四连杆履带式搜救机器人设计.doc

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1、目录四连杆履带式搜救机器人设计21 绪论21.1 选题背景和意义21.2 履带机器人研究现状51.3 微小型履带机器人的关键技术81.4 履带机器人的发展趋势111.5本文主要研究内容131、 查阅参考文献，对微小型履带式机器人研究情况进行调研。132 四连杆履带式机器人移动机构方案设计142.1 概述142.2 移动机构选择142.3 四连杆履带式机器人移动机构方案182.4 四连杆履带式机器人运动学分析233 四连杆履带式机器人越障能力分析273.1 机器人越障原理273.2 机器人越障性能分析284 四连杆履带式机器人移动机构设计364.1 总体结构设计364.2 机器人模块化设计374

2、.3 机器人传动系统设计385 四连杆变形履带式机器人的建模425.1 虚拟样机技术与Proe软件简介425.2 利用三维软件Proe建模436 全文总结44（4）四连杆履带式机器人内部主要零件设计45致 谢46参考文献47四连杆履带式搜救机器人设计1 绪论1.1 选题背景和意义 近年来，多发的自然灾害（如地震、火灾、洪水）、人为的恐怖活动、武力冲突及各种生化病毒、有毒物质、辐射等恐怖不断威胁着人类的安全，使得人们普遍关注对各种灾害的应急能力、灾后的快速响应处理能力。在突发恐怖事件、自然灾害及意外伤害发生后，巨大的灾害往往造成大范围的建筑物坍塌和人员伤亡，现场搜索与救援成为人不最为紧急的工作。

3、然而现场多为坍塌环境，结构复杂、不稳定，有些狭小空间救援人员和搜救犬根本无法进入，从而使搜救范围限制在倒塌建筑物表面范围。由于某些原因，没有上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸CAD/PROE、中英文文献及翻译等），此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要的朋友，请联系我的叩扣:2215891151，数万篇现成设计及另有的高端团队绝对可满足您的需要.救援人员进入建筑物也将有巨大的风险，其体重和移动可能会引起建筑物进一步倒塌，造成对救援人员和幸存者的再次伤害。因此，救援队员必须在结构工程师进行评估，并对不稳定的倒塌结构进行支撑加固后才能进入，这个过程延误了搜救

4、受灾者的时间。同时，由于搜寻空间条件恶劣，易导致救援队员劳累，从而易对周围建筑结构作出错误判断，错过没有知觉受灾者的概率上升，而且救援人员也存在重大的健康风险和安全风险，影响救援工作的快速展开。 将机器人技术、营救行动技术、灾害学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜救与营救的救援机器人，将有效地提高救援的效率和减少救援人员的伤亡。 搜救机器人是指用在灾后非结构环境下执行搜索与救援任务的特种机器人。机器人在搜索与救援过程中明显具有以下几个方面的优势。 （1）在发生倒塌后，机器人可以立即展开对幸存者的搜索，进入结构不稳定的建筑物，降低救援队员的风险，为搜救工作节约时间 （2）可以进入狭窄空间，扩

5、展搜救专家的工作范围。建筑物倒塌会形成各种各样的空间，这些空间可能就会有幸存者，但搜救人员难以进入，而机器人却可以一展身手。 （3）可以携带多种传感器，探测幸存者空间状况，在机器人软件的帮助下对搜索区域实行完整的三维搜索，绘制结构图，提升工作效率和可靠性。搜救机器人可以携带温度探测器、一氧化碳探测器、爆炸界限探测器、氧气、PH探测器、辐射探测器和杀伤性武器探测器，从而测定空气读数，探测有害物质，分析后向救援人员提出警告。 同时由于机器人技术发展极为迅猛，用于侦察和作战等军事领域的机器人，由于其特殊用途受到了各国军方的广泛关注。许多军用机器人的研究成果直接应用于国家安全领域，在维护国家安定，保障

6、人民生活安全方面发挥了很大作用。军用的地面移动机器人在各种复杂环境下具有较高的机动性，可以代替人类进入一些危险未知的环境，适应于国防和民用等多个领域，而且在反恐斗争中叶可以发挥很大作用。这类机器人的主要应用领域包括以下几个方面： （1）战场侦察与环境探测 在移动平台上装备摄像头、安全激光测距仪、夜视装置和卫星全球点位仪等设备，通过无线电或光缆操纵，完成侦察和监视敌情、情报收集、目标搜索和自主巡逻等任务。还可以进入一些人类无法进入或适应的危险环境，完成规模战争和反恐作战中的侦察任务。 （2）高度机动与协同作战 由于体积较小、机动能力较强，机器人能快速部署，完成侦察、警戒、目标突击、追击乃至解救人

