【文章內(nèi)容簡介】 人像汽車一樣，僅適用于一般路面行走，受地形和地質(zhì)限制較大。要它在松軟的砂地或在崎嶇不平的地表上運(yùn)動(dòng)就非常困難，而履帶機(jī)器人具有強(qiáng)大的地形適應(yīng)性，能夠適應(yīng)惡劣的路面條件。腿式機(jī)器人的機(jī)構(gòu)較輕巧，富撓 性。但是由于機(jī)構(gòu)復(fù)雜，移動(dòng)面又時(shí)有變化，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分復(fù)雜。并且為達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的要求，控制上也需要更為精細(xì)，所以此型機(jī)器人的移動(dòng)速度不會(huì)很快。 (2) 運(yùn)動(dòng)控制 運(yùn)動(dòng)控制就是控制機(jī)器人按規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)，控制的好壞對(duì)機(jī)器人的性能有著直接的影響，因此這部分在機(jī)器人的研究中至關(guān)重要。針對(duì)不同的載體結(jié)構(gòu)（如輪式、履帶式、關(guān)節(jié)式或者腿式等）和驅(qū)動(dòng)設(shè)備，運(yùn)動(dòng)控制的研究會(huì)進(jìn)一步的細(xì)化。 (3) 傳感器信息融合技術(shù) 近年來，各種新型傳感器的出現(xiàn)，在極大的擴(kuò)展了機(jī)器人的感知空間和提高了感知精度的同時(shí)，也帶來了多傳感器的容錯(cuò)、效率和協(xié)調(diào)等一系 列問題，為了解決上述問題，并為了充分高效的利用這些傳感器信息，一個(gè)新的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，那就是傳感器的集成和融合技術(shù)。多傳感器信息融合就是指綜合來自多個(gè)傳感器的感知數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生更可靠、更準(zhǔn)確或更全面的信息。經(jīng)過融合的多傳感器系統(tǒng)能夠更加完善、精確地反映檢測對(duì)象的特性，消除信息的不確定性，提高信息的可 靠性。 (4) 智能控制 隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于無法精確解析建模的物理對(duì)象以及信息不足的病態(tài)過程，傳統(tǒng)控制理論暴露出缺點(diǎn)，近年來許多學(xué)者提出了各種不同的機(jī)器人智能控制系統(tǒng)。機(jī)器人的智能控制方法有模糊控制、神 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、智能控制技術(shù)的融合（模糊控制和變結(jié)構(gòu)控制的融合：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和變結(jié)構(gòu)控制的融合：模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的融合：智能融合技術(shù)還包括基于遺傳算法的模糊控制方法）等。但是對(duì)于智能控制的研究還遠(yuǎn)沒有達(dá)齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 到人類期望的目標(biāo)。 研究內(nèi)容及研究方法 研究內(nèi)容 （ 1）根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)要求，本課題圍繞爬樓 機(jī)器人載體設(shè)計(jì)為中心，對(duì)其性能進(jìn)行研究， 移動(dòng)載體結(jié)構(gòu)的履帶式行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及小型工程用履帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 （ 2）著重設(shè)計(jì)擺臂式爬樓機(jī)器人的機(jī)械手。 研究方法 （ 1）深入調(diào)查研究，了解目前擺臂式爬樓機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，理解其工作原理； （ 2）通過查閱相關(guān)資料和深入學(xué)習(xí)，制定擺臂式爬樓機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案； （ 3）實(shí)施擺臂式爬樓機(jī)器人的設(shè)計(jì)：主要設(shè)計(jì)爬樓機(jī)器人的機(jī)械手。 