【正文】 可獲得恒定的轉(zhuǎn)速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大等優(yōu)點(diǎn)，所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦。傳動(dòng)時(shí)的線(xiàn)速度可達(dá) 50m/s，傳動(dòng)比可達(dá) 10， 效率可達(dá) 98％。同步帶傳動(dòng)由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確 的傳動(dòng)比。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 22所示。將攝像頭安裝在支撐架的套筒里的目 的是減小如水、陽(yáng)光腐蝕等外界環(huán)境對(duì)攝像頭表面和線(xiàn)路的影響，此設(shè)計(jì)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。保護(hù)架是用來(lái)防止計(jì)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。 電源及驅(qū)動(dòng)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(dòng)器，因?yàn)殡姵亟M驅(qū)動(dòng)部分有一些重量，所以采用鑄鐵作為箱體。電 源工作不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作。在任何一個(gè)機(jī)器人的電控硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)是其最基本的部分，它為整個(gè)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。當(dāng)人遙控機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)且視頻效果較好時(shí)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(shí)，紅外 、溫度 和超聲波傳感器都要開(kāi)啟。 傳感器模塊是一個(gè)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(jì)的，傳感器模塊雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)部分的電路板都在這里，所以密封工作一定要 做好。 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(cè)機(jī)器人必需要有這方面的設(shè)計(jì)，視覺(jué)傳感器也有他的局限性，實(shí)現(xiàn)視覺(jué)的功能是需要光的，如果在夜間執(zhí)行任務(wù)時(shí)就很難實(shí)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。傳感器的存在和發(fā)展，讓物體有了觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感官，讓物體慢慢變得活了起來(lái)。 傳感器的特點(diǎn)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。模塊化設(shè)計(jì)的探測(cè)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(shí)候更換或添加其他模塊。所以采長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 用履帶式的移動(dòng)方式。很明顯，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)性能居于輪式和腿式移動(dòng)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)。目前機(jī)器人中最常用的是三輪或者四輪移動(dòng)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]。 輪式走行機(jī)構(gòu) :輪式走行機(jī)構(gòu)由滾動(dòng)代替滑動(dòng)摩擦，主要特點(diǎn)是效率高，適合在平坦的路面上移動(dòng)，定位精確，而且重量較輕，制作簡(jiǎn)單。在要改變方向時(shí)，要將某一側(cè)的履帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)減速或制動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，或者反向驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē) 體的原地自轉(zhuǎn)。 履帶式走行機(jī)構(gòu)廣泛用在各類(lèi)建筑機(jī)械及軍用車(chē)輛上。 （ 3）能夠原地旋轉(zhuǎn)，所以適合在狹窄的屋內(nèi)移動(dòng)。 機(jī)器人采用履帶行走方式有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）由于沖角的作用，能登上較高的臺(tái)階。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(chē)輪外，使車(chē)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。正因如此，步行移動(dòng)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(duì)靈活性和可靠性要求較高的場(chǎng)合中 [15]。而步行機(jī)器人的移動(dòng)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(dòng)又能沿著樓梯拾階而上，從這一點(diǎn)來(lái)看步行機(jī)器人的移動(dòng)是三維空間移動(dòng)。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，由于其運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型復(fù)雜，控制難度較大。足式機(jī)器人的種類(lèi)很多，一般分為兩足機(jī)器人和多足機(jī)器人，如圖所示。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(tái)階，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，智能程度相對(duì)較高，具有輪式機(jī)器人無(wú)法達(dá)到的機(jī)動(dòng)性，具有獨(dú)特的優(yōu)越性能。 各類(lèi)走行機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn) 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。常見(jiàn)的大多數(shù)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的地形都可以視為這三種地形特征不同形式的組合，如溝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。 通過(guò)對(duì)這些不同地形的分析，我們 可以 發(fā)現(xiàn)各種復(fù)雜地形都是由少數(shù)幾種基本的地形特征構(gòu)成，我們稱(chēng) 這幾種基本地形 為“典型地形特征”。 非結(jié)構(gòu)環(huán)境是復(fù)雜、未知、多樣的三維地形，包括平坦地面、斜面、障礙、臺(tái)階、溝壕、淺坑等地形。 不同的移動(dòng)機(jī)器人由于其用于不同，其工作環(huán)境、整體結(jié)構(gòu)都不盡相同，為了達(dá)到讓機(jī)器人平穩(wěn)而準(zhǔn)確地運(yùn)動(dòng)這一目的，必須選擇一種合適的走行機(jī)構(gòu)。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 2 總體方案設(shè)計(jì) 救援機(jī)器人行走方案的設(shè)計(jì) 走行機(jī)構(gòu) 所有的機(jī)器人都有一類(lèi)共同的組成部分，即車(chē)輪、履帶、腿足等用于推動(dòng)車(chē)體在地面上進(jìn)行移動(dòng) 的裝置。 本文研究主要任務(wù) 本文的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一套適用于救援機(jī)器人的控制系統(tǒng)，用來(lái)控制機(jī)器人的行動(dòng)。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)可靠性工程與救災(zāi)機(jī)器人研究所于 2020年 6月成功研制了我國(guó)第 一 臺(tái)用于煤礦救援的 CUMT1 型礦井搜救機(jī)器人，該機(jī)器人裝備有低照度攝像機(jī)、氣體傳感器和溫度計(jì)等設(shè)備。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所在 2020年研制了 1種蛇形機(jī)器人，由 16個(gè)單自由度關(guān)節(jié)模塊和蛇頭、蛇尾組成，在監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)控制下可實(shí)現(xiàn)蜿蜒前進(jìn)、后退、側(cè)移、翻滾等多種動(dòng)作，并能通過(guò)安裝在蛇頭上的微型攝像頭將現(xiàn)場(chǎng)圖像傳回監(jiān)控系統(tǒng)。