7、质、街巷战斗、反恐作战、反装甲作战等武器装备，使之具备强大的攻击杀伤力，特别适用于城市和恶劣环境下（如核、生、化战场等）的局部战争和信息战争。（3）探测危险与排除险情在战场上或工程中，常常会遇到各种各样的意外。这时，微型移动机器人就会发挥很好的作用。美国军方曾广泛使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找地雷和销毁地雷。民用方面，可以探测化学泄露物质，可以进行地铁灭火，以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。（4） 安全检测与受损评估 在工程建设领域，除可对水库堤坝、江河大坝进行质量和安全性检测之外，还可应用于码头、桥墩等被撞后的受损程度探测评估。在制造领域，可用于工业管道中机械损伤，裂纹等缺陷的探寻

8、，对输油和输气管道线的泄露和破损点的查找和定位等。还可用于机场、车站等一些人口密集型场所，对来往人群、货物进行安全监控，也可以直接布置在客机机舱中执行检查危险物品的任务。 这些特种机器人技术集机械、电子、新材料、传感器、计算机、智能控制与网络通信等多门科学于一体，是一种具有基础性、战略性和前瞻性的高新技术。对这种机器人的研究，将为未来地面战争、反恐事业和民用工业的发展提供技术上的有力支持。本课题目标是要研究和开发一种能搭载多种特殊装置的移动机器人平台。可以搭载不同功能模块完成相应的任务，在军事领域和民用领域得到推广，应用前景广阔。1.2 履带机器人研究现状 1.2.1 国外研究现状 从20世纪

9、60年代开始，国外就对小型履带式式移动机器人展开了系统的研究，经过多年的技术积累和经验总结，已经取得了丰硕的研究成果。在微小型履带机器人研究方面，美国走在了世界的前列，它具有独立的实验性无人作战机器人计划，加上近年来反恐及城市巷战的需要，小型智能履带机器人研制工作受到了军方高度重视。影响较大的有Packbot机器人、URBOT、NUGV和Talon机器人。它们应用在伊拉克战争和阿富汗战争中，取得了巨大的成功。 图1 Packbot机器人 美国著名的军用及特种机器人公司IRobot研制了微小型便携式机器人Packbot系列，如图1所示。该系列机器人采用履带式结构并装备有鳍状肢，鳍状肢可根据任务要

10、求在机器人前端安装一对或前、后两端各安装一对，Packbot利用鳍状肢辅助翻越障碍；德国TELEROB公司研制了名为TEODOR的反恐机器人，如图2所示。这种凝结了尖端技术的机器人能够移动、销毁或引爆炸弹。在TEODOR的身上装备有4个摄像头、切割器以及用来砸破窗户的装置。它不仅可以上下台阶，还能行走在陡峭的河岸、悬崖或绝壁，更能在及其恶劣的气候下作业，并能快速冻结炸弹装置。 图2 TEODOR机器人履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险物等作业的需要,在传统的轮式移动机器人的基础上发展起来的。图3给出了目前国际上几家著名机器人公司的典型产品,他们主要是为了满足军事需要而开发的,体积普遍偏大

11、,不太适合在倒塌的建筑物废墟中狭小空间内搜寻幸存者。 图3 目前国际上几家著名机器人公司的典型产品 为了能进入狭小空间展开搜救工作，要求机器人的体积要尽可能小，但体积小了搜索视野就会受到限制，为了解决这一矛盾，近年来在传统牵引式搜救机器人平台基础上，研制出了形态可变的履带式多态搜救机器人。图4为加拿大Inuktun 公司MicroVGTV多态搜救机器人，他可以根据搜索通道的大小及搜寻范围的远近灵活地调整形状和尺寸。 图4 加拿大Inuktun 公司MicroVGTV多态搜救机器人 1.2.2 国内研究现状 国内微小型机器人的研究与开发工作晚于西方发达国家。我国是从20世纪80年代开始涉足机器人

