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救援机器人工程设计及带式移动系统结构分析摘 要我国是世界上灾难发生最为严重的少数国家之一，具有灾害种类多、发生频率高和分布地域广等特点。救援机器人正是为了灾难救援的现实需求而提出的。本课题将研究机器人技术在灾难救援领域的一种应用，其商业化产品应能部分代替救援队员进入危险环境执行搜索救援任务，并将感知的现场信息传送给场外控制人员，为各类救援策略的制定提供有价值的支持。本课题主要对救援机器人系统结构进行分析，并依据典型的救援环境设计出具有越障功能的机器人。本文主要完成了以下工作：（1）通过比较国内外救援机器人的典型结构和详细的讨论分析，确定了救援机器人的行走方案，即四摆臂履带救援机器人。（2）通过分析四摆臂履带机器人的机构特点，设计了机器人的传动系统，选择合适的动力源，并对机器人内部进行合理布置。在机器人具体设计过程中采用了模块化设计思想，将机器人分为主体模块、行走模块、摆臂模块，总体结构对称、紧凑，布局合理。（3）基于模拟的灾难环境，对救援机器人的行走越障过程进行运动学分析。针对特定障碍，设计出了一系列动作姿态。关键词：救援机器人；履带；传动方案；越障Contact points detection for tracked mobile robots using inclination of track chainsABSTRACTA tracked mobile robot has high mobility and stability to get over rough terrain by changing its form according to environments. However, it is hard for an operator to control the mechanism skillfully by remote control. One of the solutions of the problem is an implementation of an autonomous control system. A detection of distributed contact points between the crawlers and an environment enable the autonomous control. In this paper, the authors propose a distributed contact sensor for tracked vehicle. In order to apply touch sensors to each track shoe, a problem of electric wirings has to be solved because the crawler is rotating continuously. In our proposed method, Contact points are detected by measuring inclination if track shoes optically. For optical sensing of the inclination, a special reflector is designed and evaluated. The authors developed a method for distributed contact sensing of tracked vehicle, and examined whether the sensor can detect contact point during the step climbing motion.KeywordsSearch and Rescue Robots, Tracked Mobile Robots, Distributed touch Sensor, Inclination of Track Chains, View Angle Filter目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 