《基于STC89C52單片機(jī)和傳感器組的輪子式山地救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》17000字（論文）

第一章緒論1.1山地救援車的意義和作用在如今全球?yàn)?zāi)害頻發(fā)，各國各地區(qū)救援人員不足以及無法在第一時(shí)間進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場實(shí)施救援，而導(dǎo)致國家以及人民的安全與財(cái)產(chǎn)受到很大的損失的背景下，山地救援車的大規(guī)模使用就迫在眉睫，而針對如今山地救援車的救援能力，各國各地區(qū)科研人員都進(jìn)行了實(shí)地應(yīng)用的全方位改造，使其能夠在各種復(fù)雜的環(huán)境中完成救援任務(wù)，減少或避免人民生命財(cái)產(chǎn)的損失。山地救援車在機(jī)動性和靈活性上有很強(qiáng)大的優(yōu)勢，在復(fù)雜多樣的地形環(huán)境中，山地救援車能夠通過強(qiáng)大的攀爬能力，很輕松的通過。人員定位準(zhǔn)確，能夠敏捷靈活的應(yīng)對各種災(zāi)害地區(qū)傷害，并抱枕被救人員的生命安全。由于山地救援車具有作業(yè)效率高、救援時(shí)不受環(huán)境影響，能夠運(yùn)用其強(qiáng)大的轉(zhuǎn)動能力越過障礙，對于復(fù)雜多變的救援環(huán)境依舊可以實(shí)施救援等等超出常規(guī)救援人員的特點(diǎn)。就是因?yàn)樯降鼐仍囉兄@些強(qiáng)大的功能，使四輪子式機(jī)器人在救災(zāi)方面具有無與倫比的強(qiáng)大優(yōu)勢。隨著社會與國家的發(fā)展，在經(jīng)濟(jì)迅速增長的同時(shí)，各種危險(xiǎn)場所不可避免的災(zāi)害頻繁出現(xiàn)，給社會安全造成了很多隱患，于是現(xiàn)代災(zāi)害及時(shí)補(bǔ)救已成為迫在眉睫需要解決的問題，救火早一刻就少一分損失，消防救援人員固然速度已經(jīng)很快，但也需要一段不小的時(shí)間，而且進(jìn)入救火現(xiàn)場還有生命危險(xiǎn)的可能，于是消防機(jī)器人的理念誕生了，設(shè)計(jì)主要就是針對消防機(jī)器人的制作與研究，機(jī)器人以PLC為控制核心，加以電源電路、電機(jī)驅(qū)動、光電傳感電路、火焰檢測電路、滅火水以及其它電路構(gòu)成。電源電路提供系統(tǒng)所需的工作電源，專用電機(jī)驅(qū)動芯片驅(qū)動電機(jī)控制機(jī)器人的前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)向，光電對管完成尋跡和避障，光敏電阻傳感器檢測火焰，滅火機(jī)械手進(jìn)行滅火。本設(shè)計(jì)制作的消防機(jī)器人具有簡易滅火功能，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場滅火的目的，設(shè)計(jì)較好地完成了課題目標(biāo)。山地救援車在災(zāi)害救援中的優(yōu)勢：行動快速且靈敏；在危險(xiǎn)且長時(shí)間工作下，無任何松懈；由于機(jī)器人結(jié)構(gòu)特殊，其在環(huán)境十分危險(xiǎn)且復(fù)雜的情況下，依舊可以深入災(zāi)害發(fā)生地，并且實(shí)施救援以及分析現(xiàn)場情況的能力；可以長時(shí)間的進(jìn)行救援工作且由于其體型較小和無感情引起二次坍塌的可能性極小，而且也沒有救援場地極度危險(xiǎn)的心理壓力，使救援工作能夠快速穩(wěn)定的執(zhí)行；許多救援人員無法實(shí)施救援的地點(diǎn)，山地救援車都可以第一時(shí)間進(jìn)入。1.2山地救援車的發(fā)展起初由于作戰(zhàn)時(shí)需要大量的偵察敵情和打掃戰(zhàn)場的人員，而人員有限，所以人們就開始把機(jī)器人研發(fā)用于軍事領(lǐng)域。而對于災(zāi)害救援工作是從上世紀(jì)八十年代左右才有相關(guān)人員意識到可以這方面應(yīng)用山地救援車的相關(guān)研究制造。很多國家和地區(qū)的相關(guān)研究院所以及大學(xué)的創(chuàng)新院積極參與研究制造山地救援車的相關(guān)行動中去。真正使山地救援車有用武之地以及發(fā)揮自己的獨(dú)特能力的絕佳時(shí)期，是在90年代發(fā)生在美國和日本的災(zāi)害地震，由于發(fā)生突然且災(zāi)害嚴(yán)重，短時(shí)間救援人員無法立即實(shí)施救援，當(dāng)時(shí)的國家安全局機(jī)器人研究人員不失時(shí)機(jī)的提出用山地救援車代替救援人員實(shí)施救援，救援機(jī)器人就此登上了歷史舞臺，并揭開了其偉大的征程（征服各種災(zāi)害）。