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履帶機器人設(shè)計及應(yīng)用畢業(yè)論文-文庫吧資料

2025-06-26 05:25本頁面
  

【正文】 和非金屬材料所不能勝任的材料,可用作各種精密度高的小模數(shù)齒輪、幾何面復(fù)雜的儀表精密件、自來水龍頭及爆氣管道閥門等,用在這里非常合適。 軸承部件 主承重輪 主輪限于空間比較緊而沒采用懸掛設(shè)備,所以改進了輪子的輻條,弧形的輻條能提供額外的彈性使機器人在翻越障礙的時候不至于震動過大。 副軸 軸帽 主要功能是在軸的兩端將其間的部件夾緊,同時對于主軸來說還負責(zé)將動力傳遞至前輪架的功能。 主軸后軸,是固定的,并不會轉(zhuǎn)動,為了減少零件和更換方便所以采用了和主軸相同的軸承部件,但是原來安裝軸承的部位安裝了一個與61805軸承相同尺寸的軸瓦,以此提供支撐力。采用3mm鋼板切割而成,受力部件使用5mm鋼板。下底盤輪架與數(shù)量眾多的支撐輪便是解決這一問題的方法。第二,在其上鉆孔會造成應(yīng)力集中大大降低底盤的強度,所以利用的方管的截面設(shè)計了一個框架的插件,因為需要較高的精度所以需要使用數(shù)控加工中心進行加工。使用方管加工簡單,也有相當(dāng)優(yōu)秀的截面形狀便于往底盤上追加其他設(shè)備。 履帶機器人的底盤 底盤框架考慮到以上的極端情況所以需要高強度的底盤,這里排除了鑄造底盤,因為鑄造部件過于沉重,而且單位質(zhì)量提供的強度也不是很高,戰(zhàn)時更換性也不強,所以采用了框架式底盤,在設(shè)計中也盡力做到最簡單。強度對于拆彈機器人尤為重要,拆彈機器人不僅僅需要在復(fù)雜的路面上行駛,而且在負載沉重的蓄電池和電動馬達的同時還需要在移除相當(dāng)重量的爆炸物,所有需要額外的強度。4 結(jié)構(gòu)設(shè)計今天,三維設(shè)計已經(jīng)成為工業(yè)設(shè)計的主流,為了更好的完成對履帶機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計,我全程使用PROE作為三維設(shè)計工具,對履帶機器人所有的零部件進行建模和設(shè)計。操作力對于拆彈工作非常重要,許多爆炸物的重量非常驚人,某些由炮彈改造的路邊炸彈的重量可以達到幾十公斤,所以對操作力度有較高的要求。因此液壓氣壓式的機械臂在這里被排除。 機械臂驅(qū)動方式的對比與選擇 幾種不同驅(qū)動方式的機械臂的性能對比機械臂體積輔助設(shè)備體積響應(yīng)速度結(jié)構(gòu)復(fù)雜性操作力操縱精準性液壓式小大較慢較復(fù)雜大較高氣壓式大大慢簡單小極低機械式大中高極復(fù)雜中高電氣式大無高簡單中高綜合比對以上幾種驅(qū)動方式:機械臂的體積,雖然相對以上幾種體積差別較大,但是對于機器人來說,臂需要一定的界面面積來保證強度,所以相對較大的尺寸對整體設(shè)計影響不大。缺點是,伺服電機需要安裝在機械臂內(nèi)部,所以機械臂的尺寸較大。機械式機械臂也是需要輔助設(shè)備提供動力的。其中,速度不宜控制,動作不平穩(wěn),有沖擊對于精密危險的拆彈工作來說是完全不可取的,如采用氣壓式機械臂的話將很容易發(fā)生事故。缺點是操作力小,體積大,由于空氣的壓縮性差,速度不易控制,響應(yīng)慢,動作不平穩(wěn),有沖擊等。b氣壓式與液壓式原理相同,由氣缸,氣閥,空氣壓縮機組成。雖然液壓系統(tǒng)的體積小,但是僅限于在有壓力源的情況下,如車間,大型機械等,對于小型移動設(shè)備來說,需要單獨的機構(gòu)提供壓力,這需要額外的空間。操作特點是操作力大,體積小,動作平穩(wěn),耐沖擊,耐振動。 機械臂的驅(qū)動方式選擇 幾種機械臂的驅(qū)動方式機械手的驅(qū)動方式主要為以下四類a液壓式 液壓式系統(tǒng)使用的比較廣泛,尤其是大功率機械臂上基本都是使用液壓式,比如馬路上常見的吊車,挖掘機等都是液壓式機械臂的一種??紤]到拆彈過程中可能會遇到在箱子中或者是在汽車底下的爆炸物,繞過障礙與路徑這一特點會使拆彈工作非常方便。慣性對拆彈工作影響并不大,因為拆彈過程中所有的動作都非常緩慢,為了搬運重量較大的物體機械臂的各處驅(qū)動留下的功率余量比較大,可以很好的解決慣性的問題。