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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告
機(jī)械工程 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè)
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 號(hào)：
設(shè) 計(jì) 地 點(diǎn)：
指 導(dǎo) 教 師：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告
課 題
名 稱
機(jī)器人履帶行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)
一、選題背景與意義
將機(jī)器人技術(shù)、營(yíng)救行動(dòng)技術(shù)、災(zāi)難學(xué)等多學(xué)科知識(shí)有機(jī)融合，研制與開(kāi)發(fā)用于搜尋和營(yíng)救的災(zāi)難救援機(jī)器人，是機(jī)器人學(xué)研究中一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的新領(lǐng)域。面臨及其危險(xiǎn)和惡劣的災(zāi)難環(huán)境，災(zāi)難救援機(jī)器人可以代替和協(xié)助救助人員執(zhí)行相關(guān)作業(yè)。災(zāi)難救援機(jī)器人不僅能夠用于城市救援、消防、公安、采礦和環(huán)保等領(lǐng)域，同時(shí)在國(guó)防、軍事和星球探測(cè)等方面也有著良好的應(yīng)用背景。機(jī)器人技術(shù)是國(guó)家發(fā)展迫切需要的戰(zhàn)略必爭(zhēng)的核心技術(shù)之一，將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和安全中起著重要的作用和有著重大的戰(zhàn)略意義。
能夠穿越復(fù)雜環(huán)境實(shí)施救援作業(yè)的機(jī)器人具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值。實(shí)物機(jī)器人救援（Physical Robot Rescue）也是國(guó)際RoboCup競(jìng)賽的主題項(xiàng)目之一。救援機(jī)器人（rescue robot）主要由行走系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)傳感與控制系統(tǒng)、環(huán)境信息感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)等部分組成，其中前兩者是實(shí)施救援的機(jī)器人本體部分。相對(duì)于輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)而言，履帶式行走機(jī)構(gòu)（tracked mobile mechanism）具有支承面積大，接地比壓小，越野機(jī)動(dòng)性能高，爬坡、越障、跨溝能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
二、課題關(guān)鍵問(wèn)題及難點(diǎn)
災(zāi)難救援環(huán)境對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力要求較高，機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)十分重要。在諸如廢墟、坎坷和管道的狹小空間，因?yàn)槭艿江h(huán)境空間的限制，機(jī)器人物理結(jié)構(gòu)必須要小，但是它又必須要越過(guò)位于機(jī)器人路徑上的障礙物。災(zāi)難環(huán)境存在松軟的灰土地面、由于消防用水或漏水導(dǎo)致的泥濘路面及坎坷不平的廢墟地面等多種地面地形，機(jī)器人必須具有高度的地面適應(yīng)性能，本設(shè)計(jì)選擇履帶式行走機(jī)構(gòu)，相對(duì)于輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)而言，履帶式行走機(jī)構(gòu)（tracked mobile mechanism）具有支承面積大，接地比壓小，越野機(jī)動(dòng)性能高，爬坡、越障、跨溝能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，滿足了對(duì)復(fù)雜地面適應(yīng)性的要求。
另一方面，機(jī)器人必須不斷地翻越各種垂直的障礙物，平臺(tái)的穩(wěn)定性和自調(diào)整能力很重要。本方案在各種形式的履帶式行走機(jī)構(gòu)中選擇關(guān)節(jié)式行走機(jī)構(gòu)，機(jī)器人通過(guò)調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)角度，調(diào)整自身姿態(tài)，以滿足不同情況的越障地形。由于在災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)等非結(jié)構(gòu)環(huán)境中，機(jī)器人本體不可避免要受到傷害或由于系統(tǒng)的可靠性不夠而出現(xiàn)故障，系統(tǒng)軟、硬件的容錯(cuò)功能和故障處理能力也十分重要。
三、文獻(xiàn)綜述
