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畢業(yè)設計(論文)開題報告
機械工程 系 機械設計制造及其自動化 專業(yè)
學 生 姓 名：
學 號：
設 計 地 點：
指 導 教 師：
畢業(yè)設計（論文）開題報告
課 題
名 稱
機器人履帶行走系統(tǒng)設計
一、選題背景與意義
將機器人技術(shù)、營救行動技術(shù)、災難學等多學科知識有機融合，研制與開發(fā)用于搜尋和營救的災難救援機器人，是機器人學研究中一個富有挑戰(zhàn)性的新領(lǐng)域。面臨及其危險和惡劣的災難環(huán)境，災難救援機器人可以代替和協(xié)助救助人員執(zhí)行相關(guān)作業(yè)。災難救援機器人不僅能夠用于城市救援、消防、公安、采礦和環(huán)保等領(lǐng)域，同時在國防、軍事和星球探測等方面也有著良好的應用背景。機器人技術(shù)是國家發(fā)展迫切需要的戰(zhàn)略必爭的核心技術(shù)之一，將在國民經(jīng)濟和安全中起著重要的作用和有著重大的戰(zhàn)略意義。
能夠穿越復雜環(huán)境實施救援作業(yè)的機器人具有廣闊的應用價值。實物機器人救援（Physical Robot Rescue）也是國際RoboCup競賽的主題項目之一。救援機器人（rescue robot）主要由行走系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、運動傳感與控制系統(tǒng)、環(huán)境信息感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)等部分組成，其中前兩者是實施救援的機器人本體部分。相對于輪式移動機構(gòu)而言，履帶式行走機構(gòu)（tracked mobile mechanism）具有支承面積大，接地比壓小，越野機動性能高，爬坡、越障、跨溝能力強等優(yōu)點。
二、課題關(guān)鍵問題及難點
災難救援環(huán)境對機器人的運動能力要求較高，機器人移動平臺十分重要。在諸如廢墟、坎坷和管道的狹小空間，因為受到環(huán)境空間的限制，機器人物理結(jié)構(gòu)必須要小，但是它又必須要越過位于機器人路徑上的障礙物。災難環(huán)境存在松軟的灰土地面、由于消防用水或漏水導致的泥濘路面及坎坷不平的廢墟地面等多種地面地形，機器人必須具有高度的地面適應性能，本設計選擇履帶式行走機構(gòu)，相對于輪式移動機構(gòu)而言，履帶式行走機構(gòu)（tracked mobile mechanism）具有支承面積大，接地比壓小，越野機動性能高，爬坡、越障、跨溝能力強等優(yōu)點，滿足了對復雜地面適應性的要求。
另一方面，機器人必須不斷地翻越各種垂直的障礙物，平臺的穩(wěn)定性和自調(diào)整能力很重要。本方案在各種形式的履帶式行走機構(gòu)中選擇關(guān)節(jié)式行走機構(gòu)，機器人通過調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)角度，調(diào)整自身姿態(tài)，以滿足不同情況的越障地形。由于在災難現(xiàn)場等非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，機器人本體不可避免要受到傷害或由于系統(tǒng)的可靠性不夠而出現(xiàn)故障，系統(tǒng)軟、硬件的容錯功能和故障處理能力也十分重要。
三、文獻綜述
履帶式機器人主要由行走系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、運動傳感與控制系統(tǒng)、環(huán)境信息感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)等部分組成，其中前兩者是機器人本體部分。相對于輪式移動機構(gòu)而言，履帶式行走機構(gòu)（tracked mobile mechanism）具有支承面積大，接地比壓小，越野機動性能高，爬坡、越障、跨溝能力強等優(yōu)點。
