【文章內(nèi)容簡介】 當時的機械手是作為自動機，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裝置，也就是所謂的操作機。在原子能工業(yè)中負責(zé)進行放射性材料的加工處理和實驗，或者是在兵工廠進行易燃易爆物的加工裝配，這類裝置的特點是不屬于某一工作主機，而且由人來操控。因此有人將這類操作機器人稱為遙控操作機，操縱機器人。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。機械手種類繁多，在不同的操作方式，動力來源，坐標結(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械臂模式與結(jié)構(gòu)。 機械臂的運動方式a圓柱坐標系這種運動形式的機器臂均具有回轉(zhuǎn)，伸縮，與升降三個自由度，運動范圍為一個圓柱體。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。它可以繞中心軸轉(zhuǎn)一個角度，因此其工作范圍可以擴大，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，能夠伸入腔式機器人的內(nèi)部，但是他的手臂到達的空間受到限制，不能到達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)。這種機械臂由一個直線運動與兩個回轉(zhuǎn)運動組成，由一個伸縮一個俯仰機構(gòu)組成。其運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。但是他的坐標復(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直角坐標系型這種機械臂由三個直線運動組成，沿xyz軸三個方向運動組成。運動范圍的圖形為立方體。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，運動直觀性強，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軸上的運動是獨立的，其運動方程可以獨立處理。同時方程又是線性的，因此對這類機器人進行計算機控制很簡單；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，運動速度低，密封性也不好。d多關(guān)節(jié)型這種機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，機械形式和人的肘關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)類似。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。機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)文獻對關(guān)節(jié)的個數(shù)和自由度有一定的要求，但是我認為，所有的有較多臂關(guān)節(jié)的機器臂都可以叫做多關(guān)節(jié)型機械臂。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。其實是多關(guān)節(jié)機器人的一種特定的形式。一般有4個自由度。 幾種機械臂運動方式的對比表21 幾種機械臂運動形式的性能對比Table 21 Performance parison of several forms of arm movement 工作范圍所占空間運動慣性操作直觀性重要優(yōu)點圓柱坐標系較大較小大強極坐標系型大較小小差能抓取死角直角坐標系小大大強多關(guān)節(jié)型最大較小小差能繞過障礙SCRA大小小差總結(jié)以上各種類型的運動方式，1，工作范圍的角度考慮，拆彈機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。這幾種機械臂的的操作范圍都可以滿足這一需求。因為在范圍內(nèi)移動物體這一原則本來就是工業(yè)領(lǐng)域設(shè)計機械臂的初衷。2，所占空間必須小，拆彈機器人是一個可移動的操作點，而不是一個空間，所以占用空間較大的直角坐標系便被排除。3，慣性對拆彈工作影響并不大，因為拆彈過程中所有的動作都非常緩慢，為了搬運重量較大的物體機械臂的各處驅(qū)動留下的功率余量比較大，可以很好的解決慣性的問題。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，但是隨著科技的進步，電腦模擬技術(shù)的完善，直觀性差可以通過軟件與程序來彌補，所以直觀性不強對拆彈任務(wù)的影響不大。5，考慮到拆彈過程中可能會遇到在箱子中或者是在汽車底下的爆炸物，繞過障礙與路徑這一特點會使拆彈工作非常方便。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。 機械臂的驅(qū)動方式選擇 幾種機械臂的驅(qū)動方式機械手的驅(qū)動方式主要為以下五類a液壓式 液壓式系統(tǒng)使用的比較廣泛，尤其是大功率機械臂上基本都是使用液壓式，比如馬路上常見的吊車，挖掘機等都是液壓式機械臂的一種。驅(qū)動系統(tǒng)包含油缸，電磁閥，油泵，油箱。操作特點是操作力大，體積小，動作平穩(wěn)，耐沖擊，耐振動。缺點是漏油對系統(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，如車間，大型機械等，對于小型移動設(shè)備來說，需要單獨的機構(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)計管線等在局促的空間內(nèi)會不好分配空間。b氣壓式與液壓式原理相同，由氣缸，氣閥，空氣壓縮機組成。特點是氣源方便，維修簡單，速度高，成本低，防火防爆，漏氣對設(shè)備影響不大。缺點是操作力小，體積大，由于空氣的壓縮性差，速度不易控制，響應(yīng)慢，動作不平穩(wěn)，有沖擊等。而且同樣的也需要空氣壓縮機作為氣源，不便于小型移動設(shè)備隨時攜帶。其中，速度不宜控制，動作不平穩(wěn)，有沖擊對于精密危險的拆彈工作來說是完全不可取的，如采用氣壓式機械臂的話將很容易發(fā)生事故。c機械式驅(qū)動系統(tǒng)由電機，凸輪，齒輪齒條，連桿等機械裝置組成，傳動可靠，缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對于簡單的機械臂來說非常合適，但是對于有6個自由度的拆彈機器人來說，其間的機械結(jié)構(gòu)將非常復(fù)雜精細。機械式機械臂也是需要輔助設(shè)備提供動力的。d電氣式由電動馬達驅(qū)動，優(yōu)點是電源方便，信號傳遞容易運算，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，非常是適用于中小型機械臂，這也正是拆彈機器人所需要的。