六履带摆臂式搜救机器人的设计

摘 要本文首先介绍了近年来我国煤矿生产中发生的安全事故和造成的人员伤亡情况，阐述了研发煤矿救灾机器人的重要性和紧迫性。在对多种移动机器人的结构形式进行分析的基础上，设计了一种六履带式摆臂行走方案。其次，本文研究了六履带摆臂式搜救机器人在不同环境下的机身姿态与行进步态，给出了六履带摆臂式搜救机器人的运动分析结果，探讨了几种典型的变形摆臂方式，通过对其行走机构的分析，设计计算了主驱动轴，传动锥齿轮及从动轮等，使其功能更能有效的体现。然后，根据机器人的驱动要求，设计了硬件电路，系统采用 PLC 控制模式，可以依据需求扩展各功能模块。最后，我们验证了本文设计的六履带摆臂式搜救机器人可以在井下复杂环境中实现爬“阶梯” ，越“台阶” ，翻越障碍、跨越壕沟等自适应非结构地形的能力。关 键 词 ： 安 全 事 故 ； 六 履 带 摆 臂 ； 搜 救 机 器 人 ； PLC 控 制ABSTRACTThis paper introduces the recent occurrence of coal mine production safety accidents and casualties, with a description of the development of coal mine rescue robot importance and urgency.In the structure of various forms of mobile robot based on the analysis, design a program of six walking arm tracked.Second, this study tracked six search and rescue robot arm type of body posture in different environments and road gait, gives the six track the movement of the robot arm-type search results, the deformation of a typical pendulumArm way through its travel agency analysis, design and calculation of the main drive shaft, the drive bevel gear and driven wheels, so that it functions more effectively reflected.Then, according to the robot-driven requirements, design the hardware circuit, the system uses PLC control mode, can be based on the function module needs expand.Finally, we verify the design of the six-track search and rescue robot arm type complex environment can be achieved in the underground climb the ladder, the more step over the barrier, across ditches and other non-structural terrain adaptive capacity.Keywords：Accident; Six Track Arm; Search and rescue robot; PLC control目 录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 选题的背景和意义 .21.3 六履带摆臂式搜救机器人研究现状及发展趋势 .41.3.1 六履带摆臂式搜救机器人的研究现状 .41.3.2 六履带摆臂式搜救机器人的发展趋势 .71.3.3 六履带摆臂式搜救机器人的运动特性 .81.4 课题研究内容及意义 .101.4.1 课题研究的主要内容 .101.4.2 课题研究的目的与意义 .101.4.3 煤矿救灾机器人的功能参数 .112 六履带摆臂式搜救机器人的总体机构设计 .132.1 六履带摆臂式搜救机器人的机械设计概述 .132.2 总体结构设计的依据与组成 .142.2.1 机构设计的依据 .142.3 传动结构设计 .152.4 履带式行走方式设计 .152.4.1 机器人转向受力描述 .172.4.2 机器人转向受力描述 .183 机构的选择与计算 .203.1 引言 .203.2 材料的选择 .203.3 直齿锥齿轮的设计与校核 .223.4 驱动轮轴的设计与校核 .293.5 轴承的选用 .303.6 键的选用与校核 .333.6 驱动装置设计 .343.6.1 电机选择 .343.6.2 齿形带的选择 .354 电气控制系统设计 .394.1 步进电机简介 .394.2 环形分配器 CH250 简介 .404.2.1 CH250 管脚图 .404.2.2 CH250 主要管脚作用 .404.2.3 CH250 真值表 .414.3 功率驱动器 .414.4 PLC 硬件接线图 .424.4.1 PLC I/O 分配表 .434.4.2 PLC 程序 .434.4.3 PLC 梯形图 .465 总结 .51参考文献 .52文献翻译 .54英文部分 .54中文部分 .64致 谢 .7011 绪论1.1 引言人类在征服自然和推动社会进步的过程中，面临着自身能力、能量的局限，因而发明和创造了许多机器人来辅助或代替人类完成任务。机器人，是这种机器的最理想形式，也是人类科学研究中所面临的最大挑战之一。六履带摆臂式搜救机器人是机器人学中的一个重要组成部分，它是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合智能控制系统。从现实中，履带式机器人包括侦察机器人、巡逻机器人、爆炸处理机器人、和步兵支援机器人和复杂环境下搜救机器人等，用来代替深入敌方或危险的环境下去侦查或搜集资料、排除爆炸物等工作，能够在很大程度上减少人员的伤亡，在现代和未来的战争中起到越来越重要的作用。民用履带式机器人被广泛用于工业生产以及各种服务领域，如生产线传输、仓物物品搬运、清扫、割草、室内传送、导盲、导游导购、室内外清洗和搜救复杂环境下的资料等各个方面。但国内对这机器人研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主要的研究工作有：清华大学智能移动机器人于 1994 年通过鉴定。涉及到五个方面的关键技术：基于地图的全局路径规划技术研究（准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划） ；基于传感器信息的局部路径规划技术研究;路径规划的仿真技术研究（基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟） ；传感技术、信息融合技术研究（差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光吗盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术） ；智能移动机器人的设计和实现（智能移动机器人 THMR-的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统） 。上海交通大学的地面移动消防机器人已投入使用。北京理工大学、南京理工大学等单位承担的总装项目“地面军用机器人技术”研究也是以卡车、面包车作为平台来研究的，是大型智能作战平台。香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。中国科学院沈阳自动化研究所的 AGC 和防爆机器人。中国科学院自动化自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导2航系统。哈尔滨工业大学于 1996 年研制成功的导游机器人等。1.2 选题的背景和意义在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，现阶段煤矿事故频频发生，对煤矿救灾工作的研究显得越来越重要，而传统的煤矿救灾方法具有高危险性和低效率性等缺点，为了实现高的安全性能和提高效率必须开发出新型的煤矿救灾方法。于是运用人工智能手段实现的煤矿救灾机器人的开发势在必行。在灾难发生的煤矿等环境恶劣的地方，灾难救援中，救援人员只有非常短的时间，这个时间一般在两天左右，用于在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。 在这种紧急而危险的环境下，救灾机器人可以为救援人员提供帮助。 因此，将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救” (Search & Research)幸存者，是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的领域。