绪 论11.1移动机器人的研究起源和发展11.2.2国内救援机器人的研究现状51.3本课题研究意义及主要研究内容6第二章 救援机器人灾难环境介绍和行走系统方案分析82.1救援机器人设计要求82.2救援机器人行走方案分类和比较82.2.1轮式行走系统82.2.2履带式行走系统92.2.3腿式行走系统92.2.4履、腿复合式行走系统102.2.5行走系统性能比较102.3本章小结11第三章 救援机器人总体方案设计123.1总体尺寸与关键参数的确定133.1.1迷宫行走143.1.2跨越高台143.1.4上下楼梯163.1.5 机器人尺寸参数的建立183.2传动方案与传动机构的分析设计193.3机器人动力源的计算和选择233.3.1机器人行走系统动力分析233.3.2救援机器人摆臂动力分析283.4具体零部件设计303.4.1传动设计303.4.2箱体设计313.4.3履带及驱（从）动轮设计323.4.4 其他零件设计343.5本章小结34结 束 语35致 谢36参考文献373636第一章 绪 论1.1移动机器人的研究起源和发展由于人类探索活动的深度和广度不断提高，促成了机器人的诞生。机器人不仅可以代替人来做许多劳动强度大、劳动时间长的工作，更可在人类无法到达的恶劣环境中工作，有些环境甚至是致命危险的环境，例如深海作业、排除爆炸装置等。随着电子信息技术的突飞猛进，机器人作为一种新型的生产工具，具备极大的优越性，得到了飞跃发展。作为一种先进的机电一体化产品，机器人技术的发展与自动控制技术的发展息息相关。人们期望机器人在许多人类无法涉及的区域能代替人类劳动完成更复杂的任务，例如在军事侦察、扫雷除险、防止核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广泛的应用前景。所以未来的机器人所面临的环境将是未知的、不可预测的、非人为的构造的环境，机器人所完成的任务也将越来越复杂，因而对机器人的控制系统提出了更高的要求。作为控制系统设计的前提要求机器人执行机构具有良好的运动学和动力学特性，同时也对机器人的执行机构提出了更高要求1。 移动机器人是机器人学中的一个重要分支，与传统机器人不同，移动机器人可以通过改变本体位置而完成特定任务。目前，移动机器人主要用于对一些危险和未知的地域进行探索，由于其具有很强的地形适应性，可以穿越野外崎岖地形，从而达到探测目的。移动机器人具有尺寸小，行走灵活，自由度多等特点，在灾难搜救、行星探测、军事侦察、科学研究等方面具有巨大的社会效益和经济效益，可以在战时参加军事活动，和平时期为经济建设服务。因此，移动机器人受到了越来越多人的关注和研究。移动机器人发展至今，可以从以下方面对其进行分类2：（1）工作环境：室内移动机器人和室外移动机器人；（2）移动方式：轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇形机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等；（3）控制体系结构：功能式(水平式)结构机器人、行为式(垂直式)结构机器人和混合式机器人；（4）功能和用途：医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等；（5）作业空间：陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器。在过去几十年中，移动机器人得到了很大的发展，其应用得到了充分的发掘，现在已经可以在各个领域中看见移动机器人的身影。同时，移动机器人在飞速的朝着智能化和多样化方向发展，将在国民经济和安全中起着重要作用并具有重大的战略意义。1.2国内外救援机器人的研究现状救援机器人是移动机器人在灾难救援领域中的一种应用，它是为救援而采取先进科学技术研制的移动机器人，如地震救援机器人，它是一种专门用于大地震后在地下商场等危险地区寻找幸存者执行救援任务的机器人。目前救援机器人可分为军用救援机器人、灾后救援机器人、水下救援机器人等。救援机器人是针对某一特定的灾难环境而设计的，所以它应具有良好的越障能力、感知能力和通信能力等。