【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動就非常困難，而履帶機器人具有強大的地形適應(yīng)性，能夠適應(yīng)惡劣的路面條件。腿式機器人的機構(gòu)較輕巧，富撓 性。但是由于機構(gòu)復(fù)雜，移動面又時有變化，故結(jié)構(gòu)設(shè)計十分復(fù)雜。并且為達(dá)到動態(tài)穩(wěn)定的要求，控制上也需要更為精細(xì)，所以此型機器人的移動速度不會很快。 (2) 運動控制 運動控制就是控制機器人按規(guī)劃的軌跡運動，控制的好壞對機器人的性能有著直接的影響，因此這部分在機器人的研究中至關(guān)重要。針對不同的載體結(jié)構(gòu)（如輪式、履帶式、關(guān)節(jié)式或者腿式等）和驅(qū)動設(shè)備，運動控制的研究會進(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)，在極大的擴展了機器人的感知空間和提高了感知精度的同時，也帶來了多傳感器的容錯、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，一個新的技術(shù)應(yīng)運而生，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 隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，對于無法精確解析建模的物理對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，近年來許多學(xué)者提出了各種不同的機器人智能控制系統(tǒng)。機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（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)機械設(shè)計制造技術(shù)要求，本課題圍繞爬樓 機器人載體設(shè)計為中心，對其性能進(jìn)行研究， 移動載體結(jié)構(gòu)的履帶式行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及小型工程用履帶結(jié)構(gòu)設(shè)計和車體結(jié)構(gòu)設(shè)計。 （ 2）著重設(shè)計擺臂式爬樓機器人的機械手。 研究方法 （ 1）深入調(diào)查研究，了解目前擺臂式爬樓機器人的結(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)，制定擺臂式爬樓機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計方案； （ 3）實施擺臂式爬樓機器人的設(shè)計：主要設(shè)計爬樓機器人的機械手。 第 2 章 擺臂式爬樓機器人 系統(tǒng)方案構(gòu)成與設(shè)計 本課題的研究對象為爬樓機器人，重點集中在其移動載體的設(shè)計上。根據(jù)機器人功能需求和實際應(yīng)用的不同，移動載體的設(shè)計有其自身的特點。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 機器人系統(tǒng)方案 該機器人的系統(tǒng)主要由移動載體，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，通訊系統(tǒng)組成。 移動載體主要包括行走模塊、車體模塊、傳動模塊三部分，是機器人的基本部分。車載控制系統(tǒng)主要完成移動載體的驅(qū)動控制，是實現(xiàn)機器人行走的關(guān)鍵，直接影響到路徑跟蹤、操作指令的實現(xiàn)和機器人工作時的安全等問題，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)動控制系統(tǒng)成為機器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。 移動載體上裝配有 氣動機械手設(shè)備，用于對工件搬運 。 機器人移動載體機構(gòu)設(shè)計 為了滿足該機器人的應(yīng)用要求，對其移動載體有一些基本的要求，這些要求是后面設(shè)計的依據(jù)和準(zhǔn)則，具體內(nèi)容如下： １、結(jié)構(gòu)形式：采用履帶式移動載體； ２、驅(qū)動方式：首選蓄電池為動力，直流電機驅(qū)動； 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、機器人安裝有機械手。 移動載體的構(gòu)成主要包括行走模塊、傳動模塊、車體模塊、動力裝置。下面就移動載體的設(shè)計選擇及特點進(jìn)行分別闡述。 行走模塊 機器人的移動行走機構(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。 表 21移動行走機構(gòu)性能對比 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 輪式一同步驅(qū)動結(jié)構(gòu) 特點：所有的輪子都是驅(qū)動輪；所有的輪子都可以操縱。 優(yōu)點：通過旋轉(zhuǎn)輪子來轉(zhuǎn)向，四個或更多的輪子可以更好適應(yīng)粗糙路 面。 