【正文】 高 高 高 綜上所述，鏈條，同步皮帶，與齒輪傳動都是良好的傳動方式。但是如果使用先進(jìn)的電動機(jī)控制模塊的話，內(nèi)部自帶的電流保護(hù)可以 有效的保護(hù)電動馬達(dá)不被燒毀。 3，安裝 的復(fù)雜程度 雖然對于精密的機(jī)器人來說不是什么問題，但是許多傳動方式在兩個軸不絕對平行的情況下會無法工作，而這種事情在機(jī)器人翻越障礙物或者受到爆炸物沖擊波的沖擊后很有可能發(fā)生。這將大大的影響成本，在對成本不敏感而對精度要求較高的情況下可以忽略。 常見的可充電電池 a鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池的技術(shù)相當(dāng)成熟，非常適合機(jī)器人使用。 2，壽命長，可以在 300 次充放電循環(huán)后可能仍然有 80%的容量。 4，摩托車，汽車，電瓶車都需要使用這種蓄電池，所以可用的型號非常廣泛，不同的尺寸序列也非常龐大。 3，內(nèi)部有大量液體，所以在高溫或者是高功率工作的時候會產(chǎn)生氣體，需要安裝排氣孔。但是考慮到他的較低的自放電率，這一充電過程也并不需要經(jīng)常進(jìn)行。在良好的儲存和保養(yǎng)下，鎳鎘電池可以完成 1000 次充電循環(huán)。 以下是鎳鎘電池的缺點： 1，當(dāng)電池在 25176。最好每 20 次充放電循環(huán)進(jìn)行一次深度放電。這是一 個正在發(fā)展并且不斷提升的技術(shù)。 2，直到完全放電前，電壓會一直保持穩(wěn)定。 4，他不含鎘等危險的元素所以沒有相關(guān)的健康問題，也不會污染環(huán)境。當(dāng)充滿電的時候， NiMH 電池會在 5 天內(nèi)自放電為原來 80%的電量，所以需要偶爾進(jìn)行深度 放電使電池的內(nèi)阻降低。在電池大流量放電的時候電池可能會損壞。C 下僅為兩年。 2，從能量密度方面分析，因為是履 帶式機(jī)器人，而且作為拆彈機(jī)器人需要相應(yīng)的底盤重量，所以能量密度要求不高，但是不可以忽略的是，機(jī)器人的內(nèi)部空間尺寸非常有限，體積過大的話會對設(shè)計造成不便。 4，維護(hù)難度， 考慮未來的用途，維護(hù)難度并不是主要的問題，作為重要的軍事 裝備會有專人進(jìn)行維護(hù)。這時能量密度最高而且維護(hù)方便并且潛力巨大的金屬氫化物鎳電池便是很好的選擇。每一個矩陣可以實現(xiàn)兩個作用：旋轉(zhuǎn)和平移。履帶機(jī)器人所使用的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂可以認(rèn)為是有一系列關(guān)節(jié)連接起來的連桿所組成?？臻g中一點 P 的位置可用向量 P表示。三列分別表示軸 OU、 OV、 OW所在的方向。這樣便可以得出機(jī)械臂終點的坐標(biāo)，雖然拆彈機(jī)械臂基本是由人控制，但是對復(fù)雜的環(huán)境或者遮蔽物的環(huán)境下也需要計算機(jī)輔助來控制機(jī)械臂的位置。在原子能工業(yè)中負(fù)責(zé)進(jìn)行放射性材料的加工處理和實驗，或者是在兵工廠進(jìn)行易燃易爆物的加工裝配，這類裝置的特點是不屬于某一工作主機(jī)，而且由人來操控。 機(jī)械臂的運動方式 a圓柱坐標(biāo)系 這種運動形式的機(jī)器臂均具有回轉(zhuǎn)，伸縮，與升降三個自由度，運動范圍為一個圓柱體。 b極坐標(biāo)系型 極坐標(biāo)機(jī)器人又稱為球坐標(biāo)機(jī)器人，他與圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人一樣，可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)。但是他的坐標(biāo)復(fù)雜，較難控制；其直線驅(qū)動裝置仍存在密封和工作死區(qū)問題。他在 X、 Y、 Z軸上的運動是獨立的，其運動方程可以獨立處理 。 