【正文】 次序的。 機(jī)械手種類(lèi)繁多，在不同的操作方式，動(dòng)力來(lái)源，坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，自由度搭配中又有無(wú)數(shù)種排列組合，下文便是通過(guò)對(duì)各種模式的比對(duì)，排除，來(lái)選擇出最適合的機(jī)械臂模式與結(jié) 構(gòu)。 它具有中心支架附近工作范圍大、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置容易密封、覆蓋工作區(qū)間較大的優(yōu)點(diǎn)。但是他的操作范圍小，手臂收縮的同時(shí)，又向相反的方向伸出，不僅妨礙工作，而且占地面積大，運(yùn)動(dòng)速度低，密封性也不好。 幾種機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)方式的對(duì)比 表 21 幾種機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)形式的性能對(duì)比 Table 21 Performance parison of several forms of arm movement 工作范圍 所占空間 運(yùn)動(dòng)慣性 操作直觀(guān)性 重要優(yōu)點(diǎn) 圓柱坐標(biāo)系 較大 較小 大 強(qiáng) 極坐標(biāo)系型 大 較小 小 差 能抓取死角 直角坐標(biāo)系 小 大 大 強(qiáng) 多關(guān)節(jié)型 最大 較小 小 差 能繞過(guò)障礙 SCRA 大 小 小 差 總結(jié)以上各種類(lèi)型的運(yùn)動(dòng)方式， 1，工作范圍的角度考慮，拆彈機(jī)器人需要一定的范圍，以拆除高出地面或者是障礙物后的爆炸物。 機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)方式選擇 幾種機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式主要為以下五類(lèi) a液壓式 液壓式系統(tǒng)使用的比較廣泛，尤其是大功率機(jī)械臂上基本都是使用液壓式，比如馬路上常見(jiàn)的吊車(chē)，挖掘機(jī)等都是液壓式機(jī)械臂的一種。缺點(diǎn)是操作力小，體積大，由于空氣的壓縮性差，速度不易控制，響應(yīng)慢，動(dòng)作不平穩(wěn)，有沖擊等。 機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)方式的對(duì)比與選擇 表 22 幾種不同驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)械臂的性能對(duì)比 Table 22 The performance parison of several different arm 機(jī)械臂體積 輔助設(shè)備體積 響應(yīng)速度 結(jié)構(gòu)復(fù)雜性 操作力 操縱精準(zhǔn)性 液壓式 小 大 較慢 較復(fù)雜 大 較高 氣壓式 大 大 慢 簡(jiǎn)單 小 極低 機(jī)械式 大 中 高 極復(fù)雜 中 高 電氣式 大 無(wú) 高 簡(jiǎn) 單 中 高 綜合比對(duì)以上幾種驅(qū)動(dòng)方式： 1，機(jī)械臂的體積，雖然相對(duì)以上幾種體積差別較大，但是對(duì)于機(jī)器人來(lái)說(shuō)，臂需要一定的界面面積來(lái)保證強(qiáng)度，所以相對(duì)較大的尺寸對(duì)整體設(shè)計(jì)影響不大。強(qiáng)度對(duì)于拆彈 機(jī)器人尤為重要，拆彈機(jī)器人不僅僅需要在復(fù)雜的路面上行駛，而且在負(fù)載沉重的蓄電池和電動(dòng)馬達(dá)的同時(shí)還需要在移除相當(dāng)重量的爆炸物，所有需要額外的強(qiáng)度。下底盤(pán)輪架與數(shù)量眾多的支撐輪便是解決這一問(wèn)題的方法。 圖 310 軸承部件 Figure 310 Bearing ponents 主承重輪 圖 311 主輪 Figure 311 Main wheel 限于空間比較緊而沒(méi)采用懸掛設(shè)備，所以改進(jìn)了輪子的輻條， 弧形的輻條能提供額外的彈性使機(jī)器人在翻越障礙的時(shí)候不至 于震動(dòng)過(guò)大。 圖 317 前輪架的安裝方法 Figure 317 Front rack installation method 履帶 作為履帶機(jī)器人，履帶是最重要的特征。 