也許是時(shí)機(jī)已到，在2千年初，美國發(fā)生的一起恐怖事件，使山地救援車有了一次登臺表演的寶貴機(jī)會（也是證明自己實(shí)力的時(shí)機(jī)），山地救援車在此次救援行動中取得了巨大成功并展現(xiàn)了人類在危險(xiǎn)環(huán)境中不具備的巨大能力。當(dāng)然在這次救援中，人們也發(fā)現(xiàn)了機(jī)器人的很多缺點(diǎn)，但是由于機(jī)器人有其人類不具備的優(yōu)點(diǎn)，所以更加激發(fā)了各國研究機(jī)器人的熱情。圖1-1救援機(jī)器人系統(tǒng)之后日本的一位名教授首先提出并制作了蛇形和蜘蛛形機(jī)器人以及蛛形機(jī)器人“星標(biāo)”。當(dāng)然不光上述如此，在日本的另一家公司也在不久之后設(shè)計(jì)優(yōu)化了一種超精密飛行機(jī)器人（也就是大家熟知的精工愛普生飛行機(jī)器人），它身形簡約，體重輕便，飛行高度適中，非常適用在一定的空間內(nèi)。它與直升飛機(jī)的飛行理論相似，可參考相關(guān)直升飛機(jī)的飛行狀態(tài)，它通過所帶的螺旋槳相斥運(yùn)動來產(chǎn)生動力，使飛行機(jī)器人升空作業(yè)，只是由于體型和技術(shù)的不夠，本機(jī)器人能夠攜帶的重量也是十分小，只能完成較輕便堵塞小任務(wù)。。在機(jī)器人時(shí)尚大潮中，我國也為機(jī)器人事業(yè)添上了漂亮的一磚。比如我國著名的幾所理工科名校（清華、北航、北理工、東南大學(xué)等等）研究制作了大量的性能優(yōu)良的機(jī)器人：登山者機(jī)器人、四履腿機(jī)器人、RTMBoT機(jī)器人等等。在機(jī)器人的性能動力方面，我們還有很大的空間去探索，例如以下五個(gè)：（1）運(yùn)動能力；（2）通信能力；（3）存活能力；（4）作業(yè)能力；（5）感知能力。輪式山地救援車由于其結(jié)構(gòu)特殊（主要是因?yàn)槁膸系穆凝X很多能夠更多的接觸地面，提供強(qiáng)大的驅(qū)動力，而且十分不易打滑）地形越障能力很強(qiáng)，在如今各種復(fù)雜的救援地形中，輪式救援機(jī)器人都展現(xiàn)了它強(qiáng)大的地形越障能力，是人類救援工作不可或缺的幫手。當(dāng)然，它的缺點(diǎn)也很明顯：由于其功能很多所要完成的任務(wù)也很復(fù)雜，所以也就導(dǎo)致了機(jī)器人自身重量很大，進(jìn)而其耗油量也很大，這也就造成了如今機(jī)器人的續(xù)航能力不是很強(qiáng)，目前業(yè)內(nèi)專家也正在攻克這一難題。但是總的來說，輪式機(jī)器人更加適合在地形十分復(fù)雜的環(huán)境中實(shí)施救援，所以如今大部分救援任務(wù)都是出動輪式救援機(jī)器人。在輪式機(jī)器人家族中，還有四輪式以及六輪式等等成員，它們?yōu)檫@個(gè)家族增添著絢麗的梓彩。多輪式機(jī)器人在復(fù)雜的地形中有著絕對的優(yōu)勢，是因?yàn)槎噍喪綑C(jī)器人可以隨意調(diào)轉(zhuǎn)方向以及在越障時(shí)的角度（圖7）。尤其是家族榮耀四輪式機(jī)器人，它的性能更加優(yōu)越，是優(yōu)等生。四輪式機(jī)器人在地形復(fù)雜的環(huán)境中比其他多輪式機(jī)器人更加快速更加穩(wěn)定更加容易翻越陡坡和溝渠。由于有四只手，在動作轉(zhuǎn)換時(shí)很靈活且動作范圍小。更重要的是：四輪式機(jī)器人的應(yīng)用范圍更廣實(shí)用技術(shù)更加成熟穩(wěn)定。

第二章總體方案設(shè)計(jì)與論證2.1研究內(nèi)容本課題設(shè)計(jì)的山地救援機(jī)器人，由于是野外作業(yè)全能路況應(yīng)用，對山地救援車有以下要求，除了具備一般舉升必須滿足的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性和同步精度的要求外，還要求其安全系數(shù)很高。由于現(xiàn)在市場上存在的升降機(jī)還具有很大的安全隱患，要根據(jù)其所使用的場合針對其存在的安全隱患進(jìn)行改進(jìn)。保證穩(wěn)定的情況下，降低整備設(shè)備結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，增加底部質(zhì)量，使其重心降低，防止其野外作業(yè)發(fā)生側(cè)翻。增加工作臺面的面積，使其可以同時(shí)承載的人數(shù)增加，增加工作效率的同時(shí)增加工人可活動的范圍。對液壓系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，增加起升時(shí)的穩(wěn)定性。主要是在液壓缸結(jié)構(gòu)中加入液壓鎖機(jī)構(gòu)，自鎖液壓缸。增加自行式移動裝置，安裝轉(zhuǎn)動電機(jī)，可以方便的移動，減少移動時(shí)時(shí)間的浪費(fèi)。