硕士学位论文
轮履变结构反恐机器人设计与研究
DESIGN AND RESEARCH OF ANTI-TERRORISM ROBOT WITH WHEEL-TRACKED
VARIABLE STRUCTURE
李海泓
哈尔滨工业大学
2011年6月
国内图书分类号：TP242.6 学校代码：10213 国际图书分类号：681.5 密级：公开
工学硕士学位论文
轮履变结构反恐机器人设计与研究
硕士研究生：李海泓
导 师：王树国教授
申请学位：工学硕士
学科：机械电子工程
所在单位：机电工程学院
答辩日期：2011年6月
授予学位单位：哈尔滨工业大学
Classified Index: TP242.6
U.D.C: 681.5
Dissertation for the Master Degree in Engineering
DESIGN AND RESEARCH OF ANTI-TERRORISM ROBOT WITH WHEEL-TRACKED
VARIABLE STRUCTURE
Candidate：Li Haihong
Supervisor：Prof.Wang Shuguo
Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Mechatronics Engineering Affiliation：School of Mechatronics Engineering Date of Defence：June, 2011
Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology
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摘要
恐怖活动不仅对人民的生命财产造成重大损失，而且对一个国家和地区的政治和经济都造成巨大影响，导致无法估量的严重后果，在这种形势下，反恐机器人显得非常重要，越来越多的国家投入到它的研制当中。反恐人员通过操作反恐机器人可以安全排除爆炸物，打击恐怖活动，从而可以最大程度减少人员伤亡和财产损失。
本文研究的目的是研制一种轮履变结构反恐机器人移动平台，为以后反恐机器人的功能改进与扩展提供一个体积小、重量轻、速度快、越障性能优越的移动平台。
首先，分析了国内外反恐机器人各自优缺点以及他们的工作环境和任务要求，针对轮履复合式移动平台轮和履带分开设计，结构不紧凑的问题，设计了一种轮履变结构反恐机器人新型机构方案。并在此基础上对机器人打开机构、内轮和支架、外轮、弹性履带进行了详细的结构设计。建立了机器人整体三维模型并给出了机器人的外形尺寸参数，为样机研制提供了基础。
接下来分别进行了机器人轮式移动和履带式移动时的运动学分析，建立了机器人非完整约束模型，对直线运动方式和转弯运动方式的实现进行了探讨；研究了机器人采用履带式移动时的越障原理，着重分析了机器人攀越台阶、攀爬斜坡以及跨越壕沟的运动原理以及机器人履带运动学，为实验提供了依据。
然后完成机器人虚拟样机装配并进行了机构仿真研究，确定了打开机构的运行角度。通过仿真判断机构是否干涉，进行了各构件的优化设计。然后利用RecurDyn多体系统优化仿真软件对机器人采用履带越障时的运动情况进行了仿真研究，确定了机器人的越障能力。
最后选择了机器人驱动和控制方案，完成了机器人样机装配并进行了相关实验。验证了轮履变结构反恐机器人结构设计的有效性。
关键词：轮履变结构；反恐机器人；结构设计；运动学分析
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Abstract
Terrorism can not only cause heavy loss to lives and properties, it also can have huge impact on economy and politics of a country or a region, result in some consequence which cannot be estimated. In the terrible situation, anti-terrorism robot has been a big issue, more and more countries are making research on it. Anti-terrorism robot can disarm explosive safely and help counter strike to fight against terrorism, so as to minimize lives and properties loss as much as possible.
The objective of the dissertation is to develop a wheel-tracked varible structure anti-terrorism robot mobile platform, so as to provide a small size, light weight, high speed and high obstacle navigation performance mobile platform for improvement of anti-terrorism robot’s functions in future.
At first, analysis of advantages and shortages, working condition and mission of anti-terrorism robot both domestic and overseas have been done. To solve the loose structure problem of wheel and tracked platform, a new structure design for the wheel-tracked interactive structure anti-terrorism robot has been brought forward. Based on the new design, open component, inside and outside wheel, stand and flexible crawler belt have been devised, a 3D system model for the robot have been set up,and dimension parameters were obtained, which provide the fundament for the manufacture of sample robot.
