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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院2012屆機(jī)械設(shè)計及其自動化專業(yè) 畢業(yè)實習(xí)報告
畢業(yè)設(shè)計實習(xí)報告
----四連桿履帶式搜救機(jī)器人
系 別：機(jī)械與動力工程系
班 級：機(jī)械設(shè)計08-2班
姓 名： 錢龍飛
學(xué) 號： 0828070150
目 錄
1、 搜救機(jī)器人簡介
1.1搜救機(jī)器人概述
1.2搜救機(jī)器人的用途和發(fā)展概況
1.3搜救機(jī)器人的分類
1.4搜救機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)
1.5搜救機(jī)器人不同類型的移動分析
2、 畢業(yè)設(shè)計題目——四連桿履帶式搜救機(jī)器人
2.1 設(shè)計指導(dǎo)思想
2.2 四連桿履帶式搜救機(jī)器人設(shè)施設(shè)計設(shè)計中需要注意的幾個問題
2.2.1電動機(jī)
2.2.2減速器設(shè)計
2.2.3機(jī)器人外殼材料選擇
2.2.4四連桿變形履帶機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)
2.2.5機(jī)器人越障原理及性能分析
3、 實習(xí)總結(jié)
四、參考文獻(xiàn)
一、搜救機(jī)器人簡介
1.1搜救機(jī)器人概述
一、概述
近年來，多發(fā)的自然災(zāi)害（如地震、火災(zāi)、洪水）、人為的恐怖活動、武力沖突及各種生化病毒、有毒物質(zhì)、輻射等恐怖不斷威脅著人類的安全，使得人們普遍關(guān)注對各種災(zāi)害的應(yīng)急能力、災(zāi)后的快速響應(yīng)處理能力。在突發(fā)恐怖事件、自然災(zāi)害及意外傷害發(fā)生后，巨大的災(zāi)害往往造成大范圍的建筑物坍塌和人員傷亡，現(xiàn)場搜索與救援成為人不最為緊急的工作。然而現(xiàn)場多為坍塌環(huán)境，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不穩(wěn)定，有些狹小空間救援人員和搜救犬根本無法進(jìn)入，從而使搜救范圍限制在倒塌建筑物表面范圍。救援人員進(jìn)入建筑物也將有巨大的風(fēng)險，其體重和移動可能會引起建筑物進(jìn)一步倒塌，造成對救援人員和幸存者的再次傷害。因此，救援隊員必須在結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行評估，并對不穩(wěn)定的倒塌結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐加固后才能進(jìn)入，這個過程延誤了搜救受災(zāi)者的時間。同時，由于搜尋空間條件惡劣，易導(dǎo)致救援隊員勞累，從而易對周圍建筑結(jié)構(gòu)作出錯誤判斷，錯過沒有知覺受災(zāi)者的概率上升，而且救援人員也存在重大的健康風(fēng)險和安全風(fēng)險，影響救援工作的快速展開。
將機(jī)器人技術(shù)、營救行動技術(shù)、災(zāi)害學(xué)等多學(xué)科知識有機(jī)融合，研制與開發(fā)用于搜救與營救的救援機(jī)器人，將有效地提高救援的效率和減少救援人員的傷亡。
搜救機(jī)器人是指用在災(zāi)后非結(jié)構(gòu)環(huán)境下執(zhí)行搜索與救援任務(wù)的特種機(jī)器人。機(jī)器人在搜索與救援過程中明顯具有以下幾個方面的優(yōu)勢。
（1）在發(fā)生倒塌后，機(jī)器人可以立即展開對幸存者的搜索，進(jìn)入結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的建筑物，降低救援隊員的風(fēng)險，為搜救工作節(jié)約時間
（2）可以進(jìn)入狹窄空間，擴(kuò)展搜救專家的工作范圍。建筑物倒塌會形成各種各樣的空間，這些空間可能就會有幸存者，但搜救人員難以進(jìn)入，而機(jī)器人卻可以一展身手。
（3）可以攜帶多種傳感器，探測幸存者空間狀況，在機(jī)器人軟件的幫助下對搜索區(qū)域?qū)嵭型暾娜S搜索，繪制結(jié)構(gòu)圖，提升工作效率和可靠性。搜救機(jī)器人可以攜帶溫度探測器、一氧化碳探測器、爆炸界限探測器、氧氣、PH探測器、輻射探測器和殺傷性武器探測器，從而測定空氣讀數(shù)，探測有害物質(zhì)，分析后向救援人員提出警告。
1.2搜救機(jī)器人的用途和發(fā)展概況
