【正文】 固定，與底盤相接的地方設(shè)置了彎角，安裝的時(shí)候便于固 定。將電動(dòng)馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)也整合在其中，在緊急狀態(tài)下便于更換。 圖 318 履帶 Figure 318 Track 動(dòng)力模塊的設(shè)計(jì) 動(dòng)力部分包含兩個(gè) 86 無刷電動(dòng) 馬達(dá)，配套的馬達(dá) 驅(qū)動(dòng) 器，蝸桿減速器，與軸承部件。 圖 315 支撐輪 Figure 315 Support wheel 圖 316 支撐輪的安裝方法 Figure 316 Installation methods support wheel 前輪架 前輪架需要由步進(jìn)電機(jī)通過蝸桿 抬起，而且在翻越障礙的時(shí)候需要承擔(dān)部分負(fù)載，所以對強(qiáng)度和重量的要求都很高，這里 仍然采用了單位質(zhì)量強(qiáng)度較高的聚酰胺材質(zhì)。 圖 312 輔輪 Figure 312 Auxiliary wheel 輔輪與主輪相比 直徑 較小， 出于 通用性 的考慮 許多 尺寸與主輪 是相同的 內(nèi)軸，聚甲醛雖然有著很好的強(qiáng)度和韌性，但是硬度不高，抗磨損能力差， 如果直接將 軸承安裝在塑料輪內(nèi)，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)磨損輪子，所以在輪子中心使用了鋼制的內(nèi)襯，提供額外的強(qiáng)度，和足夠的抗磨損能力。 圖 39 軸帽 Figure 39 Shaft cap 軸承部件 軸承采用了 61805 深溝球軸承，內(nèi)徑 25mm 外徑 35mm 厚 7mm，也專門為這個(gè)軸承設(shè)計(jì)了軸承套等配件，加工過程中需考慮到公差與安裝斜面等因素。 圖 34 支撐輪底盤 Figure 34 Support wheel Chassis 圖 35 支撐輪底盤與步進(jìn)電機(jī)模塊 Figure 35 Support wheel Chassis and stepper motor module 圖 36 支撐輪輪架的安裝位置 Figure 36 Installation location of Support wheel Chassis 輪軸模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軸 主軸支撐著機(jī)器人大部分的重量，而且負(fù)責(zé)傳動(dòng)前輪架 的動(dòng)作，所以分段較多。 圖 33 底盤框架部件 Figure 33 Chassis frame ponents 支撐輪底盤 底盤電動(dòng)機(jī)與蓄電池的重量較大 。材料采用了 30X60mm 厚 度為 5mm 的 304 不銹鋼方管，這種合金鋼非常普遍，在具有不銹鋼優(yōu)秀的特質(zhì)的同時(shí)也相對較容易焊接。 底盤設(shè)計(jì) 底盤是車型機(jī)器人的重要的骨架，而且是所有其他設(shè)備的平臺，在設(shè)計(jì)的時(shí)候不僅僅要提供一個(gè)堅(jiān)固的框架，也要便于把其他設(shè)備安裝上。 3，響應(yīng)速度對拆彈工作來說，會(huì)影響操作的節(jié)奏，發(fā)出指令后能付快速執(zhí)行對拆彈工作還是有一定的影響的。相對其他設(shè)備而言，因?yàn)榭梢允褂脵C(jī)器人自帶的主動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電池，所以可以認(rèn)為沒有輔助設(shè)備。 c機(jī)械式 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)，凸輪，齒輪齒條，連桿等機(jī)械裝置組成，傳動(dòng)可靠，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對于簡單的機(jī)械臂來說非常合適，但是對于有 6個(gè)自由度的拆彈機(jī)器人來說，其間的機(jī)械結(jié)構(gòu)將非常復(fù)雜精細(xì)。特點(diǎn)是氣源方便，維修簡單，速度高，成本低，防火防爆，漏氣對設(shè)備影響不大。缺點(diǎn)是漏油對系統(tǒng)工作性能影響很大，成本高。 綜上所述，多關(guān)節(jié)機(jī)械臂最適合履帶機(jī)器人的拆彈工作。 2，所占空間必須 小，拆彈機(jī)器人是一個(gè)可移動(dòng)的操作點(diǎn)，而不是一個(gè)空間，所以占用空間較大的直角坐標(biāo)系便被排除。一般有 4個(gè)自由度。