履带机器人研究
院系机电工程学院
专业机械设计制造及其自动化班级
学号
姓名
指导教师
负责教师
沈阳航空工业学院
2008年6月
摘要
在危险作业、星球探索、地震救灾、自然资源探查等领域内，非结构环境移动机器人的研究有着广泛的应用前景和社会需求。
移动机构属于空间机构，与平面机构、工业机器人机构有较大差别，同时也存在密切联系。本文通过研究平面机构综合理论和工业机器人机构理论，分析轮、腿、履带典型移动机构的应用特点，将平面机构综合和工业机器人中的概念外延到移动机构上，并将机构组合的方法应用到移动机构综合上。
文中依据复合移动机构综合方法，针对特定任务要求的非结构环境，设计了基于复合机构的履带腿式非结构环境移动机器人，并对履带腿式移动机器人的机械结构和控制系统作了介绍。
由于履带式与轮式运动特性的巨大差异，重点分析了履带式机器人运动过程中地面对履带的影响，特别是转弯运动中转弯阻力的影响，并且建立动力学模型进行仿真和实验。针对机器人“履带——关节”的特殊结构，分析了机器人在典型地形下的通过性。
关键词：非结构环境；移动机构；机构综合；履带移动机器人
Abstract
The mobile robots have the broad prospect of application and the social demand in the fields like performing hazardous tasks, exploring outer space, rescuing after earthquakes, exploring natural resources. The mobile robots in the unstructured environment require moving mechanism with better mobility.
The moving mechanism is spatial mechanism. There are great differences, meanwhile the close ties between the moving mechanism and the planar mechanism and industrial robot. On the basis of referring and comprehending the amount of literature, the author studied the synthesis theory of planar mechanism and of industrial robots and then analyses the characteristics of typical moving mechanism, the wheel, the leg and the track.
According to the synthesis principles for compounded moving mechanism and the analysis of characteristics of the unstructured environment, the author designed the track-leg mobile robot and presented the structure of the mobile robot system in detail.
According to great difference of moving performance between track robot and wheel robot, this thesis puts emphasis on the analysis of the effect between the track and the environment, especially the curve resistance of the robot. The dynamics model of the track mobile robot is, founded and validated by simulation and experiment. Aiming at the special structure of the robot, track-joint, the overpass ability in typical terrain is analyzed.
