nbhkdz.com冰点文库

中北大学-履带机器人设计

时间:2015-05-03


毕业设计说明书
履带机器人设计

班 姓 学 专

级: 名: 院: 业:

学 号:

软件学院 软件工程 王庆明 郑智贞

指导教师:

2014年 6 月

履带机器人设计及模型
摘 要 机器人在现代战争中,尤其是反恐战争中有着不可替代的地位,无论是作为 拆弹机器人,侦查机器人还是战斗机器人,都能极大的简化任务过程,减少人员 伤亡与财产损失。履带式机器人虽然行动较慢,运转阻力大,但是通过性强,可 以翻越障碍物,爬楼梯,负载能力高,所以成为了军用机器人的首选。 论文中先用了大量的的篇幅进行理论的论证与各种结构模式的选择,进行了 详细的对比后,找到最合适的设计方案。在后续的章节中对机器人的各个部分进 行了详细的结构设计。在设计过程中,充分考虑到了机器人的功能性,机构合理 性,并且尽量的控制了加工的难度与成本。最终设计出一种以完成拆弹任务为主 的中型履带机器人平台,在拥有一切履带机器人的优点的同时,可以通过更换不 同的插件完成侦查,战斗任务。

关键词:通用机械,机器人平台,拆弹机器人,侦查机器人,战斗机器人

Tracked robot design and modelin
Abstract Robots have an irreplaceable status in modern warfare, especially in anti-terrorists wars. Bomb-disposal robot, detection robot, and fighting robot, for instance, can greatly simplify the task of process, and reduce casualties and property losses. Although the crawler robot moves slowly and has great resistance on running, is has high possability that can climb over obstacles and stairs, and high load capacity. It has become the first choice for military uses. The thesis carries out demonstrations of theoretical arguments and a list of a variety of options for structure model first by using a considerable space, then defines the best alternative of designs after a detailed comparison. In the subsequent chapters, specific structural designs were conducted for each part of robots. In the design process, such as robot’s functionality and structural rationality was sufficiently taken into consideration, as well as the control of processing cost and difficulty. The final design, a bombdisposal-task-oriented medium-sized tracked robot platform was completed. It has all the advantages of tracked robot, and can be switched to different plug-ins in order to bomb demolition, detection, and combat missions.

Keywords: General machinery , Robot platform , Bomb disposal robot , Detection robot,Fighting robot

中北大学 2014 届毕业设计说明书

目 录
1 绪论 ............................................................................................................................ 1 2 履带机器人的运动分析 ............................................................................................ 3 2.1 驱动模式的选择 ..................................................................................................... 3 2.2 动力传动模式的选择 ............................................................................................. 4 2.3 能量源的选择 ......................................................................................................... 8 3 机械臂的坐标变换与运动分析 .............................................................................. 13 3.1 齐次坐标旋转变换 ............................................................................................... 13 3.2 机械臂的运动形式选择 ....................................................................................... 15 3.3 机械臂的驱动方式选择 ....................................................................................... 19 4 结构设计 .................................................................................................................. 22 4.1 底盘设计 ............................................................................................................... 22 4.2 轮轴模块的结构设计 ........................................................................................... 25 4.3 动力模块的设计 ................................................................................................... 31 4.4 机械爪的结构设计 ............................................................................................... 34 4.5 机械臂的结构设计 ............................................................................................... 35 5 履带机器人的控制与传感器 .................................................................................. 44 5.1 传感器 ................................................................................................................... 44 5.2 步进电机驱动模块 ............................................................................................... 46 5.3 远程遥控与传感器系统 ....................................................................................... 48 6 履带机器人的动力部件 .......................................................................................... 50 6.1 电动马达 ............................................................................................................... 50 6.2 马达驱动 ............................................................................................................... 52 6.3 步进电机 ............................................................................................................... 53 6.4 铅酸蓄电池 ........................................................................................................... 57 7 履带机器人的功能与扩展 ...................................................................................... 59 7.1 底盘特性 ............................................................................................................... 59 7.2 拆弹模式 ............................................................................................................... 61

中北大学 2014 届毕业设计说明书 7.3 侦查模式 ............................................................................................................... 62 7.4 战斗模式 ............................................................................................................... 64 8 总论 .......................................................................................................................... 66 参考文献 ...................................................................................................................... 67 致谢 .............................................................................................................................. 68

第Ⅱ页 共Ⅱ页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

1 绪论
从机器人的分类上来讲,军用履带机器人是属于遥控机器人的一种,既是能 在人的操控下在人类难以接近或者远距离完成作业的机器人。从上世纪八十年代 开始,欧美等工业发达国家就开始对各种机器人进行系统的研究,随着科技的进 步和时间的推移,取得了大量的研究成果。 比较有影响的是美国的 Packbot 机器人和 Talon 机器人 。这两种属于便携式 履带机器人,它们应用在伊拉克战争和阿富汗战争中 ,取得了巨大的成功。此外, 美 国 iRobot 公司生产的 Negotiator 机器人和 Warrior 排爆机器人,英国研制的 super2wheelbarrow 排爆机器人、加拿大谢布鲁克大学研制的 AZI2MUT 机器人、 日本的 HeliosVII 机器人都属于小型履带机器人,因其各自用途不同,在结构上各具 特点。国内对该类机器人研究起步较晚,但近期取得了一定成果,如沈阳自动化研究 所研制的 CLIMBER 机器人,北京理工大学研制的四履腿机器人,北京航空航天大学 研制可重构履带机器人等[1]。 在现代战争中,尤其是反恐战争中履带机器人无论是作为拆弹机器人,侦查 机器人还是战斗机器人,都发挥着越来越重要的的作用。履带式机器人虽然行动 较慢,运转阻力大,但是通过性强,可以翻越障碍物,爬楼梯,负载能力高使之 能装载许多设备与武器。所以成为了军用机器人的首选。各国目前现役的的拆弹 机器人,侦查机器人与战斗机器人均已履带机器人为基础。 以上三种军用机器人中,拆弹机器人使用的最为广泛。目前在各国的警察部 队中,拆弹机器人已经成为反恐作战的必备装备。机器人的结构设计直接关系到 拆弹的效率与成功率。这次的设计能尽可能考虑到需要考虑到的所有的相关因 素,在论文开始的几章里用了大量的的篇幅进行理论的论证与各种结构模式的选 择,用来寻找最合适的设计方案。一个优良的拆弹机器人拥有通过性与载重性很 强的底盘,精准强力的机械臂,与完备的远程监控操作能力。以上这些优点使拆 弹机器人成为了一个很好的机器人平台,可以通过更换功能插件而产生系列产
第 1 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 品,如侦查机器人,搜救机器人,战斗机器人等。这些功能会通过装备特制的功 能插件得以实现。 设计机器人是一个庞大大工程,一个优良的设计不仅仅是优秀的结构理论数 据与华丽的外观,便于生产和控制加工成本也是成功的关键,这是设计能否走出 图纸成为成品的决定性因素。在论文的准备阶段中我了解到“通用机械”这一概 念,机械的通用性的好坏不仅决定了这一个设备的加工难度,而且能决定这一领 域的发展速度。起步早但是发展缓慢的机械行业与发展迅猛的电子行业便很好的 诠释出了通用性的重要程度。 在获得数控车床中级技师资格后我更加体会到设计 便于加工的产品的重要性,有些零件虽然从设计上达到了理论上的最优结构但是 加工起来却比较复杂,比如需要掉头加工或需要切换各种刀具,这都加大了生产 成本并且降低了加工精度,而对性能的提升往往不明显,从整体上讲是得不偿失 的。所以在设计这个拆弹机器人的时候,所有的结构部件在考虑强度的同时最大 限度的考虑到了易于加工性,因此也牺牲了一部分外观和强度或者重量的参数。 机器人的的每一个零件,从螺母到轴承到方形钢管,完全符合我国工业标准,在 设计的后期我也切身体会到标准化带来的优势,许多零件因为统一的标准可以互 相替换,使设计周期大大缩短。步进电机与控制模块等需要由专业厂商提供的部 件,全部先进行市场调查,确定市面上有销售并且价格合理后才予以采用。这么 做是希望在条件允许的条件下,仅仅通过我提供的图纸和供货商名册便可以快速 的以较低成本将履带机器人生产出来。

