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四连杆履带式搜救机器人【6张图/18900字】【优秀机械毕业设计论文】

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四连杆履带式搜救机器人【】【优秀机械毕业设计论文】.rar

A0-总图.dwg

A2-四边形机构.dwg

A2-曲柄.dwg

A3-机架.dwg

A3-车轮.dwg

A3-连杆.dwg

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关键词：: 连杆履带式搜救机器人优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份。46页。18900字左右。
外文翻译一份。
开题报告一份。
实习报告一份。
中期检查表一份。

图纸共6张，如下所示
A0-总图.dwg
A2-四边形机构.dwg
A2-曲柄.dwg
A3-机架.dwg
A3-车轮.dwg
A3-连杆.dwg

1 绪论 1
1.1 选题背景和意义 1
1.2 履带机器人研究现状 3
1.2.1 国外研究现状 3
1.2.2 国内研究现状 5
1.3 微小型履带机器人的关键技术 7
1.3.1 模块化设计技术 7
1.3.2 控制技术 8
1.3.3 通信技术 8
1.3.4 多传感器信息融合技术 9
1.3.5 导航和定位技术 9
1.4 履带机器人的发展趋势 10
1.5本文主要研究内容 12
2 四连杆履带式机器人移动机构方案设计 13
2.1 概述 13
2.2 移动机构选择 13
2.3 四连杆履带式机器人移动机构方案 17
2.3.1 机器人移动机构介绍 17
2.3.2 四连杆履带式机器人性能指标分析与设计 20
2.4 四连杆履带式机器人运动学分析 22
2.4.1 机器人直线行驶运动学分析 22
2.3.2 转向运动学分析 23
3 四连杆履带式机器人越障能力分析 26
3.1 机器人越障原理 26
3.1.1 突起型障碍 26
3.1.2 壕沟型障碍 27
3.1.3 其它类型障碍 27
3.2 机器人越障性能分析 27
3.2.1 机器人翻越障碍物受力分析 28
3.2.2 机器人翻越垂直障碍物重心偏移分析 30
4 四连杆履带式机器人移动机构设计 35
4.1 总体结构设计 35
4.2 机器人模块化设计 36
4.3 机器人传动系统设计 37
4.3.1 主驱动轮传动系统设计 37
4.3.2 履带变形装置传动系统 39
5 四连杆变形履带式机器人的建模 41
5.1 虚拟样机技术与Proe软件简介 41
5.2 利用三维软件Proe建模 42
6 全文总结 43
致谢 45
参考文献 46

摘要
四连杆变形履带式机器人结构布局, 主要由机架和两个对称分布的履带变形模块组成。位于机器人中部的机架作为移动平台可装载直流电源及与控制相关的各种设备, 用于完成各种特定的任务, 在机器人运动过程中一般保持水平。机架两侧是基于平行四边形结构的履带变形模块, 主要由四连杆变形机构、主驱动轮、被动轮及绕在履带轮上的履带组成, 其中四连杆变形机构由连杆、主动曲柄、被动曲柄组成, 用于提供驱动力, 并且可以绕机架旋转, 实现履带变形, 在越障时给机器人提供额外的辅助运动。机器人共有3个自由度, 即一个平动自由度和两个旋转自由度。安装在机器人两个主驱动轮内的电机通过联轴器传动, 将主驱动轮的旋转运动转变为履带的平移运动, 实现机器人的直线前进、后退和转向。另外一个电机安装在机架上, 通过链传动驱动左右两侧履带变形模块中的主动曲柄绕位于机架前方的轴转动, 从而实现四连杆机构的变形, 最终使绕在其四周的履带构形发生变化。该结构的特点在于巧妙地利用四连杆机构实现了机器人的行进与履带的变形, 使机器人具备良好的越障性能和地面适应性。

