多功能履带机器人机构设计（全套含CAD图纸）
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智能移动机器人平台 作者 JC 个 完成 机器人和自动化系统学位 的 报告提交给普利茅斯 大学 2003 - 2004 序言 这篇报告介绍了智能移动机器人的理论和关注的焦点是相关问题的解决并对不同方法做了具体补充。在为了完成自主移动机器人设计、建造和测试这个项目。设计的机器人和轮椅大小差不多 ,使它能绕着建筑物行走。它为未来导航系统的发展提供了一个平台。它有能力成为一个完善的服务机器人。它在未来领域的发展已经被确定。一个避障系统已成功应用是为了证明这些。它的最大速度为 /秒 。 在不同领域的一个研究领域 ,例如快速传感技术超音波测距 ,轨迹生成的快速运动和避障 ,被执行了。 测试完成之后 ,为了确认轨迹生成的理论。 该报告深入了解电路设计的细节。并且完成了现代微控制器模块设计。由于灵活的设计、模块提供了另一个学生项目基地 ,包括这一个 。电力电子设计提供的直流电机的电流上升到 30安培 每频道 。这个线路的最大电力不需要昂贵专门的组件。 该项目顺利完成。 这是部分的最后一年 ,在本科学位课程和换向机器人自动化系统 。 致谢 作者特别感谢为这项工作默默付出的他的许多同学。 同时感谢我的主管的圭多 士，保罗罗宾逊博士。潘根华博士和讲师艾伦辛普森，的曼塞尔戴维斯博士，菲尔博士 3 年来支持我。此外，我从大卫和罗杰鲍尔斯，鲍勃布雷，工学硕士， 得路德，菲尔霍尔和菲尔布朗得到了良好的 技术支持。 最后笔者希望向他的家人致敬。我的父母（本和玛丽亚狼 ),在经济上支持我并且用很多方法鼓励我。特别要感谢我美丽的妻子 , 她在许多方面支持和宽恕。 没有她的道义支持这个项目可能不会完成。 普利茅斯大学 2004 年 4 月 目录 序言 2 致谢 3 目录 4 第 1章 概述 7 第 2章 智能移动机器人原理 8 第 1节 数字控制器 8 样和量化 8 D 转换 9 A 转换 9 样频率 9 迟 10 第 2节 轨迹生成 10 11 塞尔曲线 13 线指引 14 线指引线 14 量场 15 场 15 于矢量场极限环 16 量场融合 17 动款匹配的动力动机器 20 第 3节 造型移动机器人 20 第 3章 设计与实现 22 第 1节 规格 22 第 2节 机械设计 22 架 22 向 23 速箱 24 度 25 第 4章 电子硬件设 25 电电路 25 片机模块 26 音波传感器 28 编码器 31 步设计 31 后轴角编码器及其特点设计 31 服控制器 32 力电子 35 路输入 37 路功能 37 障电流限制器设计 38 第 2节 沟通机载 40 行通信 40 2C 通讯 42 第 5章 智能控制 44 第 1节 运动学模型 44 量逆解系统 44 运动学算法 45 第 6章 用于指导的传感器 46 第 1节 位置 46 第 2节 遥感调查的速度和反应时间 46 第 3节 导航和制导系统造型 49 示制导系统 49 第 7章 三维监测界面 51 第 1节 51 第 2节 信息交换的远程监控 51 第 8章 项目管理 52 第 9章 结论 53 关键词 54 参考文献 55 附件 56 附录 1:册 (征求意见稿 ) 56 附录 2 :系统综述框图 63 附录 3:源代码 69 第 5 页 共 16 页 第 1 章 概述 服务机器人还没有现成的产品。为什么 ?因为需要研究有改善的课程 ,直到第一个真正的服务型机器人可以去投入生产。 一个服务机器人的需求是将融入到人类的环境中并与人类相同的速度来移动和运行。当前智能移动机器人通常缓慢移动甚至停止来测量。这将是其他人传递的障碍。缓慢的机器人是低效 甚至没用的 ,因为用户可能宁愿自己作 ,都比它快。这个项目是关于给机器人提供快速运行的平台 ,这样使移动机器人对现实生活中更有用。 作者在许多不同的项目中获得移动机器人的经验和知识 ,包括 :机器人足球 ,多的相关项目的信息可以在 2004):适当的时候 ,这些项目的知识有助于这份报告。尤其是机器人足球 ,在快速移动是必不可少的 ,理可开发和测试并转移到自然环境问题。 第 2 章 智能移动机器人原理 在本章将移动机器人的基本理论和原则进行解释。当该理论应 用于快速的机器人时，一定要特别注意其优点和缺点。 字控制器 大多数机器人应用使用数字控制器 ,因此基本的数字控制应给予及其优势的影响进行讨论。 一些数字控制的最重要的优点：括公元前（ 1992） 数字元件不易老化和随环境变化。 他们对噪声和干扰不敏感。 数字处理器是更紧凑，重量轻。（适用于内移动机器人） 他们更加灵活和强大。 微处理器和数字信号处理器成本持续下降。 第 6 页 共 16 页 然而它也有缺点： 由于有限的运算速度和信号的分辨率的限制字长的数字处理器。 （相比之下，当 模拟控制器在实时操作时，而该解决方案在理 论上是无限的。） 有限字长往往转换成系统不稳定。 对运算速度的限制，导致控制回路中的时间延迟这可能会导致闭环系统不稳定。 样和量化 大多数控制系统包含数字以及模拟信号。因此模拟到数字转换（ 反之亦然（ 发挥了重要作用。机器人可能有 A 至 D 转换器或车轮的轴角编码器的伺服系统。在这种情况下的采样和量化是必需的。 D 转换 一个模拟值发生在瞬间。由于数字号码的长度是有限的，模拟值四舍五入。这个过程被称为量化。最低的值或最接近的值，它可以圆整（ 1位），被称为量化水平。一个输出 转换器的停留时间 T 不变，直到一个新的元素已被转换和控制器。时间 T 被称为采样周期。处理器通常计算内通过控制算法输出采样周期。这意味着输出至少比输入迟 T。 A 转换 数字字转换成相应比例的模拟水平。“最小的一步，同一个量化级别限制的准确性。幸运数字模拟转换可以几乎同时发生。然而，直到一个新的值被转换 是分析零阶保持和框图建模过程的步骤。 