第 2 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

2 履带机器人的运动分析
2.1 驱动模式的选择 机器人的种类有许多种,要设计一个机器人必须先选择合适的动力,能源, 运动模式,传动模式等。这一章便是对各种机器人工作模式之间进行对比与选 择。找出最适合拆弹任务的组合。 作为一个小型的移动平台,常用的动力只有活塞式内燃机和电动马达两种。 内燃机单位质量产生的能量较大,例如,一个微型的 3.5cc 航模用甲醇二冲程发动 机就能爆发出惊人的能量和转速。但是同时带来的也有强烈的震动,热量和废 气。经过合理设计的四冲程汽油引擎可以相应的降低震动。考虑到即使主动力模 块使用汽油发动机,仍然需要蓄电池作为机械臂的动力,所以这并不会节省多少 空间和重量。因此,这里为了单位质量的功率而使用汽油引擎是得不偿失的。 另外,相对于活塞式引擎,电动马达有如下优点:[2] 1、不会熄火,这个在紧急状态下绝不允许发生,虽然可以在机器人内部设置 启动电机,但是这在这种小型机器人中实现起来相当的麻烦。与之相比,电动机 可以瞬间启动,瞬间停止,并且配有自锁刹车功能,而内燃机还需要另外配备刹 车部件。 2、热源小,面对爆炸物来说热量越小越好。而作为战斗机器人的参加任务的 话热源会成为热敏武器与红外观察设备的目标。 3、安静,震动小,对于拆弹任务来说,震动会沿着机械臂传导至爆炸物,可 能会引爆爆炸物,或激发爆炸物的起爆装置,这会导致灾难性的后果。对于侦查 与战斗任务来说,机器人的隐蔽性也是至关重要的,震动与噪音较大的活塞式引 擎用在这里便不是很合适。 4、运行起来不需要新鲜空气,这对于在比如集装箱,室内这样的狭窄空间中 的拆弹任务极为重要,否则会使机器人无法工作。 5、虽然电动机加上蓄电池的重量可能非常大,这样会导致在爬楼梯和上坡中
第 3 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 会比较费力,但是对于履带式机器人来说根本没有问题,首先作为拆弹机器人, 并不需要高速的移动到爆炸物旁边,反而需要慢慢的靠近,通过蜗杆减速和链条 减速的马达可以输出足够的扭矩解决阻力与重量过大这一问题。对于这种慢速的 履带设备来说,强大的正压力只能提供更高的推进力。第二,拆弹机器人是需要 移除爆炸物的,沉重的底盘可以保证重心的稳定防止机器人翻倒。
表 2.1 活塞内燃机与电动马达的性能对比 单位质量 功率 再启动难 度 对空气依 赖性 噪音震动 发热量 电磁干扰

活塞式内 燃机













电动马达













在这两个选择之间,电动马达唯一的缺点便是在运转的时候会产生电磁干 扰,虽然这对负责拆弹工作的机械臂的控制极为不利,但是从现实角度出发,拆 弹工作一般不会在机器人行进中进行,而是在停止的状态下进行的,所以主动力 马达的电磁干扰对履带机器人来说也可以忽略。另一方面,使用无刷电动马达可 以将电磁干扰造成的影响降到最低。 综上所述,相对于活塞引擎来说,电动马达在各项指标中都有所胜出。所以 电动马达对于拆弹机器人是最理想的动力来源。 2.2 动力传动模式的选择 将发动机产生的扭矩和转速可靠精准的传递到轮子也是非常重要的。通过前 面的章节,我们已经选择电动马达作为履带机器人的主要动力。虽然和活塞式引 擎相比,电动马达可以在更广的转速范围内工作而不至于熄火,但是可以并不代 表最优,电动马达在低转速大扭矩下运转效率非常低,也就是说会产生大量的热 量。因此在将动力传递到轮子的同时也需要对电动马达进行减速,目前工业上普
第 4 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 遍采用的方法如下。 2.2.1 几种常见的传动方式 a 链条传动: 链条的长度可以自行选择,所以对轴的距离要求不是很精准,这个可以降低 安装难度。因为链条齿轮与链条之间存在间隙,所以传递过程并不是很精准,尤 其是在传动方向转变的时候有一定的滞后性。但是低廉的成本和和加工成本与较 低的安装精度使他成为一种非常方便迅捷的解决方案。正因为其对精准性要求不 高,所以在高强度的越野环境与震动较大的环境下,链条传动也是最能持续稳定 工作的一种转动模式。 b 平带传动: 平带传动被广泛使用在高速,小直径,低噪音的场合。一般使用在一个大型 马达带动许多不同的机械机构。带轮需要摩擦力来维持运动,这一过程中可能发 生打滑和蠕变。平带需要绷紧力来使能量从一个轮子传递到另一个,因此需要一 个张力调整设备。这一张紧过程会对轴承产生较大的载荷。不同步问题使它不能 用到需要两端转速同步的情况下,但是因此可以适用于会短时间超载的场合。适 用的温度范围有限,性能与工作环境挂钩(灰尘,污渍,机油等)。运转时会产 生静电。 c V 型带传动: V 型传动带的截面很像梯形,导轮的截面也有一个 V 型的口。V 型传动带是 最普遍的传动带。因为它有两个摩擦接触面,所以它能比传统的平带传递更大的 能量。传递的能量取决于 V 型带的绷紧力和滑轮 V 型口的角度。绷紧力越大,传 动能量就越强。从某种意义上讲, V 型传动带是平带的一种改进型,保持了平带 所有的优点的同时加大了传递的扭矩。 d 同步带传动: 同步带也被称作齿带。这种同步带经常被用在汽车引擎上,连接凸轮轴和曲
第 5 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 轴使之同步运转。同步带在安装上与平带类似,是平带传动的另一种注重精准性 的改进型。同步带的导轮上有牙槽。这使所有与同步带连接的导轮能以相同的速 度转动。同步带能比普通的平带传递更大的扭矩。它没有齿间隙, 所以成为了理想 的精确的自动化机器人机械部件。缺点是,它也需要绝对平行的安装环境,否则 也会在运转中飞出诱导轮。 e 变速箱传动: 变速箱是紧凑的连接马达和轮子的方法。一般大型机械要传递很大的扭矩的 时候都是使用变速箱的方法,内部的金属齿轮可提供很高的强度来对抗较大的扭 矩。一般机器人上使用的都是减速马达,也就是一个减速箱和一个电动马达的结 合体。变速箱中是齿轮,轴,轴承,润滑油,和其他刚性配件。变速箱必须由精 确设计的零件组成。普遍的方法是使用直齿轮,行星齿轮,蜗杆齿轮或者这些齿 轮的结合体。行星减速与蜗杆减速在履带机器人的各个部分都有使用[3]。 2.2.2 传动方式的综合对比
表 2.2 几种传动方式的性能对比 传递扭矩 传动精度 安装难度 加工难度 成本

链条











平带











V 型带











同步带

较高

较高







第 6 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书
续表 2.2 几种传动方式的性能对比 变速箱 高 高 高 高 高