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下是很難進(jìn)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(jìn)入。災(zāi)難搜救機(jī)器人可以很好地解決上述問題。機(jī)器人可以在災(zāi)難發(fā)生后第一時間進(jìn)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(jìn)入救援人員無法進(jìn)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(jī)構(gòu)開展了大量的研究工作，可在災(zāi)難現(xiàn)場廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋的各類機(jī)器人如可變形多態(tài)機(jī)器人、蛇形機(jī)器人等相繼被開發(fā)出來。本文在介紹國內(nèi)外災(zāi)難搜救機(jī)器人最新研究成果及近年來災(zāi)難現(xiàn)場的實際使用情況的基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場使用的經(jīng)驗教訓(xùn)提出了災(zāi)難救援機(jī)器人需要解決的一些關(guān)鍵技術(shù)問題，指出了災(zāi)難救援機(jī)器人的發(fā)展趨勢。2001 年“911”事件發(fā)生后，美國國內(nèi)主要機(jī)器人生產(chǎn)公司，研究機(jī)構(gòu)都組織參加了紐約世貿(mào)大廈現(xiàn)場的搜救工作，他們是南佛羅里達(dá)大學(xué)機(jī)器人輔助搜尋與救援研究中心，MIT 的iRobot公司，美國海軍的SPAWAR 研究中心，以及具有五十多年歷史的Foster - Miller公司等。據(jù)時代周刊報道:在最初的十天當(dāng)中，救援機(jī)器人在搜救犬、人工無法抵達(dá)的狹小或危險區(qū)域找到十余具遇難者的遺體與現(xiàn)場搜救工作人員找到的數(shù)量基本相同，但所花的時間卻不到現(xiàn)場救援人員花費時間的一半。
搜救機(jī)器人為城市搜救展開了新思路，但是也暴露了一些問題。綜合考慮機(jī)器人技術(shù)和城市搜救環(huán)境，未來的搜救機(jī)器人技術(shù)需求應(yīng)包括以下幾個方面。
1．機(jī)動裝置設(shè)計
在建筑物搜救中，機(jī)動是機(jī)器人首先面臨的問題。作為機(jī)器人機(jī)動主體的底盤，需要裝載所有的傳感器?？紤]建筑物倒塌的環(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，能夠爬樓梯，能夠通過狹窄空間。
（2）能夠耐熱、放水、防火、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(jìn)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(jìn)行分類。因此，機(jī)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GPS、慣性測量裝置、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(jī)器人在行動中通信系鏈易纏繞，限制了機(jī)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(jī)器人就是利用無線以太網(wǎng)（2.4GHz 802.11）、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(qiáng)動力、抗干擾能力的設(shè)計。
4．圖像處理
通過操縱機(jī)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(jī)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(jī)器人完成，也可以與其他機(jī)器人合作來完成。
5．導(dǎo)航技術(shù)
提高機(jī)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(jī)器人路徑規(guī)劃、避障；自動爬樓梯過程中是非常重要的。如NASA噴氣動力實驗室利用圖像的樓梯邊緣判斷方法，解決了機(jī)器人爬樓梯的自動化。
6．人機(jī)交互界面
為了方便使用者在救援行動中有效的使用機(jī)器人，便捷的人機(jī)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(jī)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(jī)器人的方向、位置和動力，操作眾多的設(shè)備，比如攝像機(jī)、燈光和車載鉗子，準(zhǔn)確的控制機(jī)器人的移動，從攝像機(jī)獲得圖像。
7．群體機(jī)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(jī)器人組成群體，通過系統(tǒng)協(xié)調(diào)來完成單機(jī)器人無法或難以完成的工作。群體機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)比單機(jī)器人系統(tǒng)具有更強(qiáng)的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
（1）群體機(jī)器人系統(tǒng)可以實現(xiàn)單機(jī)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(jī)器人比單個復(fù)雜機(jī)器人更容易、成本更低。
（3）使用群體機(jī)器人系統(tǒng)可以大大節(jié)約時間、提高效率。
