買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 摘 要 分析了國內(nèi)外履帶式機器人的研究現(xiàn)狀 ,討論了履帶式機器人在機械結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性和控制方法等方面的現(xiàn)有研究方法 ,列舉了履帶式機器人研究中存在的問題 ,展望了履帶式機器人的發(fā)展方向。 在觀察分析其他機器人的結(jié)構(gòu)及經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，進行方案比較選定的設(shè)計，是一種 履帶式搜救機器人 的移動平臺 ，設(shè)計內(nèi)容包括設(shè)計行走底盤、 擺臂 和 移動平臺的減速器 ，并對機器人的局部受力情況作了具體的分析。 為發(fā)揮四履帶雙擺臂機器人的最佳越障性能，本文從運動學(xué)的角度，在固定雙履帶機器人越障機理的基礎(chǔ)上，分析了四履帶雙擺臂機器人克服臺階、斜坡 、溝道等典型障礙的運動機理及其最大越障能力，重點研究了四履帶雙擺臂機器人正向和反向兩種攀越臺階方式的運動機理及其最大越障能力 。 本文推導(dǎo)出機器人的最佳越障性能及對應(yīng)的質(zhì)心和擺臂的位置，可為機器人越障時質(zhì)心位置的控制提供理論依據(jù) 本設(shè)計的重點在于機器人的 移動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 ，由于機器人整體的設(shè)計難度較大，材料和機構(gòu)精度要求較高，本設(shè)計 為此類設(shè)計提供了較成熟的 設(shè)計方案。 關(guān)鍵字： 機器人； 質(zhì)心；越障；攀越臺階 ；履帶底盤 ； 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 a of as as to s In s to on to to to to on to of to be to in of of To to be of of of of of on of 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 of of of in s in s s is is to to on do 文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 目錄 1 緒論 . 1 言 . 1 題研究的背景及意義 . 2 題研究的背景 . 2 題研究的意義 . 2 器人的研究現(xiàn)狀 . 3 外研究現(xiàn)狀 . 3 內(nèi)研究現(xiàn)狀 . 5 救機器人的發(fā)展趨勢 . 7 2 搜救機器人移動平臺結(jié)構(gòu)分析 . 16 救機器人的設(shè)計要求 . 16 型移動機構(gòu)方案分析 . 18 式移動機 構(gòu)特點 . 18 式移動機構(gòu)特點 . 19 帶式移動機構(gòu)特點 . 20 、腿式移動機構(gòu)特點 . 21 、履、腿式移動機構(gòu)性能比較 . 22 研究采用的行走機構(gòu) . 22 救機器人的移動平臺結(jié)構(gòu)和擺臂結(jié)構(gòu) . 23 動平臺結(jié)構(gòu) . 23 臂結(jié)構(gòu) . 24 障分析 . 25 器人跨越臺階 . 26 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 越溝槽 . 27 坡運動分析 . 28 3 機器人驅(qū)動電機電機設(shè)計 . 30 于平地的最大速度的電機功率計算 . 30 坡最大坡度的驅(qū)動電機功率計算 . 31 4 移動平臺的減速器相關(guān)設(shè)計 . 33 動平臺的減速器方案分析 . 33 動平臺的減速器應(yīng)滿足的要求 . 33 動平臺的減速器方案分析 . 33 動平臺的減速器的設(shè)計計算 . 35 動平臺的減速器的傳動方案分析 . 35 齒計算 . 35 步計算齒輪的主要參數(shù) . 36 配條件的計算 . 37 輪和軸強度的驗算 . 37 5 移動機構(gòu)履帶設(shè)計 . 39 . 39 定帶的型號和節(jié)距 . 40 . 41 動輪參數(shù)計算 . 42 動輪參數(shù)設(shè)計 . 43 6 傳動軸的設(shè)計 . 44 動軸的設(shè)計 . 44 動軸的強度校核 . 46 7 擺臂設(shè)計 . 49 臂作用 . 49 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 板部分設(shè)計 . 49 臂齒輪計算 . 51 臂輪軸的設(shè)計 . 52 臂減速器相關(guān)參數(shù) . 53 全文總 結(jié) . 