图 1 采样频率 采样频率 s 必须选择一种方式，该控制器能应对改变输入值 v，干扰 w 和 控制器植物功能带宽 b。奈奎斯特 香农采样定理指出，采样频率必须至少两次信号的频率。事实上，这不会得到平稳的控制器响应。因此，一般情况下， 第 7 页 共 16 页 （ 1） （ 2） 当停留时间 系统的采样周期为 n。 通常控制器是用来控制移动机器人的发动机。机械运动时间常数与 此实际的采样频率不是很高。 （比如 50 1000如果机器人通过视觉控制，这将成为一个问题，因为电脑（目前）没有强大到足以提供一个视觉系统与 50频率相比。其他传感器，如轴角编码器，但不采取太大的 迟 在信号传输和传感器处理信息期间发生延迟，在数字控制系统中。延迟可能导致不稳定，必须保持在最低限度。如果延迟无法通过提高 功率或其他硬件来减少的话，预测控制方法可以在一定程度弥补延迟。预测控制方法往往需要一个控制过程的模型。这使控制器更复杂，正因为如此 ,它并非常见的。在快速机器人的情况 下，延误是至关重要的。减少的延迟增加了控制器的收益，因此可以改善瞬态响应。 迹生成 有许多方法来生成一个机器人的运动轨迹（路径）。通常轨迹发生器的输入数据是一个初始值，目标位置，可能是中间的航点或障碍。轨迹发生器是一个指导系统。导引系统通常是导航系统的一个子系统指导机器人向目标点而言，给它的导航系统。 快速的移动机器人必须以尽可能快的速度移动。因此，车辆速度和控制器收益达到了极限。如果所要求的轨迹超出系统能力可能出现下列问题： 在这个巨大的需求中输入非线性关系，如滑移和饱和度，可以使系统不稳定和机 器人旋转失控。 机器人不能按照所需的路径，可能会碰到一个障碍。 因此，有必要生成相匹配的车辆动态轨迹。 这里有一个已被调查过他们的基本轨迹功能概述的简介并讨论其优点和缺点。 弧是圆的一部分。通过计算一个圆圈，可以产生一个路径，起点和终点是圆的切点。计算半径与车轮速度 和机器人的转向有直接的关系。由此产生的每个车轮的速度有固定的比例，这是一个优 势，因为它简化计算。 第 8 页 共 16 页 切向加速度 则就会发生在之后的机器人控制器里。这增加路径下面的准确性。 (3) (4) 结合 : 半径 R 是已知的轨迹发生器。加速度 | K 仅限于 K 和机器人 v 的前进速度，通常是一个机器人控制器输入，可以根据需要设置。如果机器人需要在一条直线上移动半径是无限的。在这种情况下，算法必须算作一个例外。 图 2 这里是一个例子，作者采用了一圈接近目标点从 0度水平的轨迹后才能继续。这个例子取自机器人足球。机器人旨在视线指导的的 格后， 可以进入在 将退出圆与球碰撞时，并继续直线运动和轻微的加速对运球向目标。 第 9 页 共 16 页 图 3：圆直线移动的轨迹应用于机器人足球 这一战略已实施于一体的世界上最成功的机器人足球战略：韩国大学和 到北京李等人（ 1999）。它有笔者也进行了测试。图 3显示了从 种方法的主要缺点是：避障和在动态环境变化的其他因素难以和直圆直刚性结构相结合。优势是简单，匹配容易和预测的轨迹机器人动力学动作准确。 塞 尔曲线 贝塞尔曲线可以被定义为与两条直线相切的一条曲线。选择第一条直线时要通过机器人的初始位置并且第二条直线要通过终点。第一直线确定机器人的方向 。第二条线的方向决定机器人从哪一方接近目标（最后的姿势）。这是形成这种轨迹的非常好的一个性质。主要缺点是贝塞尔曲线数学的复杂性曲线 ,使得它难以创造的轨迹一个机器人能跟随在高速状态下。当要求机器人沿目标曲线运动时作者进行了贝塞尔曲线实验。一旦机器人靠近目标点 ,下一个目标点将被确定路。 当机器人开始运动时，需要转 90度。它从（ X，Y） =（ 57,15）点开始运动。线 上的点确定了产生的轨迹。当改变机器人方向和速度这两者之间的关系不平衡时，会使机器人离目标很远。 实际上机器人的路径是小三角形。 图四 :贝塞尔曲线轨迹 第 10 页 共 16 页 与第一个实验相比这个实验起点和终点的 方向比较小，起点 (x,y)=(77,12) 并且速度减小了。 机器人沿被要求和相当精确的轨迹运动是没问题的。 图 5:贝塞尔曲线轨迹 通过旋转机器人可以沿直线移动到目标点。对轮式机器人而言，没有切向速度只有 微分 转动的可能。该系统的主要优点是，它是简单，准确。主要缺点是速度， 因为机器人必须停止转动。 线指导线 也被称为导弹制导与直线的指导有关，但这个时候机器人移动比目标方向 稍高。如果向量从机器人指向目标点，那么它的角度 = 表明机器人应该沿仰角方向运动。 一个向量场实质是由一个 2个向量由大小和方向组成，向量对于速度和航向角而言相当重要。 大小被认为是向量场中很重要的问题，大小对于通过每个向量组合成为向量场是很有用的。越重要的向量越长，航向角贴近的是更加重要的向量。 一些向量场产生器，像是基础的势场产生法，是不考虑 大小的。这种情况下大小经常被忽略。 势场的一些理论像是轨迹的概念是从物理领域中的电学部分中分化而出的。 引力场公式如下 ： 第 11 页 共 16 页 这里 是一个冲起始到目标位置的向量 是一个从起始指向机器人的向量 是一个表征机器人当前位置的单位化的长度和预计的角度。 结果是指向目标的。引力场是关联其中的可视的指引。 斥力场产生背向目标的向量。等式是 表格 6： 引力场 表格 6 展示了一个引力场指向目标点（ 在当前应用的机器人仅有当前位置的向量才 加入计算 ，对于多为图表像表格 6这样，机器人可以在场中任何可能的地方，同时也可以在任何点长生向量。 极限环是非线性控制理论的一部分。但是一个表格能够表现极限环的属性，像是表格 7，第 12 页 共 16 页 那么这个表格便可以适应路径生成。此问题更深入的解读请阅读 2000）。极限环的非线性功能的第二位表现为一个向量场包含一个单位环。单位环外的向量将产生于单位环相切的方向。