3489 四履帶搜救機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—擺臂設(shè)計(jì)
3489 四履帶搜救機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—擺臂設(shè)計(jì),履帶,搜救,機(jī)器人,機(jī)械,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)
河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)1中文翻譯分布式搜救機(jī)器人的控制和仿真1 機(jī)器人簡介幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類從繁重的勞動(dòng)中解脫出來。 如古希臘詩 Homeros 的長篇敘事詩 《伊利亞特》中的冶煉之神瘸腿海倍斯特司 ，就用黃金鑄造出一個(gè)美麗聰穎的侍女；希臘神話《阿魯哥探險(xiǎn)船》中的青銅巨人泰洛斯；猶太傳說中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時(shí)刻激勵(lì)著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動(dòng)木人和一些簡單的機(jī)械偶人。到了近代，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。從機(jī)器人的用途來分，可以分為：◆ 地面軍用機(jī)器人地面機(jī)器人主要是指智能或遙控的輪式和履帶式車輛.地面軍用機(jī)器人又可分為自主車輛和半自主車輛。自主車輛依靠自身的智能自主導(dǎo)航,躲避障礙物,獨(dú)立完成各種戰(zhàn)斗任務(wù);半自主車輛可在人的監(jiān)視下自主行使,在遇到困難時(shí)操作人員可以進(jìn)行遙控干預(yù)。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)2◆無人機(jī)被稱為空中機(jī)器人的無人機(jī)是軍用機(jī)器人中發(fā)展最快的家族，從 1913 年第一臺(tái)自動(dòng)駕駛儀問世以來，無人機(jī)的基本類型已達(dá)到 300 多種，目前在世界市場上銷售的無人機(jī)有 40 多種。美國幾乎參加了世界上所有重要的戰(zhàn)爭。由于它的科學(xué)技術(shù)先進(jìn)，國力較強(qiáng)，因而 80多年來，世界無人機(jī)的發(fā)展基本上是以美國為主線向前推進(jìn)的。美國是研究無人機(jī)最早的國家之一，今天無論從技術(shù)水平還是無人機(jī)的種類和數(shù)量來看，美國均居世界首位。綜觀無人機(jī)發(fā)展的歷史，可以說現(xiàn)代戰(zhàn)爭是無人機(jī)發(fā)展的動(dòng)力，高新技術(shù)的發(fā)展是它不斷進(jìn)步的基礎(chǔ)?！羲聶C(jī)器人水下機(jī)器人分為有人機(jī)器人和無人機(jī)器人兩大類：有人潛水器機(jī)動(dòng)靈活，便于處理復(fù)雜的問題，擔(dān)任的生命可能會(huì)有危險(xiǎn)，而且價(jià)格昂貴。無人潛水器就是人們所說的水下機(jī)器人， “科夫”就是其中的一種。它適于長時(shí)間、大范圍的考察任務(wù)，近 20 年來，水下機(jī)器人有了很大的發(fā)展，它們既可軍用又可民用。隨著人對(duì)海洋進(jìn)一步地開發(fā)，21 世紀(jì)它們必將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。按照無人潛水器與水面支持設(shè)備（母船或平臺(tái)）間聯(lián)系方式的不同，水下機(jī) 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)3器人可以分為兩大類：一種是有纜水下機(jī)器人，習(xí)慣上把它稱做遙控潛水器，簡稱 ROV；另一種是無纜水下機(jī)器人，潛水器習(xí)慣上把它稱做自治潛水器，簡稱 AUV。有纜機(jī)器人都是遙控式的，按其運(yùn)動(dòng)方式分為拖曳式、 （海底）移動(dòng)式和浮游（自航）式三種。無纜水下機(jī)器人只能是自治式的，目前還只有觀測型浮游式一種運(yùn)動(dòng)方式，但它的前景是光明的?！艨臻g機(jī)器人空間機(jī)器人是一種低價(jià)位的輕型遙控機(jī)器人，可在行星的大氣環(huán)境中導(dǎo)航及飛行。為此，它必須克服許多困難，例如它要能在一個(gè)不斷變化的三維環(huán)境中運(yùn)動(dòng)并自主導(dǎo)航；幾乎不能夠停留；必須能實(shí)時(shí)確定它在空間的位置及狀態(tài)；要能對(duì)它的垂直運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制；要為它的星際飛行預(yù)測及規(guī)劃路徑?！艄I(yè)機(jī)器人工業(yè)機(jī)器人是指在工業(yè)中應(yīng)用的一種能進(jìn)行自動(dòng)控制的、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的、多用途的操作機(jī)，能搬運(yùn)材料、工件或操持工具，用以完成各種作業(yè)。且這種操作機(jī)可以固定在一個(gè)地方，也可以在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的小車上?！舴?wù)機(jī)器人服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人家族中的一個(gè)年輕成員，到目前為止尚沒有一個(gè)嚴(yán)格的定義，不同國家對(duì)服務(wù)機(jī)器人的認(rèn)識(shí)也有一定差異。服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用范圍很廣，主要從事維護(hù)、保養(yǎng)、修理、運(yùn)輸、清洗、保安、救援、監(jiān)護(hù)等工作。德國生產(chǎn)技術(shù)與自動(dòng)化 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)4研究所所長施拉夫特博士給服務(wù)機(jī)器人下了這樣一個(gè)定義：服務(wù)機(jī)器人是一種可自由編程的移動(dòng)裝置，它至少應(yīng)有三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，可以部分地或全自動(dòng)地完成服務(wù)工作。這里的服務(wù)工作指的不是為工業(yè)生產(chǎn)物品而從事的服務(wù)活動(dòng)，而是指為人和單位完成的服務(wù)工作?！魥蕵窓C(jī)器人娛樂機(jī)器人以供人觀賞、娛樂為目的，具有機(jī)器人的外部特征，可以像人，像某種動(dòng)物，像童話或科幻小說中的人物等。同時(shí)具有機(jī)器人的功能，可以行走或完成動(dòng)作，可以有語言能力，會(huì)唱歌，有一定的感知能力?！纛惾藱C(jī)器人從其他類別的機(jī)器人可以看出，大多數(shù)的機(jī)器人并不像人，有的甚至沒有一點(diǎn)人的模樣，這一點(diǎn)使很多機(jī)器人愛好者大失所望。也許你會(huì)問，為什么科學(xué)家不研制類人機(jī)器人？這樣的機(jī)器人會(huì)更容易讓人接受。其實(shí)，研制出外觀和功能與人一樣的機(jī)器人是科學(xué)家們夢寐以求的愿望，也是他們不懈追求的目標(biāo)。然而，研制出性能優(yōu)異的類人機(jī)器人，其最大的難關(guān)就是雙足直立行走。因?yàn)?機(jī)器人與人的學(xué)習(xí)方式不一樣。一個(gè)嬰兒要先學(xué)走，再學(xué)跑；而機(jī)器人則要先學(xué)跑，再學(xué)走。也就是說機(jī)器人學(xué)跑更容易些。◆農(nóng)業(yè)機(jī)器人由于機(jī)械化、自動(dòng)化程度比較落后， “面朝黃土背朝天，一 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)5年四季不得閑”成了我國農(nóng)民的象征。但近年農(nóng)業(yè)機(jī)器人的問世，有望改變傳統(tǒng)的勞動(dòng)方式。在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的方面，目前日本居于世界各國之首。2 現(xiàn)狀及國際發(fā)展趨勢國際機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢：（1）工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修） ，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從 91 年的 10．3 萬美元降至 97 年的 6．5 萬美元。（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。（3）工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。（4）機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。（5）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)6的感覺來操縱機(jī)器人。（6）當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。（7）機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。3 仿真和控制式機(jī)器人介紹機(jī)器人的圖像和公眾感知能力受到科幻小說家和娛樂產(chǎn)業(yè)極端視角的的限制并不是很久以前的事兒。然而，如今閱讀一本有意思的有關(guān)近代機(jī)器人學(xué)的文章，晚間新聞時(shí)觀看火星表面探索，或者甚至在工作場所遇到一個(gè)機(jī)器人仍然是不普遍的。隨著機(jī)器人逐漸進(jìn)入我們的日常生活中，它們?cè)谟幸嬗谏鐣?huì)的作用中越來越明顯。尤為明顯的是在一些危險(xiǎn)環(huán)境中一個(gè)或多個(gè)機(jī)器人能夠代替人類進(jìn)行工作。已經(jīng)引起了機(jī)器人社團(tuán)的興趣的研究領(lǐng)域是在機(jī)器人的搜救過程中的操作。在一個(gè)危險(xiǎn)的環(huán)境中搜救機(jī)器人的操作需要搜救人員的巨大努力才能完成。建筑物的倒塌和不穩(wěn)定，煤氣的泄漏和火災(zāi)對(duì)人類搜救隊(duì)僅僅是一小部分的威脅。相對(duì)于人類發(fā)展自主式機(jī)器人的能力對(duì)于搜救存活者提供會(huì)很大的便利。用機(jī)器人取代人類所需要解決的潛在問題有：哪種機(jī)器人能夠在一種未知的和變化著的環(huán)境中高速移動(dòng)？ 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)7在一次搜救操作過程中要想大面積的覆蓋搜救區(qū)域大概需要多少機(jī)器人？這些機(jī)器人怎樣控制？機(jī)器人是一個(gè)極其寬廣的領(lǐng)域它包括各種各樣的應(yīng)用及研究興趣。從過去的工廠裝配線上的機(jī)器人到火星探索和國家宇航局，機(jī)器人的視覺和用途看起來無窮無盡。機(jī)器人這個(gè)詞的定義本身就是依賴于誰給它下的定義和他所預(yù)期達(dá)到的結(jié)果。為達(dá)到我們的目的，一個(gè)智能機(jī)器人就被定義為：一個(gè)機(jī)器能夠以一種有意義有目的的方式進(jìn)行安全的移動(dòng)并從它所在的環(huán)境中提取正確的信息。大部分的研究者把控制自動(dòng)化機(jī)器人的方法分為三大類：協(xié)商，反應(yīng)以及混合系統(tǒng)。協(xié)商方法是智能任務(wù)能夠在一個(gè)內(nèi)部模擬世界中通過推理的方法得以完成。這種控制人工智能社群多年的方法導(dǎo)致了由美國政府在 1980 年代開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)建筑學(xué)的發(fā)展，它體現(xiàn)了一種協(xié)商的模型。美國麻省理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室的主任羅德尼布魯克斯指出協(xié)商模型可以作為一個(gè)感官-模型-計(jì)劃-指令的框架。機(jī)器人社區(qū)開始對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)感興趣的時(shí)候是在 1980 年代的中期，出現(xiàn)最多的問題是移動(dòng)機(jī)器人的協(xié)商控制變得更加明顯了。具體地說，協(xié)商控制系統(tǒng)出現(xiàn)許多明顯的不足之處，比如脆性，屈服性以及在操作復(fù)雜不斷變化的環(huán)境中響應(yīng)慢。響應(yīng)速度在協(xié)商系統(tǒng)中是一個(gè)極為關(guān)鍵的一點(diǎn)。南加州大學(xué)的馬瑞克指出主要?jiǎng)澐譃榉磻?yīng)和協(xié)商系統(tǒng)之間能夠在計(jì)算量和類型的基礎(chǔ)上進(jìn)行描繪。反應(yīng)體系結(jié)構(gòu)和行為建筑經(jīng)常被認(rèn)為是一樣的。然而，極端存在被認(rèn)為是基本后者是多么復(fù)雜的一種系統(tǒng)雖然仍舊被認(rèn)為是 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)8無用的，瑪瑞克認(rèn)為反應(yīng)體系結(jié)構(gòu)和行為建筑有著根本的區(qū)別。