【文章內(nèi)容簡介】 壕可視為下垂直障礙和上垂直障礙的組合，階梯可視為連續(xù)垂直障礙的組合。如果移動機(jī)器人能夠以某種動作或動作序列適應(yīng)這幾種典型地形，則可以通過動作序列的有 效組合達(dá)到適應(yīng)這幾種典型地形，則可以通過動作序列的有效組合達(dá)到適應(yīng) 災(zāi)難現(xiàn)場非結(jié)構(gòu)化環(huán)境 的目的 [1214]。 各類走行機(jī)構(gòu)的性能特點 足式走行機(jī)構(gòu) :足式行走機(jī)構(gòu)即所謂的步行機(jī)器人。步行移動方式模仿人類或動物的行走機(jī)理，用腿腳走路。它不僅能在平地上行走，而且能在凹凸不平的地面上行走，甚至可以跨越障礙、上下臺階，對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，智能程度相對較高，具有輪式機(jī)器人無法達(dá)到的機(jī)動性，具有獨特的優(yōu)越性能。 但對設(shè)計和制造者來說，步行機(jī)器人的研究極具挑戰(zhàn)性，其主要難點在于各腿之間的協(xié)調(diào)控制、機(jī)身姿態(tài)控制、轉(zhuǎn) 向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向控制、動力的有效傳遞和走行機(jī)構(gòu)機(jī)理。足式機(jī)器人的種類很多，一般分為兩足機(jī)器人和多足機(jī)器人，如圖所示。一般將有兩條腿機(jī)構(gòu)的移動機(jī)器人叫做兩足步行機(jī)器人，兩足步行機(jī)器人基本上是近似或模仿人的下肢機(jī)構(gòu)形態(tài)而制成；三足以上的機(jī)器人稱為多足機(jī)器人，主要研究模仿四足和六足動物的各種步態(tài)而制成，具有復(fù)雜的步態(tài)。 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 4 步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于其運動學(xué)及動力學(xué)模型復(fù)雜，控制難度較大。從移動的范圍來講，車輪型及履帶形的移動機(jī)構(gòu)，無論它有多么復(fù)雜都只能在二位平面內(nèi)移動，雖然能夠應(yīng)付一定的坡度和凹凸表面，但是車體與移動機(jī) 構(gòu)始終保持著固定的位置關(guān)系。而步行機(jī)器人的移動卻有著很大的不同，它可以在保持身體姿態(tài)不變的前提下，能前后左右移動又能沿著樓梯拾階而上，從這一點來看步行機(jī)器人的移動是三維空間移動。另外，要控制它的步行和不傾倒有很大的難度，目前實現(xiàn)上述功能的機(jī)器人很少。正因如此，步行移動方式在機(jī)構(gòu)和控制上是最復(fù)雜的，技術(shù)上還不成熟，不適用于對靈活性和可靠性要求較高的場合中 [15]。 履帶式走行機(jī)構(gòu) :為了提高車輪對松軟地面和不平坦地面的適應(yīng)能力，履帶式走行機(jī)構(gòu)被廣泛采。履帶方式又叫做循環(huán)軌道方式，其最大的特征是將圓環(huán)狀的 循環(huán)軌道履帶卷繞在若干車輪外，使車輪不直接與路面接觸，利用履帶可以緩沖路面狀態(tài)，因此就可以在各種路面上行走。圖為履帶式行走機(jī)器人。 機(jī)器人采用履帶行走方式有以下優(yōu)點： （ 1）由于沖角的作用，能登上較高的臺階。 （ 2）履帶具有較強(qiáng)的驅(qū)動力，適合在階梯上移動。 （ 3）能夠原地旋轉(zhuǎn)，所以適合在狹窄的屋內(nèi)移動。 （ 4）因重心低而穩(wěn)定 [16]。 履帶式走行機(jī)構(gòu)廣泛用在各類建筑機(jī)械及軍用車輛上。履帶式行走機(jī)構(gòu)的不足之處是轉(zhuǎn)彎不如車輪靈活。在要改變方向時，要將某一側(cè)的履帶驅(qū)動系統(tǒng)減速或制動來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，或者反向驅(qū)動來實現(xiàn)車 體的原地自轉(zhuǎn)。但這都會使履帶與路面產(chǎn)生相對橫向滑動，不但加大了機(jī)器人車體的能耗，還有可能損壞路面。 輪式走行機(jī)構(gòu) :輪式走行機(jī)構(gòu)由滾動代替滑動摩擦，主要特點是效率高，適合在平坦的路面上移動，定位精確，而且重量較輕，制作簡單。 絕大多數(shù)輪式機(jī)構(gòu)都是非完整運動約束驅(qū)動系統(tǒng)，輪式移動方式的分類有很多種，按照輪的數(shù)目劃分有三輪、四輪、五輪。目前機(jī)器人中最常用的是三輪或者四輪移動方式，在某些特殊應(yīng)用情況下也有用五輪以上的機(jī)器人，但這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)和控制都很復(fù)雜 [17]。 行走方案的確定 根據(jù)以 上的定性分析，探測器需要一個良好的工作性能，要想較好的完成任務(wù)，需要平穩(wěn)的移動方式。很明顯，履帶式移動機(jī)構(gòu)的移動性能居于輪式和腿式移動機(jī)構(gòu)之間，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機(jī)構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面以及溝壑等，它的活動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動機(jī)構(gòu)無法與其比擬，適合作為探測機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)。