我国是一个产煤大国，是一个严重依赖煤炭能源的国家，但是也是矿难多发国。煤炭行业作为我国国民经济主要传统行业之一，年产量约占世界 35%，但中国的矿难死亡人数却占世界的 80%。最让人痛心的乃是中国煤矿百万吨死亡率是美国的 100 倍、南非的 30 倍！仅拿最近在国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监督局网站上公布的一些数字来看，可以说是触目惊心：2001年 7 月 22 日，江苏省徐州市贾汪区岗子村五副井发生特大瓦斯煤尘爆炸事故，造成 92 人死亡；2005 年 11 月 27 日，黑龙江省龙煤集团七台分公司东风煤矿皮带井发生一起爆炸事故，死亡 171 人；2005 年 2 月 14 日，辽宁省阜新矿业集团公司孙家湾煤煤矿海州立井发生的特大瓦斯爆炸事故，遇难 214 名，2006年仅“五一”前后二十天，死亡 3 人以上的事故就有 14 起，合计 115 人.我国煤矿事故发生的原因极为复杂，是偶然性和必然性的结合。由于大多数为井工开采，不安全因素很多，瓦斯煤尘和火灾等灾害事故频繁发生，灾害事故危害极为严重，伤害人员多，中断生产时间长，损毁井巷工程或生产设备，各类灾害事故还存在突发性、灾难性、破坏性和继发性等特点。目前，救灾方式只是根据事故的类型确定救灾的方案，一般救护人员无法进入危险区域，只能通过采用提升绞车清除垃圾、移动式风车向井下通风，然后再搜救遇险矿工。这种方式危险性大，伤亡人数多，救灾周期长，往往效率很低。因此，研究煤炭救灾新装备是一项紧迫任务。随着科技的发展，机器人将被应用到煤矿救灾3领域。 救灾机器人利用自身的优点，能迅速找到井下遇险矿工的位置，降低事故危害性，对提高救灾效率具有重大意义，具体表现为: (1)机器人具有灵活性好、机动性强的特点，有较好的爬坡和越障能力，能适应现场各种各样的地理环境。 比如，蛇形救灾机器人能适应任何的复杂环境，在井下能自由运动。 (2)机器人的探测技术发展迅速，能迅速找到井下遇险矿工的位置。首先，机器人利用传感器通过探测井下遇险矿工的呻吟声、体温的变化及心脏跳动的频率的信息能找到他们的位置。 其次，机器人的视频探测器(CCD 摄像头)具有信息直观、能实现计算机辅助控制等特点，可以将现场环境的图像返回到救灾中心，为进一步控制机器人的运动方向，制定下一步救灾的方案提供决策依据。 最后，机器人还能进入井下区域，监测事故现场(如温度、瓦斯以及有害气体的浓度)的变化，防止事故的二次发生。 (3)机器人具有为井下遇险矿工投放小包食品、药物和通讯装置等辅助功能，能有效地减少遇险矿工的伤亡人数。煤矿开采必须从地面向地下开掘一系列矿井，其正常生产过程的自然条件比较复杂，环境恶劣。巷道路面多积水，有矿车铁轨、水沟、风管、线缆等障碍物；支巷道路面窄而不平，多有坡度；工作面处得路面坡度大，有碎煤、支撑、滑道等障碍。灾害发生后，脱落的顶板、岩石、煤块等形成新的障碍物。复杂的路况要求井下机器人要有较强的越障、避障能力和行驶功能恢复能力。下面对矿井主要存在的瓦斯、煤尘、顶板、火、水五大灾害进行简要说明。1.瓦斯、矿尘灾害。根据瓦斯-粉尘-空气混合气体燃烧、爆炸时的火焰传播速度及冲击波压力的大小，瓦斯爆炸有三种：速燃，火焰传播速度在 10m/s以内，冲击波压力较小。它可以使人烧伤，引起火灾；爆燃，火焰的传播速度在音速以内，冲击波压力较大，对人和设备有较强的杀伤力和摧毁作用；爆炸，火焰的传播速度超过音速，达到每秒数千米，冲击波压力达到数个至数十个大气压，对人和设备具有强烈的毁灭作用。此外，灾害后，井下通风系统受到破坏，使井下气候发生明显的变化，常见瓦斯和粉尘浓度增大，灾变区域的温度、湿度增加，风量减少。所以，二次瓦斯爆炸的危险也常常是影响救护队员及时对下井救护的一个主要因素。机器人的移动系统除要能够适应瓦斯和煤尘爆炸后的非结构环境外，为了防止煤尘和积水进入车体内部和运动服，箱体要进行密封、防水设计。为能在高瓦斯下安全工作，控制系统需要进行矿用隔爆或本安型设计，电子元件在井下温度变化范围内也应能可靠地工作。 2.顶板灾害。在底下采掘过程中，由于矿山压力的作用，顶板会跨落。如4果顶板管理工作出现漏洞或着地层变动等原因，则可能发生顶板事故。3.火灾。矿井火灾也是煤矿生产的主要灾害之一，一旦发生矿井火灾，不但会造成煤炭资源的损失，打乱各项工作的布置，还往往会造成瓦斯、煤尘爆炸，使灾害程度和范围扩大。4.水灾。矿区内的大气降水、地表水、地下水通过各种通道涌入井下，称为矿井涌水。当矿井涌水量超过矿井正常的排水能力时，就将发生水灾。