機(jī)械臂末端由多個(gè)回轉(zhuǎn)角確定，定位精度不高。他的精度和位置分辨率不隨工作場合而變化，容易達(dá)到高精度。運(yùn)動(dòng)范圍的圖形為立方體。其運(yùn)動(dòng)范圍的圖形為一個(gè)球體。 它可以繞中心軸轉(zhuǎn)一個(gè)角度，因此其工作范圍可以擴(kuò)大，且計(jì)算簡單。拆彈機(jī)器人可以說就是一個(gè)底盤可移動(dòng)的操縱機(jī)器人，而且他平時(shí)進(jìn)行的工作與兵工廠中進(jìn)行的易爆物加工與裝配工作如出一轍，都是由操作者進(jìn)行操縱，進(jìn)行危險(xiǎn)物的移除工作。所以，當(dāng)時(shí)的機(jī)械手是作為自動(dòng)機(jī)，自動(dòng)線的附屬裝置出現(xiàn)的。當(dāng) OUVW 僅繞 OX 軸轉(zhuǎn)角 θ 時(shí)，基本轉(zhuǎn)動(dòng)矩陣記為 Rot(x, θ )，由式（ 418）可以計(jì)算得： Rot(x, θ )=?????????????10000c o ss in00s inc o s00001???? Rot(y, θ )=?????????????10000c o s0s in00100s in0c o s???? Rot(z, θ )=???????????? ?1000010000c o ss in00s inc o s???? 所以關(guān)節(jié)的端點(diǎn)就可以用各個(gè)矩陣相乘，最終得到腳底部處相對于起點(diǎn)的位移。 在 OXYZ 坐標(biāo)系中向量 P 記為 zzyyxxX YZ kpjpipP ??? 即 ? ?TzyxXYZ pppP 1,? 我們希望找出旋轉(zhuǎn)變換矩陣 UXR ，以使 UVWP 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為 XYZP 的坐標(biāo)，既存在 UVWUXXYZ PRP ?? 實(shí)際上， OUVW 按一定的關(guān)系繞 OXYZ 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，固定于 OUVW 的向量 UVWP 隨 OUVW一齊轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng) OUVW 與 OUVW 重合時(shí)， UVWP 與 XYZP 重合，其轉(zhuǎn)動(dòng) 關(guān)系由 UXR 描述。 圖 21 坐標(biāo)系的相對位置和相對方向 Figure 21 Coordinates of the relative position and relative orientation 坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換 坐標(biāo)系 OUVW是坐標(biāo)系 OXYZ經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后變換得到的。 空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析有許多方法，齊次變換是其中較為直觀地、較方便的一種， Paul 首次將 DH 矩陣應(yīng)用于機(jī)器人的軌跡的計(jì)算，從此，齊次變 換在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中和動(dòng)力學(xué)分析中廣為應(yīng)用。 齊次變換是用其此矩陣來描述機(jī)構(gòu)連桿的關(guān)系。 通過以上對各種電池的分析，履帶機(jī)器人應(yīng)該配備兩種電池來應(yīng)付不同的任務(wù)，如果進(jìn)行拆彈工作，需要同時(shí)使用數(shù)個(gè)步進(jìn)電機(jī)而且工作時(shí)間一般不長，再考慮到對底盤穩(wěn)定性的要求，所以將采用鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池的低放電率很適合存儲(chǔ)并隨時(shí)應(yīng)付突發(fā)情況。 幾種充電電池的綜合對比 表 13 幾種充電電池的性能對比 Table 13 Performance parison of several rechargeable batteries 功率 能量密度 壽命 維護(hù)難度 自放電 電池價(jià)格 鉛酸蓄電池 大 小 長 低 中 低 鎳鎘電池 中 大 長 高 中 中 金屬氫化物鎳電池 中 最大 中 高 高 中 鋰離子電池 小 大 短 低 低 高 綜上所述對以上幾種常見的充電電池進(jìn)行對比， 1，從功率角度考慮，履帶機(jī)器人有兩個(gè) 330W 的無刷電動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力，另外有 8個(gè)步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械臂等設(shè)備的動(dòng)力，所以對功率要求很高。