Then kinematics analysis have been done for wheel moving and crawler belt moving, have builded a nonholonomic constraint model of the robot, discussion has been done for the realization of the way for the linear motion mode and turn motion mode, obstacle navigation principle when using crawler belt to move has been studied, the motion principles of climbing steps and slopes, going across ditches and crawler belt kinematics were analyzed to provide some data for experiments.
Thirdly, assemble and simulation have been completed, the angle of open component has been confirmed, the optimization for each component were done by the interfere simulation. The working situation when robot using crawler belt to do obstacle navigation has been simulated using RecurDyn multi system simulation software, the ability of obstacle navigation has been found out.
At last chose the drive and control scheme, assembled and experimented with the sample robot. The experiments verified the validity of structure design.
Keywords: wheel-tracked varible structure, anti-terrorism robot, structure design, kinematic analysis
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目录
摘要......................................................................................................................I Abstract..................................................................................................................II
第1章绪论 (1)
1.1 课题研究的目的和意义 (1)
1.2 轮式移动平台研究现状 (2)
1.2.1 独轮式移动平台研究现状 (2)
1.2.2 两轮式移动平台研究现状 (2)
1.2.3 四轮式移动平台研究现状 (3)
1.2.4 六轮式和八轮式移动平台研究现状 (4)
1.3 履带式移动平台研究现状 (6)
1.3.1 单节履带式移动平台研究现状 (6)
1.3.2 两节履带式移动平台研究现状 (7)
1.3.3 三节履带式移动平台研究现状 (8)
1.4 轮履复合式移动平台研究现状 (8)
1.5 本论文研究的主要内容 (9)
第2章轮履变结构反恐机器人结构设计 (11)
2.1 引言 (11)