第 2 章 擺臂式爬樓機(jī)器人 系統(tǒng)方案構(gòu)成與設(shè)計(jì) 本課題的研究對(duì)象為爬樓機(jī)器人，重點(diǎn)集中在其移動(dòng)載體的設(shè)計(jì)上。根據(jù)機(jī)器人功能需求和實(shí)際應(yīng)用的不同，移動(dòng)載體的設(shè)計(jì)有其自身的特點(diǎn)。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 機(jī)器人系統(tǒng)方案 該機(jī)器人的系統(tǒng)主要由移動(dòng)載體，車載控制系統(tǒng)，車載設(shè)備系統(tǒng)安全與輔助系統(tǒng)，地面控制臺(tái)，通訊系統(tǒng)組成。 移動(dòng)載體主要包括行走模塊、車體模塊、傳動(dòng)模塊三部分，是機(jī)器人的基本部分。車載控制系統(tǒng)主要完成移動(dòng)載體的驅(qū)動(dòng)控制，是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走的關(guān)鍵，直接影響到路徑跟蹤、操作指令的實(shí)現(xiàn)和機(jī)器人工作時(shí)的安全等問題，加上凹凸不平的路面狀況造成得沖擊載荷等外因，使合理、穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)成為機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。 移動(dòng)載體上裝配有 氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)備，用于對(duì)工件搬運(yùn) 。 機(jī)器人移動(dòng)載體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了滿足該機(jī)器人的應(yīng)用要求，對(duì)其移動(dòng)載體有一些基本的要求，這些要求是后面設(shè)計(jì)的依據(jù)和準(zhǔn)則，具體內(nèi)容如下： １、結(jié)構(gòu)形式：采用履帶式移動(dòng)載體； ２、驅(qū)動(dòng)方式：首選蓄電池為動(dòng)力，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)； ３、結(jié)構(gòu)：底盤最小離地間隙大于 30mm ４、自重： 60Kg（包括車載系統(tǒng)）； ５、基本性能：最高行駛速度 ； ６、具有一定的爬坡、爬梯和越溝能力； ７、操作方式：遙控； ８、機(jī)器人安裝有機(jī)械手。 移動(dòng)載體的構(gòu)成主要包括行走模塊、傳動(dòng)模塊、車體模塊、動(dòng)力裝置。下面就移動(dòng)載體的設(shè)計(jì)選擇及特點(diǎn)進(jìn)行分別闡述。 行走模塊 機(jī)器人的移動(dòng)行走機(jī)構(gòu)有很多種，按其結(jié)構(gòu)主要可以分為輪式、履帶式腳式。表 21例舉了幾種典型行走結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。 表 21移動(dòng)行走機(jī)構(gòu)性能對(duì)比 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 輪式一同步驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)：所有的輪子都是驅(qū)動(dòng)輪；所有的輪子都可以操縱。 優(yōu)點(diǎn)：通過旋轉(zhuǎn)輪子來轉(zhuǎn)向，四個(gè)或更多的輪子可以更好適應(yīng)粗糙路 面。 缺點(diǎn)：機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每一個(gè)輪子都可以操縱并提供動(dòng)力，控制復(fù)雜（很多馬達(dá)需要控制），成本高。 輪式一汽車結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)：一個(gè)馬達(dá)作為動(dòng)力，通過后面的差速器驅(qū)動(dòng)，～個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)前面的兩個(gè)輪子來改變方向。 優(yōu)點(diǎn)：在不平的路面上性能較好，駕駛和速度不在一起控制，只需要兩個(gè)馬達(dá)，容易控制。 缺點(diǎn)：不能在原地轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)有點(diǎn)復(fù)雜，需要后面有差速器來避免打滑，需要等量操縱兩個(gè)前輪。 