【正文】 以我采用了國內(nèi)機(jī)器人競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較低。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)簡單可靠，種類型號繁多，可以很好的適應(yīng)這一工作。作為拆彈機(jī)器人不但要克服自身各種電動馬達(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。 1，精度高，重復(fù)性好。 后臂 圖 335 后臂 Figure 335 After arm 圖 336 后臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu) Figure 336 The internal structure of the after arm 圖 337 后臂支撐架 Figure 337 After arm support frame 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?？梢詰?yīng)付較大的載荷。 圖 326 機(jī)械爪 Figure 326 Mechanical Claw 圖 327 機(jī)械爪的分解視圖 Figure 327 Deposition view of mechanical claw 因?yàn)榱慵?，再考慮到機(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)行充分的潤滑，否則運(yùn)行阻力會過大，并且造成磨損。將電動馬達(dá)的驅(qū)動也整合在其中，在緊急狀態(tài)下便于更換。 圖 315 支撐輪 Figure 315 Support wheel 圖 316 支撐輪的安裝方法 Figure 316 Installation methods support wheel 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)。 圖 39 軸帽 Figure 39 Shaft cap 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。 圖 33 底盤框架部件 Figure 33 Chassis frame ponents 支撐輪底盤 底盤電動機(jī)與蓄電池的重量較大 。 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，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。相對其他設(shè)備而言，因?yàn)榭梢允褂脵C(jī)器人自帶的主動力驅(qū)動電池，所以可以認(rèn)為沒有輔助設(shè)備。特點(diǎn)是氣源方便，維修簡單，速度高，成本低，防火防爆，漏氣對設(shè)備影響不大。 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。一般有 4個(gè)自由度。他的精度和位置分辨率不隨工作場合而變化，容易達(dá)到高精度。其運(yùn)動范圍的圖形為一個(gè)球體。拆彈機(jī)器人可以說就是一個(gè)底盤可移動的操縱機(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。當(dāng) OUVW 僅繞 OX 軸轉(zhuǎn)角 θ 時(shí)，基本轉(zhuǎn)動矩陣記為 Rot(x, θ )，由式（ 418）可以計(jì)算得： Rot(x, θ )=?????????????10000c o ss in00s inc o s00001???? Rot(y, θ )=?????????????10000c o s0s in00100s in0c o s???? Rot(z, θ )=???????????? ?1000010000c o ss in00s inc o s???? 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于起點(diǎn)的位移。 圖 21 坐標(biāo)系的相對位置和相對方向 Figure 21 Coordinates of the relative position and relative orientation 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。 齊次變換是用其此矩陣來描述機(jī)構(gòu)連桿的關(guān)系。鉛酸蓄電池的低放電率很適合存儲并隨時(shí)應(yīng)付突發(fā)情況。因此，鋰離子電池不是很適合大功率機(jī)器人使用。 2，完成 500 次充放電循環(huán)后，電池的容量就會隨著內(nèi)阻的提高而下降。 以下是金屬氫化物鎳電池的優(yōu)點(diǎn)： 1， NiMH 電池的能量密度是現(xiàn)有的電池中最好的。當(dāng)充滿電的時(shí)候，鎳鎘電池會在三周內(nèi)自行放電到 80%的電量。以下 是鎳鎘電池的優(yōu)點(diǎn)： 1，它有極佳的性價(jià)比。 以下幾點(diǎn)是鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)： 1，鉛酸蓄電池產(chǎn)生的時(shí)間非常早，技術(shù)相對落后，所以他比其他種類的電池都要重，或者說是單位質(zhì)量下產(chǎn)生的能量最小?？偟膩碚f，鉛酸蓄電池的容量是是 10Ah 級別。較低的安裝精度 對控制機(jī)器人的成本和機(jī)器人的普及性方面有著很重要的作用。 1，從傳遞扭矩這一點(diǎn)出發(fā)，機(jī)器人在爬坡或者負(fù)載較重的時(shí)候需要很高的扭矩，出于這一點(diǎn)的考慮，鏈條傳動與齒輪傳動優(yōu)勢較大。一般大型機(jī)械要傳遞很大的扭矩的時(shí)候都是使用變速箱的方法，內(nèi)部的金屬齒輪可提供很高的強(qiáng)度來對抗較大的扭矩。這種同步帶經(jīng)常被用在汽車引擎上，連接凸輪軸和曲軸使之同步運(yùn)轉(zhuǎn)。 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 會產(chǎn)生靜電。正因?yàn)槠鋵珳?zhǔn)性要求不高，所以在高強(qiáng)度的越野環(huán)境與震動較大的環(huán)境下，鏈條傳動也是最能持續(xù)穩(wěn)定工作的一種轉(zhuǎn)動模式。所以電動馬達(dá)對于拆彈機(jī)器人是最理想的動力來源。對于偵查與戰(zhàn)斗任務(wù)來說，機(jī)器人的隱蔽性也是至關(guān)重要的，震動與噪音較大的活塞式引擎用在這里便不是很合適?？紤]到即使主動力模塊使用汽油發(fā)動機(jī)，仍然需要蓄電池作為機(jī)械臂的動力，所以這并不會節(jié)省多少空間和重量。這么做是希望在條件允許的條件下，僅僅通過我提供的圖紙和供貨商名冊便可以快速的以較低成本將履帶機(jī)器人生產(chǎn)出來。這些功能會通過裝備特制的功能插件得以實(shí)現(xiàn)。所以成為了軍用機(jī)器人的首選。 參考文獻(xiàn) 致謝 前言 從機(jī)器人的分類上來講，軍用履帶機(jī)器人是屬于遙控機(jī)器人的一種，既是能在人的操控下在人類難以接近或者遠(yuǎn)距離完成作業(yè)的機(jī)器人。 步進(jìn)電機(jī) ........................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 底座 .........................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 減速 器 .......................