【正文】 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(diǎn)，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。相對于普通鐵氧體馬達(dá)會將33%的能量用于發(fā)熱，稀有金屬馬達(dá)只把10%到20%的功率轉(zhuǎn)化成熱量。但是通過調(diào)查，市面上的稀有金屬馬達(dá)的售價過高，所以履帶機(jī)器人并沒有采用這種稀有金屬磁體馬達(dá)。圖51 86BLF02無刷直流永磁馬達(dá)Figure 51 86BLF02 Permanent magnet brushless DC motor表51 86BLF02無刷直流永磁馬達(dá)的性能參數(shù)Table 51 86BLF02 Permanent magnet brushless DC motor performance parameters型號86BLF02額定電壓48V額定轉(zhuǎn)速3000RPM保持力矩輸出功率330W峰值轉(zhuǎn)矩峰值電流重量如表51所示，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，電動馬達(dá)銘牌上的功率一般經(jīng)過取整，而轉(zhuǎn)速和保持力矩是經(jīng)過實(shí)測。，根據(jù)功率公式： (51)則此時的實(shí)際輸出功為：動力模塊中的蝸桿減速器減速比為20，鏈條齒輪的減速比為5，共計(jì)100。則主軸輸出扭矩為105Nm。主動輪半徑為150mm，根據(jù)扭矩公式： （52）則在主輪與履帶之間最大可產(chǎn)生的推力為： 兩套86無刷馬達(dá)經(jīng)傳動后可以使主輪產(chǎn)生1400N的推力。在摩擦力足夠的情況下可以使履帶機(jī)器人爬上垂直的障礙物。因此履帶機(jī)器人的動力系統(tǒng)即使在額定狀態(tài)下也可以應(yīng)付各種障礙物。 馬達(dá)驅(qū)動無刷馬達(dá)的工作原理是用一個能偵測線圈位置的感應(yīng)器。將信號以每秒數(shù)千次的頻率發(fā)送到一個特殊的控制器，并在每次線圈變換位置的時候激發(fā)它。所以無刷馬達(dá)需要特制的控制器。履帶機(jī)器人使用的是市面上銷售的48V330W的無刷馬達(dá)，所以需要一個能夠在48V下輸出10A以上的馬達(dá)驅(qū)動。許多電瓶車或者電動自行車有完備的驅(qū)動解決方案。DBLS01為閉環(huán)速度型控制器，采用IGBT和MOS功率器，利用直流無刷電機(jī)的霍爾信號進(jìn)行倍頻后進(jìn)行閉環(huán)速度控制，控制環(huán)節(jié)設(shè)有PID速度調(diào)節(jié)器，系統(tǒng)控制穩(wěn)定可靠，尤其是在低速下總能達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，速度控制范圍1506000rpm。同時具備電氣剎車功能，使馬達(dá)反應(yīng)迅速而且省去了剎車盤等部件，具有過壓、欠壓、過流、過溫、霍爾信號非法等故障報(bào)警功能。完全符合履帶機(jī)器人對任務(wù)的需求。原本為電瓶車而設(shè)計(jì)的架構(gòu)有著很好的抗震性能。圖52 DBLS01馬達(dá)驅(qū)動器Figure 52 DBLS01Motor drive表52 DBLS01馬達(dá)驅(qū)動器的性能參數(shù)Table 52 DBLS01 Motor drive Performance parameters型號DBLS01標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓48VDC最大輸入過載保護(hù)電流5A/15A加速時間常數(shù) 步進(jìn)電機(jī)為了產(chǎn)生足夠的扭矩，同時又要將其容納在局促的機(jī)械臂中，履帶機(jī)器人采用了兩種步進(jìn)電機(jī)，機(jī)械爪的張合與前臂旋轉(zhuǎn)與俯仰使用的是工業(yè)上常用的42步進(jìn)電機(jī)，它們被大量的應(yīng)用在數(shù)控車床上，有著成熟的技術(shù)配套設(shè)備與軟件。