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四連桿履帶式搜救機器人設(shè)計
1 緒論
1.1 選題背景和意義
近年來，多發(fā)的自然災(zāi)害（如地震、火災(zāi)、洪水）、人為的恐怖活動、武力沖突及各種生化病毒、有毒物質(zhì)、輻射等恐怖不斷威脅著人類的安全，使得人們普遍關(guān)注對各種災(zāi)害的應(yīng)急能力、災(zāi)后的快速響應(yīng)處理能力。在突發(fā)恐怖事件、自然災(zāi)害及意外傷害發(fā)生后，巨大的災(zāi)害往往造成大范圍的建筑物坍塌和人員傷亡，現(xiàn)場搜索與救援成為人不最為緊急的工作。然而現(xiàn)場多為坍塌環(huán)境，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不穩(wěn)定，有些狹小空間救援人員和搜救犬根本無法進入，從而使搜救范圍限制在倒塌建筑物表面范圍。救援人員進入建筑物也將有巨大的風險，其體重和移動可能會引起建筑物進一步倒塌，造成對救援人員和幸存者的再次傷害。因此，救援隊員必須在結(jié)構(gòu)工程師進行評估，并對不穩(wěn)定的倒塌結(jié)構(gòu)進行支撐加固后才能進入，這個過程延誤了搜救受災(zāi)者的時間。同時，由于搜尋空間條件惡劣，易導(dǎo)致救援隊員勞累，從而易對周圍建筑結(jié)構(gòu)作出錯誤判斷，錯過沒有知覺受災(zāi)者的概率上升，而且救援人員也存在重大的健康風險和安全風險，影響救援工作的快速展開。
將機器人技術(shù)、營救行動技術(shù)、災(zāi)害學等多學科知識有機融合，研制與開發(fā)用于搜救與營救的救援機器人，將有效地提高救援的效率和減少救援人員的傷亡。
搜救機器人是指用在災(zāi)后非結(jié)構(gòu)環(huán)境下執(zhí)行搜索與救援任務(wù)的特種機器人。機器人在搜索與救援過程中明顯具有以下幾個方面的優(yōu)勢。
（1）在發(fā)生倒塌后，機器人可以立即展開對幸存者的搜索，進入結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的建筑物，降低救援隊員的風險，為搜救工作節(jié)約時間
（2）可以進入狹窄空間，擴展搜救專家的工作范圍。建筑物倒塌會形成各種各樣的空間，這些空間可能就會有幸存者，但搜救人員難以進入，而機器人卻可以一展身手。
（3）可以攜帶多種傳感器，探測幸存者空間狀況，在機器人軟件的幫助下對搜索區(qū)域?qū)嵭型暾娜S搜索，繪制結(jié)構(gòu)圖，提升工作效率和可靠性。搜救機器人可以攜帶溫度探測器、一氧化碳探測器、爆炸界限探測器、氧氣、PH探測器、輻射探測器和殺傷性武器探測器，從而測定空氣讀數(shù)，探測有害物質(zhì)，分析后向救援人員提出警告。
同時由于機器人技術(shù)發(fā)展極為迅猛，用于偵察和作戰(zhàn)等軍事領(lǐng)域的機器人，由于其特殊用途受到了各國軍方的廣泛關(guān)注。許多軍用機器人的研究成果直接應(yīng)用于國家安全領(lǐng)域，在維護國家安定，保障人民生活安全方面發(fā)揮了很大作用。軍用的地面移動機器人在各種復(fù)雜環(huán)境下具有較高的機動性，可以代替人類進入一些危險未知的環(huán)境，適應(yīng)于國防和民用等多個領(lǐng)域，而且在反恐斗爭中葉可以發(fā)揮很大作用。
這類機器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個方面：
（1）戰(zhàn)場偵察與環(huán)境探測
在移動平臺上裝備攝像頭、安全激光測距儀、夜視裝置和衛(wèi)星全球點位儀等設(shè)備，通過無線電或光纜操縱，完成偵察和監(jiān)視敵情、情報收集、目標搜索和自主巡邏等任務(wù)。還可以進入一些人類無法進入或適應(yīng)的危險環(huán)境，完成規(guī)模戰(zhàn)爭和反恐作戰(zhàn)中的偵察任務(wù)。
（2）高度機動與協(xié)同作戰(zhàn)
由于體積較小、機動能力較強，機器人能快速部署，完成偵察、警戒、目標突擊、追擊乃至解救人質(zhì)、街巷戰(zhàn)斗、反恐作戰(zhàn)、反裝甲作戰(zhàn)等武器裝備，使之具備強大的攻擊殺傷力，特別適用于城市和惡劣環(huán)境下（如核、生、化戰(zhàn)場等）的局部戰(zhàn)爭和信息戰(zhàn)爭。
（3）探測危險與排除險情
在戰(zhàn)場上或工程中，常常會遇到各種各樣的意外。這時，微型移動機器人就會發(fā)揮很好的作用。美國軍方曾廣泛使用智能車輛掃除路邊炸彈、尋找地雷和銷毀地雷。民用方面，可以探測化學泄露物質(zhì)，可以進行地鐵滅火，以及在強烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。
（4） 安全檢測與受損評估
在工程建設(shè)領(lǐng)域，除可對水庫堤壩、江河大壩進行質(zhì)量和安全性檢測之外，還可應(yīng)用于碼頭、橋墩等被撞后的受損程度探測評估。在制造領(lǐng)域，可用于工業(yè)管道中機械損傷，裂紋等缺陷的探尋，對輸油和輸氣管道線的泄露和破損點的查找和定位等。還可用于機場、車站等一些人口密集型場所，對來往人群、貨物進行安全監(jiān)控，也可以直接布置在客機機艙中執(zhí)行檢查危險物品的任務(wù)。
這些特種機器人技術(shù)集機械、電子、新材料、傳感器、計算機、智能控制與網(wǎng)絡(luò)通信等多門科學于一體，是一種具有基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和前瞻性的高新技術(shù)。對這種機器人的研究，將為未來地面戰(zhàn)爭、反恐事業(yè)和民用工業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)上的有力支持。
本課題目標是要研究和開發(fā)一種能搭載多種特殊裝置的移動機器人平臺?？梢源钶d不同功能模塊完成相應(yīng)的任務(wù)，在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域得到推廣，應(yīng)用前景廣闊。
1.2 履帶機器人研究現(xiàn)狀
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
從20世紀60年代開始，國外就對小型履帶式式移動機器人展開了系統(tǒng)的研究，經(jīng)過多年的技術(shù)積累和經(jīng)驗總結(jié)，已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。
在微小型履帶機器人研究方面，美國走在了世界的前列，它具有獨立的實驗性無人作戰(zhàn)機器人計劃，加上近年來反恐及城市巷戰(zhàn)的需要，小型智能履帶機器人研制工作受到了軍方高度重視。影響較大的有Packbot機器人、URBOT、NUGV和Talon機器人。它們應(yīng)用在伊拉克戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中，取得了巨大的成功。