12、领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划；80年代末，我国把排爆机器人列入“863”高技术计划。目前我国从事机器人研究和应用开发的主要是高校及有关科研所，针对微小型履带机器人研究主要集中在警用、民用等非作战领域。经过近20年的发展，目前已研究并开发出多种微小型履带机器人，它们具有探测及多种作业功能，是可以广泛应用于军队、公安、武警的新型机器人产品。在设计性能上，国内开发研制的微小型机器人与国外同类机器人相比还存在一定差距。中国科学院沈阳自动化所研制的复合移动机器人“灵晰-B”型排爆机器人进入服役期，如图5所示，该机器人采用轮、腿、履复合移动式机构，车身分三段，前、后履带

13、可绕车体转动，辅助上下台阶。车体装备机械手、云台、三个摄像头，重180Kg，行驶速度2.4km/h，可以通过小于45的斜坡和楼梯，可以跨越0.45m高的障碍物，实现全方位行走。根据需求可装备爆炸物销毁器、连发散弹枪、催泪弹等武器，大小手臂完全伸展时能举起8kg重物，可以在很大程度上减小公安和武警人员在排除爆炸物、打击犯罪活动中的伤亡，对犯罪分子起到威慑作用。 图5 “灵晰-B”型 图6 龙卫士反恐机器人 图6所示是由上海广茂达伙伴机器人有限公司研制的“龙卫士Dragon Guard X3B反恐机器人”，是我国第一台单兵反恐机器人。机器人重50kg，行驶速度为01m/s,可以通过27楼梯、30斜

14、坡，可以跨越20cm高的障碍物，可在草地、沙地、碎石地、雪地运行，适应全天候、全地形、操作方便，广泛用于爆炸物处理、侦察、特种作业等反恐领域，综合指标接近国际水平。 JW-901排爆机器人是由北京京金吾高科技有限公司研制的，如图7 所示，该机器人可广泛应用于搜索、排爆、排除放射性物质，代替人去完成危险的工作。JW-901排爆机器人的主要功能抓取，优于国内外同类机器人。该排爆机器人机械臂最高伸展2.7m，可将可疑物轻轻地放于高达1.8m的车载防爆罐中。机械臂最低可水平伸出距地面0.2m，可伸入车底拆弹或抓取可疑物品。其抓取器，横向旋转90，纵向旋转360，可灵活地将可疑物品从防爆罐中取出。这是其

15、他机器人难以做到的。图7 JW-901排爆机器人1.3 微小型履带机器人的关键技术微小型履带机器人的研究涉及机械、控制、传感器、人工智能等技术，随着机器人技术的发展，要求其智能化程度更高，涉及的技术更广，难度也越来越高，其核心技术主要包括模块化设计技术、控制技术、通信技术、多传感器信息融合技术、导航和定位技术等。 1.3.1 模块化设计技术基于模块化设计的微小型履带机器人的结构构型可以根据工作任务而改变，不同的机器人构型有不同的工作空间，适用于执行不同的任务，因此对任务与环境的适应性强。为了加快开发多种不同功能的机器人，有些公司将行走机构模块化，如美国IRobot公司制造的Packbot机器人

16、，目前已有3种型号：侦察型、探险型和处理爆炸装置型，但全部动采用相同的底盘。 1.3.2 控制技术微小型履带机器人作为在危险、恶劣、有害的环境中执行特殊任务时使用的一种高技术装备，所采用的控制技术应满足如下一些基本要求：（1） 控制系统稳定、可靠；（2） 易于保养和维护；（3） 操作简单、方便、（4） 具有良好的抗电磁干扰能力；（5） 能够全天候作业，环境适应性强。 1.3.3 通信技术 通信技术是实现控制站和履带机器人之间信息传输的桥梁，是有效、准确地控制机器人执行任务和移动载体运动状态的关键技术。通信系统是机器人控制系统的关键模块之一，负责完成前方与后方之间的双向信息交流，包括数据通信、视

17、频信号通信、音频信号通信。微小型履带机器人的特殊应用环境对机器人通信系统的实时性、可靠性和隐蔽性都有很高的要求。通常微小型履带机器人控制系统的通信方式主要分为三类：串行通信、总线通信和无线通信。 1.3.4 多传感器信息融合技术 单一传感器获得的信息量非常有限，对机器人功能和自主性的提高往往是不够的，因此，微小型履带机器人通常都配置多种不同用途的传感器，构成复杂的多传感器系统。如果只对各个不同传感器采集的信息进行单独加工，不仅会导致信息处理工作量的增加，而且还隔断了各传感器信息之间的内在联系，失去的信息组合还有可能蕴含着有用的环境特征信息，从而造成信息资源的浪费。因此，必须采用多传感器信息融合