关键词：平行四边形四连杆变形履带式机器人越障

Abstract
Four connecting rod deformation caterpillar search and rescue robot that is used for public security, armed police after disaster unstructured environment executive search and rescue mission under the special robot.Four connecting rod deformation caterpillar robot structure layout, and the main frame and two symmetric distribution of deformation crawler module. Located in the central robot as a mobile platform can be loaded with control dc power supply and various related equipment, used to finish all kinds of particular task, in the motion process generally keep level. On both sides of the frame is based on a parallelogram structure deformation of the crawler module, mainly by the four connecting rod deformation institutions, the drive wheels, passive round and round the track of the wheel track composition, four of them deformation mechanism of connecting rod, connecting active and passive crank crank up, used to provide a driving force,And can be rotated around the frame, realizing track deformation, the obstacle to provide additional auxiliary motion robot. The robot has 3 degrees of freedom, namely a translational degrees of freedom and two rotational degrees of freedom. Mounted on a robot two main driving wheel motor through the coupling drive, the main drive wheel rotation motion into translational motion track of the robot, straight forward, backward and steering. A motor is mounted on the frame, through the chain transmission drive around both sides of track deformation module of the driving crank around the rack is located in front of the axis of rotation, thus realizing the four connecting rod mechanism of deformation, eventually winding around the track configuration changes. The structure is characterized in that the clever use of four bar linkage mechanism can make the robot traveling and track deformation, so that the robot has good barrier properties and ground adaptability.
Key words: parallelogram Four connecting rod deformation caterpillar robot The obstacles

一、选题的目的和意义：
目的：近年来，多发的自然灾害（如地震、火灾、洪水）、人为的恐怖活动、武力冲突及各种生化病毒、有毒物质、辐射等恐怖不断威胁着人类的安全，使得人们普遍关注对各种灾害的应急能力、灾后的快速响应处理能力。在突发恐怖事件、自然灾害及意外伤害发生后，巨大的灾害往往造成大范围的建筑物坍塌和人员伤亡，现场搜索与救援成为人不最为紧急的工作。然而现场多为坍塌环境，结构复杂、不稳定，有些狭小空间救援人员和搜救犬根本无法进入，从而使搜救范围限制在倒塌建筑物表面范围。救援人员进入建筑物也将有巨大的风险，其体重和移动可能会引起建筑物进一步倒塌，造成对救援人员和幸存者的再次伤害。因此，救援队员必须在结构工程师进行评估，并对不稳定的倒塌结构进行支撑加固后才能进入，这个过程延误了搜救受灾者的时间。同时，由于搜寻空间条件恶劣，易导致救援队员劳累，从而易对周围建筑结构作出错误判断，错过没有知觉受灾者的概率上升，而且救援人员也存在重大的健康风险和安全风险，影响救援工作的快速展开。
意义：将机器人技术、营救行动技术、灾害学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜救与营救的救援机器人，将有效地提高救援的效率和减少救援人员的伤亡。
四连杆变形履带式搜救机器人是指用于公安、武警在灾后非结构环境下执行搜索与救援任务的特种机器人。机器人在搜索与救援过程中明显具有以下几个方面的优势。
（1）在发生倒塌后，机器人可以立即展开对幸存者的搜索，进入结构不稳定的建筑物，降低救援队员的风险，为搜救工作节约时间。
（2）可以进入狭窄空间，扩展搜救专家的工作范围。建筑物倒塌会形成各种各样的空间，这些空间可能就会有幸存者，但搜救人员难以进入，而机器人却可以一展身手。
（3）可以携带多种传感器，探测幸存者空间状况，在机器人软件的帮助下对搜索区域实行完整的三维搜索，绘制结构图，提升工作效率和可靠性。搜救机器人可以携带温度探测器、一氧化碳探测器、爆炸界限探测器、氧气、PH探测器、辐射探测器和杀伤性武器探测器，从而测定空气读数，探测有害物质，分析后向救援人员提出警告。图为机器人给幸存者测量脉搏的示意图。

二、国内外研究综述：
近十年来,尤其是“911”事件之后,美国、日本等西方发达国家在地震、火灾等救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。以牵引和运动方式的不同搜救机器人主要可分为以下几类:
2. 1 履带式搜救机器人
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
图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。
2. 2 可变形(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,为了解决这一矛盾,近年来在传统牵引式搜救机器人平台基础上,研制出了形态可变的履带式多态搜救机器人。

