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四连杆履带式搜救机器人设计【6张CAD图纸+毕业论文】

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四连杆履带式搜救机器人设计【全套CAD图纸+毕业论文】.rar

四边形机构A1.dwg

曲柄-A2.dwg

机架-A2.dwg

装配图-A0.dwg

车轮-A3.dwg

连杆-A2.dwg

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编号：724443 类型：共享资源大小：7.96MB 格式：RAR 上传时间：2016-08-08 上传人：好资料QQ****51605 IP属地：江苏

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关键词：: 连杆履带式搜救机器人设计全套 cad 图纸毕业论文

资源描述：

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。

全部文件.gif

装配图-A0.gif

四边形机构A1.gif

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连杆-A2.gif

曲柄-A2.gif

内容简介：: 多自由度步行机器人摘要在现实生活中设计一款不仅可以倒下而且还可以站起来的机器人灵活智能机器人很重要。本文提出了一种两臂两足机器人，即一个模仿机器人，它可以步行、滚动和站起来。该机器人由一个头，两个胳膊和两条腿组成。基于远程控制，设计了双足机器人的控制系统，解决了机器人大脑内的机构无法与无线电联系的问题。这种远程控制使机器人具有强大的计算头脑和有多个关节轻盈的身体。该机器人能够保持平衡并长期使用跟踪视觉，通过一组垂直传感器检测是否跌倒，并通过两个手臂和两条腿履行起立动作。用实际例子对所开发的系统和实验结果进行了描述。 1 引言随着人类儿童的娱乐，对于设计的双足运动的机器人具有有站起来动作的能力是必不可少。为了建立一个可以实现两足自动步行的机器人，设计中感知是站立还是否躺着的传感器必不可少。两足步行机器人它主要集中在动态步行，作为一种先进的控制问题来对待它。然而，在现实世界中把注意力集中在智能反应，更重要的是创想，而不是一个不会倒下的机器人，是一个倒下来可以站起来的机器人。为了建立一个既能倒下又能站起来的机器人，机器人需要传感系统就要知道它是否跌倒或没有跌倒。虽然视觉是一个机器人最重要的遥感功能，但由于视觉系统规模和实力的限制，建立一个强大的视觉系统在机器人自己的身体上是困难的。如果我们想进一步要求动态反应和智能推理经验的基础上基于视觉的机器人行为研究，那么机器人机构要轻巧足以够迅速作出迅速反应，并有许多自由度为了显示驱动各种智能行为。至于有腿机器人，只有一个以视觉为基础的小小的研究。面临的困难是在基于视觉有腿机器人实验研究上由硬件的显示所限制。在有限的硬件基础上是很难继续发展先进的视觉软件。为了解决这些问题和推进基于视觉的行为研究，可以通过建立远程脑的办法。身体和大脑相连的无线链路使用无线照相机和远程控制机器人，因为机体并不需要电脑板，所以它变得更加容易建立一个有许多自由度驱动的轻盈机身。在这项研究中，我们制定了一个使用远程脑机器人的环境并且使它执行平衡的视觉和起立的手扶两足机器人，通过胳膊和腿的合作，该系统和实验结果说明如下。图 1 远程脑系统的硬件配置图 2 两组机器人的身体结构 2 远程脑系统远程控制机器人不使用自己大脑内的机构。它留大脑在控制系统中并且与它用无线电联系。这使我们能够建立一个自由的身体和沉重大脑的机器人。身体和大脑的定义软件和硬件之间连接的接口。身体是为了适应每个研究项目和任务而设计的。这使我们提前进行研究各种真实机器人系统。一个主要利用远程脑机器人是基于超级并行计算机上有一个大型及重型颅脑。虽然硬件技术已经先进了并拥有生产功能强大的紧凑型视觉系统的规模，但是硬件仍然很大。摄像头和视觉处理器的无线连接已经成为一种研究工具。远程脑的做法使我们在基于视觉机器人技术各种实验问题的研究上取得进展。另一个远程脑的做法的优点是机器人机体轻巧。这开辟了与有腿移动机器人合作的可能性。至于动物，一个机器人有 4 个可以行走的四肢。我们的重点是基于视觉的适应行为的 4 肢机器人、机械动物，在外地进行试验还没有太多的研究。大脑是提出的在母体环境中通过接代遗传。大脑和母体可以分享新设计的机器人。一个开发者利用环境可以集中精力在大脑的功能设计上。对于机器人的大脑被提出在一个母体的环境，它可以直接受益于母体的“ 演变 ”，也就是说当母体升级到一个更强大的计算机时该软件容易获得权利。