54 致 謝 . 56 參考文獻 . 57 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 1 1 緒論 言 近幾年各種災(zāi)害不斷的發(fā)生，各種災(zāi)害發(fā)生后世界人名 都積極投入到救災(zāi)活動中。 作為當(dāng)代大學(xué)生對這些災(zāi)難尤其關(guān)注，一些人立即奔赴災(zāi) 區(qū)，很多人捐款捐物。災(zāi)難后總會 看到有人被 困在廢墟下，而外面的人卻一時無法將他們救出時， 我們 心里十分焦急，總在想：里面的人肯定受了重傷，也一定很餓，如果有個小型搜救 器能迅速鉆到廢墟里，探明受傷人位置和情況，給他們送去急需的藥品和飲食該有多好啊。 基于這種想法，搜救機器人從此誕生了。然而 我國在各種災(zāi)害中，但據(jù)資料顯示，搜救機器人并未得到很好的利用，參加搜救的主要還是以消防官兵，搜救犬及支援人士。 地震、火災(zāi)、礦難等災(zāi)難發(fā)生后 ,在廢墟中搜尋幸存者 ,給予必要的醫(yī)療救助 ,并盡快救出被困者是救援人員面臨的緊迫任務(wù)。實際經(jīng) 驗表明 ,超過 48 小時后被困在廢墟中的幸存者存活的概率變得越來越低。 由于災(zāi)難現(xiàn)場情況復(fù)雜 ,在救援人員自身安全得不到保證的情況很難進入現(xiàn)場開展救援工作的 ,此外 ,廢墟中形成的狹小空間使搜救人員甚至搜救犬也無法進入。災(zāi)難搜救機器人可以很好地解決上述問題。 機器人可以在災(zāi)難發(fā)生后第一時間進入災(zāi)難現(xiàn)場尋找幸存者 ,對被困人員提供基本的醫(yī)療救助服務(wù) ,進入救援人員無法進入的現(xiàn)場搜集有關(guān)信息并反饋給救援指揮中心等。 近年來 ,為了滿足救援工作的需要 ,國內(nèi)外很多研究機構(gòu)開展買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 2 了大量的研究工作 ,可以在災(zāi)難現(xiàn)場廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋的各類機器人如可變形多態(tài)機器人、蛇形機器人等相繼被開發(fā)出來。 題研究的背景及意義 題研究的背景 機器人是人類智慧的產(chǎn)物，他能完成人類無法實現(xiàn)的作業(yè)，20世紀(jì)就已經(jīng)得到社會各界人士高度重視的機器人，在 21世紀(jì)更是如嬌嬌寵兒，得到世人關(guān)注。隨著全球環(huán)境的變化，工作、生活中發(fā)生的意外事故的增多，一個必要的無人操作搜救機器人必然誕生。人類本體的搜救能力越來越顯得拘束，人類在智慧上超出動物很多，但在特定環(huán)境的適應(yīng)上就要比動物差很多。雖然人發(fā)明了很多的技術(shù)彌補了這一不足，但明顯可以看到，艦船的靈活性 比不上魚類，飛機的靈活性比不上鳥類甚至昆蟲，車輛的地形適應(yīng)性比不上四條腿的動物。搜救機器人的研究可以彌補我們這方面的不足，對社會產(chǎn)生大的經(jīng)濟效益。搜救機器人的研究可以滿足一些行業(yè)的需求。機器人由于其天生的多自由度，多冗余自由度，可以在狹小的空間內(nèi)穿梭，可以滿足在復(fù)雜環(huán)境中搜救、偵查、排除爆炸物等反恐任務(wù)。 題研究的意義 （ 1）課題研究的社會意義 搜救機器人的研究給搜救工作帶來很大的方便，在災(zāi)難發(fā)生后，能夠快速地投入到搜救工作中，提高搜救效率，減少人員傷亡，失蹤等不幸事故，更好的為社會服務(wù)。 （ 2）課題研究的科學(xué)意義 搜救機器人的研發(fā)，在很大程度上彌補了我們在搜救領(lǐng)域的不足，為后期更好的擴展，奠定了基礎(chǔ)。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 3 器人的研究現(xiàn)狀 外研究現(xiàn)狀 近十年來，尤其是“ 件之后，美國、日本等西方發(fā)達國家在地震、火災(zāi)等救援機器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各種可用于災(zāi)難現(xiàn)場救援的機器人。 （ 1）履帶式機搜救機器人 履帶式機器人是為了滿足軍事偵察、拆除危險物等作業(yè)的需要，在傳統(tǒng)的輪式移動機器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。圖 1出了目前國際上幾家著名機器人公司的典型產(chǎn)品，他們主要是為了滿足軍事需要而開發(fā)的，體積普遍偏大，不太適合在倒塌的建筑物廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋幸存者。 （ a）司（ b） 司的 （ c） 的 器人 器人 器人 圖 1器人公司給出的典型產(chǎn)品 （ 2）可變性（多態(tài)）搜救機器人 為了能進入狹小空間展開搜救工作，要求機器人的體積要盡可能小，但體積小了搜索視野就會受到限制，為了解決這已矛盾，近年來在傳統(tǒng)牽引式多態(tài)搜救機器人。圖 1列機器人， 對鰭形前肢可以幫助崎嶇的地面上導(dǎo)航，也可以升高感知平臺以便更好地觀察。圖 1加拿大 司 態(tài)搜買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 4 救機器人，他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠近靈活地調(diào)整形狀和尺寸。 (a)正常狀態(tài) （ b）直立狀態(tài) 圖 1國 司 態(tài)搜救機器人 （ a）平躺狀態(tài) （ b）半直 立狀態(tài) （ c）直立狀態(tài) 圖 1拿大 司 態(tài)搜救機器人 （ 3)仿生搜救機器人 雖然履帶式可變形多態(tài)機器人可根據(jù)搜索空間的大小改變其形狀和尺寸，但受驅(qū)動方式的限制，其體積不可能做得很小。為了滿足對更狹小空間搜索的需要，人們根據(jù)生態(tài)學(xué)原理研制了各種體積更小的仿生機器人，其中蛇形機器人就是其中很重要的一類。圖 1-4(a)為 4（ b）為日本大阪大學(xué)研制的蛇形機器人。圖 1c）為美國加州大學(xué)伯克利分校研制的身高不足 2蒼蠅 搜救機器人。隨著技術(shù)的不斷成熟，相信蛇形、蠅形等仿生機器人會在災(zāi)難搜救工作中發(fā)揮越來越大的不可替代的特殊作用。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 5 （ a） 制的基于移動平臺的蛇形機器人 (b)日本大阪大學(xué)研制的蛇形機器人 （ c）加州大學(xué)伯克利分校研制的蒼蠅機器人 圖 1生機器人 內(nèi)研究現(xiàn)狀 在日本大阪大學(xué)研制出蛇形機器人不久，我國中國科學(xué)院沈陽自動哈研究所，國防科技大學(xué)，北京航空航天大學(xué)等單位也都相繼研制出了類似的蛇形機器人系統(tǒng)。 在 震發(fā)生后，針對亂石之中被埋在撫恤下的 生命很難發(fā)現(xiàn)，“如果有能穿越亂石的機器人，也許就可以發(fā)現(xiàn)廢墟下的生命跡象從而救出更多的人！“謝敬濤等 5位重慶交大的 5位同學(xué)經(jīng)過商量后便有這個想法，發(fā)明一個越障能力強的機器人 1. 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 6 圖 1重慶交大的 能翻越障礙的機器人 由 中科院 沈陽自動化研究所 機器人 學(xué)國家 重點實驗室研制的空中搜索探測機器人、廢墟表面搜救機器人 (如圖 1在位于北京西郊鳳凰嶺的國家地震緊急救援訓(xùn)練基地完成了綜合調(diào)試演練，并達到了預(yù)期性能指標(biāo)。這標(biāo)志著我國地震搜救機器人系統(tǒng)已進入到示范應(yīng)用階段，有望在“十二五”期間作為地震應(yīng)急搜救裝備投入實際使用。 圖 1中搜索探測機器人、廢墟表面搜救機器人 國內(nèi)首臺煤礦搜救機器人 (樣機 )在江蘇徐州誕生，該機器人由中國礦業(yè)大學(xué)可 靠性與救災(zāi)機器人研究所研制。目前這臺搜救買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 7 機器人采用點對點式的無線控制方式，有效控制范圍為 300 米，每臺售價約 40萬元。 由葛世榮教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組正在研制使用中繼站式無線通訊方式，成功后將可實現(xiàn)對機器人 煤礦搜救機器人采用自主避障和遙控引導(dǎo)相結(jié)合的行走控制方式，它能在礦難發(fā)生后深入事故現(xiàn)場探測火災(zāi)溫度、瓦斯?jié)舛?、?zāi)害場景、呼救聲訊等信息，并實時回傳采集到的信息和圖像，為救災(zāi)指揮人員提供重要的災(zāi)害信息。 同時，機器人還能攜帶急救藥品、生命維持液、食品和千斤頂、撬棍等自救工具以協(xié)助被 困人員實施自救和逃生。 據(jù)悉，此機器人通過改裝后還可廣泛應(yīng)用于地面救火、有害氣體測試等用途。 圖 1礦搜救機器人 (樣機 ) 以上是目前世界上的搜救機器人的發(fā)展現(xiàn)狀。搜救機器人多種多樣，然而真正應(yīng)用在實際中的機器人目前不是很多。由于技術(shù)發(fā)展的限制，很多機器人只能在一個方面使用，沒有幾種多功能的搜救機器人，但是很多機器人又有相同的地方。 救機器人的發(fā)展趨勢 然而，災(zāi)難后的廢墟中有各種各樣的障礙物。有些障礙物對買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 8 于人類不算什么，但是對于目前的機器人卻是個高不可攀的大山。