城市救援机器人行走系统详细设计与虚拟样机构建

摘要

城市救援机器人是机器人技术在灾难救援领域的一种应用，它可以代替救援队员进入危险环境执行搜索救援任务，并将获得的信息传送给场外控制人员。因此该类型机器人得到广泛的研究和关注。城市救援机器人是一个多系统集合体，可以从各个角度进行设计研究。本文主要对救援机器人的行走系统进行研究，并针对典型的救援环境设计出具有越障功能并满足性能指标的实物样机。论文主要完成了以下工作：
　　 （1）基于救援机器人世界杯赛比赛场地，提出了基本的功能要求。通过比较国内外典型移动机器人行走系统的功能特点，提出了一种新的救援机器人行走系统方案，即六自由度履-腿复合式行走系统。该行走系统可以通过调整摆臂姿态来适应各种复杂地形。同时，设计了机器人的传动方案和典型障碍下的越障模式。
　　 （2）基于救援机器人越障机动性和稳定性要求，对机器人越障过程中的关键姿态进行了分析，优化设计机器人整体尺寸。综合已有救援机器人性能指标，结合复杂的搜救环境，初步确定了该机器人行走系统所要满足的各项性能指标，如重量、移动速度、摆臂转动速度等。通过对典型运动过程的力学分析，如原地转向，爬斜坡，自撑起运动等，确定了机器人各个关节所需动力。借助ADAMS动力学分析软件，构建了救援机器人行走系统的虚拟样机，对姿态变化较复杂的越障过程进行了动态仿真，分析了机器人在整个越障过程中所需动力，为驱动电机的选取提供了参考数据。
　　 （3）采用模块化设计理念对救援机器人行走系统进行了详细的机械设计。其中包括主体设计、主履带移动机构设计和摆臂机构设计，总体结构紧凑、布局合理。运用有限元分析软件ANSYS对关键的零部件进行了优化分析，在满足结构强度和整体机构刚度的同时尽可能减小机器人的重量，提高机器人的机动性能。
　　 （4）研制出救援机器人样机，操作机器人实现了多种姿态。根据设计目标测试了样机的各项性能，包括灵活性、平稳性、机动性、转向性及越障性等。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 城市救援机器人的应用前景及优势

1.2 救援机器人研究概况及趋势

1.2.1 国外救援机器人研究概况

1.2.2 国内救援机器人研究现状

1.2.3 救援机器人关键性能及发展趋势

1.3 课题来源及意义

1.4 论文组织结构

第二章 救援机器人行走系统传动方案设计和典型工作模式规划

2.1 救援机器人比赛环境及设计要求

2.1.1 救援机器人比赛环境介绍

2.1.2 救援机器人设计要求

2.2 现有移动机器人行走系统的分类与比较

2.2.1 轮式行走系统

2.2.2 履带式行走系统

2.2.3 腿足式行走系统

2.2.4 复合式行走系统

2.2.5 仿生式行走系统

2.2.6 各类行走系统性能比较

2.3 行走系统传动方案设计

2.4 行走系统典型工作模式规划

2.5 本章小结

第三章 救援机器人行走系统主参数设计

3.1 总体尺寸设计

3.1.1 迷宫水平地面运动

3.1.2 上下楼梯

3.1.3 跨越台阶

3.1.4 斜坡运动

3.1.5 整体尺寸参数

3.2 动力分析

3.2.1 参数指标设计

3.2.2 主履带行走机构动力分析

3.2.3 摆臂机构动力分析

3.3 本章小结

第四章 救援机器人行走系统虚拟样机构建与动态仿真

4.1 ADAMS软件简介

4.2 行走系统虚拟样机原地转向动态仿真

4.2.1 行走系统虚拟样机建模

4.2.2 将UG软件中的模型导入ADAMS软件

4.2.3 行走系统虚拟样机仿真

4.2.4 行走系统虚拟样机的改进及仿真

4.3 行走系统虚拟样机跨越台阶动态仿真

4.3.1 行走系统虚拟样机建模

4.3.2 行走系统虚拟样机越障运动仿真

4.4 本章小结

第五章 救援机器人行走系统详细设计及样机研制

5.1 主体设计

5.1.1 车架设计

5.1.2 车架结构优化

5.2 主履带移动机构设计

5.2.1 传动设计

5.2.2 主带轮设计

5.2.3 主履带设计

5.2.4 其他零件设计

5.3 摆臂机构设计

5.3.1 传动设计

5.3.2 摆臂带轮设计

5.3.3 摆臂履带设计

5.3.4 摆臂侧板优化设计

5.4 样机研制及功能测试

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献