【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 當(dāng)時(shí)的機(jī)械手是作為自動(dòng)機(jī)，自動(dòng)線的附屬裝置出現(xiàn)的。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)。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(lèi)裝置的特點(diǎn)是不屬于某一工作主機(jī)，而且由人來(lái)操控。因此有人將這類(lèi)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(shuō)就是一個(gè)底盤(pán)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。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)。 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式a圓柱坐標(biāo)系這種運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)器臂均具有回轉(zhuǎn)，伸縮，與升降三個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)范圍為一個(gè)圓柱體。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)。它可以繞中心軸轉(zhuǎn)一個(gè)角度，因此其工作范圍可以擴(kuò)大，且計(jì)算簡(jiǎn)單。他的直線驅(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。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(gè)直線運(yùn)動(dòng)與兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成，由一個(gè)伸縮一個(gè)俯仰機(jī)構(gòu)組成。其運(yùn)動(dòng)范圍的圖形為一個(gè)球體。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)。但是他的坐標(biāo)復(fù)雜，較難控制；其直線驅(qū)動(dòng)裝置仍存在密封和工作死區(qū)問(wèn)題。c直角坐標(biāo)系型這種機(jī)械臂由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組成，沿xyz軸三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)組成。運(yùn)動(dòng)范圍的圖形為立方體。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高，運(yùn)動(dòng)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(dòng)是獨(dú)立的，其運(yùn)動(dòng)方程可以獨(dú)立處理。同時(shí)方程又是線性的，因此對(duì)這類(lèi)機(jī)器人進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制很簡(jiǎn)單；它可以兩端支撐，因此對(duì)于給定的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，其剛性最大。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。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。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(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，由多個(gè)臂組成，機(jī)械形式和人的肘關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)類(lèi)似。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。機(jī)械臂末端由多個(gè)回轉(zhuǎn)角確定，定位精度不高。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。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。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(gè)自由度。 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。這幾種機(jī)械臂的的操作范圍都可以滿足這一需求。因?yàn)樵诜秶鷥?nèi)移動(dòng)物體這一原則本來(lái)就是工業(yè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)機(jī)械臂的初衷。2，所占空間必須小，拆彈機(jī)器人是一個(gè)可移動(dòng)的操作點(diǎn)，而不是一個(gè)空間，所以占用空間較大的直角坐標(biāo)系便被排除。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。4，從操作直觀性的方面出發(fā)，雖然以上幾種有較大的差別，但是隨著科技的進(jìn)步，電腦模擬技術(shù)的完善，直觀性差可以通過(guò)軟件與程序來(lái)彌補(bǔ)，所以直觀性不強(qiáng)對(duì)拆彈任務(wù)的影響不大。5，考慮到拆彈過(guò)程中可能會(huì)遇到在箱子中或者是在汽車(chē)底下的爆炸物，繞過(guò)障礙與路徑這一特點(diǎn)會(huì)使拆彈工作非常方便。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。 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。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含油缸，電磁閥，油泵，油箱。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)。缺點(diǎn)是漏油對(duì)系統(tǒng)工作性能影響很大，成本高。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。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。b氣壓式與液壓式原理相同，由氣缸，氣閥，空氣壓縮機(jī)組成。特點(diǎn)是氣源方便，維修簡(jiǎn)單，速度高，成本低，防火防爆，漏氣對(duì)設(shè)備影響不大。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。而且同樣的也需要空氣壓縮機(jī)作為氣源，不便于小型移動(dòng)設(shè)備隨時(shí)攜帶。其中，速度不宜控制，動(dòng)作不平穩(wěn)，有沖擊對(duì)于精密危險(xiǎn)的拆彈工作來(lái)說(shuō)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。c機(jī)械式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)，凸輪，齒輪齒條，連桿等機(jī)械裝置組成，傳動(dòng)可靠，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)于簡(jiǎn)單的機(jī)械臂來(lái)說(shuō)非常合適，但是對(duì)于有6個(gè)自由度的拆彈機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其間的機(jī)械結(jié)構(gòu)將非常復(fù)雜精細(xì)。機(jī)械式機(jī)械臂也是需要輔助設(shè)備提供動(dòng)力的。d電氣式由電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是電源方便，信號(hào)傳遞容易運(yùn)算，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，非常是適用于中小型機(jī)械臂，這也正是拆彈機(jī)器人所需要的。