综上所述,链条,同步皮带,与齿轮传动都是良好的传动方式。下面针对以 上各种传动方法进行比对。 1、从传递扭矩这一点出发,机器人在爬坡或者负载较重的时候需要很高的扭 矩,出于这一点的考虑,链条传动与齿轮传动优势较大。但是如果机器人在行进 中遇到不可翻越的障碍物的话,电动马达便会卡死,产生非常大的热量,这很有 可能瞬间烧毁电动马达,平带与 V 型带会在卡死后产生相对的滑动以减少热量的 产生。但是如果使用先进的电动机控制模块的话,内部自带的电流保护可以有效 的保护电动马达不被烧毁。 2、机器人面对的是危险的爆炸物,或者是危险的战斗场合。在工作中会为了 抓取物体或者为了瞄准目标而进行武器系统进行精确的微调。所以传动精度非常 重要,这一过程需要反复的改变传动方向,同步性较低的传动方式显得不是很合 适。 3、安装的复杂程度虽然对于精密的机器人来说不是什么问题,但是许多传动 方式在两个轴不绝对平行的情况下会无法工作,而这种事情在机器人翻越障碍物 或者受到爆炸物冲击波的冲击后很有可能发生。有些传递方式需要绷紧力,这样 会对马达输出轴和动力模块的轴承产生更多的负载。较低的安装精度对控制机器 人的成本和机器人的普及性方面有着很重要的作用。 4、加工难度与成本,变速箱与同步带都需要较高的成本,变速箱需要大量的 钻孔与车铣加工,同步带需要高强度的复合材料和精度。这将大大的影响成本, 在对成本不敏感而对精度要求较高的情况下可以忽略。 考虑到履带机器人对各项指标的需求,使用如下的传动方式,在电动马达输 出轴上安装蜗杆减速,这种减速方式减速比大,而且可以垂直的改变传动角度,
第 7 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 然后通过链条传动将扭矩传递到主轮。 2.3 能量源的选择 作为一个电气化的机器人,高效稳定的能量源非常重要,目前世界上广泛使 用的并且技术成熟的是,铅酸蓄电池,镍镉电池,金属氢化合物镍电池,锂离子 电池这几种。这其中有些完全不适合机器人使用,有些的性能非常相近,以下便 对这些产品进行详细的分析与比对[4]。 2.3.1 常见的可充电电池 a 铅酸蓄电池 铅酸蓄电池的技术相当成熟,非常适合机器人使用。从技术上讲铅酸蓄电池 是一种电池组。总的来说,铅酸蓄电池的容量是是 10Ah 级别。以下几点是它的 优点: 1、价格最便宜,成本低。 2、寿命长,可以在 300 次充放电循环后可能仍然有 80%的容量。如果存储在 25 o C 的环境下,每天的电量损失低于 1%。 3、它在所有的电池中能提供的电流是最高的。这对于偶尔进行大功率输出的 设备来说非常重要。 4 、摩托车,汽车,电瓶车都需要使用这种蓄电池,所以可用的型号非常广 泛,不同的尺寸序列也非常庞大。 5、他的电压与电量的相关性很高,对于一个 12V 电池,电池的电压会从充 满电的 13.2V 慢慢的降低到无电状态的 10V,这样可以快速的判别电池的剩余电 量,而决定什么时候该更换电池或者进行充电。 以下几点是铅酸蓄电池的缺点: 1、铅酸蓄电池产生的时间非常早,技术相对落后,所以他比其他种类的电池 都要重,或者说是单位质量下产生的能量最小。 2、如前文所说,随着电量的下降,电压也会随之下降,因此产生的能量会随
第 8 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 之下降。 3、内部有大量液体,所以在高温或者是高功率工作的时候会产生气体,需要 安装排气孔。所以大部分的铅酸蓄电池不能快速充电,否则会有内部压力过大的 危险。 4、因为它内部的酸液会在放电时腐蚀极板,所以它必须在充满电的情况下储 存,并且要经常充电。如果在没电的情况下存储一段时间的话电池会报废。但是 考虑到他的较低的自放电率,这一充电过程也并不需要经常进行。 b 镍镉电池(NiCad) 镍镉电池是一个很成熟的技术,而且他的价格和性能仍然在不断的改进中。 以下是镍镉电池的优点:[5] 1、它有极佳的性价比。虽然购买镍镉电池的成本没有铅酸蓄电池那么低,但 是在长时间使用的情况下,如果保养得当,镍镉电池最终会更省钱,甚至比铅酸 蓄电池还要便宜。在良好的储存和保养下,镍镉电池可以完成 1000 次充电循环。 2、能量密度很好,是铅酸蓄电池的三倍,在这方面只有金属氢化合物镍电池 可以超越。 3 、镍镉电池在存储的时候可以不充电并且不会受到损害。但是从另一角度 讲,它也只能在不充电的情况下储存,否则会产生记忆效应,这会大大降低电池 的容量。 以下是镍镉电池的缺点: 1、当电池在 25° C 存储的时候,每天会损失 1%的能量。当充满电的时候,镍 镉电池会在三周内自行放电到 80%的电量。需要偶尔通过深度放电使电压降低到 80%来保证电池内阻维持在一个较低水平上。最好每 20 次充放电循环进行一次深 度放电。 2、镍镉电池需要高度的保养,检测,充电,在低温下存储以延长使用寿命。 3 、镍镉电池含有镉,虽然被很安全的封在电池中,但是镉是有毒的化学元
第 9 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 素,必须妥善的处理。 c 金属氢化物镍电池 (NiMH) 虽然这里说的金属氢化物镍电池和真正的镍氢电池有本质的不同,但是日常 生活中我们都把金属氢化物镍电池称之为镍氢电池。这是一个正在发展并且不断 提升的技术。目前市面上的 5 号或者 7 号充电电池基本上都是镍氢电池。 以下是金属氢化物镍电池的优点: 1、NiMH 电池的能量密度是现有的电池中最好的。在良好的保养和存储下, NiMH 电池可以完成 500 多次充放电循环,随着技术的不断发展,这一数值在不 断的被刷新中。 2、直到完全放电前,电压会一直保持稳定。这使它能任务中全功率输出。 3、它可以在不充电的情况下无损害的存储。它在无电存储的时候没有记忆效 应,也就是说可以在有电或者没电的情况下储存,不需要像镍镉电池那样提前放 电或者像铅酸蓄电池那样提前充电。 4、他不含镉等危险的元素所以没有相关的健康问题,也不会污染环境。 以下是 NiMH 电池的缺点: 1、成本较高,一般作为随身设备的小型电源,而不是这种大功率的场合。 2、完成 500 次充放电循环后,电池的容量就会随着内阻的提高而下降。 3、当存储在 25oC 的环境下,NiMH 电池每天会损失 5%的电量。当充满电的 时候,NiMH 电池会在 5 天内自放电为原来 80%的电量,所以需要偶尔进行深度 放电使电池的内阻降低。 d 锂离子电池 锂离子电池是普遍使用的充电电池。如果进行缓慢的功率输出的话,它的能 量密度很大。然而,在大流量放电的时候,电压会下降很快。在电池大流量放电 的时候电池可能会损坏。我们也从新闻中得知,许多使用锂离子电池的笔记本在 温度较高功率较大的情况下使用发生爆炸事故。因此,锂离子电池不是很适合大
第 10 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 功率机器人使用。另一个缺点是,锂离子电池的框架寿命在 25° C 下仅为两年。也 就是说即使在没有使用并且妥善保存的情况下,锂离子电池的性能也会在两年后 大大下降。 2.3.2 几种充电电池的综合对比
表 2.3 几种充电电池的性能对比

功率

能量密度

寿命

维护难度

自放电

电池价格

铅酸蓄电池













镍镉电池













金属氢化物 镍电池



最大









锂离子电池













综上所述对以上几种常见的充电电池进行对比: 1、从功率角度考虑,履带机器人有两个 330W 的无刷电动机作为主动力,另 外有 8 个步进电机作为机械臂等设备的动力,所以对功率要求很高。在高功率环 境下会产生爆炸危险的锂离子电池便被首先排除。 2、从能量密度方面分析,因为是履带式机器人,而且作为拆弹机器人需要相 应的底盘重量,所以能量密度要求不高,但是不可以忽略的是,机器人的内部空 间尺寸非常有限,体积过大的话会对设计造成不便。 3、寿命,拆弹工作与反恐任务并不是经常发生,所以并不需要多高的充电循 环,但是要求有很高的存储寿命,而且需要在短时间内迅速出动,所以镍镉电池 等虽然存储寿命长,但是需要在空电状态存储下这一属性便不适用于随时可能发 生的拆弹任务,优先排除。铅酸蓄电池的低放电率很适合存储并随时应付突发情
第 11 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 况。而用来应付长时间工作的镍氢电池包的较高放电率便显得比较不利[6]。 4、维护难度,考虑未来的用途,维护难度并不是主要的问题,作为重要的军 事装备会有专人进行维护。但是相对较低的使用成本也意味着可以同时装备较多 的机器人。 通过以上对各种电池的分析,履带机器人应该配备两种电池来应付不同的任 务,如果进行拆弹工作,需要同时使用数个步进电机而且工作时间一般不长,再 考虑到对底盘稳定性的要求,所以将采用铅酸蓄电池。 如果进行长时间侦查或者战斗任务的话,电池使用时间与重量便变得比较重 要。这时能量密度最高而且维护方便并且潜力巨大的金属氢化物镍电池便是好的 选择。

第 12 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

3 机械臂的坐标变换与运动分析
3.1 齐次坐标旋转变换 机械臂作为履带机器人的重要组成部分,其运动方程决定了以后的计算分析 等工作,而对于机械臂的控制来说,坐标计算公式更是至关重要,以下是对多自 由度机械臂的自由度坐标换算方法[7]。 齐次变换是用其次矩阵来描述机构连杆的关系。 D- H 矩阵是一个4 X4矩 阵,它把一个矢量从一个坐标系转换到另一个坐标系。每一个矩阵可以实现两个 作用:旋转和平移。原来的矢量则必须用齐次坐标系表示。 空间机构的运动学分析有许多方法,齐次变换是其中较为直观地、较方便的 一种,Paul 首次将 D-H 矩阵应用于机器人的轨迹的计算,从此,齐次变换在机器 人运动学中和动力学分析中广为应用。他为机器人的分析与综合提供了一种有效 的手段。履带机器人所使用的多关节机械臂可以认为是有一系列关节连接起来的 连杆所组成。我们把构件坐标系嵌入机器的每一个连杆中,便可以用齐次坐标来 描述这些坐标系之间相对位置和方向。

图 3.1 坐标系的相对位置和相对方向

坐标系的旋转变换 坐标系 OUVW 是坐标系 OXYZ 经过旋转后变换得到的。令 Ix,Jy,Kz 和 Iu,Jv,Kw 分别为 OX、OY、OZ 轴和沿 OU、OV、OW 轴的单位向量。空间中一点 P 的位置可用向量 P 表示。
第 13 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 在 OUVW 坐标系中,向量 P 记为

P UVW ? pu iu ? pv jv ? pu k w


P UVW ? ? pu , pv , pw ,1?

T

式中 pu , pv , pw ,分别是 P 沿 OU,OV,OW 轴的投影。 在 OXYZ 坐标系中向量 P 记为
PXYZ ? px ix ? p y j y ? p z k z



PXYZ ? ? px , p y , p z ,1?

T

我们希望找出旋转变换矩阵 RX ,以使 PUVW 的坐标转换为 PXYZ 的坐标,既存
UVW 在 P XYZ ? RX ? P U

U

实际上,OUVW 按一定的关系绕 OXYZ 转动时,固定于 OUVW 的向量 PUVW 随 OUVW 一齐转动,当 OUVW 与 OUVW 重合时, PUVW 与 PXYZ 重合,其转动关 系由 RX 描述。 向 量 PU V W 在 OX 、 OY 、 OZ 轴 的 投 影 分 量 可 用 下 列 分 量 的 点 积 定 义
U

px ? ix ? P UVW ? i x ?i u pu ? i x ? jv pv ? i x ? k w pw
py ? j y ? P UVW ? j y ? iu pu ? j y ? jv pv ? j y ? k w pw

pz ? k z ? P UVW ? k z ? iu pu ? k z ? jv pv ? k z ? k w pw
写成矩阵的形式:

? px? ? i x ? iu ? py? ? j ? i ? ?=? y u ? pz ? ? k z ? iu ? ? ? ?1? ? 0

i x ? jv j y ? jv k z ? jv 0

ix ? k w j y ? kw k z ?k w 0

0? ? p u ? ? ? 0? ? ? pv ? 0? ? p w ? ?? ? 1? ? 1 ?

