【正文】 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。 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 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 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(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。 圖 324 輔助動(dòng)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。 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)。中臂也是改裝成偵查臂與戰(zhàn)斗臂的基礎(chǔ)。 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。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。 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。 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(guò)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。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。因?yàn)?PC有著強(qiáng)大的計(jì)算能力所以可以方便的解決控制問(wèn)題，與自主偵查等。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。而且不管多高的電壓和高熱他都不會(huì)退磁。以下是所選部件的型號(hào)與詳細(xì)參數(shù)。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(guò) 3G網(wǎng)絡(luò)可以在有手機(jī)信號(hào)的任意范圍內(nèi)操作機(jī)器人，在沒(méi)有 3G 信號(hào)的地方可以通過(guò)計(jì)算機(jī)無(wú)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(hào)。 12 36V 直流電源供電，輸出電流 3A，可驅(qū)動(dòng) 42,57,86 步進(jìn)電機(jī)。為了滿足偵查的需求，激光測(cè)距儀也需要被裝備。對(duì)于安裝在機(jī)器人手臂等運(yùn)動(dòng)部 件上的傳感器，重量要輕，否則會(huì)加大運(yùn)動(dòng)部件的慣性，影響機(jī)器人的工作性能。尤其是危險(xiǎn)的拆彈工作與戰(zhàn)斗工作，任何誤差都會(huì)導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失甚至人員傷亡，機(jī)器人是否能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的正常工作取決于傳感器的測(cè)量精度。 框架 整體采用的仍然是不銹鋼的方管，因?yàn)槠鞑呐c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(zhǎng)或縮短桿的長(zhǎng)度，或者使用圓管等。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(duì)機(jī)械臂產(chǎn)生足夠的支持力。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(jí)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。 輔動(dòng)力模塊 控制前輪 架 俯仰的動(dòng)力來(lái)源，使用的與機(jī)械臂相同的 57 步進(jìn)電機(jī)。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。輪子的材質(zhì)使使用聚甲醛，因?yàn)槿绱舜蟮捏w積如果使用金屬材料的話重量會(huì)非常的巨大。同時(shí)，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(dòng)模塊與兩塊蓄電池的安裝架。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(guò)拆彈機(jī)器人改造的戰(zhàn)斗機(jī)器人或者偵測(cè)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(zhēng)環(huán)境下快速更換。 2，輔助設(shè)備對(duì)拆彈機(jī)器人來(lái)說(shuō)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(gè)移動(dòng)平臺(tái)，履帶機(jī)器人能隨時(shí)提供的只有電壓與電流，如果安裝液壓或氣壓源的話，對(duì)整體設(shè)置來(lái)說(shuō)難以實(shí)現(xiàn)。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(dòng)設(shè)備隨時(shí)攜帶。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含油缸， 電磁閥，油泵，油箱。這幾種機(jī)械臂的的操作范圍都可以滿足這一需求。 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(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，由多個(gè)臂組成，機(jī)械形式和人的肘關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)類似。