履帶驅(qū)動方式有很強的實用性，包括具有通過各種障礙——例如石塊、排水溝和坑洼等。若采用正確的履帶材料，即便是在光滑的表面——例如雪地、濕的混凝土或者清潔的廚房地板上，它的牽引力也是相當優(yōu)秀的。雖然更大的接觸面積提升了前后運動時的牽引力，但同時也限制了機器人的轉(zhuǎn)彎能力。履帶式車輛（例如坦克）依靠側(cè)滑或者繞著一個轉(zhuǎn)彎點滑動來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，因此，它們被稱為采用“滑動轉(zhuǎn)向”。如果履帶行走部分極度柔韌，而地面又非常堅硬（比如廚房地板），額外增加的摩擦力將極大地削弱車輛的轉(zhuǎn)彎能力。
（1）普通履帶移動機器人
圖1是采用普通履帶式行走機構(gòu)的履帶機器人。它的運動機構(gòu)由履帶式移動機構(gòu)和5自由度機械臂兩部分組成。履帶式移動機構(gòu)由兩臺步進電機驅(qū)動兩條履帶,以相同脈沖驅(qū)動時，實現(xiàn)直線前進或后退,以不同脈沖驅(qū)動時可實現(xiàn)曲線運動。
圖1 履帶式機器人
（2）四履帶足機器人
四履帶足機器人行走機構(gòu)主要有并聯(lián)機構(gòu)型四履帶足、變位四履帶足機器人行走機構(gòu)，機構(gòu)簡圖如下：
圖2 變位四履帶足機器人行走機構(gòu) 圖3 并聯(lián)機構(gòu)型四履帶足機器人
圖2為變位四履帶足機器人行走機構(gòu)，其特點是履帶足可繞回轉(zhuǎn)軸自由旋轉(zhuǎn),回轉(zhuǎn)軸低置,低于兩帶輪中心線連線；履帶足可以有正負一定度數(shù)的擺動自由。其越障原理是:當前履帶足碰到障礙物時，壁面對履帶足的摩擦力使履帶足產(chǎn)生一個向上翻轉(zhuǎn)的力矩,履帶足沿壁攀升，直到爬上障礙物。后履帶足以同樣的形式爬上障礙物。
并聯(lián)機構(gòu)型四履帶足機器人行走機構(gòu)在原有四履帶足行走機構(gòu)的基礎(chǔ)上巧妙地進行了機構(gòu)創(chuàng)新,通過改變腿的長度來實現(xiàn)機器人水平姿態(tài)的調(diào)整,其越障能力和地形適應能力大大提高。并聯(lián)機構(gòu)型四履帶足行走機構(gòu)主要由履帶足，伸縮腿和車體三部分組成。其中履帶足可以繞腿部自由擺動,而腿也可以通過電機帶動前后擺動,并且每條腿還可以自由伸縮。圖3為該行走機構(gòu)越障時的姿態(tài)示意圖。其工作原理是:當安裝在車體上的姿態(tài)傳感器檢測到車體傾斜到一定的程度時,機器人就會驅(qū)動相應側(cè)的腿部電動機，使該側(cè)的腿伸長一定的距離，而另一側(cè)的腿保持不變,直到車身恢復至水平姿態(tài)。本移動機器人行走機構(gòu)具有很強的越障性能，可以跨越比履帶輪高數(shù)倍的障礙，相對于一般的輪式和履帶式移動機構(gòu)具有很強的優(yōu)越性。此外該機構(gòu)采用模塊化設計，可以通過改變機體的尺寸或更換部件來滿足不同的要求，適用范圍廣。
（3）關(guān)節(jié)式履帶機器人
機器人的爬梯能力是移動機器人的重要越障性能指標，傳統(tǒng)的履帶式機器人雖然能夠完成上述任務，但是體積較大。特殊車輪機構(gòu)亦有發(fā)展，例如采用行星輪機構(gòu)，該結(jié)構(gòu)所用零件和馬達較多，重量較重，機械效率差，所爬臺階高度大致為行星輪板高的三分之二。腿式移動載體（一般以連桿機構(gòu)或者氣動機構(gòu)較為常見）是另一類爬梯機構(gòu)方案，模仿人類或其它動物腿部運動，該類機構(gòu)較容易跨越障礙物，安穩(wěn)地上下樓梯，以及在極度崎嶇的地面上平順地運動。