智能救援机器人设计说明书.doc

救援机器人设计者：马保仁，龚明成，尤宝，闫露露，叱龙指导教师：郭鹏程陕西理工学院机械工程学院，汉中市723003摘要： 本作品主要针对灾后复杂、多变的地形环境而设计，是一种新型被动适应式六轮救援机器人。它主要由四杆机构和弹性悬架构建而成，采用六轮全驱（6WD），可以快速、灵活地越过障碍，并具有较强的爬台阶的能力。本文将通过对救援机器人的结构及车轮布置，对救援机器人的稳定性和运动性能做深入分析。关键词：救援机器人、稳定性、运动分析 一、设计背景近年来多发的自然灾害如地震、火灾、洪水，人为的恐怖袭击、武力冲突等时刻威胁着社会的安定和谐和每个公民的人身安全，这些自然灾害和人为破坏已经引起了人们的普遍关注，但即使人们对各种灾难的警觉和反应能力都有所提高，当破坏性灾难来临时还是由于准备不够充分，很多人依然死于不专业、不及时的救援活动。所以将机器人技术、营救行动技术、灾难学等知识有机融合，研制与开发用于搜寻和营救幸存者的灾难救援机器人，是机器人学研究中的一个富有挑战性的新领域。特别是在地震灾害中，由于震后灾区地形复杂、路况恶劣，许多救援物资和人员都无法到达灾区，尤其是一些仪器、设备都是靠肩扛、手拉的运送形式，这样直接延误了救援的大量时间，许多生命也在此过程中悄然离去。本项目针对于此设计了灾难救援机器人，即可以减轻救援人员的工作强度，又可以提高工作效率，为灾难救援活动提供可靠、安全的运输机械产品；同时它还可以携带探测设备对灾区的地形、灾情进行探测、侦查，为灾难救援活动搜集提供大量宝贵的信息。1.1国内外发展状况在最近的几年里，随着科学技术在救援方面的飞速发展，我国的科技事业也取得优秀成果，尤其最近的几年，地质灾害频繁发生，用于救援方面的工具也迅速被公众推到了风口浪尖上，在智能救援这块领域也迎来科学的春天，国内各大高校、研究机构也开始着手这一块，优秀的作品脱颖而出，图1为：由南开大学自主研发的救援机器人。图1 救援机器人1.2国外发展状况随着灾难营救、军事探测、星球探索等技术的高速发展，新型机器人开发引起了人们的广泛重视，各种新型的用于越障救援的机器人也不断出现。科学家已经研究出各种用于救援的移动机器人。如比利时的关节履带式机器ACEC，美国的腿式机器人Bigdog（如图2所示），日本的步行轮式移动机器人Chariot ii。图2 美国的腿式机器人Bigdog目前对救援机器人研究最多的国家是日本，由于日本是地震多发国家，所以日本对救援机器人的研究也已经达到了一个很高的水平，对青少年最为广泛的救援机器人设计大赛也每年在日本举行，其名称为：大会（救援队的机器人比赛试验性大会），每年都有很多优秀作品参赛，为日本的救援机器人研究提供了更广阔的开发平台和群众基础。图为日本救援队的机器人比赛试验性大会上的优秀作品。图3 日本救援队的机器人比赛试验性大会作品二机器人机构定型设计2.1 目前的机器人设计主要有腿式、履带式和轮式三种机构模型，下面分别对其优缺点进行比较。1腿式机器人（图4所示）地面适应性强，稳定性高，但机构及控制复杂，运行速度低，在灾场救援中的局限性较大，故在本次的设计中不予采用； 2履带式机器人（图5所示）地面适应性强，稳定性高，机构简单，但由于履带和地面的摩擦大，能量损耗高，而且质量比较笨重，故在此也不采用；图4 四足机器人图5 履带式机器人3轮式移动机器人地面适应性强、运行可靠和控制方便而成为探测、救援机器人首要的选择方案，也是本文所采用的方案。 纵观国内外机器人的设计和研究，传统的轮式移动机器人存在如下几个方面的局限：(1)不能跨越大于轮子直径的壕沟和高于轮子半径的台阶；(2)克服倾覆对机器人的研究中一直得不到很好的解决；(3)转向能力差，转弯半径大。本作品所介绍的机器人就是在传统的月球机器人的基础上进行改进而设计的。这种机器人是一种被动适应型轮式移动机器人，具有良好的地形适应能力，适宜在复杂的路况环境中应用。随着科学技术的发展，人们越来越需要机器人在野外、危险环境下进行作业。由于野外环境地形复杂，因此对机器人的越障能力提出了很高的要求。这种救援机器人，从机械结构的角度极大的提高了机器人的越障能力。“救援机器人”主要针对复杂的道路工况下的多种作业方式进行设计研究的。