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履帶機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模畢業(yè)論文-文庫吧資料

2025-06-26 05:52本頁面
  

【正文】 ,而且在翻越障礙的時候需要承擔(dān)部分負(fù)載,所以對強度和重量的要求都很高,這里仍然采用了單位質(zhì)量強度較高的聚酰胺材質(zhì)。 圖313 主輪與輔輪內(nèi)襯Figure 313 Lined of main wheel and auxiliary wheel圖314 主輪安裝方法Figure 314 main wheel Installation methods 支撐輪雖然主輪可以輕松的支撐機器人全部的重量但是在某些復(fù)雜的地形下履帶會承受額外的拉力,所以需要支撐輪來維持履帶的形狀,和在高負(fù)載時提供額外的支撐力,另外在履帶斷裂的情況下仍可提供一定的行駛能力。圖312 輔輪Figure 312 Auxiliary wheel輔輪與主輪相比直徑較小,出于通用性的考慮許多尺寸與主輪是相同的內(nèi)軸,聚甲醛雖然有著很好的強度和韌性,但是硬度不高,抗磨損能力差,如果直接將軸承安裝在塑料輪內(nèi),短時間內(nèi)就會磨損輪子,所以在輪子中心使用了鋼制的內(nèi)襯,提供額外的強度,和足夠的抗磨損能力。輪子的材質(zhì)使使用聚甲醛,因為如此大的體積如果使用金屬材料的話重量會非常的巨大。 圖39 軸帽Figure 39 Shaft cap軸承采用了61805深溝球軸承,內(nèi)徑25mm外徑35mm厚7mm,也專門為這個軸承設(shè)計了軸承套等配件,加工過程中需考慮到公差與安裝斜面等因素。前軸,比較短而所以強度要求不大,但是出于通用性的考慮采用了與主軸相同的直徑尺寸。圖34 支撐輪底盤Figure 34 Support wheel Chassis圖35 支撐輪底盤與步進(jìn)電機模塊Figure 35 Support wheel Chassis and stepper motor module圖36 支撐輪輪架的安裝位置Figure 36 Installation location of Support wheel Chassis 輪軸模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計主軸支撐著機器人大部分的重量,而且負(fù)責(zé)傳動前輪架的動作,所以分段較多。同時,下底盤輪架內(nèi)的空間也是履帶機器人的步進(jìn)電機的驅(qū)動模塊與兩塊蓄電池的安裝架。圖33 底盤框架部件Figure 33 Chassis frame ponents 支撐輪底盤底盤電動機與蓄電池的重量較大。圖32 底盤框架Figure 32 Chassis frame框架配件方形鋼管雖然加工簡單價格便宜而且單位質(zhì)量的強度很高,但是要在其上安裝高精度的輪架并不容易,第一,方形鋼管不同于方鋼,在強力的夾持下容易變形,鉆貫穿的大孔的時候非常費力。材料采用了30X60mm 厚度為5mm的304不銹鋼方管,這種合金鋼非常普遍,在具有不銹鋼優(yōu)秀的特質(zhì)的同時也相對較容易焊接。另一方面,在某些情況下,爆炸物突然爆炸或者起火,甚至是通過拆彈機器人改造的戰(zhàn)斗機器人或者偵測機器人遭遇敵人火力的襲擊的情況下,底盤不但要承受極端的負(fù)載而且要在緊急戰(zhàn)爭環(huán)境下快速更換。底盤是車型機器人的重要的骨架,而且是所有其他設(shè)備的平臺,在設(shè)計的時候不僅僅要提供一個堅固的框架,也要便于把其他設(shè)備安裝上。結(jié)合以上分析,電氣式的機械臂完全符合拆彈工作的需求。3,響應(yīng)速度對拆彈工作來說,會影響操作的節(jié)奏,發(fā)出指令后能付快速執(zhí)行對拆彈工作還是有一定的影響的。2,輔助設(shè)備對拆彈機器人來說很重要,如果是在車間中,有液壓氣壓源的情況下,可以忽略,但是作為一個移動平臺,履帶機器人能隨時提供的只有電壓與電流,如果安裝液壓或氣壓源的話,對整體設(shè)置來說難以實現(xiàn)。相對其他設(shè)備而言,因為可以使用機器人自帶的主動力驅(qū)動電池,所以可以認(rèn)為沒有輔助設(shè)備。d電氣式由電動馬達(dá)驅(qū)動,優(yōu)點是電源方便,信號傳遞容易運算,響應(yīng)快,驅(qū)動力較大,非常是適用于中小型機械臂,這也正是拆彈機器人所需要的。c機械式驅(qū)動系統(tǒng)由電機,凸輪,齒輪齒條,連桿等機械裝置組成,傳動可靠,缺點是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,對于簡單的機械臂來說非常合適,但是對于有6個自由度的拆彈機器人來說,其間的機械結(jié)構(gòu)將非常復(fù)雜精細(xì)。而且同樣的也需要空氣壓縮機作為氣源,不便于小型移動設(shè)備隨時攜帶。特點是氣源方便,維修簡單,速度高,成本低,防火防爆,漏氣對設(shè)備影響不大。小型的液壓設(shè)備不容易設(shè)計管線等在局促的空間內(nèi)會不好分配空間。缺點是漏油對系統(tǒng)工作性能影響很大,成本高。驅(qū)動系統(tǒng)包含油缸,電磁閥,油泵,油箱。綜上所述,多關(guān)節(jié)機械臂最適合履帶機器人的拆彈工作。