3489 四履帶搜救機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計—擺臂設(shè)計
3489 四履帶搜救機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計—擺臂設(shè)計,履帶,搜救,機器人,機械,結(jié)構(gòu)設(shè)計,設(shè)計
河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計1中文翻譯分布式搜救機器人的控制和仿真1 機器人簡介幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。 如古希臘詩 Homeros 的長篇敘事詩 《伊利亞特》中的冶煉之神瘸腿海倍斯特司 ，就用黃金鑄造出一個美麗聰穎的侍女；希臘神話《阿魯哥探險船》中的青銅巨人泰洛斯；猶太傳說中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時刻激勵著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機械偶人。到了近代，機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人問世之后，不同功能的機器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進入尋常百姓家。機器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。從機器人的用途來分，可以分為：◆ 地面軍用機器人地面機器人主要是指智能或遙控的輪式和履帶式車輛.地面軍用機器人又可分為自主車輛和半自主車輛。自主車輛依靠自身的智能自主導(dǎo)航,躲避障礙物,獨立完成各種戰(zhàn)斗任務(wù);半自主車輛可在人的監(jiān)視下自主行使,在遇到困難時操作人員可以進行遙控干預(yù)。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計2◆無人機被稱為空中機器人的無人機是軍用機器人中發(fā)展最快的家族，從 1913 年第一臺自動駕駛儀問世以來，無人機的基本類型已達到 300 多種，目前在世界市場上銷售的無人機有 40 多種。美國幾乎參加了世界上所有重要的戰(zhàn)爭。由于它的科學技術(shù)先進，國力較強，因而 80多年來，世界無人機的發(fā)展基本上是以美國為主線向前推進的。美國是研究無人機最早的國家之一，今天無論從技術(shù)水平還是無人機的種類和數(shù)量來看，美國均居世界首位。綜觀無人機發(fā)展的歷史，可以說現(xiàn)代戰(zhàn)爭是無人機發(fā)展的動力，高新技術(shù)的發(fā)展是它不斷進步的基礎(chǔ)。◆水下機器人水下機器人分為有人機器人和無人機器人兩大類：有人潛水器機動靈活，便于處理復(fù)雜的問題，擔任的生命可能會有危險，而且價格昂貴。無人潛水器就是人們所說的水下機器人， “科夫”就是其中的一種。它適于長時間、大范圍的考察任務(wù)，近 20 年來，水下機器人有了很大的發(fā)展，它們既可軍用又可民用。隨著人對海洋進一步地開發(fā)，21 世紀它們必將會有更廣泛的應(yīng)用。按照無人潛水器與水面支持設(shè)備（母船或平臺）間聯(lián)系方式的不同，水下機 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計3器人可以分為兩大類：一種是有纜水下機器人，習慣上把它稱做遙控潛水器，簡稱 ROV；另一種是無纜水下機器人，潛水器習慣上把它稱做自治潛水器，簡稱 AUV。有纜機器人都是遙控式的，按其運動方式分為拖曳式、 （海底）移動式和浮游（自航）式三種。無纜水下機器人只能是自治式的，目前還只有觀測型浮游式一種運動方式，但它的前景是光明的?！艨臻g機器人空間機器人是一種低價位的輕型遙控機器人，可在行星的大氣環(huán)境中導(dǎo)航及飛行。為此，它必須克服許多困難，例如它要能在一個不斷變化的三維環(huán)境中運動并自主導(dǎo)航；幾乎不能夠停留；必須能實時確定它在空間的位置及狀態(tài)；要能對它的垂直運動進行控制；要為它的星際飛行預(yù)測及規(guī)劃路徑?！艄I(yè)機器人工業(yè)機器人是指在工業(yè)中應(yīng)用的一種能進行自動控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作機，能搬運材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。且這種操作機可以固定在一個地方，也可以在往復(fù)運動的小車上?！舴?wù)機器人服務(wù)機器人是機器人家族中的一個年輕成員，到目前為止尚沒有一個嚴格的定義，不同國家對服務(wù)機器人的認識也有一定差異。服務(wù)機器人的應(yīng)用范圍很廣，主要從事維護、保養(yǎng)、修理、運輸、清洗、保安、救援、監(jiān)護等工作。德國生產(chǎn)技術(shù)與自動化 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計4研究所所長施拉夫特博士給服務(wù)機器人下了這樣一個定義：服務(wù)機器人是一種可自由編程的移動裝置，它至少應(yīng)有三個運動軸，可以部分地或全自動地完成服務(wù)工作。這里的服務(wù)工作指的不是為工業(yè)生產(chǎn)物品而從事的服務(wù)活動，而是指為人和單位完成的服務(wù)工作?！魥蕵窓C器人娛樂機器人以供人觀賞、娛樂為目的，具有機器人的外部特征，可以像人，像某種動物，像童話或科幻小說中的人物等。同時具有機器人的功能，可以行走或完成動作，可以有語言能力，會唱歌，有一定的感知能力?！纛惾藱C器人從其他類別的機器人可以看出，大多數(shù)的機器人并不像人，有的甚至沒有一點人的模樣，這一點使很多機器人愛好者大失所望。也許你會問，為什么科學家不研制類人機器人？這樣的機器人會更容易讓人接受。其實，研制出外觀和功能與人一樣的機器人是科學家們夢寐以求的愿望，也是他們不懈追求的目標。然而，研制出性能優(yōu)異的類人機器人，其最大的難關(guān)就是雙足直立行走。因為 機器人與人的學習方式不一樣。一個嬰兒要先學走，再學跑；而機器人則要先學跑，再學走。也就是說機器人學跑更容易些?！艮r(nóng)業(yè)機器人由于機械化、自動化程度比較落后， “面朝黃土背朝天，一 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計5年四季不得閑”成了我國農(nóng)民的象征。但近年農(nóng)業(yè)機器人的問世，有望改變傳統(tǒng)的勞動方式。在農(nóng)業(yè)機器人的方面，目前日本居于世界各國之首。2 現(xiàn)狀及國際發(fā)展趨勢國際機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：（1）工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修） ，而單機價格不斷下降，平均單機價格從 91 年的 10．3 萬美元降至 97 年的 6．5 萬美元。（2）機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。（3）工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。（4）機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。（5）虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計6的感覺來操縱機器人。（6）當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。（7）機器人化機械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。3 仿真和控制式機器人介紹機器人的圖像和公眾感知能力受到科幻小說家和娛樂產(chǎn)業(yè)極端視角的的限制并不是很久以前的事兒。然而，如今閱讀一本有意思的有關(guān)近代機器人學的文章，晚間新聞時觀看火星表面探索，或者甚至在工作場所遇到一個機器人仍然是不普遍的。隨著機器人逐漸進入我們的日常生活中，它們在有益于社會的作用中越來越明顯。尤為明顯的是在一些危險環(huán)境中一個或多個機器人能夠代替人類進行工作。已經(jīng)引起了機器人社團的興趣的研究領(lǐng)域是在機器人的搜救過程中的操作。在一個危險的環(huán)境中搜救機器人的操作需要搜救人員的巨大努力才能完成。建筑物的倒塌和不穩(wěn)定，煤氣的泄漏和火災(zāi)對人類搜救隊僅僅是一小部分的威脅。相對于人類發(fā)展自主式機器人的能力對于搜救存活者提供會很大的便利。用機器人取代人類所需要解決的潛在問題有：哪種機器人能夠在一種未知的和變化著的環(huán)境中高速移動？ 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計7在一次搜救操作過程中要想大面積的覆蓋搜救區(qū)域大概需要多少機器人？這些機器人怎樣控制？機器人是一個極其寬廣的領(lǐng)域它包括各種各樣的應(yīng)用及研究興趣。從過去的工廠裝配線上的機器人到火星探索和國家宇航局，機器人的視覺和用途看起來無窮無盡。機器人這個詞的定義本身就是依賴于誰給它下的定義和他所預(yù)期達到的結(jié)果。為達到我們的目的，一個智能機器人就被定義為：一個機器能夠以一種有意義有目的的方式進行安全的移動并從它所在的環(huán)境中提取正確的信息。大部分的研究者把控制自動化機器人的方法分為三大類：協(xié)商，反應(yīng)以及混合系統(tǒng)。協(xié)商方法是智能任務(wù)能夠在一個內(nèi)部模擬世界中通過推理的方法得以完成。這種控制人工智能社群多年的方法導(dǎo)致了由美國政府在 1980 年代開發(fā)的一種標準建筑學的發(fā)展，它體現(xiàn)了一種協(xié)商的模型。美國麻省理工學院實驗室的主任羅德尼布魯克斯指出協(xié)商模型可以作為一個感官-模型-計劃-指令的框架。機器人社區(qū)開始對反應(yīng)系統(tǒng)感興趣的時候是在 1980 年代的中期，出現(xiàn)最多的問題是移動機器人的協(xié)商控制變得更加明顯了。具體地說，協(xié)商控制系統(tǒng)出現(xiàn)許多明顯的不足之處，比如脆性，屈服性以及在操作復(fù)雜不斷變化的環(huán)境中響應(yīng)慢。響應(yīng)速度在協(xié)商系統(tǒng)中是一個極為關(guān)鍵的一點。南加州大學的馬瑞克指出主要劃分為反應(yīng)和協(xié)商系統(tǒng)之間能夠在計算量和類型的基礎(chǔ)上進行描繪。反應(yīng)體系結(jié)構(gòu)和行為建筑經(jīng)常被認為是一樣的。