【導讀】能在人的操控下在人類難以接近或者遠距離完成作業(yè)的機器人。式履帶機器人,它們應用在伊拉克戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中,取得了巨大的成功。機器人、日本的HeliosVII機器人都屬于小型履帶機器人,因其各自用途不同,國內(nèi)對該類機器人研究起步較晚,但近期取得了一定成果,如沈陽自動化研究所研制的CLIMBER機器人,北京理工大學研制的四履腿機器人,的的拆彈機器人，偵查機器人與戰(zhàn)斗機器人均已履帶機器人為基礎。以上三種軍用機器人中，拆彈機器人使用的最為廣泛。目前在各國的警察。部隊中，拆彈機器人已經(jīng)成為反恐作戰(zhàn)的必備裝備。一個優(yōu)良的拆彈機器人擁有通過性與。產(chǎn)生系列產(chǎn)品，如偵查機器人，搜救機器人，戰(zhàn)斗機器人等。所以在設計這個拆彈機器人的時候，所有的結(jié)構(gòu)部件在。可能會引爆爆炸物，或激發(fā)爆炸物的起爆裝置，這會導致災難性的后果。以電動馬達對于拆彈機器人是最理想的動力來源。將發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速可靠精準的傳遞到輪子也是非常重要的。

　　

【正文】 重要數(shù)據(jù)。車床步進電機控制板并非為移動設備而設計，所以需要額外的防護措施以適應惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境。 履帶機器人的結(jié)構(gòu)設計與建模 44 表 41 四軸數(shù)控車床步進電機驅(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 電機 (4 線 6 線 8 線步進電機 ) 重量 300g 使用溫度 0℃ 50℃ 最大震動 遠程遙控與傳感器系統(tǒng) 履帶機器人有多組傳感器，有包含多路步進電機的控制，需要復雜的控制系統(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與訓練的需求。 圖 43 單片機整合控制模塊 Figure 43 Integrated control module SCM 青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 45 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 200米范圍內(nèi)進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，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。 履帶機器人的結(jié)構(gòu)設計與建模 46 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參數(shù)。 電動馬達 主動力采用 86mm 直徑 48V 的無刷永磁直流馬達。和普通馬達相反，無刷馬達的線圈是固定的而磁體是旋轉(zhuǎn)的。與普通有刷馬達的相比，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)的電動馬達的電壓分為 24V 和 48V 兩種，這對于非移動設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。 雖然數(shù)據(jù)顯示使用稀有金屬磁體馬達的話，馬達的性能會大大提升。比如，小型稀有金屬馬達的效率一般在 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會將 33%的能量用于發(fā)熱 ，稀有金屬馬達只把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的售價過高，所以履帶機器人并沒有采用這種稀有金屬磁體馬達。 圖 51 86BLF02無刷直流永磁馬達 Figure 51 86BLF02 Permanent mag brushless DC motor 青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 47 表 51 86BLF02 無刷直流永磁馬達的性能參數(shù) Table 51 86BLF02 Permanent mag 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，電動馬達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)過實測。主動力馬達在 3000RPM 的轉(zhuǎn)速下的保持力矩 T 為，根據(jù)功率公式： PT??? (51)則此時的實際輸出 功為： 3 0 0 0 21 . 0 5 3 2 9 . 760r p mP T N m W?? ?? ? ? ? ? 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 100。則主軸輸出扭矩為 105Nm。 主動輪半徑為 150mm，根據(jù)扭矩公式： TF d? （ 52） 則在主輪與履帶之間最大可產(chǎn)生的推力為： 1 0 5 N m 7000 .1 5TFNr?? ? ? 兩套 86 無刷馬達經(jīng)傳動后可以使主輪產(chǎn)生 1400N 的推力。考慮到履帶機器人在硬質(zhì)地面的經(jīng)驗傳動阻力系數(shù)為 。最終的理論推力是 。在摩擦力足夠的情況下可以使履帶機器人爬上垂直的障礙物。因此履帶機器人的動力系統(tǒng)即使在額定狀態(tài)下也可以應付各種障礙物。 履帶機器人的結(jié)構(gòu)設計與建模 48 馬達驅(qū)動 無刷馬達的工作原理是用一個能偵測線圈位置的感應器。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。所以無刷馬達需要特制的控制器。履帶機器人使用的是市面上銷售的 48V330W的無刷馬達，所以需要一個能夠在 48V 下輸出 10A 以上的馬達驅(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，利用直流無刷電機的霍爾信號進行倍頻后進行閉環(huán)速度控制，控制環(huán)節(jié)設有 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 反應迅速 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警功能 。 