摘   要

履带式移动机器人是机器人产品里不可或缺的一部分，知网论文查重其翻越障碍物的能力比较突出，对地面的适应能力比较强，越野性能好，允许推力较大，系统稳定可靠，因此近年来越来越多的科学研究者把目光投向了履带式移动机器人这一领域，并获得了较为显著的研究成果。

履带式移动机器人之所以具有上述这些特点，它特殊的构造是很大一个原因。本文在广泛检索国内外关于移动机器人及其机械结构的相关文献基础上，确定了主要研究内容。本文分析了国内外在该领域的研究现状，设计出了履带式移动机器人的支承结构、机械结构和驱动结构，介绍了它的动力学与运动学原理，同时建立了其运动学模型与动力学模型。

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第一章  引  言

1.1 研究背景及意义

机器人是一种特殊的机械装置，对它的控制可以实现自动化，而且可以通过编程的方式实现某些操作作业或移动动作。从1920年人类第一次提出“机器人学”这一概念以来^[1]，机器人经历了几十年的高速发展，其应用已经渗透到了人类生活的很多方面，人们在军事行业、医疗行业、工业、农业、教育业、娱乐业等等众多行业都能看到机器人的身影，它们影响并促进着人类社会的文明与发展。与此同时，机器人及其相关行业的技术也是国际社会评价一个国家科技创新能力与高端制造业发展程度的一个关键指标，因此可以说机器人技术的研究工作也深刻影响着一个国家的国防军事命脉与经济命脉。

而在机器人这一大的范围内，移动机器人又占有绝大多数份额。所谓移动机器人，是一种能够借助传感器等装置了解环境和自身状态，完成在有障碍物环境中面向目标的自主运动，从而能够胜任特殊的作业功能的机器人系统。对于一台移动机器人而言，传感器的数量决定了它的反应能力，对控制计算机的性能以及驱动控制系统的敏捷度也有很高的要求^[2]。同时伴随着人工智能技术的不断发展，其在移动机器人上的应用也逐渐变得较为普遍，移动机器人也因此越来越适应社会对其日益严苛的要求。

在种类繁多的移动机器人中，履带式移动机器人是特点鲜明的一种。源于它特殊的履带构造，这种机器人与地面的接触面积比较大，越野能力比较出色，牵引附着能力强。与腿式机器人、轮式机器人等相比，它对地面的适应能力更强，尤其是在越野、爬坡、爬楼梯能力等方面，履带式移动机器人要比其他移动机器人更胜一筹^[3]。这使得履带机器人能够在类型多样的路面上行驶，并能够在条件不是很理想的环境下工作，代替人类完成危险系数较高的工作。所以，履带式移动机器人的履带构造就成了研究的关键。为了改进减震能力弱、易磨损、灵活性差等缺点，研究人员在结构上研究了若干优化方式，例如采取双节四履带结构、配置辅助履带臂、使用多节式履带等等。这些试验都能对改善缺陷发挥一定的作用，使履带式移动机器人的使用领域更广。

本文旨在分析国内外履带式移动机器人的研究现状，设计出履带式移动机器人的机械结构，并对履带式移动机器人进行动力学和运动学分析。

1.2 国内外履带式移动机器人研究现状

1.2.1 国外履带式移动机器人研究现状

从80年代开始，不少国家就展开了针对履带式移动机器人成体系的研究工作^[4]。经过接近四十年的研究历程，针对履带式移动机器人的研究已经达到了一个较高的水平，也不断的有新的技术和装备出现。

美国iRobot公司的Packbot机器人是全球经受过战争环境测试的、最成功的机器人之一^[5]。这种机器人已经在很多的实战场合中展现了自己的价值和能力。如图1.1，它在传统的双履带底盘的框架上额外配备了一对摆臂，能够在地形环境较为复杂的情况下行驶，同时可以完成爬楼梯和攀越斜坡等动作。Packbot最大行驶时速为14公里，每充一次电后的续航里程可以达到13公里，可以在水深三米的环境下正常行驶。另外，美国的URBOT^[6]、NUGV和TALON^[7]等型号的机器人也都为人们所熟知。

英国的“手推车”（Wheelbarrow）机器人因为它的卓越性能而被众人所熟知^[8]。如图1.2，它是一种可在恶劣环境下工作的遥控车，车重204kg，长1.2m，宽0.69m。它采用橡胶履带，最大速度为55m/min。它主要被用于排爆等场合。在发现危险品之后，借助机械臂上的夹持装置，它可以将危险品取出，然后用钢索将它拖离，或者用自身配备的霞弹枪击毁危险装置以解除危险。除此之外还有P. W. Allen公司的Defender、Hunter等排爆机器人等也在代替人类进行扫雷、拆弹等任务中发挥着自己的作用。

法国Cybernetics开发的TEODOR排爆机器人，如图1.3所示，其臂长2.8m，在机械臂的结构中安装有望远镜，配备全履带式底盘，对地形的适应能力很好，可线控也可无线遥控，并且装备了既可进行单发射击又可进行水炮攻击的武器系统^[9]。

日本千叶工业大学研制的搜救机器人“木谨”能够在复杂环境中畅行无阻。如图1.4，该机器人有3对履带，包括1对主履带和2对独立驱动的辅助履带，且使用履带包裹主体部分。该机器人对于遥控信号的反馈较为敏捷迅速，且可以在种类多样的条件下行进。其外形尺寸为370×650×180mm，重22.5Kg，所带锂电池可使用60分钟^[10]。