d多關(guān)節(jié)型 這種機(jī)器臂和人的手臂比較相似，可以做多個方向的轉(zhuǎn)動，由多個臂組成，機(jī)械形式和人的肘關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)類似。 e SCRA 型 一般用于裝配，也叫做裝配機(jī)器人，動作靈活，速度快，定位精度高。這幾種機(jī)械臂的的操作范圍都可以滿足這一需求。 4，從操作直觀性的方面出發(fā)，雖然以上幾種有較大的差別，但是隨著科技的進(jìn)步，電腦模擬技術(shù)的完善，直觀性差可以通過軟件與程序來彌補(bǔ)，所以直觀性不強(qiáng)對拆彈任務(wù)的影響不大。驅(qū)動系統(tǒng)包含油缸， 電磁閥，油泵，油箱。小型的液壓設(shè)備不容易設(shè)計管線等在局促的空間內(nèi)會不好分配空間。而且同樣的也需要空氣壓縮機(jī)作為氣源，不便于小型移動設(shè)備隨時攜帶。 d電氣式 由電動馬達(dá)驅(qū)動，優(yōu)點是電源方便，信號傳遞容易運算，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，非常是適用于中小型機(jī)械臂，這也正是拆彈機(jī)器人所需要的。 2，輔助設(shè)備對拆彈機(jī)器人來說很重要，如果是在車間中，有液壓氣壓源的情況下，可以忽略，但是作為一個移動平臺，履帶機(jī)器人能隨時提供的只有電壓與電流，如果安裝液壓或氣壓源的話，對整體設(shè)置來說難以實現(xiàn)。 結(jié)合以上分析，電氣式的機(jī)械臂完全符合拆彈工作的需求。另一方面，在某些情況下，爆炸物突然爆炸或者起火，甚至是通過拆彈機(jī)器人改造的戰(zhàn)斗機(jī)器人或者偵測機(jī)器人遭遇敵人火力的襲擊的情況下，底盤不但要承受極端的負(fù)載而且要在緊急戰(zhàn)爭環(huán)境下快速更換。 圖 32 底盤框架 Figure 32 Chassis frame 框架配件 方形鋼管雖然加工簡單價格便宜而且單位質(zhì)量的強(qiáng)度很高，但是要在其上安裝高精度的輪架并不容易，第一，方形鋼管不同于方鋼，在 強(qiáng)力的夾持下容易變形，鉆貫穿的大孔的時候非常費力。同時，下底盤輪架內(nèi)的空間也是履帶機(jī)器人的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動模塊與兩塊蓄電池的安裝架。 前軸，比較短而所以強(qiáng)度要求不大，但是出于通用性的考慮采用了與主軸相 同的直徑尺寸。輪子的材質(zhì)使使用聚甲醛，因為如此大的體積如果使用金屬材料的話重量會非常的巨大。 圖 313 主輪與輔輪內(nèi)襯 Figure 313 Lined of main wheel and auxiliary wheel 圖 314 主輪安裝方法 Figure 314 main wheel Installation methods 支撐輪 雖然主輪可以輕松的支撐機(jī)器人全部的重量但是在某 些復(fù)雜的地形下履帶會承受額外的拉力，所以需要支撐輪來維持履帶的形狀，和在高負(fù)載時提供額外的支撐力，另外在履帶斷裂的情況下仍可提供一定的行駛能力。履帶機(jī)器人的履帶采用整體的橡與纖維組成的復(fù)合材料。 圖 319 動力模塊與減速器 Figure 319 Power module with reducer 圖 320 動力模塊與馬達(dá)驅(qū)動器 Figure 320 Power module with motor driver 減速器 履帶機(jī)器人運轉(zhuǎn)阻力較大，轉(zhuǎn)速不能過高，而電動機(jī)的最佳效率轉(zhuǎn)速往往高達(dá)數(shù)千轉(zhuǎn)每分所以需要減速器減速，同時考慮到馬達(dá)在機(jī)器人中于輸出軸的位置正好呈 90 度，所以采用了蝸 桿減速裝置。 輔動力模塊 控制前輪 架 俯仰的動力來源，使用的與機(jī)械臂相同的 57 步進(jìn)電機(jī)。 圖 325 輔助動力模塊的安裝位置 Figure 325 Auxiliary power module installation location 機(jī)械爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 抓取爆炸物的夾緊部件，由一個 42 步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)夾緊 動作 ，另一個 42步進(jìn)電機(jī) 負(fù)責(zé)旋轉(zhuǎn) 動作 。