就算是在靈活的機器人 也不如人類靈活，如何提高機器人的靈活性和越障能力是現(xiàn)在機器人發(fā)展的主要方向。 移動性是救援機器人開展搜救工作的基礎(chǔ)和前提 ,災(zāi)難現(xiàn)場的復(fù)雜性對機器人的運動能力提出了很高的要求 ,目前可根據(jù)搜救現(xiàn)場空間大小而改變形狀和大小的可變形多態(tài)機器人 ,根據(jù)仿生學(xué)原理具有更強移動搜索能力、體積更小的仿生機器人成為研究熱點。由于搜救現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性 ,在結(jié)構(gòu)化室內(nèi)環(huán)境下已成熟的導(dǎo)航、定位以及未知環(huán)境搜索等算法很難在搜救過程中使用 ,目前搜救機器人一般采用有線或無線以手工操縱的半自主工作方式為主 ,研究的熱點在于提高機器人識別幸存者的 準(zhǔn)確率上。隨著技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展以及救援工作的需要 ,組建機器人救援隊實現(xiàn)在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化未知環(huán)境中進行快速搜索將會成為可能。 履帶式的機器人是在傳統(tǒng)輪式機器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，履帶式機器人負重能力強，越障能力出色，適應(yīng)性好，被廣泛應(yīng)用在各種方面，但是履帶式機器人一般體積較大，無法穿越一些狹小的地方。 可變形的機器人靈活性好，越障能力因可變形而有所提升，體積可小可大，適用范圍更廣。 仿生機器人模仿各種小型動物等，更加靈活，體積小更加能穿越各種障礙，能更好的完成搜索任務(wù)。如蛇形機器人 近年來 , 特別是 2000 年以來 ,以蛇形機器人為代表的仿生機器人正在成為新的研究熱點 ,且已經(jīng)取得不少突破性研究成果 。 近些年來來搜救機器人在各個方面大放光彩，在全球和我國都出現(xiàn)了一些表現(xiàn)出眾的例子 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 9 下面介紹幾種搜救機器人使用案例 ： （ 1） 搜救機器人在西弗吉尼亞礦難救援中的應(yīng)用 2006 年年初 ,美國西弗吉尼亞 礦發(fā)生礦難 ,造成 12 名礦工死亡。事故發(fā)生后 ,救援人員使用 定被困礦工的方位 ,然后從地面上鉆了 3 個深孔 ,以便給井下輸送氧氣 ,同時期望對井下的狀況進行檢測。救援人員分別放入空氣探測儀和攝像頭 ,但均無功而返。為 了從水平方向?qū)虑闆r進行探測 ,美國勞工部礦業(yè)安全與衛(wèi)生局通過深孔向井下派出了一個救援機器人 ,如圖 1是搜救機器人被第一次用于礦難的救援 ,但最終因機器人中途行進過程中陷入泥潭而受阻。 圖 1救機器人用于礦難救援 （ 2） 搜救機器人亮相得克薩斯 可檢測出眾多潛在危險 一批勇敢的機器人在上周參與了得克薩斯州受災(zāi)城市培訓(xùn)中心的模擬救援工作。它們可舉起 120 磅的重物，還可檢測出化學(xué)戰(zhàn)劑、放射線和其他一些潛在危險。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 10 圖 1司生產(chǎn)的 器人 名為 &2英畝的受災(zāi)城市培訓(xùn)中心的模擬救援工作。 該中心是在 1997年開放的，由大學(xué)的得克薩斯工程擴展服務(wù)（ 責(zé)運作，它主要被用來培訓(xùn)得克薩斯州應(yīng)急反應(yīng)部隊以及來自全球各地的消防隊員和救援隊員。 進行 機器人 的 演習(xí) ， 是 某些年 美國國土安全部下屬的科技管理局和商業(yè)部下屬的國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)學(xué)會贊助進行的第四次 演習(xí)，據(jù)紐約時報稱本次演習(xí)的任務(wù)比較復(fù)雜，主要是尋找各種評估機器人性能的方法以便對它們進行比較。 圖 1司生產(chǎn)的 器人在受災(zāi)城市中的操作帳篷內(nèi)等候病人。 它 的重量為 61磅，可以舉起兩倍于其體重的負荷；據(jù)得克薩斯工程擴展服務(wù)組織稱， 它 配備了音頻視頻輸入和化學(xué)、生物和放射性感應(yīng)器。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 11 圖 1器人 圖 1正在進行國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會響應(yīng)評價的 可以提供爆炸裝備處理和有害物質(zhì)處理服務(wù)。