但是由于機構(gòu)復雜，移動面又時有變化，故設計時變得十分復雜；為達到動態(tài)穩(wěn)定的要求，在控制上也變得更為精細，所以此型機器人的移動速度不會很快。關(guān)節(jié)式履帶機器人通過在原有履帶移動機構(gòu)上加上關(guān)節(jié)擺臂，不但充分利用了履帶式機器人良好的地面適應性，而且大大提高了機構(gòu)的越障性能，使其更能應付表面的突然變化，其機身在陡峭的斜面或樓梯上行進時也較易保持穩(wěn)定的姿態(tài)。并且綜合考慮系統(tǒng)復雜度以及性能指標，關(guān)節(jié)式履帶行走系統(tǒng)在機構(gòu)冗余度低、控制相對簡單的情況下能較好實現(xiàn)其它各機構(gòu)的越障要求。
圖4 關(guān)節(jié)式履帶機器人
圖4是由上海大學精密機械工程系研制的關(guān)節(jié)式履帶機器人，該機器人主要是由前擺臂和主車體構(gòu)成，采用后輪驅(qū)動，機器人通過調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)角度適應地面變化，前臂擺動角度為90度。
參考文獻
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[2] 陳淑艷，陳文家．履帶式移動機器人研究綜述[J]．機電工程，2007，24(12)：109-112．
[3] 肖俊君，尚建忠，羅自榮．一種多姿態(tài)便攜式履帶機器人傳動和結(jié)構(gòu)設計[J]．機械設計，2007，24(3)：10-12．
[4] 劉志彬．履帶式移動機器人建模與動態(tài)仿真研究[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學碩士學位論文，2009．
四、方案論證
綜合比較上述方案，本論文選擇關(guān)節(jié)式履帶行走系統(tǒng)設計方案，關(guān)節(jié)式履帶機器人通過在原有履帶移動機構(gòu)上加上關(guān)節(jié)擺臂,不但充分利用了履帶式機器人良好的地面適應性,而且大大提高了機構(gòu)的越障性能,使其更能應付表的突然變化,其機身在陡峭的斜面或樓梯上行進時也較易保持穩(wěn)定的姿態(tài)。并且綜合考慮系統(tǒng)復雜度以及性能指標，關(guān)節(jié)式履帶行走系統(tǒng)在機構(gòu)冗余度低、控制相對簡單的情況下能較好實現(xiàn)其它各機構(gòu)的越障要求。
圖5：雙流轉(zhuǎn)向機構(gòu)
該關(guān)節(jié)式履帶行走機構(gòu)由兩組平行排履帶構(gòu)成，前關(guān)節(jié)把兩履帶組聯(lián)結(jié)在一起，分別由直流電機驅(qū)動（采用后輪驅(qū)動），關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動動力由舵機提供。通過關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，履帶機構(gòu)整體姿態(tài)得到不同程度的調(diào)整、中心位置的變化，以適應不同的越障要求。該行走系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵是合適的傳動裝置的設計，來解決履帶行走裝置普遍存在的轉(zhuǎn)彎條件下的功率要求較高的問題。擬定采用雙流轉(zhuǎn)向機構(gòu)，雙流轉(zhuǎn)向機構(gòu), 就是將動力分為兩路, 一路為變速分路, 控制兩側(cè)履帶的直線行駛速度，另一路為轉(zhuǎn)向分路,專門控制轉(zhuǎn)向運動，這兩路功率在兩側(cè)匯流行星排中匯合起來, 再經(jīng)兩側(cè)的側(cè)傳動, 最后傳到驅(qū)動輪上（見圖5）。
五、工作計劃
第1周 完成英文翻譯，提交英文翻譯給指導老師批閱。
第2周