除了機(jī)械爪與前臂以外，機(jī)械臂的后部等扭矩需求較大的地方使用的是57步進(jìn)電機(jī)。都配合了相應(yīng)的行星減速機(jī)構(gòu)與蝸桿減速器，以提高扭矩和精準(zhǔn)度。圖53 42步進(jìn)電機(jī)Figure 53 42 Stepping Motor表53 42步進(jìn)電機(jī)的性能參數(shù)Table 53 42 Stepping Motor Performance parameters電機(jī)型號42BYGH4425步矩角相電壓相電流靜力矩重量42步進(jìn)電機(jī)主要是作為機(jī)械爪與前臂的動力。在機(jī)械爪中，經(jīng)過減速比為30的蝸桿減速后。當(dāng)機(jī)械爪的連桿與機(jī)械臂的軸線平行的時候得到最大的法相夾緊力，此時的力矩為100mm。則根據(jù)公式（52）機(jī)械爪中部的法向加持力為：當(dāng)機(jī)械爪的連桿運(yùn)動到垂直于機(jī)械臂軸線的時候，機(jī)械爪張開度最大，夾緊力最小，此時的力矩為72 mm，機(jī)械爪中部的法向夾持力為：作為前臂的動力時，42步進(jìn)電機(jī)先經(jīng)過減速比為20的行星減速器，再經(jīng)過減速比為20的蝸桿減速器，減速比共計(jì)400，靜力矩提升為192Nm。前臂從卡爪中部到前臂軸的距離為330mm。則，臂端在水平狀態(tài)下可承受的拉力為： 即在水平狀態(tài)下前臂步進(jìn)電機(jī)可使前臂抬起50kg以上的重物，完全能移除一般爆炸物。前臂的腕關(guān)節(jié)采用的步進(jìn)電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)與之相同，而且力矩非常短，故不進(jìn)行校核。圖54 57步進(jìn)電機(jī)Figure 54 57 Stepping Motor表54 57步進(jìn)電機(jī)的性能參數(shù)Table 54 57 Stepper motor performance parameters電機(jī)型號57BYGH56401A步矩角相電壓相電流靜力矩重量57步進(jìn)電機(jī)是作為中臂和后臂的馬達(dá)，承受扭矩要大于前臂，同樣先經(jīng)過減速比為20的行星減速器，再經(jīng)過減速比為20的蝸桿減速器，減速比共計(jì)400，靜力矩提升為504Nm。機(jī)械臂的幾個部分中，中臂軸距933mm，后臂軸距610mm，卡爪中部到前臂軸距為330mm。當(dāng)機(jī)械臂完全展開并且平行于地面的時候，后臂末端的步進(jìn)電機(jī)承受的扭矩最大。此時力矩d為： 根據(jù)公式（52）末端法向力為: 即臂端可以承擔(dān)26kg以上的重物，而且運(yùn)行中，機(jī)器人很少會將機(jī)械臂完全展開而且處于水平位置，一般是在一米的半徑上工作，此時的力矩d為1m，則此時的末端法向力為： 即普通位置抓取物體的情況下，也可以將50kg的物體抓起。考慮到機(jī)械臂自重10kg左右，外加各種運(yùn)轉(zhuǎn)阻力，與機(jī)械爪的握力，機(jī)械臂的額定抓取重量為20kg左右。 鉛酸蓄電池圖55 LCX127CH型鉛酸蓄電池Figure 55 LCX127CH Leadacid batteries鉛酸蓄電池的型號很多，目前市面上普遍的電壓數(shù)為6V或者12V，履帶機(jī)器人使用的是48V電動馬達(dá)，所以需要將四塊12V鉛酸蓄電池串聯(lián)使用。四塊鉛酸蓄電池中，兩塊安裝在底盤框架中部，兩塊外掛在下底盤模塊的外側(cè)。四塊鉛酸蓄電池也起到配重的作用，使機(jī)械臂在工作中機(jī)體保持平衡。圖56 蓄電池在底盤上的安裝位置Figure 56 Battery location on the chassis 表55 LCX127CH型鉛酸蓄電池的性能參數(shù)Table 55 LCX127CH leadacid batteries Performance parameters型號LCX127CH標(biāo)準(zhǔn)電壓12V標(biāo)準(zhǔn)容量12AH內(nèi)阻17mhms重量履帶機(jī)器人的主動力是兩個330W電動馬達(dá)，，運(yùn)轉(zhuǎn)在額定工作狀態(tài)下的無刷馬達(dá)的效率一般為75%。