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畢業(yè)設(shè)計報告(論文)
機器人履帶行走系統(tǒng)設(shè)計
所屬系 機械工程系
專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化
學 號
姓 名
指導教師
起訖日期
設(shè)計地點
畢業(yè)設(shè)計報告（論文）
誠 信 承 諾
本人承諾所呈交的畢業(yè)設(shè)計報告（論文）及取得的成果是在導師指導下完成，引用他人成果的部分均已列出參考文獻。如論文涉及任何知識產(chǎn)權(quán)糾紛，本人將承擔一切責任。
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機器人履帶行走系統(tǒng)設(shè)計
摘 要
機器人技術(shù)在如今的應(yīng)用中越來越廣泛，其中集營救于一體的救援機器人又是研究中的新方向。典型的機器人由行走系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、運動傳感與控制系統(tǒng)等組成。機器人行走系統(tǒng)的選擇關(guān)乎到整個機器人的運動，是機器人完成設(shè)定任務(wù)的基礎(chǔ)。行走系統(tǒng)設(shè)計如今主要有輪式移動和履帶式行走。履帶式行走系統(tǒng)在較惡劣環(huán)境下具有更優(yōu)異的表現(xiàn)。履帶接觸面積大，接地比壓小，動力強勁，克服障礙性能好等優(yōu)勢。
通過對不同機構(gòu)特點的研究，對關(guān)節(jié)式履帶機器人進行分析論證。此類機器人在不同環(huán)境中通過改變關(guān)節(jié)的位置關(guān)系通過障礙。論文主要討論了此類機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制原理并對機器人越野機動性能進行分析。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，先對行走機構(gòu)轉(zhuǎn)向進行了物理分析，加入了雙流向機構(gòu)使得轉(zhuǎn)彎更加平穩(wěn)，靈活。在特定物理條件下，對機器人主軸，齒輪等主要零部件進行尺寸設(shè)計，初步得到機器人結(jié)構(gòu)參數(shù)。在控制系統(tǒng)設(shè)計中，考慮到履帶式機器人的工作環(huán)境，利用PC機無線通訊控制單片機，單片機控制相應(yīng)步進電機完成指定動作。與此同時PC機可以接受單片機的反饋調(diào)節(jié)行走機構(gòu)的姿態(tài)。最終本文還對機器人的各項性能指標進行了分析，主要針對溝壑跨越，爬坡行駛和階梯翻越三種特殊環(huán)境進行研究。根據(jù)運動中重心變化等指標，增大履帶臂與機體的距離，對機構(gòu)尺寸給出了最優(yōu)設(shè)計方案。
最后對機器人未來發(fā)展進行展望，未來世界一定會因為科技的進步，機器人技術(shù)的發(fā)展而更加美好。
關(guān)鍵詞：機器人技術(shù)；履帶行走系統(tǒng)；性能指標
I
Design of tracked mobile mechanism of search rescue robot and analysis of obstacle negotiating performance
Abstract
Robot technology in today's application is more and more widely, which is set to rescue one of the rescue robot is a new direction for the study of. A typical robot by walking system, operation system, driving system, motion sensing and control system etc.. The robot system selection relates to the whole movement of the robot, is the basis of setting task robot. Now the main operating system design of wheeled mobile and crawler walking. Crawler system has more excellent performance in harsh environment. Contact area, small ground pressure, strong power, good performance and other advantages to overcome obstacles.
Through the research of different mechanisms, the analysis and demonstration of the articulated tracked robot is carried out.. The robot in different environment through the change of the position of the joints through obstacles. This paper mainly discusses the structure design, the control principle and the analysis of the performance of the robot off-road motor.. In structure design, first to the walking mechanism steering was analyzed by physical, joined the Shuangliu institutions to make a turn is more stable and flexible. In the specific physical condition, the main parts such as the robot spindle, the gear and so on are designed, and the structure parameters of the robot are obtained.. In the design of the control system, taking into account the working environment of the crawler robot, using PC wireless communication control MCU, single-chip microcomputer control the corresponding stepper motor to complete the specified action. At the same time PC machine can accept SCM feedback adjust the attitude of walking mechanism. Eventually the robot of the performance index are analyzed, mainly for gully span, climbing travel and ladder climb three special environment was studied. According to the change of center of gravity, the distance between the crawler arm and the body is enlarged, and the optimum design scheme is given for the mechanism.
In the end, the future development of robots is prospected, and the future world will be more beautiful because of the progress of technology and the development of robot technology.
