【正文】 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)。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)。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。 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。大體上分為前臂，中臂，后臂，底座四個(gè)部分。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。 采用 3mm 鋼板切割而成，受力部 件使用 5mm 鋼板。因此液壓氣壓式的機(jī)械臂在這里被排除。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)。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。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)。 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。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。 d鋰離子電池 鋰離子電池是普遍使用的充電電池。 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(zhǎng)使用壽命。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)。 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。變速箱必須由精確設(shè)計(jì)的零件組成。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。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。 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?。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。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。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 .................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 主承重輪 .....................................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。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。 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， 所以成為了 軍用 機(jī)器人的首選。 能量源的選擇 ........................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 軸 ...........................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 底座 .........................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 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。這些功能會(huì)通過裝備特制的功能插件得以實(shí)現(xiàn)?？紤]到即使主動(dòng)力模塊使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，仍然需要蓄電池作為機(jī)械臂的動(dòng)力，所以這并不會(huì)節(jié)省多少空間和重量。所以電動(dòng)馬達(dá)對(duì)于拆彈機(jī)器人是最理想的動(dòng)力來源。 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 會(huì)產(chǎn)生靜電。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(duì)抗較大的扭矩。較低的安裝精度 對(duì)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。 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(duì)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。當(dāng)充滿電的時(shí)候，鎳鎘電池會(huì)在三周內(nèi)自行放電到 80%的電量。 2，完成 500 次充放電循環(huán)后，電池的容量就會(huì)隨著內(nèi)阻的提高而下降。鉛酸蓄電池的低放電率很適合存儲(chǔ)并隨時(shí)應(yīng)付突發(fā)情況。 圖 21 坐標(biāo)系的相對(duì)位置和相對(duì)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。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。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。 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。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。 圖 33 底盤框架部件 Figure 33 Chassis frame ponents 支撐輪底盤 底盤電動(dòng)機(jī)與蓄電池的重量較大 。 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(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)。 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(rùn)滑，否則運(yùn)行阻力會(huì)過大，并且造成磨損。 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(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。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。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。這其中種類與型號(hào)繁多。 市面上在這一功率范圍內(nèi)的電動(dòng)馬達(dá)的電壓分為 24V 和 48V 兩種，這對(duì)于非移動(dòng)設(shè)備來說可能僅僅只是更換變壓器這么簡(jiǎn)單，但是對(duì)于移動(dòng)的平臺(tái)， 48V 意味著四個(gè) 12V 蓄電池，這對(duì)空間和質(zhì)量上都是一種挑戰(zhàn)。車床步進(jìn)電機(jī)控制板并非為移動(dòng)設(shè)備而設(shè)計(jì)，所以需要額外的防護(hù)措施以適應(yīng)惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。