具有很强的地形适应能力：适合在复杂路况的环境下完成各类危险地作业，不仅能携带探测设备参与搜救行动，而且在一定程度上还可用于军事、星球探测等活动。是一种具有巨大开发潜力的新型工具。它是一种具有突出越障能力的高性能野外救援机器人。由于其越障功能主要是依靠机器人自身所具有的机械结构来实现。因此，救援机器人的运动控制主要集中在机器人的轨迹上。只要能绕开机器人越障能力之外的障碍，机器人探测就能在野外环境下顺利行进。2.2 救援机器人主要通过两种形式来适应复杂地形,一种是主动式的,即通过传感器探测地形,根据探测信息反馈由额外的驱动器主动调整移动机构以适应地形,如美国JPL实验室的SRR机器人通过改变驱动轮的位置来调整重心以适应地形.另一种是被动式的,地形的变化将促使机器人机械机构发生被动的变形,通过变形来适应地形. 被动式移动机构比主动式移动机构所需要的传感器和驱动器少的多,可以节省一定成本,而且不需要结构本身的主动变形去适应复杂的地面环境,所以机构可以大大简化，本机器人的设计被动式救援机器人. 2.3机构介绍 图6 机器人机械框架UG组装图本机器人由前（后）轮导向机构、爬升机构、支撑机构和车架4部分组成. 其中前（后）轮导向机构为一个单边固定在车架上的四边形机构,在越障过程中起关键作用;爬升机构为两边对称的2个平行四边形机构,其在前导机构的基础上将进一步提升车体的重心;支撑机构固定在车架上,在越障过程中起支撑推进作用. 前导机构和支撑机构各有一个驱动轮构成,并分别用一个舵机控制其转向,使可以减小机器人的转弯半径. 爬升机构的每个平行四边形机构都有2个驱动轮,通过铰链悬挂在机架上,可以绕着铰链旋转以适应各种地形,并且具有自平衡特性，可以自行适应地形，调整重心。三前导机构的分析与优化前导机构在机器人越障过程中起着至关重要的作用,主要体现在如下两方面:1) 前导轮接触障碍物的时候,前导机构将产生被动运动,使前导轮能够沿着障碍物外轮廓运动，最终引导带动机器人整体翻越障碍物;2) 四边形变形过程中将压缩其上安装的弹簧,弹簧的反作用力将保证车体六轮与地面的紧密接触. 对前导机构的优化设计将从运动学和静力学两方面进行.3.1运动学分析与优化如图7所示,前导四边形机构发生被动变形时,由于OA杆固定在车架上, OC杆和AB分图7 前轮导向机构简图别绕着O和A 点转动. 根据速度瞬心理论, 对于普通四边形机构, BP杆上的任意一点在任意时刻都绕着CO和BA 延长线的交点O 旋转,见图7（a）;对于平行四边形机构, BP杆上任意一点都绕着过这一点的OC的平行线与OA 交点O 旋转, 见图7（b）. O 即BP杆的虚拟运动中心 .自适应救援机器人往前移动过程中, 前导机构首先接触到障碍物. 假设障碍物为竖直台阶,则前导轮将沿着竖直台阶外轮廓运动,前导轮心的速度方向将是竖直向上的. 对其进行虚拟运动中心简化,如图8所示,轮心的运动速度V 可以分解为随着车架的水平运动V1 和绕着虚拟运动中心的转动V2. 根据速度合成原理，虚拟中心必须位于轮心所在水平线下方.推广到一般情况虚拟运动中心的有效区域与各种障碍物的关系如图9所示. 可见, 三类障碍物越障的难度是递增的,其中图9（c）所示的障碍物比较少见,在此重点以= 0即竖直台阶型障碍物进行越障分析。图8 前导轮虚拟运动中心简化图图9 虚拟中心有效区域与轮心关系图如图10建立前导机构运动简图, 记杆OA,OC, BC, AB , CP的长度为b, c, d, e, h.由图中几何关系可以获得如下轮心P 和虚拟运动中心O 关于角度的坐标表达式: 图10 前导机构运动简图P= （1）O式中角度, 关于的表达式可由式(2)求得: （2）根据实际安装空间需要, 取定b = 40 mm, 由式(1)提出结构优化设计变量:使目标函数取得最大值,且满足下列约束方程:几何约束: （3） b+ceb+ech=140-d根据上述数学表达式,用matlab在约束条件内通过数值搜索方法求得最优解:在初始安装条件下的到的角度为： 求得前导向轮的初始坐标P ：P=（181.75 ，-84.04） (A)求的前导向轮的初始坐标 ：O=（-728 ，-436.8）以此初始化条件下的前导向轮在此时越过障碍的最高高度可达180mm,实际使用的轮子直径为100 mm,理论上前导机构越障能力可以达到1.8倍轮子直径高度. 