摘 要在微小型履帶機器人方面美國走在了世界的前列，代表機器人有Packbot機器人，Talon 機器人，NUGV 等。 我國微小型機器人的研究和開發(fā)晚于西方的一些發(fā)達國家，我國是從20世紀 80年代開始機器人領域的研究的。其中具有代表性的有中國科學院研制的復合移動機器人“靈晰-B”型排爆機器人，“龍衛(wèi)士 Dragon Guard X3B 反恐機器人”，“JW-901 排爆機器人”等。此設計的目的設計結(jié)構新穎，能實現(xiàn)過坑、越障等動作。通過在機器人機架上加裝其他功能的模塊來實現(xiàn)不同的使用功能，本研究的意義是為機器人提供一個動力輸出平臺，為開發(fā)各種功能的機器人提供基礎平臺。此設計移動方案的選擇是采用了履帶式驅(qū)動結(jié)構。結(jié)構整體使用模塊化設計，以便后續(xù)拆卸維修，可以適應于各種復雜的路面，并可主動控制前后兩側(cè)搖臂的轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)機器人的運動姿態(tài)，從而達到輔助過坑、越障等動作。經(jīng)過合理的設計后機器人將具有很好的環(huán)境適應能力、機動能力并能承受一定的掉落沖擊，此設計的移動機構主要由四部分組成：主動輪減速機構、翼板轉(zhuǎn)動機構、自適應路面執(zhí)行機構、履帶及履帶輪運動機構。關鍵詞：履帶機器人;履帶移動機構;模塊化設計履帶式機器人機構設計2AbstractIn 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履帶式機器人機構設計3目 錄摘 要 21 引言 52 履帶機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展 63 履帶機器人的運動特性 94 本研究采用的行走機構 124.1 行走機構的選擇 .124.2 履帶機器人的功能、性能指標與設計 .134.3 主要機構的工作原理 .145 機器 人越障分析 155.1 跨越臺階 .155.2 跨越溝槽 .165.3 斜坡運動分析 .176 機器人移動平臺主履帶電機的選擇 196.1 機器人在平直的路上行駛 .196.2 機器人在 30°坡上勻速行駛 206.3 機器人的多姿態(tài)越階 .217 移動機構的分析及其選擇 237.1 典型移動機構分析 .237.2 本研究采用的移動機構 .278 履帶部分設計 288.1 履帶的選擇 .288.2 確定主從動輪直徑 .318.5 功率驗算 .388.6 同步帶的物理機械性能 .388.7 履帶主從動輪設計 .398.8 副履帶部分設計 .429 履帶翼板部分設計 .479.1 履帶翼板的作用 .479.2 履帶翼板設計 .4710 計算履帶裝置的重心及其各部件重心 4910.1 主履帶的重心計算 .4910.2 副履帶的重心計算 .54履帶式機器人機構設計410.3 主履帶及其搖臂也就是副履帶總部分的重心計算 .55總 結(jié) 56致 謝 57參考文獻 571 引言隨著社會的發(fā)展，我們面臨的自身能力、能量的局限越來越多，所以我們創(chuàng)造了各種類型的機器人來輔助或代替我們完成任務。履帶式機器人包括偵察機器人、巡邏機器人、爆炸處理機器人、步兵支援機器人以及復雜環(huán)境下搜救機器人等，用來代替我們進入危險環(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系數(shù)，在我們未來的生活與工作中起到非常重要的作用。民用履帶式機器人被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)等各種服務領域，如生產(chǎn)線傳輸、清掃、導盲和搜救復雜環(huán)境下的資料等各個方面。但我國對機器人研究起步較晚，大多數(shù)尚處于某個單項研究階段，主要的研究項目有：清華大學智能移動機器人于 1994年通過鑒定，還有上海交通大學的地面移動消防機器人已投入使用。北京理工大學、南京理工大學等單位承擔的總裝項目“地面軍用機器人技術”研究是以卡車、面包車作為平臺的，是大型智能作戰(zhàn)平臺。