缺點是，伺服電機需要安裝在機械臂內(nèi)部，所以機械臂的尺寸較大。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。 機械臂驅(qū)動方式的對比與選擇表22 幾種不同驅(qū)動方式的機械臂的性能對比Table 22 The performance parison of several different arm機械臂體積輔助設(shè)備體積響應(yīng)速度結(jié)構(gòu)復(fù)雜性操作力操縱精準性液壓式小大較慢較復(fù)雜大較高氣壓式大大慢簡單小極低機械式大中高極復(fù)雜中高電氣式大無高簡單中高綜合比對以上幾種驅(qū)動方式：1，機械臂的體積，雖然相對以上幾種體積差別較大，但是對于機器人來說，臂需要一定的界面面積來保證強度，所以相對較大的尺寸對整體設(shè)計影響不大。2，輔助設(shè)備對拆彈機器人來說很重要，如果是在車間中，有液壓氣壓源的情況下，可以忽略，但是作為一個移動平臺，履帶機器人能隨時提供的只有電壓與電流，如果安裝液壓或氣壓源的話，對整體設(shè)置來說難以實現(xiàn)。因此液壓氣壓式的機械臂在這里被排除。3，響應(yīng)速度對拆彈工作來說，會影響操作的節(jié)奏，發(fā)出指令后能付快速執(zhí)行對拆彈工作還是有一定的影響的。4，操作力對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到幾十公斤，所以對操作力度有較高的要求。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。3 結(jié)構(gòu)設(shè)計今天，三維設(shè)計已經(jīng)成為工業(yè)設(shè)計的主流，為了更好的完成對履帶機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，我全程使用PROE作為三維設(shè)計工具，對履帶機器人所有的零部件進行建模和設(shè)計。底盤是車型機器人的重要的骨架，而且是所有其他設(shè)備的平臺，在設(shè)計的時候不僅僅要提供一個堅固的框架，也要便于把其他設(shè)備安裝上。強度對于拆彈機器人尤為重要，拆彈機器人不僅僅需要在復(fù)雜的路面上行駛，而且在負載沉重的蓄電池和電動馬達的同時還需要在移除相當重量的爆炸物，所有需要額外的強度。另一方面，在某些情況下，爆炸物突然爆炸或者起火，甚至是通過拆彈機器人改造的戰(zhàn)斗機器人或者偵測機器人遭遇敵人火力的襲擊的情況下，底盤不但要承受極端的負載而且要在緊急戰(zhàn)爭環(huán)境下快速更換。圖31 履帶機器人的底盤Figure 31 Tracked Robot chassis考慮到以上的極端情況所以需要高強度的底盤，這里排除了鑄造底盤，因為鑄造部件過于沉重，而且單位質(zhì)量提供的強度也不是很高，戰(zhàn)時更換性也不強，所以采用了框架式底盤，在設(shè)計中也盡力做到最簡單。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)的同時也相對較容易焊接。使用方管加工簡單，也有相當優(yōu)秀的截面形狀便于往底盤上追加其他設(shè)備。圖32 底盤框架Figure 32 Chassis frame框架配件方形鋼管雖然加工簡單價格便宜而且單位質(zhì)量的強度很高，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，在強力的夾持下容易變形，鉆貫穿的大孔的時候非常費力。第二，在其上鉆孔會造成應(yīng)力集中大大降低底盤的強度，所以利用的方管的截面設(shè)計了一個框架的插件，因為需要較高的精度所以需要使用數(shù)控加工中心進行加工。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。下底盤輪架與數(shù)量眾多的支撐輪便是解決這一問題的方法。同時，下底盤輪架內(nèi)的空間也是履帶機器人的步進電機的驅(qū)動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Figure 34 Support wheel Chassis圖35 支撐輪底盤與步進電機模塊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)計主軸支撐著機器人大部分的重量，而且負責(zé)傳動前輪架的動作，所以分段較多。圖37 主軸Figure 37 Main shaft后軸，是固定的，并不會轉(zhuǎn)動，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，但是原來安裝軸承的部位安裝了一個與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，同時對于主軸來說還負責(zé)將動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，也專門為這個軸承設(shè)計了軸承套等配件，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采用懸掛設(shè)備，所以改進了輪子的輻條，弧形的輻條能提供額外的彈性使機器人在翻越障礙的時候不至于震動過大。輪子的材質(zhì)使使用聚甲醛，因為如此大的體積如果使用金屬材料的話重量會非常的巨大。而被譽為“超鋼”的聚甲醛，有著優(yōu)越的機械性能和化學(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。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)，短時間內(nèi)就會磨損輪子，所以在輪子中心使用了鋼制的內(nèi)襯，提供額外的強度，和足夠的抗磨損能力。內(nèi)軸的材質(zhì)也是使用35鋼，車床車制，表面需進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器人全部的重量但是在某些復(fù)雜的地形下履帶會承受額外的拉力，所以需要支撐輪來維持履帶的形狀，和在高負載時提供額外的支撐力，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317 前輪架的安裝方法Figure 317 Front rack installation method 履帶作為履帶機器人，履帶是最重要的特征。履帶機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)生更強的抓地力。圖318 履帶Figure 318 Track 動力模塊的設(shè)計動力部分包含兩個86無刷電動馬達，配套的馬達驅(qū)動器，蝸桿減速器，與軸承部件。之所以把這些部件整合在一