【正文】 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， 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。 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到幾十公斤，所以對操作力度有較高的要求。 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，而且在負載沉重的蓄電池和電動馬達的同時還需要在移除相當重量的爆炸物，所有需要額外的強度。 圖 31 履帶機器人的底盤 Figure 31 Tracked Robot chassis 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 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責將動力傳遞至前輪架的功能 。 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。而被譽為“ 超鋼 ” 的聚甲醛 ， 有著 優(yōu)越的機械性能和化學(xué)性能，可用作許多金屬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。 內(nèi)軸的材質(zhì)也是使用35鋼，車床車制，表面需進行熱處理以提高耐磨性。為了減輕重量支撐輪采用的材質(zhì)也是 聚甲醛 ，內(nèi)部軸承采用了 61800 深溝球軸承，內(nèi)徑 10mm 外徑 19mm 厚 5mm。 圖 317 前輪架的安裝方法 Figure 317 Front rack installation method 履帶 作為履帶機器人，履帶是最重要的特征。履帶外側(cè)設(shè)有明輪片，可以在松軟的地面上產(chǎn)生更強的抓地力。之所以把這些部件整合在一起是為了便于更換與維護。 圖 321 蝸桿減速器 Figure 321 Worm Reducer 動力模塊框架 將以上幾個部件結(jié)合起來的框架，承受扭矩的地方使用 5mm 的 35鋼板，其他地方使用 3mm 鋼板，依附底盤的位置或者不承擔扭矩的地方進行了挖空處理，以減輕重量。 圖 322 動力模塊框架 Figure 322 Power Module frame 圖 323 動力模塊安裝方法 Figure 323 Power Module Installation 動力模塊的軸起到維持鏈條傳動的作用，而且是一個經(jīng)常高速旋轉(zhuǎn)的軸，因此有著完備的軸承模塊，軸承使用的是與支撐輪相同的 61800 深溝球軸承，內(nèi)徑10mm 外徑 19mm 厚 5mm。在經(jīng)過行星減速后連接到蝸桿，然后傳動到主軸。整個部件在運轉(zhuǎn)的時候會承擔較大的法向力，所以在行星減速器的兩端都有支撐的框架。通過平行四邊形的框架結(jié)構(gòu)使兩個爪塊可以平行移動將爆炸物抓緊，爪端可根據(jù)不同的任務(wù)更換橡膠片，橡膠釘或者其他符合爆炸物形狀的預(yù)制配件。 機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械臂是拆彈機器人的功能部件，不僅需要精準，而且需要較大的負載能力，一般的實驗型機器人多采用航模標準的伺服電機，雖然技術(shù)成熟通用性高但是功率不足。大體上分為前臂，中臂，后臂，底座四個部分。圖 328中能看出內(nèi)部安裝的三個 42部件電機，行星減速機構(gòu)與后部的蝸桿機構(gòu)。提供兩個方向的足夠的支撐。圖 330 很好的顯示了腕關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)，從左到又分別是，機械爪的末端框架、軸承內(nèi)部支撐、 10mm 推力軸承、 30mm 滾針軸承、軸承外部支撐、機械臂前臂框架。 圖 330 腕關(guān)節(jié)軸承部件的分解視圖 Figure 330 Wrist bearing ponent of the deposition of View 中臂 中臂較長，提供足夠的操作范圍，因為傳遞的扭矩較大所以使用了較大的57 步進電機，作為過渡階段，許多配件與前臂后臂是通用的。 圖 331 中臂 Figure 331 In arm 圖 332 中臂的透視圖 Figure 332 Perspective of the in arm 中臂框架的結(jié)構(gòu)圖 Figure 333 Framework structure in the arm 圖 333 所示的 部件與后臂相同位置的部件 是 通用的，圓 柱 形的空間里 裝著蝸桿機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)軸的軸承部件與主軸的軸承部件相同。 上端的開口時為了安裝前臂而設(shè)置的，否則前臂軸無法裝入，裝入后由螺栓固定。 圖 338 折疊狀態(tài) Figure 338 Folded state 這樣設(shè)計雖然會有更高的自由度范圍，但是會相應(yīng)的降低結(jié)構(gòu)的強度，所以僅僅是后臂與中臂的連接處使用了 這種設(shè)計 ，前臂與中臂的自由度范圍足夠應(yīng)付大部分工作情況所以并沒有采用這種設(shè)計 。 