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履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘 要
在微小型履帶機(jī)器人方面美國(guó)走在了世界的前列，代表機(jī)器人有Packbot機(jī)器人，Talon機(jī)器人，NUGV等。
我國(guó)微小型機(jī)器人的研究和開發(fā)晚于西方的一些發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)是從20世紀(jì)80年代開始機(jī)器人領(lǐng)域的研究的。其中具有代表性的有中國(guó)科學(xué)院研制的復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人“靈晰-B”型排爆機(jī)器人，“龍衛(wèi)士Dragon Guard X3B 反恐機(jī)器人”，“JW-901 排爆機(jī)器人”等。
此設(shè)計(jì)的目的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎，能實(shí)現(xiàn)過(guò)坑、越障等動(dòng)作。通過(guò)在機(jī)器人機(jī)架上加裝其他功能的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的使用功能，本研究的意義是為機(jī)器人提供一個(gè)動(dòng)力輸出平臺(tái)，為開發(fā)各種功能的機(jī)器人提供基礎(chǔ)平臺(tái)。
此設(shè)計(jì)移動(dòng)方案的選擇是采用了履帶式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)整體使用模塊化設(shè)計(jì)，以便后續(xù)拆卸維修，可以適應(yīng)于各種復(fù)雜的路面，并可主動(dòng)控制前后兩側(cè)搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而達(dá)到輔助過(guò)坑、越障等動(dòng)作。經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)后機(jī)器人將具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力、機(jī)動(dòng)能力并能承受一定的掉落沖擊，此設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由四部分組成：主動(dòng)輪減速機(jī)構(gòu)、翼板轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)路面執(zhí)行機(jī)構(gòu)、履帶及履帶輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：履帶機(jī)器人;履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu);模塊化設(shè)計(jì)
Abstract
In terms of micro small crawler robots walk in the forefront of the world in the United States, on behalf of the robot has disposal robot, Talon robot, NUGV, etc.
Miniature robot research and development in our country later than some developed western countries, our country from the 1980 s began to research in the field of robot. One of the typical composite mobile robot developed by the Chinese academy of sciences \"norm of spirit - B\" type eod robots, \"Dragon Guard Dragon Guard X3B anti-terrorism robot\", \"JW - 901 eod robot\", etc.
The design is novel, the purpose of this design can achieve pit, surmounting obstacles. Through in the robot arm with other function modules to realize different use function, the significance of this study is to provide a power output for robot platform, provides the basis for the development of all sorts of function of robot platform.
This design is the choice of mobile solutions adopted crawler drive structure. Structure of the overall use of modular design, in order to follow-up maintenance, removal can be adapted to various complicated road, and can turn on either side of the rocker arm before and after active control to regulate the robot's motion, so as to achieve auxiliary pit, surmounting obstacles. After reasonable design robots will have good environmental adaptability, mobility and can absorb a certain amount of drop impact, this design of the mobile mechanism is mainly composed of four parts: the driving wheel deceleration institutions, wing rotating mechanism, adaptive pavement actuators, track and track wheel motion mechanism.
Keywords: tracked robot; tracked mobile mechanism;the modular design
目 錄
摘 要 2
1 引言 5
2 履帶機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展 6