救援机器人以其独特的体积小、灵活、高效等诸多优点成为灾难辅助救援的有效工具并引起全世界的广泛关注。早在上个世纪60年代末期，斯坦福的科研人员就开始研究移动机器人，经过三年的努力，Shakey自主移动机器人问世，其研究目的是应用于人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。同时，最早的操作步行机器人也研制成功，开始了机器人步行方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。70年代末，随着计算机的应用和传感器技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。特别是80年代中期，一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室的研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。近年来，世界上许多国家开始从国家安全战略的角度研制出各种反恐防爆机器人、灾难救援机器人等危险作业机器人用于灾难的防护和救援。同时，由于救援机器人有着潜在的应用背景和市场，一些公司也介入了救援机器人的研究与开发。目前，灾难救援机器人技术正从理论和试验研究向实际应用发展。在2010年6月份日本神户召开的IEEE安全、防卫、救援国际研讨会(IEEE SSRR05)上，会议的主旨定为：“在今后的减灾和救援中，机器人作为一种有效的手段，将成为社会基础设施中不可缺少的部分”。到会的代表来自16个不同的国家和地区，各国的救援机器人研究工作，因国与国之间的技术水平、地域环境和政治因素的不同，灾害类型的不同，灾害区域废墟的成分不同，以及机器人作业任务的不同，而显得全面化和多样化。下面就国内外救援机器人研究现状分别进行介绍3。1.2.1国外救援机器人的研究现状作为一个多核能、多地震国家，日本在救援机器人方面开展了相对全面的工作。自1995年阪神地震发生后10多年间，日本在灾难救援防护方面已经形成了完备的国家体系。特别是从2002年开始，日本文化科学部确立了“大都市大震灾减灾特别计划”的研究计划，以大幅度减小人、物的灾害损失为目的，研究地震防灾对策的理论科学和基本技术，进一步开发在地震中使用的救援机器人。该计划采纳了共30多项建议，项目为期5年。参加者包括大学、公司和国立研究所，研发内容包括用于观察灾难环境的机器人系统、传感技术、人类接口技术和系统集成。川崎市为该项目建立了公用试验场地，并建立了国际救援系统研究所。国际救援研究机构在“灾害应对战略研究”中，把本研究计划作为核心内容全部包含在内，目的是实现在非常困难的大规模灾害救援活动中，即使是在混乱中也能对进行情报收集和判断，根据灾害状况进行最优的救助。日本东京工业大学的广濑是最早从事救援机器人研究的学者之一3，他所领导的广濑研究室，从仿生的角度和基于超机械系统的思想先后研制了“ACM”、“GENBU”与“SORYU”等多系列救援机器人样机，在仿生机械及灾难救援应用研究方面，广濑教授及其学生做出了卓著的贡献。图l.1为广濑研究室研制出的救援机器人部分样机。考虑到灾害现场的援助作业最重要的是确定受灾害者的位置，必须依靠能够在像瓦砾那样狭小的场所移动的机器人来探察，为此他们研制了SOURYUI和SOURYUII；针对火灾现场的消防，有软管的搬运、放水及被害者的探查等作业，他们研制出水压驱动的多车轮机器人GENBU-I、GENBU-II和GENBU-，以消防用的高压水为动力源，进行放水和驱动。图1.1 广濑研究室的救援机器人3 “911”事件后，灾难救援机器人技术在美国日益受到重视。“911”事件的灾难现场救援认为是灾难救援机器人的第一次实际应用。在纽约世界贸易中心遭到恐怖袭击发生后几小时，退役中校约翰·布莱彻任主任的美国“机器人辅助搜救中心”应纽约市紧急事务管理办公室要求，立即组织了一支由机器人专家和生产厂家技术人员构成的队伍，携带可供使用的机器人，赶赴世贸中心废墟现场，向救援行动提供技术支持，其中投入使用的8种机器人如图1.2所示。图1.2 在世贸大厦进行作业的救援机器人3图1.2ac分别为Inuktun公司的三种机器人3：Micro VGTV、Micro Traces和Mini Traces，它们在废墟堆上用的最多，因为它们体积小，质量轻。