（4）群體機(jī)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。
1.3搜救機(jī)器人的分類
1.履帶式搜救機(jī)器人
履帶式機(jī)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(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。圖1 給出了目前國際上幾家著名機(jī)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。
圖1
2.可變形(多態(tài)) 搜救機(jī)器人
為了能進(jìn)入狹小空間展開搜救工作，要求機(jī)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，為了解決這一矛盾，近年來在傳統(tǒng)牽引式搜救機(jī)器人平臺基礎(chǔ)上，研制出了形態(tài)可變的履帶式多態(tài)搜救機(jī)器人。圖2為美國iRobot公司生產(chǎn)的PackBot系列機(jī)器人, PackBot機(jī)器人有一對鰭形前肢，這對鰭形前肢可以幫助在崎嶇的地
面上導(dǎo)航,也可以升高感知平臺以便更好地觀察。圖3為加拿Inuktun 公司MicroVGTV多態(tài)搜救機(jī)器人，他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠(yuǎn)近靈活地調(diào)整形狀和尺寸。
圖2
圖3
3.仿生搜救機(jī)器人
雖然履帶式可變形多態(tài)機(jī)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)原理研制出了各種體積更小的仿生機(jī)器人,其中蛇形機(jī)器人就是其中很重要的一類。圖4 (a) 為CMU 研制的安裝在移動平臺上的蛇形機(jī)器人，圖4 (b) 為日本大阪大學(xué)研制的蛇形機(jī)器人。我國中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，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(jī)器人系統(tǒng)。圖4 (c)為美國加州大學(xué)伯克利分校研制的身高不足3 cm 的蒼蠅搜救機(jī)器人。隨著技術(shù)的不斷成熟,相信蛇形、蠅形等仿生機(jī)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。
圖4
1.4搜救機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)
一．硬 件
1. 1 移動性/ 機(jī)械機(jī)構(gòu)
移動性是搜救機(jī)器人完成搜救工作的決定因素,“911”事件后紐約世貿(mào)大廈現(xiàn)場的搜救工作以及西弗吉尼亞Sago 煤礦的礦難救援工作都很好地證明了這一點。機(jī)器人移動平臺應(yīng)該能夠在惡劣廢墟環(huán)境中靈活地穿梭于狹小的空間之中,能夠翻越障礙,爬樓梯,穿越泥濘的道路等,且機(jī)器人的移動不應(yīng)對周圍不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，以免發(fā)生二次坍塌或爆炸等。此外,機(jī)器人還應(yīng)該具備適應(yīng)惡劣環(huán)境的能力,具有防水、耐高溫等能力。早期為軍用目的而設(shè)計的輪履式機(jī)器人由于體積偏大而不太適合搜救工作。目前,各種履帶式多態(tài)可變形小型機(jī)器人已經(jīng)研制出來, 并已商業(yè)化。近年來, 特別是2000 年以來以蛇形機(jī)器人為代表的仿生機(jī)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。
1. 2 傳感檢測裝置
搜救機(jī)器人的主要工作就是通過傳感器實現(xiàn)自身的導(dǎo)航、環(huán)境信息的獲取以及幸存人員的搜尋。由于災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性及不確定性,傳統(tǒng)在室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境中已較成熟的導(dǎo)航算法無法滿足救援工作的要求。傳統(tǒng)的聲納、激光測距儀等在充滿煙霧和灰塵的環(huán)境中也很難取得理想的效果。目前搜救機(jī)器人主要采用人工控制方式來發(fā)現(xiàn)被困人員后需要迅速判斷其是否還活著。生命體征檢測裝置的研制近年來成為了研究的熱點。南佛羅里達(dá)大學(xué)Murphy教授領(lǐng)導(dǎo)的機(jī)器人團(tuán)隊已開發(fā)出了多個非介入式生命體征檢測傳感器,用于判斷被困人員的生存狀況。
1. 3 人機(jī)通訊方式
