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南 京 理 工 大 學 紫 金 學 院
畢業(yè)設計(論文)外文資料翻譯
系： 機械工程系
專 業(yè)： 機械工程及自動化
姓 名： 楊斌
學 號： 060104242
(用外文寫)
外文出處： Acta Astronautica 64 (2009)
925-934
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導教師評語：
該生對專業(yè)詞匯比較熟悉，翻譯的外文資料語句比較通順流暢，表達比較準確，圖文并茂，達到外文翻譯良好的要求。
簽名：
年 月 日
注：請將該封面與附件裝訂成冊。
附件1：外文資料翻譯譯文
基于演化方法的月球車高性能懸掛系統(tǒng)設計
關鍵詞：懸掛機構;四連桿機構;月球探測器，探測車
摘要：本文提出了一種新的月球車的懸掛機構，稱作正面反向四連桿懸架機構（簡稱ORF-L機構）它的兩個組成部分根據(jù)轉向架和搖桿轉變而成。首先，我們分析了轉向架的構造，并且研究了提高其性能的方法。在研究的基礎上，對轉向架形成的機構，命名為正面四連桿機構。它比轉向架有更好的性能。另外一個搖桿形成的機構也被提了出來，命名為反向四連桿機構。轉向架，搖桿和他們的形成機構對可以組成包括有興趣的ORF-L懸掛在內的4個可以使用的懸掛機構。由于ORF-L懸掛機構由兩個形成機構組成，所以它具有最高的性能。為了驗證它，我們通過仿真來對ORF-L和搖桿轉向架懸掛機構進行比較。最后，我們設計和制造了一個裝有ORF-L懸掛機構的火星車原型。它如預期的一樣有著令人稱贊的性能。
1.引用
輪式機車系統(tǒng)可以高效率的在各種地表上行駛。它的沖擊載荷，能源消耗和磨損不僅較小，而且其配置也比其他類型的機車系統(tǒng)簡單。舉一個例子來說就是機車跟蹤系統(tǒng)。輪式機車系統(tǒng)廣泛用于行星探索。但是，它在行進方面的能力較差，為了提高它的性能，各種各樣的懸掛機構被發(fā)明制造了出來，例如，美國航天局將搖桿轉向架懸掛機構用于Sojourner，Rocky7,MER,FIDO,等項目中；瑞士聯(lián)邦技術研究所將并行結構和彈簧懸掛機構用于SHRIMP等研究項目中；本宇航研究所將司服懸掛機構用于日本的Mcro5；RCL概念系列當中，CRAB也被用于ESA 和 ASL的火星車原型，諸如此類，不慎枚舉。盡管所有的懸掛機構的設計都是以在崎嶇的地形上行走并且性能良好為準則，但是每個設計都有其自己的優(yōu)點和缺點。例如，并行體系結構，轉向架和彈簧懸掛結構具有良好的爬坡能力，但它的平臺平穩(wěn)性并不像將它的一個后輪直接固定在平臺上那樣平穩(wěn)。因此，仍有必要設計一個新的懸掛機構，用于徹底提高輪式運動系統(tǒng)的性能。
由于Sojourner和MER已經在火星上成功地完成工作，而且它們的懸掛機構都是搖桿轉向架懸掛機構，所以搖桿轉向架懸掛機構是很值得研究的。因此，本文開頭先對搖桿和轉向架分析，然后提出一種在搖桿和轉向架基礎之上演變而來的一種新型懸掛機構。
2正面四連桿機構設計
2.1轉向架的特征
轉向架是搖桿轉向架懸掛機構的一個組成部分?；鹦翘綔y器Sojourner的轉向架如圖1。 因為它是彎曲的桿，所以穩(wěn)定性不強，在不平的道路上行走很容易被推翻。樞軸點轉向架和輪1和第2輪的中心點，使角度β和α，形成一個三角形（見圖1）。通過分析三角形的穩(wěn)定性，我們知道，角α越大三角形就越容易變成順時針，角β越大三角形就越容易變成逆時針.另外，在不平衡的道路上，當一輪相對于另一輪抬高的高度較大，角α和β越大，車輪負荷的變化就越多，轉向架翻的可能性更大。
為了加強轉向架的穩(wěn)定性和減少車輛負荷的變化，有必要調整轉向架，使角α和β調的更小甚至為零，圖2.Rocky7是所示Rocky7轉向架美國航空航天局改進型Sojourner，其轉向架是直線型的.但是這樣的調整也降低了轉向架和地面之間的距離，導致轉向架存在被障礙封死的可能.雖然縮短轉向架長度的Rocky7可以減少被障礙封鎖的可能性，但同時也降低了其穩(wěn)定性。因此，由于轉向架，穩(wěn)定性，輪載不變性與離地間隙相互制約著對方。為了找到平衡，一個適合的角α或β應當是存在的。
攀爬的轉向架可以算是它的扭矩在轉向架輪裝載幫助攀登（積極扭矩）克服了這在轉向架加載，以防止攀爬（負扭矩）車輪扭矩。對于轉向架，不管如何調整形狀，長度和契機，爬坡能力仍然薄弱。這是因為在輪1在扭矩下攀升與輪2攀登的相互克制，而且這些調整不能打破這個克制.換句話說，爬坡能力薄弱的轉向架是與生俱來的，不能被優(yōu)化.因此為了要提高，我們必須設計新的機構，打破這種相互克制。
2.2提高轉向架攀登能力的方法
通過2.1，我們知道，轉向架的穩(wěn)定性和Rocky7輪載比不變性比Sojourner要好。因此，我們開始研究Rocky7的轉向架輪1接觸的障礙時的相關參數(shù)列于圖3（a）。當輪1遇到障礙，輪1的受到力與扭矩是F1和Tf1。輪2的受到力與扭矩是F2和Tf2 。轉向架樞軸點之間，輪1和輪2的中心距離分別是L1和L2.積極扭矩作為攀登設為T1，順時針方向.負扭矩攀登設為T2，逆時針方向。 F1和F2的力臂是Lb1和Lb2。與轉向架及F1和F2力臂的角度分別是γ1和γ2。F1和地平線之間的角度是β1。F2和地平線之間的角度為β2.轉向架和地平線之間的角度分別是α1和α2。
當輪1接觸障礙，當它在0<1<900和0<2<900 之間變化，通過圖3（a）中，當γ1較小時T1越大。顯然，通過抬升傾斜轉向架可以減少γ1（當α1增加至900 -β1時，γ1將減少到零），見圖3（b）項。因此，當轉向架的姿勢是抬升狀態(tài)時積極扭矩T1 就會增加。此外，橫向構成這種傾斜，α2就會上升。由于T2 =F2×Lb2 =F2×L2×sin (β2-α2)和α2上升，T2就出現(xiàn)故障。因此，負扭矩在這種姿勢下會下降。
根據(jù)上述分析，我們知道，當輪1接觸到障礙，如果轉向架是抬頭傾斜的，它攀登障礙的能力將得到加強（攀登的積極扭矩增加，負扭矩減少）。同樣的方式，不難證明，當輪2接觸障礙，攀爬障礙的能力也可在這種姿勢下得到提高。根據(jù)這一姿勢，轉向架和地面之間的間隙增加。當輪2攀登障礙時該轉向架的穩(wěn)定性是非常高的?，F(xiàn)在的問題是，轉向架穩(wěn)定性不高，當輪1攀登障礙，因為隨后的轉向架翻轉會令角2更大（另見2.1節(jié)分析）。但這個問題可以通過反向轉向架及增加L2的長度來解決，如圖所示4。
根據(jù)本節(jié)的分析，我們可以得出一個結論，傾斜和反向轉向架具有較強的爬坡能力，也對機構穩(wěn)定性和輪載不變性有好處。
圖2. Rocky7和它的搖桿轉向架懸掛機構
