（机械设计及理论专业论文）城市救援机器人行走系统详细设计与虚拟样机构建.pdf

成果表或过的并表复印容和以公究生城市救援机器人是机器人技术在灾难救援领域的一种应用，它可以代替救援队员进入危险环境执行搜索救援任务，并将获得的信息传送给场外控制人员。因此该类型机器人得到广泛的研究和关注。城市救援机器人是一个多系统集合体，可以从各个角度进行设计研究。本文主要对救援机器人的行走系统进行研究，并针对典型的救援环境设计出具有越障功能并满足性能指标的实物样机。论文主要完成了以下工作：( 1 ) 基于救援机器人世界杯赛比赛场地，提出了基本的功能要求。通过比较国内外典型移动机器人行走系统的功能特点，提出了一种新的救援机器人行走系统方案，即六自由度履一腿复合式行走系统。该行走系统可以通过调整摆臂姿态米适应各种复杂地形。同时，设计了机器人的传动方案和典型障碍下的越障模式。( 2 ) 基于救援机器人越障机动性和稳定性要求，对机器人越障过程中的关键姿态进行了分析，优化设计机器人整体尺寸。综合已有救援机器人性能指标，结合复杂的搜救环境，初步确定了该机器人行走系统所要满足的各项性能指标，如重量、移动速度、摆臂转动速度等。通过对典型运动过程的力学分析，如原地转向，爬斜坡，自撑起运动等，确定了机器人各个关节所需动力。借助a d a m s动力学分析软件，构建了救援机器人行走系统的虚拟样机，对姿态变化较复杂的越障过程进行了动态仿真，分析了机器人在整个越障过程中所需动力，为驱动电机的选取提供了参考数据。( 3 ) 采用模块化设计理念对救援机器人行走系统进行了详细的机械设计。其中包括主体设计、主履带移动机构设计和摆臂机构设计，总体结构紧凑、布局合理。运用有限元分析软件a n s y s 对关键的零部件进行了优化分析，在满足结构强度和整体机构刚度的同时尽可能减小机器人的重量，提高机器人的机动性能。一( 4 ) 研制出救援机器人样机，操作机器人实现了多种姿态。根据设计目标测试了样机的各项性能，包括灵活性、平稳性、机动性、转向性及越障性等。?关键词：救援机器人；行走系统；模块化设计；传动方案；越障模式；虚拟样机；动态仿真l i nx i a o w us u p e r v i s e db yq i a nr u i m i n g( s o u t h e a s tu n i v e r s i t y )a b s t r a c tu r b a nr e s c u er o b o t ( u l t r ) i so n eo ft h ea p p l i c a t i o n so fr o b o t i ct e c h n o l o g yi nt h ef i e l do fd i s a s t e rr e l i e f ii tc o u l dt a k ep l a c eo fr e s c u ew o r k e r st os e a r c ht h ev i c t i m si nd a n g e r o u sp l a c e sa n dt r a n s f e rt h ea c q u i r e di n f o r m a t i o nt ot h ec o n t r o l l e ro u t s i d e s ot h i sk i n d o fr o b o tg a i n st h ea t t e n t i o no ft h er o b o tr e s e a r c h e r sa n di sw i d e l ys t u d i e dr e c e n t l y r e s c u er o b o ti sam u l t i - s y s t e ma g g r e g a t i o n ，w h i c hc o u l db er e s e a r c h e df r o mt h ed i f f e r e n ta s p e c t s an e wc o m p o u n d e dl o c o m o t i o ns y s t e mo fl 刀良ri sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r a n db a s e do nt h ec o n d i t i o n so fd i s a s t e rs i t e t h ep h y s i c a lp r o t o t y p ei sf i n a l l yd e v e l o p e dw h i c hc o u l dp e r f o r md i 伍c u l tl o c o m o t i o n sa n dm e e tt h ep e r f o r m a n c ei n d e x e s t h em a i nr e s u l t si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ( 1 ) t h er o b o c u pc o m p e t i t i o na r e ao fu r ri sg e n e r a l l yi n t r o d u c e d ，a n dt h eb a s i