履 帶機(jī)器人使用的是步進(jìn)電機(jī)與蝸桿的結(jié)合，在蝸桿和步進(jìn)電機(jī)之間還加了一級行星減速系統(tǒng)，這樣不僅能在高負(fù)載的情況下提供足夠的扭矩，也可以在精心的拆彈工作中提供足夠的微調(diào)精準(zhǔn)度。 圖 328 前臂的透視圖 Figure 328 Forearm perspective 圖 329 前臂框 架結(jié)構(gòu)圖 Figure 329 Forearm frame structure 腕關(guān)節(jié)，使用了一個推力軸承和一個滾針軸承。這樣由推力軸承承擔(dān)軸向力，滾針軸承承擔(dān)法相力，可以對機(jī)械臂產(chǎn)生足夠的支持力。 圖 334 支撐架 Figure 334 Backstop 支撐架，在中臂前端連接前臂的部件，負(fù)責(zé)傳遞兩個自由度的動作。 框架 整體采用的仍然是不銹鋼的方管，因為器材與零件全部整合在臂端的模塊中，所以除了臂端模塊以外的部分可以根據(jù)情況隨意改變，比如延長或縮短桿的長度，或者使用圓管等。 圖 344 整體視圖 Figure 344 whole body view 4 履帶機(jī)器人的控制與傳感器 傳感器 拆彈機(jī)器人不僅僅是一個工廠里的組裝機(jī)器人，作為遙控設(shè)備他需要人進(jìn)行觀察，需要一些傳感器進(jìn)行現(xiàn)場的評測。尤其是危險的拆彈工作與戰(zhàn)斗工作，任何誤差都會導(dǎo)致財產(chǎn)損失甚至人員傷亡，機(jī)器人是否能夠準(zhǔn)確無誤的正常工作取決于傳感器的測量精度。 3，抗干擾能力強(qiáng)。對于安裝在機(jī)器人手臂等運動部 件上的傳感器，重量要輕，否則會加大運動部件的慣性，影響機(jī)器人的工作性能。解決方案如下，機(jī)器人的前后各安裝一個較低分辨率的固定攝像頭，以在行進(jìn)或者倒退過程中判斷障礙物的形狀以改變機(jī)器人的履帶狀態(tài)或者轉(zhuǎn)向。為了滿足偵查的需求，激光測距儀也需要被裝備。 c爆炸物傳感器 原理上講是高敏感度的氣味傳感器，通過氣味對爆炸物的化學(xué)成分進(jìn)行判斷，對不同種類的爆炸物使用不同的拆除方法。 12 36V 直流電源供電，輸出電流 3A，可驅(qū)動 42,57,86 步進(jìn)電機(jī)。車床步進(jìn)電機(jī)控制板并非為移動設(shè)備而設(shè)計，所以需要額外的防護(hù)措施以適應(yīng)惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境。50mV 紋波 ) 發(fā)射電流 ≦ 35mA10mW 接收電流 ≦ 30mA 傳輸距離 1000m 備用方案 通過 3G網(wǎng)絡(luò)可以在有手機(jī)信號的任意范圍內(nèi)操作機(jī)器人，在沒有 3G 信號的地方可以通過計算機(jī)無線網(wǎng)卡使用的 通訊協(xié)議在 200 米范圍內(nèi)進(jìn)行操作并傳遞高清視頻信號。 市面上銷售的以 Atom為核心的微型筆記本可以很好的完成這一任務(wù)，它們都內(nèi)置無線網(wǎng)卡與 3G 網(wǎng)卡，整合性高，自帶的電源可以供給 6 小時以上的電力。以下是所選部件的型號與詳細(xì)參數(shù)。 市面上在這一功率范圍內(nèi)的電動馬達(dá)的電壓分為 24V 和 48V 兩種，這對于非移動設(shè)備來說可能僅僅只是更換變壓器這么簡單，但是對于移動的平臺， 48V 意味著四個 12V 蓄電池，這對空間和質(zhì)量上都是一種挑戰(zhàn)。而且不管多高的電壓和高熱他都不會退磁。 雖然數(shù)據(jù)顯示使用稀有金屬磁體馬達(dá)的話，馬達(dá)的性能會大大提升。和普通馬達(dá)相反，無刷馬達(dá)的線圈是固定的而磁體是旋轉(zhuǎn)的。這其中種類與型號繁多。