三种机器人之中，Micro VGTV和Micro Traces被证明更有用于救援作业，Mini Trace本想用于废墟堆中，但受到空间的限制而不能有效的利用。Foster-Miller公司也使用了三种机器人系统：Talon，SOLEM和Urbot(图1.2df)，三种机器人与Inuktun公司的机器人相比体积较大，但具有更好的传感和承载能力，因为它们来源于NASA军方背景的研究，具有较大的速度。SOLEM被用于废墟堆中的作业，Talon和Urbot被用于建筑物的内部检测。iRobot公司在救援行动中也使用了两种机器人:Packbot和ATRV。Packbot采用履带驱动具有非凡的牵引力和自调整能力，ATRV为大型轮式移动机构，体形高大。1.2.2国内救援机器人的研究现状在我国，一些专家学者也意识到了灾难救援等危险作业机器人技术研究的重要性，已有许多高校和研究所在海难救援机器人、自主救援无人机和地面移动特种作业机器人等救援机器人技术方面开展了广泛的研究17。对灾难救援而言，在消防机器人研究方面已经取得了显著的成绩。2002年6月，由公安部上海消防研究所、上海交通大学和上海消防局三家单位共同承担的国家863项目“履带式、轮式消防灭火机器人”研制成功，并顺利通过国家验收。消防灭火机器人是一种结合多种消防灭火手段为一体的新型消防装备。图1.3为上海强师消防装备有限公司（公安部上海消防研究所控股）提供的消防机器人产品。灭火机器人从实验室走向生产车间最终战斗在火场一线，为我国消防装备的发展注入了新鲜的血液。在863计划资助下，中国科学院沈阳自动化研究所开展了多项危险作业和极限作业机器人研究，其中救援机器人是重要的一个部分。图1.4为蛇形机器人样机，旨在用于非结构环境中探测和灾难救援作业。该蛇形机器人可以根据地面状况采用蜿蜒、伸缩、侧移和翻滚等多种运动姿态，在监控系统的无线控制下，具有一定的三维运动能力，并可通过安装在蛇头上的微型摄像头将现场图像传回监控系统。在蛇形机器人研究基础上，从模块化、可重构和自动变形的角度研制出了一种履带式灾难救援可变性模块机器人样机，该三模块机器人具有9种运动构形和3种对称构形，具有直线、三角和并排等多种形态，图1.4b所示为其三角形态，它能够通过多种形态和步态来适应环境和任务的需要。图1.4c为水面救援机器人，可以在1km范围内，对其进行无线控制。图1.4d为沈阳自动化所和广州卫富公司共同研制出的具有自主知识产权、能完成反恐、防爆等综合任务的“危险作业机器人”产品样机。图1.3 国产消防机器人图1.4 沈阳自动化所研制的灾难救援机器人1.3本课题研究意义及主要研究内容本课题目的就是促使机器人将来在灾难救援中起到真正的作用。本课题将着力研究如下内容：（1）国内外救援机器人研究现状及其分析；（2）对灾难环境进行分析，据此得到救援机器人所应具有的性能要求，并对行走方案进行分析；（3）确定救援机器人总体方案，包括传动方案、总体尺寸、电机选择、具体的零部件研制等，并进行适当的运动分析及动力学分析；第二章 救援机器人灾难环境介绍和行走系统方案分析2.1救援机器人设计要求救援机器人不仅需要在结构地形中运行，更需要接受非机构复杂地形的挑战。为此，机器人必须具有机动性强、尺寸灵活、自适应能力强的移动机构。因此，能够满足环境要求的机器人本体机构的设计成为了整个项目能否顺利进行下去的基础。以下为灾难环境对机器人提出的具体的设计要求：（1） 整体机构简单，尺寸灵巧（2） 机动性。需具有强有力的动力和适中的速度（3） 自适应性。包括地形适应性（如：楼梯、沟、斜坡、一定高度的障碍和未知地形等）和空间适应性（如：狭小空间，高温易爆、有毒气体、电磁辐射等）（4） 平稳性，避免侧翻、倾翻、卡死现象（5） 模块化，便于装配和调试2.2救援机器人行走方案分类和比较能够满足比赛环境对救援机器人提出的设计要求，具有多地形适应性的移动机构主要包括：轮式、履带式、腿足式。对于本设计，其主要功能除了 爬坡越障和多地形适应能力、全方位转向功能外，还应在速度、运行平稳性、重量等方面全面予以考虑。在非结构环境下，任何一种移动机构都有其优势和实用性，同时存在某些缺陷。对移动机构的设计和选择，需要综合设计要求及其他相关因素4,18。