圖3.轉向架參數(shù)化模型：（一）轉向架原始狀態(tài)（其中1 = 0，2 = 0）;（二）國產傾斜轉向架
2.3． 正面四連桿機構設計
上述的分析證實了傾斜和反向轉向架的優(yōu)勢。為了在實踐中的表現(xiàn)出色，我們必須找到一個適當?shù)念愃茩C構，因為傾斜的轉向架不能保留在實際工作中。
基于運動學和力學[9]，我們提出的傾斜和反向轉向架類似機構，命名為正面四聯(lián)動機構，如圖.5所示。
當正面四連桿是一個并行結構,長度和相應的鏈接斜坡角度，兩種機構之間是相同的，運動軌跡及相應的車輪壓力是與十字型標志樞紐同樣被固定的。因此，正面四聯(lián)動機構可以有傾斜和反向轉向架同樣的優(yōu)勢。
圖4. Rocky7的傾斜和反向轉向架
圖 5 轉向架及其等效機制
圖.6 搖臂的參數(shù)化模型以及它的演進機制（反向四連桿）：（a）搖桿（b）反向四連桿
3. 反向四連桿機構設計
我們在對轉向架搖桿演變搖臂懸掛的基礎上提出了一種逆向四聯(lián)動機構，如圖6（b）所示。下面的分析表明，新機構比搖桿有更好的性能，如圖6（a）所示。
反向四聯(lián)動機構有四個支點，搖桿有一個支點。為了模擬實際工作狀態(tài)，十字形標志的樞軸是固定的聯(lián)系，可以自由地反向固定支點。
3.1爬坡能力的比較
為了公平比較，我們使得搖桿和反向四連桿機構的聯(lián)系尺寸、相應的角度、力和力矩都相同，（見圖6）。駕駛室負荷是G，輪子轉向架的力F3和扭矩Tf3，當輪3遇到障礙時，遵循規(guī)則：0 < b3< 90?（見圖3），平衡扭矩Te1和Te2是負載的，
圖.7 搖臂的參數(shù)化模型及反向四連桿后車輪爬上障礙 （a）搖桿;（b）反向四連桿
兩個負載兩端聯(lián)系著，以阻止爬坡輪。因此，機構的爬坡能力可以由其平衡扭矩Te來反映。平衡扭矩Te越大，爬坡能力越強。Te1和Te2可寫成如下式：
其中，R是車輪半徑，f是車輪和地面之間的摩擦系數(shù)。所以我們令，0
0.
因此，具有適當?shù)脑O計的反四聯(lián)動機構，比搖桿具有更好的爬坡能力。
3.2駕駛室平穩(wěn)性比較
Sojourner的駕駛室通過平均機構[10,11]連接到要干的負載上，這是一種可取連接駕駛室的方法，該方法也適用于我們的火星車。因此，我們可以通過評估負載聯(lián)系的斜坡角度來評估駕駛室的平穩(wěn)性。（見圖.7）連接駕駛室的位置標有方形。在初始狀態(tài)，這兩個機構的負載都是橫向的聯(lián)系。（見圖.6）
在這兩種機構中，輪3被障礙物拱起的高度為H2，兩個負載連接的坡角分別為和，因此比較這兩角可以評估出兩個駕駛室的穩(wěn)定性。
基于逆運動學四連桿機構，聯(lián)系負荷的旋轉方向與輪轉向相對聯(lián)系負荷的方向相同。因此當兩個聯(lián)系負載順時針轉動導致輪3爬上障礙物時滿足關系：。根據(jù)（5）（6），是一個增函數(shù)，在以上的分析基礎上不難推斷出。因此，wheel3爬上障礙時火星與反四聯(lián)動機構火星車駕駛室比搖桿平穩(wěn)性高。
用相同的方法，當輪3下降的時候不難得出相同的結論。
4.正背面四連桿懸掛設計
從第2、3部分我們知道，正面四連桿機構（OF—L）比轉向架和反向四連桿機構（RF—L）以及搖桿表現(xiàn)更好。認為由（OF—L）和（RF—L）構成的懸掛是高性能的，這是合理的。（這一結論也驗證了第六部分的模擬）。（OF—L）和（RF—L）組合的實現(xiàn)，
一個高性能的懸掛便誕生了，名為正背面四連桿懸架，（ORF—L懸掛），如圖8 。ORF—L懸架包含6個聯(lián)系點和7個支點。ORF—L懸架的安裝和使用方法與搖桿轉向架相同。
ORF—L懸架繼承了OF—L和RF—L的優(yōu)點，因此，它在攀登障礙、駕駛室穩(wěn)定性、輪載不變性和懸浮穩(wěn)定性方面具有比轉向架搖桿懸架更高的性能。
5. 組合機構分析
OF—L，RF—L，轉向架和搖桿可以組成四個可用的懸掛，分別命名為：ORF—L懸架，OF—L搖臂懸架，轉向架RF—L懸架和轉向架搖桿懸架。如圖9
圖8. ORF—L懸架機構的羅孚模式
圖9. 組合機構: (a) ORF-L; (b) OF-L-搖桿; (c) 轉向架-RF-L; (d) 轉向架-搖桿
南京理工大學紫金學院
畢業(yè)設計（論文）任務書
系：
專 業(yè)：
學 生 姓 名：
學 號：
設計(論文)題目：
輪腿式移動機器人行走越障驅動裝置
的設計與研究
起 迄 日 期:
2010年2月23日 ~ 2010年6月15日
設計(論文)地點:
南京理工大學紫金學院
指 導 教 師:
專業(yè)負責人:
發(fā)任務書日期: 2 0 1 0 年 2 月 22 日
任務書填寫要求
1．畢業(yè)設計（論文）任務書由指導教師根據(jù)各課題的具體情況填寫，經學生所在專業(yè)的負責人審查、學院（系）領導簽字后生效。此任務書應在畢業(yè)設計（論文）開始前一周內填好并發(fā)給學生；
2．任務書內容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網頁上下載）打印，不得隨便涂改或潦草書寫，禁止打印在其它紙上后剪貼；
3．任務書內填寫的內容，必須和學生畢業(yè)設計（論文）完成的情況相一致，若有變更，應當經過所在專業(yè)及學院（系）主管領導審批后方可重新填寫；
4．任務書內有關“學院（系）”、“專業(yè)”等名稱的填寫，應寫中文全稱，不能寫數(shù)字代碼。學生的“學號”要寫全號（2000級為10位數(shù)），不能只寫最后2位或1位數(shù)字；
5．任務書內“主要參考文獻”的填寫，應按照國標GB 7714—87《文后參考文獻著錄規(guī)則》的要求書寫，不能有隨意性；
6．有關年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”。
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
1．本畢業(yè)設計（論文）課題應達到的目的：
1、通過畢業(yè)設計，掌握如何根據(jù)設計要求查閱相關的設計資料及參考文獻，并根據(jù)設計任務的要求和設計原則確定設計方案。
2、了解和掌握工程設計的一般步驟和方法，在總體設計的基礎上進行輪腿式移動機器人驅動裝置的結構設計和運動方案設計；能夠對設計對象展開一定的理論研究。
3、通過設計能較好地掌握一些現(xiàn)代設計方法和手段，使設計者在工程設計的各個方面均能得到良好的訓練。
2．本畢業(yè)設計（論文）課題任務的內容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術要求、工作要求等）：