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 軸 ...........................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 機(jī)械臂的驅(qū)動方式選擇 ................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 能量源的選擇 ........................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 detection robot。 履帶式機(jī)器人雖然行動較慢，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， 所以成為了 軍用 機(jī)器人的首選。與我一同工作的同 志對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。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。 1 履 帶機(jī)器人的運(yùn)動分析 .................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 2 機(jī)械臂的坐標(biāo)變換與運(yùn)動分析 ............ 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。 主承重輪 .....................................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。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊 .................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 底盤特性 ........................... 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)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中 ,取得了巨大的成功。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。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。找出最適合拆彈任務(wù)的組合。 1， 不會熄火，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?。對于這種慢速的履帶 設(shè)備來說，強(qiáng)大的正壓力只能提供更高的推進(jìn)力。雖然和活 塞式引擎相比，電動馬達(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，也就是說會產(chǎn)生大量的熱量。帶輪需要摩擦力來維持運(yùn)動，這一過程中可能發(fā)生打滑和蠕變。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。這使所有與同步帶連接的導(dǎo)輪能以相同的速度轉(zhuǎn)動。變速箱必須由精確設(shè)計(jì)的零件組成。 2，機(jī)器人面對的是危險(xiǎn)的爆炸物，或者是危險(xiǎn)的戰(zhàn)斗場合。 考慮到履帶機(jī)器人對各項(xiàng)指標(biāo)的需求，使用如下的傳動方式，在電動馬達(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角度，然后通過鏈條傳動將扭矩傳遞到主輪。如果存儲在 25 o C 的環(huán)境下，每天的電量損失低于 1%。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(xiǎn)。 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。 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。這使它能任務(wù)中全功率輸出。 d鋰離子電池 鋰離子電池是普遍使用的充電電池。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。但是相對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。原來的矢量則必須用齊次坐標(biāo)系表示。 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。 機(jī)械臂的運(yùn)動形式選擇 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線采用的，當(dāng)時(shí)為了解決自動機(jī)上下料與工件的傳送問題。優(yōu)點(diǎn)是占地小，活動范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，能達(dá)到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，運(yùn)動直觀性較強(qiáng)。 c直角坐標(biāo)系型 這種機(jī)械臂由三個(gè)直線運(yùn)動組成，沿 xyz 軸三個(gè)方向運(yùn)動組成。優(yōu)點(diǎn)是工作范圍大，動作靈活，通用性強(qiáng)，能抓 取靠近基座的物體，但是運(yùn)動直觀性差。因?yàn)樵诜秶鷥?nèi)移動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。操作特點(diǎn)是操作力大，體積小，動作平穩(wěn)，耐沖擊，耐振動。其中，速度不宜控制，動作不平穩(wěn)， 有沖擊對于精密危險(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。因此液壓氣壓式的機(jī)械臂在這里被排除。 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)中也盡力做到最簡單。 采用 3mm 鋼板切割而成，受力部 件使用 5mm 鋼板。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。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。在經(jīng)過行星減速后連接到蝸桿，然后傳動到主軸。大體上分為前臂，中臂，后臂，底座四個(gè)部分。 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。 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。 2，穩(wěn)定性好，可靠性高。對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。這些設(shè)備無論是采用民用還是軍用，都有著很好 的性能。兩塊這樣的電路板正好可以驅(qū)動履帶機(jī)器人全部的 8個(gè)步進(jìn)電機(jī)。需要在履帶機(jī)器人內(nèi)安裝微型 PC系統(tǒng)。 電動馬達(dá) 主動力采用 86mm 直徑 48V 的無刷永磁直流馬達(dá)