（代做ADAMS仿真毕业设计）基于ADAMS陆空两栖机器人飞行部分的运动学的仿真分析
摘 要
军用微小型仿生机器人在现代战争中已经成为战场上耀眼的明星，因具有可靠性高、适应性强、外形仿生强，便于携带等特点，使它成为执行侦察和高危险军事任务的理想平台。其中的陆空两栖侦察机器人在战争中发挥着巨大的作用，这种集机械化、信息化、机动化、智能化为一体的高机动性作战平台必将成为未来战争的主要力量，它的研制和使用必将带来一场巨大的革命。
本文以陆空两栖机器人为研究对象，首先提出了该机器人的整体设计理念，文章重点放在飞行部分的设计和相关理论分析上。以轮式腿结构为基础进行陆行部分的机械设计和零部件选型，分析了该机器人轮式腿结构的越障原理和相关理论。着重设计了飞行部分的机构，根据要求进行了升力的理论计算，还在ADAMS中进行了飞行部分的运动学的仿真分析。最后对陆行部分和飞行部分进行组合，形成了陆空两栖机器人。
通过本文的相关研究，分析总结了陆空两栖机器人的主要关键技术和相关的设计理念。针对陆行部分在非结构环境中的越障性能进行了相关的分析，从理论上证实了这种具有轮式腿结构的机器人具有稳定性好、越障能力强，结构简单等特点。为以后相关的研究提供了理论基础和依据。
关键词：陆空两栖机器人；陆行部分设计；轮式腿结构；飞行部分设计；虚拟样机
Title Design and Simulation of air ground amphibious robot
Abstract
The bionic robots what make use of on the battlefield has become the super star, with its high reliability, strong adaptability, bionic, packed, and other characteristics. These makes it implements the reconnaissant and risky military tasks. The aerial and terrestrial locomotion in the war played a huge role, which sets mechanization, information technology, mobility and intelligent integration of the high mobility of the platform. It will become the dominant force in the war. Its development and application will bring a tremendous revolution.
Based on the aerial and terrestrial locomotion. The robot's design is brought forward. The article focused on the flight part of the design and related theoretical analysis. The Mini-Legs to the basis of the terrestrial mechanical design and parts selection. Focused on analysis of the Mini-Legs' robot structure, the more impaired principles and theories. Focused on the design of the flight portion of the establishments, and according to the requirements, designed the theoretical calculation of the lift With ADAMS ,we carry on the simulation and analysis about Aerial locomotion .Finally, land-line combination of parts and flight parts, forming air-ground amphibious robot.
Through this paper, research and analysis, these summarizes the ground amphibious robot key technology and related design concept. Related the mainland part of the non-structural environment, we analysis performance of the robot. Theoretically it confirmed this structure of Mini-Legs with good stability, avoiding obstacle ability, simple structure, and other characteristics. Related research is provided a theoretical basis and foundation in future.
Key Words: Aerial and terrestrial locomotion； Terrestrial locomotion design； Mini-Legs； the design of flight part； Virtual prototyping
目 录
摘 要 I
Abstract II
1绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2国内外现状 2
1.2.1陆行机器人 2
1.2.2飞行机器人 4
1.2.3陆空两栖机器人 5
1.3机器人研制中面临的问题 6
1.4主要研究工作 6
2陆空两栖机器人总体设计方案 8
2.1陆空两栖机器人设计的总体构想 8
2.2设计方案的选定 8
2.2.1材料的选择 9
2.2.2陆行方式选择 9
2.2.3飞行方式选择 10
2.3研发思路 11
2.4主要参数 11
3陆行部分机构设计 12
3.1陆行部分机构的总体方案 12
3.2陆行部分的动力系统设计 12
3.2.1传动系统设计 13
3.2.2电动机类型的选择 14
3.2.3电动机的相关计算 17
3.3陆行部分的行进机构设计 18
3.4其他结构设计 20
3.4.1底盘设计 20
3.4.2支撑板设计 20
4陆行部分移动性能的研究和基于虚拟样机的仿真分析 21
4.1陆行部分的行走特性分析 21