Keywords: unstructured environment；moving mechanism；mechanism synthesis；mobile robot
目录
1 绪论 (1)
1.1 研究背景 (1)
1.2国内外微小型机器人发展现状 (2)
1.3 主要研究内容 (3)
2 总体设计方案 (5)
2.1 引言 (5)
2.2 履带体部分机构设计 (6)
2.3 履带摇臂部分机构设计 (7)
2.4 电机的选择 (8)
3 零件校核 (9)
3.1 齿轮2-40a的校核 (9)
3.2 轴的校核 (14)
4 履带式地面移动机器人运动学分析 (19)
4.1 引言 (19)
4.2 直线运动分析 (19)
4.2.1直线运动速度分析 (19)
4.2.2整体受力分析 (20)
4.2.3运动动力学模型 (21)
4.3 转向运动分析 (22)
4.3.1转向运动学分析 (23)
4.3.2转向阻力分析 (26)
4.3.3 转向驱动力分析 (29)
5 机器人在典型地形的运动分析 (30)
5.1 引言 (30)
5.1.1斜坡行驶 (30)
5.1.2重心分布 (31)
5.1.3跨越壕沟 (32)
5.2 机器人上下台阶运动研究 (32)
5.2.1机器人上障碍物运动分析 (33)
5.2.2机器人下台阶运动分析 (37)
5.2.3机器人上楼梯情况分析 (41)
结束语 (42)
参考文献 (43)
致谢 (44)
1 绪论
1.1研究背景
国际上的科学家、战略思想家和未来学家们认为：“五种常常重叠的技术最有可能在今后15-20年使军队发生革命性的变化。这五种技术为：机器人技术、先进的动力与推进技术、微小型化技术、移动和白适应数字网络、迅速发展的生物科学。”微小型无人系统就是二十世纪九十年代美国等先进工业国家开始发展的融合了这些技术的新概念装备，它不但在基础理论、设计、制造与试验技术等方面是革命性创新，而目对二十一世纪战争的模式将会带来变革性的影响。
二十一世纪的战场，战争的初期极可能是一场无人系统的较量。永不疲倦、无所畏惧的微小型无人系统是最理想的士兵。它们已在战争中显示出的作战木领，可以完成侦察、近距离战场监视、近距离电子干扰、排雷、防化、后勤支援、直接作战等任务。微小型无人系统由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存能力强、成本低等特点，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，具有下述重大意义和军事效益：(1)减少人员伤亡，补充、加强和支援人员作战；(2)能进行士兵难以进行的作战任务；(3)提高武器效费比，降低军费开支；(4)提高作战能力，倍增军事力量；(5)用微小型武器对付传统武器，导致未来战场出现“尺度不均衡战争”；(6)微小型无人系统还会对作战模式、体制编制以及作战战法产生深远影响。
微小型地面移动军用机器人系统作为微小型无人系统一个不可缺少的组成部分，世界各国都有各自独立的实验性的微小型地面移动军用机器人系统。美国国防部2000年就把微小型无人系统列在“军用关键技术”清单中，并将研制的微小型地面移动军用机器人投放于阿富汗战争中，取得很好的作战效果。因此，展开对微小型地面移动军用机器人系统的研制，将填补我军装备空白，有利于提高我军装备的战场监视和战场侦察等信息化作战能力，对我军无人地面作战系统的研制、乃至我军未来陆战系统的发展都具有重要的战略意义。同时，该系统在民用上也有广泛的应用，如巡逻，防暴，检测等，对于反恐、捍卫国家主权和领土完整都有着重大的
现实意义。
1.2国内外微小型机器人发展现状