为保证矿井正常建设与生产，必须采取各种措施防止水进入矿井或者将进入矿井的水排至地面，但当矿井涌水超过正常排水能力，或在采掘工作时挖透老塘积水或岩溶水等地下水体时，就会造成水害。积水有时会突然逼通煤墙倾斜而出，矿工退避不及导致伤亡事故。矿井发生水灾后，排水前还要对水源水量进行调查，这些都不可避免地会对救灾工作造成延误。 终上所述，煤矿救灾机器人的研制，对煤矿安全生产，建立特种危险环境下的工业救灾具有十分重要的意义。同时，救灾机器人又是机器人研究中的热门领域，但目前国内研制救灾机器人大都集中在地面火灾和地震等自然灾害的救灾，而对矿井地下救灾机器人的研制基本属于空白。研制救灾机器人已成了我国煤矿生产的迫切需要。对于矿井内的搜救机器人的研制，技术上有很多难题需要解决，国内还没有现成的解决方案，这也正是我们需要立项研究的意义所在。1.3 六履带摆臂式搜救机器人研究现状及发展趋势1.3.1 六履带摆臂式搜救机器人的研究现状从 20 世纪 60 年代到 70 年代，迅速普及并实用化的工业机器人给人的印象只是自动机械手。广泛开展机器人移动功能的研究和开发是进入 20 世纪 80年代以后的事。现在作为移动机器人而开发试制的移动机械种类已远远超过了机械手。特别是履带式机器人，它不仅是生物体中没见过的移动形态，而且能够在复杂的底面行进。履带式机器人因采用履带传动方式而得名。履带传动方式又叫循环传动方式，其最大特征是将圆状的循环轨道履带卷绕在若干车轮上，使车轮不与地面直接接触，利用履带缓冲地面而带来的冲击，使机器人能够在各种路面条件下行进。5到目前六履带摆臂式搜救机器人还是局限于单个或两个自由度。其系统主要由机器人的机械本体、控制系统、导航系统等部分组成。六履带摆臂式搜救机器人的研究涉及以下几个方面，首先是移动方式的选择。对于履带式移动机器人，可以是轮履复合式、两履带式、四履带式等。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的目标。第三，必须考虑导航或路径规划，如传感信息融合，特征提取，避碰以及环境映射。第四，必须考虑摆臂角的原理，这方面需要重点考虑，因为靠其臂的调整来改变自身高度以越障这种机器人的最大特点，结构形式对机器人稳定性，功能特点都有着极大的决定作用。对于这些问题的研究，可归结为：机械结构设计、控制系统设计、运动学与动力学建模、导航与定位、多传感器信息融合等。下 图 为 美 国 及 其 它 国 家 在 研 的 各 种 履 带 式 可 变 形 机 器 人 ：（ 1） 美 国 的 拆 弹 专 家 ：如 图 1-1、 1-2、 1-3、 1-4 所 示 ， 这 是 美 国 iRobot 的 一 种 较 小 型“PackBot”机 器 人 ， 现 服 役 于 美 国 军 队 ， 这 个 “PackBot”搭 配 了 一 个 爆 炸 物感 应 系 统 ， 有 效 地 探 测 炸 弹 。 目 前 这 种 测 试 系 统 还 处 于 实 验 阶 段 。“PackBot”机 器 人 还 以 进 行 挖 掘 和 拆 弹 工 作 。 配 备 了 称 为 “explosive ordnance disposal”(eod)和 工 程 师 的 全 套 工 具 ， 可 以 对 土 壤 进 行 挖 掘 ， 然 后举 起 相 当 于 自 身 重 量 2 倍 的 炸 弹 。图 1-3 这 种 iRobot SUGV 的 机 器 人 是 一 种 小 型 地 面 探 测 车 ， 重 量 仅 为30 磅 。 它 带 有 一 个 称 为 “tactical head”的 头 部 ， 还 有 一 个 相 机 、 一 个 红 外感 应 器 和 一 个 可 即 时 传 送 影 像 的 摄 像 头 。图 1-4 是 iRobot 生 产 的 “Warrior”机 器 人 配 备 了 两 个 全 自 动 、 自 动 装弹 、 可 遥 控 的 12 杆 机 抢 ， 重 量 为 250 磅 。 这 种 机 枪 被 称 为 “锤 子 ”（ Hammer） ， 目 前 还 处 于 实 验 阶 段 。图 1-1 RackBot 准备展开 图 1-2 RackBot 伸 展 情 况6图 1-3 SUGV 机 器 人 图 1-4 Warrior 机 器 人（ 2） 德 国 telemax 防 爆 机 器 人 ：仅 在 一 两 年 前 ， 德 国 公 司 出 品 了 一 款 防 爆 机 器 人 ， 现 在 2006 年 的 新一 代 机 器 人 已 经 上 市 了 ， 其 结 构 比 以 前 的 更 加 轻 便 ， 体 积 更 小 。 这 款 机 器人 依 靠 一 个 灵 活 的 小 型 系 统 有 了 和 一 些 大 型 机 器 人 一 样 的 功 能 。