三、毕业设计（论文）所用的主要技术与方法：
四连杆变形履带式机器人结构布局, 主要由机架和两个对称分布的履带变形模块组成。位于机器人中部的机架作为移动平台可装载直流电源及与控制相关的各种设备, 用于完成各种特定的任务, 在机器人运动过程中一般保持水平。机架两侧是基于平行四边
形结构的履带变形模块, 主要由四连杆变形机构、主驱动轮、被动轮及绕在履带轮上的履带组成, 其中四连杆变形机构由连杆、主动曲柄、被动曲柄组成, 用于提供驱动力, 并且可以绕机架旋转, 实现履带变形, 在越障时给机器人提供额外的辅助运动。机器人共有3个自由度, 即一个平动自由度和两个旋转自由度。安装在机器人两个主驱动轮内的电机通过联轴器传动, 将主驱动轮的旋转运动转变为履带的平移运动, 实现机器人的直线前进、后退和转向。另外一个电机安装在机架上, 通过链传动驱动左右两侧履带变形模块中的主动曲柄绕位于机架前方的轴转动, 从而实现四连杆机构的变形, 最终使绕在其四周的履带构形发生变化。该结构的特点在于巧妙地利用四连杆机构实现了机器人的行进与履带的变形, 使机器人具备良好的越障性能和地面适应性。

方法：
1．在图书馆借阅相关书籍
2．在学校数据库查找相关资料
3．通过老师的指导
4．通过浏览因特网上的相关资料
5．对相关资料和数据进行理论计算和分析
6. 设计参考有关设计样板，完善设计方法，进一步完善设计结果
7 通过与同学探讨得出有关结论
8 自己总结资料得出结论

四连杆履带式搜救机器人[KT]

