【文章內(nèi)容簡介】 80%來保證電池內(nèi)阻維持在一個較低水平上。最好每 20 次充放電循環(huán)進(jìn)行一次深度放電。 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。 3，鎳鎘電池含有鎘，雖然被很安全的封在電池中，但是鎘是有毒的化學(xué)元素，必須妥善的處理。 c金屬氫化物鎳電池 (NiMH) 雖然這里說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之為鎳氫電池。這是一 個正在發(fā)展并且不斷提升的技術(shù)。目前市面上的 5 號或者 7 號充電電池基本上都是鎳氫電池。 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。在良好的保養(yǎng)和存儲下，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。 2，直到完全放電前，電壓會一直保持穩(wěn)定。這使它能任務(wù)中全功率輸出。 3，它可以在不充電的情況下無損害的存儲。它在無電存儲的時候沒有記憶效應(yīng)，也就是說可以在有電或者沒電的情況下儲存，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 。 4，他不含鎘等危險的元素所以沒有相關(guān)的健康問題，也不會污染環(huán)境。 以下是 NiMH 電池的缺點(diǎn)： 1，成本較高，一般作為隨身設(shè)備的小型電源，而不是這種大功率的場合。 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。 3， 當(dāng)存儲在 25o C 的環(huán)境下， NiMH 電池每天會損失 5%的電量。當(dāng)充滿電的時候， NiMH 電池會在 5 天內(nèi)自放電為原來 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。 d鋰離子電池 鋰離子電池是普遍使用的充電電池。如果進(jìn)行緩慢的功率輸出的話，它的能量密度很大。然而，在 大流量放電的時候，電壓會下降很快。在電池大流量放電的時候電池可能會損壞。我們也從新聞中得知，許多使用鋰離子電池的筆記本在溫度較高功率較大的情況下使用發(fā)生爆炸事故。因此，鋰離子電池不是很適合大功率機(jī)器人使用。另一個缺點(diǎn)是，鋰離子電池的框架壽命在 25176。C 下僅為兩年。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。 幾種充電電池的綜合對比 表 13 幾種充電電池的性能對比 Table 13 Performance parison of several rechargeable batteries 功率 能量密度 壽命 維護(hù)難度 自放電 電池價格 鉛酸蓄電池 大 小 長 低 中 低 鎳鎘電池 中 大 長 高 中 中 金屬氫化物鎳電池 中 最大 中 高 高 中 鋰離子電池 小 大 短 低 低 高 綜上所述對以上幾種常見的充電電池進(jìn)行對比， 1，從功率角度考慮，履帶機(jī)器人有兩個 330W 的無刷電動機(jī)作為主動力，另外有 8個步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械臂等設(shè)備的動力，所以對功率要求很高。在高功率環(huán)境下會產(chǎn)生爆炸危險的鋰離子電池便被首先排除。 2，從能量密度方面分析，因?yàn)槭锹?帶式機(jī)器人，而且作為拆彈機(jī)器人需要相應(yīng)的底盤重量，所以能量密度要求不高，但是不可以忽略的是，機(jī)器人的內(nèi)部空間尺寸非常有限，體積過大的話會對設(shè)計造成不便。 3，壽命，拆彈工作與反恐任務(wù)并不是經(jīng)常發(fā)生，所以并不需要多高的充電 循環(huán)，但是要求有很高的存儲壽命，而且需要在短時間內(nèi)迅速出動，所以鎳鎘電池等雖然存儲壽命長，但是需要在空電狀態(tài)存儲下這一屬性便不適用于隨時可能發(fā)生的拆彈任務(wù)，優(yōu)先排除。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。而用來應(yīng)付長時間工作的鎳氫電池包的較高放電率便顯得比較不利。 4，維護(hù)難度， 考慮未來的用途，維護(hù)難度并不是主要的問題，作為重要的軍事 裝備會有專人進(jìn)行維護(hù)。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(jī)器人。 通過以上對各種電池的分析，履帶機(jī)器人應(yīng)該配備兩種電池來應(yīng)付不同的任務(wù)，如果進(jìn)行拆彈工作，需要同時使用數(shù)個步進(jìn)電機(jī)而且工作時間一般不長，再考慮到對底盤穩(wěn)定性的要求，所以將采用鉛酸蓄電池。 