2.2 反恐机器人设计要求分析 (11)
2.3 机器人总体结构设计 (11)
2.4 反恐机器人结构设计 (13)
2.4.1 打开机构设计 (13)
2.4.2 内轮和支架设计 (14)
2.4.3 外轮设计 (14)
2.4.4 弹性履带设计 (15)
2.4.5 总体三维模型设计 (16)
2.5 本章小结 (17)
第3章轮履变结构反恐机器人运动学分析 (18)
3.1 引言 (18)
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3.2 轮式行进时的运动学分析 (18)
3.2.1 机器人非完整约束运动学模型 (18)
3.2.2 直线运动方式的实现 (21)
3.2.3 转弯运动方式的实现 (21)
3.3 履带式行进时的运动学分析 (22)
3.3.1 机器人攀越台阶时运动学分析 (23)
3.3.2 机器人攀爬斜坡时运动学分析 (25)
3.3.3 机器人跨越壕沟时运动学分析 (26)
3.3.4 机器人履带运动学分析 (26)
3.4 本章小结 (28)
第4章轮履变结构反恐机器人仿真研究 (29)
4.1 引言 (29)
4.2 Pro/E仿真研究 (29)
4.2.1 Pro/E仿真模型的建立 (29)
4.2.2 Pro/E仿真研究 (30)
4.3 RecurDyn仿真研究 (33)
4.3.1 RecurDyn仿真模型的建立 (33)
4.3.2 RecurDyn路面模型的建立 (34)
4.3.3 机器人攀爬斜坡仿真 (36)
4.3.4 机器人跨越壕沟仿真 (38)
4.3.5 机器人攀爬连续台阶仿真 (40)
4.4 本章小结 (41)
第5章轮履变结构反恐机器人实验 (42)
5.1 引言 (42)
5.2 轮履变结构反恐机器人方案选择 (42)
5.2.1 驱动电机方案选择 (42)
5.2.2 移动电源方案选择 (44)
5.2.3 控制方案选择 (45)
5.2.4 轮履变结构反恐机器人整机装配 (46)
5.3 轮履变结构反恐机器人实验 (46)
5.3.1 机器人快速直线运动实验 (46)
5.3.2 机器人转弯实验 (47)
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5.3.3 机器人负重运动实验 (48)
5.3.4 机器人打开机构验证实验 (48)
5.3.5 机器人越障实验 (50)
5.4 本章小结 (51)
结论 (52)
参考文献 (53)
攻读硕士学位期间发表的学术论文 (56)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 (57)
致谢 (58)
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第1章绪论
1.1课题研究的目的和意义
进入和平年代，战争已不再是时代主题，人们谈论最多的是一个比战争更加恐怖的名词——恐怖活动。所谓恐怖活动，是指恐怖分子所制造的一切危害社会稳定、危及人的生命和财产安全的行动，通常表现为爆炸、袭击和劫持人质（绑架）等形式。美国“911”事件、印度尼西亚巴厘岛爆炸事件、俄罗斯莫斯科轴承厂劫持人质事件、孟买爆炸案、马德里爆炸案、洛克比空难、卢克索血案等一桩桩恐怖袭击事件，一方面损害了公民的人身财产安全，另一方面对一个国家和地区的政治、经济都造成重大影响，导致无法估量的严重后果。
在这种形势下，越来越多的国家开始研制反恐机器人来打击恐怖活动，反恐机器人是反恐人员必不可少的重要装备[1]，反恐机器人的研究已发展成为机器人研究的一个重要方向。它的研制包含了世界上许多先进技术，我国也应该拥有并掌握这些先进技术。为此我们要加强我国反恐机器人的研制，实现产业化，并以此来提高我国高技术反恐作战水平以及预防和处置恐怖活动的能力。反恐人员通过操控反恐机器人可以有效的打击恐怖活动，尽量减少人员伤亡和财产损失。
