【正文】 盡可能考慮到需要考慮到的所有的相關(guān)因素，在論文開始的幾章里用了大量的的篇幅進行理論的論證與各種結(jié)構(gòu)模式的選擇，用來尋找最合適的 設(shè)計方案。以上這些優(yōu)點使拆彈機器人成為了一個很好的機器人平臺，可以通過更換功能插件而產(chǎn)生系列產(chǎn)品，如偵查機器人，搜救機器人，戰(zhàn)斗機器人等。 設(shè)計機器人是一個龐大大工程，一個優(yōu)良的設(shè)計不僅僅是優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)理論數(shù)據(jù)與華麗的外觀，便于生產(chǎn)和控制加工成本也是成功的關(guān)鍵，這是設(shè)計能否走出圖紙成為成品的決定性因素。起步早但是發(fā)展緩慢的機械行業(yè)與發(fā)展迅猛的電子行業(yè)便很好的詮釋出了通用性的重要程度。所以在設(shè)計這個拆彈機器人的時候，所有的結(jié)構(gòu)部件在考慮強度的同時最大限度的考慮到了易于加工性，因此也犧牲了一部分外觀和 強度或者重量的參數(shù)。步進電機與控制模塊等需要由專業(yè)廠商提供的部件，全部先進行市場調(diào)查，確定市面上有銷售并且價格合理后才予以采用。 1 履帶機器人的運動分析 驅(qū)動模式的選擇 機器人的種類有許多種，要設(shè)計一個機器人必須先選擇合適的動 力，能源，運動模式，傳動模式等。找出最適合拆彈任務(wù)的組合。內(nèi)燃機單位質(zhì)量產(chǎn)生的能量較大，例如， 一個微型 的 航模用甲醇二沖程發(fā)動機就能爆發(fā)出驚人的能量和轉(zhuǎn)速。經(jīng)過合理設(shè)計的四沖程汽油引擎可以相應(yīng)的降低震動。因此，這里為了單位質(zhì)量的功率而使用汽油引 擎是得不償失的。 1， 不會熄火，這個在緊急狀態(tài)下絕不允許發(fā)生，雖然可以在機器人內(nèi)部設(shè)置啟動電機，但是這在這種小型機器人中實現(xiàn)起來相當(dāng)?shù)穆闊? 2， 熱源小，面對爆炸物來說熱量越小越好。 3， 安靜，震動小，對于拆彈任務(wù)來說，震動會沿著機械臂傳導(dǎo)至爆炸物，可能會引爆爆炸物，或激發(fā)爆炸物的起爆裝置，這會導(dǎo)致災(zāi) 難性的后果。 4， 運行起來不需要新鮮空氣，這對于在比如集裝箱，室內(nèi)這樣的狹窄空間中的拆彈任務(wù)極為重要，否則會使機器人無法工作。對于這種慢速的履帶 設(shè)備來說，強大的正壓力只能提供更高的推進力。 表 11 活塞內(nèi)燃機與電動馬達的性能對比 Table 11 Piston engine and electric motor performance parison 單位質(zhì)量功率 再啟動難度 對空氣依賴性 噪音震動 發(fā)熱量 電磁干擾 活塞式內(nèi)燃機 高 難 高 高 高 無 電動馬達 中 易 無 低 中 有 在這兩個選擇之間，電動馬達唯一的缺點便是在運轉(zhuǎn)的時候會產(chǎn)生電磁 干擾，雖然這對負責(zé)拆彈工作的機械臂的控制極為不利，但是從現(xiàn)實角度出發(fā)，拆彈工作 一般 不會在機器人行進中進行，而是在停止的狀態(tài)下進行的，所以主動力馬達的電磁干擾對履帶機器人來說也可以忽略。 綜上所述，相對于活塞引擎來說，電動馬達在各項指標中都有所勝出。 動力傳動模式的選擇 將發(fā)動機產(chǎn)生的扭矩和轉(zhuǎn)速可靠精準的傳遞到輪子也是非常重要的。雖然和活 塞式引擎相比，電動馬達可以在更廣的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)工作而不至于熄火，但是可以并不代表最優(yōu)，電動馬達在低轉(zhuǎn)速大扭矩下運轉(zhuǎn)效率非常低，也就是說會產(chǎn)生大量的熱量。 幾種常見的傳動方式 a鏈條傳動： 鏈條的長度可以自行選擇，所以對軸的距離要求不是很精準，這個可以降低安裝難度。但是低廉的成本和和加工成本與較低的安裝精度使他成為一種非 常方便迅捷的解決方案。 b平帶傳動： 平帶傳動被廣泛使用在高速，小直徑，低噪音的場合。帶輪需要摩擦力來維持運動，這一過程中可能發(fā)生打滑和蠕變。這一張緊過程會對軸承產(chǎn)生較大的載荷。適用的溫度范圍有限 ，性能與工作環(huán)境掛鉤（灰塵，污漬，機油等）。 c V 型帶傳動： V 型傳動帶的截面很像梯形，導(dǎo)輪的截面也有一個 V 型的口。因為它有兩個摩擦接觸面，所以它能比傳統(tǒng)的平帶傳遞更大的能量。繃緊力越大，傳動能量就越強。 d同步帶傳動： 同步帶也被稱作齒帶。同步帶在安裝上與平帶 類似，是平帶傳動的另一種注重精準性的改進型。這使所有與同步帶連接的導(dǎo)輪能以相同的速度轉(zhuǎn)動。它沒有齒間隙 , 所以成為了理想的精確的自動化機器人機械部件。 e 變速箱傳動： 變速箱是緊湊的連接馬達和輪子的方法。一般機器人上使用的都是減速馬達，也就是一個減速箱和一個電動馬達的結(jié)合體。變速箱必須由精確設(shè)計的零件組成。行星減速與蝸桿減速在履帶機器人的各個部分都有使用。下面針對以上各種傳動方法進行比對。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。 2，機器人面對的是危險的爆炸物，或者是危險的戰(zhàn)斗場合。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。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。 4，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。 考慮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。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。從技術(shù)上講鉛酸蓄電池是一種電池組。以下幾點是它的優(yōu)點： 1，價格最便宜，成本低。如果存儲在 25 o C 的環(huán)境下，每天的電量損失低于 1%。這對于偶爾進行大功率輸出的設(shè)備來說非常重要。 5，他的電壓與電量的相關(guān)性很高，對于一個 12V 電池，電池的電壓會從充滿電的 慢慢的降低到無電狀態(tài)的 10V，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。 2，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。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。