圖1 Packbot機器人
美國著名的軍用及特種機器人公司IRobot研制了微小型便攜式機器人Packbot系列，如圖1所示。該系列機器人采用履帶式結(jié)構(gòu)并裝備有鰭狀肢，鰭狀肢可根據(jù)任務(wù)要求在機器人前端安裝一對或前、后兩端各安裝一對，Packbot利用鰭狀肢輔助翻越障礙；
德國TELEROB公司研制了名為TEODOR的反恐機器人，如圖2所示。這種凝結(jié)了尖端技術(shù)的機器人能夠移動、銷毀或引爆炸彈。在TEODOR的身上裝備有4個攝像頭、切割器以及用來砸破窗戶的裝置。它不僅可以上下臺階，還能行走在陡峭的河岸、懸崖或絕壁，更能在及其惡劣的氣候下作業(yè)，并能快速凍結(jié)炸彈裝置。
圖2 TEODOR機器人
履帶式機器人是為了滿足軍事偵察、拆除危險物等作業(yè)的需要,在傳統(tǒng)的輪式移動機器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。圖3給出了目前國際上幾家著名機器人公司的典型產(chǎn)品,他們主要是為了滿足軍事需要而開發(fā)的,體積普遍偏大,不太適合在倒塌的建筑物廢墟中狹小空間內(nèi)搜尋幸存者。
圖3 目前國際上幾家著名機器人公司的典型產(chǎn)品
為了能進入狹小空間展開搜救工作，要求機器人的體積要盡可能小，但體積小了搜索視野就會受到限制，為了解決這一矛盾，近年來在傳統(tǒng)牽引式搜救機器人平臺基礎(chǔ)上，研制出了形態(tài)可變的履帶式多態(tài)搜救機器人。圖4為加拿大Inuktun 公司MicroVGTV多態(tài)搜救機器人，他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠近靈活地調(diào)整形狀和尺寸。
圖4 加拿大Inuktun 公司MicroVGTV多態(tài)搜救機器人
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)微小型機器人的研究與開發(fā)工作晚于西方發(fā)達國家。我國是從20世紀80年代開始涉足機器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“七五”機器人攻關(guān)計劃；80年代末，我國把排爆機器人列入“863”高技術(shù)計劃。目前我國從事機器人研究和應(yīng)用開發(fā)的主要是高校及有關(guān)科研所，針對微小型履帶機器人研究主要集中在警用、民用等非作戰(zhàn)領(lǐng)域。經(jīng)過近20年的發(fā)展，目前已研究并開發(fā)出多種微小型履帶機器人，它們具有探測及多種作業(yè)功能，是可以廣泛應(yīng)用于軍隊、公安、武警的新型機器人產(chǎn)品。在設(shè)計性能上，國內(nèi)開發(fā)研制的微小型機器人與國外同類機器人相比還存在一定差距。
中國科學院沈陽自動化所研制的復(fù)合移動機器人——“靈晰-B”型排爆機器人進入服役期，如圖5所示，該機器人采用輪、腿、履復(fù)合移動式機構(gòu)，車身分三段，前、后履帶可繞車體轉(zhuǎn)動，輔助上下臺階。車體裝備機械手、云臺、三個攝像頭，重180Kg，行駛速度2.4km/h，可以通過小于45°的斜坡和樓梯，可以跨越0.45m高的障礙物，實現(xiàn)全方位行走。根據(jù)需求可裝備爆炸物銷毀器、連發(fā)散彈槍、催淚彈等武器，大小手臂完全伸展時能舉起8kg重物，可以在很大程度上減小公安和武警人員在排除爆炸物、打擊犯罪活動中的傷亡，對犯罪分子起到威懾作用。
圖5 “靈晰-B”型 圖6 龍衛(wèi)士反恐機器人
圖6所示是由上海廣茂達伙伴機器人有限公司研制的“龍衛(wèi)士Dragon Guard X3B反恐機器人”，是我國第一臺單兵反恐機器人。機器人重50kg，行駛速度為0~1m/s,可以通過27°樓梯、30°斜坡，可以跨越20cm高的障礙物，可在草地、沙地、碎石地、雪地運行，適應(yīng)全天候、全地形、操作方便，廣泛用于爆炸物處理、偵察、特種作業(yè)等反恐領(lǐng)域，綜合指標接近國際水平。
JW-901排爆機器人是由北京京金吾高科技有限公司研制的，如圖7 所示，該機器人可廣泛應(yīng)用于搜索、排爆、排除放射性物質(zhì)，代替人去完成危險的工作。JW-901排爆機器人的主要功能——抓取，優(yōu)于國內(nèi)外同類機器人。該排爆機器人機械臂最高伸展2.7m，可將可疑物輕輕地放于高達1.8m的車載防爆罐中。機械臂最低可水平伸出距地面0.2m，可伸入車底拆彈或抓取可疑物品。其抓取器，橫向旋轉(zhuǎn)90°，縱向旋轉(zhuǎn)360°，可靈活地將可疑物品從防爆罐中取出。這是其他機器人難以做到的。
圖7 JW-901排爆機器人
1.3 微小型履帶機器人的關(guān)鍵技術(shù)
微小型履帶機器人的研究涉及機械、控制、傳感器、人工智能等技術(shù)，隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，要求其智能化程度更高，涉及的技術(shù)更廣，難度也越來越高，其核心技術(shù)主要包括模塊化設(shè)計技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)、導(dǎo)航和定位技術(shù)等。
1.3.1 模塊化設(shè)計技術(shù)
基于模塊化設(shè)計的微小型履帶機器人的結(jié)構(gòu)構(gòu)型可以根據(jù)工作任務(wù)而改變，不同的機器人構(gòu)型有不同的工作空間，適用于執(zhí)行不同的任務(wù)，因此對任務(wù)與環(huán)境的適應(yīng)性強。
為了加快開發(fā)多種不同功能的機器人，有些公司將行走機構(gòu)模塊化，如美國IRobot公司制造的Packbot機器人，目前已有3種型號：偵察型、探險型和處理爆炸裝置型，但全部動采用相同的底盤。
1.3.2 控制技術(shù)
微小型履帶機器人作為在危險、惡劣、有害的環(huán)境中執(zhí)行特殊任務(wù)時使用的一種高技術(shù)裝備，所采用的控制技術(shù)應(yīng)滿足如下一些基本要求：
（1） 控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠；
（2） 易于保養(yǎng)和維護；
（3） 操作簡單、方便、
（4） 具有良好的抗電磁干擾能力；
（5） 能夠全天候作業(yè)，環(huán)境適應(yīng)性強。
1.3.3 通信技術(shù)