图 1 显示了远程脑系统由大脑基地，机器人的身体和大脑体界面组成。在远程脑办法中大脑和身体接触面之间的设计和性能是关键。我们目前的执行情况采取了完全远程脑的办法，这意味着该机体上没有电脑芯片。目前系统由视觉子系统，非视觉传感器子系统和运动控制子系统组成。一个障碍物可以从机器人机体的摄像机上接收视频信号。每个视觉子系统由平行放置的 8 个显示板组成。一个机体仅有一个运动指令信号和传输传感器的信号的接收器。该传感器信息从视频发射机传输。传输其他传感器的信息是可能的，如触摸和伺服错误通过视频传输的信号整合成一个视频图像。该驱动器是包括一个模拟伺服电路和接收安置器的连接模块。离子参考价值来自于动作接收器。该动作控制子系统可以通过 13 个波段处理多达 104 个驱动器和每 20 兆秒发送参考价值的所有驱动器。 3两个手和足的机器人图 2 显示了两个手和足的机器人的结构。机器人的主要电力组成部分是连接着伺服驱动器控、制信号接收器定位传感器，发射机，电池驱动器，传感器和一个摄像头，视频发射机，没有电脑板。伺服驱动器包括一个齿轮传动电动机和伺服电路模拟的方块。控制信号给每个伺服模块的位置参考。扭矩伺服模块可覆盖 21 4速度约 0 0制信号传输无线电路编码的 8个参考值。该机器人在图 2 中有两个接收器模块在芯片上以控制 16个驱动器。图 3说明了方向传感器使用了一套垂直开关。垂直开关是水银开关。当水银开关（ a）是倾斜时，下拉关闭的汞之间接触的两个电极。方向传感器安装两个汞开关，如图显示在（ b）项。该交换机提供了两个比特信号用来检测 4 个方向的传感器如图所示在（ c）项。该机器人具有在其胸部的传感器并且它可以区分四个方向：面朝上，面朝下，站立和颠倒。该机体的结构设计和模拟在母亲环境下。该机体的运动学模型是被描述面向一个口齿不清的对象，这使我们能够描述几何实体模型和窗口界面设计的行为。图 3 传感器的两个水银定位开关图 4 显示远程脑机器人的一些环境项目分类。这些分类为扩大发展各种机器人提供了丰富的平台。 4基于视觉的平衡该机器人可以用两条腿站起来。因为它可以改变机体的重心，通过控制踝关节的角度，它可以进行静态的两足行走。如果地面不平整或不稳定，在静态步行期间机器人必需控制她的身体平衡。为了视觉平衡和保持移动平稳，它要有高速的视觉系统。我们已经用相关的芯片制定了一项跟踪视觉板。这个视觉板由带着特别片（电位：运动估计处理器）扩张转换器组成，与执行本地图像块匹配。图 4 层次分类图 5 步行步态该输入处理器是作为参考程序块和一个图像搜索窗口形象。该大小的参考程序块可达 16*16 像素。该大小的搜索窗口取决于参考块的大小通常高达 32*32 像素，以便它能够包括 16 * 16且匹配。该处理器计算价值 256 萨赫勒（总和绝对差）之间的参考块和 256 块在搜索窗口，还找到最佳匹配块，这就是其中的最低萨赫勒价值。当目标平移时块匹配是非常有力的。然而，普通的块匹配方法当它旋转时无法跟踪目标。为了克服这一困难，我们开发了一种新方法，跟随真正旋转目标的候选模板。旋转模板法首先生成所有目标图像旋转，并且几个足够的候选参考模板被选择并跟踪前面图的场景相匹配。图 5 展示了一个平衡实验。在这个实验中机器人站在倾斜的木板上。机器人视觉跟踪着前面的场景。它会记住一个物体垂直方向作为视觉跟踪的参照并产生了旋转图像的参考图象。如果视觉跟踪的参考对象使用旋转图像，它可以衡量身体旋转。为了保持身体平衡，机器人的反馈控制其身体旋转来控制中心机体的重心。旋转视觉跟踪可以跟踪视频图像率。图 6 双足步行该输入处理器是作为参考程序块和一个图像搜索窗口形象可达 16*16 像素 32*32 像素，以便它能够包括 16 * 16且匹配。该处理器计算价值 256 萨赫勒（总和绝对差）之间的参考块和 256块在搜索窗口，还找到最佳匹配块，这就是其中的最低萨赫勒价值。当目标平移时块匹配是非常有力的。然而，普通的块匹配方法当它旋转时无法跟踪目标。为了克服这一困难，我们开发了一种新方法，跟随真正旋转目标的候选模板。旋转模板法首先生成所有目标图像旋转，并且几个足够的候选参考模板被选择并跟踪前面图的场景相匹配。图 5展示了一个平衡实验。在这个实验中机器人站在倾斜的木板上。机器人视觉跟踪着前面的场景。它会记住一个物体垂直方向作为视觉跟踪的参照并产生了旋转图像的参考图象。如果视觉跟踪的参考对象使用旋转图像，它可以衡量身体旋转。为了保持身体平衡，机器人的反馈控制其身体旋转来控制中心机体的重心。旋转视觉跟踪可以跟踪视频图像率。图 7 双足步行实验 5 双足步行如果一个双足机器人可以自由的控制机器人的重心，它可以执行双足行走。展示在图 7的机器人在脚踝的位置有以左和以右的角度，它可以在特定的方式下执行双足行走。该一个周期的一系列运动由八个阶段组成，如图 6所示。