【導(dǎo)讀】料均已作明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨立完成，真實可靠，與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計）全部或部分內(nèi)。保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計）。傷亡與財產(chǎn)損失。履帶式機器人雖然行動較慢，運轉(zhuǎn)阻力大，但是通過性強，可。以翻越障礙物，爬樓梯，負(fù)載能力高，所以成為了軍用機器人的首選。詳細(xì)的對比后，找到最合適的設(shè)計方案。在后續(xù)的章節(jié)中對機器人的各個部分進(jìn)。在設(shè)計過程中，充分考慮到了機器人的功能性，機構(gòu)合理。性，并且盡量的控制了加工的難度與成本。最終設(shè)計出一種以完成拆彈任務(wù)為主。同的插件完成偵查，戰(zhàn)斗任務(wù)。1履帶機器人的運動分析..................錯誤!動力傳動模式的選擇..................錯誤!機械臂的驅(qū)動方式選擇................錯誤!

　　

【正文】 旋轉(zhuǎn) 動作 。通過平行四邊形的框架結(jié)構(gòu)使兩個爪塊可以平行移動將爆炸物抓緊，爪端可根據(jù)不同的任務(wù)更換橡膠片，橡膠釘或者其他符合爆炸物形狀的預(yù)制配件。 圖 326 機械爪 Figure 326 Mechanical Claw 圖 327 機械爪的分解視圖 Figure 327 Deposition view of mechanical claw 因為零件太小，再考慮到機械爪不是一個經(jīng)常運轉(zhuǎn)的部件，所以并沒有安裝軸承，這要求機械爪在運作的時候需要進(jìn)行充分的潤滑，否則運行阻力會過大，并且造成磨損。 機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械臂是拆彈機器人的功能部件，不僅需要精準(zhǔn)，而且需要較大的負(fù)載能力，一般的實驗型機器人多采用航模標(biāo)準(zhǔn)的伺服電機，雖然技術(shù)成熟通用性高但是功率不足。履 帶機器人使用的是步進(jìn)電機與蝸桿的結(jié)合，在蝸桿和步進(jìn)電機之間還加了一級行星減速系統(tǒng)，這樣不僅能在高負(fù)載的情況下提供足夠的扭矩，也可以在精心的拆彈工作中提供足夠的微調(diào)精準(zhǔn)度。大體上分為前臂，中臂，后臂，底座四個部分。 前臂 包含機械手和兩個自由度的控制，因為在整個機械臂的末端，所以采用了重量較輕的 42步進(jìn)電機。圖 328中能看出內(nèi)部安裝的三個 42部件電機，行星減速機構(gòu)與后部的蝸桿機構(gòu)。 圖 328 前臂的透視圖 Figure 328 Forearm perspective 圖 329 前臂框 架結(jié)構(gòu)圖 Figure 329 Forearm frame structure 腕關(guān)節(jié)，使用了一個推力軸承和一個滾針軸承。提供兩個方向的足夠的支撐?？梢詰?yīng)付較大的載荷。圖 330 很好的顯示了腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，從左到又分別是，機械爪的末端框架、軸承內(nèi)部支撐、 10mm 推力軸承、 30mm 滾針軸承、軸承外部支撐、機械臂前臂框架。這樣由推力軸承承擔(dān)軸向力，滾針軸承承擔(dān)法相力，可以對機械臂產(chǎn)生足夠的支持力。 圖 330 腕關(guān)節(jié)軸承部件的分解視圖 Figure 330 Wrist bearing ponent of the deposition of View 中臂 中臂較長，提供足夠的操作范圍，因為傳遞的扭矩較大所以使用了較大的57 步進(jìn)電機，作為過渡階段，許多配件與前臂后臂是通用的。中臂也是改裝成偵查臂與戰(zhàn)斗臂的基礎(chǔ)。 