【正文】 電動馬達 主動力采用 86mm 直徑 48V 的無刷永磁直流馬達。兩塊這樣的電路板正好可以驅(qū)動履帶機器人全部的 8個步進電機。對于工作空間受到某種限制的機器人，體積和安裝方向的要求也是必不可少的。 圖 339 機械臂框架 Figure 339 Arm frame 底座 負責承擔全部的壓力和扭矩，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械臂在這里被排除。操作特點是操作力大，體積小，動作平穩(wěn)，耐沖擊，耐振動。優(yōu)點是工作范圍大，動作靈活，通用性強，能抓 取靠近基座的物體，但是運動直觀性差。優(yōu)點是占地小，活動范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，緊湊，能達到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，運動直觀性較強。 在 OUVW 坐標系中，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。但是相對較低的使用成本也意味著可以同時裝備較多的機器人。 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，充電，在低溫下存儲以延長使用壽命。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。 考慮到履帶機器人對各項指標的需求，使用如下的傳動方式，在電動馬達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。變速箱必須由精確設(shè)計的零件組成。因為它有兩個摩擦接觸面，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，電動馬達可以在更廣的轉(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)，電動馬達在低轉(zhuǎn)速大扭矩下運轉(zhuǎn)效率非常低，也就是說會產(chǎn)生大量的熱量。 1， 不會熄火，這個在緊急狀態(tài)下絕不允許發(fā)生，雖然可以在機器人內(nèi)部設(shè)置啟動電機，但是這在這種小型機器人中實現(xiàn)起來相當?shù)穆闊Ｆ鸩皆绲前l(fā)展緩慢的機械行業(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。 步進電機驅(qū)動模塊 .................... 錯誤 !未定義書簽。 主承重輪 .....................................錯誤 !未定義書簽。 2 機械臂的坐標變換與運動分析 ............ 錯誤 !未定義書簽。在設(shè)計過程中，充分考慮到了機器人的功能性，機構(gòu)合理性，并且盡量的控制了加工的難度與成本。 履帶式機器人雖然行動較慢，運轉(zhuǎn)阻力大，但是通過性強， 可以翻越障礙物，爬樓梯，負載能力高， 所以成為了 軍用 機器人的首選。 能量源的選擇 ........................ 錯誤 !未定義書簽。 軸 ...........................................錯誤 !未定義書簽。 底座 .........................................錯誤 !未定義書簽。 參考文獻 致謝 前言 從機器人的分類上來講，軍用履帶機器人是屬于遙控機器人的一種，既是能在人的操控下在人類難以接近或者遠距離完成作業(yè)的機器人。這些功能會通過裝備特制的功能插件得以實現(xiàn)?？紤]到即使主動力模塊使用汽油發(fā)動機，仍然需要蓄電池作為機械臂的動力，所以這并不會節(jié)省多少空間和重量。所以電動馬達對于拆彈機器人是最理想的動力來源。 運轉(zhuǎn)時 會產(chǎn)生靜電。一般大型機械要傳遞很大的扭矩的時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度來對抗較大的扭矩。較低的安裝精度 對控制機器人的成本和機器人的普及性方面有著很重要的作用。 以下幾點是鉛酸蓄電池的缺點： 1，鉛酸蓄電池產(chǎn)生的時間非常早，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。當充滿電的時候，鎳鎘電池會在三周內(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并隨時應(yīng)付突發(fā)情況。 圖 21 坐標系的相對位置和相對方向 Figure 21 Coordinates of the relative position and relative orientation 坐標系的旋轉(zhuǎn)變換 坐標系 OUVW是坐標系 OXYZ經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后變換得到的。拆彈機器人可以說就是一個底盤可移動的操縱機器人，而且他平時進行的工作與兵工廠中進行的易爆物加工與裝配工作如出一轍，都是由操作者進行操縱，進行危險物的移除工作。他的精度和位置分辨率不隨工作場合而變化，容易達到高精度。 綜上所述，多關(guān)節(jié)機械臂最適合履帶機器人的拆彈工作。相對其他設(shè)備而言，因為可以使用機器人自帶的主動力驅(qū)動電池，所以可以認為沒有輔助設(shè)備。 圖 33 底盤框架部件 Figure 33 Chassis frame ponents 支撐輪底盤 底盤電動機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 前輪架需要由步進電機通過蝸桿 抬起，而且在翻越障礙的時候需要承擔部分負載，所以對強度和重量的要求都很高，這里 仍然采用了單位質(zhì)量強度較高的聚酰胺材質(zhì)。 圖 326 機械爪 Figure 326 Mechanical Claw 圖 327 機械爪的分解視圖 Figure 327 Deposition view of mechanical claw 因為零件太小，再考慮到機械爪不是一個經(jīng)常運轉(zhuǎn)的部件，所以并沒有安裝軸承，這要求機械爪在運作的時候需要進行充分的潤滑，否則運行阻力會過大，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，因為在行進過程中，整個機械臂會折疊起來，所以有一定的死角，這樣提高一定的高度使機械臂可以完全收起。