在微小型地面移动机器人的研究方面，美、英、德、法、日等国家都走在世界的前列，这些国家都有自己独立的实验性的微小型地面移动机器人计划，各国都积极地把民用领域已有的技术应用于军事。美国等一些发达国家的微小型遥控无人地面移动机器人的研制取得了突破性的进展，在一些危险环境作业中已经取得了实际应用，部分小型遥控移动机器人已经装备部队用于战场，如:iRobot公司的Packbot，Foster-Miller公司的Solem, Talon , Mesa Associate、公司的MATILDA 等，其中最典型的为:iRobot公司的Packbot。
美国的iRobot实验室是在美国处于领先地位的微小型无人地面移动机器人研究开发重点实验室之一，其研制的单兵便携式遥控地面武器机动平台Packhot被美国军方视为轻型无人侦查、战术用机动平台的模板引。Packbot为履带式平台，长0.87m，宽0.51m，高0.18m，自重18kg，最大速度14km/hr，一次充电行驶里程10km，最大涉水深度3m，遥控移动，并有一定的自主移动能力，预留5个载荷设施接口，可搭载机械手、小型武器及其他装备，主要用于侦察、战术实施，如反地道、近距离丁扰等。安装有辅助转臂履带，因此Packbot越障能力极强，能爬60度的坡度楼梯，有多种越障方式，能越过比自身高度大许多的地障碍，可以从任何颠覆状态下恢复到正常行驶状态。辅助臂可以拆卸，便于单兵携带。平台稳固，抗冲击能力极强，可经受400G的冲击，从2m高度摔下来不会损坏，可从窗户或者低空直升机抛出。
各国选择的基本上都是一条遥控微小型地面移动机器人与自主微小型地面移动机器人相结合的发展道路，实力较强的国家都制定了自己的近期和长期计划，同时开展遥控及自主微小型地面移动机器人的研制工作，不断将自主无人武器地面机动平台的成果用于遥控微小型地面移动机器人，以促进遥控微小型地面移动机器人的实用化，而遥控微小型地面移动机器人的应用反过来又促进自主微小型地面移动机器人的发展。
但是微小型地面移动机器人技术研究也遇到了以下技术瓶颈：1)对野外环境的感知技术不够成熟；2)计算机的信息传输和处理速度满足不了技术发展的要求；3)
传感器采集的各种环境数据的信息融合效果可靠性较差；4)现在的人工智能技术及其他智能技术远远没有达到实现机器人完全走向自主的能力；5)可携带的能源问题对于微小型移动机器人是一个挑战；6)通信距离较短及通信的安全可靠信还不能满足战场的需要。
目前，国内对微小型地面移动机器人技术研究基本上是空白，对这方面的了解相当部分停留在文献上，微小型地面移动机器人的传感器、导航定位、控制及其本体设计等关键技术方面的研究远远落后于发达国家，严重制约了国内微小型地面移动机器人的发展步伐。许多家国内研究机构现在也开始从微小型地面移动机器人平台的机械设计及简单控制入手。由于微小型地面移动机器人在机动性、越野性等方面与有人车辆有很大不同，国外在这方面做了深入研究，但国内尚末开展这方面的研究。
1.3主要研究内容
本次毕业设计的主要研究内容为开发便携式履带移动机器人，如图1.1、1.2所示。图1.1所示的是未安装盖的履带机器人，图1.2所示的是安装盖后的履带机器人。机器人主体长550mm，宽330mm，加上辅助用摇臂长度可达810mm，轮高170mm。该机器人具有以下特点：结构紧凑，采用车体一体化设计，全铝材料，便于携带；小巧、快速、灵活；采用“履带——关节”结构设计，越野能力和环境适应能力强；动力强劲。
图1.1内部结构图图1.2外型图
本课题的主要研究内容为一些基础性研究，很多的工作还处于仿真阶段。研究内容主要是设计一种能够适应复杂环境的履带式机器人。履带式的转弯特性与轮式
的有很大的区别，并且机器人为微小型，众多的外界因素不可忽略，因此这一部分的分析对于以后的设计、控制起到很大的辅助作用。同时该机器人采取了“履带——关节”结构，极大的增强了对环境的适应能力，分析了该结构的对于典型环境的适应能力，这对于机器人的机械设计(特别是尺寸及其重心的安排)提供了理论支持。
2 总体设计方案
2.1引言
履带式移动机器人的主要特点是两个履带独立驱动。其优点有，运动越障性好，可以原地转动，在不平的路面上运动性能良好，可以通过松软路面。缺点是运动速度缓慢，速度和方向不能单独控制，摩擦力很大，能量损失大，需要保持履带的张紧。
我们要设计一种能够在有障碍物、不平地面的环境下行驶的移动机器人。这些环境很复杂，例如普通地面，由于土质不同，可以分为沙土、软浮土、碎石地面、宽阔的石头等；障碍物的形式也有很多，例如石块、土丘、倾倒的树木、熔岩;向下的台阶可以由横亘的河道、地面断层、土坑、陨石坑等形成。在移动机器人机构设计时，必须考虑这些实际工作环境，恰当的选择移动机构。