这可以看成是一个圆弧 /圆轨迹生成率可以引导机器人自动从任何方向进入该圆。最终生成的向量场可以用来产生圆弧轨迹或者是用于 避障。 图表 7：极限环 极限环的缺点在于一旦机器恩跨过了单位元，向量场将指向中心。所以，具体实现极限环控制并不容易，因为机器人在接近单位圆时可能会稍稍的越过边界。 对这种场在单位环内进行修改时一个解决此种问题的可行的措施。 所有的可提供向量场都可以在同一时间进行讨论。作者开发了一种可供合并向量场合并的方法，该方法在 (2004)中论述。 约束和要求： 这种方法最好用一个例子来描述。一个典型的需要向量场 合并的地方在于当一个机器人R 需要避免和机器人 时。看下面图表 8。 在融合向量场过程中，需要一个加权函数。经验已经证明，高斯正态分布函数在合并两个场域是很合适的方式。（一个圆柱体或是一个椎体都可能产生一个突然的冲击以使航向角发生变化并产生激发不稳定现象。） 第 13 页 共 16 页 图表 8：回避方案 角和当前的机器人航向角 是不同的， 角是表征机器人和障碍物碰撞程度的量。这个角度越小，碰撞事件发生的情况就越小，同时避开障碍物的可能性越高。 这个机器人的任务是走到 点。 为了将拦在它和目标点之间的障碍物也纳入考虑，那个机器人就必须计算障碍物和自己的距离。这个距离在式子中是以矢量 障碍物的距离越短就意味着避开障碍物的重要性越大。 一个回避向量场 应该被定义的和任务向量场 准化后的目标向量是 。 提供的两个向量 和 是用高斯加权方程 加在一起的 这里： 是结果典型的目标向量 M 是一个固定的加权因素 G()是高斯方程。 是对高斯方程的安全系数 是高斯方程的分布 我们可以知道要回避一个障碍，本质上有两个因素 。 和 作者按对于在场 域内特定点完成这个任务的重要程度关联每个向量的长度来作为向量融合的基础原则。 和 的长度。 第 14 页 共 16 页 表示 所能带来的最大的安全度。 将会到这更高的角度。这已经是被认为很重要的。机器人距离障碍 最终，结果向量场 为机器人表征了新的瞬时航向角。 在不同速度的足球机器人上实验，最大速度为 3米每秒。坐标系统已英寸为单位。 表格 ：在 表格 10:的避障路径 第 15 页 共 16 页 表格 11: 作者当前的尝试是将势力场的路径和机器人的动态模型进行对比以决定是否机器人会按路径移动。这可以在频域进行，通过在需要按路径行动时对机器人频宽加上模型频宽和输入信号作比较来进行研究。这种方法可以进一步研究。这可以为根据机器人频宽定制向量场提供基础。 型化移动机器人 这一章研究的是开发和理解分析运动机器人的运动学模型和致力于控制运动模型上运动链的每个马达。此理论更深入的阅读请参阅 J (1991)章节 书参考 P (1986)。 和机器人手臂的模型化很有用（机械手运动学）。 差动驱动机器人 差动驱动是模型化一个移动机器人的一种简单方法。这也是为什么这种方法如此的普遍。这种机器人是由 2 个对角线发转车轮组成，具体见表格 器人将会走直线。如果一个轮子比另一个轮子比另一个快，机器人将会转圈。如果一个轮子开向反方向同速度，机器人将会在原地打转，“在一点上” 。 雅克比轮的矩阵如下： 这里 是绕机器人中心的角度向量，具体看图表 16 页 共 16 页 雅克比轮和 P 进行联系。 P 表示机器人姿态。机器人姿态可以表征机器人运动相对地板的运动程度。 指示机器人的瞬时航向角。 假设没有摩擦，轮子的方向会指向正前，瞬时和速度方向一直。这种现象的优点是计算简单。缺点是不能向侧移动。 图表 12:差动驱动机器人 - 1 - C to n 003- 2 - an to of on to In to an of a to it to It a on It to be a of An in to .5 An of as in to of a to of as C up 0 of a in It is of in - 3 - he is to of to to my r. an me I to to My me me in go to my in 004 - 4 - F . 2 . 3 F 4 1 . 7 2 F . 8 . 8 8 D . 9 A . 9 . 9 . 10 . 10 . 11 . 13 . 14 of . 14 15 15 . 16 17 to . 20 20 3 . 22 . 22 . 22 - 5 - . 22 23 . 24 . 25 . 25 . 25 . 26 . 28 . 31 . 31 31 . 32 35 . 37 . 37 38 . 40 40 2C . 42 4 . 44 . 44 44 . 45 . 46 46 of . 46 49 . 49 5 3D . 51 51 . 51 6 . 52 - 6 - 7 . 53 . 54 . 55 . 56 : . 56 : . 63 : .- 7 - 1. an go of be to a by at as or to be a or do if it is is a in be on C (2004): of to be to - 8 - 2. F n be be to is to of be of of of (1992) to to ( on to of (In in is on in in as as to an A or on In is - 9 - D n is at a of a is to be is or it 1 is of a A a a is by is an by is at to A is a of is to of a DA is a is is as a in . at of he sw be in a to in be at In a as a of sw be to - 10 - 10 (2) ET is nw of to in is to in of a is (0 