第 14 页 共 68 页

式中

中北大学 2014 届毕业设计说明书 ? i x iu i x j v i x k w 0 ? ? ? U R X = ? j y iu j y j v j y k w 0 ? ? k z iu k z j y k z k w 0 ? ? ? 0 0 1? ? 0

RX 阵中第一列元素分别为 Iu 在 Ix,Jy,Kz 方向的投影分量;第二、三列元素

U

分别为 Jv,Kw 在方向 Ix,Jy,Kz 的投影分量。三列分别表示轴 OU、OV、OW 所在 的方向。 OUVW 绕 OXYZ 单个轴的转动变换矩阵称为基本变换矩阵。当 OUVW 仅绕 OX 轴转角 θ 时,基本转动矩阵记为 Rot(x, θ),由式(4-18)可以计算得:

0 0 ?1 ?0 cos? ? sin ? Rot(x, θ)= ? ?0 sin ? cos? ? 0 0 ?0 ? cos? 0 sin ? ? 0 1 0 Rot(y, θ)= ? ?? sin ? 0 cos? ? 0 0 ? 0 ?cos? ? sin ? 0 ? sin ? cos? 0 Rot(z, θ)= ? ? 0 0 1 ? 0 0 ? 0

0? 0? ? 0? ? 1? 0? 0? ? 0? ? 1? 0? 0? ? 0? ? 1?

所以关节的端点就可以用各个矩阵相乘,最终得到脚底部处相对于起点的位 移。但是有矩阵乘法可知,我们必须按照关节的次序一次相乘,因为矩阵的乘法 是有次序的。这样便可以得出机械臂终点的坐标,虽然拆弹机械臂基本是由人控 制,但是对复杂的环境或者遮蔽物的环境下也需要计算机辅助来控制机械臂的位 置。 3.2 机械臂的运动形式选择 机械手产生的时间非常早,早在 20 世纪初期,随着机床汽车制造业的发展, 机械手也随之产生了,世界上第一个机械手是美国福特公司在 1913 年在汽车零件 加工自动线采用的,当时为了解决自动机上下料与工件的传送问题。所以,当时
第 15 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 的机械手是作为自动机,自动线的附属装置出现的。后来,随着 40 年代原子能工 业的产生,出现了半自动化抓取搬运装置,也就是所谓的操作机。在原子能工业 中负责进行放射性材料的加工处理和实验,或者是在兵工厂进行易燃易爆物的加 工装配,这类装置的特点是不属于某一工作主机,而且由人来操控。因此有人将 这类操作机器人称为遥控操作机,操纵机器人。拆弹机器人可以说就是一个底盘 可移动的操纵机器人,而且他平时进行的工作与兵工厂中进行的易爆物加工与装 配工作如出一辙,都是由操作者进行操纵,进行危险物的移除工作[8]。 机械手种类繁多,在不同的操作方式,动力来源,坐标结构,自由度搭配中 又有无数种排列组合,下文便是通过对各种模式的比对,排除,来选择出最适合 的机械臂模式与结构。 3.2.1 机械臂的运动方式 a 圆柱坐标系 这种运动形式的机器臂均具有回转,伸缩,与升降三个自由度,运动范围为 一个圆柱体。优点是占地小,活动范围大,结构简单,紧凑,能达到较高的定位 精度,应用广泛,运动直观性较强。它可以绕中心轴转一个角度,因此其工作范 围可以扩大,且计算简单。他的直线驱动部分如果采用液压驱动,则可以输出较 大的动力,能够伸入腔式机器人的内部,但是他的手臂到达的空间受到限制,不 能到达靠近立柱或者地面的空间;直线驱动部分难以密封、防尘、及防御腐蚀性 物质;后缩手臂工作时,手臂会碰到工作范围内的其他物体。 b 极坐标系型 极坐标机器人又称为球坐标机器人,他与圆柱坐标型机器人一样,可以绕中 心轴旋转。这种机械臂由一个直线运动与两个回转运动组成,由一个伸缩一个俯 仰机构组成。其运动范围的图形为一个球体。它具有中心支架附近工作范围大、 两个转动驱动装置容易密封、覆盖工作区间较大的优点。但是他的坐标复杂,较 难控制;其直线驱动装置仍存在密封和工作死区问题。
第 16 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 c 直角坐标系型 这种机械臂由三个直线运动组成,沿 xyz 轴三个方向运动组成。运动范围的 图形为立方体。优点是结构简单,定位精度高,运动直观性强,但是占地面积大 而工作范围小,惯性大灵活性差。他在 X、Y、Z 轴上的运动是独立的,其运动方 程可以独立处理 ; 同时方程又是线性的,因此对这类机器人进行计算机控制很简 单;它可以两端支撑,因此对于给定的结构长度,其刚性最大。他的精度和位置 分辨率不随工作场合而变化,容易达到高精度。但是他的操作范围小,手臂收缩 的同时,又向相反的方向伸出,不仅妨碍工作,而且占地面积大,运动速度低, 密封性也不好。 d 多关节型 这种机器臂和人的手臂比较相似,可以做多个方向的转动,由多个臂组成, 机械形式和人的肘关节肩关节类似。优点是工作范围大,动作灵活,通用性强, 能抓取靠近基座的物体,但是运动直观性差。机械臂末端由多个回转角确定,定 位精度不高。虽然国内多数文献对关节的个数和自由度有一定的要求,但是我认 为,所有的有较多臂关节的机器臂都可以叫做多关节型机械臂。 e SCRA 型 一般用于装配,也叫做装配机器人,动作灵活,速度快,定位精度高。其实 是多关节机器人的一种特定的形式。一般有 4 个自由度。

第 17 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 3.2.2 几种机械臂运动方式的对比
表 3.1 几种机械臂运动形式的性能对比 工作范围 所占空间 运动惯性 操作直观性 重要优点

圆柱坐标系

较大

较小





极坐标系型



较小





能抓取死角

直角坐标系









多关节型

最大

较小





能绕过障碍

SCRA









总结以上各种类型的运动方式, 1、工作范围的角度考虑,拆弹机器人需要一定的范围,以拆除高出地面或者 是障碍物后的爆炸物。这几种机械臂的的操作范围都可以满足这一需求。因为在 范围内移动物体这一原则本来就是工业领域设计机械臂的初衷。 2、所占空间必须小,拆弹机器人是一个可移动的操作点,而不是一个空间, 所以占用空间较大的直角坐标系便被排除。 3、惯性对拆弹工作影响并不大,因为拆弹过程中所有的动作都非常缓慢,为 了搬运重量较大的物体机械臂的各处驱动留下的功率余量比较大,可以很好的解 决惯性的问题。 4、从操作直观性的方面出发,虽然以上几种有较大的差别,但是随着科技的 进步,电脑模拟技术的完善,直观性差可以通过软件与程序来弥补,所以直观性 不强对拆弹任务的影响不大。 5、考虑到拆弹过程中可能会遇到在箱子中或者是在汽车底下的爆炸物,绕过
第 18 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 障碍与路径这一特点会使拆弹工作非常方便。 综上所述,多关节机械臂最适合履带机器人的拆弹工作。 3.3 机械臂的驱动方式选择 3.3.1 几种机械臂的驱动方式 机械手的驱动方式主要为以下四类 a 液压式 液压式系统使用的比较广泛,尤其是大功率机械臂上基本都是使用液压式, 比如马路上常见的吊车,挖掘机等都是液压式机械臂的一种。驱动系统包含油 缸,电磁阀,油泵,油箱。操作特点是操作力大,体积小,动作平稳,耐冲击, 耐振动。缺点是漏油对系统工作性能影响很大,成本高。 虽然液压系统的体积小,但是仅限于在有压力源的情况下,如车间,大型机 械等,对于小型移动设备来说,需要单独的机构提供压力,这需要额外的空间。 小型的液压设备不容易设计管线等在局促的空间内会不好分配空间。 b 气压式 与液压式原理相同,由气缸,气阀,空气压缩机组成。特点是气源方便,维 修简单,速度高,成本低,防火防爆,漏气对设备影响不大。缺点是操作力小, 体积大,由于空气的压缩性差,速度不易控制,响应慢,动作不平稳,有冲击 等。而且同样的也需要空气压缩机作为气源,不便于小型移动设备随时携带。其 中,速度不宜控制,动作不平稳,有冲击对于精密危险的拆弹工作来说是完全不 可取的,如采用气压式机械臂的话将很容易发生事故。 c 机械式 驱动系统由电机,凸轮,齿轮齿条,连杆等机械装置组成,传动可靠,缺点 是结构比较复杂,对于简单的机械臂来说非常合适,但是对于有 6 个自由度的拆 弹机器人来说,其间的机械结构将非常复杂精细。机械式机械臂也是需要辅助设 备提供动力的。
第 19 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 d 电气式 由电动马达驱动,优点是电源方便,信号传递容易运算,响应快,驱动力较 大,非常是适用于中小型机械臂,这也正是拆弹机器人所需要的。缺点是,伺服 电机需要安装在机械臂内部,所以机械臂的尺寸较大。相对其他设备而言,因为 可以使用机器人自带的主动力驱动电池,所以可以认为没有辅助设备。 3.3.3 机械臂驱动方式的对比与选择
表 3.2 几种不同驱动方式的机械臂的性能对比 机械臂体 积 液压式 小 辅助设备 体积 大 响应速度 结构复杂 性 较复杂 操作力 操纵精准 性 较高

较慢



气压式







简单



极低

机械式







极复杂





电气式







简单





综合比对以上几种驱动方式: 1、机械臂的体积,虽然相对以上几种体积差别较大,但是对于机器人来说, 臂需要一定的界面面积来保证强度,所以相对较大的尺寸对整体设计影响不大。 2、辅助设备对拆弹机器人来说很重要,如果是在车间中,有液压气压源的情 况下,可以忽略,但是作为一个移动平台,履带机器人能随时提供的只有电压与 电流,如果安装液压或气压源的话,对整体设置来说难以实现。因此液压气压式 的机械臂在这里被排除。 3、响应速度对拆弹工作来说,会影响操作的节奏,发出指令后能付快速执行 对拆弹工作还是有一定的影响的。 4、操作力对于拆弹工作非常重要,许多爆炸物的重量非常惊人,某些由炮弹
第 20 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 改造的路边炸弹的重量可以达到几十公斤,所以对操作力度有较高的要求。 结合以上分析,电气式的机械臂完全符合拆弹工作的需求。