2.2.1轮式行走系统轮式移动机构可以达到较高的运动速度，在相对平坦的路面上，轮式移动具有相当的优势，控制也很简单，因此轮式移动机构得到了广泛的应用，是目前研究最为透彻的移动机构之一。传统的轮式行走机构有三轮、四轮、六轮的结构形式。然而，轮式移动机构的缺点也很明显，由于与地面接触面积小，在土壤压比较小的柔软路面和湿滑的路面上产生沉陷和打滑。这些都使轮式机构在大多数野外环境下功能受到限制。为提高轮式行走机构的多地形适应能力及其通过性，在传统的轮式行走机构上进行结构变形，出现了四轮加前后摆、六轮加前后摆、行星轮式等具有多地形适应能力的行走机构；车轮结构也出现了超轻线编制轮胎、半球形轮胎、麦卡姆轮等多种车轮形式。2.2.2履带式行走系统典型的履带式行走系统由驱动轮、导向轮、拖带轮、履带、履带架等部分组成。履带最早出现在坦克和装甲车上，后来出现在某些地面行驶的机器人上。履带式行走系统具有以下特点：（1）履带式移动机器人支撑面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能好；越野机动性能好，爬坡、越沟等性能均优于轮式移动机器人。（2）履带式机器人转向半径极小，可以实现原地转向，其转向原理是靠两条履带之间的速度差即一侧履带减速或刹死而另一侧履带保持较高的速度来实现转向。（3）履带支撑面上有履齿，不易打滑牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。（4）履带式移动机器人具有良好的自复位和越障能力，带有履带臂的机器人可以像腿式机器人一样实现行走。当然，履带移动机器人也存在一些不足之处，比如在机器人转向时，往往要采用较大的牵引力，在转弯时会产生侧滑现象，所以转向时对地面有较大的剪切破坏作用。为改善普通履带式移动机构的缺点，主要通过改变履带的形状和结构来实现，卡特比勒、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，大大减轻了履带式移动机构笨重的缺点，改善了其整体性能。因此，履带式移动机器人是救援领域机器人发展的主流之一。2.2.3腿式行走系统腿足式移动机构分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移动机构5优点有：（1）腿式机器人的地形适应能力强。腿式机器人的运动轨迹由一系列离散点组成，崎岖地形可以给这些离散点提供支撑，使机器人平稳运动；而轮式和履带式机器人的运动是连续轨迹，有些起伏较大的地形则不支持这种连续运动轨迹，进而限制了该类机器人活动范围。（2）腿式机器人的腿部具有多个自由度，运动更具有灵活性，通过调节腿的长度可以控制机器人重心位置，因此不易翻到，稳定性更高；（3）腿式机器人的身体与地面分离，这种机械结构优点在于机器人可以平稳地运动而不考虑地面的粗糙度和腿所放位置，8腿移动机器人的稳定性好，越野能力强。腿式移动机构缺点有：（1）该类机器人的移动速度慢，机动性较差。因此机器人的负载不能太重；（2）腿式机器人对地面适应性和运动灵活性需要进一步提高；（3）腿式机器人控制系统较为复杂，控制方法还有待完善；（4）该机构未进入实用化阶段。2.2.4履、腿复合式行走系统履、复合移动机构综合了履带式和腿式两种移动机构的优势6，在地面适应性能、越障性能方面有较好的表现。履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面。它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式等其它行走系统无法与其比拟，适合作为机器人的推进系统：传统履带移动机构往往是两条履带与车身相对固定，很大程度上限制了机器人地形适应能力（此时机器人履带高度和长度直接决定了机器人越障、跨沟等性能），为了解决该问题履带式移动系统中引入了关节履带机构，两条履带不再相对车体固定而是能绕车身转动，这样能大大提高机器人的环境适应能力，但履、腿复合机构本身存在着一定的不足如结构复杂、运动控制困难等。2.2.5行走系统性能比较轮式、履带式、腿式行走系统各性能比较见表2-2所示。