Keywords：robot technology；crawler walking system；performance index
II
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1 選題背景與意義 1
1.1.1 選題背景 1
1.1.2 各類行走機構(gòu)特點 1
1.2履帶式移動機器人的研究現(xiàn)狀 2
1.3主要研究方向 3
1.3.1履帶式行走系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究 3
1.3.2行走系統(tǒng)控制設(shè)計 4
1.3.3行走系統(tǒng)越障分析 4
第二章 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 5
2.1簡介 5
2.2履帶機器人力學分析 5
2.2.1履帶機器人行走分析 5
2.2.2機構(gòu)轉(zhuǎn)向原理 5
2.3傳動結(jié)構(gòu) 9
2.3.1履帶式行走機構(gòu) 9
2.3.2履帶機器人關(guān)節(jié)方案設(shè)計 12
2.4基本結(jié)構(gòu)設(shè)計 12
2.4.1軸類零件參數(shù)尺寸 12
2.4.2剩余部件設(shè)計 13
第三章 機器人控制系統(tǒng) 15
3.1 簡述 15
3.2 控制系統(tǒng)選取 15
3.2.1 主要原件選取 15
3.2.2 控制原理設(shè)計 15
第四章 越野機動性能分析 17
4.1 概述 17
4.2履帶機器人穩(wěn)定性分析 17
4.3.1 溝壑跨越 18
4.3.2 爬坡行駛 18
4.3.3 臺階翻越 19
第五章 結(jié)論與展望 21
5.1結(jié)論 21
5.2展望 21
致 謝 22
參考文獻 23
III
第一章 緒論
1.1 選題背景與意義
1.1.1 選題背景
現(xiàn)今社會中，機器人的應(yīng)用逐漸代替大量人力。其中救援機器人不僅應(yīng)用在國防等軍事領(lǐng)域，在公安消防中也有很大應(yīng)用。我國自然災(zāi)害頻發(fā)，給國家經(jīng)濟與國民安全帶來極大影響。隨著機器人技術(shù)逐漸成熟，其應(yīng)用顯得越發(fā)廣泛。如今機器人可以代替人類完成極端環(huán)境下的艱難任務(wù)，使得科研，救援等任務(wù)更加高效。
典型的機器人由行走系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、運動傳感與控制系統(tǒng)等組成。機器人行走系統(tǒng)的選擇關(guān)乎到整個機器人的運動，是機器人完成設(shè)定任務(wù)的基礎(chǔ)。行走系統(tǒng)設(shè)計如今主要有輪式移動和履帶式行走。履帶式行走系統(tǒng)在較惡劣環(huán)境下具有更優(yōu)異的表現(xiàn)。履帶接觸面積大，接地比壓小，動力強勁，克服障礙能力強等優(yōu)點。
1.1.2 各類行走機構(gòu)特點
在較惡劣環(huán)境中，我們常常選用履帶式行走機構(gòu)。因為這種機構(gòu)設(shè)計較為簡便，即使在摩擦力較小的環(huán)境中也可通過改變履帶接觸面積獲得較大牽引力。這類行走機構(gòu)轉(zhuǎn)向時常常使用“滑動轉(zhuǎn)向”。當然不同行走機構(gòu)性能各有特點，詳見下表。
表1.1 各類機器人特點簡介
應(yīng)用環(huán)境
輪式
腿式`
履帶式
室內(nèi)，地毯
優(yōu)秀，只要輪子半徑大于地毯絨毛高度的兩倍即可
良好。如果地毯絨毛較短的話，粗絨和長絨可能會掛住而造成麻煩
很差。地毯纖維回纏結(jié)在鏈輪和鏈軌中
室內(nèi)，硬地板
或桌面
優(yōu)秀
優(yōu)秀。腿的末端應(yīng)該用橡膠處理以提供所需的牽引力
較好與優(yōu)秀之間。取決于鏈軌的硬度；軟的橡膠鏈軌在拋光或堅硬的表面可能無法很好地實現(xiàn)轉(zhuǎn)向
室外，泥土
較好，如果地面不是過于松軟或者崎嶇的話；泡沫輪胎會粘起并塞滿泥土
很差和良好之間。取決于地形狀況（機器人是否可能被絆倒）
優(yōu)秀。但是要注意鏈軌和鏈輪中泥土的結(jié)塊問題
室外，草地
很差與較好之間。機器人地低部要高于草坪的高度
較好與良好之間。但是機器人應(yīng)該采取抬腿邁步的步態(tài)，而不是拖曳前行步態(tài)
優(yōu)秀。盡管鏈輪和鏈軌中會夾入草屑
普通混凝土
地面
優(yōu)秀。盡管泡沫輪胎很容易沾上泥土和灰塵
優(yōu)秀
較好與良好之間。從轉(zhuǎn)向性能考慮，履帶不應(yīng)使用太硬或過于強韌的材料
普通瀝青地面
較好。但如果輪子的直徑較小，輪子表面光滑。
良好
優(yōu)秀
1.2履帶式移動機器人的研究現(xiàn)狀
履帶式移動機器人在特殊環(huán)境中表現(xiàn)優(yōu)異，各國都在加強研究與改進，以用來執(zhí)行救援防爆等特殊任務(wù)。各種仿真研究實驗平臺也隨著機器人技術(shù)不斷發(fā)展逐漸建立起來。
履帶行走機器人的行走系統(tǒng)也有很多種，比如以關(guān)節(jié)臂輔助行走的關(guān)節(jié)式履帶機器人，雙履帶機器人等。下面對幾種典型行走系統(tǒng)簡要介紹。
（1）普通雙履帶機器人