圖 339 機械臂框架 Figure 339 Arm frame 底座 負責承擔全部的壓力和扭矩，所以采用較厚的 5mm35鋼板焊接而成，為了在垂直方向有足夠的支撐力，采用了推力軸承。 軸承座與支架是 通過 焊接連接的。 作為軍用機器人，對傳感器的要求非常高。機器人傳感器的精度直接影響機器人的工作質(zhì)量。 2，穩(wěn)定性好，可靠性高。軍用機器人就是以在惡劣環(huán)境中工作而設(shè)計的，所以穩(wěn)定性對軍用機器人來說至關(guān)重要，如果機器人在工作中故障，也將造成財產(chǎn)損失與人員傷亡。機器人傳感器的工作環(huán)境往往比較惡劣，機器人傳感器應(yīng)該能夠承受，當有強電磁干擾，強震動，并能在一定的高溫、高壓、高污染環(huán)境下工作。 4，重量輕、體積小，安裝方便可靠。對于工作空間受到某種限制的機器人，體積和安裝方向的要求也是必不可少的。 a視頻傳感器 作為人遙控的機器人，視頻是最重要的傳感器之一，操作者幾乎所有的操作與判斷都是通過視頻傳感器而進行的。在機械臂的前端安裝一個清晰度較高的攝像頭，跟隨機械 臂前臂的動作來精準的觀察機械手附近的狀態(tài)。 當履帶機器人安裝上偵測模塊執(zhí)行偵查任務(wù)的時候，對視頻系統(tǒng)有著更高的要求，為了執(zhí)行夜間或者在黑暗的建筑物中的偵查任務(wù)，微光夜視儀是必備的，紅外攝像頭在觀察人員與汽車等設(shè)備的時候也會非常的有用。這些設(shè)備無論是采用民用還是軍用，都有著很好 的性能。底座的壓力傳感器是判斷出爆炸物的重量，如果在抓取抬升的過程中發(fā)現(xiàn)重量過大便需要停止工作，否則會對機械部件造成損害。 d遙控設(shè)備，雖然軍方有完備的系統(tǒng)，但是民用機器人大賽里也有很完備的系統(tǒng)。 步進電機驅(qū)動模塊 圖 41 四軸數(shù)控車床步進電機驅(qū)動模塊 Figure 41 Fouraxis CNC lathe Stepper Motor Driver Module 步進電機因為工作原理的原因也需要特殊的驅(qū)動模塊，為了提供全方位的操控性，加上前輪架的俯仰動作，履帶機器人總計使用了 8個步進電機，如果每個步進電機使用單獨的驅(qū)動模塊的話體積會非常龐大，而且難以控制，通過對市面上各種步進電機的驅(qū)動板的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了一種用于小型雕刻機的四軸數(shù)控車床驅(qū)動板非常合適，在一塊電 路板是集成了是四個步進電機的驅(qū)動，而且作為數(shù)控車床的驅(qū)動板，軟件方面也非常的全面技術(shù)相當成熟，價格比 8個獨立的驅(qū)動板便宜許多。兩塊這樣的電路板正好可以驅(qū)動履帶機器人全部的 8個步進電機。 圖 42 步進電機驅(qū)動模塊的在底盤的安裝位置 Figure 42 Stepper motor drive modules installed in the chassis location 圖 42顯示了兩個步進電機控制模塊在底盤上的安裝位置，下文中的表 41則是 4軸步進電機驅(qū)動板的一些重要數(shù)據(jù)。 表 41 四軸數(shù)控車床步進電機驅(qū)動模塊的性能參數(shù) Table 41 Fouraxis CNC lathe stepper motor drive module performance parameters 輸入電源 12 36V直流電源供電 輸出電流 3A(峰值 ) 驅(qū)動電機 42,57,86 步進電機 (4 線 6 線 8 線步進電機 ) 重量 300g 使用溫度 0℃ 50℃ 最大震動 遠程遙控與傳感器系統(tǒng) 履帶機器人有多組傳感器，有包含多路步進電機的控制，需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)。 圖 43 單片機整合控制模塊 Figure 43 Integrated control module SCM 表 42 單片機整合控制模塊的性能參數(shù) Table 42 SCM integrated control module performance parameters 工作頻率 431MHz to 478MHz 頻率間隔 200KHz 接收靈敏度 117dBm1200bps 接口速率 1200 19200bps 工作溫度 20℃ 70℃ 電源 – (177。需要在履帶機器人內(nèi)安裝微型 PC系統(tǒng)。通過網(wǎng)絡(luò)可以在世界任何一點遙控履帶機器人。 5 履帶機器人的動力部件 除了結(jié)構(gòu)部件以外，有許多難以加工的部件比如電氣類和遙控類部件等，仍然需要向供貨商購買。履帶機器人中所使用都是技術(shù) 成熟 并且相對價格較低的產(chǎn)品。 電動馬達 主動力采用 86mm 直徑 48V 的無刷永磁直流馬達。與普通有刷馬達的相比，它產(chǎn)生的電子干擾較小，摩擦小。但是在相同的功率下48V的馬達更短，更輕，效率更高，發(fā)熱更小，綜合以上多個優(yōu)點，最終還是選擇了 48V 馬達。比如，小型稀有金屬 馬達的效率一般在 80%到 90%