畢業(yè)論文（設計）基于pro e的搜救機器人模型建立與運動仿真

誠信聲明本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。本人簽名：年月日畢業(yè)設計任務書設計題目：基于PRO/E的搜救機器人模型建立與運動仿真系部：機械工程系專業(yè)：機械設計制造及其自動化學號：112021210學生：指導教師〔含職稱〕：〔講師〕1．課題意義及目標學生應通過本次畢業(yè)設計，綜合運用所學過的根底理論知識，完成搜救機器人的移動結構設計、越障能力分析、內部主要零件設計、建立虛擬運動模型等內容，做到能熟練運用所學知識，為以后實踐工作打下根底。2．主要任務1〕通過查閱有關資料，了解搜救機器人主要功能和技術參數(shù)；2〕搜救機器人的移動機構設計及性能分析；3〕搜救機器人越障能力分析；4〕利用PRO/E完成模型建立和運動仿真，完成設計任務書的撰寫。3．主要參考資料[1]段星光，黃強，李京濤.具有越障功能的小型地面移動機器人[D].機械設計，2006.[2]濮良貴，紀名剛.機械設計〔第八版〕[M].北京：高等教育出版社，2005.[2]潘玉霞.地面移動機器人的建模[D].南京理工大學碩士學位論文，2007.[4]汪明德，祝嘉光.坦克行駛原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1983.4．進度安排設計各階段名稱起止日期1查閱文獻，了解研究目的意義，完成開題報告2畢業(yè)設計開題，移動機構設計及分析3越障能力分析及畢業(yè)設計中期準備4模型建立分析及設計說明書撰寫5設計辯論審核人：年月基于PRO/E的搜救機器人模型建立與運動仿真摘要：自然災害發(fā)生后，幸存人員面臨著極其危險的狀況，需要盡快的轉移和救助；而搜救工作異常困難和危險，往往會造成搜救人員的傷亡。研究可以自主進行搜救任務的多功能機器人具有極其重要的意義。本設計的目的是設計一個結構新穎、具有一定自主行動能力和越障能力的履帶式移動搜救機器人。本設計的搜救機器人移動方式是履帶式驅動結構。該方案采用模塊化設計，便于拆裝維修，可以主動控制兩側輔助臂的轉動來改變機器人形態(tài)，以適應不同的搜救環(huán)境，完成越障動作。本設計中機器人主要設計了以下幾個系統(tǒng)機構：移動機構、控制系統(tǒng)、多功能感知系統(tǒng)和定位導航系統(tǒng)，并進行了移動機構的動力學計算和越障能力分析，最后通過PRO/E進行了模型建立和運動仿真，確保了移動機構的可行性。關鍵詞：履帶機器人，履帶移動機構，多功能機器人。SearchandrescuerobotbasedonPRO/EmodelestablishmentandmovementsimulationAbstract:When

natural

disasters

occur,

the

survivors

are

in

critical

condition

and

need

to

transfer

and

rescue

as

soon

as

possible.

However,

the

difficulty

and

danger

of

search

and

rescue

work,

often

causing

casualties

of

search

and

rescue

personnel.Therefore,

it

is

significant

to

reaserch

the

multi

robot

that

can

independently

complete

the

search

and

rescue

missions.The

purpose

of

this

study

is

to

design

a

sescue

robot

with

novel

structure,autonomous

action

ability

and

climbing

ability.

Its

mobile

mode

is

crawler

driving

structure.The

scheme

adopts

the

modular

design,

in

order

to

easy

disassembly

and

maintenance.By

controlling

the

rotation

of

the

auxiliary

arms

on

the

two

sides

to

change

in

Robot

form,

we

can

adapt

the

robot

to

different

search

and

rescue

environment,

to

complete

the

obstacle

motion.Thedesignoftherobotmechanismmainlyincludesthefollowingsystems:mobilemechanism,controlsystem,multi-functionalperceptionsystemandnavigationandpositioningsystem.And

it

passed

the

mobile

mechanism

of

dynamics

calculation

and

the

analysis

of

obstacle

ability.

At

last,

the

model

is

built

and

motion

simulation

is

carried

out

by

PRO/E,

to

ensure

the

feasibility

of

mobile

agencies.Keywords:Crawlerrobot,trackedmobilemechanism,multi-functionalrobot.