1000 If is a at to a a 0as do PU be of in a to be to a If a be by PU or to a of to be is it is so In of A of to a a to to a is an a or A is a a of a a to a to it by to as as to If is - 11 - - On as of an is a to a is an of be of a A be by a of is to of of is an it ta be in of (3) rv=w (4) (5) t= (6) r is ta is of v is a be as If is to in a be In an - 12 - : is an a a in to in a is i1 of i1 is to at It a in to : to in of ee et 1999). It by a a of is in a to of - 13 - be as a is to is to go is go of of is of of is it to a at to As as to be 90 5 50 55 60 65 70 75 80X in 4: is to 0 It x,y) = (57,15). If a in is is - 14 - 01520253035404540 45 50 55 60 65 70 75 80X in 5: n is in x,y) = (77,12) no to a by it to it in a a a is of is it is is to of is to up If is be - 15 - is a 2A of or as a an is by of is be of as In is he of as is an of a in an is as (7) is a to is a to is of at is is to of A is . is (8) - 16 - : a a (0,0) . In an at of is is to be in in at of of a a , be 2000). of nd be as a a be It be as an up in be a or : he of is a in a is 2014届 学士学位论文 立题 论证书 院（系） 机电工程学院 题目对应 专业 机械设计制造及其自动化 题目 申报人 职 称 讲师 申报时间 2013 年 12 月 题目名称 多功能履带机器人机构设计 题目来源 （ 划号， 不可 多选） 在研 科研项目 生产实践 自 拟题目 题目类型 理工类 理论研究类（ ） 工程设计类 （ ） 软件开发类 （ ） 科学实验类 （ ） 综合类 （ ） （划 号，不可 多 选） 文管类 理论型 （） 应用型 （） 文献综述 型 （） （ 划 号，不可 多选） 课 题 简 述 全世界每年都在发生各种自然和人为的灾害，造成建筑物的倒塌等。而被困人员的搜救和救援成为灾害发生后最重要的工作之一。由于救援工作存在危险系数高、难度大等问题，因此迫切需要 履带机器人 的参与。 本课题要求设计一个灾害 履带机器人 ，用于地震后等现场的救援辅助工作。要求机器 人能够在复杂的倒塌的地形中移动 ， 携带摄像 和其他生命迹象探测装置，帮助救援人员对被困人员进行搜索。同时， 也能具有简单的操作手臂，对障碍物进行 简单的移除 。 研究内容包括机器人的结构设计及机电系统方案设计。 通过本课题的设计，使学生在机械结构设计及机电一体化 系统 集成方面得到训练。 动平台打算做成双摆臂履带车，手做成四自由度关节式。 类似这样： 本 课 题 预 期 目 标 本课题需要完成工作如下 1、对 履带机器人 的相关研究 现状进行 文献 综述 ； 2、 对 履带机器人 的 主要 运动及 执行机构 进行 分析 ； 3、对 履带机器人 进行机械结构 设计 ； 4、 完成 相关 驱动和传感 元件的选型 及系统的集成方案设计 。 成果形式如下 1、 机器人总 体结构装配图和零件图（ 3 张 0 号图 ，至少 1 张手绘 ） ； 2、主要元件的选型 及机电控制系统原理方案； 3、设计说明书（论文） 2 万字 。 面那张渲染图是我自己找的，大概车就是那样，然后上面还要个简单的关节型机械臂。 不需要做控制。 做机械部分就可以。 主要是摆臂履带车和机械臂 ， 还要安装个摄像的装置。 技术 要求 上机 40 机时 图纸 3 张 电路板 0 块 阅读文献 15 篇 读书笔记 万字 主 要 参 考 资 料 1. 日本机器人学会 科学出版社， 2007 2. in : 2004,34(2):1303. to 2011,6(4): 52- 54 4. 董晓坡 , 王绪本 . 履带机器人 的发展及其在灾害救援中的应用 . 防灾减灾工程学报， 2007,1 5. 王楠 , 吴成东 等 . 可变形灾难 履带机器人 控制站系统的设计与实现 . 机器人，2011, 2 基层学术组织负责人 审核意见： 基层学术组织负责人 签字： 年 月 日 (院 )系 学士学位论文 工作领导小组审核意见： (院 )系 学士学位论文 工作领导小组 组长 签字 ： （院）系 盖章 年 月 日 做该课题 学生姓名 班 级 学 号 注： 1、 指导教师对应 每个 学士学位论文 题目应填写该表一份， 题目申报人可为指导教师组。 2、题目来源和题目类型 要求 单选 ，若该 题目 属于两种 类型 ，则 只能选择一种最主要的 类型 打 。 3、 此表 一式一份，由院（系）留存。