履带式机器人的研究与应用开题报告

开 题 报 告

毕业论文（设计）题目 履带式机器人的研究与应用 学院 土木工程学院 学号 02709135 姓名 董睿 一、论文(设计)选题的目的和意义

在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，灾难经常发生。 在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间(约48小时)用于在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为0。 在这种紧急而危险的环境下，救灾机器人可以为救援人员提供帮助。 因此，将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救” ( SAR)幸存者，是机器人学中的1个新兴而富有挑战性的领域。

以城市环境为例，人口城市化和城市人口密集现象加剧，高层建筑、地下工程、大型商贸场所、文化娱乐场所迅猛发展，城市建筑物不断增加，使得城市建筑环境中的搜救作业十分复杂。在一些危险性大的灾难中，如随时会引发爆炸的火灾现场，有易燃、易爆或剧毒气体存在的现场，地震后存在易两次倒塌建筑物的现场，施救人员无法深入进行侦察或施救，人们急于探知灾难现场的内部险情，但又不敢或无法接近或进入灾难现场。此时，救援机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，它们不但能够帮助工作人员执行救援工作，而且能够代替工作人员执行搜救任务，在灾难救援中起着越来越重要的作用。 具体表现为: (1)机器人具有灵活性好、机动性强的特点，有较好的爬坡和越障能力，能适应现场各种各样的地理环境。 比如，蛇形救灾机器人能适应任何的复杂环境，在井下能自由运动。 (2)机器人的探测技术发展迅速，能迅速找到井下遇险矿工的位置。 机器人利用传感器通过探测井下遇险矿工的呻吟声、体温的变化及心脏跳动的频率的信息能找到他们的位置。 其次，机器人的视频探测器(CCD摄像头)具有信息直观、能实现计算机辅助控制等特点，可以将现场环境的图像返回到救灾中心，为进1步控制机器人的运动方向，制定下1步救灾的方案提供决策依据。 最后，机器人还能进入井下区域，监测事故现场(如温度、瓦斯以及有害气体的浓度)的变化，防止事故的2次发生。 (3)机器人具有为井下遇险矿工投放小包食品、药物和通讯装置等辅助功能，能有效地减少遇险矿工的伤亡人数。

二、国内外关于此课题的研究状况及发展趋势

从20世纪80年代起，国外就对小型履带式机器人展开了系统的研究，比较有影响的是美国的Packbot机器人、URBOT、NUGV和talon机器人。此外，英国研制的SupperWheelbarrow排爆机器人、加拿大谢布鲁克大学研制的AZMUT机器人、日本的Helios VII机器人都属于履带式机器人。我国对履带式机器人的研究也取得了一定的成果，如沈阳自动化研究所研制的CLMBER机器人、北京理工大学研制的四履腿机器人、北京航空航天大学研制的可重构屡腿机器人等、

综合分析国内外研究的履带式移动机器人大致可分为：单节双履带式、双节四履带式、多节多履带式、多节轮履复合式以及自重构式移动机器人。

单节双履带式移动机器人

‘剑’移动机器人是由美国福斯特米勒公司和奎蒂克公司共同研制且用于武器观测、侦查和目标捕获的特种机器人系统。

由美国白特尔公司开发的ROCOMP机动平台，主要用于运输军用物资，可上下楼梯和斜坡，能通过窄小房间和过道，采用无线电进行控制或者沿计算机预编程路线进行刑事，行驶中能自动避开障碍。

北京京金吾高科技公司开发的JW902（第5代）排爆机器人属国家科技部863计划项目。JW902机器人的主要功能就是抓取，它优于国内外同类的各种机器人。

双节双履带式移动机器人

美国福斯特米勒公司开发的履带式‘鹰爪’无人作战平台，最初设计用途是为了排除复杂、简易爆炸物，其重量不超过45kg，其遥控距离达1000m，目前该型机器人已在伊拉克和阿富汗执行了2w多次任务。

国外开发的多位双节双履带式移动机器人，因为此种移动机器人与单节式相比较，越障功能更优。目前上海大学正在研究的关节式履带爬楼梯机器人就是属于这种结构。

多节多履带式移动机器人

采用多节多履带式结构的机器人越障能力更强，但是其价格也较高，控制也更复杂。 美国Vecan公司日前准备研发新一代战场救援机器人VecnaBEAR。科学家们已经对其结构进行了初步设计：上身采用液压式伸缩装置，底部采用履带式驱动系统，添加动力平衡技术。在最近的一次电脑模拟演示中，VecanBEAR成功地托起一个普通人重量的虚拟士兵而没有跌倒。目前研究人员正在开发VecnaBEAR的履带式装置。

