履带式机器人结构设计说明书

履带式机器人结构设计说明书JIANGXIAGRICULTURALUNIVERSITY本科毕业论文（设计）题目：履带式机器人结构设计学院：工学院姓名：游毫学号：20210980专业：农业机械化及其自动化年级：农机1001指导教师：肖丽萍职称：副教授2021年5月摘要在微小型履带机器人方面美国走在了世界的前列，代表机器人有Packbot机器人，Talon机器人，NUGV等。我国微小型机器人的研究和开发晚于西方的一些发达国家，我国是从20世纪80年代开始机器人领域的研究的。其中具有代表性的有中国科学院研制的复合移动机器人“灵晰-B”型排爆机器人，“龙卫士DragonGuardX3B反恐机器人”，“JW-901排爆机器人”等。此设计的目的设计结构新颖，能实现过坑、越障等动作。通过在机器人机架上加装其他功能的模块来实现不同的使用功能，本研究的意义是为机器人提供一个动力输出平台，为开发各种功能的机器人提供基础平台。此设计移动方案的选择是采用了履带式驱动结构。结构整体使用模块化设计，以便后续拆卸维修，可以适应于各种复杂的路面，并可主动控制前后两侧摇臂的转动来调节机器人的运动姿态，从而达到辅助过坑、越障等动作。经过合理的设计后机器人将具有很好的环境适应能力、机动能力并能承受一定的掉落冲击，此设计的移动机构主要由四部分组成：主动轮减速机构、翼板转动机构、自适应路面执行机构、履带及履带轮运动机构。关键词：履带机器人;履带移动机构;模块化设计AbstractIntermsofmicrosmallcrawlerrobotswalkintheforefrontoftheworldintheUnitedStates,onbehalfoftherobothasdisposalrobot,Talonrobot,NUGV,etc.Miniaturerobotresearchanddevelopmentinourcountrylaterthansomedevelopedwesterncountries,ourcountryfromthe1980sbegantoresearchinthefieldofrobot.OneofthetypicalcompositemobilerobotdevelopedbytheChineseacademyofsciences\normofspirit-B\typeeodrobots,\DragonGuardDragonGuardX3Banti-terrorismrobot\,\JW-901eodrobot\,etc.Thedesignisnovel,thepurposeofthisdesigncanachievepit,surmountingobstacles.Throughintherobotarmwithotherfunctionmodulestorealizedifferentusefunction,thesignificanceofthisstudyistoprovideapoweroutputforrobotplatform,providesthebasisforthedevelopmentofallsortsoffunctionofrobotplatform.Thisdesignisthechoiceofmobilesolutionsadoptedcrawlerdrivestructure.Structureoftheoveralluseofmodulardesign,inordertofollow-upmaintenance,removalcanbeadaptedtovariouscomplicatedroad,andcanturnoneithersideoftherockerarmbeforeandafteractivecontroltoregulatetherobot'smotion,soastoachieveauxiliarypit,surmountingobstacles.Afterreasonabledesignrobotswillhavegoodenvironmentaladaptability,mobilityandcanabsorbacertainamountofdropimpact,thisdesignofthemobilemechanismismainlycomposedoffourparts:thedrivingwheeldecelerationinstitutions,wingrotatingmechanism,adaptivepavementactuators,trackandtrackwheelmotionmechanism.Keywords:trackedrobot;trackedmobilemechanism;themodulardesign目录摘要(2)1引言(5)2履带机器人的现状及发展(6)3履带机器人的运动特性(9)4本研究采用的行走机构(12)4.1行走机构的选择(12)4.2履带机器人的功能、性能指标与设计(13)4.3主要机构的工作原理(14)5机器人越障分析(15)5.1跨越台阶(15)5.2跨越沟槽(16)5.3斜坡运动分析(17)6机器人移动平台主履带电机的选择(19)6.1机器人在平直的路上行驶(19)6.2机器人在30°坡上匀速行驶(20)6.3机器人的多姿态越阶(21)7移动机构的分析及其选择(23)7.1典型移动机构分析(23)7.2本研究采用的移动机构(27)8履带部分设计(28)8.1履带的选择(28)8.2确定主从动轮直径(31)8.5功率验算(38)8.6同步带的物理机械性能(38)8.7履带主从动轮设计(39)8.8副履带部分设计(42)9履带翼板部分设计(47)9.1履带翼板的作用(47)9.2履带翼板设计(47)10计算履带装置的重心及其各部件重心(49)10.1主履带的重心计算(49)10.2副履带的重心计算(54)10.3主履带及其摇臂也就是副履带总部分的重心计算(55)总结(56)致谢(57)参考文献(57)1引言随着.