缺點：機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每一個輪子都可以操縱并提供動力，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：一個馬達(dá)作為動力，通過后面的差速器驅(qū)動，～個馬達(dá)轉(zhuǎn)動前面的兩個輪子來改變方向。 優(yōu)點：在不平的路面上性能較好，駕駛和速度不在一起控制，只需要兩個馬達(dá)，容易控制。 缺點：不能在原地轉(zhuǎn)動，機械結(jié)構(gòu)有點復(fù)雜，需要后面有差速器來避免打滑，需要等量操縱兩個前輪。 履帶式 特點：單獨驅(qū)動兩個履帶 優(yōu)點：可以在原地轉(zhuǎn)動，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，一個或兩個馬達(dá)。 缺點：只能慢慢轉(zhuǎn)動，速度和方向不能單獨控制，能量損耗大，需保持履帶拉緊。 腿式 特點：多只腳協(xié)調(diào)動作。 優(yōu)點：在粗糙路面性能較好，運動穩(wěn)定，較好的牽引力。 缺機械復(fù)雜，每一只腳均需要提起和前／后移動，且一只腳可能需要多點：不能原地轉(zhuǎn)動，速度慢，控制復(fù)雜，移動困難，操縱性差．機械復(fù)雜，每一只腳均需要提起和前／后移動，且一只腳可能需要多 個馬達(dá)。 通過上述移動行走結(jié)構(gòu)比較，可知履帶式移動行走機構(gòu)相對于輪式機構(gòu)具有支撐面積齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 大，接地比壓小，越野機動性能好，爬坡、越障、跨溝能力強等優(yōu)點：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。履帶式行走機構(gòu)相對于腳式行走機構(gòu)技術(shù)成熟，控制簡單，且成本低。結(jié)合國內(nèi)外機器人的性能特點及實際應(yīng)用的要求．綜合考慮多方面因素 ：選用履帶式移動機構(gòu)。驅(qū)動方式選用后輪驅(qū)動。驅(qū)動輪的主要作用是機 器人基本功能方案前或向后卷繞履帶 ，同時承擔(dān)著機器人的部分重量。驅(qū)動輪的前置和后置有利有弊，由圖 21可以看到，驅(qū)動裝置后置呈現(xiàn)出行駛技術(shù)上的優(yōu)勢，而前置時大部分履帶在行駛時承受大牽引力，容易使履帶伸長，在前行時導(dǎo)致前下部履帶處形成所謂的 “ 履帶腹部 ” ，驅(qū)動輪后置時牽引力高區(qū)段短，不會出現(xiàn)上述問題。 驅(qū)動輪后置履帶張力分布圖 驅(qū)動輪前置履帶張力分布圖 圖 21 驅(qū)動輪履帶 履帶 的選擇 1) 要求履帶的各種材料要具有 良好的物理機械性能，耐動態(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： ◆ 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是選擇的另一個關(guān)鍵。節(jié)距Ｐ的大小與傳動的平穩(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，但傳動的多邊形效應(yīng)也要增大，震動、沖擊、噪聲也越 重。在綜合考慮電機的功率、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 。 為了提高機體越障能力，在傳統(tǒng)履帶式移動載體上安裝前擺臂，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（論文） 1 構(gòu)。靜力平衡狀態(tài)下，當(dāng)機體重量、臺階高度及摩擦系數(shù)相同時，移動栽體的車輪直徑較大的比較容易爬上臺階。但是由于尺寸以及電機輸出功率的限制，不可能無限加大車輪直徑。本文中機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表示實際車輪直徑?？梢娡ㄟ^加大車輪的有效直徑，可以有效的減小機器人的體積，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，但同時也降低了越障高度。在主驅(qū)動履帶之間設(shè)計了數(shù)個支撐輪，主 要作用是越障時起支重作用，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，是機器人的軀體。底盤是車體承載平臺，底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮與驅(qū)動輪、支撐輪、引導(dǎo)輪和擺臂的聯(lián)接，內(nèi)部電器、云臺和殼體的安裝。要求與移動行走機構(gòu)具有可靠聯(lián)接，并具有足夠強度剛度，同時底盤的結(jié)構(gòu)尺寸影響著機體的轉(zhuǎn)向性能。履帶式機械的轉(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)履帶中點的距離）的比值有關(guān)。 履帶式移動裝置原地轉(zhuǎn)彎阻力計算公式如下： = (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，對轉(zhuǎn)向不利。