目錄1緒論 51.1引言 51.2課題研究的背景 51.2.1背景 51.2.2意義 51.3搜救機器人的研究現(xiàn)狀 21.3.1國外研究現(xiàn)狀 21.3.2國內研究現(xiàn)狀 42搜救機器人的本體結構分析 52.1機器人的機械設計概述 52.2搜救機器人運動機構設計 62.2.1機構設計的依據(jù) 72.2.2運動機構組成 82.2.3主要機構的工作原理 102.2.4運動方式設計 102.2.5越障能力分析 122.3搜救機器人驅動裝置設計 152.3.1機器人在平直路面行駛 162.3.2機器人爬坡過程 162.3.3機器人的多姿態(tài)越階 172.4移動機構設計 192.4.1典型移動機構分析 192.4.2輪、履、腿式移動機構性能比擬 212.4.3本研究的的機器人移動機構 212.5履帶局部設計 222.5.1履帶的選擇 222.5.2功率的計算 232.5.3型號確定 232.6履帶主從動輪設計 24 履帶輪主要尺寸計算 242.6.2履帶輪齒形和齒面寬度的選擇 252.7履帶翼板局部設計 262.7.1履帶翼板的作用 27 履帶翼板設計 272.8機器人控制系統(tǒng) 282.9搜救機器人制造材料的選擇 292.10搜救機器人感知系統(tǒng) 292.11機器人定位導航系統(tǒng) 302.12本章小結 303基于PRO/E的模型建立和運動仿真 323.1軟件介紹 323.2模型建立 323.3運動仿真 354結論 36參考文獻 38致謝 391緒論1.1引言自然災害〔如地震、洪水、火災等〕發(fā)生后，我們需要盡快的在廢墟中找到幸虧者，并及時給與醫(yī)療救助。但由于災難環(huán)境復雜，并隨時會發(fā)生二次災害，對救援人員和幸存人員的生命造成傷害，極大的影響了救援進展。而且，災后形成許多狹小空間，救援人員很難進入現(xiàn)場進行救援工作。搜救機器人的開展很好的解決了這一難題，由于機器人體積較小，運動靈活，可以到達災區(qū)任何復雜地形進行搜救工作。同時，搜救機器人搭載的多感知系統(tǒng)，可以第一時間對災區(qū)環(huán)境進行偵查，為搜救方案的制定提供可靠的環(huán)境參數(shù)信息。近年來，各國科研機構都對搜救機器人開展了大量科研工作，并取得了一定的成果，已有局部機器人投入到了實際的搜救行動中。本文是在調查了國內外關于搜救機器人的研究成果根底上，提出的一種改良型的設計。1.2課題研究的背景1.2.1背景隨著人類科學技術的開展，人類開始試圖利用機器來代替人力完成某些工作，進而開始了對機器人的研究。在如今的21世紀，機器人的研究得到了長足開展，機器人被應用到生產(chǎn)生活中的方方面面。而隨著全球環(huán)境的變化和人類活動的影響，生活中發(fā)生災難的幾率越來越大。災難過后，現(xiàn)場搜救與救援是我們的首要目標，然而災難現(xiàn)場復雜危險的環(huán)境為搜救工作的快速開展制造了困難。因此，無人造作搜救機器人便應運而生。目前，國外已經(jīng)研究出了多種搜救機器人并投入到了實際的搜救行動中，我國對搜救機器人的研究起步較晚，雖然有了一些可觀的研究成果，但是真正應用到實際中的比擬少。1.2.2意義搜救機器人的研究與開發(fā)，為搜救行動的開展提供了更多元化的方式，在提高搜救效率的同時，極大地保證了搜救人員的生命平安。同時，本課題的研究，指出了微小型搜救機器人的研究方向和開展趨勢，為后期的拓展研究提供了根底。1.3搜救機器人的研究現(xiàn)狀1.3.1國外研究現(xiàn)狀自20世紀60年代開始，國外就對小型履帶式機器人開始了研究，經(jīng)過這么多年的技術研究和開發(fā)，取得了豐碩成果。尤其是自“9·11〞事件以來，美國、日本等國家大力研究用于火災、地震等災后搜救機器人，應用于災后的搜救工作。根據(jù)搜救機器人的運動方式不同，可以分為以下幾種搜救機器人：⑴履帶式移動搜救機器人履帶式機器人主要用于軍事偵查和撤除爆炸物，目前已經(jīng)有多種該類型的機器人在實際戰(zhàn)場上得到應用。圖1.1給出了幾種目前世界上典型的幾種履帶式移動機器人，他們都是為了軍事需求研發(fā)的，雖然已經(jīng)得到了實際戰(zhàn)場的測試，但是由于體積普遍較大，并不適用于在災后狹小的坍塌空間進行搜救工作。(a)Foster-Miller公司(b)Inuktun公司的

(c)SPAWAR的urbot機器人

的SOLEM機器人Minitrac機器人

圖1.1典型的履帶式移動機器人⑵可變式搜救機器人為了能在狹小的坍塌空間進行搜救工作，就要求搜救機器人具有盡可能小的體積，但是體積過小會影響機器人的載重能力和搜救視野，為了解決這一問題，許多機器人公司研制出了可變式多態(tài)搜救機器人。這類機器人可以根據(jù)實際需要變換多種形態(tài)，不僅運動靈活多變，也提高了機器人的感知平臺，有效地增大了搜救視野。如圖1.2、圖1.3是兩種比擬成熟的可變式搜救機器人。

(a)正常狀態(tài)

