【正文】 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(jìn)行詳細(xì)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(jìn)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(jìn)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)部壓力過履帶機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模 8 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(jìn)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(jìn)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。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 2 機械臂的坐標(biāo)變換與運動分析 齊次坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)系轉(zhuǎn)換到另一個坐標(biāo)系。原來的矢量則必須用齊次坐標(biāo)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(biāo)系嵌入機器的每一個連桿中，便可以用齊次坐標(biāo)來描述這些坐標(biāo)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(biāo)系中，向量 P 記為 wuvvuuUV W kpjpipP ??? 履帶機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模 12 即 ? ?TwvuUV W 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 ???????? wwyvvyuuyUV Wyy pkjpjjpijPjp ???????? wwzvvzuuzUV 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(jì)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(biāo)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(dá)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(dá)的空間受到限制，不能到達(dá)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(biāo)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(jìn)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(xiàn)對關(guān)節(jié)的個數(shù)和自由度有一定的要求，但是我認(rèn)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(biāo)系 較大 較小 大 強 極坐標(biāo)系型 大 較小 小 差 能抓取死角 直角坐標(biāo)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， 1，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。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。 3，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。 5，考慮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。 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)動方式主要為以下五類 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。操作特點是操作力大，體積小，動作平穩(wěn)，耐沖擊，耐振動。 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。 b氣壓式 與液壓式原理相同，由氣缸，氣閥，空氣壓縮機組成。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。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。機械式機械臂也是需要輔助設(shè)備提供動力的。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。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 機械臂驅(qū)動方 式的對比與選擇 表 22 幾種不同驅(qū)動方式的機械臂的性能對比 Table 22 The performance parison of several different arm 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(zhǔn)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： 1，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。因此液壓氣壓式的機械臂在這里被排除。 4，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(dá)到幾十公斤，所以對 操作力度有較高的要求。 履帶機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模 18 3 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(jìn)行建模和設(shè)計。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(fù)載沉重的蓄電池和電動馬達(dá)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。 圖 31 履帶機器人的底盤 Figure 31 Tracked Robot chassis 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 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。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。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(jìn)行加工。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。采用 3mm 鋼板切割而成，受力部件使用 5mm鋼板。 圖 37 主軸 Figure 37 Main shaft 履帶機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模 22 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。 圖 38 副軸 Figure 38 Countershaft 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(fù)責(zé)將動力傳遞至前輪架的功能。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 圖 310 軸承部件 Figure 310 Bearing ponents 主承重輪 圖 311 主輪 Figure 311 Main wheel 限于空間比較緊而沒采用懸掛設(shè)備，所以改進(jìn)了輪子的輻條，弧形的輻條能提供額外的彈性使機器人在