【正文】 設(shè)計(jì)）版權(quán)使用授權(quán)書 本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。與我一同工作的同 志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日 履帶機(jī)器人 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模 摘 要 機(jī)器人 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，尤其是反恐戰(zhàn)爭(zhēng)中 有著不可替代的地位，無論是作為拆彈機(jī)器人，偵查機(jī)器人還是戰(zhàn)斗機(jī)器人，都能極大的簡(jiǎn)化任務(wù)過程 ，減少人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮到了機(jī)器人的功能性，機(jī)構(gòu)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析 .................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 傳動(dòng)方式的綜合對(duì)比 ...........................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 2 機(jī)械臂的坐標(biāo)變換與運(yùn)動(dòng)分析 ............ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 幾種機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)方式的對(duì)比 .....................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ............................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 輪軸模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 主承重輪 .....................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 動(dòng)力模塊的設(shè)計(jì) ...................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 機(jī)械爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 后臂 .........................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 .................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 馬達(dá)驅(qū)動(dòng) ........................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 底盤特性 ........................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 7 總結(jié) ................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。這兩種屬于便攜式履帶機(jī)器人 ,它們應(yīng)用在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)和阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中 ,取得了巨大的成功。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)載能力高使之能裝載許多設(shè)備與武器。目前在各國的警察部隊(duì)中，拆彈機(jī)器人已經(jīng)成為反恐作戰(zhàn)的必備裝備。以上這些優(yōu)點(diǎn)使拆彈機(jī)器人成為了一個(gè)很好的機(jī)器人平臺(tái)，可以通過更換功能插件而產(chǎn)生系列產(chǎn)品，如偵查機(jī)器人，搜救機(jī)器人，戰(zhàn)斗機(jī)器人等。起步早但是發(fā)展緩慢的機(jī)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(jìn)電機(jī)與控制模塊等需要由專業(yè)廠商提供的部件，全部先進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查，確定市面上有銷售并且價(jià)格合理后才予以采用。找出最適合拆彈任務(wù)的組合。經(jīng)過合理設(shè)計(jì)的四沖程汽油引擎可以相應(yīng)的降低震動(dòng)。 1， 不會(huì)熄火，這個(gè)在緊急狀態(tài)下絕不允許發(fā)生，雖然可以在機(jī)器人內(nèi)部設(shè)置啟動(dòng)電機(jī)，但是這在這種小型機(jī)器人中實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)?shù)穆闊? 3， 安靜，震動(dòng)小，對(duì)于拆彈任務(wù)來說，震動(dòng)會(huì)沿著機(jī)械臂傳導(dǎo)至爆炸物，可能會(huì)引爆爆炸物，或激發(fā)爆炸物的起爆裝置，這會(huì)導(dǎo)致災(zāi) 難性的后果。對(duì)于這種慢速的履帶 設(shè)備來說，強(qiáng)大的正壓力只能提供更高的推進(jìn)力。 綜上所述，相對(duì)于活塞引擎來說，電動(dòng)馬達(dá)在各項(xiàng)指標(biāo)中都有所勝出。雖然和活 塞式引擎相比，電動(dòng)馬達(dá)可以在更廣的轉(zhuǎn)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(dòng)馬達(dá)在低轉(zhuǎn)速大扭矩下運(yùn)轉(zhuǎn)效率非常低，也就是說會(huì)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(yùn)動(dòng)，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(jī)油等）。