然而，極端存在被認為是基本后者是多么復(fù)雜的一種系統(tǒng)雖然仍舊被認為是 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計8無用的，瑪瑞克認為反應(yīng)體系結(jié)構(gòu)和行為建筑有著根本的區(qū)別。她提出說雖然行為基礎(chǔ)系統(tǒng)包含一種特征甚至是一種純粹的反應(yīng)系統(tǒng)的元素，但它們的計算并不需要限制。通過這種方式，行為系統(tǒng)可以儲存不同的形態(tài)以及實現(xiàn)不同的表述。此外，她指出行為系統(tǒng)要比一個反應(yīng)系統(tǒng)更加需要時間的延長。隨著對反應(yīng)系統(tǒng)興趣的增長，研究人員試圖通過使用機械和計算系統(tǒng)來模仿生物系統(tǒng)以達到完成預(yù)期任務(wù)的目的。艾瑞克描述了神經(jīng)學是“為理解和建模生物行為潛在的電路提供一個基礎(chǔ)。”他指出一些心理學派已經(jīng)影響機器人的研究好多年了。實際上這些行為的研究對機器人學的研究打下了一個堅實的基礎(chǔ)。這個研究的方法是在觀察的基礎(chǔ)上考慮任何的刺激以及作出的反應(yīng)。最近，生物行為的研究已經(jīng)擴大到世界的多智能體系結(jié)構(gòu)，社會生物學的研究專家已經(jīng)使用了幾組移動式機器人進行研究和模擬?？八_斯大學的艾瑞克研在機器人代理好惡的程度下使用ＴＳＣＡ研究個人和集體機器人的學習能力。在這方面領(lǐng)域的一些工作還依賴墜螞蟻和蜜蜂繁殖地的觀察，以及僅有限的個人代理體系信息中完成完成全球任務(wù)。最近十年，研究人員開始關(guān)注由多個不同性質(zhì)機器人組成的多機器人系統(tǒng)來完成一個或多個任務(wù)。使用這些分布式機器人的好處是，高強度，高韌性，分布自然而且更加精簡。4 模擬器的執(zhí)行4.1 世界情況在每一次仿真的開始，規(guī)定的戶外運動是“畫” 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計9３００×３００的矩陣。所有的墻和跳線都是放在陣列的開始位置，接下來將機器人放在現(xiàn)有的數(shù)組陣列中。在大多數(shù)情況下，機器人是放置在含有零值數(shù)值中運行的。然而，如果一個跳線首先占據(jù)了這個位置，在第六個和第八個值之間插入機器人值就表明這個位置包含了一根跳線。4.2 機器人傳感用于機器人傳感的方法類似于碰撞檢測的應(yīng)用。感應(yīng)的是通過檢測機器人周圍八個方向的數(shù)值來完成的。隨著每個單位時間的流逝，模擬器從機器人中心開始向前的方向每４５o 角來檢查數(shù)組元素。例如，感應(yīng)范圍是５０個單元，模擬器檢查每一數(shù)組單位都是沿著機器人中心０o.４５o,９０o,１３５o,１８０o,２２５o, ２７０o 以及３１５o 線（如果延伸方向恰好是０o 線） 。感應(yīng)從機器人中心開始每單位＋1，并沿著感應(yīng)線繼續(xù)下去直到觸碰到墻壁或達到機器人的感應(yīng)范圍極限。如果一個單位被檢測到，距離單位和相關(guān)的實體價值被放置在一個數(shù)組中的數(shù)據(jù)中，直到檢測到一個試題或達到了機器人感應(yīng)的范圍。機器人感官沿著傳輸線傳到下一個感應(yīng)器。這樣一直繼續(xù)下去直到所有的感應(yīng)線都被檢測完成，一旦完成，接收到的數(shù)組數(shù)據(jù)就表明了機器人的感官世界，然后就形成一個確定的規(guī)則來指導(dǎo)機器人的行為。4.3 匹配規(guī)則一個機器人的行為是在他的規(guī)律集中完成感官數(shù)組數(shù)據(jù)和其 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計10中的一個特定規(guī)律的匹配之后進行選擇的。這種變化類似于經(jīng)典的兒童游戲。機器人接收到的數(shù)據(jù)可以被認為是一個操作者對運動軌跡最初的猜測。這些猜測被放置在對手的場地中進行試驗一來獲得得分。這么做是為了規(guī)則集中的每一點都能涉及到。這個規(guī)則用的最多的地方就是決定一個比賽的規(guī)則。規(guī)則分數(shù)是保存在一個單獨得分陣列中。對于每一個單位和得到的感官數(shù)組數(shù)據(jù)的完整實體，確定匹配功能是當：距離屬于在規(guī)則中指定的相關(guān)的傳感器的距離范圍。在感官數(shù)組數(shù)據(jù)中的實體價值與規(guī)則中的實體價值相匹配。如果滿足上述條件，規(guī)則值就會增加一，否則規(guī)則值就會減少一。下面的例子就顯示了最初的得分:.從前面的傳感器所得到的數(shù)據(jù)可以得到距離 20 和四個實體值。.規(guī)則 X 前面的距離值是 10 到 30 以及規(guī)則值是 4..規(guī)則 X 的評分規(guī)則是逐一增加，這是因為 20 位于 10 和 30 之間同時要求實體數(shù)據(jù)匹配。4.4. 偏差和本能如果一個規(guī)則收到相同的分數(shù)作為最后的贏家，一個行動的偏差就決定了機器人最后的行為功能。如果規(guī)則和當前的獲勝者具有相同的行為價值，那么就沒有必要利用偏差；然而，如果這兩個有把不同的動作值偏差，那么，這個偏差就用來確定最后的行為動作。偏差是機器人采取最終行動所需要的一個整數(shù)變量保存價值。如果一個規(guī)則與之有關(guān)的分數(shù)不同于當前的贏家，那么 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計11規(guī)則的行為就與偏差有所區(qū)別。如果兩值相等，那么這個規(guī)則就會被采用，否則就保持當前的贏家不變。對待打成平局的方法是機器人重復(fù)當前的動作。這個現(xiàn)象的原因是在機器人行為的基礎(chǔ)上強加了一些限定的連續(xù)性。貫穿仿真的整個過程中機器人可能報廢的一些原因有:*無休止的來回切換兩個活動；*多次阻礙前進；*無期限的重復(fù)同樣的動作。4.5 評價一個機器人隊的性能評估是在一次仿真中用戶自定義時間限制中實現(xiàn)的。這個表現(xiàn)是在一定的平臺中按機器人進入房間百分比測量的。此外機器人完全進入這個平臺時就完成了總覆蓋率的考慮。這些值是用來確定機器人搜救隊的性能的，同時也被當做遺傳算法的最合適的規(guī)則集。這個模擬器記住了機器人進入的每一個房間的列表，這些數(shù)據(jù)也只是用于團評價并不能協(xié)助機器人進行仿真實驗。一旦時間到了，得到的有關(guān)房間的數(shù)據(jù)就用來測量機器人所達到的覆蓋率。如果兩個或更多的機器人進入了同一個房間，模擬器中就會出現(xiàn)一系列的房間列表，然而重復(fù)的努力并不影響對機器人性能的評價。5 仿真實驗 在一系列的仿真實驗中，遺傳算法通常用于搜救機器人隊的規(guī)則設(shè)置。遺傳算法包括復(fù)制，交叉和變異這三個步驟。繁殖的過程中染色體的字 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計12符串代表個人復(fù)制并根據(jù)他們的健康水平創(chuàng)建一種新的生物字串。擁有更好健康價值的人則更可能被用來創(chuàng)造下一代。交叉的過程包括兩個字符串的選擇，以及兩者之間字符串短的交換。遺傳算法的最后步驟是突變，提出了一種價值隨著字符串位置改變而隨機變化的理論。在留有記錄的實驗中，規(guī)則集被轉(zhuǎn)換為二進制的字符串，以及在最短的時間里條件合適的機器人就被計算為規(guī)則集機器人以達到對周圍環(huán)境最大的報道覆蓋率。6 總結(jié) 本文所提出的仿真程序已經(jīng)被用于超過 300 次的仿真實驗中。該模擬器為測試不同機器人的行為和眾多機器人調(diào)查小組提供了充分的工具。最初的實驗結(jié)果表明機器人團隊的成績可以改變對機器人的規(guī)模。然而剛開始的時候團隊尺寸一度達到 12-14.一些小的機器人團隊，在有限的時間里分配到的區(qū)域范圍對進入的團隊人數(shù)有一個明顯的限制。此外，團隊規(guī)模的擴大，團隊成員的增加互動增多所產(chǎn)生的結(jié)果將會影響大中型團隊。從交叉測試的結(jié)果顯示使用不同規(guī)模大小的團隊進化為一個特定的團隊就顯示了所有的情況，在機器人規(guī)則下轉(zhuǎn)變來的不同大小的隊伍從來都不如團隊規(guī)模更適合進行演化。但這并不意味著使用規(guī)則集演化而來的團隊是完全無效的。規(guī)則集大小對機器人團隊成績的影響就目前而言還需要進行更深的調(diào)查。有關(guān)模擬方案規(guī)劃的未來工作是提高機器人的數(shù)量從而來提高機器人演化和測試的工作環(huán)境，未來的研究應(yīng)該包括不同環(huán)境 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計13平臺的尺寸和大小。此外，尚在研究過程的機器人團隊和他們的規(guī)則集可以從一個環(huán)境遷移到另一個環(huán)境中，甚至可以為新一代的機器人隨機選取一個環(huán)境平臺。仿真系統(tǒng)的最終目標是作為一個工具便于更好的設(shè)計，開發(fā)和部署搜救機器人以協(xié)助搜救任務(wù)的完成。7.出處這項工作是國家科學基金會的一部分。8.參考文獻[1]阿加貝克發(fā)表的人機交互機器人系統(tǒng)，出自《自動化機器人》[2]美國機械工程師協(xié)會合作機器人[3]阿金鮑爾的機器人合作系統(tǒng)[4]《行為機器人》 麻薩諸塞州，麻省理工學院出版社 1998 年出版。[5]布魯克斯， 《非理性智能》 ，人工智能實驗室[6]布魯克斯,移動式機器人一個強大的分層控制系統(tǒng)，人工智能實驗室。[7]如何使用《c++編程》 作者，帶特爾普。1998 年新澤西出版社出版。[8]碩士學位論文《機器人搜索隊的大腦行為進化》 ，作者 多拉希德，堪薩斯大學電氣工程與計算機科學系，2000 年發(fā)表[9]領(lǐng)土的多機器人劃分 1998 年發(fā)表于機器人自動化雜志 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計14[10]戈德伯格《搜索，優(yōu)化，機械學習方面的遺傳算法，1998 年 高等教育出版社出版[11]梅斯 《位置代理目標》 出自機器人技術(shù)系統(tǒng)[12]馬塔里奇《行為控制，導(dǎo)航，學習和群體行為的實例》霍斯威爾，科爾堂岡，編輯 ，出自人工智能實驗室軟件架構(gòu)專題[13]麥盧金·《利用合作機器人排爆 》 人工智能實驗室。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表指導(dǎo)教師： 鄧樂 職稱： 教授 所在院（系）： 機械與動力工程系 教研室（研究室）： 系部辦公樓 319 題 目 四履帶搜救機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計—擺臂設(shè)計學生姓名 梅倩倩 專業(yè)班級 08 機設(shè) 2 班 學號 0828070181 一、選題質(zhì)量：1.