有我国自行生产的“灵犀-B”型排爆机器人，利用三段履带式设计装置行走、机械手、云台3个摄像头，最大行走速度30m/s，能抓取15公斤重物，爬行40°斜坡和楼梯，越过40cm高的障碍和50cm宽的壕沟，自带电源可连续工作4小时。

多节轮履复合式移动机器人

轮履复合式一般为3节，其中间为轮式，两端为履带臂。采用此种结构形式，既可以充分发挥轮式的快速性，又可以突出履带式良好的地面适应性。

美国Remotec公司的Andros系列机器人收到各国军警部门的欢迎。Andros机器人可用于小型随机爆炸物的处理，它是美国空军客机及客车上使用的唯一的机器人。最新设计的Mini-Andros II机器人配置了活节履带及轮盘地盘，最大触及距离达2m。机器人采用模块化设计，能够快速拆装，更换不同工具。机身小巧，可以在大兴机械人不能达到的区域进行操作。

“变形金刚”是美国为战时营救行动量身定做的机器人。该机器人安装有液压驱动的双臂，可以举起重180kg的重物，依靠滑轮、轨道和关节系统还可以做出各种动作，它甚至可以弯腰爬上陡峭山坡，还可以紧贴地面行动。

中科院光电所研制的超小型排爆机器人目前已经研制成功，该机器人具有2个机械臂（一大一小），可以同时上下夹取物体，此外，机械臂还可以进行翻转。

自重构式移动机器人

1994年，斯坦福大学的Mark Yim在他的博士论文中提出了一种模块化可重组机器人的设计思想，并仿真实现了机器人的多种重组结构，以及多种不同的运动步态。由于模块化可重组机器人具有灵活的物理结构及良好的环境适应能力、生存能力，国外很多机构开始着手这方面的研究。目前国外已研制出主要模块化可重组机器人系统。

山东科技大学提出的一种可变性履带机器人，主要由1个躯体部分、4个折叠臂、4个履带体所组成，其中每一个履带体都通过一个折叠臂和机器人的躯体相连。该机器人共有12个自由度，其中有8个转动关节驱动和4个履带驱动。该机器人不怕翻滚、越障、爬坡能力更强，可以翻阅相对更大更高的高墙或沟壑，甚至可以在泥泞与沼泽中行走。 哈尔宾工业大学机器人研究所研制的模块化可重构履带式微小型机器人，单个机器人可以独立运行，多个机器人可以重构成链型和环形机器人。该微小型机器人结构紧凑、体积小、重量轻。采用两位微控制器和PC机两级控制体系，两级间采用蓝牙通讯。该机器人的链型重构具有较强的越障能力，爬楼越楼梯；环形机器人具有速度较高及路面适应能力强的特点。

三、论文（设计）的主攻方向、主要内容、研究方法及技术路线

1、主要研究内容

⑴ 爬楼机器人的原理研究和机械结构的设计。要求机器人能在平地行驶，攀爬通常规格的楼梯，转弯，以及具备一定的避障能力。

⑵ 对其运动过程分析，提取出爬楼机器人关键动作，运用运动学和动力学理论分别进行了运动学（运用Matlab进行仿真）和动力学分析，最后对爬楼机器人进行静态稳定性分析。 ⑶ 使用三维实体造型软件Catia建立了爬楼机器人的三维实体模型， ⑷ 针对移动机器人越障行为进行了仿真，对机器人机构设计进行优化。

⑸ 控制系统的设计。使机器人能够自动转弯、与楼梯栏杆（或墙壁）保持一定距离、避开跨越不了的障碍。

2、一般在各研究中会采用以下几个研究方法：

①在机构的设计中采用功能分析的方法，确定机构各尺寸关系间的约束关系。 ②运动学分析：建立合理的运动学模型，从而对不同运动阶段进行分析。

③运动学仿真与分析：在机器人越障的运动学模型基础上，改变机构相关尺寸进行仿真分析，从而得到最优解。

④对机体质心及其稳定性进行分析，选取合适参数做仿真，得到最优解。

⑤介绍了机器人结构实现方法，从传动设计、零件组成及选用，从设计方面对机器人的结构进行了详细说明。

⑥机构动力消耗问题的研究。

⑦设计的机构在模态环境和非模态环境下使用情况的对比，验证其适应性。 3、关键技术及难点

⑴爬楼机器人的设计与优化 ⑵运动学分析与仿真

⑶虚拟样机的机械系统模型的建立

四、论文（设计）的工作进度安排

第一阶段：2013.1——2013.2 第二阶段：2013.3 第三阶段：2013.3——2013.4月15日 第四阶段：2013.4月15——2013.5月15日第五阶段：2013.5月15——2013.5月31日第六阶段：2013.6月

指导老师签名________________

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