解決方案如下，機(jī)器人的前后各安裝一個(gè)較低分辨率的固定攝像頭，以在行進(jìn)或者倒退過程中判斷障礙物的形狀以改變機(jī)器人的履帶狀態(tài)或者轉(zhuǎn)向。 圖 344 整體視圖 Figure 344 whole body view 4 履帶機(jī)器人的控制與傳感器 傳感器 拆彈機(jī)器人不僅僅是一個(gè)工廠里的組裝機(jī)器人，作為遙控設(shè)備他需要人進(jìn)行觀察，需要一些傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的評(píng)測(cè)。 圖 328 前臂的透視圖 Figure 328 Forearm perspective 圖 329 前臂框 架結(jié)構(gòu)圖 Figure 329 Forearm frame structure 腕關(guān)節(jié)，使用了一個(gè)推力軸承和一個(gè)滾針軸承。 圖 319 動(dòng)力模塊與減速器 Figure 319 Power module with reducer 圖 320 動(dòng)力模塊與馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器 Figure 320 Power module with motor driver 減速器 履帶機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)阻力較大，轉(zhuǎn)速不能過高，而電動(dòng)機(jī)的最佳效率轉(zhuǎn)速往往高達(dá)數(shù)千轉(zhuǎn)每分所以需要減速器減速，同時(shí)考慮到馬達(dá)在機(jī)器人中于輸出軸的位置正好呈 90 度，所以采用了蝸 桿減速裝置。 前軸，比較短而所以強(qiáng)度要求不大，但是出于通用性的考慮采用了與主軸相 同的直徑尺寸。 結(jié)合以上分析，電氣式的機(jī)械臂完全符合拆彈工作的需求。小型的液壓設(shè)備不容易設(shè)計(jì)管線等在局促的空間內(nèi)會(huì)不好分配空間。 e SCRA 型 一般用于裝配，也叫做裝配機(jī)器人，動(dòng)作靈活，速度快，定位精度高。 b極坐標(biāo)系型 極坐標(biāo)機(jī)器人又稱為球坐標(biāo)機(jī)器人，他與圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人一樣，可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)。三列分別表示軸 OU、 OV、 OW所在的方向。這時(shí)能量密度最高而且維護(hù)方便并且潛力巨大的金屬氫化物鎳電池便是很好的選擇。在電池大流量放電的時(shí)候電池可能會(huì)損壞。這是一 個(gè)正在發(fā)展并且不斷提升的技術(shù)。但是考慮到他的較低的自放電率，這一充電過程也并不需要經(jīng)常進(jìn)行。 常見的可充電電池 a鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池的技術(shù)相當(dāng)成熟，非常適合機(jī)器人使用。 傳動(dòng)方式的綜合對(duì)比 表 12 幾種傳動(dòng)方式的性能對(duì)比 Table 12 Transmission performance parison of several methods 傳遞扭矩 傳動(dòng)精度 安裝難度 加工難度 成本 鏈條 高 中 低 低 低 平帶 低 低 中 低 低 V 型帶 中 中 低 低 中 同步帶 較高 較高 中 中 中 變速箱 高 高 高 高 高 綜上所述，鏈條，同步皮帶，與齒輪傳動(dòng)都是良好的傳動(dòng)方式。從某種意義上講， V型傳動(dòng)帶是平帶的一種改進(jìn)型，保持了平帶所有的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)加大了傳遞的扭矩。因?yàn)殒湕l齒輪與鏈條之間存在間隙，所以傳遞過程并不是很精準(zhǔn)，尤其是在傳動(dòng)方向轉(zhuǎn)變的時(shí)候有一定的滯后性。而作為戰(zhàn)斗機(jī)器人的參加任務(wù)的話熱源會(huì)成為熱敏武器與紅外觀察設(shè)備的目標(biāo)。機(jī)器人的的每一個(gè)零件，從螺母到軸承到方形鋼管，完全符合我國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)的后期我也切身體會(huì)到標(biāo)準(zhǔn)化帶來的優(yōu)勢(shì)，許多零件因?yàn)榻y(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以互相替換，使設(shè)計(jì)周期大大縮短。 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，尤其是反恐戰(zhàn)爭(zhēng)中履帶機(jī)器人無論是作為拆彈機(jī)器人，偵查機(jī)器人還是戰(zhàn)斗機(jī)器人，都發(fā)揮著越來越重要的的作 用。 電動(dòng)馬達(dá) ............................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 履帶 .........................................錯(cuò)誤 !未 定義書簽。 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 .............................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 robot platform。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影 印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）。 動(dòng)力傳動(dòng)模式的選擇 .................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 底盤框架 .....................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 前臂 .........................................錯(cuò)誤 !未定義書簽。 偵查模式 ........................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。這次的設(shè)計(jì)能盡可能考慮到需要考慮到的所有的相關(guān)因素，在論文開始的幾章里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，用來尋找最合適的 設(shè)計(jì)方案。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。 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 電動(dòng)馬達(dá) 中 易 無 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)器人來說也可以忽略。這一張緊過程會(huì)對(duì)軸承產(chǎn)生較大的載荷。它沒有齒間隙 , 所以成為了理想的精確的自動(dòng)化機(jī)器人機(jī)械部件。所以傳動(dòng)精度非常重要，這一過程需要反復(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。這對(duì)于偶爾進(jìn)行大功率