1、i i救援机器人工程设计及带式移动系统结构分析摘 要我国是世界上灾难发生最为严重的少数国家之一，具有灾害种类多、发生频率高和分布地域广等特点。救援机器人正是为了灾难救援的现实需求而提出的。本课题将研究机器人技术在灾难救援领域的一种应用，其商业化产品应能部分代替救援队员进入危险环境执行搜索救援任务，并将感知的现场信息传送给场外控制人员，为各类救援策略的制定提供有价值的支持。本课题主要对救援机器人系统结构进行分析，并依据典型的救援环境设计出具有越障功能的机器人。本文主要完成了以下工作：（1）通过比较国内外救援机器人的典型结构和详细的讨论分析，确定了救援机器人的行走方案，即四摆臂履带救援机器人。（2
2、）通过分析四摆臂履带机器人的机构特点，设计了机器人的传动系统，选择合适的动力源，并对机器人内部进行合理布置。在机器人具体设计过程中采用了模块化设计思想，将机器人分为主体模块、行走模块、摆臂模块，总体结构对称、紧凑，布局合理。（3）基于模拟的灾难环境，对救援机器人的行走越障过程进行运动学分析。针对特定障碍，设计出了一系列动作姿态。关键词：救援机器人；履带；传动方案；越障ii iiContact points detection for tracked mobile robots using inclination of track chainsABSTRACTA tracked mobile r
3、obot has high mobility and stability to get over rough terrain by changing its form according to environments. However, it is hard for an operator to control the mechanism skillfully by remote control. One of the solutions of the problem is an implementation of an autonomous control system. A detect
4、ion of distributed contact points between the crawlers and an environment enable the autonomous control. In this paper, the authors propose a distributed contact sensor for tracked vehicle. In order to apply touch sensors to each track shoe, a problem of electric wirings has to be solved because the
5、 crawler is rotating continuously. In our proposed method, Contact points are detected by measuring inclination if track shoes optically. For optical sensing of the inclination, a special reflector is designed and evaluated. The authors developed a method for distributed contact sensing of tracked v
6、ehicle, and examined whether the sensor can detect contact point during the step climbing motion.KeywordsSearch and Rescue Robots, Tracked Mobile Robots, Distributed touch Sensor, Inclination of Track Chains, View Angle Filteriii iii目 录摘 要 .IABSTRACT.II目 录 .III第一章 绪 论 .11.1 移动机器人的研究起源和发展 .11.2.2 国内救
7、援机器人的研究现状 .51.3 本课题研究意义及主要研究内容 .6第二章 救援机器人灾难环境介绍和行走系统方案分析 .82.1 救援机器人设计要求 .82.2 救援机器人行走方案分类和比较 .82.2.1 轮式行走系统 .82.2.2 履带式行走系统 .92.2.3 腿式行走系统 .92.2.4 履、腿复合式行走系统 .102.2.5 行走系统性能比较 .102.3 本章小结 .11第三章 救援机器人总体方案设计 .123.1 总体尺寸与关键参数的确定 .133.1.1 迷宫行走 .143.1.2 跨越高台 .143.1.4 上下楼梯 .163.1.5 机器人尺寸参数的建立 .183.2 传动