本題目符合機械設(shè)計專業(yè)的培養(yǎng)目標，能夠充分鍛煉和培養(yǎng)分析問題和實際操作能力，能夠體現(xiàn)綜合訓練的要求2.設(shè)計任務(wù)難易程度和工作量適中，符合本科畢業(yè)設(shè)計要求，能在規(guī)定的時間內(nèi)完成。3.所選題目較為新穎，故所收集的資料較少，工作量較大。4.所選題目與實際貼合比較緊密，在實際的救援中也很重要。在設(shè)計過程中，對機器人各個結(jié)構(gòu)和零件的設(shè)計、計算對我來說，是對以往所學知識的總結(jié)和應(yīng)用，所以能夠滿足綜合訓練的要求。但是在設(shè)計過程中，對于我來說還是具有很大的難度，對于這方面的涉足也并不是很多，并且且這方面的資料也是比較少，所以這對我來說也是一個挑戰(zhàn)。二、開題報告完成情況：根據(jù)自己在各方面資料的收集和整理，通過對可行性的分析，結(jié)合老師給的題目的選擇，我完成了這次設(shè)計的選題。在選題結(jié)束之后，通過自己認真查閱相關(guān)的資料，最后結(jié)合本身的實際情況和設(shè)計的時間任務(wù)完成了開題報告。經(jīng)過指導(dǎo)老師同意，完成開題報告，同意開題。2三、階段性成果：1.通過對搜救機器人的了解，再加上指導(dǎo)老師對我們的講解，算是對其有了一個大概的了解。前期階段主要是對有關(guān)于搜救機器人的各方面的文獻和資料進行搜集，為以后的設(shè)計做了必要的準備。2.中期階段主要是依據(jù)參考資料，從上面找到一些關(guān)于關(guān)于搜救機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計的信息，首先對其結(jié)構(gòu)有了大致的了解，其次是已有了大概的設(shè)計方法，并開始了一些基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計。3.正在進行裝配圖的 Proe 畫圖和進行設(shè)計說明書的部分工作。4.我正在負責的是擺臂部分的設(shè)計，包括擺臂的固定，結(jié)構(gòu)設(shè)計，和減速器的設(shè)計。四、存在主要問題：1、這次設(shè)計對我來說是個比較大挑戰(zhàn)，和同學的配合剛開始有很多不恰當?shù)牡胤剑S著設(shè)計的進行和不斷的討論磨合，也逐漸克服了這一問題。2、搜救機器人設(shè)計對我是個新題，并且在搜索資料方面發(fā)現(xiàn)，關(guān)于搜救機器人的資料也并不是很多。3、設(shè)計過程中關(guān)于自己所設(shè)計的方面不是太明確，經(jīng)過和同組同學的商量明確了自己的任務(wù)。4.由于資料過于稀少，沒有可參考的材料，在計算數(shù)據(jù)、校核、選材方面還有很大的不明之處。3五、指導(dǎo)教師對學生在畢業(yè)實習中，勞動、學習紀律及畢業(yè)設(shè)計（論文）進展等方面的評語指導(dǎo)教師： （簽名）年 月 日河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文摘 要本論文研究工作的目的是設(shè)計結(jié)構(gòu)新穎、具有獨創(chuàng)性的可攜帶、抗一定沖擊的履帶移動機器人，以能夠適應(yīng)在惡劣環(huán)境和復(fù)雜路況下工作。通過在移動系統(tǒng)上加載不同的探測傳感設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)搜救機器人不同的使用功能，本研究意義在于為后續(xù)設(shè)計的搜救機器人提供一個基礎(chǔ)的動力平臺，以便于能夠開發(fā)出更多使用功能的搜救機器人。本研究所設(shè)計的搜救機器人移動方案是履帶式驅(qū)動結(jié)構(gòu)。該方案采用模塊化設(shè)計，便于拆卸維修，可以適應(yīng)不同情況的復(fù)雜路面，并可主動控制兩側(cè)肋板的轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)機器人姿態(tài)變化，輔助爬坡、越障和跨溝；機器人經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計后具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力、機動能力。本論文所設(shè)計主的機器人移動機構(gòu)主要由四部分組成：主動輪減速驅(qū)動機構(gòu)、肋板轉(zhuǎn)動機構(gòu)、擺臂減速器機構(gòu)、履帶及履帶輪運動機構(gòu)。關(guān)鍵字：搜救機器人；擺臂，履帶式 減速器河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文IAbstractThe purpose of this thesis is to design novel structure, its unique portable,shoc-k intelligently tracked mobile robot, in order to be able to adapt to the harsh environment and the complicated road to work.Mobile systems loaded by different mo-ules, search and rescue robots can be achieved using different functions, this studyis important because other people's search and rescue robot designed to provide a basis for the dynamic platform to facilitate greater use of features can developsear-ch and rescue robots. This resoarch is moving search and rescue robot crawler.The program is modular in design, easy disassembly maintenance, can be complex adaptive sub-surface, active control can turn on both sides of flange module to adjust the robot pose changes, supporting climbing,obstacle and cross-channel.The design of the robot moving mechanism mainly consists of four components. Active wheel reducer drive mechanism, flange rotation institutions, adaptive road implementing agencies, sports organizations track and track wheels.Key words: search and rescue robots; swing arm;crawler; Retarder;河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文0目錄前 言................................................3 1 緒 論..............................................71.1 課題研究背景及意義...............................71.1.1 課題研究背景..............................7 1.1.2 課題研究意義..............................8 1.2 國內(nèi)外的研究概況.................................9 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀..............................9 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀.............................14 1.2.3 搜救機器人的技術(shù)發(fā)展方向.................17 2 搜救機器人的移動機構(gòu)分析...........................212.1 井下復(fù)雜環(huán)境對搜救機器人的要求..................212.2 移動機構(gòu)方案論證分析............................222.2.1 輪式移動機構(gòu)特點.........................22 2.2.2 腿式移動機構(gòu)特點.........................232.2.3 履帶式移動機構(gòu)特點.......................242.2.4 履、腿式移動機構(gòu)特點.....................252.2.5 輪、履、腿式移動機構(gòu)性能比較.............26 2.3 本研究采用的行走機構(gòu)...........................26 2.4 救災(zāi)機器人性能指標與設(shè)計.......................27 2.5 本章小結(jié).......................................283 搜救機器人運動參數(shù)設(shè)分析計算.......................29 3.1 機器人越障分析.................................293.1.1 機器人跨越臺階...........................30 3.1.2 機器人刮越溝壑...........................32 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文13.2 斜坡運動分析...................................33 3.3 本章小結(jié).......................................34 4 擺臂減速去設(shè)計.....................................35 4.1 擺臂電機選擇...................................354.2 擺臂減速器設(shè)計.................................35 4.2.1 減速器方案對比分析...................... 