課題要求對機器人腿式和輪式移動原理進行了解和掌握，在此基礎上對兩種移動方式進行綜合，設計出一種適合野外非結構環(huán)境下的移動機器人驅動裝置，機器人能夠在復雜路面上行走、具有較強的越障能力。在機械CAD環(huán)境下設計驅動裝置的總體方案和結構，各種機電元件進行選型設計，并對機器人越障行為進行分析與研究
設計技術要求：
1．每個輪子獨立驅動，采用環(huán)境適應能力好的六腿式結構。
2．重量小于45Kg ，外形尺寸長度不超過800mm，寬度不超過600mm 。
3．機器人最大移動速度10Km/h，具備越障和爬坡能力。
4．要求能夠翻越250mm高的障礙,能夠爬15°的斜坡。
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
3．對本畢業(yè)設計（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設計論文、圖表、實物樣品等〕：
1、設計輪腿式移動機器人驅動裝置的總體方案，得到行走穩(wěn)定越障靈活的機構系統(tǒng)。
2、利用CAD設計軟件進行三維結構設計，并繪制零件圖和裝配圖。
3、利對機器人步態(tài)進行分析，研究機器人越障能力和效果。
4、完成畢業(yè)設計論文一篇。
4．主要參考文獻：
[1] 王華坤，范元勛.機械設計基礎（Ⅰ）.北京：兵器工業(yè)出版社，2001.6
[2] 王華坤，范元勛.機械設計基礎（Ⅱ）.北京：兵器工業(yè)出版社，2001.6
[3] 徐灝.機械設計手冊（第三冊）.北京：機械工業(yè)出版社，1991
[4] 徐灝.機械設計手冊（第四冊）.北京：機械工業(yè)出版社，1991
[5] 田海波,方宗德,周勇,李聲晉,寇發(fā)榮.輪腿式機器人傾覆穩(wěn)定性分析與控制[J]. 機器人, 2009,(02) .
[6] 劉靜,趙曉光,譚民. 腿式機器人的研究綜述[J]. 機器人, 2006,(01)
[7] 于涌川,原魁,鄒偉. 全驅動輪式機器人越障過程模型及影響因素分析[J]. 機器人, 2008,(01) .
[8] 尚偉燕,李舜酩,鮑慶勇. 新型探測車復合式移動系統(tǒng)結構設計及運動分析[J]. 機械科學與技術, 2009,(07) .
[9] 王偉東,孫立寧,杜志江. 具有手臂的移動機器人越障性能分析[J]. 上海交通大學學報, 2009,(03) .
[10] 鄧乃上,方宗德,田海波. 輪腿式機器人的轉向特性及控制策略的研究[J]. 機械科學與技術, 2009,(02) .
[11] 吳艷花. 可重構機器人越障分析[J]. 機械管理開發(fā), 2009,(01) .
[12] 李金良, 呂恬生, 孫友霞. 腿輪式機器人的運動原理及參數(shù)優(yōu)化[J]. 機械設計, 2003,(08)
[13] 夏玉華,梁斌,強文義,劉良棟. 月球漫游車關鍵技術初探[J]. 機器人, 2001,(03) .
[14] 蘇軍,陳學東,田文罡. 六足步行機器人全方位步態(tài)的研究[J]. 機械與電子, 2004,(03) .
[15] 李金良, 呂恬生, 趙榮崗. 腿輪式機器人自適應控制的研究[J]. 中國機械工程, 2003,(21)
畢 業(yè) 設 計（論 文）任 務 書
5．本畢業(yè)設計（論文）課題工作進度計劃：
起 迄 日 期
工 作 內 容
2010 年
1 月 4 日 ~ 3 月 31日
4 月1 日 ~ 4 月 25 日
4 月26 日 ~ 5 月31 日
6 月1 日 ~ 6 月11 日
6 月12 日 ~ 6 月18日
查閱設計資料、參考文獻，熟悉設計軟件，外文文獻翻譯
開題報告。
設計輪腿式移動機器人驅動裝置的總體方案，得到行走穩(wěn)定、越障靈活的機構系統(tǒng)。對機器人步態(tài)進行分析，研究機器人越障能力和效果。
利用CAD設計軟件進行三維結構設計，并繪制零件圖和裝配圖。
完成畢業(yè)設計說明書的編寫。
準備設計答辯。
所在專業(yè)審查意見：
負責人：
年 月 日
學院（系）意見：
院（系）領導：
年 月 日
南京理工大學紫金學院
畢業(yè)設計說明書(論文)
作 者:
學 號：
系：
機械工程系
專 業(yè):
機械工程及自動化
題 目:
輪腿式移動越障機器人驅動裝置的研究
講師
指導者：
(姓 名) (專業(yè)技術職務)
評閱者：
(姓 名) (專業(yè)技術職務)
2010 年 5 月
畢業(yè)設計說明書（論文）中文摘要
設計了一種能適應不同野外環(huán)境的移動機器人,其驅動系統(tǒng)為輪腿式.利用輪腿結合的方式實現(xiàn)越障,具有很強的越障能力.機器人采用六輪腿結構.保障了機器人的平穩(wěn)性,本文對六輪腿式移動越障機器人驅動裝置整體結構作了設計,通過對車輪,腿臂,車身等進行設計,對電機,制動器,減速器等進行選型,對機器人做了性能分析,步態(tài)分析.在Pro/E 設計環(huán)境下,對整個機器人進行裝配,排除干涉.驗證結構的正確性.并且在CAD內畫出了機構的裝配圖.
關鍵詞 機器人 越障機構 六輪腿式 驅動裝置
畢業(yè)設計說明書（論文）外文摘要
Title The design of multi-wheel restructureabl
robot’walks drive system
Abstract
Design a robot work in different environment,it’movessubsystem is design as a leg-wheel type.It can cross very high obstacle,have very stong hindering ability. The robot adopts six legs mechanism. It has safeguarded the robot stability. In this paper, six legged mobile robot obstacle made the overall structure of the design drive, design on wheels, legs, arms, body, etc. Selecting on the motor, brake, reducer selection, etc. Doing performance analysis, gait analysis Of the robot. In the Pro / E design environment, the entire robot assembly, Exclude interference, verify the correctness of the structure . And draw the body within the CAD assembly drawing.