她提出說雖然行為基礎(chǔ)系統(tǒng)包含一種特征甚至是一種純粹的反應(yīng)系統(tǒng)的元素，但它們的計(jì)算并不需要限制。通過這種方式，行為系統(tǒng)可以儲(chǔ)存不同的形態(tài)以及實(shí)現(xiàn)不同的表述。此外，她指出行為系統(tǒng)要比一個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)更加需要時(shí)間的延長。隨著對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)興趣的增長，研究人員試圖通過使用機(jī)械和計(jì)算系統(tǒng)來模仿生物系統(tǒng)以達(dá)到完成預(yù)期任務(wù)的目的。艾瑞克描述了神經(jīng)學(xué)是“為理解和建模生物行為潛在的電路提供一個(gè)基礎(chǔ)?！彼赋鲆恍┬睦韺W(xué)派已經(jīng)影響機(jī)器人的研究好多年了。實(shí)際上這些行為的研究對(duì)機(jī)器人學(xué)的研究打下了一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這個(gè)研究的方法是在觀察的基礎(chǔ)上考慮任何的刺激以及作出的反應(yīng)。最近，生物行為的研究已經(jīng)擴(kuò)大到世界的多智能體系結(jié)構(gòu)，社會(huì)生物學(xué)的研究專家已經(jīng)使用了幾組移動(dòng)式機(jī)器人進(jìn)行研究和模擬?？八_斯大學(xué)的艾瑞克研在機(jī)器人代理好惡的程度下使用ＴＳＣＡ研究個(gè)人和集體機(jī)器人的學(xué)習(xí)能力。在這方面領(lǐng)域的一些工作還依賴墜螞蟻和蜜蜂繁殖地的觀察，以及僅有限的個(gè)人代理體系信息中完成完成全球任務(wù)。最近十年，研究人員開始關(guān)注由多個(gè)不同性質(zhì)機(jī)器人組成的多機(jī)器人系統(tǒng)來完成一個(gè)或多個(gè)任務(wù)。使用這些分布式機(jī)器人的好處是，高強(qiáng)度，高韌性，分布自然而且更加精簡。4 模擬器的執(zhí)行4.1 世界情況在每一次仿真的開始，規(guī)定的戶外運(yùn)動(dòng)是“畫” 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)9３００×３００的矩陣。所有的墻和跳線都是放在陣列的開始位置，接下來將機(jī)器人放在現(xiàn)有的數(shù)組陣列中。在大多數(shù)情況下，機(jī)器人是放置在含有零值數(shù)值中運(yùn)行的。然而，如果一個(gè)跳線首先占據(jù)了這個(gè)位置，在第六個(gè)和第八個(gè)值之間插入機(jī)器人值就表明這個(gè)位置包含了一根跳線。4.2 機(jī)器人傳感用于機(jī)器人傳感的方法類似于碰撞檢測的應(yīng)用。感應(yīng)的是通過檢測機(jī)器人周圍八個(gè)方向的數(shù)值來完成的。隨著每個(gè)單位時(shí)間的流逝，模擬器從機(jī)器人中心開始向前的方向每４５o 角來檢查數(shù)組元素。例如，感應(yīng)范圍是５０個(gè)單元，模擬器檢查每一數(shù)組單位都是沿著機(jī)器人中心０o.４５o,９０o,１３５o,１８０o,２２５o, ２７０o 以及３１５o 線（如果延伸方向恰好是０o 線） 。感應(yīng)從機(jī)器人中心開始每單位＋1，并沿著感應(yīng)線繼續(xù)下去直到觸碰到墻壁或達(dá)到機(jī)器人的感應(yīng)范圍極限。如果一個(gè)單位被檢測到，距離單位和相關(guān)的實(shí)體價(jià)值被放置在一個(gè)數(shù)組中的數(shù)據(jù)中，直到檢測到一個(gè)試題或達(dá)到了機(jī)器人感應(yīng)的范圍。機(jī)器人感官沿著傳輸線傳到下一個(gè)感應(yīng)器。這樣一直繼續(xù)下去直到所有的感應(yīng)線都被檢測完成，一旦完成，接收到的數(shù)組數(shù)據(jù)就表明了機(jī)器人的感官世界，然后就形成一個(gè)確定的規(guī)則來指導(dǎo)機(jī)器人的行為。4.3 匹配規(guī)則一個(gè)機(jī)器人的行為是在他的規(guī)律集中完成感官數(shù)組數(shù)據(jù)和其 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)10中的一個(gè)特定規(guī)律的匹配之后進(jìn)行選擇的。這種變化類似于經(jīng)典的兒童游戲。機(jī)器人接收到的數(shù)據(jù)可以被認(rèn)為是一個(gè)操作者對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡最初的猜測。這些猜測被放置在對(duì)手的場地中進(jìn)行試驗(yàn)一來獲得得分。這么做是為了規(guī)則集中的每一點(diǎn)都能涉及到。這個(gè)規(guī)則用的最多的地方就是決定一個(gè)比賽的規(guī)則。規(guī)則分?jǐn)?shù)是保存在一個(gè)單獨(dú)得分陣列中。對(duì)于每一個(gè)單位和得到的感官數(shù)組數(shù)據(jù)的完整實(shí)體，確定匹配功能是當(dāng)：距離屬于在規(guī)則中指定的相關(guān)的傳感器的距離范圍。在感官數(shù)組數(shù)據(jù)中的實(shí)體價(jià)值與規(guī)則中的實(shí)體價(jià)值相匹配。如果滿足上述條件，規(guī)則值就會(huì)增加一，否則規(guī)則值就會(huì)減少一。下面的例子就顯示了最初的得分:.從前面的傳感器所得到的數(shù)據(jù)可以得到距離 20 和四個(gè)實(shí)體值。.規(guī)則 X 前面的距離值是 10 到 30 以及規(guī)則值是 4..規(guī)則 X 的評(píng)分規(guī)則是逐一增加，這是因?yàn)?20 位于 10 和 30 之間同時(shí)要求實(shí)體數(shù)據(jù)匹配。4.4. 偏差和本能如果一個(gè)規(guī)則收到相同的分?jǐn)?shù)作為最后的贏家，一個(gè)行動(dòng)的偏差就決定了機(jī)器人最后的行為功能。如果規(guī)則和當(dāng)前的獲勝者具有相同的行為價(jià)值，那么就沒有必要利用偏差；然而，如果這兩個(gè)有把不同的動(dòng)作值偏差，那么，這個(gè)偏差就用來確定最后的行為動(dòng)作。偏差是機(jī)器人采取最終行動(dòng)所需要的一個(gè)整數(shù)變量保存價(jià)值。如果一個(gè)規(guī)則與之有關(guān)的分?jǐn)?shù)不同于當(dāng)前的贏家，那么 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)11規(guī)則的行為就與偏差有所區(qū)別。如果兩值相等，那么這個(gè)規(guī)則就會(huì)被采用，否則就保持當(dāng)前的贏家不變。對(duì)待打成平局的方法是機(jī)器人重復(fù)當(dāng)前的動(dòng)作。這個(gè)現(xiàn)象的原因是在機(jī)器人行為的基礎(chǔ)上強(qiáng)加了一些限定的連續(xù)性。貫穿仿真的整個(gè)過程中機(jī)器人可能報(bào)廢的一些原因有:*無休止的來回切換兩個(gè)活動(dòng)；*多次阻礙前進(jìn)；*無期限的重復(fù)同樣的動(dòng)作。4.5 評(píng)價(jià)一個(gè)機(jī)器人隊(duì)的性能評(píng)估是在一次仿真中用戶自定義時(shí)間限制中實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)表現(xiàn)是在一定的平臺(tái)中按機(jī)器人進(jìn)入房間百分比測量的。此外機(jī)器人完全進(jìn)入這個(gè)平臺(tái)時(shí)就完成了總覆蓋率的考慮。這些值是用來確定機(jī)器人搜救隊(duì)的性能的，同時(shí)也被當(dāng)做遺傳算法的最合適的規(guī)則集。這個(gè)模擬器記住了機(jī)器人進(jìn)入的每一個(gè)房間的列表，這些數(shù)據(jù)也只是用于團(tuán)評(píng)價(jià)并不能協(xié)助機(jī)器人進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。一旦時(shí)間到了，得到的有關(guān)房間的數(shù)據(jù)就用來測量機(jī)器人所達(dá)到的覆蓋率。如果兩個(gè)或更多的機(jī)器人進(jìn)入了同一個(gè)房間，模擬器中就會(huì)出現(xiàn)一系列的房間列表，然而重復(fù)的努力并不影響對(duì)機(jī)器人性能的評(píng)價(jià)。5 仿真實(shí)驗(yàn) 在一系列的仿真實(shí)驗(yàn)中，遺傳算法通常用于搜救機(jī)器人隊(duì)的規(guī)則設(shè)置。遺傳算法包括復(fù)制，交叉和變異這三個(gè)步驟。繁殖的過程中染色體的字 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)12符串代表個(gè)人復(fù)制并根據(jù)他們的健康水平創(chuàng)建一種新的生物字串。擁有更好健康價(jià)值的人則更可能被用來創(chuàng)造下一代。交叉的過程包括兩個(gè)字符串的選擇，以及兩者之間字符串短的交換。遺傳算法的最后步驟是突變，提出了一種價(jià)值隨著字符串位置改變而隨機(jī)變化的理論。在留有記錄的實(shí)驗(yàn)中，規(guī)則集被轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的字符串，以及在最短的時(shí)間里條件合適的機(jī)器人就被計(jì)算為規(guī)則集機(jī)器人以達(dá)到對(duì)周圍環(huán)境最大的報(bào)道覆蓋率。6 總結(jié) 本文所提出的仿真程序已經(jīng)被用于超過 300 次的仿真實(shí)驗(yàn)中。該模擬器為測試不同機(jī)器人的行為和眾多機(jī)器人調(diào)查小組提供了充分的工具。最初的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人團(tuán)隊(duì)的成績可以改變對(duì)機(jī)器人的規(guī)模。然而剛開始的時(shí)候團(tuán)隊(duì)尺寸一度達(dá)到 12-14.一些小的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)，在有限的時(shí)間里分配到的區(qū)域范圍對(duì)進(jìn)入的團(tuán)隊(duì)人數(shù)有一個(gè)明顯的限制。此外，團(tuán)隊(duì)規(guī)模的擴(kuò)大，團(tuán)隊(duì)成員的增加互動(dòng)增多所產(chǎn)生的結(jié)果將會(huì)影響大中型團(tuán)隊(duì)。從交叉測試的結(jié)果顯示使用不同規(guī)模大小的團(tuán)隊(duì)進(jìn)化為一個(gè)特定的團(tuán)隊(duì)就顯示了所有的情況，在機(jī)器人規(guī)則下轉(zhuǎn)變來的不同大小的隊(duì)伍從來都不如團(tuán)隊(duì)規(guī)模更適合進(jìn)行演化。但這并不意味著使用規(guī)則集演化而來的團(tuán)隊(duì)是完全無效的。規(guī)則集大小對(duì)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)成績的影響就目前而言還需要進(jìn)行更深的調(diào)查。有關(guān)模擬方案規(guī)劃的未來工作是提高機(jī)器人的數(shù)量從而來提高機(jī)器人演化和測試的工作環(huán)境，未來的研究應(yīng)該包括不同環(huán)境 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)13平臺(tái)的尺寸和大小。此外，尚在研究過程的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)和他們的規(guī)則集可以從一個(gè)環(huán)境遷移到另一個(gè)環(huán)境中，甚至可以為新一代的機(jī)器人隨機(jī)選取一個(gè)環(huán)境平臺(tái)。仿真系統(tǒng)的最終目標(biāo)是作為一個(gè)工具便于更好的設(shè)計(jì)，開發(fā)和部署搜救機(jī)器人以協(xié)助搜救任務(wù)的完成。7.出處這項(xiàng)工作是國家科學(xué)基金會(huì)的一部分。8.參考文獻(xiàn)[1]阿加貝克發(fā)表的人機(jī)交互機(jī)器人系統(tǒng)，出自《自動(dòng)化機(jī)器人》[2]美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)合作機(jī)器人[3]阿金鮑爾的機(jī)器人合作系統(tǒng)[4]《行為機(jī)器人》 麻薩諸塞州，麻省理工學(xué)院出版社 1998 年出版。[5]布魯克斯， 《非理性智能》 ，人工智能實(shí)驗(yàn)室[6]布魯克斯,移動(dòng)式機(jī)器人一個(gè)強(qiáng)大的分層控制系統(tǒng)，人工智能實(shí)驗(yàn)室。[7]如何使用《c++編程》 作者，帶特爾普。1998 年新澤西出版社出版。[8]碩士學(xué)位論文《機(jī)器人搜索隊(duì)的大腦行為進(jìn)化》 ，作者 多拉希德，堪薩斯大學(xué)電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系，2000 年發(fā)表[9]領(lǐng)土的多機(jī)器人劃分 1998 年發(fā)表于機(jī)器人自動(dòng)化雜志 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)14[10]戈德伯格《搜索，優(yōu)化，機(jī)械學(xué)習(xí)方面的遺傳算法，1998 年 高等教育出版社出版[11]梅斯 《位置代理目標(biāo)》 出自機(jī)器人技術(shù)系統(tǒng)[12]馬塔里奇《行為控制，導(dǎo)航，學(xué)習(xí)和群體行為的實(shí)例》霍斯威爾，科爾堂岡，編輯 ，出自人工智能實(shí)驗(yàn)室軟件架構(gòu)專題[13]麥盧金·《利用合作機(jī)器人排爆 》 人工智能實(shí)驗(yàn)室。