則實(shí)際輸入功率約為440W，兩個無刷馬達(dá)共計(jì)880W。，普通的鉛酸蓄電池便可以滿足。6 履帶機(jī)器人的功能與擴(kuò)展 底盤特性作為履帶機(jī)器人，底盤是最為重要的，履帶機(jī)器人主要是執(zhí)行軍事任務(wù)，所以對底盤的要求比一般的機(jī)器人大賽要高的多。尤其是拆彈工作與狙擊工作需要絕對的精準(zhǔn)。所以底盤的穩(wěn)定性尤為重要。為了有更好的地形通過性，履帶機(jī)器人采用了主履帶加輔助履帶的模式。兩組履帶尺寸相同，不僅僅是出于通用性的考慮。機(jī)器人雖然是重要的反恐輔助工具，但是輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人往往不是很高大，而現(xiàn)實(shí)中人們設(shè)置圍欄桌椅往往是以人的高端為參照的，所以趴在地上的機(jī)器人并不是很好完成一些放在位置較高地方的任務(wù)。比如許多炸彈是安裝在汽車后備箱中的，這就需要機(jī)器人有一定的高度。而兩組尺寸相同的履帶可以使機(jī)器人在必要的時候立起來。這會提升機(jī)器人50cm左右的高度，可以應(yīng)付一般的汽車炸彈。作為偵查機(jī)器人，這一優(yōu)勢便更為明顯，立起來的機(jī)器人能躲在較高的障礙物后面通過升起的觀察模塊進(jìn)行觀察，不容易被發(fā)現(xiàn)。圖61 底盤抬高狀態(tài)Figure 61 Raise status of the chassis拆彈工作中，爆炸物一般是在機(jī)器人的前部，這樣有著最好的視野。當(dāng)機(jī)械臂抓取爆炸物的時候，整體的中心會因?yàn)榍吧斓臋C(jī)械臂和爆炸物改變，這是如果將前輪架展開支撐好，則可以防止機(jī)器人翻倒。圖62 底盤展開狀態(tài)Figure 62 Expand states of the chassis在不需要調(diào)整重心的時候，前伸的前輪架使機(jī)器人的長度達(dá)到120cm，這降低了機(jī)器人的通過性。所以在非越野狀態(tài)下，機(jī)器人可以將前輪架收起。這樣使結(jié)構(gòu)更加緊湊。轉(zhuǎn)向更靈活，在戰(zhàn)斗模式下的突擊工作中會得心應(yīng)手。圖63 底盤折疊狀態(tài)Figure 63 Folded states of the chassis 拆彈模式圖64 拆彈模式Figure 64 Bomb model履帶機(jī)器人所有的設(shè)計(jì)都是以拆彈模式為根本，定位于多功能中性拆彈機(jī)器人。所有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)先為拆彈工作而考慮。在發(fā)現(xiàn)可疑物體以后進(jìn)行先期的觀察，一般爆炸物外部有覆蓋物遮蓋，不能判斷內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這時需要小心移除爆炸物的偽裝。七個自由度的機(jī)械手可以很好的完成這一工作，在移除爆炸物的偽裝后通過攝像頭對爆炸物進(jìn)行近距離的觀察，判斷爆炸物類型與起爆方式，遙控方式等。a如果爆炸物結(jié)構(gòu)簡單而且起爆方式也非遙控類型，則由人工進(jìn)行排爆。b如果爆炸物起爆方式與遙控方式不明，但是體積較小可由拆彈機(jī)器人將其移動到安全位置進(jìn)行引爆。c，如果爆炸物為遙控炸彈，而且體積較大無法移動位置，并且周圍環(huán)境空曠，可以采用拆彈機(jī)器人將小型引爆器放在炸彈附近，強(qiáng)制引爆?？梢娫谳^簡單的情況下，排爆機(jī)器人可以完成大部分的拆彈工作，只有在某些特殊的情況下才需要進(jìn)行人工排爆，而實(shí)際反恐戰(zhàn)爭中，高科技的大型炸彈不是很多，大部分是土法制造的小型炸彈，拆彈機(jī)器人的引入可以大大的降低風(fēng)險(xiǎn)。 偵查模式圖65 偵查模式Figure 65 Detection mode把機(jī)械臂的中臂進(jìn)行改造，原來連接中臂桿的位置連接了一個偵查插件。此時的機(jī)械臂依然有三個自由度，能把偵查插件指向任何角度進(jìn)行偵查。偵查狀態(tài)下，機(jī)器人的負(fù)載大大減小，主動力模塊的減速比將從100改為75。