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个轮腿式移动越障机器人驱动装置的研究_说明书.doc
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个轮腿式移动越障机器人驱动装置的研究_说明书.doc
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1 引言……………………………………………………………………………3
1.1 移动机器人的发展概况 …………………………………………………3
1.2 轮腿式移动机器人的发展趋势 …………………………………………3
1.3 轮腿式移动 机器人关键技术的研究 ……………………………………6
1.4 本次设计目的及意义………………………………………………………6
2 轮腿式移动机器人驱动方案设计 …………………………………………7
2.1 课题要求……………………………………………………………………7
2.2 轮腿式机器人结构方案设计………………………………………………7
2.2.1 轮腿配置方案的选择……………………………………………………8
2.2.2 轮腿式机器人的结构方案………………………………………………8
2.2.3 六轮腿的分布方案………………………………………………………8
2.2.4 越障机构的设计…………………………………………………………9
2.2.5 车轮方案设计……………………………………………………………11
2.2.6 总体方案…………………………………………………………………12
3 轮腿式移动机器人驱动装置结构设计………………………………………14
3.1 车轮设计……………………………………………………………………14
3.1.1 车轮直径设计……………………………………………………………14
3.1.2 轮宽的选择………………………………………………………………14
3.2 腿臂的设计 ………………………………………………………………14
3.3 车底盘设计 ………………………………………………………………15
3.4 机构受力分析与计算 ……………………………………………………16
3.4.1 机构重力估计……………………………………………………………16
3.4.2 受力分析…………………………………………………………………16
3.4.3 前排轮翻越台阶时车身受力分析………………………………………17
3.4.4 车轮驱动功率……………………………………………………………20
3.4.5 关节功率计算……………………………………………………………20
3.4.6 轮子驱动转矩计算………………………………………………………20
3.4.7 在斜坡上所需的制动力…………………………………………………20
3.5 驱动装置的设计……………………………………………………………21
3.5.1 驱动方式概述……………………………………………………………21
3.5.2 车轮电机和制动器选择设计……………………………………………22
3.5.3 腿臂驱动电机和减速器,离合器的选择………………………………23
3.6 总体结构图 ………………………………………………………………24
4 零件设计 ……………………………………………………………………25
4.1 零件设计的主要方面 ……………………………………………………25
4.2 零件具体设计 ……………………………………………………………25
4.2.1 车体的设计 ……………………………………………………………25
4.2.2 长臂的设计 ……………………………………………………………26
4.2.3 短臂的设计 ……………………………………………………………26
4.2.4 摇杆的设计 ……………………………………………………………26
4.2.5 车轮的设计 ……………………………………………………………27
4.2.6 腿臂驱动设计 …………………………………………………………34
4.2.7 整体结构 ………………………………………………………………35
5 性能分析 ……………………………………………………………………36
5.1 动态打滑的稳定性分析 …………………………………………………36
5.2 爬坡步态分析 ……………………………………………………………37
5.2.1 坡面行使 ………………………………………………………………38
5.2.2 越障步态 ………………………………………………………………39
结论………………………………………………………………………………40
致谢………………………………………………………………………………41
参考文献…………………………………………………………………………42
1 引言
