【文章內(nèi)容簡介】 畢業(yè)論文 9 以通過機械手臂實現(xiàn)抓?。ㄅ疟拔ｋU物排除）功能，通過武器平臺實現(xiàn)作戰(zhàn)及摧毀（摧毀爆炸物及危險品）功能。由于軍用及安防機器人的復雜性和特殊性，對其研究設計需要 大量的人力及物力支持，還需要相關軍用及保密技術，是一類復雜的系統(tǒng)設計工程，涉及眾多學科。本設計主要針對排爆機器人的機械結(jié)構及其簡單實現(xiàn)為主。 該排爆機器人本體總體主要組成包括三個部分，即移動平臺、武器平臺、機械手臂。本設計主要針對移動平臺及武器平臺進行設計。對移動平臺進行了方案選擇和電機選擇，設計了機體機械結(jié)構，并對越障能力進行了分析；武器平臺分析了多種現(xiàn)有結(jié)構方案，選定了適合本設計小型化排爆機器人的武器平臺方案，設計了機械結(jié)構，并通過作圖的方法選擇了所用電動推桿的技術參數(shù)，并進行了型號選擇。最后建立了平臺 的力學模型，并對其射擊穩(wěn)定性進行了分析，并提出了提高穩(wěn)定性的優(yōu)化設計初步方案。對于機械手臂部分進行了結(jié)構的選型和總體尺寸的規(guī)劃設計。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 10 第二章 排爆機器人系統(tǒng)組成與性能指標 本設計的排爆機器人屬于軍用及安防地面移動機器人范疇。性對于民用及工業(yè)機器人設計要求有較大的不同，設計的展開，首先需要明確任務及技術要求，基于可行性、可靠性及先進性，對系統(tǒng)總體進行初步擬定，便于下一步的詳細設計。 設計任務分析 任何機器人設計都來源于人們想在自己所應做的繁重或單一或危險的事情中解脫出來，所以設計都建立在預想任務之上 ，所以在設計之初對任務進行具體、全面的分析十分重要。本設計的排爆機器人，設計目的在于小型化和多功能，適應在復雜環(huán)境下，代替人工完成排爆、作戰(zhàn)、偵查及危險物排查等任務。 （ 1）排爆機器人實際作業(yè)環(huán)境： 在世界上許多戰(zhàn)亂國家中，到處都散布著未爆炸的各種彈藥。例如，海灣戰(zhàn)爭后的科威特，就像一座隨時可能爆炸的彈藥庫。在伊科邊境一萬多平方公里的地區(qū)內(nèi)，有 16 個國家制造的 25 萬顆地雷， 85 萬發(fā)炮彈，以及多國部隊投下的布雷彈及子母彈的 2500 萬顆子彈，其中至少有 20%沒有爆炸，而且直到現(xiàn)在，在許多國家中甚至還殘留有一次大 戰(zhàn)和二次大戰(zhàn)中未爆炸的炸彈和地雷，嚴重威脅著這些地區(qū)的人民生產(chǎn)和生活 [20]。第二戰(zhàn)場就是恐怖組織在任何地點安設的各類爆炸物及危險品。對于排爆機器人，其作業(yè)范圍包括野外、城市街道和樓宇內(nèi)。機器人面對的是有自然環(huán)境及人工環(huán)境組成的復雜環(huán)境，可能遇見各類凹凸不平的路面，必要時可能還要穿越草叢、灌木、車底的雜亂環(huán)境。地表環(huán)境可能是土、沙、石、水洼、沼澤、廢墟等。有時還會多種環(huán)境交錯出現(xiàn)，作業(yè)環(huán)境異常復雜。作業(yè)環(huán)境處于非系統(tǒng)性和非結(jié)構性。 （ 2）排爆機器人技術參數(shù)： 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 11 其中包括主體的質(zhì)量和尺寸、搭載質(zhì)量、越障高度和角 度、控制方式、供電反方式、武器平臺運動角度、機械手臂自由度和完成任務尺寸等。 功能分析 吸取國內(nèi)外現(xiàn)有實戰(zhàn)機型基礎上出發(fā)，結(jié)合本設計任務，對本設計排爆機器人提出如下功能要求。 （ 1）排爆機器人全天候作業(yè)能力 主要應歸于不同地理位置的不同天氣、不同時間下依靠本身兼容性適應環(huán)境進行總也。