Keywords robot Obstacle sector six leg-wheel system drive equipment
南 京 理 工 大 學 紫 金 學 院
畢業(yè)設計(論文)開題報告
學 生 姓 名：
學 號：
專 業(yè)：
機械工程及自動化
設計(論文)題目：
輪腿式移動機器人行走越障驅動裝置
的設計與研究
指 導 教 師:
2010 年 3 月 19 日
畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
1．結合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫
2000字左右的文獻綜述：
文 獻 綜 述
一、 移動機器人的發(fā)展概況
隨著科技的進步，人類的視野越來越開闊，對未知世界進行探索的愿望越來越強烈。迄今為止，人們已經開始了對月亮、火星等宇宙星體的探索，也開始對地下埋藏的，乃至海底沉寂的歷史古跡、文化遺產、地理地貌的研究。另外，現(xiàn)代戰(zhàn)爭的復雜程度越來越高，反恐斗爭的難度也越來越大，需要人們能夠及時準確地完成各種偵察或作戰(zhàn)任務。不過，面對各種復雜的環(huán)境，如宇宙星體日夜溫度變化劇烈、地形高低起伏明顯、戰(zhàn)場情況的突發(fā)性和多變性等，由于生理原因，人們常常束手無策[1,2]。
可遙控控制、能夠適應地形變化的移動機器人，為人類突破這些局限創(chuàng)造了條件。這種機器人可以適應不同環(huán)境，不受溫度、濕度、空間、磁場輻射、重力等條件的影響，完成人類無法進行的探測任務。
移動機器人是一種能夠與外界環(huán)境交互的智能系統(tǒng)，在有障礙物的環(huán)境中能夠面向目標自主運動，從而完成一定作業(yè)功能的機器人系統(tǒng)。用于軍事偵察、反恐防暴等危險作業(yè)的小型地面移動機器人以其體積小、成本低、生存能力強、運動靈活等特點成為移動機器人研究領域的又一熱點。由于其工作環(huán)境復雜多變,很多時候要求機器人不是避開障礙或復雜地形,而是要越過并適應它。所以,研究開發(fā)具有越障功能的小型地面移動機器人以適應各種結構化、非結構化環(huán)境是非常必要的。與傳統(tǒng)的以研究機器人智能、決策等為目的而開發(fā)的輪式移動機器人相比,在機動性、越障能力、集成設計等方面出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術問題[3,4,5]。
二、輪腿式移動機器人的發(fā)展趨勢
輪腿式移動機器人的發(fā)展較為發(fā)達，各國都在大力研究。其中有像翻滾型輪腿式移動機器人（如圖1），管道型輪腿式移動機器人如圖2），輪腿式變結構移動機器人（如圖3）等多種新型的移動式機器人[6]（。并且向著智能化，微型化發(fā)展，越來越來多的微型智能化移動式機器人出現(xiàn)在社會的各個行業(yè)中，并且充當著重要的角色。
圖1翻滾型輪腿式移動機器人 圖2管道型輪腿式移動機器人
圖3 輪腿式變結構移動機器人
據(jù)國外媒體報道，近日美國研究人員推出一款取名為“Three”的新式netbook電腦機器人[9]（如圖4）。據(jù)介紹，該機器人的底盤結構為兩個滑動輪胎，而輪胎的中間連接部分則負責承載netbook電腦。整個設計結構簡單而且十分易于實際操作，即使沒有相關的原理知識，也能夠在說明書的介紹下方便控制以及拆卸安裝。
圖4“Three”新式netbook電腦機器人
設計人員還表示，該機器人內部裝有大功率發(fā)動機，以及最先進的機器設備。僅僅在安裝上相應的軟件與裝載上主人識別系統(tǒng)，整個機器人將完全在顧客的掌控之下，讓顧客享受到全方位服務。此外，如果顧客覺得仍然不過癮，顧客可以安裝紅外線傳感器
以及外置攝像儀器等裝置。
又據(jù)悉，為提高反恐防暴機器人對非結構環(huán)境的適應能力,設計出了一種具有良好的機動性能和轉向性能的新型輪—腿—履帶復合移動機構.通過機器人機構分析與本體的穩(wěn)定性分析,論證了其結構設計的可行性及好的穩(wěn)定性.從而設計出了這種輪—腿—履帶復合移動機器人[10]（如圖5）。
圖5輪—腿—履帶復合移動機器人
研制機器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重勞動或簡單的重復勞動，以及替代人到有輻射等危險環(huán)境中進行作業(yè)，因此機器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領域得以應用。隨著機器人技術的不斷發(fā)展，工業(yè)領域的焊接、噴漆、搬運、裝配、鑄造等場合，己經開始大量使用機器人。另外在軍事、海洋探測、航天、醫(yī)療、農業(yè)林業(yè)甚到服務娛樂行業(yè)，也都開始使用機器人。而作為一種新型探測用具，輪腿式移式機器人由于其機動性及智能化，可以從事很多人類難以親身參與的工作。如復雜危險地形的探測、外星球的探測及一些軍事領域的偵查等。機器人的爬坡和越障能力作為機器人野外適應能力的兩大主要指標是地面移動機器人研究的重點內容。又由于輪腿式移動機器人大多數(shù)時候都工作在崎嶇不平的地形中．傾覆穩(wěn)定性對這種機器人而言是非常重要的．運動過程中發(fā)生的傾覆可能導致機器人驅動系統(tǒng)失靈、運動失控、無法復位、元件損壞乃至系統(tǒng)報廢等一系列問題是今后輪腿式移動機器人研究的重點內容。真正的智能化和完全的自主移動的關鍵技術。導航研究的目標就是沒有人的干預下使機器人有目的地移動并完成特定任務，進行特定操作。機器人通過裝配的信息獲取手段，獲得外部環(huán)境信息，實現(xiàn)自我定位，判定自身狀態(tài)，規(guī)劃并執(zhí)行下一步的動作[11,12]。
三、輪腿式移動機器人關鍵技術的研究
正如人類活動范圍和探索的空間是人類進步的標志一樣,機器人的智能同樣體現(xiàn)在運動空間的大小上。為了獲得更大的獨立性,人們也對機器人的靈活性及智能提出更高的要求,要求機器人能夠在一定范圍內安全運動,完成特定的任務,增強機器人對環(huán)境的適應能力。因此,近年來,移動機器人特別是自主式移動機器人成為機器人研究領域的中心之一[7]。
一 輪腿式移動機器人的機構形式
根據(jù)實際運用環(huán)境的需求 綜合輪式和腿式運動機構的優(yōu)點，設計了一種多驅動模式的輪腿式移動機器人．整個機器人由六個結構左右對稱的運動單元和車體構成．每個運動單元具有一個轉向臂、一個擺臂和兩個電動輪(驅動輪和爬行輪。對于運動在不平坦地形中的移動機器人而言,其傾覆穩(wěn)定性非常關鍵.對稱結構的輪腿式機器人，它有六個獨立的輪腿運動單元,能夠變化多種構形.采用動態(tài)能量穩(wěn)定錐方法和傾覆穩(wěn)定性指數(shù)對機器人的穩(wěn)定性進行綜合評價,建立了一個模糊神經網絡白適應控制系統(tǒng).根據(jù)穩(wěn)定性指數(shù)值,該系統(tǒng)可以實時改變機器人的構形和速度,保證其傾覆穩(wěn)定性.正弦路面上的仿真結果表明,該系統(tǒng)所產生的動作實時性好、可靠性高,能夠降低機器人白主越障過程中的危險[14,15]。
二 輪腿式移動機器人的組成
輪腿式移動機器人的 驅動裝置
輪腿式移動機器人的導向裝置
輪腿式移動機器人的換向裝置
輪腿式移動機器人的制動裝置
四、本次設計目的及意義
輪腿式移動機器人的驅動裝置是一種復合移動系統(tǒng)，結合輪式和腿兩種移動方式的特點，世界各國均投入了大量研究。課題對機器人腿式和輪式移動原理進行了解和掌握，在此基礎上對兩種移動方式進行綜合，設計出一種適合野外非結構環(huán)境下的移動機器人驅動裝置，在機構上有所創(chuàng)新，機器人能夠在復雜路面上行走、具有較強的越障能力。在機械CAD環(huán)境下設計驅動裝置的總體方案和結構，各種機電元件進行選型設計，并對機器人越障行為進行分析與研究。
