【正文】 中國(guó)人民解放軍炮兵學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 軍用爬樓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及遙控裝置的設(shè)計(jì)姓 名： 張 鑫 學(xué) 號(hào)： 03052007025 專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械工程及其自動(dòng)化 選題方向：特種作戰(zhàn)裝置設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教員： 李玉亮 胡立明 教 研 室： 機(jī)械工程教研室 設(shè)計(jì)提交日期： 設(shè)計(jì)答辯日期： 答辯委員會(huì)主席： 評(píng) 閱 人： 2011年 月 日摘 要樓梯是人造環(huán)境中的最常見(jiàn)的障礙，也是機(jī)器人移動(dòng)作戰(zhàn)最難跨越的障礙之一。本論文主要研究爬樓機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在深入分析爬樓機(jī)構(gòu)及其攀爬對(duì)象的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了相對(duì)優(yōu)勢(shì)較明顯的輪組結(jié)構(gòu)爬樓機(jī)器人。對(duì)機(jī)器人小車(chē)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行分析，論證。本文介紹了具有四角行星輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的爬樓小車(chē)，在路況良好的情況下，運(yùn)動(dòng)子輪平穩(wěn)行駛，遇到小型障礙四角機(jī)構(gòu)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)輕松翻越障礙。四角輪式系統(tǒng)能適應(yīng)不斷變化的地面特性，攀越樓梯等復(fù)雜障礙，具有極強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性、靈活性和地面適應(yīng)性。通過(guò)對(duì)爬樓小車(chē)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。設(shè)計(jì)了小車(chē)的遙控裝置，對(duì)車(chē)載可附屬設(shè)備進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。論文所作的工作，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)性能更優(yōu)，控制智能更高的爬樓機(jī)器人搭建了良好平臺(tái)。關(guān)鍵字： 行星輪 機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)學(xué) 遙控器目錄摘 要 11 緒 論 11. 1課題研究的目的和意義 11. 2移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況 1 22 爬樓機(jī)器人結(jié)構(gòu)原理 32. 1爬樓梯機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì) 3 32. 1. 2爬樓機(jī)器人的總體方案 42. 4 42. 2. 2爬樓機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 52. 2. 3小車(chē)物理樣機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù) 6 63爬樓梯機(jī)器人小車(chē)的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模及通過(guò)性分析 73. 1爬樓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 7 73. 1. 2機(jī)器人模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 8 93. 2. 1可跨越最大垂直障礙高度 93. 2. 2最小轉(zhuǎn)彎半徑 104 小車(chē)遙控裝置設(shè)計(jì) 10 10 12 紅外線遙控裝置的發(fā)送器 13 紅外線遙控裝置的接收器 145 車(chē)載裝置 15 16 166 結(jié)束語(yǔ) 16參考文獻(xiàn) 17附錄 171 緒 論 自盤(pán)古開(kāi)天辟地，人類(lèi)誕生以來(lái)，人們就一直用智慧開(kāi)辟著完美的生活!進(jìn)入嶄新的21世紀(jì)，人類(lèi)除了致力于自身的發(fā)展外，還十分關(guān)注機(jī)器人、外星人和克隆人等問(wèn)題。機(jī)器人正是本論文研究的對(duì)象。 “機(jī)器人”這人名詞對(duì)許多人來(lái)說(shuō)，并不陌生。從古代的神話傳說(shuō)，到現(xiàn)代的科學(xué)幻想小說(shuō)，戲劇，電影和電視，都有許多關(guān)于機(jī)器人的精彩描繪。而且越來(lái)越多的機(jī)器人出現(xiàn)在我們的生活生產(chǎn)中，更多科學(xué)工作者和業(yè)余愛(ài)好者也投入到機(jī)器人研究的行列當(dāng)中來(lái)。 