《一种新型越障机器人的设计与开发》由会员分享，可在线阅读，更多相关《一种新型越障机器人的设计与开发（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、华中科技大学 硕士学位论文 一种新型越障机器人的设计与开发 姓名：李一鹏 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：陈学东 20090523 III 华中科技大学硕士学位论文 摘 要 小型地面移动机器人具有体积小巧、机动性高、环境适应能力强、承载能力突出等 优点，而机器人的小型化和越障能力的矛盾一直成为其实用化的制约条件，如何提高机 器人的越障性能成为近年来移动机器人基础研究的热点问题。本文以基于行星轮链接式 车体结构的新型越障机器人为研究对象，围绕机器人的结构设计的优化、越障性能的分 析及其机电系统的设计展开了研究，具体研究工作如下： 分析了国内外小型移动机器人的研究设计及其实用化程
2、度的现状，针对基于行星轮 系结构和链接式结构的运载平台分别进行了深入的比较和讨论。针对现有传统轮式、腿 式和履带式运动底盘的优缺点进行了分析，概况了小型移动机器人未来发展趋势，确定 了本文中新型越障机器人的研究背景和设计目标。 分析机器人驱动模块的设计方案，详细推导了其结构相关参数的优化过程。综合现 有运载底盘的性能特点，提出了多种车体框架结构方案，并进行了比较、筛选和综合。 最终确定了以行星轮驱动模块为行走机构，以链接式结构为车体框架的机器人机构总体 方案。 推导行星轮链接式底盘在通过各种障碍时受力情况。对越障分析过程中机器人的相 关参数进行了详细的定义与说明，对分析的环境进行了合理、有效的
3、假设以简化计算过 程。分析了机器人的轮触地条件、斜坡行驶和攀越台阶等障碍的约束条件。根据其动力 和阻力的相互制约情况，将单级台阶的越障过程细化为多个阶段进行详细的受力分析， 确定越障高度和多个车体结构参数之间的关系。分析了越障过程中各种参数的耦合和矛 盾，指出分析过程中遇到的问题及其研究方向。 结合在 ADAMS 中虚拟模型的仿真实验结果，优化得到样机的车体结构参数，并设 计制作了机器人的机械系统。通过仿真分析初步验证了上述分析理论的正确性。阐述了 基于上述越障性能的要求，机器人所需要的控制系统的设计及其具体的实现方案。 设计制作完成的新型越障机器人样机通过了一系列性能试验，得到了样机达到的实
4、 际性能指标，并和设计指标进行了比较和分析。试验结果表明新型越障机器人达到了良 好的越障性能，行星轮链接式底盘充分地集成了轮式和履带式底盘的优点并成功避开了 其各自的缺陷。试验验证了理论分析及仿真的有效性，通过对试验结果进行细致的分析 与思考，找出了理论分析与设计过程中需要改进的地方，为下一步工作指明了方向。 关键词：移动机器人 行星轮系 越障 IV 华中科技大学硕士学位论文 Abstract Small Unmaned Ground Vehicle (SUGV) has the advantage of compact size, high maneuverability, high ada
5、ptive capacity to environment, prominent carrying capacity. But its miniaturization and obstacle- crossing ability impede its way to utility. How to improve the obstacle- crossing ability of SUGV becomes a hot spot issue in recent years. With the study of a novel obstacle- crossing robot which bases
6、 the planetary wheel linking chassis structure, this thesis carries the research around the structure optimization, obstacle- crossing ability and control system. The specific works are as follows: According to the analyses of the current situation and future development of SUGV at home and abroad,
7、this paper fixes the research background and design target. It analyses the innovations and mechanism of a obstacle- crossing robot which bases the planetary wheel linking chassis structure combining the typical SUGV structure. Therefore, the thesis determines planetary wheel linking chassis structu
8、re to be the major structure of the novel obstacle- crossing robot. When planetary wheel linking chassis crosses all kinds of obstacle, its stress is deduced. In terms of the mutual condition between dynamic force and resistance force, dividing the process of crossing obstacle into several stages an
