救援机器人动力学分析及结构设计开题报告

1、Robocup救援机器人灾后现场环境分析：

--迷宫地域

--有障碍的地域（桔区：楼梯、斜坡、高台等组成的障碍，红区：全立方组成的障碍）

--楼梯（40-45度，阶高20CM，阶深20-35CM）

--斜坡（45度，地毯，测试扭矩和重心）

--狭窄地域（楼板下方有钟乳石结构）

--视觉灵敏度挑战（歪斜的E视力表，表示危险环境的标签）

--装有被困者和视力表及标签的有开口方向的箱子

2、研究任务分析：

灾难发生时环境的特殊性决定了对具体实施搜救工作的救援机器人运动能力的特殊要求，并最终决定了机器人本体机构设计的重要性。在废墟、坎坷和管道的狭小空间，因为受到环境几何尺度的限制，机器人物理结构不能太大；但是它又必须能越过位于机器人路径上的障碍物（灾难环境下，机器人的四周都是废墟，它所能够采取的唯一的行动就是越过这些障碍物），为此，它的重心不宜太高，而且在越障时还不能失去牵引力；再一方面，机器人必须不断地翻越各种垂直的障碍物，故此，机器人本体的稳定性和自调整能力很重要，且应尽可能避免发生机器人从一定高度坠下时因势能增大导致的解体或扭曲现象。基于以上分析知，本项目拟在前期预研基础上设计一款有效的机器人搜救机构，考虑到系统的模块化和救援机器人应有的容错性能、故障处理功能等，进一步确定为设计一款可重构模块化救援机器人机构。

3、研究技术路线及可行性探讨：

机动性和越障性统称为移动性。移动性是搜救机器人完成搜救工作的决定因素,911事件后纽约世贸大厦现场的搜救工作以及西弗吉尼亚Sago 煤矿的矿难救援工作都很好地证明了这一点。机器人本体应该能够在恶劣废墟环境中灵活地穿梭于狭小的空间之中，能够翻越障碍，爬楼梯，穿越各种复杂的地形等（如图5-1所示），且机器人的移动不应对周围不稳定结构产生影响，以免发生二次坍塌或爆炸等。

倾斜地面 高的障碍 楼梯

斜坡 其他地形

图5-1 救援机器人可能遇到的各种地形

经过多年的模拟搜救和实际应用发现，履带式机器人在碎石堆上可以快速前进, 遇到小的坡度和凹凸地时也可以轻松翻越, 在遇到不能通过的障碍时还可以在很狭小的范围内完成转弯等动作。因履带式救援机器人在执行任务性能方面表现突出，目前, 救援机器人广泛采用这种形式。

随着对救援机器人在复杂地形上的移动性能提出的越来越高的要求，相应的履带式救援机器人由双履带救援机器人发展到带有一对摆臂的四履带救援机器人，继而出现了带有两对摆臂的六履带机器人。随着摆臂的增加，这种摆臂履带式救援机器人具有更强的越障性能。目前，无论在实际的搜救过程中还是救援比赛中，带有摆臂的履带式机器人得到了广泛的应用，其移动性能得到了普遍认可。

在各种类型的摆臂履带式救援机器人中，又以带有两对摆臂的履带式机器人最为典型，此类机器人结构更紧凑，运动形态更灵活，越障能力（爬楼梯、斜坡等）和平稳性能更优越。从结构设计方面而言，本课题所研制的移动机器人需具备以下几点功能：

（1）运用前后摆臂将自身撑起，进一步提高机器人在复杂地形下的越障性能。目前存在的带有摆臂的履带式机器人，其前后摆臂的作用主要是在上下楼梯（或者斜坡）时起平稳过渡的作用。本课题将此列为主要研究内容，要求所设计的履带式机器人能够运用摆臂支撑主体，并在此状态下持续移动。即希望新设计的机器人在复杂地形下具有更强的移动性。

（2）机器人的四个摆臂各自独立，进一步保证机器人运动的平稳性和灵活性。已有的带有摆臂的履带式机器人，前后摆臂各自独立，但是左右摆臂相互关联。这导致机器人在侧向倾斜的状态下无法进行姿态的平衡调节。而对于摆臂完全独立的履带式机器人，其可以对每个摆臂分别进行调节，这样机器人可以同时调节纵向和横向姿态，确保机器人在各种姿态下的平稳性调节。

（3）结构紧凑，质量分布更为合理。机器人的结构关系到其通过能力，而质量的分布关系到其履带的抓地能力。之前出现的一些机器人，由于机器人质量分布的过于集中，履带与地面的接触力不够，从而导致了履带打滑现象，影响了机器人的越障性能。本设计拟采用对称结构和质量对称分布等方式，且准备用链带代替同步带并辅之以支撑轮，确保机器人的所有履带与地面均能保持有力接触，进而保证机器人在复杂地形下的抓地性能，避免打滑现象。

上述分析的图形表示分别如图5-2～图5-5所示。

图5-2展现的是带有两对摆臂的机器人的闭合状态、摆臂支撑状态和展开状态，（a）闭合状态结构紧凑，（b）支撑能力提高机器人的越障性能（c）展开状态重心稳定。

图5-3表示的是机器人上下台阶的过程。具有了前后摆臂的辅助作用，机器人能够平缓的上下台阶，同时保证了重心稳定。

图5-4中显示出来的是救援机器人爬楼梯的过程。摆臂的过渡作用便于机器人平缓稳定的爬楼梯。

图5-5展示的是救援机器人在不平的地面上，利用左右独立摆臂实现主体水平的运动过程。这样，便于机器人运用激光传感器进行自主绘图。

（a）闭合状态 （b）站立状态 （c）展开状态

图5-2双摆臂状态

图5-3 机器人上下台阶（由右向左顺序）

图5-4 机器人爬楼梯（由右向左顺序）

图5-5 利用左右独立摆臂实现主体水平的运动过程（由左向右顺序）

4、传动方案设计

由于机器人行走系统具有六自由度，每边模块有三个自由度，即三个电机。电机的摆放位置及传动系统的设计成为了整个机器人功能能否实现的关键点，也是最大的难点。此机器人采用蜗轮蜗杆传动方案，蜗轮蜗杆传动较大且所需空间较小，可将电机并排放置并置于履带内部，传动系统结构紧凑。由于每边具有三个自由度，这必然会使用到空心轴和内轴来传递两个自由度，这对机械零件的加工精度提出了更高的要求。

该传动系统方案较为简洁合理，有利于机器人运动的控制，且该方案质量分布均匀，质心位于机器人几何中心附近。

图5-6 传动方案