機(jī)器人應(yīng)用范圍遍及工業(yè)、水利科技和國(guó)防的各個(gè)領(lǐng)域。在“機(jī)器人王國(guó)”日本，一直擁有全世界60%左右的機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用于最多的工業(yè)部部門(mén)依次為家用電器制造、汽車(chē)制造、塑料成型、通用機(jī)械制造和金屬加工等工業(yè)，而且正應(yīng)用于更多的新領(lǐng)域中。在軍事領(lǐng)域，機(jī)器人的廣泛應(yīng)用也成為了不可阻擋的軍事變革趨勢(shì)，在新的歷史條件和世界格局下，可以說(shuō)機(jī)器人正在也必將代替人類(lèi)完成更多軍事任務(wù)。1. 1課題研究的目的和意義隨著美軍參與實(shí)戰(zhàn)的機(jī)器人士兵現(xiàn)身近幾場(chǎng)戰(zhàn)爭(zhēng)，軍用機(jī)器人進(jìn)入了實(shí)用化階段，無(wú)人戰(zhàn)斗裝備將成為減少軍隊(duì)傷亡、節(jié)省軍費(fèi)開(kāi)支的有效手段。在我國(guó)，警用保安機(jī)器人已進(jìn)入實(shí)用化階段，但軍用機(jī)器人的研制大多還處于論證階段，鑒于我國(guó)面臨的嚴(yán)峻國(guó)內(nèi)國(guó)際形勢(shì)，為了在未來(lái)“信息及尺度不均衡戰(zhàn)爭(zhēng)”中能與敵實(shí)施有效的抗衡,盡早開(kāi)展高機(jī)動(dòng)性、強(qiáng)適應(yīng)性、低成本智能無(wú)人地面武器機(jī)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)的研究,對(duì)于軍事作戰(zhàn)、反恐、捍衛(wèi)國(guó)家主權(quán)和領(lǐng)土完整有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。越障機(jī)器人的研究，對(duì)適應(yīng)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)需要，擴(kuò)展作戰(zhàn)空間，完成廣袤戰(zhàn)場(chǎng)的偵查，順應(yīng)瞬息萬(wàn)變的高技術(shù)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境具有重大意義。另外，越障機(jī)器人還可用于工業(yè)中的一些險(xiǎn)難作業(yè)，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。樓梯是人造環(huán)境中的最常見(jiàn)的障礙，也是最難跨越的障礙之一，爬樓梯機(jī)器人的研究是解決當(dāng)前全自主機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下正常工作的重要環(huán)節(jié)之一。爬樓梯機(jī)器人可應(yīng)用于危險(xiǎn)環(huán)境探查、偵察、救災(zāi)、導(dǎo)盲、助殘、搬運(yùn)、清掃、維修、安裝等作業(yè)，其實(shí)際意義重大。1. 2移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況 機(jī)器人一詞最早使用是在1920年捷克作家卡雷爾查培克的劇本《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》中，劇中機(jī)器人((Robot)這個(gè)詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一個(gè)具有人的外表、特征和功能的機(jī)器，是一種人造的勞力。西周時(shí)期，我國(guó)的能工巧匠堰師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國(guó)最早記載的具備有機(jī)器人概念的文字資料。春秋后期，我國(guó)著名的木匠魯班在機(jī)械方面也是一位發(fā)明家，據(jù)《墨經(jīng)》記載，他曾制造過(guò)一只木鳥(niǎo)，能在空中飛行“三日而不下”，體現(xiàn)了我國(guó)勞動(dòng)人民的聰明才智。 要給機(jī)器人下個(gè)合適的和為人們普遍同意的定義是困難的。就目前各種定義的共同之處來(lái)說(shuō)，即認(rèn)為機(jī)器人(1)像人或人的上肢，并能模仿人的動(dòng)作。(2)具有智力或感覺(jué)與識(shí)別能力。(3)是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。“智能機(jī)器人”是一種集數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、機(jī)械、電子、材料、能源、計(jì)算機(jī)硬件、軟件、人工智能等眾多領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)知識(shí)于一身的綜合技術(shù)平臺(tái)。機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，已對(duì)許多國(guó)家的國(guó)防工業(yè)生產(chǎn)、太空和海洋探索、以及整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活產(chǎn)生了重大影響，而且這種影響必將進(jìn)一步擴(kuò)大。 目前在工業(yè)上運(yùn)行的90%以上的機(jī)器人，都不具有智能。