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表指導(dǎo)教師： 鄧樂 職稱： 教授 所在院（系）： 機(jī)械與動(dòng)力工程系 教研室（研究室）： 系部辦公樓 319 題 目 四履帶搜救機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—擺臂設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 梅倩倩 專業(yè)班級(jí) 08 機(jī)設(shè) 2 班 學(xué)號(hào) 0828070181 一、選題質(zhì)量：1.本題目符合機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，能夠充分鍛煉和培養(yǎng)分析問題和實(shí)際操作能力，能夠體現(xiàn)綜合訓(xùn)練的要求2.設(shè)計(jì)任務(wù)難易程度和工作量適中，符合本科畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成。3.所選題目較為新穎，故所收集的資料較少，工作量較大。4.所選題目與實(shí)際貼合比較緊密，在實(shí)際的救援中也很重要。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)機(jī)器人各個(gè)結(jié)構(gòu)和零件的設(shè)計(jì)、計(jì)算對(duì)我來說，是對(duì)以往所學(xué)知識(shí)的總結(jié)和應(yīng)用，所以能夠滿足綜合訓(xùn)練的要求。但是在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)于我來說還是具有很大的難度，對(duì)于這方面的涉足也并不是很多，并且且這方面的資料也是比較少，所以這對(duì)我來說也是一個(gè)挑戰(zhàn)。二、開題報(bào)告完成情況：根據(jù)自己在各方面資料的收集和整理，通過對(duì)可行性的分析，結(jié)合老師給的題目的選擇，我完成了這次設(shè)計(jì)的選題。在選題結(jié)束之后，通過自己認(rèn)真查閱相關(guān)的資料，最后結(jié)合本身的實(shí)際情況和設(shè)計(jì)的時(shí)間任務(wù)完成了開題報(bào)告。經(jīng)過指導(dǎo)老師同意，完成開題報(bào)告，同意開題。2三、階段性成果：1.通過對(duì)搜救機(jī)器人的了解，再加上指導(dǎo)老師對(duì)我們的講解，算是對(duì)其有了一個(gè)大概的了解。前期階段主要是對(duì)有關(guān)于搜救機(jī)器人的各方面的文獻(xiàn)和資料進(jìn)行搜集，為以后的設(shè)計(jì)做了必要的準(zhǔn)備。2.中期階段主要是依據(jù)參考資料，從上面找到一些關(guān)于關(guān)于搜救機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的信息，首先對(duì)其結(jié)構(gòu)有了大致的了解，其次是已有了大概的設(shè)計(jì)方法，并開始了一些基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3.正在進(jìn)行裝配圖的 Proe 畫圖和進(jìn)行設(shè)計(jì)說明書的部分工作。4.我正在負(fù)責(zé)的是擺臂部分的設(shè)計(jì)，包括擺臂的固定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，和減速器的設(shè)計(jì)。四、存在主要問題：1、這次設(shè)計(jì)對(duì)我來說是個(gè)比較大挑戰(zhàn)，和同學(xué)的配合剛開始有很多不恰當(dāng)?shù)牡胤剑S著設(shè)計(jì)的進(jìn)行和不斷的討論磨合，也逐漸克服了這一問題。2、搜救機(jī)器人設(shè)計(jì)對(duì)我是個(gè)新題，并且在搜索資料方面發(fā)現(xiàn)，關(guān)于搜救機(jī)器人的資料也并不是很多。3、設(shè)計(jì)過程中關(guān)于自己所設(shè)計(jì)的方面不是太明確，經(jīng)過和同組同學(xué)的商量明確了自己的任務(wù)。4.由于資料過于稀少，沒有可參考的材料，在計(jì)算數(shù)據(jù)、校核、選材方面還有很大的不明之處。3五、指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生在畢業(yè)實(shí)習(xí)中，勞動(dòng)、學(xué)習(xí)紀(jì)律及畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展等方面的評(píng)語指導(dǎo)教師： （簽名）年 月 日河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文摘 要本論文研究工作的目的是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎、具有獨(dú)創(chuàng)性的可攜帶、抗一定沖擊的履帶移動(dòng)機(jī)器人，以能夠適應(yīng)在惡劣環(huán)境和復(fù)雜路況下工作。通過在移動(dòng)系統(tǒng)上加載不同的探測傳感設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)搜救機(jī)器人不同的使用功能，本研究意義在于為后續(xù)設(shè)計(jì)的搜救機(jī)器人提供一個(gè)基礎(chǔ)的動(dòng)力平臺(tái)，以便于能夠開發(fā)出更多使用功能的搜救機(jī)器人。本研究所設(shè)計(jì)的搜救機(jī)器人移動(dòng)方案是履帶式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。該方案采用模塊化設(shè)計(jì)，便于拆卸維修，可以適應(yīng)不同情況的復(fù)雜路面，并可主動(dòng)控制兩側(cè)肋板的轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)節(jié)機(jī)器人姿態(tài)變化，輔助爬坡、越障和跨溝；機(jī)器人經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)布局和設(shè)計(jì)后具有良好的環(huán)境適應(yīng)能力、機(jī)動(dòng)能力。本論文所設(shè)計(jì)主的機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由四部分組成：主動(dòng)輪減速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、肋板轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、擺臂減速器機(jī)構(gòu)、履帶及履帶輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。關(guān)鍵字：搜救機(jī)器人；擺臂，履帶式 減速器河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文IAbstractThe purpose of this thesis is to design novel structure, its unique portable,shoc-k intelligently tracked mobile robot, in order to be able to adapt to the harsh environment and the complicated road to work.Mobile systems loaded by different mo-ules, search and rescue robots can be achieved using different functions, this studyis important because other people's search and rescue robot designed to provide a basis for the dynamic platform to facilitate greater use of features can developsear-ch and rescue robots. This resoarch is moving search and rescue robot crawler.The program is modular in design, easy disassembly maintenance, can be complex adaptive sub-surface, active control can turn on both sides of flange module to adjust the robot pose changes, supporting climbing,obstacle and cross-channel.The design of the robot moving mechanism mainly consists of four components. Active wheel reducer drive mechanism, flange rotation institutions, adaptive road implementing agencies, sports organizations track and track wheels.Key words: search and rescue robots; swing arm;crawler; Retarder;河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文0目錄前 言................................................3 1 緒 論..............................................71.1 課題研究背景及意義...............................71.1.1 課題研究背景..............................7 1.1.2 課題研究意義..............................8 1.2 國內(nèi)外的研究概況.................................9 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀..............................9 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀.............................14 1.2.3 搜救機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展方向.................17 2 搜救機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析...........................212.1 井下復(fù)雜環(huán)境對(duì)搜救機(jī)器人的要求..................212.2 移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案論證分析............................222.2.1 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn).........................22 2.2.2 腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn).........................232.2.3 履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn).......................242.2.4 履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn).....................252.2.5 輪、履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)性能比較.............26 2.3 本研究采用的行走機(jī)構(gòu)...........................26 2.4 救災(zāi)機(jī)器人性能指標(biāo)與設(shè)計(jì).......................27 2.5 本章小結(jié).......................................283 搜救機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)分析計(jì)算.......................29 3.1 機(jī)器人越障分析.................................293.1.1 機(jī)器人跨越臺(tái)階...........................30 3.1.2 機(jī)器人刮越溝壑...........................32 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文13.2 