它配備了一只鉸接桿和化學(xué)制品、 氣體和 /或放射性物質(zhì)感應(yīng)器。 圖 1司的 司的 參與了國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會的評估，它可以負擔(dān) 400磅的有效負荷并以每小時18英里的速度行走 15英里。這款四輪驅(qū)動的電子平臺可以自動運作或者遠程遙控 ，如圖 1 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 12 圖 1險環(huán)境機器人守望者） 圖 1顯示的是 險環(huán)境機器人守望者）在進行耐久試驗過程中穿過受災(zāi)城市的主街道的情景。 它是由 司生產(chǎn)，配備了一個水的無線夜視照相機，只需 3 分鐘就可以走出運輸箱并開始工作。 圖 1參與了國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)協(xié)會的評估，它在處理受災(zāi)現(xiàn)場時具有一個特殊的優(yōu)勢。這款回轉(zhuǎn)穩(wěn)定的機器人很容易進行轉(zhuǎn)圈，便于控制，此外它還配備了一個穩(wěn)定的照相機平臺，可用于搜救人員等方面 ，如圖 1 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 13 圖 1司生產(chǎn)的 以檢測出化學(xué)戰(zhàn)劑、放射線和許多其他的潛在危險 ，如圖 1 圖 1X 公司生產(chǎn)的 器人 X 公司生產(chǎn)的 是通過遠程遙控的，搜救人員可以在親身進入受災(zāi)現(xiàn)場之前利用它評估災(zāi)情危險級數(shù) ，如圖 1 （ 3） 機器蛇和小吊車 1995 年 1 月 17 日清晨 5 時 46 分，日本關(guān)西地區(qū)發(fā)生了 稱阪神大地震。在受災(zāi)最嚴(yán)重的神戶市，共有 5 萬余人傷亡，房屋受創(chuàng)而無家可歸者近 32 萬人，損失總額約合 1000買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 14 億美元。 在這次地震之后，日本政府開始探索使用機器人來搜救受災(zāi)者的可能性。許多幸存者會被埋在廢墟當(dāng)中不易發(fā)現(xiàn)，可燃物、燃氣管道和漏電可能導(dǎo)致二次災(zāi)害，甚至是救援者的活動也可能導(dǎo)致受災(zāi)者的再次受傷。而傳統(tǒng)使用的地震搜救犬需要大量的培訓(xùn)時間，其靈敏度也比不上現(xiàn)代電子設(shè)備。相比而言，機器人會更有優(yōu)勢。 從 1996 年開始，日本機械工程師學(xué)會機器人與機電分會實施了一個五年計劃，鼓勵開展各類災(zāi)后搜救機器人的研發(fā)； 2002年，日本文部科學(xué)省也啟動了一個類似的計劃，力圖在五年之內(nèi)讓搜救機器人產(chǎn)業(yè)商業(yè)化。 在這些計劃的支持下，已經(jīng)出現(xiàn)了幾種可以投入使用的災(zāi)后搜救機器人。在 3月 11日的日本史上最強地震之后，兩支由機器人研究人員帶領(lǐng)的救援機器人隊伍，便開始奔赴受災(zāi)地區(qū)展開營救工作。 東北大學(xué)信息科學(xué)研究生院的田所諭教授帶領(lǐng)的小組，攜帶著名為 “的蛇形搜索機器人。這臺機器人的外形像是一 個長達八米的試管刷，使用特殊的多馬達驅(qū)動系統(tǒng)，能夠適應(yīng)大多數(shù)地形，并且可以拐過狹小的角度。它的作用和結(jié)構(gòu)都與醫(yī)生使用的內(nèi)窺鏡非常相似：頭部有探照光源和攝像頭，能夠?qū)U墟內(nèi)的景象傳遞給控制者，并且由控制者來決定它的探察方向。 這種機器人的行動速度并不快，每分鐘只能前進 3 米左右；但是它的體積優(yōu)勢明顯。它能攀爬 20度的斜坡，擠過狹窄的縫隙，以傳回的圖像幫助救援者設(shè)計最好的救援方案。它還曾經(jīng)應(yīng)用于佛羅里達州的一次停車場坍塌事故當(dāng)中，表現(xiàn)令人滿意。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 15 另一隊由千葉工業(yè)大學(xué)未來機器人技術(shù)中心副主任小柳榮次率領(lǐng)。 小柳榮次是一位搜救機器人專家，主要從事能夠在坎坷地形自由行動的機器人技術(shù)研究，曾經(jīng)在 2004 和 2005 年兩次獲得世界機器人大賽搜救機器人比賽的冠軍。 這次他和團隊帶來的是 2010年 9月剛剛經(jīng)過測試的搜救機器人 小大概和一輛嬰兒車相仿。這臺機器人可以在一百米內(nèi)遙控，可以攀爬樓梯，還可以給待援救者送去水和食物。 表面看來， 是臺玩具吊車，在車身中央的位置向上伸出一只長長的機械手。它的驅(qū)動系統(tǒng)很奇特，可以說是腿，也可以說是輪子。