我们可以选择多种移动机构，但是其接地曲线的构成应当采用两段或三段。为了使移动机构能够完成翻身、越障、狭小地段原地转弯的能力，移动机器人的接地曲线不能复杂，采用两段移动履带较为合适。这样机构不是非常复杂，可以减少驱动部件，同时又可以实现越障等复杂运动。
将履带机器人分成三个部分，两个履带体，一个中间体，如图2.1，2.2所示。两个履带体分别是履带本体部分和摇臂部分，摇臂部分辅助本体部分完成翻身、越障、爬楼梯、跨越壕沟的功能。
图2.1内部结构图图2.2摇臂展开图
2.2履带本体部分机构设计
主运动电机输出的动力通过齿轮组减速后传递给主动带轮，主动带轮上挂有履带。减速齿轮组包括三个齿轮，传动比为2：1。
1-摇臂部分；2-履带部分；3-齿轮2-40a；4-齿轮2-40b；5-齿轮2-20a；6-电机。
图2.3结构示意图
履带本体的动力是由电机输出的动力通过齿轮组减速后传递给带轮，带轮再传递给履带而得到的。减速齿轮组包括三个齿轮，传动比为2：1。电机输出轴与齿轮2-20a之间有一个轴，轴上加工有一个D形孔，与电机的输出轴连接。齿轮2-20a 与轴之间用一个键连接。为了便于驱动摇臂部分，将齿轮2-40a上的轴制作成空心
轴。此轴用两个键与齿轮2-20a连接，同样用两个键与带轮连接。带轮上安装履带本体，完成履带本体的驱动。
2.3履带摇臂部分机构设计
1-摇臂部分；2-齿轮2-40b；3-齿轮2-20b；4-垫圈、螺钉；5-电机
图2.4结构示意图
履带摇臂部分与履带本体部分由不同的电机驱动。履带摇臂部分的动力是由电机输出的动力通过齿轮减速后传递给带轮，带轮再传递给履带而得到的。减速齿轮传动比为2：1。齿轮2-20b的内部也是一个D形孔，与电机的输出轴连接，实现了它的轴向连接。在齿轮2-20b上切一个平台，钻一个直径为1.5的螺纹孔，用一个顶丝固定，实现了齿轮的径向夹紧。动力通过齿轮传递给轴，轴上用四个螺钉与筋板连接，控制摇臂的上下摆动（如图2.5）。筋板与带轮之间用止推轴承连接，防止轴向的滑动。
1 2 3
1-螺钉；2-轴；3-筋板
图2.5摇臂示意图
2.4 电机的选择
设履带与地面摩擦系数μ=0.5,整个机器人重6kg,平均每个履带体承受8kg 质量，由受力图可知，牵引力n F 与摩擦力f F 相等，
N kg N kg mg G F F f n 305.0/8.96=??====μμ
主动带轮的扭矩为Nm m N d F T n 55.22
17.0302=?== （2.1） 设机器人行进速度为5m/min,则主动带轮转速为
min /37.917.014.3min /5r m d v n =?==π （2.2）
为计算方便取10r/min,主动带轮输出功率为
W r Nm Tn P 7.29550min /1055.29550=?== （2.3）
查表（机械原理116页表5-1）得齿轮副传动效率为0.98，轴承传动效率为0.97，反推电机输出功率得：W W p P 397.098.07.222=?==总电机η （2.4）
考虑机器人要进行爬坡、翻越台阶等动作，所以电机选择2444型电机，转速为23r/min,输出扭矩为7Nm ，输出功率37W 。
3 零件的校核
本次毕业设计的便携式地面移动机器人的零件比较多，均利用SolidWorks软件的COSMOSWorks校核功能对零件进行受力分析。这里仅以齿轮2-40a和轴为例，介绍校核结果。
3.1齿轮2-40a的校核力
1.载荷：如图3.1所示，表示的是齿轮2-40a在一个齿上的受力情况。
图3.1载荷分布
2.研究属性：
3.应力结果：
图3.2应力图解
4.应变结果
图3.3应变分析5.位移结果
6.变形结果
7.设计检查结果
图3.6检查结果
8. 附录
材料名称:[SW]普通碳钢
说明:
材料来源:所使用的SolidWorks 材质材料库名称:solidworks materials
材料模型类型:线性弹性同向性
3.2轴的校核结果
1.载荷：
轴受弯矩和扭矩两种力矩，弯矩的力矩较小，这里只介绍轴所受的扭矩分析。
图3.7轴的扭矩示意图
2.研究属性