移动机器人履带及板翼机构设计(附件)【字数：6079】
近年来，伴随着各种相关技术的进步与熟练，移动机器人被大量的制造出来。大部分新型的移动机器人都是使用于特殊的场景中。应用到的技术都是从单一转为复杂，从一体化转为集成化，从单任务模式变为多任务模式。可以说在国民制造的很多领域都应用到了这样的机器人，包括军事领域、医疗领英、农业领域、服务行业等等。常用的移动机构就是使用履带机器人，这是一种典型的移动机器人。它可以在非常恶劣的环境。中正常的运行和工作。对它的移动机构进行研究是非常有意义的。本文重点对于机器人的履带机构进行了详细的分析。并对其板翼机构设计展开了比较详细地研究和分析。
目录
引言 1
一、系统方案设计 2
（一）工作任务分析 2
（二）系统设计方案 3
二、移动机器人穿越故障道路的分析 4
（一）履带式机器人穿越斜坡时的运动分析 4
（二） 履带式机器人穿越沟壑时的运动分析 5
三、履带式机器人板翼结构设计 7
（一）履带式机器人板翼的结构特点 7
（二）履带轮与履带设计 8
（三）主动曲柄与被动曲柄 8
（四）连杆设计 9
（五）V带辅助传动机构设计 9
四、方案实施效果 9
总结 12
致谢 13
参考文献 14
引言
机器人技术有不少分支，其中一个重要分支是移动机器人，在市场上的应用也是十分广泛的，以前是在制造领域到现在的非制造领域，像环境监测、深空探测、抢险救灾、矿产发掘与探测等。机器人在越来越多的领域有广泛的应用，而其所面对的环境也变化越发复杂。这也就意味着机器人需要具备更加强大的运动能力。
现阶段，机器人移动主要是包括有下述三种不同的形式，分别是轮式、履带式。在这三种主要机器人移动形式里面，轮式机器人又是使用作为频繁的一种，在很多生活和生产的和场合当中，我们都可以看到这种轮式移动机器人，而且其应用也是最为广泛的。这种机器人运行速度快，转向灵活，而且结构也是比较简单的。不过，轮式机器人在面对壕沟、楼 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
梯等工况的时候，就没有很强大的适应能力。履带式机器人和轮式机器人对比，前者的环境适应能力要更加强大。尤其是面对各种各样复杂的地形环境的时候，履带式机器人都可以很好地行走。基于此，在复杂的环境中履带式机器人怎样才能拥有良好的运动性能，是现在研究履带式机器人的重点。而且，履带式机器人一些其他机构的影响会给其他运动性能带来影响。论文考虑了影响履带机器人运动性能的各种因素，然后再根据这些因素提出了一个具体改进方案，把改进方案计划作为基础，针对他的运动学和动力学特性开展研究和分析。从而也就可以为之后同类或类似的履带机器人的设计提供一定参考和借鉴。
一、系统方案设计
（一）工作任务分析
本设计主要的研究对象是下肢外骨骼机器人。下肢外骨骼机器人是属于一种非常常见，也是最为典型的人机交互型机器人。下肢外骨骼机器人是以人体下肢结构、功能为设计基础，设计制造而成的人机交互式机器人系统。它可以用于服务下肢残疾患者，帮助他们代步。也可以用于作为辅助的移动载具，用来适应复杂的地形。在分类的时候都是会根据实际使用场合，使用状况来划分。其中，矫正器类外骨骼一般是用在矫正人体步态等领域等场合当中。这种机器人需要解决的核心技术问题是非常统一的。
轻质便携的机械结构，其系统性能实现的最基本前提条件是机械结构，为了能够让外骨骼和人自身的身体结构完全一致。有专家学者提到关于拟人化的设计思路。但是，限于技术能力，完全拟人的机械结构过于复杂，很难实现。而且控制极为复杂，穿戴人员不能方便的操纵。
经过时间的沉淀，机器人的技术水平不断提高，有关知识不断完善和创新。就有专家学者提出一个新的设计思路，就是准拟人化。在这个新的设计思路里，突出强调了作用效率比的意义。机械结构设计往往与执行器有着非常密切的关系。所以，按照外骨骼具体使用用途就有很多不一样类型的理念。其中液压下肢助力外骨骼的结构设计和液压缸优化设计向结合的设计理念模式，都展开了非常深入地研究和分析，同时，他们还提到迭代优化方法。