中國科學院沈陽自動化研究所的 AGC和防爆機器人，中國科學院自動化自行設計、制造的全方位移動式機器人視覺導航系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學于 1996年研制成功的導游機器人等。履帶式機器人機構設計52 履帶機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展20世紀 60年代到 70年代，想到工業(yè)機器人印入腦海的便是自動機械手。機器人移動功能的大力研究和開發(fā)是 20世紀 80年代以后才開始，現(xiàn)在作為移動機器人而研制的移動機械類型已遠遠超過了機械手。尤其是履帶式機器人，不僅是生物體中沒見過的移動形態(tài)，而且能夠在復雜的環(huán)境下行進。履帶式機器人因采用履帶式傳動而得名。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的沖擊，使機器人能夠適應各種路面狀況。目前六履帶擺臂式搜救機器人還是局限于單個或兩個自由度。其主要由機械本體、控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)等部分組成。六履帶擺臂式搜救機器人的研究涉及以下幾個方面，首先是移動方式的選擇，對于履帶式移動機器人，可以是兩履帶式、四履帶式、六履帶式等。其次，考慮驅(qū)動器的控制，以使機器人達到期望的功能。再者，必須考慮導航或路徑規(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，這方面需要重點考慮，通過控制搖臂的角度來改變自身高度以達到越障過坑功能是這種機器人的最大特點。對于這些問題可歸結(jié)為：機械結(jié)構設計、控制系統(tǒng)設計、運動學與動力學建模、導航與定位、多傳感器信息融合等。下 面 是 各 國 研 發(fā) 的 一 些 履 帶 式 可 變 形 機 器 人 ：（ 1） 美 國 的 拆 彈 專 家 ：如 圖 2-1、 2-2、 2-3、 2-4 所 示 ， 這 是 美 國 iRobot 的 一 種 較 小型 “PackBot”機 器 人 ， 現(xiàn) 服 役 于 美 國 軍 隊 ， 它 搭 配 了 一 個 爆 炸 物 感應 系 統(tǒng) ， 能 有 效 地 探 測 炸 彈 。圖 2-3 這 種 iRobot SUGV 的 機 器 人 是 一 種 小 型 地 面 探 測 車 ， 重 量僅 為 30 磅 。圖 2-4 是 iRobot 生 產(chǎn) 的 “Warrior”機 器 人 配 備 了 兩 個 全 自 動 、自 動 裝 彈 、 可 遙 控 的 12 桿 機 搶 ， 重 量 為 250 磅 。履帶式機器人機構設計6圖 2-1 RackBot準備展開 圖 2-2 RackBot伸 展 情 況圖 2-3 SUGV 機 器 人 圖 2-4 Warrior 機 器 人（ 2） 德 國 telemax 防 爆 機 器 人 ： 僅在一兩年前，德國公司出品了一款防爆機器人，現(xiàn)在 2006年的新一代機器人已經(jīng)上市了，其結(jié)構比以前的更加輕便，體積更小。這款機器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機器人一樣的功能。履帶式機器人機構設計7圖 2-5 telemax 行 走 姿 勢 圖 2-6 最 緊 湊 姿 勢通 過 對 國 內(nèi) 外 六 履 帶 擺 臂 式 搜 救 機 器 人 的 分 析 ， 可 以 看 出 六 履 帶擺 臂 式 搜 救 機 器 人 今 后 的 發(fā) 展 有 以 下 幾 個 方 面 的 趨 勢 ：（ 1） 結(jié) 構 上 ， 趨 向 小 型 、 微 型 。（ 2） 運 動 上 ， 趨 向 全 方 位 ， 更 靈 活 ， 更 具 自 主 性 。 （3）在 用 途上 ，趨 向 于 功 能 多 功 能 化 。履帶式機器人機構設計83 履帶機器人的運動特性（ 1） 平 面 運 動 及 轉(zhuǎn) 彎平 面 運 動 及 轉(zhuǎn) 彎 是 最 基 本 的 運 動 方 式 ， 當 兩 側(cè) 的 履 帶 同 向 等 速 運動 時 ， 則 表 現(xiàn) 為 直 線 行 走 ， 當 兩 側(cè) 履 帶 反 向 等 速 運 動 可 實 現(xiàn) 原 地 零 半徑 回 轉(zhuǎn) ， 而 不 同 速 度 同 向 運 動 可 實 現(xiàn) 任 意 半 徑 轉(zhuǎn) 向 。