通信技術(shù)是實現(xiàn)控制站和履帶機器人之間信息傳輸?shù)臉蛄?，是有效、準確地控制機器人執(zhí)行任務(wù)和移動載體運動狀態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)。通信系統(tǒng)是機器人控制系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，負責完成前方與后方之間的雙向信息交流，包括數(shù)據(jù)通信、視頻信號通信、音頻信號通信。微小型履帶機器人的特殊應(yīng)用環(huán)境對機器人通信系統(tǒng)的實時性、可靠性和隱蔽性都有很高的要求。通常微小型履帶機器人控制系統(tǒng)的通信方式主要分為三類：串行通信、總線通信和無線通信。
1.3.4 多傳感器信息融合技術(shù)
單一傳感器獲得的信息量非常有限，對機器人功能和自主性的提高往往是不夠的，因此，微小型履帶機器人通常都配置多種不同用途的傳感器，構(gòu)成復(fù)雜的多傳感器系統(tǒng)。如果只對各個不同傳感器采集的信息進行單獨加工，不僅會導(dǎo)致信息處理工作量的增加，而且還隔斷了各傳感器信息之間的內(nèi)在聯(lián)系，失去的信息組合還有可能蘊含著有用的環(huán)境特征信息，從而造成信息資源的浪費。因此，必須采用多傳感器信息融合技術(shù)來提高系統(tǒng)的容錯能力和系統(tǒng)精度，提高系統(tǒng)完成描述外界環(huán)境的能力，提高信息處理的速度和降低獲取信息的成本。
1.3.5 導(dǎo)航和定位技術(shù)
微小型履帶機器人所面向的環(huán)境是現(xiàn)實世界中復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境，如何利用自身受限的感知和行為能力引導(dǎo)機器人順利完成復(fù)雜的任務(wù)，是微小型履帶機器人實現(xiàn)自身導(dǎo)航和定位必須解決的問題。一般的，微小型履帶機器人的自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)可粗略分為感知模塊、規(guī)劃模塊和執(zhí)行模塊。
機器人的三類模塊在監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)督管理下，能夠?qū)崟r感知周圍環(huán)境信息。自主地做出各種決策，隨時調(diào)整機器人位姿并執(zhí)行相應(yīng)的操作。因此，微小型履帶機器人的導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行一體的綜合系統(tǒng)。
1.4 履帶機器人的發(fā)展趨勢
為了應(yīng)付各種危險的復(fù)雜環(huán)境，最大限度地減少人員傷亡，微小型履帶機器人得到了空前重視，出現(xiàn)了大批較為成功的微小型履帶機器人。但是從這些機器人中可以看到一些缺點和不足，如自主能力不夠、功能單一等。由此，我們可以看出微小型履帶機器人未來的發(fā)展趨勢。
（1）多機器人編隊
目前微小型履帶機器人的研究主要是針對單個系統(tǒng)的，但從未來應(yīng)用的角度來看，機器人編隊系統(tǒng)的研究將會占據(jù)主導(dǎo)地位。多機器人編隊的優(yōu)勢在于可以盡可能擴大視野、消除視覺死角、提高執(zhí)行任務(wù)的效率，而且也可以提高整個編隊系統(tǒng)的可靠性和存貨率，從而保證任務(wù)的 完成。
（2）人工智能的使用
人工智能技術(shù)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等，已經(jīng)在微小型履帶機器人尤其是偵察機器人中得到了應(yīng)用，但是應(yīng)用范圍和其控制的效果都還沒有達到理想的程度。在未來的微小型履帶機器人中，這些人工智能技術(shù)將會充分發(fā)揮自己的優(yōu)勢，在自主機器人系統(tǒng)中發(fā)揮主導(dǎo)作用。
（3）拓展使用范圍
目前微小型履帶機器人在民用領(lǐng)域主要用途是安全監(jiān)視、反恐、排爆、消防、搜救；在軍事領(lǐng)域主要用途是洞穴和建筑物勘測、掃雷、破障、生化戰(zhàn)劑探測等；但還不能滿足目前日益增長的生產(chǎn)、生活需求和軍事需求，世界各國開始積極拓展小型履帶式機器人的使用范圍，包括將微小型履帶機器人用于家庭服務(wù)、科學考察、充當旅行助手或者是在戰(zhàn)爭中用于目標指示、火力發(fā)射、戰(zhàn)術(shù)運輸、通信中繼等。
（4）加強實戰(zhàn)使用
實戰(zhàn)使用的微小型履帶機器人不僅可以檢驗其性能，而且可以證實其應(yīng)用潛力和價值。美國陸軍已經(jīng)在伊拉克自由行動和阿富汗戰(zhàn)爭中部署其新型無人偵查機器人Packbot、Maltilda和Talon機器人等，用于執(zhí)行洞穴和建筑物勘測，地雷探測與標示、生化戰(zhàn)劑探測等任務(wù)。
（5）跨平臺互操作能力
單一的微小型履帶機器人所能完成的任務(wù)有限，為提高作業(yè)效能，在各種環(huán)境下的各種有人和無人、地面和空中平臺要密切集成與合作，這樣就需要各平臺間具有無縫隙連接的、可靠地互操作能力，良好的跨平臺操作能力取決于對信息技術(shù)標準和接口、信息傳輸、建模、處理與安全及人機界面等的深入研究。
（6）開發(fā)通用平臺
利用同一種微小型履帶機器人平臺搭載多種不同的功能模塊，以減少專用機器人平臺數(shù)量，提高基礎(chǔ)平臺的質(zhì)量，從而極大地提高微小型履帶機器人的作業(yè)效能，降低使用和維修成本。如美國的Packbot偵查機器人便使用了通用平臺，將各個功能模塊化，在通用平臺的基礎(chǔ)上搭載不同的功能模塊，便可以實現(xiàn)不同的功能。由于功能模塊化，在通用平臺的基礎(chǔ)上搭載不同的功能模塊，便可以實現(xiàn)不同的功能，由于功能模塊具有良好統(tǒng)一的接口，使得功能模塊的更換實現(xiàn)“即插即用”，在緊急情況下，操作人員于短時間內(nèi)便可完成功能模塊的拆除和安裝。
（7）進一步提高自主能力
首先利用有限的帶寬資源傳輸大量的數(shù)據(jù)對機器人進行遙控式不現(xiàn)實的，而且出于保密要求一些地方通行會受到限制，還有一些地方（如地道）又無法進行通行；其次在危險區(qū)域遙控微小型履帶機器人，操作人員的安全不能保證；最后，遙控微小型履帶機器人的操作人員需要專門訓(xùn)練。因而需要進一步提高微小型履帶機器人的自主能力。
1.5本文主要研究內(nèi)容
本文以研究和開發(fā)一種能搭載多種特殊裝置的移動機器人平臺為目標，提出了一種新型三自由度微小型履帶機器人的設(shè)計方案。機器人采用模塊化設(shè)計，可迅速拆裝，適合單兵攜帶和進行維護，具有良好的機動性，在越障、越溝、攀爬方面具有明顯優(yōu)勢。
該機器人作為一種穩(wěn)定的移動平臺，最大優(yōu)點是具有良好的越障性能、環(huán)境適應(yīng)性能并具備了全地形通過能力，可進一步開發(fā)成為通用平臺，裝載偵察設(shè)備、武器系統(tǒng)等實現(xiàn)多機器人編隊，形成戰(zhàn)斗群，提高機器人可靠性和存活率。也可以加載其他設(shè)備用于民用領(lǐng)域。