履帶式 特點(diǎn)：單獨(dú)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)履帶 優(yōu)點(diǎn)：可以在原地轉(zhuǎn)動(dòng)，在不平的路面上性能非常好，穩(wěn)定，很難到達(dá)高的地方，牽引很好，一個(gè)或兩個(gè)馬達(dá)。 缺點(diǎn)：只能慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)，速度和方向不能單獨(dú)控制，能量損耗大，需保持履帶拉緊。 腿式 特點(diǎn)：多只腳協(xié)調(diào)動(dòng)作。 優(yōu)點(diǎn)：在粗糙路面性能較好，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，較好的牽引力。 缺機(jī)械復(fù)雜，每一只腳均需要提起和前／后移動(dòng)，且一只腳可能需要多點(diǎn)：不能原地轉(zhuǎn)動(dòng)，速度慢，控制復(fù)雜，移動(dòng)困難，操縱性差．機(jī)械復(fù)雜，每一只腳均需要提起和前／后移動(dòng)，且一只腳可能需要多 個(gè)馬達(dá)。 通過上述移動(dòng)行走結(jié)構(gòu)比較，可知履帶式移動(dòng)行走機(jī)構(gòu)相對(duì)于輪式機(jī)構(gòu)具有支撐面積齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 大，接地比壓小，越野機(jī)動(dòng)性能好，爬坡、越障、跨溝能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)：且履帶的牽引附著性能好，不易打滑，有利于發(fā)揮較大的牽引力。履帶式行走機(jī)構(gòu)相對(duì)于腳式行走機(jī)構(gòu)技術(shù)成熟，控制簡單，且成本低。結(jié)合國內(nèi)外機(jī)器人的性能特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用的要求．綜合考慮多方面因素 ：選用履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)方式選用后輪驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)輪的主要作用是機(jī) 器人基本功能方案前或向后卷繞履帶 ，同時(shí)承擔(dān)著機(jī)器人的部分重量。驅(qū)動(dòng)輪的前置和后置有利有弊，由圖 21可以看到，驅(qū)動(dòng)裝置后置呈現(xiàn)出行駛技術(shù)上的優(yōu)勢，而前置時(shí)大部分履帶在行駛時(shí)承受大牽引力，容易使履帶伸長，在前行時(shí)導(dǎo)致前下部履帶處形成所謂的 “ 履帶腹部 ” ，驅(qū)動(dòng)輪后置時(shí)牽引力高區(qū)段短，不會(huì)出現(xiàn)上述問題。 驅(qū)動(dòng)輪后置履帶張力分布圖 驅(qū)動(dòng)輪前置履帶張力分布圖 圖 21 驅(qū)動(dòng)輪履帶 履帶 的選擇 1) 要求履帶的各種材料要具有 良好的物理機(jī)械性能，耐動(dòng)態(tài)疲勞和耐氣候老化等性能。在爬梯 中，采用輸送滾 子鏈和三角膠帶塊相結(jié)合，應(yīng)該有良好的效果 。 這種方案具有如下優(yōu)點(diǎn)： ◆ 無需開模具，成本低； ◆拼接組裝方便，易于更換維護(hù)，剛性好； ◆履帶長度可以按需確定； 2） 合適的履帶鏈節(jié)距Ｐ是選擇的另一個(gè)關(guān)鍵。節(jié)距Ｐ的大小與傳動(dòng)的平穩(wěn)性、承受能力都有一定的關(guān)系。在一定條件下，鏈節(jié)距越大，承載能力越高，但傳動(dòng)的多邊形效應(yīng)也要增大，震動(dòng)、沖擊、噪聲也越 重。在綜合考慮電機(jī)的功率、鏈輪轉(zhuǎn)速及工作環(huán)境 ，決定采用節(jié)距為 ，即三角膠帶間 距 。 為了提高機(jī)體越障能力，在傳統(tǒng)履帶式移動(dòng)載體上安裝前擺臂，即采用關(guān)節(jié)式擺臂結(jié)齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 構(gòu)。靜力平衡狀態(tài)下，當(dāng)機(jī)體重量、臺(tái)階高度及摩擦系數(shù)相同時(shí)，移動(dòng)栽體的車輪直徑較大的比較容易爬上臺(tái)階。但是由于尺寸以及電機(jī)輸出功率的限制，不可能無限加大車輪直徑。本文中機(jī)器人采用前擺臂的結(jié)構(gòu)。虛線圓部分為車輪的有效直徑Ｄ，ｄ表示實(shí)際車輪直徑。可見通過加大車輪的有效直徑，可以有效的減小機(jī)器人的體積，提高了越障能力，由 b圖可知，擺臂體的關(guān)節(jié)角度越小，有效半徑越大，但同時(shí)也降低了越障高度。