地面武装侦察机器人机械设计与动力学分析

摘要

在现代战争中，武器系统正朝着无人化、智能化、高精度的方向发展，战场环境也更加复杂。作战人员往往囿于自身生理和心理的局限，不能完全满足作战任务的需求。地面武装侦察机器人，是一种用于代替士兵承担军事任务的地面无人车辆，它同时具备了武装作战和战地侦察等功能。地面武装侦察机器人的使用，可以有效提高军队的作战效能，并极大地降低我方伤亡人数。本文设计了一款新型六履带轮履复合式武装侦察机器人，制造了其移动平台的实体样机，并进行了动力学仿真。这一设计发明可以充实我国地面无人化机动武器装备的研究，同时为类似地面移动机器人的设计提供理论与实践借鉴。
　　本文围绕所设计的新型武装侦察机器人，开展了一系列研究工作，主要有：
　　1）开展了机械设计与电机匹配研究。提出了系统总体方案，进行了模块化设计，并重点介绍了嵌套轴系等关键结构的创新设计；探究了机器人各部位驱动电机的匹配计算方法。2）开展了底盘系统的动力学研究。针对直驶、爬坡、越障和自撑起几种典型位姿，对武装侦察机器人进行了系统动力学建模，并进行了数值求解与分析。3）开展了武器站系统的伺服控制研究。根据机器人武器站要能够快速捕捉、精确打击目标的要求，设计了武器站的伺服系统和PID控制器，并进行了参数整定与仿真。4）开展了武器站系统的机电联合仿真研究。将武装机器人的多刚体动力学模型与伺服系统控制模型联合起来，进行了武器站的机电系统联合仿真与分析。5）开展了有限元分析与优化设计研究。针对机器人的关键零部件进行了静强度分析，并在有限元分析的基础上，开展了相关结构的优化设计。
　　最后，论文针对现有设计和实体样机在实验中出现的问题，给出了进一步优化改进的建议，并对地面武装侦察机器人的发展前景进行了展望。

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1绪论

1.1引言

1.2课题研究目的与意义

1.3军用地面移动机器人国内外研究概况

1.4论文的主要工作及内容安排

2武装侦察机器人总体设计

2.1设计指标及构型分析

2.2系统组成与布局

2.3本章小结

3武装侦察机器人机械设计与电机匹配

3.1行驶系统设计

3.2承载与防护系统设计

3.3武器站系统设计

3.4侦察云台设计

3.5电机与减速器的匹配计算研究

3.6本章小结

4机器人机动过程动力学建模与分析

4.1平地直驶动力学建模与分析

4.2爬坡动力学建模与分析

4.3越障动力学建模与分析

4.4自撑起动力学建模与分析

4.5本章小结

5机器人武器站伺服系统与PID控制器设计

5.1伺服系统建模

5.2 PID控制原理

5.3 PID控制器设计

5.4 PID控制器参数整定与系统仿真

5.5本章小结

6 机器人武器站机电联合仿真与分析

6.1机电联合仿真技术简介

6.2多刚体动力学模型的建立

6.3机电联合控制模型的建立

6.4机电联合仿真与结果分析

6.5本章小结

7 机器人关键零部件有限元分析与优化

7.1有限元相关理论

7.2翻转臂有限元分析及结构优化

7.3大臂的有限元分析与结构优化

7.4本章小结

8总结与展望

8.1全文总结

8.2工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果