第 21 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

4 结构设计
今天,三维设计已经成为工业设计的主流,为了更好的完成对履带机器人的 结构设计,我全程使用 PROE 作为三维设计工具,对履带机器人所有的零部件进 行建模和设计。 4.1 底盘设计 底盘是车型机器人的重要的骨架,而且是所有其他设备的平台,在设计的时 候不仅仅要提供一个坚固的框架,也要便于把其他设备安装上。强度对于拆弹机 器人尤为重要,拆弹机器人不仅仅需要在复杂的路面上行驶,而且在负载沉重的 蓄电池和电动马达的同时还需要在移除相当重量的爆炸物,所有需要额外的强 度。另一方面,在某些情况下,爆炸物突然爆炸或者起火,甚至是通过拆弹机器 人改造的战斗机器人或者侦测机器人遭遇敌人火力的袭击的情况下,底盘不但要 承受极端的负载而且要在紧急战争环境下快速更换。

图 4.1 履带机器人的底盘

4.1.1 底盘框架 考虑到以上的极端情况所以需要高强度的底盘,这里排除了铸造底盘,因为
第 22 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 铸造部件过于沉重,而且单位质量提供的强度也不是很高,战时更换性也不强, 所以采用了框架式底盘,在设计中也尽力做到最简单。材料采用了 30X60mm 厚 度为 5mm 的 304 不锈钢方管,这种合金钢非常普遍,在具有不锈钢优秀的特质的 同时也相对较容易焊接 [9] 。使用方管加工简单,也有相当优秀的截面形状便于往 底盘上追加其他设备。

图 4.2 底盘框架

框架配件 方形钢管虽然加工简单价格便宜而且单位质量的强度很高,但是要在其上安 装高精度的轮架并不容易,第一,方形钢管不同于方钢,在强力的夹持下容易变 形,钻贯穿的大孔的时候非常费力。第二,在其上钻孔会造成应力集中大大降低 底盘的强度,所以利用的方管的截面设计了一个框架的插件,因为需要较高的精 度所以需要使用数控加工中心进行加工。

图 4.3 底盘框架部件

4.1.2 支撑轮底盘 底盘电动机与蓄电池的重量较大。下底盘轮架与数量众多的支撑轮便是解决
第 23 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 这一问题的方法。同时,下底盘轮架内的空间也是履带机器人的步进电机的驱动 模块与两块蓄电池的安装架。采用 3mm 钢板切割而成,受力部件使用 5mm 钢 板。

图 4.4 支撑轮底盘

图 4.5 支撑轮底盘与步进电机模块

第 24 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.6 支撑轮轮架的安装位置

4.2 轮轴模块的结构设计 4.2.1 轴 主轴支撑着机器人大部分的重量,而且负责传动前轮架的动作,所以分段较 多。

图 4.7 主轴

后轴,是固定的,并不会转动,为了减少零件和更换方便所以采用了和主轴 相同的轴承部件,但是原来安装轴承的部位安装了一个与 61805 轴承相同尺寸的 轴瓦,以此提供支撑力。
第 25 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 前轴,比较短而所以强度要求不大,但是出于通用性的考虑采用了与主轴相 同的直径尺寸。

图 4.8 副轴

4.2.2 轴帽 主要功能是在轴的两端将其间的部件夹紧,同时对于主轴来说还负责将动力 传递至前轮架的功能。

图 4.9 轴帽

4.2.3 轴承部件 轴承采用了 61805 深沟球轴承,内径 25mm 外径 35mm 厚 7mm,也专门为这 个轴承设计了轴承套等配件,加工过程中需考虑到公差与安装斜面等因素。

第 26 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.10 轴承部件

4.2.4 主承重轮

图 4.11 主轮

限于空间比较紧而没采用悬挂设备,所以改进了轮子的辐条,弧形的辐条能 提供额外的弹性使机器人在翻越障碍的时候不至于震动过大。轮子的材质使使用 聚甲醛,因为如此大的体积如果使用金属材料的话重量会非常的巨大。而被誉为 “超钢”的聚甲醛,有着优越的机械性能和化学性能,可用作许多金属和非金属材 料所不能胜任的材料,可用作各种精密度高的小模数齿轮、几何面复杂的仪表精 密件、自来水龙头及爆气管道阀门等,用在这里非常合适。

第 27 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.12 辅轮

辅轮与主轮相比直径较小,出于通用性的考虑许多尺寸与主轮是相同的 内轴,聚甲醛虽然有着很好的强度和韧性,但是硬度不高,抗磨损能力差, 如果直接将轴承安装在塑料轮内,短时间内就会磨损轮子,所以在轮子中心使用 了钢制的内衬,提供额外的强度,和足够的抗磨损能力。内轴的材质也是使用 35#钢,车床车制,表面需进行热处理以提高耐磨性。

图 4.13 主轮与辅轮内衬

第 28 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.14 主轮安装方法

4.2.5 支撑轮 虽然主轮可以轻松的支撑机器人全部的重量但是在某些复杂的地形下履带会 承受额外的拉力,所以需要支撑轮来维持履带的形状,和在高负载时提供额外的 支撑力,另外在履带断裂的情况下仍可提供一定的行驶能力。为了减轻重量支撑 轮采用的材质也是聚甲醛,内部轴承采用了 61800 深沟球轴承,内径 10mm 外径 19mm 厚 5mm。

图 4.15 支撑轮

第 29 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.16 支撑轮的安装方法

4.2.6 前轮架 前轮架需要由步进电机通过蜗杆抬起,而且在翻越障碍的时候需要承担部分 负载,所以对强度和重量的要求都很高,这里仍然采用了单位质量强度较高的聚 酰胺材质。

图 4.17 前轮架的安装方法

4.2.7 履带 作为履带机器人,履带是最重要的特征。履带机器人采用整体的橡与纤维组 成的复合材料。履带外侧设有明轮片,可以在松软的地面上产生更强的抓地力。
第 30 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.18 履带

4.3 动力模块的设计 动力部分包含两个 86 无刷电动马达,配套的马达驱动器,蜗杆减速器,与轴 承部件。之所以把这些部件整合在一起是为了便于更换与维护[10]。

图 4.19 动力模块与减速器

第 31 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.20 动力模块与马达驱动器

4.3.1 减速器 履带机器人运转阻力较大,转速不能过高,而电动机的最佳效率转速往往高 达数千转每分所以需要减速器减速,同时考虑到马达在机器人中于输出轴的位置 正好呈 90 度,所以采用了蜗杆减速装置。

图 4.21 蜗杆减速器

4.3.2 动力模块框架 将以上几个部件结合起来的框架,承受扭矩的地方使用 5mm 的 35#钢板,其 他地方使用 3mm 钢板,依附底盘的位置或者不承担扭矩的地方进行了挖空处理, 以减轻重量。将电动马达的驱动也整合在其中,在紧急状态下便于更换。

第 32 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.22 动力模块框架

图 4.23 动力模块安装方法

动力模块的轴起到维持链条传动的作用,而且是一个经常高速旋转的轴,因 此有着完备的轴承模块,轴承使用的是与支撑轮相同的 61800 深沟球轴承,内径 10mm 外径 19mm 厚 5mm[11]。 4.3.3 辅动力模块 控制前轮架俯仰的动力来源,使用的与机械臂相同的 57 步进电机。在经过行 星减速后连接到蜗杆,然后传动到主轴。
第 33 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.24 辅助动力模块

框架,主要受力部分使用 5mm 钢板,为了方便安装和固定,与底盘相接的地 方设置了弯角,安装的时候便于固定。整个部件在运转的时候会承担较大的法向 力,所以在行星减速器的两端都有支撑的框架。

图 4.25 辅助动力模块的安装位置

4.4 机械爪的结构设计 抓取爆炸物的夹紧部件,由一个 42 步进电机负责夹紧动作,另一个 42 步进 电机负责旋转动作。通过框架结构使两个爪块可以平行移动将爆炸物抓紧,爪端 可根据不同的任务更换橡胶片,橡胶钉或者其他符合爆炸物形状的预制配件[12]。

第 34 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.26 机械爪

图 4.27 机械爪的分解视图

因为零件太小,再考虑到机械爪不是一个经常运转的部件,所以并没有安装 轴承,这要求机械爪在运作的时候需要进行充分的润滑,否则运行阻力会过大, 并且造成磨损[13]。 4.5 机械臂的结构设计 机械臂是拆弹机器人的功能部件,不仅需要精准,而且需要较大的负载能 力,一般的实验型机器人多采用航模标准的伺服电机,虽然技术成熟通用性高但 是功率不足。履带机器人使用的是步进电机与蜗杆的结合,在蜗杆和步进电机之 间还加了一级行星减速系统,这样能在高负载的情况下提供足够的扭矩,也可以 在精心的拆弹工作中提供足够的微调精准度。分为前臂,中臂,后臂,底座四个
第 35 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 部分。 4.5.1 前臂 包含机械手和两个自由度的控制,因为在整个机械臂的末端,所以采用了重 量较轻的 42 步进电机。图 4.28 中能看出内部安装的三个 42 部件电机,行星减速 机构与后部的蜗杆机构。