圖 3-7（ a） 、 圖 3-7（ b） 為 四 擺 臂 履 帶 單 元 同 時 著 地 ， 使 機 器人 與 地 面 的 接 觸 面 積 增 大 ， 可 以 使 機 器 人 適 應 松 軟 、 泥 濘 和 凹 凸 不 平等 各 種 地 形 環(huán) 境 ； 圖 3-1（ a） 圖 3-1（ b）圖 3-1（ c） 、 圖 3-1（ d） 、 圖 3-1（ e） 中 當 遇 到 小 坡 度 的 斜 坡時 ， 可 直 接 爬 坡 而 不 必 采 取 其 他 動 作 ， 從 而 可 減 少 對 驅(qū) 動 控 制 系 統(tǒng) 要求 ；圖 3-1（c） 圖 3-1（d） 圖 3-1（e）圖 3-1（ f） 為 四 擺 臂 單 元 向 上 擺 到 中 間 位 置 ， 可 實 現(xiàn) 機 器 人 小空 間 轉(zhuǎn) 向 運 動 。圖 3-1（f）機 器 人 爬 坡 時 ， 姿 態(tài) 可 以 轉(zhuǎn) 變 成 圖 3-1（ g） 。 當 坡 度 較 大 時 ，則 圖 3-1（ h） 和 圖 3-1（ i） 是 較 好 的 姿 態(tài) ， 這 兩 種 方 式 可 使 機 器 人重 心 位 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) ， 從 而 保 證 機 器 人 順 利 爬 坡 。履帶式機器人機構設計9圖 3-1（ g） 圖 3-1（ h） 圖 3-1（ i）（ 2） 自 撐 起 及 涉 水機 器 人 的 主 要 控 制 系 統(tǒng) 和 檢 測 元 件 則 安 裝 在 中 間 箱 體 中 ， 為 了避 免 在 運 動 中 被 損 壞 ， 機 器 人 可 以 通 過 4 個 擺 臂 單 元 向 下 擺 動 ， 抬高 中 間 箱 體 的 高 度 。 且 其 以 各 自 不 同 的 擺 動 角 度 向 下 擺 動 時 可 使 機 器人 變 換 成 各 種 姿 態(tài) ， 從 而 使 中 間 箱 體 在 允 許 變 化 的 高 度 范 圍 內(nèi) 自 由 轉(zhuǎn)變 ， 從 而 使 機 器 人 完 成 涉 水 的 動 作 。（ 3） 越 障機 器 人 利 用 擺 臂 前 攻 角 進 行 越 障 ， 由 于 機 器 人 擺 臂 能 把 車 體 抬起 ， 所 以 可 越 過 高 于 自 身 高 度 的 障 礙 物 。 圖 示 （ a） -（ h） 表 示 機器 人 越 過 高 障 礙 物 的 一 般 過 程 。 履 帶 利 用 齒 形 對 障 礙 物 的 抓 爬 力 來 向上 攀 爬 ， 同 時 后 擺 臂 向 下 擺 動 以 使 車 體 抬 高 ， 當 擺 到 與 地 面 垂 直 時 后擺 臂 停 止 擺 動 。 當 主 履 帶 爬 到 障 礙 物 上 面 時 ， 前 擺 臂 向 前 向 下 擺 動 支起 車 體 ， 機 器 人 繼 續(xù) 前 進 ， 直 到 其 重 心 越 過 臺 階 。 重 心 越 過 臺 階 后 ，前 擺 臂 向 前 向 上 擺 動 直 到 與 地 面 貼 合 ， 同 時 后 擺 臂 向 后 向 上 擺 動 與 車體 成 一 后 攻 角 為 止 ， 此 時 機 器 人 已 越 上 臺 階 。 整 個 過 程 中 ， 履 帶 始 終向 前 爬 行 。履帶式機器人機構設計10圖 3-2 救 災 機 器 人 越 障 過 程履帶式機器人機構設計114 本研究采用的行走機構4.1 行走機構的選擇本文履帶機器人移動系統(tǒng)采用的是履腿式復合結(jié)構，總體設計方案如圖2-4所示。機器人的車體的履帶作為履帶式移動機構，與前臂和后臂轉(zhuǎn)動相協(xié)調(diào)，增加了機器人運動靈活性。機器人前臂和后臂各有一個伺服電機驅(qū)動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)前臂和后臂的靈活轉(zhuǎn)動，在機器人爬坡和越障時發(fā)揮更大作用。機器人前臂和后臂協(xié)調(diào)作用，穩(wěn)定性將更好。