【正文】 程序來彌補(bǔ)，所以直觀性不強(qiáng)對(duì)拆彈任務(wù)的影響不大。 2，所占空間必須 小，拆彈機(jī)器人是一個(gè)可移動(dòng)的操作點(diǎn)，而不是一個(gè)空間，所以占用空間較大的直角坐標(biāo)系便被排除。這幾種機(jī)械臂的的操作范圍都可以滿足這一需求。一般有 4個(gè)自由度。 e SCRA 型 一般用于裝配，也叫做裝配機(jī)器人，動(dòng)作靈活，速度快，定位精度高。機(jī)械臂末端由多個(gè)回轉(zhuǎn)角確定，定位精度不高。 d多關(guān)節(jié)型 這種機(jī)器臂和人的手臂比較相似，可以做多個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，由多個(gè)臂組成，機(jī)械形式和人的肘關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)類似。他的精度和位置分辨率不隨工作場(chǎng)合而變化，容易達(dá)到高精度。他在 X、 Y、 Z軸上的運(yùn)動(dòng)是獨(dú)立的，其運(yùn)動(dòng)方程可以獨(dú)立處理 。運(yùn)動(dòng)范圍的圖形為立方體。但是他的坐標(biāo)復(fù)雜，較難控制；其直線驅(qū)動(dòng)裝置仍存在密封和工作死區(qū)問題。其運(yùn)動(dòng)范圍的圖形為一個(gè)球體。 b極坐標(biāo)系型 極坐標(biāo)機(jī)器人又稱為球坐標(biāo)機(jī)器人，他與圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人一樣，可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)。 它可以繞中心軸轉(zhuǎn)一個(gè)角度，因此其工作范圍可以擴(kuò)大，且計(jì)算簡(jiǎn)單。 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)方式 a圓柱坐標(biāo)系 這種運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)器臂均具有回轉(zhuǎn)，伸縮，與升降三個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)范圍為一個(gè)圓柱體。拆彈機(jī)器人可以說就是一個(gè)底盤可移動(dòng)的操縱機(jī)器人，而且他平時(shí)進(jìn)行的工作與兵工廠中進(jìn)行的易爆物加工與裝配工作如出一轍，都是由操作者進(jìn)行操縱，進(jìn)行危險(xiǎn)物的移除工作。在原子能工業(yè)中負(fù)責(zé)進(jìn)行放射性材料的加工處理和實(shí)驗(yàn)，或者是在兵工廠進(jìn)行易燃易爆物的加工裝配，這類裝置的特點(diǎn)是不屬于某一工作主機(jī)，而且由人來操控。所以，當(dāng)時(shí)的機(jī)械手是作為自動(dòng)機(jī)，自動(dòng)線的附屬裝置出現(xiàn)的。這樣便可以得出機(jī)械臂終點(diǎn)的坐標(biāo)，雖然拆彈機(jī)械臂基本是由人控制，但是對(duì)復(fù)雜的環(huán)境或者遮蔽物的環(huán)境下也需要計(jì)算機(jī)輔助來控制機(jī)械臂的位置。當(dāng) OUVW 僅繞 OX 軸轉(zhuǎn)角 θ 時(shí)，基本轉(zhuǎn)動(dòng)矩陣記為 Rot(x, θ )，由式（ 418）可以計(jì)算得： Rot(x, θ )=?????????????10000c o ss in00s inc o s00001???? Rot(y, θ )=?????????????10000c o s0s in00100s in0c o s???? Rot(z, θ )=???????????? ?1000010000c o ss in00s inc o s???? 所以關(guān)節(jié)的端點(diǎn)就可以用各個(gè)矩陣相乘，最終得到腳底部處相對(duì)于起點(diǎn)的位移。