但是他的坐標(biāo)復(fù)雜，較難控制；其直線驅(qū)動(dòng)裝置仍存在密封和工作死區(qū)問(wèn)題。 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 a圓柱坐標(biāo)系 這種運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)器臂均具有回轉(zhuǎn)，伸縮，與升降三個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)范圍為一個(gè)圓柱體。這樣便可以得出機(jī)械臂終點(diǎn)的坐標(biāo)，雖然拆彈機(jī)械臂基本是由人控制，但是對(duì)復(fù)雜的環(huán)境或者遮蔽物的環(huán)境下也需要計(jì)算機(jī)輔助來(lái)控制機(jī)械臂的位置。空間中一點(diǎn) P 的位置可用向量 P表示。每一個(gè)矩陣可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)作用：旋轉(zhuǎn)和平移。 4，維護(hù)難度， 考慮未來(lái)的用途，維護(hù)難度并不是主要的問(wèn)題，作為重要的軍事 裝備會(huì)有專人進(jìn)行維護(hù)。C 下僅為兩年。當(dāng)充滿電的時(shí)候， NiMH 電池會(huì)在 5 天內(nèi)自放電為原來(lái) 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。 2，直到完全放電前，電壓會(huì)一直保持穩(wěn)定。最好每 20 次充放電循環(huán)進(jìn)行一次深度放電。在良好的儲(chǔ)存和保養(yǎng)下，鎳鎘電池可以完成 1000 次充電循環(huán)。 3，內(nèi)部有大量液體，所以在高溫或者是高功率工作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生氣體，需要安裝排氣孔。 2，壽命長(zhǎng)，可以在 300 次充放電循環(huán)后可能仍然有 80%的容量。這將大大的影響成本，在對(duì)成本不敏感而對(duì)精度要求較高的情況下可以忽略。但是如果使用先進(jìn)的電動(dòng)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(dòng)馬達(dá)不被燒毀。變速箱中 是齒輪，軸，軸承，潤(rùn)滑油，和其他剛性配件。同步帶的導(dǎo)輪上有牙槽。 V 型傳動(dòng)帶是最普遍的傳動(dòng)帶。一般使用在一個(gè)大型馬達(dá)帶動(dòng)許多不同的機(jī)械機(jī)構(gòu)。通過(guò)前面的章節(jié)，我們已經(jīng)選擇電動(dòng)馬達(dá)作為履帶機(jī)器人的主要?jiǎng)恿Α? 5， 雖然電動(dòng)機(jī)加上蓄電池的重量可能非常大，這樣會(huì)導(dǎo)致在爬樓梯和上坡中會(huì)比較費(fèi)力，但是對(duì)于履帶式機(jī)器人來(lái)說(shuō)根本沒(méi)有問(wèn)題，首先作為拆彈機(jī)器人，并不需要高速的移動(dòng)到爆炸物旁邊，反而需要慢慢的靠近，通過(guò)蝸桿減速和鏈條減速的馬達(dá)可以輸出足夠的扭矩解決阻力與重量過(guò)大這一問(wèn)題。 另外，相對(duì)于活塞式引擎，電動(dòng)馬達(dá)有如下優(yōu)點(diǎn)。這一章便是對(duì)各種機(jī)器人工作模式之間進(jìn)行對(duì)比與選擇。在論文的準(zhǔn)備階段中我了解到“通用機(jī)械”這一概念，機(jī)械的通用性的好壞不僅決定 了這一個(gè)設(shè)備的加工難度，而且能決定這一領(lǐng)域的發(fā)展速度。 以上三種軍用機(jī)器人中，拆彈機(jī)器人使用的最為廣泛。 比較有影響的是美國(guó)的 Packbot 機(jī)器人和 Talon 機(jī)器人 。 6 履帶機(jī)器人的功能與擴(kuò)展 ............... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 傳感器 .............................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 輔動(dòng)力模塊 ...................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 軸承部件 .....................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)比與選擇 ...................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 幾種充電電池的綜合對(duì)比 .......................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 目 錄 前言 ................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 在后續(xù)的章節(jié)中對(duì)機(jī)器人的各個(gè)部分進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （論 文） 題 目 __________________________________ __________________________________ 履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠(chéng)信聲明 本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨(dú)立完成，真實(shí)可靠，不包含他人成果及已獲得 或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書使用過(guò)的材料。 