体积小、重量轻、速度快、全地形将是反恐机器人发展的新趋势，并且为了防止机器人被恐怖分子侦察截获，并为其所用，反恐机器人还要具有“防绑架”能力和“欺骗”能力，这就对反恐机器人移动平台提出了更高的要求：不仅要体积小巧轻便，具有高机动性和强越障性，还要采用模块化封装设计。轮式移动平台速度快，机动性好，履带式移动平台越障性能优越，因此将二者进行结合产生的小型轮履复合式反恐机器人具有很大的应用前景，如果轮履之间可以相互转换，将会进一步减小反恐机器人的体积和重量，提高反恐机器人的机动性和越障性。本课题研究的目的是研制一种新型轮履变结构反恐机器人移动平台，轮式和履带式可以相互转换，解决轮履复合式移动平台轮和履带分开设计，结构不紧凑的问题，为以后反恐机器人的功能改进与扩展提供一个小体积、高速度、轻重量、越障性能优越的移动平台。以后在此基础上进行更深入的结构优化设计、控制操作简化、反恐功能
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改进与扩展，就具有非常重要的意义。
1.2轮式移动平台研究现状
轮式移动平台最为常见，早期的反恐排爆机器人大多都采用轮式移动平台，它是目前世界上研究最为透彻的移动平台。传统的轮式移动平台有二轮、四轮、六轮的机构形式，其中四轮移动平台应用最为广泛，而六轮移动平台则是目前主要运用的越障平台。早先的机器人对路况要求不是很高，大多遇到的是平坦路面，这就充分发挥了轮式移动平台的优点。在平坦坚实的路面上运动时，轮式移动平台速度快，机动性好，确实是最为符合的机器人移动平台。
1.2.1独轮式移动平台研究现状
如图1-1所示是卡内基梅隆大学机器人研究所研制的单轮式探测车Gyrover[2]，整个探测车设计成一个车轮，这种设计使机器人的重量减轻很多，同时使运动灵活性增强，它可以利用圆的几何特性以适应复杂地面，但控制比较困难，稳定性不好。除此之外还有日本东京电子通讯大学研制的独轮足球机器人[3]（如图1-2所示），整个机器人是一个足球形的轮子。它巧妙运用球体的几何特性可在任意方向上快速适应未知复杂地形，并且能够全方位快速移动，但是体积比较庞大，成本较高。
图1-1 Gyrover 图1-2 足球机器人独轮式移动平台如果设计成拳头大小的球体，可以用于反恐侦察，不仅体积小，重量轻，便于携带；还能轻松进入战场，通过窗户或门缝就可以把机器人扔进房间进行反恐侦察。但是独轮机器人控制比较复杂，很难进行精确控制，移动范围有限，不易退出战场。
1.2.2两轮式移动平台研究现状
如图1-3所示是美国明尼苏达大学研制的两轮反恐侦察机器人[4]，体积
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较小，重量比较轻，基于开放式的车轮而设计。机器人中部设计有弹跳机构，依靠电机拉动弹片储存跳跃所需能量。遇到障碍物或者台阶时，弹片突然释放能量使机器人跳过障碍物。两个车轮也可换成开放式的轮腿车轮，以适应复杂地面。缺点是对路面要求较高，不适宜在松软路面行进，跳起后落地点不能精确控制。国内的如哈尔滨工业大学研制的两轮并列式月球车[5]（如图1-4所示），采用两轮式移动平台，体积比较小、重量轻、灵活性好，抗倾覆性能良好，具有自动复位功能。缺点是路面适应性不是很高，设计时主要针对的是月球土壤路面。
图1-3 反恐侦察机器人图1-4 两轮并列式月球车两轮式移动平台体积小巧，重量轻，避障比较灵活，但路面适应性较差，无法上下楼梯，此外精确控制比较困难。
1.2.3四轮式移动平台研究现状
如图1-5所示是美国卡内基梅隆大学研制的极地探险车Nomad[6]，为了达到在未知环境中的安全导航，Nomad将先进的移动技术和分布式控制融为一体。Nomad具有伸缩式底盘和差分式负载均化悬挂系统，可减少发射时所占的空间，减震效果好。四个车轮均采用轮内驱动，越障能力强。体积较大，成本较高，不易用于反恐机器人。如图1-6所示是美国“监视与侦察地面设备”（SARGE）机器人[7]，采用遥控控制，用于战场监视，移动平台是雅马哈“微风”4轮全地形车，机动性好，可靠性高，使用方便。该机器人安装有用于侦察和目标搜索的彩色电视摄像机和像增强黑白电视摄像机，在黑夜也可以进行侦察监视。监视所用的摄像机带有多倍变焦镜头，可探测到1km远的行人。并且这种机器人在一个控制装置引导下，可以实现多车协同行动，从不同的方向向操作人员提供监视信息。但体积较大，无法用于室内反恐侦察。此外还有英国ABP公司生产的“山猫”排爆机器人（如图1-7所示）、“土拨鼠”排爆机器人（如图1-8所示）及“野牛”排爆机器人(如图1-9所示)，它们都是采用四轮式移动平台，移动速度快，可靠性高，