内容简介：: 河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告毕业设计实习报告系别：机械与动力工程系班级：机械设计 08 姓名：钱龙飞学号： 0828070150 河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 1 目录一、搜救机器人简介救机器人概述救机器人的用途和发展概况救机器人的分类救机器人的关键技术救机器人不同类型的移动分析二、毕业设计题目四连杆履带式搜救机器人计指导思想连杆履带式搜救机器人设施设计设计中需要注意的几个问题动机速器设计器人外壳材料选择连杆变形履带机器人总体结构器人越障原理及性能分析三、实习总结四、参考文献河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 2 一、搜救机器人简介救机器人概述一、概述近年来，多发的自然灾害（如地震、火灾、洪水）、人为的恐怖活动、武力冲突及各种生化病毒、有毒物质、辐射等恐怖不断威胁着人类的安全，使得人们普遍关注对各种灾害的应急能力、灾后的快速响应处理能力。在突发恐怖事件、自然灾害及意外伤害发生后，巨大的灾害往往造成大范围的建筑物坍塌和人员伤亡，现场搜索与救援成为人不最为紧急的工作。然而现场多为坍塌环境，结构复杂、不稳定，有些狭小空间救援人员和搜救犬根本无法进入，从而使搜救范围限制在倒塌建筑物表面范围。救援人员进入建筑物也将有巨大的风险，其体重和移动可能会引起建筑物进一步倒塌，造成对救援人员和幸存者的再次伤害。因此，救援队员必须在结构工程师进行评估，并对不稳定的倒塌结构进行支撑加固后才能进入，这个过程延误了搜救受灾者的时间。同时，由于搜寻空间条件恶劣，易导致救援队员劳累，从而易对周围建筑结构作出错误判断，错过没有知觉受灾者的概率上升，而且救援人员也存在重大的健康风险和安全风险，影响救援工作的快速展开。将机器人技术、营救行动技术、灾害学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜救与营救的救援机器人，将有效地提高救援的效率和减少救援人员的伤亡。搜救机器人是指用在灾后非结构环境下执行搜索与救援任务的河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 3 特种机器人。机器人在搜索与救援过程中明显具有以下几个方面的优势。（ 1）在发生倒塌后，机器人可以立即展开对幸存者的搜索，进入结构不稳定的建筑物，降低救援队员的风险，为搜救工作节约时间（ 2）可以进入狭窄空间，扩展搜救专家的工作范围。建筑物倒塌会形成各种各样的空间，这些空间可能就会有幸存者，但搜救人员难以进入，而机器人却可以一展身手。（ 3）可以携带多种传感器，探测幸存者空间状况，在机器人软件的帮助下对搜索区域实行完整的三维搜索，绘制结构图，提升工作效率和可靠性。搜救机器人可以携带温度探测器、一氧化碳探测器、爆炸界限探测器、氧气、测器、辐射探测器和杀伤性武器探测器，从而测定空气读数，探测有害物质，分析后向救援人员提出警告。救机器人的用途和发展概况地震、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下是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河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 4 搜集有关信息并反馈给救援指挥中心等。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。本文在介绍国内外灾难搜救机器人最新研究成果及近年来灾难现场的实际使用情况的基础上，根据现场使用的经验教训提出了灾难救援机器人需要解决的一些关键技术问题，指出了灾难救援机器人的发展趋势。 2001 年“ 911”事件发生后，美国国内主要机器人生产公司，研究机构都组织参加了纽约世贸大厦现场的搜救工作，他们是南佛罗里达大学机器人辅助搜寻与救援研究中心，美国海军的究中心，以及具有五十多年历史的据时代周刊报道 :在最初的十天当中，救援机器人在搜救犬、人工无法抵达的狭小或危险区域找到十余具遇难者的遗体与现场搜救工作人员找到的数量基本相同，但所花的时间却不到现场救援人员花费时间的一半。搜救机器人为城市搜救展开了新思路，但是也暴露了一些问题。综合考虑机器人技术和城市搜救环境，未来的搜救机器人技术需求应包括以下几个方面。 1机动装置设计在建筑物搜救中，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。考虑建筑物倒塌的环境，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，能够爬楼梯，能河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 5 够通过狭窄空间。