（1）建立山地救援機(jī)器人三維模型，分析生成運(yùn)動軌跡，配合連桿進(jìn)行設(shè)計(jì)，（2）對升降機(jī)底座電機(jī)和軸進(jìn)行選型計(jì)算。滅火機(jī)械臂進(jìn)行設(shè)計(jì)。（3用三維軟件建立對山地救援機(jī)器人各個(gè)零件的模型，在Solidwroks軟件的裝配模式下組裝成總裝配體。（4）對山地救援的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.2.1機(jī)械系統(tǒng)（1）腿式山地救援車腿式山地救援車的家族成員：單腿機(jī)器人以及多腿式機(jī)器人（包括雙腿機(jī)器人、四腿機(jī)器人、六腿機(jī)器人、八腿機(jī)器人等）（2）單腿式機(jī)器人由于單腿式救援機(jī)器人的實(shí)際作用不大且應(yīng)用時(shí)間范圍很小，所以這里就不做贅述。（3）雙腿式機(jī)器人雙腿式機(jī)器人是在實(shí)際生活中我們見的最多的一類機(jī)器人，而在雙腿式機(jī)器人家族中波士頓動力研究制造集團(tuán)研發(fā)的阿特拉斯機(jī)器人及本田公司的機(jī)器人阿塞姆就是其中不可多得的功能強(qiáng)大實(shí)用的優(yōu)秀成員，在人類日常生活中，雙腿式機(jī)器人起著很大的幫助服務(wù)作用，但是其在復(fù)雜的災(zāi)害救援工作中缺乏有效的速度和強(qiáng)大的救援能力，因此很少應(yīng)用于災(zāi)害救援工作中。圖1-3雙腿機(jī)器人（4）四腿式機(jī)器人四腿式救援機(jī)器人的輝煌是由于美國一家軍事制造公司為美軍設(shè)計(jì)制造的大狗救援機(jī)器人。四腿式機(jī)器人身具極佳的奔跑能力，而且其穩(wěn)定性也有一定的保證，在有著大量運(yùn)輸工作時(shí)，四腿是機(jī)器人能夠很好的幫助人們擔(dān)當(dāng)起運(yùn)輸?shù)墓ぷ鳎?dāng)然由于腿式機(jī)器人的天然缺點(diǎn)，他只能作為輔助性機(jī)器人，盡管它的身體結(jié)構(gòu)也很堅(jiān)硬，其運(yùn)動速度超越了人類。（5）八腿式機(jī)器人多腿式機(jī)器人的家族成員中，六、八腿式機(jī)器人是出場率比較高的一類，比如仿生類機(jī)器人（蜘蛛機(jī)器人、螃蟹機(jī)器人、蛇形機(jī)器人蜈蚣機(jī)器人等等），由于其動力穩(wěn)定，因此這類機(jī)器人都具有極佳的穩(wěn)定性，它們完全繼承了多腿式機(jī)器人的奔跑特性和優(yōu)點(diǎn)，完全使用多腿動物的奔跑方式，這樣就能使這類機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)輕巧靈活，安全可靠，不過這類機(jī)器人雖然功能強(qiáng)大，但是也有其明顯的缺點(diǎn)：由于身體部件太多，損壞不易修理，而且技術(shù)要求極高，對芯片的要求就更高了。腿式家族機(jī)器人的榮光點(diǎn)以及失望處：應(yīng)對各種復(fù)雜的地形，速度快且穩(wěn)定；但由于現(xiàn)有的控制器還不能夠像人類大腦一樣控制身體，由于其追求似人類智能化形體化，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度很高，而且損壞率較高且修復(fù)困難。（6）輪式機(jī)器人因?yàn)檩喪郊易遄陨淼奶烊徊蛔?，其家族很少出現(xiàn)很厲害的代表，這里我們就不一一贅述，簡單概括一下其家族總體特點(diǎn)；總的來說輪式機(jī)器人的歷史在機(jī)器人整個(gè)歷史中還是挺悠久的，由于輪式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單且質(zhì)量較輕，而且大家都知道輪子的機(jī)械效率很高摩阻也小，所以輪式機(jī)器人非常適用于地形較為平坦的地方；由于輪子的越障能力很差且轉(zhuǎn)動能力很差勁，所以在復(fù)雜的地方輪式機(jī)器人基本排不上用場。圖1-4輪式機(jī)器人2.2.2控制系統(tǒng)在智能全自動機(jī)器人研究領(lǐng)域，我們首先要考慮的是其控制系統(tǒng)方式，當(dāng)然由于機(jī)器人工作環(huán)境大多比較危險(xiǎn)，所以我們大多選擇無線控制系統(tǒng)方式，不過這個(gè)控制系統(tǒng)方式在應(yīng)用了這么多年后，也出現(xiàn)了很多不適應(yīng)，慢慢的有了其日益危險(xiǎn)繁重的救援工作。最新機(jī)器人研究報(bào)告顯示：最優(yōu)的方式是山地救援車在接受到災(zāi)害救援任務(wù)后能夠自己智能行進(jìn)，自己利用大數(shù)據(jù)分析路徑，并在最短的時(shí)間內(nèi)選出最佳的行走路線。當(dāng)然這只是我的設(shè)想，實(shí)際情況是：現(xiàn)如今的機(jī)器人領(lǐng)域大多數(shù)都是半智能的，只有在人機(jī)配合下才能完成救援任務(wù)。