傳統(tǒng)履帶機器人長度達到60-70cm即可以實現(xiàn)基本功能，而履帶與地面較大接觸面積帶來較大摩擦力，較大的動力以及越障能力都是此行走機構(gòu)的優(yōu)勢。在各類移動機構(gòu)中屬于容易設(shè)計并實現(xiàn)的，但是在翻越較高障礙物時存有較大缺陷。
一般形式的雙履帶式行走機構(gòu)的機器人如圖1.1。多自由度機械臂與履帶式移動機構(gòu)共同組成了其運動機構(gòu)。該機器人用步進電機驅(qū)動履帶運動，由脈沖驅(qū)動的異同分別實現(xiàn)機器人的直線與非直線運動。
圖1 .1 雙履帶機器人
（2）多履帶足類機器人
此類機器人有一下兩種主要機構(gòu)形式，其簡圖如下：
圖1.2 變位多履帶行走機器人 圖1.3 并聯(lián)機構(gòu)型多履帶行走機器人
圖1.2這種將回轉(zhuǎn)軸低置并能繞其自由旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)設(shè)計是變位四履帶足機器人行走機構(gòu)其履帶可以在一定范圍內(nèi)自由擺動。面臨階梯等障礙時，前履帶輪在摩擦力的作用下產(chǎn)生反作用力，沿著障礙爬升直至越過障礙。后履帶足用同樣的方式實現(xiàn)翻越障礙。
對原有四履帶足行走機構(gòu)進行改進，增加腿長以保持平衡姿態(tài)這就構(gòu)成了并聯(lián)型四履帶足機器人。這種行走機構(gòu)主要由車體，伸縮腿和履帶足組成，如圖1.3為其行走圖。其在行走時，可以體用姿態(tài)傳感器隨時調(diào)節(jié)腿部長度以保持整個機構(gòu)的平衡。此機構(gòu)行走時，可以跨越更高的障礙物，具有更好的環(huán)境適應(yīng)能力，但制造要求也相對較高。
（3）關(guān)節(jié)式履帶機器人
關(guān)節(jié)式履帶機器人顧名思義，在原有履帶機構(gòu)中增加了關(guān)節(jié)臂以提高機構(gòu)越障能力以及對環(huán)境的適應(yīng)能力。與此同時，其穩(wěn)定性也很理想，控制相對簡單。綜合考慮其系統(tǒng)各類性能指標，表現(xiàn)都較優(yōu)。
圖1.4 關(guān)節(jié)式履帶機器人
關(guān)節(jié)式履帶機器人如圖1.4。其前臂與主題組成了主要行走機構(gòu)，驅(qū)動在后輪，不同的關(guān)節(jié)角度變化不斷適應(yīng)環(huán)境障礙的變化。
（4）復合式移動機構(gòu)機器人
復合移動機構(gòu)機器人通過增加擺腿構(gòu)成輪—腿—履帶式等復合型移動機構(gòu)以增強機器人如圖1.5。存在功率大，穩(wěn)定性差是其等缺點。
如圖所示通過擺腿的擺動來翻越障礙。與其他行走機構(gòu)比，性能有待提高。
(a) 復合機構(gòu) (b) 機構(gòu)爬行
圖1.5 復合移動機構(gòu)機器人
1.3主要研究方向
1.3.1履帶式行走系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究
初步設(shè)計的關(guān)節(jié)式履帶行走機構(gòu)是利用步進電機驅(qū)動，該機構(gòu)包含運動履帶和臂履帶。兩履帶用關(guān)節(jié)連接。而關(guān)節(jié)可以不斷調(diào)整姿態(tài)以適應(yīng)不同環(huán)境障礙。機器人這種關(guān)節(jié)式設(shè)計可以基本滿足大多數(shù)運動要求。當然，設(shè)計中也存在不足，首先，履帶式行走機構(gòu)在轉(zhuǎn)向時速度較高一側(cè)會出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象而速度較低一側(cè)會產(chǎn)生滑移。轉(zhuǎn)向時，內(nèi)外側(cè)履帶的實際速度與理論的速度不同，這樣還會帶來轉(zhuǎn)向半徑與轉(zhuǎn)向角度的變化。由于車輛轉(zhuǎn)向還會引起功率增大，當然這與地面路況和機器人接夠有直接關(guān)系。另一方面，由于長期使用導致履帶形變，破壞，磨損。最終使得機器人在直線行駛時兩履帶速度不一致。這種現(xiàn)象稱為自偏駛現(xiàn)象。為解決這類缺陷，我們在將雙流轉(zhuǎn)向機構(gòu)應(yīng)用在行駛傳動系統(tǒng)中。這種機構(gòu)將動力分為變速分路與轉(zhuǎn)向分路，功率整合后加載到驅(qū)動輪。次機構(gòu)不僅平衡兩側(cè)功率流提高了功率效率還消除了因為電機而造成的偏駛誤差。設(shè)計中，我們安放了轉(zhuǎn)向電機，用來滿足轉(zhuǎn)向時功率增大的需求。
1.3.2行走系統(tǒng)控制設(shè)計
機器人控制系統(tǒng)核心就是單片機，這次選用一個主單片機和四個從單片機。從單片機是用來控制步進電機的，單片機控制步進電機完成相應(yīng)的行走動作。這四個電機分別為行駛驅(qū)動電機和轉(zhuǎn)向電機以及兩個關(guān)節(jié)驅(qū)動電機。單片機作為控制的核心，十分重要。因此，要合理調(diào)試單片機與電機之間的配合，使得電機能理想驅(qū)動機器人完成相應(yīng)動作。
1.3.3行走系統(tǒng)越障分析