完全符合履帶機器人對任務的需求。原本為電瓶車而設計的架構(gòu)有著很好的抗震性能。 圖 52 DBLS01馬達驅(qū)動器 Figure 52 DBLS01Motor drive 表 52 DBLS01 馬達驅(qū)動器的性能參數(shù) Table 52 DBLS01 Motor drive Performance parameters 型號 DBLS01 標準輸入電壓 48VDC 最大輸入過載保護電流 5A/15A 加速時間常數(shù) 青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 49 步進電機 為了產(chǎn)生足夠的扭矩，同時又要將其容納在局促的機械臂中，履帶機器人采用了兩種步進電機，機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步進電機，它們被大量的應用在數(shù) 控車床上，有著成熟的技術(shù)配套設備與軟件。除了機械爪與前臂以外，機械臂的后部等扭矩需求較大的地方使用的是 57步進電機。都配合了相應的行星減速機構(gòu)與蝸桿減速器，以提高扭矩和精準度。 圖 53 42步進電機 Figure 53 42 Stepping Motor 表 53 42 步進電機的性能參數(shù) Table 53 42 Stepping Motor Performance parameters 電機型號 42BYGH4425 步矩角 相電壓 相電流 靜力矩 重量 42步進電機主要是作為機械爪與前臂的動力，靜力矩為 。在機械爪中，經(jīng)過減速比為 30 的蝸桿減速后，靜力矩提升為 。 當機械爪的連桿與機械臂的軸線平行的時候得到最大的法相夾緊力，此時履帶機器人的結(jié)構(gòu)設計與建模 50 的力矩為 100mm。則根據(jù)公式（ 52）機械爪中部的法向加持力為： m a x 1 4 .4 1440 .1T N mFNdm? ? ? 當機械爪的連桿運動到垂直于機械臂軸線的時候，機械爪張開度最大，夾緊力最小，此時的力矩為 72 mm，機械爪中部的法向夾持力為： m i n 0 .0 4 1 4 .4si n 1 1 1 .10 .0 7 2 0 .0 7 2T N mFNdm?? ? ? ? 作為前臂的動力時， 42 步進電機先經(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 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： 192 5 8 1 .8 10 .3 3T N mFNdm? ? ? 即在水平狀態(tài)下前臂步進電機可使前臂抬起 50kg 以上的重物，完全能移除一般爆炸物。前臂的腕關節(jié)采用的步進電機與減速機構(gòu)與之相同，而且力矩非常短，故不進行校核。 圖 54 57步進電機 Figure 54 57 Stepping Motor 表 54 57 步進電機的性能參數(shù) Table 54 57 Stepper motor performance parameters 電機型號 57BYGH56401A 青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 51 步矩角 相電壓 相電流 靜力矩 重量 57步進電機是作為中臂和后臂的馬達，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 400，靜力矩提升為 504Nm。機械臂的幾個部分中，中臂軸距 933mm， 后臂軸距 610mm，卡爪中部到前臂軸距為 330mm。當機械臂完全展開并且平行于地面的時候，后臂末端的步進電機承受的扭矩最大。此時力矩 d 為： 1 2 3 0 .3 3 0 .6 1 0 .9 3 3 1 .8 7 3d d d d m m m m? ? ? ? ? ? ? 根據(jù)公式（ 52）末端法向力為 : m in 504 2 6 9 .11 .8 7 3T NmFNdm? ? ? 即臂端可以承擔 26kg 以上的重物，而且運行中，機器人很少會將機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： 504 5041T N mFNdm? ? ? 即 普通位置抓取物體的情況下，也可以將 50kg 的物體抓起?？紤]到機械臂自重 10kg 左右，外加各種運轉(zhuǎn)阻力，與機械爪的握力，機械臂的額定抓取重量為 20kg 左右。 履帶機器人的結(jié)構(gòu)設計與建模 52 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，履帶機器人使用的是 48V 電動馬達，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，使機械臂在工作中機體保持平衡。 圖 56 蓄電池在底盤上的安裝位置 Figure 56 Battery location on the chassis 青島科技大學本科畢業(yè)設計（論文） 53 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 標準電壓 12V 標準容量 12AH 內(nèi)阻 17mhms 重量 履帶機器人的主動力是兩個 330W電動馬達，經(jīng)過 ，馬達在額定狀態(tài)下的實際輸出功率為 ，運轉(zhuǎn)在額定工作狀態(tài)下的無刷馬達的效率一般為 75%。則實際輸入功率約為 440W，兩個無刷馬達共計 880W。需要電池輸出 的電流，普通的鉛酸蓄電池便可以滿足。 履帶機器人的結(jié)構(gòu)設計與建模 54 6 履帶機器人的功能與擴展 底盤特性 作為履帶機器人，底盤是最為重要的，履帶機器人主要是執(zhí)行軍事任務，所以對底盤的要求比一般的機器人大賽要高的多。尤其是拆彈工作與狙擊工作需要絕對的精準。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。機器人雖然是重要的反恐輔助工具，但是輪式機器人和履帶式機器人往往不是很高大，而現(xiàn)實中人們設置圍欄桌椅往往是以人的高端為參照的，所以趴在地上的機器人并不是很好完成一些放在位置較高地方的任務。比如許多炸彈是安裝在汽車后備箱中的，這就需要機器人有一定的高度。而兩組尺寸相同的履帶可以使機器人在必要的時候立起來。這會提升機器人 50cm左右的高度，可以應付一般的