以提高行進(jìn)速度。對功率的要求也降低了，電池模塊將更換為鎳氫電池組，可以使履帶機(jī)器人工作更長的時間。除了執(zhí)行戰(zhàn)斗偵查任務(wù)以外，也可以在有輻射或者危險(xiǎn)氣體的工廠中進(jìn)行檢修工作。這時在搭配視頻偵查模塊的同時也需要搭載化學(xué)物品與輻射傳感器。圖66 偵查插件Figure 66 Detection plugin 既然作為偵查機(jī)器人，內(nèi)部的光學(xué)儀器必須全面，偵查插件配備如下1，白光攝像頭，一個大口徑的高倍數(shù)白光攝像頭，便于遠(yuǎn)距離觀察，或者對情況進(jìn)行全景掃描。2，微光夜視儀的原理是使用微弱的夜間光源，比如星光，大氣漫反射的光，經(jīng)過放大而看見夜間的情況，可以夜晚得到良好的視野。成像效果良好。3，作為另一個夜間觀察設(shè)備，紅外夜視儀雖然在功能上與微光夜視儀有點(diǎn)沖突，但是它的工作特性使他能在夜晚更快速的找到汽車，人員等發(fā)熱的目標(biāo)。而且在完全沒有光的山洞和地下室內(nèi)，微光夜視儀會無法工作，紅外夜視儀成為了微光夜視儀很好的補(bǔ)充。4，激光測距儀，作為偵查機(jī)器人，對距離的測量非常重要，如發(fā)現(xiàn)目標(biāo)可在遠(yuǎn)處通過激光測距儀計(jì)算出目標(biāo)的坐標(biāo)，引導(dǎo)炮兵或者空軍進(jìn)行精確打擊。 戰(zhàn)斗模式圖67 戰(zhàn)斗模式Figure 67 Combat mode作為多功能履帶機(jī)器人平臺，可以方便的通過更換插件來完成不同的任務(wù)，這次將中臂改造成戰(zhàn)斗插件，其中包含一只G36突擊步槍，選擇它作為戰(zhàn)斗模塊的武器主要考慮了以下幾個優(yōu)點(diǎn)。圖68 戰(zhàn)斗模式插件Figure 68 Combat plugin1， G36外部一體化較高，幾乎沒什么外置部件，所以可以快速的完成建模工作。2，機(jī)器人很難自主完成更換彈夾工作，使用彈鏈供彈的輕機(jī)槍是戰(zhàn)斗機(jī)器人的首選，但是輕機(jī)槍的部件更多更難畫，而且長度過大，重量也比較驚人。而德國的這款突擊步槍提供一個90發(fā)彈鼓，雖然比不上輕機(jī)槍使用的200發(fā)彈鏈，但是解決了其他突擊步槍僅僅30發(fā)的彈夾供彈不足的問題。3，突擊步槍取了輕機(jī)槍和步槍的優(yōu)點(diǎn)，既可以像輕機(jī)槍那樣掃射，也可以像步槍那樣精準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，G36在同行業(yè)中是佼佼者，精度，射程，射速表現(xiàn)都非常出色。三個自由度的機(jī)械臂可以使戰(zhàn)斗狀態(tài)下的履帶機(jī)器人可以在800米的范圍內(nèi)進(jìn)行精準(zhǔn)的狙擊工作，也可以在前方突入未知建筑配合特種部隊(duì)作戰(zhàn)。動力模塊的減速比與電池模塊的配置與拆彈狀態(tài)相同。7 總結(jié)本文主要完成了以下工作:1，本論文開始簡要介紹了國內(nèi)外有關(guān)履帶機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)的研究背景和發(fā)展?fàn)顩r，并闡述了履帶機(jī)器人的設(shè)計(jì)理念。2，本論文重點(diǎn)分析介紹了不同傳動方式、驅(qū)動模式、機(jī)械臂形式等，并進(jìn)行了詳細(xì)的對比與選擇。3，根據(jù)履帶機(jī)器人的特點(diǎn)，詳細(xì)的對機(jī)器人的各個結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與建模。4，通過對履帶機(jī)器人的使用情況與需求，在市面上選擇了合適的電器部件。5，對履帶機(jī)器人的功能進(jìn)行了拓展設(shè)計(jì)，使之能在不同的需求下完成不同的任務(wù)。對下一步工作的展望:目前已經(jīng)完成全部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，操作軟件與視頻遙控設(shè)備還未進(jìn)行設(shè)計(jì)。下一步將完善