18、技术来提高系统的容错能力和系统精度，提高系统完成描述外界环境的能力，提高信息处理的速度和降低获取信息的成本。 1.3.5 导航和定位技术 微小型履带机器人所面向的环境是现实世界中复杂的动态环境，如何利用自身受限的感知和行为能力引导机器人顺利完成复杂的任务，是微小型履带机器人实现自身导航和定位必须解决的问题。一般的，微小型履带机器人的自主导航定位系统可粗略分为感知模块、规划模块和执行模块。机器人的三类模块在监控系统的监督管理下，能够实时感知周围环境信息。自主地做出各种决策，随时调整机器人位姿并执行相应的操作。因此，微小型履带机器人的导航定位系统是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行一体

19、的综合系统。1.4 履带机器人的发展趋势 为了应付各种危险的复杂环境，最大限度地减少人员伤亡，微小型履带机器人得到了空前重视，出现了大批较为成功的微小型履带机器人。但是从这些机器人中可以看到一些缺点和不足，如自主能力不够、功能单一等。由此，我们可以看出微小型履带机器人未来的发展趋势。 （1）多机器人编队目前微小型履带机器人的研究主要是针对单个系统的，但从未来应用的角度来看，机器人编队系统的研究将会占据主导地位。多机器人编队的优势在于可以尽可能扩大视野、消除视觉死角、提高执行任务的效率，而且也可以提高整个编队系统的可靠性和存货率，从而保证任务的 完成。（2）人工智能的使用人工智能技术包括神经网络

20、、模糊控制等，已经在微小型履带机器人尤其是侦察机器人中得到了应用，但是应用范围和其控制的效果都还没有达到理想的程度。在未来的微小型履带机器人中，这些人工智能技术将会充分发挥自己的优势，在自主机器人系统中发挥主导作用。 （3）拓展使用范围 目前微小型履带机器人在民用领域主要用途是安全监视、反恐、排爆、消防、搜救；在军事领域主要用途是洞穴和建筑物勘测、扫雷、破障、生化战剂探测等；但还不能满足目前日益增长的生产、生活需求和军事需求，世界各国开始积极拓展小型履带式机器人的使用范围，包括将微小型履带机器人用于家庭服务、科学考察、充当旅行助手或者是在战争中用于目标指示、火力发射、战术运输、通信中继等。（4

21、）加强实战使用 实战使用的微小型履带机器人不仅可以检验其性能，而且可以证实其应用潜力和价值。美国陆军已经在伊拉克自由行动和阿富汗战争中部署其新型无人侦查机器人Packbot、Maltilda和Talon机器人等，用于执行洞穴和建筑物勘测，地雷探测与标示、生化战剂探测等任务。 （5）跨平台互操作能力 单一的微小型履带机器人所能完成的任务有限，为提高作业效能，在各种环境下的各种有人和无人、地面和空中平台要密切集成与合作，这样就需要各平台间具有无缝隙连接的、可靠地互操作能力，良好的跨平台操作能力取决于对信息技术标准和接口、信息传输、建模、处理与安全及人机界面等的深入研究。 （6）开发通用平台 利用同

22、一种微小型履带机器人平台搭载多种不同的功能模块，以减少专用机器人平台数量，提高基础平台的质量，从而极大地提高微小型履带机器人的作业效能，降低使用和维修成本。如美国的Packbot侦查机器人便使用了通用平台，将各个功能模块化，在通用平台的基础上搭载不同的功能模块，便可以实现不同的功能。由于功能模块化，在通用平台的基础上搭载不同的功能模块，便可以实现不同的功能，由于功能模块具有良好统一的接口，使得功能模块的更换实现“即插即用”，在紧急情况下，操作人员于短时间内便可完成功能模块的拆除和安装。 （7）进一步提高自主能力首先利用有限的带宽资源传输大量的数据对机器人进行遥控式不现实的，而且出于保密要求一些