三列分別表示軸 OU、 OV、 OW所在的方向。 在 OXYZ 坐標(biāo)系中向量 P 記為 zzyyxxX YZ kpjpipP ??? 即 ? ?TzyxXYZ pppP 1,? 我們希望找出旋轉(zhuǎn)變換矩陣 UXR ，以使 UVWP 的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為 XYZP 的坐標(biāo)，既存在 UVWUXXYZ PRP ?? 實(shí)際上， OUVW 按一定的關(guān)系繞 OXYZ 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，固定于 OUVW 的向量 UVWP 隨 OUVW一齊轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng) OUVW 與 OUVW 重合時(shí)， UVWP 與 XYZP 重合，其轉(zhuǎn)動(dòng) 關(guān)系由 UXR 描述?？臻g中一點(diǎn) P 的位置可用向量 P表示。 圖 21 坐標(biāo)系的相對(duì)位置和相對(duì)方向 Figure 21 Coordinates of the relative position and relative orientation 坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換 坐標(biāo)系 OUVW是坐標(biāo)系 OXYZ經(jīng)過旋轉(zhuǎn)后變換得到的。履帶機(jī)器人所使用的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂可以認(rèn)為是有一系列關(guān)節(jié)連接起來的連桿所組成。 空間機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析有許多方法，齊次變換是其中較為直觀地、較方便的一種， Paul 首次將 DH 矩陣應(yīng)用于機(jī)器人的軌跡的計(jì)算，從此，齊次變 換在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中和動(dòng)力學(xué)分析中廣為應(yīng)用。每一個(gè)矩陣可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)作用：旋轉(zhuǎn)和平移。 齊次變換是用其此矩陣來描述機(jī)構(gòu)連桿的關(guān)系。這時(shí)能量密度最高而且維護(hù)方便并且潛力巨大的金屬氫化物鎳電池便是很好的選擇。 通過以上對(duì)各種電池的分析，履帶機(jī)器人應(yīng)該配備兩種電池來應(yīng)付不同的任務(wù)，如果進(jìn)行拆彈工作，需要同時(shí)使用數(shù)個(gè)步進(jìn)電機(jī)而且工作時(shí)間一般不長(zhǎng)，再考慮到對(duì)底盤穩(wěn)定性的要求，所以將采用鉛酸蓄電池。 4，維護(hù)難度， 考慮未來的用途，維護(hù)難度并不是主要的問題，作為重要的軍事 裝備會(huì)有專人進(jìn)行維護(hù)。鉛酸蓄電池的低放電率很適合存儲(chǔ)并隨時(shí)應(yīng)付突發(fā)情況。 2，從能量密度方面分析，因?yàn)槭锹?帶式機(jī)器人，而且作為拆彈機(jī)器人需要相應(yīng)的底盤重量，所以能量密度要求不高，但是不可以忽略的是，機(jī)器人的內(nèi)部空間尺寸非常有限，體積過大的話會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)造成不便。 