(b)直立狀態(tài)圖1.2美國iRobot公司的Packbot機器人(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公司研制的MicroVGTV機器人⑵可變式搜救機器人雖然可變式搜救機器人可以根據(jù)實際工作環(huán)境自由變換形態(tài)以完成工作，但是由于其驅動方式的限制，它的體積不可能做的足夠小。為了能到更狹小的坍塌空間進行搜救工作，許多公司根據(jù)生態(tài)學原理研發(fā)了多種仿生機器人。這類機器人體積更小，運動更靈活。如圖1.4是幾種仿生機器人。(a)CMU基于移動平臺的(b)日本大阪大學的(c)加州大學伯里克分校蛇形機器人蛇形機器人的蒼蠅機器人圖1.4仿生機器人1.3.2國內研究現(xiàn)狀我國微小型搜救機器人的研究比擬晚，是從20世紀80年代末才開始研究微小型搜救機器人的。經(jīng)過我國科學院30多年的研究開發(fā)，目前已經(jīng)開發(fā)出多種微小型機器人，并且已經(jīng)投入實用，主要用于軍事方面。如圖1.5是中國科學院沈陽研究所研制的機器人“靈犀－B〞型排爆機器人，該機器人已正式進入服役期。該機器人采用腿、輪、履帶復合移動方式，可實現(xiàn)越障、爬臺階等全方位行走?？梢酝瓿蓚刹?、撤除炸彈，并可以安裝連發(fā)散彈槍和催淚彈等武器。圖1.5“靈犀-B〞型機器人圖1.6龍衛(wèi)士反恐機器人圖1.6所示是我國第一臺反恐機器人“龍衛(wèi)士反恐機器人〞，由上海廣茂達公司研制。該機器人可以在草地、雪地、沙地等多種地形運行，適應全地形、全天候、操作方便，綜合水平接近國際水平。2搜救機器人的本體結構分析2.1機器人的機械設計概述機器人的機械設計涉及機械學、力學、自動化學及材料學等多種學科，它在結構上要求盡可能的簡單、靈活、方式多變，同時又要求本體體積小、動力強勁。而且，本課題研究的搜救機器人，為滿足后期的實用性，在滿足機器人的技術指標的同時，還要考慮用材合理、造價低、制造維修方便、以及可靠性等多方面因素。所以，在機械設計方面，從以下四方面考慮：⑴了解機器人的應用環(huán)境及設計要求首先了解機器人的應用環(huán)境及要實現(xiàn)什么樣的功能，然后通過分析工作環(huán)境，確定機器人的運動方式、工藝過程及有關參數(shù)。⑵明確機器人的性能指標及技術參數(shù)通過查閱相關資料，了解目前國內外市場上同類機器人的設計水平，結合現(xiàn)有的科技能力，明確搜救機器人應具有的具體功能、設計參數(shù)和性能指標，為之后的設計確立目標及中心。⑶方案比擬初步擬定幾個設計方案，通過對其運動能力、制作工藝、實用價值的比照，選擇出一個最正確方案。⑷建立設計流程圖如圖2.1所示，并依據(jù)流程圖完成設計任務。開始開始設計目標根本運動方式機械結構設計使用Pro/e軟件進行模型建立完成運動仿真滿足要求其他系統(tǒng)結構設計完善設計內容結束YN圖2.1設計流程圖2.2搜救機器人運動機構設計2.2.1機構設計的依據(jù)本機器人主要用于災后的搜救工作，由其工作環(huán)境可以歸納其運動機構主要要求有：⑴動力強勁，有一定的載重能力。⑵運動方式靈活多變，可實現(xiàn)根本的前進、后退、轉彎等運動形式，并具有一定的越障能力。⑶車體重心要低，保障其在越障行駛時的穩(wěn)定性。綜上所述，確定其具體的性能指標如表2.1所示：表2.1性能參數(shù)⑴搜救環(huán)境復雜多變，為了保證機器人的運動及越障能力，選擇履帶式移動方式。⑵為了進一步提高機器人越障能力及實現(xiàn)機器人多功能性，將履帶式機器人和擺臂式機器人結合，為其加裝兩個輔助臂，輔助臂旋轉角度為0～360°。⑶考慮到電機及各種感知系統(tǒng)的安裝和移動的穩(wěn)定性等因素，初步確定機器人外形尺寸為1205mm*624mm*380mm。⑷在機身上選裝攝像頭及各種感知元件，以實現(xiàn)機器人的多功能性。⑸由于搜救環(huán)境復雜性高，考慮用履帶包裹整個機體，這樣不管在什么地形，都有履帶接觸地面以提供動力，極大地減少了機器人打滑及翻車風險。2.2.2運動機構組成根據(jù)以上技術指標，完成了搜救機器人本體的機械設計。本文履帶機器人移動系統(tǒng)采用的是履腿式復合結構，總體設計方案如圖2.2所示。機器人的車體履帶作為移動機構為機器人移動提供動力，前臂和后臂作為輔助臂輔助轉向，使機器人運動靈活多變。機器人前臂和后臂各有一個伺服電機驅動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調配合，實現(xiàn)前臂和后臂的靈活轉動，在機器人爬坡和越障時發(fā)揮更大作用。機器人前臂和后臂協(xié)調作用，穩(wěn)定性將更好。