图 4.28 前臂的透视图

图 4.29 前臂框架结构图

腕关节,使用了一个推力轴承和一个滚针轴承。提供两个方向的足够的支
第 36 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 撑。可以应付较大的载荷。图 4.30 很好的显示了腕关节的结构,从左到又分别 是,机械爪的末端框架、轴承内部支撑、10mm 推力轴承、30mm 滚针轴承、轴承 外部支撑、机械臂前臂框架。这样由推力轴承承担轴向力,滚针轴承承担法相 力,可以对机械臂产生足够的支持力。

图 4.30 腕关节轴承部件的分解视图

4.5.2 中臂 中臂较长,提供足够的操作范围,因为传递的扭矩较大所以使用了较大的 57 步进电机,作为过渡阶段,许多配件与前臂后臂是通用的。中臂也是改装成侦查 臂与战斗臂的基础。

图 4.31 中臂

第 37 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.32 中臂的透视图

图 4.33 中臂框架的结构图

图 4.33 所示的部件与后臂相同位置的部件是通用的,圆柱形的空间里装着蜗 杆机构,旋转轴的轴承部件与主轴的轴承部件相同。

图 4.34 支撑架

第 38 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 支撑架,在中臂前端连接前臂的部件,负责传递两个自由度的动作。上端的 开口时为了安装前臂而设置的,否则前臂轴无法装入,装入后由螺栓固定。 4.5.3 后臂

图 4.35 后臂

图 4.36 后臂的内部结构

第 39 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.37 后臂支撑架

配件与中臂基本相同,唯一不同的是尾部,因为在行进过程中,整个机械臂 会折叠起来,所以有一定的死角,这样提高一定的高度使机械臂可以完全收起。

图 4.38 折叠状态

这样设计虽然会有更高的自由度范围,但是会相应的降低结构的强度,所以 仅仅是后臂与中臂的连接处使用了这种设计,前臂与中臂的自由度范围足够应付 大部分工作情况所以并没有采用这种设计。 框架 整体采用的仍然是不锈钢的方管,因为器材与零件全部整合在臂端的模块 中,所以除了臂端模块以外的部分可以根据情况随意改变,比如延长或缩短杆的 长度,或者使用圆管等。

第 40 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.39 机械臂框架

4.5.4 底座 负责承担全部的压力和扭矩,所以采用较厚的 5mm35#钢板焊接而成,为了 在垂直方向有足够的支撑力,采用了推力轴承。

图 4.40 机械臂底座

第 41 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.41 机械臂底座框架结构

图 4.42 机械臂底座在底盘的安装位置

第 42 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 4.43 机械臂底座轴承部件的分解视图

从图 4.43 中可以清楚的看到推力轴承,和轴承的安装顺序,从左到右分别 是,后臂支架,轴承支架, 30mm 推力轴承,轴承支架, 25mm 深沟轴承,底座 轴,底座架。轴承座与支架是通过焊接连接的。

图 4.44 整体视图

第 43 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

5 履带机器人的控制与传感器
5.1 传感器 拆弹机器人不仅仅是一个工厂里的组装机器人,作为遥控设备他需要人进行 观察,需要一些传感器进行现场的评测。作为军用机器人,对传感器的要求非常 高。 1、精度高,重复性好。机器人传感器的精度直接影响机器人的工作质量。尤 其是危险的拆弹工作与战斗工作,任何误差都会导致财产损失甚至人员伤亡,机 器人是否能够准确无误的正常工作取决于传感器的测量精度。 2、稳定性好,可靠性高。机器人传感器的稳定性和可靠性是保证机器人能够 长期稳定的可靠工作的必要条件。军用机器人就是以在恶劣环境中工作而设计 的,所以稳定性对军用机器人来说至关重要,如果机器人在工作中故障,也将造 成财产损失与人员伤亡。 3 、抗干扰能力强。机器人传感器的工作环境往往比较恶劣,机器人传感器 应该能够承受,当有强电磁干扰,强震动,并能在一定的高温、高压、高污染环 境下工作。作为拆弹机器人不但要克服自身各种电动马达传感器产生的干扰,也 要做好克服来自恐怖分子的恶意干扰的准备。 4、重量轻、体积小,安装方便可靠。对于安装在机器人手臂等运动部件上的 传感器,重量要轻,否则会加大运动部件的惯性,影响机器人的工作性能。对于 工作空间受到某种限制的机器人,体积和安装方向的要求也是必不可少的。 考虑到以上因素,给履带机器人在不同使用环境与不同的任务配备如下传感 器。 a 视频传感器 作为人遥控的机器人,视频是最重要的传感器之一,操作者几乎所有的操作 与判断都是通过视频传感器而进行的。解决方案如下,机器人的前后各安装一个 较低分辨率的固定摄像头,以在行进或者倒退过程中判断障碍物的形状以改变机
第 44 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 器人的履带状态或者转向。在机械臂的前端安装一个清晰度较高的摄像头,跟随 机械臂前臂的动作来精准的观察机械手附近的状态。目前市面上非常普遍的室外 监视器的摄像头便是很好的选择,它们被设计的时候考虑到风吹日晒的因素,结 构简单可靠,种类型号繁多,可以很好的适应这一工作。 当履带机器人安装上侦测模块执行侦查任务的时候,对视频系统有着更高的 要求,为了执行夜间或者在黑暗的建筑物中的侦查任务,微光夜视仪是必备的, 红外摄像头在观察人员与汽车等设备的时候也会非常的有用。为了满足侦查的需 求,激光测距仪也需要被装备。这些设备无论是采用民用还是军用,都有着很好 的性能。 b 压力传感器,机械爪末端与机械臂的底座处需要安装这样的传感器,目的 是调解机械手的压紧力,否则过大的夹持力会使爆炸物的外壳变形而压迫内部的 危险物品。底座的压力传感器是判断出爆炸物的重量,如果在抓取抬升的过程中 发现重量过大便需要停止工作,否则会对机械部件造成损害。 c 爆炸物传感器 原理上讲是高敏感度的气味传感器,通过气味对爆炸物的化学成分进行判 断,对不同种类的爆炸物使用不同的拆除方法[14]。 d 遥控设备,虽然军方有完备的系统,但是民用机器人大赛里也有很完备的 系统。所以我采用了国内机器人竞赛中使用的操作模块,集成了 usb 遥控,大量 步进电机与传感器接口,使用方便而且成本也相对较低。

第 45 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 5.2 步进电机驱动模块

图 5.1 四轴数控车床步进电机驱动模块

步进电机因为工作原理的原因也需要特殊的驱动模块,为了提供全方位的操 控性,加上前轮架的俯仰动作,履带机器人总计使用了 8 个步进电机,如果每个 步进电机使用单独的驱动模块的话体积会非常庞大,而且难以控制,通过对市面 上各种步进电机的驱动板的调查,发现了一种用于小型雕刻机的四轴数控车床驱 动板非常合适,在一块电路板是集成了是四个步进电机的驱动,而且作为数控车 床的驱动板,软件方面也非常的全面技术相当成熟,价格比 8 个独立的驱动板便 宜许多。12 - 36V 直流电源供电,输出电流 3A,可驱动 42,57,86 步进电机。两块 这样的电路板正好可以驱动履带机器人全部的 8 个步进电机。尽管这是体积缩小 的优化设计,但是两块步进电机的驱动板面积仍然非常大,并且主控芯片对散热 有一定的要求,不能安装的太紧密,也不能安装在机器人的内部,只能将其安置 在底盘的底部。

第 46 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 5.2 步进电机驱动模块的在底盘的安装位置

图 5.2 显示了两个步进电机控制模块在底盘上的安装位置,下文中的表 5-1 则 是 4 轴步进电机驱动板的一些重要数据。车床步进电机控制板并非为移动设备而 设计,所以需要额外的防护措施以适应恶劣的战场环境。
表 5.1 四轴数控车床步进电机驱动模块的性能参数 输入电源 输出电流 驱动电机 重量 使用温度 最大震动 12 - 36V 直流电源供电 3A(峰值 3.5A) 42,57,86 步进电机 (4 线 6 线 8 线步进电机) 300g 0℃-50℃ <5.7m/s2

第 47 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 5.3 远程遥控与传感器系统 履带机器人有多组传感器,有包含多路步进电机的控制,需要复杂的控制系 统。 在国内机器人大赛中经常被使用的整合系统,主要控制系统为一个单片机, 配备大量传感器与步进电机控制板,缺点是视频需要通过另一路系统传输,可以 满足一般的拆弹任务与训练的需求。

图 5.3 单片机整合控制模块 表 5.2 单片机整合控制模块的性能参数 工作频率 431MHz to 478MHz

频率间隔

200KHz

接收灵敏度

-117dBm@1200bps

第 48 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书
续表 5.2 单片机整合控制模块的性能参数 接口速率 1200 - 19200bps

工作温度

-20℃ - 70℃

电源

3.3 – 5.5V (±50mV 纹波)

发射电流

≦35mA@10mW

接收电流

≦30mA

传输距离

1000m

备用方案 通过 3G 网络可以在有手机信号的任意范围内操作机器人,在没有 3G 信号的 地方可以通过计算机无线网卡使用的 802.11 通讯协议在 200 米范围内进行操作并 传递高清视频信号。需要在履带机器人内安装微型 PC 系统。因为 PC 有着强大的 计算能力所以可以方便的解决控制问题,与自主侦查等。通过网络可以在世界任 何一点遥控履带机器人。 市面上销售的以 Atom 为核心的微型笔记本可以很好的完成这一任务,它们 都内置无线网卡与 3G 网卡,整合性高,自带的电源可以供给 6 小时以上的电力
[15]



