智能關節履帶式安保機器人

智能關節履帶式安保機器人

簡介：

移動機器人移動平臺的設計與運動控制技術的研究是整個移動機器人系統研究的兩大重要組成部分，它將為移動機器人更高層次的理論與方法研究提供一個可靠的實驗平臺及基礎。開發研究以工業、國防及服務業等領域為應用背景的，且易于用戶二次開發的移動機器人平臺具有很好的市場潛力和研究意義。 本課題結合現有機器人結構形式的優點，創新性的提出一種機器人行走機構形式，設計了一種新型的關節履帶加履帶足的復合式機器人行走機構，改變了原有關節履帶機器人的越障原理和越障方法，顯著改善了現有關節履帶機器人的越障機動性和自主性，提高了機器人的越障性能；機器人四條擺腿采用獨立驅動，實現機器人機體的自主姿態調整功能，能夠更好的適應各種復雜的地形環境，完成特定的工作。 并且對移動機器人系統進行了相關實驗，實驗結果證明了機器人的硬件系統和軟件系統的有效性，同時驗證了移動機器人的各項運行指標達到任務指標，結合實驗結果提出了進一步的改進方案。

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詳細介紹：

本作品研制的智能關節履帶式安保機器人將自主變位履帶結構應用到關節履帶機器人上，設計了一種新型的關節履帶加自主變位履帶足的復合移動機構，改變了關節履帶機器人的越障原理和越障方法。即改變了現有關節履帶越障過程中需要人為調節其擺腿角度才能越障的缺陷，通過利用連接在擺腿上的履帶足能越過比輪子直徑大幾倍的障礙物，實現機器人自主越障，通過樣機實驗，該機器人越障能力與相似尺寸的關節履帶機構的越障能力相比可提高二至三倍，其次在自身控制系統、傳感器系統以及機構系統的相互配合下，通過執行相應控制策略機器人能夠在一定范圍內實現自主水平姿態調整功能，給搭載在機體上的設備提供更加平穩的工作平臺，使其更具適應各種未知復雜環境的能力。 采用類似4個獨立驅動擺腿的并聯機構的原理來達到車身的動態平穩性以及姿態自動調整。這樣當機器人車身發生傾斜的時候，通過控制擺腿的空間位置達到調整機器人機體水平姿態的目的。作為獨具創新特色的履帶足結構，其履帶足可繞回轉軸自由擺動，當履帶足碰到障礙物時，壁面對履帶足的摩擦力使它產生一個向上翻轉的力矩，履帶足沿壁攀升，隨著姿態的調整腿部同步帶以及連接前后旋轉臂的履帶在接觸到物體時也會產生附著力，無需人工干預，即可自主攀越障礙，從而極大地提高了機器人越障機動性。

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

本作品研制的機器人針對現有關節履帶機器人需要多次調節其擺腿角度才能越障的缺陷，發明了一種新型的關節履帶加履帶足的復合移動機構能。 其基本思路是在關節履帶機器人各擺腿頭端加裝一套自主變位履帶足，改變了關節履帶機器人的越障原理和越障方法，從而顯著改善了現有關節履帶機器人的越障機動性和自主性。本作品的創新點是機器人四條擺腿采用獨立驅動，實現機器人機體的自主水平姿態調整功能，使其更具適應各種復雜的地形環境。并聯機構的設計控制也成為本作品的關鍵技術。 本課題設計的全自主越障偵測機器人的技術參數如下：機體重30Kg，最大載重10Kg，最大行駛速度為15m/min，最大坡度為40°,越障高度220mm，跨越壕溝寬度可達435mm。尺寸為550mm×550mm×300mm(長×寬×高),擺臂長度185mm,履帶足輪徑40mm。并對其進行功能擴展： 1）通過執行相應控制策略機器人能夠實現自主水平姿態調整功能，給搭載在機體上的設備提供更加平穩的工作平臺。2）通過機體前后的聲納傳感器，兩側的PSD紅外傳感器，機器人能夠實現全方位的避障功能。3）機器人通過帶云臺高清晰變焦攝像頭，使機器人具備遠距離監控偵察能力。4）機器人采用遠程無線遙控，對于一些具有危險性的工作，可對人員安全起到重大的保護作用。5）機器人通過姿態控制調整可以完成四種越障姿態：初始姿態、爬坡姿態、過溝姿態、雙履帶姿態，使之適應復雜地形環境。