機器人車體左右兩邊履帶各有永磁式直流電機驅(qū)動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，控制前軸和后軸的速度、力矩，可實現(xiàn)原地 360°轉(zhuǎn)向，前進時的自由轉(zhuǎn)向，隨時調(diào)解爬坡時的力矩大小。在車體主履帶前端是慣性軸，與主動軸配合，保證機器人運動的平穩(wěn)。 123456789履帶式機器人機構設計121.后擺臂及履帶 2.齒輪 3.永磁式直流電機 4. 減速器 5. 蓄電池 6.微控制器及組件 7.步進電機 8. 主履帶 9.前擺臂及履帶 圖4-1 履帶式機器人結(jié)構組成4.2 履帶機器人的功能、性能指標與設計履帶機器人的主要設計性能參數(shù)如下：表 4-1 性能參數(shù)總 體 結(jié) 構 六 節(jié) 履 腿 式 結(jié) 構自 重 50Kg載 荷 〉 50Kg搭 載 接 口 二 維 隨 動 搭 載 平 臺結(jié) 構 尺 寸 1205*624*380平 地 最 大 速 度速 度0.5m/s正 常 速 度 0.3m/s最 大 通 過 坡 度 30°通 過 能 力 能 通 過 復 雜 行 道續(xù) 航 能 力 4 小 時 以 上轉(zhuǎn) 向 能 力 自 由 轉(zhuǎn) 向履 帶 高 度 200mm前 臂 履 帶 末 端直 徑80mm后 臂 履 帶 末 端直 徑80mm機器人車體具體尺寸如圖 4-2：履帶式機器人機構設計13120569040854850624408圖4-2 機器人車體結(jié)構尺寸4.3 主要機構的工作原理減 速 傳 動 機 構 是 電 動 機 通 過 行 星 輪 減 速 器 的 降 速 ， 來 實 現(xiàn) 增大 轉(zhuǎn) 矩 、 調(diào) 速 ， 通 過 直 齒 輪 改 變 軸 的 方 向 ， 輸 出 后 軸 轉(zhuǎn) 矩 ， 為 機器 人 提 供 主 要 動 力 。 后 軸 驅(qū) 動 機 構 驅(qū) 動 后 軸 位 于 傳 動 系 的 末 端 。其 基 本 功 用 是 增 扭 、 降 速 和 改 變 轉(zhuǎn) 矩 的 傳 遞 方 向 。轉(zhuǎn) 向 機 構 機 器 人 在 行 駛 過 程 中 ， 經(jīng) 常 需 要 改 變 行 駛 方 向 ， 本機 構 是 通 過 兩 個 電 機 的 差 速 比 來 實 現(xiàn) 的 。動 力 部 分 采 用 電 機 ， 通 過 齒 輪 副 降 速 后 帶 動 低 速 軸 的 轉(zhuǎn) 動 ，軸 與 履 帶 驅(qū) 動 機 構 通 過 導 桿 滑 塊 機 構 連 接 ， 使 履 帶 驅(qū) 動 機 構 各 自繞 前 后 軸 的 中 心 線 轉(zhuǎn) 動 ， 實 現(xiàn) 機 器 人 不 同 角 度 的 爬 坡 和 越 障 能 力 。履帶式機器人機構設計145 機器人越障分析5.1 跨越臺階 當機器人在爬越臺階時，機器人履帶底線與地面之間的夾角將慢慢增大，當重心越過臺階的支撐點時，則完成了爬越臺階的動作。由運動過程可以看出，圖 5-1重心的位置處于臨界狀態(tài)，機器人重心只有越過臺階邊緣，機器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機器人的最大越障高度。圖 5-1上臺階臨界狀態(tài)示意圖由圖 5-1所示幾何關系可得：( 5-1）cos()cot/sinxLhR?????變換式（5-1）可得： （5-2） /cosLR???（5-3） 2in/0d?利用式（5-3）求出 ，代入式（6-2）可算出機器人跨越障礙的高度 。1H機器人加裝后臂，可以大幅提高機器人跨越臺階的高度，如圖 5-2所示，在后臂伺服電機的驅(qū)動下，后臂履帶抬起，成 直立，在機器人跨越的?90高度又要高出 H。履帶式機器人機構設計15所以本次設計履帶設計中機器人跨越障礙的最大高度為 H1max??圖 5-2上臺階臨界狀態(tài)示意圖5.2 跨越溝槽對于小于機器人前后履帶輪中心距的溝槽，因機器人重心在機器人車體內(nèi)，當機器人重心越過下一個溝槽的支撐點時，機器人就越過了溝槽。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內(nèi)。