該機(jī)器人本體由行走部分、遙控消防炮、防爆系統(tǒng)、圖像傳輸系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)和冷卻自衛(wèi)系統(tǒng)等構(gòu)成，其探測(cè)系統(tǒng)根據(jù)消防機(jī)器人正壓防爆控制、安全自衛(wèi)、化學(xué)檢驗(yàn)、火情偵察的要求。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 在國(guó)內(nèi)，救災(zāi)機(jī)器人的研究剛剛起步，但進(jìn)展很快。蛇行機(jī)器人身上的監(jiān)視器、傳感器，能夠在災(zāi)難后的廢墟中探測(cè)幸存者的方位。 InuKtun 公司研制了機(jī)器人長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 MicroVGTV ，機(jī)身可變位，采用電纜控制，含有直視的彩色攝像頭，并帶有微型話(huà)筒和揚(yáng)聲器，可用于與壓在廢墟中的幸存者通話(huà)，適用于在小的孔 洞和空間中執(zhí)行任務(wù)。 日本大阪大學(xué)研制出蛇形機(jī)器人，能在高低不平的模擬廢墟上前進(jìn)，其頂端帶有 1部小型監(jiān)視器，身體部位安裝傳感器，可以在地震后的廢墟里尋找幸存者。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外研究現(xiàn)狀 在國(guó)外，救災(zāi)機(jī)器人發(fā)展迅速，技術(shù)日益成熟，并進(jìn)入實(shí)用化階段，日本、美國(guó)、英國(guó)等已開(kāi)始 裝備使用。隨著災(zāi)難救援機(jī)器人性能不斷地完善，在水災(zāi)、火災(zāi)、毒氣、放射性物質(zhì)以及地震、爆炸等災(zāi)難救援中，起到非常重要的作用 [6]。 災(zāi)難救援機(jī)器人，是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí) 行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。 RoboCupRescue League 是于 2020 年加入Robocop 的比賽項(xiàng)目 [45]。此外，還有各 種測(cè)試救援機(jī)器人技術(shù)的比賽，如 Robocop Rescue 等。面對(duì)越來(lái)越復(fù)雜和危險(xiǎn)的救援 非結(jié)構(gòu)化 環(huán)境，機(jī)器人協(xié)助甚至代替人類(lèi)參與救援工作成為當(dāng)今救援的重要手段和議題。 災(zāi)后救援是人類(lèi)需要共同 面 對(duì)的挑戰(zhàn)。災(zāi)難救援的現(xiàn)場(chǎng)往往異常復(fù)雜，形式多變，時(shí)間就是生命，在此危險(xiǎn)環(huán)境下，采用機(jī)器人協(xié)同救援人員，進(jìn)行抗災(zāi)救援，能起到事半功倍的效果，同時(shí)也是機(jī)器人技術(shù)中具有新型和有挑戰(zhàn)性的發(fā)展方向。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 目 錄 1 緒論 ....................................................................................................................................1 引言 ...........................................................................................................................1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ..........................................................................................................1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 ...................................................................................................1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 ...................................................................................................2 本文研究主要任務(wù) ......................................................................................................2 2 總體方案設(shè)計(jì) ........................................................................................................................3 救援機(jī)器人行走方案的設(shè)計(jì) ........................................................................................3 走行機(jī)構(gòu) ..........................................................................................................3 救援現(xiàn)場(chǎng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境特征 ..............................................................................3 各類(lèi)走行機(jī)構(gòu)的性能特點(diǎn) .................................................................................3 行走方案的確定 ...............................................................................................4 救援機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu) ...................................................................................................5 傳感器模塊的設(shè)計(jì) ......................................................................................................5 傳感器概念及特點(diǎn) ............................................................................................5 救援機(jī)器人傳感器模塊 .....................................................................................6 電源及驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) ...............................................................................................6 計(jì)算機(jī)模塊的設(shè)計(jì) ......................................................................................................6 底盤(pán)運(yùn)動(dòng)模塊 .............................................................................................................7 履帶的選擇 ......................................................................................................7 履帶、齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 .....................................................................................7 錐齒輪的設(shè)計(jì) ...................................................................................................9 能源驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)選擇 ................................................................................................. 10 電機(jī)的選用 ........................................................................