【正文】 設計）版權使用授權書 本畢業(yè)論文（設計）作者同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文（設計）的復印件和電子版，允許論文（設計）被查閱和借閱。與我一同工作的同 志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 論文（設計）作者簽名： 日期： 年 月 日 指 導 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日 履帶機器人 的結構設計與建模 摘 要 機器人 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，尤其是反恐戰(zhàn)爭中 有著不可替代的地位，無論是作為拆彈機器人，偵查機器人還是戰(zhàn)斗機器人，都能極大的簡化任務過程 ，減少人員傷亡與財產(chǎn)損失。在設計過程中，充分考慮到了機器人的功能性，機構合理性，并且盡量的控制了加工的難度與成本。 bomb disposal robot。 1 履 帶機器人的運動分析 .................. 錯誤 !未定義書簽。 傳動方式的綜合對比 ...........................錯誤 !未定義書簽。 2 機械臂的坐標變換與運動分析 ............ 錯誤 !未定義書簽。 幾種機械臂運動方式的對比 .....................錯誤 !未定義書簽。 3 結構設計 ............................ 錯誤 !未定義書簽。 輪軸模塊的結構設計 .................. 錯誤 !未定義書簽。 主承重輪 .....................................錯誤 !未定義書簽。 動力模塊的設計 ...................... 錯誤 !未定義書簽。 機械爪的結構設計 .................... 錯誤 !未定義書簽。 后臂 .........................................錯誤 !未定義書簽。 步進電機驅動模塊 .................... 錯誤 !未定義書簽。 馬達驅動 ........................... 錯誤 !未定義書簽。 底盤特性 ........................... 錯誤 !未定義書簽。 7 總結 ................................ 錯誤 !未定義書簽。這兩種屬于便攜式履帶機器人 ,它們應用在伊拉克戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中 ,取得了巨大的成功。履帶式機器人雖然行動較慢，運轉阻力大，但是通過性強，可以翻越障礙物，爬樓梯，負載能力高使之能裝載許多設備與武器。目前在各國的警察部隊中，拆彈機器人已經(jīng)成為反恐作戰(zhàn)的必備裝備。以上這些優(yōu)點使拆彈機器人成為了一個很好的機器人平臺，可以通過更換功能插件而產(chǎn)生系列產(chǎn)品，如偵查機器人，搜救機器人，戰(zhàn)斗機器人等。起步早但是發(fā)展緩慢的機械行業(yè)與發(fā)展迅猛的電子行業(yè)便很好的詮釋出了通用性的重要程度。步進電機與控制模塊等需要由專業(yè)廠商提供的部件，全部先進行市場調(diào)查，確定市面上有銷售并且價格合理后才予以采用。找出最適合拆彈任務的組合。經(jīng)過合理設計的四沖程汽油引擎可以相應的降低震動。 1， 不會熄火，這個在緊急狀態(tài)下絕不允許發(fā)生，雖然可以在機器人內(nèi)部設置啟動電機，但是這在這種小型機器人中實現(xiàn)起來相當?shù)穆闊? 3， 安靜，震動小，對于拆彈任務來說，震動會沿著機械臂傳導至爆炸物，可能會引爆爆炸物，或激發(fā)爆炸物的起爆裝置，這會導致災 難性的后果。對于這種慢速的履帶 設備來說，強大的正壓力只能提供更高的推進力。 綜上所述，相對于活塞引擎來說，電動馬達在各項指標中都有所勝出。雖然和活 塞式引擎相比，電動馬達可以在更廣的轉速范圍內(nèi)工作而不至于熄火，但是可以并不代表最優(yōu)，電動馬達在低轉速大扭矩下運轉效率非常低，也就是說會產(chǎn)生大量的熱量。但是低廉的成本和和加工成本與較低的安裝精度使他成為一種非 常方便迅捷的解決方案。帶輪需要摩擦力來維持運動，這一過程中可能發(fā)生打滑和蠕變。適用的溫度范圍有限 ，性能與工作環(huán)境掛鉤（灰塵，污漬，機油等）。