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 1 院 毕业设计说明书 (论文 ) 作 者 : 学 号： 学院 (系 ): 专 业 : 题 目 : 多功能履带机器人机构设计 2014 年 4 月 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 197216396 I 毕业设计说明书（论文）中文摘要 多功能履带工作的复杂性、危险性和紧迫性给救援工作带来了极大的困难。履带机器人以其体积小、灵活等诸多优点成为灾害辅助救援的有效工具并引起全世界的广泛关注。文中分析了救援行动中使用履带机器人的必要性和可行性，介绍了国内外履带机器人的研究历史和发展概况 . 本文阐述了履带机器人的发展历程，国内外 的应用现状，及其巨大的优越性，提出具体的机器人设计要求，进行了设计的总体方案设计和各自由度具体结构设计、计算；最后设计行走机构和机身设计。机械臂采用四关节机械手。 关键字： 灾害履带机器人 、结构设计、 机械结构、四关节机械手 业设计说明书（论文）外文摘要 of of as in of s of of at of of of 录 第 1 章 绪论 . 1 题研究意义 . 1 带机器人应用的必然性 . 1 害现场影响救援工作的主要因素 . 1 器人在救援工作中的优势 . 2 内外履带机器人研究现状 . 2 带机器人的分类 . 3 带式机器人 . 3 形（蠕虫）机器人系统 . 4 蛛形机器人 . 5 行机器人 . 5 带机器人发展方向 . 5 体机器人研究 . 5 自主机器人研究 . 6 自主机器人研究 . 6 务多样化及传感检测技术 . 6 要内容 . 7 第 2 章 总体方案设计 . 8 械手工程概述 . 8 业机械手总体设计方案论述 . 9 第 3 章 机器人总体方案设计 . 11 体设计的思路 . 11 计方案过程及特点 . 11 体结构的设计和比较 . 11 走机构的设计 . 11 走机构结构设计 . 12 小锥齿轮的设计和校核 . 19 的设计和校核 . 23 的校核 . 32 第 4 章 机械手大臂部结构 . 33 臂部结构设计的基本要求 . 33 臂部结构设计 . 34 臂电机及减速器选型 . 34 速器参数的计算 . 35 第 5 章 小臂结构设计 . 39 部设计 . 39 腕偏转驱动计算 . 40 分析及计算 . 43 承的寿命校核 . 44 的强度校核 . 44 第 6 章 机身设计 . 46 进电机选择 . 46 的选择和校核 . 51 身结构的设计 . 52 总结与展望 . 53 致 谢 . 54 参 考 文 献 . 55 V X 1 第 1 章 绪论 全世界每年都遭受着大量自然灾害和人为灾害的破坏。巨大的灾害会造成大面积的建筑物坍塌和人员伤亡，灾害发生之后最紧急的事情就是搜救那些困在废墟中的幸存者。研究表明，如果这些幸存者 48 小时之内得不到有效的救助，死 亡的可能性就会急剧增加。然而，复杂危险的灾害现场给救援人员及幸存者带来了巨大的安全威胁，也会阻碍救援工作快速有效地进行。使用履带机器人进行辅助搜救是解决这一难题的有效手段。 题研究意义 履带机器人具有灵活性好，机动性强的特点，并有着良好的爬坡和乐章能力，能适应现场各种各样的地理环境，同时在救援的过程中能够迅速的找到预先人员的位置，并能够检测事故现场的各种变化以防止事故的二次发生。因为救援机械人还可以克服传统救援的工作效率较低、大型设备救援的不稳定性，同时救援灵活快捷、携带方便、对环境适应能力强等特 点，所以研究履带机器人在救援工作中有着重要的意义。 带机器人应用的必然性 害现场影响救援工作的主要因素 灾 害现场通常复杂而危险，影响救援工作的因素主要有 3种。 （ 1）空间限制。救援实践表明，幸存者通常被困在那些坍塌所形成的空间中，充分搜索这些空间具有重要意义。遗憾的是这些空间和通道通常非常狭小以至于救援人员根本无法进入，这些地方突出的钢筋和碎块以及其他建筑材料又会给救援人员和搜救犬带来伤害。 （ 2）结构不稳定。灾害发生之后建筑物的力学结构遭到破坏，救援人员进入废墟之中必须时刻提 防随 时可能落下的碎块。同时，在进行救援工作时 也可能引起废墟二次坍塌，给救援人员自身和废墟下被困的幸存者造成伤害。这给救援人员带来了极大的危险和心理负担，影响救援工作的快速展开。 （ 3）危险物质和大火。灾害之后易燃易爆的物品、大风等很容易引起大火。在一些危险地区，如核电站、化工厂等场合，如果没有相应的防护和支援，即使训练有素的专业救援人员也不能轻易开展工作，而戴上防护用具之后又会限制搜救人员对环境的感知能力，延缓救援工作的进程。 2 这些危险因素给灾害救援工作带来了极大的阻碍，常常使救援付出沉重的代价。美国紧急救援 办公室的统计数据表明，从狭小的封闭空间中营救 名幸存者平均需要 #个救援人员花费个小时的时间。使用履带机器人则可以提高救援效率，并避免或减少救援人员的伤亡。 器人在救援工作中的优势 微型机器人在辅助灾害救援工作中具有以下突出的优势： （ 1）可以连续执行乏味的搜索救援任务，而不会像人一样感到疲倦； （ 2）不怕火、浓烟等危险和有害条件；（ -）可以深入危险地带拍摄资料供研究人员分析查找； （ 3）重量轻，与人和搜救犬相比引起建筑物二次坍塌的可能性小； （）灵活，可以进入那些人和搜救犬无法进入的危险地 带。 内外履带机器人研究现状 机器人技术最初起源于军事领域的战场侦察、战场清扫等，在 20世纪 80年代以前就有人开始从理论上对机器人应用于多功能履带工作进行了探讨。 1995年在履带机器人技术发展史上具有里程碑式的重要意义，发生在日本神户 大阪的大地震及其之后发生在美国俄克拉荷马州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案揭开了履带机器人技术研究的序幕。 2001 年美国 件给履带机器人提供了 1 次宝贵的实践机会，美国机器人辅助救援中心和其他一些单位的履带机器人参与了救援行动 (图 它们是器人在此次救援行动中取得了成功。