因此，鋰離子電池不是很適合大功率機(jī)器人使用。如果進(jìn)行緩慢的功率輸出的話，它的能量密度很大。 2，完成 500 次充放電循環(huán)后，電池的容量就會(huì)隨著內(nèi)阻的提高而下降。 3，它可以在不充電的情況下無損害的存儲(chǔ)。 以下是金屬氫化物鎳電池的優(yōu)點(diǎn)： 1， NiMH 電池的能量密度是現(xiàn)有的電池中最好的。 3，鎳鎘電池含有鎘，雖然被很安全的封在電池中，但是鎘是有毒的化學(xué)元素，必須妥善的處理。當(dāng)充滿電的時(shí)候，鎳鎘電池會(huì)在三周內(nèi)自行放電到 80%的電量。 3，鎳鎘電池在存儲(chǔ)的時(shí)候可以不充電并且不會(huì)受到損害。以下 是鎳鎘電池的優(yōu)點(diǎn)： 1，它有極佳的性價(jià)比。 4，因?yàn)樗鼉?nèi)部的酸液會(huì)在放電時(shí)腐蝕極板，所以它必須在充滿電的情況下儲(chǔ)存，并且要經(jīng)常充電。 以下幾點(diǎn)是鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)： 1，鉛酸蓄電池產(chǎn)生的時(shí)間非常早，技術(shù)相對落后，所以他比其他種類的電池都要重，或者說是單位質(zhì)量下產(chǎn)生的能量最小。 3，它在所 有的電池中能提供的電流是最高的?？偟膩碚f，鉛酸蓄電池的容量是是 10Ah 級別。 能量源的選擇 作為一個(gè)電氣化的機(jī)器人，高效穩(wěn)定的能量源非常重要，目前世界上廣泛使用的并且 技術(shù)成熟的是， 鉛酸蓄電池，鎳鎘電池，金屬氫化合物鎳電池，鋰離子電池這幾種。較低的安裝精度 對控制機(jī)器人的成本和機(jī)器人的普及性方面有著很重要的作用。在工作中會(huì)為了抓取物體或者為了瞄準(zhǔn)目標(biāo)而進(jìn)行武器系統(tǒng)進(jìn)行精確的微調(diào)。 1，從傳遞扭矩這一點(diǎn)出發(fā)，機(jī)器人在爬坡或者負(fù)載較重的時(shí)候需要很高的扭矩，出于這一點(diǎn)的考慮，鏈條傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)優(yōu)勢較大。普遍的方法是使用直齒輪，行星齒輪，蝸桿齒輪或者這些齒輪的結(jié)合體。一般大型機(jī)械要傳遞很大的扭矩的時(shí)候都是使用變速箱的方法，內(nèi)部的金屬齒輪可提供很高的強(qiáng)度來對抗較大的扭矩。同步帶能比普通的平帶傳遞更大的扭矩。這種同步帶經(jīng)常被用在汽車引擎上，連接凸輪軸和曲軸使之同步運(yùn)轉(zhuǎn)。傳遞的能量取決于 V型帶的繃緊力和滑輪 V型口的角度。 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 會(huì)產(chǎn)生靜電。平帶需要繃緊力來使能量從一個(gè)輪子傳遞到另一個(gè)，因此需要一個(gè)張力調(diào)整設(shè)備。正因?yàn)槠鋵珳?zhǔn)性要求不高，所以在高強(qiáng)度的越野環(huán)境與震動(dòng)較大的環(huán)境下，鏈條傳動(dòng)也是最能持續(xù)穩(wěn)定工作的一種轉(zhuǎn)動(dòng)模式。因此在將動(dòng)力傳遞到輪子的同時(shí)也需要對電動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行減速，目前工業(yè)上普遍采用的方法如下。所以電動(dòng)馬達(dá)對于拆彈機(jī)器人是最理想的動(dòng)力來源。第二，拆彈機(jī)器人是需要移除爆炸物的，沉重的底盤可以保證重心的穩(wěn)定防止機(jī)器人翻倒。對于偵查與戰(zhàn)斗任務(wù)來說，機(jī)器人的隱蔽性也是至關(guān)重要的，震動(dòng)與噪音較大的活塞式引擎用在這里便不是很合適。與之相比，電動(dòng)機(jī)可以瞬間啟動(dòng)，瞬間停止，并且配有自鎖剎車功能，而內(nèi)燃機(jī)還需要另外配備剎車部件?？紤]到即使主動(dòng)力模塊使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，仍然需要蓄電池作為機(jī)械臂的動(dòng)力，所以這并不會(huì)節(jié)省多少空間和重量。 