因為在范圍內(nèi)移動物體這一原則本來就是工業(yè)領(lǐng)域設(shè)計機械臂的初衷。 幾種機械臂運動方式的對比 幾種機械臂運動形式的性能對比 工作范圍所占空間運動慣性操作直觀性重要優(yōu)點圓柱坐標系較大較小大強極坐標系型大較小小差能抓取死角直角坐標系小大大強多關(guān)節(jié)型最大較小小差能繞過障礙SCRA大小小差總結(jié)以上各種類型的運動方式,工作范圍的角度考慮,拆彈機器人需要一定的范圍,以拆除高出地面或者是障礙物后的爆炸物。其實是多關(guān)節(jié)機器人的一種特定的形式。雖然國內(nèi)多數(shù)文獻對關(guān)節(jié)的個數(shù)和自由度有一定的要求,但是我認為,所有的有較多臂關(guān)節(jié)的機器臂都可以叫做多關(guān)節(jié)型機械臂。優(yōu)點是工作范圍大,動作靈活,通用性強,能抓取靠近基座的物體,但是運動直觀性差。但是他的操作范圍小,手臂收縮的同時,又向相反的方向伸出,不僅妨礙工作,而且占地面積大,運動速度低,密封性也不好。同時方程又是線性的,因此對這類機器人進行計算機控制很簡單;它可以兩端支撐,因此對于給定的結(jié)構(gòu)長度,其剛性最大。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,定位精度高,運動直觀性強,但是占地面積大而工作范圍小,慣性大靈活性差。c直角坐標系型這種機械臂由三個直線運動組成,沿xyz軸三個方向運動組成。它具有中心支架附近工作范圍大、兩個轉(zhuǎn)動驅(qū)動裝置容易密封、覆蓋工作區(qū)間較大的優(yōu)點。這種機械臂由一個直線運動與兩個回轉(zhuǎn)運動組成,由一個伸縮一個俯仰機構(gòu)組成。他的直線驅(qū)動部分如果采用液壓驅(qū)動,則可以輸出較大的動力,能夠伸入腔式機器人的內(nèi)部,但是他的手臂到達的空間受到限制,不能到達靠近立柱或者地面的空間;直線驅(qū)動部分難以密封、防塵、及防御腐蝕性物質(zhì);后縮手臂工作時,手臂會碰到工作范圍內(nèi)的其他物體。優(yōu)點是占地小,活動范圍大,結(jié)構(gòu)簡單,緊湊,能達到較高的定位精度,應(yīng)用廣泛,運動直觀性較強。機械手種類繁多,在不同的操作方式,動力來源,坐標結(jié)構(gòu),自由度搭配中又有無數(shù)種排列組合,下文便是通過對各種模式的比對,排除,來選擇出最適合的機械臂模式與結(jié)構(gòu)。因此有人將這類操作機器人稱為遙控操作機,操縱機器人。后來,隨著40年代原子能工業(yè)的產(chǎn)生,出現(xiàn)了半自動化抓取搬運裝置,也就是所謂的操作機。 機械臂的運動形式選擇機械手產(chǎn)生的時間非常早,早在20世紀初期,隨著機床汽車制造業(yè)的發(fā)展,機械手也隨之產(chǎn)生了,世界上第一個機械手是美國福特公司在1913年在汽車零件加工自動線采用的,當(dāng)時為了解決自動機上下料與工件的傳送問題。但是有矩陣乘法可知,我們必須按照關(guān)節(jié)的次序一次相乘,因為矩陣的乘法是有次序的。OUVW繞OXYZ單個軸的轉(zhuǎn)動變換矩陣稱為基本變換矩陣。向量在OX、OY、OZ軸的投影分量可用下列分量的點積定義 寫成矩陣的形式: =式中 = 陣中第一列元素分別為Iu在Ix,Jy,Kz方向的投影分量;第二、三列元素分別為Jv,Kw在方向Ix,Jy,Kz的投影分量。在OUVW坐標系中,向量P記為 即 式中,分別是P沿OU,OV,OW軸的投影。令I(lǐng)x,Jy,Kz和Iu,Jv,Kw分別為OX、OY、OZ軸和沿OU、OV、OW軸的單位向量。我們把構(gòu)件坐標系嵌入機器的每一個連桿中,便可以用齊次坐標來描述這些坐標系之間相對位置和方向。他為機器人的分析與綜合提供了一種有效的手段。原來的矢量則必須用齊次坐標系表示。D-H矩陣是一個4X4矩陣,它把一個矢量從一個坐標系轉(zhuǎn)換到另一個坐標系。3 機械臂的坐標變換與運動分析 齊次坐標旋轉(zhuǎn)變換機械臂作為履帶機器人的重要組成部分,其運動方程決定了以后的計算分析等工作,而對于機械臂的控制來說,坐標計算公式更是至關(guān)重要,以下是對多自由度機械臂的自由度坐標換算方法[7]。如果進行長時間偵查或者戰(zhàn)斗任務(wù)的話,電池使用時間與重量便變得比較重要。但是相對較低的使用成本也意味著可以同時裝備較多的機器人。