8、方案与传动机构的分析设计 .193.3 机器人动力源的计算和选择 .233.3.1 机器人行走系统动力分析 .23iv iv3.3.2 救援机器人摆臂动力分析 .283.4 具体零部件设计 .303.4.1 传动设计 .303.4.2 箱体设计 .313.4.3 履带及驱（从）动轮设计 .323.4.4 其他零件设计 .343.5 本章小结 .34结 束 语 .35致 谢 .36参考文献 .370 0第一章 绪 论1.1 移动机器人的研究起源和发展由于人类探索活动的深度和广度不断提高，促成了机器人的诞生。机器人不仅可以代替人来做许多劳动强度大、劳动时间长的工作，更可在人类无法到达的恶劣环境中工
9、作，有些环境甚至是致命危险的环境，例如深海作业、排除爆炸装置等。随着电子信息技术的突飞猛进，机器人作为一种新型的生产工具，具备极大的优越性，得到了飞跃发展。作为一种先进的机电一体化产品，机器人技术的发展与自动控制技术的发展息息相关。人们期望机器人在许多人类无法涉及的区域能代替人类劳动完成更复杂的任务，例如在军事侦察、扫雷除险、防止核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广泛的应用前景。所以未来的机器人所面临的环境将是未知的、不可预测的、非人为的构造的环境，机器人所完成的任务也将越来越复杂，因而对机器人的控制系统提出了更高的要求。作为控制系统设计的前提要求机器人执行机构具有良好的运动学
10、和动力学特性，同时也对机器人的执行机构提出了更高要求 1。 移动机器人是机器人学中的一个重要分支，与传统机器人不同，移动机器人可以通过改变本体位置而完成特定任务。目前，移动机器人主要用于对一些危险和未知的地域进行探索，由于其具有很强的地形适应性，可以穿越野外崎岖地形，从而达到探测目的。移动机器人具有尺寸小，行走灵活，自由度多等特点，在灾难搜救、行星探测、军事侦察、科学研究等方面具有巨大的社会效益和经济效益，可以在战时参加军事活动，和平时期为经济建设服务。因此，移动机器人受到了越来越多人的关注和研究。移动机器人发展至今，可以从以下方面对其进行分类 2：（1）工作环境：室内移动机器人和室外移动机器
11、人；（2）移动方式：轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇形机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等；（3）控制体系结构：功能式(水平式)结构机器人、行为式(垂直式)结构机器人和混合式机器人；（4）功能和用途：医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等；1 1（5）作业空间：陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器。在过去几十年中，移动机器人得到了很大的发展，其应用得到了充分的发掘，现在已经可以在各个领域中看见移动机器人的身影。同时，移动机器人在飞速的朝着智能化和多样化方向发展，将在国民经济和安全中起着重要作用并具有重大的战略意义。1.2国内外救援机器人的研究现状救援机器人是移动机器人在
12、灾难救援领域中的一种应用，它是为救援而采取先进科学技术研制的移动机器人，如地震救援机器人，它是一种专门用于大地震后在地下商场等危险地区寻找幸存者执行救援任务的机器人。目前救援机器人可分为军用救援机器人、灾后救援机器人、水下救援机器人等。救援机器人是针对某一特定的灾难环境而设计的，所以它应具有良好的越障能力、感知能力和通信能力等。救援机器人以其独特的体积小、灵活、高效等诸多优点成为灾难辅助救援的有效工具并引起全世界的广泛关注。早在上个世纪 60 年代末期，斯坦福的科研人员就开始研究移动机器人，经过三年的努力，Shakey 自主移动机器人问世，其研究目的是应用于人工智能技术，在复杂环境下机器人系统
13、的自主推理、规划和控制。同时，最早的操作步行机器人也研制成功，开始了机器人步行方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。70 年代末，随着计算机的应用和传感器技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。特别是 80 年代中期，一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室的研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。90 年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。近年来，世界上许多国家开始从国家安全
14、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。目前，灾难救援机器人技术正从理论和试验研究向实际应用发展。在 2010 年 6 月份日本神户召开的 IEEE 安全、防卫、救援国际研讨会(IEEE 2 2SSRR05)上，会议的主旨定为：“在今后的减灾和救援中，机器人作为一种有效的手段，将成为社会基础设施中不可缺少的部分” 。到会的代表来自 16 个不同的国家和地区，各国的救援机器人研究工作，因国与国之间的技术水平、地域环境和政治因素的不同，灾害类型的不同，灾害区域废墟的