考虑到实际中可能遇到 0的障碍物, 为了提高机器人的适应能力,需要将前导机构初始安装角度增大,以降低初始虚拟运动中心的位置. 实际样机前导机构初始安装角度为 = 19,此时前导机构越障能力为210 mm左右,约为轮子直径的2.1倍.3.2 对前导机构向下落到最低点时进行数学建模由图11可见，前部机构主要由一个四杆机构和一个带有电机的前轮组成，其中四杆机构的主要功能是在小车前部遇障碍时在前电动轮与障碍压紧至沿障碍壁上升，前向连杆机构随轮上抬，遇到下凹障碍时前轮下降先着地，以减小震动。在四边形结构上安装弹簧，以增加前向推动轮对壁面的附着力，从而有利于顺利翻爬障碍，并使机器人的六个轮子始终保持与地面最佳的接触。该机构的特点是当轮子遇到水平方向的力时，由于四杆机构摆动轴位于力作用线下方，加上驱动电机和弹簧的作用，以及其后的五个驱动轮与地面所产生的作用力推动下能爬上一定高度。前向轮在舵机的作用下来帮助小车转向，其上分别安装直线前进和转向电机来控制直线前进和方向转动。3.3 对前向导向机构下伸极限建立运动学模型，如图所示，对P点进行数学建模图11 前导向轮机构在变形达到极限的数学建模由于变形后的 A=11 ; 其中 a=148mm c=125mm b=40mm d=52mm e=120mm h= 140mm将其值代入上述公式得:=(163.57 -157.75) (B)故P点最低点的坐标为（163.57 -157.75）由（A）式得出在初始条件下的坐标（181.75 ，-84. 045） 从而得出 mmmm由其差值可以得出前轮在遇到坑或低平面时的理论向下移动距离为73.75mm.但在实际的试验中由于制造的误差和摩擦的存在，得到的向下移动的距离远小于理论的数值。经过测量其实际的向下移动距离为46mm左右。 这也为后期改进提供了一定的理论支持，由于救援车的实际能攀越的高度在210mm左右，由于其导向轮实际的下降高度为46mm，所以在越过障碍时由于没有足够高度下降，就会出现“翘头”的现象。3.4静力学分析与优化 机器人在复杂地形中运行时,速度较慢,可以忽略其动力学因素的影响 , 对其进行准静力学分析. 由于各杆件质量比较小,杆件的重力相对于其它力可以忽略. 在没有弹簧的条件下, 杆件OC和AB 为简单的二力杆,受力方向沿着杆件. 在这种情况下,前导四边形机构在复杂地面的静力学模型如图12所示. 车架对杆件OC和AB 的作用力F1和F2对于虚拟转动中心O 不产生力矩. 前导机构在越障过程中, 前导轮不打滑的条件是静摩擦系数小于最大静摩擦系数,假定电机扭矩一定,则轮子所需的静摩擦系数越小越有利. 分析静摩擦系数与前导机构状态的关系具有重要意义. 对机构整体进行受力分析,可以建立方程组（1） . 图12 无弹簧前导机构静力学分析 （1）假定越障过程中前轮电机的驱动力矩M 是恒定的,解方程组(1) ,可以得到:在杆件OC和加上弹簧之后建立前导机构的静力学模型,如图13. 由于弹簧的作用,杆件OC和AB 受到3个力. 将车架对杆件OC和AB 的作用力分别分解为沿对应杆方向和垂直于对应杆方向2个力. 弹簧安装位置为c1和e1 ,并设弹簧弹性系数为k,初始预紧力为F0. 对弹簧单独进行受力分析,可以得到如下方程:其中 图13 带弹簧前导机构静力学分析对杆件OC和AB 分别进行受力分析可得：对机构整体进行受力分析, 根据平衡条件对于虚拟转心O 可以得到方程组其中| AO |和|OO|分别为A和O与O 之间距离:同样假定越障过程中前轮电机的驱动力矩M 是恒定的,可以解得：图14 弹簧对前导轮摩擦系数影响根据实际条件取前轮驱动力矩为0. 3 9Nm,取竖直台阶情况进行考虑, 即= 0, 由式（6） 和式(11)绘出如图9所示摩擦系数随角度的变化曲线. 从图中可以看出,加弹簧后前导轮在越障过程中所需的摩擦系数显著减小,效率增高，所以我们选择在导向轮前后机架上安装弹簧，来更好的完成前后导向轮在遇到障碍时的自变形。四救援机器人中间弹性悬架的设计 对于中间的悬架的设计，充分考虑到其所处的环境，机器人在进行搜救时不仅是其前后导向轮会遇到障碍需要跨越，其左右四轮在遇到左右不同高低的地势时同样需要保持自身的平衡，防止车体的侧翻，所以根据这块对车体的要求，我们创造性的借用了汽车车轮的悬架机构，将左右四轮的安装在此悬架机构上，同时自行设计了一种独立的连接模块，解决连接车体悬架与车轮的这一难题。