履帶式機(jī)器人主要由行走系統(tǒng)、作業(yè)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)傳感與控制系統(tǒng)、環(huán)境信息感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、智能決策系統(tǒng)等部分組成，其中前兩者是機(jī)器人本體部分。相對(duì)于輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)而言，履帶式行走機(jī)構(gòu)（tracked mobile mechanism）具有支承面積大，接地比壓小，越野機(jī)動(dòng)性能高，爬坡、越障、跨溝能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
履帶驅(qū)動(dòng)方式有很強(qiáng)的實(shí)用性，包括具有通過(guò)各種障礙——例如石塊、排水溝和坑洼等。若采用正確的履帶材料，即便是在光滑的表面——例如雪地、濕的混凝土或者清潔的廚房地板上，它的牽引力也是相當(dāng)優(yōu)秀的。雖然更大的接觸面積提升了前后運(yùn)動(dòng)時(shí)的牽引力，但同時(shí)也限制了機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎能力。履帶式車輛（例如坦克）依靠側(cè)滑或者繞著一個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，因此，它們被稱為采用“滑動(dòng)轉(zhuǎn)向”。如果履帶行走部分極度柔韌，而地面又非常堅(jiān)硬（比如廚房地板），額外增加的摩擦力將極大地削弱車輛的轉(zhuǎn)彎能力。
（1）普通履帶移動(dòng)機(jī)器人
圖1是采用普通履帶式行走機(jī)構(gòu)的履帶機(jī)器人。它的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)和5自由度機(jī)械臂兩部分組成。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩條履帶,以相同脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)直線前進(jìn)或后退,以不同脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)曲線運(yùn)動(dòng)。
圖1 履帶式機(jī)器人
（2）四履帶足機(jī)器人
四履帶足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)主要有并聯(lián)機(jī)構(gòu)型四履帶足、變位四履帶足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：
圖2 變位四履帶足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu) 圖3 并聯(lián)機(jī)構(gòu)型四履帶足機(jī)器人
圖2為變位四履帶足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是履帶足可繞回轉(zhuǎn)軸自由旋轉(zhuǎn),回轉(zhuǎn)軸低置,低于兩帶輪中心線連線；履帶足可以有正負(fù)一定度數(shù)的擺動(dòng)自由。其越障原理是:當(dāng)前履帶足碰到障礙物時(shí)，壁面對(duì)履帶足的摩擦力使履帶足產(chǎn)生一個(gè)向上翻轉(zhuǎn)的力矩,履帶足沿壁攀升，直到爬上障礙物。后履帶足以同樣的形式爬上障礙物。
并聯(lián)機(jī)構(gòu)型四履帶足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)在原有四履帶足行走機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上巧妙地進(jìn)行了機(jī)構(gòu)創(chuàng)新,通過(guò)改變腿的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人水平姿態(tài)的調(diào)整,其越障能力和地形適應(yīng)能力大大提高。并聯(lián)機(jī)構(gòu)型四履帶足行走機(jī)構(gòu)主要由履帶足，伸縮腿和車體三部分組成。其中履帶足可以繞腿部自由擺動(dòng),而腿也可以通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)前后擺動(dòng),并且每條腿還可以自由伸縮。圖3為該行走機(jī)構(gòu)越障時(shí)的姿態(tài)示意圖。其工作原理是:當(dāng)安裝在車體上的姿態(tài)傳感器檢測(cè)到車體傾斜到一定的程度時(shí),機(jī)器人就會(huì)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)側(cè)的腿部電動(dòng)機(jī)，使該側(cè)的腿伸長(zhǎng)一定的距離，而另一側(cè)的腿保持不變,直到車身恢復(fù)至水平姿態(tài)。本移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)具有很強(qiáng)的越障性能，可以跨越比履帶輪高數(shù)倍的障礙，相對(duì)于一般的輪式和履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有很強(qiáng)的優(yōu)越性。此外該機(jī)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，可以通過(guò)改變機(jī)體的尺寸或更換部件來(lái)滿足不同的要求，適用范圍廣。
（3）關(guān)節(jié)式履帶機(jī)器人