它的四個馬達分別控制四個主動輪，每個主動輪又 通過履帶驅(qū)動一只從動輪。當(dāng)需要爬坡時，主動輪和從動輪的組合就像是一條短腿，以 “ 舉起 放下 ” 的循環(huán)，輕松攀爬前進。通過低底盤的設(shè)計，這臺小機器人竟然可以爬上 82度的陡峭斜坡。 同樣， 能繪制所在環(huán)境的三維地圖。它還有紅外線傳感器和二氧化碳探測器，能夠感知密閉空間里幸存者的體溫和呼吸 這正是搜救機器人的特征之一。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 16 2 搜救機器人 移動平臺 結(jié)構(gòu)分析 救機器人的設(shè)計要求 搜救機器人在災(zāi)后搜救展開了新思路，但是也暴露了一些問題。綜合考慮機器人技術(shù)和搜救環(huán)境，未來的搜 救機器人技術(shù)需求應(yīng)包括以下幾個方面。 1機動裝置設(shè)計 在廢墟搜救中，機動是機器人首先面臨的問題。作為機器人機動主體的底盤，需要裝載所有的傳感器?？紤]廢墟倒塌的環(huán)境，底盤的設(shè)計應(yīng)該滿足以下需求。 （ 1）能夠通過粗糙地形，越過或繞過障礙物，能夠高低，能夠通過狹窄空間。 （ 2）能夠耐熱、防水、防火、防爆、防腐蝕，。 （ 3）重量輕，能夠在不發(fā)生滑動和再次倒塌的情況下對空間進行快速搜索。 2傳感器 城市搜救的兩個明確任務(wù)：一是尋找可能的幸存者，二是在最初的結(jié)構(gòu)評估過程中對空間進行分類。因此，機器人攜帶的傳感器必須 使它們在移動中探測受災(zāi)者和收集受災(zāi)者信息。如傳感器的設(shè)計需要能夠確定受災(zāi)者的生命跡象，并確定幸存者的狀態(tài)，為了判斷出受困者所在的位置和其所在地點的情形，需要綜合性測量裝置、編譯器、陀螺儀、加速計、觸摸、移動、視覺和聲學(xué)傳感器獲得的信息等。 3通信 使用有線通信的機器人在行動中通信系鏈易纏繞，限制了機買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 17 器人的移動，適合于短距離的搜救行動。未來的發(fā)展是采用無線通信。在紐約世貿(mào)中心救援中使用的機器人就是利用無線以太網(wǎng)（ 有線通信方式與指揮中心保持通信聯(lián)絡(luò)。無線以太網(wǎng)由于帶寬的 問題，易導(dǎo)致通信中斷，因此，需要加強動力、抗干擾能力的設(shè)計。 4圖像處理 通過操縱機器人能夠獲取現(xiàn)場圖像，用于確定墻壁和柱子計結(jié)構(gòu)的破壞，管道和儲藏庫的泄漏和破裂等。同時機器人能夠通過獲得的現(xiàn)場結(jié)構(gòu)信息繪制出新的結(jié)構(gòu)圖，從而向救援人員報告受災(zāi)后的精確位置及可能的通路。地圖的繪制可以由一個機器人完成，也可以與其他機器人合作來完成。 5導(dǎo)航技術(shù) 提高機器人搜索效率和范圍，開展視覺導(dǎo)航技術(shù)的相關(guān)研究。視覺在機器人路徑規(guī)劃、避障；自動爬樓梯過程中是非常重要的。如 解決了機器人爬樓梯的自動化。 6人機交互界面 為了方便使用者在救援行動中有效的使用機器人，便捷的人機交互是非常必須的。一個有效的用戶界面必須能夠向操作員提供足夠的決策參考信息，用于制定機器人的下一步行動。在這樣的界面下，使用者能夠很容易的獲得機器人的方向、位置和動力，操作眾多的設(shè)備，比如攝像機、燈光和車載鉗子，準(zhǔn)確的控制機器人的移動，從攝像機獲得圖像。 7群體機器人協(xié)同 在面對一個巨大災(zāi)難的時候，可以考慮由多個機器人組成群買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 18 體，通過系統(tǒng)協(xié)調(diào)來完成單機器人無法或難以完成的工作。群體機器人系統(tǒng)具有空間分布、功 能分布、時間分布等特點，所以群體機器人系統(tǒng)比單機器人系統(tǒng)具有更強的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。 （ 1）群體機器人系統(tǒng)可以實現(xiàn)單機器人系統(tǒng)無法實現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)。 （ 2）設(shè)計和制造多個簡單機器人比單個復(fù)雜機器人更容易、成本更低。 （ 3）使用群體機器人系統(tǒng)可以大大節(jié)約時間、提高效率。 （ 4）群體機器人系統(tǒng)的平行性和冗余性可以提高系統(tǒng)的柔性和彈性。 型移動機構(gòu)方案分析 機器人在地面上移動的方式通常有三種：輪式、 腿式和 履帶式。另外還有步進移動式、蠕動式、混合移動式、蛇行移動式等。 