第 49 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

6 履带机器人的动力部件
除了结构部件以外,有许多难以加工的部件比如电气类和遥控类部件等,仍 然需要向供货商购买。这其中种类与型号繁多。履带机器人中所使用都是技术成 熟并且相对价格较低的产品。以下是所选部件的型号与详细参数。 6.1 电动马达 主动力采用 86mm 直径 48V 的无刷永磁直流马达。和普通马达相反,无刷马 达的线圈是固定的而磁体是旋转的。与普通有刷马达的相比,它产生的电子干扰 较小,摩擦小。 市面上在这一功率范围内的电动马达的电压分为 24V 和 48V 两种,这对于非 移动设备来说可能仅仅只是更换变压器这么简单,但是对于移动的平台, 48V 意 味着四个 12V 蓄电池,这对空间和质量上都是一种挑战。但是在相同的功率下 48V 的马达更短,更轻,效率更高,发热更小,综合以上多个优点,最终还是选 择了 48V 马达。 虽然数据显示使用稀有金属磁体马达的话,马达的性能会大大提升。比如, 小型稀有金属马达的效率一般在 80%到 90%。而且不管多高的电压和高热他都不 会退磁。相对于普通铁氧体马达会将 33% 的能量用于发热,稀有金属马达只把 10%到 20%的功率转化成热量。但是通过调查,市面上的稀有金属马达的售价过 高,所以履带机器人并没有采用这种稀有金属磁体马达。

图 6.1 86BLF02 无刷直流永磁马达 第 50 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书
表 6.1 86BLF02 无刷直流永磁马达的性能参数 型号 86BLF02

额定电压

48V

额定转速

3000RPM

保持力矩

1.05Nm

输出功率

330W

峰值转矩

3.2Nm

峰值电流

29.0Amps

重量

2.2kg

如表 6.1 所示,根据经验,电动马达铭牌上的功率一般经过取整,而转速和 保持力矩是经过实测。主动力马达在 3000RPM 的转速下的保持力矩 T 为 1.05Nm,根据功率公式:
P ? T ??

(5-1)则此时的实际输出功为:
3000rpm ? 2? ? 329.7W 60

P ? T ? ? ? 1.05 Nm ?

动力模块中的蜗杆减速器减速比为 20,链条齿轮的减速比为 5,共计 100。 则主轴输出扭矩为 105Nm。 主动轮半径为 150mm,根据扭矩公式:
F? T d

(5-2)

则在主轮与履带之间最大可产生的推力为:
第 51 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书
F? T ? 105Nm ? ? 700 N r 0.15

两套 86 无刷马达经传动后可以使主轮产生 1400N 的推力。考虑到履带机器人 在硬质地面的经验传动阻力系数为 1.5。最终的理论推力是 933.3N。在摩擦力足 够的情况下可以使履带机器人爬上垂直的障碍物。因此履带机器人的动力系统即 使在额定状态下也可以应付各种障碍物。 6.2 马达驱动 无刷马达的工作原理是用一个能侦测线圈位置的感应器。将信号以每秒数千 次的频率发送到一个特殊的控制器,并在每次线圈变换位置的时候激发它。所以 无刷马达需要特制的控制器。履带机器人使用的是市面上销售的 48V330W 的无刷 马达,所以需要一个能够在 48V 下输出 10A 以上的马达驱动。许多电瓶车或者电 动自行车有完备的驱动解决方案。 DBLS-01 为闭环速度型控制器,采用 IGBT 和 MOS 功率器,利用直流无刷电 机的霍尔信号进行倍频后进行闭环速度控制,控制环节设有 PID 速度调节器,系 统 控 制 稳 定 可 靠 , 尤 其 是 在 低 速 下 总 能 达 到 最 大 转 矩 , 速 度 控 制 范 围 1506000rpm。同时具备电气刹车功能,使马达反应迅速而且省去了刹车盘等部件,具 有过压、欠压、过流、过温、霍尔信号非法等故障报警功能。完全符合履带机器 人对任务的需求。原本为电瓶车而设计的架构有着很好的抗震性能[16]。

图 6.2 DBLS-01 马达驱动器

第 52 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书
表 6.2 DBLS-01 马达驱动器的性能参数 型号 DBLS-01

标准输入电压

48VDC

最大输入过载保护电流

5A/15A

加速时间常数

0.2s

6.3 步进电机 为了产生足够的扭矩,同时又要将其容纳在局促的机械臂中,履带机器人采 用了两种步进电机,机械爪的张合与前臂旋转与俯仰使用的是工业上常用的 42 步 进电机,它们被大量的应用在数控车床上,有着成熟的技术配套设备与软件。除 了机械爪与前臂以外,机械臂的后部等扭矩需求较大的地方使用的是 57 步进电 机。都配合了相应的行星减速机构与蜗杆减速器,以提高扭矩和精准度。

图 6.3 42 步进电机

第 53 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书
表 6.3 42 步进电机的性能参数 电机型号 42BYGH4425

步矩角

1.8o

相电压

3.1V

相电流

2.5A

静力矩

0.48Nm

重量

0.34kg

42 步进电机主要是作为机械爪与前臂的动力,静力矩为 0.48Nm。在机械爪 中,经过减速比为 30 的蜗杆减速后,静力矩提升为 14.4Nm。 当机械爪的连杆与机械臂的轴线平行的时候得到最大的法相夹紧力,此时的 力矩为 100mm。则根据公式(5-2)机械爪中部的法向加持力为:
Fmax ? T 14.4 Nm ? ? 144 N d 0.1m

当机械爪的连杆运动到垂直于机械臂轴线的时候,机械爪张开度最大,夹紧 力最小,此时的力矩为 72 mm,机械爪中部的法向夹持力为:
Fmin ? sin ? ? T 0.04 14.4 Nm ? ? 111.1N d 0.072 0.072m

作为前臂的动力时,42 步进电机先经过减速比为 20 的行星减速器,再经过减 速比为 20 的蜗杆减速器,减速比共计 400,静力矩提升为 192Nm。前臂从卡爪中 部到前臂轴的距离为 330mm。则,臂端在水平状态下可承受的拉力为:
F? T 192 Nm ? ? 581.81N d 0.33m

即在水平状态下前臂步进电机可使前臂抬起 50kg 以上的重物,完全能移除一
第 54 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 般爆炸物。前臂的腕关节采用的步进电机与减速机构与之相同,而且力矩非常 短,故不进行校核。

图 6.4 57 步进电机

第 55 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书
表 6.4 57 步进电机的性能参数 电机型号 57BYGH56-401A

步矩角

1.8o

相电压

3.1V

相电流

2.8A

静力矩

1.26Nm

重量

0.7kg

57 步进电机是作为中臂和后臂的马达,承受扭矩要大于前臂,同样先经过减 速比为 20 的行星减速器,再经过减速比为 20 的蜗杆减速器,减速比共计 400,静 力 矩 提 升 为 504Nm 。 机 械 臂 的 几 个 部 分 中 , 中 臂 轴 距 933mm , 后 臂 轴 距 610mm,卡爪中部到前臂轴距为 330mm。当机械臂完全展开并且平行于地面的时 候,后臂末端的步进电机承受的扭矩最大。此时力矩 d 为:

d ? d1 ? d2 ? d3 ? 0.33m ? 0.61m ? 0.933m ? 1.873m
根据公式(5-2)末端法向力为:
Fmin ? T 504 Nm ? ? 269.1N d 1.873m

即臂端可以承担 26kg 以上的重物,而且运行中,机器人很少会将机械臂完全 展开而且处于水平位置,一般是在一米的半径上工作,此时的力矩 d 为 1m,则此 时的末端法向力为:
F? T 504 Nm ? ? 504 N d 1m

即普通位置抓取物体的情况下,也可以将 50kg 的物体抓起。考虑到机械臂自
第 56 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 重 10kg 左右,外加各种运转阻力,与机械爪的握力,机械臂的额定抓取重量为 20kg 左右。 6.4 铅酸蓄电池

图 6.5 LC-X127CH 型铅酸蓄电池

铅酸蓄电池的型号很多,目前市面上普遍的电压数为 6V 或者 12V,履带机器 人使用的是 48V 电动马达,所以需要将四块 12V 铅酸蓄电池串联使用。四块铅酸 蓄电池中,两块安装在底盘框架中部,两块外挂在下底盘模块的外侧。四块铅酸 蓄电池也起到配重的作用,使机械臂在工作中机体保持平衡。

图 6.6 蓄电池在底盘上的安装位置 第 57 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书
表 6.5 LC-X127CH 型铅酸蓄电池的性能参数 型号 LC-X127CH

标准电压

12V

标准容量

12AH

内阻

<17mhms

重量

4.3kg

履带机器人的主动力是两个 330W 电动马达,经过 5.1 节中的重新计算,马达 在额定状态下的实际输出功率为 329.7W,运转在额定工作状态下的无刷马达的效 率一般为 75%。则实际输入功率约为 440W,两个无刷马达共计 880W。需要电池 输出 18.33A 的电流,普通的铅酸蓄电池便可以满足[17]。