cf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sf o rt h et y p i c a lm o b i l er o b o ta r ep r o p o s e d b a s e do nt h e s er e q u i r e m e n t s ，t h e n a i nf e a t u r e so fd i f f e r e n tl o c o m o t i o ns y s t e m sa r ec o m p a r e d w h i c hl c a d st oan o v e l l o c o m o t i o ns y s t e mw i t ho s i l a t i n gm 璐& c a t e r p i l l a rb a n d sa n ds i xd e g r e e so ff r e e d o m t h i ss y s t e mc o u l da c c o m m o d a t et oa l lk i n d so fc o m p l e xt e r r a i nb yr e g u l a t i n gi t sa r n lp o s t u r e s t h e n , t h ed r i v ed e s i g n i n ga n dt h eo b s t a c l e - n e g o t i a t i o nm o d e l sa l ep r e s e n t e d ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h em a n e u v e r a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h er o b o t , t h ec r u c i a lp o s t u r e si nt h ep r o c e s so fo b s t a c l en e g o t i a t i o na r ec l o s e l ya n a l y z e d ，a n dt h ew h o l es i z e so ft h er o b o ta r eo p t i m i z e d t h ep e r f o r m a n c ei n d e x e so ft h ee x i s t e du r ri nc o m p l e xr e s c u ee n v i r o n m e n ta r es y n t h e s i z e d a n dt h ep e r f o r m a n c ei n d e xo ft h eb e i n g - d e s i g n e dr o b o ti sp r e l i m i n a r i l yd e c i d e d ，s u c ha st h ew e i g h t ，t h et r a v e l i n gs p e e d ，t h er o t a t i o n a ls p e e do ft h ea r ma n ds oo n a c c o r d i n gt ot h ed y n a m i ca n a l y s i so ft h et y p i c a lm o v e m e n t s ，s u c ha ss p o tt u r n i n g ，s l o p ec l i m b i n g ，s e l f - s u p p o r t i n gm o v e m e n t ，t h ep o w e rs u p p l yo fe a c hj o i n ti sa c q u i r e d a l s ot h ev i r m a lp r o t o t y p eo ft h el o c o m o t i o ns y s t e mi sc o n s t r u c t e d a n dt h ed y n a m i cs i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tf o rt h ec o m p l i c a t e do b s t a c l e - n e g o t i a t i o np r o c e s sw i t ht h eh e l po fa d a m ss o f t w a r e t h en e e d e dp o w e r si nt h i sp r o c e s sa r eo b t a i n e da n dt h es u i t a b l em o t o r sa r ec h o o s e d ( 3 ) b a s e do nt h em e t h o do fm o d u l a rd e s i g n ，t h ed e t a i l e dd e s i g n so ft h er o b o ta r ea c c o m p l i s h e d , ；w h i c hi n c l u d em a