23、地方通行会受到限制，还有一些地方（如地道）又无法进行通行；其次在危险区域遥控微小型履带机器人，操作人员的安全不能保证；最后，遥控微小型履带机器人的操作人员需要专门训练。因而需要进一步提高微小型履带机器人的自主能力。1.5本文主要研究内容 本文以研究和开发一种能搭载多种特殊装置的移动机器人平台为目标，提出了一种新型三自由度微小型履带机器人的设计方案。机器人采用模块化设计，可迅速拆装，适合单兵携带和进行维护，具有良好的机动性，在越障、越沟、攀爬方面具有明显优势。该机器人作为一种稳定的移动平台，最大优点是具有良好的越障性能、环境适应性能并具备了全地形通过能力，可进一步开发成为通用平台，装载侦察设备、

24、武器系统等实现多机器人编队，形成战斗群，提高机器人可靠性和存活率。也可以加载其他设备用于民用领域。论文主要研究内容如下：1、 查阅参考文献，对微小型履带式机器人研究情况进行调研。2、 研究经典履带机器人的移动机构，对微小型履带机器人性能指标进行调研与分析，基于国内外研究现状提出四连杆变形履带式机器人应达到的性能指标。3、 四连杆变形履带式机器人的移动机构设计。4、 对四连杆变形履带式机器人进行越障能力分析5、四连杆履带式机器人内部主要零件设计6、对四连杆变形履带式机器人建立虚拟样机模型 2 四连杆履带式机器人移动机构方案设计2.1 概述一般来说，地面移动机器人主要包括机器人机械结构、伺服驱动系

25、统、电源系统、传感器信息采集系统和控制系统等。要开发在复杂环境下工作的微小型机器人，必须先研究其机械主体结构。所谓的微小型移动机器人工作平台，其实是各种仪器设备和功能模块的搭载平台，是构成智能机器人机体的基础。因此，机器人机械主体结构的功能和环境适应性直接影响到机器人的工作寿命和执行任务的情况，其设计是机器人研究和开发过程中一个非常重要的环节。设计机器人机械结构时，首先应考虑机器人的用途，因为不同的用途，机器人的移动机构是不同的。此外，还应考虑机器人的用途，因为不同的用途，机器人的移动机构是不同的。此外，还应考虑机器人的工作环境、耐久性、稳定性、机动性、可控性、复杂性、外形尺寸及费用等。本文设

26、计的移动机器人主要突出机动性强和越障性能优越的特点，本章在分析了移动机器人系统的各种移动机构及其环境适应性基础上，根据机器人用途和应用的工作环境，设计了一种基于四连杆机构的履带机器人移动机构，阐述了机器人的运动原理和越障原理，并对机器人的性能和指标进行了分析与设计。2.2 移动机构选择到目前为止，微小型地面移动机器人的移动机构主要有轮式、履带式和轮履结合式三种类型。这三种移动机构有各自的优缺点和应用领域。轮式移动机构具有悠久的发展历史，在相对平坦的地形中具有相当的优势。轮式结构具有重量轻、造价低、行驶平稳、移动速度快、控制简单、最大行程大、使用寿命长、维修保养方便等特点，但不足之处是越野通过能

27、力和防护能力不如履带式移动机构。利用车轮移动是最常见的一种地面行进方式。轮式驱动机构移动方式的优点是：高速稳定，能量利用率高，机构和控制简单，而且现有技术比较成熟。它的缺点是：对路面要求较高，适用于平整的硬质道路，不能很好的适应场地。轮式移动机构可以达到较高的运动速度，在相对平坦的地面上，轮式移动具有相当的优势，控制也相对简单。轮式移动机构由于应用广泛，是目前研究最为透彻的移动机构之一。传统的轮式移动机构有三轮、四轮、六轮的结构形式，日本还曾研究出五轮移动机构。但轮式移动机构的缺点也是很明显的。由于与地面接触面积小，在爬坡时容易出现打滑现象。要想解决打滑需要加装减速箱或用动力制动的方法实现动态

28、调整过程。但其通过性和越障能力受到限制，在攀爬楼梯时一般要求前轮半径要大于楼梯高度，底盘最低点距地面高度限制了地面通过性。为适应复杂地形甚至于爬楼梯的要求，必须加大轮子直径，导致底盘结构体积庞大，重量增加。从理论上讲，三点决定一个平面，因此车轮式移动载体的平稳运动最少需要3个轮子支撑。现在大多数机器人用的是3轮或4轮移动方式，在某些特殊情况下也有用5轮以上的，但这种情况下机器人的结构和控制会更加的复杂，这对我们技术有限的大学生机器人队伍来数是不太适用的。因此我们会选择3轮或4轮的移动方式，下面对此进行讨论。典型3轮移动机器人通常采用1个中心前轮和2个后轮的车轮布置。3个车轮配置与功能的不同组合