表2-2 轮式、履带式、腿式行走系统性能比较一览行走方式轮式履带式腿式履、腿复合式移动速度快较快慢较快越障能力差一般好好机构复杂程度简单一般复杂复杂能耗量小较小大大机构控制难易程度易一般复杂复杂2.3本章小结本章对赛项所模拟的灾后环境进行了详细分析，并概括为复杂的结构型地形和复杂的非结构型地形。同时，根据环境特点，总结并比较了几种常用的行走系统的性能。第三章 救援机器人总体方案设计本课题提出的救援机器人移动系统拟采用的是履、腿复合行走系统，该结构最大优点在于在传统履带移动机构的基础上增加了转动关节，加强了机器人越障、爬坡性能，并提高了环境适应能力，能够很好的满足机器人的设计目标。本章针对救援机器人的功能要求，提出一种履、腿复合式行走系统。从具有的履带数目和自由度方面来讲，该行走系统属于六自由度履带式行走系统；从复合的角度看，它属于履、腿复合式行走系统。救援机器人所具有的四个摆臂可各自独立，如同四条腿，能够实现多种姿态，使得机器人具有更强的地形适应性、越障性和平稳性。救援机器人机械本体部分可分为：主体、主履带移动机构、摆臂机构三个模块，如图3.1（b）所示。主体将左右主履带移动模块连成一个整体，主要用于安装各种传感器、机械臂、控制硬件部分及电池。主履带移动机构用于实现救援机器人的行走，前进、后退以及转向，并且该模块内部需安装传动机构及电机。救援机器人共有四个摆臂模块，且每个摆臂模块相互独立正反旋转360o ，从而可以通过调整摆臂的位置，实现各种姿态，进而使得救援机器人平稳的通过各种障碍和复杂地形。从图3.1可知，救援机器人的三大模块对称分布，主体模块位于机器人正中，主履带移动机构模块上下对称，四个摆臂上下、左右对称。因此，机器人结构对称、紧凑，重心位于其中心附近，有利于提高机器人平稳性。（a） （b）图3.1 救援机器人行走系统示意图3.1总体尺寸与关键参数的确定 救援机器人的越障性能不仅与障碍的形状特点有关，更与机器人的机构特点息息相关，是一个环境与机器人交互作用的系统。在机器人设计过程中，需针对具体的灾难环境设计机器人的关键尺寸，以保证机器人的机动性与越障性能。模拟灾难环境可分为结构地形和非结构地形，结构地形包括楼梯、高台、斜坡等规则地形。在确定尺寸时，结构地形是尺寸设计的重要参考依据，而非结构地形无法具体尺寸量化。但是当救援机器人能够顺利通过结构地形，则表明机器人具有通过非机构复杂地形的能力，因为非结构地形也是由结构地形组合而成。下面将基于结构地形（迷宫宽度、高台、楼梯）的具体尺寸及对机器人所提出的各项性能要求来确定机器人的各项重要尺寸。需要确定的机器人尺寸包括：主履带移动模块和摆臂模块的长度、主履带移动模块和摆臂模块各履带轮的直径及机器人的宽度。最终使机器人在满足越障的性能要求下，具有更加灵巧的尺寸。针对机器人的结构分布及其工作环境，做出以下假设：（1）机器人的重心保持在其对称中心，不随机器人的姿态的变化而波动。（2）机器人越障过程均为低速，匀速运动，且与环境保持平稳接触。在机器人实际行走过程中，重心是随着机器人姿态的变化而波动的。如果机器人以较大的速度冲越障碍时，则存在着较大的不确定性。为此，在理论计算出机器人尺寸时，参考已有救援机器人的尺寸，附加一定余量，保证机器人尺寸能够满足环境要求。3.1.1迷宫行走根据比赛主办方对环境的设置，迷宫的宽度。救援机器人需在内自由行走、转向，能够灵活运动。假设车体的宽度为B，长度为L。履带式移动机构具有绕其几何中心转向的特性，如图3.2所示。假设机器人中心点位于迷宫通道中间时，若需要机器人能够灵活运动，即需机器人的对角线长度小于迷宫通道宽度。 结构尺寸需要满足如下关系式： （3-1） 图3.2 迷宫内转向3.1.2跨越高台高台是典型的结构地形，对救援机器人的越障性及平稳性提出了一定的要求。当机器人在通过该障碍时，需要不断调节4只摆臂的姿态，以使机器人与地面平稳接触。若操作不当或者机器人的尺寸不合适，机器人将与地面出现硬碰撞，这将对机械结构造成损伤，甚至破坏机构部分。因此，高台的尺寸可作为考察机器人越障能力的重要参数。（1）越障过程分析(a) (b) (c)(d) (e) (f)图3.3 救援机器人翻越高台的过程图3.3所示为救援机器人跨越高台的姿态系列。图3.3(a)所示为机器人跨越障碍的初始状态。摆臂搭在高台的边缘，其与主车身之间形成一个角度。