論文中先 用 了 大量的的篇幅進(jìn)行理論的論證與各種結(jié)構(gòu)模式的選擇， 進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比后， 找到最合適的設(shè)計(jì)方案。 fighting robot。 常見(jiàn)的可充電電池 .............................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 幾種機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)方式 .........................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 軸帽 .........................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 動(dòng)力模塊框架 .................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 4 履帶機(jī)器人的控制與傳感器 .............. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 鉛酸蓄電池 ......................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。從上世紀(jì)八十年代開(kāi)始，歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始對(duì)各種機(jī)器人進(jìn)行系統(tǒng)的研究，隨著科技的進(jìn)步和時(shí)間的推移，取得了大量的研究成果。各國(guó)目前現(xiàn)役的的拆彈機(jī)器人，偵查機(jī)器人與戰(zhàn)斗機(jī)器人均已履帶機(jī)器人為基礎(chǔ)。 設(shè)計(jì)機(jī)器人是一個(gè)龐大大工程，一個(gè)優(yōu)良的設(shè)計(jì)不僅僅是優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)理論數(shù)據(jù)與華麗的外觀，便于生產(chǎn)和控制加工成本也是成功的關(guān)鍵，這是設(shè)計(jì)能否走出圖紙成為成品的決定性因素。 1 履帶機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析 驅(qū)動(dòng)模式的選擇 機(jī)器人的種類有許多種，要設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人必須先選擇合適的動(dòng) 力，能源，運(yùn)動(dòng)模式，傳動(dòng)模式等。因此，這里為了單位質(zhì)量的功率而使用汽油引 擎是得不償失的。 4， 運(yùn)行起來(lái)不需要新鮮空氣，這對(duì)于在比如集裝箱，室內(nèi)這樣的狹窄空間中的拆彈任務(wù)極為重要，否則會(huì)使機(jī)器人無(wú)法工作。 動(dòng)力傳動(dòng)模式的選擇 將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速可靠精準(zhǔn)的傳遞到輪子也是非常重要的。 b平帶傳動(dòng)： 平帶傳動(dòng)被廣泛使用在高速，小直徑，低噪音的場(chǎng)合。 c V 型帶傳動(dòng)： V 型傳動(dòng)帶的截面很像梯形，導(dǎo)輪的截面也有一個(gè) V 型的口。同步帶在安裝上與平帶 類似，是平帶傳動(dòng)的另一種注重精準(zhǔn)性的改進(jìn)型。一般機(jī)器人上使用的都是減速馬達(dá)，也就是一個(gè)減速箱和一個(gè)電動(dòng)馬達(dá)的結(jié)合體。但是如果機(jī)器人在行進(jìn)中遇到不可翻越的障礙物的話，電動(dòng)馬達(dá)便會(huì)卡死，產(chǎn)生非常大的熱量，這很有可能瞬間燒毀電動(dòng)馬達(dá)，平帶與 V型帶會(huì)在卡死后產(chǎn)生相對(duì)的滑動(dòng)以減少熱量的產(chǎn)生。 4，加工難度與成本，變速箱與同步帶都需要較高的成本，變速箱需要大量的鉆孔與車銑加工，同步帶需要高強(qiáng)度的復(fù)合材料和精度。以下幾點(diǎn)是它的優(yōu)點(diǎn)： 1，價(jià)格最便宜，成本低。 2，如 前文所說(shuō)，隨著電量的下降，電壓也會(huì)隨之下降，因此產(chǎn)生的能量會(huì)隨之下降。雖然購(gòu)買鎳鎘電池的成本沒(méi)有鉛酸蓄電池那么低，但是在長(zhǎng)時(shí)間使用的情況下，如果保養(yǎng)得當(dāng)，鎳鎘電池最終會(huì)更省錢，甚至比鉛酸蓄電池還要便宜。需要偶爾通過(guò)深度放電使電壓降低到 80%來(lái)保證電池內(nèi)阻維持在一個(gè)較低水平上。在良好的保養(yǎng)和存儲(chǔ)下，NiMH 電池可以完成 500 多次充放電循環(huán)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，這一數(shù)值在不斷的被刷新中。 3， 當(dāng)存儲(chǔ)在 25o C 的環(huán)境下， NiMH 電池每天會(huì)損失 5%的電量。另一個(gè)缺點(diǎn)是，鋰離子電池的框架壽命在 25176。而用來(lái)應(yīng)付長(zhǎng)時(shí)間工作的鎳氫電池包的較高放電率便顯得比較不利。 D－ H 矩陣是一個(gè)４ X４矩陣，它把一個(gè)矢量從一個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一個(gè)坐標(biāo)系。 令 Ix,Jy,Kz和 Iu,Jv,Kw分別為 OX、 OY、 OZ 軸和沿 OU、 OV、 OW 軸的單位向量。但是有矩陣乘法可知，我們必須按照關(guān)節(jié)的次序一次相乘，因?yàn)榫仃嚨某?法是有