本文對所設(shè)計的履帶行走機器人實用穩(wěn)定性進行研究。在相應(yīng)數(shù)學及物理模型下，通過計算得到相關(guān)運行數(shù)據(jù)，分別對機器人穩(wěn)定性和相應(yīng)的越障可行性進行分析。得到相應(yīng)的理想設(shè)計數(shù)據(jù)。經(jīng)過分析，在設(shè)計方案基礎(chǔ)上獲得最優(yōu)方案。
23
第二章 機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1簡介
在滿足基本行走的要求下，力求機器人簡潔實用。利用所學機械設(shè)計等知識對履帶行走機器人進行了初步設(shè)計。在確保零件不失效的前提下，盡可能提高精度。機構(gòu)滿足機器人行走過程中對力，力矩以及功率等存在的特定要求。下面分別在相應(yīng)物理模型下對履帶機器人進行力學分析，傳動機構(gòu)分析。在對材料以及結(jié)構(gòu)進行力學分析的基礎(chǔ)上大致得到機構(gòu)的基本尺寸，根據(jù)尺寸繪制裝配圖以及若干零件圖。
2.2履帶機器人力學分析
2.2.1履帶機器人行走分析
履帶機器人的電機存在傳動損失，其中傳動效率。在機器人行駛過程中，履帶可能會有打滑現(xiàn)象，實際履帶的速度會產(chǎn)生變化。履帶機器人行駛過程中受力與功率分析如下圖。
式中：－旋轉(zhuǎn)速度；
?。饨缱枇?；
－實際功率；
—實際牽引力；
輪上實際功率：
(2-1)
輪上實際牽引力：
(2-2)
總前進力：
(2-3)
圖2.1 履帶輪受力與所受功率圖
設(shè)計中履帶的選擇也十分重要，履帶摩擦系數(shù)足夠大才能使機器人行走。對履帶進行受力分析，不僅要受到重力，還要有傳動時的水平力。在履帶中常常會產(chǎn)生前進阻力，這種力受履帶承載重量等因素影響。與此同時，運行過程中履帶與機構(gòu)鏈接產(chǎn)生的摩擦，沖撞等阻力也阻止機構(gòu)前進。外界環(huán)境對機器人產(chǎn)生行駛阻力，這種阻力主要來自外界環(huán)境，例如空氣，坡度障礙等。只有履帶可以提供足夠大的摩擦力才能克服外行駛阻力驅(qū)使機器人行駛。
2.2.2機構(gòu)轉(zhuǎn)向原理
2.2.2.1機構(gòu)轉(zhuǎn)向分析與討論
當人行走時兩條腿速度不同會轉(zhuǎn)圈，機器人也如此。當行走機構(gòu)兩履帶速度不同步時，就會轉(zhuǎn)向行駛。轉(zhuǎn)向時，履帶外側(cè)轉(zhuǎn)速大于內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)速，兩條履帶輪按不同半徑行駛，并由此可以得到履帶車行駛的理論半徑，如圖2.2。
圖2.2 轉(zhuǎn)動速度圖
圖中：
R—環(huán)繞半徑；
M—環(huán)繞中心；
—履帶實際觸地長；
S—兩履帶距離。
如圖所示，履帶式行走機構(gòu)在做曲線運動。可以清晰得到此時環(huán)繞中心為M，由于外側(cè)履帶速度較快，內(nèi)側(cè)較慢，整個機構(gòu)形成一個力矩。分析該力矩，可以對履帶行走機構(gòu)的軌跡有更好的身世，下面我們做出一些創(chuàng)造性假設(shè)：
(a)機器人行駛路況平坦；
(b)行駛環(huán)境中，外界各項指標平衡均勻；
(c)行走機構(gòu)在轉(zhuǎn)向時速度保持勻速；
(d)行走機構(gòu)內(nèi)外側(cè)履帶承受相同且均勻的重量；
(e)履帶重力對地面的影響均勻；
(f)履帶機構(gòu)在行走時不發(fā)生側(cè)面滑動；
(g)履帶橫向尺寸可以忽略；
在行走機構(gòu)轉(zhuǎn)向時，我們可以得到對應(yīng)傳動比的公式
（2-4）
當R確定時，我們便能確定。當兩者都知道是我們便得其比值式子如下：
（2-5）
由上式求得的比值可以群定很多行走系統(tǒng)信息。比如我們能得到驅(qū)動機器人行走的參考力。而可以大致得到機器人轉(zhuǎn)向時的運動區(qū)域，當（）或行走機構(gòu)沿直線前進。
在假設(shè)的前提下，就可以通過計算得到履帶式行走機構(gòu)各類物理量之間的關(guān)系。使得運動流暢而平穩(wěn)。
2.2.2.2履帶行走機構(gòu)物理量討論
通過對行走機構(gòu)的物理討論外輪，對行駛的速度進行簡化。在履帶式行走機構(gòu)轉(zhuǎn)向時，我們假定速度：履帶行走機構(gòu)外輪，履帶行走機構(gòu)內(nèi)輪。綜合兩種速度，得到
。此時的傳輸比。當時，履帶式行走機構(gòu)沿直線運動。當轉(zhuǎn)向半徑較大時，內(nèi)外側(cè)的前進方向一致。當可能存在失穩(wěn)的可能性，如圖2.3。
圖2.3 內(nèi)、外側(cè)主動輪相對速度
根據(jù)以上假設(shè)，在履帶式行走機構(gòu)轉(zhuǎn)彎時，進行力學分析。設(shè)定轉(zhuǎn)動比，外界環(huán)境的摩擦系數(shù)為。在此系數(shù)下得到機構(gòu)受力情況如圖2.4。
圖2.4 輪上力比值
圖中：
—履帶輪上的滾動摩擦阻力；
—電機傳給外部履帶力；
—電機傳給內(nèi)部履帶所受力。
通過分析可以得到，驅(qū)動力和所受外界力的聯(lián)系。當履帶式行走機構(gòu)在轉(zhuǎn)彎時，所受力較大，遠遠高于直線運動。因為在轉(zhuǎn)彎時，，這樣外部的履帶需要很大的驅(qū)動力這樣才能使機器人完成轉(zhuǎn)彎運動。當然如果，驅(qū)動力只是需要平衡外界力即可。這樣履帶式及其人便是直行前進。此時，所受力小，功率也相應(yīng)小。