图3.3(b)所示为机器人跨越高台的初始状态，此时摆臂以一定的角速度转动，将本体的重心往上提。当摆臂旋转至图(c)所示时，机器人本体前移，如图3.3(d)所示。同时，需要旋转后摆臂，使得本体进一步脱离地面，一直到重心高于高台的尺寸（图3.3(e)），机器人便可顺利爬上高台，完成爬高台的任务（图3.3(f)）。（2）越障高度分析通过越障过程分析可知，高台对于机器人的摆臂的长度提出了较大的要求。图3.4所示为救援机器人跨越高台是使用摆臂的时刻，下面将对此状态下的救援机器人进行分析。 高台高度为H；摆臂中心距为L1；摆臂大带轮和小带轮的半径为R，r；前后摆臂机构是机器人能够爬上高台的关键机构。根据障碍物的高度选择摆臂长度，首先选择一定的摆臂与水平面之间的角度。a、当摆臂较短时，即摆臂前端不能搭到高台的边缘，机器人需要依靠履带与台阶竖直面上的摩擦力爬上高台。b、摆臂前端的圆心高于高台的高度，依靠摆臂的转动即可引导机器人爬上高台。对上述a、b两种方案的比较，a方案对机器人的摆臂和主履带的牵引力以及履带与高台竖直面之间的摩擦力提出了很大的要求。b方案则对摆臂的长度和摆臂电机的驱动力提出了要求。为此，选择方案b。为了机器人能够平稳的爬上高台，当前摆臂与水平面之间形成角且接触到高台的边缘时，摆臂的前端半圆应高于高台的高度H。由图3.4可建立以下几何关系: （3-2） 通过分析，机器人的摆臂在满足此要求的前提下即可翻越高台。 图3.4 救援机器人跨越高台初始状态3.1.4上下楼梯楼梯是比赛场地中重要的结构环境之一，必不可少的成为了机器人尺寸设计的重要参考依据。不同的行走系统所具有的上下楼梯的模式也完全不一样，目前在机器人上下楼梯方面已有充足的研究。就关节式履带机器人而言，若使机器人能够平稳的爬楼梯，机器人展开的长度必须大于或等于两个台阶，以确保机器人与楼梯之间平稳接触。所以，为了机动性要求，需要根据障碍的结构尺寸来具体分析机器人的尺寸约束条件。假设机器人的重心不随其姿态的变化而产生变化，条件是：19-22（1）摆臂的长度必须高于台阶的高度，并且当摆臂与台阶形成一角度时，有足够的驱动力将机器人撑起；（2）机器人的展开总长可以跨越三个台阶；通过实验分析，救援机器人的上楼梯过程见图3.5。对其中的关键姿态的分析，可得出尺寸的约束条件，使得机器人能够快速稳定的上下楼梯。(a) (b) (c) (d)(e) (f) (g) (h)图3.5 救援机器人上楼梯（1）上楼梯阶段在上楼梯阶段，机器人的关键姿态如图3.6所示。在整个上楼梯过程中，机器人最少保持履带与两个台阶边缘接触，且重心必须位于两个接触点的中间，防止机器人与台阶之间产生冲击。图3.6 救援机器人上楼梯过程摆臂的重心距为L1，主体的中心距为S，假设机器人的重心位于其中心点即点O。摆臂大带轮和小带轮的半径分别为R、r，重心到机器人底边的距离为E。以下将分析机器人爬楼梯时的运动情况。如图3.6所示，要使得机器人平稳地从第一级台阶爬到第二级台阶，就需要在后侧摆臂机构离开第一级台阶边缘M1时，机器人的重心O的竖直投影应落在第二级台阶边缘M2的右侧，且前侧摆臂机构接触到第三级台阶的边缘M3。即得到如下关系式： （3-3） （2）下楼梯阶段同理，为了使机器人在下楼梯阶段能平稳的从第二台阶过度到第一台阶，需要以下关系式： （3-4）3.1.5 机器人尺寸参数的建立救援机器人需要在复杂的地形中自如的运动，这对它的越障性和对环境的自适应性提出了较大的要求。在上述对环境的分析中，通过对关键环境的模型建立，已经对机器人的尺寸做出了相关的约束，以保证机器人越障的平稳性和可靠性。履带机器人结构尺寸参数建立的假设条件如下：(1) 救援机器人整体结构对称且总重量以主履带结构部分为主，总体重心位置与主履带结构的重心位置重合，且在尺寸分析过程中不考虑重心的变化。(2) 通过机器人越障的可完成的极限姿态和比赛所用障碍的尺寸来设计机器人的总体尺寸，从而确保通过上述障碍的可行性。(3) 由于机器人主体上需要安装机械臂，来负责实施营救工作，机械臂的动作姿态将会影响到整体的重心位置，从而影响到对机器人的越障分析，但由于机械臂部分重量较轻，所以忽略其对整体重心的影响。救援机器人尺寸约束条件如下： （3-5）已知的设计参数：W=1200mm，H=200m，=50o，b=250mm，h=200mm。