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结构简单，成本低，但是路面适应性差，无法上下楼梯，遇到松软路面，车轮容易发生打滑。国内的如哈尔滨工业大学研制的可重构多机动模式移动机器人[8]（如图1-10所示），四轮独立驱动，四轮独立转向，一共8个电机。能变换出不同轴距、轮距、重心高度的构型，主要用于自主导航系统研究，越障能力不足，无法上下楼梯。
图1-5 Nomad 图1-6 SARGE 图1-7 “山猫”机器人
图1-8 “土拨鼠”机器人 图1-9 “野牛”机器人 图1-10 可重构移动机器人
由以上分析可知，四轮式移动平台结构简练，操纵灵活，能耗少，移动速度快，可靠性高，可以充分发挥轮的优势。但是越障能力不足，无法上下楼梯，地面适应性较差。
1.2.4 六轮式和八轮式移动平台研究现状
美国JPL 研制的火星车Sojourner [9]（如图1-11所示）和Spirit [10]（如图1-12所示）均采用六轮摇杆悬挂式结构，六轮独立驱动，前后四轮独立转向，可以被动适应复杂地形，运行时车身平稳。主要是用于火星探测，成本较高。法国分析与系统实验室（LAAS ）研制的机器人LAMA [11]（如图1-13所示），采用六轮三体铰接式柔性底盘，整个车体分为三节，每节有两个独立驱动的圆柱-圆锥轮，相邻两节之间由两自由度铰链连接，可随地形产生被动的俯仰和扭转运动，地面适应性好，越障能力强，缺点是结构复杂，共有12个自由度，马达和电池等置于车轮中，成本较高，不宜用于反恐机器人。
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图1-11 Sojourner 图1-12 Spirit 图1-13 LAMA
如图1-14所示是瑞士EPFL的机器人车Shrimp[12]，采用双平行四边形结构，六轮独立驱动，中间3个车轮可随地形产生被动的起伏，前轮臂上安装弹簧，保证前轮与地面良好接触。具有优越的越障能力，可以轻松爬楼梯，地面适应较好，结构简单，国内多所大学都研制过这种虾形车。缺点是结构不紧揍，容易卡住，无法穿越泥泞土地。此外，如图1-15所示为美国喷气推进实验室研制的Robby机器人[13]，车轮直径为1m，采用前后三分体六轮结构，地面适应性好，可以自主穿越崎岖路面，主要是进行各种自主导航控制研究。缺点是体积庞大，能耗较大，泥泞路面车轮容易陷进去。瑞士EPFL研制的Octopus[14]（如图1-16所示）采用并列双轴两段臂的主动悬架，八轮独立驱动，体积较小，机器人共有15个自由度，每个轮的轮毂上都装有传感器，具有感知功能，其越障能力约等于其身高，能自主穿越崎岖路面，自主爬楼梯。结构和控制比较复杂，无法穿越泥泞路面。
图1-14 Shrimp 图1-15 Robby 图1-16 Octopus 六轮式和八轮式移动平台，与四轮式移动平台相比，其越障能力有了提高。有的采用分体结构，可以更好地适应崎岖不平路面。但越障能力受车轮直径大小的影响，无法穿越泥泞松软路面，爬楼梯时速度很慢，无法满足反恐机器人高机动性的要求。
综上分析，轮式移动平台行进速度快，转动灵活，效率高，机动性好，而且成本较低，部件损坏后可迅速更换。在平坦路面上，轮式移动平台优势明显，控制也比较容易。但相对而言，轮式移动平台也有自己的缺点，就是
