【導讀】特殊機器人，可以避免不必要由爆炸物引起的的人員傷亡和經(jīng)濟損失。鑒于小型化和多功能的機器人，在軍事及安防上極具應(yīng)用和研究價值。結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對相關(guān)重要參數(shù)進行計算和校核。臺及其搭載物的結(jié)構(gòu)形式的選擇和功能分析是設(shè)計的主要內(nèi)容。型化武器平臺，實現(xiàn)排爆兼作戰(zhàn)等功能。首先通過對所選設(shè)計題目設(shè)計技術(shù)。和設(shè)計，對排爆機器人必不可少的機械手臂進行了選型工作?？臻g布局、橡膠履帶及其帶輪的設(shè)計。并且建立了移動平臺的簡化運動學模。了武器系統(tǒng)安裝方式。險物摧毀等功能。并且在同類產(chǎn)品中體積和質(zhì)量較小，結(jié)構(gòu)可靠簡單。

　　

【正文】 圖 排爆機器人移動平臺裝配 CAD 俯視簡圖 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 29 由具體采用的直流電機配合配套減速器，加正齒輪減速充當二級減速裝置實現(xiàn)主驅(qū)動運動。 電機配配套減速器后輸出轉(zhuǎn)速： 232rpm；最終輸出轉(zhuǎn)速 174rpm；最終額定輸出轉(zhuǎn)矩 。 并采用輪 體支架輔助輪體的定位和支撐，配合滑動軸承和密封滾動軸承保證機體各零件及部件運動靈活的同時，達到一定密封要求。 結(jié)合驅(qū)動部分軸體的強度校核，分析軸體各臺階受力情況，結(jié)合最終結(jié)果對其進行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化目的是盡量在滿足安裝和強度等條件下，盡量簡化軸體結(jié)構(gòu)，并且減小體積，做到輕型化、小型化。 圖 排爆機器人移動平臺主驅(qū)動結(jié)構(gòu) CAD 俯視剖切局部圖 移動平臺回轉(zhuǎn)搭載結(jié)構(gòu)設(shè)計 具體設(shè)計時，為滿足驅(qū)動移動平臺搭載旋轉(zhuǎn)作業(yè)平臺運動要求及為滿足小型化設(shè)計要求，及安裝空間限制，采用 簡單機械結(jié)構(gòu)，配合盤式直流電機配合配套減速器。電機選擇 Maxon 公司的 EC45 盤式無刷電機，配合配套正齒輪偏心減速箱 GS45A，最終輸出轉(zhuǎn)速 5rpm，最終額定輸出轉(zhuǎn)矩 。哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 30 減速器輸出軸與回轉(zhuǎn)軸承連接件直接連接，連接件與回轉(zhuǎn)軸承通過螺釘連接，回轉(zhuǎn)軸承固定盤與移動平臺機體連接，以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。此處采用 igus 公司生產(chǎn)的 PRT30 回轉(zhuǎn)軸承，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)特殊固定盤中置，回轉(zhuǎn)盤成 U 型，兩側(cè)突出，皆為法蘭盤設(shè)計，方便軸承和外接結(jié)構(gòu)安裝，并且由于采用特殊滑動填充物，可以承受較大的軸向力，且可以減小徑向偏移、 傾斜等顯現(xiàn)出現(xiàn)。 搭載武器平臺時由于武器類型待定，并且回轉(zhuǎn)速度較低，回轉(zhuǎn)中心與回轉(zhuǎn)軸重合可以忽略其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩等影響因素。主要對機械手臂抓取物體后的回轉(zhuǎn)運動進行分析，假定手臂最大展開臂長為 L=60cm，機械臂重心位于機械臂中點，質(zhì)量為 3kg，抓取物體質(zhì)量為 2kg，以最大轉(zhuǎn)速進行回轉(zhuǎn)運動，此時回轉(zhuǎn)力矩約為 ≤ 。 圖 排爆機器人移動平臺旋轉(zhuǎn)驅(qū)動結(jié)構(gòu) CAD 剖切簡圖 移動平臺前擺結(jié)構(gòu)設(shè)計 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 31 兩側(cè)前擺機構(gòu)的擺動由兩側(cè)直流電機單獨驅(qū)動，同樣采用二級減速機構(gòu) 。與主運動減速機構(gòu)不同在于第二級減速機構(gòu)采用高傳動比雙曲面斜齒輪，在二級減速時提供更大的減速比同時，使電機調(diào)轉(zhuǎn) 90 度，重心后移，減少了在寬度方向上的空間占位，為武器平臺及機械手臂的腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)預留了較大空間，并且可以一定程度上幫助整機調(diào)整重心位置，提高越障能力及平穩(wěn)性。前擺履帶可以在主履帶運動同時隨動，大大增大了整機的運動性能，類似于輪式移動平臺的全驅(qū)模式，有利于攀爬及不平穩(wěn)路面的通過性。 此處為使前擺履帶可以隨主履帶運動，并保證方向及速度相同采用與回轉(zhuǎn)搭載位置相同的回轉(zhuǎn)軸承通過螺栓及螺釘分別連接固定盤與支 架、回轉(zhuǎn)盤與輪體。 