4.2 陆行部分越障性能分析 21
4.2.1轮式腿结构越障过程分析 21
4.2.2越障运动力学分析和可以越障的最大高度分析 22
4.2.3越障时重心对机器人倾覆的影响 23
4.3ADAMS软件的功能与特性 24
4.4动力学模型 25
4.4.1动力学模型的建立 25
4.4.2 轮式腿与地面的相互作用模型 26
4.5模型的仿真分析 27
4.5.1陆行部分在平面上运动的仿真分析 27
4.5.2陆行部分在越障时的仿真分析和越障最大高度的验证 28
4.5.3陆行部分转弯的仿真分析 31
4.5.4 轮腿式与轮式结构的越障性能的比较 32
5飞行部分机构设计 34
5.1飞行部分机构的总体方案 34
5.2飞行部分的动力系统设计 34
5.2.1飞机的飞行原理 34
5.2.2计算旋翼转速 37
5.2.3电动机的选取 38
5.3其他结构设 39
6飞行部分的仿真 42
6.1飞行部分仿真的目的 42
6.2飞行部分的仿真与分析 42
7陆空结合 45
7.1陆空结合 45
结 论 46
致 谢 47
参考文献 48
1绪论
1.1课题研究背景
机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。
机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。
现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统”[1]。
军用仿生机器人由于其特殊的需求已成为特种机器人重要的分支。其中军用微型仿生机器人在近几次战争中都成为战场上耀眼的明星，其具有可靠性高、适应性强、便于携带等特点，这使他成为执行侦察和高危险军事任务的理想平台。它们的外形千姿百态，尺寸大小不一，无论无人驾驶的机器战车到各种仿生外形的机器人装置。这些机器人已被广泛用于个军事领域，尤其是排雷、拆弹、侦查等高危险工作。
早在70年代中期，美国五角大楼就开始通过各种试验来证实军用机器人的使用价值。80年代以来，美国军方声称已经拥有一支由机器人士兵组成的作战部队，其兵种涉及到陆、海、空、侦察和供给等领域。由劳伦斯-里弗莫尔国家实验室研制的扫雷机器人，重45公斤左右，身上有10多种传感器能够辨认各种地雷和爆炸物，4架摄像机将周围的图像摄入并输入电脑，后者进行分析并下达如何处理的指令，实在无法处理时，则将分析结果通过线路传送至基地的信息中心，获得明确指示后再采取行动。
法国军事部门研制的反坦克机器人也颇具威胁。这种机器人的体积仅相当于一个10岁小孩，但发射出的炮弹威力无比。它能识别几乎所有的坦克，并根据不同的坦克选择不同的炮弹和发射角度。曾经进行过一场有趣的实验，一组20辆坦克快速开过来，但较量的反坦克机器人只有2台，但较量的结果是8辆坦克被反坦克机器人的炮弹击中而不能动弹，9辆重伤，剩下3辆逃跑。
最令人叫绝的是专门搜集军事情报的机器人士兵，它可以称得上是优秀的侦察员。根据新闻媒体的报道，目前军事大国已经研制出来了100多种机器人侦察兵，可执行陆海空多种侦察任务，最简单的一种是通过发射器将侦察机器人粘合在对方的建筑物、装备、移动的运输工具上，通过机器人身上的微型摄像系统获取情报，再通过发射信号将情报传回总部。比较高级的是让“机器鸟”飞到敌方上空，大量拍摄和摄录图像，然后带回分析信息。这种机器鸟可以在夜间执行任务，其身上的红外线夜视系统不会放过任何可疑的地方。据称，机器鸟身上的听觉传感器能够分辨低于30分贝强度的声音，鸟身上的光电池采光效率很高，白天可供机器鸟持续飞行二百公里。夜间，机器鸟依靠高效的蓄电池供电。
实践证明，现代战争信息化的重要性，知己知彼是战争的法则。侦查敌军情报，了解敌方动态可以掌控战争的全局。军用陆空两栖机器人既能快速飞向作战区域，又能在不被发现的情况下秘密搜集情报或跟踪目标，可在复杂的环境中移动自如，很好的完成侦察任务。
陆空两栖机器人在战争中的潜力是十分巨大的，现在已成为各国军事技术专家研究的热点。
参考文献
1 陈殿生，黄宇，王田苗.轮式腿型机器人的越障分析与仿真. 北京航空航天大学学报，2009，3：371-375
2 雷静桃，高峰，崔莹.多足步行机器人的研究现状及展望. 机械设计，2006年9月.
3 于永泗，齐民.机械工程材料(第7版).大连：大连理工大学出版社2007.
4 韩广，王田苗，梁建宏等.一种有效爬楼梯的模块化可重组履带机构.机器人，2004，26（5）：400-403.
5 乔凤斌，谢霄鹏，杨汝清.基于准极限理论的排爆机器人直流电机选择.上海交通大学学报.V.39 No.6 2005.9：892-895.
6 吴瑞祥，刘静华，王之栎等.机械设计基础[M].北京：北京航空航天大学出版社2004：205-275.
7 信建国，李小凡，姚辰等.履带腿式非机构环境移动机器人特性分析[J].机器人，2004，26（1）：35-39.
8 王经国.分箱体式月球车虚拟样机的设计和分析[D].上海：上海交通大学，2007.
9 郑建荣.ADAMS-虚拟样机技术入门与提高.北京：机械工业出版社，2001:10-26.
10 熊光明，高峻峣等.基于ADAMS的四轮驱动移动机器人越障预测[J].计算机仿真，2005，22（7）：142-144.
11 Saranli, U., Buehler, M. and Koditschek, D. (2001). RHex a simple and highly mobile hexapod robot. Int. J. Robotics Research, 20(7): 616-631.
12 T. J. Allen, R. D. Quinn, R. J. Bachmann, and R. E. Ritzmann, “Abstracted Biological Principles Applied with Reduced Actuation Improve Mobility of Legged Vehicles,” Proceedings of the IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS ’03), vol. 2, pp. 1370–1375, 2003, Las Vegas, USA.
13 R. D. Quinn, G. M. Nelson, R. J. Bachmann, D. A. Kingsley, J.Offi, and R. E. Ritzmann, “Insect Designs for Improved Robot Mobility,” Proceedings of the Climbing and Walking Robots Conference (CLAWAR ’01), pp. 69–76, 2001, Karlsruhe, Germany.