圖 322 動(dòng)力模塊框架 Figure 322 Power Module frame 圖 323 動(dòng)力模塊安裝方法 Figure 323 Power Module Installation 動(dòng)力模塊的軸起到維持鏈條傳動(dòng)的作用，而且是一個(gè)經(jīng)常高速旋轉(zhuǎn)的軸，因此有著完備的軸承模塊，軸承使用的是與支撐輪相同的 61800 深溝球軸承，內(nèi)徑10mm 外徑 19mm 厚 5mm。 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械臂是拆彈機(jī)器人的功能部件，不僅需要精準(zhǔn)，而且需要較大的負(fù)載能力，一般的實(shí)驗(yàn)型機(jī)器人多采用航模標(biāo)準(zhǔn)的伺服電機(jī)，雖然技術(shù)成熟通用性高但是功率不足。圖 330 很好的顯示了腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，從左到又分別是，機(jī)械爪的末端框架、軸承內(nèi)部支撐、 10mm 推力軸承、 30mm 滾針軸承、軸承外部支撐、機(jī)械臂前臂框架。 圖 338 折疊狀態(tài) Figure 338 Folded state 這樣設(shè)計(jì)雖然會(huì)有更高的自由度范圍，但是會(huì)相應(yīng)的降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，所以?xún)H僅是后臂與中臂的連接處使用了 這種設(shè)計(jì) ，前臂與中臂的自由度范圍足夠應(yīng)付大部分工作情況所以并沒(méi)有采用這種設(shè)計(jì) 。機(jī)器人傳感器的精度直接影響機(jī)器人的工作質(zhì)量。 4，重量輕、體積小，安裝方便可靠。 當(dāng)履帶機(jī)器人安裝上偵測(cè)模塊執(zhí)行偵查任務(wù)的時(shí)候，對(duì)視頻系統(tǒng)有著更高的要求，為了執(zhí)行夜間或者在黑暗的建筑物中的偵查任務(wù)，微光夜視儀是必備的，紅外攝像頭在觀(guān)察人員與汽車(chē)等設(shè)備的時(shí)候也會(huì)非常的有用。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 圖 41 四軸數(shù)控車(chē)床步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 Figure 41 Fouraxis CNC lathe Stepper Motor Driver Module 步進(jìn)電機(jī)因?yàn)楣ぷ髟淼脑蛞残枰厥獾尿?qū)動(dòng)模塊，為了提供全方位的操控性，加上前輪架的俯仰動(dòng)作，履帶機(jī)器人總計(jì)使用了 8個(gè)步進(jìn)電機(jī)，如果每個(gè)步進(jìn)電機(jī)使用單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)模塊的話(huà)體積會(huì)非常龐大，而且難以控制，通過(guò)對(duì)市面上各種步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)板的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了一種用于小型雕刻機(jī)的四軸數(shù)控車(chē)床驅(qū)動(dòng)板非常合適，在一塊電 路板是集成了是四個(gè)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，而且作為數(shù)控車(chē)床的驅(qū)動(dòng)板，軟件方面也非常的全面技術(shù)相當(dāng)成熟，價(jià)格比 8個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)板便宜許多。 圖 43 單片機(jī)整合控制模塊 Figure 43 Integrated control module SCM 表 42 單片機(jī)整合控制模塊的性能參數(shù) Table 42 SCM integrated control module performance parameters 工作頻率 431MHz to 478MHz 頻率間隔 200KHz 接收靈敏度 117dBm1200bps 接口速率 1200 19200bps 工作溫度 20℃ 70℃ 電源 – (177。履帶機(jī)器人中所使用都是技術(shù) 成熟 并且相對(duì)價(jià)格較低的產(chǎn)品。比如，小型稀有金屬 馬達(dá)的效率一般在 80%到 90%。與普通有刷馬達(dá)的相比，它產(chǎn)生的電子干擾較小，摩擦小。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以在世界任何一點(diǎn)遙控履帶機(jī)器人。 