【文章內容簡介】 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。如果移動機器人能夠以某種動作或動作序列適應這幾種典型地形，則可以通過動作序列的有 效組合達到適應這幾種典型地形，則可以通過動作序列的有效組合達到適應 災難現場非結構化環(huán)境 的目的 [1214]。 各類走行機構的性能特點 足式走行機構 :足式行走機構即所謂的步行機器人。步行移動方式模仿人類或動物的行走機理，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)境的適應性強，智能程度相對較高，具有輪式機器人無法達到的機動性，具有獨特的優(yōu)越性能。 但對設計和制造者來說，步行機器人的研究極具挑戰(zhàn)性，其主要難點在于各腿之間的協調控制、機身姿態(tài)控制、轉 向機構和轉向控制、動力的有效傳遞和走行機構機理。足式機器人的種類很多，一般分為兩足機器人和多足機器人，如圖所示。一般將有兩條腿機構的移動機器人叫做兩足步行機器人，兩足步行機器人基本上是近似或模仿人的下肢機構形態(tài)而制成；三足以上的機器人稱為多足機器人，主要研究模仿四足和六足動物的各種步態(tài)而制成，具有復雜的步態(tài)。 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計 4 步行機器人的結構復雜，由于其運動學及動力學模型復雜，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構，無論它有多么復雜都只能在二位平面內移動，雖然能夠應付一定的坡度和凹凸表面，但是車體與移動機 構始終保持著固定的位置關系。而步行機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，目前實現上述功能的機器人很少。正因如此，步行移動方式在機構和控制上是最復雜的，技術上還不成熟，不適用于對靈活性和可靠性要求較高的場合中 [15]。 履帶式走行機構 :為了提高車輪對松軟地面和不平坦地面的適應能力，履帶式走行機構被廣泛采。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。圖為履帶式行走機器人。 機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）履帶具有較強的驅動力，適合在階梯上移動。 （ 3）能夠原地旋轉，所以適合在狹窄的屋內移動。 （ 4）因重心低而穩(wěn)定 [16]。 履帶式走行機構廣泛用在各類建筑機械及軍用車輛上。履帶式行走機構的不足之處是轉彎不如車輪靈活。在要改變方向時，要將某一側的履帶驅動系統(tǒng)減速或制動來實現轉彎，或者反向驅動來實現車 體的原地自轉。但這都會使履帶與路面產生相對橫向滑動，不但加大了機器人車體的能耗，還有可能損壞路面。 輪式走行機構 :輪式走行機構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。 絕大多數輪式機構都是非完整運動約束驅動系統(tǒng)，輪式移動方式的分類有很多種，按照輪的數目劃分有三輪、四輪、五輪。目前機器人中最常用的是三輪或者四輪移動方式，在某些特殊應用情況下也有用五輪以上的機器人，但這種機器人結構和控制都很復雜 [17]。 行走方案的確定 根據以 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，需要平穩(wěn)的移動方式。很明顯，履帶式移動機構的移動性能居于輪式和腿式移動機構之間，在地面適應性能、越障性能方面有良好表現。履帶移動機構地面適應性能好，在復雜的野外環(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，輪式移動機構無法與其比擬，適合作為探測機器人的推進系統(tǒng)。所以采長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計 5 用履帶式的移動方式。 救援機器人機械結構 救援機器人為探測機器人， 設計探測機器人采用了模塊化設計，總體分為四個模塊，即計算機模塊，傳感器模塊，電 源及驅動模塊，運動底盤模塊。模塊化設計的探測機器人結構比較明了，而且在一些模塊預留了一些空間，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 機器人機械結構簡圖 其性能參數的基本要求如表 21所示 表 21 性能參數基本要求 性能 參數 額定電壓 24VDC 工作電流 2A 驅動方式 直流電機驅動 電池 鉛酸蓄電池組 最大速度 1m/s 最小速度 最大負載 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 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、數字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網絡化。它控制計算機 模塊 傳感器 模塊 電源驅動 模塊 底盤運動 模塊 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計 6 是實現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]。 救援機器人傳感器模塊 傳感器 用于機器人感知外部環(huán)境 ，探測機器人必需要有這方面的設計，視覺傳感器也有他的局限性，實現視覺的功能是需要光的，如果在夜間執(zhí)行任務時就很難實現其功能，為更好的使機器人完成認為，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，這種結構是根據主板的形狀設計的，傳感器模塊雖然結構簡單，但里邊所安裝的電路主板是機器人的樞紐，機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。當人遙控機器人執(zhí)行任務且視頻效果較好時可以關閉紅外 、溫度 和超聲波傳感器，當視頻效果不好或是機器人自行執(zhí)行任務時，紅外 、溫度 和超聲波傳感器都要開啟。 電源及驅動模塊的設計 電源系統(tǒng)的質量直接影響到電子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在任何一個機器人的電控硬件系統(tǒng)設計中，穩(wěn)壓電源的設計是其最基本的部分，它為整個機器人的智能單元和執(zhí)行機構模塊提供所需的能量。一個電壓穩(wěn)定、抗干擾能力較強的電源系統(tǒng)是機器人穩(wěn)定運行的保證。電 源工作不穩(wěn)定，會導致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至會導致整個系統(tǒng)無法工作。因此，要設計好一個控制系統(tǒng)，首先要注重電源的設計 [19]。 電源及驅動模塊是為機器人提供能源的部分，安裝有電池組和左右電機驅動器，因為電池組驅動部分有一些重量，所以采用鑄鐵作為箱體。 計算機模塊的設計 計算機模塊分為兩部分結構，下端是計算機的保護架，上端為支撐架。保護架是用來防止計算機受到外界環(huán)境的撞擊，另外保護架提高了攝像設備的高度，可以看的更遠一些。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，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構化環(huán)境。其結構簡圖如圖 22所示。 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計 7 圖 22 計算機模塊結構簡圖 底盤運動模塊 履帶的選擇 由于在考慮履帶裝置設計時，基于標準化的思考，我們選擇了梯形雙面齒同步帶作為設計履帶，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 50m/s，傳動比可達 10， 效率可達 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確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的轉速比，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，結構緊湊，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論，選用梯形雙面齒同步帶作為移動裝置設計履帶能夠滿足設計性能及工作的環(huán)境條件要求。 圖 23 雙面齒同步帶 履帶、齒輪的設計計算 長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計 8 常見的行走機構形式就是同步帶 /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50m/s，傳動比可達 10，效率 可達 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，中心距要求較嚴格。所以同步帶廣泛應用于要求傳動比準確地中，小功率傳動中，如家用電器，計算機，儀器及機器人，機床，化工，石油等機械。 同步帶的設計計算 1．選擇設計功率 k pp kw? ?選 擇 （ 21） 2．選擇帶型和節(jié)距 選取帶型 為 H 型 （ 22） 3．根據帶型 H 和小帶輪轉速 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 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 Z=84 13bp mm?長春工業(yè)大學本科畢業(yè)設計 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 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） 查表得應選帶寬代號為 150 的 H 型帶，其 mm? 11．帶輪結構和尺寸 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，最高效率能達到 90%以上；設計簡單，只須根據標準規(guī)格選擇節(jié)矩，齒數，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用的靈活性。 本設計還