3 履帶機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性 9
4 本研究采用的行走機(jī)構(gòu) 12
4.1 行走機(jī)構(gòu)的選擇 12
4.2 履帶機(jī)器人的功能、性能指標(biāo)與設(shè)計(jì) 13
4.3 主要機(jī)構(gòu)的工作原理 14
5 機(jī)器人越障分析 15
5.1 跨越臺(tái)階 15
5.2 跨越溝槽 16
5.3 斜坡運(yùn)動(dòng)分析 17
6 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)主履帶電機(jī)的選擇 19
6.1 機(jī)器人在平直的路上行駛 19
6.2 機(jī)器人在30°坡上勻速行駛 20
6.3 機(jī)器人的多姿態(tài)越階 21
7 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析及其選擇 23
7.1 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析 23
7.2 本研究采用的移動(dòng)機(jī)構(gòu) 27
8 履帶部分設(shè)計(jì) 28
8.1 履帶的選擇 28
8.2 確定主從動(dòng)輪直徑 31
8.5 功率驗(yàn)算 38
8.6 同步帶的物理機(jī)械性能 38
8.7 履帶主從動(dòng)輪設(shè)計(jì) 39
8.8 副履帶部分設(shè)計(jì) 42
9履帶翼板部分設(shè)計(jì) 47
9.1 履帶翼板的作用 47
9.2 履帶翼板設(shè)計(jì) 47
10 計(jì)算履帶裝置的重心及其各部件重心 49
10.1 主履帶的重心計(jì)算 49
10.2 副履帶的重心計(jì)算 54
10.3 主履帶及其搖臂也就是副履帶總部分的重心計(jì)算 55
總 結(jié) 56
致 謝 57
參考文獻(xiàn) 57
1 引言
隨著社會(huì)的發(fā)展，我們面臨的自身能力、能量的局限越來(lái)越多，所以我們創(chuàng)造了各種類型的機(jī)器人來(lái)輔助或代替我們完成任務(wù)。
履帶式機(jī)器人包括偵察機(jī)器人、巡邏機(jī)器人、爆炸處理機(jī)器人、步兵支援機(jī)器人以及復(fù)雜環(huán)境下搜救機(jī)器人等，用來(lái)代替我們進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境下完成一些如偵查、搜集資料、救援等工作，從而減少了我們工作的危險(xiǎn)系數(shù)，在我們未來(lái)的生活與工作中起到非常重要的作用。民用履帶式機(jī)器人被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)等各種服務(wù)領(lǐng)域，如生產(chǎn)線傳輸、清掃、導(dǎo)盲和搜救復(fù)雜環(huán)境下的資料等各個(gè)方面。
但我國(guó)對(duì)機(jī)器人研究起步較晚，大多數(shù)尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段，主要的研究項(xiàng)目有：清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于1994年通過(guò)鑒定，還有上海交通大學(xué)的地面移動(dòng)消防機(jī)器人已投入使用。北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)等單位承擔(dān)的總裝項(xiàng)目“地面軍用機(jī)器人技術(shù)”研究是以卡車、面包車作為平臺(tái)的，是大型智能作戰(zhàn)平臺(tái)。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的AGC和防爆機(jī)器人，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996年研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人等。
2 履帶機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展
20世紀(jì)60年代到70年代，想到工業(yè)機(jī)器人印入腦海的便是自動(dòng)機(jī)械手。機(jī)器人移動(dòng)功能的大力研究和開發(fā)是20世紀(jì)80年代以后才開始，現(xiàn)在作為移動(dòng)機(jī)器人而研制的移動(dòng)機(jī)械類型已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了機(jī)械手。尤其是履帶式機(jī)器人，不僅是生物體中沒見過(guò)的移動(dòng)形態(tài)，而且能夠在復(fù)雜的環(huán)境下行進(jìn)。
履帶式機(jī)器人因采用履帶式傳動(dòng)而得名。其最大特征是將圓狀的循環(huán)軌道履帶套在若干車輪上，使車輪不與地面直接接觸，利用履帶緩沖地面帶來(lái)的沖擊，使機(jī)器人能夠適應(yīng)各種路面狀況。
目前六履帶擺臂式搜救機(jī)器人還是局限于單個(gè)或兩個(gè)自由度。其主要由機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等部分組成。六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的研究涉及以下幾個(gè)方面，首先是移動(dòng)方式的選擇，對(duì)于履帶式移動(dòng)機(jī)器人，可以是兩履帶式、四履帶式、六履帶式等。其次，考慮驅(qū)動(dòng)器的控制，以使機(jī)器人達(dá)到期望的功能。再者，必須考慮導(dǎo)航或路徑規(guī)劃，如傳感信息融合，特征提取，避碰以及環(huán)境映射。最后，考慮擺臂角的原理，這方面需要重點(diǎn)考慮，通過(guò)控制搖臂的角度來(lái)改變自身高度以達(dá)到越障過(guò)坑功能是這種機(jī)器人的最大特點(diǎn)。對(duì)于這些問(wèn)題可歸結(jié)為：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模、導(dǎo)航與定位、多傳感器信息融合等。
下面是各國(guó)研發(fā)的一些履帶式可變形機(jī)器人：
（1） 美國(guó)的拆彈專家：
如圖2-1、2-2、2-3、2-4所示，這是美國(guó)iRobot的一種較小型“PackBot”機(jī)器人，現(xiàn)服役于美國(guó)軍隊(duì)，它搭配了一個(gè)爆炸物感應(yīng)系統(tǒng)，能有效地探測(cè)炸彈。
圖2-3這種iRobot SUGV的機(jī)器人是一種小型地面探測(cè)車，重量?jī)H為30磅。
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