论文总字数：25615字

摘 要

南极大陆绝大部分位于南极圈内,气候环境恶劣，但因其具备丰富的资源和极大的气象研究等科研意义，近来已经成为国际科学研究的热点和难点。本课题旨在研究设计一种冰雪地面移动机器人，以期部分代替人类活动，完成相应的科研任务。

本课题在对南极低温、湿滑地面等恶劣环境充分了解的基础上，提出了该机器人所应满足的关键性能要求，并综合国内外相关机器人的研究现状，主要是分析对比其典型的机械结构，从而确定本机器人的行走方案和传动方案及相应的尺寸参数。通过分析该履带机器人的机构特点，设计其传动系统，选择适合的动力源，并对机器人内部进行合理布置。在机器人具体设计过程中采用了模块化设计思想，主要分为主体模块、履带系统模块等，总体结构紧凑，布局合理。在确定了机器人结构后，本文也研究了其在翻越诸如高台、楼梯等障碍的运动性能及地形适应能力。此外，本课题还会对履带驱动轴等关键零件进行应力分析及强度校核，设计合理的主体保温壳，以此来应对南极低温等恶劣环境所带来的挑战。本课题研究的主要是极地冰雪地面移动机器人的机械部分的设计，同时也考虑到运动驱动模块、保温系统模块及传感器等部件的搭载等因素的影响，设计出来的移动机器人整体效果可实现远程操控，而且能够感知现场信息并及时回馈到控制方，为人类南极各类科考活动提供有价值的支持。

关键词：极地机器人；履带传动；行走系统；传动方案；

Track-style Locomotion System Design and Performance Analysis of Polar Ice-ground Mobile Robot

02009426 Ding Hao

SupervisedbyQian Ruiming

Abstract

Antarctica substantially located in the Antarctic Circle withsevere environment. However,it has recently become ascientific hot because ofits rich resources and great scientificsignificance. This research project aims to design aice-ground mobile robot, in order to complete certain research tasks non-artificially.

This topic proposes some key performance requirements the robot should meet on the basis of fully understand of polar harsh environments. Comparing research status at home and abroad related to robotics, especially the analysis and comparison of its typical mechanical structure, this topic ensure the locomotion system and transmission schemealong with the corresponding parameters. By analyzing the characteristics of the tracked robot mechanism, we design the robot’s transmission system, select the appropriate power source, and a reasonable arrangement inside the robot. In the specificprocess of designing the robot, we use a modular design concept. The robot could be divided into the main module and the track system module, the overall compact structure, with a reasonable layout. After determining the structure of the robot, the paper will also study its motion performance and terrain adaptability on high platform, stairs and other obstacles. In addition, the subject will do the stress analysis and strength check of the track drive shaft and other key parts, and design rational insulation shell, in order to respond to thechallenges along with Antarctic ultralow temperature and other harsh environment. The main mission of this study is to design the polar ice terrestrial mobile robot mechanical part, as well as taking into account carrying some components, such as motion drive module, the insulation system modules and some sensors, and other certain factors.The overall effect of the mobile robot is remarkable. It can realize remote control, but also to perceive the scene and timely information feedback to the control party,so that to provide valuable support to all kinds of human Antarctic expedition activities.

Keywords:Polar Robot；Track Drive；Locomotion System；Transmission Scheme

目录

摘要……………………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract…………………………………………………………………………………………Ⅱ

1.绪论 1

1.1课题背景及研究意义 1

1.2国内外极地机器人研究现状 2

1.2.1国外极地机器人研究现状 2

1.2.2国内极地机器人研究现状 4

1.3 本章小结 6

2. 极地机器人环境介绍及行走方案的分析 7

2.1极地机器人环境介绍和关键性能要求 7

2.1.1极地机器人环境介绍 7

2.1.2极地机器人关键性能要求 7

2.2移动机器人行走方案分类及比较 8

2.2.1轮式行走方案 8

2.2.2腿式行走方案 9

2.2.3履带式行走方案 9

2.2.4腿履复合式行走系统 10

2.3本章小结 10

3. 极地机器人总体设计及性能分析 11

3.1极地机器人尺寸参数的初步确定 11

3.2极地机器人传动方案的设计 11

3.3极地机器人动力源的计算和选择 14

3.4极地机器人具体零部件的设计 17

3.4.1减速器设计 17

3.4.2主体保温壳设计 21

3.4.3履带系统设计 22

3.5极地机器人运动性能分析 24

3.5.1机器人翻越高台性能分析 25

3.5.2 机器人爬楼梯性能分析 26

3.6 本章小结 27

4. 极地机器人的虚拟仿真 28

4.1软件简介 28

4.1.1Solidworks软件简介 28

4.1.2Ansys软件简介 29

4.2减速器输出轴应力分析及强度校核 29

4.3 本章小结 31

5. 总结 32

致谢 33

参考文献 34

极地冰雪地面移动机器人履带式行走系统设计与工作特性分析

1.绪论

1.1课题背景及研究意义

极地地区环境的恶劣性已得到学术界的广泛认可，无论进行何种科学研究探讨，南极地区独有的环境都会对人类本身抑或传感器等器件带来巨大的挑战。在南极地区，人类所测量到的绝对最低温为-89.6℃，内陆高原地区在夏季(约1月份)时的平均温度为-28℃，冬季(约7月份)时的平均温度为-50℃。空气湿度方面，南极洲年平均降水量仅有180mm，空气极为干燥。除此之外，南极地区自然灾害频发，在“极地”工作的人员极易受到地震等灾难的袭击，陷入危险。这时候，极地冰雪地面移动机器人就能够发挥很大的作用[^[1]]。

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