論文主要研究內(nèi)容如下：
1、 查閱參考文獻，對微小型履帶式機器人研究情況進行調(diào)研。
2、 研究經(jīng)典履帶機器人的移動機構(gòu)，對微小型履帶機器人性能指標進行調(diào)研與分析，基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀提出四連桿變形履帶式機器人應(yīng)達到的性能指標。
3、 四連桿變形履帶式機器人的移動機構(gòu)設(shè)計。
4、 對四連桿變形履帶式機器人進行越障能力分析
5、四連桿履帶式機器人內(nèi)部主要零件設(shè)計
6、對四連桿變形履帶式機器人建立虛擬樣機模型
2 四連桿履帶式機器人移動機構(gòu)方案設(shè)計
2.1 概述
一般來說，地面移動機器人主要包括機器人機械結(jié)構(gòu)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、傳感器信息采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。要開發(fā)在復(fù)雜環(huán)境下工作的微小型機器人，必須先研究其機械主體結(jié)構(gòu)。所謂的微小型移動機器人工作平臺，其實是各種儀器設(shè)備和功能模塊的搭載平臺，是構(gòu)成智能機器人機體的基礎(chǔ)。因此，機器人機械主體結(jié)構(gòu)的功能和環(huán)境適應(yīng)性直接影響到機器人的工作壽命和執(zhí)行任務(wù)的情況，其設(shè)計是機器人研究和開發(fā)過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)。
設(shè)計機器人機械結(jié)構(gòu)時，首先應(yīng)考慮機器人的用途，因為不同的用途，機器人的移動機構(gòu)是不同的。此外，還應(yīng)考慮機器人的用途，因為不同的用途，機器人的移動機構(gòu)是不同的。此外，還應(yīng)考慮機器人的工作環(huán)境、耐久性、穩(wěn)定性、機動性、可控性、復(fù)雜性、外形尺寸及費用等。本文設(shè)計的移動機器人主要突出機動性強和越障性能優(yōu)越的特點，本章在分析了移動機器人系統(tǒng)的各種移動機構(gòu)及其環(huán)境適應(yīng)性基礎(chǔ)上，根據(jù)機器人用途和應(yīng)用的工作環(huán)境，設(shè)計了一種基于四連桿機構(gòu)的履帶機器人移動機構(gòu)，闡述了機器人的運動原理和越障原理，并對機器人的性能和指標進行了分析與設(shè)計。
2.2 移動機構(gòu)選擇
到目前為止，微小型地面移動機器人的移動機構(gòu)主要有輪式、履帶式和輪履結(jié)合式三種類型。這三種移動機構(gòu)有各自的優(yōu)缺點和應(yīng)用領(lǐng)域。
輪式移動機構(gòu)具有悠久的發(fā)展歷史，在相對平坦的地形中具有相當?shù)膬?yōu)勢。輪式結(jié)構(gòu)具有重量輕、造價低、行駛平穩(wěn)、移動速度快、控制簡單、最大行程大、使用壽命長、維修保養(yǎng)方便等特點，但不足之處是越野通過能力和防護能力不如履帶式移動機構(gòu)。
利用車輪移動是最常見的一種地面行進方式。輪式驅(qū)動機構(gòu)移動方式的優(yōu)點是：高速穩(wěn)定，能量利用率高，機構(gòu)和控制簡單，而且現(xiàn)有技術(shù)比較成熟。它的缺點是：對路面要求較高，適用于平整的硬質(zhì)道路，不能很好的適應(yīng)場地。輪式移動機構(gòu)可以達到較高的運動速度，在相對平坦的地面上，輪式移動具有相當?shù)膬?yōu)勢，控制也相對簡單。輪式移動機構(gòu)由于應(yīng)用廣泛，是目前研究最為透徹的移動機構(gòu)之一。傳統(tǒng)的輪式移動機構(gòu)有三輪、四輪、六輪的結(jié)構(gòu)形式，日本還曾研究出五輪移動機構(gòu)。但輪式移動機構(gòu)的缺點也是很明顯的。由于與地面接觸面積小，在爬坡時容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。要想解決打滑需要加裝減速箱或用動力制動的方法實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整過程。但其通過性和越障能力受到限制，在攀爬樓梯時一般要求前輪半徑要大于樓梯高度，底盤最低點距地面高度限制了地面通過性。為適應(yīng)復(fù)雜地形甚至于爬樓梯的要求，必須加大輪子直徑，導(dǎo)致底盤結(jié)構(gòu)體積龐大，重量增加。從理論上講，三點決定一個平面，因此車輪式移動載體的平穩(wěn)運動最少需要3個輪子支撐?，F(xiàn)在大多數(shù)機器人用的是3輪或4輪移動方式，在某些特殊情況下也有用5輪以上的，但這種情況下機器人的結(jié)構(gòu)和控制會更加的復(fù)雜，這對我們技術(shù)有限的大學生機器人隊伍來數(shù)是不太適用的。因此我們會選擇3輪或4輪的移動方式，下面對此進行討論。
典型3輪移動機器人通常采用1個中心前輪和2個后輪的車輪布置。3個車輪配置與功能的不同組合有可以將3輪機器人分為如圖1所示的若干類型。
圖8（a）所示的組合是前輪1為萬向腳輪或球形輪，后輪2和后輪3為獨立驅(qū)動輪，利用它們的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。這種組合的特點是機構(gòu)組合容易，而且當兩個驅(qū)動輪以相同速度、相反方向轉(zhuǎn)動時車體能繞兩個驅(qū)動輪連線的中點自轉(zhuǎn)，但自傳中心與車體中心不一致。
圖8（b）所示的組合是操縱舵機機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)集中在前輪1上，兩個后輪之起支撐從動作用。與圖1（c）相比，該機構(gòu)也能繞兩后輪連線的中點自轉(zhuǎn)，但其前輪驅(qū)動集中，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
圖8（c）所示的組合是前輪1為操舵輪，后輪2和后輪3中的一個為驅(qū)動輪，另一個為從動輪。這種車輪機構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)簡單，組成容易，但單邊驅(qū)動的驅(qū)動性差，穩(wěn)定性不好，不能自傳。
圖8（d）的車輪組合將圖1（c）的單輪驅(qū)動該為雙后輪差動驅(qū)動，提高了驅(qū)動性，但加了一個差動齒輪裝置，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，也增加了質(zhì)量。
(a) (b) (c) (d)
圖8 3輪式移動配置方式