在满足约束条件的前提下，参考同类机器人尺寸，对计算结果进行适当放大，保证实际过程中救援机器人的运动结果，完成对机器人总体结构尺寸设计（如表3.1）。表3.1 履带机器人总体结构尺寸与性能指标分析总体结构3节履带式结构(mm)结构指标展开后尺寸（L×B×H）收缩后尺寸（L1×B×H）1035×620×150585×620×400驱动轮半径R75摆臂小带轮半径r35主履带中心距s435摆长l3003.2传动方案与传动机构的分析设计救援机器人的传动系统由两部分组成，行走传动系统和摆臂传动系统。根据设计要求，机器人由两个主履带和四个相互独立、可自由转动的摆臂组成。所以在设计行走和摆臂运动这两个传动系统时，采用了内外套轴的传动形式。机器人的整体传动系统布局如图3.7所示。图3.7 救援机器人整体布局由图3.7所示，救援机器人的传动系统主要分布于左右侧行走模块内，即包裹于主履带内部，每个行走模块内部拥有三个电机及其传动零部件。图3.8和图3.9为左侧行走模块结构图，该模块共有两根输出轴线，但需要输出三个自由度，为此，采用了内外套轴的方法满足了自由度的要求。图3.8 左行走模块三维图图3.9 左行走模块下面以双自由度输出的轴线为例，分析其传动系统。在图3.10为双自由度输出传动系统结构简图。其中，1、摆臂履带驱动轮；2、摆臂轴；3、摆臂蜗杆；4、主履带驱动轮；5、行走蜗杆；6、键；7、行走蜗轮；8、摆臂蜗轮；9、摆臂连板a；10、内轴；11、摆臂连板b。其三维结构、剖面图分别如图3.11和3.12所示。图3.10 双自由度输出传动系统图3.11 传动系统三维结构图图3.12 传动系统剖面图从图3.10可知，一根轴线上输出了两个自由度，两个蜗杆分别由两个不同的伺服电机带动，动力分别传动至内轴和外轴。通过设计比较，最终采用了涡轮蜗杆的传动方案，因为其传动比较大，占用空间较小。在此运动单元中，动力传动流程如下所示：在单电机传动单元上，需要输出摆臂旋转所需要的驱动力，但由于在此轴线上需安装主履带行走的从动轮，虽不是输出双自由度，但在同一根轴线上仍然存在两自由度。所以传动系统结构如3.13所示。图3.13 单自由度输出传动系统从图3.13可知，此传动单元省略了行走蜗轮蜗杆，内轴的转动由主履带的行驶带动，进而带动摆臂履带的转动。上述传动设计简洁合理。首先，充分利用了主履带模块的内部空间，减小了机器人的体积；其次，机器人左侧（右侧）所有驱动轮和从动轮同步转动，减少了动力源的数目，减轻了机器人的重量，并避免了过多传动机构之间存在的干涉问题；再有，对称的机构布局可以使得机器人的质心在几何中心附近，有利于运动控制。紧凑的传动布局使得机器人存在充足的空间来安装电机和电池。从机器人的重量、体积、稳定性、越障能力等方面考虑，该方案可行。3.3机器人动力源的计算和选择本节主要根据救援机器人在各种地形中的行走动力需求，来确定救援机器人各关节的转矩，从而为选择合适的减速比和电机提供参考。下面首先初步估计救援机器人的重量及运动速度，然后根据机器人平地行走、转向、爬坡及摆臂支撑等运动要求来确定机器人各关节转矩并选择合适的电机。3.3.1机器人行走系统动力分析机器人行走系统主要负责机器人的移动，包括平地运动、爬坡、爬楼梯等。由于无法考虑所有越障情况下机器人动力需求，下面仅对典型障碍下救援机器人的动力进行分析，为平地转向和爬坡情况下，从而最后得出救援机器人主履带行走的动力。1、平地转向救援机器人在转向时，履带不仅要克服行走阻力，还要克服转向阻力，为此，相对于直线行走，在转向时需要更大的驱动力。为了求得转向所需的驱动力，需要对机器人的转向过程进行分析。目前存在两种数学模型，即滑动模型和简化模型7。履带车辆转向是通过左右两侧履带以不同速度转动来实现的，因此履带与地面必然产生相对滑动，称这种考虑了履带滑转、滑移条件的车辆转向模型为滑动模型。另一种模型没有考虑履带车辆转向时发生的滑转、滑移，称这种简化条件下的车辆转向模型为简化模型。文献8研究了坚实地面上的履带转向过程，得到以下结论：滑动模型较为科学的揭示了履带车辆转向过程机理，试验也证明滑动模型与实际情况相吻合。 但滑动模型计算过程较为复杂。简化模型忽略了滑转、滑移，借助转向阻力系数，可以较为简便地确定转向过程，简化了计算。理论计算表明简化模型与滑动