35 4.2.2 減速器應(yīng)滿足要求.........................374.3 擺臂減速器設(shè)計計算.............................374.3.1 擺臂減速器的參數(shù)計算.....................374.3.2 擺臂減速器的齒輪計算.....................394.3.3 軸的設(shè)計.................................434.4 本章小結(jié).......................................475 履帶的設(shè)計計算.....................................495.1 帶的選擇.......................................495.2 計算帶的型號和節(jié)距.............................505.3 計算主從動輪直徑...............................515.4 本章小結(jié).......................................526 擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計.......................................53 6.1 擺臂作用.......................................546.2 肋板部分設(shè)計...................................566.3 擺臂參數(shù)計算...................................587 總結(jié)與展望..........................................59致謝................................................61參考文獻............................................62河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文2前 言 我國的煤炭資源十分豐富，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國。在我國的能源工業(yè)中，煤炭占我國一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中的 70%左右，預(yù)計到 2050 年還將占 50%以上，因此，在未來相當長的時間內(nèi)，煤炭仍然是我國的主要能源，由于我國礦井自然條件差，加上技術(shù)和管理等諸多方面不到位，以及近年來國家對煤炭資源需求量的不斷增長，使得我國煤礦礦井災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，人員傷亡十分慘重。據(jù)統(tǒng)計，2006 年我國礦難死亡1517 人，百萬噸死亡率為 2.00；2007 年全國礦難死亡 1600 人，百萬噸死亡率為 2.1；2008 年全國煤礦發(fā)生傷亡事故 1341 起，死亡 1389 人，百萬噸死亡率約為 1.84，其中一次死亡 3～9 人的重大事故 110 起，死亡 886 人。2009 年全國安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示2009 全國共發(fā)生一次死亡 10 人以上的特大事故 61 起：死亡 717人，其中煤礦企業(yè)特大事故共發(fā)生 18 起,死亡 330 人，死亡人數(shù)仍高居各類安全事故之首。2010 年全國煤礦安全生產(chǎn)形勢依然嚴峻，目前我國煤礦事故死亡人數(shù)遠遠超過世界其他產(chǎn)煤國家煤礦死亡人數(shù)的總和，約占世界礦難人數(shù)的 80%，百萬噸死亡率是美國的 100 倍、南非的 30 倍。每年上百次的事故發(fā)生，成千人的礦工死亡，煤礦安全形勢已經(jīng)十分嚴峻。礦井瓦斯爆炸一旦發(fā)生，因受高溫、煙霧、有害氣體和缺氧等影響，以及存在發(fā)生二次災(zāi)害的可能，救護人員無法知道能否進入或無法直接進入災(zāi)害現(xiàn)場執(zhí)行營救任務(wù)，上述事故中的傷亡人員有相當一部分是救護人員，如陜西黃陵礦業(yè)公司一號煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，2 名救護隊員在井下不慎滑倒，將呼吸機鼻夾摔脫落，導(dǎo)致一氧化碳中毒死亡；2005 年澠池縣趙溝八礦井河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文3下突然起火，三門峽市礦山救護隊接報后立即趕到現(xiàn)場救災(zāi)，在救火過程中，突發(fā)瓦斯爆炸，4 名救護隊員殉職； 2006 年六枝工礦集團公司救護大隊的救護隊員在井下實施封閉火區(qū)措施時，火區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸，造成 8 名救護隊員死亡。由此可見研發(fā)代替或部分代替救護人員的救災(zāi)機器人及時、快速深入礦井災(zāi)區(qū)進行環(huán)境探測和搜救工作具有極其重要的意義。在救援初期，其主要作用是代替礦山救護人員進入災(zāi)區(qū)，進行環(huán)境探測，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至救援指揮中心，這些環(huán)境信息主要包括瓦斯、CO、氧氣的濃度、環(huán)境溫度、濕度與粉塵情況以及災(zāi)區(qū)的通風狀況的參數(shù)，還應(yīng)包括生命和圖像等信息，為救災(zāi)決策提供重要參考。礦山井下環(huán)境對礦工搜尋機器人的要求井下失蹤礦工搜尋機器人是一種自主式移動機器人，它的設(shè)計首先要滿足井下工作環(huán)境的特殊要求，其次要具備快速搜尋并且準確定位井下失蹤人員的功能，再就是要具有簡單的急救功能，如攜帶少量的水、食品、藥品、包扎物，播放音樂等。與地面環(huán)境相比，煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，特別是事故剛剛發(fā)生后的井下條件更為惡劣。1．井下地形礦井下地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣。通常情況下，礦井主巷道和主支巷道的路面平坦堅硬但凹處多積水，路面上有礦車鐵軌、水溝、風管、線纜等障礙物?？拷ぷ髅娴男∠锏缆访娌黄?、多有坡度。工作面處的路面坡度較大，積有大量的碎煤、支撐物、滑道等障礙。災(zāi)害發(fā)生后，脫落的頂板、煤石、煤塊等，會形成新的不規(guī)則障礙物，這就要求井下機器人要有較強的越障和避障能力。復(fù)河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文4雜的路況還可能會使機器人發(fā)生履帶單元局部故障、失去牽引力、零部件失效、傾翻、打滑、掉溝、陷入碎煤區(qū)等情況，這就需要機器人還具備一定的行駛功能恢復(fù)能力。發(fā)生局部故障后，剩下的正常驅(qū)動部件能使機器人繼續(xù)行走或返回基站。2．井下氣候井下氣候包括井下空氣的溫度、濕度、熱輻射和風速。正常通風情況下，井下溫度不超過30。C，井下空氣的成分中只含有少量有害氣體(CH。 、CO、CO：等)。但井巷內(nèi)多有淋水，空氣濕度大，冬季的濕度也很大。災(zāi)害發(fā)生后，井下氣候會發(fā)生明顯的變化，如氣體組分發(fā)生顯著變化，有害氣體含量增高，特別是瓦斯和粉塵濃度增大；災(zāi)變區(qū)域范圍內(nèi)的井下空氣的溫度、濕度增加；井下通風系統(tǒng)故障停運或局部的風流速度及風量減少。3．高瓦斯由于事故后，井下通風系統(tǒng)常會受到破壞，瓦斯排放不及時，使瓦斯?jié)舛仍黾?，所以，瓦斯爆炸的危險也常常是影響救護隊員及時下井開展救護工作的一個主要因素。為此，礦工搜尋機器人的所有結(jié)構(gòu)必須進行防爆設(shè)計，使它在高瓦斯的情況下能夠安全工作。 4．高溫火災(zāi)、煤塵瓦斯爆炸后積聚的熱量會在現(xiàn)場直至相鄰局部區(qū)域形成高溫，這些熱量在通風未恢復(fù)的情 況下會保持幾日，礦工搜尋機器人系統(tǒng)在井下溫度變化范圍內(nèi)要能可靠工作。5．煤塵正常情況下，井下的煤塵具有一定的濃度，并隨風向而流動。在事故發(fā)生后的有效救援時間內(nèi)，巷道內(nèi)仍會存在大量的煤塵。煤河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文5塵會進入運動副的表面，加劇軸承等零件的磨損，并且會附著在CCD光學傳感器、光源的表面上，影響機器人的壽命和搜尋精度。這就要求機器人零件密封、潤滑密封、并使用不易沾附灰塵的光學材料。6．潮濕與積水井下環(huán)境潮濕，事故發(fā)生后，井下排水系統(tǒng)可能受到破壞，即使恢復(fù)排水后也會造成巷道的高濕度，這就決定了機器人要在一個濕度大、路面濕滑并有凹處積水的潮濕環(huán)境里工作。 7．光照與煙霧井下場所黑暗，機器人只有自帶光源，為其視覺系統(tǒng)提供足夠強度的照明光線。事故后往往煙霧充斥巷道和工作面，能見度低，對機器人的照明有一定的影響。8．能源機器人的能源采用無纜方式，使用井下專用蓄電池供電?？紤]電源的功率、井下巷道和工作面空問的限制，并兼顧機器人行駛的平穩(wěn)性，應(yīng)適當減小機器人本體的重量和體積。 9．通信井下信號傳輸具有特殊性，井下煤層對信號的衰減能力非常強，信號傳播距離很短。迄今為止，井下海量數(shù)據(jù)的遠距離無線傳輸問題仍然沒有解決。因此，井下的特殊環(huán)境要求失蹤礦工搜尋機器人形體較小，運動靈活，能越障、越鐵軌和過水溝，通過狹小空間、碎煤和碎石區(qū)，有防爆、防水、耐高溫、視覺防塵等功能。在滿足井下工作環(huán)境特殊要求的基礎(chǔ)上，UMMMSR 要具備快速搜尋和準確定位井下失蹤人員的功能，并有簡單的急救功能，如攜帶少量的水、食品、藥品、急救包、礦燈以及播放音樂等。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文61 緒 論1.1 課題研究背景及意義1.1.1 課題研究背景人類在智慧上超出動物很多，但在特定環(huán)境的適應(yīng)上就要比動物差很多。雖然人發(fā)明了很多的技術(shù)彌補了這一不足，但明顯可以看到，艦船的靈活性比不上魚類，飛機的靈活性比不上鳥類甚至昆蟲，車輛的地形適應(yīng)性比不上四條腿的動物。