由于悬架左右底部与车底板安装了弹簧，调节弹簧的长度，来增加初始安装的预紧力，当车体有发生侧翻趋势是，左右两个弹簧共同作用使车体快速变形，来达到自身的平衡。下面我们来对以前假设的几种方案做一比较！方案一 根据单独立悬架设计如图15（a）所示，本体与机器人机架之间添加了两个独立的平行四边形机构。这样做的主要目的是为了使两侧的平行四边形机构在遇到遇障时发生的变形对机体的影响程度最小，同时便于实现收缩功能。但是这个方案的问题在于这样会造成机器人主体的中部没有支撑而受力下陷，使机器人的结构受到破坏。方案二 根据整体式悬架设计 如图15（b）所示，本体与机器人机架之间加了一个独立的四边形机构，这样做的主要目的是为了减小两侧的平行四边形机构因遇障而发生的变形对本体的影响，为了使变形后四边形机构能迅速恢复，特在本体与悬架之间设置弹簧，这样做不仅有了一定的抗侧翻性能同时还起到了减震保护作用。 综上比较，我们选择方案二，如图15（b）所示。一方面有了抗侧翻性能，同时还避免了方案一中出现的由于中部失去支撑而是本体下陷的情况，增强了机器人整体的安全性。五救援机器人侧向机架的设计 5.1 救援机器人侧向机架的设计对于其越障功能无疑也是非常重要的一个方面，因为在前轮导向机构顺利抬起（下降）后，此后的车体前进的动力主要来源于中间四轮和后导向轮的驱动力，这就与四轮的机架连接形式有很大的关系；因为不同的机架在前轮遇到障碍时的自变形直接影响四轮与地面的接触形式，进而影响四轮提供的动力的大小，下面分析一下我们在机架的设计过程中的几种方案，并对每种方案作出理论分析计算和实验得出的结果。方案一 将左右两侧的两个车轮安装在直径为200mm的圆弧机架上，如右图16（a）所示： 圆弧连接架的弧顶连接点与轮心的高度为79mm，对其进行受力分析，由于在导向轮在碰到的竖直台阶时，其受到向后的作用力，同时由支架将作用力传向后面的四轮，但中间轮子在力的作用下移动时，其在力矩的作用下开始绕弧顶连接点旋转，由于受力的不均匀，使得其力矩大小不同，就出现如图16（b）所示的一边圆弧机架平行接触地面，另一边圆弧机架开始无规律旋转，造成机器人主体的不平衡，还减小了机器人的地面附着力，影响车体的越障能力。 在进一步的实验过程中，我们还发现在前轮已经刚上台阶时，第二组轮体离台阶还有80mm左右的距离时，第二组轮体已经抬起。经过实验测得其极限爬跃能力只有150mm左右。但没有出现“翘头”现象。对其进行综合分析知之所以出现上述现象，在于其在力的作用下其力臂过大造成，所以对其进行进一步改进即减小其力臂的长度。图17所示照片为实验过程中所拍摄的照片图17 方案一侧向机架方案二 对于前面的现象，现在降低弧顶连接高度，即减小其力臂长度，在相同的力的作用下，缩小力臂能大大减小力矩的大小，如图18所示。现在取其连接点距轮心的高度为58mm。这样可减小力矩的大小为21F（N.M），现在测得的实际翻越能力为175mm,没有“翘头”现象，但还会出现两侧四轮不同步的现象；所以，仅靠一点与机架连接变形攀爬来有效解决轮子的不同步攀爬是无法解决实际问题，因为其变形缺少足够的自由度，所以上述两种方案不可取！（a）（b）图18 方案二侧向机架方案三 侧向机架选用平行四边形机构，如图19所示；在救援机器人的左右两侧分别设置了两套平行四边形机构，侧向四轮是机器人行进的主要动力来源，也是机器人主体起自适应作用的主要机构。利用两侧平行四边形可大范围变形的特点，来实现自适应各种障碍路面的效果。此外，机器人的左右两边是相互独立的，这样可大大地加强机器人对不同路面的适应能力，更加平稳地越过障碍，并且更好地保证整体的平衡性，其每一个轮子由相同的电机控制来实现机器人的运动。 （a） （b）图19 方案三侧向机架 5.2 弹性悬架与侧向平行四边形连接装置 弹性悬架与侧向平行四边形连接用图20(a)所示连接部件，连接方式如图20（b）所示。当机器人受到倾覆力时，横向四边形机构字可以围绕连接部件中的销孔旋转，这样就减小了倾覆力对机器人本体的影响，尽可能是本体趋于平稳，为物资和伤员的运送提供了一个前提。