因?yàn)樗袃蓚€(gè)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(dòng)： 同步帶也被稱作齒帶。這使所有與同步帶連接的導(dǎo)輪能以相同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)。 e 變速箱傳動(dòng)： 變速箱是緊湊的連接馬達(dá)和輪子的方法。變速箱必須由精確設(shè)計(jì)的零件組成。下面針對(duì)以上各種傳動(dòng)方法進(jìn)行比對(duì)。 2，機(jī)器人面對(duì)的是危險(xiǎn)的爆炸物，或者是危險(xiǎn)的戰(zhàn)斗場(chǎng)合。有些傳遞方式需要繃緊力，這樣會(huì)對(duì)馬達(dá)輸出軸和動(dòng)力模塊的軸承產(chǎn)生更多的負(fù)載。 考慮到履帶機(jī)器人對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的需求，使用如下的傳動(dòng)方式，在電動(dòng)馬達(dá)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(dòng)角度，然后通過鏈條傳動(dòng)將扭矩傳遞到主輪。從技術(shù)上講鉛酸蓄電池是一種電池組。如果存儲(chǔ)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(guān)性很高，對(duì)于一個(gè) 12V 電池，電池的電壓會(huì)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(shí)候該更換電池或者進(jìn)行充電。所以大部分的鉛酸蓄電池不能快速充電，否則會(huì)有內(nèi)部壓力過大的危險(xiǎn)。 b鎳鎘電池 (NiCad) 鎳鎘電池是一個(gè)很成熟的技術(shù)，而且他的價(jià)格和性能仍然在不斷的改進(jìn)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(chǔ)的 時(shí)候，每天會(huì)損失 1%的能量。 2，鎳鎘電池需要高度的保養(yǎng)，檢測(cè)，充電，在低溫下存儲(chǔ)以延長使用壽命。目前市面上的 5 號(hào)或者 7 號(hào)充電電池基本上都是鎳氫電池。這使它能任務(wù)中全功率輸出。 以下是 NiMH 電池的缺點(diǎn)： 1，成本較高，一般作為隨身設(shè)備的小型電源，而不是這種大功率的場(chǎng)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(huì)在兩年后大大下降。 3，壽命，拆彈工作與反恐任務(wù)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(chǔ)壽命，而且需要在短時(shí)間內(nèi)迅速出動(dòng)，所以鎳鎘電池等雖然存儲(chǔ)壽命長，但是需要在空電狀態(tài)存儲(chǔ)下這一屬性便不適用于隨時(shí)可能發(fā)生的拆彈任務(wù)，優(yōu)先排除。但是相對(duì)較低的使用成本也意味著可以同時(shí)裝備較多的機(jī)器人。 2 機(jī)械臂的坐標(biāo)變換與運(yùn)動(dòng)分析 齊次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換 機(jī)械臂作為履帶機(jī)器人的重要組成部分，其運(yùn)動(dòng)方程決定了以后的計(jì)算分析等工作，而對(duì)于機(jī)械臂的控制來說，坐標(biāo)計(jì)算公式更是至關(guān)重要，以下是對(duì)多自由度機(jī)械臂的自由度坐標(biāo)換算方法。原來的矢量則必須用齊次坐標(biāo)系表示。我們把構(gòu)件坐標(biāo)系嵌入機(jī)器的每一個(gè)連桿中，便可以用齊次坐標(biāo)來描述這些坐標(biāo)系之間相對(duì)位置和方向。 在 OUVW 坐標(biāo)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(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)變換矩陣稱為基本變換矩陣。 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)形式選擇 機(jī)械手產(chǎn)生的時(shí)間非常早，早在 20 世紀(jì)初期，隨著機(jī)床汽車制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)械手也隨之產(chǎn)生了，世界上第一個(gè)機(jī)械手是美國福特公司在 1913 年在汽車零件加工自動(dòng)線采用的，當(dāng)時(shí)為了解決自動(dòng)機(jī)上下料與工件的傳送問題。因此有人將這類操作機(jī)器人稱為遙控操作機(jī)，操縱機(jī)器人。優(yōu)點(diǎn)是占地小，活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，能達(dá)到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，運(yùn)動(dòng)直觀性較強(qiáng)。 這種機(jī)械臂由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)與兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成，由一個(gè)伸縮一個(gè)俯仰機(jī)構(gòu)組成。 c直角坐標(biāo)系型 這種機(jī)械臂由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組成，沿 xyz 軸三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)組成。同時(shí)方程又是線性的，因此對(duì)這類機(jī)器人進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制很簡(jiǎn)單；它可以兩端支撐，因此對(duì)于給定的結(jié)構(gòu)長度，其剛性最大。優(yōu)點(diǎn)是工作范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，能抓 取靠近基座的物體，但是運(yùn)動(dòng)直觀性差。其實(shí)是多關(guān)節(jié)機(jī)器人的一種特定的形式。