9、d choosing the most represented stages to make detailed analysis, the relationship between the height and the parameter is been determined. By combining the virtual model simulation results in ADAMS, the research achieves the optimized vehicle structure parameters. And then design and make the mecha
10、nical system of SUGV. The control system is also expounded and designed by the requirements mentioned above. The model machine passes the variety tests and is compared to the expected target. The content result proves that the theory is correct and the simulation is efficacious. On the other hand, t
11、he result makes us clearly find the problem in the design process and assigns the work following. Keywords: Mobile Robots, Planetary Gear System, Obstacle Crossing II 华中科技大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确
12、方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 1 华中科技大学硕士学位论文 1 绪
13、论 1.1 课题来源及意义 本课题来源于国家自然科学基金面上项目“两栖仿生龟机器人多介质环境下运动机 理与仿生机构综合的研究” 和863计划 “多介质环境下两栖仿生龟机器人关键技术研究” ， 目标是设计新型越障机器人。 随着相关技术的成熟，小型地面移动机器人近年来越来越多地应用于军用、警用领 域，并同时逐渐辐射到科学探索，工业生产等多个领域。随着美军投入实战的机器人数 目逐渐增多，军用机器人进入了实用化阶段，无人战斗装备将成为减少军队伤亡、节省 军费开支的有效手段。由于我国面临着严峻国内国际形势，为了在未来“信息及尺度不 均衡战争”中能与敌实施有效的抗衡,尽早开展高越障性能、强适应性、低成本、
14、智能化 小型地面移动机器人研究，对于军事作战、反恐、捍卫国家主权和领土完整有着重大的 现实意义。 开展本课题研究的目的如下： 1）探索开发一种基于行星轮系驱动机构的小体积、高机动越障底盘，能够适应各 种地形，特别是在典型城市环境下的平路和楼梯等地形拥有优良的通过性能。 2）为该底盘上搭载的任务模块提供一个稳定可靠的运载平台，底盘设计模块化， 接口通用化，方便安装、调试、维护和更换。 本课题的研究将介绍一种新型越障机器人的设计方法，提出了一种可以大幅度提升 机器人的越障能力的创新车体结构，详细分析了机器人机械和控制系统设计过程中的要 点问题。本课题的研究将会促进该新型越障机器人向实用化迈进。 1
15、.2 小型地面移动机器人的研究现状 1.2.1 国内外小型地面移动机器人的研究现状 在小型地面移动机器人的研究方面，美、英、德、法、日等国家走在世界的前列， 这些国家都有自己独立的实验性的小型地面移动机器人计划。自 1983 年美国国防高级 研究计划局立专项制定无人地面作战平台的战略计划自主地面车辆(ALV)计划，20 年来，美国制定一系列相关计划，近期的计划有：联合机器人计划、Demo、计划、 2 华中科技大学硕士学位论文 战术移动机器人(TMR)计划等；德国国防部制定了一项实验性机器人计划(PRIMUS)；英 国国防部研究局(DRA)提出了一项移动式先进机器人防御(MARDI)计划；意大利
16、制定 Italrobot 发展计划，并与法国和西班牙联合开发 AMR 先进的移动机器人；日本通产省 组织了极限环境下作业机器人计划1。此外，其它一些国家也在积极开展无人地面机动 平台的研究。 小型地面移动机器人分为小型自主/半自主地面移动机器人和小型遥控地面移动机 器人2- 7。近年来，由于反恐、反地道及城市巷战的需要，小型地面移动机器人研制工 作受到美国军方的高度重视，在战术移动机器人计划 TMR和联合机器人计划 JRP 的支 持下，取得了突破性进展，研制出一批小型无人地面武器机动平台，如图 1- 1（a）所示 的 iRobot公司8的 Packbot9、图 1- 1（b）所示的 Foster- Miller公司的 MAARS 等。其中 Packbot部分型侦察型号的机器人做到长度小于0.07m， 重量低于15kg， 速度达到2.5m/s， 达到优异的使用性能10。 (a)PackBOT (b)MAARS 图 1- 1 iRobot 公司和 Foster- Miller 公司的小型的地