其与侧向四边形机构连接是采用转动副连接，使侧向四边形机构能在大范围内围绕连接轴旋转，从而达到对复杂路况的高适应性。六救援机器人越障能力分析6.1 跨越台阶能力分析可跨越台阶的高度由三部分机构的协同作用决定。经试验，在驱动力允许的情况下可跨越的高度为210mm(轮径为100mm)。从而大大的提高了机器人的地理环境的适应能力。动作过程如图21所示，其为小车翻越210mm 台阶的过程，首先整车向前运动，直到前轮接触台阶，如图21(a)所示；后轮在电机驱动力作用下，推动前轮抬起，然后前轮翻过台阶，如图21(b)所示；重心提升为台阶高度的10%左右 ，这时前导机构上的弹簧压缩到最短，然后在弹簧力及电机驱动力的作用下，侧面的前两个轮子越过台阶，如图21(c)所示；而后面两个轮子与台阶保持接触，这时小车的重心提升为台阶高度的50%左右，当后面的两个轮子越过台阶时，如图21(d)所示；重心又提高了25% 左右，最后安装在小车主体机构上的后轮在电机作用下很容易越过台阶，如图21(e)所示，此时重心达到最高。图21 越障机器人翻越台阶过程示意图6.2 尾部垂直越障性能分析（1）、尾部垂直越障过程分析：在机器人越障试验中发现后轮越障有其特殊轨迹，机器人尾部越障的过程如图22所示，当尾部车轮中心处于图21中（d）所示的位置时，机器人尾部越障难度最大，主要原因是尾部重量对腹部中心的顺时针方向力矩最大，而此时头部对腹部中心产生的逆时针方向力矩最小，有时会发生机器人被尾部卡住而出现车轮打滑的现象。故主要研究机器人在此状态时的越障性能。（2）、尾部垂直越障性能分析：机器人处于能够越过台阶的临界状态，机器人腹部、侧翼、尾部的相关结构参数分别表示如图22。以机器人腹部与尾部作为研究对象，其受力状态，如图所示。T为机器人头部对腹部的作用力用F2与N2表示，根据平行四边形机构的特性可知，F2与N2的作用点位于腹部中心P点（即平行四边形机构的中心），尾部车轮处有摩擦力与正压力N1，设机器人尾部质量为，重心在过尾部车轮的中心的竖直线上（可以理解为车轮的中心处），腹部重量为，作用于P点，则机器人要越过台阶，绕P点逆时针方向的力矩应大于顺时针方向的力矩，即 （6）此状态机器人头部对腹部的作用力矩在考虑头部越过台阶时就已经确定，这里不做计算。下面通过式（6）分析如何增加尾部车轮越过台阶的可能性。图22 尾部越障难度最大状态受力分析、减小尾部重量从式（6）可以清楚的看出，尾部的重量对机器人尾部越障影响明显，所以，在结构尺寸参数不变的情况应尽可能地减小尾部的重量、增加头部、侧翼对腹部的水平驱动力机器人腹部与尾部的水平方向的受力情况可以看出，N1的大小取决于T的水平分力与F2的大小，增加N1，也随之增大，则绕P点逆时针方向的力矩更大，而顺时针方向的力矩不变，所以机器人尾部更容易越过台阶。要增大T的水平分力与F2，可以增大头部、侧翼、尾部的重量，或者增大车轮的摩擦系数，但前者往往受到头部、侧翼车轮越障的限制，故尽可能增大车辆的摩擦系数，故采用摩擦系数大的材料做轮的外侧的表面材料。、合理改变有关结构尺寸式（6）可以变形为 （7）从式（7）可以看出，如果能减小或增大，则不等式更容易成立，即机器人尾部就更容易越过台阶。a、影响的结构尺寸参数由图22可看出=PI，而PI=PH+HI=PH+r。在PGH中，PH=PGcos,PG=b+c，故，PH=(b+c) cos=(b+c) cos=则：=(b+c)+r (8)从式(8)可以看出，要增大，应该适当地增大b+c或d。 （9）根据设计经验，rb+cd,故，若要增大，可增大r。b、影响的结构尺寸参数在PMJ中，=JM=,=,且sin，则cos=， 故 = （10）故要减小，可减小d或增大r综合与的影响因素，要减小，同时增大，可适当增大b+c或r，而减小d虽然能够减小，但也减小了，至于对越障性能的影响还取决于机器人的受力情况，增大b+c或r均又能提高机器人对路况的适应能力，故设计此机器人时，应尽量增大两个这参数。c、侧翼后轮垂直越障的影响但机器人的结构参数的选取不能只考虑尾部越障，也受其侧翼后轮越过台阶的限制。