论文总字数：15482字

摘 要

轮足式全地形机器人能适应复杂的作业环境，在救援抢险、军事侦察等方面有着巨大的应用前景。本论文设计并讨论了一种新型结构的轮足式全地形机器人，并希望通过这样的设计来提升机器人行动的灵活性及可靠性。该设计的亮点在于C型轮结构[1]和一体化主体。本论文重点在于，设计完成了整个机器人的机械系统，包括C型轮，机身以及连接件等，并进行了各机构的运动学设计。用AutoCAD绘制了全套图纸。

关键词：全地形机器人；轮足行走；C型轮；一体化设计

MECHANICAL SYSTEM DESIGN AND GAIT PLANNING OF ROUND-FOOT ALL-TERRAIN ROBOT

Abstract

All-terrain robot has tremendous usefulness in the relief and rescue, this paper intends to design and discuss a new structure of All-terrain robot, and trough it to improve the flexibility and reliability of its actions. The light spot of the design is the C-type wheel and integration of body. The main point of the paper is how to design the mechanical system of the robot, including C-type wheel, frame of the body and adapting pieces etc. Meanwhile the kinematics design is also included. In the end all the design will be through the Two-dimensional drawings represented. The machining process will also be discussed. As for the control of the robot, different gait will be researched, for example walking mode, climbing mode and build the elementary algorithm of walking mode. Analyze operating characteristic of the robot through assembly and debugging and give advices and suggestions.

KEY WORDS: All-terrain robot; Round-foot travelling; C type wheel; Integrated design

目 录

1.绪论 1

1.1引言 2

1.2现状分析 2

1.3研究意义 3

1.4研究内容和目标 4

2.轮足式全地形机器人实现方案分析 5

2.1拟定设计方案 5

2.1.1方案一 5

2.1.2方案二 5

2.1.3方案三 6

2.1.4方案比较 6

2.2最终方案设计 7

3. 执行系统和传动系统详细设计 10

3.1执行系统 11

3.1.1足的设计—六足仿生 12

3.1.2步态规划 12

3.1.3步态计算 13

3.2平面移动性能分析 15

3.2.1平面移动速度 15

3.2.2转弯半径计算 16

4. 结构设计 19

4.1零件结构设计与零件图绘制说明 19

5.结论 21

致谢 21

参考文献（References） 22

第一章：绪论

1.1引言

近年来多发的自然灾害如地震、火灾、洪水，人为的恐怖祸害如恐怖活动、武力冲突，以及由炭疽热、SARS、禽流感等生化病毒和有毒物质、辐射性物质等带来的恐怖，威胁着人们的安全，饮起了人们的广泛关注。虽然人们对各种灾难的警觉和反应能力有所提高，但在处理破坏性灾难事件时还是准备不够充分，很多人依然死于不专业、不及时的救援活动^[4]。将机器人技术、营救技术、营救行动技术、灾难学等多种学科知识有机融合，研制与开发用于搜寻和营救的灾难救援机器人，是机器人学研究中一个富有挑战性的新领域。

长期以来，仿生机器人都是人们所关注的对象。随着野外搜救等要求的提出，机器人对环境的适应性成为评价机器人性能日益重要的指标。全地形机器人正式在这样的背景下被提出的。全地形机器人有六条腿，每条腿由一个独立的直流电机进行控制。机器人的六条腿采用了新型的C 形轮结构，结构简单，却能实现各种复杂的任务需求。轮腿式机器人的研究成功将会使机器人的地形适应性和机动速度大大增强，而且该机器人携带相应的有效载荷后，可执行野外侦察、破袭等高危作战任务。

1.2现状分析

近年来，特别是“9·11”事件以后，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。此外，国际RobCup机器人竞赛也增加了救援比赛的专项RobCup Rescue(见图1.1)，为救援理论和技术提供仿真研究的实验平台。目前，灾难救援机器人技术正从理论和实验研究向实际应用发展。

图1.1 RobCup Rescue 机器人

图1.2救援机器人Bujold

图1.3蛇形机器人Snakebot

作为一个多核能，多地震国家，日本在救援机器人方面展开了相对全面的工作。由于2012年的日本大地震所造成的福岛核电站泄漏事件，日本确立了“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。

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，国内的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研究^[13-15].

在灾难救援而言，在消防机器人研究方面已经取得了显著的成绩。在国家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。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^[14]。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步态，在监控系统的无线控制下，具有一定的三维移动能力，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。在蛇形机器人研究的基础上，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形模块机器人样机，可以适应各种复杂的地形，该三模块机器人具有9种运动构形和3中对称构形，具有直线、三角和并排等多种形态。水面救援机器人可以再1km范围内，对其进行无线控制。有沈阳自动化所和广州卫富公司承担的“危险作业机器人”课题，成功研制出具有自主知识产权，能完成反恐、防暴等综合任务的“危险作业机器人”产品样机。

对于全地形机器人，许多研究已经十分成熟，例如履带式机器人。迄今为止，对于C型轮结构的机器人的研究，欧美等国已陆续研制出一系列具有昆虫运动特点的仿生机器人，其典型代表有：美国Case Western Reserve University研制的Robot Ⅲ、Robot Ⅳ，美国University of Michigan、UC Berkeley和加拿大McGILL University共同研制的RHex^[1-5] （见图1.4）仿生蟑螂机器人。这些仿生机器人控制系统设计冗繁且控制性能不稳定，环境适应度较低，续航能力不强等各种劣势，只能在实验室环境中短时运行。

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