这款机器人依靠一个灵活的小型系统从而有了一些与大型机器人类似的功能，所以它小得以至于可以在地铁车厢或者飞行工具里操作，同时又足够大得可以直接处理一些在所有现行飞机的头顶贮藏室里的可疑项目处理。这 款 产 品 具 有 很 大 的 创 新 价 值 ， 经 过 数 十 年 经 验 的 累 计 取 得 了 变 结 构设 计 领 域 的 重 大 发 展 。7图 1-5 telemax 行 走 姿 势 图 1-6 最 紧 凑 姿 势它 的 机 械 结 构 由 4 个 独 立 履 带 齿 轮 驱 动 技 术 提 供 了 非 凡 的 移 动 力 ， 它可 以 爬 坡 45 度 ， 并 且 可 以 越 障 500mm 的 高 度 ， 它 做 的 比 其 它 很 多 类 似 机器 人 都 好 ， 它 的 可 伸 展 的 上 臂 加 上 一 个 高 度 可 调 的 地 盘 ， 给 予 了 这 款 机 器人 一 个 可 达 到 的 非 凡 的 垂 直 高 度 2350mm。 它 的 钳 子 可 以 吊 起 重 达 5Kg 的货 物 ， 这 就 意 味 着 它 可 以 装 配 弹 道 系 统 和 其 它 工 具 。1.3.2 六履带摆臂式搜救机器人的发展趋势通 过 对 国 内 外 六 履 带 摆 臂 式 搜 救 机 器 人 的 现 状 的 分 析 ， 可 以 看 出 六 履带 摆 臂 式 搜 救 机 器 人 今 后 的 发 展 有 以 下 几 个 方 面 的 趋 势 ：（ 1） 结 构 上 ， 趋 向 小 型 、 微 型 。（ 2） 运 动 上 ， 趋 向 全 方 位 ， 更 灵 活 ， 更 具 自 主 性 。 现 有 的 履 带 移 动 机器 人 ， 局 限 在 一 般 的 地 面 环 境 里 ， 以 后 会 要 求 机 器 人 能 在 越 来 越 多 的 环 境中 实 现 多 维 运 动 、 过 渡 运 动 ， 能 够 对 环 境 进 行 识 别 ， 能 适 应 未 知 环 境 。（ 3） 在 用 途 上 ， 趋 向 于 功 能 多 功 能 化 。 比 如 拓 展 其 应 用 到 军 事 上 ， 用于 军 事 侦 察 ， 甚 至 于 军 事 攻 击 。1.3.3 六履带摆臂式搜救机器人的运动特性（ 1） 平 面 运 动 及 转 弯平 面 运 动 及 转 弯 是 机 器 人 最 基 本 的 运 动 方 式 ， 当 机 器 人 两 侧 的 履 带 同向 等 速 运 动 时 ， 实 现 直 线 行 走 功 能 ， 当 两 侧 履 带 反 向 等 速 运 动 可 实 现 机 器人 原 地 零 半 径 回 转 ， 不 同 速 度 同 向 运 动 可 实 现 机 器 人 任 意 半 径 转 向 。 图1-7（ a） 、 图 1-7（ b） 为 四 摆 臂 履 带 单 元 同 时 着 地 ， 增 大 了 机 器 人 与 地 面的 接 触 面 积 ， 可 以 使 机 器 人 适 应 松 软 、 泥 泞 和 凹 凸 不 平 等 地 形 环 境 ； 图 1-7（ a） 图 1-7（ b）图 1-7（ c） 、 图 1-7（ d） 、 图 1-7（ e） 中 前 摆 臂 或 后 摆 臂 抬 起 或 前后 摆 臂 同 时 抬 起 一 定 的 角 度 ， 当 遇 到 小 坡 度 的 斜 坡 时 ， 可 直 接 爬 坡 而 不 必采 取 其 他 动 作 ， 从 而 可 降 低 对 驱 动 控 制 系 统 要 求 ；8图 1-7（c） 图 1-7（d） 图 1-7（e）图 1-7（ f） 为 四 摆 臂 单 元 向 上 摆 到 中 间 位 置 ， 可 实 现 机 器 人 小 空 间转 向 运 动 。图 1-7（f）机 器 人 爬 坡 时 ， 其 基 本 姿 态 可 以 应 用 图 1-7（ g） 的 形 式 。 当 坡 度 较大 时 ， 图 1-7（ h） 和 图 1-7（ i） 是 比 较 好 的 选 择 ， 这 两 种 方 式 可 使 机 器人 重 心 位 于 稳 定 状 态 之 内 ， 从 而 保 证 机 器 人 顺 利 爬 坡 。图 1-7（ g） 图 1-7（ h） 图 1-7（ i）（ 2） 自 撑 起 及 涉 水救 灾 机 器 人 的 主 要 控 制 系 统 和 检 测 元 件 均 安 装 在 中 间 箱 体 中 ， 为 了避 免 在 运 动 中 被 撞 击 和 浸 水 ， 机 器 人 可 以 通 过 4 个 摆 臂 单 元 向 下 摆 动 支撑 起 箱 体 ， 抬 高 中 间 箱 体 的 高 度 。 4 个 摆 臂 以 各 自 不 同 的 摆 动 角 度 向 下 摆动 时 可 使 机 器 人 实 现 各 自 位 姿 的 变 化 ， 从 而 达 到 使 中 间 箱 体 位 于 不 同 高 度的 效 果 。 