4,從操作直觀性的方面出發(fā),雖然以上幾種有較大的差別,但是隨著科技的進(jìn)步,電腦模擬技術(shù)的完善,直觀性差可以通過軟件與程序來彌補,所以直觀性不強對拆彈任務(wù)的影響不大。2,所占空間必須小,拆彈機器人是一個可移動的操作點,而不是一個空間,所以占用空間較大的直角坐標(biāo)系便被排除。這幾種機械臂的的操作范圍都可以滿足這一需求。一般有4個自由度。e SCRA型一般用于裝配,也叫做裝配機器人,動作靈活,速度快,定位精度高。機械臂末端由多個回轉(zhuǎn)角確定,定位精度不高。d多關(guān)節(jié)型這種機器臂和人的手臂比較相似,可以做多個方向的轉(zhuǎn)動,由多個臂組成,機械形式和人的肘關(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合而變化,容易達(dá)到高精度。他在X、Y、Z軸上的運動是獨立的,其運動方程可以獨立處理。運動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)動裝置仍存在密封和工作死區(qū)問題。其運動范圍的圖形為一個球體。b極坐標(biāo)系型極坐標(biāo)機器人又稱為球坐標(biāo)機器人,他與圓柱坐標(biāo)型機器人一樣,可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)。它可以繞中心軸轉(zhuǎn)一個角度,因此其工作范圍可以擴(kuò)大,且計算簡單。 機械臂的運動方式a圓柱坐標(biāo)系這種運動形式的機器臂均具有回轉(zhuǎn),伸縮,與升降三個自由度,運動范圍為一個圓柱體。拆彈機器人可以說就是一個底盤可移動的操縱機器人,而且他平時進(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驗,或者是在兵工廠進(jìn)行易燃易爆物的加工裝配,這類裝置的特點是不屬于某一工作主機,而且由人來操控。所以,當(dāng)時的機械手是作為自動機,自動線的附屬裝置出現(xiàn)的。這樣便可以得出機械臂終點的坐標(biāo),雖然拆彈機械臂基本是由人控制,但是對復(fù)雜的環(huán)境或者遮蔽物的環(huán)境下也需要計算機輔助來控制機械臂的位置。當(dāng)OUVW僅繞OX軸轉(zhuǎn)角θ時,基本轉(zhuǎn)動矩陣記為Rot(x, θ),由式(418)可以計算得:Rot(x, θ)= Rot(y, θ)= Rot(z, θ)= 所以關(guān)節(jié)的端點就可以用各個矩陣相乘,最終得到腳底部處相對于起點的位移。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記為即 我們希望找出旋轉(zhuǎn)變換矩陣,以使的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為的坐標(biāo),既存在實際上,OUVW按一定的關(guān)系繞OXYZ轉(zhuǎn)動時,固定于OUVW的向量隨OUVW一齊轉(zhuǎn)動,當(dāng)OUVW與OUVW重合時,與重合,其轉(zhuǎn)動關(guān)系由描述??臻g中一點P的位置可用向量P表示。圖21 坐標(biāo)系的相對位置和相對方向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。履帶機器人所使用的多關(guān)節(jié)機械臂可以認(rèn)為是有一系列關(guān)節(jié)連接起來的連桿所組成??臻g機構(gòu)的運動學(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)用于機器人的軌跡的計算,從此,齊次變換在機器人運動學(xué)中和動力學(xué)分析中廣為應(yīng)用。每一個矩陣可以實現(xiàn)兩個作用:旋轉(zhuǎn)和平移。齊次變換是用其此矩陣來描述機構(gòu)連桿的關(guān)系。這時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。通過以上對各種電池的分析,履帶機器人應(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,需要同時使用數(shù)個步進(jìn)電機而且工作時間一般不長,再考慮到對底盤穩(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有專人進(jìn)行維護(hù)。鉛酸蓄電池的低放電率很適合存儲并隨時應(yīng)付突發(fā)情況。2,從能量密度方面分析,因為是履帶式機器人,而且作為拆彈機器人需要相應(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,機器人的內(nèi)部空間尺寸非常有限,體積過大的話會對設(shè)計造成不便。 幾種充電電池的綜合對比表13 幾種充電電池的性能對比Table 13 Performance parison of several rechargeable batteries功率能量密度壽命維護(hù)難度自放電電池價格鉛酸蓄電池大小長低中低鎳鎘電池中大長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以上幾種常見的充電電池進(jìn)行對比,1,從功率角度考慮,履帶機器人有兩個330W的無刷電動機作為主動力,另外有8個步進(jìn)電機作為機械臂等設(shè)備的動力,所以對功率要求很高。