主要目標達到具有一定的防護能力。 （ 2）作業(yè)現(xiàn)場信息采集及分析功能 本設計機器人需要代替人員進行作業(yè)需要采集足夠的信息，類似于人類的眼睛、鼻子、耳朵等感官器官，對作業(yè)目標進行有效地分析。實現(xiàn)方式主要以傳感器技術為主，包括 紅外、電子鼻、無無線偵測、攝像頭、溫度傳感器等。 （ 3）武器平臺攻擊及摧毀功能 本設計多功能的主要應用部分。代替人員對特定目標進行攻擊核威懾。對于機器人自主攻擊國際上目前還處于研究階段，還需要依賴于人工輔助識別及信號指令（即半自主和遙控控制方式）才能完成，減少失誤率和作業(yè)錯誤發(fā)生。該部分功能需要上述功能配合實現(xiàn)。 系統(tǒng)組成 根據(jù)以上設計任務的分析結(jié)論，確定本設計機器人由圖 所示組成，主要包括機器人本體和遠程控制端兩大部分。 由分析及定型確定排爆機器人由圖 所示部分組成，建立了有效地控制及反饋 系統(tǒng)?？刂撇糠钟扇斯みM行監(jiān)控和干預遙控，初步設計布局由圖 和圖 兩部分組成，主要針對機械運動環(huán)節(jié)和信息采集環(huán)節(jié)進行監(jiān)控和干預。排爆機器人本體與該部分通過加密級專用頻道進行點對點式無線數(shù)據(jù)鏈路通訊，并且由于機器人功率較大，本體體積及質(zhì)量要求，自身攜帶電池無哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 12 法滿足能源需求，可以通過無線能源傳輸進行供電，在此基礎上可以通過網(wǎng)絡信息化系統(tǒng)實現(xiàn)多臺排爆機器人協(xié)同工作。該部分是系統(tǒng)工程與人機互動工程等多專業(yè)綜合系統(tǒng)，只做簡單概述，需專業(yè)人員進行詳細而系統(tǒng)化的設計。 圖 排爆機器人系統(tǒng)總體框 架圖 總體性能指標 根據(jù)以上的分析結(jié)論，結(jié)合設計任務書對排爆機器人總體性能指標進行初步擬定。 （ 1）移動平臺： 移動平臺自重：不大于 50kg； 移動平臺載重：不小于 30kg； 公路最高直行速度： 3m/s； 斜坡最高直線速度： ； 續(xù)航時間： 3 小時； 爬坡能力：不小于 30176。； 平地越障高度：垂直高度不小于 15cm； 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 13 此外，移動平臺應能實現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)的運動特性要求，并在實現(xiàn)上述功能的前提下減小車體結(jié)構尺寸，車體寬度應小于 700mm。 （ 2）武器平臺： 武器平臺的搭載武器架體運動應能實現(xiàn)俯仰角度 5~+10 度，武器平臺主體水平方向左右偏轉(zhuǎn) 180176。 （ 3）控制方式： 控制方式可以采用完全自主控制、半自主控制和遙控，采用遠程（大于3km）無線控制。 （ 4）供電方式： 整機供電方式采用高蓄能鋰離子電池供電，供電電壓和電流根據(jù)整機最大需求電壓和電流設置，并采用過載保護裝置。 本章小結(jié) 本章首先對本設計的排爆機器人本體設計任務進行了分析，主要是本機器人的實際作業(yè)環(huán)境和技術參數(shù)進行了分析，之后對排爆機器人所應具備的功能進行了簡要概述，最后對排爆機器人的系統(tǒng)組成進行了劃分，主要有機器人本體和遠程控制端兩 大部分。結(jié)合以上分析結(jié)論和題目要求制定了可行的總體性能指標，為下一步結(jié)構方案設計提供了設計目標。