機(jī)器人的爬梯能力是移動(dòng)機(jī)器人的重要越障性能指標(biāo)，傳統(tǒng)的履帶式機(jī)器人雖然能夠完成上述任務(wù)，但是體積較大。特殊車輪機(jī)構(gòu)亦有發(fā)展，例如采用行星輪機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)所用零件和馬達(dá)較多，重量較重，機(jī)械效率差，所爬臺(tái)階高度大致為行星輪板高的三分之二。腿式移動(dòng)載體（一般以連桿機(jī)構(gòu)或者氣動(dòng)機(jī)構(gòu)較為常見(jiàn)）是另一類爬梯機(jī)構(gòu)方案，模仿人類或其它動(dòng)物腿部運(yùn)動(dòng)，該類機(jī)構(gòu)較容易跨越障礙物，安穩(wěn)地上下樓梯，以及在極度崎嶇的地面上平順地運(yùn)動(dòng)。但是由于機(jī)構(gòu)復(fù)雜，移動(dòng)面又時(shí)有變化，故設(shè)計(jì)時(shí)變得十分復(fù)雜；為達(dá)到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的要求，在控制上也變得更為精細(xì)，所以此型機(jī)器人的移動(dòng)速度不會(huì)很快。關(guān)節(jié)式履帶機(jī)器人通過(guò)在原有履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)上加上關(guān)節(jié)擺臂，不但充分利用了履帶式機(jī)器人良好的地面適應(yīng)性，而且大大提高了機(jī)構(gòu)的越障性能，使其更能應(yīng)付表面的突然變化，其機(jī)身在陡峭的斜面或樓梯上行進(jìn)時(shí)也較易保持穩(wěn)定的姿態(tài)。并且綜合考慮系統(tǒng)復(fù)雜度以及性能指標(biāo)，關(guān)節(jié)式履帶行走系統(tǒng)在機(jī)構(gòu)冗余度低、控制相對(duì)簡(jiǎn)單的情況下能較好實(shí)現(xiàn)其它各機(jī)構(gòu)的越障要求。
圖4 關(guān)節(jié)式履帶機(jī)器人
圖4是由上海大學(xué)精密機(jī)械工程系研制的關(guān)節(jié)式履帶機(jī)器人，該機(jī)器人主要是由前擺臂和主車體構(gòu)成，采用后輪驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人通過(guò)調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)角度適應(yīng)地面變化，前臂擺動(dòng)角度為90度。
參考文獻(xiàn)
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四、方案論證
綜合比較上述方案，本論文選擇關(guān)節(jié)式履帶行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，關(guān)節(jié)式履帶機(jī)器人通過(guò)在原有履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)上加上關(guān)節(jié)擺臂,不但充分利用了履帶式機(jī)器人良好的地面適應(yīng)性,而且大大提高了機(jī)構(gòu)的越障性能,使其更能應(yīng)付表的突然變化,其機(jī)身在陡峭的斜面或樓梯上行進(jìn)時(shí)也較易保持穩(wěn)定的姿態(tài)。并且綜合考慮系統(tǒng)復(fù)雜度以及性能指標(biāo)，關(guān)節(jié)式履帶行走系統(tǒng)在機(jī)構(gòu)冗余度低、控制相對(duì)簡(jiǎn)單的情況下能較好實(shí)現(xiàn)其它各機(jī)構(gòu)的越障要求。
圖5：雙流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)
該關(guān)節(jié)式履帶行走機(jī)構(gòu)由兩組平行排履帶構(gòu)成，前關(guān)節(jié)把兩履帶組聯(lián)結(jié)在一起，分別由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)（采用后輪驅(qū)動(dòng)），關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力由舵機(jī)提供。通過(guò)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，履帶機(jī)構(gòu)整體姿態(tài)得到不同程度的調(diào)整、中心位置的變化，以適應(yīng)不同的越障要求。該行走系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是合適的傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)，來(lái)解決履帶行走裝置普遍存在的轉(zhuǎn)彎條件下的功率要求較高的問(wèn)題。擬定采用雙流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，雙流轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu), 就是將動(dòng)力分為兩路, 一路為變速分路, 控制兩側(cè)履帶的直線行駛速度，另一路為轉(zhuǎn)向分路,專門控制轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，這兩路功率在兩側(cè)匯流行星排中匯合起來(lái), 再經(jīng)兩側(cè)的側(cè)傳動(dòng), 最后傳到驅(qū)動(dòng)輪上（見(jiàn)圖5）。
五、工作計(jì)劃
第1周 完成英文翻譯，提交英文翻譯給指導(dǎo)老師批閱。
第2周