一种多姿态越障机器人设计

一种多姿态越障机器人设计

A design for colourful obstacle-navigation robot

（西南科技大学创新实践班 621010）

摘要：设计了一种关节式机器人，其主要特点是制作成本低，重量小，便于携带，运行平稳，越障能力强。主要介绍了机械结构，克服不同障碍的过程及重心分析。

关键词：越障 运动过程 重心分析

Abstract:In this kind of a joint type robot，the main characteristic is low cost and stable operation, strong obstacle-climbing capability. And the text mainly introduces the mechanical structure, the progress of overcoming the different barriers and gravity analysis

key words：obstacle-navigation motor process gravity analysis

引言

便携式越障机器人具有良好的运动性能，在室内环境中可以上下楼梯 ，跨越台阶，在室外非结构地形中可以翻越障碍、跨越壕沟、自适应路面。通过加载不同的设备和仪器，机器人可广泛用于救援、抢险、防爆、科考、军事等领域，其应用价值十分巨大

本文提出了一种 3自由度便携式机器人设计方案。机器人整体结构分三段，采用模块

化设计，具有可拆装、维修方便等特点，设计完成的机器人与同类机器人相比较，从机械结构上保证了在越障性能、跨沟性能、路面 自适应性能等方面更加具有优势。

1结构设计

救援车应该有一定的越障功能，根据查阅的专利及论文我们创新出了一种新的越障运动模式。

障碍大体可以分为分为三类即：较高的垂直阻挡块，沟道和连续阻挡（如：楼梯）。我们的小车根据这三种障碍的特点调整出三种不同的运动姿态给以应对。

车体主体结构如下：

图一

实物原理图：

图二

前支撑臂长400，重量8Kg，车体长500重5.5Kg（前200重5Kg），后支撑杆长480重1Kg。

车体和后支撑杆可发生超过60度的相对转动，车体和前支撑臂可发生360度的相对转动。

2. 机器人多姿态越障过程

2.1运动姿态一：跨越垂直阻挡块

在跨越垂直挡块时，可越过<=300mm高的障碍。

2.2运动姿态二：跨越沟道

当在越沟模式下时，可跨越宽度<=400mm的沟道。

2.3运动姿态三：连续阻挡（楼梯）：

3 关于重心的论证

设主轮轴为原点，小车前进的方向为正方向。则

2508505640114 小车在平地前臂伸直时重心==79mm

100850564010 14 小车在平地竖起前臂90°时重心=

当小车前臂转角超过90°时重心在负半轴。

基于以上论证，我们在车体上加以可控游动配重，可保证车体运动平稳可靠。

4 结论

本文阐述了一种两关节三自由度机器人的设计与实现，具体分析了其越障能力。与同类机器人相比有制作成本低，重量小，便于携带，运行平稳的特点。经过分析及实验证明了该机器人运行平稳，越障能力强。可用于救援、抢险、防爆、科考、军事等领域

参考文献：

[1]梁建宏，王田苗，周丹，韩广，王野.便携式可重构机器人.北京航空航天大学，2005

[2]赵希庆，尚建忠，罗自荣，谢惠祥.四连杆变形履带式机器人的越障性能分析.机械设计与研究，2009.12

[3]李允旺，葛世荣，朱华.摇杆式履带悬架的构型推衍及其在煤矿救灾机器人上的应用.机器人.2010,1

[4]隆文革，王艾伦.一种多姿态便携式履带机器人的机械传动设计.机械传动，2007

[5]郑超，赵言，付庄.一种小型履带机器人结构设计与实现..上海交通大学机器人研究所，2002

5 关于设计和制作的总结

对于本小车我个人认为，设计是成功的制作室失败的。先总结成功的经验。成功有以下几点：

1， 设计达到的我们预想的功能也就是跨越小于300mm高的障碍和跨越小于400mm的沟道，对于爬楼梯的功能经计算证明是可以实现的。

2， 本设计有几个创新点，（1）我们参照了很多越障机器人的模块化设计方法——把机器人的各功能部分模块化，便于拆装和运输；（2）本机器人我们让其分步运动，即识别不同的障碍启动不同的越障模式，有别于一般越障机器人的单一越障模式（3）本机器人不光可以越过障碍，而且可以在机器人的车体上装上不同的执行部件执行相应的动作，完成相应的救援任务，如装上切割机可以切割作业，可以执行运输食物等工作；（4）本机器人结构简单易于制造，且制造成本低。

下面重点总结失败的经验：

1， 失败主要在制造方面，首先在于电机的选择。这主要是由于杨勇没有主动承担起

电机选择的任务，直接导致了电机选择失败，造成整个机器没有足够的动力。几乎整个车所用的6个电机都不符合转速和转矩的要求，而且与适合的转矩和转速相去甚远。首先，驱动轮的转速太快，转矩太小；然后是，前臂驱动电机转矩也太小；最后是，前臂齿轮采用步进电机是个失败的举措，步进电机转矩过小，转速也不能符合要求。整个全部电机都是失败的，对于电机的选择不该由学电的同学来选择，而该由学机械的杨勇同学来计算选择。对此，杨勇也表示知错，表示今后自己将主动承担起驱动的计算选择任务。

2， 整过车体的加工也是失败的，整过车体的加工就只能用粗制滥造来形容。以为凭自己的双手和简单的工具可以达到制造的精度和刚度。当用手打造出来后才发现整个车体的强度都达不到要求，而且在关键的链接处根本就达不到强度和精度要求。其实，杨勇是考虑过机加工的；但是考虑到经费的问题，就只能将就手工加工了。当杨勇把机械方面所需要的零部件买回来时，我们的经费都只剩下100多块钱了。根据师兄们的经验，如果把图纸设计出来加工最少也得600块以上，车体的粗制滥造直接导致了整个车体不成形，毫无精度可言。做为学机械的同学，我为自己制造出来的车体感到羞愧。

3， 轴的链接是失败的，所谓轴的链接。根本就不是一个学机械的人制造出来的，全是用AB胶粘接在一起的。这样就直接导致了轴连接强度不够，精度及差。

4， 轴的运用是失败的，所谓的轴，不过是从一堆废物里面找出的铝管和不锈钢管罢了。这样直接导致链接处的精度不能保证，因为不可能找到刚好大小满足的管子。轴的强度直接没了保证，因为是管子的壁是很薄的，薄壁就直接导致常用的轴连接方法不能使用。

5， 电机的固定是失败的，电机没有按照标准的固定方法固定。只用细铁丝绑定，哎，没办法啊，是没设计到位。不过这个相对于前面的问题这个就不算是问题。

以上的问题并不是不可避免的，完全可以解决。

1， 针对电机的问题，我可以再计算购买。

2， 车体的强度和精度问题我可以采用标准件和机加工的方式解决

3， 轴连接的问题可以设计联轴器加以解决

4， 轴我可以设计图纸用车加工加以解决

5， 电机的固定可以买标准件加以解决

虽然所有的问题都是可以解决的，但是所有的都是空话。所谓巧妇难为无米之炊，没有经费一切都是白谈。我对整个车体的设计和制造有不可推卸的责任，这也是没经验。当时在定目标的时候订的太高，直接导致经费短缺，最后的制造阶段没能得到保证。

项目虽然失败了，但是我努力了，我不后悔，我学到了很多。如果我再有时间和经费我愿意把我的设计继续做完。