【文章內(nèi)容簡介】 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(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，青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 機(jī)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(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)械臂運動方式的對比 表 21 幾種機(jī)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(biāo)系 較大 較小 大 強 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 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(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(jī)械臂的初衷。 2，所占空間必須小，拆彈機(jī)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(biāo)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(jī)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(jìn)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。 履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模 16 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)動方式選擇 幾種機(jī)械臂的驅(qū)動方式 機(jī)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(jī)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(jī)等都是液壓式機(jī)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(jī)械等，對于小型移動設(shè)備來說，需要單獨的機(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(jī)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(jī)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(jī)械臂的話將很容易發(fā)生事故。 c機(jī)械式 驅(qū)動系統(tǒng)由電機(jī) ，凸輪，齒輪齒條，連桿等機(jī)械裝置組成，傳動可靠，缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對于簡單的機(jī)械臂來說非常合適，但是對于有 6 個自由度的拆彈機(jī)器人來說，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)備提供動力的。 d電氣式 由電動馬達(dá)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(jī)械臂，這也正是拆彈機(jī)器人所需要的。缺點是，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。相對其他設(shè)備而言，因為可以使用機(jī)器人自帶的主動力驅(qū)動電池，所以可以認(rèn)為沒有輔助設(shè)備。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 機(jī)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(jī)械臂的性能對比 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 簡單 小 極低 機(jī)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(jī)械臂的體積，雖然相對以上幾種體積差別較大，但是對于機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(dá)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(jī)械臂完全符合拆彈工作的需求。 履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模 18 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(jī)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(jī)器人所有的零部件進(jìn)行建模和設(shè)計。 底盤設(shè)計 底盤是車型機(jī)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(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馬達(dá)的同時還需要在移除相當(dāng)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(jī)器人改造的戰(zhàn)斗機(jī)器人或者偵測機(jī)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(fù)載而且要在緊急戰(zhàn)爭環(huán)境下快速更換。 圖 31 履帶機(jī)器人的底盤 Figure 31 Tracked Robot chassis 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 底盤框架 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(dāng)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(jìn)行加工。 圖 33 底盤框架部件 Figure 33 Chassis frame ponents 履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模 20 支撐輪底盤 底盤電動機(jī)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(jī)器人的步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)模塊 Figure 35 Support wheel Chassis and stepper motor module 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 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 軸 主軸支撐著機(jī)器人大部分的重量，而且負(fù)責(zé)傳動前輪架的動作，所以分段較多。 圖 37 主軸 Figure 37 Main shaft 履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模 22 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 軸帽 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(fù)責(zé)將動力傳遞至前輪架的功能。 圖 39 軸帽 Figure 39 Shaft cap 軸承部件 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。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 圖 310 軸承部件 Figure 310 Bearing ponents 主承重輪 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(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(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、自來水龍頭及爆氣管道閥門 等，用在這里非常合適。 履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模 24 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(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 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 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(fù)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 履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模 26 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候需要承擔(dān)部分負(fù)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 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 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