自适应行星轮式履带机器人的研究

发布时间：2020-05-08 16:30

【摘要】：随着技术的不断革新与应用,各种地面移动机构都具有了更为优越的运动性能。其中履带式移动机构因其接地面积大,接地比压小,对环境的适应能力强,在各种复杂的地面上具有较好的运动能力而得到广泛的应用,特别是在军事侦查,灾后搜救等领域,履带式移动机构都具有优越的表现。本文根据履带式移动机构的特点提出了一种欠驱动的行星轮式履带移动机构,以延长续航里程,提高机器人的被动越障能力,减少越障时间。本文在调研了国内外履带式移动机构研究现状的基础上,对比分析了各种履带式移动机构各自的特点。根据这些特点提出了具有欠驱动、被动自适应的行星履带式辅助越障机构,该机构能够使机器人在运动过程中根据地形条件的变化采用不同的运动形式进行移动。通过对比星形履带机构在机器人底盘上的不同布置方案的特点,优选出一种具有前摆臂的布置方案。针对履带式移动平台建立了其在水平地面上的运动学及动力学模型,分析了履带机器人在水平地面上运动特性。对行星履带轮在不同驱动下的越障性能进行了分析,并通过建立动力学模型,计算了机器人在爬越楼梯障碍时所需的电机扭矩,同时计算分析了机器人在爬坡、跨越壕沟等障碍时所需的电机转矩。利用多体动力学仿真软件RecurDyn创建了行星轮式履带机器人的虚拟模型,得到了机器人在坡面、壕沟、台阶地形上运动过程中驱动轮转矩变化曲线。将理论计算与仿真分析的结果相互验证,在此基础上联系实际情况确定机器人的各结构参数,并利用SolidWorks软件对其各零部件进行了详细的设计,使用有限元分析软件对所设计的机器人的关键承力部件进行了强度校核,根据校核结果对机器人的结构进行了优化。在履带机器人总体设计完成之后,试制了一台机器人样机,并利用该机器人在平地、草地、崎岖地形上进行了实验。特别地,对该机器人进行了爬越楼梯和跨越壕沟的实验,通过实验验证了理论分析的正确性、欠驱动行星履带轮对地形的适应性以及机器人较强的爬台阶能力。本文的创新之处在于:将欠驱动的行星履带轮应用在履带机器人上,减少了驱动机器人运行的电机数量,降低了机器人的重量,这使得机器人具有更为优越的越障、续航能力,同时被动自适应地形使得器人能够更加快速的越障。
【图文】：

于轮式结构在运动性能上有较大的提高，在抗撞击、负载能力上都较轮式移动机逡逑构优异。由中国航天科工集团第四研宄院研制的“雪豹２０”履带机器人是一种用逡逑于排爆、巡检的机器人，如图１－１所示，该机器人有两条绿带构成，在机器人的车逡逑体上装载了机械手、摄像头等设备，摄像头能够将机器人巡检过程中采集到的信逡逑息传给操控人员，当机器人在巡检过程中发现危险物时，遥控人员可以控制机器逡逑人搭载的机械手进行危险品的检测和排除，该机械手能够抓起１５公斤的重物，使逡逑用此种机器人代替人类能够大大减少安检人员在排查危险品时的伤亡。逡逑图１－１邋“雪豹２０”履带机器人逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｔｈｅ邋＂Ｓｎｏｗ邋ｌｅｏｐａｒｄ邋２０＂邋ｔｒａｃｋｅｄ邋ｒｏｂｏｔ逡逑由美国福斯特－米勒公司研发的“剑”式履带机器人如图１－２所示，该机器人逡逑改进于Ｔａｌｏｎ机器人，其折叠高度０．９米，最大行驶速度９千米／小时，机器人车逡逑体上能够装载５．５６毫米Ｍ２４９型机枪、７．６２毫米Ｍ２４０型机枪Ｍｌ６系列突击步枪逡逑和Ｍ２０２－Ａ１６毫米榴弹发射器，能够连续不断的向敌方发射数百发枪弹及火箭弹，逡逑具有极高的命中率。另外，安装的摄像机、夜视仪、变焦设备、光学侦查或瞄准逡逑设备

Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｔｈｅ＂Ｓｗｏｒｄ＂邋ｃｒａｗｌｅｒ邋ｒｏｂｏｔ逡逑Ｔｅｏｄｏｒ机器人ｍ是由德国Ｔｄｅｒｏｂ公司研制，这款履带式移动机器人Ｍｌ在易逡逑燃易爆等危险品的排除上，具有十分优越的表现。如图１－３所示，，该机器人重量在逡逑３６０公斤左右，外形尺寸１．３米ｘ0．６８米ｘｌ．１米，能够抓取２０－１００公斤的重物，其逡逑最大运行时速为３公里。逡逑逦ｌ｜Ｈｉ逡逑．ｉ邋—逡逑１＾＾．＇酬逡逑ｈｉ邋ｉｉ邋３ＫＫＬ＾逡逑图１－３邋Ｔｅｏｄｏｒ履带机器人［］７】逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｔｅｏｄｏｒ邋ｃｒａｗｌｅｒ邋ｒｏｂｏｔ［１７］逡逑１．３．２双节四履带式移动机器人逡逑双节四履带式移动机构相比于单节双履带式移动机构在一端履带轮的两侧多逡逑出两条履带，多出的这两条履带就相当于整个机构的手臂，能够在遇到障碍时主逡逑动控制摆臂的旋转，帮助机器人越过障碍。由美国ｉＲｏｂｏｔ公司研发的Ｐａｃｋｂｏｔ机逡逑器人如图１－４所示，该机器人由四条履带构成，前侧两条履带能够绕着驱动轮中旋逡逑转，控制摆臂的姿态能够提高机器人的越障、通过能力。该机器人的外形尺寸０．８７逡逑米ｘ0．５１米ｘ0．１８米，总体重量约１８千克，机器人装载的电池能够维持］３公里的逡逑行程，最大时速１４公里，最大涉水深度可达３米，得益于合理的结构设计，该机逡逑５逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

【参考文献】

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本文编号：2654910