斜坡運(yùn)動(dòng)分析...................................33 3.3 本章小結(jié).......................................34 4 擺臂減速去設(shè)計(jì).....................................35 4.1 擺臂電機(jī)選擇...................................354.2 擺臂減速器設(shè)計(jì).................................35 4.2.1 減速器方案對(duì)比分析...................... 35 4.2.2 減速器應(yīng)滿足要求.........................374.3 擺臂減速器設(shè)計(jì)計(jì)算.............................374.3.1 擺臂減速器的參數(shù)計(jì)算.....................374.3.2 擺臂減速器的齒輪計(jì)算.....................394.3.3 軸的設(shè)計(jì).................................434.4 本章小結(jié).......................................475 履帶的設(shè)計(jì)計(jì)算.....................................495.1 帶的選擇.......................................495.2 計(jì)算帶的型號(hào)和節(jié)距.............................505.3 計(jì)算主從動(dòng)輪直徑...............................515.4 本章小結(jié).......................................526 擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).......................................53 6.1 擺臂作用.......................................546.2 肋板部分設(shè)計(jì)...................................566.3 擺臂參數(shù)計(jì)算...................................587 總結(jié)與展望..........................................59致謝................................................61參考文獻(xiàn)............................................62河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文2前 言 我國的煤炭資源十分豐富，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國。在我國的能源工業(yè)中，煤炭占我國一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的 70%左右，預(yù)計(jì)到 2050 年還將占 50%以上，因此，在未來相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，煤炭仍然是我國的主要能源，由于我國礦井自然條件差，加上技術(shù)和管理等諸多方面不到位，以及近年來國家對(duì)煤炭資源需求量的不斷增長，使得我國煤礦礦井災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，人員傷亡十分慘重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006 年我國礦難死亡1517 人，百萬噸死亡率為 2.00；2007 年全國礦難死亡 1600 人，百萬噸死亡率為 2.1；2008 年全國煤礦發(fā)生傷亡事故 1341 起，死亡 1389 人，百萬噸死亡率約為 1.84，其中一次死亡 3～9 人的重大事故 110 起，死亡 886 人。2009 年全國安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示2009 全國共發(fā)生一次死亡 10 人以上的特大事故 61 起：死亡 717人，其中煤礦企業(yè)特大事故共發(fā)生 18 起,死亡 330 人，死亡人數(shù)仍高居各類安全事故之首。2010 年全國煤礦安全生產(chǎn)形勢依然嚴(yán)峻，目前我國煤礦事故死亡人數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過世界其他產(chǎn)煤國家煤礦死亡人數(shù)的總和，約占世界礦難人數(shù)的 80%，百萬噸死亡率是美國的 100 倍、南非的 30 倍。每年上百次的事故發(fā)生，成千人的礦工死亡，煤礦安全形勢已經(jīng)十分嚴(yán)峻。礦井瓦斯爆炸一旦發(fā)生，因受高溫、煙霧、有害氣體和缺氧等影響，以及存在發(fā)生二次災(zāi)害的可能，救護(hù)人員無法知道能否進(jìn)入或無法直接進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場執(zhí)行營救任務(wù)，上述事故中的傷亡人員有相當(dāng)一部分是救護(hù)人員，如陜西黃陵礦業(yè)公司一號(hào)煤礦發(fā)生特大瓦斯爆炸事故，2 名救護(hù)隊(duì)員在井下不慎滑倒，將呼吸機(jī)鼻夾摔脫落，導(dǎo)致一氧化碳中毒死亡；2005 年澠池縣趙溝八礦井河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文3下突然起火，三門峽市礦山救護(hù)隊(duì)接報(bào)后立即趕到現(xiàn)場救災(zāi)，在救火過程中，突發(fā)瓦斯爆炸，4 名救護(hù)隊(duì)員殉職； 2006 年六枝工礦集團(tuán)公司救護(hù)大隊(duì)的救護(hù)隊(duì)員在井下實(shí)施封閉火區(qū)措施時(shí)，火區(qū)發(fā)生瓦斯爆炸，造成 8 名救護(hù)隊(duì)員死亡。由此可見研發(fā)代替或部分代替救護(hù)人員的救災(zāi)機(jī)器人及時(shí)、快速深入礦井災(zāi)區(qū)進(jìn)行環(huán)境探測和搜救工作具有極其重要的意義。在救援初期，其主要作用是代替礦山救護(hù)人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)，進(jìn)行環(huán)境探測，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至救援指揮中心，這些環(huán)境信息主要包括瓦斯、CO、氧氣的濃度、環(huán)境溫度、濕度與粉塵情況以及災(zāi)區(qū)的通風(fēng)狀況的參數(shù)，還應(yīng)包括生命和圖像等信息，為救災(zāi)決策提供重要參考。礦山井下環(huán)境對(duì)礦工搜尋機(jī)器人的要求井下失蹤礦工搜尋機(jī)器人是一種自主式移動(dòng)機(jī)器人，它的設(shè)計(jì)首先要滿足井下工作環(huán)境的特殊要求，其次要具備快速搜尋并且準(zhǔn)確定位井下失蹤人員的功能，再就是要具有簡單的急救功能，如攜帶少量的水、食品、藥品、包扎物，播放音樂等。與地面環(huán)境相比，煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，特別是事故剛剛發(fā)生后的井下條件更為惡劣。1．井下地形礦井下地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣。通常情況下，礦井主巷道和主支巷道的路面平坦堅(jiān)硬但凹處多積水，路面上有礦車鐵軌、水溝、風(fēng)管、線纜等障礙物?？拷ぷ髅娴男∠锏缆访娌黄?、多有坡度。工作面處的路面坡度較大，積有大量的碎煤、支撐物、滑道等障礙。災(zāi)害發(fā)生后，脫落的頂板、煤石、煤塊等，會(huì)形成新的不規(guī)則障礙物，這就要求井下機(jī)器人要有較強(qiáng)的越障和避障能力。復(fù)河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文4雜的路況還可能會(huì)使機(jī)器人發(fā)生履帶單元局部故障、失去牽引力、零部件失效、傾翻、打滑、掉溝、陷入碎煤區(qū)等情況，這就需要機(jī)器人還具備一定的行駛功能恢復(fù)能力。發(fā)生局部故障后，剩下的正常驅(qū)動(dòng)部件能使機(jī)器人繼續(xù)行走或返回基站。2．井下氣候井下氣候包括井下空氣的溫度、濕度、熱輻射和風(fēng)速。正常通風(fēng)情況下，井下溫度不超過30。C，井下空氣的成分中只含有少量有害氣體(CH。 、CO、CO：等)。但井巷內(nèi)多有淋水，空氣濕度大，冬季的濕度也很大。災(zāi)害發(fā)生后，井下氣候會(huì)發(fā)生明顯的變化，如氣體組分發(fā)生顯著變化，有害氣體含量增高，特別是瓦斯和粉塵濃度增大；災(zāi)變區(qū)域范圍內(nèi)的井下空氣的溫度、濕度增加；井下通風(fēng)系統(tǒng)故障停運(yùn)或局部的風(fēng)流速度及風(fēng)量減少。3．高瓦斯由于事故后，井下通風(fēng)系統(tǒng)常會(huì)受到破壞，瓦斯排放不及時(shí)，使瓦斯?jié)舛仍黾樱?，瓦斯爆炸的危險(xiǎn)也常常是影響救護(hù)隊(duì)員及時(shí)下井開展救護(hù)工作的一個(gè)主要因素。為此，礦工搜尋機(jī)器人的所有結(jié)構(gòu)必須進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，使它在高瓦斯的情況下能夠安全工作。 4．高溫火災(zāi)、煤塵瓦斯爆炸后積聚的熱量會(huì)在現(xiàn)場直至相鄰局部區(qū)域形成高溫，這些熱量在通風(fēng)未恢復(fù)的情 況下會(huì)保持幾日，礦工搜尋機(jī)器人系統(tǒng)在井下溫度變化范圍內(nèi)要能可靠工作。5．煤塵正常情況下，井下的煤塵具有一定的濃度，并隨風(fēng)向而流動(dòng)。在事故發(fā)生后的有效救援時(shí)間內(nèi)，巷道內(nèi)仍會(huì)存在大量的煤塵。煤河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文5塵會(huì)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)副的表面，加劇軸承等零件的磨損，并且會(huì)附著在CCD光學(xué)傳感器、光源的表面上，影響機(jī)器人的壽命和搜尋精度。這就要求機(jī)器人零件密封、潤滑密封、并使用不易沾附灰塵的光學(xué)材料。6．潮濕與積水井下環(huán)境潮濕，事故發(fā)生后，井下排水系統(tǒng)可能受到破壞，即使恢復(fù)排水后也會(huì)造成巷道的高濕度，這就決定了機(jī)器人要在一個(gè)濕度大、路面濕滑并有凹處積水的潮濕環(huán)境里工作。 7．光照與煙霧井下場所黑暗，機(jī)器人只有自帶光源，為其視覺系統(tǒng)提供足夠強(qiáng)度的照明光線。事故后往往煙霧充斥巷道和工作面，能見度低，對(duì)機(jī)器人的照明有一定的影響。8．能源機(jī)器人的能源采用無纜方式，使用井下專用蓄電池供電?？紤]電源的功率、井下巷道和工作面空問的限制，并兼顧機(jī)器人行駛的平穩(wěn)性，應(yīng)適當(dāng)減小機(jī)器人本體的重量和體積。 9．通信井下信號(hào)傳輸具有特殊性，井下煤層對(duì)信號(hào)的衰減能力非常強(qiáng)，信號(hào)傳播距離很短。迄今為止，井下海量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離無線傳輸問題仍然沒有解決。因此，井下的特殊環(huán)境要求失蹤礦工搜尋機(jī)器人形體較小，運(yùn)動(dòng)靈活，能越障、越鐵軌和過水溝，通過狹小空間、碎煤和碎石區(qū)，有防爆、防水、耐高溫、視覺防塵等功能。在滿足井下工作環(huán)境特殊要求的基礎(chǔ)上，UMMMSR 要具備快速搜尋和準(zhǔn)確定位井下失蹤人員的功能，并有簡單的急救功能，如攜帶少量的水、食品、藥品、急救包、礦燈以及播放音樂等。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文61 緒 論1.1 課題研究背景及意義1.1.1 課題研究背景人類在智慧上超出動(dòng)物很多，但在特定環(huán)境的適應(yīng)上就要比動(dòng)物差很多。雖然人發(fā)明了很多的技術(shù)彌補(bǔ)了這一不足，但明顯可以看到，艦船的靈活性比不上魚類，飛機(jī)的靈活性比不上鳥類甚至昆蟲，車輛的地形適應(yīng)性比不上四條腿的動(dòng)物。搜救機(jī)器人的研究可以彌補(bǔ)我們這方面的不足，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生大的經(jīng)濟(jì)效益。搜救機(jī)器人的研究可以滿足一些行業(yè)的需求。機(jī)器人由于其天生的多自由度，多冗余自由度，可以在狹小的空間內(nèi)穿梭，可以滿足在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行人類無法完成的搜救任務(wù)。近幾年各種災(zāi)害不斷的發(fā)生，各種災(zāi)害發(fā)生后世界人名都積極投入到救災(zāi)活動(dòng)中。作為當(dāng)代大學(xué)生對(duì)這些災(zāi)難尤其關(guān)注，一些人立即奔赴災(zāi)區(qū)，很多人捐款捐物。