目前機(jī)器人與操作者之間常用的通信方式有無線和電纜兩種方式。電纜方式可以通過線纜方便地為機(jī)器人提供能量,穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)機(jī)器人和操作者之間的信息傳送且，當(dāng)機(jī)器人遇阻時通過拖拽使機(jī)器人重新投入工作。但電纜方式也存在一定的問題，隨著機(jī)器人搜尋范圍的深入,線纜很容易發(fā)生纏繞而影響機(jī)器人的移動性，研制收放靈活的電纜卷繞裝置是解決目前有線通信方式機(jī)器人通訊問題的關(guān) 鍵。無線通訊方式的穩(wěn)定性較難保證,即使在穿透性能最佳的頻段也會由于帶寬及各種干擾的影響使得通訊無法正常進(jìn)行。“911”事件的救援工作證明,無線方式的機(jī)器人大約有25 %以上的時間無法正常通訊。穩(wěn)定可靠的通訊方式是當(dāng)前救援機(jī)器人領(lǐng)域需要很好解決的關(guān)鍵問題之一。
二．軟件
2. 1 人機(jī)交互和用戶界面
在災(zāi)難現(xiàn)場,搜救機(jī)器人的操作者精神高度緊張且需要長時間連續(xù)高負(fù)荷工作,因此良好的人機(jī)交互系統(tǒng)是提高搜救效率、減輕救援人員工作強(qiáng)度的保證。人機(jī)交互是通過良好的用戶接口來實現(xiàn)的,因此，該接口必須為操作者提供豐富的信息，從而使操作者能夠做出最佳判斷來對機(jī)器人進(jìn)行控制，通過該人機(jī)接口，操作者能很容易地判斷機(jī)器人的位置、狀態(tài)等，能夠靈活地對機(jī)器人本身以及其所攜帶的有關(guān)裝置如攝像頭、照明裝置等進(jìn)行控制。為了設(shè)計出友好的人機(jī)交互接口，設(shè)計人員必須對搜救過程中救援人員對機(jī)器人的使用情況進(jìn)行充分的了解。南佛羅里達(dá)大學(xué)Murphy教授領(lǐng)導(dǎo)的機(jī)器人團(tuán)隊在此方面已做了大量的調(diào)研工作。
2. 2 傳感器融合
由于救援現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，對傳統(tǒng)的室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下傳感器數(shù)據(jù)的處理算法不能滿足搜救工作的需要。如通過視頻圖像對幸存者的檢測，由于灰塵、煙霧等的影響使得識別變得非常困難，通過檢測到聲音的方向辨別幸存者的方位，也由于現(xiàn)場噪音的影響而變得很困難。因此，為了完成搜索并發(fā)現(xiàn)幸存者，必須通過多種傳感器數(shù)據(jù)的融合,研究更加有效的識別算法。
2. 3 機(jī)器人搜救隊
由于災(zāi)難現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，需要各種不同的搜救機(jī)器人參與救援工作，如MCU研制的圖4 (a)所示的通過具有較強(qiáng)越障能力的輪式機(jī)器人攜帶蛇行機(jī)器人來完成救援工作的機(jī)器人。為了縮減搜索遍歷時間，組建機(jī)器人搜救隊是行之有效的辦法，各機(jī)器人之間相互協(xié)調(diào)來快速完成搜索工作。目前有不少研究機(jī)構(gòu)在開展多機(jī)器人未知環(huán)境探索算法的研究工作，并已經(jīng)有基于結(jié)構(gòu)化未知環(huán)境搜索的系統(tǒng)問世，但要真正用于實際救援環(huán)境還有很多工作要做。
2. 4 傳統(tǒng)移動機(jī)器人技術(shù)的局限性
移動機(jī)器人在室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的導(dǎo)航、定位、路徑規(guī)劃、地圖建立以及未知環(huán)境探索等技術(shù)經(jīng)過長期的研究已經(jīng)基本成熟，但要用 于災(zāi)難現(xiàn)場的非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜未知環(huán)境的探索還需要進(jìn)行更深入的研究。目前搜救機(jī)器人的控制方式主要以手工操作為主，不追求機(jī)器人的完全自治。但為了提高救援水平，縮短搜索時間，完全自主的搜
救機(jī)器人，尤其是自主機(jī)器人搜救隊將是發(fā)展的方向。
1.5搜救機(jī)器人不同類型的移動分析
現(xiàn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，別是電子信息技術(shù)的突飛猛進(jìn)，器人作為人類的新型生產(chǎn)工具，減輕勞動強(qiáng)度，高生產(chǎn)率，變?nèi)说纳a(chǎn)模式，人從危險、惡劣、繁重的工作環(huán)境中解放出來等方面，示出了極大的優(yōu)越性。器人在地面的移動方式有多種：式、履帶式、輪履結(jié)合式和步行式等。行移動方式模仿人類或動物的行走機(jī)理，腿腳走路，環(huán)境的適應(yīng)性好，能程度相對也較高。是步行移動方式的結(jié)構(gòu)和控制比較復(fù)雜，對于比賽用機(jī)器人來說速度慢，以一般不選用。亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽中出現(xiàn)的比較多的是輪式和履帶式。面對車輪式、履帶式和輪履結(jié)合式三種移動方式做一些說明。
一、輪式結(jié)構(gòu)的分析