所以采長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 5 用履帶式的移動方式。 救援機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu) 救援機(jī)器人為探測機(jī)器人， 設(shè)計探測機(jī)器人采用了模塊化設(shè)計，總體分為四個模塊，即計算機(jī)模塊，傳感器模塊，電 源及驅(qū)動模塊，運動底盤模塊。模塊化設(shè)計的探測機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較明了，而且在一些模塊預(yù)留了一些空間，可以在需要的時候更換或添加其他模塊。其簡圖如圖 21： 圖 21 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)簡圖 其性能參數(shù)的基本要求如表 21所示 表 21 性能參數(shù)基本要求 性能 參數(shù) 額定電壓 24VDC 工作電流 2A 驅(qū)動方式 直流電機(jī)驅(qū)動 電池 鉛酸蓄電池組 最大速度 1m/s 最小速度 最大負(fù)載 30kg 工作時間 6 小時 爬地能力 30 度 越障能力 3cm 傳感器模塊的設(shè) 計 傳感器概念及特點 傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。 傳感器的特點包括：微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化。它控制計算機(jī) 模塊 傳感器 模塊 電源驅(qū)動 模塊 底盤運動 模塊 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 6 是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據(jù)其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元 件、色敏元件和味敏元件等十大類 [18]。 救援機(jī)器人傳感器模塊 傳感器 用于機(jī)器人感知外部環(huán)境 ，探測機(jī)器人必需要有這方面的設(shè)計，視覺傳感器也有他的局限性，實現(xiàn)視覺的功能是需要光的，如果在夜間執(zhí)行任務(wù)時就很難實現(xiàn)其功能，為更好的使機(jī)器人完成認(rèn)為，再加超聲波傳感器 和溫度傳感器。通過多種傳感器共同作用更全面的進(jìn)行探測。 傳感器模塊是一個由金屬材料板組成的圓柱體，這種結(jié)構(gòu)是根據(jù)主板的形狀設(shè)計的，傳感器模塊雖然結(jié)構(gòu)簡單，但里邊所安裝的電路主板是機(jī)器人的樞紐，機(jī)器人各個部分的電路板都在這里，所以密封工作一定要 做好。 上面加了一個稍大的金屬蓋板，傳感器塊周圍安裝了 24 路紅外傳感器 、溫度傳感器 和超聲波傳感器。當(dāng)人遙控機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)且視頻效果較好時可以關(guān)閉紅外 、溫度 和超聲波傳感器，當(dāng)視頻效果不好或是機(jī)器人自行執(zhí)行任務(wù)時，紅外 、溫度 和超聲波傳感器都要開啟。 電源及驅(qū)動模塊的設(shè)計 電源系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響到電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在任何一個機(jī)器人的電控硬件系統(tǒng)設(shè)計中，穩(wěn)壓電源的設(shè)計是其最基本的部分，它為整個機(jī)器人的智能單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊提供所需的能量。一個電壓穩(wěn)定、抗干擾能力較強(qiáng)的電源系統(tǒng)是機(jī)器人穩(wěn)定運行的保證。電 源工作不穩(wěn)定，會導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至?xí)?dǎo)致整個系統(tǒng)無法工作。因此，要設(shè)計好一個控制系統(tǒng)，首先要注重電源的設(shè)計 [19]。 電源及驅(qū)動模塊是為機(jī)器人提供能源的部分，安裝有電池組和左右電機(jī)驅(qū)動器，因為電池組驅(qū)動部分有一些重量，所以采用鑄鐵作為箱體。 計算機(jī)模塊的設(shè)計 計算機(jī)模塊分為兩部分結(jié)構(gòu)，下端是計算機(jī)的保護(hù)架，上端為支撐架。保護(hù)架是用來防止計算機(jī)受到外界環(huán)境的撞擊，另外保護(hù)架提高了攝像設(shè)備的高度，可以看的更遠(yuǎn)一些。支撐架的作用是控制攝像頭的檢測方向。將攝像頭安裝在支撐架的套筒里的目 的是減小如水、陽光腐蝕等外界環(huán)境對攝像頭表面和線路的影響，此設(shè)計雖然不能完全隔離外界的影響，但卻盡量增加了攝像頭的使用壽命。在支撐架的下方和右方安裝了兩個舵機(jī)，使套筒具有左右、上下兩個自由度，從而攝像頭可以全方位的檢測周圍的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 22所示。 