參考文獻
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畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：
輪腿復合式機器人是在輪式機器人的基礎上，通過優(yōu)化輪子設計以達到快速靈活運動的一種新型的地面移動系統(tǒng)。該機器人主體由機架、兩條主軸、齒輪減速機構、輪腿復合機構組成，由單電機驅動，控制系統(tǒng)相對簡單。該機器人相比于普通輪式機器人具有較強的越障能力，且結構精簡、體積小、重量輕。采用ADAMS對該機器人進行了運動學和動力學仿真，詳細探討了其越障能力、安裝相位、輪腿結構、步態(tài)等關鍵問題，為其物理樣機的設計、優(yōu)化和控制提供了理論依據(jù)[15]。課題要求對機器人腿式和輪式移動原理進行了解和掌握，在此基礎上對兩種移動方式進行綜合，設計出一種適合野外非結構環(huán)境下的移動機器人驅動裝置，機器人能夠在復雜路面上行走、具有較強的越障能力。在機械CAD環(huán)境下設計驅動裝置的總體方案和結構，各種機電元件進行選型設計，并對機器人越障行為進行分析與研究
設計技術要求：
1．每個輪子獨立驅動，采用環(huán)境適應能力好的六腿式結構。
2．重量小于45Kg ，外形尺寸長度不超過800mm，寬度不超過600mm 。
3．機器人最大移動速度10Km/h，具備越障和爬坡能力。
4．要求能夠翻越250mm高的障礙,能夠爬15°的斜坡。
本次主要研究搖臂—轉向架式六輪腿移動機器人的驅動裝置的機構與控制理論。搖臂—轉向架式六輪腿智能移動機器人，它具有較強環(huán)境適應能力和跨越障礙的能力。
畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
指導教師意見：
1．對“文獻綜述”的評語：
2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結果的預測：
指導教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負責人：
年 月 日
南京理工大學紫金學院優(yōu)秀畢業(yè)設計（論文）申請表
系： 機械工程系 填表日期： 2010 年 5月 25 日
學生
姓名
性別
男
民族
漢
出生
年月
入學
年級
06級
專業(yè)名稱
機械工程及自動化
專業(yè)代碼
備注
指導教師
14
姓名
專業(yè)技術職務
年齡
所在單位
祖莉
南京理工大學
畢業(yè)設計（論文）題目
輪腿式移動越障機器人驅動裝置的設計和研究
畢業(yè)設計（論文）主要涉及研究方向
論文主要涉及到輪腿式越障機器人驅動裝置的結構方案與結構，零件設計
畢業(yè)設計（論文）選題依據(jù)及背景
輪腿式移動機器人的驅動裝置是一種復合移動系統(tǒng)，結合輪式和腿式兩種移動方式的特點，世界各國均投入了大量研究。課題要求對機器人腿式和輪式移動原理進行了解和掌握，在此基礎上對兩種移動方式進行綜合，設計出一種適合野外非結構環(huán)境下的移動機器人驅動裝置，在機構上有所創(chuàng)新，機器人能夠在復雜路面上行走、具有較強的越障能力。在機械CAD環(huán)境下設計驅動裝置的總體方案和結構，各種機電元件進行選型設計機器人越障行為進行分析與研究。
學校中期檢查情況
能夠按照學校的要求和進度完成設計
畢業(yè)設計（論文）的水平與特色
畢業(yè)設計（論文）有何實驗、實踐或實習基礎
學生畢業(yè)設計（論文）期間的研讀書目
指導教師評語及推薦意見（包括學生的工作態(tài)度、知識與能力、成果與水平、設計（論文）質量等幾方面）
指導教師簽字：
年 月 日
指導教師對申報材料真實性的意見
指導教師簽字：
年 月 日
學校推薦意見
（學校公章）
年 月 日
注：專業(yè)代碼和專業(yè)名稱應按教育部公布的專業(yè)目錄填寫。
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本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 45 頁 共 45 頁
目 次
1 引言……………………………………………………………………………3
1.1 移動機器人的發(fā)展概況 …………………………………………………3
1.2 輪腿式移動機器人的發(fā)展趨勢 …………………………………………3
1.3 輪腿式移動 機器人關鍵技術的研究 ……………………………………6
1.4 本次設計目的及意義………………………………………………………6
2 輪腿式移動機器人驅動方案設計 …………………………………………7
2.1 課題要求……………………………………………………………………7
2.2 輪腿式機器人結構方案設計………………………………………………7
2.2.1 輪腿配置方案的選擇……………………………………………………8
2.2.2 輪腿式機器人的結構方案………………………………………………8
2.2.3 六輪腿的分布方案………………………………………………………8
2.2.4 越障機構的設計…………………………………………………………9
2.2.5 車輪方案設計……………………………………………………………11
2.2.6 總體方案…………………………………………………………………12
3 輪腿式移動機器人驅動裝置結構設計………………………………………14
3.1 車輪設計……………………………………………………………………14
3.1.1 車輪直徑設計……………………………………………………………14
3.1.2 輪寬的選擇………………………………………………………………14
3.2 腿臂的設計 ………………………………………………………………14
3.3 車底盤設計 ………………………………………………………………15
3.4 機構受力分析與計算 ……………………………………………………16
3.4.1 機構重力估計……………………………………………………………16
3.4.2 受力分析…………………………………………………………………16
3.4.3 前排輪翻越臺階時車身受力分析………………………………………17
3.4.4 車輪驅動功率……………………………………………………………20
3.4.5 關節(jié)功率計算……………………………………………………………20
3.4.6 輪子驅動轉矩計算………………………………………………………20
3.4.7 在斜坡上所需的制動力…………………………………………………20
3.5 驅動裝置的設計……………………………………………………………21
3.5.1 驅動方式概述……………………………………………………………21
3.5.2 車輪電機和制動器選擇設計……………………………………………22
3.5.3 腿臂驅動電機和減速器，離合器的選擇………………………………23
3.6 總體結構圖 ………………………………………………………………24
4 零件設計 ……………………………………………………………………25
4.1 零件設計的主要方面 ……………………………………………………25
4.2 零件具體設計 ……………………………………………………………25
4.2.1 車體的設計 ……………………………………………………………25
4.2.2 長臂的設計 ……………………………………………………………26
4.2.3 短臂的設計 ……………………………………………………………26