第 58 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

7 履带机器人的功能与扩展
7.1 底盘特性 作为履带机器人,底盘是最为重要的,履带机器人主要是执行军事任务,所 以对底盘的要求比一般的机器人大赛要高的多。尤其是拆弹工作与狙击工作需要 绝对的精准。所以底盘的稳定性尤为重要。为了有更好的地形通过性,履带机器 人采用了主履带加辅助履带的模式。两组履带尺寸相同,不仅仅是出于通用性的 考虑。机器人虽然是重要的反恐辅助工具,但是轮式机器人和履带式机器人往往 不是很高大,而现实中人们设置围栏桌椅往往是以人的高端为参照的,所以趴在 地上的机器人并不是很好完成一些放在位置较高地方的任务。比如许多炸弹是安 装在汽车后备箱中的,这就需要机器人有一定的高度。而两组尺寸相同的履带可 以使机器人在必要的时候立起来。这会提升机器人 50cm 左右的高度,可以应付 一般的汽车炸弹[18]。 作为侦查机器人,这一优势便更为明显,立起来的机器人能躲在较高的障碍 物后面通过升起的观察模块进行观察,不容易被发现。

图 7.1 底盘抬高状态

拆弹工作中,爆炸物一般是在机器人的前部,这样有着最好的视野。当机械 臂抓取爆炸物的时候,整体的中心会因为前伸的机械臂和爆炸物改变,这是如果
第 59 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 将前轮架展开支撑好,则可以防止机器人翻倒。

图 7.2 底盘展开状态

在不需要调整重心的时候,前伸的前轮架使机器人的长度达到 120cm,这降 低了机器人的通过性。所以在非越野状态下,机器人可以将前轮架收起。这样使 结构更加紧凑。转向更灵活,在战斗模式下的突击工作中会得心应手。

图 7.3 底盘折叠状态

第 60 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 7.2 拆弹模式

图 7.4 拆弹模式

履带机器人所有的设计都是以拆弹模式为根本,定位于多功能中性拆弹机器 人。所有的结构设计优先为拆弹工作而考虑。 在发现可疑物体以后进行先期的观察,一般爆炸物外部有覆盖物遮盖,不能 判断内部结构,这时需要小心移除爆炸物的伪装。七个自由度的机械手可以很好 的完成这一工作,在移除爆炸物的伪装后通过摄像头对爆炸物进行近距离的观 察,判断爆炸物类型与起爆方式,遥控方式等。 a 如果爆炸物结构简单而且起爆方式也非遥控类型,则由人工进行排爆。 b 如果爆炸物起爆方式与遥控方式不明,但是体积较小可由拆弹机器人将其 移动到安全位置进行引爆。 c 如果爆炸物为遥控炸弹,而且体积较大无法移动位置,并且周围环境空旷, 可以采用拆弹机器人将小型引爆器放在炸弹附近,强制引爆。 可见在较简单的情况下,排爆机器人可以完成大部分的拆弹工作,只有在某 些特殊的情况下才需要进行人工排爆,而实际反恐战争中,高科技大型炸弹不是 很多,大部分是土法制造的小型炸弹,拆弹机器人的引入可以大大的降低风险。
第 61 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 7.3 侦查模式

图 7.5 侦查模式

把机械臂的中臂进行改造,原来连接中臂杆的位置连接了一个侦查插件。此 时的机械臂依然有三个自由度,能把侦查插件指向任何角度进行侦查。 侦查状态下,机器人的负载大大减小,主动力模块的减速比将从 100 改为 75。以提高行进速度。对功率的要求也降低了,电池模块将更换为镍氢电池组, 可以使履带机器人工作更长的时间。除了执行战斗侦查任务以外,也可以在有辐 射或者危险气体的工厂中进行检修工作。这时在搭配视频侦查模块的同时也需要 搭载化学物品与辐射传感器。

第 62 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

图 7.6 侦查插件

既然作为侦查机器人,内部的光学仪器必须全面,侦查插件配备如下 1、白光摄像头,一个大口径的高倍数白光摄像头,便于远距离观察,或者对 情况进行全景扫描。 2、微光夜视仪的原理是使用微弱的夜间光源,比如星光,大气漫反射的光, 经过放大而看见夜间的情况,可以夜晚得到良好的视野。成像效果良好。 3、作为另一个夜间观察设备,红外夜视仪虽然在功能上与微光夜视仪有点冲 突,但是它的工作特性使他能在夜晚更快速的找到汽车,人员等发热的目标。而 且在完全没有光的山洞和地下室内,微光夜视仪会无法工作,红外夜视仪成为了 微光夜视仪很好的补充。 4、激光测距仪,作为侦查机器人,对距离的测量非常重要,如发现目标可在 远处通过激光测距仪计算出目标的坐标,引导炮兵或者空军进行精确打击。

第 63 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 7.4 战斗模式

图 7.7 战斗模式

作为多功能履带机器人平台,可以方便的通过更换插件来完成不同的任务, 这次将中臂改造成战斗插件,其中包含一只 G36 突击步枪,选择它作为战斗模块 的武器主要考虑了以下几个优点。

图 7.8 战斗模式插件

第 64 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书 1、G36 外部一体化较高,几乎没什么外置部件,所以可以快速的完成建模工 作。 2、机器人很难自主完成更换弹夹工作,使用弹链供弹的轻机枪是战斗机器人 的首选,但是轻机枪的部件更多更难画,而且长度过大,重量也比较惊人。而德 国的这款突击步枪提供一个 90 发弹鼓,虽然比不上轻机枪使用的 200 发弹链,但 是解决了其他突击步枪仅仅 30 发的弹夹供弹不足的问题。 3、突击步枪取了轻机枪和步枪的优点,既可以像轻机枪那样扫射,也可以像 步枪那样精准的设计,G36 在同行业中是佼佼者,精度,射程,射速表现都非常 出色。 三个自由度的机械臂可以使战斗状态下的履带机器人可以在 800 米的范围内 进行精准的狙击工作,也可以在前方突入未知建筑配合特种部队作战。动力模块 的减速比与电池模块的配置与拆弹状态相同。

第 65 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

8 总论
本文主要完成了以下工作: 1、本论文开始简要介绍了国内外有关履带机器人领域内的研究背景和发展状 况,并阐述了履带机器人的设计理念。 2、本论文重点分析介绍了不同传动方式、驱动模式、机械臂形式等,并进行 了详细的对比与选择。 3、根据履带机器人的特点,详细的对机器人的各个结构部件进行了设计与建 模。 4、通过对履带机器人的使用情况与需求,在市面上选择了合适的电器部件。 5、对履带机器人的功能进行了拓展设计,使之能在不同的需求下完成不同的 任务。 对下一步工作的展望: 目前已经完成全部的结构设计,操作软件与视频遥控设备还未进行设计。下 一步将完善履带机器人的遥控系统与操作系统。

第 66 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

参考文献

[1] 开创新的辉煌——机器人技术与应用[J]杂志社副社长在论坛上讲话.2006. [2] 秦蕴秀. 辽宁省机床产品水平及发展趋势[J]. 辽宁机械,1985,02:45-49. [3] 机床设计手册组.机床设计手册[M].北京:机械工业出版社,1997,12:67-68. [4] 杨玲玲,王小娟. 基于 SolidWorks 的 CA6140 主轴箱三维建模[J]. 机械工程 师,2012,11:80-82. [5] 汪东明. 车床 CA6140 主轴箱的研制[J]. 装备制造技术,2013,04:55-57 [6] 谢玲,陈剑,曹文纲. 基于参数化特征建模技术建立主轴箱三维实体图形库[J]. 现 代机械,1999,04:21-23. [7] 逯艳艳,李永奎. 基于 SolidWorks 轴类零件优化设计[J]. 农业科技与装 备,2012,01:24-26. [8] 曹国安. 改进 CA6140 进给箱进给系统的探讨[J]. 现代机械,1997,04:41-42. [9] 陈淑艳,陈文家.履带式移动机器人研究综述[M].机电工程. 2007.12 第 23 卷 [10] 张鹤祥. 车床溜板箱及其操纵机构[J]. 制造技术与机床,1996,10:31-32. [11] 时丰兵. 卧式普通旋压机床结构优化设计及整机研制[D].广州:华南理工大 学,2013,18:166-173. [12] 张晓东,李元宗. 参数化三维实体零件库的设计[J]. 山西机械,2000,03:10-11. [13] 王东,蒲小琼. 基于 SolidWorks 的机械零件参数化设计[J]. 机械制造与自动 化,2004,05:15-17. [14] Bossmann B.Jay F.Thermal model for high motorized spindles[J].International of Machine Tools and Manufacture,1999,39(9):1345-1366. [15] 施进发等编著.机械模块学[M].重庆: 重庆出版社, 1997,11:155-156. [16] 李磊, 叶涛, 谭民, 陈细军.移动机器人技术研究现状与未来. 机器人 ROBOT. 2002.9. 第 24 卷(5),475-480. [17] 王伟东.面向复杂地面环境的作业型履带式移动机器人研究[M]. 哈尔滨工业大 学工学博士学位论文. 2009 .4. [18] 陈淑艳,陈文家.履带式移动机器人研究综述[M].机电工程. 2007.12 第 24 卷 (12)109-112.
第 67 页 共 68 页

中北大学 2014 届毕业设计说明书

致 谢
在本题的选题和研究过程中我得到指导老师的亲切关怀和悉心指导。指导老 师严肃的科学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,深深地感染和激励 着我。很感谢老师从选题到论文的最终完善中自始至终给予我细心的指导和不懈 的支持。在论文本题的研究过程中指导老师也在理论、思想上不断的教导,使我 的观念更加广阔,在此谨向两位指导老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

第 68 页 共 68 页


赞助商链接