搜救機器人的研究可以彌補我們這方面的不足，對社會產(chǎn)生大的經(jīng)濟效益。搜救機器人的研究可以滿足一些行業(yè)的需求。機器人由于其天生的多自由度，多冗余自由度，可以在狹小的空間內(nèi)穿梭，可以滿足在復(fù)雜環(huán)境中進行人類無法完成的搜救任務(wù)。近幾年各種災(zāi)害不斷的發(fā)生，各種災(zāi)害發(fā)生后世界人名都積極投入到救災(zāi)活動中。作為當代大學生對這些災(zāi)難尤其關(guān)注，一些人立即奔赴災(zāi)區(qū)，很多人捐款捐物。災(zāi)難后總會看到有人被困在廢墟下，而外面的人卻一時無法將他們救出時，我們心里十分焦急，總在想：里面的人肯定受了重傷，也一定很餓，如果有個小型搜救器能迅速鉆到廢墟里，探明受傷人位置和情況，給他們送去急需的藥品和飲食該有多好啊?；谶@種想法，搜救機器人從此誕生了。然而我國在各種災(zāi)害中，但據(jù)資料顯示，搜救機器人并未得到很好的利用，參加搜救的主要還是以消防官兵，搜救犬及支援人士。地震、火災(zāi)、礦難等災(zāi)難發(fā)生后,在廢墟中搜尋幸存者,給予河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文7必要的醫(yī)療救助,并盡快救出被困者是救援人員面臨的緊迫任務(wù)。實際經(jīng)驗表明,超過 48 小時后被困在廢墟中的幸存者存活的概率變得越來越低。由于災(zāi)難現(xiàn)場情況復(fù)雜,在救援人員自身安全得不到保證的情況很難進入現(xiàn)場開展救援工作的,此外,廢墟中形成的狹小空間使搜救人員甚至搜救犬也無法進入。災(zāi)難搜救機器人可以很好地解決上述問題。機器人可以在災(zāi)難發(fā)生后第一時間進入災(zāi)難現(xiàn)場尋找幸存者,對被困人員提供基本的醫(yī)療救助服務(wù),進入救援人員無法進入的現(xiàn)場搜集有關(guān)信息并反饋給救援指揮中心等。近年來,為了滿足救援工作的需要,國內(nèi)外很多研究機構(gòu)開展了大量的研究工作,可以在災(zāi)難現(xiàn)場廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋的各類機器人如可變形多態(tài)機器人、蛇形機器人等相繼被開發(fā)出來。然而復(fù)雜危險的災(zāi)后環(huán)境常常會給救援工作帶來困難。危險物質(zhì)、大火、易燃易爆氣體、不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)等等危險因素的存在，時常威脅到救援隊員的生命安全，阻礙救援工作的快速展開。如何能夠在最少人員傷亡前提下快速高效地開展搜索救援工作一直是我們重點研究的問題。本文提出的便攜式礦用救災(zāi)機器人是一種質(zhì)量輕，易于單個救援人員背負，具有多種運動姿態(tài)和抗摔能力，采用履帶方式行進的微小型機器人系統(tǒng)。能夠適應(yīng)礦井惡劣的災(zāi)后環(huán)境，對非結(jié)構(gòu)的地形環(huán)境具有良好的自適應(yīng)能力，具備較好的越障能力和一定高度的抗摔能力。機器人可通過無線電信號進行遠程控制，并能夠加載各種偵測設(shè)備對未知環(huán)境進行先期探測并回傳井巷環(huán)境信息，為及時有效的救災(zāi)提供決策參考。1.1.2課題研究意義煤礦作為最復(fù)雜、最危險的工作環(huán)境之一，在發(fā)生安全事故河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文8之后，常常會因為井下復(fù)雜危險的環(huán)境而阻礙救援人員深入井下開展工作。但煤礦安全形式十分嚴峻，瓦斯爆炸等煤礦事故頻發(fā)，造成了重大的人員傷亡，產(chǎn)生了不良的社會影響。煤礦災(zāi)害尤其是瓦斯煤塵爆炸事故發(fā)生后，因受高溫、煙霧、有害氣體和缺氧等影響，以及存在發(fā)生二次災(zāi)害的可能，礦井環(huán)境十分復(fù)雜.。由此可見研發(fā)代替或部分代替救護人員的救災(zāi)機器人及時、快速深入礦井災(zāi)區(qū)進行環(huán)境探測和搜救工作具有極其重要的意義。在救援初期，其主要作用是代替礦山救護人員進入災(zāi)區(qū)，進行環(huán)境探測，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至救援指揮中心，這些環(huán)境信息主要包括瓦斯、CO、氧氣的濃度、環(huán)境溫度、濕度與粉塵情況以及災(zāi)區(qū)的通風狀況的參數(shù)，還應(yīng)包括生命和圖像等信息，為救災(zāi)決策提供重要參考。(1）課題研究的社會意義搜救機器人的研究給搜救工作帶來很大的方便，在災(zāi)難發(fā)生后，能夠快速地投入到搜救工作中，提高搜救效率，減少人員傷亡，失蹤等不幸事故，更好的為社會服務(wù)。(2）課題研究的科學意義搜救機器人的研發(fā)，在很大程度上彌補了廣茂達在搜救領(lǐng)域的不足，為后期更好的擴展，奠定了基礎(chǔ)。1.2 國內(nèi)外研究情況1.2.1 國外研究情況近十年來,美國、日本等西方發(fā)達國家在地震、火災(zāi)等救援機器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各種可用于災(zāi)難現(xiàn)場河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文9救援的機器人。目前，在救災(zāi)機器人研究方面，美國走在了世界的前列，美國在微小型機器人研制方面投入了大量的人力和物力，特別是新型、高機動、高可靠性移動載體研究方面。如美國移動機器人(TMR)計劃中的便攜式機器人系統(tǒng)(MPRS) ．該類機器人主要用于城市戰(zhàn)斗與搜救。如美國智能系統(tǒng)和機器人中心開發(fā)的RATLER 礦井探索機器人用于災(zāi)難后的現(xiàn)場偵查工作，采用電傳遙控方式，有主動紅外攝像機、無線射頻信號收發(fā)器、陀螺儀和危險氣體傳感器等裝備。無線遙控距離約 76 米。美國南佛羅里達大學研制的 Simbot 礦井搜索機器人,小巧靈活，攜帶數(shù)字低照度攝像機和基本氣體監(jiān)視組件，可以通過一個鉆出的小洞鉆進礦井，越過碎石和爛泥，并使用其攜帶的傳感器發(fā)現(xiàn)受害礦工，探測氧氣、甲烷氣體含量，生成礦井地圖。1.形狀可變履帶機器人所 謂 形 狀 可 變 履 帶 機 器 人 ， 是 指 該 機 器 人 所 用 履 帶 的 構(gòu) 形 可 以根 據(jù) 地 形 條 件 和 作 業(yè) 要 求 進 行 適 當 變 化 。 圖 2 所 示 為 一 種 形 狀 可 變履 帶 機 器 人 的 外 形 示 意 圖 。 該 機 器 人 的 主 體 部 分 是 兩 條 形 狀 可 變的 履 帶 ， 分 別 由 兩 個 主 電 動 機 驅(qū) 動 。 當 兩 條 履 帶 的 速 度 相 同 時 ，機 器 人 實 現(xiàn) 前 進 或 后 退 移 動 ； 當 兩 條 履 帶 的 速 度 不 同 時 ， 機 器 人實 現(xiàn) 轉(zhuǎn) 向 運 動 。 當 主 臂 桿 繞 履 帶 架 上 的 軸 旋 轉(zhuǎn) 時 ， 帶 動 行 星 輪 轉(zhuǎn)動 ， 從 而 實 現(xiàn) 履 帶 的 不 同 構(gòu) 形 ， 以 適 應(yīng) 不 同 的 運 動 和 作 業(yè) 環(huán) 境（ 見 圖 1-1） 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文10圖 1-1 形狀可變履帶機器人外形示意圖為了能進入狹小空間展開搜救工作，要求機器人的體積要盡可能小，但體積小了搜索視野就會受到限制，為了解決這已矛盾，近年來在傳統(tǒng)牽引式多態(tài)搜救機器人。圖 1-2 為美國 Irobot 公司生產(chǎn)的 Packbot 系列機器人，packbot 機器人有一對鰭形前肢，這對鰭形前肢可以幫助崎嶇的地面上導(dǎo)航，也可以升高感知平臺以便更好地觀察。圖 1-3 為加拿大 inuktun 公司 MicroVGTV 多態(tài)搜救機器人，他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠近靈活地調(diào)整 (a)正常狀態(tài) （b）直立狀態(tài)圖 1-2 美國 Irobot 公司 packbot 多態(tài)搜救機器人河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文11（ a）平躺狀態(tài) （b）半直立狀態(tài) （ c）直立狀態(tài)圖 1-3 加拿大 Inuktun 公司 Micro VGTV 多態(tài)搜救機器人2.位置可變履帶機器人所謂位置可變履帶機器人，是指履帶相對于車體的位置可以發(fā)生變化的履帶式機器人。這種位置的改變既可以是一個自由度的，也可以是兩個自由度的。圖 1-4 所示為一種二自由度變位履帶機器人，各履帶能夠繞車體的水平軸線和垂直軸線偏轉(zhuǎn)，從而改變機器人的整體構(gòu)形。圖 1-4 二自由度變位履帶機器人圖 1-4 為上述變位履帶機器人傳動機構(gòu)示意圖。由上圖可知，當 A 軸轉(zhuǎn)動時，通過一對錐齒輪的嚙合，將運動傳遞給驅(qū)動輪，從而帶動履帶運動；當 B 軸轉(zhuǎn)動時，通過另一對錐齒輪的嚙合，帶動與履帶架相連的曲柄，使履帶繞主動軸軸線回轉(zhuǎn)變位；當 C河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文12軸傳動時，履帶連同其安裝架一起繞 C 軸線相對于車體轉(zhuǎn)動，改變其位置。A、B、C 三軸由一臺電動機帶動，通過切換 A、B、C三個離合器，使之實現(xiàn)不同的傳動路線，具體情況參見圖 1-5。 a)結(jié)構(gòu)示意圖 b）不同的傳動路線圖 1-5 變位履帶機器人傳動機構(gòu)示意圖變位履帶機器人集履帶式機器人和全方位輪式機器人的優(yōu)點于一身。當其履帶沿一個自由度方向變位時，可用于攀爬階梯和跨越溝渠（見圖 1-6） ；當其履帶沿另一個自由度方向變位時，可實現(xiàn)車體的全方位行走方式（見圖 1-7） 。圖 1-6 變位履帶機器人爬梯越溝功能示意圖河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文13圖 1-7 變位履帶機器人移動方式示意圖3.仿生搜救機器人雖然履帶式可變形多態(tài)機器人可根據(jù)搜索空間的大小改變其形狀和尺寸，但受驅(qū)動方式的限制，其體積不可能做得很小。為了滿足對更狹小空間搜索的需要，人們根據(jù)生態(tài)學原理研制了各種體積更小的仿生機器人，其中蛇形機器人就是其中很重要的一類。圖 1-8a 為 cmu 研制的安裝的蛇形機器人。圖 1-8b 為日本大阪大學研制的蛇形機器人。圖 1-8c 為美國加州大學伯克利分校研制的身高不足 2cm 的蒼蠅搜救機器人。