29、有可以将3轮机器人分为如图1所示的若干类型。图8（a）所示的组合是前轮1为万向脚轮或球形轮，后轮2和后轮3为独立驱动轮，利用它们的转速差实现转向。这种组合的特点是机构组合容易，而且当两个驱动轮以相同速度、相反方向转动时车体能绕两个驱动轮连线的中点自转，但自传中心与车体中心不一致。 图8（b）所示的组合是操纵舵机机构和驱动机构集中在前轮1上，两个后轮之起支撑从动作用。与图1（c）相比，该机构也能绕两后轮连线的中点自转，但其前轮驱动集中，结构比较复杂。 图8（c）所示的组合是前轮1为操舵轮，后轮2和后轮3中的一个为驱动轮，另一个为从动轮。这种车轮机构的特点是结构简单，组成容易，但单边驱动的驱动性差

30、，稳定性不好，不能自传。 图8（d）的车轮组合将图1（c）的单轮驱动该为双后轮差动驱动，提高了驱动性，但加了一个差动齿轮装置，结构更加复杂，也增加了质量。 (a) (b) (c) (d) 图8 3轮式移动配置方式履带式结构实际上是一种自己为自己铺路的轮式结构。是将环状的循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，车轮不直接与地面接触。常见的履带移动车是在车体的两侧各设有一对履带驱动装置的双履带结构。有为了适应复杂的路况而采用多履带的。赛中由于路面不是很复杂，以制作起来比较简单，将履带卷绕在两个以上的车轮上，个车轮用来做驱动轮，的车轮作张紧轮或导向轮。动轮通常靠自身的齿与履带内侧的齿形啮合来驱动。型的履带移动

31、机构由驱动轮、导向轮、托带轮、履带、履带架等部分组成。动机构适合在复杂路面上行驶，是轮式移动机构的拓展，带本身起着给车轮连续铺路的作用。带的优点是着地面积比车轮式大，以着地压强小；另外与地面粘着力较强，吸收较小的凹凸不平，能力强，于有突变的地面，原地旋转，低。此，履带式适合于各种场地。带车辆和轮式车辆的特性有所不同。要的不同在转向特性上。带车辆的转向通过两侧履带的差速进行转向。带式转弯不如车轮式灵活。要改变方向时、要将某一侧的履带驱动系统减速或制动来实现转弯，者反向驱动车体的原地自传。都会使履带与地面产生相对横向滑动，大了机器人电机的能耗。负重大的情况下可使电机温度迅速升高影响电机的使用和寿命

32、。带车的受力比较复杂，用力可能是静态的也有可能是动态的。辆以常速运动时，静态力作用。加速运动时，受动态力作用。车辆转弯时，将产生离心力，推动车辆横向移动，动态力总是作用在车辆质心处。 图9 履带式结构轮履结合式，机器人行走系统是完成移动动作的直接保证，设计的优劣直接影响机器人性能发挥，其对机器人运动可靠性有很大要求。服普通履带式移动机构的缺点，要通过改变履带的形状和结构来实现，特比勒（Catepillar）式、形状可变履带、位置可变履带、履带式加装前后摆等结构形式相继出现，并应用于各种机器人的移动机构。近年来各种增强的非金属复合材料应用于履带，大大减轻了履带式移动机构笨重的缺点，改善了其整体性

33、能，对复杂环境，履带式移动机构具有较强的地形适应性。本文将介绍一种轮履结合式的结构。出于对重量和经济性的考虑，选用标准同步带代替履带作为行走系统的主要部件。同步带有梯形齿和弧齿两种齿形，有标准可选。用的是8M圆弧齿同步带轮作为履带。 图10 轮履结合式 在设计移动机器人时也应遵循以下机构设计原则：（1） 总体结构应易于装配和拆卸，便于平时的试验、调试和维修。（2） 应给机器人暂时未能装配的传感器、功能元件等预留安装位置，以备将来功能改进与扩展。（3） 采用模块化设计，各个功能模块之间相互独立装配，互不干扰。2.3 四连杆履带式机器人移动机构方案 2.3.1 机器人移动机构介绍本文所要设计的移动

