【文章內(nèi)容簡介】 靈活性需要進一步提高；（3）腿式機器人控制系統(tǒng)較為復雜，控制方法還有待完善；（4）該機構未進入實用化階段。、腿復合式行走系統(tǒng)履、復合移動機構綜合了履帶式和腿式兩種移動機構的優(yōu)勢 [6]，在地面適應性能、越障性能方面有較好的表現(xiàn)。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。它的活動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式等其它行走系統(tǒng)無法與其比擬，適合作為機器人的推進系統(tǒng)：傳統(tǒng)履帶移動機構往往是兩條履帶與車身相對固定，很大程度上限制了機器人地形適應能力（此時機器人履帶高度和長度直接決定了機器人越障、跨溝等性能），為了解決該問題履帶式移動系統(tǒng)中引入了關節(jié)履帶機構，兩條履帶不再相對車體固定而是能繞車身轉動，這樣能大大提高機器人的環(huán)境適應能力，但履、腿復合機構本身存在著一定的不足如結構復雜、運動控制困難等。輪式、履帶式、腿式行走系統(tǒng)各性能比較見表22所示。表22 輪式、履帶式、腿式行走系統(tǒng)性能比較一覽行走方式 輪式 履帶式 腿式履、腿復合式移動速度 快 較快 慢 較快越障能力 差 一般 好 好機構復雜程度 簡單 一般 復雜 復雜能耗量 小 較小 大 大機構控制難易程度易 一般 復雜 復雜本章對賽項所模擬的災后環(huán)境進行了詳細分析，并概括為復雜的結構型地形和復雜的非結構型地形。同時，根據(jù)環(huán)境特點，總結并比較了幾種常用的行走系統(tǒng)的性能。第三章 救援機器人總體方案設計本課題提出的救援機器人移動系統(tǒng)擬采用的是履、腿復合行走系統(tǒng)，該結構最大優(yōu)點在于在傳統(tǒng)履帶移動機構的基礎上增加了轉動關節(jié)，加強了機器人越障、爬坡性能，并提高了環(huán)境適應能力，能夠很好的滿足機器人的設計目標。本章針對救援機器人的功能要求，提出一種履、腿復合式行走系統(tǒng)。從具有的履帶數(shù)目和自由度方面來講，該行走系統(tǒng)屬于六自由度履帶式行走系統(tǒng)；從復合的角度看，它屬于履、腿復合式行走系統(tǒng)。救援機器人所具有的四個擺臂可各自獨立，如同四條腿，能夠實現(xiàn)多種姿態(tài)，使得機器人具有更強的地形適應性、越障性和平穩(wěn)性。救援機器人機械本體部分可分為：主體、主履帶移動機構、擺臂機構三個模塊，（b）所示。主體將左右主履帶移動模塊連成一個整體，主要用于安裝各種傳感器、機械臂、控制硬件部分及電池。主履帶移動機構用于實現(xiàn)救援機器人的行走，前進、后退以及轉向，并且該模塊內(nèi)部需安裝傳動機構及電機。救援機器人共有四個擺臂模塊，且每個擺臂模塊相互獨立正反旋轉360 o ，從而可以通過調(diào)整擺臂的位置，實現(xiàn)各種姿態(tài)，進而使得救援機器人平穩(wěn)的通過各種障礙和復雜地形。，救援機器人的三大模塊對稱分布，主體模塊位于機器人正中，主履帶移動機構模塊上下對稱，四個擺臂上下、左右對稱。因此，機器人結構對稱、緊湊，重心位于其中心附近，有利于提高機器人平穩(wěn)性。 擺 臂 機 構 模 塊 主 履 帶 移 動 機 構 模 塊主 體 模 塊 (a)sllB321R(b)HaLa擺 臂 機 構 模 塊 主 履 帶 移 動 機 構 模 塊主 體 模 塊 (a)sllB321R(b)HLa（a） （b） 救援機器人行走系統(tǒng)示意圖 救援機器人的越障性能不僅與障礙的形狀特點有關，更與機器人的機構特點息息相關，是一個環(huán)境與機器人交互作用的系統(tǒng)。