【導(dǎo)讀】能在人的操控下在人類難以接近或者遠(yuǎn)距離完成作業(yè)的機(jī)器人。式履帶機(jī)器人,它們應(yīng)用在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)和阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中,取得了巨大的成功。機(jī)器人、日本的HeliosVII機(jī)器人都屬于小型履帶機(jī)器人,因其各自用途不同,國(guó)內(nèi)對(duì)該類機(jī)器人研究起步較晚,但近期取得了一定成果,如沈陽自動(dòng)化研究所研制的CLIMBER機(jī)器人,北京理工大學(xué)研制的四履腿機(jī)器人,的的拆彈機(jī)器人，偵查機(jī)器人與戰(zhàn)斗機(jī)器人均已履帶機(jī)器人為基礎(chǔ)。以上三種軍用機(jī)器人中，拆彈機(jī)器人使用的最為廣泛。目前在各國(guó)的警察。部隊(duì)中，拆彈機(jī)器人已經(jīng)成為反恐作戰(zhàn)的必備裝備。一個(gè)優(yōu)良的拆彈機(jī)器人擁有通過性與。產(chǎn)生系列產(chǎn)品，如偵查機(jī)器人，搜救機(jī)器人，戰(zhàn)斗機(jī)器人等。所以在設(shè)計(jì)這個(gè)拆彈機(jī)器人的時(shí)候，所有的結(jié)構(gòu)部件在?？赡軙?huì)引爆爆炸物，或激發(fā)爆炸物的起爆裝置，這會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。以電動(dòng)馬達(dá)對(duì)于拆彈機(jī)器人是最理想的動(dòng)力來源。將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速可靠精準(zhǔn)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(jìn)電機(jī)控制板并非為移動(dòng)設(shè)備而設(shè)計(jì)，所以需要額外的防護(hù)措施以適應(yīng)惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。 履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模 44 表 41 四軸數(shù)控車床步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī) 42,57,86 步進(jìn) 電機(jī) (4 線 6 線 8 線步進(jìn)電機(jī) ) 重量 300g 使用溫度 0℃ 50℃ 最大震動(dòng) 遠(yuǎn)程遙控與傳感器系統(tǒng) 履帶機(jī)器人有多組傳感器，有包含多路步進(jìn)電機(jī)的控制，需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 方案一 在國(guó)內(nèi)機(jī)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(gè)單片機(jī)，配備大量傳感器與步進(jìn)電機(jī)控制板，缺點(diǎn)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(jī)整合控制模塊 Figure 43 Integrated control module SCM 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 45 表 42 單片機(jī)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(jī)信號(hào)的任意范圍內(nèi)操作機(jī)器人，在沒有 3G 信號(hào)的地方可以通過計(jì)算機(jī)無線網(wǎng)卡使用的 200米范圍內(nèi)進(jìn)行操作并傳遞高清視頻信號(hào)。需要在履帶機(jī)器人內(nèi)安裝微型 PC 系統(tǒng)。因?yàn)?PC 有著強(qiáng)大的計(jì)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(diǎn)遙控履帶機(jī)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(shí)以上的電力。 履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模 46 5 履帶機(jī)器人的動(dòng)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(gòu)買。這其中種類與型號(hào)繁多。履帶機(jī)器人中所使用都是技術(shù)成熟并且相對(duì)價(jià)格較低的產(chǎn)品。以下是所選部件的型號(hào)與詳細(xì)參數(shù)。 電動(dòng)馬達(dá) 主動(dòng)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(dòng)馬達(dá)的電壓分為 24V 和 48V 兩種，這對(duì)于非移動(dòng)設(shè)備來說可能僅僅只是更換變壓器這么簡(jiǎn)單，但是對(duì)于移動(dòng)的平臺(tái)， 48V意味著四個(gè) 12V 蓄電池，這對(duì)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(gè)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(huì)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(huì)退磁。相對(duì)于普通鐵氧體馬達(dá)會(huì)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(jià)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 mag brushless DC motor 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 47 表 51 86BLF02 無刷直流永磁馬達(dá)的性能參數(shù) Table 51 86BLF02 Permanent mag brushless DC motor performance parameters 型號(hào) 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(dòng)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(cè)。主動(dòng)力馬達(dá)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(shí)的實(shí)際輸出 功為： 3 0 0 0 21 . 0 5 3 2 9 . 760r p mP T N m W?? ?? ? ? ? ? 動(dòng)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(dòng)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(dá)經(jīng)傳動(dòng)后可以使主輪產(chǎn)生 1400N 的推力?？紤]到履帶機(jī)器人在硬質(zhì)地面的經(jīng)驗(yàn)傳動(dòng)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(jī)器人爬上垂直的障礙物。因此履帶機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)即使在額定狀態(tài)下也可以應(yīng)付各種障礙物。 履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模 48 馬達(dá)驅(qū)動(dòng) 無刷馬達(dá)的工作原理是用一個(gè)能偵測(cè)線圈位置的感應(yīng)器。將信號(hào)以每秒數(shù)千次的頻率發(fā)送到一個(gè)特殊的控制器，并在每次線圈變換位置的時(shí)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(gè)能夠在 48V 下輸出 10A 以上的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。許多 電瓶車或者電動(dòng)自行車有完備的驅(qū)動(dòng)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(hào)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(shí)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(hào)非法等故障報(bào)警功能 。 完全符合履帶機(jī)器人對(duì)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(dòng)器 Figure 52 DBLS01Motor drive 表 52 DBLS01 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的性能參數(shù) Table 52 DBLS01 Motor drive Performance parameters 型號(hào) 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(shí)間常數(shù) 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 49 步進(jìn)電機(jī) 為了產(chǎn)生足夠的扭矩，同時(shí)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(hào) 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(dòng)力，靜力矩為 。在機(jī)械爪中，經(jīng)過減速比為 30 的蝸桿減速后，靜力矩提升為 。 當(dāng)機(jī)械爪的連桿與機(jī)械臂的軸線平行的時(shí)候得到最大的法相夾緊力，此時(shí)履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模 50 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： m a x 1 4 .4 1440 .1T N mFNdm? ? ? 當(dāng)機(jī)械爪的連桿運(yùn)動(dòng)到垂直于機(jī)械臂軸線的時(shí)候，機(jī)械爪張開度最大，夾緊力最小，此時(shí)的力矩為 72 mm，機(jī)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(dòng)力時(shí)， 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： 192 5 8 1 .8 10 .3 3T N mFNdm? ? ? 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(hào) 57BYGH56401A 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 51 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(gè)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(shí)候，后臂末端的步進(jìn)電機(jī)承受的扭矩最大。此時(shí)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(dān) 26kg 以上的重物，而且運(yùn)行中，機(jī)器人很少會(huì)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(shí)的力矩 d為 1m，則此時(shí)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(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。 履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(hào)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(dòng)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 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(hào) 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(dòng)力是兩個(gè) 330W電動(dòng)馬達(dá)，經(jīng)過 ，馬達(dá)在額定狀態(tài)下的實(shí)際輸出功率為 ，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(gè)無刷馬達(dá)共計(jì) 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(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模 54 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(duì)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(duì)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?cè)O(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(shí)候立起來。這會(huì)提升機(jī)器人 50cm左右的高度，可以應(yīng)付一般的