摘 要

综合分析了越障机器人的国内外现状，对履带式、腿式、轮式三种主要越障形式的优缺点进行了比较，在观察分析目前越障机器人结构和设计经验的基础上，进行多种方案的设计对比，并在此基础上提出了一款四履带双摆臂越障机器人。

本文以四履带双摆臂机器人为对象，从运动学的角度，描述了机器人在越障时的动作规划流程，考虑机器人在越障过程中质心的变化规律，再以摆臂的动作和与障碍物的特殊接触姿态为几何约束关系，用数学方法分析了机器人对于台阶、斜坡、沟壑的通过性，得出了最大越障高度、最大斜坡角度、最大沟壑宽度的参数，并建立模型导入Adams进行运动学仿真，进一步验证越障的功能性，通过仿真的后处理输出曲线，分析机器人越障过程中的多种影响因素，为优化越障机器人的越障性能提供了参考理论依据。

关键词：四履带双摆臂 越障 运动学 Adams 仿真分析

Abstract

A comprehensive analysis of the current situation at home and abroad of obstacle-detecting robots, comparing the advantages and disadvantages of the three types of tracked, legged, and wheeled obstacles, and observing and analyzing the current structure and design experience of obstacle-absorbing robots, performed many Based on the comparison of the design of the scheme, a four-track double-arm swing obstacle-obsessing robot is proposed on this basis.
In this paper, the four-crawler double-arm robot is taken as the object. From the kinematics point of view, the motion planning process of the robot during obstacle crossing is described. The change rule of the center of gravity of the robot during the obstacle-obstacle process is considered, and the motion and obstacles of the swing arm are taken into account. The special contact attitude of the object is the geometric constraint relationship. The passage of the robot to steps, slopes, and ravines is analyzed mathematically, and the parameters of the maximum obstacle height, the maximum angle of the slope, and the maximum width of the ravine are obtained, and a model is built to import Adams. Kinematics simulation further validates the functionality of obstacles, and through the post-processing output curve of the simulation, analyzes the various influencing factors in the process of robot obstacles, and improves the reference theoretical basis for optimizing the obstacle avoidance performance of obstacle-surpassing robots.
Keywords: four track double swing arm obstacle kinematics Adams simulation analysi