做到山地救援車的全自動化，就必須把人工智能研究透徹，取得突破性成績，實(shí)現(xiàn)救援機(jī)器人自主計(jì)算能力，以及在強(qiáng)大的芯片下，能夠自主實(shí)施救援并給與基本的治療等等難題。中國在進(jìn)入二十一世紀(jì)后，由于經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，國家投入資金的日益增多，鼓勵(lì)大學(xué)民間研制相關(guān)機(jī)器人，使得中華大地的智能行業(yè)悻悻向榮，國家科技研究水平日益趨近發(fā)達(dá)國家水平。近年來國內(nèi)外災(zāi)害頻發(fā)，救援人員嚴(yán)重不足，由于災(zāi)害發(fā)生時(shí)救援環(huán)境極其惡劣，救援人員和搜救犬都無法第一時(shí)間進(jìn)入實(shí)施救援，造成了國家和人民生命及財(cái)產(chǎn)的重大損失。我國各大學(xué)研究中心與國家相關(guān)部門緊密合作，根據(jù)多年救災(zāi)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)研究新一代山地救援車，模擬各種救災(zāi)場景，使山地救援車在實(shí)踐中不斷成熟。其實(shí)機(jī)器人核心設(shè)計(jì)是要做到其傳輸數(shù)據(jù)的速度和執(zhí)行力，國內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)都在大力研究機(jī)器人完全自主化完成任務(wù)并安全返回，這就需要研究人員做到機(jī)器人芯片的強(qiáng)大化，完善現(xiàn)有機(jī)器人的半智能的尷尬局面。在人機(jī)交互方面，國內(nèi)經(jīng)常舉辦各種機(jī)器人生態(tài)比賽，并且每年都會在各種科技報(bào)刊發(fā)表海量的山地救援車交互系統(tǒng)的數(shù)據(jù)文章。我從中學(xué)到了把優(yōu)秀的設(shè)計(jì)理念以及可行性加強(qiáng)設(shè)計(jì)更加優(yōu)創(chuàng)的應(yīng)用到我的山地救援車的身上，使其能夠更好的完成救援任務(wù)。優(yōu)良的智能交互界面，良好的信息捕捉能力，以及極速的反饋能力，語音交互系統(tǒng)必須暢通無阻且清晰易，把這些機(jī)器人研究領(lǐng)域的難題和設(shè)想以及熱點(diǎn)解決，不僅是科研人員迫切的希望，也是國家和人民的需要。我查閱了國內(nèi)外的關(guān)于山地救援車的新聞，發(fā)現(xiàn)今時(shí)的機(jī)器人只能做一些輔助性工作，其在災(zāi)害中應(yīng)用并不多，這讓我大為吃驚。救援人員需要山地救援車能夠在災(zāi)害發(fā)生的第一時(shí)間進(jìn)行救援，自主完成搜索、破拆、定位、實(shí)施救援、帶回被救人員等等極其復(fù)雜危險(xiǎn)的任務(wù)。吃驚之余，我也預(yù)感到了國內(nèi)的山地救援車的的未來發(fā)展方向：在第一階段的:2020-2025，研究制造具有探索以及嗅氣味的機(jī)器人，能夠在復(fù)雜的救援地點(diǎn)更好更快的救出被困者。2025-2030，實(shí)現(xiàn)山地救援車的救援地點(diǎn)的全能自主化，從接受任務(wù)到把被困人員救出，全部自主實(shí)現(xiàn)。2030-2035，能夠在救出被困者后，根據(jù)被困者的身體狀況能夠自主進(jìn)行醫(yī)治。在山地救援車的功能領(lǐng)域數(shù)據(jù)的融合技術(shù)和攝像分析技術(shù)是非常關(guān)鍵的地方。有因?yàn)闄C(jī)器人視覺系統(tǒng)一般需要三位圖像，所以我們需要使用單視覺傳感器來獲取周圍環(huán)境數(shù)據(jù)信息以及全景傳感器來擴(kuò)大攝像的可視范圍。當(dāng)然搜救中不可或缺的是生命探測儀，在危險(xiǎn)的救援現(xiàn)場，機(jī)器人需要利用生命探測儀的強(qiáng)大搜尋生命體征的能力來搜尋幸存者。對于山地救援車的數(shù)據(jù)融合技術(shù)，根據(jù)攝像機(jī)透視映射原理進(jìn)行逆運(yùn)算得到逆透視映射，進(jìn)而提出利用單攝像機(jī)獲取救援場地環(huán)境的深度信息的方法，簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使山地救援車形體更加簡單，這樣在救援時(shí)才能更好更快的完成任務(wù)救出被困人員。為了完成在危險(xiǎn)環(huán)境中的救援任務(wù)，傳統(tǒng)的單一傳感器信息處理器已經(jīng)難以滿足現(xiàn)在的救災(zāi)環(huán)境，我們需要多維多功能信息視覺處理器，這種高級別的處理器，能夠在環(huán)境信息分析以及位置定位精準(zhǔn)度方面做到更加高效精準(zhǔn)。還有一定的自我修復(fù)能力，能夠在多種情況下自主完成視覺信息處理任務(wù)。我們只要做到了把數(shù)據(jù)的融合技術(shù)和攝像分析技術(shù)完美的組合在一起，山地救援車就能夠?qū)崿F(xiàn)基本智能化水準(zhǔn)，救出更多的被困人員?？傮w框圖如圖2-1所示。圖2-1總體框圖