圖 42 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的在底盤(pán)的安裝位置 Figure 42 Stepper motor drive modules installed in the chassis location 圖 42顯示了兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制模塊在底盤(pán)上的安裝位置，下文中的表 41則是 4軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的一些重要數(shù)據(jù)。底座的壓力傳感器是判斷出爆炸物的重量，如果在抓取抬升的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)重量過(guò)大便需要停止工作，否則會(huì)對(duì)機(jī)械部件造成損害。 a視頻傳感器 作為人遙控的機(jī)器人，視頻是最重要的傳感器之一，操作者幾乎所有的操作與判斷都是通過(guò)視頻傳感器而進(jìn)行的。軍用機(jī)器人就是以在惡劣環(huán)境中工作而設(shè)計(jì)的，所以穩(wěn)定性對(duì)軍用機(jī)器人來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，如果機(jī)器人在工作中故障，也將造成財(cái)產(chǎn)損失與人員傷亡。 軸承座與支架是 通過(guò) 焊接連接的。 圖 331 中臂 Figure 331 In arm 圖 332 中臂的透視圖 Figure 332 Perspective of the in arm 中臂框架的結(jié)構(gòu)圖 Figure 333 Framework structure in the arm 圖 333 所示的 部件與后臂相同位置的部件 是 通用的，圓 柱 形的空間里 裝著蝸桿機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)軸的軸承部件與主軸的軸承部件相同。圖 328中能看出內(nèi)部安裝的三個(gè) 42部件電機(jī)，行星減速機(jī)構(gòu)與后部的蝸桿機(jī)構(gòu)。整個(gè)部件在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)承擔(dān)較大的法向力，所以在行星減速器的兩端都有支撐的框架。之所以把這些部件整合在一起是為了便于更換與維護(hù)。 內(nèi)軸的材質(zhì)也是使用35鋼，車(chē)床車(chē)制，表面需進(jìn)行熱處理以提高耐磨性。 圖 37 主軸 Figure 37 Main shaft 后軸，是固定的，并不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，為了減少零件和更換方便所以采用了和主軸相同的軸承部件，但是原來(lái)安裝軸承的部位安裝了一個(gè)與 61805 軸承相同尺寸的軸瓦，以此提供支撐力。使用方管加工簡(jiǎn)單，也有相當(dāng)優(yōu)秀的截面形狀便于往底盤(pán)上追加其他設(shè)備。 4，操作力對(duì)于拆彈工作非常重要，許多爆炸物的重量非常驚人，某些由炮彈改造的路邊炸彈的重量可以達(dá)到幾十公斤，所以對(duì)操作力度有較高的要求。機(jī)械式機(jī)械臂也是需要輔助設(shè)備提供動(dòng)力的。 雖然液壓系統(tǒng)的體積小，但是僅限于在有壓力源的情況下，如車(chē)間，大型機(jī)械等，對(duì)于小型移動(dòng)設(shè)備來(lái)說(shuō)，需要單獨(dú)的機(jī)構(gòu)提供壓力，這需要額外的空間。 3，慣性對(duì)拆彈工作影響并不大，因?yàn)椴饛椷^(guò)程中所有的動(dòng)作都非常緩慢，為了搬運(yùn)重量較大的物體機(jī)械臂的各處驅(qū)動(dòng)留下的功率余量比較大，可以很好的解決慣性的問(wèn)題。雖然國(guó)內(nèi)多數(shù)文獻(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)的個(gè)數(shù)和自由度有一定的要求，但是我認(rèn)為，所有的有較多臂關(guān)節(jié)的機(jī)器臂都可以叫做多關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高，運(yùn)動(dòng)直觀(guān)性強(qiáng)，但是占地面積大而工作范 圍小，慣性大靈活性差。他的直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)部分如果采用液壓驅(qū)動(dòng)，則可以輸出較 大的動(dòng)力，能夠伸入腔式機(jī)器人的內(nèi)部，但是他的手臂到達(dá)的空間受到限制，不能到達(dá)靠近立柱或者地面的空間；直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)部分難以密封、防塵、及防御腐蝕性物質(zhì)；后縮手臂工作時(shí)，手臂會(huì)碰到工作范圍內(nèi)的其 他物體。