当侧翼后轮中心上升到台阶面上时，尾部车轮必须着地起支撑作用，经分析得，侧翼后轮刚好不能爬越台阶时台阶的高度H与结构尺寸参数的关系为： H= （11）从上式中可以看出，侧翼后轮爬越的垂直台阶的高度与b、c无关，随d、r的增大而增大，随a的增大而减小。综合考虑机器人侧翼及尾部垂直越障的影响因素，为提高机器人的垂直越障性能，应尽可能减小尾部的质量，增大车轮与地面间的摩擦系数，适当增加平行四边形机构的尺寸b+c，而减小a，增大车轮半径r。七、越障机器人运动过程的分析7.1 前提与假设救援机器人的运动轨迹从宏观上看是曲线运动，但是从微观上它可以看成是由很多直线与圆弧、不同方向的直线、不同方向圆弧之间的拟合。所以轨迹控制的关键在于任意方向的直线运动以及任意方向圆的运动控制。为了便于分析，我们提出了如下假设：车体，驱动轮与地面均为刚体；车轮的厚度忽略不计；车子底盘重心与中心重合； (4)每个车轮与地面只发生纯滚动。7.2 机器人模型的简化我们选择固定在车体中心的坐标系XOY，如图23所示：由于车轮前后左右是成对称分布的，而根据假设，每个车轮与地面之间只发生纯滚动，因此我们可得出如下结论：图23 越障机器人车体坐标系其中，表示左侧轮子移动的速度矢量，表示右侧轮子移动的速度矢量，表示前后轮子移动的速度值大小（标量），表示机器人走圆弧时前轮与Y轴的偏角（以逆时针方向为正），表示机器人走圆弧时前轮与Y轴方向的偏角（以顺时针方向为正）。 由（12）、（13）（14）、（15）式可以看出，只要知道了前面三个轮子或者后面三个轮子的速度值和方向，我们就可以得到机器人所有六个轮子的速度和方向，又因为我们设计的导向机构前后一样，不存在前、后轮之分。所以，我们可将机器人模型进一步简化，用一个三轮模型来加以分析，如图24所示图中，a表示两侧轮子与原点O的横向距离；b表示两侧轮子与原点的纵向距离；c表示前后轮子与原点之间的纵向距离（其横向距离为零）；表示两侧轮子与原点的连线和横向之间的夹角。的大小可由如下关系求出： 图 24 越障机器人简化模型车体坐标系 其中a=63mm b=90mm c=301mm故 7.3 机器人模型的运动学分析由于机器人不具有侧向移动机构，因此要让机器人一次实现侧向的移动是不切实际的，但是我们可以把这种移动分解为自转加直线前进或者自转加圆弧前进来实现。可以知道，有了自转、直线前进、圆弧前进这三组基本的运动单元，我们就可以实现任意曲线的行走。以下，我们将分别就这三个基本运动单元来分别加以介绍1、机器人的自转设机器人自转的角速度为（以逆时针方向为正），则车体的运动与驱动轮的运动之间的运动关系如下：由于机器人车体的速度由六轮转速确定，车轮由电机直接驱动，故其自转角速度即为电机的角速度 ，舵机的转速n=70r/min,代入得： =2=2*70*=140 rad/min 由（16）式可得出，所以上式可简化成：由此可得出所有轮子绕质心自转时的速度:其中 a=63mm b=90mm c=301mm 2、直线前进设机器人前进的速度为 ，则车体的运动与驱动轮的运动之间的运动关系如下： 可以看出，直线前进时，所有轮子的速度大小和方向相同，都等于车体运动的方向和速度;其中轮子直径为100mm,代入得由于在计算中未考虑电机的输出效率与摩擦，所以实际的速度3、圆弧前进设机器人走弧线的圆弧半径为R（即圆心到机器人质心的距离），其质心绕圆弧圆心前进的角速度为，则车体的运动与驱动轮的运动之间的运动关系如下：图25 越障机器人圆弧前进车体坐标系式中，表示圆弧圆心与左轮的连线和X轴向间的夹角，表示圆弧圆心与右轮的连线和X轴向间的夹角，如图25所示和可由如下关系求得：把它们带入上面的方程组，得：由于在实际的设计中舵机的实际的偏转角，所以由公式的上面结果即为在最大转角的情况下的转弯时的各轮速度大小。八、电控部分设计8.1 电机的选择经称重知机器人质量M=5.6kg计算电机最小输出动力，所以我们取M=6kg1 在水平路面做匀速直线运动时，各轮均匀承重，则每个轮子提供的动力相同。