如果在沒電的情況下存儲一段時間的話電池會報廢。 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。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。 2，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。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。 C 存儲的 時候，每天會損失 1%的能量。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。 2，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。 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。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。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。這使它能任務(wù)中全功率輸出。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 。 以下是 NiMH 電池的缺點： 1，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。 3， 當(dāng)存儲在 25o C 的環(huán)境下， NiMH 電池每天會損失 5%的電量。 d鋰離子電池 鋰離子電池是普遍使用的充電電池。然而，在 大流量放電的時候，電壓會下降很快。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。另一個缺點是，鋰離子電池的框架壽命在 25176。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。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。 3，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。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。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。 如果進行長時間的偵查或者戰(zhàn)斗任務(wù)的話，電池的使用時間與重量便變得比較重要。 2 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。 D－ H 矩陣是一個４ X４矩陣，它把一個矢量從一個坐標系轉(zhuǎn)換到另一個坐標系。原來的矢量則必須用齊次坐標系表示。他為機器人的分析與綜合提供了一種有效的手段。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。 令 Ix,Jy,Kz和 Iu,Jv,Kw分別為 OX、 OY、 OZ 軸和沿 OU、 OV、 OW 軸的單位向量。 在 OUVW 坐標系中，向量 P記為 wuvvuuU V W kpjpipP ??? 即 ? ?TwvuU VW pppP 1,? 式中 wvu ppp , ，分別是 P沿 OU,OV,OW 軸的投影。 向量 UVWP 在 OX、 OY、 OZ 軸的投影分量可用下列分量的點積定義wwxvvxuuxU V Wxx pkipjipiiPip ???????? wwyvvyuuyUVWyy pkjpjjpijPjp ???????? wwzvvzuuzU V Wzz pkkpjkpikPkp ???????? 寫成矩陣的形式： ????????????1pzpypx=?????????????????????1000000wzvzuzwyvyuywxvxuxkkjkikkjjjijkijiii????????????1wvuppp 式中 UXR =????????????1000000wzyzuzwyvyuywxvxuxkkjkikkjjjijkijiii UXR 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。 OUVW 繞 OXYZ 單個軸的轉(zhuǎn)動變換矩陣稱為基本變換矩陣。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。 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。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。因此有人將這類操作機器人稱為遙控操作機，操縱機器人。 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)。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。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。 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。 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。 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。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。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。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。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。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。其實是多關(guān)節(jié)機器人的一種特定的形式。 幾種機械臂運動方式的對比 表 21 幾種機械臂運動形式的性能對比 Table 21 Performance parison of several forms of arm movement 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