在機器人設計過程中，需針對具體的災難環(huán)境設計機器人的關鍵尺寸，以保證機器人的機動性與越障性能。模擬災難環(huán)境可分為結構地形和非結構地形，結構地形包括樓梯、高臺、斜坡等規(guī)則地形。在確定尺寸時，結構地形是尺寸設計的重要參考依據(jù)，而非結構地形無法具體尺寸量化。但是當救援機器人能夠順利通過結構地形，則表明機器人具有通過非機構復雜地形的能力，因為非結構地形也是由結構地形組合而成。下面將基于結構地形（迷宮寬度、高臺、樓梯）的具體尺寸及對機器人所提出的各項性能要求來確定機器人的各項重要尺寸。需要確定的機器人尺寸包括：主履帶移動模塊和擺臂模塊的長度、主履帶移動模塊和擺臂模塊各履帶輪的直徑及機器人的寬度。最終使機器人在滿足越障的性能要求下，具有更加靈巧的尺寸。針對機器人的結構分布及其工作環(huán)境，做出以下假設：（1）機器人的重心保持在其對稱中心，不隨機器人的姿態(tài)的變化而波動。（2）機器人越障過程均為低速，勻速運動，且與環(huán)境保持平穩(wěn)接觸。在機器人實際行走過程中，重心是隨著機器人姿態(tài)的變化而波動的。如果機器人以較大的速度沖越障礙時，則存在著較大的不確定性。為此，在理論計算出機器人尺寸時，參考已有救援機器人的尺寸，附加一定余量，保證機器人尺寸能夠滿足環(huán)境要求。根據(jù)比賽主辦方對環(huán)境的設置，迷宮的寬度 。救援機器人需在mW120?內(nèi)自由行走、轉向，能夠靈活運動。假設車體的寬度為B，長度為L。履帶式移動機構具有繞其幾何中心轉向的特性。假設機器人中心點位于迷宮通道中間時，若需要機器人能夠靈活運動，即需機器人的對角線長度小于迷宮通道寬度。 結構尺寸需要滿足如下關系式： （322WBL??1） 迷宮內(nèi)轉向高臺是典型的結構地形，對救援機器人的越障性及平穩(wěn)性提出了一定的要求。當機器人在通過該障礙時，需要不斷調(diào)節(jié)4只擺臂的姿態(tài)，以使機器人與地面平穩(wěn)接觸。若操作不當或者機器人的尺寸不合適，機器人將與地面出現(xiàn)硬碰撞，這將對機械結構造成損傷，甚至破壞機構部分。因此，高臺的尺寸可作為考察機器人越障能力的重要參數(shù)。（1）越障過程分析(a) (b) (c)(d) (e) (f) 救援機器人翻越高臺的過程。(a)所示為機器人跨越障礙的初始狀態(tài)。擺臂搭在高臺的邊緣，其與主車身之間形成一個角度。(b)所示為機器人跨越高臺的初始狀態(tài)，此時擺臂以一定的角速度轉動，將本體的重心往上提。當擺臂旋轉至圖(c)所示時，機器人本體前移，(d)所示。同時，需要旋轉后擺臂，使得本體進一步脫離地面，一直到重心高于高臺的尺寸（(e)），機器人便可順利爬上高臺，完成爬高臺的任務（(f)）。（2）越障高度分析通過越障過程分析可知，高臺對于機器人的擺臂的長度提出了較大的要求。，下面將對此狀態(tài)下的救援機器人進行分析。 高臺高度為H；擺臂中心距為L1；擺臂大帶輪和小帶輪的半徑為R，r；前后擺臂機構是機器人能夠爬上高臺的關鍵機構。根據(jù)障礙物的高度選擇擺臂長度，首先選擇一定的擺臂與水平面之間的角度α。a、當擺臂較短時，即擺臂前端不能搭到高臺的邊緣，機器人需要依靠履帶與臺階豎直面上的摩擦力爬上高臺。b、擺臂前端的圓心高于高臺的高度，依靠擺臂的轉動即可引導機器人爬上高臺。對上述a、b兩種方案的比較，a方案對機器人的擺臂和主履帶的牽引力以及履帶與高臺豎直面之間的摩擦力提出了很大的要求。b方案則對擺臂的長度和擺臂電機的驅動力提出了要求。為此，選擇方案b。為了機器人能夠平穩(wěn)的爬上高臺，當前擺臂與水平面之間形成α角且接觸到高臺的邊緣時，擺臂的前端半圓應高于高臺的高度H。: （32） ?sin*)1(rLR???