機器人車體左右兩邊的履帶各有一個永磁式直流電機驅動，由控制系統(tǒng)控制完成協(xié)調配合，可以自由控制主動軸和從動軸的速度、力矩等，可以實現(xiàn)原地的360°轉向，實現(xiàn)前進時機身的自由轉向，并且可以隨時調解爬坡時的力矩。在車體主履帶前端是從動軸，與主動軸配合運動，以保證機器人的平穩(wěn)性。后擺臂及履帶2.齒輪3.永磁式直流電機4.減速器5.蓄電池6.微控制器及組件7.步進電機8.主履帶9.前擺臂及履帶圖2.2履帶式機器人結構組成機器人車體具體尺寸如圖2.3：圖2.3機器人車體結構尺寸2.2.3主要機構的工作原理轉向機構是為了滿足機器人在行進中時隨時改變行駛方向的要求，本設計主要通過左右履帶驅動電機的差速來實現(xiàn)。減速傳動機構主要是為了實現(xiàn)調速、增扭等功能，靠行星輪減速器來實現(xiàn)。動力局部采用電機，通過齒輪副降速后帶動低速軸的轉動，低速軸通過導桿滑塊機構和驅動機構連接，為機器人的運動提供動力。2.2.4運動方式設計〔1〕平面運動及轉彎機器人的直線行走和轉彎是其最根本的運動方式，這兩種運動方式控制相對簡單，主要通過調整車體兩邊履帶的轉動速度來實現(xiàn)。當車體兩側的履帶在同向等速轉動時，車體進行直線行走；當車體兩側履帶在反向等速轉動時，車體在原地360°回轉；當車體兩側履帶同向不同速轉動時，車體進行轉向運動，而且可以通過調整兩側履帶的轉速差來調整車體轉向角度。如圖2.4〔a〕、圖2.4〔b〕是機器人輔助臂全部翻開著地運動，這種方式有效增大了機器人和地面的接觸面積，加大機器人移動機構的長度，減少了機器人對地面的壓強，進而可以使機器人適應泥濘、松軟和凹凸不平等各種復雜地形環(huán)境；圖2.4〔a〕圖2.4〔b〕如圖2.4〔c〕、圖2.4〔d〕、圖2.4〔e〕所示，當機器人采取這種運動形態(tài)時，可直接爬過一些小角度坡而輔助臂不必有其他動作，這樣就可以減少驅動控制系統(tǒng)的復雜程度；圖2.4〔c〕圖2.4〔d〕圖2.4〔e〕圖2.4〔f〕這種運動方式，可以將輔助臂收起到機身上方，減少了機器人平面體積，使機器人可以在較小空間進行轉向運動；圖2.4〔f〕機器人爬坡時，姿態(tài)可以轉變成圖2.4〔g〕。當坡度較大時，那么圖2.4〔h〕和圖2.4〔i〕是較好的姿態(tài)，這兩種方式可使機器人重心位于穩(wěn)定狀態(tài)，從而保證機器人順利爬坡。圖2.4〔g〕圖2.4〔h〕圖2.4〔i〕⑵自撐起及涉水機器人的各種感知元件和動力裝置等都安裝在車體中，當機器人做涉水動作時，容易使車體進水毀壞車體中的設備。本設計中，機器人的4個輔助臂可以通過控制系統(tǒng)自由轉動，抬高箱體完成涉水動作。并且改變輔助臂轉動的角度，機器人可以轉變成多種形態(tài)，以適應多變的搜救環(huán)境。⑶越障機器人可以利用擺臂將車體抬高以完成越障動作。前擺臂作為前攻角，是機器人實現(xiàn)越障動作的重要機構。圖示2.5〔a〕-〔h〕表示機器人在完成越障動作時的一般過程。整個過程中機身利用履帶和地面接觸時的抓爬力攀爬，當機身接觸到障礙物時，后擺臂向下擺動抬高車體，當車體抬高到最高位置〔后擺臂和地面垂直時〕停止擺動。主履帶繼續(xù)前進，當車體到達障礙物上時，前擺臂向下擺動抬高車體，機器人繼續(xù)前進。當車體重心越過障礙物后，前擺臂向前擺動逐漸和地面貼合，同時后擺臂收起和主履帶形成一個后攻角，使機器人較平緩的落地。在整個過程中，履帶始終向前爬行。圖2.5救災機器人越障過程2.2.5越障能力分析⑴跨越臺階在機器人越障的過程中，擺臂的長度和機器人的重心位置會影響機器人的最大越障高度。如圖2-2-5所示是機器人重心處于臨界狀態(tài)，即重心位于臺階的支撐點位置。只有重心越過臺階，機器人才能完成越障動作。由圖2.6可以計算得出機器人的最大越障高度圖2.6上臺階臨界狀態(tài)示意圖由圖2.6所示幾何關系可得：變換上式可得：利用上式求出，代入可算出機器人跨越障礙的高度。本設計中機器人加裝了后擺臂，而且后擺臂可以自由轉動，進而大幅的提高了機器人的越障能力。如圖2.7所示，當后擺臂抬起后，機器人成直立狀態(tài)，重心提高了H，所以機器人的最大跨越高度提高了H。所以本次設計履帶設計中機器人跨越障礙的最大高度為圖2.7上臺階臨界狀態(tài)示意圖⑵跨越溝槽由于機器人的重心位于機身中，在計算機器人最大跨越溝槽距離的過程中，當機器人重心越過溝槽支撐點后，機器人完成跨越溝槽的動作。當溝槽小于前后履帶輪中心距時，機器人主履帶就可完成跨越。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內。當溝槽大于前后履帶輪中心距時，機器人跨越動作可以看作是跨越臺階的動作。