圖 排爆機器人移動平臺前擺驅(qū)動結(jié)構(gòu) CAD 俯視剖切局部圖 圖 從動輪支架三維模型及其碳纖維材質(zhì)渲染效果圖 選用 Maxon 公司的 ECmax40 無刷電機，配合配套行星齒輪減速箱GP52C，二級減速采用 KHK 公司的雙曲面高傳動比錐齒輪組 1045R哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 32 及 1045L，最終輸出轉(zhuǎn)速 15rpm，額定最大轉(zhuǎn)矩 ≥ （考慮到存在單側(cè)前擺支撐不均勻受力），所需功率可由 M n 來計算，則驅(qū)動電機所需功率為 小 于所選電機額定功率。 由于前擺經(jīng)常需要在復雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中作業(yè)，其機構(gòu)強度需要進行校核，并且在滿足結(jié)構(gòu)強度要求的同時盡量減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，就需要進行優(yōu)化設(shè)計，此處采用有限元分析方法對結(jié)構(gòu)進行強度有限元分析，并對結(jié)構(gòu)非必要處進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。此處設(shè)計采用肋板式結(jié)構(gòu)，大大減輕了結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，并且采用對稱交叉結(jié)構(gòu)，應(yīng)力分布較好并且美觀，易于加工制造。 以下為應(yīng)用 Autodesk 公司機械工程軟件 AutoCAD Mechanical 2020 對所設(shè)計的前擺支架的受力有限元分析結(jié)果： (最大應(yīng)力為 ) 圖 排爆機器人移動平臺前擺有 AutoCAD Mechanical 限元受力分析圖 移動平臺運動學分析 排爆機器人移動平臺是排爆機器人實現(xiàn)地面運動的載體，通過前面的敘述可知，其運動在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，機器人本身需要在越障過程中監(jiān)測自身的速度、加速度、空間姿態(tài)、方位，通過自動、半自動或遙控方式控制各電哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 33 機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，建立簡化運動學模型可以得到相關(guān)參數(shù)，之后輔助設(shè)計 [24]。下面采用現(xiàn)較為常用的簡化移動平臺幾何中心姿態(tài)運動學建模，即分解典型運動形式的二維平面運動學分析。 由于本設(shè)計 排爆機器人移動平臺采用履帶式移動結(jié)構(gòu)，實際運行情況下運動情況較為復雜，在非平面、轉(zhuǎn)彎、回轉(zhuǎn)運動時極為復雜，可能產(chǎn)生受力不均、履帶滑移及刮土、強烈震動等不確定現(xiàn)象，建立模型前需進行理想化假設(shè)。理想化假設(shè)如下： （ 1）不考慮運動過程中的結(jié)構(gòu)形變及振動； （ 2）兩側(cè)履帶均勻受力，即均著地，無單邊懸空狀態(tài)； （ 3）不考慮前擺機構(gòu)，只分析主體部分運動模型； （ 4）排除履帶打滑及刮土的影響，即相關(guān)參數(shù)為零； （ 5）假設(shè)移動平臺為剛體，不考慮其變形等影響因素； （ 6）計算時機體質(zhì)量及載荷質(zhì)量均采用最大設(shè)計質(zhì)量。 首先建立 二維模型坐標系及相關(guān)參數(shù)表示，如圖 所示。 圖 排爆機器人移動平臺二維坐標系建立簡圖 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 34 圖中 XOY 是參考坐標系（固定坐標系）； Oc 為移動平臺幾何中心； XC，YC 為幾何中心的坐標值； W 為移動平臺履帶中線間距離； V， ω 為移動平臺上位置相對于 O’速度瞬心的線速度及角速度。 （ 1） 正運動建模 如圖 排爆機器人移動平臺二維坐標系建立簡圖，移動平臺的兩側(cè)履帶中線位置的速度可以表示為： （ ） 其中 r1， r2 為帶輪半徑 r1=r2=r。 由機械原理所學速度瞬心方法可得，幾何中 心 Oc 的線速度及角速度可表示為： （ ） 由（ ）與（ ）結(jié)合可得到： （ ） 以以矩陣形式表示移動平臺幾何中心在坐標系內(nèi)的運動方程為： （ ） 由以上對最終結(jié)果（ ）進行條件化分析： 當 ω 1＝ω 2 時，移動平臺兩側(cè)角速度一樣，移動平臺可以實現(xiàn)直線行駛運動；當 ω 1≠ω 2 時，移動平臺兩側(cè)角速度不一樣，移動平臺可以實現(xiàn)差速1 1 12 2 2vr????? ??12122vvvvvW??? ???? ?????1212()2()rvrW??????? ???? ?????...c o s c o s220si n c o s02201rrx cv rrsyrrWW?????????????? ???? ??? ? ? ? ???? ????? ? ? ??????? ?? ???????? ????哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 35 轉(zhuǎn)向行駛運動，當其中一角速度為 0 時，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑為 W 的制動轉(zhuǎn)向；當 ω 1＝ ω 2 時，移動平臺兩側(cè)角速度相反，移動平臺可以實現(xiàn)原題回轉(zhuǎn)行 駛運動，轉(zhuǎn)彎半徑理論上為 0。 對（ ）中各項參數(shù)進行積分可以得到分量表達式： （ ） 以上為理想化運動學模型分析，與實際情況經(jīng)過一段時間后會有較大的偏差，由其遇到履帶打滑、刮土及路面濕滑、松軟等特殊情況，會更加嚴重。自動或半自動控制時為了避免偏差過大，通產(chǎn)采用為移動平臺裝置增添位置姿態(tài)檢測裝置，如數(shù)字陀螺儀等，通過信號與理想狀態(tài)值進行比較形成反饋系統(tǒng)進行校正。人工遙控時可以有經(jīng)驗及判斷力實時遙控機器調(diào)整機身位置姿態(tài)，以滿足需要。 （ 2）逆運動建模 以上為排爆機器人的移動平臺正運動分析，在 實際操作工程中需要在限定速度及轉(zhuǎn)彎角度的前提下確定兩側(cè)履帶的各自的角速度，結(jié)合轉(zhuǎn)速進行移動平臺的空間位置變換及移動，來完成規(guī)避障礙、轉(zhuǎn)彎等動作。這類運算常被稱為逆運動分析，在移動機器人的設(shè)計中具有很重要的作用。分析如下： 由正運動分析式（ ）及式（ ）結(jié)合，可以得到： （ ） 由以上簡單分析對最終結(jié)果（ ）進行條件化分析： （ 1）當 ω 1=ω 2， v=0 時，移動平臺處于原地回轉(zhuǎn)運動； （ 2）當ω =0， v=0 時，移動平臺處于靜止狀態(tài)； （ 3）當 ω 1=ω 2=2v/2r=v/r 時，移動 平臺處于直線運動狀態(tài)。 112011201120c os ( )2si n ( )2()rx r dtry r dtr dtW? ? ?? ? ?? ? ?????????????? ???????122=222vWrWvr????????? ?????哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 36 以上為移動平臺的逆運動學分析，由于正逆運動學分析都采用的二維環(huán)境理想化建模，實際情況為三位復雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境，所以三維環(huán)境的計算機建模將十分重要，但三維運動模型的環(huán)境構(gòu)建，移動平臺的關(guān)節(jié)設(shè)定及約束都極為復雜，計算量龐大且復雜，現(xiàn)階段不進行分析。也正是由于三維模型的這些弊端，該排爆機器人的控制放棄自主控制，結(jié)合傳感器等實時數(shù)據(jù)分析采用半自主及遙控控制，保證可以完成技術(shù)要求所規(guī)定的技術(shù)標準。 移動平臺越障能力分析 移動平臺越障過程分析 在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，機器人的 移動平臺的典型運動形式由平面、斜坡、上下臺階、溝壑，其中上下臺階是最難完成的運動，下面主要分析上下臺階的過程。在較低臺階高度時，不管是輪式，還是履帶式都可以輕松完成，此高度限制為 H≤ R，即臺階高度小于等于首位接觸臺階輪體半徑，此時利用摩擦等力太高機體通過障礙臺階。當臺階高度大于輪體半徑時，就要采用前擺機構(gòu)輔助完成該運動形式了，此時前擺相當于加大輪體半徑，使履帶可以接觸到臺階上表面或轉(zhuǎn)角處，利用摩擦力等抬升機體高度攀爬上臺階。通過加前擺方式還有一個好處，就是可以盡量減小輪體直徑，實現(xiàn)小型化的同時滿足越障要求。 移動平臺越障運動學分析 移動平臺在攀爬臺階前需要做好靜態(tài)姿態(tài)調(diào)整，結(jié)合上海交通大學喬鳳斌等科研人員對現(xiàn)有排爆機器人攀爬階梯的運動學分析過程，假設(shè)本設(shè)計排爆機器人為剛性前擺，攀爬過程中無形變，無履帶彈性 [31]，分析示意圖 ： 其中參數(shù)定義如下： R主履帶輪半徑； r前擺導向輪半徑； M前擺總力矩； 哈爾濱工程大學本科生畢業(yè)論文 37 N前擺所受反作用力； NA后驅(qū)動輪所受反作用力； H臺階高度； a質(zhì)心相對于移動平臺主體高度差； G移動平臺搭載后的總重。 圖 排爆機器人移動平臺二維坐標系建立簡圖 在力矩平衡條件下有： （ ） 對（ ）簡化可得到： （ ） 則前擺擺臂總力矩為： （ ） 結(jié)合（ ）可得： （ ） 假設(shè)理想條件下兩擺臂均勻受力，則單側(cè)擺臂所受的力矩為： 21( c o s s in )c o s ( ) c o s ( )G l aN lL??? 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