【正文】 中國人民解放軍炮兵學(xué)院畢 業(yè) 設(shè) 計 軍用爬樓機器人運動學(xué)分析及遙控裝置的設(shè)計姓 名： 張 鑫 學(xué) 號： 03052007025 專 業(yè)： 機械工程及其自動化 選題方向：特種作戰(zhàn)裝置設(shè)計 指導(dǎo)教員： 李玉亮 胡立明 教 研 室： 機械工程教研室 設(shè)計提交日期： 設(shè)計答辯日期： 答辯委員會主席： 評 閱 人： 2011年 月 日摘 要樓梯是人造環(huán)境中的最常見的障礙，也是機器人移動作戰(zhàn)最難跨越的障礙之一。本論文主要研究爬樓機器人行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在深入分析爬樓機構(gòu)及其攀爬對象的基礎(chǔ)上，設(shè)計了相對優(yōu)勢較明顯的輪組結(jié)構(gòu)爬樓機器人。對機器人小車的運動學(xué)模型進行分析，論證。本文介紹了具有四角行星輪驅(qū)動系統(tǒng)的爬樓小車，在路況良好的情況下，運動子輪平穩(wěn)行駛，遇到小型障礙四角機構(gòu)自動翻轉(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，具有極強的機動性、靈活性和地面適應(yīng)性。通過對爬樓小車運動學(xué)和動力學(xué)分析。設(shè)計了小車的遙控裝置，對車載可附屬設(shè)備進行了簡單介紹。論文所作的工作，為進一步設(shè)計結(jié)構(gòu)性能更優(yōu)，控制智能更高的爬樓機器人搭建了良好平臺。關(guān)鍵字： 行星輪 機器人 運動學(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移動機器人的發(fā)展概況 1 22 爬樓機器人結(jié)構(gòu)原理 32. 1爬樓梯機器人總體方案設(shè)計 3 32. 1. 2爬樓機器人的總體方案 42. 4 42. 2. 2爬樓機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 52. 2. 3小車物理樣機設(shè)計參數(shù) 6 63爬樓梯機器人小車的運動學(xué)建模及通過性分析 73. 1爬樓機器人運動學(xué)分析 7 73. 1. 2機器人模型的運動學(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 小車遙控裝置設(shè)計 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 車載裝置 15 16 166 結(jié)束語 16參考文獻 17附錄 171 緒 論 自盤古開天辟地，人類誕生以來，人們就一直用智慧開辟著完美的生活!進入嶄新的21世紀(jì)，人類除了致力于自身的發(fā)展外，還十分關(guān)注機器人、外星人和克隆人等問題。機器人正是本論文研究的對象。 “機器人”這人名詞對許多人來說，并不陌生。從古代的神話傳說，到現(xiàn)代的科學(xué)幻想小說，戲劇，電影和電視，都有許多關(guān)于機器人的精彩描繪。而且越來越多的機器人出現(xiàn)在我們的生活生產(chǎn)中，更多科學(xué)工作者和業(yè)余愛好者也投入到機器人研究的行列當(dāng)中來。 機器人應(yīng)用范圍遍及工業(yè)、水利科技和國防的各個領(lǐng)域。在“機器人王國”日本，一直擁有全世界60%左右的機器人，工業(yè)機器人應(yīng)用于最多的工業(yè)部部門依次為家用電器制造、汽車制造、塑料成型、通用機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，機器人的廣泛應(yīng)用也成為了不可阻擋的軍事變革趨勢，在新的歷史條件和世界格局下，可以說機器人正在也必將代替人類完成更多軍事任務(wù)。1. 1課題研究的目的和意義隨著美軍參與實戰(zhàn)的機器人士兵現(xiàn)身近幾場戰(zhàn)爭，軍用機器人進入了實用化階段，無人戰(zhàn)斗裝備將成為減少軍隊傷亡、節(jié)省軍費開支的有效手段。在我國，警用保安機器人已進入實用化階段，但軍用機器人的研制大多還處于論證階段，鑒于我國面臨的嚴(yán)峻國內(nèi)國際形勢，為了在未來“信息及尺度不均衡戰(zhàn)爭”中能與敵實施有效的抗衡,盡早開展高機動性、強適應(yīng)性、低成本智能無人地面武器機動平臺技術(shù)的研究,對于軍事作戰(zhàn)、反恐、捍衛(wèi)國家主權(quán)和領(lǐng)土完整有著重大的現(xiàn)實意義。越障機器人的研究，對適應(yīng)未來戰(zhàn)場需要，擴展作戰(zhàn)空間，完成廣袤戰(zhàn)場的偵查，順應(yīng)瞬息萬變的高技術(shù)戰(zhàn)場環(huán)境具有重大意義。另外，越障機器人還可用于工業(yè)中的一些險難作業(yè)，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，提高勞動生產(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)境中的最常見的障礙，也是最難跨越的障礙之一，爬樓梯機器人的研究是解決當(dāng)前全自主機器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下正常工作的重要環(huán)節(jié)之一。爬樓梯機器人可應(yīng)用于危險環(huán)境探查、偵察、救災(zāi)、導(dǎo)盲、助殘、搬運、清掃、維修、安裝等作業(yè)，其實際意義重大。1. 2移動機器人的發(fā)展概況 機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《羅薩姆的萬能機器人》中，劇中機器人((Robot)這個詞的本意是苦力，即劇作家筆下的一個具有人的外表、特征和功能的機器，是一種人造的勞力。