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 14 第三章 排爆機器人移動平臺方案設計 排爆機器人的移動平臺作為機器人的移動載體，可以實現(xiàn)機器人在地面的全方位位置及姿態(tài)變化，是此類機器人設計和創(chuàng)新最多的部分，在排爆機器人設計中具有重要的地位，因此部分設計需要對主驅(qū)動、前擺機構、輪系等進行詳細設計及結(jié)構校核，以滿足設定技術要求。并且在滿足要求的同時盡量做到結(jié)構簡單、可靠并且實現(xiàn)輕型化、小型化設計。 移動平臺方案設計 移動平臺運動形式選擇 通過 以上分析排爆機器人移動平臺面對的作業(yè)環(huán)境極其復雜，是由自然環(huán)境和人工環(huán)境構成的非結(jié)構化環(huán)境，也就是復雜多樣的三維地形結(jié)構，實際上最典型的情況就是斜坡、向上和向下的臺階，基本上絕大多數(shù)環(huán)境可以簡化為這三類地形的單一結(jié)構或組合型結(jié)構，機器人只要可以完成這三類環(huán)境運動，并形成運動簡化程序，通過一定順序完成各類復雜環(huán)境的通過運動。 在現(xiàn)有主要運動形式中結(jié)構主要有輪式、腿足式、履帶式這三種 [21]。每一種結(jié)構在地形適應性、全方位轉(zhuǎn)向性、速度、穩(wěn)定性等方面都有其優(yōu)勢和劣勢。所以在考慮結(jié)構選擇上需進行綜合能力分析進行選擇 。 輪式機構是最常見的移動形式，該結(jié)構可以達到較高的移動速度，在相對平坦堅硬的路面上有其余兩種形式無法超越速度的優(yōu)勢，并且經(jīng)過相對較長時間的車輛工程技術研發(fā)和實際應用，結(jié)構及相關理論最為成熟。其主要形式主要有獨輪、三輪、四輪、六輪 [22]。輪式結(jié)構的劣勢在實踐中也相對較為明顯，由于接觸面積較小且為圓形結(jié)構，在松軟及濕滑表面容易產(chǎn)生打滑、沉陷等動力無效形式，使其在越野能力上受到較大限制，四輪和六輪結(jié)構可以改善其越野能力，但能量消耗較大，并且再適合越野環(huán)境的情況下并不適合平整路面。 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 15 腿足式機構是基于仿生學原理的 新型機構形式，也是未來發(fā)展的趨勢，現(xiàn)有技術水平研究范圍主要是兩足、四足、六足式機構，分別以人類、獸類、昆蟲為原型，該機構形式的適應很強，具有其他兩種機構無法比擬的機動性和通過性。但是現(xiàn)在仍處于研究和實驗階段，其結(jié)構過于復雜，對控制和動力傳輸要求極高，只在部分簡單機器人中得到研究性質(zhì)的應用。 履帶式機構是人類在面對輪式機構缺點時在其基礎上進行的結(jié)構拓展，履帶由輪體提供動力，其特點有接觸面積大、滾動摩擦小、通過性好、連續(xù)鋪路性好、轉(zhuǎn)彎半徑小、牽引附著性能好等，所以被廣泛應用于各種移動機器人和移動平臺上。并且大型 履帶技術和結(jié)構已形成系統(tǒng)化和標準化。但是普通履帶機構能力有限，傳統(tǒng)金屬節(jié)履帶較為笨重巨大，為了改善這樣的現(xiàn)狀衍生出多類變形履帶結(jié)構如卡特彼勒（ Caterpillar）履帶、變形履帶、變位履帶、輪履復合履帶等以適合各類應用，并在復合材料和新型材料的誕生后，大大彌補了履帶以上的缺點，使履帶結(jié)構得以繼續(xù)發(fā)展 [23]。 本設計方案通過綜合分析以上各結(jié)構簡述并結(jié)合以下各種移動機構綜合評價表進行選型。其中 各種移動機構綜合評價表中由 A 至 D 級進行評價， A為最高分， D 為最低分，通過綜合統(tǒng)計并結(jié)合本設計目的和技術要求選擇較優(yōu)方 案特種履帶移動機構。 