本設計中的搜救機器人加裝有輔助臂，在輔助臂展開后，機身長度增加，跨越溝槽的能力也加強了。所以，在計算最大跨越溝槽長度時，機器人輔助臂應處于展開狀態(tài)。根據(jù)機器人質心變化規(guī)律可得，機器人重心處在以r為半徑的園內?？缭竭^程如圖2.8所示：圖2.8跨越溝槽示意圖 機器人在平地圖2.8〔a〕跨越溝槽的寬度：⑶斜坡運動分析機器人在斜坡上運動時的受力狀態(tài)，如圖2.9所示，機器人在勻速行駛或靜止時，處于受力平衡狀態(tài)，其驅動力為：圖2.9機器人上坡受力示意圖最大靜摩擦力系數(shù)為，那么最大靜摩擦力為：當時，機器人能平穩(wěn)行駛。當時，機器人將沿斜面下滑。履帶機器人對地面的最大靜摩擦系數(shù)，那么機器人爬越的最大坡度為:爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為：由以上分析可得，機器人的爬坡能力主要由機器人履帶和地面的最大動摩擦系數(shù)決定，并根據(jù)坡度大小和電機的動力參數(shù)，可以計算得出機器人爬坡過程中的最大運動速度和最大加速度的大小。由以上計算可得：機器人的垂直越障高度最大為600mm；最大爬坡角度為30°；最大跨躍溝槽寬度為400mm。2.3搜救機器人驅動裝置設計履帶機器人主要通過克服履帶和地面的摩擦力向前運動，用和分別表示履帶和地面的靜摩擦因數(shù)和動摩擦因數(shù)，由動力學可知，在機器人起步瞬間受到的靜摩擦力最大，運動開始后摩擦力減小。因此可通過值來計算機器人運動需要的極限動力，取=0.65。2.3.1機器人在平直路面行駛當機器人在平直路面行駛時，以最大速度勻速運動時為極限狀態(tài)，此時：本設計機器人有兩個輸出軸，且每個輸出軸都有一個電機單獨控制，分析其中一個輸出軸的運動受力，那么:圖2.10平直路線分析又那么那么在機器人以最大速度勻速運動時，驅動電機通過傳動裝置后需要提供應輸出軸的極限轉速為2.3.2機器人爬坡過程取機器人在極限爬坡角度時的運動狀態(tài)分析，假設此時機器人以的速度勻速爬坡，運動過程中履帶輪不出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，那么此時機器人受力分析如圖：圖2.1130°坡度分析又，那么所以機器人在極限爬坡角度時需要電機提供的極限轉矩為2.3.3機器人的多姿態(tài)越階分析機器人在越階時的運動，此時電機只需要驅動主履帶轉動，而且機器人在越階運動時速度較低，因此在越階時機器人對電機的動力需求不是很大。綜合以上分析，當機器人在平直路面運動時，要求電機可以輸出較大的轉速，而在爬坡運動時，需要電機提供較大的轉矩。所以，要根據(jù)以上兩種運動狀態(tài)的最大轉速和最大轉矩來確定驅動電機的具體參數(shù)。機器人在爬坡運動時，,機器人在平直路面行駛時，，那么取P=80W作為機器人的最大輸出功率。由以上計算可得，機器人電機的最大輸出功率為80W,最大輸出轉矩為22.1N.M,轉速為56.2r/min直流電機性能相當穩(wěn)定，屢次制動、反轉也可以正常使用，啟動性能好，對電池性能要求不高。另外在使用過程中可攜帶或可移動的蓄電池，干電池作為供電電源，操作輕巧與方便。根據(jù)直流電機這些性能，為了讓機器人在復雜環(huán)境更穩(wěn)定的工作，為了讓機器人更方便的攜帶電池，選擇90ZY54型號的直流永磁電機。電動機性能如下表所示：表2.2直流電機數(shù)據(jù)因為那么因為,那么又那么選取2.4移動機構設計由機器人的電機提供的動力，通過傳動機構傳遞到移動系統(tǒng)中。機器人的各種運動方式都是通過移動裝置實現(xiàn)的。2.4.1典型移動機構分析機器人按移動方式分類主要有輪式移動、履帶式移動、腿足式移動三種，另外還有步進移動式、蠕動式、混合移動式、蛇行移動式等。⑴輪式移動機構特點輪式移動機構是最早期機器人的運動方式，也是最普通簡單的方式，輪式機器人移動機構主要具有節(jié)能、靈活、結構簡單、速度快的特點，同時具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時間短和效率高等優(yōu)勢。而且控制系統(tǒng)編程簡單，每個輪子可以單獨控制運動。但是在應對復雜地形〔尤其是不平坦地形〕時，輪式機器人那么有明顯的缺乏，其工作能力及完成任務的水平更多的是依賴環(huán)境本身狀況，難以在復雜地形中快速準確的完成既定任務。輪式移動機構按輪的數(shù)量可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。該結構有一定的局限性，只有在相對平坦、外表較硬的路面上才能穩(wěn)定工作，如遇到軟性復雜地面容易打滑或者沉陷，但可根據(jù)具體工作環(huán)境采用一些預防措施來緩解該類情況的出現(xiàn)，如圖2.12所示。