【正文】 坐標(biāo)系的相對(duì)位置和相對(duì)方向坐標(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。在OXYZ坐標(biāo)系中向量P記為即 我們希望找出旋轉(zhuǎn)變換矩陣，以使的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為的坐標(biāo)，既存在實(shí)際上，OUVW按一定的關(guān)系繞OXYZ轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，固定于OUVW的向量隨OUVW一齊轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)OUVW與OUVW重合時(shí)，與重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系由描述。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)= Rot(y, θ)= Rot(z, θ)= 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(duì)于起點(diǎn)的位移。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。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[8]。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(jiǎn)單。其運(yùn)動(dòng)范圍的圖形為一個(gè)球體。運(yùn)動(dòng)范圍的圖形為立方體。他的精度和位置分辨率不隨工作場(chǎng)合而變化，容易達(dá)到高精度。機(jī)械臂末端由多個(gè)回轉(zhuǎn)角確定，定位精度不高。一般有4個(gè)自由度。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。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。缺點(diǎn)是漏油對(duì)系統(tǒng)工作性能影響很大，成本高。特點(diǎn)是氣源方便，維修簡(jiǎn)單，速度高，成本低，防火防爆，漏氣對(duì)設(shè)備影響不大。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(duì)于簡(jiǎn)單的機(jī)械臂來說非常合適，但是對(duì)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)。相對(duì)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。響應(yīng)速度對(duì)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(duì)拆彈工作還是有一定的影響的。 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(tái)，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。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(duì)較容易焊接[9]。 底盤框架部件 支撐輪底盤底盤電動(dòng)機(jī)與蓄電池的重量較大。 支撐輪底盤 支撐輪底盤與步進(jìn)電機(jī)模塊 支撐輪輪架的安裝位置 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。 軸帽 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。 輔輪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。 支撐輪 支撐輪的安裝方法 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(duì)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)。 履帶 動(dòng)力模塊的設(shè)計(jì)動(dòng)力部分包含兩個(gè)86無(wú)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。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。 輔助動(dòng)力模塊框架，主要受力部分使用5mm鋼板，為了方便安裝和固定，與底盤相接的地方設(shè)置了彎角，安裝的時(shí)候便于固定。 機(jī)械爪 機(jī)械爪的分解視圖因?yàn)榱慵。倏紤]到機(jī)械爪不是一個(gè)經(jīng)常運(yùn)轉(zhuǎn)的部件，所以并沒有安裝軸承，這要求機(jī)械爪在運(yùn)作的時(shí)候需要進(jìn)行充分的潤(rùn)滑，否則運(yùn)行阻力會(huì)過大，并且造成磨損[13]。 前臂包含機(jī)械手和兩個(gè)自由度的控制，因?yàn)樵谡麄€(gè)機(jī)械臂的末端，所以采用了重量較輕的42步進(jìn)電機(jī)?？梢詰?yīng)付較大的載荷。中臂也是改裝成偵查臂與戰(zhàn)斗臂的基礎(chǔ)。 后臂 后臂 后臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 后臂支撐架配件與中臂基本相同，唯一不同的是尾部，因?yàn)樵谛羞M(jìn)過程中，整個(gè)機(jī)械臂會(huì)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。 機(jī)械臂底座 機(jī)械臂底座框架結(jié)構(gòu) 機(jī)械臂底座在底盤的安裝位置 機(jī)械臂底座軸承部件的分解視圖，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。精度高，重復(fù)性好。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(zhǎng)期穩(wěn)定的可靠工作的必要條件。作為拆彈機(jī)器人不但要克服自身各種電動(dòng)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?？