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对路况要求较高。由于车轮与地面接触面积较小，在土壤压比较小的柔软路面上容易发生沉陷，在泥泞路面上容易发生打滑。特别是在特殊路面的情况下，如楼梯、山坡等，轮式都无法通过[15]。针对轮式移动平台的不足，人们研制出了履带式移动平台。
1.3履带式移动平台研究现状
履带式移动平台一般是由驱动轮、导向轮、拖带轮、履带板、履带架等部分构成。履带式移动平台适合在崎岖路面上行驶，具有优越的越障能力，它是轮式移动平台的延伸与拓展，履带本身可以起到给车轮连续铺路的作用，履带上的棘齿有助于机器人进行越障。
1.3.1单节履带式移动平台研究现状
如图1-17所示是美国研制的反恐机器人“魔爪”[16]。它已经在伊拉克执行过反恐任务，机械本体是单节履带式移动平台，配备武器可以有效攻击敌人。机器人身高0.9m，最高速度达 2.5m/s，结构和控制比较简单，可单兵携带。但是越障能力有限，无法顺利攀爬楼梯。如图1-18所示是世界上著名的“手推车”排爆机器人（Wheelbarrow）[17]，该机器人改进了履带形状，采用前凸的四边形履带，这样就更易于翻越障碍。具有高速和低速两个档，变速箱可以无级加速到最大速度，低速前进时操纵更加精确。行驶速度最高可以达到2.2m/s，续航时间达到2小时。设计有齿轮和齿条驱动装置，可以前后移动机器人重心改变机器人姿态，可攀爬台阶、跨越壕沟，车体密封，涉水深度可达200mm。但是结构和控制较复杂，爬楼梯时不能发挥较大优势。如图1-19所示为法国Cybernetix研制的TSR200型排爆机器人[18]，它采用单节橡胶履带式移动平台，攀爬斜坡最大坡度为40°，跨越壕沟最大宽度为 1.2m，顺利穿越崎岖路面，具有很好的越障能力。但是吸震能力较弱，爬楼梯时控制不好容易使其倾翻。
图1-17 “魔爪”机器人图1-18 “手推车”机器人图1-19 TSR200型排爆机器人
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综上分析可知，单节履带式移动平台结构和控制比较简单，越障能力比轮式移动平台要好。但是在爬楼梯过程中不能发挥较大的优势，容易发生侧翻，翻越台阶高度与履带配置有关，主要用于执行反恐排爆任务。国内外对单节履带式反恐机器人的研究已相当成熟。
1.3.2两节履带式移动平台研究现状
如图1-20所示是著名的反恐机器人Packbot[19]，它是采用两节履带式移动平台。长、宽、高为别为0.87m、0.51m、0.18m，重量为18kg，可以单兵携带，最大时速可达 3.9m/s。充满电后行驶距离可超过13km，同时涉水深度可达3m。但是当它在平坦路面行驶时，如果前端摆臂未会完全抬起，履带就会与地面接触产生摩擦，增加机器人前进的阻力，增大机器人的能耗。国内的如哈尔滨工业大学研制的放射源处理机器人[20]（如图1-21所示），也采用两节履带式移动平台。前摆臂可以360°旋转，增强了越障能力。机器人遥控方式采用有线和无线双模控制，充分发挥各自优势，采用锂离子电池进行供电。如果用三个小行星轮替换双节履带式移动平台的摆臂轮，可以减少摆臂履带与地面之间的摩擦，减少能耗，还可以提高机器人的越障能力[21]。但是三行星轮控制比较复杂，不能实现精确控制，打开角度控制不好，摆臂将无法复位。
图1-20 Packbot 图1-21 哈工大放射源处理机器人由此可见，两节履带式移动平台比单节履带式移动平台多了一组摆臂，它是单节履带式的改进，具有单节履带式移动平台的所有优点，并且越障性能比单节履带式移动平台优越，运行时振动小，稳定性好。缺点是由于摆臂的存在使控制变得复杂，车体主动轮和摆臂关节驱动轮都要安装驱动电机，需要对前端摆臂抬起的时间和角度以及所需驱动力的大小进行精确的计算与控制[22]。鉴于双节履带式移动平台良好的越障性能，国内外对它的研究也是相当成熟的。
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1.3.3三节履带式移动平台研究现状