（ 2）能够耐热、放水、防火、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（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河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 6 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。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。河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 7 （ 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。救机器人的分类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 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。图 1 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河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 8 能小，但体积小了搜索视野就会受到限制，为了解决这一矛盾，近年来在传统牵引式搜救机器人平台基础上，研制出了形态可变的履带式多态搜救机器人。图 2为美国这对鳍形前肢可以帮助在崎岖的地面上导航 ,也可以升高感知平台以便更好地观察。图 3为加拿司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。图 2 图 3 河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 9 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出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类。图 4 (a) 为制的安装在移动平台上的蛇形机器人，图 4 (b) 为日本大阪大学研制的蛇形机器人。我国中国科学院沈阳自动化研究所，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。图 4 (c)为美国加州大学伯克利分校研制的身高不足 3 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。图 4 键技术一硬件 1. 1 移动性 / 机械机构移动性是搜救机器人完成搜救工作的决定因素 ,“ 911”事件后河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 10 纽约世贸大厦现场的搜救工作以及西弗吉尼亚矿的矿难救援工作都很好地证明了这一点。机器人移动平台应该能够在恶劣废墟环境中灵活地穿梭于狭小的空间之中 ,能够翻越障碍 ,爬楼梯 ,穿越泥泞的道路等 ,且机器人的移动不应对周围不稳定结构产生影响，以免发生二次坍塌或爆炸等。此外 ,机器人还应该具备适应恶劣环境的能力 ,具有防水、耐高温等能力。早期为军用目的而设计的轮履式机器人由于体积偏大而不太适合搜救工作。目前 ,各种履带式多态可变形小型机器人已经研制出来 , 并已商业化。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。 1. 2 传感检测装置搜救机器人的主要工作就是通过传感器实现自身的导航、环境信息的获取以及幸存人员的搜寻。由于灾难现场环境的复杂性及不确定性 ,传统在室内结构化环境中已较成熟的导航算法无法满足救援工作的要求。传统的声纳、激光测距仪等在充满烟雾和灰尘的环境中也很难取得理想的效果。目前搜救机器人主要采用人工控制方式来发现被困人员后需要迅速判断其是否还活着。生命体征检测装置的研制近年来成为了研究的热点。南佛罗里达大学用于判断被困人员的生存状况。 1. 3 人机通讯方式目前机器人与操作者之间常用的通信方式有无线和电缆两种方河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 11 式。电缆方式可以通过线缆方便地为机器人提供能量 ,稳定可靠地实现机器人和操作者之间的信息传送且，当机器人遇阻时通过拖拽使机器人重新投入工作。但电缆方式也存在一定的问题，随着机器人搜寻范围的深入 ,线缆很容易发生缠绕而影响机器人的移动性，研制收放灵活的电缆卷绕装置是解决目前有线通信方式机器人通讯问题的关键。无线通讯方式的稳定性较难保证 ,即使在穿透性能最佳的频段也会由于带宽及各种干扰的影响使得通讯无法正常进行。“ 911”事件的救援工作证明 ,无线方式的机器人大约有 25 %以上的时间无法正常通讯。稳定可靠的通讯方式是当前救援机器人领域需要很好解决的关键问题之一。二软件 2. 