當溝槽大于中心距時，履帶式機器人可以看做爬越凸臺障礙。履帶式移動機器人跨越溝槽時，當重心越過溝槽邊緣時，受重力作用，機器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運動不穩(wěn)定。由機器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機器人重心在以 r為半徑的圓內(nèi)，由于擺臂展開后機器人履帶與地接觸長度變大，為了計算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應處于展開狀態(tài)。機器人前臂和后臂的長度相等。履帶式機器人機構設計16（ a） （ b）（ c）圖 5-3跨越溝槽示意圖機器人在平地圖 5-3（a）跨越溝槽的寬度 ：1L（6-max1Lr??4）5.3 斜坡運動分析機 器 人 在 斜 坡 上 運 動 時 ， 其 受 力 情 況 如 圖 5-4 所 示 ， 機 器 人 勻速 行 駛 或 靜 止 時 ， 其 驅(qū) 動 力 ： （6-sinFG??5）履帶式機器人機構設計17圖 5-4機器人上坡受力示意圖最大靜摩擦力系數(shù)為 ，最大靜摩擦力為：?（6-maxcosFG??6）當 時，機器人能平穩(wěn)行駛。ax?當 時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。mF?已知履帶機器人對地面的最大靜摩擦系數(shù) ，則機器人爬越的最大?坡度為: （6-7）1axtn()????爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為：（6-max(cosi)g?8）通過上述分析，可以根據(jù)機器人履帶與運動面的摩擦系數(shù)來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機的特性，確定其運動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。由以上計算可得：機器人的爬坡角度最大為 ；垂直越障高度最03履帶式機器人機構設計18大為600mm：最大跨溝寬度為400mm。6 機器人移動平臺主履帶電機的選擇對于履帶和地面的動摩擦因數(shù) ， 實際上只是表示起動時車輪所?f處的滑動狀態(tài)對應的滑動摩擦力，一旦車輪開始轉(zhuǎn)動，面臨的滾動摩擦力則總是比滑動摩擦力小得多。則可取 大一點。56.0??6.1 機器人在平直的路上行駛履帶式機器人在跨越平面的溝槽或在平面移動，假設其速度最大，且勻速前進，則取sm/0.5v?kg0?mR85履帶式機器人共有兩個輸出軸，每個輸出軸前端都有一個電機，對機器人其中一個輸出軸分析:圖 6-1 平直路線分析履帶式機器人機構設計192mgN?fRML又 則f?m.135NL在最大的行駛速度下，驅(qū)動電機經(jīng)過減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為 in/56.2maxrDn???6.2 機器人在 30°坡上勻速行駛機器人在最大行駛坡度上勻速行駛，設定行駛速度為 , ,在sm/0.1??30?行駛過程中輪子作純滾動，不考慮空氣阻力的影響，機器人爬坡受力情況如圖圖 6-2 30°坡度分析履帶式機器人機構設計20203cosN??mgRfML???????in又 ，則?mNL/2.1?in/1.Drn???則在最大坡度下需提供極限轉(zhuǎn)矩為 mNML/2.1?6.3 機器人的多姿態(tài)越階對這幾種姿態(tài)分析，機器人在跨越臺階時直流電機只驅(qū)動主履帶，機器人在實際跨越臺階過程中速率不大，那么機器人所需提供的輸出功率也不大。由以上分析可知，機器人平地直線運動時要求的驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)速較大，而爬坡時需要驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩較大。因此，在選電機時，應根據(jù)平地直線運動所求的最大轉(zhuǎn)速和爬坡運動所求的轉(zhuǎn)矩進行選擇。