如图1-22所示是德国研制的ASENDRO模块化侦察排爆机器人[23]。该机器人采用的是三节履带式移动平台。具有很好的越障性能，可以上下楼梯。可连续工作4个小时，最快的行驶速度为2.7m/s。做工工艺精良，便于产品化生产，集成度高，结构设计紧凑，兼容性好。设计理念比较先进，采用了模块化设计，便于维修和使用，但成本较高。如图1-23所示是由沈阳自动化所自行研制的“灵蜥-B”型排爆机器人[24]，该机器人也采用三节履带式移动平台，最大行驶速度为3m/s，最多能抓取15kg重物，攀爬斜坡最大坡度为40°，攀越台阶最大高度为400mm，跨越壕沟最大宽度为500mm，但是体积庞大，主要用于反恐排爆，不宜用作室内反恐侦察。
图1-22 ASENDRO 图1-23 “灵蜥-B”型排爆机器人由此可见三节履带式移动平台比两节履带式又增加了一组摆臂，是两节履带式的扩展。四个履带摆臂好比机器人的四条腿，加以适当控制可以实现机器人腿式移动。三节履带式移动平台适合在较为复杂的地形中应用，具有两节履带式移动平台的所有优点[22]。缺点是控制复杂，成本较高，增加的一组摆臂作用不是太大，反而增加了机器人的能耗与控制难度。
综上分析可知，履带式移动平台具有小的接地比压，大的地面支撑面积，小的滚动摩擦，良好的通过性能，小的转弯半径等特点。牵引附着性能好、越野机动性好、越障能力强。缺点是结构比轮式复杂，零件容易损坏，维护起来比较困难，成本也较高，而且采用履带机构的机器人一般重量和体积较大，减振性能差，平稳性差[25]。轮式和履带有各自的优势和不足，人们试着将轮式和履带式进行复合，使他们都能发挥各自的优点，这就产生了轮履复合式移动平台。
1.4轮履复合式移动平台研究现状
如图1-24所示是美国Remotec公司研制的Andros系列机器人[26]，该
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机器人安装有4个车轮和两组履带臂，最大触及距离可达2m。可以快速拆装更换不同部件，实现多种反恐功能，组件均采用模块化设计。体积较小，可以进入反恐人员所不能到达的区域执行任务。但是爬楼梯很困难，摇臂精确控制比较难。如图1-25所示是东北林业大学研制的轮履复合侦察机器人，其主要组成为主动轮、被动轮、辅助轮、同步履带等。其中主动轮和被动轮采用模块化设计，同步履带是一条双面齿同步带，内侧齿用于将主动轮驱动力传递给被动轮，外侧齿增加与地面摩擦力，提高机器人越障性能，辅助轮用来支撑和张紧同步带[27]。该机器人是四轮式移动平台和单节履带式移动平台简单的复合，并不能充分发挥二者的优势，主要在平坦路面上行驶，无法攀爬台阶，地面适应能力不足。
图24 Andros机器人图25 轮履复合侦察机器人轮履复合式移动平台比较常见的是由两组履带摆臂和4个车轮组成[28]，路况好时收起摆臂，采用车轮前进，发挥轮式的快速性和灵活性；遇到障碍物时可以放下摆臂辅助越障，或者后端摆臂旋转180°形成两节履带式移动平台，从而发挥履带式优越的越障能力，因此移动速度和攀爬性能都比较好[29]。但是车轮和履带分开设计，使机构变的复杂，轮履只是叠加而无法转换，结构不紧凑。
1.5本论文研究的主要内容
轮履变结构反恐机器人移动平台是反恐机器人的重要组成部分，是搭载传感器和其他功能设备的移动载体。本论文将对轮履变结构反恐机器人具体的机械本体结构进行设计研究，对机器人进行运动学分析，并在此基础上进行仿真研究和相关实验。
（1）轮履变结构反恐机器人结构设计 首先分析国内外反恐机器人各自优缺点以及他们的工作环境和任务要求，针对轮履复合式移动平台轮和履带分开设计，结构不紧凑的问题，设计一种轮履变结构反恐机器人新型机构方案；并在此基础上对机器人打开机构、内轮和支架、外轮、弹性履带进行详
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细的结构设计。最后利用三维实体建模软件Pro/E建立机器人的总体三维模型，并给出机器人的外形总体尺寸。
（2）轮履变结构反恐机器人运动学分析针对所设计的轮履变机构反恐机器人的结构特点，分别对机器人轮式移动和履带式移动时的运动学进行建模分析。建立机器人非完整约束模型，对直线运动方式和转弯运动方式的实现进行探讨。研究机器人采用履带式移动时的越障原理，着重分析机器人攀越台阶、攀爬斜坡以及跨越壕沟的运动原理以及机器人履带运动学。