隨著技術(shù)的不斷成熟，相信蛇形、蠅形等仿生機器人會在災(zāi)難搜救工作中發(fā)揮越來越大的不可替代的特殊作用。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文14(a）CMU 研制的基于移動 (b)日本大阪大學 （c）加州大學伯克利平臺的蛇形機器人 蛇形機器人 分校研制的蒼蠅機器人圖 1-8 仿生機器人1.2.2 國內(nèi)研究情況 我國的搜救機器人技術(shù)起步較晚，但是近年來引起了越來越多的關(guān)注并取得了一定的成果。在 5.12 地震發(fā)生后，針對亂石之中被埋在撫恤下的生命很難發(fā)現(xiàn)， “如果有能穿越亂石的機器人，也許就可以發(fā)現(xiàn)廢墟下的生命跡象從而救出更多的人！“謝敬濤等 5 位重慶交大的 5 位同學經(jīng)過商量后便有這個想法，發(fā)明一個越障能力強的機器人-蛇形機器人（圖 1-9）.河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文15圖 1-9圖 1-10由中科院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室研制的空中搜索探測機器人、廢墟洞穴搜救可變形機器人、廢墟表面搜救機器人(如圖 1-10),在位于北京西郊鳳凰嶺的國家地震緊急救援訓練基地完成了綜合調(diào)試演練，并達到了預(yù)期性能指標。這標志著我國地震搜救機器人系統(tǒng)已進入到示范應(yīng)用階段，有望在“十二五”期間作為地震應(yīng)急搜救裝備投入實際使用。6 月 22 日，國內(nèi)首臺煤礦搜救機器人(樣機)在江蘇徐州誕生，該機器人由中國礦業(yè)大學可靠性與救災(zāi)機器人研究所研制。目前河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文16這臺搜救機器人采用點對點式的無線控制方式，有效控制范圍為300 米。由葛世榮教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組正在研制使用中繼站式無線通訊方式，成功后將可實現(xiàn)對機器人 1.5 公里范圍內(nèi)的無線控制。煤礦搜救機器人采用自主避障和遙控引導(dǎo)相結(jié)合的行走控制方式，它能在礦難發(fā)生后深入事故現(xiàn)場探測火災(zāi)溫度、瓦斯?jié)舛取?zāi)害場景、呼救聲訊等信息，并實時回傳采集到的信息和圖像，為救災(zāi)指揮人員提供重要的災(zāi)害信息。同時，機器人還能攜帶急救藥品、生命維持液、食品和千斤頂、撬棍等自救工具以協(xié)助被困人員實施自救和逃生。據(jù)悉，此機器人通過改裝后還可廣泛應(yīng)用于地面救火、有害氣體測試等用途。圖 1-121 以上是目前世界上的搜救機器人的研究現(xiàn)狀。搜救機器人多種多樣，然而真正應(yīng)用在實際中的機器人目前不是很多。由于技術(shù)發(fā)展的限制，很多機器人只能在一個方面使用，沒有幾種多功能的搜救機器人，但是很多機器人又有相同的地方。作為搜救機器人，越障，搜索，通信，攜帶救援物資等等功能是最基本的功能。這其中越障顯得極為重要，如果機器人連障礙物都無法穿越，還怎么做到搜救呢？于是越障能力作為考查搜河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文17救機器人能力的最為重要的指標。而越障能力由機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計決定的，于是各種各樣形態(tài)的機器人就誕生了。其實各種形態(tài)都是為了提高機器人的越障能力的而存在的。1.2.3 搜救機器人技術(shù)發(fā)展方向搜救機器人為搜救工作展開了新思路，但是也暴露了一些問題。綜合考慮機器人技術(shù)和搜救環(huán)境，未來的搜救機器人技術(shù)需求應(yīng)包括以下幾個方面。1．機動裝置設(shè)計在搜救過程中，機動是機器人首先面臨的問題。作為機器人機動主體的底盤，需要裝載所有的傳感器。考慮當時的環(huán)境，底盤的設(shè)計應(yīng)該滿足以下需求。（1）能夠通過粗糙地形，越過或繞過障礙物，能夠爬樓梯，能夠通過狹窄空間。（2）能夠耐熱、放水、防火、防腐蝕（3）重量輕，能夠在不發(fā)生滑動和再次倒塌的情況下對空間進行快速搜索。2．傳感器搜救的兩個明確任務(wù)：一是尋找可能的幸存者，二是在最初的結(jié)構(gòu)評估過程中對空間進行分類。因此，機器人攜帶的傳感器必須使它們在移動中探測受災(zāi)者和收集受災(zāi)者信息。如傳感器的設(shè)計需要能夠確定受災(zāi)者的生命跡象，并確定幸存者的狀態(tài)；為了判斷出受困者所在的位置和其所在地點的情形，需要綜合GPS、慣性測量裝置、編譯器、陀螺儀、加速計、觸摸、移動、視覺和聲學傳感器獲得的信息等。3．通信河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文18使用有線通信的機器人在行動中通信系鏈易纏繞，限制了機器人的移動，適合于短距離的搜救行動。未來的發(fā)展是采用無線通信。在紐約世貿(mào)中心救援中使用的機器人就是利用無線以太網(wǎng)（2.4GHz 802.11） 、有線通信方式與指揮中心保持通信聯(lián)絡(luò)。無線以太網(wǎng)由于帶寬的問題，易導(dǎo)致通信中斷，因此，需要加強動力、抗干擾能力的設(shè)計。4．圖像處理通過操縱機器人能夠獲取現(xiàn)場圖像，用于確定墻壁和柱子計結(jié)構(gòu)的破壞，管道和儲藏庫的泄漏和破裂等。同時機器人能夠通過獲得的現(xiàn)場結(jié)構(gòu)信息繪制出新的結(jié)構(gòu)圖，從而向救援人員報告受災(zāi)后的精確位置及可能的通路。地圖的繪制可以由一個機器人完成，也可以與其他機器人合作來完成。5．導(dǎo)航技術(shù)提高機器人搜索效率和范圍，開展視覺導(dǎo)航技術(shù)的相關(guān)研究。視覺在機器人路徑規(guī)劃、避障；自動爬樓梯過程中是非常重要的。如 NASA 噴氣動力實驗室利用圖像的樓梯邊緣判斷方法，解決了機器人爬樓梯的自動化。6．人機交互界面為了方便使用者在救援行動中有效的使用機器人，便捷的人機交互是非常必須的。一個有效的用戶界面必須能夠向操作員提供足夠的決策參考信息，用于制定機器人的下一步行動。在這樣的界面下，使用者能夠很容易的獲得機器人的方向、位置和動力，操作眾多的設(shè)備，比如攝像機、燈光和車載鉗子，準確的控制機器人的移動，從攝像機獲得圖像。7．群體機器人協(xié)同河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文19在面對一個巨大災(zāi)難的時候，可以考慮由多個機器人組成群體，通過系統(tǒng)協(xié)調(diào)來完成單機器人無法或難以完成的工作。群體機器人系統(tǒng)具有空間分布、功能分布、時間分布等特點，所以群體機器人系統(tǒng)比單機器人系統(tǒng)具有更強的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。（1）群體機器人系統(tǒng)可以實現(xiàn)單機器人系統(tǒng)無法實現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)。（2）設(shè)計和制造多個簡單機器人比單個復(fù)雜機器人更容易、成本更低。（3）使用群體機器人系統(tǒng)可以大大節(jié)約時間、提高效率。（4）群體機器人系統(tǒng)的平行性和冗余性可以提高系統(tǒng)的柔性和彈性。救災(zāi)機器人是智能化機器人在煤礦領(lǐng)域的全新應(yīng)用，盡管某些關(guān)鍵技術(shù)仍需要進一步研究，但救災(zāi)機器人具有高度的實用價值和廣泛的應(yīng)用前景。隨著計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)的發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖像信息處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能機器人的研究已取得了豐碩的研究成果。但是，由于礦井救災(zāi)機器人特殊的工作環(huán)境和工作要求的不斷提高，礦井救災(zāi)機器人技術(shù)方面還需要有所突破：（1）機械性能方面， 能夠適應(yīng)礦井惡劣的災(zāi)后環(huán)境，對非結(jié)構(gòu)的地形環(huán)境具有良好的自適應(yīng)能力，具備較好的越障能力。（2）新技術(shù)和新材料的研發(fā)，礦井災(zāi)后惡劣的環(huán)境要求用高強度、抗拉抗壓、抗高溫阻燃、不產(chǎn)生電火花的材料。（3）優(yōu)良的導(dǎo)航性能、信息采集能力仍是今后礦井救災(zāi)機器人導(dǎo)航技術(shù)的主要發(fā)展方向。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文20（4）由于礦井中救災(zāi)機器人單一的傳感器無法滿足高精度定位需要，因此需要融合多個傳感器測量信息，多傳感器信息融合技術(shù)也就自然成為發(fā)展趨勢。（5）多機器人系統(tǒng)是礦井救災(zāi)機器人技術(shù)發(fā)展的主要方向。（6）采用標準化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化技術(shù)。機器人裝備有通信系統(tǒng)，在與外界進行數(shù)據(jù)信息交換時，采用標準化接口技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可使機器人更具備操控性，同時機器人通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護性、兼容性也更好。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文212 搜救機器人的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計2.1 井下復(fù)雜環(huán)境對搜救機器人的要求井下環(huán)境和氣候與地面不同，井下環(huán)境惡劣，特別是事故剛剛發(fā)生后的井下條件更為惡劣。搜救機器人需要滿足井下工作環(huán)境的特殊要求，具備快速搜尋并且準確定位井下失蹤人員的功能，還要有簡單的急救功能。(1)井下地形礦山井下地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣。巷道路面多積水，有礦車鐵軌、水溝、風管、線纜等障礙物；支巷道路面窄而不平，多有坡度；工作面處的路面坡度大，有碎煤、支撐、滑道等障礙。災(zāi)害發(fā)生后，脫落的頂板、巖石、煤塊等形成新的障礙物。