通過對力分析后，對功率分析。與所受力分析類似，功率變化與外界環(huán)境相關(guān)，也與行駛狀態(tài)有關(guān)。我們可以得到下面功率比值圖，如圖2.5。
圖2.5 履帶上功率比值
圖中：
—外部履帶轉(zhuǎn)彎功率；
—內(nèi)部履帶轉(zhuǎn)彎功率；
—外界力產(chǎn)生功率；
上面我們對力以及功率進行分析。機器人在轉(zhuǎn)彎時，功率情況各有不同。在一定的小范圍內(nèi)，內(nèi)外側(cè)履帶所受力方向是一樣的，因此功率也一樣。當轉(zhuǎn)彎范圍達到一定程度時，內(nèi)部履帶會有制動效果。這樣就需要提高外部履帶的功率帶動整個行走機構(gòu)向前。此時的功率將大大提高而且會有一部分功率做無用功。
經(jīng)過研究與討論易知，履帶式行走機構(gòu)在沿著直線運動時，只需要克服外界的阻力，這個時候功率消耗小，運動穩(wěn)定，電機功率的輸出平衡，變化小。當履帶式行走機構(gòu)做非直線運動時，受力與功率都相應(yīng)增加。這個時候電機也會增加輸出功率。這對履帶式行走機構(gòu)的穩(wěn)定性帶來較大考驗。在機構(gòu)中添加雙流轉(zhuǎn)向機構(gòu)是為了平衡電機功率，使得機器人整體運動更加平穩(wěn)。避免受力與功率的突然變化帶來的損害。
2.2.2.3履帶行走機構(gòu)性能討論
履帶式行走機構(gòu)由電機驅(qū)動，履帶所受力在勻速運行時是平衡的。假設(shè)電機力，經(jīng)過變速后力為。這個力到作用中心距離是S。此時產(chǎn)生的力矩。由上述分析的（），可以判定此機構(gòu)的運動性能。為了防止打滑，我們盡量將摩擦力指標更大：
上式里，摩擦系數(shù)。在轉(zhuǎn)彎運動中，我們可以得到下式
由以上分析得到摩擦系數(shù)要求范圍：
履帶式行走機器人性能評定：
為了保證行走機構(gòu)能運動順暢，我們要盡可能降低值。這就帶來力與功率上的要求，因此選擇合適的電機與履帶也顯得十分重要。
履帶式行走機器人在做不同運動時，功率與力都會變化。如果要求機構(gòu)運行順暢，保持較小的必不可少。經(jīng)過分析，假設(shè)一定的外界環(huán)境建議值小于1.4.這不僅保證了履帶式機器人基本運行狀態(tài)也可以在一定條件下加強越障能力。
2.3傳動結(jié)構(gòu)
2.3.1履帶式行走機構(gòu)
2.3.1.1雙流轉(zhuǎn)動機構(gòu)
履帶式行走機器人在轉(zhuǎn)彎時，功率要遠遠大于直行功率。這就要對電機功率合理利用。將一部分行走功率供給轉(zhuǎn)彎使用。通過雙流轉(zhuǎn)動機構(gòu)分流功率。這樣履帶上所受功率不僅驅(qū)使向前，還驅(qū)使其轉(zhuǎn)向，如圖2.6。這種機構(gòu)是典型方向控制機構(gòu)，即使在較高速度下，其控制運動都較為理想。
圖2.6 雙流轉(zhuǎn)動機構(gòu)
2.3.1.2機械工作原理
首先對上述機構(gòu)，運用機械原理的知識進行輪系分析。得到下式：
（2-6）
通過變形可以得到：
式中：
—齒輪1角速度；
—齒輪2角速度；
—驅(qū)動電機角速度；
—轉(zhuǎn)向電機角速度；
—驅(qū)動分路變速比；
—轉(zhuǎn)向分路變速比。
可以得到下式：
將結(jié)果帶入整個式中得到行星架角速度：
運動中的總的角速度為：
(2-7)
下面兩種典型運動狀態(tài)下，分別分析角速度。
(1) 行走機構(gòu)直行
履帶式行走機構(gòu)直行時，兩側(cè)履帶速度應(yīng)該相同?？刂菩凶叩尿?qū)動電機經(jīng)過齒輪最終將
動力傳遞給履帶。式子如下：
(2-8)
(2) 行走機構(gòu)轉(zhuǎn)向
轉(zhuǎn)彎要分情況。（我們規(guī)定機器人向前運動時齒輪1方向為正，機器人在如圖的小太陽輪轉(zhuǎn)向下前進，大太陽輪的方向若與其相同也為正，若與小太陽輪方向相反則為負。在行走機構(gòu)做轉(zhuǎn)向運動時，驅(qū)動電機傳遞動力使得履帶前行，轉(zhuǎn)向電機會使得履帶形成速度差，使得行走機構(gòu)繞某個點轉(zhuǎn)動。此時左齒輪3的角速度： ，右齒輪3的角速度為： 。
得到內(nèi)外側(cè)履帶行走時角速度：
(2-9)
(2-10)
通過分析，當<,行走機構(gòu)左偏轉(zhuǎn)，反之則右偏轉(zhuǎn)。
由此可見，行走機構(gòu)在轉(zhuǎn)彎時，通過轉(zhuǎn)向電機的控制可以實現(xiàn)一定范圍的轉(zhuǎn)向運動。而且控制較為方便準確。轉(zhuǎn)向電機的加入平衡了履帶式行走機構(gòu)在轉(zhuǎn)彎時功率的變化。這大大降低了驅(qū)動電機的負擔。
2.3.1.3行走系統(tǒng)傳動設(shè)計
（1）齒輪設(shè)計
齒輪作為傳遞動力的零件，設(shè)計時要十分嚴謹。根據(jù)機械設(shè)計的知識，本傳動機構(gòu)采用推薦值。選取齒頂高系數(shù)，同時。
設(shè)定機器人極限行走速率20m/min。行走輪的直徑為140mm。由此求得履帶轉(zhuǎn)速。
履帶式行走機構(gòu)在運行時，應(yīng)該符合以下條件：
直行運動時：
因為，則；
轉(zhuǎn)彎運動時：
因為，則；
根據(jù)推薦，機構(gòu)中所有齒輪全部為標準齒輪，則