有：正压力 =Mg=610N=60N （1）F=6 （2）自身处于平衡状态，由牛顿第一定律得（忽略空气阻力）：F=f （3）f=u （4） 其中： g 重力加速度，取10m/ F 机器人水平驱动力，为六轮动力之和 f 路面摩擦阻力u 摩擦阻力系数，车轮为橡胶，路面设为水泥路面，查阅资料得u=0.4每个轮子所需的最小扭矩车轮半径，=50=0.05 m联立（1）、（2）、（3）、（4）式并代入数据得： = u/6=0.4600.056=0.2Nm所以在水平路面匀速行进时，电机提供的最小扭矩应不低于0.2Nm2 在机器人爬台阶时，在如图所示的情况下，机器人的质心后移，其质量的50%均由后轮承担，即为匀速直线运动时的两倍，所以有：=2=0.4 Nm因为我们电机选用直流减速电机，动力输出路线： 电机齿轮减速套筒车轮，机械效率有所降低 总传动效率齿轮减速传动效率，为多级传动取=0.92套筒的传动效率，取=0.85 所以，=0.920.85=0.78因此，电机的实际最小扭矩T：=/=0.4/0.78=0.513 Nm因为该作品为机器人模型，所以运行速度不宜过高，选用的电机速度不能超过100r/min,计算电机转速n=100r/min=100/60 r/s时，机器人的运行速度；V= =2n 所以，V=2n=23.14100600.05m/s=0.52m/s 速度过快，不能将机构变形演示清楚，故我们选取70 r/min网上搜找得，=0.8 Nm； n=70r/min 的直流减速电机，V=2n=23.1470600.05m/s=0.37m/s此电机可以使用。8.2电路设计救援机器人一般工作在环境比较恶劣的地方，比如山地、沼泽、矿井等，这就要求救援机器人行动要灵活，而且工作要可靠。因此我们制定一下设计方案。控制程序流程图：图26 控制程序流程图方案一：综合分析小车的动作可分为种：前进，前左转，前右转，后退。小车的动作是对8个电动执行部件进行控制来完成的。8个电动执行部件里有6个直流电机，它们都安装在小车的轮子上，为小车提供动力，另外两个是舵机，它们分别安装在小车的前轮和后轮上作为转向用。这里我们假设小车前进时6个直流电机都正传，两个舵机角度都是90度，那么当前轮电机正转，舵机90度，左右两侧电机正转，后轮电机正转，舵机90度时，小车前进；当前轮电机正转，舵机左偏，左侧电机减速正转，右侧电机正转，后轮电机正转，舵机右偏时，小车左前进；当前轮电机正转，舵机右偏，右侧电机减速正转，左侧电机正转，后轮电机正转，舵机左偏时，小车右前进；当前轮电机反转，舵机90度，左右两侧电机反转，后轮电机反转，舵机90度时，小车后退。针对小车的工作环境，我们选用了稳定性比较好的器件来做控制电路。微处理器选用ATM公司89系列单片机，电机驱动选用L298芯片，无线收发采用2公里大功率模块，确保远距离操控不会掉线。图27 方案一电路部分系统框图图28 方案一救援机器人电路图方案二机器人在方案一的电路下有以下缺点；1、 电源电路不能提供足够的能源2、 电机驱动芯片不能为电机提供足够的动力3、 在机器人运行过程中时常出现震荡现象4、 直流电机时常出现转慢或不转现象为此我们将电源电路和电机驱动芯片都进行了调整和改进，电源电路采用24V电源供电（用两个12V的锂电池串联而成），电机驱动芯片改用飞思卡尔智能车上的电机驱动芯片MC33886，为电机提供强劲的动力，整体电路也进行了大范围的改良，具体如下所示图29 方案二控制部分电路电机驱动芯片我们选用，飞思卡尔智能车中采用的MC33886驱动芯片，这样直接增强了电机的动力性和电路的稳定性。以下是MC33886驱动芯片的一些资料图图32 MC33886内部简化框图图33 MC33886程序简化框图图34 V + = 24V,f=10KHZ和占空比为90时的输出电压和电流图35 V + = 12V,f=20KHZ和占空比为90纯阻性负载时的输出电压和电流8.3 遥控系统的设计实现采用无线发射模块PT2272和接收模块PT2262对机器人进行遥控操作，当机器人接收到遥控命令后就按遥控命令行驶。当发射模块和接收模块具有地址相同时所发射的数据才能被接收到。图36 无线发射模块图37 无线接收模块九、机器人主要技术参数机器人： 总体尺寸：705310225（长宽高） 总体质量：5.6kg 最小转弯半径：359mm 前进速度：0.25-0.37m/s 越障高度：210mm舵机： 型号：MG995 扭矩：1.3kgcm 额定电压： 4.86V 电流：600mA 转速： 0.19sec/60直流电机： 扭矩： 0.8 Nm 额定电压： 12V 电压范围： 618V 额定转速： 70r/min 质量： 175g遥控距离：50m十、心得体会救援机器人的设计制作已经完成，在此次设计制作的过程当中我们体验到了以前从未有过的新鲜、沮丧、开心和难过。