履帶式結(jié)構(gòu)實際上是一種自己為自己鋪路的輪式結(jié)構(gòu)。是將環(huán)狀的循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，車輪不直接與地面接觸。常見的履帶移動車是在車體的兩側(cè)各設(shè)有一對履帶驅(qū)動裝置的雙履帶結(jié)構(gòu)。有為了適應(yīng)復(fù)雜的路況而采用多履帶的。賽中由于路面不是很復(fù)雜，以制作起來比較簡單，將履帶卷繞在兩個以上的車輪上，個車輪用來做驅(qū)動輪，的車輪作張緊輪或?qū)蜉?。動輪通常靠自身的齒與履帶內(nèi)側(cè)的齒形嚙合來驅(qū)動。型的履帶移動機構(gòu)由驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、托帶輪、履帶、履帶架等部分組成。動機構(gòu)適合在復(fù)雜路面上行駛，是輪式移動機構(gòu)的拓展，帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。帶的優(yōu)點是著地面積比車輪式大，以著地壓強??；另外與地面粘著力較強，吸收較小的凹凸不平，能力強，于有突變的地面，原地旋轉(zhuǎn)，低。此，履帶式適合于各種場地。帶車輛和輪式車輛的特性有所不同。要的不同在轉(zhuǎn)向特性上。帶車輛的轉(zhuǎn)向通過兩側(cè)履帶的差速進行轉(zhuǎn)向。帶式轉(zhuǎn)彎不如車輪式靈活。要改變方向時、要將某一側(cè)的履帶驅(qū)動系統(tǒng)減速或制動來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，者反向驅(qū)動車體的原地自傳。都會使履帶與地面產(chǎn)生相對橫向滑動，大了機器人電機的能耗。負重大的情況下可使電機溫度迅速升高影響電機的使用和壽命。帶車的受力比較復(fù)雜，用力可能是靜態(tài)的也有可能是動態(tài)的。輛以常速運動時，靜態(tài)力作用。加速運動時，受動態(tài)力作用。車輛轉(zhuǎn)彎時，將產(chǎn)生離心力，推動車輛橫向移動，動態(tài)力總是作用在車輛質(zhì)心處。
圖9 履帶式結(jié)構(gòu)
輪履結(jié)合式，機器人行走系統(tǒng)是完成移動動作的直接保證，設(shè)計的優(yōu)劣直接影響機器人性能發(fā)揮，其對機器人運動可靠性有很大要求。服普通履帶式移動機構(gòu)的缺點，要通過改變履帶的形狀和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，特比勒（Catepillar）式、形狀可變履帶、位置可變履帶、履帶式加裝前后擺等結(jié)構(gòu)形式相繼出現(xiàn)，并應(yīng)用于各種機器人的移動機構(gòu)。近年來各種增強的非金屬復(fù)合材料應(yīng)用于履帶，大大減輕了履帶式移動機構(gòu)笨重的缺點，改善了其整體性能，對復(fù)雜環(huán)境，履帶式移動機構(gòu)具有較強的地形適應(yīng)性。本文將介紹一種輪履結(jié)合式的結(jié)構(gòu)。出于對重量和經(jīng)濟性的考慮，選用標準同步帶代替履帶作為行走系統(tǒng)的主要部件。同步帶有梯形齒和弧齒兩種齒形，有標準可選。用的是8M圓弧齒同步帶輪作為履帶。
圖10 輪履結(jié)合式
在設(shè)計移動機器人時也應(yīng)遵循以下機構(gòu)設(shè)計原則：
（1） 總體結(jié)構(gòu)應(yīng)易于裝配和拆卸，便于平時的試驗、調(diào)試和維修。
（2） 應(yīng)給機器人暫時未能裝配的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將來功能改進與擴展。
（3） 采用模塊化設(shè)計，各個功能模塊之間相互獨立裝配，互不干擾。
2.3 四連桿履帶式機器人移動機構(gòu)方案
2.3.1 機器人移動機構(gòu)介紹
本文所要設(shè)計的移動機器人是為軍事偵察和監(jiān)測的設(shè)備提供移動平臺，要求結(jié)構(gòu)簡單，體積小，具有較強的越障能力，而且控制簡單?？紤]到機構(gòu)復(fù)雜和設(shè)計成本等因素，設(shè)計了一種新型的基于四桿機構(gòu)的履帶式移動結(jié)構(gòu)，如圖11所示，主要由車架和兩個車架和兩個左右對稱分布的履帶變形模塊組成。
圖11 四桿機構(gòu)的履帶式移動結(jié)構(gòu)
該結(jié)構(gòu)的最大優(yōu)點在于利用簡單的四桿機構(gòu)作為履帶機器人的移動機構(gòu)和變形機構(gòu)，可同時實現(xiàn)機器人的行進與履帶的變形，使得車體體積減小，結(jié)構(gòu)緊湊，使機器人具備良好的機動性能，加強機器人越障、爬坡性能并提高了環(huán)境適應(yīng)能力，可以滿足微型移動移動機器人的使用要求。
該機器人的機械主體結(jié)構(gòu)為常見的平行四邊形結(jié)構(gòu)。平行四邊形的工作原理如圖12所示。在此機構(gòu)中，AD為機架，AB、CD兩構(gòu)件與機架相連稱為連架桿，BC為連桿。
圖12 平行四邊形機構(gòu)
平行四邊形機構(gòu)有兩個顯著特性：一是兩曲柄以相同速度同向轉(zhuǎn)動；二是連桿作平動。當主動曲柄AB以一定速度轉(zhuǎn)動時，從動曲柄CD也以同樣的速度轉(zhuǎn)動，而連桿BC作平動，始終與機架AD保持平行狀態(tài)?？梢悦黠@看出：如果在此機構(gòu)上搭建工作平臺，其最大特點就是工作平臺運動平穩(wěn)可靠，而且運動范圍很廣，這就決定了機器人的越障性能。
圖13是基于平行四邊形連桿機構(gòu)的機器人結(jié)構(gòu)簡圖。其中，連桿BC長為BC=L1，連架桿AB和CD長為AB=CD=L2，四個履帶輪半徑均為R。
圖13 四連桿履帶式機器人結(jié)構(gòu)簡圖
為驗證繞在輪子四周的履帶在機構(gòu)變形時總長不變，可假設(shè)在機構(gòu)變形的任意時刻，連架桿與機架之間夾角為，，，，則履帶總長可由下式計算：
L=2+2++++ （2-1）
可將上式化簡為：
L=2（+)+R(+++) （2-2）
容易得出：=，=，且+=π ，代入2-2可得履帶總長為：
L=2(+)+2R （2-3）
式2-3說明，履帶總長在機構(gòu)變形過程中為定值，與變形角度θ無關(guān)。也就是說，履帶在變形中不會發(fā)生時松時緊的現(xiàn)象。
2.3.2 四連桿履帶式機器人性能指標分析與設(shè)計
本文設(shè)計的四連桿變形履帶式機器人在有限的設(shè)計空間中，利用簡單的移動和變形機構(gòu)實現(xiàn)了良好的機動性能和越障性能，機器人在設(shè)計過程中綜合考慮了Packbot機器人，Talon機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)點：
（1） 當機器人用于偵察，負荷較輕時，機器人可以轉(zhuǎn)動兩側(cè)的主動曲柄輔助越障、攀爬，此時機器人同Packbot一樣具有很好的運動靈活性；
