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.
Key words: parallelogram Four connecting rod deformation caterpillar robot The obstacles
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
1 绪论
1.1 选题背景和意义
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。
同时由于机器人技术发展极为迅猛，用于侦察和作战等军事领域的机器人，由于其特殊用途受到了各国军方的广泛关注。许多军用机器人的研究成果直接应用于国家安全领域，在维护国家安定，保障人民生活安全方面发挥了很大作用。军用的地面移动机器人在各种复杂环境下具有较高的机动性，可以代替人类进入一些危险未知的环境，适应于国防和民用等多个领域，而且在反恐斗争中叶可以发挥很大作用。
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