圖 331 中臂 Figure 331 In arm 圖 332 中臂的透視圖 Figure 332 Perspective of the in arm 中臂框架的結(jié)構(gòu)圖 Figure 333 Framework structure in the arm 圖 333 所示的 部件與后臂相同位置的部件 是 通用的，圓 柱 形的空間里 裝著蝸桿機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)軸的軸承部件與主軸的軸承部件相同。 圖 334 支撐架 Figure 334 Backstop 支撐架，在中臂前端連接前臂的部件，負(fù)責(zé)傳遞兩個自由度的動作。 上端的開口時為了安裝前臂而設(shè)置的，否則前臂軸無法裝入，裝入后由螺栓固定。 后臂 圖 335 后臂 Figure 335 After arm 圖 336 后臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu) Figure 336 The internal structure of the after arm 圖 337 后臂支撐架 Figure 337 After arm support frame 配件與中臂基本相同，唯一不同的是尾部，因為在行進(jìn)過程中，整個機械臂會折疊起來，所以有一定的死角，這樣提高一定的高度使機械臂可以完全收起。 圖 338 折疊狀態(tài) Figure 338 Folded state 這樣設(shè)計雖然會有更高的自由度范圍，但是會相應(yīng)的降低結(jié)構(gòu)的強度，所以僅僅是后臂與中臂的連接處使用了 這種設(shè)計 ，前臂與中臂的自由度范圍足夠應(yīng)付大部分工作情況所以并沒有采用這種設(shè)計 。 框架 整體采用的仍然是不銹鋼的方管，因為器材與零件全部整合在臂端的模塊中，所以除了臂端模塊以外的部分可以根據(jù)情況隨意改變，比如延長或縮短桿的長度，或者使用圓管等。 圖 339 機械臂框架 Figure 339 Arm frame 底座 負(fù)責(zé)承擔(dān)全部的壓力和扭矩，所以采用較厚的 5mm35鋼板焊接而成，為了在垂直方向有足夠的支撐力，采用了推力軸承。 圖 340 機械臂底座 Figure 340 Arm base 圖 341 機械臂底座框架結(jié)構(gòu) Figure 341 frame of Arm base 圖 342 機械臂底座在底盤的安裝位置 Figure 342 Arm base position in the chassis 圖 343 機械臂底座軸承部件的分解視圖 Figure 343 Manipulator base bearing ponents deposition view 從圖 343 中可以清楚的看到推力軸承，和軸承的安裝順序， 從左到右分別是，后臂支架，軸承支架， 30mm 推力軸承，軸承支架， 25mm 深溝軸承，底座軸，底座架。 軸承座與支架是 通過 焊接連接的。 圖 344 整體視圖 Figure 344 whole body view 4 履帶機器人的控制與傳感器 傳感器 拆彈機器人不僅僅是一個工廠里的組裝機器人，作為遙控設(shè)備他需要人進(jìn)行觀察，需要一些傳感器進(jìn)行現(xiàn)場的評測。 作為軍用機器人，對傳感器的要求非常高。 1，精度高，重復(fù)性好。機器人傳感器的精度直接影響機器人的工作質(zhì)量。尤其是危險的拆彈工作與戰(zhàn)斗工作，任何誤差都會導(dǎo)致財產(chǎn)損失甚至人員傷亡，機器人是否能夠準(zhǔn)確無誤的正常工作取決于傳感器的測量精度。 2，穩(wěn)定性好，可靠性高。機器人 傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是保證機器人能夠長期穩(wěn)定的可靠工作的必要條件。軍用機器人就是以在惡劣環(huán)境中工作而設(shè)計的，所以穩(wěn)定性對軍用機器人來說至關(guān)重要，如果機器人在工作中故障，也將造成財產(chǎn)損失與人員傷亡。 3，抗干擾能力強。機器人傳感器的工作環(huán)境往往比較惡劣，機器人傳感器應(yīng)該能夠承受，當(dāng)有強電磁干擾，強震動，并能在一定的高溫、高壓、高污染環(huán)境下工作。