圖2.12輪式移動裝置示意圖⑵腿式移動機構特點腿式移動機構按腿的個數(shù)可分為2腿、4腿、6腿、8腿等形式。8腿移動機器人如圖2.13所示，特點是穩(wěn)定性好，越野能力強。腿式移動機構的優(yōu)點有：①腿式機器人可以應付較大的溝槽，對地形的適應能力強；②腿式機器人的腿部可以設計多個自由度，運動更具有靈活性，還可以通過調節(jié)腿的長度來控制機器人重心位置，利用重心控制機器人的穩(wěn)定性，不易側翻；③腿式機器人的機身較高，離地間隙大，所以機器人可以平穩(wěn)快速的運動而不用考慮運動時機身的平安性。但是腿式機器人也有其局限性和弊端，腿式移動機構缺點有：①每次運動都需要完成腿抬起、移動、放下的過程，所以腿式機器人的移動速度慢；②腿式機器人由于其運動方式的特性，不能負載太重，負載會嚴重影響運動機構性能；③腿式機器人為了滿足其運動的靈活性，多數(shù)要求每個腿能單獨控制，所以對控制系統(tǒng)要求較高；④該機構未進入實用化階段。圖2.13八腿機器人圖2.14六履機器人⑶履帶式移動機構特點履帶式移動機構分為單履帶式、多履帶式(履帶可車體左右布置或者車體前后布置)，履帶式移動方式的優(yōu)點有動力強勁、對復雜地形適用性強，缺點是結構復雜、機械效率低、自身重量大，而且在自身重量比擬大的情況下會對路面產(chǎn)生一定的破壞。如圖2.14是六履帶機器人，在其機身上可以加裝輔助臂來輔助越障，加強履帶式移動機構的靈活性。履帶式移動機構和輪式移動機構相比主要有以下幾個特點：①撐面積大、接地比壓小、滾動阻尼小、通過性比擬好；②越野機動性能好，跨越溝槽等性能均優(yōu)于輪式結構；③履帶支撐面上有履齒增大摩擦力，有較強的牽引附著性能，爬坡性能優(yōu)秀；④履帶機構本身重量大、結構復雜，減震性差，對地面和自身傷害大；2.4.2輪、履、腿式移動機構性能比擬三種常見的移動系統(tǒng)性能比擬如表2.3所示：表2.3典型移動機構的性能比照表2.4.3本研究的的機器人移動機構本研究的的機器人移動機構采用履帶式，電動機的動力通過傳動系統(tǒng)傳給履帶，為機器人運動提供動力。如圖2.15所示，后移動輪為主動輪，前移動輪為從動輪，二者通過移動履帶來傳遞動力，實現(xiàn)同步運動。圖2.15輪履復合式移動機構2.5履帶局部設計2.5.1履帶的選擇為了滿足設計的標準化，方便機器人故障以后維修，我們考慮使用梯形雙面齒同步帶作為機器人履帶。由于履帶和帶輪靠齒間嚙合連接，所以帶和帶輪之間沒有相對滑動，可以保證傳動比的準確性。因為梯形雙面齒同步帶傳動可以保證準確的傳動比，傳動平穩(wěn)，噪音小，傳動比范圍大，所以傳遞的功率從幾瓦到百千瓦都可滿足。而且傳動效率高，結構緊湊，適宜于多軸傳動，因此在惡劣環(huán)境下也可以正常運行。由以上分析可得，梯形雙面齒同步帶完全可以滿足本設計的要求。根據(jù)梯形雙面齒同步帶和已經(jīng)確定的機器人參數(shù)，可以計算出履帶輪的相關數(shù)據(jù)：因為后傳動軸為輸出軸，其輸出功率為(即〕；機器人的移動速度，根據(jù)公式，計算可得主動輪轉速，預先設計主動輪直徑=169mm，從動輪直徑=169mm，由公式，可得=59.71r/min.。故可以計算得出設計的條件如下：傳遞功率主動輪轉速r/min從動輪轉速中心距2.5.2功率的計算式中K為載荷修正系數(shù)〔根據(jù)工作機類型和運行時間查表2.4可得〕表2.4修正載荷系數(shù)K2.5.3型號確定由設計功率=0.1377kw和=59.71r/min，本設計確定選擇梯形BD型XH同步帶，其具體參數(shù)如下表2.5：表2.5梯形齒標準同步帶型號以及齒尺寸2.6履帶主從動輪設計履帶輪主要尺寸計算履帶和帶輪的嚙合方式見圖2.16所示，圖中為同步帶輪節(jié)圓上測得相鄰兩齒間的距離即節(jié)距。XH型節(jié)距=22.225mm，為同步帶輪的節(jié)圓直徑，主動輪節(jié)圓型號為24XH，=169.79mm，從動輪節(jié)圓型號為24XH，=169.79mm.為同步帶輪實際外圓直徑，主動輪=166.99mm，從動輪=166.99mm。圖2.16同步帶輪外徑徑節(jié)示意圖同步帶分為AS型，BS型，AF型，BF型，WS型，其中AF型和BF型為雙邊檔邊，由于本設計采用的是電動機、減速器動力總成放在翼板內，直接通過錐齒輪傳遞用后驅動輪輪軸。所以，主動輪選擇兩個單邊單圈，從動輪選擇一個無擋圈，選WS型同步帶輪。主動輪24XH，齒數(shù)24，徑節(jié)=169.79mm，外徑=166.99mm主動輪初選兩個雙邊擋圈的帶輪，用于設計中將其組合。