根據(jù)機器人爬坡情況的分析，,mNMTL.21?in/1.2rnw?Wnw6950P?機器在平面狀況下 ，mNTL.35in/56.2rw?w80.21?因而選取 P=80W作為機器人的最大輸出功率。根據(jù)計算的履帶式機器人的最大輸出功率為 80W, 輸出轉(zhuǎn)矩為22.1N.M, 輸出轉(zhuǎn)速為 56.2r/min因為直流電機啟動性能好，過載性能強，可承受頻繁沖擊、制動和履帶式機器人機構設計21反轉(zhuǎn)，允許沖擊電流可達額定電流的 3到 5倍。另外在使用過程中可攜帶或可移動的蓄電池，干電池作為供電電源，操作輕巧與方便。根據(jù)直流電機這些性能，滿足主履帶頻繁受沖擊，制動和反轉(zhuǎn)的要求，滿足機器人要攜帶移動電池的要求，因而則選擇 90ZY54型號的直流永磁電機額定功率 /W92額定轉(zhuǎn)矩 MN.0.6額定轉(zhuǎn)速 1min/?r1500電流 A7電壓 V/ 12允許正反轉(zhuǎn)速差 1in/?r150圖 7-3 直流電機數(shù)據(jù)因為 則WP80,92?輸額 .6額輸w?因為 , 則min/150rn?額 in/56.2r?輸 26.7?輸額w又 3.86.2maxTisw則選取 i?履帶式機器人機構設計227 移動機構的分析及其選擇由 電 動 機 輸 出 的 動 力 ， 需 要 通 過 傳 動 系 統(tǒng) 傳 遞 到 機 器 人 移 動 平臺 的 后 輪 上 ， 以 便 驅(qū) 動 機 器 人 運 動 。 可 見 傳 動 系 統(tǒng) 是 整 個 移 動 平 臺實 現(xiàn) 是 運 動 功 能 的 紐 帶 和 關 鍵 。7.1 典型移動機構分析機 器 人 按 移 動 方 式 分 主 要 有 輪 式 、 履 帶 式 、 腿 足 式 三 種 ， 另 外還 有 步 進 移 動 式 、 蠕 動 式 、 混 合 移 動 式 、 蛇 行 移 動 式 等 。7.1.1 輪式移動機構特點輪 式 移 動 機 構 是 最 為 普 通 的 運 動 方 式 ， 輪 式 機 器 人 移 動 機 構 普遍 具 有 結(jié) 構 簡 單 、 速 度 快 、 節(jié) 能 、 靈 活 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 效 率 高 等 優(yōu) 勢 。 并 且 編 程 簡 單 可 靠性 高 ， 每 個 輪 子 都 可 以 獨 立 驅(qū) 動 。 與 履 帶 式 移 動 機 器 人 相 比 ， 當 跨越 不 平 坦 地 形 時 ， 輪 式 機 器 人 則 存 在 明 顯 的 不 足 ， 其 穩(wěn) 定 性 和 對 環(huán)境 的 適 應 性 完 全 依 賴 于 環(huán) 境 本 身 的 狀 況 ， 對 于 進 入 復 雜 的 環(huán) 境 完 成既 定 任 務 存 在 嚴 重 的 困 難 。 輪 式 移 動 機 構 按 輪 的 數(shù) 量 可 分 為 2 輪 、3 輪 、 4 輪 、 6 輪 、 8 輪 。 該 結(jié) 構 有 一 定 的 局 限 性 ， 只 能 在 相 對 平 坦 、表 面 較 硬 的 路 面 上 行 駛 ， 如 遇 到 軟 性 地 面 容 易 打 滑 、 沉 陷 ， 但 可 根據(jù) 具 體 地 面 環(huán) 境 采 用 一 些 預 防 措 施 來 緩 解 該 類 情 況 的 出 現(xiàn) ， 如 圖7-1 所 示 。履帶式機器人機構設計23圖 7-1 輪 式 移 動 裝 置 示 意 圖7.1.2 腿式移動機構特點腿 足 式 移 動 機 構 分 2 腿 、 4 腿 、 6 腿 、 8 腿 等 形 式 。 腿 式 移 動機 構 優(yōu) 點 有 ：(1)腿 式 機 器 人 的 地 形 適 應 能 力 強 。(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 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 7-2 所 示 ， 特 點 是 穩(wěn) 定 性 好 ， 越 野 能 力 強 。腿 式 移 動 機 構 缺 點 有 ：該 類 機 器 人 的 移 動 速 度 慢 ， 機 動 性 較 差 ． 