内的压力，从而实现收缩。2.5.2越障机器人整体运动原理本文设计的越障机器人，由驱动器、主板、连接件组成。通过气泵使得每个驱动器气囊产生膨胀收缩的相应变化，从而使其在水平面和垂直平面进行相对应的运动，如前后弯曲，收缩伸长。具体的运动方式如下：（1）前后越障：第一步，通过气泵，使得与竖直方向气囊a、c、e排气，使得该气囊离开地面收缩。接下来使A、C、E靠前气囊排气，靠后的气囊充气，使得A、C、E向前移动，同时A、a通过障碍物，对气囊a、c、e充气，使其恢复原样与地面接触。第二步，用气泵排气，使b、d、f排出空气，气囊收缩离开地面，接下来使B、D、F前气囊排气，同时后气囊充气，则B、D、F向前移动，此时D、d越过障碍，同时A、C、E前充后排至向后弯曲，最后b、d、f气囊充气复原与地面接触。第三步，a、c、e收缩离地，B、D、F前充后排向后弯曲，a、c、e充气接地。循环以上三个步骤3次，即可完全越过障碍物，完成向前越障功能。向后越障功能，则为调换前后气囊充排气顺序规律，前气囊充气，后气囊排气，触角向后弯曲变形，第一步，c、e、a压缩离地，C、E、A向后移动，而后c、e、a复原。第二步，先f、b、d收缩离地，F、B、D前充后排并且C、E、A前排后充向后弯曲。第三步，c、e、f离地，接下来先使F、B、D向后弯曲再复原c、e、f。循环三次便向后越过障碍物，机器人恢复初始状态，完成向后功能。图2-2（2）左右越障：第一步，a、c、e排气压缩与地距离大于障碍物。A、C前气囊充气膨胀，与此同时，后气囊排气压缩，这两个气囊向后弯曲；E气囊前排后充，向后弯曲，而后a、c、e充气复原。第二步，b、d、f与步骤一中a、c、e相同，先使其收缩离地，接下来B、D、F气囊前排后充且A、C、E同时复原。第三步，a、c、e离地，同时B、D、F气囊复原。重复三次，实现向左越障。向右越障，ACE后充前排，B、D、F前充后排，其余步骤同上，反复三次实现右越障。图2-3

第三章越障机器人的制备3.1引言本课题的越障机器人主要由三个部分组成，分别是水平面驱动器、垂直面驱动器、主板。通过气囊的充放气使其产生收缩膨胀形变，来实现越障机器人在三维空间的移动和避障。避障机器人的构成与普通刚性机器人不同，它们不靠电机来驱动，更多是靠气动驱动。它们更灵活，更柔软，是基于对生物的模拟，又突破了生物的限制。故而其制备方法也不大相同，本章主要介绍越障机器人各部分配件的制作和组装方法。3.2越障机器人的关键制造技术（1）3D打印关键3D打印并不是一项新兴技术，它的创造理念始于19世纪的美国，在20世纪80年代得到发展，随着逐渐成熟而被人们广泛应用于实际生活中，3D打印机通常是以数字模型为基础，运用工程塑料、光敏树脂以及橡胶类材料等具有可粘合性的材料，通过逐层增材的打印方式来构造实际物体的技术。3D打印应用于电子工业器械，汽车航空医疗，建筑科研等多个方面。如今，3D打印技术已然成为了科技融合体模型中的最高维度的体现。在本课题的越障机器人制作过程中，我们基于PLA材料，运用3D打印技术将设计思想实物化。（2）原材料的选择及制作关键在制作过程中，基于环保性与易得性3D打印原材料选择为PLA，气囊制作原材料选用为硅胶，选择原因为以下几点：1．耐温特性。热稳定性高，在高温条件下也不会断裂、分解。2．耐候性。在自然环境下的使用寿命可达几十年，具有比其他高分子材料更好的热稳定性以及不易被紫外光和臭氧分解。3．电绝缘性。有机硅胶是一种稳定的电绝缘材料，被广泛应用于电子、电气工业上。4.生理惰性。有机硅胶十分耐生物老化，与动物体无排异反应。硅胶材料在制备过程中需要进行搅拌，在搅拌过程中，会涌入大量的空气，从而在溶液中产生许多气泡，进而影响硅胶的制备，为了减少气泡，搅拌时要朝着一个方向进行。3.3越障机器人主体结构制造技术（1）3D打印结构流程3D打印环节主要技术为熔融沉积技术，这是一种将各种具有热熔性的材料经加热融化后成型的方法。第一步，将聚碳酸酯膜固定到加热平台上，然后在周围贴上高温遮蔽胶带，升高打印平台温度95℃，喷头温度为220℃，开始打印图纸模型，打印结束后，将打印材料进行大约3分钟的短暂冷却，接下来将目标物体与加热平台手动剥离。（2）硅胶气囊制作第一步，使用SolidWorks建模软件，按照所需的功能制造相应大小形状的硅胶气囊模具，而后导出STL格式。第二步，将制作好的模型图纸导入到已经调试好的3D打印机中，选择PLA为打印材料，在保证打印密度与填充密度符合要求的前提下，尽量减少模具打印时间。第三步，将两种浓稠溶液混合在一起，对混合溶液朝一个方向不停搅拌，来减少硅胶中气泡。第四步，将制作好的硅胶从容器中倒出至已组装好的3D打印模具中，冷却六个小时后，硅胶已完全凝固，即得到所需硅胶气囊。

第四章越障机器人的试验分析4.1引言越障机器人在越障的过程中要保证自身稳定性的情况下，进行移动，使得整个机器人越过障碍。为了达到这个目的，在各方面设计并且制作完成的情况下，还需要进行有效的试验，通过实验给予的反馈，不断的完善机器人的设计和制作结构。4.2越障机器人的气囊性能实验首先，我们进行了控制越障机器人发生前后移动的气囊性能实验，记录下不同气压情况下，该气囊产生的形变，在得到其所能承受的极限气压后，保证后续的实验中气压不会超过极限气压，从而保障气囊的安全性使其能够长久使用，并且选择最优气压值使机器人前后移动。最后，我们通过向越障机器人发生上下移动的气囊中注入不同的气压大小，观察记录下机器人在该气压下的三足与六足站立平稳性，从中选择最佳值作为实验进行时的固定支撑值，同时记录下气压大小与伸缩长度之间的变化关系，便于以后实验调试。4.3综合性能的实验先将每个气囊与气泵通过气管一一连接，再按照第二章中的运动原理，依次进行向前、后、左、右四个方向的越障移动实验，观察记录实验结果，并且通过反馈不断调整气压值，在保证机器人越障同时，要使其平稳运动。

结论本篇论文主要制作了一款可越障机器人，在充分理解题目意义，明白题目所要达到目的后，通过国内外的研究现状，确定了本文的研究方向以及设计思路。经由建模软件与3D打印机的结合使用，制造出了所需模具、连接件和主板，而后使用硅胶浇筑技术在打印出的模具中制造出了硅胶气囊，最后将所有部件组成了可越障机器人。在本文中，我们考虑并选择了驱动器所使用的驱动方式以及制作每个部分需要的材料，在制造过程中，使用到了3D打印技术和硅胶浇筑技术，而后分析了驱动器的运动原理和整体机器人的运动原理，最终进行实验分析，制作出了这种可越障机器人。由于研究水平和制作方面还存在很多的不足，作品必然还存在着缺陷，感谢老师们的纠正指出

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