这次设计制作，和以往的实习有着本质的区别，以前我们大都进行的是一些“机械式”的加工，提前都有现成的模型、图纸、尺寸、电路以及程序，但这次我们没有。机械创新设计大赛使我们感到充实，很有成就感，我们也从中收获了许多。第一，这次设计制作室我们第一次把自己的想法付诸于实践中的活动，用自己的双手经过设计、分析，制作出作品来，不但提高了实际设计能力，更重要的是培养了识别能力和动手能力。在设计过程中，我们一组5人商量着制订方案、寻找材料进行加工，互动合作，还进一步感受到了团体合作的重要性和必要性。科技创新的兴趣不只是对科技创新在表面的关心，就我们参加机械设计创新大赛来说，对科技创新感兴趣，会促使我们刻苦钻研，并且进行创造性的思维，不仅会使我们的创新意识大大提高，而且可以改善创作方法，提高科研效率。我们的作品救援机器人，就是在我们5人浓厚的兴趣前提下，大胆设想，探索创新，将电子电路控制技术应用到机械运动中，紧扣住了这次机械创新设计大赛的背景和主题。第二，书面上的理论知识和现实操作过程中的联系与差别，学过理论力学、材料力学、机械设计等课程，尽管知道设计一件成功的作品需要考虑各个方面的因素，但却并不太看重实际设计中所遇到的问题，对问题的考虑仅限于看看书本上的理论、做一些相关的计算，而通过此次亲手操作，了解到了书本上关于特别强调机器刚度、强度等的必要性。“差之毫厘，谬之千里”，在科技创新的过程中，影响整个作品的大错误我们当然能很快地注意到，并且加以改正，然而一些很难注意到的小问题、小错误也可以使创作功亏一篑。例如单片机控制程序中的一个微小的改动、机械力学角度的改变都可以影响整车的运动性能；这些小问题都是容易忽视的，却对整个作品有不可忽视的影响。我们小组就曾经因为杆件刚度不合格而重新返工过，因而记忆尤其深刻。我们所设计的模型就相当于缩放过的实物，但是模型比较的理想化，许多问题我们都不予以考虑，而在实际设计中却不能有一丝的轻视和疏忽，要保证方案的可行性和机器的实用性。将理论知识转化为实践要考虑多方面的因素，使此设计的方案及最终的作品尽可能的人性、自然、环保。第三，对许多新型装置的认识以前我们只停留在书本阶段，而这次创新设计却使我们将所学的知识加以联系，应用在实际设计中，例如信号控制原理、舵机减速器等的结合使用，就是将电工学与机械学巧妙的结合在一起，将理论成功地转化为实践。通过遥控控制装置的应用，我们进一步了解了接收器和发射器的工作原理，在应用中加强了学习和锻炼。在此之前我们只做过机械原理课程设计，经过此次的创新设计，我们强化了设计理念，例如方案的择优选用，必须考虑到实用性、经济性、安全性等问题，设计不光是模拟的设计，要将一个设计转化为实物，就要尽可能考虑周全。我们在制作过程中就有团队的分工，有的负责机械杆件的设计与加工，有的负责单片机方面的控制程序的编制，有的负责电路部分的设计焊接以及调试，整个团队的协作使我们能在短时间内制作出这个作品，并且达到了我们的设计要求，完成了设计。但由于我们自身理论知识的欠缺、创新思维的淡薄以及加工水平的粗糙等因素，未能使作品趋于完美，希望以后有其他同学能对其加以完善。第四，在此次救援机器人的设计制作过程中，我们不仅学到了一种技能,更领略到了组员、老师在处理问题时显示出来的优秀品质,更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制,使我们真正体会到了“团结协作、共创辉煌”的真谛，我们组里有一段话：“我们不是超人，我们组也不需要超人，更不需要自以为是超人的人；我们只需要仔仔细细揣摩、认认真真设计、踏踏实实工作的人。” 在如今社会这样一个大群体里,沟通自然是为人处世的基本,如何协调彼此的关系值得我们去深思和体会。在这种相互协调合作的过程中,口角的斗争在所难免，关键是我们如何的处理遇到的分歧，而不是一味的计较和埋怨.在我们的 设计制作过程中，我们又是为某个问题争得面红耳赤、“义愤填膺”，但讨论完了之后我们却和以前一样，都是最最要好的朋友、同学，因为我们心中都有一个信念“我们一件发生的分歧来自于设