如果進(jìn)行長時間的偵查或者戰(zhàn)斗任務(wù)的話，電池的使用時間與重量便變得比較重要。這時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。 2 機(jī)械臂的坐標(biāo)變換與運(yùn)動分析 齊次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換 機(jī)械臂作為履帶機(jī)器人的重要組成部分，其運(yùn)動方程決定了以后的計算分析等工作，而對于機(jī)械臂的控制來說，坐標(biāo)計算公式更是至關(guān)重要，以下是對多自由度機(jī)械臂的自由度坐標(biāo)換算方法。 齊次變換是用其此矩陣來描述機(jī)構(gòu)連桿的關(guān)系。 D－ H 矩陣是一個４ X４矩陣，它把一個矢量從一個坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一個坐標(biāo)系。每一個矩陣可以實(shí)現(xiàn)兩個作用：旋轉(zhuǎn)和平移。原來的矢量則必須用齊次坐標(biāo)系表示。 空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析有許多方法，齊次變換是其中較為直觀地、較方便的一種， Paul 首次將 DH 矩陣應(yīng)用于機(jī)器人的軌跡的計算，從此，齊次變 換在機(jī)器人運(yùn)動學(xué)中和動力學(xué)分析中廣為應(yīng)用。他為機(jī)器人的分析與綜合提供了一種有效的手段。履帶機(jī)器人所使用的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂可以認(rèn)為是有一系列關(guān)節(jié)連接起來的連桿所組成。我們把構(gòu)件坐標(biāo)系嵌入機(jī)器的每一個連桿中，便可以用齊次坐標(biāo)來描述這些坐標(biāo)系之間相對位置和方向。 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。 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。空間中一點(diǎn) P 的位置可用向量 P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。 在 OXYZ 坐標(biāo)系中向量 P 記為 zzyyxxX YZ kpjpipP ??? 即 ? ?TzyxXYZ pppP 1,? 我們希望找出旋轉(zhuǎn)變換矩陣 UXR ，以使 UVWP 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為 XYZP 的坐標(biāo)，既存在 UVWUXXYZ PRP ?? 實(shí)際上， OUVW 按一定的關(guān)系繞 OXYZ 轉(zhuǎn)動時，固定于 OUVW 的向量 UVWP 隨 OUVW一齊轉(zhuǎn)動，當(dāng) OUVW 與 OUVW 重合時， UVWP 與 XYZP 重合，其轉(zhuǎn)動 關(guān)系由 UXR 描述。 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。三列分別表示軸 OU、 OV、 OW所在的方向。 OUVW 繞 OXYZ 單個軸的轉(zhuǎn)動變換矩陣稱為基本變換矩陣。當(dāng) OUVW 僅繞 OX 軸轉(zhuǎn)角 θ 時，基本轉(zhuǎn)動矩陣記為 Rot(x, θ )，由式（ 418）可以計算得： 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)就可以用各個矩陣相乘，最終得到腳底部處相對于起點(diǎn)的位移。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?法是有次序的。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，但是對復(fù)雜的環(huán)境或者遮蔽物的環(huán)境下也需要計算機(jī)輔助來控制機(jī)械臂的位置。 機(jī)械臂的運(yùn)動形式選擇 機(jī)械手產(chǎn)生的時間非常早，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)時為了解決自動機(jī)上下料與工件的傳送問題。所以，當(dāng)時的機(jī)械手是作為自動機(jī)，自動線的附屬裝置出現(xiàn)的。后來，隨著 40 年代原子能工業(yè)的產(chǎn)生，出現(xiàn)了半自動化抓取搬運(yùn)裝置，也就是所謂的操 作機(jī)。