科學性、先進性

本作品研制的機器人將自主變位履帶結構應用到關節履帶機器人上，設計了一種新型的關節履帶加自主變位履帶足的復合移動機構，改變了現有關節履帶越障過程中需要人為調節其擺腿角度才能越障的缺陷，通過利用連接在擺腿上的履帶足能越過比輪子直徑大幾倍的障礙物，實現機器人自主越障，通過樣機實驗，該機器人越障能力與相似尺寸的關節履帶機構的越障能力相比可提高二至三倍，其次在自身控制系統、傳感器系統以及機構系統的相互配合下，通過執行相應控制策略機器人能夠在一定范圍內實現自主水平姿態調整功能，給搭載在機體上的設備提供更加平穩的工作平臺。 采用類似4個獨立驅動擺腿的并聯機構的原理來達到車身的動態平穩性以及姿態自動調整。作為獨具創新特色的履帶足結構，其履帶足可繞回轉軸自由擺動，當履帶足碰到障礙物時，壁面對履帶足的摩擦力使它產生一個向上翻轉的力矩，履帶足沿壁攀升，隨著姿態的調整腿部同步帶以及連接前后旋轉臂的履帶在接觸到物體時也會產生附著力，無需人工干預，即可自主攀越障礙，從而極大地提高了機器人越障機動性。

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

本作品研制的機器人將自主變位履帶結構應用到關節履帶機器人上，設計了一種新型的關節履帶加自主變位履帶足的復合移動機構。首先實現機器人自主越障。其次通過執行相應控制策略機器人能夠在一定范圍內實現自主水平姿態調整功能。 關節履帶機器人是一個較為成熟并得到應用的機器人，在此基礎上進行創新設計的機器人，可用于野外工程作業機器人、探險機器人、軍事機器人、服務機器人等，其應用前景廣闊，具有良好的社會效益和經濟效益。 目前我國正處于經濟體制和社會轉型的特殊歷史時期。我國犯罪活動不斷升級，排險機器人是公安干警在排爆和消防、消除毒氣污染和反恐排險過程中減少自身傷亡有效打擊暴力犯罪，保護人體的技術含量高的裝備。隨著國際恐怖暴力活動的猖獗，排險機器人在國際市場需求強烈，潛力巨大。 就市場預測看，全國30個省市平均5個以上的中等城市，每個城市配備一套需150套，生產排險機器人每臺售50萬元，產值7500萬元，按40%利稅算是3000萬元。保守計算每省一套，共計30套的產值為1500萬元，利稅600萬元。

同類課題研究水平概述

目前，移動機器人由于其優越的機動性和靈活性而備受親睞，并在許多場合投入實際應用，面臨著復雜、未知、多變的非結構環境，為了確保任務執行的可靠性和機器人的安全性，移動機器人在機構設計上研究的主要方向是：跨越壕溝和攀越臺階的能力，克服傾翻的能力、行駛的高速高效性、陷入松軟地面后能實現自動脫離且恢復正常行駛的能力。 國外目前在關節履帶移動機器人方面的技術水平已經比較成熟，應用非常廣泛，主要用于地面反恐防爆，軍事偵察等方面。美國REMOTEC公司早期研制的ANDROS-F6A移動機器人是一種小型化的關節履帶輪式機器人，它最顯著的特點是它具有更快的速度更優異的越障性能以便操作人員能夠更高效地執行任務。美國美國NASA噴射推進實驗室，iRobot公司，卡內基?梅隆大學機器人學院和南加州大學機器人研究實驗室共同合作Urbie（市區）機器人是一種能以視覺導引并能自動爬坡的前置關節履帶移動機器人，其前擺腿可360度異步旋轉。 國內目前相關研究大多處于跟蹤研究階段，自主創新的研究并不多見。由北京中泰科技發展有限公司和上海交大聯合研制的Super-D II型排爆機器人是典型的關節式履帶結構，其行走裝置采用四輪驅動和雙擺驅動，該機器人最大伸展長度1.8米，其行走速度每分鐘0-40米，爬坡能力40度，能在1.3米的范圍內原地回轉。該機器人其技術在國產排爆機器人中處于領先地位。 中國科學院沈陽自動化研究所自行研制的、具有自主知識產權的“靈晰-B”型排爆機器人，為三段履帶式設計，是典型的關節式履帶機器人，身上裝置行走、機械手、云臺三個攝像頭，最大行走速度30米/秒，能抓取15公斤重物，爬行45度斜坡和樓梯，并能鉆洞，越過40厘米高障礙和50厘米寬壕溝，排爆人員可在遠距離以有纜及無纜操作方式對機器人進行精確操控。這臺機器人同時還可以選裝爆炸物銷毀器，在對可疑物爆炸裝置確認后，可對爆炸裝置進行迅速銷毀。 通過比較國內外關節履帶機器人，發現其越障能力和對地形的適應能力有了提高，但是目前關節履帶移動機器人普遍存在如下缺陷：自主性差即越障過程中需要根據現有環境人為調節其擺腿角度進行越障；車身多數不具備自主水平調節的功能，越障平穩性很難保證，容易產生車體傾斜甚至傾覆，因此機器人能夠在一定范圍內實現自主水平姿態調整功能，將會使其更好地完成周邊環境偵察任務，從而使其更具適應各種未知復雜環境的能力。