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履带式越障机器人系统设计

王枭;王超星;刘淑晶

【摘要】针对复杂地形环境的巡检作业,设计了一种履带式越障机器人.分析了复杂

地形特点,确定了履带式越障机器人的系统方案,进而利用组件对机器人及越障机构

进行了设计,并搭建了履带式越障机器人机械本体结构.基于BASRA主控板搭建了

履带式越障机器人控制系统,并采用模块化的设计思想编写控制系统程序,进行了履

带式越障机器人的越障性能试验.试验结果表明,履带式越障机器人可以顺利爬越2

层台阶障碍物,为能够在复杂地形下进行巡检作业的机器人研究提供理论依据.

【期刊名称】《新技术新工艺》

【年(卷),期】2018(000)012

【总页数】5页(P17-21)

【关键词】履带式越障机器人;系统方案;机械本体结构;越障机构;控制系统;性能试

验

【作者】王枭;王超星;刘淑晶

【作者单位】北京市大兴区第一中学,北京102600;三河市职教中心,河北三河

065200;北京石油化工学院机械工程学院,北京102617

【正文语种】中文

【中图分类】TP242.2

随着机器人技术的发展，机器人除了广泛应用于工业制造领域外，还应用于资源勘

探、抢险救灾、医疗服务、军事和巡检等其他领域。巡检机器人作为一种特种设备，

可以代替人工在复杂的作业环境下完成巡检作业任务。目前，主流的巡检机器人有

履带式、轮式和混合式等，其中以履带式为主[1]。从20世纪80年代起，国外就

对小型履带式机器人展开了系统性研究，比较有影响的是美国的PackBot[2]机器

人，URBOT、NUGV和TALON[3]机器人，其中，TALON系列机器人是一种传

统的小型双履带式机器人，该机器人可根据任务的不同安装不同的任务模块，主要

应用于执行侦察、危险品操作和救援等领域。此外，英国研制的Supper

Wheelbarrow排爆机器人、加拿大布鲁克大学研制的AZMUT机器人[4]、日本

的HeliosV机器人[5]都属于履带式机器人。日本东京工业大学的T.Kamegawa

等提出了一种搜救机器人，该机器人由多节双履带式模块车连接而成，能够进入狭

窄的空间，相邻模块之间由2个主动自由度关节连接或3个随动自由度关节连接，

所以该机器人结构形式具有很好的地面适应能力和越障能力[6]。

我国对履带式机器人的研究也取得了一定的成果，如沈阳自动化研究所研制的

CLMBER机器人[7]、北京理工大学研制的四履腿机器人[8]以及北京航空航天大学

研制的可重构履腿机器人等。沈阳自动化研究所研制的可变形搜救机器人采用了三

履带式模块化结构，该机器人可根据不同地形环境进行变形，变形出直线形、并排

形和三角形等多种形状，具有较强的环境适应性[9-10]。中国矿业大学研制了我国

第1台CUMT—1型机器人，该机器人能够检测井内的一氧化碳、瓦斯等有害气

体体积分数，可通过摄像装置传回井内的实时图像和声音，了解生还者的健康状况，

并可携带救援物资帮助生还者进行逃生和自救。今后，搜救机器人的研究方向主要

朝多种技术融合化和多智能体网络化发展[11-12]。

本文通过对多种典型障碍物的物理特性进行分析，设计一款越障能力突出的履带式

越障机器人(下述简称越障机器人)。首先，制定了越障机器人的整体系统方案，并

搭建了越障机器人机械本体结构；其次，基于BASRA主控板搭建越障机器人控制

系统，并编写控制系统程序；最后，进行了越障性能试验。

1越障机器人系统方案设计

常见的障碍物包括栅格地形、减速带、小型阶梯、石块地形、U型隧道，凹形隧道，

防滑带、柔软草地、大楼梯、窄桥和高台等。对于机器人而言，越障难度最高的是

台阶式障碍物，因此本文以150mm高度的3层台阶等垂直障碍为越障目标，对

越障机器人进行设计及分析。

越障机器人基于BASRA主控板及BigFish扩展版控制算法进行相应路线运行，利

用灰度传感器对黑色路线的检测进行循迹。越障机器人前端分布3个传感器，在

前进过程中分别根据传感器采集的不同信息，对其姿态进行实时调整；同时，其前

端有舵机及碰撞传感器，当遇到障碍时，触发碰撞传感器，通过控制舵机来实现越

障机器人的越障。

越障机器人的系统结构图如图1所示，主