災(zāi)難后總會(huì)看到有人被困在廢墟下，而外面的人卻一時(shí)無法將他們救出時(shí)，我們心里十分焦急，總在想：里面的人肯定受了重傷，也一定很餓，如果有個(gè)小型搜救器能迅速鉆到廢墟里，探明受傷人位置和情況，給他們送去急需的藥品和飲食該有多好啊?；谶@種想法，搜救機(jī)器人從此誕生了。然而我國在各種災(zāi)害中，但據(jù)資料顯示，搜救機(jī)器人并未得到很好的利用，參加搜救的主要還是以消防官兵，搜救犬及支援人士。地震、火災(zāi)、礦難等災(zāi)難發(fā)生后,在廢墟中搜尋幸存者,給予河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文7必要的醫(yī)療救助,并盡快救出被困者是救援人員面臨的緊迫任務(wù)。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明,超過 48 小時(shí)后被困在廢墟中的幸存者存活的概率變得越來越低。由于災(zāi)難現(xiàn)場情況復(fù)雜,在救援人員自身安全得不到保證的情況很難進(jìn)入現(xiàn)場開展救援工作的,此外,廢墟中形成的狹小空間使搜救人員甚至搜救犬也無法進(jìn)入。災(zāi)難搜救機(jī)器人可以很好地解決上述問題。機(jī)器人可以在災(zāi)難發(fā)生后第一時(shí)間進(jìn)入災(zāi)難現(xiàn)場尋找幸存者,對(duì)被困人員提供基本的醫(yī)療救助服務(wù),進(jìn)入救援人員無法進(jìn)入的現(xiàn)場搜集有關(guān)信息并反饋給救援指揮中心等。近年來,為了滿足救援工作的需要,國內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)開展了大量的研究工作,可以在災(zāi)難現(xiàn)場廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋的各類機(jī)器人如可變形多態(tài)機(jī)器人、蛇形機(jī)器人等相繼被開發(fā)出來。然而復(fù)雜危險(xiǎn)的災(zāi)后環(huán)境常常會(huì)給救援工作帶來困難。危險(xiǎn)物質(zhì)、大火、易燃易爆氣體、不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)等等危險(xiǎn)因素的存在，時(shí)常威脅到救援隊(duì)員的生命安全，阻礙救援工作的快速展開。如何能夠在最少人員傷亡前提下快速高效地開展搜索救援工作一直是我們重點(diǎn)研究的問題。本文提出的便攜式礦用救災(zāi)機(jī)器人是一種質(zhì)量輕，易于單個(gè)救援人員背負(fù)，具有多種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和抗摔能力，采用履帶方式行進(jìn)的微小型機(jī)器人系統(tǒng)。能夠適應(yīng)礦井惡劣的災(zāi)后環(huán)境，對(duì)非結(jié)構(gòu)的地形環(huán)境具有良好的自適應(yīng)能力，具備較好的越障能力和一定高度的抗摔能力。機(jī)器人可通過無線電信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并能夠加載各種偵測設(shè)備對(duì)未知環(huán)境進(jìn)行先期探測并回傳井巷環(huán)境信息，為及時(shí)有效的救災(zāi)提供決策參考。1.1.2課題研究意義煤礦作為最復(fù)雜、最危險(xiǎn)的工作環(huán)境之一，在發(fā)生安全事故河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文8之后，常常會(huì)因?yàn)榫聫?fù)雜危險(xiǎn)的環(huán)境而阻礙救援人員深入井下開展工作。但煤礦安全形式十分嚴(yán)峻，瓦斯爆炸等煤礦事故頻發(fā)，造成了重大的人員傷亡，產(chǎn)生了不良的社會(huì)影響。煤礦災(zāi)害尤其是瓦斯煤塵爆炸事故發(fā)生后，因受高溫、煙霧、有害氣體和缺氧等影響，以及存在發(fā)生二次災(zāi)害的可能，礦井環(huán)境十分復(fù)雜.。由此可見研發(fā)代替或部分代替救護(hù)人員的救災(zāi)機(jī)器人及時(shí)、快速深入礦井災(zāi)區(qū)進(jìn)行環(huán)境探測和搜救工作具有極其重要的意義。在救援初期，其主要作用是代替礦山救護(hù)人員進(jìn)入災(zāi)區(qū)，進(jìn)行環(huán)境探測，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至救援指揮中心，這些環(huán)境信息主要包括瓦斯、CO、氧氣的濃度、環(huán)境溫度、濕度與粉塵情況以及災(zāi)區(qū)的通風(fēng)狀況的參數(shù)，還應(yīng)包括生命和圖像等信息，為救災(zāi)決策提供重要參考。(1）課題研究的社會(huì)意義搜救機(jī)器人的研究給搜救工作帶來很大的方便，在災(zāi)難發(fā)生后，能夠快速地投入到搜救工作中，提高搜救效率，減少人員傷亡，失蹤等不幸事故，更好的為社會(huì)服務(wù)。(2）課題研究的科學(xué)意義搜救機(jī)器人的研發(fā)，在很大程度上彌補(bǔ)了廣茂達(dá)在搜救領(lǐng)域的不足，為后期更好的擴(kuò)展，奠定了基礎(chǔ)。1.2 國內(nèi)外研究情況1.2.1 國外研究情況近十年來,美國、日本等西方發(fā)達(dá)國家在地震、火災(zāi)等救援機(jī)器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各種可用于災(zāi)難現(xiàn)場河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文9救援的機(jī)器人。目前，在救災(zāi)機(jī)器人研究方面，美國走在了世界的前列，美國在微小型機(jī)器人研制方面投入了大量的人力和物力，特別是新型、高機(jī)動(dòng)、高可靠性移動(dòng)載體研究方面。如美國移動(dòng)機(jī)器人(TMR)計(jì)劃中的便攜式機(jī)器人系統(tǒng)(MPRS) ．該類機(jī)器人主要用于城市戰(zhàn)斗與搜救。如美國智能系統(tǒng)和機(jī)器人中心開發(fā)的RATLER 礦井探索機(jī)器人用于災(zāi)難后的現(xiàn)場偵查工作，采用電傳遙控方式，有主動(dòng)紅外攝像機(jī)、無線射頻信號(hào)收發(fā)器、陀螺儀和危險(xiǎn)氣體傳感器等裝備。無線遙控距離約 76 米。美國南佛羅里達(dá)大學(xué)研制的 Simbot 礦井搜索機(jī)器人,小巧靈活，攜帶數(shù)字低照度攝像機(jī)和基本氣體監(jiān)視組件，可以通過一個(gè)鉆出的小洞鉆進(jìn)礦井，越過碎石和爛泥，并使用其攜帶的傳感器發(fā)現(xiàn)受害礦工，探測氧氣、甲烷氣體含量，生成礦井地圖。1.形狀可變履帶機(jī)器人所 謂 形 狀 可 變 履 帶 機(jī) 器 人 ， 是 指 該 機(jī) 器 人 所 用 履 帶 的 構(gòu) 形 可 以根 據(jù) 地 形 條 件 和 作 業(yè) 要 求 進(jìn) 行 適 當(dāng) 變 化 。 圖 2 所 示 為 一 種 形 狀 可 變履 帶 機(jī) 器 人 的 外 形 示 意 圖 。 該 機(jī) 器 人 的 主 體 部 分 是 兩 條 形 狀 可 變的 履 帶 ， 分 別 由 兩 個(gè) 主 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 。 當(dāng) 兩 條 履 帶 的 速 度 相 同 時(shí) ，機(jī) 器 人 實(shí) 現(xiàn) 前 進(jìn) 或 后 退 移 動(dòng) ； 當(dāng) 兩 條 履 帶 的 速 度 不 同 時(shí) ， 機(jī) 器 人實(shí) 現(xiàn) 轉(zhuǎn) 向 運(yùn) 動(dòng) 。 當(dāng) 主 臂 桿 繞 履 帶 架 上 的 軸 旋 轉(zhuǎn) 時(shí) ， 帶 動(dòng) 行 星 輪 轉(zhuǎn)動(dòng) ， 從 而 實(shí) 現(xiàn) 履 帶 的 不 同 構(gòu) 形 ， 以 適 應(yīng) 不 同 的 運(yùn) 動(dòng) 和 作 業(yè) 環(huán) 境（ 見 圖 1-1） 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文10圖 1-1 形狀可變履帶機(jī)器人外形示意圖為了能進(jìn)入狹小空間展開搜救工作，要求機(jī)器人的體積要盡可能小，但體積小了搜索視野就會(huì)受到限制，為了解決這已矛盾，近年來在傳統(tǒng)牽引式多態(tài)搜救機(jī)器人。圖 1-2 為美國 Irobot 公司生產(chǎn)的 Packbot 系列機(jī)器人，packbot 機(jī)器人有一對(duì)鰭形前肢，這對(duì)鰭形前肢可以幫助崎嶇的地面上導(dǎo)航，也可以升高感知平臺(tái)以便更好地觀察。圖 1-3 為加拿大 inuktun 公司 MicroVGTV 多態(tài)搜救機(jī)器人，他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠(yuǎn)近靈活地調(diào)整 (a)正常狀態(tài) （b）直立狀態(tài)圖 1-2 美國 Irobot 公司 packbot 多態(tài)搜救機(jī)器人河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文11（ a）平躺狀態(tài) （b）半直立狀態(tài) （ c）直立狀態(tài)圖 1-3 加拿大 Inuktun 公司 Micro VGTV 多態(tài)搜救機(jī)器人2.位置可變履帶機(jī)器人所謂位置可變履帶機(jī)器人，是指履帶相對(duì)于車體的位置可以發(fā)生變化的履帶式機(jī)器人。這種位置的改變既可以是一個(gè)自由度的，也可以是兩個(gè)自由度的。圖 1-4 所示為一種二自由度變位履帶機(jī)器人，各履帶能夠繞車體的水平軸線和垂直軸線偏轉(zhuǎn)，從而改變機(jī)器人的整體構(gòu)形。圖 1-4 二自由度變位履帶機(jī)器人圖 1-4 為上述變位履帶機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖。由上圖可知，當(dāng) A 軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過一對(duì)錐齒輪的嚙合，將運(yùn)動(dòng)傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，從而帶動(dòng)履帶運(yùn)動(dòng)；當(dāng) B 軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過另一對(duì)錐齒輪的嚙合，帶動(dòng)與履帶架相連的曲柄，使履帶繞主動(dòng)軸軸線回轉(zhuǎn)變位；當(dāng) C河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文12軸傳動(dòng)時(shí)，履帶連同其安裝架一起繞 C 軸線相對(duì)于車體轉(zhuǎn)動(dòng)，改變其位置。A、B、C 三軸由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，通過切換 A、B、C三個(gè)離合器，使之實(shí)現(xiàn)不同的傳動(dòng)路線，具體情況參見圖 1-5。 a)結(jié)構(gòu)示意圖 b）不同的傳動(dòng)路線圖 1-5 變位履帶機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖變位履帶機(jī)器人集履帶式機(jī)器人和全方位輪式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)于一身。當(dāng)其履帶沿一個(gè)自由度方向變位時(shí)，可用于攀爬階梯和跨越溝渠（見圖 1-6） ；當(dāng)其履帶沿另一個(gè)自由度方向變位時(shí)，可實(shí)現(xiàn)車體的全方位行走方式（見圖 1-7） 。圖 1-6 變位履帶機(jī)器人爬梯越溝功能示意圖河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文13圖 1-7 變位履帶機(jī)器人移動(dòng)方式示意圖3.仿生搜救機(jī)器人雖然履帶式可變形多態(tài)機(jī)器人可根據(jù)搜索空間的大小改變其形狀和尺寸，但受驅(qū)動(dòng)方式的限制，其體積不可能做得很小。為了滿足對(duì)更狹小空間搜索的需要，人們根據(jù)生態(tài)學(xué)原理研制了各種體積更小的仿生機(jī)器人，其中蛇形機(jī)器人就是其中很重要的一類。圖 1-8a 為 cmu 研制的安裝的蛇形機(jī)器人。圖 1-8b 為日本大阪大學(xué)研制的蛇形機(jī)器人。圖 1-8c 為美國加州大學(xué)伯克利分校研制的身高不足 2cm 的蒼蠅搜救機(jī)器人。隨著技術(shù)的不斷成熟，相信蛇形、蠅形等仿生機(jī)器人會(huì)在災(zāi)難搜救工作中發(fā)揮越來越大的不可替代的特殊作用。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文14(a）CMU 研制的基于移動(dòng) (b)日本大阪大學(xué) （c）加州大學(xué)伯克利平臺(tái)的蛇形機(jī)器人 蛇形機(jī)器人 分校研制的蒼蠅機(jī)器人圖 1-8 仿生機(jī)器人1.2.2 國內(nèi)研究情況 我國的搜救機(jī)器人技術(shù)起步較晚，但是近年來引起了越來越多的關(guān)注并取得了一定的成果。在 5.12 地震發(fā)生后，針對(duì)亂石之中被埋在撫恤下的生命很難發(fā)現(xiàn)， “如果有能穿越亂石的機(jī)器人，也許就可以發(fā)現(xiàn)廢墟下的生命跡象從而救出更多的人！