通過分析，機器人的擺臂在滿足此要求的前提下即可翻越高臺。 救援機器人跨越高臺初始狀態(tài)樓梯是比賽場地中重要的結構環(huán)境之一，必不可少的成為了機器人尺寸設計的重要參考依據(jù)。不同的行走系統(tǒng)所具有的上下樓梯的模式也完全不一樣，目前在機器人上下樓梯方面已有充足的研究。就關節(jié)式履帶機器人而言，若使機器人能夠平穩(wěn)的爬樓梯，機器人展開的長度必須大于或等于兩個臺階，以確保機器人與樓梯之間平穩(wěn)接觸。所以，為了機動性要求，需要根據(jù)障礙的結構尺寸來具體分析機器人的尺寸約束條件。假設機器人的重心不隨其姿態(tài)的變化而產(chǎn)生變化，條件是： [1922]（1）擺臂的長度必須高于臺階的高度，并且當擺臂與臺階形成一角度時，有足夠的驅動力將機器人撐起；（2）機器人的展開總長可以跨越三個臺階；通過實驗分析。對其中的關鍵姿態(tài)的分析，可得出尺寸的約束條件，使得機器人能夠快速穩(wěn)定的上下樓梯。(a) (b) (c) (d)(e) (f) (g) (h) 救援機器人上樓梯（1）上樓梯階段在上樓梯階段。在整個上樓梯過程中，機器人最少保持履帶與兩個臺階邊緣接觸，且重心必須位于兩個接觸點的中間，防止機器人與臺階之間產(chǎn)生沖擊。 救援機器人上樓梯過程擺臂的重心距為L1，主體的中心距為S，假設機器人的重心位于其中心點即點O。擺臂大帶輪和小帶輪的半徑分別為R、r，重心到機器人底邊的距離為E。以下將分析機器人爬樓梯時的運動情況。，要使得機器人平穩(wěn)地從第一級臺階爬到第二級臺階，就需要在后側擺臂機構離開第一級臺階邊緣 M1時，機器人的重心 O的豎直投影應落在第二級臺階邊緣 M2的右側，且前側擺臂機構接觸到第三級臺階的邊緣M 3。即得到如下關系式： （3221tan2hbESL?????3） （2）下樓梯階段同理，為了使機器人在下樓梯階段能平穩(wěn)的從第二臺階過度到第一臺階，需要以下關系式： （3221tan2hbESL????4） 機器人尺寸參數(shù)的建立救援機器人需要在復雜的地形中自如的運動，這對它的越障性和對環(huán)境的自適應性提出了較大的要求。在上述對環(huán)境的分析中，通過對關鍵環(huán)境的模型建立，已經(jīng)對機器人的尺寸做出了相關的約束，以保證機器人越障的平穩(wěn)性和可靠性。履帶機器人結構尺寸參數(shù)建立的假設條件如下：(1) 救援機器人整體結構對稱且總重量以主履帶結構部分為主，總體重心位置與主履帶結構的重心位置重合，且在尺寸分析過程中不考慮重心的變化。(2) 通過機器人越障的可完成的極限姿態(tài)和比賽所用障礙的尺寸來設計機器人的總體尺寸，從而確保通過上述障礙的可行性。(3) 由于機器人主體上需要安裝機械臂，來負責實施營救工作，機械臂的動作姿態(tài)將會影響到整體的重心位置，從而影響到對機器人的越障分析，但由于機械臂部分重量較輕，所以忽略其對整體重心的影響。救援機器人尺寸約束條件如下： （3????? ???????221222tan2si*)1( hbESLrLRHWB??5）已知的設計參數(shù)：W=1200mm，H=200m，α=50 o，b=250mm，h=200mm。在滿足約束條件的前提下，參考同類機器人尺寸，對計算結果進行適當放大，保證實際過程中救援機器人的運動結果，完成對機器人總體結構尺寸設計（）。 履帶機器人總體結構尺寸與性能指標分析總體結構 3節(jié)履帶式結構(mm)展開后尺寸（LBH）收縮后尺寸（L 1BH）1035620150585620400驅動輪半徑R 75擺臂小帶輪半徑r 35主履帶中心距s 435結構指標擺長l 300救援機器人的傳動系統(tǒng)由兩部分組成，行走傳動系統(tǒng)