第三章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本山地救援車的優(yōu)創(chuàng)設(shè)計(jì)方案大體上如下：一、系統(tǒng)分析1、在明確了系統(tǒng)的目的后，從而確定機(jī)器人的目標(biāo)和責(zé)任。2、因?yàn)闄C(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)的重要性，所以我要把機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境論述分析研究到底。3、由于機(jī)器人用于災(zāi)害救援，所以本機(jī)器人的救援責(zé)任以及機(jī)器人的基本功能和設(shè)計(jì)外觀和內(nèi)飾方案都已固定。細(xì)說來，我已經(jīng)對本機(jī)器人的手臂連接處做了靈動性能測試，基本達(dá)到理想工作狀態(tài)；機(jī)器人的視覺環(huán)境信息處理功能，我已應(yīng)用三維立體攝像技術(shù)加以強(qiáng)大，以保證機(jī)器人在進(jìn)入救援現(xiàn)場后能夠快速的分析出最佳的救援路徑以及救援方式；當(dāng)然，在有些重物以及高溫高壓強(qiáng)震動環(huán)境中，我也考慮到了，把機(jī)器人的身體外部應(yīng)用最抗撞防高溫且有一定柔軟度的材料來防護(hù)；做到以上這些強(qiáng)大功能就必須具備一定的超高速計(jì)算能力，能夠有一個(gè)快速且高質(zhì)量的大腦。二、全局技術(shù)布局1、在設(shè)計(jì)指導(dǎo)坐標(biāo)時(shí)，根據(jù)生態(tài)系統(tǒng)的要求制作，必須滿足工作空間內(nèi)的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動范圍。2、山地救援車的運(yùn)動路線需要強(qiáng)大的芯片下，分析環(huán)境信息，自動做出救援路線和空間作業(yè)圖。3、全新驅(qū)動力生態(tài)系統(tǒng)中的款式。4、繪制“大腦”的工作原理圖。5、機(jī)器人的性能測試。6、在機(jī)器人底座和機(jī)械臂部位，做安全靈活運(yùn)動測試。并畫出零件圖總裝圖?？傮w機(jī)械簡圖如圖3-1。圖3-1總體機(jī)械簡圖機(jī)械臂；2、車架；3、底座；4、蓄電池；5、V帶；6、防護(hù)欄；7、軸支架；8、電機(jī)；9軸承。3.2驅(qū)動部位的結(jié)構(gòu)全局總設(shè)計(jì)災(zāi)害機(jī)器人這幾十年的歷史，培育了整個(gè)家族的機(jī)器人的六種行走方式：伸縮活塞行走方式滾動輪行走方式坦克履帶行動方式腿足式行走方式趨蠕式行走方式旋轉(zhuǎn)式行走方式整體的好壞方面如下所列：（一）伸縮活塞行走方式和傳統(tǒng)意義上的活塞運(yùn)動相似，這類行走方式動力主要依靠伸縮時(shí)內(nèi)部的氣流形成的壓強(qiáng)，內(nèi)部的相差氣流越大，就說明驅(qū)動力越大。優(yōu)點(diǎn)如此相似，當(dāng)然缺點(diǎn)也就相差不大了：抓地力很小，很難在地面做復(fù)雜動作，這是其最大的傷痛之處，也隨之使帶有這種行走方式的機(jī)器人的翻過障礙的能力隨之下滑。滾動輪行走方式滾動輪行走機(jī)器人，是采用滾動式行走方式來帶動整體機(jī)器人在地形比較平坦的地形中作業(yè)的機(jī)器人。當(dāng)然其優(yōu)缺點(diǎn)也很明顯：優(yōu)點(diǎn)是其重量輕、承重大、機(jī)構(gòu)簡單、較為方便的驅(qū)動和控制、速度較快且移動靈活、工作效率較高；缺點(diǎn)是其運(yùn)動穩(wěn)定性與路面的路況情況有很大關(guān)系，障礙臺階式的環(huán)境滾動輪式機(jī)器人就無法進(jìn)行工作。（三）坦克履帶行動方式優(yōu)點(diǎn)是與地面接觸面積大、能夠產(chǎn)生較大的附著力，接地壓力小，不易打滑，牽引力大，適合各種類型的地面，滾動阻力小，翻閱障礙叢林溝渠的本領(lǐng)很強(qiáng)大，由于其轉(zhuǎn)動方向的速度快且距離較小，可以做原地轉(zhuǎn)向動作，具有良好的智能自主回味以及翻閱障礙的強(qiáng)大實(shí)力。一般來說，坦克式履帶行走方式普遍的不足就是體重和體積都相對來說挺大，且極不易縮減，且由于本身的功能強(qiáng)大適應(yīng)范圍廣，所以隨之而來的是他的自身結(jié)構(gòu)和要求都很復(fù)雜，還要防止履帶的損壞，保持技術(shù)的張弛有度。