幾種充電電池的綜合對(duì)比 表 13 幾種充電電池的性能對(duì)比 Table 13 Performance parison of several rechargeable batteries 功率 能量密度 壽命 維護(hù)難度 自放電 電池價(jià)格 鉛酸蓄電池 大 小 長(zhǎng) 低 中 低 鎳鎘電池 中 大 長(zhǎng) 高 中 中 金屬氫化物鎳電池 中 最大 中 高 高 中 鋰離子電池 小 大 短 低 低 高 綜上所述對(duì)以上幾種常見的充電電池進(jìn)行對(duì)比， 1，從功率角度考慮，履帶機(jī)器人有兩個(gè) 330W 的無刷電動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力，另外有 8個(gè)步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械臂等設(shè)備的動(dòng)力，所以對(duì)功率要求很高。C 下僅為兩年。因此，鋰離子電池不是很適合大功率機(jī)器人使用。在電池大流量放電的時(shí)候電池可能會(huì)損壞。如果進(jìn)行緩慢的功率輸出的話，它的能量密度很大。當(dāng)充滿電的時(shí)候， NiMH 電池會(huì)在 5 天內(nèi)自放電為原來 80%的電量，所以需要偶爾進(jìn)行深度 放電使電池的內(nèi)阻降低。 2，完成 500 次充放電循環(huán)后，電池的容量就會(huì)隨著內(nèi)阻的提高而下降。 4，他不含鎘等危險(xiǎn)的元素所以沒有相關(guān)的健康問題，也不會(huì)污染環(huán)境。 3，它可以在不充電的情況下無損害的存儲(chǔ)。 2，直到完全放電前，電壓會(huì)一直保持穩(wěn)定。 以下是金屬氫化物鎳電池的優(yōu)點(diǎn)： 1， NiMH 電池的能量密度是現(xiàn)有的電池中最好的。這是一 個(gè)正在發(fā)展并且不斷提升的技術(shù)。 3，鎳鎘電池含有鎘，雖然被很安全的封在電池中，但是鎘是有毒的化學(xué)元素，必須妥善的處理。最好每 20 次充放電循環(huán)進(jìn)行一次深度放電。當(dāng)充滿電的時(shí)候，鎳鎘電池會(huì)在三周內(nèi)自行放電到 80%的電量。 以下是鎳鎘電池的缺點(diǎn)： 1，當(dāng)電池在 25176。 3，鎳鎘電池在存儲(chǔ)的時(shí)候可以不充電并且不會(huì)受到損害。在良好的儲(chǔ)存和保養(yǎng)下，鎳鎘電池可以完成 1000 次充電循環(huán)。以下 是鎳鎘電池的優(yōu)點(diǎn)： 1，它有極佳的性價(jià)比。但是考慮到他的較低的自放電率，這一充電過程也并不需要經(jīng)常進(jìn)行。 4，因?yàn)樗鼉?nèi)部的酸液會(huì)在放電時(shí)腐蝕極板，所以它必須在充滿電的情況下儲(chǔ)存，并且要經(jīng)常充電。 3，內(nèi)部有大量液體，所以在高溫或者是高功率工作的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生氣體，需要安裝排氣孔。 以下幾點(diǎn)是鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)： 1，鉛酸蓄電池產(chǎn)生的時(shí)間非常早，技術(shù)相對(duì)落后，所以他比其他種類的電池都要重，或者說是單位質(zhì)量下產(chǎn)生的能量最小。 4，摩托車，汽車，電瓶車都需要使用這種蓄電池，所以可用的型號(hào)非常廣泛，不同的尺寸序列也非常龐大。 3，它在所 有的電池中能提供的電流是最高的。 2，壽命長(zhǎng)，可以在 300 次充放電循環(huán)后可能仍然有 80%的容量?？偟膩碚f，鉛酸蓄電池的容量是是 10Ah 級(jí)別。 常見的可充電電池 a鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池的技術(shù)相當(dāng)成熟，非常適合機(jī)器人使用。 能量源的選擇 作為一個(gè)電氣化的機(jī)器人，高效穩(wěn)定的能量源非常重要，目前世界上廣泛使用的并且 技術(shù)成熟的是， 鉛酸蓄電池，鎳鎘電池，金屬氫化合物鎳電池，鋰離子電池這幾種。這將大大的影響成本，在對(duì)成本不敏感而對(duì)精度要求較高的情況下可以忽略。較低的安裝精度 對(duì)控制機(jī)器人的成本和機(jī)器人的普及性方面有著很重要的作用。 