作為拆彈機器人不但要克服自身各種電動馬達傳感器產(chǎn)生的干擾，也要做好克服來自恐怖分子的惡意干擾的準備。所以我采用了國內(nèi)機器人競賽中使用的操作模塊，集成了 usb 遙控，大量步進電機與傳感器接口，使用 方便而且成本也相對較低。這其中種類與型號繁多。 市面上在這一功率范圍內(nèi)的電動馬達的電壓分為 24V 和 48V 兩種，這對于非移動設(shè)備來說可能僅僅只是更換變壓器這么簡單，但是對于移動的平臺， 48V 意味著四個 12V 蓄電池，這對空間和質(zhì)量上都是一種挑戰(zhàn)。車床步進電機控制板并非為移動設(shè)備而設(shè)計，所以需要額外的防護措施以適應(yīng)惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境。解決方案如下，機器人的前后各安裝一個較低分辨率的固定攝像頭，以在行進或者倒退過程中判斷障礙物的形狀以改變機器人的履帶狀態(tài)或者轉(zhuǎn)向。 圖 344 整體視圖 Figure 344 whole body view 4 履帶機器人的控制與傳感器 傳感器 拆彈機器人不僅僅是一個工廠里的組裝機器人，作為遙控設(shè)備他需要人進行觀察，需要一些傳感器進行現(xiàn)場的評測。 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)，使用了一個推力軸承和一個滾針軸承。 圖 319 動力模塊與減速器 Figure 319 Power module with reducer 圖 320 動力模塊與馬達驅(qū)動器 Figure 320 Power module with motor driver 減速器 履帶機器人運轉(zhuǎn)阻力較大，轉(zhuǎn)速不能過高，而電動機的最佳效率轉(zhuǎn)速往往高達數(shù)千轉(zhuǎn)每分所以需要減速器減速，同時考慮到馬達在機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)計管線等在局促的空間內(nèi)會不好分配空間。 e SCRA 型 一般用于裝配，也叫做裝配機器人，動作靈活，速度快，定位精度高。 b極坐標系型 極坐標機器人又稱為球坐標機器人，他與圓柱坐標型機器人一樣，可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)。三列分別表示軸 OU、 OV、 OW所在的方向。這時能量密度最高而且維護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候電池可能會損壞。這是一 個正在發(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)相當成熟，非常適合機器人使用。 傳動方式的綜合對比 表 12 幾種傳動方式的性能對比 Table 12 Transmission performance parison of several methods 傳遞扭矩 傳動精度 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，與齒輪傳動都是良好的傳動方式。從某種意義上講， V型傳動帶是平帶的一種改進型，保持了平帶所有的優(yōu)點的同時加大了傳遞的扭矩。因為鏈條齒輪與鏈條之間存在間隙，所以傳遞過程并不是很精準，尤其是在傳動方向轉(zhuǎn)變的時候有一定的滯后性。而作為戰(zhàn)斗機器人的參加任務(wù)的話熱源會成為熱敏武器與紅外觀察設(shè)備的目標。機器人的的每一個零件，從螺母到軸承到方形鋼管，完全符合我國工業(yè)標準，在設(shè)計的后期我也切身體會到標準化帶來的優(yōu)勢，許多零件因為統(tǒng)一的標準可以互相替換，使設(shè)計周期大大縮短。 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，尤其是反恐戰(zhàn)爭中履帶機器人無論是作為拆彈機器人，偵查機器人還是戰(zhàn)斗機器人，都發(fā)揮著越來越重要的的作 用。 電動馬達 ............................ 錯誤 !未定義書簽。 履帶 .........................................錯誤 !未 定義書簽。 機械臂的運動方式 .............................錯誤 !未定義書簽。 robot platform。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影 印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計）。 動力傳動模式的選擇 .................. 錯誤 !未定義書簽。 底盤框架 .....................................錯誤 !未定義書簽。 前臂 .........................................錯誤 !未定義書簽。 偵查模式 ........................... 錯誤 !未定義書簽。這次的設(shè)計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)計方案。內(nèi)燃機單位質(zhì)量產(chǎn)生的能量較大，例如， 一個微型 的 航模用甲醇二沖程發(fā)動機就能爆發(fā)出驚人的能量和轉(zhuǎn)速。 表 11 活塞內(nèi)燃機與電動馬達的性能對比 Table 11 Piston engine and electric motor performance parison 單位質(zhì)量功率 再啟動難度 對空氣依賴性 噪音震動 發(fā)熱量 電磁干擾 活塞式內(nèi)燃機 高 難 高 高 高 無 電動馬達 中 易 無 低 中 有 在這兩個選擇之間，電動馬達唯一的缺點便是在運轉(zhuǎn)的時候會產(chǎn)生電磁 干擾，雖然這對負責拆彈工作的機械臂的控制極為不利，但是從現(xiàn)實角度出發(fā)，拆彈工作 一般 不會在機器人行進中進行，而是在停止的狀態(tài)下進行的，所以主動力馬達的電磁干擾對履帶機器人來說也可以忽略。這一張緊過程會對軸承產(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化機器人機械部件。所以傳動精度非常重要，這一過程需要反復的改變傳動方向，同步性較低的傳動方式顯得不是很合適。這對于偶爾進行大功率