i nb o d yd e s i g n , c a t e r p i l l a rb a n dm e c h a n i s md e s i g n a n do s i l a t i n ga r n lm e c h a n i s md e s i g n 1 1 1 eo v e r a l ls t r u c t u r ei sc o m p a c ta n dt h el a y o u ti sr e a s o n a b l e i no r d e rt or e d u c et h ew e i g h ta n di n c r e a s et h es t r e n g t h s t i f f n e s sa n dm a n e u v e r a b i l i t yo ft h er o b o t , t h ek e yc o m p o n e n t sa r eo p t i m i z e dw i t ht h eh e l po fa n s y ss o f t w a r e ( 4 ) 1 1 1 ep h y s i c a lp r o t o t y p eo ft h e 切文ri sd e v e l o p e d ，a n da n t i c i p a t e dp o s t u r e sa r ea c h i e v e d a c c o r d i n gt ot h ep r o j e c to b j e c t i v e s ，t h ep r o t o t y p ei st e s t e df r o ms e v e r a la s p e c t s ，s u c ha sm a n e u v e r a b i l i t y ,o b s t a c l e n e g o t i a t i o nc a p a b i l i t y , s t a b i l i t y , c o r n e r i n ga b i l i t y , a n ds oo n 、k e yw o r d s ：r e s c u er o b o t ；l o c o m o t i o ns y s t e m ；m o d u l a rd e s i g n ；d r i v i n gs c h e m e ；o b s t a c l en e g o t i a t i o nm o d e l ；v i r t u a lp r o t o t y p e ；d y n a m i cs i m u l a t i o nii i11111 2 2 国内救援机器人研究现状- 51 2 3 救援机器人关键性能及发展趋势j 61 3 课题来源及意义：7i 4 论文组织结构。7第二章救援机器人行走系统传动方案设计和典型工作模式规划82 1 救援机器人比赛环境及设计要求82 1 1 救援机器人比赛环境介绍82 i 2 救援机器人设计要求。1 02 2 现有移动机器人行走系统的分类与比较，1 12 2 1 轮式行走系统一：1 l2 2 z 履带式行走系统：1 12 2 3 腿足式行走系统：1 12 2 4 复合式行走系统o 1 22 2 5 仿生式行走系统! 1 22 2 6 各类行走系统性能比较：1 22 3 行走系统传动方案设计一1 32 4 行走系统典型工作模式规划1 42 5 本章小结1 6第三章救援机器人行走系统主参数设计1 73 1 总体尺寸设计j _ 1 73 1 1 迷宫水平地面运动j 1 73 1 2 上下楼梯1 73 1 3 跨越台阶2 03 1 4 斜坡运动2 23 1 5 整体尺寸参数2 33 2 动力分析2 33 2 i 参数指标设计2 33 2 2 主履带行走机构动力分析：2 43 2 3 摆臂机构动力分析2 73 3 本章小结。：2 8第四章救援机器人行走系统虚拟样机构建与动态仿真：2 94 1a d a m s 软件简介：2 94 2 行走系统虚拟样机原地转向动态仿真一3 04 2 1 行走系统虚拟样机建模3 04 2 2 将u g 软件中的模型导入a d a m s 软件：一：3 04 2 3 行走系统虚拟样机仿真。i 3 14 2 4 行走系统虚拟样机的改进及仿真j 3 44 3 行走系统虚拟样机跨越台阶动态仿真_ 3 54 3 1 行走系统虚拟样机建模，3 64 3 2 行走系统虚拟样机越障运动仿真7 3 64 4 本章小结：7 3 9第五章救援机器人行走系统详细设计及样机研制r ：4 05 1 主体设计4 0目录5 1 1 车架设计4 05 1 2 车架结构优化4 l5 2 主履带移动机构设计4 35 2 1 传动设计4 35 2 2 主带轮设计。j 4 45 2 3 主履带设计：4 45 2 4 其他零件设计：4 55 3 摆臂机构设计；4 55 3 1 传动设计4 55 3 2 摆臂带轮设计! 4 65 3 3 摆臂履带设计二4 75 3 4 摆臂侧板优化设计4 75 4 样机研制及功能测试5 05 5 本章小结5 2第六章总结与展望5 36 1 总结j _ 5 36 2 展望jj 5 4致谢5 5参考文献5 6i v第一章绪论第一章绪论1 1 城市救援机器人的应用前景及优势在人类历史中，几乎每年人们都会遭受到自然灾害或人为灾害的袭击，如地震、台风、火灾，甚至恐怖袭击等。