当 4 个 摆 臂 单 元 将 箱 体 向 上 抬 起 ， 机 器 人 整 体 重 心 位 置 被 抬 高 到一 定 的 高 度 ， 通 过 4 个 摆 臂 履 带 的 卷 绕 运 动 ， 机 器 人 可 以 涉 过 水 域 。（ 3） 越 障机 器 人 利 用 摆 臂 形 成 钱 攻 角 进 行 越 障 ， 可 爬 越 高 于 自 身 高 度 的 障 碍物 。 由 于 机 器 人 摆 臂 能 把 车 体 抬 起 ， 当 障 碍 物 高 度 超 过 摆 臂 主 从 动 轮 中 心距 时 依 然 可 以 通 过 有 效 的 动 作 序 列 来 越 过 。 图 示 （ a） -（ h） 表 示 机 器 人9越 过 高 障 碍 物 的 一 般 过 程 。 履 带 在 借 助 齿 形 对 障 碍 物 的 抓 爬 力 来 实 现 不 断地 向 上 攀 爬 ， 与 此 同 时 后 摆 臂 向 下 摆 动 以 使 车 体 抬 升 ， 当 摆 到 与 地 面 垂 直时 后 摆 臂 停 止 摆 动 。 当 主 履 带 爬 到 障 碍 物 上 面 时 ， 前 摆 臂 向 前 向 下 摆 动 并支 起 车 体 ， 机 器 人 继 续 前 进 ， 以 使 其 重 心 越 过 台 阶 。 重 心 越 过 台 阶 之 后 ，前 摆 臂 向 前 向 上 摆 动 直 到 与 地 面 贴 合 为 止 ， 同 时 后 摆 臂 向 后 向 上 摆 动 与 车体 成 一 后 攻 角 为 止 ， 此 时 机 器 人 已 顺 利 越 上 台 阶 。 整 个 过 程 中 ， 履 带 始 终向 前 爬 行 。图 1-8 救 灾 机 器 人 越 障 过 程1.4 课题研究内容及意义1.4.1 课题研究的主要内容(1)对 现 有 的 六 履 带 摆 臂 式 搜 救 机 器 人 的 结 构 进 行 深 层 分 析 。 结 合 结 构对 机 器 人 的 控 制 进 行 了 策 略 研 究 ， 为 六 履 带 摆 臂 式 搜 救 机 器 人 的 研 制 提 供一 定 的 理 论 框 架 支 持 。 重 点 从 结 构 上 解 决 驱 动 、 摆 臂 、 履 带 张 紧 等 实 际 问题 ， 提 出 框 架 长 度 变 化 的 问 题 。(2)对 六 履 带 摆 臂 式 搜 救 机 器 人 进 行 结 构 分 析 ， 对 系 统 中 的 重 要 及 关 键零 部 件 进 行 力 的 校 核 ， 从 理 论 上 验 证 机 构 设 计 的 合 理 性 及 可 行 性 。101.4.2 课题研究的目的与意义研制一种可以在狭小低矮空间机动行驶并具有一定越障能力的六履带摆臂器人。该机器人可以通过改变自身高度以适应不同环境的要求，既可以以较低的整体高度在狭小空间内工作，又可以通过调整自身高度翻越障碍，从而克服了传统微小型地面移动机器人环境适应能力差的缺点。以国内外同类机器人的结构特点，研究六履带摆臂式搜救机器人实现摆臂的原理与条件，通过对比分析，确立六履带摆臂式搜救机器人的总体设计目标、技术要求和性能指标；在上述工作的基础上，提出六履带摆臂式搜救机器人的总体结构方案，对机器人的工作和运动机理进行详细分析，进而根据机器人整体的技术要求和各构件间的相互关系，确定机器人结构尺寸，最后完成机器人驱动传动系统的设计和电机选型，并对整体方案的进行严密检查。根据现代人类对复杂环境使用机器人的依赖，设计了一种新的运行方式，它对复杂环境具有很好的适应性，针对这种探测机器人开展的研究为我国未来的机械化搜救机器人设计提供了必要的理论参考。本课题不仅具有理论价值，而且具有实际的应用意义。1.4.3 煤矿救灾机器人的功能参数由对井下发生灾害后的分析可知，机器人如果要代替或辅助救护队员进行救灾工作，井下的特殊环境要求救灾机器人形体要小，运动灵活，具有通过狭小空间、碎煤和岩石区的能力，较强的越障、爬坡能力，以及防爆、防水、耐高温等功能。基于对煤矿井下环境的了解，本课题救灾机器人设计参考值如下：1.车体重量：本体 20Kg，总重 35Kg2.外形尺寸（长*宽*高）：约 450*250*15 mm (摆臂收起时)3.跨越台阶高度：=18m/min5.最大爬坡角度：30 度（一般矿井）主要任务及功能参数有以下几个方面：1.机器人的整体结构、所采用的行走系统、越障形势等能够适应井下灾区的非结构地形（复杂、未知、多样的地形） 。移动系统具有良好的地形适应性，地面附着能力强、动载荷小，且可通过性好、结构紧凑。2.体积和重量应控制在一个救护队员能携带的范围内，重量在 20 公斤以内。113.对机器人的主体、运动副、动力系统要进行密封、防水和防爆设计。4.