足腿移動式和大狗機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)相似，由于和大多數(shù)足腿式行走動物一樣的行走方式，所以他的優(yōu)點(diǎn)很明顯：能夠在較為復(fù)雜的地面運(yùn)動以及翻越等動作，當(dāng)然一般追求這種行走方式的機(jī)器人都面臨著這樣的問題：這種結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性以及難以控制，毀壞修復(fù)難度很大。（五）趨蠕式行走方式趨蠕式行走方式的優(yōu)缺點(diǎn)從他的字面上我們也就可以知道：適合在空間狹小的地方作業(yè)，且無論什么地形都可攀越，但是顧名思義他這種行走方式，速度肯定很慢，而且控制起來不是很容易，給操作人員帶來不變的影響。（六）旋轉(zhuǎn)式行走方式這種行走方式由于在日常中很少看到，所以我就粗略的說一下它的優(yōu)缺點(diǎn)：顧名思義，旋轉(zhuǎn)式行走方式由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，在翻越時(shí)具有很大的優(yōu)勢，甚至可以在垂直地形中行走；我們能想象到優(yōu)點(diǎn)就會發(fā)現(xiàn)他的缺點(diǎn)，續(xù)航能力不強(qiáng)，行走速度很慢，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分繁復(fù)，對于發(fā)動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的動力要求很高。由于災(zāi)害現(xiàn)場危險(xiǎn)系數(shù)很高且環(huán)境復(fù)雜，所以在設(shè)計(jì)參數(shù)和技術(shù)要求時(shí)，所要研制的山地救援車必須要有很高的可靠性和效率。因此如果要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能自主移動，就要采用以上所述的行走方式的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的救援任務(wù)。如此才能夠避免缺點(diǎn)結(jié)合優(yōu)點(diǎn)。①眾所周知，一個(gè)機(jī)器人的發(fā)動機(jī)也就是驅(qū)動系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的，它關(guān)系到機(jī)器人能否具有較強(qiáng)的續(xù)航能力以及作業(yè)能力；因此，我選用功率為5500W;當(dāng)然要做到智能機(jī)器人自主化，就必須采用變速器；最適合這種類型的發(fā)動機(jī)是伺服電機(jī)，由于主系統(tǒng)類型太多，我查閱研究分析了大量的主系統(tǒng)，最終選擇設(shè)計(jì)如下:處理器(采用SM150,因?yàn)檫@類處理器計(jì)算能力很快，其數(shù)據(jù)信息貯存能力大，外圍接口多），遠(yuǎn)程無線控制模塊（主張采用2.4G無線通信模塊），電機(jī)電調(diào)部分（直流無刷電機(jī)、無刷電調(diào)）等部分組成。選擇SM

150-270-20

LFB伺服電機(jī)。圖3-2伺服電機(jī)相關(guān)信息②山地救援車的履帶外觀尺寸初步確定機(jī)器人的履帶長度。由無數(shù)次科學(xué)實(shí)踐證明，履帶長度越長其轉(zhuǎn)動的靈活性就越低，也不能太短，否則無法滿足完成救援任務(wù)的條件。因?yàn)橹贫ǖ氖撬穆膸骄仍畽C(jī)器人，所以把主體長度定在L=588mm,小履帶L=296mm。對于確定履帶的寬度，我是從其所能提供的驅(qū)動力的大小來確定其寬度的。由于上述原因，主體結(jié)構(gòu)履帶的寬度不能太寬也不能太窄，因?yàn)樘珜捑蜁孤膸У淖枇Ω?；而太窄的話，其提供的?qū)動力又會太小。所以主體履帶的寬度=115mm，小履帶的寬度=465mm.③對于移動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的確定設(shè)計(jì)由于電機(jī)需要放置在主體底座中，受到了空間限制，其在內(nèi)部的占用空間就變得不那么寬裕，這時(shí)我就必須節(jié)省空間，不能應(yīng)用正齒輪來傳動，那么為了達(dá)到節(jié)省空間的目的就必須采用了錐齒輪來換向。其結(jié)構(gòu)原圖下圖：=116mmL=587mmH1=176mmH2=224mm圖3-3結(jié)構(gòu)總圖1—軸012—電機(jī)3—小錐齒輪4—驅(qū)動帶輪5—軸026—直齒輪017—直齒輪028—軸039—大錐齒輪10—從動帶輪行走過程中的履帶輪：開始我構(gòu)思設(shè)計(jì)履帶的結(jié)構(gòu)時(shí)，我就十分堅(jiān)定的選用了同步帶的結(jié)構(gòu)。