利用車輪移動是最常見的一種地面行進(jìn)方式。輪式驅(qū)動機(jī)構(gòu)移動方式的優(yōu)點是：高速穩(wěn)定，能量利用率高，機(jī)構(gòu)和控制簡單，而且現(xiàn)有技術(shù)比較成熟。它的缺點是：對路面要求較高，適用于平整的硬質(zhì)道路，不能很好的適應(yīng)場地。輪式移動機(jī)構(gòu)可以達(dá)到較高的運動速度，在相對平坦的地面上，輪式移動具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，控制也相對簡單。輪式移動機(jī)構(gòu)由于應(yīng)用廣泛，是目前研究最為透徹的移動機(jī)構(gòu)之一。傳統(tǒng)的輪式移動機(jī)構(gòu)有三輪、四輪、六輪的結(jié)構(gòu)形式，日本還曾研究出五輪移動機(jī)構(gòu)。但輪式移動機(jī)構(gòu)的缺點也是很明顯的。由于與地面接觸面積小，在爬坡時容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。要想解決打滑需要加裝減速箱或用動力制動的方法實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整過程。但其通過性和越障能力受到限制，在攀爬樓梯時一般要求前輪半徑要大于樓梯高度，底盤最低點距地面高度限制了地面通過性。為適應(yīng)復(fù)雜地形甚至于爬樓梯的要求，必須加大輪子直徑，導(dǎo)致底盤結(jié)構(gòu)體積龐大，重量增加。從理論上講，三點決定一個平面，因此車輪式移動載體的平穩(wěn)運動最少需要3個輪子支撐?，F(xiàn)在大多數(shù)機(jī)器人用的是3輪或4輪移動方式，在某些特殊情況下也有用5輪以上的，但這種情況下機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制會更加的復(fù)雜，這對我們技術(shù)有限的大學(xué)生機(jī)器人隊伍來數(shù)是不太適用的。因此我們會選擇3輪或4輪的移動方式，下面對此進(jìn)行討論。
（1）3輪移動配置和操舵方式
典型3輪移動機(jī)器人通常采用1個中心前輪和2個后輪的車輪布置。3個車輪配置與功能的不同組合有可以將3輪機(jī)器人分為如圖1所示的若干類型
圖1（a）所示的組合是前輪1為萬向腳輪或球形輪，后輪2和后輪3為獨立驅(qū)動輪，利用它們的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。這種組合的特點是機(jī)構(gòu)組合容易，而且當(dāng)兩個驅(qū)動輪以相同速度、相反方向轉(zhuǎn)動時車體能繞兩個驅(qū)動輪連線的中點自轉(zhuǎn)，但自傳中心與車體中心不一致。
圖1（b）所示的組合是操縱舵機(jī)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動機(jī)構(gòu)集中在前輪1上，兩個后輪之起支撐從動作用。與圖1（c）相比，該機(jī)構(gòu)也能繞兩后輪連線的中點自轉(zhuǎn)，但其前輪驅(qū)動集中，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
圖1（c）所示的組合是前輪1為操舵輪，后輪2和后輪3中的一個為驅(qū)動輪，另一個為從動輪。這種車輪機(jī)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)簡單，組成容易，但單邊驅(qū)動的驅(qū)動性差，穩(wěn)定性不好，不能自傳。
圖1（d）的車輪組合將圖1（c）的單輪驅(qū)動該為雙后輪差動驅(qū)動，提高了驅(qū)動性，但加了一個差動齒輪裝置，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，也增加了質(zhì)量。
(a) (b) (c) (d)
圖1 3輪式移動配置方式
二、履帶式結(jié)構(gòu)的分析
履帶式結(jié)構(gòu)實際上是一種自己為自己鋪路的輪式結(jié)構(gòu)。是將環(huán)狀的循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，車輪不直接與地面接觸。常見的履帶移動車是在車體的兩側(cè)各設(shè)有一對履帶驅(qū)動裝置的雙履帶結(jié)構(gòu)。有為了適應(yīng)復(fù)雜的路況而采用多履帶的。賽中由于路面不是很復(fù)雜，以制作起來比較簡單，將履帶卷繞在兩個以上的車輪上，個車輪用來做驅(qū)動輪，的車輪作張緊輪或?qū)蜉啞虞喭ǔ？孔陨淼凝X與履帶內(nèi)側(cè)的齒形嚙合來驅(qū)動。型的履帶移動機(jī)構(gòu)由驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、托帶輪、履帶、履帶架等部分組成。動機(jī)構(gòu)適合在復(fù)雜路面上行駛，是輪式移動機(jī)構(gòu)的拓展，帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。帶的優(yōu)點是著地面積比車輪式大，以著地壓強(qiáng)?。涣硗馀c地面粘著力較強(qiáng)，吸收較小的凹凸不平，能力強(qiáng)，于有突變的地面，原地旋轉(zhuǎn)，低。此，履帶式適合于各種場地。帶車輛和輪式車輛的特性有所不同。要的不同在轉(zhuǎn)向特性上。帶車輛的轉(zhuǎn)向通過兩側(cè)履帶的差速進(jìn)行轉(zhuǎn)向。帶式轉(zhuǎn)彎不如車輪式靈活。要改變方向時、要將某一側(cè)的履帶驅(qū)動系統(tǒng)減速或制動來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，者反向驅(qū)動車體的原地自傳。都會使履帶與地面產(chǎn)生相對橫向滑動，大了機(jī)器人電機(jī)的能耗。負(fù)重大的情況下可使電機(jī)溫度迅速升高影響電機(jī)的使用和壽命。帶車的受力比較復(fù)雜，用力可能是靜態(tài)的也有可能是動態(tài)的。輛以常速運動時，靜態(tài)力作用。加速運動時，受動態(tài)力作用。車輛轉(zhuǎn)彎時，將產(chǎn)生離心力，推動車輛橫向移動，動態(tài)力總是作用在車輛質(zhì)心處。