1 人机交互和用户界面在灾难现场 ,搜救机器人的操作者精神高度紧张且需要长时间连续高负荷工作 ,因此良好的人机交互系统是提高搜救效率、减轻救援人员工作强度的保证。人机交互是通过良好的用户接口来实现的 ,因此，该接口必须为操作者提供丰富的信息，从而使操作者能够做出最佳判断来对机器人进行控制，通过该人机接口，操作者能很容易地判断机器人的位置、状态等，能够灵活地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。为了设计出友好的人机交互接口，设计人员必须对搜救过程中救援人员对机器人的使用情况进行充分的了解。南佛罗里达大学河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 12 2. 2 传感器融合由于救援现场环境的复杂性，对传统的室内结构化环境下传感器数据的处理算法不能满足搜救工作的需要。如通过视频图像对幸存者的检测，由于灰尘、烟雾等的影响使得识别变得非常困难，通过检测到声音的方向辨别幸存者的方位，也由于现场噪音的影响而变得很困难。因此，为了完成搜索并发现幸存者，必须通过多种传感器数据的融合 ,研究更加有效的识别算法。 2. 3 机器人搜救队由于灾难现场环境的复杂性，需要各种不同的搜救机器人参与救援工作，如 (a)所示的通过具有较强越障能力的轮式机器人携带蛇行机器人来完成救援工作的机器人。为了缩减搜索遍历时间，组建机器人搜救队是行之有效的办法，各机器人之间相互协调来快速完成搜索工作。目前有不少研究机构在开展多机器人未知环境探索算法的研究工作，并已经有基于结构化未知环境搜索的系统问世，但要真正用于实际救援环境还有很多工作要做。 2. 4 传统移动机器人技术的局限性移动机器人在室内结构化环境下的导航、定位、路径规划、地图建立以及未知环境探索等技术经过长期的研究已经基本成熟，但要用于灾难现场的非结构化复杂未知环境的探索还需要进行更深入的研究。目前搜救机器人的控制方式主要以手工操作为主，不追求机器人的完全自治。但为了提高救援水平，缩短搜索时间，完全自主的搜救机器人，尤其是自主机器人搜救队将是发展的方向。河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 13 现科学技术的发展，别是电子信息技术的突飞猛进，器人作为人类的新型生产工具，减轻劳动强度，高生产率，变人的生产模式，人从危险、恶劣、繁重的工作环境中解放出来等方面，示出了极大的优越性。器人在地面的移动方式有多种：式、履带式、轮履结合式和步行式等。行移动方式模仿人类或动物的行走机理，腿脚走路，环境的适应性好，能程度相对也较高。是步行移动方式的结构和控制比较复杂，对于比赛用机器人来说速度慢，以一般不选用。亚太大学生机器人大赛中出现的比较多的是轮式和履带式。面对车轮式、履带式和轮履结合式三种移动方式做一些说明。一、轮式结构的分析利用车轮移动是最常见的一种地面行进方式。轮式驱动机构移动方式的优点是：高速稳定，能量利用率高，机构和控制简单，而且现有技术比较成熟。它的缺点是：对路面要求较高，适用于平整的硬质道路，不能很好的适应场地。轮式移动机构可以达到较高的运动速度，在相对平坦的地面上，轮式移动具有相当的优势，控制也相对简单。轮式移动机构由于应用广泛，是目前研究最为透彻的移动机构之一。传统的轮式移动机构有三轮、四轮、六轮的结构形式，日本还曾研究出五轮移动机构。但轮式移动机构的缺点也是很明显的。由于与地面接触面积小，在爬坡时容易出现打滑现象。要想解决打滑需要加装减速箱或用动力制动的方法实现动态调整过程。但其通过性和越障能力河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 14 受到限制，在攀爬楼梯时一般要求前轮半径要大于楼梯高度，底盘最低点距地面高度限制了地面通过性。为适应复杂地形甚至于爬楼梯的要求，必须加大轮子直径，导致底盘结构体积庞大，重量增加。从理论上讲，三点决定一个平面，因此车轮式移动载体的平稳运动最少需要 3个轮子支撑。现在大多数机器人用的是 3轮或 4轮移动方式，在某些特殊情况下也有用 5轮以上的，但这种情况下机器人的结构和控制会更加的复杂，这对我们技术有限的大学生机器人队伍来数是不太适用的。因此我们会选择 3轮或 4轮的移动方式，下面对此进行讨论。（ 1） 3轮移动配置和操舵方式典型 3轮移动机器人通常采用 1个中心前轮和 2个后轮的车轮布置。 3个车轮配置与功能的不同组合有可以将 3轮机器人分为如图 1所示的若干类型图 1（ a）所示的组合是前轮 1为万向脚轮或球形轮，后轮 2和后轮 3为独立驱动轮，利用它们的转速差实现转向。这种组合的特点是机构组合容易，而且当两个驱动轮以相同速度、相反方向转动时车体能绕两个驱动轮连线的中点自转，但自传中心与车体中心不一致。图 1（ b）所示的组合是操纵舵机机构和驱动机构集中在前轮 1上，两个后轮之起支撑从动作用。与图 1（ c）相比，该机构也能绕两后轮连线的中点自转，但其前轮驱动集中，结构比较复杂。图 1（ c）所示的组合是前轮 1为操舵轮，后轮 2和后轮 3中的一个为驱动轮，另一个为从动轮。