隨著工業(yè)機(jī)器人數(shù)量的快速增長(zhǎng)和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對(duì)機(jī)器人的工作能力也提出更高的要求，特別是需要各種具有不同程度智能的機(jī)器人和特種機(jī)器人。這些智能機(jī)器人，有的能夠模擬人類(lèi)用兩條腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移動(dòng)。有的具有視覺(jué)和觸覺(jué)功能，能夠進(jìn)行獨(dú)立操作、自動(dòng)裝配和產(chǎn)品檢驗(yàn)。有的具有自主控制和決策能力……這些智能機(jī)器人，不僅應(yīng)用各種反饋傳感器，而且還運(yùn)用人工智能中各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)。智能機(jī)器人還應(yīng)用許多最新的智能技術(shù)，如臨場(chǎng)感技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多智能體技術(shù)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遺傳算法和遺傳編程、仿生技術(shù)、多傳感器集成和融合技術(shù)以及納米技術(shù)等。21世紀(jì)的機(jī)器人智能水平將提高到更高的水平，令人贊嘆。 移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支，是一類(lèi)能夠通過(guò)傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多項(xiàng)功能于一體的高智能化機(jī)器系統(tǒng)。它與機(jī)器人學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、多傳感器信息融合、智能控制以及多智能體C MultiAgent、機(jī)械學(xué)等學(xué)科密切相關(guān)，體現(xiàn)了信息科學(xué)和人工智能技術(shù)的最新成果，具有重要的軍用及民用價(jià)值，是現(xiàn)代機(jī)器人學(xué)中一個(gè)重要而且相當(dāng)活躍的研究領(lǐng)域。自上世紀(jì)90年代以來(lái)，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)、高適應(yīng)性曠移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。國(guó)內(nèi)在移動(dòng)機(jī)器人方面的研究起步較晚，主要的研究工作有:清華大學(xué)的THMRV自駕駛小車(chē)，香港城市大學(xué)的自動(dòng)導(dǎo)航車(chē)和服務(wù)機(jī)器人，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的防爆機(jī)器人，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)和制造的CASIAI全方位移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)等。 機(jī)器人作為一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器。對(duì)不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的多功能全自主的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)多年來(lái)一直是機(jī)器人研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。但是非結(jié)構(gòu)環(huán)境給移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)造成了自主決策和路徑規(guī)劃的困難。越障機(jī)器人的研究，對(duì)擴(kuò)展機(jī)器人的作業(yè)空間，在人不能到達(dá)或不便到達(dá)的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，具有重要的意義。越障機(jī)器人還可用于工業(yè)中的一些險(xiǎn)難作業(yè)，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對(duì)保障人身安全，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，有著十分重要的意義。其中，移動(dòng)機(jī)器人從事各項(xiàng)事務(wù)響應(yīng)任務(wù)時(shí)，樓梯是人造環(huán)境中的最常見(jiàn)的障礙，也是最難跨越的障礙之一。針對(duì)各種不同的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，一直以來(lái)移動(dòng)機(jī)器人所采用的運(yùn)動(dòng)方式大體包括輪式、履帶式、足式等。 總結(jié)目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的爬樓梯裝置和專(zhuān)利，按爬樓梯功能實(shí)現(xiàn)的原理主要分為履帶式、輪組式、步行式爬樓梯裝置。下面分別對(duì)國(guó)外、國(guó)內(nèi)各種類(lèi)型裝置的發(fā)展作簡(jiǎn)要介紹，并分析其