式移 動機構(gòu)特點 輪式 移動 機構(gòu)在救災(zāi)機器人中是最為普通的運動方式，輪式機器人 移動 機構(gòu)普遍具有結(jié)構(gòu)簡單、運動速度快、能源利用率高的、機動性好強的特點，同時具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時間短和工作效率高等優(yōu)勢?？刂频慕嵌瓤?，編程簡單并有較高的可靠性，每個輪子都可以獨立驅(qū)動。與履帶式移動機器人相比，當(dāng)跨越不平坦地形時，輪式機器人有著固有的不足，限制了其運動能力，其 穩(wěn)定性和對環(huán)境的適應(yīng)性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，對于進入復(fù)雜的環(huán)境完成既定任務(wù)存在嚴(yán)重的困難。 輪式移動機構(gòu)按輪的數(shù)量可分為 2輪、 3輪、 4輪、 6輪、 8輪。該 結(jié)構(gòu)存在著一定的局限性，只能在相對平坦、表面較硬的路面上行駛，如買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 19 遇到軟性地面 (如沼澤、草地、雪地、沙地等 )容易打滑、沉陷，但可根據(jù)具體地面環(huán)境采用一些預(yù)防措施來緩解該類情況的出現(xiàn)，如采用不同種類的款式輪胎以提高其越野能力，象沙漠車輛、山地車輛等，其各種結(jié)構(gòu) 如圖 2 圖 2式移動裝置示意圖 式移動機構(gòu)特點 腿足式移動機構(gòu)分 2腿、 4腿、 6腿、 8腿等形式。腿式移動機構(gòu)優(yōu) 點有： （ 1）腿式機器人的地形適應(yīng)能力強。腿式機器人運動軌跡由一系列離散點組成，崎嶇地形可以給這些離散點提供支撐，使機器人平穩(wěn)運動；而輪式和履帶式機器人的運動是連續(xù)規(guī)跡，有些起伏較大的地形則不支持這種連續(xù)運動軌跡，進而限制了該類機器人活動范圍。 （ 2）腿式機器人的腿部具有多個自由度，運動更具有靈活性，通過調(diào)節(jié)腿的長度可以控制機器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高； （ 3）腿式機器人的身體與地面分離，這種機械結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于機器人身體可以平穩(wěn)地運動而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置， 8腿移動機器人如圖 2，特點是穩(wěn)定性好，越野能力買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 20 強。 腿式移動機構(gòu)缺點有： （ 1）該類機器人的移動速度慢，機動性較差因此機器人的負載不能太重； （ 2）腿式機器入對地面適應(yīng)性和運動靈活性需要進一步提高； （ 3）腿式機器人控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，控制方法還有待完善； （ 4）該機構(gòu)未進入實用化階段。 圖 2式 行走機器人 帶式移動機構(gòu)特點 履帶式移動機構(gòu)分為 2條履帶 (履帶可車體左右布置或者車體前后布置 )、 3條履帶、 4條履帶， 6條履帶， 履帶式 移動機構(gòu)與地面較大的接觸面積，因此在較大的區(qū) 域內(nèi)分布機器人的重量，較大的接觸區(qū)域使機器人具有較好的驅(qū)動牽引力， 機動性能好、越野性能強，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、摩擦阻力大，機械效率低，在自身重量比較大的情況下會對路面產(chǎn)生一定的破壞。履帶式移動機構(gòu)比較輪式移動機構(gòu)有以下幾個特點： （ 1）撐面積大、接地比壓小、滾動阻尼小、通過性比較好； （ 2）越野機動往能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)； （ 3）履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好； （ 4）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜重量大，運動慣性大，減震功能差，零件易損壞。 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 21 圖 2動 機構(gòu)的簡圖 圖 2履 帶式移動裝置示意圖 履帶式實際是一種自己為自己鋪路的輪式車輛。它是將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸。履帶式的的優(yōu)點是著地面積比車輪式大，所以著地壓強??；另外與路面黏著力強，能吸收較小的凸凹不平，適于松軟不平的地面。因此，履帶式廣泛用在各類建筑機械及軍用車輛上。 