(2-11)
(2-12)
由以上分析，我們簡單選取，，。這樣便可求得齒輪齒數(shù)適當值：，，，。
之后，可以計算出直行下履帶行走機器人在的傳動比為。則齒數(shù)。
為了保證齒輪設(shè)計的合理性，在避免齒輪干涉的前提下取
（2）錐齒輪設(shè)計
通過計算，規(guī)定基本參數(shù)。其中齒輪的模數(shù)選擇m=1.25，齒輪的齒數(shù)為20。齒寬系數(shù)我們定為0.33。計算如下
由公式：
(2-13)
式中：
—分度錐角；
U—分度系數(shù)。
以上參數(shù)下得到分錐角為：
由求得的角度可以計算錐距：
進而求得齒寬為：
由齒數(shù)和模數(shù)可以得到分度圓直徑：
設(shè)計是不存在變位，因此選定齒頂高：
無變位下齒根高：
綜合考慮設(shè)計方案，選定安裝距。得到齒輪基本參數(shù)。
2.3.2履帶機器人關(guān)節(jié)方案設(shè)計
圖2.7 關(guān)節(jié)機構(gòu)圖
履帶臂是輔助機器人行走的，而關(guān)節(jié)機構(gòu)恰恰決定了履帶臂的運動。而驅(qū)動電機向履帶臂傳輸動力也是要通過關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。圖2.7為關(guān)節(jié)機構(gòu)圖。圖中齒輪參數(shù)如表2.1。
表2.1 齒輪參數(shù)
齒輪標號
齒數(shù)
齒寬（mm）
模數(shù)（mm）
5
17
20
1
6
34
15
1
7
17
20
1
8
34
15
1
9
17
20
2
10
34
15
2
2.4基本結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.4.1軸類零件參數(shù)尺寸
根據(jù)功率，安裝尺寸等基本要求，通過計算得到軸類零件的基本尺寸。
（1）1號軸
由軸徑公式：
(2-14)
式中：
P—傳動功率；
n—軸的轉(zhuǎn)速；
A—軸徑系數(shù)。
假定功率為0.04kw,則：
我們要把結(jié)果進行圓整，取15mm。
1號軸上齒輪的齒厚分別為25mm 和20mm。1號齒輪的厚度為25mm
軸上鍵的選擇我們以A型平鍵為主。兩個平鍵參數(shù)分別為：，；長為15mm和18mm.。所對應(yīng)的鍵槽選取分別為，。齒輪與軸的動力傳送靠兩個平鍵來完成。此軸上主要受徑向力所以選用深溝球軸承作為支撐，型號為6001-ZN。軸承參數(shù)為：。
（2）2號軸
與1號軸一樣，功率選取0.04kw。得到：
將結(jié)果圓整后最細處取16mm，軸二同樣也選用A型平鍵，兩個鍵參數(shù)為，長度分別為12mm和16mm。兩個鍵所連接齒輪的齒厚分別為20mm和16mm.
（3）3號軸
功率同以上兩軸，取0.04kw，軸徑計算得：
圓整后得軸徑為20mm。3號軸上齒輪的齒厚分別為16mm與30mm。鍵與鍵槽的尺寸分別為，。
3號軸由于主要受徑向力，同樣選取深溝球軸承，其型號為61804-ZN。尺寸參數(shù)：。
（4）4號軸：
功率同取0.04kw，最小軸徑得到：
最終經(jīng)過圓整，軸徑取20mm。4號軸平鍵與軸承的選用類型基本與上軸一致。平鍵參數(shù)為。以徑向力為主選用深溝球軸承型號61903-ZN。
（5）5號軸
主軸功率取10w，帶入公式：
最終軸徑最細處取10mm。
軸上齒輪的參數(shù)為：。鍵的尺寸：。軸承同樣選用深溝球軸承，參數(shù)為： 。
（6）6號軸
由5號軸的尺寸，我們得到6號軸的設(shè)計參數(shù)。6號軸為齒輪軸，Z=34,d=15，m=2。承載所選用的軸承型號為61805。參數(shù)為 。
（7）7號軸
鍵的尺寸分別為，S=12mm；，S=16mm.支撐軸承的型號為61902，參數(shù)為 。
2.4.2剩余部件設(shè)計
除上述主要部件外，履帶式行走機構(gòu)還包含履帶，履帶臂隔板，主箱體等部件。根據(jù)任務(wù)書要求，選用同步帶類型為T10×550~T10×7150。其長度為1200mm。D=140mm。履帶臂選用的履帶長度為860mm。如圖2.8。
圖2.8 所選用履帶的外形圖
聚酰胺材質(zhì)具有耐磨性高，彈性好，質(zhì)量輕等優(yōu)點。此次，選用此材料作為箱體主要材料。該材料在工業(yè)設(shè)計與加工中也較為簡便。
第三章 機器人控制系統(tǒng)
3.1 簡述
機器人控制系統(tǒng)是實現(xiàn)其運動的核心。綜合來講如何利用PC機傳遞信息給單片機進而控制電機運動是所要研究的主要問題。履帶式行走機構(gòu)既要驅(qū)動主履帶輪運動，也要改變關(guān)節(jié)的運動。因此主履帶輪至少由兩個電機控制，一個控制行駛，一個控制轉(zhuǎn)向。關(guān)節(jié)的運動同樣也需要對應(yīng)電機的控制。
3.2 控制系統(tǒng)選取
3.2.1 主要原件選取
機器人控制主要由單片機完成。此次設(shè)計的履帶行走機器人擁有2臺驅(qū)動控制電機，2臺關(guān)節(jié)控制電機。這四臺電機需要所對應(yīng)的單片機分別控制?？紤]到接受PC機的指令，還需要一個單片機作為主單片機。主單片機將信息傳遞給從單片機，以控制機器人完成相應(yīng)運動
3.2.2 控制原理設(shè)計