4.2.4 搖桿的設計 ……………………………………………………………26
4.2.5 車輪的設計 ……………………………………………………………27
4.2.6 腿臂驅動設計 …………………………………………………………34
4.2.7 整體結構 ………………………………………………………………35
5 性能分析 ……………………………………………………………………36
5.1 動態(tài)打滑的穩(wěn)定性分析 …………………………………………………36
5.2 爬坡步態(tài)分析 ……………………………………………………………37
5.2.1 坡面行使 ………………………………………………………………38
5.2.2 越障步態(tài) ………………………………………………………………39
結論………………………………………………………………………………40
致謝………………………………………………………………………………41
參考文獻…………………………………………………………………………42
1 引言
1．1 移動機器人的發(fā)展概況
隨著科技的進步，人類的視野越來越開闊，對未知世界進行探索的愿望越來越強烈。迄今為止，人們已經開始了對月亮、火星等宇宙星體的探索，也開始對地下埋藏的，乃至海底沉寂的歷史古跡、文化遺產、地理地貌的研究。另外，現(xiàn)代戰(zhàn)爭的復雜程度越來越高，反恐斗爭的難度也越來越大，需要人們能夠及時準確地完成各種偵察或作戰(zhàn)任務。不過，面對各種復雜的環(huán)境，如宇宙星體日夜溫度變化劇烈、地形高低起伏明顯、戰(zhàn)場情況的突發(fā)性和多變性等，由于生理原因，人們常常束手無策[1,2]。
可遙控控制、能夠適應地形變化的移動機器人，為人類突破這些局限創(chuàng)造了條件。這種機器人可以適應不同環(huán)境，不受溫度、濕度、空間、磁場輻射、重力等條件的影響，完成人類無法進行的探測任務。
移動機器人是一種能夠與外界環(huán)境交互的智能系統(tǒng)，在有障礙物的環(huán)境中能夠面向目標自主運動，從而完成一定作業(yè)功能的機器人系統(tǒng)。用于軍事偵察、反恐防暴等危險作業(yè)的小型地面移動機器人以其體積小、成本低、生存能力強、運動靈活等特點成為移動機器人研究領域的又一熱點。由于其工作環(huán)境復雜多變,很多時候要求機器人不是避開障礙或復雜地形,而是要越過并適應它。所以,研究開發(fā)具有越障功能的小型地面移動機器人以適應各種結構化、非結構化環(huán)境是非常必要的。與傳統(tǒng)的以研究機器人智能、決策等為目的而開發(fā)的輪式移動機器人相比,在機動性、越障能力、集成設計等方面出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術問題[3,4,5]。
1 .2 輪腿式移動機器人的發(fā)展趨勢
輪腿式移動機器人的發(fā)展較為發(fā)達，各國都在大力研究。其中有像翻滾型輪腿式移動機器人（如圖1），管道型輪腿式移動機器人如圖2），輪腿式變結構移動機器人（如圖3）等多種新型的移動式機器人[6]（。并且向著智能化，微型化發(fā)展，越來越來多的微型智能化移動式機器人出現(xiàn)在社會的各個行業(yè)中，并且充當著重要的角色。
圖1翻滾型輪腿式移動機器人 圖2管道型輪腿式移動機器人
圖3 輪腿式變結構移動機器人
據(jù)國外媒體報道，近日美國研究人員推出一款取名為“Three”的新式netbook電腦機器人[9]（如圖4）。據(jù)介紹，該機器人的底盤結構為兩個滑動輪胎，而輪胎的中間連接部分則負責承載netbook電腦。整個設計結構簡單而且十分易于實際操作，即使沒有相關的原理知識，也能夠在說明書的介紹下方便控制以及拆卸安裝。
圖4“Three”新式netbook電腦機器人
設計人員還表示，該機器人內部裝有大功率發(fā)動機，以及最先進的機器設備。僅僅在安裝上相應的軟件與裝載上主人識別系統(tǒng)，整個機器人將完全在顧客的掌控之下，讓顧客享受到全方位服務。此外，如果顧客覺得仍然不過癮，顧客可以安裝紅外線傳感器
以及外置攝像儀器等裝置。
又據(jù)悉，為提高反恐防暴機器人對非結構環(huán)境的適應能力,設計出了一種具有良好的機動性能和轉向性能的新型輪—腿—履帶復合移動機構.通過機器人機構分析與本體的穩(wěn)定性分析,論證了其結構設計的可行性及好的穩(wěn)定性.從而設計出了這種輪—腿—履帶復合移動機器人[10]（如圖5）。
圖5輪—腿—履帶復合移動機器人
研制機器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重勞動或簡單的重復勞動，以及替代人到有輻射等危險環(huán)境中進行作業(yè)，因此機器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領域得以應用。隨著機器人技術的不斷發(fā)展，工業(yè)領域的焊接、噴漆、搬運、裝配、鑄造等場合，己經開始大量使用機器人。另外在軍事、海洋探測、航天、醫(yī)療、農業(yè)林業(yè)甚到服務娛樂行業(yè)，也都開始使用機器人。而作為一種新型探測用具，輪腿式移式機器人由于其機動性及智能化，可以從事很多人類難以親身參與的工作。如復雜危險地形的探測、外星球的探測及一些軍事領域的偵查等。機器人的爬坡和越障能力作為機器人野外適應能力的兩大主要指標是地面移動機器人研究的重點內容。又由于輪腿式移動機器人大多數(shù)時候都工作在崎嶇不平的地形中．傾覆穩(wěn)定性對這種機器人而言是非常重要的．運動過程中發(fā)生的傾覆可能導致機器人驅動系統(tǒng)失靈、運動失控、無法復位、元件損壞乃至系統(tǒng)報廢等一系列問題是今后輪腿式移動機器人研究的重點內容。真正的智能化和完全的自主移動的關鍵技術。導航研究的目標就是沒有人的干預下使機器人有目的地移動并完成特定任務，進行特定操作。機器人通過裝配的信息獲取手段，獲得外部環(huán)境信息，實現(xiàn)自我定位，判定自身狀態(tài)，規(guī)劃并執(zhí)行下一步的動作[11,12]。
1.3 輪腿式移動 機器人關鍵技術的研究
正如人類活動范圍和探索的空間是人類進步的標志一樣,機器人的智能同樣體現(xiàn)在運動空間的大小上。為了獲得更大的獨立性,人們也對機器人的靈活性及智能提出更高的要求,要求機器人能夠在一定范圍內安全運動,完成特定的任務,增強機器人對環(huán)境的適應能力。因此,近年來,移動機器人特別是自主式移動機器人成為機器人研究領域的中心之一[7]。
(1) 輪腿式移動機器人的機構形式
根據(jù)實際運用環(huán)境的需求 綜合輪式和腿式運動機構的優(yōu)點，設計了一種多驅動模式的輪腿式移動機器人．整個機器人由六個結構左右對稱的運動單元和車體構成．每個運動單元具有一個轉向臂、一個擺臂和兩個電動輪(驅動輪和爬行輪。對于運動在不平坦地形中的移動機器人而言,其傾覆穩(wěn)定性非常關鍵.對稱結構的輪腿式機器人，它有六個獨立的輪腿運動單元,能夠變化多種構形.采用動態(tài)能量穩(wěn)定錐方法和傾覆穩(wěn)定性指數(shù)對機器人的穩(wěn)定性進行綜合評價,建立了一個模糊神經網絡白適應控制系統(tǒng).根據(jù)穩(wěn)定性指數(shù)值,該系統(tǒng)可以實時改變機器人的構形和速度,保證其傾覆穩(wěn)定性.正弦路面上的仿真結果表明,該系統(tǒng)所產生的動作實時性好、可靠性高,能夠降低機器人白主越障過程中的危險[14,15]。
(2) 輪腿式移動機器人的組成: A 輪腿式移動機器人的 驅動裝置,B輪腿式移動機器人的導向裝置,C 輪腿式移動機器人的換向裝置 D,輪腿式移動機器人的制動裝置.