復(fù)雜的路況要求井下機器人要有較強的越障、避障能力和行駛功能恢復(fù)能力。(2)井下氣候災(zāi)害后，井下通風系統(tǒng)常受到破壞，使井下氣候發(fā)生明顯的變化，常見瓦斯和粉塵濃度增大，災(zāi)變區(qū)域的溫度、濕度增加，風量減少。所以二次瓦斯爆炸的危險也常常是影響救護隊員及時下井救護的一個主要因素。為了在高瓦斯下安全工作，搜救機器人需要進行礦用隔爆兼本安型設(shè)計；元件在井下溫度變化范圍內(nèi)應(yīng)能可靠地工作；為了防止煤塵和積水進入車體內(nèi)部和運動副，廂體要進行密封、防水設(shè)計。(3)光照與煙霧井下無自然光，機器人只有自帶光源。事故后，往往煙霧充斥巷道和工作面，能見度低，對照明產(chǎn)生一定影響。(4)能源使用井下專用蓄電池供電。因此，井下的特殊環(huán)境要求所設(shè)計的搜救機器人形體較小，河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文22載荷較大，運動靈活，具有通過狹小空間、碎煤和巖石區(qū)的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)較大弧度的轉(zhuǎn)動，較強的越障、爬坡能力，以及防爆、防水、耐高溫、視覺防塵等功能。2.2 典型移動機構(gòu)方案分析機器人在地面上移動的方式通常有三種：輪式、腿式和履帶式。另外還有步進移動式、蠕動式、混合移動式、蛇行移動式等。2.2.1 輪式移動機構(gòu)特點輪式移動機構(gòu)在救災(zāi)機器人中是最為普通的運動方式，輪式機器人移動機構(gòu)普遍具有結(jié)構(gòu)簡單、運動速度快、能源利用率高的、機動性好強的特點，同時具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時間短和工作效率高等優(yōu)勢。控制的角度看，編程簡單并有較高的可靠性，每個輪子都可以獨立驅(qū)動。與履帶式移動機器人相比，當跨越不平坦地形時，輪式機器人有著固有的不足，限制了其運動能力，其穩(wěn)定性和對環(huán)境的適應(yīng)性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，對于進入復(fù)雜的環(huán)境完成既定任務(wù)存在嚴重的困難。輪式移動機構(gòu)按輪的數(shù)量可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。該結(jié)構(gòu)存在著一定的局限性，只能在相對平坦、表面較硬的路面上行駛，如遇到軟性地面(如沼澤、草地、雪地、沙地等)容易打滑、沉陷，但可根據(jù)具體地面環(huán)境采用一些預(yù)防措施來緩解該類情況的出現(xiàn)，如采用不同種類的款式輪胎以提高其越野能力，象沙漠車輛、山地車輛等，其各種結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文23圖2-1 輪式移動裝置示意圖2.2.2 腿式移動機構(gòu)特點腿足式移動機構(gòu)分 2 腿、4 腿、6 腿、8 腿等形式。腿式移動機構(gòu)優(yōu)點有：（1）腿式機器人的地形適應(yīng)能力強。腿式機器人運動軌跡由一系列離散點組成，崎嶇地形可以給這些離散點提供支撐，使機器人平穩(wěn)運動；而輪式和履帶式機器人的運動是連續(xù)規(guī)跡，有些起伏較大的地形則不支持這種連續(xù)運動軌跡，進而限制了該類機器人活動范圍。（2）腿式機器人的腿部具有多個自由度，運動更具有靈活性，通過調(diào)節(jié)腿的長度可以控制機器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高；（3）腿式機器人的身體與地面分離，這種機械結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于機器人身體可以平穩(wěn)地運動而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移動機器人如圖2-2所示，特點是穩(wěn)定性好，越野能力強。腿式移動機構(gòu)缺點有：河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文24（1）該類機器人的移動速度慢，機動性較差．因此機器人的負載不能太重；（2）腿式機器入對地面適應(yīng)性和運動靈活性需要進一步提高；（3）腿式機器人控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，控制方法還有待完善；（4）該機構(gòu)未進入實用化階段。圖 2-2 車輪式行走機器人2.2.3 履帶式移動機構(gòu)特點履帶式移動機構(gòu)分為l條履帶、2條履帶(履帶可車體左右布置或者車體前后布置)、3條履帶、4條履帶，6條履帶，履帶式移動機構(gòu)與地面較大的接觸面積，因此在較大的區(qū)域內(nèi)分布機器人的重量，較大的接觸區(qū)域使機器人具有較好的驅(qū)動牽引力，機動性能好、越野性能強，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、摩擦阻力大，機械效率低，在自身重量比較大的情況下會對路面產(chǎn)生一定的破壞。履帶式移動機構(gòu)比較輪式移動機構(gòu)有以下幾個特點：（1）撐面積大、接地比壓小、滾動阻尼小、通過性比較好；（2）越野機動往能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)；（3）履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好；（4）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜重量大，運動慣性大，減震功能差，零件河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文25易損壞。圖2-3為一部分履帶式移動機構(gòu)的簡圖圖2-3 履帶式移動裝置示意圖 履帶式實際是一種自己為自己鋪路的輪式車輛。它是將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸。履帶式的的優(yōu)點是著地面積比車輪式大，所以著地壓強??；另外與路面黏著力強，能吸收較小的凸凹不平，適于松軟不平的地面。因此，履帶式廣泛用在各類建筑機械及軍用車輛上。并且履帶式結(jié)構(gòu)是通過兩條履帶差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。不但可以實現(xiàn)超小半徑轉(zhuǎn)彎，還可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。靈活性極佳。2.2.4 履，腿式移動機構(gòu)特點履腿復(fù)合移動機構(gòu)綜合了履帶式和腿式兩種移動機構(gòu)的優(yōu)勢，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)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，輪式移動機構(gòu)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(gòu)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(yīng)能力(此時機河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文26器人履帶高度和長度直接決定了機器人越障、跨溝等性能)，為了解決該問題履式移動系統(tǒng)中引入了關(guān)節(jié)履帶機構(gòu)，兩條履帶不再相對車體固定而是能繞車身轉(zhuǎn)動，這樣能大大提高機器人的環(huán)境適應(yīng)能力，但履、腿復(fù)合機構(gòu)本身存在著一定的不足如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動控制困難等。2.2.5 輪、履、腿式移動機構(gòu)性能比較車輪式，履帶式、腿足式移動系統(tǒng)性能比較見表 2-1 所示。表 2-1 典型移動機構(gòu)的性能對比2.3 本研究采用的行走方案履帶式機器人具有良好的越障能力和地面適應(yīng)性，已得到廣泛的應(yīng)用．典型的履帶式機器人可分為固定履帶式機器人和擺臂履帶式機器人．擺臂履帶式機器人根據(jù)擺臂的數(shù)量可分為四履帶雙擺臂機器人和六履帶四擺臂機器人.本文提出來的便攜式履帶機器人移動系統(tǒng)采用的是履、腿(輪)復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)最大優(yōu)點在于在傳統(tǒng)履帶移動機構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，加強了機器人越障、爬坡性能并提高了環(huán)境適應(yīng)能移動方式 輪式 履帶式 腿式移動速度 快 較快 慢越障能力 差 一般 好復(fù)雜程度 簡單 一般 復(fù)雜能耗量 小 較小 大控制難易 易 一般 復(fù)雜河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文27力。機器人能根據(jù)地形條件的復(fù)雜程度，通過主動調(diào)節(jié)兩側(cè)履帶與車身約束關(guān)系來選擇自適應(yīng)環(huán)境或者是主動適應(yīng)環(huán)境。自適應(yīng)環(huán)境可以提高機器人運動穩(wěn)定性能、平順性能；主動適應(yīng)環(huán)境可以提高機器人通過性能，機器人設(shè)計方案如下圖2-4所示。圖 2-4 便攜式履帶機器人結(jié)構(gòu)組成1.后輪驅(qū)動電機及組件 2.擺臂電機及組件 3.主履帶 4.擺臂履帶 5.齒輪2.4 救災(zāi)機器人性能指標與設(shè)計由于煤礦井下環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性煤礦井下搜救機器人的總體設(shè)計須滿足適合井下復(fù)雜地形、防爆、防碰撞等要求，同時所載的子系統(tǒng)安裝、使用要方便。在地面移動機器人家族中，履帶機器人具有很強的地形適應(yīng)性，能夠適應(yīng)惡劣的路面條件，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但普通的履帶移動移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，運動慣性大，減震性能差，零件易損壞。為克服普通履帶式移動機構(gòu)的缺點，給煤礦井下搜救機器人履帶式移動機構(gòu)加裝前擺。