在原子能工業(yè)中負(fù)責(zé)進(jìn)行放射性材料的加工處理和實(shí)驗(yàn)，或者是在兵工廠進(jìn)行易燃易爆物的加工裝配，這類裝置的特點(diǎn)是不屬于某一工作主機(jī)，而且由人來操控。因此有人將這類操作機(jī)器人稱為遙控操作機(jī)，操縱機(jī)器人。拆彈機(jī)器人可以說就是一個底盤可移動的操縱機(jī)器人，而且他平時進(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)行危險物的移除工作。 機(jī)械手種類繁多，在不同的操作方式，動力來源，坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，自由度搭配中又有無數(shù)種排列組合，下文便是通過對各種模式的比對，排除，來選擇出最適合的機(jī)械臂模式與結(jié) 構(gòu)。 機(jī)械臂的運(yùn)動方式 a圓柱坐標(biāo)系 這種運(yùn)動形式的機(jī)器臂均具有回轉(zhuǎn)，伸縮，與升降三個自由度，運(yùn)動范圍為一個圓柱體。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)。 它可以繞中心軸轉(zhuǎn)一個角度，因此其工作范圍可以擴(kuò)大，且計算簡單。他的直線驅(qū)動部分如果采用液壓驅(qū)動，則可以輸出較 大的動力，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；直線驅(qū)動部分難以密封、防塵、及防御腐蝕性物質(zhì)；后縮手臂工作時，手臂會碰到工作范圍內(nèi)的其 他物體。 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)。 這種機(jī)械臂由一個直線運(yùn)動與兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動組成，由一個伸縮一個俯仰機(jī)構(gòu)組成。其運(yùn)動范圍的圖形為一個球體。 它具有中心支架附近工作范圍大、兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封、覆蓋工作區(qū)間較大的優(yōu)點(diǎn)。但是他的坐標(biāo)復(fù)雜，較難控制；其直線驅(qū)動裝置仍存在密封和工作死區(qū)問題。 c直角坐標(biāo)系型 這種機(jī)械臂由三個直線運(yùn)動組成，沿 xyz 軸三個方向運(yùn)動組成。運(yùn)動范圍的圖形為立方體。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，運(yùn)動直觀性強(qiáng)，但是占地面積大而工作范 圍小，慣性大靈活性差。他在 X、 Y、 Z軸上的運(yùn)動是獨(dú)立的，其運(yùn)動方程可以獨(dú)立處理 。同時方程又是線性的，因此對這類機(jī)器人進(jìn)行計算機(jī)控制很簡單；它可以兩端支撐，因此對于給定的結(jié)構(gòu)長度，其剛性最大。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。但是他的操作范圍小，手臂收縮的同時，又向相反的方向伸出，不僅妨礙工作，而且占地面積大，運(yùn)動速度低，密封性也不好。 d多關(guān)節(jié)型 這種機(jī)器臂和人的手臂比較相似，可以做多個方向的轉(zhuǎn)動，由多個臂組成，機(jī)械形式和人的肘關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)類似。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。機(jī)械臂末端由多個回轉(zhuǎn)角確定，定位精度不高。雖然國內(nèi)多數(shù)文獻(xiàn)對關(guān)節(jié)的個數(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。 e SCRA 型 一般用于裝配，也叫做裝配機(jī)器人，動作靈活，速度快，定位精度高。其實(shí)是多關(guān)節(jié)機(jī)器人的一種特定的形式。一般有 4個自由度。 幾種機(jī)械臂運(yùn)動方式的對比 表 21 幾種機(jī)械臂運(yùn)動形式的性能對比 Table 21 Performance parison of several forms of arm movement 工作范圍 所占空間 運(yùn)動慣性 操作直觀性 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 能繞過障礙 SCRA 大 小 小 差 總結(jié)以上各種類型的運(yùn)動方式， 1，工作范圍的角