在主驅(qū)動(dòng)履帶之間設(shè)計(jì)了數(shù)個(gè)支撐輪，主 要作用是越障時(shí)起支重作用，是履帶保持原有輪廓，另外在跨溝、越障等行駛過程中起支重作用，兩個(gè)支持輪為一組，支撐輪的結(jié)構(gòu)具有一定的柔性和抗沖擊性。 圖 22 車輪的有效直徑 車體模塊 的選擇 車體模塊包括底盤、殼體和控制器、蓄電池安裝架等，是機(jī)器人的軀體。底盤是車體承載平臺(tái)，底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需考慮與驅(qū)動(dòng)輪、支撐輪、引導(dǎo)輪和擺臂的聯(lián)接，內(nèi)部電器、云臺(tái)和殼體的安裝。要求與移動(dòng)行走機(jī)構(gòu)具有可靠聯(lián)接，并具有足夠強(qiáng)度剛度，同時(shí)底盤的結(jié)構(gòu)尺寸影響著機(jī)體的轉(zhuǎn)向性能。履帶式機(jī)械的轉(zhuǎn)向能力，不僅取決于地面條件和履帶結(jié)構(gòu)，而且與履帶的支撐面長度Ｌ和軌距Ｂ（兩側(cè)履帶中點(diǎn)的距離）的比值有關(guān)。 履帶式移動(dòng)裝置原地轉(zhuǎn)彎阻力計(jì)算公式如下： = (21) 其中， 可根據(jù) L/B和 b/B查到， b為履帶寬度； 總重量（ N）； 履帶與地面之間的附著系數(shù)。 由式 21可知， L增大使轉(zhuǎn)向阻力矩增大，對(duì)轉(zhuǎn)向不利。軌距 B增大使轉(zhuǎn)向力矩減小，對(duì)轉(zhuǎn)向有力，但使最小轉(zhuǎn)向半徑增大。綜上所述，履帶結(jié)構(gòu)參數(shù) L／ B不能取得太小，通常 L齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 ／ B＝ ~。一方面，原地轉(zhuǎn)彎總要受到履帶與地面間的附著條件的限制，原地轉(zhuǎn)彎性能只能在特定的地面條件下才能實(shí)現(xiàn)： 另一方面，當(dāng) L／ B＝時(shí) ~ B／ 2的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)載體基本不受地面條件的限制。 根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要，機(jī)體應(yīng)具有良好的轉(zhuǎn)彎性能，尤其是在爬梯過程中易于調(diào)整前進(jìn)方向。機(jī)器人在爬梯過程中擺臂放至水平，此時(shí) L／ B＝ ，滿足上述條件。 動(dòng)力裝置 的設(shè)計(jì) 行走機(jī)械的動(dòng)力源主要有內(nèi)燃機(jī)和蓄電池兩種。內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗油且增加機(jī)體重量，而蓄電池相對(duì)于內(nèi)燃機(jī)有很大的優(yōu)越性，它具有效率高、環(huán)境污染低、可使用多種能源、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，是未來動(dòng)力源發(fā)展的趨勢所在。 鑒于蓄電池的優(yōu)越性，采用蓄電池作為原動(dòng)力。目前車載動(dòng)力蓄電池主要有鉛酸蓄電池、各種二次電池（如鎳氫、鎳鎘、鋰電池等）、燃料蓄電池、飛輪蓄電池等，后兩種處于研發(fā)階段，產(chǎn)品較少。目前國內(nèi)外蓄電池的研究應(yīng)用主要集中二次電池方面，它維護(hù)少，環(huán)境污染小，但容量有限，連續(xù)使用時(shí)間短。 爬樓 機(jī)器人的控制系統(tǒng) 系統(tǒng)控制 機(jī)器人是一種自動(dòng)化程度很高的機(jī)器，具有感知、規(guī)劃、動(dòng)作和協(xié)同等智能，是一個(gè)復(fù)雜的綜合系統(tǒng)。而控制系統(tǒng)是機(jī)器人的核心部分，控制系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)直接關(guān)系到機(jī)器人的性能要求，更是機(jī)器人智能的主要表現(xiàn)之一。 目前，機(jī)器人控制系統(tǒng)主要有三種結(jié)構(gòu)方式：集中控制方式、主從控制方式和分布式控制方式。集中控制方式是指用一臺(tái)功能比較強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)其全部控制功能，在早期的機(jī)器人控制系統(tǒng)中較多的采用此種控制方式。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和機(jī)器人控制要求的不斷提高，逐漸出現(xiàn)了主從控制方式和分布式控制方式。