紤]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。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(jì)的時(shí)候考慮到風(fēng)吹日曬的因素，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，種類型號(hào)繁多，可以很好的適應(yīng)這一工作。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(huì)使爆炸物的外殼變形而壓迫內(nèi)部的危險(xiǎn)物品。所以我采用了國(guó)內(nèi)機(jī)器人競(jìng)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(duì)較低。盡管這是體積縮小的優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是兩塊步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)板面積仍然非常大，并且主控芯片對(duì)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。在國(guó)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(gè)單片機(jī)，配備大量傳感器與步進(jìn)電機(jī)控制板，缺點(diǎn)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。因?yàn)镻C有著強(qiáng)大的計(jì)算能力所以可以方便的解決控制問題，與自主偵查等。這其中種類與型號(hào)繁多。和普通馬達(dá)相反，無(wú)刷馬達(dá)的線圈是固定的而磁體是旋轉(zhuǎn)的。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(huì)大大提升。但是通過調(diào)查，市面上的稀有金屬馬達(dá)的售價(jià)過高，所以履帶機(jī)器人并沒有采用這種稀有金屬磁體馬達(dá)。主動(dòng)輪半徑為150mm，根據(jù)扭矩公式： （52）則在主輪與履帶之間最大可產(chǎn)生的推力為： 兩套86無(wú)刷馬達(dá)經(jīng)傳動(dòng)后可以使主輪產(chǎn)生1400N的推力。將信號(hào)以每秒數(shù)千次的頻率發(fā)送到一個(gè)特殊的控制器，并在每次線圈變換位置的時(shí)候激發(fā)它。DBLS01為閉環(huán)速度型控制器，采用IGBT和MOS功率器，利用直流無(wú)刷電機(jī)的霍爾信號(hào)進(jìn)行倍頻后進(jìn)行閉環(huán)速度控制，控制環(huán)節(jié)設(shè)有PID速度調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)控制穩(wěn)定可靠，尤其是在低速下總能達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，速度控制范圍1506000rpm。 DBLS01馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器 DBLS01馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的性能參數(shù)型號(hào)DBLS01標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓48VDC最大輸入過載保護(hù)電流5A/15A加速時(shí)間常數(shù) 步進(jìn)電機(jī)為了產(chǎn)生足夠的扭矩，同時(shí)又要將其容納在局促的機(jī)械臂中，履帶機(jī)器人采用了兩種步進(jìn)電機(jī)，機(jī)械爪的張合與前臂旋轉(zhuǎn)與俯仰使用的是工業(yè)上常用的42步進(jìn)電機(jī)，它們被大量的應(yīng)用在數(shù)控車床上，有著成熟的技術(shù)配套設(shè)備與軟件。在機(jī)械爪中，經(jīng)過減速比為30的蝸桿減速后。則，臂端在水平狀態(tài)下可承受的拉力為： 即在水平狀態(tài)下前臂步進(jìn)電機(jī)可使前臂抬起50kg以上的重物，完全能移除一般爆炸物。當(dāng)機(jī)械臂完全展開并且平行于地面的時(shí)候，后臂末端的步進(jìn)電機(jī)承受的扭矩最大。四塊鉛酸蓄電池中，兩塊安裝在底盤框架中部，兩塊外掛在下底盤模塊的外側(cè)。普通的鉛酸蓄電池便可以滿足[17]。為了有更好的地形通過性，履帶機(jī)器人采用了主履帶加輔助履帶的模式。而兩組尺寸相同的履帶可以使機(jī)器人在必要的時(shí)候立起來。當(dāng)機(jī)械臂抓取爆炸物的時(shí)候，整體的中心會(huì)因?yàn)榍吧斓臋C(jī)械臂和爆炸物改變，這是如果將前輪架展開支撐好，則可以防止機(jī)器人翻倒。轉(zhuǎn)向更靈活，在戰(zhàn)斗模式下的突擊工作中會(huì)得心應(yīng)手。七個(gè)自由度的機(jī)械手可以很好的完成這一工作，在移除爆炸物的偽裝后通過攝像頭對(duì)爆炸物進(jìn)行近距離的觀察，判斷爆炸物類型與起爆方式，遙控方式等?？梢娫谳^簡(jiǎn)單的情況下，排爆機(jī)器人可以完成大部分的拆彈工作，只有在某些特殊的情況下才需要進(jìn)行人工排爆，而實(shí)際反恐戰(zhàn)爭(zhēng)中，高科技大型炸彈不是很多，大部分是土法制造的小型炸彈，拆彈機(jī)器人的引入可以大大的降低風(fēng)險(xiǎn)。以提高行進(jìn)速度。 偵查插件既然作為偵查機(jī)器人，內(nèi)部的光學(xué)儀器必須全面，偵查插件配備如下白光攝像頭，一個(gè)大口徑的高倍數(shù)白光攝像頭，便于遠(yuǎn)距離觀察，或者對(duì)情況進(jìn)行全景掃描。而且在完全沒有光的山洞和地下室內(nèi)，微光夜視儀會(huì)無(wú)法工作，紅外夜視儀成為了微光夜視儀很好的補(bǔ)充。機(jī)器人很難自主完成更換彈夾工作，使用彈鏈供彈的輕機(jī)槍是戰(zhàn)斗機(jī)器人的首選，但是輕機(jī)槍的部件更多更難畫，而且長(zhǎng)度過大，重量也比較驚人。動(dòng)力模塊的減速比與電池模塊的配置與拆彈狀態(tài)相同。通過對(duì)履帶機(jī)器人的使用情況與需求，在市面上選擇了合適的電器部件。參考文獻(xiàn)[1] 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