同时在救援中也暴露出了很多问题，例如控制方式不可靠、防水性不好、视野狭窄等。 3 图 带机器人系统 机器人在 件中的成功应用，引发了人们研究履带机器人的热潮，几年来发表了大量的研究成果，理论上和实际应用上都取得了很大的进步，研制出了各式各样的履带机器人系统，并在实践方面积累了丰富的经验。 目前履带机器人的研究主要有四个方面：运动控制技术；通讯控制技术； 自主导航技术；探测感知技术。 带机器人的分类 履带机器人硬件的发展逐渐形成了几种基本平台，如履带式平台、蜿蜒式平台、飞行类平台等。 带式机器人 履带式运动系统有双履带、 4 履带、 6 履带等多种形式。复合式履带可以调整爬坡角度和方向，因此具有很好的越野性能（图 履带式运动系统在碎石堆上可以快速前进，遇到小的坡度和凹凸地时也可以轻松翻越，在遇到不能通过的障碍时还可以在很狭小的范围内完成转弯等动作。目前，履带机器人广泛采用这种运动形式。与其他运动形式相比，履带式运动系统具有较快的速度 和较大的转距。履带式运动系统技术较成熟，但也有重量大、摩擦阻力大等缺点。 4 图 形（蠕虫）机器人系统 蛇形机器人系统结合了仿生学的许多研究成果，它通过模仿自然界肢节动物，例如蛇的运动特点而设计。日本的 授首先提出蛇形机器人运动系统并研制了第一个蛇形机器人，他提出用“蛇形曲线”来描述蛇的蜿蜒运动方式。蛇形机器人的结构基本是由一系列相同的关节组成，这些相同的单元通过万向轴连接起来，加上其头部的导引头来构成 1 个车厢式的系统（图 这种蛇形机器人 有 种基本运动：直线运动、侧向运动、翻转运动和垂直运动。 4 种运动方式组合就可以完成前进、后退、侧向和翻越障碍物等运动。 蛇形机器人以其灵活、横截面积小、稳定、可以翻越障碍物以及可实现三维运动等特点在救援领域展现出了独特的优势，得到了世界范围内的广泛关注。我国的国防科技大学、上海交通大学、沈阳自动化所等研究机构也都对蛇形机器人进行了研究并取得了可喜的成果。目前国内外对蛇形机器人的研究主要集中在蜿蜒运动理论的研究和径迹规划等方面。 5 图 形机器人 蛛形机器人 蜘蛛形机器人是模仿 蜘蛛等多足昆虫的运动方式而研制的机器人（图 蜘蛛形机器人行动灵活，通过多足的配合可以完成向前、向后、横向以及纵向移动等。蜘蛛形机器人在遇到障碍物时可以通过跳跃的方式越过小型障碍物，因此与履带式机器人以及蛇形机器人相比，蜘蛛形机器人受地面障碍物的影响更小，可以在更复杂的救援行动中快速地执行搜救任务。 图 行机器人 微型飞行机器人（ ,2世纪 32年代由美国率先提出，由于其在军事和民用部门的巨大应用前景，因此引起了世界各国的极大关注。 灾害环境中可以不受地 面状况影响，灵活性高。在较高的角度上飞行机器人的“视野”更加广阔，因此可以扩大搜索面积，加快搜索速度。飞行机器人在搜救行动中更多地从事现场勘查和为搜救人员探路导航等工作。 带机器人发展方向 决了一系列困扰履带机器人发展的问题，机器人由半自主向全自主方向发展。当前，履带机器人研究的热点是机器人运动控制、人机交互研究、环境感知与地图生成技术、传感与人体检测技术、信息标准等。 体机器人研究 目前，履带机器人研究正在从个体走向群体。在救援工作中，往往释放很 多的机器人，以扩大搜索范围，提高工作效率，并且多个机器人协同作业，可以提高信息的可靠性和 6 准确性。各个机器人之间相互交流可以解决诸如定位、全覆盖、翻越障碍等单个机器人难以处理的问题。 群体机器人研究也是机器人技术中的 #个共性技术，很多研究人员从人类社会以及其他动物的社会性、组织性等得到灵感，进行多机器人系统的研究。 自主机器人研究 无线控制方式和电缆控制方式，在复杂的救援环境中都有一定的局限性。理想的解决方案就是实现履带机器人自主路径规划、自主导航、自主搜索指定区域。目前的履带机器人系统多为半自主 系统，机器人需要在人为的操纵下才能够完成复杂的运动任务。实现机器人行为的自主化，需要深入研究人工智能，重点解决自主导航、路径规划、自动绘制地图、自身定位、目标识别等技术难题。虽然目前履带机器人还没有完全实现全自主活动，但在未来的任何重大突破都将为履带机器人的发展带来划时代的影响。 自主机器人研究 美国的机器人辅助搜救中心在 的几年中与国家消防等部门紧密合作，在各种救灾场合参与救援救灾行动，并训练履带机器人，为履带机器人的进一步研究积累了大量详实准确的数据，并给出了人机交互的定义，将人机交 互描述为 2 个集合即生物集和社会集。生物集由环境条件、执行者以及救援任务等 8 个子集组成； 社会集则由人机比例、工作流程以及人机通讯等 8 个子集构成。通过具体地研究这些子集来完成人机交互的研究。在人机交互研究中需要研究几个重要的问题：救援专家需要履带机器人做哪些工作，救援专家如何使用履带机器人，救援专家需要履带机器人提供哪些信息，如何确定人机比例才能够有效地使用履带机器人， 履带机器人如何执行多种救援任务等。 国际人工智能联合会每年发表大量关于如何将专家系统应用于设计人机交互以随时为救援人员提供决策支持方面的论文 。良好的人机交互界面，包括图形界面、声音交互等都是机器人领域研究的热点和难点 . 务多样化及传感检测技术 目前履带机器人只能为救援人员提供一些侦查、监视、搜索等简单任务，还远不能满足人们对履带机器人的要求。人们需要机器人能够承担运送物品、拓展空间、远程诊断，甚至是远程医疗等更为复杂的任务。 日本“国际救援系统研究所”的研究目标或许能在一定程度上说明未来履带机器人 7 的发展方向。在第一阶段的 :年时间里，该机构将开发用于探索和嗅气味的机器人，以发现废墟中的幸存者。而后，该机构将用下一个 :年时间开发挖掘机器 人，用第三个 :年时间开发把幸存者搬运到安全地点和医院的机器人，一共用 15 年也就是到 2010 年左右将创造出支机器人救援队伍 传感和人体检测技术是履带机器人领域非常重要的 1 个领域。