的发展，我们面临的自身能力、能量的局限越来越多，所以我们创造了各种类型的机器人来辅助或代替我们完成任务。履带式机器人包括侦察机器人、巡逻机器人、爆炸处理机器人、步兵支援机器人以及复杂环境下搜救机器人等，用来代替我们进入危险环境下完成一些如侦查、搜集资料、救援等工作，从而减少了我们工作的危险系数，在我们未来的生活与工作中起到非常重要的作用。民用履带式机器人被广泛用于工业生产等各种服务领域，如生产线传输、清扫、导盲和搜救复杂环境下的资料等各个方面。但我国对机器人研究起步较晚，大多数尚处于某个单项研究阶段，主要的研究项目有：清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定，还有上海交通大学的地面移动消防机器人已投入使用。北京理工大学、南京理工大学等单位承担的总装项目“地面军用机器人技术”研究是以卡车、面包车作为平台的，是大型智能作战平台。中国科学院沈阳自动化研究所的AGC和防爆机器人，中国科学院自动化自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统，哈尔滨工业大学于1996年研制成功的导游机器人等。2履带机器人的现状及发展20世纪60年代到70年代，想到工业机器人印入脑海的便是自动机械手。机器人移动功能的大力研究和开发是20世纪80年代以后才开始，现在作为移动机器人而研制的移动机械类型已远远超过了机械手。尤其是履带式机器人，不仅是生物体中没见过的移动形态，而且能够在复杂的环境下行进。履带式机器人因采用履带式传动而得名。其最大特征是将圆状的循环轨道履带套在若干车轮上，使车轮不与地面直接接触，利用履带缓冲地面带来的冲击，使机器人能够适应各种路面状况。目前六履带摆臂式搜救机器人还是局限于单个或两个自由度。其主要由机械本体、控制系统、导航系统等部分组成。六履带摆臂式搜救机器人的研究涉及以下几个方面，首先是移动方式的选择，对于履带式移动机器人，可以是两履带式、四履带式、六履带式等。其次，考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的功能。再者，必须考虑导航或路径规划，如传感信息融合，特征提取，避碰以及环境映射。最后，考虑摆臂角的原理，这方面需要重点考虑，通过控制摇臂的角度来改变自身高度以达到越障过坑功能是这种机器人的最大特点。对于这些问题可归结为：机械结构设计、控制系统设计、运动学与动力学建模、导航与定位、多传感器信息融合等。下面是各国研发的一些履带式可变形机器人：（1）美国的拆弹专家：如图2-1、2-2、2-3、2-4所示，这是美国iRobot的一种较小型“PackBot”机器人，现服役于美国军队，它搭配了一个爆炸物感应系统，能有效地探测炸弹。图2-3这种iRobotSUGV的机器人是一种小型地面探测车，重量仅为30磅。图2-4是iRobot生产的“Warrior”机器人配备了两个全自动、自动装弹、可遥控的12杆机抢，重量为250磅。图2-1RackBot准备展开图2-2RackBot伸展情况图2-3SUGV机器人图2-4Warrior机器人（2）德国telemax防爆机器人：仅在一两年前，德国公司出品了一款防爆机器人，现在2021年的新一代机器人已经上市了，其结构比以前的更加轻便，体积更小。这款机器人依靠一个灵活的小型系统有了和一些大型机器人一样的功能。图2-5telemax行走姿势图2-6最紧凑姿势通过对国内外六履带摆臂式搜救机器人的分析，可以看出六履带摆臂式搜救机器人今后的发展有以下几个方面的趋势：（1）结构上，趋向小型、微型。（2）运动上，趋向全方位，更灵活，更具自主性。（3）在用途上，趋向于功能多功能化。3履带机器人的运动特性（1）平面运动及转弯平面运动及转弯是最基本的运动方式，当两侧的履带同向等速运动时，则表现为直线行走，当两侧履带反向等速运动可实现原地零半径回转，而不同速度同向运动可实现任意半径转向。图3-7（a）、图3-7（b）为四摆臂履带单元同时着地，使机器人与地面的接触面积增大，可以使机器人适应松软、泥泞和凹凸不平等各种地形环境；图3-1（a）图3-1（b）图3-1（c）、图3-1（d）、图3-1（e）中当遇到小坡度的斜坡时，可直接爬坡而不必采取其他动作，从而可减少对驱动控制系统要求；图3-1（c）图3-1（d）图3-1（e）图3-1（f）为四摆臂单元向上摆到中间位置，可实现机器人小空间转向运动。图3-1（f）机器人爬坡时，姿态可以转变成图3-1（g）。当坡度较大时，则图3-1（h）和图3-1（i）是较好的姿态，这两种方式可使机器人重心位于稳定状态，从而保证机器人顺利爬坡。图3-1（g）图3-1（h）图3-1（i）（2）自撑起及涉水机器人的主要控制系统和检测元件则安装在中间箱体中，为了避免在运动中被损坏，机器人可以通过4个摆臂单元向下摆动，抬高中间箱体的高度。且其以各自不同的摆动角度向下摆动时可使机器人变换成各种姿态，从而使中间箱体在允许变化的高度范围内自由转变，从而使机器人完成涉水的动作。（3）越障机器人利用摆臂前攻角进行越障，由于机器人摆臂能把车体抬起，所以可越过高于自身高度的障碍物。图示（a）-（h）表示机器人越过高障碍物的一般过程。履带利用齿形对障碍物的抓爬力来向上攀爬，同时后摆臂向下摆动以使车体抬高，当摆到与地面垂直时后摆臂停止摆动。当主履带爬到障碍物上面时，前摆臂向前向下摆动支起车体，机器人继续前进，直到其重心越过台阶。重心越过台阶后，前摆臂向前向上摆动直到与地面贴合，同时后摆臂向后向上摆动与车体成一后攻角为止，此时机器人已越上台阶。整个过程中，履带始终向前爬行。图3-2救灾机器人越障过程4本研究采用的行走机构4.1行走机构的选择本文履带机器人移动系统采用的是履腿式复合结构，总体设计方案如图2-4所示。机器人的车体的履带作为履带式移动机构，与前臂和后臂转动相协调，增加了机器人运动灵活性。机器人前臂和后臂各有一个伺服电机驱动，通过控制系统协调配合，实现前臂和后臂的灵活转动，在机器人爬坡和越障时发挥更大作用。