而用來應(yīng)付長時間工作的鎳氫電池包的較高放電率便顯得比較不利[6]。壽命,拆彈工作與反恐任務(wù)并不是經(jīng)常發(fā)生,所以并不需要多高的充電循環(huán),但是要求有很高的存儲壽命,而且需要在短時間內(nèi)迅速出動,所以鎳鎘電池等雖然存儲壽命長,但是需要在空電狀態(tài)存儲下這一屬性便不適用于隨時可能發(fā)生的拆彈任務(wù),優(yōu)先排除。在高功率環(huán)境下會產(chǎn)生爆炸危險的鋰離子電池便被首先排除。也就是說即使在沒有使用并且妥善保存的情況下,鋰離子電池的性能也會在兩年后大大下降。另一個缺點是,鋰離子電池的框架壽命在25176。我們也從新聞中得知,許多使用鋰離子電池的筆記本在溫度較高功率較大的情況下使用發(fā)生爆炸事故。然而,在大流量放電的時候,電壓會下降很快。d鋰離子電池鋰離子電池是普遍使用的充電電池。當(dāng)存儲在25oC的環(huán)境下,NiMH電池每天會損失5%的電量。以下是NiMH電池的缺點:成本較高,一般作為隨身設(shè)備的小型電源,而不是這種大功率的場合。它在無電存儲的時候沒有記憶效應(yīng),也就是說可以在有電或者沒電的情況下儲存,不需要像鎳鎘電池那樣提前放電或者像鉛酸蓄電池那樣提前充電。這使它能任務(wù)中全功率輸出。在良好的保養(yǎng)和存儲下,NiMH電池可以完成500多次充放電循環(huán),隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,這一數(shù)值在不斷的被刷新中。目前市面上的5號或者7號充電電池基本上都是鎳氫電池。c金屬氫化物鎳電池 (NiMH)雖然這里說的金屬氫化物鎳電池和真正的鎳氫電池有本質(zhì)的不同,但是日常生活中我們都把金屬氫化物鎳電池稱之為鎳氫電池。鎳鎘電池需要高度的保養(yǎng),檢測,充電,在低溫下存儲以延長使用壽命。需要偶爾通過深度放電使電壓降低到80%來保證電池內(nèi)阻維持在一個較低水平上。C存儲的時候,每天會損失1%的能量。但是從另一角度講,它也只能在不充電的情況下儲存,否則會產(chǎn)生記憶效應(yīng),這會大大降低電池的容量。能量密度很好,是鉛酸蓄電池的三倍,在這方面只有金屬氫化合物鎳電池可以超越。雖然購買鎳鎘電池的成本沒有鉛酸蓄電池那么低,但是在長時間使用的情況下,如果保養(yǎng)得當(dāng),鎳鎘電池最終會更省錢,甚至比鉛酸蓄電池還要便宜。b鎳鎘電池(NiCad)鎳鎘電池是一個很成熟的技術(shù),而且他的價格和性能仍然在不斷的改進中。如果在沒電的情況下存儲一段時間的話電池會報廢。所以大部分的鉛酸蓄電池不能快速充電,否則會有內(nèi)部壓力過大的危險。如前文所說,隨著電量的下降,電壓也會隨之下降,因此產(chǎn)生的能量會隨之下降。他的電壓與電量的相關(guān)性很高,對于一個12V電池,這樣可以快速的判別電池的剩余電量,而決定什么時候該更換電池或者進行充電。這對于偶爾進行大功率輸出的設(shè)備來說非常重要。如果存儲在25 o C的環(huán)境下,每天的電量損失低于1%。以下幾點是它的優(yōu)點:價格最便宜,成本低。從技術(shù)上講鉛酸蓄電池是一種電池組。這其中有些完全不適合機器人使用,有些的性能非常相近,以下便對這些產(chǎn)品進行詳細的分析與比對[4]??紤]到履帶機器人對各項指標的需求,使用如下的傳動方式,在電動馬達輸出軸上安裝蝸桿減速,這種減速方式減速比大,而且可以垂直的改變傳動角度,然后通過鏈條傳動將扭矩傳遞到主輪。加工難度與成本,變速箱與同步帶都需要較高的成本,變速箱需要大量的鉆孔與車銑加工,同步帶需要高強度的復(fù)合材料和精度。有些傳遞方式需要繃緊力,這樣會對馬達輸出軸和動力模塊的軸承產(chǎn)生更多的負載。所以傳動精度非常重要,這一過程需要反復(fù)的改變傳動方向,同步性較低的傳動方式顯得不是很合適。機器人面對的是危險的爆炸物,或者是危險的戰(zhàn)斗場合。但是如果機器人在行進中遇到不可翻越的障礙物的話,電動馬達便會卡死,產(chǎn)生非常大的熱量,這很有可能瞬間燒毀電動馬達,平帶與V型帶會在卡死后產(chǎn)生相對的滑動以減少熱量的產(chǎn)生。下面針對以上各種傳動方法進行比對。行星減
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