因為它有兩個摩擦接觸面，所以它能比傳統(tǒng)的平帶傳遞更大的能量。 d同步帶傳動： 同步帶也被稱作齒帶。這使所有與同步帶連接的導輪能以相同的速度轉動。 e 變速箱傳動： 變速箱是緊湊的連接馬達和輪子的方法。變速箱必須由精確設計的零件組成。下面針對以上各種傳動方法進行比對。 2，機器人面對的是危險的爆炸物，或者是危險的戰(zhàn)斗場合。有些傳遞方式需要繃緊力，這樣會對馬達輸出軸和動力模塊的軸承產(chǎn)生更多的負載。 考慮到履帶機器人對各項指標的需求，使用如下的傳動方式，在電動馬達輸出軸上安裝蝸桿減速，這種減速方式減速比大，而且可以垂直的改變傳動角度，然后通過鏈條傳動將扭矩傳遞到主輪。從技術上講鉛酸蓄電池是一種電池組。如果存儲在 25 o C 的環(huán)境下，每天的電量損失低于 1%。 5，他的電壓與電量的相關性很高，對于一個 12V 電池，電池的電壓會從充滿電的 慢慢的降低到無電狀態(tài)的 10V，這樣可以快速的判別電池的剩余電量，而決定什么時候該更換電池或者進行充電。所以大部分的鉛酸蓄電池不能快速充電，否則會有內(nèi)部壓力過大的危險。 b鎳鎘電池 (NiCad) 鎳鎘電池是一個很成熟的技術，而且他的價格和性能仍然在不斷的改進中。 2，能量密度很好，是鉛酸蓄電池的三倍，在這方面只有金屬氫化合物鎳電池可以超越。 C 存儲的 時候，每天會損失 1%的能量。 2，鎳鎘電池需要高度的保養(yǎng)，檢測，充電，在低溫下存儲以延長使用壽命。目前市面上的 5 號或者 7 號充電電池基本上都是鎳氫電池。這使它能任務中全功率輸出。 以下是 NiMH 電池的缺點： 1，成本較高，一般作為隨身設備的小型電源，而不是這種大功率的場合。 d鋰離子電池 鋰離子電池是普遍使用的充電電池。我們也從新聞中得知，許多使用鋰離子電池的筆記本在溫度較高功率較大的情況下使用發(fā)生爆炸事故。也就是說即使在沒有使用并且妥善保存的情況下，鋰離子電池的性能也會在兩年后大大下降。 3，壽命，拆彈工作與反恐任務并不是經(jīng)常發(fā)生，所以并不需要多高的充電 循環(huán)，但是要求有很高的存儲壽命，而且需要在短時間內(nèi)迅速出動，所以鎳鎘電池等雖然存儲壽命長，但是需要在空電狀態(tài)存儲下這一屬性便不適用于隨時可能發(fā)生的拆彈任務，優(yōu)先排除。但是相對較低的使用成本也意味著可以同時裝備較多的機器人。 2 機械臂的坐標變換與運動分析 齊次坐標旋轉變換 機械臂作為履帶機器人的重要組成部分，其運動方程決定了以后的計算分析等工作，而對于機械臂的控制來說，坐標計算公式更是至關重要，以下是對多自由度機械臂的自由度坐標換算方法。原來的矢量則必須用齊次坐標系表示。我們把構件坐標系嵌入機器的每一個連桿中，便可以用齊次坐標來描述這些坐標系之間相對位置和方向。 在 OUVW 坐標系中，向量 P記為 wuvvuuU V W kpjpipP ??? 即 ? ?TwvuU VW pppP 1,? 式中 wvu ppp , ，分別是 P沿 OU,OV,OW 軸的投影。 OUVW 繞 OXYZ 單個軸的轉動變換矩陣稱為基本變換矩陣。 機械臂的運動形式選擇 機械手產(chǎn)生的時間非常早，早在 20 世紀初期，隨著機床汽車制造業(yè)的發(fā)展，機械手也隨之產(chǎn)生了，世界上第一個機械手是美國福特公司在 1913 年在汽車零件加工自動線采用的，當時為了解決自動機上下料與工件的傳送問題。因此有人將這類操作機器人稱為遙控操作機，操縱機器人。優(yōu)點是占地小，活動范圍大，結構簡單，緊湊，能達到較高的定位精度，應用廣泛，運動直觀性較強。 這種機械臂由一個直線運動與兩個回轉運動組成，由一個伸縮一個俯仰機構組成。 c直角坐標系型 這種機械臂由三個直線運動組成，沿 xyz 軸三個方向運動組成。同時方程又是線性的，因此對這類機器人進行計算機控制很簡單；它可以兩端支撐，因此對于給定的結構長度，其剛性最大。優(yōu)點是工作范圍大，動作靈活，通用性強，能抓 取靠近基座的物體，但是運動直觀性差。其實是多關節(jié)機器人的一種特定的形式。因為在范圍內(nèi)移動物體這一原則本來就是工業(yè)領域設計機械臂的初衷。 5， 考慮到拆彈過程中可能會遇到在箱子中或者是在汽車底下的爆炸物，繞過障礙與路徑這一特點 會使拆彈工作非 常方便 。操作特點是操作力大，體積小，動作平穩(wěn)，耐沖擊，耐振動。 b氣壓式 與液壓式原理相同，由氣缸，氣閥，空氣壓縮機組成。其中，速度不宜控制，動作不平穩(wěn)， 有沖擊對于精密危險的拆彈工作來說是完全不可取的，如采用氣壓式機械臂的話將很容易發(fā)生事故。