“謝敬濤等 5 位重慶交大的 5 位同學(xué)經(jīng)過商量后便有這個(gè)想法，發(fā)明一個(gè)越障能力強(qiáng)的機(jī)器人-蛇形機(jī)器人（圖 1-9）.河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文15圖 1-9圖 1-10由中科院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的空中搜索探測機(jī)器人、廢墟洞穴搜救可變形機(jī)器人、廢墟表面搜救機(jī)器人(如圖 1-10),在位于北京西郊鳳凰嶺的國家地震緊急救援訓(xùn)練基地完成了綜合調(diào)試演練，并達(dá)到了預(yù)期性能指標(biāo)。這標(biāo)志著我國地震搜救機(jī)器人系統(tǒng)已進(jìn)入到示范應(yīng)用階段，有望在“十二五”期間作為地震應(yīng)急搜救裝備投入實(shí)際使用。6 月 22 日，國內(nèi)首臺(tái)煤礦搜救機(jī)器人(樣機(jī))在江蘇徐州誕生，該機(jī)器人由中國礦業(yè)大學(xué)可靠性與救災(zāi)機(jī)器人研究所研制。目前河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文16這臺(tái)搜救機(jī)器人采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的無線控制方式，有效控制范圍為300 米。由葛世榮教授領(lǐng)導(dǎo)的科研小組正在研制使用中繼站式無線通訊方式，成功后將可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人 1.5 公里范圍內(nèi)的無線控制。煤礦搜救機(jī)器人采用自主避障和遙控引導(dǎo)相結(jié)合的行走控制方式，它能在礦難發(fā)生后深入事故現(xiàn)場探測火災(zāi)溫度、瓦斯?jié)舛?、?zāi)害場景、呼救聲訊等信息，并實(shí)時(shí)回傳采集到的信息和圖像，為救災(zāi)指揮人員提供重要的災(zāi)害信息。同時(shí)，機(jī)器人還能攜帶急救藥品、生命維持液、食品和千斤頂、撬棍等自救工具以協(xié)助被困人員實(shí)施自救和逃生。據(jù)悉，此機(jī)器人通過改裝后還可廣泛應(yīng)用于地面救火、有害氣體測試等用途。圖 1-121 以上是目前世界上的搜救機(jī)器人的研究現(xiàn)狀。搜救機(jī)器人多種多樣，然而真正應(yīng)用在實(shí)際中的機(jī)器人目前不是很多。由于技術(shù)發(fā)展的限制，很多機(jī)器人只能在一個(gè)方面使用，沒有幾種多功能的搜救機(jī)器人，但是很多機(jī)器人又有相同的地方。作為搜救機(jī)器人，越障，搜索，通信，攜帶救援物資等等功能是最基本的功能。這其中越障顯得極為重要，如果機(jī)器人連障礙物都無法穿越，還怎么做到搜救呢？于是越障能力作為考查搜河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文17救機(jī)器人能力的最為重要的指標(biāo)。而越障能力由機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定的，于是各種各樣形態(tài)的機(jī)器人就誕生了。其實(shí)各種形態(tài)都是為了提高機(jī)器人的越障能力的而存在的。1.2.3 搜救機(jī)器人技術(shù)發(fā)展方向搜救機(jī)器人為搜救工作展開了新思路，但是也暴露了一些問題。綜合考慮機(jī)器人技術(shù)和搜救環(huán)境，未來的搜救機(jī)器人技術(shù)需求應(yīng)包括以下幾個(gè)方面。1．機(jī)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)在搜救過程中，機(jī)動(dòng)是機(jī)器人首先面臨的問題。作為機(jī)器人機(jī)動(dòng)主體的底盤，需要裝載所有的傳感器?？紤]當(dāng)時(shí)的環(huán)境，底盤的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下需求。（1）能夠通過粗糙地形，越過或繞過障礙物，能夠爬樓梯，能夠通過狹窄空間。（2）能夠耐熱、放水、防火、防腐蝕（3）重量輕，能夠在不發(fā)生滑動(dòng)和再次倒塌的情況下對(duì)空間進(jìn)行快速搜索。2．傳感器搜救的兩個(gè)明確任務(wù)：一是尋找可能的幸存者，二是在最初的結(jié)構(gòu)評(píng)估過程中對(duì)空間進(jìn)行分類。因此，機(jī)器人攜帶的傳感器必須使它們?cè)谝苿?dòng)中探測受災(zāi)者和收集受災(zāi)者信息。如傳感器的設(shè)計(jì)需要能夠確定受災(zāi)者的生命跡象，并確定幸存者的狀態(tài)；為了判斷出受困者所在的位置和其所在地點(diǎn)的情形，需要綜合GPS、慣性測量裝置、編譯器、陀螺儀、加速計(jì)、觸摸、移動(dòng)、視覺和聲學(xué)傳感器獲得的信息等。3．通信河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文18使用有線通信的機(jī)器人在行動(dòng)中通信系鏈易纏繞，限制了機(jī)器人的移動(dòng)，適合于短距離的搜救行動(dòng)。未來的發(fā)展是采用無線通信。在紐約世貿(mào)中心救援中使用的機(jī)器人就是利用無線以太網(wǎng)（2.4GHz 802.11） 、有線通信方式與指揮中心保持通信聯(lián)絡(luò)。無線以太網(wǎng)由于帶寬的問題，易導(dǎo)致通信中斷，因此，需要加強(qiáng)動(dòng)力、抗干擾能力的設(shè)計(jì)。4．圖像處理通過操縱機(jī)器人能夠獲取現(xiàn)場圖像，用于確定墻壁和柱子計(jì)結(jié)構(gòu)的破壞，管道和儲(chǔ)藏庫的泄漏和破裂等。同時(shí)機(jī)器人能夠通過獲得的現(xiàn)場結(jié)構(gòu)信息繪制出新的結(jié)構(gòu)圖，從而向救援人員報(bào)告受災(zāi)后的精確位置及可能的通路。地圖的繪制可以由一個(gè)機(jī)器人完成，也可以與其他機(jī)器人合作來完成。5．導(dǎo)航技術(shù)提高機(jī)器人搜索效率和范圍，開展視覺導(dǎo)航技術(shù)的相關(guān)研究。視覺在機(jī)器人路徑規(guī)劃、避障；自動(dòng)爬樓梯過程中是非常重要的。如 NASA 噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室利用圖像的樓梯邊緣判斷方法，解決了機(jī)器人爬樓梯的自動(dòng)化。6．人機(jī)交互界面為了方便使用者在救援行動(dòng)中有效的使用機(jī)器人，便捷的人機(jī)交互是非常必須的。一個(gè)有效的用戶界面必須能夠向操作員提供足夠的決策參考信息，用于制定機(jī)器人的下一步行動(dòng)。在這樣的界面下，使用者能夠很容易的獲得機(jī)器人的方向、位置和動(dòng)力，操作眾多的設(shè)備，比如攝像機(jī)、燈光和車載鉗子，準(zhǔn)確的控制機(jī)器人的移動(dòng)，從攝像機(jī)獲得圖像。7．群體機(jī)器人協(xié)同河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文19在面對(duì)一個(gè)巨大災(zāi)難的時(shí)候，可以考慮由多個(gè)機(jī)器人組成群體，通過系統(tǒng)協(xié)調(diào)來完成單機(jī)器人無法或難以完成的工作。群體機(jī)器人系統(tǒng)具有空間分布、功能分布、時(shí)間分布等特點(diǎn)，所以群體機(jī)器人系統(tǒng)比單機(jī)器人系統(tǒng)具有更強(qiáng)的優(yōu)越性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）群體機(jī)器人系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)器人系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜任務(wù)。（2）設(shè)計(jì)和制造多個(gè)簡單機(jī)器人比單個(gè)復(fù)雜機(jī)器人更容易、成本更低。（3）使用群體機(jī)器人系統(tǒng)可以大大節(jié)約時(shí)間、提高效率。（4）群體機(jī)器人系統(tǒng)的平行性和冗余性可以提高系統(tǒng)的柔性和彈性。救災(zāi)機(jī)器人是智能化機(jī)器人在煤礦領(lǐng)域的全新應(yīng)用，盡管某些關(guān)鍵技術(shù)仍需要進(jìn)一步研究，但救災(zāi)機(jī)器人具有高度的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、控制技術(shù)、材料技術(shù)的發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖像信息處理技術(shù)的迅猛發(fā)展，智能機(jī)器人的研究已取得了豐碩的研究成果。但是，由于礦井救災(zāi)機(jī)器人特殊的工作環(huán)境和工作要求的不斷提高，礦井救災(zāi)機(jī)器人技術(shù)方面還需要有所突破：（1）機(jī)械性能方面， 能夠適應(yīng)礦井惡劣的災(zāi)后環(huán)境，對(duì)非結(jié)構(gòu)的地形環(huán)境具有良好的自適應(yīng)能力，具備較好的越障能力。（2）新技術(shù)和新材料的研發(fā)，礦井災(zāi)后惡劣的環(huán)境要求用高強(qiáng)度、抗拉抗壓、抗高溫阻燃、不產(chǎn)生電火花的材料。（3）優(yōu)良的導(dǎo)航性能、信息采集能力仍是今后礦井救災(zāi)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的主要發(fā)展方向。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文20（4）由于礦井中救災(zāi)機(jī)器人單一的傳感器無法滿足高精度定位需要，因此需要融合多個(gè)傳感器測量信息，多傳感器信息融合技術(shù)也就自然成為發(fā)展趨勢。（5）多機(jī)器人系統(tǒng)是礦井救災(zāi)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的主要方向。（6）采用標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、模塊化技術(shù)。機(jī)器人裝備有通信系統(tǒng)，在與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)化接口技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可使機(jī)器人更具備操控性，同時(shí)機(jī)器人通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護(hù)性、兼容性也更好。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文212 搜救機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)2.1 井下復(fù)雜環(huán)境對(duì)搜救機(jī)器人的要求井下環(huán)境和氣候與地面不同，井下環(huán)境惡劣，特別是事故剛剛發(fā)生后的井下條件更為惡劣。搜救機(jī)器人需要滿足井下工作環(huán)境的特殊要求，具備快速搜尋并且準(zhǔn)確定位井下失蹤人員的功能，還要有簡單的急救功能。(1)井下地形礦山井下地形復(fù)雜，環(huán)境惡劣。巷道路面多積水，有礦車鐵軌、水溝、風(fēng)管、線纜等障礙物；支巷道路面窄而不平，多有坡度；工作面處的路面坡度大，有碎煤、支撐、滑道等障礙。災(zāi)害發(fā)生后，脫落的頂板、巖石、煤塊等形成新的障礙物。復(fù)雜的路況要求井下機(jī)器人要有較強(qiáng)的越障、避障能力和行駛功能恢復(fù)能力。(2)井下氣候?yàn)?zāi)害后，井下通風(fēng)系統(tǒng)常受到破壞，使井下氣候發(fā)生明顯的變化，常見瓦斯和粉塵濃度增大，災(zāi)變區(qū)域的溫度、濕度增加，風(fēng)量減少。所以二次瓦斯爆炸的危險(xiǎn)也常常是影響救護(hù)隊(duì)員及時(shí)下井救護(hù)的一個(gè)主要因素。為了在高瓦斯下安全工作，搜救機(jī)器人需要進(jìn)行礦用隔爆兼本安型設(shè)計(jì)；元件在井下溫度變化范圍內(nèi)應(yīng)能可靠地工作；為了防止煤塵和積水進(jìn)入車體內(nèi)部和運(yùn)動(dòng)副，廂體要進(jìn)行密封、防水設(shè)計(jì)。(3)光照與煙霧井下無自然光，機(jī)器人只有自帶光源。事故后，往往煙霧充斥巷道和工作面，能見度低，對(duì)照明產(chǎn)生一定影響。(4)能源使用井下專用蓄電池供電。因此，井下的特殊環(huán)境要求所設(shè)計(jì)的搜救機(jī)器人形體較小，河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文22載荷較大，運(yùn)動(dòng)靈活，具有通過狹小空間、碎煤和巖石區(qū)的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)較大弧度的轉(zhuǎn)動(dòng)，較強(qiáng)的越障、爬坡能力，以及防爆、防水、耐高溫、視覺防塵等功能。2.2 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)方案分析機(jī)器人在地面上移動(dòng)的方式通常有三種：輪式、腿式和履帶式。另外還有步進(jìn)移動(dòng)式、蠕動(dòng)式、混合移動(dòng)式、蛇行移動(dòng)式等。