而日随着城市环境中人口城市化和城市人口密集现象加剧，高层建筑、地下工程、大型商贸场所、文化娱乐场所迅猛发展，城市建筑物不断增加，使得城市建筑环境中的搜救作业十分复杂。当灾难发生之后，对受灾地区建筑中的人员进行搜索是人们面临的首要任务。当然，那些遭遇灾难仍然具有自我意识的幸存者比较容易被发现，能很快获得营救；但是，对于那些失去意识的幸存者以及遇难者而言，人们必须要深入到救援现场( 如坍塌的建筑内部) 搜索寻找，目前这类任务主要由后续赶到的救援队来完成。然i 面，时间就是生命，救援队赶到灾难发生地需要一段时间，到达受灾地点后对被困人员进行大范围的搜索同样需要花费时间。在极短的时间内赶到受灾地点并搜索出坍塌建筑内的幸存者是救援队面临的重大任务。但是，复杂危险的救援现场给救援人员及幸存者带来了巨大的安全威胁，阻碍了救援工作快速有效地进行。影响救援工作的因素主要有以下几点j ：( 1 ) 空间限制救援实践表明，通常幸存者被困在那些坍塌所形成的空间中，需要对这些空间充分搜索。遗憾的是救援人员根本无法进入这些非常狭小的空间和通道，这些地方突出的钢筋和碎块会给救援人员和搜救犬只带来伤害；( 2 ) 结构不稳定灾害发生之后建筑物的钢架结构会遭到破坏，救援人员在废墟中必须时刻提防可能落下的碎块，同时，救援进展过程中也可能会发生二次坍塌或余震，给废墟下的救援人员和被困的幸存者造成伤害，这给救援人员带来极大的生命危险和心理负担，严重影响救援工作的进展：( 3 ) 危险物质和大火灾难会引燃易燃易爆的物品，引起大火，在一些危险场合，如化工厂等，如果没有相应的防护措施。即使专业救援人员也不能轻易开展救援工作。上述不利冈素给救援工作带来不少阻碍。：随着移动机器人应用的推广，其在灾难救援领域的应用逐渐得到充分重视。自1 9 9 5 年，救援机器人技术得到前所未有的重视，日本大阪的大地震以及美国俄克拉荷马州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案揭开了救援机器人技术研究的序幕【l 】。“9 1 l ”事件发生后，救援机器人就直接被应用到灾难现场的搜救工作中，从而开创了救援机器人从理论探索到实际应用的首例。应用救援机器人可以排除许多救援不利因素，它可以快速有效地进入复杂危险的区域进行生命迹象探测。如果探测到生命迹象，例如人体图像、体温、声音等，救援机器人将立即反馈给搜救人员。根据救援机器人携带的摄像头以及绘制的地图，救援人员可以及时了解幸存者的位置和身体状况，并采取有效措施进行施救。在整个过程中，救援机器人可以代替救援人员对危险区域进行搜索，这样不仅保障了救援人员的安全，而且提高了幸存者的存活率。1 2 救援机器人研究概况及趋势灾难救援机器人实际上是移动机器人在灾难搜救领域的一种应用，是针对灾难现场特有环境而设计的移动机器人，它必须具有良好的越障能力、感知能力及通信能力等。早在1 9 6 8 年，美国科研人员就开始对移动机器人进行研列2 1 ，当时移动机器人主要用于研究人工智能技术。到了上个世纪7 0 年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究也逐渐兴起特别到了8 0 年代中期，机器人设计和制造的浪潮席卷伞世界一大批世界著名公司开始研制移动机器人平台，这些机器人主要作为大学实验室及研究机构的实验平台，从而促进移动机器人学向多种研究方向发展。起初，移动机器人技术主要应用于军事领域的活动，例如战场侦察、排雷、防化、信号干扰或直接作战等。但随着移动机器人应用领域的拓展以及人们发现灾难现场环境与军事战场环境有不少相似之处，这说明军用机器人在经过适当的改进之后便可推广到灾难救援领域。在现今的救援活动中，有些已直接运用了侦察、反恐防暴等领域的移动机器人，例如美国i r o b o t公司生产的p a c k b o t 系列机器人【3 】、f o s t e r m i l l e r 公司研制的t a l o n f d l 器人【4 j 。随着人们逐渐认识到灾难救援机器人重要性，国内外的科研人员在地震、火灾等救援机器人的研究方面已经做了大量的工作，并研究出针对灾难现场救援的机器人。：1 2 1 国外救援机器人研究概况“作为机器人的诞生地，美国早在1 9 6 2 年就研制出世界上第一台工业机器人，比号称“机器人王lj 东南大学硕士学位论文国”的日本起步要早五、六年。经过几十年的发展，现在美国已经成为世界机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。美国在救援机器人理论研究和应用方面同样处于世界领先水平，并取得了丰富的研究成果。“9 l l ”事件发生后，美国主要机器人生产公司和研究机构都积极参加了纽约世贸大厦现场搜救工作，包括南佛罗里达大学机器人辅助搜寻与救援研究中心，s p a w a r 研究中心，m i t 的i r o b o t 公司，以及f o s t e r - m i l l e r 公司等。当时携带到搜救现场的机器人包括以下几种【，j ：加拿大i n u k t u n 公司的机器人( m i c r ov g t v 、m i c r ot r a c e 和m i n it r a c e s ) 、美国f o s t e r - m i l l e r 公司提供的机器人 s o l e m 、t a l o n 和u r b o t ) 以及i r o b o t 公司的p a c k b o t 和a t r v 。