这种车轮机构的特点是结构简单，组成容易，但单边驱动的驱动性差，稳定性不好，不能自传。河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 15 图 1（ d）的车轮组合将图 1（ c）的单轮驱动该为双后轮差动驱动，提高了驱动性，但加了一个差动齿轮装置，结构更加复杂，也增加了质量。 (a) (b) (c) (d) 图 1 3轮式移动配置方式二、履带式结构的分析履带式结构实际上是一种自己为自己铺路的轮式结构。是将环状的循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，车轮不直接与地面接触。常见的履带移动车是在车体的两侧各设有一对履带驱动装置的双履带结构。有为了适应复杂的路况而采用多履带的。赛中由于路面不是很复杂，以制作起来比较简单，将履带卷绕在两个以上的车轮上，个车轮用来做驱动轮，的车轮作张紧轮或导向轮。动轮通常靠自身的齿与履带内侧的齿形啮合来驱动。型的履带移动机构由驱动轮、导向轮、托带轮、履带、履带架等部分组成。动机构适合在复杂路面上行驶，是轮式移动机构的拓展，带本身起着给车轮连续铺路的作用。带的优点是着地面积比车轮式大，以着地压强小；另外与地面粘着力较强，吸收较小河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 16 的凹凸不平，能力强，于有突变的地面，原地旋转，低。此，履带式适合于各种场地。带车辆和轮式车辆的特性有所不同。要的不同在转向特性上。带车辆的转向通过两侧履带的差速进行转向。带式转弯不如车轮式灵活。要改变方向时、要将某一侧的履带驱动系统减速或制动来实现转弯，者反向驱动车体的原地自传。都会使履带与地面产生相对横向滑动，大了机器人电机的能耗。负重大的情况下可使电机温度迅速升高影响电机的使用和寿命。带车的受力比较复杂，用力可能是静态的也有可能是动态的。辆以常速运动时，静态力作用。加速运动时，受动态力作用。车辆转弯时，将产生离心力，推动车辆横向移动，动态力总是作用在车辆质心处。履带式结构三、轮履结合式的分析机器人行走系统是完成移动动作的直接保证，设计的优劣直接影响机器人性能发挥，其对机器人运动可靠性有很大要求。服普通履带式移动机构的缺点，要通过改变履带的形状和结构来实现，特比勒河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 17 （、形状可变履带、位置可变履带、履带式加装前后摆等结构形式相继出现，并应用于各种机器人的移动机构。近年来各种增强的非金属复合材料应用于履带，大大减轻了履带式移动机构笨重的缺点，改善了其整体性能，对复杂环境，履带式移动机构具有较强的地形适应性。本文将介绍一种轮履结合式的结构。出于对重量和经济性的考虑，选用标准同步带代替履带作为行走系统的主要部件。同步带有梯形齿和弧齿两种齿形，有标准可选。用的是 8带轮作为履带。轮履结合式河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 18 二、毕业设计题目四连杆履带式搜救机器人计指导思想科学性：目前，国内外对于微小型履带机器人的研究主要是针对机器人控制技术的研究，而作为机器人主体的机械结构却大多采用经典的履带结构，虽然相关的研究成果已经在某些领域成功地得到了应用，但从机械设计的角度看，明显缺乏一定的创新和优化。四连杆变形履带式机器人的关键技术是采用常见的平行四边形机构作为履带变形结构，平行四边形机构有两个显著特性：一是两曲柄以相同速度同向转动；二是连杆作平动。当主动曲柄以一定速度转动时，从动曲柄也以同样的速度转动，而连杆作平动，始终与机架保持平行状态。如果在此机构的连杆上搭建工作平台，其最大特点就是工作平台运动平稳可靠，而且运动范围很广，有利于越障。先进性：与目前国内外的微小型履带式机器人相比，本作品是一种全新结构的履带式机器人，主要着眼于机器人机械主体结构的创新设计与优化，使用的工作平台简单实用、控制可靠，并且加工方便、制造成本较低，可推广应用于民用和军事领域。研制目的：设计一种适应复杂地形环境的履带式机器人移动平台，其具有很强的越障、爬坡、地面机动能力和行驶平顺性，且结构简单、运动稳定、控制可靠，能满足反恐、排爆、搜索、救援、侦察等任务对微小灵巧移动机器人载体的需求。基本思路：立足于履带机器人机械结构的创新设计，本作品巧妙利用平行四边形机构构型发生变化时其周长不变的特点，提出一种全新的履带变形机构，具有以下河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 19 特点：（ 1）利用机构的简单变形实现机器人越障；（ 2）机器人可单侧变形，以适应机器人两侧地形不同的情况；（ 3）实现机器人抬高底盘通过障碍。创新点： 1 提出了一种新型履带变形机构，巧妙利用平行四边形机构构型发生变化其周长不变的特点，使履带变形的运动控制变得非常简单。 2 . 基于新型履带变形机构设计了一种新型机器人移动平台，该平台可抬高底盘越过障碍。 3 采用模块化、全天候、全地形的设计思想，对机器人电控系统等关键部件进行防水和抗振设计，使机器人具有一定的涉水和抗摔能力。