15、成分不同，以及机器人作业任务的不同，而显得全面化和多样化。下面就国内外救援机器人研究现状分别进行介绍 3。1.2.1 国外救援机器人的研究现状作为一个多核能、多地震国家，日本在救援机器人方面开展了相对全面的工作。自 1995 年阪神地震发生后 10 多年间，日本在灾难救援防护方面已经形成了完备的国家体系。特别是从 2002 年开始，日本文化科学部确立了“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。该计划采纳了共 30 多项建议，项目为期 5 年。参加者包括大学、公司和国立研究所，研发内容包括
16、用于观察灾难环境的机器人系统、传感技术、人类接口技术和系统集成。川崎市为该项目建立了公用试验场地，并建立了国际救援系统研究所。国际救援研究机构在“灾害应对战略研究”中，把本研究计划作为核心内容全部包含在内，目的是实现在非常困难的大规模灾害救援活动中，即使是在混乱中也能对进行情报收集和判断，根据灾害状况进行最优的救助。日本东京工业大学的广濑是最早从事救援机器人研究的学者之一 3，他所领导的广濑研究室，从仿生的角度和基于超机械系统的思想先后研制了“ACM” 、“GENBU”与“SORYU”等多系列救援机器人样机，在仿生机械及灾难救援应用研究方面，广濑教授及其学生做出了卓著的贡献。图 l.1 为广濑
17、研究室研制出的救援机器人部分样机。考虑到灾害现场的援助作业最重要的是确定受灾害者的位置，必须依靠能够在像瓦砾那样狭小的场所移动的机器人来探察，为此他们研制了 SOURYUI 和 SOURYUII；针对火灾现场的消防，有软管的搬运、放水及被害者的探查等作业，他们研制出水压驱动的多车轮机器人 GENBU-I、GENBU-II 和 GENBU-，以消防用的高压水为动力源，进行放水和驱动。3 3图 1.1 广濑研究室的救援机器人 3“911”事件后，灾难救援机器人技术在美国日益受到重视。 “911”事件的灾难现场救援认为是灾难救援机器人的第一次实际应用。在纽约世界贸易中心遭到恐怖袭击发生后几小时，退役
18、中校约翰布莱彻任主任的美国“机器人辅助搜救中心”应纽约市紧急事务管理办公室要求，立即组织了一支由机器人专家和生产厂家技术人员构成的队伍，携带可供使用的机器人，赶赴世贸中心废墟现场，向救援行动提供技术支持，其中投入使用的 8 种机器人如图1.2 所示。4 4图 1.2 在世贸大厦进行作业的救援机器人 3图 1.2ac 分别为 Inuktun 公司的三种机器人 3：Micro VGTV、Micro Traces 和 Mini Traces，它们在废墟堆上用的最多，因为它们体积小，质量轻。三种机器人之中，Micro VGTV 和 Micro Traces 被证明更有用于救援作业，Mini Trace
19、 本想用于废墟堆中，但受到空间的限制而不能有效的利用。Foster-Miller 公司也使用了三种机器人系统：Talon，SOLEM 和 Urbot(图1.2df)，三种机器人与 Inuktun 公司的机器人相比体积较大，但具有更好的传感和承载能力，因为它们来源于 NASA 军方背景的研究，具有较大的速度。SOLEM 被用于废墟堆中的作业，Talon 和 Urbot 被用于建筑物的内部检测。iRobot 公司在救援行动中也使用了两种机器人:Packbot 和 ATRV。Packbot 采用履带驱动具有非凡的牵引力和自调整能力，ATRV 为大型轮式移动机构，体形高大。1.2.2 国内救援机器人的
20、研究现状在我国，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，已有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广泛的研究 17。对灾难救援而言，在消防机器人研究方面已经取得了显著的成绩。2002 年6 月，由公安部上海消防研究所、上海交通大学和上海消防局三家单位共同承担的国家 863 项目“履带式、轮式消防灭火机器人”研制成功，并顺利通过国家验收。消防灭火机器人是一种结合多种消防灭火手段为一体的新型消防装备。图 1.3 为上海强师消防装备有限公司（公安部上海消防研究所控股）提供的消防机器人产品。灭火机器人从实验室走向生产车
21、间最终战斗在火场一线，为我国消防装备的发展注入了新鲜的血液。在 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。图 1.4 为蛇形机器人样机，旨在用于非结构环境中探测和灾难救援作业。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姿态，在监控系统的无线控制下，具有一定的三维运动能力，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。在蛇形机器人研究基础上，从模块化、可重构和自动变形5 5的角度研制出了一种履带式灾难救援可变性模块机器人样机，该三模块机器人具有 9 种运动构形和 3 种对称构形，具有直线、三角和并排等多种形态，图1.4b 所示为其三角形态，它能够通过多种形态和步态来适应环境和任务的需要。图 1.4c 为水面救援机器人，可以在 1km 范围内，对其进行无线控制。图 1.4d为沈阳自动化所和广州卫富公司共同研制出的具有自主知识产权、能完成反恐、防爆等综合任务的“危险作业机器人”产品样机。图 1.3 国产消防机器人图 1.4 沈阳自动化所研制的灾难救援机器人