軌距 B增大使轉(zhuǎn)向力矩減小，對轉(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（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現(xiàn)： 另一方面，當(dāng) L／ B＝時 ~ B／ 2的轉(zhuǎn)彎運動，移動載體基本不受地面條件的限制。 根據(jù)實際應(yīng)用需要，機體應(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。機器人在爬梯過程中擺臂放至水平，此時 L／ B＝ ，滿足上述條件。 動力裝置 的設(shè)計 行走機械的動力源主要有內(nèi)燃機和蓄電池兩種。內(nèi)燃機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗油且增加機體重量，而蓄電池相對于內(nèi)燃機有很大的優(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，是未來動力源發(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力。目前車載動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)使用時間短。 爬樓 機器人的控制系統(tǒng) 系統(tǒng)控制 機器人是一種自動化程度很高的機器，具有感知、規(guī)劃、動作和協(xié)同等智能，是一個復(fù)雜的綜合系統(tǒng)。而控制系統(tǒng)是機器人的核心部分，控制系統(tǒng)的設(shè) 計直接關(guān)系到機器人的性能要求，更是機器人智能的主要表現(xiàn)之一。 目前，機器人控制系統(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功能比較強大的計算機實現(xiàn)其全部控制功能，在早期的機器人控制系統(tǒng)中較多的采用此種控制方式。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和機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，有上下兩級計算機，其中上位機利用它的運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，軌跡插補運算等功能；下位機可以由多個微控制器組成，每個微控制器控制一個電機的運動，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（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數(shù)，以滿足控制系統(tǒng)提高控制性能的需要。 機器人是用于危險環(huán)境作業(yè)的移動機器人，本課題中機器人系統(tǒng)的控制目標(biāo)：使機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) 該爬樓機器人是移動系統(tǒng)中的一部分，考慮到機器人在總體系統(tǒng)中功能和實際應(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，機器人的控制系統(tǒng)可以分為傳感器信號處理、ＧＰＳ全球定位系統(tǒng)、遙控裝置、車載設(shè)備運動控制和行走驅(qū)動控制等主要部分組成。傳感器信號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)可以實時確定機器人的絕對位置，高精度的ＧＰＳ系統(tǒng)可以作為機器人路徑跟蹤中的位置檢測信號。行走驅(qū)動控制是機器人實現(xiàn)行走的底層控制系統(tǒng)和遙控方式 實現(xiàn)的基礎(chǔ)。 圖 23 控制模塊結(jié)構(gòu)框圖 本章小結(jié) 本章介紹了爬樓機器人的基本性能，對機體的行走模塊、車體模塊和動力裝置等進(jìn)行了方案選擇和設(shè)計，提出了一種安裝維護(hù)方便且成本低的履帶結(jié)構(gòu)。同時根據(jù)實際應(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（論文） 1 第 3 章 機器人履帶和氣動機械手設(shè)計 擺臂式爬樓機器人從功能上講隸屬于移動機器人，具有較大的自主性和靈活性。移動機器人的載體必須滿足移動和負(fù)重承載兩大功能，在履帶設(shè)計完成后，對機器人載體上的機械手著重設(shè)計，主要設(shè)計了手部、腕部和臂部等。 爬樓機器人的機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，車載機械手決定選用氣動機械手。 履帶式機械行駛原理 本文中的 機器人采用的 是關(guān)節(jié)式履帶移動機構(gòu)，所以在這里以履帶式移動機構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。 行駛原理 履帶式行走機構(gòu)電機的功率 以高轉(zhuǎn)速（角速度 ）和低轉(zhuǎn)矩（ ）的形式經(jīng)傳動系 傳到驅(qū)動輪，變成了低轉(zhuǎn)速（角速度 ）和大扭矩（ ）。 為驅(qū)動力矩。 在驅(qū)動力矩的作用下，驅(qū)動輪齒與履帶的節(jié)銷嚙合并帶動履帶作繞驅(qū)動輪的傳動，使履帶不斷鋪設(shè)軌道，引導(dǎo)輪、支撐輪