34、机器人是为军事侦察和监测的设备提供移动平台，要求结构简单，体积小，具有较强的越障能力，而且控制简单。考虑到机构复杂和设计成本等因素，设计了一种新型的基于四杆机构的履带式移动结构，如图11所示，主要由车架和两个车架和两个左右对称分布的履带变形模块组成。 图11 四杆机构的履带式移动结构该结构的最大优点在于利用简单的四杆机构作为履带机器人的移动机构和变形机构，可同时实现机器人的行进与履带的变形，使得车体体积减小，结构紧凑，使机器人具备良好的机动性能，加强机器人越障、爬坡性能并提高了环境适应能力，可以满足微型移动移动机器人的使用要求。该机器人的机械主体结构为常见的平行四边形结构。平行四边形的工作原理

35、如图12所示。在此机构中，AD为机架，AB、CD两构件与机架相连称为连架杆，BC为连杆。 图12 平行四边形机构平行四边形机构有两个显著特性：一是两曲柄以相同速度同向转动；二是连杆作平动。当主动曲柄AB以一定速度转动时，从动曲柄CD也以同样的速度转动，而连杆BC作平动，始终与机架AD保持平行状态。可以明显看出：如果在此机构上搭建工作平台，其最大特点就是工作平台运动平稳可靠，而且运动范围很广，这就决定了机器人的越障性能。图13是基于平行四边形连杆机构的机器人结构简图。其中，连杆BC长为BC=L1，连架杆AB和CD长为AB=CD=L2，四个履带轮半径均为R。 图13 四连杆履带式机器人结构简图为验

36、证绕在轮子四周的履带在机构变形时总长不变，可假设在机构变形的任意时刻，连架杆与机架之间夹角为，则履带总长可由下式计算： L=2+2+ （2-1）可将上式化简为： L=2（+)+R(+) （2-2）容易得出：=，=，且+= ，代入2-2可得履带总长为： L=2(+)+2R （2-3）式2-3说明，履带总长在机构变形过程中为定值，与变形角度无关。也就是说，履带在变形中不会发生时松时紧的现象。 2.3.2 四连杆履带式机器人性能指标分析与设计本文设计的四连杆变形履带式机器人在有限的设计空间中，利用简单的移动和变形机构实现了良好的机动性能和越障性能，机器人在设计过程中综合考虑了Packbot机器人，T

37、alon机器人结构优点：（1） 当机器人用于侦察，负荷较轻时，机器人可以转动两侧的主动曲柄辅助越障、攀爬，此时机器人同Packbot一样具有很好的运动灵活性；（2） 当机器人需要执行排爆、作战等任务时，负载重，此时机器两侧的主动曲柄不再转动，而是相对于中间主体固定，保持八轮着地的状态，此时机器人的运动比较平稳，机动性能最佳，运动方式如同Talon。Packbot机器人性能参数指标如下表2.1所示，Talon机器人性能参数指标如下表2.2所示。 表2.1 Packbot机器人性能参数指标机器人重量18.9kg最大负重11kg行进方式采用履带行进，差速转向潜水深度3m平均速度2.2m/s最大速度3

38、.6m/s外形尺寸685mm406mm178mm电源自带可快速拆装的锂电池组，可以供电3h；基本控制方式远距离无线操作控制；特点适用于各种战场环境，具有全天候作战能力； 表2.2 Talon机器人性能参数指标外形尺寸863mm571mm280mm机器人重量39kg有效载荷136kg行进方式采用履带行进，差速转向最大速度2.1m/s潜水能力潜水深达30.5m遥控方式无线遥控电源自带可快速拆装的锂电池组，可以供电14h；加载设备多传感器和多摄像头特点适用于各种战场环境，具有全天候作战能力； 在参考Packbot和Talon机器人的性能参数和外形尺寸基础上，考虑到实验室目前具备的条件的加工技术、工艺

39、等因素，提出了四连杆履带式机器人的性能指标和外形尺寸要求。四连杆变形履带式机器人在设计时为减轻重量，履带轮材料用铝合金制成，只要少数强度要求较高的零部件（如机架、轴等）采用45号钢，设计完成后机器人外形尺寸如表2.3所示，外形尺寸如图2.4所示。 表2.3 四连杆变形履带式机器人性能指标机器人重量30kg最大负重50kg外形尺寸660mm500mm300mm承受冲击能力1m高左右的掉落冲击翻越台阶高度200mm平均速度2m/s最大速度2.6m/s基本控制方式远距离无线操作控制电源自带可快速拆装的锂电池组，可以供电3h；特点适用于各种战场环境，具有全天候作战能力；表2.4 四连杆变形履带式机器人