1.4 本次設計目的及意義
輪腿式移動機器人的驅動裝置是一種復合移動系統(tǒng)，結合輪式和腿兩種移動方式的特點，世界各國均投入了大量研究。課題對機器人腿式和輪式移動原理進行了解和掌握，在此基礎上對兩種移動方式進行綜合，設計出一種適合野外非結構環(huán)境下的移動機器人驅動裝置，在機構上有所創(chuàng)新，機器人能夠在復雜路面上行走、具有較強的越障能力。在機械CAD環(huán)境下設計驅動裝置的總體方案和結構，各種機電元件進行選型設計，并對機器人越障行為進行分析與研究。
2 輪腿式移動機器人驅動方案設計
2.1 課題要求
課題要求對機器人腿式和輪式移動原理進行了解和掌握，在此基礎大對兩種移動方式進行綜合，設計出一種適合野外非結構環(huán)境短的移動機器人驅動裝置，機器人能夠在復雜路面大行走、具有較強的越障能力。在機械CAD環(huán)境短設計驅動裝置的總體方案和結構，各種機電元件進行選型設計，并對機器人越障行為進行分析與研究
設計技術要求：
1．每個輪子獨立驅動，采用環(huán)境適應能力好的六腿式結構。
2．重量短于45Kg ，外形尺寸長度不超過800mm，寬度不超過600mm 。
3．機器人最大移動速度10Km/h，具備越障和爬坡能力。
4．要求能夠翻越250mm高的障礙,能夠爬15°的斜坡。
2.2 輪腿式機器人結構方案設計
2.2.1 輪腿配置方案的選擇
輪腿式移動越障機器人依靠輪與腿的共同作用來行使與越障,因為其翻越障礙時需要很好的平穩(wěn)性,所以考慮用對稱的結構對輪腿式機器人的平衡性有很大的幫助,在所考慮的4輪腿式和鋁六輪腿式機器人中,顯然,六輪腿式較四輪腿式有著更好的平衡性與抗震性,故選用六輪腿式結構.
2.2.2 輪腿式機器人的結構方案
因為在行使的過程中,輪腿機器人是需要越障行使,其越障機構的形式就是我們研究的重點,如何分配這六個輪子,每個輪子是什么樣的驅動,怎樣 控制其越障,各個輪子在越障時實現(xiàn)怎樣的動作也是我們應該考慮的.
在設計時考慮了兩種形式機構
1) 搖臂-轉向架式六輪腿式行使機構
其結構簡圖如圖2-1所示,其結構有兩個獨特之處: (1) 各輪有獨立控制轉
機構;(2) 通過差速齒輪軸連接兩側行使機構,并將機器人機體與差速軸箱體固定.
圖2-1 搖臂轉向架式六輪腿移動機器人的結構簡圖
2） 獨立驅動六輪腿式移動機器人驅動機構
該機構簡圖如圖2-2所示，本機構的六個車輪為獨立驅動，每個車輪都有各 自的直流電機驅動，另外，每一條腿都有一個獨立的直流伺服電機驅動，且配有增量編碼器。每一條輪腿構成一個獨立的伺服驅動系統(tǒng)
圖2-2 獨立驅動六輪腿移動機器人
綜合考慮各方面的條件，搖臂-轉向架式六輪腿式行使機構雖然設計比較好，能夠大大減少整體的質量，但是設計比較復雜，不能很好的進行理解，而相比較下獨立對稱式六輪腿移動結構都是對稱機構，設計較為簡單，也比較容易入手。
其運動如下,當機器人在平面上走直線時,由車輪電機驅動車身行使,此時腿臂電機被渦輪減速器自鎖;當機器人需要在平面上轉動方向的時候,控制使得車身每一側的車輪轉速相同,而兩側的車輪轉速有一個速度差,由兩側車輪的速度差來實現(xiàn)轉彎;當機器人攀爬斜坡時,由車輪驅動,且車輪轉速一致;當機器人在斜坡上行使時,由腿臂電機調整兩側腿臂的高度,從而能使機器人能在坡面上行使;當機器人進行越障時,腿避電機轉動,抬升腿臂進行越障,此時,需用編碼器控制各排輪腿電機按時序進行運動.
2.2.3 六輪腿的分布方案
將六輪分為3組，每一組輪具有相同的運動軌跡，分別為前排輪后，中排輪，后排輪，如圖2-3所示。
中排輪
前排輪
后排輪
圖2-3 輪腿分布
2.2.4 越障機構的設計
為使機器人能夠順利地越過250mm的高度，應該設計臂的結構使得其有越障的能力，考慮到四搖桿機構的設計較為簡單，所以設計搖桿機構，作為越障機構的臂，而四桿機構中，平行四邊形機構比較容易控制角速度，所以，考慮臂的部分用平行四邊形機構來實現(xiàn)。
選用平行四邊形機構。設計時,將每一條腿分為長臂和短臂臂兩個相互連接的部分,長短兩臂在同一平面內轉動,其平面在車身的側面,該機構具有兩個自由度.而且，用搖桿將長臂和短臂連接，搖桿與驅動部分相連，且搖桿的作用長度與長臂相同，以搖桿推動短臂進行越障。因為機構具有兩個自由度，所以,機構需要兩個原動件,即兩套驅動機構,機器人在平地大運動時不需要啟動關節(jié)的電機,此時就能保持腿臂的形狀不變，而讓車輪的電機驅動，在平行的地面上行使。
平面四搖桿機構的設計和運用較為廣泛,設計時,將長臂和短臂以及關節(jié)處的搖桿構成了平行四邊形機構如圖2-4所示,這樣就可以將長臂的驅動電機安裝在關節(jié)處,使得結構顯得緊湊,并且能通過連用提高組件的利用率,降低體積和重量,又避免由于電機安裝在短臂長,使得輪腿抬起時重力產生附加的力矩,并且該機構提高了短臂的剛性,因為如果電機安裝在短臂長,輪腿向短接觸地面時,短臂關節(jié)處受到較長的力,而此時鎖緊短臂需要的力矩會很長,對制動器的選型造成困難.但該機構也存在缺點,機構是平面四桿機構,在運動時會存在死點.