機器人加裝前擺臂的優(yōu)點：機器人重心將前移，實現(xiàn)機器人爬坡和越障的功能，穩(wěn)定性將更好；實現(xiàn)機器人傾翻后自復(fù)位。為提高其地形適應(yīng)性，前擺臂兩個擺臂關(guān)節(jié)單獨控制和單獨驅(qū)動。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文28總體設(shè)計方案如圖2-4所示。采用后輪驅(qū)動，差速轉(zhuǎn)向，可實現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)向。擺臂電動機驅(qū)動擺臂可在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，提高機器人跨越溝槽和爬越臺階的越障的能力和翻轉(zhuǎn)后自復(fù)位的功能。根據(jù)井下環(huán)境對機器人的要求，主要設(shè)計性能參數(shù)如下：, , , ,B(車體寬度)mL601?3502mR8?r35=500mm。車體質(zhì)量為50kg,擺臂質(zhì)量不超過5kg,機器人做直線運動最大速度等于1m/s,自備電源運行時間大于等于4小時。最大越障高度H=300mm，跨越最大溝壑寬度C=500mm。如2-5圖：圖 2-52.5 本章小結(jié)本章重點介紹了國內(nèi)外履帶機器人的移動方式，對三種常見的移動方式(輪式、履帶式、腿式)在越野性能、移動速度、機構(gòu)復(fù)雜程度、控制難易程度等幾方面進行了比較和分析，就研制的礦用履帶搜救機器人應(yīng)達到的性能指標提出了具體要求。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文293 礦用搜救機器人運動參數(shù)設(shè)計計算3.1 機器人越障分析研究擺臂履帶機器人的越障機理與越障能力，有利于對機器人的越障運動進行操作與控制，可保證其運行穩(wěn)定性和最佳越障性能。本文從運動學的角度，在固定雙履帶機器人越障機理的基礎(chǔ)上，分析四履帶雙擺臂機器人對臺階、斜坡、溝道等典型障礙的越障運動機理。 履帶式移動機器人面臨的環(huán)境多為非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境，非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境是多樣的、復(fù)雜的三維地形，包括天然形成的起伏、崎嶇地形，以及人工修建的坡路、階梯、溝道等人工地形。影響或阻止機器人平臺正常移動的地形、地物稱為障礙地形。而很多地形具有相近的幾何構(gòu)特征，為了便于分析與表述，通常將障礙地形簡化為斜坡、臺階、連續(xù)臺階、凸臺、溝道等具有典型特征的地形。表征斜坡的幾何構(gòu)形特征是坡度和坡向，坡度是高度的最大變化率，坡向是最大變化率的區(qū)域方向，其關(guān)鍵邊界線為斜坡底部與頂部轉(zhuǎn)折線。表征臺階的幾何構(gòu)形特征是高河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文30度，其關(guān)鍵邊界線為臺階外角線。表征連續(xù)臺階的幾何構(gòu)形特征是高度和臺階跨度，其關(guān)鍵邊界線為臺階內(nèi)、外角線．表征凸臺的幾何構(gòu)形特征是高度和寬度，其關(guān)鍵邊界線為凸臺兩對內(nèi)、外角線。表征溝道的幾何構(gòu)形特征是跨度和深度，其關(guān)鍵邊界線為溝道兩側(cè)邊緣線。機器人克服障礙，是指機器人利用其行走機構(gòu)驅(qū)使機器人移動，使其質(zhì)心越過障礙的關(guān)鍵邊界線，在此過程中機器人不發(fā)生傾覆，不受障礙卡阻，能繼續(xù)保持機器人的穩(wěn)定姿態(tài)與移動能力。對于履帶機器人，可將其攀越凸臺的過程分解為上臺階和下臺階的過程，將其攀爬連續(xù)臺階的過程根據(jù)其幾何構(gòu)形特征的尺寸簡化為攀爬斜坡或依次攀爬臺階的情況。因此，只需著重分析機器人攀爬臺階、斜坡以及跨越溝道的越障運動機理。為了便于研究履帶機器人的越障機理，首先對固定雙履帶機器人的越障機理進行研究。3.1.1 機器人跨越臺階（1）越障機理分析當機器人在爬越臺階時，機器人履帶底線與地面之間的夾角將隨時間而逐漸增加，其重心越過臺階的支撐點時，機器人就跨過了臺階完成爬越動作。（2）越障過程分析煤礦井下搜救機器人爬越臺階的過程如圖 3-1 所示，機器人借助擺臂的初始擺角，在履帶機構(gòu)的驅(qū)使下，使其主履帶前端搭靠在臺階的支撐點上，機器人繼續(xù)移動，驅(qū)動擺臂逆時針擺動，當機器人重心越過臺階邊緣時，旋轉(zhuǎn)擺臂關(guān)節(jié)，機器人在自身重力影響下，車體下移，機器人成功地爬越臺階。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文31圖 3-1 機器人正向攀爬臺階的過程由運動過程可以看出，機器人在越障第三階段圖 3-1（C）重心的位置處于臨界狀態(tài)，機器人重心只有越過臺階邊緣，機器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機器人的最大越障高度。圖 3-2 機器人上臺階臨界狀態(tài)示意圖由圖 3-2 所示幾何關(guān)系可得：（3-cos()cot/sinxLhR?????1）變換式（1）可得： （3-sin/s2） 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文32（3-2cosin/cos0hLRd??????3） 利用式（3）求出 ，代入式（ 2）可算出機器人跨越障礙的最大高度 。maxh3.1.2 跨越溝槽（1）越障機理分析對于小于機器人前后履帶輪中心距地溝槽，因機器人重心在機器人車體內(nèi)，當機器人重心越過下一個溝槽的支撐點時，機器人就越過了溝槽，完成了跨越動作。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內(nèi)。當溝槽大于中心距時，履帶式機器人可以看做爬越凸臺障礙。（2）越障分析履帶式移動機器人跨越溝槽時，機器人重心不斷向前移動，當重心越過溝槽邊緣時，受重力作用，機器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運動不穩(wěn)定。由機器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機器人重心在以 r 為半徑的圓內(nèi)，由于擺臂展開后機器人履帶與地接觸長度變大，為了計算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應(yīng)處于展開狀態(tài)。圖 3-3 跨越溝槽示意圖河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文33機器人在平地圖 3-3（a）跨越溝槽的寬度 ：1L（3-max1Lr??4）在角度為 的斜坡圖 3-3(b)上跨越溝槽的寬度 ：?1L（3-max1tanLrh????5）3.2 斜坡運動分析機 器 人 在 斜 坡 上 運 動 時 ， 起 受 力 情 況 如 圖 3-4 所 示 ， 機器 人 勻 速 行 駛 或 靜 止 時 ， 其 驅(qū) 動 力 ：（3-sinFG??6） 圖 3-4 機器人上坡受力示意圖最大靜摩擦力系數(shù)為 ，最大靜摩擦力為：?（3-maxcosFG??7）當 時，機器人能平穩(wěn)行駛。maxF?當 時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。?河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文34已知煤礦井下機器人在井下地面最大靜摩擦系數(shù) ，則機器?人爬越的最大坡度為: （3-1maxtn()????8）爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為：（ 3-max(cosin)g????9）通過上述分析，可以根據(jù)機器人履帶與運動面的摩擦系數(shù)來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機的特性，確定其運動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。3.3 本章小結(jié)本章重點圍繞礦用履帶搜救機器人的爬坡性能、越障性能、跨溝性能三方面，對機器人移動原理進行理論分析，運動過程進行數(shù)值計算，驗證了該機器人在惡劣環(huán)境下具有優(yōu)良機動能力。 機器人的爬坡角度最大為 ；垂直越障高度最大為03300mm：最大跨溝寬度為500mm。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文354 擺臂減速器設(shè)計 4.1 擺臂電動機選擇 分析假設(shè)擺臂擺動速度為 ，min20r=確定電動機轉(zhuǎn)速。由《機械設(shè)計課程設(shè)計》表 3-1 推薦的常用傳動比范圍，單級齒輪傳動比為 。故電動機可選范圍為：10~32?i(60~200)r/min=)(nd則選用電機：轉(zhuǎn)速 120r/min 功率為 30w ?1?P4.2 擺臂減速器設(shè)計移動減速傳動機構(gòu)是完成機器人前進、后退、轉(zhuǎn)向等各種運動的關(guān)鍵部件，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換，將動力機的轉(zhuǎn)速減低到所需的轉(zhuǎn)速，同時扭矩達增大到所需的扭矩。本機構(gòu)主減速器擺采用二級減速器，驅(qū)動電動機通過減速器的實現(xiàn)減速、增大轉(zhuǎn)矩。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文36電動機安裝在減速器前端，通過錐齒輪改變軸的方向，輸出履帶驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩，為復(fù)雜狀況下救災(zāi)機器人提供主要動力。擺臂減速器采用一級圓柱齒輪減速器。擺臂電動機通過減速器實現(xiàn)擺臂在轉(zhuǎn)動過程中的減速。4.2.1 減速器方案對比分析減速器的種類很多，按照傳動類型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星減速器以及它們互相組合起來的減速器；按照傳動級數(shù)可分為單級和多級減速器；按照齒輪形狀可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐---圓柱齒輪減速器；按照傳動的布置形式由可以分為展開式、分流式和同軸式
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