履帶式結(jié)構(gòu)
三、輪履結(jié)合式的分析
機(jī)器人行走系統(tǒng)是完成移動動作的直接保證，設(shè)計的優(yōu)劣直接影響機(jī)器人性能發(fā)揮，其對機(jī)器人運動可靠性有很大要求。服普通履帶式移動機(jī)構(gòu)的缺點，要通過改變履帶的形狀和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，特比勒（Catepillar）式、形狀可變履帶、位置可變履帶、履帶式加裝前后擺等結(jié)構(gòu)形式相繼出現(xiàn)，并應(yīng)用于各種機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)。近年來各種增強(qiáng)的非金屬復(fù)合材料應(yīng)用于履帶，大大減輕了履帶式移動機(jī)構(gòu)笨重的缺點，改善了其整體性能，對復(fù)雜環(huán)境，履帶式移動機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)性。本文將介紹一種輪履結(jié)合式的結(jié)構(gòu)。出于對重量和經(jīng)濟(jì)性的考慮，選用標(biāo)準(zhǔn)同步帶代替履帶作為行走系統(tǒng)的主要部件。同步帶有梯形齒和弧齒兩種齒形，有標(biāo)準(zhǔn)可選。用的是8M圓弧齒同步帶輪作為履帶。
輪履結(jié)合式
二、畢業(yè)設(shè)計題目——四連桿履帶式搜救機(jī)器人
2.1設(shè)計指導(dǎo)思想
科學(xué)性：目前，國內(nèi)外對于微小型履帶機(jī)器人的研究主要是針對機(jī)器人控制技術(shù)的研究，而作為機(jī)器人主體的機(jī)械結(jié)構(gòu)卻大多采用經(jīng)典的履帶結(jié)構(gòu)，雖然相關(guān)的研究成果已經(jīng)在某些領(lǐng)域成功地得到了應(yīng)用，但從機(jī)械設(shè)計的角度看，明顯缺乏一定的創(chuàng)新和優(yōu)化。四連桿變形履帶式機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)是采用常見的平行四邊形機(jī)構(gòu)作為履帶變形結(jié)構(gòu)，平行四邊形機(jī)構(gòu)有兩個顯著特性：一是兩曲柄以相同速度同向轉(zhuǎn)動；二是連桿作平動。當(dāng)...(查看更多)主動曲柄以一定速度轉(zhuǎn)動時，從動曲柄也以同樣的速度轉(zhuǎn)動，而連桿作平動，始終與機(jī)架保持平行狀態(tài)。如果在此機(jī)構(gòu)的連桿上搭建工作平臺，其最大特點就是工作平臺運動平穩(wěn)可靠，而且運動范圍很廣，有利于越障。先進(jìn)性：與目前國內(nèi)外的微小型履帶式機(jī)器人相比，本作品是一種全新結(jié)構(gòu)的履帶式機(jī)器人，主要著眼于機(jī)器人機(jī)械主體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計與優(yōu)化，使用的工作平臺簡單實用、控制可靠，并且加工方便、制造成本較低，可推廣應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域。
研制目的：設(shè)計一種適應(yīng)復(fù)雜地形環(huán)境的履帶式機(jī)器人移動平臺，其具有很強(qiáng)的越障、爬坡、地面機(jī)動能力和行駛平順性，且結(jié)構(gòu)簡單、運動穩(wěn)定、控制可靠，能滿足反恐、排爆、搜索、救援、偵察等任務(wù)對微小靈巧移動機(jī)器人載體的需求?；舅悸罚毫⒆阌诼膸C(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計，本作品巧妙利用平行四邊形機(jī)構(gòu)構(gòu)型發(fā)生變化時其周長不變的特點，提出一種全新的履帶變形機(jī)構(gòu)，具有以下特點：（1）利用機(jī)構(gòu)的簡單變...(查看更多)形實現(xiàn)機(jī)器人越障；（2）機(jī)器人可單側(cè)變形，以適應(yīng)機(jī)器人兩側(cè)地形不同的情況；（3）實現(xiàn)機(jī)器人抬高底盤通過障礙。創(chuàng)新點：1． 提出了一種新型履帶變形機(jī)構(gòu)，巧妙利用平行四邊形機(jī)構(gòu)構(gòu)型發(fā)生變化其周長不變的特點，使履帶變形的運動控制變得非常簡單。 2 . 基于新型履帶變形機(jī)構(gòu)設(shè)計了一種新型機(jī)器人移動平臺，該平臺可抬高底盤越過障礙。 3． 采用模塊化、全天候、全地形的設(shè)計思想，對機(jī)器人電控系統(tǒng)等關(guān)鍵部件進(jìn)行防水和抗振設(shè)計，使機(jī)器人具有一定的涉水和抗摔能力。