2.2.1 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)在救災(zāi)機(jī)器人中是最為普通的運(yùn)動(dòng)方式，輪式機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)普遍具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)速度快、能源利用率高的、機(jī)動(dòng)性好強(qiáng)的特點(diǎn)，同時(shí)具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時(shí)間短和工作效率高等優(yōu)勢?？刂频慕嵌瓤?，編程簡單并有較高的可靠性，每個(gè)輪子都可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。與履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比，當(dāng)跨越不平坦地形時(shí)，輪式機(jī)器人有著固有的不足，限制了其運(yùn)動(dòng)能力，其穩(wěn)定性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，對(duì)于進(jìn)入復(fù)雜的環(huán)境完成既定任務(wù)存在嚴(yán)重的困難。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)按輪的數(shù)量可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。該結(jié)構(gòu)存在著一定的局限性，只能在相對(duì)平坦、表面較硬的路面上行駛，如遇到軟性地面(如沼澤、草地、雪地、沙地等)容易打滑、沉陷，但可根據(jù)具體地面環(huán)境采用一些預(yù)防措施來緩解該類情況的出現(xiàn)，如采用不同種類的款式輪胎以提高其越野能力，象沙漠車輛、山地車輛等，其各種結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文23圖2-1 輪式移動(dòng)裝置示意圖2.2.2 腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分 2 腿、4 腿、6 腿、8 腿等形式。腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有：（1）腿式機(jī)器人的地形適應(yīng)能力強(qiáng)。腿式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡由一系列離散點(diǎn)組成，崎嶇地形可以給這些離散點(diǎn)提供支撐，使機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)；而輪式和履帶式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)規(guī)跡，有些起伏較大的地形則不支持這種連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而限制了該類機(jī)器人活動(dòng)范圍。（2）腿式機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)更具有靈活性，通過調(diào)節(jié)腿的長度可以控制機(jī)器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高；（3）腿式機(jī)器人的身體與地面分離，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)器人身體可以平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移動(dòng)機(jī)器人如圖2-2所示，特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，越野能力強(qiáng)。腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)有：河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文24（1）該類機(jī)器人的移動(dòng)速度慢，機(jī)動(dòng)性較差．因此機(jī)器人的負(fù)載不能太重；（2）腿式機(jī)器入對(duì)地面適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)靈活性需要進(jìn)一步提高；（3）腿式機(jī)器人控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，控制方法還有待完善；（4）該機(jī)構(gòu)未進(jìn)入實(shí)用化階段。圖 2-2 車輪式行走機(jī)器人2.2.3 履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分為l條履帶、2條履帶(履帶可車體左右布置或者車體前后布置)、3條履帶、4條履帶，6條履帶，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)與地面較大的接觸面積，因此在較大的區(qū)域內(nèi)分布機(jī)器人的重量，較大的接觸區(qū)域使機(jī)器人具有較好的驅(qū)動(dòng)牽引力，機(jī)動(dòng)性能好、越野性能強(qiáng)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、摩擦阻力大，機(jī)械效率低，在自身重量比較大的情況下會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生一定的破壞。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)比較輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）撐面積大、接地比壓小、滾動(dòng)阻尼小、通過性比較好；（2）越野機(jī)動(dòng)往能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)；（3）履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好；（4）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜重量大，運(yùn)動(dòng)慣性大，減震功能差，零件河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文25易損壞。圖2-3為一部分履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的簡圖圖2-3 履帶式移動(dòng)裝置示意圖 履帶式實(shí)際是一種自己為自己鋪路的輪式車輛。它是將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸。履帶式的的優(yōu)點(diǎn)是著地面積比車輪式大，所以著地壓強(qiáng)?。涣硗馀c路面黏著力強(qiáng)，能吸收較小的凸凹不平，適于松軟不平的地面。因此，履帶式廣泛用在各類建筑機(jī)械及軍用車輛上。并且履帶式結(jié)構(gòu)是通過兩條履帶差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。不但可以實(shí)現(xiàn)超小半徑轉(zhuǎn)彎，還可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。靈活性極佳。2.2.4 履，腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)履腿復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)綜合了履帶式和腿式兩種移動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面，它的活動(dòng)范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無法與其比擬，適合作為機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)往往是兩條履帶與車身相對(duì)固定，很大程度上限制了機(jī)器人地形適應(yīng)能力(此時(shí)機(jī)河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文26器人履帶高度和長度直接決定了機(jī)器人越障、跨溝等性能)，為了解決該問題履式移動(dòng)系統(tǒng)中引入了關(guān)節(jié)履帶機(jī)構(gòu)，兩條履帶不再相對(duì)車體固定而是能繞車身轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣能大大提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，但履、腿復(fù)合機(jī)構(gòu)本身存在著一定的不足如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)控制困難等。2.2.5 輪、履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)性能比較車輪式，履帶式、腿足式移動(dòng)系統(tǒng)性能比較見表 2-1 所示。表 2-1 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能對(duì)比2.3 本研究采用的行走方案履帶式機(jī)器人具有良好的越障能力和地面適應(yīng)性，已得到廣泛的應(yīng)用．典型的履帶式機(jī)器人可分為固定履帶式機(jī)器人和擺臂履帶式機(jī)器人．?dāng)[臂履帶式機(jī)器人根據(jù)擺臂的數(shù)量可分為四履帶雙擺臂機(jī)器人和六履帶四擺臂機(jī)器人.本文提出來的便攜式履帶機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)采用的是履、腿(輪)復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)最大優(yōu)點(diǎn)在于在傳統(tǒng)履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，加強(qiáng)了機(jī)器人越障、爬坡性能并提高了環(huán)境適應(yīng)能移動(dòng)方式 輪式 履帶式 腿式移動(dòng)速度 快 較快 慢越障能力 差 一般 好復(fù)雜程度 簡單 一般 復(fù)雜能耗量 小 較小 大控制難易 易 一般 復(fù)雜河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文27力。機(jī)器人能根據(jù)地形條件的復(fù)雜程度，通過主動(dòng)調(diào)節(jié)兩側(cè)履帶與車身約束關(guān)系來選擇自適應(yīng)環(huán)境或者是主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境。自適應(yīng)環(huán)境可以提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能、平順性能；主動(dòng)適應(yīng)環(huán)境可以提高機(jī)器人通過性能，機(jī)器人設(shè)計(jì)方案如下圖2-4所示。圖 2-4 便攜式履帶機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成1.后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)及組件 2.擺臂電機(jī)及組件 3.主履帶 4.擺臂履帶 5.齒輪2.4 救災(zāi)機(jī)器人性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)由于煤礦井下環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性煤礦井下搜救機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)須滿足適合井下復(fù)雜地形、防爆、防碰撞等要求，同時(shí)所載的子系統(tǒng)安裝、使用要方便。在地面移動(dòng)機(jī)器人家族中，履帶機(jī)器人具有很強(qiáng)的地形適應(yīng)性，能夠適應(yīng)惡劣的路面條件，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但普通的履帶移動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，運(yùn)動(dòng)慣性大，減震性能差，零件易損壞。為克服普通履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，給煤礦井下搜救機(jī)器人履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)加裝前擺。機(jī)器人加裝前擺臂的優(yōu)點(diǎn)：機(jī)器人重心將前移，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人爬坡和越障的功能，穩(wěn)定性將更好；實(shí)現(xiàn)機(jī)器人傾翻后自復(fù)位。