因為 PC有著強(qiáng)大的計算能力所以可以方便的解決控制問題，與自主偵查等。 方案一 在國內(nèi)機(jī)器人大賽中經(jīng)常被使用的整合系統(tǒng)，主要控制系統(tǒng)為一個單片機(jī)，配備大量傳感器與步進(jìn)電機(jī)控制板，缺點是視頻需要通過另一路系統(tǒng)傳輸，可以滿足一般的拆彈任務(wù)與訓(xùn)練的需求。盡管這是體積縮小的優(yōu)化設(shè)計，但是兩塊步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動板面積仍然非常大，并且主控芯片對散 熱有一定的要求，不能安裝的太緊密，也不能安裝在機(jī)器人的內(nèi)部，只能將其安置在底盤的底部。所以我采用了國內(nèi)機(jī)器人競賽中使用的操作模塊，集成了 usb 遙控，大量步進(jìn)電機(jī)與傳感器接口，使用 方便而且成本也相對較低。 b壓力傳感器，機(jī)械爪末端與機(jī)械臂的底座 處需要安裝這樣的傳感器，目的是調(diào)解機(jī)械手的壓緊力，否則過大的夾持力會使爆炸物的外殼變形而壓迫內(nèi)部的危險物品。目前市面上非常普遍的室外監(jiān)視器的攝像頭便是很好的選擇，它們被設(shè)計的時候考慮到風(fēng)吹日曬的因素，結(jié)構(gòu)簡單可靠，種類型號繁多，可以很好的適應(yīng)這一工作。 考慮到以上因素，給履帶機(jī)器人在不同使用環(huán)境與不同的任務(wù)配備如下傳感器。作為拆彈機(jī)器人不但要克服自身各種電動馬達(dá)傳感器產(chǎn)生的干擾，也要做好克服來自恐怖分子的惡意干擾的準(zhǔn)備。機(jī)器人 傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是保證機(jī)器人能夠長期穩(wěn)定的可靠工作的必要條件。 1，精度高，重復(fù)性好。 圖 340 機(jī)械臂底座 Figure 340 Arm base 圖 341 機(jī)械臂底座框架結(jié)構(gòu) Figure 341 frame of Arm base 圖 342 機(jī)械臂底座在底盤的安裝位置 Figure 342 Arm base position in the chassis 圖 343 機(jī)械臂底座軸承部件的分解視圖 Figure 343 Manipulator base bearing ponents deposition view 從圖 343 中可以清楚的看到推力軸承，和軸承的安裝順序， 從左到右分別是，后臂支架，軸承支架， 30mm 推力軸承，軸承支架， 25mm 深溝軸承，底座軸，底座架。 后臂 圖 335 后臂 Figure 335 After arm 圖 336 后臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu) Figure 336 The internal structure of the after arm 圖 337 后臂支撐架 Figure 337 After arm support frame 配件與中臂基本相同，唯一不同的是尾部，因為在行進(jìn)過程中，整個機(jī)械臂會折疊起來，所以有一定的死角，這樣提高一定的高度使機(jī)械臂可以完全收起。中臂也是改裝成偵查臂與戰(zhàn)斗臂的基礎(chǔ)。可以應(yīng)付較大的載荷。 前臂 包含機(jī)械手和兩個自由度的控制，因為在整個機(jī)械臂的末端，所以采用了重量較輕的 42步進(jìn)電機(jī)。 圖 326 機(jī)械爪 Figure 326 Mechanical Claw 圖 327 機(jī)械爪的分解視圖 Figure 327 Deposition view of mechanical claw 因為零件太小，再考慮到機(jī)械爪不是一個經(jīng)常運轉(zhuǎn)的部件，所以并沒有安裝軸承，這要求機(jī)械爪在運作的時候需要進(jìn)行充分的潤滑，否則運行阻力會過大，并且造成磨損。 圖 324 輔助動力模塊 Figure 324 Auxiliary power module 框架，主要受力部分使用 5mm 鋼板，為了方便安裝和