根据生物学相关知识我们就可以知道，人体下肢主要构成是有盆带骨以及游离的下肢骨，并且是通过髓、膝、跺这三个关节连接在一起的。髓关节是将躯干和下肢连接起来，这个关节也是承受了最多的体重。髓关节就需要在人体日常运动当中承受很多的压迫力。同时在人体站立、行走的时候，还具有传导的功能作用。骸关节有三个自由度，分别是屈/伸，外收/内展，旋内/旋外。在对靛关节进行设计的时候就需要对屈/伸自由度进行考虑，为了更方便描述各关节自由度的。针对人体基准轴和基准面展开了定义，具体如下图11展示:
/
图11 人体基准轴和基准面
（二）系统设计方案
一般情况下，外骨骼机器人系统的主要构成类型是包括有：机械结构，控制器，驱动器，传感器等组成。
本设计中主要研究的是机械结构和驱动方式。
机械结构
本设计中的机械机构主要使用的是履带式结构。选用原因主要有几点。
稳定性
履带机构与地面接触面积大，重心接近地面，能够使运动更加稳定。
通过能力强
履带对于地面的要求比较低。凹凸不平的地面，甚至一些沟道和坑洞都能够顺利通过。
2.驱动方式
一般机器人的驱动方式可以用电机驱动、液压驱动以及气压驱动。它们有各自的优缺点。其中气压驱动的驱动能力比较低，首先排除。电机驱动和液压驱动都是可选的驱动方式。考虑到本论文中所研究设计的这个外骨骼机器人，要求能够解决下肢外骨骼系统问题。综合比较了电液驱动的两种方式，相对于拥有更小体积的液压驱动系统来讲，结构也更紧凑，整体布局的灵活程度也跟高。因此最终选用了液压驱动方式。最终设计得到的液压系统原理图如下图12所展示：
/
图12 下肢外骨骼液压系统原理图
二、移动机器人穿越故障道路的分析
（一）履带式机器人穿越斜坡时的运动分析
要设计出能够满足通过能力要求的履带式移动机器人，那么对于道路和履带结构的分析就是首要完成的任务。
1．受力分析
如图21所示：履带的受力情况是，当履带机器人在斜坡运动，机器人匀速行驶以及静止时，其驱动力的计算公式为:
F = G sina
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引言 1
一、系统方案设计 2
（一）工作任务分析 2
（二）系统设计方案 3
二、移动机器人穿越故障道路的分析 4
（一）履带式机器人穿越斜坡时的运动分析 4
（二） 履带式机器人穿越沟壑时的运动分析 5
三、履带式机器人板翼结构设计 7
（一）履带式机器人板翼的结构特点 7
（二）履带轮与履带设计 8
（三）主动曲柄与被动曲柄 8
（四）连杆设计 9
（五）V带辅助传动机构设计 9
四、方案实施效果 9
总结 12
致谢 13
参考文献 14
引言
机器人技术有不少分支，其中一个重要分支是移动机器人，在市场上的应用也是十分广泛的，以前是在制造领域到现在的非制造领域，像环境监测、深空探测、抢险救灾、矿产发掘与探测等。机器人在越来越多的领域有广泛的应用，而其所面对的环境也变化越发复杂。这也就意味着机器人需要具备更加强大的运动能力。
现阶段，机器人移动主要是包括有下述三种不同的形式，分别是轮式、履带式。在这三种主要机器人移动形式里面，轮式机器人又是使用作为频繁的一种，在很多生活和生产的和场合当中，我们都可以看到这种轮式移动机器人，而且其应用也是最为广泛的。这种机器人运行速度快，转向灵活，而且结构也是比较简单的。不过，轮式机器人在面对壕沟、楼 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
梯等工况的时候，就没有很强大的适应能力。履带式机器人和轮式机器人对比，前者的环境适应能力要更加强大。尤其是面对各种各样复杂的地形环境的时候，履带式机器人都可以很好地行走。基于此，在复杂的环境中履带式机器人怎样才能拥有良好的运动性能，是现在研究履带式机器人的重点。而且，履带式机器人一些其他机构的影响会给其他运动性能带来影响。论文考虑了影响履带机器人运动性能的各种因素，然后再根据这些因素提出了一个具体改进方案，把改进方案计划作为基础，针对他的运动学和动力学特性开展研究和分析。从而也就可以为之后同类或类似的履带机器人的设计提供一定参考和借鉴。