我之所以篤定的選用這種結(jié)構(gòu)的理由如下：很適用于兩軸之間中心距較大傳動且其承重能力很大的結(jié)構(gòu)中，正好我的履帶式機(jī)器人就是這種結(jié)構(gòu)。韌性很強(qiáng)也就是大家所熟知的彈性強(qiáng)，摩擦發(fā)出的聲音小且運(yùn)行較為穩(wěn)定，在吸震、緩沖方面具有良好的性能。在維護(hù)以及制造方面很是簡易，當(dāng)然價(jià)格也是非常優(yōu)惠，經(jīng)濟(jì)適用型。一、我選用的同步帶的主要參數(shù)：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊13-42）齒形：梯形齒距制式：模數(shù)制型號：m7節(jié)距：=21.991mm選用同步帶的輪子的優(yōu)創(chuàng)設(shè)計(jì)：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊13-50）(1)開始選取同步帶的次數(shù)：；⑵在切削同步帶齒形的刀具類型選擇時(shí)，使用特別刀具（切出直線齒廓）；之后，我們開始對機(jī)器人的四履帶進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊13-43）其實(shí)我書寫出以上特點(diǎn)數(shù)據(jù)是為了應(yīng)用同步帶的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)來制作設(shè)計(jì)山地救援車的履帶，又因?yàn)橥瑫r(shí)履帶要在環(huán)境十分惡劣的地方工作，因此我不能都用同步帶的系統(tǒng)參數(shù)，應(yīng)用實(shí)際的具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸來全新的設(shè)計(jì)履帶。④對大小錐齒輪參數(shù)的具體設(shè)計(jì)對于大小錐齒輪來說，他們在全部的移動裝置里的作用主要是換向以及動力傳輸。不過由于其裝置在內(nèi)部空間有限的裝置中，大小受到了限制。由此因素，我在時(shí)機(jī)確認(rèn)大小錐齒輪的具體參數(shù)時(shí)，肯定會注意這些。根據(jù)設(shè)計(jì)總體圖，我確認(rèn)了軸交角。應(yīng)用：直齒錐齒輪、齒形制為GB/T12369—1990,齒形角為25°、齒頂高系數(shù)=0.8、頂隙系數(shù)。齒輪類型和齒輪參數(shù)。（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊14-200）大小錐齒輪的具體參數(shù)分別如下：（查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊14-201）大錐齒輪：法向模數(shù)：m=2.5齒數(shù)：z=30法向齒形角：20°分度圓直徑：d=mz=23*2.5=57.5mm（5）中心距：（6）頂隙：計(jì)算求出水平面的支反力以及做出彎矩圖:1.在工作時(shí)機(jī)器人受力分析圖如下圖所示:圖3-4受力分析圖圖3-5彎矩圖=352.458N已知條件數(shù)據(jù)，求出下圖中90°面內(nèi)的支反力，并要求畫出彎矩圖其受到的壓力做出的分析如下所示：圖3-6壓力圖2.對A點(diǎn)：=352.6765N⑦合成彎矩圖=2899.462N=25874.188N=23268.996N圖3-7合成彎矩總圖3.3對于鍵的設(shè)計(jì)以及校核因?yàn)槠芥I制作簡易且方便，又很經(jīng)濟(jì)適用，所以在災(zāi)害機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)中能采用平鍵的就采用平鍵。又由于平鍵的工作面容易被重力壓崩，極易損壞，所以要盡量避免這種方式。受于這種情況下，我們必須安全起見，只能計(jì)算作用面的擠壓應(yīng)力來用于強(qiáng)度計(jì)算。因?yàn)檩S1上的鍵（825），它的測量尺寸而且它受力還很大。所以只校核此鍵。常見的普通平鍵的強(qiáng)度條件數(shù)據(jù)： （3-1）其中 ；=43.57我們在機(jī)械中經(jīng)常見到的機(jī)械材料為45號鋼，之所以應(yīng)用這種材料，是因?yàn)樗艹惺芤欢ǖ膿舸?，忍性比較強(qiáng)，查找機(jī)械設(shè)計(jì)（P-106）表6-2可知道： 所以，由以上條件可以得出結(jié)論，我選的這款鍵非常適合此類機(jī)械應(yīng)用。3.4搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的選擇由于研究制造智能機(jī)器人程序特別復(fù)雜，需要用到的知識特別廣泛，包括機(jī)械動力相關(guān)學(xué)科、智能芯片、精密儀器以及機(jī)床技術(shù)等等，都要有一定的涉獵應(yīng)用，這就是我們機(jī)械行業(yè)熟知的生態(tài)系統(tǒng)機(jī)械學(xué)。