作為拆彈機器人不但要克服自身各種電動馬達(dá)傳感器產(chǎn)生的干擾，也要做好克服來自恐怖分子的惡意干擾的準(zhǔn)備。 4，重量輕、體積小，安裝方便可靠。對于安裝在機器人手臂等運動部 件上的傳感器，重量要輕，否則會加大運動部件的慣性，影響機器人的工作性能。對于工作空間受到某種限制的機器人，體積和安裝方向的要求也是必不可少的。 考慮到以上因素，給履帶機器人在不同使用環(huán)境與不同的任務(wù)配備如下傳感器。 a視頻傳感器 作為人遙控的機器人，視頻是最重要的傳感器之一，操作者幾乎所有的操作與判斷都是通過視頻傳感器而進(jìn)行的。解決方案如下，機器人的前后各安裝一個較低分辨率的固定攝像頭，以在行進(jìn)或者倒退過程中判斷障礙物的形狀以改變機器人的履帶狀態(tài)或者轉(zhuǎn)向。在機械臂的前端安裝一個清晰度較高的攝像頭，跟隨機械 臂前臂的動作來精準(zhǔn)的觀察機械手附近的狀態(tài)。目前市面上非常普遍的室外監(jiān)視器的攝像頭便是很好的選擇，它們被設(shè)計的時候考慮到風(fēng)吹日曬的因素，結(jié)構(gòu)簡單可靠，種類型號繁多，可以很好的適應(yīng)這一工作。 當(dāng)履帶機器人安裝上偵測模塊執(zhí)行偵查任務(wù)的時候，對視頻系統(tǒng)有著更高的要求，為了執(zhí)行夜間或者在黑暗的建筑物中的偵查任務(wù)，微光夜視儀是必備的，紅外攝像頭在觀察人員與汽車等設(shè)備的時候也會非常的有用。為了滿足偵查的需求，激光測距儀也需要被裝備。這些設(shè)備無論是采用民用還是軍用，都有著很好 的性能。 b壓力傳感器，機械爪末端與機械臂的底座 處需要安裝這樣的傳感器，目的是調(diào)解機械手的壓緊力，否則過大的夾持力會使爆炸物的外殼變形而壓迫內(nèi)部的危險物品。底座的壓力傳感器是判斷出爆炸物的重量，如果在抓取抬升的過程中發(fā)現(xiàn)重量過大便需要停止工作，否則會對機械部件造成損害。 c爆炸物傳感器 原理上講是高敏感度的氣味傳感器，通過氣味對爆炸物的化學(xué)成分進(jìn)行判斷，對不同種類的爆炸物使用不同的拆除方法。 d遙控設(shè)備，雖然軍方有完備的系統(tǒng)，但是民用機器人大賽里也有很完備的系統(tǒng)。所以我采用了國內(nèi)機器人競賽中使用的操作模塊，集成了 usb 遙控，大量步進(jìn)電機與傳感器接口，使用 方便而且成本也相對較低。 步進(jìn)電機驅(qū)動模塊 圖 41 四軸數(shù)控車床步進(jìn)電機驅(qū)動模塊 Figure 41 Fouraxis CNC lathe Stepper Motor Driver Module 步進(jìn)電機因為工作原理的原因也需要特殊的驅(qū)動模塊，為了提供全方位的操控性，加上前輪架的俯仰動作，履帶機器人總計使用了 8個步進(jìn)電機，如果每個步進(jìn)電機使用單獨的驅(qū)動模塊的話體積會非常龐大，而且難以控制，通過對市面上各種步進(jìn)電機的驅(qū)動板的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了一種用于小型雕刻機的四軸數(shù)控車床驅(qū)動板非常合適，在一塊電 路板是集成了是四個步進(jìn)電機的驅(qū)動，而且作為數(shù)控車床的驅(qū)動板，軟件方面也非常的全面技術(shù)相當(dāng)成熟，價格比 8個獨立的驅(qū)動板便宜許多。 12 36V 直流電源供電，輸出電流 3A，可驅(qū)動 42,57,86 步進(jìn)電機。兩塊這樣的電路板正好可以驅(qū)動履帶機器人全部的 8個步進(jìn)電機。盡管這是體積縮小的優(yōu)化設(shè)計，但是兩塊步進(jìn)電機的驅(qū)動板面積仍然非常大，并且主控芯片對散 熱有一定的要求，不能安裝的太緊密，也不能安裝在機器人的內(nèi)部，只能將其安置在底盤的底部。 圖 42 步進(jìn)電機驅(qū)動模塊的在底盤的安裝位置 Figure 42 Stepper motor drive modules installed in the chassis location 圖 42顯示了兩個步進(jìn)電機控制模塊在底盤上的安裝位置，下文中的表 41則是 4軸步進(jìn)電機驅(qū)動板的一些重要數(shù)據(jù)。