2.6.2履帶輪齒形和齒面寬度的選擇根據(jù)圖2.17和表2.6可以查得XH型梯形雙面齒同步帶輪齒形尺寸如下：表2.6梯形雙面齒同步輪齒形尺寸型號節(jié)距MXL2.0320.840.050.69200.350.130.508XL5.0801.320.051.65250.410.640.508L9.5253.050.102.67201.191.170.762H12.74.190.133.05201.601.61.372XH22.2257.900.157.14201.982.392.794XXH31.75012.170.1810.31203.963.183.048圖2.17齒形尺寸節(jié)距=22.225mm，齒槽=mm，齒深=7.14mm，槽角=，倒角=，=，=3.048mm。前面已經(jīng)確定選用無檔邊帶輪且?guī)л唽挾葹?6.2，查表2.7可得到梯形雙面齒同步帶輪齒面寬度=83.8。表2.7同步帶輪齒面寬度尺寸參考表2.7履帶翼板局部設計2.7.1履帶翼板的作用履帶翼板主要起支撐張緊作用，是傳動裝置和移動裝置的根底局部，履帶的從動輪、張緊輪和過度輪分別安裝在翼板上。搜救機器人為了使運動靈活要求自身重量盡可能低，所以翼板的材料要滿足高強度、低質量、易加工的要求。綜合比擬后，選擇硬鋁合金作為翼板的制作材料。履帶翼板設計翼板的主要尺寸見圖2.18所示，履帶主動輪，從動輪，張緊輪和調節(jié)輪在翼板上的位置見圖2.18上部的一個圓孔和下部的兩個圓孔所示，張緊輪翼板設計厚度為18mm。圖2.18翼板主要尺寸2.8機器人控制系統(tǒng)前面我們對機器人本體進行了設計，機器人正常工作除了需要運動結構外還需要有合理的控制系統(tǒng)參與，控制系統(tǒng)就相當于機器人的“大腦〞。本設計的搜救機器人采用模塊化控制系統(tǒng)設計，模塊可以自由增加或者減少，從而自由改變機器人形態(tài)，適應各種不同的環(huán)境。同時便于控制系統(tǒng)的修復和替換，防止單個模塊損壞影響機器人整體的運行。整個機器人的控制系統(tǒng)如圖2.19所示，該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于各控制系統(tǒng)可以自由加裝和撤除，不會影響整個系統(tǒng)的運行。圖2.19控制系統(tǒng)結構主控模塊主要完成以下三個任務：⑴處理電機控制系統(tǒng)和各個傳感器系統(tǒng)傳回的信息，包括機器人所處環(huán)境的信息和機器人自身的位置和狀態(tài)。⑵根據(jù)機器人所處環(huán)境信息和自身的狀態(tài)，調整機器人自身的形態(tài)和行為，以及進行路徑規(guī)劃。⑶將機器人的狀態(tài)和搜集到的信息通過無線模塊反應給搜救控制站。電機控制系統(tǒng)中每個控制器單獨控制一個電機，從而實現(xiàn)機器人的多形態(tài)自由轉換。執(zhí)行元件采用模塊化設計，各模塊結構一致，方便迅速更換。傳感器控制系統(tǒng)主要由控制器8到12組成，用來控制各種傳感器，并可以處理各控制器搜集到的數(shù)據(jù)信息。2.9搜救機器人制造材料的選擇機器人的本體材料選擇，應滿足機器人的機械設計要求。同時，還要盡可能多的平衡機械性能、制造難度、制造本錢及高精度等各方面問題。隨著材料科學的告訴開展，各種新材料的出現(xiàn)，為機器人的開展提供了廣闊的空間。與普通機械設備不同，機器人的機械結構要求更高，工作環(huán)境更復雜，為材料的選擇提出了更高要求。本文主要考慮了以下幾方面的要求：⑴強度機器人不僅要應付災后現(xiàn)場復雜的地形，還要求有一定的載重能力以搭載一些感應裝置，所以要求機器人機身由其是輔助臂和鏈輪有足夠的強度。因此，我們應選擇高強度的材料。⑵重量機器人依靠電動機驅動，所以機器人的質量將直接影響電機和電池的選型。因此，我們應選擇密度小的材料。⑶經(jīng)濟性材料的本錢將直接影響機器人本身的造價。如果材料本錢過高，那么意味著機器人無法量產(chǎn)，直接影響其實用性。由以上三點綜合考慮后，本設計將采用鋁合金作為機器人的主要制作材料。鋁合金主要具有以下特點：鋁密度小，可有效減輕設備質量；價格適中；強度足夠大，且鋁外表會氧化形成保護膜，耐腐蝕；在鋁中參加硅、錳等元素制成的鋁合金材料性能優(yōu)越；易加工成型，減輕制作本錢；鋁非磁性金屬，具有抗磁干擾性。2.10搜救機器人感知系統(tǒng)感知是指機器人獲取自身周邊環(huán)境信息的一種方式，機器人通過感知系統(tǒng)獲取信息并提供應中央控制系統(tǒng)，進而對當前環(huán)境采取相應的行為。這是機器人應對陌生環(huán)境的方式，整個處理過程中感知系統(tǒng)是第一個環(huán)節(jié)，也是最重要的一個環(huán)節(jié)。