負 載 不 能 太 重 ；腿 式 機 器 入 對 地 面 適 應 性 和 運 動 靈 活 性 需 要 進 一 步 提 高 ；腿 式 機 器 人 控 制 系 統(tǒng) 較 為 復 雜 ， 控 制 方 法 還 有 待 完 善 ；該 機 構 未 進 入 實 用 化 階 段 。履帶式機器人機構設計24圖 7-2 八 腿 機 器 人圖 7-3 六 履 機 器 人7.1.3 履帶式移動機構特點履 帶 式 移 動 機 構 分 為 l 條 履 帶 、 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 ， 移 動 方式 優(yōu) 點 在 于 機 動 性 能 好 、 越 野 性 能 強 ， 缺 點 是 結(jié) 構 復 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 比 較 輪 式 移 動 機 構 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 性 能 好 ， 爬 坡 越 溝 等 性 能 均 優(yōu) 于 輪 式 結(jié) 構 ；(3)履 帶 支 撐 面 上 有 履 齒 不 打 滑 ， 牽 引 附 著 性 能 好 ；(4)結(jié) 構 較 復 雜 重 量 大 ， 運 動 慣 性 大 ， 減 震 功 能 差 ， 零 件 易 損壞 。六 履 帶 機 器 人 車 體 前 后 各 有 一 對 履 帶 鰭 ， 可 以 輔 助 翻 越 障 礙 ，履帶式機器人機構設計25運 動 十 分 靈 活 。7.1.4 履、腿式移動機構特點履 腿 復 合 移 動 機 構 結(jié) 合 了 履 帶 式 和 腿 式 兩 種 移 動 機 構 的 優(yōu) 勢 ，在 地 面 適 應 性 能 、 越 障 性 能 方 面 有 良 好 表 現(xiàn) 。 履 帶 移 動 機 構 地 面 適應 性 能 好 ， 在 復 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 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 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 能 力 ， 為 了 解 決 該 問題 履 式 移 動 系 統(tǒng) 中 引 入 了 關 節(jié) 履 帶 機 構 ， 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 人 的 環(huán) 境 適 應 能 力 ， 但履 、 腿 復 合 機 構 本 身 存 在 著 一 定 的 不 足 如 結(jié) 構 復 雜 、 運 動 控 制 困 難等 。7.1.5 輪、履、腿式移動機構性能比較車 輪 式 ， 履 帶 式 、 腿 足 式 移 動 系 統(tǒng) 性 能 比 較 見 表 7-1 示 ：表 7-1 典 型 移 動 機 構 的 性 能 對 比 表移 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 雜 程 度 簡 單 一 般 復 雜能 耗 量 小 較 小 大控 制 難 易 易 一 般 復 雜履帶式機器人機構設計267.2 本研究采用的移動機構本 研 究 的 的 機 器 人 移 動 機 構 采 用 了 履 帶 式 。 如 圖 7-4 所 示 ，這 種 機 構 中 的 移 動 履 帶 的 作 用 ， 在 復 雜 環(huán) 境 中 起 傳 遞 動 力 作 用 。 后移 動 輪 為 主 動 輪 ， 前 移 動 輪 為 從 動 輪 ， 二 者 通 過 移 動 履 帶 來 傳 遞 動力 ， 實 現(xiàn) 同 運 動 。圖 7-4 輪 履 復 合 式 移 動 機 構履帶式機器人機構設計278 履帶部分設計8.1 履帶的選擇對 于 履 帶 基 于 標 準 化 的 思 考 ， 我 們 選 擇 了 梯 形 雙 面 齒 同 步 帶 作為 設 計 履 帶 ， 其 具 有 帶 傳 動 、 鏈 傳 動 和 齒 輪 傳 動 的 優(yōu) 點 。 由 于 帶 與帶 輪 是 靠 嚙 合 傳 遞 運 動 和 動 力 ， 故 帶 與 帶 輪 間 無 相 對 滑 動 ， 能 保 證準 確 的 傳 動 比 。 