在水平地面移动时能够跨越最高 180mm 的垂直障碍。5.模块化、小型化、轻量化，采用统一的机构接口，最大程度提高系统内部件的通用性和互换性。此外，在电子系统上，为了能够使地面指挥人员及时了解受灾情况，制定救灾方案，机器人应能够搜集灾区的多种相关参数，包括甲烷浓度、一氧化碳浓度、氧气浓度、粉尘浓度、温度等；能够实时传输、记录和再现灾区视频；能够与灾区幸存人员进行双向通话。6.根据如上要求，初步设计选择如下：（1）机器人可以在复杂的环境中进行搜索，所以为了便于行动，选择了履带式行走方式。（2）为了增加其越障能力，所以将履带式与摆臂式巧妙的结合在一起，转臂的旋转角度设计为 0360。（3）由于环境的未知性比较大，所以初步设计用全履带，即履带包裹着机体。这样不管在什么情况下，车体以任何方位与地面接触都是履带接触的，这样就可以极大的减少翻车和被异物卡死情况。122 六履带摆臂式搜救机器人的总体机构设计2.1 六履带摆臂式搜救机器人的机械设计概述机 器 人 机 械 设 计 具 有 机 电 一 体 化 的 特 点 ， 它 在 结 构 紧 凑 性 、 灵 巧 性 以及 特 殊 性 方 面 比 一 般 机 械 设 计 有 更 高 的 要 求 。 机 构 设 计 是 本 课 题 机 器 人 系统 设 计 的 基 础 ， 整 机 机 械 结 构 、 摆 臂 角 度 、 驱 动 方 式 和 传 动 机 构 等 都 会 直接 影 响 变 结 构 机 器 人 的 运 动 和 动 力 性 能 。 然 而 ， 六 履 带 摆 臂 式 搜 救 机 器 人机 构 设 计 除 了 需 要 满 足 系 统 的 技 术 性 能 外 ， 还 需 要 满 足 经 济 性 要 求 ， 即 必须 在 满 足 机 器 人 的 预 期 技 术 指 标 的 同 时 ， 考 虑 用 材 合 理 、 制 造 安 装 便 捷 、价 格 低 以 及 可 靠 性 高 等 问 题 。 机 器 人 的 机 械 设 计 可 以 从 一 下 四 个 方 面 考 虑 ：（ 1） 机 器 人 的 应 用 和 可 行 性研 究 现 有 同 类 机 器 人 的 产 品 性 能 和 特 点 ， 进 行 可 行 性 调 查 ， 论 证 技 术上 是 否 先 进 ， 是 否 可 行 ； 核 算 经 济 上 的 成 本 ； 明 确 机 器 人 应 用 的 领 域 ， 实现 什 么 样 的 功 能 。（ 2） 明 确 机 器 人 的 设 计 要 求确 定 工 艺 过 程 、 动 作 要 求 和 有 关 参 数 ， 并 对 机 器 人 的 工 作 环 境 进 行 分 析 。（ 3） 明 确 功 能 、 性 能 指 标 和 技 术 参 数了 解 国 内 外 同 类 机 器 人 的 水 平 和 研 制 的 技 术 难 点 ， 结 合 现 有 的 工 作 条 件和 功 能 要 求 ， 明 确 提 出 设 计 的 机 器 人 具 有 的 功 能 、 性 能 指 标 和 技 术 参 数 。这 一 步 至 关 重 要 ， 因 为 所 有 的 设 计 都 是 围 绕 着 这 个 中 心 来 设 计 的 。本 文 以 六 履 带 摆 臂 式 搜 救 机 器 人 的 灵 活 性 和 实 用 性 为 目 标 ， 完 成 六 履 带摆 臂 式 搜 救 机 器 人 的 机 械 结 构 设 计 优 化 ， 并 进 行 运 动 学 分 析 。 本 文 的 目 的就 是 完 成 机 构 系 统 设 计 的 主 要 工 作 ， 这 些 内 容 直 接 影 响 六 履 带 摆 臂 式 搜 救机 器 人 的 控 制 系 统 的 设 计 、 影 响 六 履 带 摆 臂 式 搜 救 机 器 人 的 整 体 运 动 、 动力 性 能 。 其 意 义 在 于 为 六 履 带 摆 臂 式 搜 救 机 器 人 的 摆 臂 原 理 和 合 理 结 构 设计 提 供 理 论 依 据 ， 为 六 履 带 摆 臂 式 搜 救 机 器 人 的 研 究 提 供 了 共 性 技 术 基 础和 途 径 ， 也 进 一 步 完 善 了 我 国 六 履 带 摆 臂 式 搜 救 机 器 人 研 究 体 系 。132.2 总体结构设计的依据与组成2.2.1 机构设计的依据如果将六履带摆臂式搜救机器人分为行走装置、动力装置和传动装置等部分。那么对其功能要求可以归纳为：（1）具有一定的承载能力，运动灵活。（2）能向前、向后行驶，转弯，有一定的避障、攀登台阶能力。（3）重心要低，以保持车体行驶稳定。图 2-1 救 灾 机 器 人 机 构 设 计 其 结 构 特 点 ： 机 器 人 由 6 个 履 带 单 元 及 箱 体 等 部 分 组 成 。 