2.2 四連桿履帶式搜救機(jī)器人設(shè)施設(shè)計設(shè)計中需要注意的幾個問題
2.2.1電動機(jī)
該機(jī)器人采用履帶方式行進(jìn)，內(nèi)部裝備有普通直流電機(jī)，下面介紹一下直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)型式
結(jié)構(gòu)型式
代號
電機(jī)型號
臥式機(jī)座帶有底腳
B3（D2）
Z2-11~112
臥式機(jī)座帶底腳，端蓋有凸緣
B35（D2/T2）
Z2-11~82
臥式機(jī)座不帶底腳，端蓋有凸緣
B5（T2）
Z2-11~62
立式機(jī)座不帶底腳，端蓋有凸緣（軸伸向下）
V1（L3）
Z2-11~112
立式機(jī)座帶有底腳，端蓋有凸緣（軸伸向下）
V15（L3/D2）
Z2-11~82
2.2.2減速器設(shè)計
減速器主要由傳動零件(齒輪或蝸桿)、軸、軸承、箱體及其附件所組成。四連桿變形履帶式機(jī)器人內(nèi)部減速器主要采用二級圓柱齒輪減速器，以下是減速器的總體設(shè)計程序。
一、設(shè)計的資料和數(shù)據(jù)
1、原動機(jī)的類型、規(guī)格、轉(zhuǎn)速、功率（或轉(zhuǎn)矩）、啟動特性、短時過載能力、轉(zhuǎn)動慣量等。
2、工作機(jī)械的類型、規(guī)格、用途、轉(zhuǎn)速、功率（或轉(zhuǎn)矩）。工作制度：恒定載荷或變載荷，變載荷的載荷圖；啟、制動與短時過載轉(zhuǎn)矩，啟動頻率；沖擊和振動程度；旋轉(zhuǎn)方向等。
3、原動機(jī) 作機(jī)與減速器的聯(lián)接方式，軸伸是否有徑向力及軸向力。
4、安裝型式（減速器與原動機(jī)、工作機(jī)的相對位置、立式、臥式）。
5、傳動比及其允許誤差。
6、對尺寸及重量的要求。
7、對使用壽命、安全程度和可靠性的要求。
二、選定減速器的類型和安裝型式
三、初定各項工藝方法及參數(shù)
四、確定傳動級數(shù)；按總傳動比，確定傳動的級數(shù)和各級的傳動比。
五、初定幾何參數(shù)；初算齒輪傳動中心距（或節(jié)圓直徑）、模數(shù)及其他幾何參數(shù)。
六、整體方案設(shè)計；確定減速器的結(jié)構(gòu)、軸的尺寸、跨距及軸承型號等。
七、校核；校核齒輪、軸、鍵等負(fù)載件的強(qiáng)度，計算軸承壽命。
八、潤滑冷卻計算
九、確定減速器的附件
十、繪制施工圖
2.2.3機(jī)器人外殼材料選擇
四連桿變形履帶式機(jī)器人的機(jī)體外殼采用鋁合金材料制作，鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。純鋁的密度小（ρ=2.7g/cm3），大約是鐵的 1/3，熔點低（660℃），鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%），易于加工，可制成各種型材、板材?？垢g性能好；但是純鋁的強(qiáng)度很低，退火狀態(tài) σb 值約為8kgf/mm2，故不宜作結(jié)構(gòu)材料。通過長期的生產(chǎn)實踐和科學(xué)實驗，人們逐漸以加入合金元素及運用熱處理等方法來強(qiáng)化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。 添加一定元素形成的合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點的同時還能具有較高的強(qiáng)度，σb 值分別可達(dá) 24～60kgf/mm2。這樣使得其“比強(qiáng)度”（強(qiáng)度與比重的比值 σb/ρ）勝過很多合金鋼，成為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機(jī)械制造、運輸機(jī)械、動力機(jī)械及航空工業(yè)等方面，飛機(jī)的機(jī)身、蒙皮、壓氣機(jī)等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕50%以上。鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)剛，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用，使用僅次于鋼量。
2.2.4四連桿變形履帶機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)
下面提出了一種3 自由度微小型履帶式移動機(jī)器人的履帶變形結(jié)構(gòu)。機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)基于平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，整體采用模塊化設(shè)計，使得攜帶、拆裝和維修非常方便。通過理論分析、機(jī)器人虛擬樣機(jī)運動學(xué)仿真和實物樣機(jī)越障試驗證明，設(shè)計的機(jī)器人不僅在爬坡性能、跨溝性能和地面適應(yīng)性等方面已經(jīng)達(dá)到同類機(jī)器人的相當(dāng)水平, 而且在通過垂直路障時還具有一定優(yōu)勢。