因?yàn)樵诜秶鷥?nèi)移動(dòng)物體這一原則本來就是工業(yè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)機(jī)械臂的初衷。 5， 考慮到拆彈過程中可能會(huì)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(diǎn) 會(huì)使拆彈工作非 常方便 。操作特點(diǎn)是操作力大，體積小，動(dòng)作平穩(wěn)，耐沖擊，耐振動(dòng)。 b氣壓式 與液壓式原理相同，由氣缸，氣閥，空氣壓縮機(jī)組成。其中，速度不宜控制，動(dòng)作不平穩(wěn)， 有沖擊對(duì)于精密危險(xiǎn)的拆彈工作來說是完全不可取的，如采用氣壓式機(jī)械臂的話將很容易發(fā)生事故。缺點(diǎn)是，伺服電機(jī)需要安裝在機(jī)械臂內(nèi)部，所以機(jī)械臂的尺寸較 大。因此液壓氣壓式的機(jī)械臂在這里被排除。 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 今天，三維設(shè)計(jì)已經(jīng)成為工業(yè)設(shè)計(jì)的主流，為了更好的完成對(duì)履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我全程使用 PROE 作為三維設(shè)計(jì)工具，對(duì)履帶機(jī)器人所有的零部件進(jìn)行建模和設(shè)計(jì)。 圖 31 履帶機(jī)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(qiáng)度的底盤，這里排除了鑄造底盤，因?yàn)殍T造部件過于沉重，而且單位質(zhì)量提供的強(qiáng)度也不是很高，戰(zhàn)時(shí)更換性也不強(qiáng)，所以采用了框架式底盤，在設(shè)計(jì)中也盡力做到最簡(jiǎn)單。第二，在其上鉆孔會(huì)造成應(yīng)力集中大大降低底盤的強(qiáng)度，所以利用的方管的截面設(shè)計(jì)了一個(gè)框架的插件，因?yàn)樾枰^高的精度所以需要使用數(shù)控加工中心進(jìn)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(shí)對(duì)于主軸來說還負(fù)責(zé)將動(dòng)力傳遞至前輪架的功能 。而被譽(yù)為“ 超鋼 ” 的聚甲醛 ， 有著 優(yōu)越的機(jī)械性能和化學(xué)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(fù)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(zhì)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(cè)設(shè)有明輪片，可以在松軟的地面上產(chǎn)生更強(qiáng)的抓地力。 圖 321 蝸桿減速器 Figure 321 Worm Reducer 動(dòng)力模塊框架 將以上幾個(gè)部件結(jié)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(dān)扭矩的地方進(jìn)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(dòng)到主軸。通過平行四邊形的框架結(jié)構(gòu)使兩個(gè)爪塊可以平行移動(dòng)將爆炸物抓緊，爪端可根據(jù)不同的任務(wù)更換橡膠片，橡膠釘或者其他符合爆炸物形狀的預(yù)制配件。大體上分為前臂，中臂，后臂，底座四個(gè)部分。提供兩個(gè)方向的足夠的支撐。 圖 330 腕關(guān)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?yàn)閭鬟f的扭矩較大所以使用了較大的57 步進(jìn)電機(jī)，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(shí)為了安裝前臂而設(shè)置的，否則前臂軸無法裝入，裝入后由螺栓固定。 圖 339 機(jī)械臂框架 Figure 339 Arm frame 底座 負(fù)責(zé)承擔(dān)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(jī)器人，對(duì)傳感器的要求非常高。 2，穩(wěn)定性好，可靠性高。機(jī)器人傳感器的工作環(huán)境往往比較惡劣，機(jī)器人傳感器應(yīng)該能夠承受，當(dāng)有強(qiáng)電磁干擾，強(qiáng)震動(dòng)，并能在一定的高溫、高壓、高污染環(huán)境下工作。對(duì)于工作空間受到某種限制的機(jī)器人，體積和安裝方向的要求也是必不可少的。在機(jī)械臂的前端安裝一個(gè)清晰度較高的攝像頭，跟隨機(jī)械 臂前臂的動(dòng)作來精準(zhǔn)的觀察機(jī)械手附近的狀態(tài)。這些設(shè)備無論是采用民用還是軍用，都有著很好 的性能。 d遙控設(shè)備，雖然軍方有完備的系統(tǒng)，但是民用機(jī)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(qū)動(dòng)履帶機(jī)器人全部的 8個(gè)步進(jìn)電機(jī)。 表 41 四軸數(shù)控車床步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)電機(jī) 42,57,86 步進(jìn)電機(jī) (4 線 6 線 8 線步進(jìn)電機(jī) ) 重量 300g 使用溫度 0℃ 50℃ 最大震動(dòng) 遠(yuǎn)程遙控與傳感器系統(tǒng) 履帶機(jī)器人有多組傳感器，有包含多路步進(jìn)電機(jī)的控制，需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。需要在履帶機(jī)器人內(nèi)安裝微型 PC系統(tǒng)。 5 履帶機(jī)器人的動(dòng)力部件 除了結(jié)構(gòu)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(dòng)馬達(dá) 主動(dòng)力采用 86mm 直徑 48V 的無刷永磁直流馬達(dá)。但是在相同的功率下48V的馬達(dá)更短，更輕，效率更高，發(fā)熱更小，綜合以上多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，最終還是選擇了 48V 馬達(dá)