C下僅為兩年。因此,鋰離子電池不是很適合大功率機器人使用。在電池大流量放電的時候電池可能會損壞。如果進(jìn)行緩慢的功率輸出的話,它的能量密度很大。當(dāng)充滿電的時候,NiMH電池會在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,電池的容量就會隨著內(nèi)阻的提高而下降。4,他不含鎘等危險的元素所以沒有相關(guān)的健康問題,也不會污染環(huán)境。3,它可以在不充電的情況下無損害的存儲。2,直到完全放電前,電壓會一直保持穩(wěn)定。以下是金屬氫化物鎳電池的優(yōu)點:1,NiMH電池的能量密度是現(xiàn)有的電池中最好的。這是一個正在發(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)充滿電的時候,鎳鎘電池會在三周內(nèi)自行放電到80%的電量。以下是鎳鎘電池的缺點:1,當(dāng)電池在25176。3,鎳鎘電池在存儲的時候可以不充電并且不會受到損害。在良好的儲存和保養(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:1,它有極佳的性價比。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,因為它內(nèi)部的酸液會在放電時腐蝕極板,所以它必須在充滿電的情況下儲存,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候會產(chǎn)生氣體,需要安裝排氣孔。以下幾點是鉛酸蓄電池的缺點:1,鉛酸蓄電池產(chǎn)生的時間非常早,技術(shù)相對落后,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,可以在300次充放電循環(huán)后可能仍然有80%的容量。總的來說,鉛酸蓄電池的容量是是10Ah級別。a鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池的技術(shù)相當(dāng)成熟,非常適合機器人使用。作為一個電氣化的機器人,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,在對成本不敏感而對精度要求較高的情況下可以忽略。較低的安裝精度對控制機器人的成本和機器人的普及性方面有著很重要的作用。3,安裝的復(fù)雜程度雖然對于精密的機器人來說不是什么問題,但是許多傳動方式在兩個軸不絕對平行的情況下會無法工作,而這種事情在機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)的電動機控制模塊的話,內(nèi)部自帶的電流保護(hù)可以有效的保護(hù)電動馬達(dá)不被燒毀。1,從傳遞扭矩這一點出發(fā),機器人在爬坡或者負(fù)載較重的時候需要很高的扭矩,出于這一點的考慮,鏈條傳動與齒輪傳動優(yōu)勢較大。 傳動方式的綜合對比表12 幾種傳動方式的性能對比Table 12 Transmission performance parison of several methods 傳遞扭矩傳動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,與齒輪傳動都是良好的傳動方式。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。一般大型機械要傳遞很大的扭矩的時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度來對抗較大的扭矩。缺點是,它也需要絕對平行的安裝環(huán)境,否則也會在運轉(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轉(zhuǎn)。從某種意義上講,V型傳動帶是平帶的一種改進(jìn)型,保持了平帶所有的優(yōu)點的同時加大了傳遞的扭矩。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型傳動帶是最普遍的傳動帶。運轉(zhuǎn)時會產(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短時間超載的場合。平帶需要繃緊力來使能量從一個輪子傳遞到另一個,因此需要一個張力調(diào)整設(shè)備。一般使用在一個大型馬達(dá)帶動許多不同的機械機構(gòu)。正因為其對精準(zhǔn)性要求不高,所以在高強度的越野環(huán)境與震動較大的環(huán)境下,鏈條傳動也是最能持續(xù)穩(wěn)定工作的一種轉(zhuǎn)動模式。因為鏈條齒輪與鏈條之間存在間隙,所以傳遞過程并不是很精準(zhǔn),尤其是在傳動方向轉(zhuǎn)變的時候有一定的滯后性。因此在將動力傳遞到輪子的同時也需要對電動馬達(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
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