（2） 當機器人需要執(zhí)行排爆、作戰(zhàn)等任務(wù)時，負載重，此時機器兩側(cè)的主動曲柄不再轉(zhuǎn)動，而是相對于中間主體固定，保持八輪著地的狀態(tài)，此時機器人的運動比較平穩(wěn)，機動性能最佳，運動方式如同Talon。
Packbot機器人性能參數(shù)指標如下表2.1所示，Talon機器人性能參數(shù)指標如下表2.2所示。
表2.1 Packbot機器人性能參數(shù)指標
機器人重量
18.9kg
最大負重
11kg
行進方式
采用履帶行進，差速轉(zhuǎn)向
潛水深度
3m
平均速度
2.2m/s
最大速度
3.6m/s
外形尺寸
685mm×406mm×178mm
電源
自帶可快速拆裝的鋰電池組，可以供電3h；
基本控制方式
遠距離無線操作控制；
特點
適用于各種戰(zhàn)場環(huán)境，具有全天候作戰(zhàn)能力；
表2.2 Talon機器人性能參數(shù)指標
外形尺寸
863mm×571mm×280mm
機器人重量
39kg
有效載荷
136kg
行進方式
采用履帶行進，差速轉(zhuǎn)向
最大速度
2.1m/s
潛水能力
潛水深達30.5m
遙控方式
無線遙控
電源
自帶可快速拆裝的鋰電池組，可以供電1—4h；
加載設(shè)備
多傳感器和多攝像頭
特點
適用于各種戰(zhàn)場環(huán)境，具有全天候作戰(zhàn)能力；
在參考Packbot和Talon機器人的性能參數(shù)和外形尺寸基礎(chǔ)上，考慮到實驗室目前具備的條件的加工技術(shù)、工藝等因素，提出了四連桿履帶式機器人的性能指標和外形尺寸要求。
四連桿變形履帶式機器人在設(shè)計時為減輕重量，履帶輪材料用鋁合金制成，只要少數(shù)強度要求較高的零部件（如機架、軸等）采用45號鋼，設(shè)計完成后機器人外形尺寸如表2.3所示，外形尺寸如圖2.4所示。
表2.3 四連桿變形履帶式機器人性能指標
機器人重量
30kg
最大負重
50kg
外形尺寸
660mm×500mm×300mm
承受沖擊能力
1m高左右的掉落沖擊
翻越臺階高度
200mm
平均速度
2m/s
最大速度
2.6m/s
基本控制方式
遠距離無線操作控制
電源
自帶可快速拆裝的鋰電池組，可以供電3h；
特點
適用于各種戰(zhàn)場環(huán)境，具有全天候作戰(zhàn)能力；
表2.4 四連桿變形履帶式機器人外形尺寸
外形尺寸
660mm×500mm×300mm
履帶寬
50mm
機架長（連桿）
450mm
曲柄長（連架桿）
210mm
車底距離地面
10mm
2.4 四連桿履帶式機器人運動學分析
2.4.1 機器人直線行駛運動學分析
為了簡化，對微小型履帶式移動機器人進行履帶運動學分析時，可以將履帶簡化為一條不可拉伸、無質(zhì)量、無厚度、閉合的柔性帶。如圖14所示為四連桿變形履帶機器人運動時履帶上各點的速度分析圖。
圖14 機器人履帶上各點的速度
機器人做直線運動時，履帶要做復(fù)合運動。一方面，履帶隨同機器人本體一起做相對地面的直線運動，這種運動速度叫牽連速度，用表示；另一方面，履帶由要做相對于機器人本體的旋轉(zhuǎn)運動，這種速度叫卷繞速度，用表示。履帶上某點的絕對速度用表示，、、三種的向量關(guān)系如式2-4所示。
=+ （2-4）
由圖14可知，履帶上不同的點的速度是不同的。當 和 不在同一直線且夾角為α時，履帶上某點的絕對速度的代數(shù)式可表示為：
= （2-5）
位于上方的履帶為水平直線，和的夾角α=0，代入2-5可得：
=+ （2-6）
式2-6說明，該段履帶的絕對速度等于牽連速度與卷繞速度之和。
位于下方的履帶也稱為水平直線，和的夾角α=π，代入式2-5可得：
=— （2-7）
式2-7說明，接地段履帶的絕對速度等于牽連速度與繞卷速度之差。
2.3.2 轉(zhuǎn)向運動學分析
在分析履帶機器人的轉(zhuǎn)向性能時，對相關(guān)條件做如下假設(shè)：
（1） 履帶在水平地面上低速均勻轉(zhuǎn)向，即不考慮轉(zhuǎn)向過程中離心力及地面坡度對機器人的影響，并以給定的不變角速度實現(xiàn)穩(wěn)定轉(zhuǎn)向，不考慮角速度的變化；
（2） 在履帶轉(zhuǎn)向過程中不考慮履帶的滑轉(zhuǎn)和滑移；
（3） 機器人的重心位于機器人平面中心；
（4） 各條履帶接地壓力均勻分布。
圖15 履帶行走裝置理論轉(zhuǎn)向速度平面圖
理論轉(zhuǎn)向時履帶行走裝置的速度如圖15所示。圖中B為車輛的履帶中心距；L為履帶接地長；R為理論轉(zhuǎn)向半徑；O為轉(zhuǎn)向中心；G為機器人平面中心，也是機器人的重心位置；為機器人的轉(zhuǎn)向角速度，單位為rad/s；為轉(zhuǎn)向過程中機器人的瞬時速度；為低速側(cè)履帶的速度；為高速側(cè)履帶的速度；為高低速履帶的速度差，所有速度的單位為m/s。
理論轉(zhuǎn)向角速度：
履帶行走裝置的理論轉(zhuǎn)向角速度，等于機器人的瞬時速度除以機器人的轉(zhuǎn)向半徑R，即
= （2-8）
履帶的速度等于主動輪線速度，即
式中，為履帶速度，n為主動輪的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；為主動輪工作半徑。根據(jù)圖15中相似三角形關(guān)系，式（2-8）又可表示：
= （2-9）
式中，分別為高低速側(cè)履帶主動輪的轉(zhuǎn)速；為兩側(cè)主動輪的轉(zhuǎn)速比，。
一般情況下又習慣用機器人轉(zhuǎn)向一周的時間T來描述機器人轉(zhuǎn)向運動的快慢，即：
（2-10）
3 四連桿履帶式機器人越障能力分析
3.1 機器人越障原理
3.1.1 突起型障礙
突起型障礙是一種較為常見的路障，機器人翻越此類障礙物的原理如圖16所示，過程分析如下：
圖16 機器人翻越突起型障礙原理圖
圖（a）：在正常的平坦地形環(huán)境下，組成履帶變形機構(gòu)的四根連桿處于水平位置，機器人保持八輪著地的狀態(tài)，直至前方出現(xiàn)障礙物。
圖（b）：出現(xiàn)障礙物后，機器人停止前進。通過電機驅(qū)動主動曲柄AB繞前軸逆時針旋轉(zhuǎn)，從而改變四桿機構(gòu)構(gòu)型，最終使繞在連桿四周的履帶構(gòu)型發(fā)生變化。當主動曲柄AB旋轉(zhuǎn)至適當角度即可停止旋轉(zhuǎn)。
圖（c）：機器人繼續(xù)前進至障礙物附近，電機驅(qū)動主動曲柄AB順時針旋轉(zhuǎn)，使得AB側(cè)的履帶壓在障礙物邊沿。
圖（d）：AB側(cè)的履帶壓在障礙物邊沿后，主動曲柄AB繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)，迫使機架AD繞后軸旋轉(zhuǎn)，直至四根連桿再次處于同一直線。此時，機器人已經(jīng)完全攀附在障礙物上，通過電機驅(qū)動機架后方的兩個主驅(qū)動輪，機器人在驅(qū)動力和履帶攀附力下可順利通過障礙物。