一个步骤包括四个阶段：移动脚的重力中心，抬腿，向前移动，换腿。由于身体被描述用实体模型，根据重心参数机器人可以产生一个机构配置移动重力中心。这一运动后，机器人可以抬起另一条腿并且向前走。在抬腿过程中机器人必须操纵机构配置，以保持支持脚上的重心。依赖于重心的高度作为平衡的稳定性，机器人选择合适的膝盖角度显示了一系列双足机器人行走的实验。 6 滚动和站立图 8 显示了一系列滚动，坐着和站起来的动作。这个动作要求胳膊和腿之间的协调。由于步行机器人有一个电池，该机器人可使用电池的重量做翻转动作。当机器人抬起左腿，向后移动左臂且右臂向前，它可以得到机体周围的旋转力矩。如果身体开始转动，右腿向后移动并且左脚依赖脸部返回原来位置。翻滚运动身体的变化方向从仰视到俯视。它可通过方向传感器核查。得到正面朝下的方向后，向下移动机器人的手臂以坐在两个脚上。这个动作引起了双手和地面之间的滑动。如果手臂的长度不够达到在脚上的身体重心，这个坐的运动要求有手臂来推动运动。站立运动是被控制的，以保持平衡。图 8 一系列滚动和站立运动 7 通过集成传感器网络转型的综合为了使上述描述的基本动作成为一体，我们通过一种方法来描述一种被认为是根据传感器状况的网络转型。图 9 显示了综合了基本动作机器人的状态转移图：两足行走，滚动，坐着和站立。这种一体化提供了机器人保持行走甚至跌倒时的能力。普通的双足行走是由两步组成，连续的左腿在前和右腿在前。这个姿势依赖于背部和 “ 脸部 ” 和 “ 站立 ”是一样的。也就是说，机器人的机体形状是相同的，但方向是不同的。该机器人可以探测机器人是否依赖于背部或面部使用方向传感器。当机器人发觉跌倒时，它改变了依赖于背部或腹部通过移动不确定姿势的状况。如果机器人依赖于背部起来，一系列的动作将被计划执行：翻转、坐下和站立动作。如果这种情况是依赖于脸部，它不执行翻转而是移动手臂执行坐的动作。 8结束语本文提出了一个两手臂的可以执行静态双足行走，翻转和站立动作的机器人。建立这种行为的关键是远程脑方法。正如实验表明，无线技术允许机体自由移动。这似乎也改变我们概念化机器人的一种方式。在我们的实验室已经发展一种新的研究环境，更适合于机器人和真实世界的人工智能。这里提出的机器人是一个有腿的机器人。我们的视觉系统是基于高速块匹配功能实施大规模集成电路的运动估算。视觉系统提供了与人交往作用的机体活力和适应能力。机械狗表现出建立在跟踪测距的基础上的适应行为。机械类人猿已经表明跟踪和记忆的视觉功能和它们在互动行为上的综合。一个两手臂机器人的研究为智能机器人研究提供了一个新的领域。因为它的各种行为可能造成一个灵活的机体。远程脑方法将支持以学习为基础行为的研究领域。下一个研究任务包括：如何借鉴人类行为以及如何让机器人提高自身的学术行为。 of 7113 on in it is to a t a up if it a on a an of a of is on in a it by a to a a in it or by a of up 1 As it is to of up in to In to a to be to to up as as to it or a it as as on on in it as an in on in it is to a t a up if it In to a up if it to to it or is of of a it is to a a on of of a If we to on on to be to in to a of As is a on in by of It is to in In to of we a by by a it to a in In we a it to on up 2 It in it by us to a a a to us in a of A of is a on of is a us to in of a of in of is be up of As if a it We on in a as is in be A on of a is in a it s is to a of of In of is a no of A on of A a a is a It is to as by a is a an a up 04 3 to 03 of of an a a is no A a in to is of 140on in to 6 a of is a a) is of as b). to of as c). at it is in of is in an us to of in in us of 4 up on As it of by it

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