并且履帶式結(jié)構(gòu)是通過兩條履帶差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。不但可以實現(xiàn)超小半徑轉(zhuǎn)彎，還可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。靈活性極佳。 、 腿式移動機構(gòu)特點 履腿復(fù)合移動機構(gòu)綜合了履帶式和腿式兩種移動機構(gòu)的優(yōu)勢，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表 現(xiàn)。履帶移動機構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面，它的活動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動機構(gòu)無法與其比擬，適合作為機器人的推進系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動機構(gòu)往往是兩條履帶與車身相對固定，很大程度上限制了機器人地形適應(yīng)能力(此時機器人履帶高度和長度直接決定了機器人越障、跨溝等性能 )，為了解決該問題履式移動系統(tǒng)中引入了關(guān)節(jié)履帶機構(gòu)，兩條履帶不再相對車體固定而是能繞車身轉(zhuǎn)動，這樣能大大提高機器買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 22 人的環(huán)境適應(yīng)能力，但履、腿復(fù)合機構(gòu)本身存在著一定的不足如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動控制困難等。 、履 、腿式移動機構(gòu)性能比較 車輪式，履帶式、腿足式移動系統(tǒng)性能比較見表 2 表 2型移動機構(gòu)的性能對比 研究采用的行走機構(gòu) 履帶式機器人具有良好的越障能力和地面適應(yīng)性，已得到廣泛的應(yīng)用典型的履帶式機器人可分為固定履帶式機器人和擺臂履帶式機器人擺臂履帶式機器人根據(jù)擺臂的 數(shù)量可分為四履帶雙擺臂機器人和六履帶四擺臂機器人 . 本文提出來的便攜式履帶機器人移動系統(tǒng)采用的是履帶式的結(jié)構(gòu) ， 加強了機器人越障、爬坡性能并提高了環(huán)境適應(yīng)能力。 主要結(jié)構(gòu)如下圖所示 圖 2帶 式 機器人結(jié)構(gòu)組成 移動方式 輪式 履帶式 腿式 移動速度 快 較快 慢 越障能力 差 一般 好 復(fù)雜程度 簡單 一般 復(fù)雜 能耗量 小 較小 大 控制難易 易 一般 復(fù)雜 買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 23 動電機及組件 總體 設(shè)計 方案如 圖 2示。采用后 輪驅(qū)動 ，差速 轉(zhuǎn)向 ，可實現(xiàn) 原地 360 轉(zhuǎn)向 。 擺臂電動 機 驅(qū)動擺臂 可在 360范 圍內(nèi) 旋 轉(zhuǎn) ，提高機器人跨越 溝槽 和爬越臺階的越障的能力和翻 轉(zhuǎn) 后自復(fù)位的功能。 根據(jù)井下環(huán)境對機 器人的要求，主要設(shè)計性能參數(shù)如下 ：002=350=80mm,r=35(車體寬度 )=500體質(zhì)量為 50臂質(zhì)量不超過 5器人做直線運動最大速度等于1m/s,自備電源運行時間大于等于 4小時。最大越障高度 H=300越最大溝壑寬度 C=500 2 圖 2器人尺寸大小 救機器人的 移動平臺 結(jié)構(gòu)和 擺臂 結(jié)構(gòu) 動平臺 結(jié)構(gòu) 機器人 的平臺結(jié)構(gòu) 支持起整個機器人的框架，為機器人安裝的各個部件提供安裝的固定支架，并且能保護機器人內(nèi)部 的部件，防止出現(xiàn)意外使其損壞。 機器人的主體為箱架結(jié)構(gòu)，各種零件和構(gòu)件分布在箱體上，箱體為長方體，但為了減輕重量，去除一部分不必要的的箱壁，留下安裝構(gòu)件的主要部分。 機器人主體使用后輪驅(qū)動，差速轉(zhuǎn)向，買文檔就送您 紙全套， Q 號交流 401339828 或 11970985 24 移動動力由齒輪帶動履帶，使主體移動。 箱體分雙層，下層安裝電機、軸和齒輪等動力部分以及支撐各個構(gòu)件的支架等構(gòu)架。其 下層 大體形狀如下圖 2 2器人箱體結(jié)構(gòu) 擺臂 結(jié)構(gòu) 擺臂 的作用是是機器人在越障時起輔助作用，使機器人受力情況改變，更加靈活的適應(yīng)崎嶇的環(huán)境。 主要作用為以下兩點： （ 1） 支 撐 擺臂 的前輪，使之能夠自由滾動。