在這個(gè)總學(xué)科中，機(jī)械手臂是應(yīng)用最廣泛的，就如同一個(gè)獨(dú)立的生態(tài)系統(tǒng)。運(yùn)用這個(gè)總學(xué)科中的技術(shù)使這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的各個(gè)部位能夠和諧的組合在一起，組成強(qiáng)大的機(jī)械手臂，來提我們?nèi)祟愅瓿奢^為危險(xiǎn)的工作任務(wù)。從整體生態(tài)系統(tǒng)的方向來說，山地救援車就是一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)，一個(gè)機(jī)器人是由若干個(gè)子系統(tǒng)在芯片大腦的指揮下聯(lián)系在一起，進(jìn)行動作運(yùn)動，作為一個(gè)整體，而不能被分割。因此在設(shè)計(jì)中，我認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該有這些特點(diǎn)：（1）相關(guān)性：在整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中有若干個(gè)子系統(tǒng)有機(jī)的相互聯(lián)系、作用以及相互關(guān)聯(lián)。（2）整體性：一個(gè)機(jī)械手生態(tài)系統(tǒng)雖然由若干個(gè)功能各異的子系統(tǒng)組成，但是這些子系統(tǒng)在芯片大腦的指揮下是作為一個(gè)整體來行動的。（3）環(huán)境適應(yīng)性：在各種環(huán)境中，一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)都必須不受影響，而是在任何環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)（4）目的性：若干個(gè)不同功能的子系統(tǒng)在母系統(tǒng)中都有其確切的目的。這樣的很多情況和條件，也使我們的設(shè)計(jì)難度更加艱難，我們必須在設(shè)計(jì)研究機(jī)械手的時(shí)候，從整體到各個(gè)零部件，我都要有機(jī)的組合在一起，運(yùn)用機(jī)械生態(tài)系統(tǒng)學(xué)科來設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)中能夠合理完成任務(wù)的機(jī)械手臂；考慮到國內(nèi)的加工機(jī)床精密度還欠缺，所以理論上應(yīng)用德國制造的精密機(jī)床來加工制作，以期達(dá)到理論水準(zhǔn)；只有這樣打造出來的山地救援車才能經(jīng)得起歷史的考驗(yàn)，在危險(xiǎn)的環(huán)境中出色的完成救援任務(wù)。我采用工業(yè)機(jī)械手的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)制作機(jī)器人的手臂，運(yùn)用其強(qiáng)大的工業(yè)制造能力，制造的機(jī)械手臂達(dá)到了其他行業(yè)無法比擬的高度，無論材料還是加工速度都達(dá)到了理論水準(zhǔn)。這樣的機(jī)械手臂能夠更好的完成抓起、運(yùn)送、轉(zhuǎn)動、托起等等動作，進(jìn)而使機(jī)器人完成較為復(fù)雜的救援動作。確定負(fù)載至今為止，5N-9000N的額定載荷是世界上各國機(jī)械手的負(fù)載范圍。我們選擇的負(fù)載大小是以機(jī)械手全方位運(yùn)動方向的力和扭矩作為主要參考依據(jù)，對于山地救援車在設(shè)計(jì)研究時(shí)，要全面考慮，例如：機(jī)械手臂的靈敏性以及抗捶打，必須注意手不能太堅(jiān)硬，以免在救援被困者時(shí)，對被困者造成二次傷害；最關(guān)鍵的是，機(jī)器人要能分析測出需要施救者的體重以及傷勢，做到精準(zhǔn)救援；在機(jī)械手臂移動時(shí)，它的速度要控制適當(dāng)，這些要求都是為了使被困者能夠安全。因此本山地救援車采用中小等級負(fù)載。確定機(jī)械手的負(fù)載為150kg。主動力的移動方式在設(shè)計(jì)應(yīng)用主動力以及電機(jī)控制時(shí)，必須保證選用的電機(jī)靈敏性，精準(zhǔn)度做到精益求精，盡量降低惡劣的救援環(huán)境對于山地救援車的影響，確保機(jī)器人在施救過程中，救援力度、速度都適中，當(dāng)然可以根據(jù)災(zāi)害現(xiàn)場的空間的大小來選擇適合的機(jī)械手臂，不過在本次論文設(shè)計(jì)中，我預(yù)先設(shè)定救災(zāi)現(xiàn)場，根據(jù)我選定的就在現(xiàn)場