据时代周刊报道，在最初的十天当中，救援机器人在人工无法抵达的危险区域找到十余具遇难者的遗体，与现场搜救人员找到的数量基本相同，但所花的时问却不到现场救援人员花费时间的一半1 6 j 。下面将对其中一些机器人简要介绍。图1 1 为美国f o s t e r m i l l e r 公司研制的t a l o n 机器人【4 j 。该机器人采用履带方式行进，由两台普通直流电机驱动，电机经链条带动履带轮转动。另在前后履带轮中间装有一个小型承重轮，该轮不仅起到支撑作用，而且能够提高机器人转向能力。t a l o n 机器人外形参数尺寸为8 6 4 c m x 5 7 2 c m x 2 7 9 c m ，重约3 9 k g ，能够爬4 5 0 斜坡。总的来讲，该公司研制的几款机器人体型相似，仅因配置设备不同而用于不同的作业任务阴。图1 1 机器人t a l o n图1 2 机器人p a c k b o t图1 3 机器人a t r v图1 2 是i r o b o t 公司研制的便携式机器人p a c k b o t 【3 】。该机器人也采用履带式行走机构，并附有一对具有3 6 0 0 转角的摆臂，p a c k b o t 可以在摆臂的辅助下平稳地爬楼梯、翻越障碍。p a c k b o t 由三台电机驱动，其中两台分别用来驱动两侧履带运动，另一台用来驱动摆臂转动。p a c k b o t j j h 载了不少电子设备，例如激光测距仪、立体摄像机等。它展开尺寸为8 7 6 c m x 4 0 c m x l 8 c m ，重量为2 0 k g ，正常行走速度为0 8 m s 。另# b p a c k b o t 具有防水性能和一定的抗冲击能力【8 】。该公司的另一款机器人a t r v 采用了大型轮式移动机构，体型高大，如图1 3 所示。该机器人在平地上具有很强的机动性能；但在不规则地面上运动时，其重心容易失衡，会发生侧翻。而对于建筑物内常见障碍，如楼梯、台阶等，该四轮机器人则无法通过，这在世贸大厦灾后救援工作中得到了验证。图1 4 机器人m i c r o v g t vi n u k t u n 公司研发出来的几款机器人具有体积小、质量轻的有点，在世贸大厦灾后救援工作中应用最多。其中最典型的一款为多态搜救机器人m i c r ov g t v ，如图1 4 所示，它可以通过调整履带形状从而增强自身越障能力【8 】。当机器人履带呈直线时，其如同一辆坦克；当履带形状呈三角形时，机器人容易爬上障碍，如图1 4 ( b ) 所示。另外两款参与救援的机器人结构形状固定，属于典型的坦克式机器人。这些机器人质轻灵巧，都曾在“9 l l ”搜救任务中大显身手。!除了这些已经经历过实践考验过的机器人外，美国一些高校的研究中心、国家科研机构以及公司都已经着手机器人在救援领域的应用，并研制出各自的实验样机。这里主要从移动方式角度对救援机器人的进行分类，详细介绍带有典型移动方式的机器人样机。?第一章绪论明尼苏达州大学的t o e t e r 等人研制了一种特殊的移动机器人c o t s ms c o u t ，该机器人具有三个自由度，运动灵活，结构灵巧，如图1 5 所示。可用于机器人群体作业，具有简单的传感单元、运动单元和专业的作业工具p j 。此外，该大学a n d r e wd r e r m e r 等人研究了一种腿轮式机器入a c 删e d w h e e ls c o u t ，如图1 6 所示，这种机器人有多种移动方式。当机器人在平地上行走时，机器人的腿合拢成轮状，能够快速平稳的行走；当机器人遇到较高的障碍或者行走在不规则地面时，机器人的腿张开从而增加轮径，这样机器人便可通过较高障碍和崎岖的地面 t o , i h 。但该类机器人不具备平稳地爬楼梯、跨越台阶的功能。三攀藤，圈塑，u_ 翻啊一。终孺。? i图1 6 机器人a c t u a t e d - w h e e ls c o u t -救援机器人u r b i e 系列是美国d a r p a 高技术办公室支持的军用战术移动机器人，由j p l 、i r o b t 、：u s c多家单位共同研制。如图1 7 ( a ) 所示，该机器人类似于机器j k p a c k b o t ，具有很强的越障功能，能够上下楼梯；图1 7 ( b ) 为轮腿式机器人，具有很强的机动性能和越障性能。研制m i e 的初衷是用于城市的巡逻和警备，但是它同样能够用于城市灾难环境的探测和救援作业，特别是采用轮、腿、履带复合式的移动机构使机器人具有更强的运动能力7 , 1 2 。，图1 7 机器人u 而i e 系列号称“机器人王国”的日本在机器人研究政策方面没有走美国的弯路，它始终坚持研究与实际应用相结合的政策，在机器人各个领域的应用取得了瞩目的成果。由于日本是一个多地震的国家，在经济基础和科技实力的支持下，日本在救援机器人方面研究的比较早，且比较全面。日本东京工业大学的广濑是从事救援机器人研究的先驱，并在仿生救援机器人研究方面做出了卓越的贡献，他带领的科研团队先后研制了“a c m ”，“g e n b u ”与“s o r y u ”等多系列救援机器人样机【7 1 。