采 用 模 块 化设 计 ， 按 左 右 对 称 式 结 构 布 局 ， 分 为 左 、 右 2 个 主 履 带 单 元 ， 前 左 、 前右 、 后 左 、 后 右 四 个 摆 臂 单 元 和 箱 体 ， 如 图 2-1 所 示 。 中 间 箱 体 可 以 装载 各 种 探 测 仪 器 和 设 备 ， 用 于 完 成 各 项 侦 查 任 务 ， 是 机 器 人 的 运 载 平 台 ，在 运 动 中 一 般 保 持 水 平 姿 态 ； 2 个 主 履 带 单 元 用 于 提 供 机 器 人 主 驱 动 力 ，4 个 摆 臂 单 元 可 以 绕 各 自 回 转 中 心 轴 转 动 ， 给 机 器 人 提 供 额 外 辅 助 运 动 ，提 高 地 形 适 应 能 力 。 机 器 人 通 过 箱 体 内 的 两 台 主 驱 动 电 机 ， 减 速 后 通 过 履带 驱 动 轮 ， 直 接 驱 动 6 个 履 带 进 行 卷 绕 运 动 ， 实 现 机 器 人 前 进 和 后 退 。142.3 传动结构设计传 动 机 构 用 来 把 驱 动 器 的 运 动 传 递 到 关 节 和 动 作 部 位 。 机 器 人 中 常 用 的传 动 机 构 有 齿 轮 传 动 、 螺 旋 传 动 、 带 传 动 、 链 传 动 、 流 体 传 动 和 连 杆 机 构与 凸 轮 传 动 。电 动 机 是 高 转 速 、 低 转 矩 的 驱 动 器 ， 而 我 们 所 设 计 的 变 结 构 机 器 人 却 要求 低 转 速 ， 高 转 矩 .因 此 ， 我 们 选 用 了 齿 轮 传 动 机 构 来 完 成 速 度 和 力 矩 的转 化 与 调 节 .如 下 图 是 本 文 对 齿 轮 的 初 步 设 计 造 型 ， 结 合 车 体 的 高 度 ， 初定 传 动 比 为 1： 3， 大 轮 直 径 为 85 100mm。图 2-2 传 动 设 计 图2.4 履带式行走方式设计履 带 式 行 走 方 式 也 称 为 无 限 轨 道 方 式 ， 其 最 大 特 征 是 将 圆 环 状 的 无 限轨 道 ， 履 带 卷 绕 在 多 个 车 轮 上 ， 使 车 轮 不 直 接 与 路 面 接 触 。 在 野 外 凹 凸 不平 或 松 软 路 面 上 上 作 时 ， 轮 式 移 动 就 显 得 非 常 吃 力 ， 而 利 用 履 带 可 以 增 大轮 子 与 路 面 的 接 触 面 积 ， 缓 冲 路 面 状 态 ， 实 现 机 器 人 的 平 稳 运 动 。 军 用 机器 人 和 那 些 使 用 场 所 不 固 定 的 机 器 人 常 采 用 这 种 移 动 方 式 。表 2-1 为 其 它 行 走 方 式 与 履 带 式 的 特 点 对 比 ：表 2-1: 各 移 动 方 式 行 走 方 式 特 点15方 式 车 轮 式 履 带 式 脚 足 式原 理配 置 多 个 轮子 ， 每 个 轮 子 用电 机 驱 动电 机 驱 动 两 个无 轨 道 履 带通 过 多 个 脚 反 复吸 附 与 脱 落 移 动特 点移 动 速 度 快 ，便 于 控 制 ， 着 地面 积 小 ， 维 持 一定 的 摩 擦 力 比 较空 难着 地 面 积 大 ，对 壁 面 适 应 性 强 ，携 载 能 力 强 ， 体 积较 大 ， 不 易 转 弯间 歇 式 移 动 ， 移动 速 度 慢 ， 携 载 能 力较 强履 带 式 行 走 方 式 还 有 如 下 特 点 ：（ 1） 支 承 面 积 大 ， 接 地 比 压 小 。 路 面 粘 着 力 强 ， 越 野 机 动 性 好 。（ 2） 履 带 支 承 面 上 有 履 齿 ， 不 易 打 滑 ， 牵 引 附 着 性 能 好 ， 有 利 于 发 挥较 大 牵 引 力 。（ 3） 用 两 个 电 机 驱 动 两 条 履 带 从 而 实 现 了 原 地 转 弯 ， 利 用 履 带 可 以 缓冲 路 面 状 态 。（ 4） 比 较 稳 定 ， 容 易 爬 坡 ， 履 带 本 身 给 车 轮 起 铺 路 的 作 用 。通 过 对 上 述 移 动 机 器 人 各 种 移 动 机 构 进 行 分 析 ， 并 针 对 本 课 题 对 机 器人 机 动 性 、 可 控 性 和 稳 定 性 的 要 求 ， 我 们 设 计 了 类 似 于 齿 形 带 的 行 走 履 带 ，履 带 内 齿 面 为 齿 形 带 标 准 齿 形 ， 外 齿 面 （ 着 地 面 ） 采 用 矩 形 截 面 齿 形 ， 以提 高 其 攀 越 障 碍 的 能 力 。 工 作 时 ， 带 齿 与 带 轮 的 齿 槽 相 啮 合 ， 是 一 种 啮 合运 动 ， 因 而 具 有 带 传 动 的 优 点 ， 如 耐 屈