缺點(diǎn)是，伺服電機(jī)需要安裝在機(jī)械臂內(nèi)部，所以機(jī)械臂的尺寸較大。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(méi)有輔助設(shè)備。 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。2，輔助設(shè)備對(duì)拆彈機(jī)器人來(lái)說(shuō)很重要，如果是在車(chē)間中，有液壓氣壓源的情況下，可以忽略，但是作為一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)，履帶機(jī)器人能隨時(shí)提供的只有電壓與電流，如果安裝液壓或氣壓源的話，對(duì)整體設(shè)置來(lái)說(shuō)難以實(shí)現(xiàn)。因此液壓氣壓式的機(jī)械臂在這里被排除。3，響應(yīng)速度對(duì)拆彈工作來(lái)說(shuō)，會(huì)影響操作的節(jié)奏，發(fā)出指令后能付快速執(zhí)行對(duì)拆彈工作還是有一定的影響的。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。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。3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)今天，三維設(shè)計(jì)已經(jīng)成為工業(yè)設(shè)計(jì)的主流，為了更好的完成對(duì)履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我全程使用PROE作為三維設(shè)計(jì)工具，對(duì)履帶機(jī)器人所有的零部件進(jìn)行建模和設(shè)計(jì)。底盤(pán)是車(chē)型機(jī)器人的重要的骨架，而且是所有其他設(shè)備的平臺(tái)，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。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。另一方面，在某些情況下，爆炸物突然爆炸或者起火，甚至是通過(guò)拆彈機(jī)器人改造的戰(zhàn)斗機(jī)器人或者偵測(cè)機(jī)器人遭遇敵人火力的襲擊的情況下，底盤(pán)不但要承受極端的負(fù)載而且要在緊急戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境下快速更換。圖31 履帶機(jī)器人的底盤(pán)Figure 31 Tracked Robot chassis考慮到以上的極端情況所以需要高強(qiáng)度的底盤(pán)，這里排除了鑄造底盤(pán)，因?yàn)殍T造部件過(guò)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(pán)，在設(shè)計(jì)中也盡力做到最簡(jiǎn)單。材料采用了30X60mm 厚度為5mm的304不銹鋼方管，這種合金鋼非常普遍，在具有不銹鋼優(yōu)秀的特質(zhì)的同時(shí)也相對(duì)較容易焊接。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。圖32 底盤(pán)框架Figure 32 Chassis frame框架配件方形鋼管雖然加工簡(jiǎn)單價(jià)格便宜而且單位質(zhì)量的強(qiáng)度很高，但是要在其上安裝高精度的輪架并不容易，第一，方形鋼管不同于方鋼，在強(qiáng)力的夾持下容易變形，鉆貫穿的大孔的時(shí)候非常費(fèi)力。第二，在其上鉆孔會(huì)造成應(yīng)力集中大大降低底盤(pán)的強(qiáng)度，所以利用的方管的截面設(shè)計(jì)了一個(gè)框架的插件，因?yàn)樾枰^高的精度所以需要使用數(shù)控加工中心進(jìn)行加工。圖33 底盤(pán)框架部件Figure 33 Chassis frame ponents 支撐輪底盤(pán)底盤(pán)電動(dòng)機(jī)與蓄電池的重量較大。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。同時(shí)，下底盤(pán)輪架內(nèi)的空間也是履帶機(jī)器人的步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊與兩塊蓄電池的安裝架。采用3mm鋼板切割而成，受力部件使用5mm鋼板。圖34 支撐輪底盤(pán)Figure 34 Support wheel Chassis圖35 支撐輪底盤(pán)與步進(jìn)電機(jī)模塊Figure 35 Support wheel Chassis and stepper motor module圖36 支撐輪輪架的安裝位置Figure 36 Installation location of Support wheel Chassis 輪軸模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主軸支撐著機(jī)器人大部分的重量，而且負(fù)責(zé)傳動(dòng)前輪架的動(dòng)作，所以分段較多。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。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。圖38 副軸Figure 38 Countershaft 主要功能是在軸的兩端將其間的部件夾緊，同時(shí)對(duì)于主軸來(lái)說(shuō)還負(fù)責(zé)將動(dòng)力傳遞至前輪架的功能。 圖39 軸帽Figure 39 Shaft cap軸承采用了61805深溝球軸承，內(nèi)徑25mm外徑35mm厚7mm，也專門(mén)為這個(gè)軸承設(shè)計(jì)了軸承套等配件，加工過(guò)程中需考慮到公差與安裝斜面等因素。圖310 軸承部件Figure 310 Bearing ponents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。輪子的材質(zhì)使使用聚甲醛，因?yàn)槿绱舜蟮捏w積如果使用金屬材料的話重量會(huì)非常的巨大。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(lái)水龍頭及爆氣管道閥門(mén)等，用在這里非常合適。圖312 輔輪Figure 312 Auxiliary wheel輔輪與主輪相比直徑較小，出于通用性的考慮許多尺寸與主輪是相同的內(nèi)軸，聚甲醛雖然有著很好的強(qiáng)度和韌性，但是硬度不高，抗磨損能力差，如果直接將軸承安裝在塑料輪內(nèi)，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)磨損輪子，所以在輪子中心使用了鋼制的內(nèi)襯，提供額外的強(qiáng)度，和足夠的抗磨損能力。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313 主輪與輔輪內(nèi)襯Figure 313 Lined of main wheel and auxiliary wheel圖314 主輪安裝方法Figure 314 main wheel Installation methods 支撐輪雖然主輪可以輕松的支撐機(jī)器人全部的重量但是在某些復(fù)雜的地形下履帶會(huì)承受額外的拉力，所以需要支撐輪來(lái)維持履帶的形狀，和在高負(fù)載時(shí)提供額外的支撐力，另外在履帶斷裂的情況下仍可提供一定的行駛能力。為了減輕重量支撐輪采用的材質(zhì)也是聚甲醛，內(nèi)部軸承采用了61800深溝球軸承，內(nèi)徑10mm外徑19mm厚5mm。 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前輪架需要由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)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。履帶機(jī)器人的履帶采用整體的橡與纖維組成的復(fù)合材料。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。圖318 履帶Figure 318 Track 動(dòng)力模塊的設(shè)計(jì)動(dòng)力部分包含兩個(gè)86無(wú)刷電動(dòng)馬達(dá)，配套的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，蝸桿減速器，與軸承部件。之所以把這些部件整合在一