3，安裝 的復(fù)雜程度 雖然對(duì)于精密的機(jī)器人來說不是什么問題，但是許多傳動(dòng)方式在兩個(gè)軸不絕對(duì)平行的情況下會(huì)無法工作，而這種事情在機(jī)器人翻越障礙物或者受到爆炸物沖擊波的沖擊后很有可能發(fā)生。在工作中會(huì)為了抓取物體或者為了瞄準(zhǔn)目標(biāo)而進(jìn)行武器系統(tǒng)進(jìn)行精確的微調(diào)。但是如果使用先進(jìn)的電動(dòng)機(jī)控制模塊的話，內(nèi)部自帶的電流保護(hù)可以 有效的保護(hù)電動(dòng)馬達(dá)不被燒毀。 1，從傳遞扭矩這一點(diǎn)出發(fā)，機(jī)器人在爬坡或者負(fù)載較重的時(shí)候需要很高的扭矩，出于這一點(diǎn)的考慮，鏈條傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)優(yōu)勢(shì)較大。 傳動(dòng)方式的綜合對(duì)比 表 12 幾種傳動(dòng)方式的性能對(duì)比 Table 12 Transmission performance parison of several methods 傳遞扭矩 傳動(dòng)精度 安裝難度 加工難度 成本 鏈條 高 中 低 低 低 平帶 低 低 中 低 低 V 型帶 中 中 低 低 中 同步帶 較高 較高 中 中 中 變速箱 高 高 高 高 高 綜上所述，鏈條，同步皮帶，與齒輪傳動(dòng)都是良好的傳動(dòng)方式。普遍的方法是使用直齒輪，行星齒輪，蝸桿齒輪或者這些齒輪的結(jié)合體。變速箱中 是齒輪，軸，軸承，潤滑油，和其他剛性配件。一般大型機(jī)械要傳遞很大的扭矩的時(shí)候都是使用變速箱的方法，內(nèi)部的金屬齒輪可提供很高的強(qiáng)度來對(duì)抗較大的扭矩。 缺點(diǎn)是，它也需要絕對(duì)平行的安裝環(huán)境，否則也會(huì)在運(yùn)轉(zhuǎn)中飛出誘導(dǎo)輪。同步帶能比普通的平帶傳遞更大的扭矩。同步帶的導(dǎo)輪上有牙槽。這種同步帶經(jīng)常被用在汽車引擎上，連接凸輪軸和曲軸使之同步運(yùn)轉(zhuǎn)。從某種意義上講， V型傳動(dòng)帶是平帶的一種改進(jìn)型，保持了平帶所有的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)加大了傳遞的扭矩。傳遞的能量取決于 V型帶的繃緊力和滑輪 V型口的角度。 V 型傳動(dòng)帶是最普遍的傳動(dòng)帶。 運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 會(huì)產(chǎn)生靜電。不同步問題使它不能用到需要兩端轉(zhuǎn)速同步的情況下，但是因此可以適用于會(huì)短時(shí)間超載的場(chǎng)合。平帶需要繃緊力來使能量從一個(gè)輪子傳遞到另一個(gè)，因此需要一個(gè)張力調(diào)整設(shè)備。一般使用在一個(gè)大型馬達(dá)帶動(dòng)許多不同的機(jī)械機(jī)構(gòu)。正因?yàn)槠鋵?duì)精準(zhǔn)性要求不高，所以在高強(qiáng)度的越野環(huán)境與震動(dòng)較大的環(huán)境下，鏈條傳動(dòng)也是最能持續(xù)穩(wěn)定工作的一種轉(zhuǎn)動(dòng)模式。因?yàn)殒湕l齒輪與鏈條之間存在間隙，所以傳遞過程并不是很精準(zhǔn)，尤其是在傳動(dòng)方向轉(zhuǎn)變的時(shí)候有一定的滯后性。因此在將動(dòng)力傳遞到輪子的同時(shí)也需要對(duì)電動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行減速，目前工業(yè)上普遍采用的方法如下。通過前面的章節(jié)，我們已經(jīng)選擇電動(dòng)馬達(dá)作為履帶機(jī)器人的主要?jiǎng)恿?。所以電?dòng)馬達(dá)對(duì)于拆彈機(jī)器人是最理想的動(dòng)力來源。另一方面，使用無刷電動(dòng)馬達(dá)可以將電磁干擾造成的影響降到最低。