作為一個(gè)小型的移動(dòng)平臺，常用的動(dòng)力只有活塞式內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)馬達(dá)兩種。這么做是希望在條件允許的條件下，僅僅通過我提供的圖紙和供貨商名冊便可以快速的以較低成本將履帶機(jī)器人生產(chǎn)出來。 在獲得數(shù)控車床中級技師資格后我更加體會(huì)到設(shè)計(jì)便于加工的產(chǎn)品的重要性，有些零件雖然從設(shè)計(jì)上達(dá)到了理論上的最優(yōu)結(jié)構(gòu)但 是加工起來卻比較復(fù)雜，比如需要掉頭加工或需要切換各種刀具，這都加大了生產(chǎn)成本并且降低了加工精度，而對性能的提升往往不明顯，從整體上講是得不償失的。這些功能會(huì)通過裝備特制的功能插件得以實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到拆彈的效率與成功率。所以成為了軍用機(jī)器人的首選。此外 , 美國 iRobot 公司生產(chǎn)的 Negotiator機(jī)器人和 Warrior 排爆機(jī)器人，英國研制的super2wheelbarrow 排爆機(jī)器人、加拿大謝布魯克大學(xué)研制的 AZI2MUT 機(jī)器人、日本的 HeliosVII 機(jī)器人都屬于小型履帶機(jī)器人 ,因其各自用途不同 ,在結(jié)構(gòu)上各具特點(diǎn)。 參考文獻(xiàn) 致謝 前言 從機(jī)器人的分類上來講，軍用履帶機(jī)器人是屬于遙控機(jī)器人的一種，既是能在人的操控下在人類難以接近或者遠(yuǎn)距離完成作業(yè)的機(jī)器人。 拆彈模式 ........................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 步進(jìn)電機(jī) ........................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 遠(yuǎn)程遙控與傳感器系統(tǒng) ................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 底座 .........................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 減速 器 .......................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 支撐輪 .......................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 軸 ...........................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 底盤設(shè)計(jì) ............................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)方式選擇 ................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 齊次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換 .................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 能量源的選擇 ........................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 驅(qū)動(dòng)模式的選擇 ...................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 detection robot。最終設(shè)計(jì)出一種以完成拆彈任務(wù)為主的中型履帶機(jī)器人平臺，在擁有一切履帶機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可以通過更換不同的插件完成偵查，戰(zhàn)斗 任務(wù)。 履帶式機(jī)器人雖然行動(dòng)較慢，運(yùn)轉(zhuǎn)阻力大，但是通過性強(qiáng)， 可以翻越障礙物，爬樓梯，負(fù)載能力高， 所以成為了 軍用 機(jī)器人的首選。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（