（3）轮履变结构反恐机器人仿真研究 首先简单介绍机器人仿真研究的概念，利用三维实体建模软件Pro/E建立机器人的三维模型并进行虚拟装配，然后进行机构仿真研究，确定打开机构运行角度，为以后电机控制提供依据。观察各构件是否发生干涉，不断进行各构件优化，为样机研制提供基础。然后利用RecurDyn多体系统优化仿真软件履带车辆Track（LM）子系统对机器人采用履带越障时的运动情况进行仿真研究，确定机器人越障能力。
（4）轮履变结构反恐机器人实验 首先进行机器人驱动电机、移动电源和控制器的方案选择，完成机器人样机装配。然后，针对加工出的机器人样机进行快速直线运动、转弯、打开机构验证、越障等相关实验，验证机器人结构设计的有效性。
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第2章轮履变结构反恐机器人结构设计
2.1引言
反恐机器人一般是由移动平台、电源模块、电机模块、传感器模块和控制模块等组成。反恐机器人经常在复杂未知环境中工作，可能会遇到各种路面状况，研制反恐机器人首先要研制机器人的移动平台，它是构成反恐机器人整体结构的基础，机器人各种仪器设备和功能元件都要搭载在移动平台上。反恐机器人移动平台的各项功能指标和环境适应能力直接影响到机器人的工作效率和执行任务的能力，其结构设计是反恐机器人研究和开发过程中一个至关重要的环节。
2.2反恐机器人设计要求分析
本文设计的是一种轮履变结构反恐机器人移动平台，主要用于反恐侦察。考虑到反恐机器人得实际任务需求，外形总体尺寸要小，结构和控制要简单，成本要低，环境适应能力要强。
对国内外反恐机器人移动平台进行研究分析之后，本文设计轮履变结构反恐机器人移动平台的具体要求如下：
(1)结构简单，体积小，重量轻，速度快，机动性强，灵活性高，便于单兵携带。
(2)具有较强的地面适应能力，优越的越障性能，可以顺利穿越崎岖路面，跨越壕沟等。
(3)机器人控制要简单，易于反恐人员学习与操作。
(4)为了方便以后的功能改进与扩展，要预留反恐设备的安装位置。
(5)要采用模块化结构设计，相互独立装配，互不影响，便于实验和维修。
2.3机器人总体结构设计
本文所设计的轮履变结构反恐机器人移动平台，要求结构简单，体积小，重量轻，速度快，具有较强的地面适应能力，而且控制要简单，机动性好。在分析了国内外反恐机器人移动平台各自优缺点以及他们的工作环境和
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
任务要求基础上，针对轮履复合式反恐机器人轮和履带分开设计，结构不紧凑的问题，本文提出一种轮履变结构反恐机器人新型机构设计方案。如图2-1所示，主要由车架、一个万向轮和两个左右对称分布的轮履变结构模块组成。
图2-1 轮履变结构反恐机器人设计方案
本文的设计思路是通过轮履变结构车轮来实现机器人轮式移动和履带式移动之间的相互转化，其三维Pro/E模型如图2-2所示，靠车轮内部的打开机构来撑开或收回外侧的弹性履带，将轮式移动和履带式移动进行复合，使机器人具有机构可重构的特点。机器人可以采用车轮方式前进，提高移动速度和灵活性，又可以用履带方式前进，提高越障性能和地面适应性。
图2-2 轮履变结构车轮三维Pro/E模型
当机器人遇到路面状况较好时，能以车轮方式实现快速移动。当机器人遇到崎岖路面或者楼梯时，机器人能以履带方式进行越障，或者以履带方式和车轮方式实时互相转换的方式进行移动。这样机器人就会同时具有轮式移动平台和履带式移动平台的优点，并且履带打开一部分时，前后相当于各增加了一组履带摆臂，这样就使其具有了三节履带式移动平台的一些优点，有助于机器人攀爬越障，机器人采用轮式靠近高的障碍物，然后打开履带压在障碍物上，然后靠履带铺路越过障碍物，这样机器人越障高度有所提高，比一般的履带机器人具有越障优势。接下来对轮履变结构反恐机器人进行更详