本設計的搜救機器人主要工作是深入搜救區(qū)域，為救援人員提供現(xiàn)場的綜合環(huán)境情況，考慮搜救工作的可行性及成功率，以及為制定搜救方案提供可靠的環(huán)境參數(shù)信息。這需要機器人對環(huán)境中的溫度、氣體組成及其地形等情況進行探測。其次，機器人應能對幸存者進行搜索定位和根本的救助。最后，機器人應對自身情況有感知能力，包括機身的溫度、電量以及機身定位。目前的小型機器人都采用多傳感器系統(tǒng)，各種感知傳感器的技術也比擬成熟?？紤]到本設計中搜救機器人的功能要求，主要選擇安裝一下幾種感知系統(tǒng)：利用溫度傳感器、有毒氣體探測器、氧含量傳感器等完成對搜救環(huán)境的探測；對于搜救地形的探測主要依靠視覺系統(tǒng)〔攝像頭以及紅外探測器〕與距離傳感器〔激光探測儀〕完成；對幸存者的搜索有熱成像儀和生命探測儀；機器人自身狀態(tài)感知系統(tǒng)包括慣性系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)等。2.11機器人定位導航系統(tǒng)機器人在運動時，由其是在未知的環(huán)境中運動時，要對路徑有一定的計算規(guī)劃能力。這需要了解周圍復雜的環(huán)境場所，而且還要知道自身的位置和運動中的位置，即定位。導航就是依據(jù)某個或某些準那么，找到一條最優(yōu)路徑以完成任務。定位是機器人導航及運動規(guī)劃的前提，依靠單一的感知系統(tǒng)無法完成。主要考慮安裝兩類定位傳感器；一類是檢測機器人自身狀態(tài)的，如精密電位器、光纖陀螺儀、傾角傳感器和里程計等；另一類是檢測環(huán)境狀況的，如：超聲波傳感器、視覺傳感器、激光雷達等。今年來，隨著智能算法的開展，在機器人導航中融入智能算法的技術即智能導航方法更多地應用到了智能機器人上。本設計考慮采用基于混合方法的機器人的導航，本導航具有性能穩(wěn)定、規(guī)劃速度快、精度高的特點。2.12本章小結本章主要對搜救機器人的具體結構和主要系統(tǒng)進行了設計，根本完成了機器人本體的設計。首先完成了機器人運動機構的設計和運動能力分析。其次，完成機器人驅動裝置和制作材料的選型。最后，為機器人選裝各種智能系統(tǒng)用以完成搜救行動。3基于PRO/E的模型建立和運動仿真3.1軟件介紹Pro/ENGINEER是20世紀由美國參數(shù)科技公司〔PTC〕開發(fā)的，現(xiàn)已開展成為一個功能全面的三維產(chǎn)品開發(fā)軟件，涉及到了二維草繪、繪圖設計、零件設計、模具設計、圖標設計和布局設計等。因為Pro/ENGINEER功能強大，在機械、航空、家電、汽車、工業(yè)設計和軍工等行業(yè)得到廣泛應用。3.2模型建立Pro/ENGINEER具有強大的建模功能，首先選擇一個平面進行草繪，然后通過拉伸、旋轉等工作就可以完成一個零件的實體模型。在裝配模式下，可以將各個零件按要求進行連接，完成機構整體的建模工作。下面介紹本設計中翼板1的畫法，其余零件的繪畫過程與其類似。⑴點擊〔新建〕按鈕，出現(xiàn)“新建〞對話框。⑵在“類型〞選項組中選擇“零件〞，在“子類型〞選項組中選擇“實體〞，在“名稱〞文本框中輸入“yiban1〞，去除“使用缺省模板〞選項，開始零件設計。⑶在右側工具箱中點擊〔拉伸工具〕，系統(tǒng)出現(xiàn)“拉伸〞選項控制板。點擊“放置〞按鈕，翻開“放置〞面板。⑷在“放置〞面板中選擇“定義〞按鈕，彈出“草繪〞對話框。⑸選擇TOP基準面為草繪平面，如圖3.1所示，點擊“草繪〞，進入草繪模式。圖3.1草繪對話框⑹繪制如圖3.2所示的圖形，單擊完成草繪。圖3.2草繪圖形⑺在拉伸操作控制板中輸入拉伸深度為18，如圖3.3所示。單擊完成拉伸，繪制的實體模型如圖3.4所示。圖3.3輸入拉伸深度圖3.4實體模型⑻點擊按鈕，在“拉伸〞工具操作板中選擇〔移除材料〕按鈕。⑼點擊“放置〞選項，然后點擊“定義〞按鈕，彈出“草繪〞對話框。⑽在“草繪〞對話框中單擊“使用先前的〞選項，開始草繪。繪制如圖3.5所示的圖形，點擊完成草繪。圖3.5拉伸實例特征⑾在拉伸操作面板中輸入拉伸深度為5，單擊完成拉伸，繪制的模型如圖3.6所示。圖3.6拉伸模型⑿重復步驟8到11，完成翼板剩余設計。翼板1的完整模型如圖3.7所示。圖3.7翼板1實體模型3.3運動仿真在設計完成后，可以在Pro/ENGINEER軟件中實現(xiàn)模型的運動仿真，在電腦上模擬設計機構的運動方式，可以有效的提高設計效率降低設計本錢。Pro/ENGINEER中主要依靠“機構〞模塊來進行動態(tài)仿真，其中包括Mechanismdesign和Mechanismdynamics兩個分析功能。本文主要利用Mechanismdesign功能對搜救