為提高其地形適應(yīng)性，前擺臂兩個(gè)擺臂關(guān)節(jié)單獨(dú)控制和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文28總體設(shè)計(jì)方案如圖2-4所示。采用后輪驅(qū)動(dòng)，差速轉(zhuǎn)向，可實(shí)現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)向。擺臂電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)擺臂可在360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，提高機(jī)器人跨越溝槽和爬越臺(tái)階的越障的能力和翻轉(zhuǎn)后自復(fù)位的功能。根據(jù)井下環(huán)境對(duì)機(jī)器人的要求，主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)如下：, , , ,B(車體寬度)mL601?3502mR8?r35=500mm。車體質(zhì)量為50kg,擺臂質(zhì)量不超過5kg,機(jī)器人做直線運(yùn)動(dòng)最大速度等于1m/s,自備電源運(yùn)行時(shí)間大于等于4小時(shí)。最大越障高度H=300mm，跨越最大溝壑寬度C=500mm。如2-5圖：圖 2-52.5 本章小結(jié)本章重點(diǎn)介紹了國內(nèi)外履帶機(jī)器人的移動(dòng)方式，對(duì)三種常見的移動(dòng)方式(輪式、履帶式、腿式)在越野性能、移動(dòng)速度、機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度、控制難易程度等幾方面進(jìn)行了比較和分析，就研制的礦用履帶搜救機(jī)器人應(yīng)達(dá)到的性能指標(biāo)提出了具體要求。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文293 礦用搜救機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 機(jī)器人越障分析研究擺臂履帶機(jī)器人的越障機(jī)理與越障能力，有利于對(duì)機(jī)器人的越障運(yùn)動(dòng)進(jìn)行操作與控制，可保證其運(yùn)行穩(wěn)定性和最佳越障性能。本文從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度，在固定雙履帶機(jī)器人越障機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析四履帶雙擺臂機(jī)器人對(duì)臺(tái)階、斜坡、溝道等典型障礙的越障運(yùn)動(dòng)機(jī)理。 履帶式移動(dòng)機(jī)器人面臨的環(huán)境多為非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境，非結(jié)構(gòu)地形環(huán)境是多樣的、復(fù)雜的三維地形，包括天然形成的起伏、崎嶇地形，以及人工修建的坡路、階梯、溝道等人工地形。影響或阻止機(jī)器人平臺(tái)正常移動(dòng)的地形、地物稱為障礙地形。而很多地形具有相近的幾何構(gòu)特征，為了便于分析與表述，通常將障礙地形簡化為斜坡、臺(tái)階、連續(xù)臺(tái)階、凸臺(tái)、溝道等具有典型特征的地形。表征斜坡的幾何構(gòu)形特征是坡度和坡向，坡度是高度的最大變化率，坡向是最大變化率的區(qū)域方向，其關(guān)鍵邊界線為斜坡底部與頂部轉(zhuǎn)折線。表征臺(tái)階的幾何構(gòu)形特征是高河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文30度，其關(guān)鍵邊界線為臺(tái)階外角線。表征連續(xù)臺(tái)階的幾何構(gòu)形特征是高度和臺(tái)階跨度，其關(guān)鍵邊界線為臺(tái)階內(nèi)、外角線．表征凸臺(tái)的幾何構(gòu)形特征是高度和寬度，其關(guān)鍵邊界線為凸臺(tái)兩對(duì)內(nèi)、外角線。表征溝道的幾何構(gòu)形特征是跨度和深度，其關(guān)鍵邊界線為溝道兩側(cè)邊緣線。機(jī)器人克服障礙，是指機(jī)器人利用其行走機(jī)構(gòu)驅(qū)使機(jī)器人移動(dòng)，使其質(zhì)心越過障礙的關(guān)鍵邊界線，在此過程中機(jī)器人不發(fā)生傾覆，不受障礙卡阻，能繼續(xù)保持機(jī)器人的穩(wěn)定姿態(tài)與移動(dòng)能力。對(duì)于履帶機(jī)器人，可將其攀越凸臺(tái)的過程分解為上臺(tái)階和下臺(tái)階的過程，將其攀爬連續(xù)臺(tái)階的過程根據(jù)其幾何構(gòu)形特征的尺寸簡化為攀爬斜坡或依次攀爬臺(tái)階的情況。因此，只需著重分析機(jī)器人攀爬臺(tái)階、斜坡以及跨越溝道的越障運(yùn)動(dòng)機(jī)理。為了便于研究履帶機(jī)器人的越障機(jī)理，首先對(duì)固定雙履帶機(jī)器人的越障機(jī)理進(jìn)行研究。3.1.1 機(jī)器人跨越臺(tái)階（1）越障機(jī)理分析當(dāng)機(jī)器人在爬越臺(tái)階時(shí)，機(jī)器人履帶底線與地面之間的夾角將隨時(shí)間而逐漸增加，其重心越過臺(tái)階的支撐點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人就跨過了臺(tái)階完成爬越動(dòng)作。（2）越障過程分析煤礦井下搜救機(jī)器人爬越臺(tái)階的過程如圖 3-1 所示，機(jī)器人借助擺臂的初始擺角，在履帶機(jī)構(gòu)的驅(qū)使下，使其主履帶前端搭靠在臺(tái)階的支撐點(diǎn)上，機(jī)器人繼續(xù)移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)擺臂逆時(shí)針擺動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人重心越過臺(tái)階邊緣時(shí)，旋轉(zhuǎn)擺臂關(guān)節(jié)，機(jī)器人在自身重力影響下，車體下移，機(jī)器人成功地爬越臺(tái)階。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文31圖 3-1 機(jī)器人正向攀爬臺(tái)階的過程由運(yùn)動(dòng)過程可以看出，機(jī)器人在越障第三階段圖 3-1（C）重心的位置處于臨界狀態(tài)，機(jī)器人重心只有越過臺(tái)階邊緣，機(jī)器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機(jī)器人的最大越障高度。圖 3-2 機(jī)器人上臺(tái)階臨界狀態(tài)示意圖由圖 3-2 所示幾何關(guān)系可得：（3-cos()cot/sinxLhR?????1）變換式（1）可得： （3-sin/s2） 河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文32（3-2cosin/cos0hLRd??????3） 利用式（3）求出 ，代入式（ 2）可算出機(jī)器人跨越障礙的最大高度 。maxh3.1.2 跨越溝槽（1）越障機(jī)理分析對(duì)于小于機(jī)器人前后履帶輪中心距地溝槽，因機(jī)器人重心在機(jī)器人車體內(nèi)，當(dāng)機(jī)器人重心越過下一個(gè)溝槽的支撐點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人就越過了溝槽，完成了跨越動(dòng)作。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內(nèi)。當(dāng)溝槽大于中心距時(shí)，履帶式機(jī)器人可以看做爬越凸臺(tái)障礙。（2）越障分析履帶式移動(dòng)機(jī)器人跨越溝槽時(shí)，機(jī)器人重心不斷向前移動(dòng)，當(dāng)重心越過溝槽邊緣時(shí)，受重力作用，機(jī)器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。由機(jī)器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機(jī)器人重心在以 r 為半徑的圓內(nèi)，由于擺臂展開后機(jī)器人履帶與地接觸長度變大，為了計(jì)算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應(yīng)處于展開狀態(tài)。圖 3-3 跨越溝槽示意圖河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文33機(jī)器人在平地圖 3-3（a）跨越溝槽的寬度 ：1L（3-max1Lr??4）在角度為 的斜坡圖 3-3(b)上跨越溝槽的寬度 ：?1L（3-max1tanLrh????5）3.2 斜坡運(yùn)動(dòng)分析機(jī) 器 人 在 斜 坡 上 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 起 受 力 情 況 如 圖 3-4 所 示 ， 機(jī)器 人 勻 速 行 駛 或 靜 止 時(shí) ， 其 驅(qū) 動(dòng) 力 ：（3-sinFG??6） 圖 3-4 機(jī)器人上坡受力示意圖最大靜摩擦力系數(shù)為 ，最大靜摩擦力為：?（3-maxcosFG??7）當(dāng) 時(shí)，機(jī)器人能平穩(wěn)行駛。maxF?當(dāng) 時(shí)，機(jī)器人受重力的影響將沿斜面下滑。?河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文34已知煤礦井下機(jī)器人在井下地面最大靜摩擦系數(shù) ，則機(jī)器?人爬越的最大坡度為: （3-1maxtn()????8）爬坡時(shí)克服摩擦力所需的最大加速度為：（ 3-max(cosin)g????9）通過上述分析，可以根據(jù)機(jī)器人履帶與運(yùn)動(dòng)面的摩擦系數(shù)來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機(jī)的特性，確定其運(yùn)動(dòng)過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。3.3 本章小結(jié)本章重點(diǎn)圍繞礦用履帶搜救機(jī)器人的爬坡性能、越障性能、跨溝性能三方面，對(duì)機(jī)器人移動(dòng)原理進(jìn)行理論分析，運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證了該機(jī)器人在惡劣環(huán)境下具有優(yōu)良機(jī)動(dòng)能力。 機(jī)器人的爬坡角度最大為 ；垂直越障高度最大為03300mm：最大跨溝寬度為500mm。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文354 擺臂減速器設(shè)計(jì) 4.1 擺臂電動(dòng)機(jī)選擇 分析假設(shè)擺臂擺動(dòng)速度為 ，min20r=確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》表 3-1 推薦的常用傳動(dòng)比范圍，單級(jí)齒輪傳動(dòng)比為 。故電動(dòng)機(jī)可選范圍為：10~32?i(60~200)r/min=)(nd則選用電機(jī)：轉(zhuǎn)速 120r/min 功率為 30w ?1?P4.2 擺臂減速器設(shè)計(jì)移動(dòng)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是完成機(jī)器人前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等各種運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換，將動(dòng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速減低到所需的轉(zhuǎn)速，同時(shí)扭矩達(dá)增大到所需的扭矩。本機(jī)構(gòu)主減速器擺采用二級(jí)減速器，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過減速器的實(shí)現(xiàn)減速、增大轉(zhuǎn)矩。河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文36電動(dòng)機(jī)安裝在減速器前端，通過錐齒輪改變軸的方向，輸出履帶驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩，為復(fù)雜狀況下救災(zāi)機(jī)器人提供主要?jiǎng)恿Α[臂減速器采用一級(jí)圓柱齒輪減速器。擺臂電動(dòng)機(jī)通過減速器實(shí)現(xiàn)擺臂在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的減速。4.2.1 減速器方案對(duì)比分析減速器的種類很多，按照傳動(dòng)類型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星減速器以及它們互相組合起來的減速器；按照傳動(dòng)級(jí)數(shù)可分為單級(jí)和多級(jí)減速器；按照齒輪形狀可分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐---圓柱齒輪減速器；按照傳動(dòng)的布置形式由可以分為展開式、分流式和同軸式
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