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 7 圖 22 計算機(jī)模塊結(jié)構(gòu)簡圖 底盤運動模塊 履帶的選擇 由于在考慮履帶裝置設(shè)計時，基于標(biāo)準(zhǔn)化的思考，我們選擇了梯形雙面齒同步帶作為設(shè)計履帶，梯形雙面齒同步帶傳動具有 帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。同步帶傳動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(zhǔn)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(dá) 50m/s，傳動比可達(dá) 10， 效率可達(dá) 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(zhǔn)確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的轉(zhuǎn)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(gòu)緊湊，適宜于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(shè)計履帶能夠滿足設(shè)計性能及工作的環(huán)境條件要求。 圖 23 雙面齒同步帶 履帶、齒輪的設(shè)計計算 長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 8 常見的行走機(jī)構(gòu)形式就是同步帶 /齒形帶。同步帶 /齒形帶傳動具有帶傳動，鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。同步帶傳動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(zhǔn)確的傳動比。同步帶通常以鋼絲或玻璃纖維為抗拉體，氯丁橡膠或聚氨酯為基體，這種帶薄而且輕，故可以用于較高速度。傳動的線速度可達(dá)50m/s，傳動比可達(dá) 10，效率 可達(dá) 98% 。傳動噪音比帶傳動，鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨性好，不需有潤滑，壽命比摩擦帶長。其主要缺點是制造和安裝精度要求較高，中心距要求較嚴(yán)格。所以同步帶廣泛應(yīng)用于要求傳動比準(zhǔn)確地中，小功率傳動中，如家用電器，計算機(jī)，儀器及機(jī)器人，機(jī)床，化工，石油等機(jī)械。 同步帶的設(shè)計計算 1．選擇設(shè)計功率 k pp kw? ?選 擇 （ 21） 2．選擇帶型和節(jié)距 選取帶型 為 H 型 （ 22） 3．根據(jù)帶型 H 和小帶輪轉(zhuǎn)速 n1 查得最小齒輪 min 14Z ? ，此處取 Z=20 小帶輪節(jié)圓直徑 d1 11 2 0 1 3 8 2 .8bzpd ???? ? ? （ 23） 查表得其外徑 mm? 設(shè)計 Z2=Z1=20 2121aad d m md d m m???? 4．帶速 v= 11 8 2 . 8 5 4 7 . 5 2 0 . 2 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0dn ms? ? ?????? （ 24） 5．定軸間距 0a =400mm 6．帶長及其齒數(shù) 210 0 1 20()2()248 0 0 8 2 .8 51 0 6 0 .1 4 9ddL a d damm???? ? ? ?? ? ?? （ 25） 7．查表應(yīng)選用帶長代號為 420 的 H 型同步帶，其節(jié)線長 1070pL mm? ，節(jié)線上的齒數(shù) Z=84 13bp mm?長春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 9 8．實際軸間距 a= 00 10 70 10 60 .14 9[ 40 0 ] 40 622pLLa m m? ?? ? ? ? （ 26） 9．小帶輪嚙合齒數(shù) 11212[ ( ) ] 1 022 bm pzzz e n t z za?? ? ? ? （ 27）10．基本額定 功率 20 ()1000aT mv vp ?? （ 28） 查得 021 00 .85 48 /( 21 00 .85 48 62 ) 61000 4aTNm k g mP k wkw??? ? ??? 所需帶寬 020dss pbb kp? （ 29） 查表得： H 型帶 0101mzsbs mmzkbmm????? （ 210） 查表得應(yīng)選帶寬代號為 150 的 H 型帶，其 mm? 11．帶輪結(jié)構(gòu)和尺寸 傳動選用同步帶為 H150 帶輪 Z1=Z2=20， d1=d2=,da1=da2= 采用同步帶作為履帶的優(yōu)點是：效率高，最高效率能達(dá)到 90%以上；設(shè)計簡單，只須根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格選擇節(jié)矩，齒數(shù)，長度，寬度就可以了。 但是同步帶一旦選定，長度，寬度就是固定的，因此基本屬于定制，設(shè)計不同的履帶式平臺就需要不同的同步帶。這個特點限制了同步帶應(yīng)用的靈活性。 本設(shè)計還