最为典型的是s o r y u 系列机器人，如图1 8 所示。鉴于灾难现场废墟内部空间狭小，该机器人由三节履带车连接而成，体型瘦长，能够通过狭窄崎岖的空间地形，具有很好的通过性和地面适应能力。即使在越障过程中该机器人倾翻，也可以通过扭动各个关节来复位。因此，可以运用该救援系统在废墟内部进行搜索。类似的机器人平台有日本东京工业大学的k a m e g a w a 等提出一种新的救援机器人平台【l3 1 、日本京都大学o s u k a 等研制出一种四节四面履带救援机器人m o i r a 【l 训。日本的许多高校、科研机构也已经研制出具有多种结构的救援机器人，其中以履带式机器人为主，但不乏一些具备新颖的机构和运动方式的救援机器人【7 j 。例如日本原子力研究所和核融合工学部等联合研制了耐放射性机器人，日本研究员s h i r o s e 等研制的蛇形救援机器人a c m r 1 i l t l 7 1 与a c m r 5 1 8 】，东京技术研究所与国际救援系统委员会联合研发的救援机器人系歹l j h e l i o s t 憎j 。如图1 9 ( a ) 所示，救援机器人a c mr 1 由若干个相同的关节串联组成，通过协调各个关节机器人能够以5 c m s 的速度像蛇一样移动。它能够适应不规则地形和狭窄的通道，可以越过沟渠，在松软的地而移动，而且便于维护、重组。图1 9 ( b ) 为另一款蛇形机器人a c m - r 5 。该机器人由多段组成，每段圆形体上都装有6 枚类似鱼鳍的配件，最后再利用伸缩关节将各段连接起来。鱼鳍顶端脚轮不产生驱动力，机器人通过蛇行或扭动身体来移动。这种蛇形机器人不仅可以在地上行走，还能利用螺旋桨装置还可以在水中滑行，具有很强的防水性。机器人前端装有摄影机，可以用于在31东南大学硕士学位论文狭窄、复杂的地形中搜寻遇难者，但随动的脚轮使得机器人不能够爬楼梯、斜坡。总之，蛇形机器人具有其体型灵巧、横截面积小、可以适宜不规则地形以及能够实现三维运动等特点，在救援领域展现出独特优势，得到了广泛关注和研究。图1 8 机器人s o r y u( a )( b )图1 9 蛇形机器人a c m r 1 和a c m - r 5 救援机器人h e l i o si 由h i r o s e y o n e d a 实验室研发，配置了重心控制机构l 驯。当机器人爬楼梯底盘倾斜时，机器人的整个底盘重心向前倾。运用这种机构，不仅可以使得车载平台保持水平，而且可以保持机器人重心在稳定区域。研制的救援机器人h e l i o sv i 是在第一代的基础上增加了一对摆臂，用来协助它自身平稳的上下楼梯1 2 ，如图1 1 0 ( a ) 所示。而最新研制的h e l i o s 包括一对履带机构和主体机械臂机构，如图1 1 0 ( b ) 所示，椭圆形的履带形状使得机器人与地面的接触面小，便于转向；带有从动轮的机械手臂不但能够抓取物体，还可用来支撑地面以辅助机器人越过障碍【l9 】。h e l i o s 机器人系列各自具有很强的越障性能。7。“7图1 1 l 机器人r o l l c i - w a l k c r图1 1 0 机器人h e l i o s 系列一”一一日本技术研究所研制了机器人r o l l e r - w a l k e r ，如图1 1 1 所示，它具有特殊的腿部机构，具有两种移动模式行走模式和溜冰模式。当机器人处于崎岖的地形时，机器人采用行走模式前行；当机器人处于平坦路面时，则采用溜冰模式移动，具有很强的地形适应能力【z 引。在日本，一些大公司也在从事救援机器人的研究和开发，他们通常采用与研究所或和大学进行合作，一方面企业为研究所提供必要的研究资金和试验场地，为研究成果的产品化提供通往市场的桥梁，另一方面研究所具备雄厚的技术支持。此类合作快速推动了许多产品的开发应用。例如，东芝公司研发的s m e r t - m 能通过狭窄的空间进行监测和危险现场搬运：日立公司研发的m a e - a 形状可变机器人；三菱重工研制的s w a n 机器人具有地形适应能力j 。?其他国家对救援机器人的研究也相当重视，例如伊朗、加拿大、瑞士等。图1 1 2 机器人r e s q u a k e图1 1 3 机器人r h e x ! 、伊朗k n 1 o o s i 科技大学机械工程学院的研究人员研制出了救援机器人r e s q u a k e ，如图1 1 2所示，并在2 0 0 5 年国际机器人大赛日本公开赛中获得亚军2 3 1 。该机器人具有两对摆臂，具有良好的4翻圈第章绪论越障能力和稳定性，能够平稳的上下楼梯、斜坡、台阶等。它的展开尺寸为8 0 4 0 2 6 c m ，摆臂收起时长度为4 1 c m ，机器人的重量为2 5 k g ，速度为1 9 c m s e e 。摆臂的转速为4 r p m 。加拿大麦吉尔大学救援机器人研究中心研制了一种能够上下楼梯的六足式机器人，通过模仿昆虫的行走步态来协调该机器人各个腿的运动规律，使其能够平稳地上下楼梯【冽。该机器人能够在崎岖的地形上行走，弯曲的腿形结构具有很好的减振效果。但是由于控制系统比较复杂，该类型机器人行走系统应用相对较少。( a )图1 1 4 机器人a z i m u t( b )图1 1 5 跳跃机器人图1 1 4 是加拿大s h e t h r o o k 大学研制的a z i l 讯j t 机器人【2 5 1 。