通过基于机器人平台的各种传感器来探测受害者的各种生命体征，进而来搜寻幸存者并对受害者的身体状况作出初步评估非常重要。 单一传感器所能获得的信息非常有限，它所获得的是局部、片面的环境特征信息。将多种类型的传感器作为 #个整体研究，可以提高系统的容错能力、完整描述环境的能力、提高测量精度和信息处理速度，降低信息获取成本。把信息融合技术与履 带机器人技术结合起来就可以显著地提高机器人的智能化水平，完成更加复杂的任务。 要内容 从研究灾害救援中使用履带机器人的必要性入手，分析了履带机器人辅助救灾的优势、履带机器人的发展历程及其现状。重点对履带机器人的多种运动形式和通讯方式进行了分析和归纳。最后分析了履带机器人的发展方向并对我国发展履带机器人提出了建议。本文大体内容如下： 第 1 章 绪论 主要介绍履带机器人的相关知识和本课题研究的任务和要求 . 第 2 章 总体方案设计 ,介绍该履带机器人各部分的相关知识和总体设计 . 第 3 章 机械手各部分设计的介绍 第 4 章 机械手结构设计 8 第 2 章 总体方案设计 械手工程概述 机械手工程是一门跨学科的综合性技术，它涉及到力学、机构学、机械设计、气动液压技术、传感技术、计算机技术和自动控制技术等学科领域。人们将已有学科分支中的知识有效地组合起来用以解决综合性的工程问题的技术称之为 系统工程学 。以机械手设计为例，系统工程学认为，应当将其作为一个系统来研究、开发和运用，从机械手的整体出发来研究其系统内部各组成部分之间的有机联系和系统外部环境的相互关系的一种综合性的设计方法。 从系统功能的观点来看，将一部复 杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能。因此，在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发，这个系统应具有如下特性： （ 1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能。 （ 2） 相关性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性。 （ 3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能。 （ 4） 环境 适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化。 因此，在进行机械手设计时，不仅要重视组成机械手系统的各个部件、零件的设计，更应该按照系统工程学的观点，根据机械手的功能要求，将组成机械手系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设计出性能优良适于工作需要的机械手产品。在比较复杂的工业机械手系统中大致包括如下 :操作机，它是完成机械手工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、末端执行器和机构等。驱动系统，它包括作为动力源的驱动器，驱动单元，伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统。控制系统，它主 要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置），人 机接口装置（键盘、示教盒等），各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入 /输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备 14。 工业机械手的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性，因而工业机械手能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料，进行装配或其他操作。在柔性制造系 9 统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备）、辅助生产设备、控制装置和工业机械手等一起形成了各种 不同形式地工业机械手技术综合体地工业机械手系统。在其他非制造业地生产部门，如建筑、采矿、交通运输等生产领域引用机械手系统亦是如此。 业机械手总体设计方案 论述 （一） 确定负载 目前，国内外使用的工业机械手中，负载能力的范围很大，最小的额定负载在 5N 以下，最大可达 9000N。负载大小的确定主要是考虑沿机械手各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机械手末端执行器的重量、关节工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载。 （二） 驱动方式 由于伺 服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型机械手等特点，故本次设计采用了伺服电机驱动 （三）传动系统设计 机械手传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高机械手的运动和位置控制精度。在机械手中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使 用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动。 （四）工作范围 工业机械手的工作范围是根据工业机械手作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机械手的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择 （五） 运动速度 机械手操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用 m/s 或（ ） /s 表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的 长短，各动作之间顺序是依序进行还是同 10 时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。 11 第 3 章 机器人总体方案设计 体设计的思路 设计机器人大体上可分为两个阶段： 一、系统分析阶段 1、根据系统的目标，明确所采用机器人的目的和任务。 2、分析机器人所在系统的工作环境。 3、根据机器人的工作要求，确定机器人的基本功能和方案。如机器人的自由度、信息的存储量、计算机功能、动作精度的要求、所能抓取的 重量、容许的运动范围、以及对温度、震动等环境的适应性。 二、技术设计阶段 1、根据系统的要求的自由度和允许的空间空做范围，选择机器人的坐标形式 2、拟订机器人的运动路线和空间作业图。 3、确定驱动系统的类型。 4、拟订控制系统的控制原理图。 5、选择个部件的具体集体够，进行机器人总装图的设计。 6、绘制机器人的零件图，并确定尺寸。 下面结合本演示系统的基本要求和设计的基本原则确定本系统的方案。 计方案过程及特点 a. 机器人必须小巧、灵活、拆卸方便； b机器人在工作过程 中，其结构可适应应不同管径的变化情况； c机器人自动化程度高，控制方便灵活； 体结构的设计和比较 走机构的设计 根据国内外的管道机器人的移动方式大致可分为六种： 活塞移动方式 滚轮移动方式 履带移动方式 足腿移动方式 蠕动移动方式 螺旋移动方式 其各有优缺点。以下分别介绍。 活塞移动式依靠其首尾两端管内流体形成的压差为驱动力，随着管内流 12 多轮方式时牵引力随轮数增加而增加。缺点是着地面积小，维持一定的附着力较困难，这使得结构复杂，越障能力有限。 履带移动式的优点是着地面积大，易产生较大的附着力，对路面的适应性强，牵引性能好，越障能力强。缺点是体积大不易小型化，拐弯半径大，结构复杂，还要保持履带的张紧。 足腿移动式的优点是对粗糙路面适应性能较好，越障能力极强，可适应不同管径的变化。缺点是结构和控制复杂，行走速度慢。 蠕动移动式的优点是适应微小管径，越障能力强。缺点是移动速度慢， 控制复杂。 螺旋移动式的优点是有一定的越障能力，可适应不同管径的变化，可在垂直管道中行进。缺点是结构复杂，移动速度慢，驱动力要求高。 根据设计参数和技术要求，所要研制 的管道机器人必须要有高可靠性，高效率。所以采用上述行走机构的移动方式的组合来实现行走，这样可利用其综合优点避免单一移动方式的缺点。由于管道存在不同的弯管，这就要求机器人的行走机构有一定的拐弯能力和越障能力。所以，设计了一种如下页图所示的可伸缩的三只履带腿式（三只腿成120分布）组合行走机构。 其特点是：移动速度快、转弯比较容易、有较大牵引力、对粗糙路面适应 走机构结构设计 初步 选取电机的功率为 时电机要能变速；选择伺服电机，最终选择50服电机 。 确定行走机构 首先，确定履带的宽度 。 由于履带的宽度较小，那么它 的工作所提供的驱动力就会减 小；而其宽度太大时，所受到的阻力就会很大 。 通过作图的方法，取履带的宽度50 其次，确定履带的长度 。 履带的长度越长其转弯的灵活性就会受到影响 。 所以，履 13 带的长度不能太长 。 所以其长度 L 为： L=580 确定行走机构的结构 由于外形尺寸的限制，电机内置在履带组中，同时采用锥齿轮来换 向，最后驱动履带轮 。 其结构图如下图所示： 50=580=175构总图 1轴 01 2电机 3小锥齿轮 4驱动带轮 5轴 02 6直齿轮 01 7直齿轮 02 8轴 03 9大锥齿轮 10从动带轮 确定行走机构中的履带轮和履带轮 采用同步带的结构来设计履带 。 以下是同步带传动的优点： 1. 适用于两轴中心距较大传动，承载能力较大 。 2. 带具有良好的 弹性，可以缓冲 、 吸振，传动平稳，噪声小 。 3. 结构简单，制造和维护较为方便，价格低廉 。 首先，确定同步带的主要参数：（查机械设计手册 13 齿 形：梯 形 齿距制式：模数制 型 号： 14 节 距：次，设计带轮：（查机械设计手册 13 (1)初选带轮的次数： 17z ； 选择切削带轮齿形的刀具类型 切出直线齿廓的特别刀具； 齿槽角： 2=2=40； 节 距 : m= 7 节圆直径 : 7 1 7 1 1 9d m z m m ； 模 数： 7m ； 齿侧间隙： 1； 7z 2=40 119d 7m 1 名义径向间隙：0 ； 径向间隙：0 0 . 4 1 . 3 7 0 . 4 7 3 . 8 3 6e e m ； 外圆直径：0 2 1 2 0 2 1 . 7 5 0 1 1 6 . 5 中 = 外圆齿距：00( ) / 3 . 1 4 1 1 6 . 5 1 7 2 1 . 5 2 9p d z m m ； 外圆齿槽宽：0 1 0 . 0 6 1 1 1 . 0 6mb s c m m ； 齿槽深： 4 . 2 3 . 8 3 6 8 . 0 3 6h e ； 齿槽底宽： 7； 齿根圆角半径： 0 . 2 5 0 . 2 5 7 1 . 7 5 ； 0 . 2 5 0 . 2 5 7 1 . 7 5 ； 最后，设计履带：（查机械设计手册 13 由于采用同步带的结构来设计履带，同时履带用于特殊的工作环境，所以不能完全采用同步带的参数，根据具体的结构尺寸设计履带 。 节 距： 齿形角： 2=40； 15 齿根厚： = 齿 高： 带 高： ； 齿顶厚： 7； 节顶距： = 带 宽： 115sb
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