車床步進(jìn)電機控制板并非為移動設(shè)備而設(shè)計，所以需要額外的防護(hù)措施以適應(yīng)惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境。 表 41 四軸數(shù)控車床步進(jìn)電機驅(qū)動模塊的性能參數(shù) Table 41 Fouraxis CNC lathe stepper motor drive module performance parameters 輸入電源 12 36V直流電源供電 輸出電流 3A(峰值 ) 驅(qū)動電機 42,57,86 步進(jìn)電機 (4 線 6 線 8 線步進(jìn)電機 ) 重量 300g 使用溫度 0℃ 50℃ 最大震動 遠(yuǎn)程遙控與傳感器系統(tǒng) 履帶機器人有多組傳感器，有包含多路步進(jìn)電機的控制，需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 方案一 在國內(nèi)機器人大賽中經(jīng)常被使用的整合系統(tǒng)，主要控制系統(tǒng)為一個單片機，配備大量傳感器與步進(jìn)電機控制板，缺點是視頻需要通過另一路系統(tǒng)傳輸，可以滿足一般的拆彈任務(wù)與訓(xùn)練的需求。 圖 43 單片機整合控制模塊 Figure 43 Integrated control module SCM 表 42 單片機整合控制模塊的性能參數(shù) Table 42 SCM integrated control module performance parameters 工作頻率 431MHz to 478MHz 頻率間隔 200KHz 接收靈敏度 117dBm@1200bps 接口速率 1200 19200bps 工作溫度 20℃ 70℃ 電源 – (177。50mV 紋波 ) 發(fā)射電流 ≦ 35mA@10mW 接收電流 ≦ 30mA 傳輸距離 1000m 備用方案 通過 3G網(wǎng)絡(luò)可以在有手機信號的任意范圍內(nèi)操作機器人，在沒有 3G 信號的地方可以通過計算機無線網(wǎng)卡使用的 通訊協(xié)議在 200 米范圍內(nèi)進(jìn)行操作并傳遞高清視頻信號。需要在履帶機器人內(nèi)安裝微型 PC系統(tǒng)。因為 PC有著強大的計算能力所以可以方便的解決控制問題，與自主偵查等。通過網(wǎng)絡(luò)可以在世界任何一點遙控履帶機器人。 市面上銷售的以 Atom為核心的微型筆記本可以很好的完成這一任務(wù)，它們都內(nèi)置無線網(wǎng)卡與 3G 網(wǎng)卡，整合性高，自帶的電源可以供給 6 小時以上的電力。 5 履帶機器人的動力部件 除了結(jié)構(gòu)部件以外，有許多難以加工的部件比如電氣類和遙控類部件等，仍然需要向供貨商購買。這其中種類與型號繁多。履帶機器人中所使用都是技術(shù) 成熟 并且相對價格較低的產(chǎn)品。以下是所選部件的型號與詳細(xì)參數(shù)。 電動馬達(dá) 主動力采用 86mm 直徑 48V 的無刷永磁直流馬達(dá)。和普通馬達(dá)相反，無刷馬達(dá)的線圈是固定的而磁體是旋轉(zhuǎn)的。與普通有刷馬達(dá)的相比，它產(chǎn)生的電子干擾較小，摩擦小。 市面上在這一功率范圍內(nèi)的電動馬達(dá)的電壓分為 24V 和 48V 兩種，這對于非移動設(shè)備來說可能僅僅只是更換變壓器這么簡單，但是對于移動的平臺， 48V 意味著四個 12V 蓄電池，這對空間和質(zhì)量上都是一種挑戰(zhàn)。但是在相同的功率下48V的馬達(dá)更短，更輕，效率更高，發(fā)熱更小，綜合以上多個優(yōu)點，最終還是選擇了 48V 馬達(dá)。 雖然數(shù)據(jù)顯示使用稀有金屬磁體馬達(dá)的話，馬達(dá)的性能會大大提升。比如，小型稀有金屬 馬達(dá)的效率一般在 80%到 90%。而且不管多高的電壓和高熱他都不會退磁。相對