该机器人采用轮、履、腿复合移动机构，具有四个独立且对称分布的履腿模块，每个履腿模块有3 个自由度。机器人具有多种运动模式，图1 1 4 ( a ) 为履式行走模式，图1 1 4 ( b ) 为腿式行走模式。该机器人具有很强的越障性能，能够爬楼梯，跨越台阶等。但是，过多的自由度使得机器人运动控制比较困难，影响了操控性。机器人展开尺寸为l1 9 4 c m 7 0 5 c r n x 3 8 9 c m ，支撑时外形尺寸为7 0 5 c m x 7 0 5 e m x 6 6 e m ，其重量为6 3 5 k g ，正常行驶速度为1 2 m s 。j除了以上常规移动机器人外，最近瑞士科学家设计出一款形状大小类似蚱蜢、体重仅有7 克的机器人【2 6 】，如图1 1 5 所示。这款机器人能够像蚱蜢一样跳跃，其跳跃的距离能够达到体长的2 7 倍。它运用了类似跳蚤、蚱蜢和青蛙的机制来储存能量，即依靠一个微型电池和电动机给2 个弹簧充电。这2 个弹簧可以迅速释放能量，实现强有力的跳跃和快速的加速，每充电3 秒就可以进行高达3 2 0次跳跃。仿生蚱蜢跳跃机器人是完全模仿蚱蜢后腿生理跳跃功能，机器人利用四杆机构对其进行模拟还原，以确保跳跃时能获得良好的力学特性。这款机器人的设计制作，为研究跳跃类机器人的能量存储、弹跳力学、机构仿生、自动控制提供了一个实验载体，为研制低功耗、高效率、高机动性的跳跃机器人提供了基本的平台。仿生机器人一直都是科学家们追逐的热点，为机器人移动机构的研究提供了许多灵感。1 2 2 国内救援机器人研究现状在中国，不少专家学者已经意识到城市灾难救援机器人技术研究的重要性，许多高校和研究所在城市救援机器人技术应用领域开展了广泛的研究。由于移动机器人的研究初衷主要源自防恐排爆、军事侦察等方面的需要，并积累了大量经验，因此救援机器人的研究可以借鉴以前的研究成果，结合救援现场的实际情况转化利用并有所创新。以下简要介绍国内移动机器人研究成果以及部分救援机器人样机系统。在8 6 3 计划资助下，中国科学院沈阳自动化研究所开展了多项危险作业和极限作业机器人研究，其中救援机器人是重要的一个部分l 。图1 1 6 蛇形机器人图1 1 7 复合结构移动机器人：2 0 0 4 年2 月中科院沈阳自动研究所研制的蛇形机器人通过了国家8 6 3 计划专家组验收【2 7 1 。这种国产化蛇型机器人身长1 5 0 厘米，体重3 公斤，行走速度可达每秒0 4 米。蛇形机器人采用仿生模东南大学硕士学位论文块化、可变结构设计的灵活肌体，运用分布式神经网络控制。它具有三维空间运动能力，可以自动识别地面环境特征，相应采取蜿蜒、侧动、伸缩、翻滚等各种步态。不仅能够在硬地面、沙地中爬行，还能够越过5 厘米高的障碍，可用来探测管网通道，进入狭窄空间进行搜索。中科院沈阳自动化研究所与中科院自动化研究所联合研制的基于复合结构的非结构环境移动机器人是一种新型特种机器人i z7 。该机器人重量约1 0 0 公斤、长0 8 米、宽0 7 2 米、高0 4 5 米，履带式移动速度达到每分钟5 米，轮式移动速度可达每分钟l o 米，具有多种移动方式，如图1 1 7 所示。整机采用了多传感器信息融合技术，具有自主避障、寻找目标、上下楼梯、跨越障碍等功能，能够自动根据不同的地面状况切换移动方式。这种机器人为探测太空、海洋等未知环境提供了技术保障，同样可以应用于灾难现场的救援工作。2 0 0 6 年北京理工大学机电工程学院研制了一种具有越障功能的轮履式救援机器人【硎。该机器人质轻灵巧，能够越过台阶、斜面、楼梯等障碍，具有很好的地形适应性和越障能力。如图1 1 8 所示，机器人基本结构由四个轮子、四个摆臂机构及车体构成，每一组摆臂和轮子的运动都是相对独立。在平地上机器人采用轮式运动，速度快，能耗低：在复杂地形上采用履带式运动，越障能力强，这两种移动方式的组合形成了良好的移动平台。机器人展开尺寸为7 0 0 x 6 0 0 x 3 0 0 m m ，重量约为3 5 k g ，最高速度为8 k m h ，最大越障高度为3 0 0 m r n ，续航时间长达l h 。t审咿囊冬ij萎罐谢委图1 1 8 轮履武机器人图1 1 9 “灵晰b ”机器人图1 2 0 履一腿机器人目前，南京市公安局的“灵晰b ”型排爆机器代表着国内移动机器人的前沿技术，如图1 1 9 所示，它由中科院沈阳自动化研究所研制【2 引。该机器人高约2 m ，重1 0 0 k g ，属于摆臂式履带车。机器人携有四自由度机械手，能举起8 公斤以上的重物，并装有两台二自由度c c d 摄像机云台、照明设备、双向语音系统。它的最大行驶速度为3 0 米分，机动性好，可在小于4 0 度的楼梯和斜坡上行走，能够跨越3 0 0 毫米高障碍。可全方位行走，有很好的地面适应能力。如图1 2 0 所示，国防科技大学研制出一种履腿机器人，外形参数尺寸约为9 0 x g o x 3 0 c n - l 左右，该机器人在车体前后分别安装有两对履带式鳍状肢，在一定范围可同时上下摆动辅助越障、攀爬，机器人具有较强的越障性能、路面通过性和上下台阶能力1 2 引。无论在机器人理论研究方面还是在机器人应用方面，国内都相对较晚，因此国内科研学者可以在引进和消化国外机器人技术应用的基础上，结合国内灾害现场实情，研制出能够满足国内灾难救援的机器人。