四連桿變形履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)布局如圖1所示, 主要由機(jī)架和兩個對稱分布的履帶變形模塊組成。位于機(jī)器人中部的機(jī)架作為移動平臺可裝載直流電源及與控制相關(guān)的各種設(shè)備,用于完成各種特定的任務(wù), 在機(jī)器人運動過程中一般保持水平。機(jī)架兩側(cè)是基于平行四邊形結(jié)構(gòu)的履帶變形模塊,主要由四連桿變形機(jī)構(gòu)、主驅(qū)動輪、被動輪及繞在履帶輪上的履帶組成,其中四連桿變形機(jī)構(gòu)由連桿、主動曲柄、被動曲柄組成,用于提供驅(qū)動力,并且可以繞機(jī)架旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)履帶變形, 在越障時給機(jī)器人提供額外的輔助運動。機(jī)器人共有3個自由度, 即一個平動自由度和兩個旋轉(zhuǎn)自由度。安裝在機(jī)器人兩個主驅(qū)動輪內(nèi)的電機(jī)通過聯(lián)軸器傳動,將主驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)槁膸У钠揭七\動, 實現(xiàn)機(jī)器人的直線前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。另外一個電機(jī)安裝在機(jī)架上, 通過鏈傳動驅(qū)動左右兩側(cè)履帶變形模塊中的主動曲柄繞位于機(jī)架前方的軸轉(zhuǎn)動, 從而實現(xiàn)四連桿機(jī)構(gòu)的變形, 最終使繞在其四周的履帶構(gòu)形發(fā)生變化該結(jié)構(gòu)的特點在于巧妙地利用四連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)了機(jī)器人的行進(jìn)與履帶的變形, 使機(jī)器人具備良好的越障性能和地面適應(yīng)性。
圖1
2.2.5機(jī)器人越障原理及性能分析
2.1 機(jī)器人越障的基本原理
與一般的輪式機(jī)器人等微小型移動機(jī)器人相比,履帶式機(jī)器人的優(yōu)勢在于其強(qiáng)大的越障能力,尤其是通過垂直路障的能力。翻越垂直路障的能力,是履帶機(jī)器人越障性能的主要指標(biāo)。這里設(shè)計的一種四連桿變形履帶式機(jī)器人可以通過臺階、溝渠等常見障礙,在此僅著重闡述其通過垂直路障的基本原理。
圖2是機(jī)器人通過垂直路障的原理示意圖, 四連桿機(jī)構(gòu)[ 6] 由機(jī)架AD、連桿BC、主動曲柄AB、被動曲柄CD 組成。
機(jī)器人越障的過程分析如下:
圖2 機(jī)器人通過垂直路障原理示意圖
圖2( 1): 在正常地形環(huán)境下, 組成履帶變形機(jī)構(gòu)的四根連桿處于水平位置, 機(jī)器人保持八輪著地的狀態(tài), 直至前面發(fā)現(xiàn)障礙物。
圖2( 2): 發(fā)現(xiàn)障礙物后, 機(jī)器人停止前進(jìn)。通過電機(jī)驅(qū)動履帶變形模塊中的主動曲柄AB 繞前軸旋轉(zhuǎn), 從而改變四連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)形, 最終使履帶構(gòu)形發(fā)生變化。當(dāng)主動曲柄AB 旋轉(zhuǎn)到適當(dāng)角度時即可停止旋轉(zhuǎn)。
圖2( 3): 機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)至障礙物附近, 電機(jī)驅(qū)動主動曲柄AB 旋轉(zhuǎn)至與機(jī)架成適當(dāng)夾角??, 使得AB 側(cè)的履帶壓在障礙物邊上。此時機(jī)器人已經(jīng)完成了越障前的準(zhǔn)備工作。
圖2( 4): 當(dāng)機(jī)器人主動曲柄AB 側(cè)的履帶壓在障礙物上后, 通過電機(jī)驅(qū)動機(jī)架后方的兩個主驅(qū)動輪, 機(jī)器人在驅(qū)動力和履帶攀附力下可順利通過障礙物。
三、實習(xí)總結(jié)
在實習(xí)過程中，我從學(xué)到了知識和技能。感到了生活的充實，以及獲得知識的滿足。真正的接觸了社會，使我消除了走向社會的恐懼心里，使我對未來充滿了信心，以良好的心態(tài)去面對社會。同時，也使我體驗到了工作的艱辛，了解了當(dāng)前社會大學(xué)生所面臨的嚴(yán)峻問題，促使自己努力學(xué)習(xí)更多的知識，為自己今后的工作奠定良好的基礎(chǔ)。同時在整個實習(xí)過程中，我們小組積極搜集相關(guān)資料，進(jìn)行整理抄寫，實習(xí)指導(dǎo)老師也為我們介紹提示，主要是在關(guān)鍵問題上為我們點撥，對我們的幫助時很大的。同時我認(rèn)為四連桿變形履帶式機(jī)器人作為微小型機(jī)器人，具有體積小、攜帶方便、低成本、隱蔽性好、快速反應(yīng)、機(jī)動性高、生存能力...(查看更多)強(qiáng)、適應(yīng)水、陸環(huán)境等特點。
非常具有市場前景，經(jīng)濟(jì)效益可觀。
四、參考文獻(xiàn)
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