3.1.2 壕溝型障礙
壕溝型障礙也是一種常見的路障，起伏的路面對于微小型履帶機器人來說就是一種壕溝型障礙，如圖17所示。
圖17 機器人通過壕溝型障礙原理圖
3.1.3 其它類型障礙
利用四桿機構(gòu)的變形，機器人除了可以翻越各種基本的路障，還能通過一些階梯障礙，對電控設(shè)備密封后甚至能通過一些不太深的溝渠。這樣，本文設(shè)計的機器人已經(jīng)具備了良好的越障性能。
3.2 機器人越障性能分析
履帶機器人的越障性能是指機器人在不用任何輔助裝置的條件下能克服各種天然和人工障礙的能力。機器人的越障性能主要取決于本身的幾何參數(shù)和履帶的性能。
機器人共有3個自由度, 即一個平動自由度和兩個旋轉(zhuǎn)自由度。安裝在機器人兩個主驅(qū)動輪內(nèi)的電機通過聯(lián)軸器傳動, 將主驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)槁膸У钠揭七\動, 實現(xiàn)機器人的直線前進、后退和轉(zhuǎn)向。另外一個電機安裝在機架上, 通過鏈傳動驅(qū)動左右兩側(cè)履帶變形模塊中的主動曲柄繞位于機架前方的軸轉(zhuǎn)動, 從而實現(xiàn)四連桿機構(gòu)的變形, 最終使繞在其四周的履帶構(gòu)形發(fā)生變化。該結(jié)構(gòu)的特點在于巧妙地利用四連桿機構(gòu)實現(xiàn)了機器人行進與履帶的變形, 使機器人具備良好的越障性能和地面適應(yīng)性。
3.2.1 機器人翻越障礙物受力分析
為了便于分析，可假設(shè)臺階是光滑的，整個機器人的重心位于其幾何中心處。由于主要曲柄末端的履帶輪與臺階之間為線接觸，為避免打滑，應(yīng)至少保證該履帶輪的幾何中心處于接觸點的正上方。在爬坡高度為的臺階時，即位于機架前方的履帶輪剛離開地面的瞬間，機器人和主動曲柄的受力情況如圖18所示。
圖18 越障時機器人受力圖
從圖18可以看出，機器人受到自身重力G，地面對后輪的垂直反作用力、地面牽引附著力f，以及臺階對主動曲柄的反作用力
。將分解成水平分力和垂直分力，則有
=/ （3-1）
式中，α為主動曲柄中心軸線與水平地面的夾角。
由于本文設(shè)計的履帶機器人采用左右兩側(cè)對稱的方式布置，可以僅對一側(cè)的主動曲柄進行受力分析。機器人越障時主動曲柄的受力如圖19所示。
圖19 越障時機器人主動曲柄受力圖
根據(jù)受力平衡方程，可得：
=/4 （3-2）
根據(jù)力矩平衡方程=0，可得：
（3-3）
式中—主動曲柄的驅(qū)動力矩
—地面反作用力形成的阻力矩
—主動曲柄重力形成的力矩
將式3-2、式3-3代入式3-1可得：
（3-4）
式中—對點的力臂。
從式3-4可以看出，對這主動曲柄的轉(zhuǎn)動和機器人的前移，和α逐漸減小，逐漸增大，有逐漸減小的趨勢，故此時主動曲柄的驅(qū)動力矩取最大值。在機器人設(shè)計過程中，為方便計算，可直接用代替此處的。
在三角形中，
= （3-5）
（3-6）
（3-7）
由于本文設(shè)計的機器人輪子尺寸完全相同，故，代入式3-5化簡可得：
= （3-8）
代入式3-4可得：
（3-9）
在第二章中已經(jīng)給出了機器人的設(shè)計參數(shù)與指標：=250mm，=200mm，機器人重力=300N，將這些參數(shù)的值代入式中，計算可得主動曲柄的驅(qū)動力矩的最大值為：
=33.4N
因此，對于整個機器人而言，最大驅(qū)動力矩為2=66.8Nm。
3.2.2 機器人翻越垂直障礙物重心偏移分析
與一般的輪式機器人等微小型移動機器人相比, 履帶式機器人的優(yōu)勢在于其強大的越障能力, 尤其是通過垂直路障的能力。翻垂直路障的能力, 是履帶機器人越障性能的主要指標。這里設(shè)計的一種四連桿變形履帶式機器人可以通過臺階、溝渠等常見障礙,在此僅著重闡述其通過垂直路障的基本原理。
圖20是機器人通過垂直路障的原理示意圖, 四連桿機構(gòu)由機架AD、連桿BC、主動曲柄AB、被動曲柄CD組成。機器人越障的過程分析如下:
圖20 機器人通過垂直路障原理示意圖
圖21是機器人在翻越垂直路障過程中某一瞬間的幾何關(guān)系圖。由于四個履帶輪質(zhì)量相等并集中了四連桿機構(gòu)的大部分質(zhì)量, 而且在設(shè)計機器人時也充分考慮了質(zhì)量分布的因素, 將驅(qū)動電機安裝在主驅(qū)動輪內(nèi), 機架采用密度較小的鋁合金型材, 裝載的電源、電路板等設(shè)備質(zhì)量也較輕, 所以機器人兩側(cè)的履帶變形模塊質(zhì)量遠大于機架質(zhì)量, 可認為機器人重心O 與平行四邊形連桿重心即平行四邊形ABCD 對角線的交點近似重合。
圖21 機器人越障過程中的幾何關(guān)系
L1-主動曲柄長度; L2-連桿長度; 主動曲柄與機架夾角; h 垂直路障高度;機器人下側(cè)履帶與地面夾角(與路障高度h相關(guān))同時, 由于履帶與地面及階狀障礙物的接觸均為線接觸, 可將繞在四連桿四周的履帶構(gòu)型簡化為一個平行四邊形。機器人在越障過程中的簡化圖如圖22所示。
圖22 機器人越障過程簡化圖
為了便于計算，設(shè)平行四邊形對角線BD與機架AD之間的夾角為，與θ的關(guān)系由正弦定理：
求得：
（3-9）
同理可求得平行四邊形ABCD的對角線BD長度為：
（3-10）
根據(jù)履帶式機器人跨越垂直障礙物的相關(guān)理論, 當履帶式機器人部分駛上垂直障礙物時, 如果它的重心位于障礙物邊緣的前方(如圖23所示), 機器人就可以恢復(fù)水平位置, 實現(xiàn)機器人的越障。通過以下的計算可以分析四連桿變形履帶式機器人在翻越垂直路障時的越障性能。如圖24所示, 當機器人重心位于障礙物邊緣時, 通過主動曲柄AB的變形，縮小與機架之間的夾角，可使機器人重心在水平方向發(fā)生偏移。當偏移量達到一定程度時，機器人將會恢復(fù)水平位置，實現(xiàn)越障。假設(shè)機器人變形前主動曲柄與機架夾角為，對角線BD與機架夾角為,重心位置為；變形后主動曲柄與機架夾角為,對角線BD與機架夾角為,重心位置為。根據(jù)計算得出機器人變形前后重心在水平方向移動的距離為:
圖23 機器人超越垂直障礙物的能力
圖24 機器人變形前后重心偏移示意圖
（3-11）
其中， ，
由變形前在水平方向的投影與障礙物垂直高度的關(guān)系得出：
（3-12）
代入化簡后可得：
（3-13）
可由式3-12化簡后得出：
（3-14）
根據(jù)不同障礙物的高度h，即可計算出，進而計算出機器人變形前后重心在水平方向的偏移量d，可以對機器人的越障性能進行定性評估。
4 四連桿履帶式機器人移動機構(gòu)設(shè)計
4.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
機器人的主體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計的思想，主要由機架和左右兩側(cè)的履帶變形模塊組成。四連桿變形履帶式機器人由兩個左右對稱的履帶變形模塊和中間主體組成。