第二，拆彈機(jī)器人是需要移除爆炸物的，沉重的底盤可以保證重心的穩(wěn)定防止機(jī)器人翻倒。 5， 雖然電動(dòng)機(jī)加上蓄電池的重量可能非常大，這樣會(huì)導(dǎo)致在爬樓梯和上坡中會(huì)比較費(fèi)力，但是對(duì)于履帶式機(jī)器人來說根本沒有問題，首先作為拆彈機(jī)器人，并不需要高速的移動(dòng)到爆炸物旁邊，反而需要慢慢的靠近，通過蝸桿減速和鏈條減速的馬達(dá)可以輸出足夠的扭矩解決阻力與重量過大這一問題。對(duì)于偵查與戰(zhàn)斗任務(wù)來說，機(jī)器人的隱蔽性也是至關(guān)重要的，震動(dòng)與噪音較大的活塞式引擎用在這里便不是很合適。而作為戰(zhàn)斗機(jī)器人的參加任務(wù)的話熱源會(huì)成為熱敏武器與紅外觀察設(shè)備的目標(biāo)。與之相比，電動(dòng)機(jī)可以瞬間啟動(dòng)，瞬間停止，并且配有自鎖剎車功能，而內(nèi)燃機(jī)還需要另外配備剎車部件。 另外，相對(duì)于活塞式引擎，電動(dòng)馬達(dá)有如下優(yōu)點(diǎn)。考慮到即使主動(dòng)力模塊使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，仍然需要蓄電池作為機(jī)械臂的動(dòng)力，所以這并不會(huì)節(jié)省多少空間和重量。但是同時(shí)帶來的也有 強(qiáng)烈 的震動(dòng)，熱量和廢氣。 作為一個(gè)小型的移動(dòng)平臺(tái)，常用的動(dòng)力只有活塞式內(nèi)燃機(jī)和電動(dòng)馬達(dá)兩種。這一章便是對(duì)各種機(jī)器人工作模式之間進(jìn)行對(duì)比與選擇。這么做是希望在條件允許的條件下，僅僅通過我提供的圖紙和供貨商名冊(cè)便可以快速的以較低成本將履帶機(jī)器人生產(chǎn)出來。機(jī)器人的的每一個(gè)零件，從螺母到軸承到方形鋼管，完全符合我國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)的后期我也切身體會(huì)到標(biāo)準(zhǔn)化帶來的優(yōu)勢(shì)，許多零件因?yàn)榻y(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)可以互相替換，使設(shè)計(jì)周期大大縮短。 在獲得數(shù)控車床中級(jí)技師資格后我更加體會(huì)到設(shè)計(jì)便于加工的產(chǎn)品的重要性，有些零件雖然從設(shè)計(jì)上達(dá)到了理論上的最優(yōu)結(jié)構(gòu)但 是加工起來卻比較復(fù)雜，比如需要掉頭加工或需要切換各種刀具，這都加大了生產(chǎn)成本并且降低了加工精度，而對(duì)性能的提升往往不明顯，從整體上講是得不償失的。在論文的準(zhǔn)備階段中我了解到“通用機(jī)械”這一概念，機(jī)械的通用性的好壞不僅決定 了這一個(gè)設(shè)備的加工難度，而且能決定這一領(lǐng)域的發(fā)展速度。這些功能會(huì)通過裝備特制的功能插件得以實(shí)現(xiàn)。一個(gè)優(yōu)良的拆彈機(jī)器人擁有通過性與載重性很強(qiáng)的底盤，精準(zhǔn)強(qiáng)力的機(jī)械臂，與完備的遠(yuǎn)程監(jiān)控操作能力。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到拆彈的效率與成功率。 以上三種軍用機(jī)器人中，拆彈機(jī)器人使用的最為廣泛。所以成為了軍用機(jī)器人的首選。 在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，尤其是反恐戰(zhàn)爭(zhēng)中履帶機(jī)器人無論是作為拆彈機(jī)器人，偵查機(jī)器人還是戰(zhàn)斗機(jī)器人，都發(fā)揮著越來越重要的的作 用。此外 , 美國 iRobot 公司生產(chǎn)的 Negotiator機(jī)器人和 Warrior 排爆機(jī)器人，英國研制的super2wheel