缺點是，伺服電機需要安裝在機械臂內(nèi)部，所以機械臂的尺寸較 大。因此液壓氣壓式的機械臂在這里被排除。 3 結構設計 今天，三維設計已經(jīng)成為工業(yè)設計的主流，為了更好的完成對履帶機器人的結構設計，我全程使用 PROE 作為三維設計工具，對履帶機器人所有的零部件進行建模和設計。 圖 31 履帶機器人的底盤 Figure 31 Tracked Robot chassis 底盤框架 考慮到以上的極端情況所以需要高強度的底盤，這里排除了鑄造底盤，因為鑄造部件過于沉重，而且單位質量提供的強度也不是很高，戰(zhàn)時更換性也不強，所以采用了框架式底盤，在設計中也盡力做到最簡單。第二，在其上鉆孔會造成應力集中大大降低底盤的強度，所以利用的方管的截面設計了一個框架的插件，因為需要較高的精度所以需要使用數(shù)控加工中心進行加工。 采用 3mm 鋼板切割而成，受力部 件使用 5mm 鋼板。 圖 38 副軸 Figure 38 Countershaft 軸帽 主要功能是在軸的兩端將其間的部件夾緊，同時對于主軸來說還負責將動力傳遞至前輪架的功能 。而被譽為“ 超鋼 ” 的聚甲醛 ， 有著 優(yōu)越的機械性能和化學性能，可用作許多金屬和非金屬材料所不能勝任的材料， 可 用作各種精密度高的小模數(shù)齒輪、幾何面復雜的儀表精密件、自來水龍頭及爆氣管道閥門 等，用在這里非常合適。為了減輕重量支撐輪采用的材質也是 聚甲醛 ，內(nèi)部軸承采用了 61800 深溝球軸承，內(nèi)徑 10mm 外徑 19mm 厚 5mm。履帶外側設有明輪片，可以在松軟的地面上產(chǎn)生更強的抓地力。 圖 321 蝸桿減速器 Figure 321 Worm Reducer 動力模塊框架 將以上幾個部件結合起來的框架，承受扭矩的地方使用 5mm 的 35鋼板，其他地方使用 3mm 鋼板，依附底盤的位置或者不承擔扭矩的地方進行了挖空處理，以減輕重量。在經(jīng)過行星減速后連接到蝸桿，然后傳動到主軸。通過平行四邊形的框架結構使兩個爪塊可以平行移動將爆炸物抓緊，爪端可根據(jù)不同的任務更換橡膠片，橡膠釘或者其他符合爆炸物形狀的預制配件。大體上分為前臂，中臂，后臂，底座四個部分。提供兩個方向的足夠的支撐。 圖 330 腕關節(jié)軸承部件的分解視圖 Figure 330 Wrist bearing ponent of the deposition of View 中臂 中臂較長，提供足夠的操作范圍，因為傳遞的扭矩較大所以使用了較大的57 步進電機，作為過渡階段，許多配件與前臂后臂是通用的。 上端的開口時為了安裝前臂而設置的，否則前臂軸無法裝入，裝入后由螺栓固定。 圖 339 機械臂框架 Figure 339 Arm frame 底座 負責承擔全部的壓力和扭矩，所以采用較厚的 5mm35鋼板焊接而成，為了在垂直方向有足夠的支撐力，采用了推力軸承。 作為軍用機器人，對傳感器的要求非常高。 2，穩(wěn)定性好，可靠性高。機器人傳感器的工作環(huán)境往往比較惡劣，機器人傳感器應該能夠承受，當有強電磁干擾，強震動，并能在一定的高溫、高壓、高污染環(huán)境下工作。對于工作空間受到某種限制的機器人，體積和安裝方向的要求也是必不可少的。在機械臂的前端安裝一個清晰度較高的攝像頭，跟隨機械 臂前臂的動作來精準的觀察機械手附近的狀態(tài)。這些設備無論是采用民用還是軍用，都有著很好 的性能。 d遙控設備，雖然軍方有完備的系統(tǒng)，但是民用機器人大賽里也有很完備的系統(tǒng)。兩塊這樣的電路板正好可以驅動履帶機器人全部的 8個步進電機。 表 41 四軸數(shù)控車床步進電機驅動模塊的性能參數(shù) Table 41 Fouraxis CNC lathe stepper motor drive module performance parameters 輸入電源 12 36V直流電源供電 輸出電流 3A(峰值 ) 驅動電機 42,57,86 步進電機 (4 線 6 線 8 線步進電機 ) 重量 300g 使用溫度 0℃ 50℃ 最大震動 遠程遙控與傳感器系統(tǒng) 履帶機器人有多組傳感器，有包含多路步進電機的控制，需要復雜的控制系統(tǒng)。需要在履帶機器人內(nèi)安裝微型 PC系統(tǒng)。 5 履帶機器人的動力部件 除了結構部件以外，有許多難以加工的部件比如電氣類和遙控類部件等，仍然需要向供貨商購買。 電動馬達 主動力采用 86mm 直徑 48V 的無刷永磁直流馬達。但是在相同的功率下48V的馬達更短，更輕，效率更高，發(fā)熱更小，綜合以上多個優(yōu)點，最終還是選擇了 48V 馬達