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究的背景以及意义 1

1.3 国内外发展现状 2

第2章 越障机器人的结构分析，功能实现 6

2.1 越障机器人的设计要求 6

2.2 本次所采用的越障机器人结构设计 7

2.3 越障机器人的基本运动特性 9

2.4 越障的能力分析 11

2.4.1越障机器人跨越台阶的分析 11

2.4.2越障机器人跨越沟壑的分析 13

2.4.3越障机器人跨越斜坡的分析 15

第3章 越障机器人的组成部件选择 16

3.1 驱动电机的选择 16

3.2 减速器的选择 19

3.2.1 减速器应该满足的要求 19

3.2.2 减速器的分类与选择 20

3.3 移动机构主履带的设计 21

3.3.1 履带的选择 21

3.3.2 同步带的物理机械性能 23

3.3.3 计算确定主动轮直径，从动轮直径 23

3.3.4 计算确定节线长度 24

3.3.5 计算确定设计功率为的所需带宽 24

3.4 主履带主动轮，从动轮的设计 25

3.4.1 履带主从动轮材料的选择 25

3.4.2 履带主从动轮的形状以及主要尺寸的确定 25

3.4.3 履带轮齿形，齿面宽度的选择 26

3.5 摆臂机构设计 27

3.5.1 摆臂机构主体的设计 27

3.5.2 摆臂履带的计算设计选择 27

第4章 越障机器人的控制系统 29

4.1 系统整体方案 29

4.2 伺服电机的控制 29

4.3 步进电机的控制 30

第5章 越障机器人的仿真分析 31

5.1 Adams软件的介绍 31

5.2机器人的运动学分析 31

5.2.1 模型的建立 31

5.2.2 仿真分析 31

5.2.3 后处理曲线分析 37

第6章 总结与展望 41

6.1 全文总结 41

6.2 设计展望 41

参考文献 43

致 谢 45

第1章 绪论

1.1引言

1920年，捷克斯洛伐克作家恰佩克在其的一篇科幻小说中，基于捷克文Robota（“劳役、苦工”）和波兰文Robotnik（“工人”），将两个词语合并创造出“机器人”这个词语。从此有了机器人的诞生，人类社会的各行各业都发生了巨大的变化。现如今机器人技术已经相对成熟，并随着不断的发展而投入了广泛的应用。在众多机器人之种，只能在固定位置工作的机器人已经不能满足工作的需要，所以移动机器人技术也由此诞生，自20世纪60年代移动机器人的出现直到今天，世界各国对其的研究仍然方兴未艾^【1】。

1.2研究的背景以及意义

机器人学是一门融合了电子信息、生物科学、机械工程、计算机技术等先进技术的新兴学科^【2】，其代表了目前高端科技的前沿。目前，机器人活跃在几乎所有的高尖端技术领域。目前机器人技术的发展可以大致分为四个阶段，最为先进的属于第四代机器人，其已经能够模仿高级生命的认知功能，能够获得高级生命的行为经验，并能和高级生命进行通畅的交流，表现出作为高级生命的种种能力^【3】。但是即使目前机器人技术已经相当成熟，国际上对于机器人的定义仍然并不准确，缺乏统一的标准。从作业环境来看，可以将机器人分为用于制造环境的工业机器人和用于非制造环境下的服务机器人^【4】。同样国内的学者也提出将机器人分为工业机器人和特种机器人。其中工业机器人就是在制造环境下，适用于生产的机器人，应用范围包括焊接、装配产品检测等工作，一般为位置相对固定的机械手或者多自由度机器人^【5】。而服务机器人就是在非制造环境下，具备半自主或者全自主工作模式的，为人类的需要提供服务的机器人，也可以称为智能机器人。

现如今的科学技术不断发展，移动机器人的设计研究已经有了突破性的进步。从研制初的实验室环境、工厂环境，已经来到了军事战场、灾难废墟、外太空，并且在未来的军事侦察、灾难搜救、科学勘探、危险地区探索等多个领域都将广泛运用。近年来，小型地面移动机器人普遍用在了军事领域，在未来的战争都是无人化战场。美军在实战中已经投入了相当数目的移动机器人，这些机器人在完成与人类同样工作的情况下，将极大的减轻战争的人员伤亡，能够有效的减少军费开支。美国国家科学委员会预言，“21世纪的核心武器是无人作战系统”，之后地面无人作战系统将逐步的应用装备于部队。现如今，世界各国都对智能移动机器人的研究投入了极大的精力，迫切的需要一种合适的具有强大机动性和越障能力的机器人，应用于各种未知的复杂非结构性环境上执行各种相应的任务^【6】。目前，我们国家面临着严峻的国内外形势，为了能够打赢未来的新型战争，更加的深入开展具有高机动性，高越障能力，低成本的智能化移动机器人研究，对于军事、反恐、搜救以及捍卫国家主权，保证领土完整有着重要的现实意义。

1.3国内外发展现状

地面移动机器人的越障能力和机动特性，主要是由构成机器人的移动机构来决定的。根据目前的研究现状，移动越障机器人的行走系统按照结构的不同，可以划分为轮式、履带式、腿式三种主要的类别。但是随着移动机器人研究的不断深化，以及复杂环境下对其的更高越障要求，以轮式、履带式、腿式这三种机构相互组合形成的复合式行走越障机构，例如轮履式、履腿式，轮履腿三种复合式也相继诞生。20世纪60年代，美国的斯坦福研究院设计研发了第一台自主移动机器人^【7】，从这时起，移动机器人的设计研究正式登上了历史的舞台