连杆履带式搜救机器人设施设计设计中需要注意的几个问题该机器人采用履带方式行进，内部装备有普通直流电机，下面介绍一下直流电动机结构型式结构型式代号电机型号卧式机座带有底脚 12 卧式机座带底脚，端盖有凸缘 2） 2 卧式机座不带底脚，端盖有凸缘 2 立式机座不带底脚，端盖有凸缘（轴伸向下） 12 立式机座带有底脚，端盖有凸缘（轴伸向下） 2） 2 减速器主要由传动零件 (齿轮或蜗杆 )、轴、轴承、箱体及其附河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 20 件所组成。四连杆变形履带式机器人内部减速器主要采用二级圆柱齿轮减速器，以下是减速器的总体设计程序。一、设计的资料和数据 1、原动机的类型、规格、转速、功率（或转矩）、启动特性、短时过载能力、转动惯量等。 2、工作机械的类型、规格、用途、转速、功率（或转矩）。工作制度：恒定载荷或变载荷，变载荷的载荷图；启、制动与短时过载转矩，启动频率；冲击和振动程度；旋转方向等。 3、原动机作机与减速器的联接方式，轴伸是否有径向力及轴向力。 4、安装型式（减速器与原动机、工作机的相对位置、立式、卧式）。 5、传动比及其允许误差。 6、对尺寸及重量的要求。 7、对使用寿命、安全程度和可靠性的要求。二、选定减速器的类型和安装型式三、初定各项工艺方法及参数四、确定传动级数；按总传动比，确定传动的级数和各级的传动比。五、初定几何参数；初算齿轮传动中心距（或节圆直径）、模数及其他几何参数。六、整体方案设计；确定减速器的结构、轴的尺寸、跨距及轴承型号等。河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 21 七、校核；校核齿轮、轴、键等负载件的强度，计算轴承寿命。八、润滑冷却计算九、确定减速器的附件十、绘制施工图四连杆变形履带式机器人的机体外壳采用铝合金材料制作，铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。纯铝的密度小（ =大约是铁的 1/3，熔点低（ 660 ），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（ :3240%， :7090%），易于加工，可制成各种型材、板材。抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态 b 值约为 8不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度， b 值分别可达 24 60样使得其 “比强度 ”（强度与比重的比值 b/）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻 50%以上。铝合金密度低，但河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 22 强度比较高，接近或超过优质刚，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用仅次于钢量。器人总体结构下面提出了一种 3 自由度微小型履带式移动机器人的履带变形结构。机器人的主体结构基于平行四边形连杆机构，整体采用模块化设计，使得携带、拆装和维修非常方便。通过理论分析、机器人虚拟样机运动学仿真和实物样机越障试验证明，设计的机器人不仅在爬坡性能、跨沟性能和地面适应性等方面已经达到同类机器人的相当水平 , 而且在通过垂直路障时还具有一定优势。四连杆变形履带式机器人结构布局如图 1所示 , 主要由机架和两个对称分布的履带变形模块组成。位于机器人中部的机架作为移动平台可装载直流电源及与控制相关的各种设备 ,用于完成各种特定的任务 , 在机器人运动过程中一般保持水平。机架两侧是基于平行四边形结构的履带变形模块 ,主要由四连杆变形机构、主驱动轮、被动轮及绕在履带轮上的履带组成 ,其中四连杆变形机构由连杆、主动曲柄、被动曲柄组成 ,用于提供驱动力 ,并且可以绕机架旋转 ,实现履带变形 , 在越障时给机器人提供额外的辅助运动。机器人共有 3个自由度 , 即一个平动自由度和两个旋转自由度。安装在机器人两个主驱动轮内的电机通过联轴器传动 ,将主驱动轮的旋转运动转变为履带的平移运动 , 实现机器人的直线前进、后退和转向。另外一个电机安装在机架上 , 河南理工大学万方科技学院 2012 届机械设计及其自动化专业毕业实习报告共 27 页第页 23 通过链传动驱动左右两侧履带变形模块中的主动曲柄绕位于机架前方的轴转动 , 从而实现四连杆机构的变形 , 最终使绕在其四周的履带构形发生变化该结构的特点在于巧妙地利用四连杆机构实现了机器人的行进与履带的变形 , 使机器人具备良好的越障性能和地面适应性。图 1 机器人越障的基本原理与一般的轮式机器人等微小型移动机器人相比 ,履带式机器人的优势在于其强大的越

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