同 步 帶 通 常 以 氯 丁 橡 膠 為 材 料 ， 這 種 帶 薄 而 且 輕 ，故 可 用 于 較 高 速 度 。 傳 動 時 的 線 速 度 可 達 50m/s， 傳 動 比 可 達10， 效 率 可 達 98％ 。 傳 動 噪 音 比 帶 傳 動 、 鏈 傳 動 和 齒 輪 傳 動 小 ，耐 磨 性 好 ， 不 需 油 潤 滑 ， 壽 命 比 摩 擦 帶 長 。因 為 同 步 帶 傳 動 具 有 準 確 的 傳 動 比 ， 無 滑 差 ， 可 獲 得 恒 定 的 速比 ， 傳 動 平 穩(wěn) ， 能 吸 振 ， 噪 音 小 ， 傳 動 比 范 圍 大 等 優(yōu) 點 ， 所 以 傳 遞功 率 可 以 從 幾 瓦 到 百 千 瓦 。 傳 動 效 率 高 ， 結(jié) 構 緊 湊 ， 適 宜 于 多 軸 傳動 ， 無 污 染 ， 因 此 可 在 工 作 環(huán) 境 較 為 惡 劣 的 場 所 下 正 常 工 作 。從 以 上 對 同 步 帶 性 能 的 分 析 中 可 以 得 出 結(jié) 論 ， 選 用 梯 形 雙 面 齒同 步 帶 作 為 移 動 裝 置 設 計 履 帶 能 夠 滿 足 設 計 性 能 及 工 作 的 環(huán) 境 條 件要 求 。由已知后軸輸出功率為 (即 ） ；wp81?k081.由已知設計裝置移動速度 ，根據(jù)公式 ，可得主動輪smv/5. rnvπ2?轉(zhuǎn)速 ，預先設計履帶主動輪直徑 =169mm，履帶in/7.592/1rvn?? d1從動輪直徑 =169mm， 由 公 式 ， 可 得 =59.71r/min.。 故 可dd12?2以 得 到 設 計 的 已 知 條 件 如 下 ：傳 遞 名 義 功 率 .wpm8履帶式機器人機構設計28主 動 輪 轉(zhuǎn) 速 r/min71.59?n從 動 輪 轉(zhuǎn) 速 2中 心 距 .380a8.1.1 功率的計算 kwpkmd 137????式 中 K--載 荷 修 正 系 數(shù) （ 有 工 作 機 性 能 和 運 轉(zhuǎn) 時 間 查 表 8-1可 以 得 到 ）表 8-1 修 正 載 荷 系 數(shù) K運 行 時 間 （ 小 時 /日 ）工 作 機3~5 8~10 16~24計 算 機 ， 醫(yī) 療機 1.0 1.2 1.4縫 紉 機 ， 辦 公機 械 1.2 1.4 1.6輕 傳 送 機 ， 包裝 機 1.3 1.5 1.7攪 拌 機 ， 造 紙機 1.4 1.6 1.8印 刷 機 ， 圓 形帶 鋸 1.4 1.6 1.88.1.2 確定帶的型號和節(jié)距由 設 計 功 率 =0.1377kw 和 =59.71r/min， 考 慮 到 可 以 用 雙 面 交 錯Pdn1梯 狀 齒 形 同 步 帶 作 為 履 帶 使 用 ， 由 圖 8-1 查 得 型 號 選 用 XH 型 ， 對應 節(jié) 距 =22.225mm， 圖 8-2 為 雙 面 交 錯 梯 狀 齒 形 同 步 帶 的 結(jié) 構 圖 ，b履帶式機器人機構設計29雙 面 齒 同 步 帶 的 節(jié) 距 和 齒 形 等 同 與 單 面 齒 同 步 帶 的 齒 形 和 節(jié) 距 ， 圖 A為 DA 型 雙 面 齒 同 步 帶 ， 其 兩 面 帶 齒 呈 對 稱 排 列 ， 圖 B 為 DB 型 雙 面齒 同 步 帶 ， 其 兩 面 帶 齒 呈 交 錯 位 置 排 列 ， 本 裝 置 設 計 履 帶 選 擇 DB型 。 XH 型 同 步 帶 =2.794mm， =15.49 WT圖 8-1 梯 形 齒 同 步 帶 ， 輪 選 型 圖圖 8-2 梯 形 齒 形 狀 圖本 裝 置 選 擇 的 梯 形 BD 型 XH 同 步 帶 的 具 體 參 數(shù) 如 下 表 8-2表 8-2 梯 形 齒 標 準 同 步 帶 型 號 以 及 齒 尺 寸履帶式機器人機構設計308.2 確定主從動輪直徑對于梯形標準同步帶來說小帶輪的齒數(shù)是有要求的，能夠保證同步帶運轉(zhuǎn)是最為基本的，履帶選用的 XH形同步帶一樣有齒數(shù)最小要求，由表 8-3查的min124z?取 ：表 8-3 小 帶 輪 的 最 小 齒 數(shù)