【摘 要】
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在发生地震、山体滑坡、飓风等大规模灾害后,由于伤亡数量巨大,专业救援人员的数量无法满足需求。此外,灾后现场结构复杂,破坏严重,到处都是坍塌的建筑物和狭小的空间,救援人员无法进入,这大大限制了救援工作的开展。因此,发展抢险救援机器人具有重要意义。救援机器人具有身体小巧,运动灵活的特点,能适应狭小空间下的工作环境,常用于军事调查和灾后搜救等任务。然而,目前的救援机器人大多采用复杂的控制和驱动系统来实现
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在发生地震、山体滑坡、飓风等大规模灾害后,由于伤亡数量巨大,专业救援人员的数量无法满足需求。此外,灾后现场结构复杂,破坏严重,到处都是坍塌的建筑物和狭小的空间,救援人员无法进入,这大大限制了救援工作的开展。因此,发展抢险救援机器人具有重要意义。救援机器人具有身体小巧,运动灵活的特点,能适应狭小空间下的工作环境,常用于军事调查和灾后搜救等任务。然而,目前的救援机器人大多采用复杂的控制和驱动系统来实现相应的运动,这使得它们非常笨重且昂贵。简化机器人设计,实现机器人的轻量化和控制系统简化是救援机器人领域亟待解决的问题。本文提出了一种新型的爬行机器人,名为“HIbot”,具有成本低、重量轻且控制简单的特点。首先,本研究选取蚂蚁等六足昆虫为仿生研究对象,通过观察分析获知了它们的身体结构形态和运动形式之间的相互联系。通过将这类六足昆虫的身体结构形态引入到机器人的设计中,配合机械智能设计理念,设计了一款具有欠驱动腰部可动关节的机器人,得益于这种身体结构,机器人即使在复杂的地面环境下也能有很好的环境适应性。随后,在机器人可动躯干的基础上,引入了结构简单、机动性强的轮腿结构。本文对传统多辐轮腿结构进行了优化设计,通过运动学分析和仿真模拟探寻了不同轮腿结构相邻轮腿间的相位差对机器人运动平稳性和攀爬能力的影响。此外,文中还分析了不同步态下机器人的运动特性,综合比较各种轮腿结构和步态下的运动特性后,选取了爬行步态下的III型四辐轮腿结构最为HIbot机器人的最终构型,相邻轮腿间的相位差为30?。最后,面向未来的实际救援应用,本文还提出了步态切换和转向的改进方案,可进一步提升机器人在多种地面环境下的运动性能。本文系统而深入地介绍了六足轮腿式救援机器人HIbot的设计过程,并制作出了满足设计需求的实物样机。实验表明,HIbot可以适应各种地面环境(如砾石,草地,台阶等),它可以越过高度是腿轮半径2.8倍的障碍物。该机器人具有很强的越障能力和环境适宜能力,此外还具有结构简单、控制简单、质量轻、成本低等特点,在灾后救援、战地勘察等领域具有广阔的应用前景。
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