.
1. 連接孔 2.長臂與關節(jié)連接件 3.長臂 4.短臂 5.搖桿 6.短臂與車輪連接孔
圖2-4輪腿方案
2.2.5 車輪方案設計
每個輪子都是獨立驅動,因此每一個輪子都配有一個直流伺服電機和一套減速裝置,為了實現(xiàn)制動作用,每一個輪子還配有一個制動裝置,這樣就能實現(xiàn)簡單的運動和制動了。
輪子內選用直流電機配減速器的方案 ,如圖2-5所示,將電機固定在心軸(主要受到彎矩)長,然后再連接長減速器,再連長制動器,外套橡皮.
1.中心軸 2.電機 3.減速器 4制動器定子 5.制動器轉子 6.輪子
圖2-5 電機加減速器
這種方案的減速器簡單,裝配方便,且可靠性較強,結構緊湊,但所選電機范圍較短。
2.2.6 腿臂傳動方案設計
設計時，將短臂接到二級減速器的輸出端，然后通過離合器與長臂相連，方案如圖2-6：
離合器
搖桿
二級渦輪
減速
電機
長臂
短臂
圖2-6 腿臂傳動方案
這種設計只需要一個制動器，減少體積和質量，運動形式如下：當長臂不動的時候，離合器脫開，制動器鎖住長臂，而短臂可以自由轉動，當長臂需要運動時，接合離合器，制動器脫開，短臂和長臂以相同的角速度運動，即保持長短臂之間的夾角不變，也就是說，長臂動時，短臂一定要動，兩者都不動時，由二級減速器（蝸輪減速器）自鎖，則保持腿臂形狀不變，如圖2-7所示則由車輪電機帶動車體進行運動.
離合器開
離合器關
1.電機 2.長臂 3.短臂 4.車輪 5.搖桿
圖2-7
2.2.7 總體方案
綜上,機器人方案已經確定,機器人由車體,行使機構,轉臂越障機構三部分組成
(1) 車架用鑄件，需良好的力學性能
(2) 行使機構由六個驅動輪組成,每個車輪由獨立的直流電機來驅動.
(3) 轉臂越障機構由6個可以在豎直平面內轉動的轉臂組成,轉臂分為長臂和短臂
具有兩個自由度,由一個復合電機帶動.
3 輪腿式移動機器人驅動裝置結構設計
3.1 車輪設計
3.1.1 車輪直徑設計
車輪直徑的設計應考慮重量,因為當腿臂伸出時,車輪處于末端,其重力對關節(jié)處產生的阻力矩最長,這樣,就要求車輪不能太長,但車輪內零件也學要一定的空間來安裝.因此,車輪尺寸也取決于輪內零件的尺寸.最后,車輪的直徑與車速和驅動力矩也都有關聯(lián).因此也就和電機和減速器的懸著有關,因此,各種因素都應該考慮.
πDn=Ua*100060 (3-1)
其中,D為車輪直徑,Um為最高時速(10Km/h),代入后得
Dn=53 (3-2)
出于對電機和減速器的考慮，希望車輪轉速能在300-450rpm之間的水平，因此，0.118m0.259,因此，斜面能夠提供足夠的摩擦力。 短車在斜面上不會長滑下滑。
5.2 爬坡步態(tài)分析
5.2.1 坡面行使
在坡面（≤15°）行使分為兩種，一種是迎著坡面行使，另一種是沿著坡面行
使。
（1） 迎著坡面行使，迎著坡面行使時的姿態(tài)控制比較簡單，只需要保證重心平衡即可，因為車體迎著坡面行使，短車是不會打滑的。因此，短車在行使時只要將前腿彎曲，調整中，后排腿的長度（角度），使得車身保持平衡即可使得短車沿坡面上升。如圖5-2所示。
（2） 沿著坡面行使，沿著坡面行使時，為了平衡車身，則必須調整一側邊腿的長度，使得車身盡量保持水平。如圖5-3所示。
圖5-2迎著坡面行使
圖5-3 短車沿著坡面行使
5.2.2 越障步態(tài)
越障步態(tài)如圖5-4所示.
圖5-4 步態(tài)姿勢
越障時,前輪越障時,后排腿臂彎曲使得車身抬高,同時將前排腿臂抬起,此時由中排輪和后排輪4個輪子支撐,由此4輪行使一段距離后將前排腿臂放下,同時為了保持機身平衡,后排腿臂向后伸展,中排腿臂向前伸展.當前輪越過障礙后,中排輪開始越障,此時由前后兩排輪支撐,所以此時將前后排輪腿臂都旋成直線,抬升車身,將中排腿臂向后 彎曲,由前排輪帶動使得中排輪越過障礙.前中排輪越過后,將后排腿臂向后彎曲,前排腿臂向前伸展,中排腿臂向后伸展 ,使得車身前傾,此時后排輪即可越過障礙.
結 論
此次通過對輪腿式移動越障機器人驅動裝置的研究,對六輪腿式越障機器人的設計方案,結構等都有了一個初步的認識.在設計時,首先是需要了解輪腿式越障機器人的特點,功能,還有運用的場合,然后去了解輪腿式越障機器人由控制機構,驅動機構,轉向機構,三大部分組成.然后選擇輪腿式越障機器人的腿臂分布,經過思考后,我采用的是六輪腿式對稱越障機構,緊接著,設計六輪腿式越障機器人驅動裝置的總體方案,設計如下:正常行使時由六車輪驅動,所以每個車輪里都有單獨的電機.當需要
越障式,由腿臂電機驅動腿臂進行越障,而為了使腿臂能被正常驅動,腿臂部分采用平行四邊形結構.然后,設計每個部分的尺寸,如車輪的尺寸,腿臂的尺寸等.在此之后 ,估算每個部分的重量.根據(jù)重力和結構尺寸進行力分析,確定驅動功率,轉矩等.然后根據(jù)功率,轉矩,速度選擇電機,減速器,制動器等.最后大部分時間是對每個部分的結構的零件進行詳細的設計, 畫出零件圖,裝配圖和三維圖,完成論文一篇.
致 謝
進行幾個月的努力,終于完成了輪腿式越障機器人驅動裝置的設計,在此過程中,南京理工大學祖莉老師給與了我很大的幫助,也教會了我很多東西,設計時,祖老師孜孜不倦的與我們進行交流,給了我們很多寶貴的意見,使我們受益匪淺,也少走了很多彎路,在此,我向祖莉老師表示深深的感謝.
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