● 摘要
随着科学技术的发展，探测和侦察手段日益丰富，但在目前的研究中，可以实现对封闭空间进行有效探查的探查和侦察手段还很少见，为此，本文提出一种可投掷球形机器人。可投掷球形机器人具有抗冲击性，可以直接克服初始的大障碍投掷到封闭环境中，具有全向的可控运动功能，采用内置传感器采集环境的图像及声音信息，实现对封闭空间例如地下室、洞穴等的全方位探测和侦察，然后利用无线传输设备传回给远程操作者，对从事地面作战、反恐防暴或灾难救援的人员提供支持，保证他们在不进入危险环境前就了解其面对的封闭空间内情况以保护他们的安全、减小损失。本文共分为六章，第一章总结了可投掷侦查球、球形机器人及机电产品抗冲击的国内外研究现状，提出了本文的主要研究内容、研究方法和需解决的问题。第二章主要研究球形机器人的运动机理，分别建立了采用重心偏移原理及采用角动量守恒原理实现运动的可投掷球形机器人的运动模型，对这两种实现运动的原理分别进行研究，分析影响机器人的爬坡及越障的参数，采用ADAMS对机器人的直线，自转、爬坡及越障运动进行分析与验证。第三章进行了可投掷球形机器人的机构设计研究，提出了五种可投掷球形机器人的方案，并进行了比较分析，在此基础上进行了系统的样机设计，包括运动机构的设计、抗冲击结构设计、控制板和摄像头等脆弱部件的抗冲击设计。第四章主要针对可投掷球形机器人撞击地面的冲击力理论及仿真进行了研究，推导了机器人撞击地面的冲击力公式，探讨了公式中各参数对冲击力的影响，采用LS-DYNA针对不同材料球壳、置配重后球壳、简化的内部机构等情况分别进行了撞击地面的仿真研究。第五章介绍了可投掷球形机器人控制系统设计，提出控制系统的总体方案、进行了其硬件电路和软件设计。第六章分别针对样机的抗冲击性能及运动性能进行了可投掷试验研究与运动系统试验研究，投掷试验验证抗冲击方案是否可行，运动试验验证机器人的运动性能，其中运动试验包括直线运动试验、原地转向运动试验、爬坡运动试验、越障运动试验，通过试验论证理论研究与仿真分析的正确性、发现了样机设计中存在的问题，为进一步的研究提供了解决思路。