表 各類移動機構綜合評價表 [24] 越障性 能 越野性 能 通過性 速度 小型化 穩(wěn)定性 轉(zhuǎn)向性 能 載重自 重比 普通輪式 D C C A A B C A 特種輪式 B C C A B B C B 腿足式 A A A D D A A D 普通履帶 C B B B A B B B 特種履帶 B B B B B A B B 下面對各類主要運動系統(tǒng)在應用環(huán)境下的優(yōu)勢和劣勢進行比較。應用環(huán)境簡化分類成六類典型環(huán)境，分別為室內(nèi)地毯、室內(nèi)硬地板或桌面、室外泥哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 16 土地面、室外草地、普通混 凝土地面、普通瀝青地面。參考各類現(xiàn)有機器人實體在此六類環(huán)境下的表現(xiàn)進行分析。 表 各種移動形式環(huán)境表現(xiàn)評價表 [25] 應用環(huán)境 輪式 腿式 履帶式 室內(nèi)地毯 優(yōu)秀。 只要輪體半徑大于地毯絨毛高度的兩倍即可通過 良好。 如果地毯絨毛較短的話，由于粗毛或較長絨毛可能會掛住而在成麻煩 很差。 地毯纖維會纏結(jié)在鏈輪和鏈軌中，影響傳動 室內(nèi)硬地板或桌面 優(yōu)秀 優(yōu)秀。 腿的末端應該用橡膠處理以提供所需的摩擦牽引力 較好與優(yōu)秀之間。 取決于鏈軌的硬度；軟的橡膠鏈軌在拋光或堅硬的表面可能無法很好的實現(xiàn)轉(zhuǎn) 向，側(cè)滑現(xiàn)象明顯 室外泥土 較好。 如果地面不是過于松軟或崎嶇的話；泡沫輪胎會粘連，并縫隙及紋理內(nèi)會塞滿泥土 很差和良好之間。 取決于地形情況（機器人的靈活程度會不會被絆倒和卡?。? 優(yōu)秀。 但是要注意鏈軌和鏈輪中泥土的結(jié)塊問題，影響傳動 室外草地 很差和較好之間。 機器人地盤要高于草坪的高度 較好和良好之間。 但是機器人因該采取抬腿邁步的姿態(tài)行進，而不是拖拽前行的步姿 優(yōu)秀。 盡管鏈輪和鏈軌中會夾入草屑等雜物，影響傳動 普通混凝土地面 優(yōu)秀。 盡管泡沫輪胎很容易沾上泥土和灰塵，影響抓地力 優(yōu)秀 較好和良好之間。 從轉(zhuǎn)向性能考慮，履帶不太適合使用較硬或過于強韌的材料 普通瀝青地面 較好。 但是如果輪子的半徑較小的話，輪子表面必須非常光滑 良好 優(yōu)秀 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 17 前面分析已經(jīng)確定了選擇履帶式運動系統(tǒng)，結(jié)合本表格的比較結(jié)果，需要求履帶式運動系統(tǒng)進行附加技術要求，主要避免輪體與履帶間夾入雜物和磨損。 其形式通過典型障礙地形運動形式如圖 ，為滿足更高越障要求，采用兩側(cè)前擺履帶隨同側(cè)主履帶運動，并可以單獨控制擺動速度及方向。 圖 排爆機器人移動平臺通過典型障礙地形運動形式示意圖 移動平臺結(jié)構設計 圖 排爆機器人移動平臺結(jié)構簡圖 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 18 根據(jù)確定的運動形式，對排爆機器人移動平臺進行機械結(jié)構方案設計，移動平臺結(jié)構簡圖如圖 ，主要有 10 各部分組成， 1后輪主驅(qū)動電機， 2后輪傳動機構， 3驅(qū)動輪 /后輪， 4支撐輪， 5前擺驅(qū)動電機， 6前擺傳動機構， 7從動輪 /前輪， 8隨動輪 /前擺后輪， 9前擺支架， 10前擺前輪。前擺分布在主履帶兩側(cè)靠前位置，可以自由繞軸做任意方向的 360 度擺動，并且前擺履帶可以隨主履帶運動。 （ 1）移動平臺尺寸規(guī) 劃設計： 以上為本設計排爆機器人初步確定的移動平臺結(jié)構尺寸見圖，確定了相關尺寸在滿足功能性的前提下，盡量減小了體積。其中具體尺寸如下： 移動平臺總寬度： 580mm 700mm； 主履帶寬度： 80mm，前擺履帶寬度： 55mm； 前擺完全擺出后移動平臺總長度： 980mm； 主履帶輪中