一、系统方案设计
（一）工作任务分析
本设计主要的研究对象是下肢外骨骼机器人。下肢外骨骼机器人是属于一种非常常见，也是最为典型的人机交互型机器人。下肢外骨骼机器人是以人体下肢结构、功能为设计基础，设计制造而成的人机交互式机器人系统。它可以用于服务下肢残疾患者，帮助他们代步。也可以用于作为辅助的移动载具，用来适应复杂的地形。在分类的时候都是会根据实际使用场合，使用状况来划分。其中，矫正器类外骨骼一般是用在矫正人体步态等领域等场合当中。这种机器人需要解决的核心技术问题是非常统一的。
轻质便携的机械结构，其系统性能实现的最基本前提条件是机械结构，为了能够让外骨骼和人自身的身体结构完全一致。有专家学者提到关于拟人化的设计思路。但是，限于技术能力，完全拟人的机械结构过于复杂，很难实现。而且控制极为复杂，穿戴人员不能方便的操纵。
经过时间的沉淀，机器人的技术水平不断提高，有关知识不断完善和创新。就有专家学者提出一个新的设计思路，就是准拟人化。在这个新的设计思路里，突出强调了作用效率比的意义。机械结构设计往往与执行器有着非常密切的关系。所以，按照外骨骼具体使用用途就有很多不一样类型的理念。其中液压下肢助力外骨骼的结构设计和液压缸优化设计向结合的设计理念模式，都展开了非常深入地研究和分析，同时，他们还提到迭代优化方法。
根据生物学相关知识我们就可以知道，人体下肢主要构成是有盆带骨以及游离的下肢骨，并且是通过髓、膝、跺这三个关节连接在一起的。髓关节是将躯干和下肢连接起来，这个关节也是承受了最多的体重。髓关节就需要在人体日常运动当中承受很多的压迫力。同时在人体站立、行走的时候，还具有传导的功能作用。骸关节有三个自由度，分别是屈/伸，外收/内展，旋内/旋外。在对靛关节进行设计的时候就需要对屈/伸自由度进行考虑，为了更方便描述各关节自由度的。针对人体基准轴和基准面展开了定义，具体如下图11展示:
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图11 人体基准轴和基准面
（二）系统设计方案
一般情况下，外骨骼机器人系统的主要构成类型是包括有：机械结构，控制器，驱动器，传感器等组成。
本设计中主要研究的是机械结构和驱动方式。
机械结构
本设计中的机械机构主要使用的是履带式结构。选用原因主要有几点。
稳定性
履带机构与地面接触面积大，重心接近地面，能够使运动更加稳定。
通过能力强
履带对于地面的要求比较低。凹凸不平的地面，甚至一些沟道和坑洞都能够顺利通过。
2.驱动方式
一般机器人的驱动方式可以用电机驱动、液压驱动以及气压驱动。它们有各自的优缺点。其中气压驱动的驱动能力比较低，首先排除。电机驱动和液压驱动都是可选的驱动方式。考虑到本论文中所研究设计的这个外骨骼机器人，要求能够解决下肢外骨骼系统问题。综合比较了电液驱动的两种方式，相对于拥有更小体积的液压驱动系统来讲，结构也更紧凑，整体布局的灵活程度也跟高。因此最终选用了液压驱动方式。最终设计得到的液压系统原理图如下图12所展示：
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图12 下肢外骨骼液压系统原理图
二、移动机器人穿越故障道路的分析
（一）履带式机器人穿越斜坡时的运动分析
要设计出能够满足通过能力要求的履带式移动机器人，那么对于道路和履带结构的分析就是首要完成的任务。
1．受力分析
如图21所示：履带的受力情况是，当履带机器人在斜坡运动，机器人匀速行驶以及静止时，其驱动力的计算公式为:
F = G sina
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