40、外形尺寸外形尺寸660mm500mm300mm履带宽50mm机架长（连杆）450mm曲柄长（连架杆）210mm车底距离地面10mm2.4 四连杆履带式机器人运动学分析 2.4.1 机器人直线行驶运动学分析为了简化，对微小型履带式移动机器人进行履带运动学分析时，可以将履带简化为一条不可拉伸、无质量、无厚度、闭合的柔性带。如图14所示为四连杆变形履带机器人运动时履带上各点的速度分析图。 图14 机器人履带上各点的速度机器人做直线运动时，履带要做复合运动。一方面，履带随同机器人本体一起做相对地面的直线运动，这种运动速度叫牵连速度，用表示；另一方面，履带由要做相对于机器人本体的旋转运动，这种速度叫卷绕

41、速度，用表示。履带上某点的绝对速度用表示，、三种的向量关系如式2-4所示。 =+ （2-4） 由图14可知，履带上不同的点的速度是不同的。当 和 不在同一直线且夹角为时，履带上某点的绝对速度的代数式可表示为： = （2-5） 位于上方的履带为水平直线，和的夹角=0，代入2-5可得： =+ （2-6） 式2-6说明，该段履带的绝对速度等于牵连速度与卷绕速度之和。 位于下方的履带也称为水平直线，和的夹角=，代入式2-5可得： = （2-7）式2-7说明，接地段履带的绝对速度等于牵连速度与绕卷速度之差。 2.3.2 转向运动学分析在分析履带机器人的转向性能时，对相关条件做如下假设：（1） 履带在水平

42、地面上低速均匀转向，即不考虑转向过程中离心力及地面坡度对机器人的影响，并以给定的不变角速度实现稳定转向，不考虑角速度的变化；（2） 在履带转向过程中不考虑履带的滑转和滑移；（3） 机器人的重心位于机器人平面中心；（4） 各条履带接地压力均匀分布。 图15 履带行走装置理论转向速度平面图理论转向时履带行走装置的速度如图15所示。图中B为车辆的履带中心距；L为履带接地长；R为理论转向半径；O为转向中心；G为机器人平面中心，也是机器人的重心位置；为机器人的转向角速度，单位为rad/s；为转向过程中机器人的瞬时速度；为低速侧履带的速度；为高速侧履带的速度；为高低速履带的速度差，所有速度的单位为m/s。

43、 理论转向角速度：履带行走装置的理论转向角速度，等于机器人的瞬时速度除以机器人的转向半径R，即 = （2-8）履带的速度等于主动轮线速度，即 式中，为履带速度，n为主动轮的转速，单位为r/min；为主动轮工作半径。根据图15中相似三角形关系，式（2-8）又可表示： = （2-9）式中，分别为高低速侧履带主动轮的转速；为两侧主动轮的转速比，。一般情况下又习惯用机器人转向一周的时间T来描述机器人转向运动的快慢，即： （2-10）3 四连杆履带式机器人越障能力分析3.1 机器人越障原理 3.1.1 突起型障碍 突起型障碍是一种较为常见的路障，机器人翻越此类障碍物的原理如图16所示，过程分析如下： 图

44、16 机器人翻越突起型障碍原理图图（a）：在正常的平坦地形环境下，组成履带变形机构的四根连杆处于水平位置，机器人保持八轮着地的状态，直至前方出现障碍物。图（b）：出现障碍物后，机器人停止前进。通过电机驱动主动曲柄AB绕前轴逆时针旋转，从而改变四杆机构构型，最终使绕在连杆四周的履带构型发生变化。当主动曲柄AB旋转至适当角度即可停止旋转。图（c）：机器人继续前进至障碍物附近，电机驱动主动曲柄AB顺时针旋转，使得AB侧的履带压在障碍物边沿。图（d）：AB侧的履带压在障碍物边沿后，主动曲柄AB继续顺时针旋转，迫使机架AD绕后轴旋转，直至四根连杆再次处于同一直线。此时，机器人已经完全攀附在障碍物上，通过电机驱动机架后方的两个主驱动轮，机器人在驱动力和履带攀附力下可顺利通过障碍物。 3.1.2 壕沟型障碍壕沟型障碍也是一种常见的路障，起伏的路面对于微小型履带机器人来说就是一种壕沟型障碍，如图17所示。 图17 机器人通过壕沟型障碍原理图