1.2.2 国内履带式移动机器人研究现状

国内针对履带式移动机器人的研究工作起步较晚，但依靠着科研机构与高校研究人员的刻苦钻研，我国在这一领域到目前为止已经取得了较为喜人的成绩。

河北省唐山市成功研制了矿用抢险探测机器人，如图1.5所示，该矿用抢险探测机器人具有的功能都是针对井下抢险探测设计的，它能进入事故现场收集影像、数据信息，为抢险救援人员提供及时准确的依据和参考^[11]。

中国科学院沈阳自动化研究所研发的“灵蜥-B”机器人，如图1.6，它采用的是轮、腿、履带复合移动机构，最大行进速度能够达到3m /s，另外还能够能抓取15kg重物，具有越过高凸台、宽壕沟等性能^[12]。

哈尔滨工业大学机器人研究所研发的模块化重构微小型机器人，单个机器人可以独立运行，也可以将多个微小型机器人重构成链型机器人或者环形机器人^[13]。

此外哈尔滨工业大学机器人研究所还研究制造了煤矿井下探测机器人。如图1.7，该机器人采用三节履带机构形式，由驱动部分、摆臂部分和摆腿部分组成。控制系统由两部分组成，一部分负责管理井下机器人，一部分负责对井上控制盒的遥控管理。井下机器人控制系统主要用来控制机器人的运动，收集井下环境中的图像与声音信息，采集温度、风速数据以及CO传感器的信息。井上控制盒遥控系统能够收集来自井下的音频和视频信号，工作人员通过该系统上的控制摇杆和控制按钮向井下系统的发出控制命令来实现远程控制^[14]。
履带式移动机器人相比较于其余种类的移动机器人，拥有较为突出的地位与性能，这是因为它们常常被置于军事、航空航天等较为恶劣的工作条件下，这对于传感器技术、通信技术、避障技术等都有较高的要求。因此，设计同时具备遥控管理功能以及自主动作功能的履带式移动机器人将会成为接下去研究工作的一个关键内容。发展趋势主要包括^[11]：图1.5  唐山矿用抢险探测机器人

图1.7  煤矿井下探测机器人

1.2.3 履带式移动机器人技术发展趋势

（1）标准化、模块化

世界上的许多国家研究机器人都是考虑到军事因素，因此设计资料、设计实体等很多信息都处于秘密或者半公开的状态，所以很难有统一的硬件、软件形式，更不用说机器人的规格。而在民用方面，想要实现产品标准化，那么模块化结构就是最理想的单品结构形式，这样就可以根据各个单品的特点，设计出系列产品，便于加工生产，这对于提高系统的可靠性、改进系统的拓展性以及降低产品成本都有积极效果。

（2）控制智能化

如果机器人具有一定的自主运动能力，那么在遭遇计划之外的状况时，它就可以先于操作者的控制命令进行自主行动，机器人的反应能力能够得到大幅度改善。20世纪90年代以来，越来越多的研究者开始着手研究具有自主运动能力的机器人，这些机器人的自主能力体现在了导航、越障等很多方面，独立处理特殊任务的能力也得到提高^[9]。

（3）通信网络化

随着全球化的发展与互联网技术的普及，以及越来越多危险系数较高任务的需求，如果能够通过互联网与先进的通信技术实现对机器人的遥控控制，那么用户就可以跨越空间的局限，减少甚至避免危险任务造成的潜在伤害。

(4)结构多样化

对比于参照传统坦克履带车设计的履带式移动机器人，目前较为常见的履带式移动机器人的履带构造主要有单节双履带、双节四履带、多节多履带、多节轮履复合以及自重构结构^[15]，这些结构都可以有效解除传统单一行动方式对机器人使用的限制，同时也拓展了机器人的使用范围，增加了人们针对不同情况选择的可能性，这必然是一大趋势。

本文根据这种发展趋势，选择三节六履带结构的履带式移动机器人作为设计目标。

1.3 研究目的与主要内容

1.3.1 研究目的

结合具体的技术指标要求,设计出一种履带式移动机器人结构，使机器人能够具备快速行进、越障等功能。同时实现对所设计机器人的动力学和运动学建模分析。

1.3.2 研究的主要内容

本文以履带式移动机器人为主要研究对象，主要研究内容如下：

（1）查阅相关文献资料，了解海内外现有的对于履带式移动机器人的研究成果，系统分析履带式移动机器人功能和结构特点；

（2）提出一种履带式移动机器人的设计方案，设计履带式移动机器人的支撑结构和机械传动系统；

（3）根据设计参数，对履带式移动机器人进行动力学和运动学建模分析。

论文章节的主要安排如下：

第一章：“引言”，概述了本文的研究背景及意义，阐述了履带式移动机器人的海内外研究现状，展望了履带式移动机器人的未来发展趋势，确定了本文的研究内容和组织架构。

第二章：“机器人机械结构设计”，介绍了所设计的履带式移动机器人的运动与越障方法，阐释了履带式移动和机器人驱动系统的机械结构设计，其中包括箱体、主履带轮系统、前后摆臂系统、减震轮系统等，还包括相关的校核计算。

第三章：“履带式移动机器人结构运动学与动力学分析”，根据设计参数，采用数学建模的方法对机器人结构以及运行过程的姿态等进行运动学建模与动力学建模，为提高机器人在复杂地面环境下提高适应性提供理论设计依据。

第四章：“总结与展望”，回顾整个研究过程，总结本文所完成的主要研究工作，同时对这一过程中的不足之处进行反思，对以后有可能进行的深入研究进行思考与展望。