全向移动射击机器人机械系统的设计与分析

发布时间：2020-09-25 20:20

　　当前,在特殊、高危场景中使用特种机器人替代人工完成相应任务已经成为一种主流趋势,特种机器人能有效降低这些场景的人员伤亡。安防、侦查及反恐机器人作为特种移动机器人中重要的部分,吸引了越来越多的专家学者投入该领域的研究。本文提出了一种应用于安防、侦查、反恐领域且能适应多种地形的轮式全向移动射击机器人设计方案,并围绕机器人机械系统进行方案与结构设计,同时展开运动学、动力学分析,最后通过仿真与样机实验验证性能,结果表明本文设计机器人满足性能要求。针对机器人的设计与优化,本文展开了一系列研究分析,具体包括:(1)整体方案研究:依据设计要求,提出多种方案对比分析,确定了拨盘与摩擦轮组合的发射方案,二自由度云台方案以及纵臂式独立悬挂的四轮底盘构型。(2)机械系统分析与设计:对发射机构的供弹流畅性问题进行了多工况的静力学分析,优化供弹结构,保证了机器人最大发射频率(20Hz);基于电机响应特性,建立云台响应-传动比数学分析模型,并通过matlab仿真分析得出pitch轴的最佳传动比;建立机器人悬挂系统的振动模型,计算得出悬挂系统的劲度系数与阻尼系数;对承重部件进行有限元分析与优化,同时,对机器人动力系统进行设计与选型,对机器人整体机构进行装配设计。(3)运动学、动力学分析:利用矩阵转换法,推导求得机器人底盘、云台及整体的运动学模型,为运动控制奠定基础;基于达朗贝尔原理,分析了机器人越障的动力学过程,建立了四轮纵臂式独立悬挂机器人的越障动力学模型,为机器人越障分析提供理论依据;分析了该移动机器人模型的发射过程,根据弹丸加速前存在速度波动的情况,基于赫兹接触理论,确定最佳摩擦轮中心距,优化了弹丸落点重复性,即发射模块射击稳定性。(4)仿真分析与物理样机实验:通过虚拟样机仿真验证机器人运动性能以及越障性能;通过物理样机实验验证机器人射击性能,运动性能以及越障性能。仿真与实验结果表明,上文分析建立的模型正确,且所设计机器人各项指标均满足设计要求。
【学位单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP242
【部分图文】：

移动平台

.2 国内外研究现状2.1 特种移动机器人的国外研究现状1953 年，随着美国 Basrrett 公司对一辆带兜拖拉机的改造成功，世界上台移动平台面世，自此开启了对于移动机器人的研究。 60 年代初，斯坦福院(SRI)的 NilsNilssen 和 CharlesRosen 等人研发的移动平台 Shakey（如图示），再次成为了世界首台智能移动机器人。而在 60 年代末的越南战争中，已开始在战场上使用机器人运送物资。全方位移动机器人这一概念最早于1973年由瑞典Mecanum公司工程师出，美国海军随即在 80 年购买了该专利并于 86 年与卡耐基梅隆大学（CM器人研究所合作开发了一款名为“Uranus”的全方位移动平台（如图 1.2 所示进行了一些车轮打滑、系统控制等方面的研究。同年，美国 Airtrax 公司首启 Mecanum 轮在机器人的应用，后因其运行灵活、承载能力强等特点，多对此展开了大量研究。

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机器人,“剑”,土拨鼠,英国

图 1.3 “魔爪”机器人图 1.4 “剑”式机器人图 1.5 移动战术机器人 Pack Bot 图 1.6 炸弹清除机器人 Pack Bot510英国早在 19 世纪 60 年代，就研发出了“手推车”系列机器人（如图 1.7 所示），该系列机器人由政府部队牵头研制，英国 Morfax 公司负责生产，在早期排爆机器人中以实用性闻名，远销多个国家。后续推出的“野牛”以及“土拨鼠”主要是在原来的基础上升级了控制系统，使其应用范围再次加大（如图 1.8 所示）。

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