在主從式控制結(jié)構(gòu) 中，有上下兩級(jí)計(jì)算機(jī)，其中上位機(jī)利用它的運(yùn)算能力和龐大的系統(tǒng)資源，如：內(nèi)存容量，磁盤容量等等，完成坐標(biāo)變換，軌跡插補(bǔ)運(yùn)算等功能；下位機(jī)可以由多個(gè)微控制器組成，每個(gè)微控制器控制一個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，它們并行地完成控制任務(wù)，從而提高了工作速度和處理能齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 力。分布式控制系統(tǒng)屬于開放型的控制系統(tǒng)，可以根據(jù)需要增加微處理器的個(gè)數(shù)，以滿足控制系統(tǒng)提高控制性能的需要。 機(jī)器人是用于危險(xiǎn)環(huán)境作業(yè)的移動(dòng)機(jī)器人，本課題中機(jī)器人系統(tǒng)的控制目標(biāo)：使機(jī)器人按照操作員指定的平均速度和方向前進(jìn)。 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 該爬樓機(jī)器人是移動(dòng)系統(tǒng)中的一部分，考慮到機(jī)器人在總體系統(tǒng)中功能和實(shí)際應(yīng)用，決定采用主從式結(jié)構(gòu)的控制器?？刂颇K結(jié)構(gòu)框圖如下，機(jī)器人的控制系統(tǒng)可以分為傳感器信號(hào)處理、ＧＰＳ全球定位系統(tǒng)、遙控裝置、車載設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制和行走驅(qū)動(dòng)控制等主要部分組成。傳感器信號(hào)包括車載傳感器信息、ＣＣＤ圖像信息等，主要用于獲取周圍環(huán)境信息，這些信息將幫助操作人員做出進(jìn)一步的決策。ＧＰＳ全球定位系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)確定機(jī)器人的絕對(duì)位置，高精度的ＧＰＳ系統(tǒng)可以作為機(jī)器人路徑跟蹤中的位置檢測信號(hào)。行走驅(qū)動(dòng)控制是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)行走的底層控制系統(tǒng)和遙控方式 實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。 圖 23 控制模塊結(jié)構(gòu)框圖 本章小結(jié) 本章介紹了爬樓機(jī)器人的基本性能，對(duì)機(jī)體的行走模塊、車體模塊和動(dòng)力裝置等進(jìn)行了方案選擇和設(shè)計(jì)，提出了一種安裝維護(hù)方便且成本低的履帶結(jié)構(gòu)。同時(shí)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要介紹了控制系統(tǒng)的功能組成。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 3 章 機(jī)器人履帶和氣動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì) 擺臂式爬樓機(jī)器人從功能上講隸屬于移動(dòng)機(jī)器人，具有較大的自主性和靈活性。移動(dòng)機(jī)器人的載體必須滿足移動(dòng)和負(fù)重承載兩大功能，在履帶設(shè)計(jì)完成后，對(duì)機(jī)器人載體上的機(jī)械手著重設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)了手部、腕部和臂部等。 爬樓機(jī)器人的機(jī)械手的主要作用是夾持扶梯支架，進(jìn)行夾取，通過查閱資料，車載機(jī)械手決定選用氣動(dòng)機(jī)械手。 履帶式機(jī)械行駛原理 本文中的 機(jī)器人采用的 是關(guān)節(jié)式履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以在這里以履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。 行駛原理 履帶式行走機(jī)構(gòu)電機(jī)的功率 以高轉(zhuǎn)速（角速度 ）和低轉(zhuǎn)矩（ ）的形式經(jīng)傳動(dòng)系 傳到驅(qū)動(dòng)輪，變成了低轉(zhuǎn)速（角速度 ）和大扭矩（ ）。 為驅(qū)動(dòng)力矩。 在驅(qū)動(dòng)力矩的作用下，驅(qū)動(dòng)輪齒與履帶的節(jié)銷嚙合并帶動(dòng)履帶作繞驅(qū)動(dòng)輪的傳動(dòng)，使履帶不斷鋪設(shè)軌道，引導(dǎo)輪、支撐輪