西周時期，我國的能工巧匠堰師就研制出了能歌善舞的伶人，這是我國最早記載的具備有機器人概念的文字資料。春秋后期，我國著名的木匠魯班在機械方面也是一位發(fā)明家，據(jù)《墨經(jīng)》記載，他曾制造過一只木鳥，能在空中飛行“三日而不下”，體現(xiàn)了我國勞動人民的聰明才智。 要給機器人下個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說，即認(rèn)為機器人(1)像人或人的上肢，并能模仿人的動作。(2)具有智力或感覺與識別能力。(3)是人造的機器或機械電子裝置?！爸悄軝C器人”是一種集數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、機械、電子、材料、能源、計算機硬件、軟件、人工智能等眾多領(lǐng)域的科學(xué)與技術(shù)知識于一身的綜合技術(shù)平臺。機器人技術(shù)的迅速發(fā)展，已對許多國家的國防工業(yè)生產(chǎn)、太空和海洋探索、以及整個國民經(jīng)濟和人民生活產(chǎn)生了重大影響，而且這種影響必將進一步擴大。 目前在工業(yè)上運行的90%以上的機器人，都不具有智能。隨著工業(yè)機器人數(shù)量的快速增長和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對機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器人和特種機器人。這些智能機器人，有的能夠模擬人類用兩條腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移動。有的具有視覺和觸覺功能，能夠進行獨立操作、自動裝配和產(chǎn)品檢驗。有的具有自主控制和決策能力……這些智能機器人，不僅應(yīng)用各種反饋傳感器，而且還運用人工智能中各種學(xué)習(xí)、推理和決策技術(shù)。智能機器人還應(yīng)用許多最新的智能技術(shù)，如臨場感技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(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)的機器人智能水平將提高到更高的水平，令人贊嘆。 移動機器人是機器人學(xué)中的一個重要分支，是一類能夠通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實現(xiàn)在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多項功能于一體的高智能化機器系統(tǒng)。它與機器人學(xué)、計算機視覺、多傳感器信息融合、智能控制以及多智能體C MultiAgent、機械學(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值，是現(xiàn)代機器人學(xué)中一個重要而且相當(dāng)活躍的研究領(lǐng)域。自上世紀(jì)90年代以來，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)性曠移動機器人控制技術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動機器人更高層次的研究。國內(nèi)在移動機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，香港城市大學(xué)的自動導(dǎo)航車和服務(wù)機器人，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的防爆機器人，中國科學(xué)院自動化所自行設(shè)計和制造的CASIAI全方位移動機器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)等。 機器人作為一種自動化的機器，所不同的是這種機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、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。對不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機器人與一般自動化裝備的重要區(qū)別。非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的多功能全自主的移動機器人技術(shù)多年來一直是機器人研究中的熱點問題之一。但是非結(jié)構(gòu)環(huán)境給移動機器人的運動造成了自主決策和路徑規(guī)劃的困難。越障機器人的研究，對擴展機器人的作業(yè)空間，在人不能到達或不便到達的環(huán)境中進行作業(yè)，具有重要的意義。越障機器人還可用于工業(yè)中的一些險難作業(yè)，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全，提高勞動生產(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，移動機器人從事各項事務(wù)響應(yīng)任務(wù)時，樓梯是人造環(huán)境中的最常見的障礙，也是最難跨越的障礙之一。針對各種不同的運動環(huán)境，一直以來移動機器人所采用的運動方式大體包括輪式、履帶式、足式等。 總結(jié)目前國內(nèi)外現(xiàn)有的爬樓梯裝置和專利，按爬樓梯功能實現(xiàn)的原理主要分為履帶式、輪組式、步行式爬樓梯裝置。下面分別對國外、國內(nèi)各種類型裝置的發(fā)展作簡要介紹，并分析其