根據(jù)履帶式機器人的具體結(jié)構(gòu)，為其設(shè)計配套控制方案。首先，機器人在戶外環(huán)境中運行，需要有PC機對其進行無線控制。PC機先把指令傳給主單片機。從單片機在主單片機的指令下控制對應(yīng)的異步電機。電機之間相互配合，完成動作。其次，履帶式機器人運行狀態(tài)也同樣可以通過這個通道反饋給PC機，這樣PC機可以通過計算，找到路徑最優(yōu)解，改進指令使機器人運動平穩(wěn)。這個過程中信息控制與反饋顯得十分重要。
具體來說，電機是通過接受不同脈沖頻率來施行運動的。機器人前后直行時，是由驅(qū)動電機接受同頻脈沖后，履帶具有相同的轉(zhuǎn)動方向與速度。顯然，速度的大小就由接受到的脈沖的頻率來決定。當機器人要轉(zhuǎn)彎時，驅(qū)動電機受到的脈沖頻率是不同的。這樣會使得履帶機器人繞某一定點或動點轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的方向則是由轉(zhuǎn)向電機接受的脈沖頻率來決定。
關(guān)節(jié)機構(gòu)控制履帶臂的運動，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中關(guān)節(jié)機構(gòu)。包含內(nèi)軸與外軸，分別由兩臺步進電機控制。5號軸通過接受脈沖信號控制的是履帶臂的運動，6號軸控制的是履帶臂的角度。單片機不斷接受反饋信號，優(yōu)化履帶臂的運動姿態(tài)，以適應(yīng)環(huán)境的變化，如圖3.1。
計算機
電平轉(zhuǎn)換
無線收發(fā)模塊1
無線收發(fā)模塊1
主單片機
從單片機
驅(qū)動電路
電機
無線通信
圖3.1 控制系統(tǒng)方框圖
通過無線通訊的運用控制機器人，實現(xiàn)人機交互是機器人技術(shù)的關(guān)鍵。PC控制單元與機器人本體利用PTR2000模塊進行無線通訊。PC機通過串口經(jīng)無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳送給對應(yīng)單片，單片機再通過控制電機來控制機器人行走。同時，機器人的各項參數(shù)也可利用此模塊反饋給PC機。PC機與模塊連接時要進行電平轉(zhuǎn)換，這要用到MAX232芯片。在對無線收發(fā)模塊編程時應(yīng)當定義一個簡單的協(xié)議用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
履帶式機器人的控制其實是人機控制的典型例子。如果將大量傳感器加載到機器人上，可以搜集大量反饋信息就能較好實現(xiàn)人機交互。因此控制系統(tǒng)要不斷改進才能更好提高機器人工作的效率與穩(wěn)定性。
、
第四章 越野機動性能分析
4.1 概述
在對履帶式行走系統(tǒng)的性能分析上，先簡化整個機構(gòu)模型。機器人采用履帶式行走機構(gòu)主要由后輪驅(qū)動。由主體和前臂主組成的機器人有一下幾種典型姿態(tài)。在平坦地面一般收臂運動，在遇到障礙時機器人根據(jù)環(huán)境狀況進行不同角度的擺臂來運動，如圖4.1。
圖4.1 運動姿態(tài)圖
4.2履帶機器人穩(wěn)定性分析
履帶式機器人運動時隨著環(huán)境的變化，關(guān)節(jié)不斷變化，會導致重心的改變。這樣，不同姿態(tài)下，機器人的穩(wěn)定性是不同的。在數(shù)學模型下對機器人整體進行分析，如圖4.2。設(shè)機器人瞬時的質(zhì)心的坐標為：（）。參考坐標點A代表前履帶輪中心。B代表履帶臂的中心。設(shè)m為履帶臂重，其余部分重?？傎|(zhì)量用M表示，m+=M。履帶臂質(zhì)心到履帶輪中心距為，履帶臂旋轉(zhuǎn)角度為。得到以下式子：
(4-1)
(4-2)
化簡得：
(4-3)
圖4.2 質(zhì)心示意圖
履帶機器人運動時，質(zhì)心（）在變化。變化區(qū)域基本在一個以為半徑的圓內(nèi)，在圖中可以清晰看出。根據(jù)式子，當與值減小時，可以縮小質(zhì)心區(qū)域圓的大小，履帶機器人運動時質(zhì)心變化幅度將減小，這會大大提高機器人的穩(wěn)定性。
綜合考慮，設(shè)定總質(zhì)量M=21.5kg，履帶臂質(zhì)量m=2.87kg，距離＝97.0mm，前后兩履帶輪距離為380mm。履帶臂兩輪距離為250mm，如圖所示。=200mm，＝5mm。由此得到質(zhì)心區(qū)域圓，圓心坐標為30.92，0.78，r=15mm。
4.3 各類路況分析
4.3.1 溝壑跨越
履帶式機器人在溝壑跨越中，主要研究所能跨越的寬度。當履帶臂與主體呈直線時，此時對于平坦溝壑可以達到最大跨越寬度，如圖4.3所示。為了保證可以平穩(wěn)跨越，履帶臂在懸空時，重心不能落到溝壑的范圍內(nèi)。
圖4.3 溝壑跨越
因此計算此姿態(tài)下履帶式機器人重心：
由重心得到溝壑最大寬度為：
4.3.2 爬坡行駛
爬坡是機器人運動時遇到的典型障礙之一。在坡上行駛不會打滑，不會側(cè)翻是基本要求。與跨越溝壑相同，爬坡時，履帶臂與主題同樣呈直線，這樣可以使爬行坡度達到最大值。這要求履帶與地面的滑動摩擦力大于重力的斜向下分力。如圖4.4，計算重心位置。
圖4.4 機器人坡行圖
重心縱坐標：
重心橫坐標：
角度計算：
。
由計算，理論上，機器人在直線姿態(tài)下可以達到爬行最大角度為73度。機器人在實際爬行時應(yīng)小于此理論角度