后來(lái)，隨著 40 年代原子能工業(yè)的產(chǎn)生，出現(xiàn)了半自動(dòng)化抓取搬運(yùn)裝置，也就是所謂的操 作機(jī)。 向量 UVWP 在 OX、 OY、 OZ 軸的投影分量可用下列分量的點(diǎn)積定義wwxvvxuuxU V Wxx pkipjipiiPip ???????? wwyvvyuuyUVWyy pkjpjjpijPjp ???????? wwzvvzuuzU V Wzz pkkpjkpikPkp ???????? 寫(xiě)成矩陣的形式： ????????????1pzpypx=?????????????????????1000000wzvzuzwyvyuywxvxuxkkjkikkjjjijkijiii????????????1wvuppp 式中 UXR =????????????1000000wzyzuzwyvyuywxvxuxkkjkikkjjjijkijiii UXR 陣中第一列元素分別為 Iu 在 Ix,Jy,Kz 方向的投影分量；第二、三列元素分別為 Jv,Kw 在方向 Ix,Jy,Kz 的投影分量。他為機(jī)器人的分析與綜合提供了一種有效的手段。 如果進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的偵查或者戰(zhàn)斗任務(wù)的話(huà)，電池的使用時(shí)間與重量便變得比較重要。在高功率環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)的鋰離子電池便被首先排除。然而，在 大流量放電的時(shí)候，電壓會(huì)下降很快。它在無(wú)電存儲(chǔ)的時(shí)候沒(méi)有記憶效應(yīng)，也就是說(shuō)可以在有電或者沒(méi)電的情況下儲(chǔ)存，不需要像鎳鎘電池那樣提前放電或者像鉛酸蓄電池那樣提前充電 。 c金屬氫化物鎳電池 (NiMH) 雖然這里說(shuō)的金屬氫化物鎳電池和真正的鎳氫電池有本質(zhì)的不同，但是日常生活中我們都把金屬氫化物鎳電池稱(chēng)之為鎳氫電池。但是從另一角度講，它也只能在不充電的情況下儲(chǔ)存，否則會(huì)產(chǎn)生記憶效應(yīng)，這會(huì)大大降低電池的容量。如果在沒(méi)電的情況下存儲(chǔ)一段時(shí)間的話(huà)電池會(huì)報(bào)廢。這對(duì)于偶爾進(jìn)行大功率輸出的設(shè)備來(lái)說(shuō)非常重要。這其中有些完全不適合機(jī)器人使用，有些的性能非常相近，以下便對(duì)這些產(chǎn)品進(jìn)行詳細(xì)的分析與比對(duì)。所以傳動(dòng)精度非常重要，這一過(guò)程需要反復(fù)的改變傳動(dòng)方向，同步性較低的傳動(dòng)方式顯得不是很合適。行星減速與蝸桿減速在履帶機(jī)器人的各個(gè)部分都有使用。它沒(méi)有齒間隙 , 所以成為了理想的精確的自動(dòng)化機(jī)器人機(jī)械部件?？嚲o力越大，傳動(dòng)能量就越強(qiáng)。這一張緊過(guò)程會(huì)對(duì)軸承產(chǎn)生較大的載荷。 幾種常見(jiàn)的傳動(dòng)方式 a鏈條傳動(dòng)： 鏈條的長(zhǎng)度可以自行選擇，所以對(duì)軸的距離要求不是很精準(zhǔn)，這個(gè)可以降低安裝難度。 表 11 活塞內(nèi)燃機(jī)與電動(dòng)馬達(dá)的性能對(duì)比 Table 11 Piston engine and electric motor performance parison 單位質(zhì)量功率 再啟動(dòng)難度 對(duì)空氣依賴(lài)性 噪音震動(dòng) 發(fā)熱量 電磁干擾 活塞式內(nèi)燃機(jī) 高 難 高 高 高 無(wú) 電動(dòng)馬達(dá) 中 易 無(wú) 低 中 有 在這兩個(gè)選擇之間，電動(dòng)馬達(dá)唯一的缺點(diǎn)便是在運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生電磁 干擾，雖然這對(duì)負(fù)責(zé)拆彈工作的機(jī)械臂的控制極為不利，但是從現(xiàn)實(shí)角度出發(fā)，拆彈工作 一般 不會(huì)在機(jī)器人行進(jìn)中進(jìn)行，而是在停止的狀態(tài)下進(jìn)行的，所以主動(dòng)力馬達(dá)的電磁干擾對(duì)履帶機(jī)器人來(lái)說(shuō)也可以忽略。 2， 熱源小，面對(duì)爆炸物來(lái)說(shuō)熱量越小越好。內(nèi)燃機(jī)單位質(zhì)量產(chǎn)生的能量較大，例如， 一個(gè)微型 的 航模用甲醇二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)就能爆發(fā)出驚人的能量和轉(zhuǎn)速。所以在設(shè)計(jì)這個(gè)拆