1.1 移动机器人的发展概况
随着科技的进步,人类的视野越来越开阔,对未知世界进行探索的愿望越来
越强烈。迄今为止,人们已经开始了对月亮、火星等宇宙星体的探索,也开始对地下
埋藏的,乃至海底沉寂的历史古迹、文化遗产、地理地貌的研究。另外,现代战争的
复杂程度越来越高,反恐斗争的难度也越来越大,需要人们能够及时准确地完成各种
侦察或作战任务。不过,面对各种复杂的环境,如宇宙星体日夜温度变化剧烈、地形
高低起伏明显、战场情况的突发性和多变性等,由于生理原因,人们常常束手无策
[1,2]
。
可遥控控制、能够适应地形变化的移动机器人,为人类突破这些局限创造了条
件。这种机器人可以适应不同环境,不受温度、湿度、空间、磁场辐射、重力等条件
的影响,完成人类无法进行的探测任务。
移动机器人是一种能够与外界环境交互的智能系统,在有障碍物的环境中能够
面向目标自主运动,从而完成一定作业功能的机器人系统。用于军事侦察、反恐防暴
等危险作业的小型地面移动机器人以其体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特
点成为移动机器人研究领域的又一热点。由于其工作环境复杂多变,很多时候要求机
器人不是避开障碍或复杂地形,而是要越过并适应它。所以,研究开发具有越障功能的
小型地面移动机器人以适应各种结构化、非结构化环境是非常必要的。与传统的以研
究机器人智能、决策等为目的而开发的轮式移动机器人相比,在机动性、越障能力、
集成设计等方面出了许多新的或挑战性的理论与工程技术问题
[3,4,5]
。
1 .2 轮腿式移动机器人的发展趋势
轮腿式移动机器人的发展较为发达,各国都在大力研究。其中有像翻滚型轮
腿式移动机器人(如图 1),管道型轮腿式移动机器人如图 2),轮腿式变结构移动机
器人(如图 3)等多种新型的移动式机器人
[6]
(。并且向着智能化,微型化发展,越
来越来多的微型智能化移动式机器人出现在社会的各个行业中,并且充当着重要的角
色。
图 1 翻滚型轮腿式移动机器人 图 2 管道型轮腿式移动机器人
图 3 轮腿式变结构移动机器人
据国外媒体报道,近日美国研究人员推出一款取名为“Three”的新式 netbook
电脑机器人
[9]
(如图 4)。据介绍,该机器人的底盘结构为两个滑动轮胎,而轮胎的中
间连接部分则负责承载 netbook 电脑。整个设计结构简单而且十分易于实际操作,即
使没有相关的原理知识,也能够在说明书的介绍下方便控制以及拆卸安装。
图 4“Three”新式 netbook 电脑机器人
设计人员还表示,该机器人内部装有大功率发动机,以及最先进的机器设备。
仅仅在安装上相应的软件与装载上主人识别系统,整个机器人将完全在顾客的掌控之
下,让顾客享受到全方位服务。此外,如果顾客觉得仍然不过瘾,顾客可以安装红外
线传感器
以及外置摄像仪器等装置。
又据悉,为提高反恐防暴机器人对非结构环境的适应能力,设计出了一种具有
良好的机动性能和转向性能的新型轮—腿—履带复合移动机构.通过机器人机构分析
与本体的稳定性分析,论证了其结构设计的可行性及好的稳定性.从而设计出了这种
轮—腿—履带复合移动机器人
[10]
(如图 5)。
图 5 轮—腿—履带复合移动机器人
研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动,以及
替代人到有辐射等危险环境中进行作业,因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域
得以应用。随着机器人技术的不断发展,工业领域的焊接、喷漆、搬运、装配、铸造
等场合,己经开始大量使用机器人。另外在军事、海洋探测、航天、医疗、农业林业
甚到服务娱乐行业,也都开始使用机器人。而作为一种新型探测用具,轮腿式移式机
器人由于其机动性及智能化,可以从事很多人类难以亲身参与的工作。如复杂危险地
形的探测、外星球的探测及一些军事领域的侦查等。机器人的爬坡和越障能力作为机
器人野外适应能力的两大主要指标是地面移动机器人研究的重点内容。又由于轮腿式
移动机器人大多数时候都工作在崎岖不平的地形中.倾覆稳定性对这种机器人而言是
非常重要的.运动过程中发生的倾覆可能导致机器人驱动系统失灵、运动失控、无法
复位、元件损坏乃至系统报废等一系列问题是今后轮腿式移动机器人研究的重点内容。
真正的智能化和完全的自主移动的关键技术。导航研究的目标就是没有人的干预下使
机器人有目的地移动并完成特定任务,进行特定操作。机器人通过装配的信息获取手
段,获得外部环境信息,实现自我定位,判定自身状态,规划并执行下一步的动作
[11,12]
。
1.3 轮腿式移动 机器人关键技术的研究
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omyligaga
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