1 2 3 救援机器人关键性能及发展趋势城市灾难救援机器人是随着机器人技术在灾难现场救援领域的应用而诞生的。由于灾难现场环境复杂、危险，救援机器人必须具备性能优越的硬件系统和软件系统。综合以上世界各国对救援机器人技术方面的研究，结合其在实践应用中的各项性能表现，得出救援机器人的关键性能有以下几个方面i l , 3 0 ) ：( 1 ) 移动性。移动性是救援机器人完成搜救任务的决定因素。由于城市灾难救援环境的情况复杂，其中包括台阶、斜坡、楼梯、凹坑等简单地形，以及由简单地形任意组合而成的复杂地形，因此救援机器人能否通过这些地形结构到达搜索区域进行搜索是机器人方案设计的关键。为了提高救援机器人的机动性、越障性及通过能力，截止到目前国内外各大高校和科研机构已研制出不同移动方式的机器人行走装置，并取得了不少突破性成果。( 2 ) 感知能力。救援机器人进入废墟后需要能够获取灾难现场环境信息，探寻遇难人员。目前，大多数救援机器人主要运用激光传感器和电子罗盘来构建环境地图，确定遇难人员方位。同时，机器人还配置了其他传感检测装置，例如，二氧化碳传感器、声纳传感器、摄像头等搜救机器人的核心任务是搜寻被困人员。目前主要通过机器人携带的摄像头来识别被困人员。近来，热成像照相技术在幸存者检测方面取得了不错的研究成果。由于灾难现场环境的复杂性和不确定性，传统的导6第一章绪论航算法、图像识别技术等方面有待进一步提高。( 3 ) 通信方式。在搜救过程中，工作人员需要获得搜救机器人感知的图像、声音等信息，有时需要对机器人进行人工操作，这要求实现人机通信。目前，人机通信主要有无线和电缆两种方式。对于电缆通信方式，数据传送稳定可靠，但在复杂环境中电缆容易缠绕，影响机器人的移动性能。对于无线通讯方式，虽然不存在电缆缠绕问题，但很难保证数据稳定传送，即使在穿透性能最佳的频段，也会受到带宽及各种干扰的影响。稳定可靠的无线通讯方式是搜救机器人领域需要很好解决的关键问题之一。( 4 ) 人机交互界面。在搜救时，机器人操控人员精神紧张且需要长时间工作，因此良好的人机交互系统是提高搜救效率、减轻操控人员工作强度的保证。人机交互主要通过良好的用户接口来实现，因此该接口必须为操控者提供充足的信息，让操作者能够做出最佳操作判断。通过人机接口操作者应能够很方便地判断机器人的位置、状态，从而对机器人本身以及其所携带的有关装置如摄像头、照明装置等进行控制。设计人机交互界面时，设计人员需要充分了解搜救过程中操控人员需要获得的信息。以上关键性能是针对救援机器人的单个功能而言，是当前搜救机器人领域的研究热点。对这些关键性能进行融合是搜救机器人研究的发展方向，其中包括群体机器人研究，全自主机器人研究，以及传感器融合研究。1 3 课题来源及意义本课题来源于学校立项的“r o b o c u p 实物救援机器人”项目，用于参加实物救援机器人比赛。救援机器人比赛的意义是为促进城市搜救研究发展而设置的竞赛，竞赛中各参赛队需要完成具有挑战性的任纠7 8 】。通过竞赛可以为机器人在复杂环境下运作提供性能客观评价标准。这项赛事鼓励参赛队在完成任务的过程中充分展示其机器人性能( 机动性，感知能力，定位能力，操作界面等) 。比赛任务是控制机器人在迷宫式的场地中搜救模拟的被困者，完成任务的得分是用几项标准测试方法来评测的。获胜队伍必须能够很好地完成7 到l o 个任务，每个任务都会指定出发点，要在规定的时间内找到最多数目的被困者。比赛成绩将按照完成所有任务后得到总分的高低排出冠、亚、季军。另外设置两个最佳单项奖最佳性能和最佳自主奖。单项奖的评比是综合在常规比赛中在这两个方面的表现和在常规比赛结束后的专场比赛的得分表现来确定的。随着机器人搜救研究的进步和发展，比赛的凼难程度将相应有所增加，这和比赛的初衷是一致的，要促使机器人从室内走向室外，从实验环境走向实际环境。比赛是一个机器人技术进步展示的舞台，也是检验机器人系统的实验场，比赛的最终目标是将机器人用于真正的救援领域。1 4 论文组织结构本文的组织结构为：第一章绪论；第二章介绍救援机器人的工作环境，并提出机器人行走系统设计方案和工作模式；第三章对越障过程进行结构分析和力学分析，初步确定机器人设计参数；第四章构建救援机器人虚拟样机，并进行越障过程动态仿真，验证设计参数和越障模式的可行性；第五章对机器人行走系统进行详细设计，并对关键零部件进行优化；第六章概括论文完成的工作以及有待改进之处。7东南大学硕士学位论文第二章救援机器人行走系统传动方案设计和典型工作模式规划2 1 救援机器人比赛环境及设计要求2 i i 救援机器人比赛环境介绍救援机器人比赛是为了促进城市搜救研究发展而设置的比赛，竞赛中各参赛队需要完成具有挑战性的任务。通过竞赛可以为机器人在复杂环境下运作提供性能客观评价标准。这项赛事鼓励参赛队员在完成任务的过程中充分展示机器人性能，如机动性、感知能力、定位能力和绘图能力等。而比赛场地是检验救援机器人技术水平的现实模拟环境，是促进救援机器人由室内走向室外、由实验环境走向实际环境的桥梁。比赛的目的不仅仅是为了展示现有救援机器入最新技术和功能，同时需要用逼近现实的比赛环境对目前救援机器人的搜救效率进行检验。目前救援机器人比赛场地参数和布局主要来自于实际环境。在现实中，当城市建筑物在地震中坍塌或发生火灾时，灾难应急小组携带救援机器人赶往灾难现场。为了防止余震或火灾带来的人员伤亡，救援小组在安全区域操作机器人进入危险建筑物内部搜寻被困人员。救援机器人和操作者的任务就是寻找被