4.3.3 臺階翻越
履帶式機器人翻越臺階是對其綜合性能的一大考驗。在翻越過程中關(guān)節(jié)機構(gòu)不斷調(diào)整履帶臂的角度，重心也不斷變化，最終翻越障礙。翻越的具體過程如圖4.5。
圖4.5 階梯翻越
一般在階梯翻越過程中，主要考慮機器人的側(cè)翻情況，當時，機器人會翻到。
在，當也會出現(xiàn)類似情況。
因此保證適當?shù)碾A梯尺寸，履帶式機器人才能平穩(wěn)越過。
第五章 結(jié)論與展望
5.1結(jié)論
機器人技術(shù)在當下發(fā)展迅速，本文對履帶式機器人進行了較為系統(tǒng)的研究。首先介紹了履帶機器人的應(yīng)用背景，對幾類行走機構(gòu)進行了表格化比對。主要對關(guān)節(jié)式機構(gòu)的履帶機器人進行設(shè)計分析。
關(guān)節(jié)式履帶機器人研究重點在其機構(gòu)設(shè)計和控制方案設(shè)計。為了滿足應(yīng)用要求，對機器人行走進行力學分析。履帶式行走機構(gòu)不僅要實現(xiàn)直線行走，還要能轉(zhuǎn)彎進退。在這里，提出了使用雙流轉(zhuǎn)向機構(gòu)。此機構(gòu)有利于機器人在行走過程中功率與動力的合理分配。進行機構(gòu)傳動分析后，合理設(shè)計基本零部件尺寸，得到主要軸及齒輪的主要參數(shù)?？刂品桨高x擇也是設(shè)計重要環(huán)節(jié)，用PC機發(fā)送無線信號給主單片機，進而控制對應(yīng)步進電機。整個控制包含反饋環(huán)節(jié)，屬于半閉環(huán)控制系統(tǒng)。完成機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計后，要對履帶式機器人的基本性能進行分析。履帶式機器人重心的確定關(guān)乎到整體的穩(wěn)定性。主要分析了機器人在跨越溝壑，爬坡，翻越階梯時的性能。為了保證機器人穩(wěn)定性的前提下提高機動性，通過計算，盡量增大履帶臂與機體的距離。
整個設(shè)計過程中還有需要完善的地方，機械結(jié)構(gòu)中，可以通過優(yōu)化再次減小轉(zhuǎn)彎時功率增加帶來的問題?？刂品桨钢袀鞲衅餍盘枌φ麢C控制的反饋還需要討論。在性能檢測中階梯翻越給出了一種爬行姿態(tài)，優(yōu)化后會有多種姿態(tài)方案可以減小機器人傾翻的可能性。這些優(yōu)化方案還有待繼續(xù)研究。
總體來說，履帶式行走系統(tǒng)基本滿足預(yù)期設(shè)想，達到任務(wù)要求。
5.2展望
機器人履帶行走系統(tǒng)的研究本文暫時告一段落，但仍然有很多有價值的問題需要研究解決。畢竟機器人技術(shù)發(fā)展迅速，要快速，準確地利用機器人完成艱巨的任務(wù)還需要更多研究實驗成果。機器人技術(shù)是具有很強的綜合性，它不僅包含有機械設(shè)計，材料力學等基礎(chǔ)性機械知識，還包含了電機學，自動控制等電學知識。因此，對機器人的研究可以帶動很多學科的進步。履帶式機器人還有很大提高空間，在機器人上加入傳感器，對環(huán)境變化多方位檢測并反饋給控制端，可以使機器人運行更準確。這樣在真實的救援等環(huán)境中將大大提高效率。未來如果能改進材料與零件加工精度，機器人行走將更為理想。
履帶式行走機器人只是整個機器人大家族的一小部分?；艚鹪f，未來100年內(nèi)，機器人的人工智能將在絕大部分條件下代替人類。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)分析處理的速度將不斷提高，3D打印技術(shù)也給了制造業(yè)新的活力，這些都會促使機器人研究更進一步。生產(chǎn)標準化與較高的生產(chǎn)成本可能是如今機器人普及的障礙。但是我們技術(shù)在發(fā)展，人類在進步機器人部分代替人類工作等以成為大勢所趨。未來將是人類簡單控制機器人完成工作，全面智能化即將來臨。
致 謝
此次畢業(yè)設(shè)計中，首先非常感謝我的指導老師林曉輝老師，他對同學認真負責。在整個畢業(yè)設(shè)計中，遇到很多問題。在林曉輝老師嚴謹細致的指導下克服了很多困難。陳敏華老師和易茜老師在整個畢業(yè)設(shè)計中也給予了大量指導與幫助。指導老師們的教誨使我在課程設(shè)計過程中，不斷學習，不斷進步。在他們的教導下，不僅讓我學到了大量的專業(yè)知識還鍛煉了我堅強的意志品質(zhì)。讓我養(yǎng)成了嚴謹?shù)那笾窈鸵唤z不茍的工作態(tài)度。在此還要感謝同學們，此次畢業(yè)設(shè)計同學互幫互助不僅從他們那里學到了很多知識，還給予了我極大的鼓勵。感謝父母，他們對子女的愛是無私的。對父母的感謝也不是用語言可以簡單表達的。我只能努力拼搏，用成績回報父母。
最后非常感謝母校東南大學成賢學院對我四年的培養(yǎng)，在一個良好的環(huán)境中學習知識并應(yīng)用到實際中。知識是無窮的，學校教會我們的是學習知識的方法。四年的本科經(jīng)歷讓我在學習生活中都得到了很好的歷練，讓我學會如何承擔責任。馬上就要走出校門，對大學生活無比懷念的同時又對未來充滿希望。我會牢記學校所學，努力成為棟梁之才，用出色的成績回報母校。
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