（1） 左右兩側(cè)履帶變形模塊各包括一個驅(qū)動輪、三個導(dǎo)向輪、橡膠同步帶、主動曲柄，從動曲柄組成。
（2） 中間主體部分包括機架、驅(qū)動電機、蝸輪蝸桿減速器、聯(lián)軸器、直流電機、電機驅(qū)動控制板以及機載設(shè)備等。
機器人同步帶、各同步帶、曲柄、連桿、機架等零部件的設(shè)計尺寸與選材如下：
（1）橡膠同步帶采用兩條寬為50mm的齒形同步帶，該型號同步帶可作為微小型履帶式移動機器人的履帶使用，優(yōu)點是地面附著性能良好，可以適應(yīng)沙地、沼澤、崎嶇山地等一些惡劣的地形條件。
（2）機器人的驅(qū)動輪及各導(dǎo)向輪采用與上述同步帶配合的同步帶輪，可作為機器人的履帶輪使用。采用鋁合金制成，每個輪子直徑均為100mm，在輪子上銑若干孔用來減輕輪子質(zhì)量。
（3）主動曲柄和從動曲柄采用厚5mm、寬30mm的45號鋼焊接而成，用來固定電機、機載設(shè)備以及聯(lián)接左右兩側(cè)的履帶變形模塊，可承受較大質(zhì)量，在一定沖擊力作用下不發(fā)生變形。
圖25是四連桿履帶式機器人的結(jié)構(gòu)布局示意圖，位于機器人中部的車架作為移動平臺可裝載直流電源及控制相關(guān)的各種設(shè)備，用于完成各種特定的任務(wù)，在機器人運動過程中一般保持水平。車架兩側(cè)是基于平行四邊形結(jié)構(gòu)的履帶變形模塊，主要是由四連桿變形機構(gòu)、驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪及履帶組成，其中四連桿變形機構(gòu)由機架、連桿、主動曲柄和從動曲柄組成，用于提供驅(qū)動力，并且可以繞車架旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)履帶變形，在越障時給機器人提供額外的輔助運動。
圖25 四連桿履帶式機器人結(jié)構(gòu)布局示意圖
機器人共有3個自由度，即一個平動自由度和兩個旋轉(zhuǎn)自由度。安裝在機架上的兩個牽引電機通過聯(lián)軸器傳動，將驅(qū)動輪的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)槁膸У钠揭七\動，實現(xiàn)機器人的直線前進、后退和轉(zhuǎn)向。另外一個電機安裝在機架上，通過蝸輪蝸桿減速后驅(qū)動左右兩側(cè)履帶模塊中的主動曲柄繞位于機架前方的軸轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)四桿機構(gòu)的變形，最終使繞在其四周的履帶構(gòu)型發(fā)生變化。
4.2 機器人模塊化設(shè)計
四連桿變形履帶式機器人采用三段式模塊化設(shè)計，分為左側(cè)履帶變形模塊、右側(cè)履帶變形模塊、主體模塊。左右兩側(cè)履帶變形模塊與主體模塊通過安全聯(lián)軸器聯(lián)接，拆卸時只需卸下聯(lián)軸器上的螺栓即可，如圖26所示。
圖26 機器人模塊組成
左右兩側(cè)的履帶變形模塊為完全對稱，便于加工制造、維修和更換；另外，兩個履帶變形模塊擁有各自獨立夫人驅(qū)動系統(tǒng)，單個模塊就可以實現(xiàn)前進、后退等基本的行走功能。兩個履帶變形模塊通過彈性聯(lián)軸器組合就可帶動主體模塊運動，若兩變形模塊運動方向和速度相同，機器人實現(xiàn)直線前進或后退；若兩變形模塊運動的速度不同，機器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎；若兩變形模塊運動速度相同、方向相反，機器人就可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，原地轉(zhuǎn)向功能是履帶式機器人的優(yōu)勢所在，非常有利于機器人在狹小的空間內(nèi)活動。
4.3 機器人傳動系統(tǒng)設(shè)計
4.3.1 主驅(qū)動輪傳動系統(tǒng)設(shè)計
主驅(qū)動輪傳動系統(tǒng)共有兩個，沿機架軸線對稱分布，用以將驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)運動傳遞到機架后方的主驅(qū)動輪上，最終實現(xiàn)履帶與主驅(qū)動輪嚙合傳動。機器人主驅(qū)動輪傳動順序為：驅(qū)動電機減速器聯(lián)軸器后軸轉(zhuǎn)軸主驅(qū)動輪履帶嚙合傳動。如果兩條履帶等速同向運動實現(xiàn)機器人的直線前進或后退，如果兩條履帶速度不同則實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向。
如圖27所示，整個傳動鏈包括了機架、電機、減速器、軸承、后輪轉(zhuǎn)軸、主驅(qū)動輪等主要零部件，這些零部件的連接方式如下：
（1） 電機、減速器、安裝完成后通過減速器固定在機架上，減速器與機架連接處安裝有墊片，在裝配時可通過調(diào)節(jié)墊片的厚度來調(diào)整減速器輸出軸與后輪轉(zhuǎn)軸的同心度。
（2） 蝸輪蝸桿減速器的輸出軸與后輪轉(zhuǎn)軸通過安全聯(lián)軸器聯(lián)接。
（3） 機器人主驅(qū)動輪與后輪轉(zhuǎn)軸通過花鍵聯(lián)接。
減
主驅(qū)動輪 套筒 軸承 后輪轉(zhuǎn)軸 聯(lián)軸器 減速器 電機
圖27 主驅(qū)動輪傳動鏈簡圖
機器人主驅(qū)動輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計特點有：
（1）采用的機械傳動部件簡單、數(shù)量少、保證了機器人結(jié)構(gòu)的緊湊性，不僅滿足了機器人模塊化設(shè)計的基本要求，而且還能保證較高的傳動效率。
（2）采用的聯(lián)軸器是一種剪切銷安全聯(lián)軸器，當驅(qū)動電機的工作轉(zhuǎn)矩超過機器人轉(zhuǎn)軸所允許的極限轉(zhuǎn)矩時，聯(lián)軸器將發(fā)生折斷，從而使聯(lián)軸器自動停止工作，以保護機器人的重要零件（如主驅(qū)動輪、傳動軸、曲柄等）不致?lián)p壞。
4.3.2 履帶變形裝置傳動系統(tǒng)
履帶變形裝置傳動系統(tǒng)用于將驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動傳遞到主動曲柄，使主動曲柄繞前輪轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，從而使四桿機構(gòu)構(gòu)型發(fā)生變化，最終實現(xiàn)履帶的變形。機器人履帶變形裝置傳動順序為：驅(qū)動電機減速器聯(lián)軸器前輪轉(zhuǎn)軸主動曲柄連桿從動曲柄履帶。下圖28為履帶變形傳動簡圖。
主動曲柄 聯(lián)軸器 減速器
前輪 套筒 軸承 前輪轉(zhuǎn)