履帶機器人設計及應用畢業論文(已修改)

　

【正文】 中北大學2014屆畢業設計說明書履帶機器人設計及應用畢業論文1 緒論從機器人的分類上來講，軍用履帶機器人是屬于遙控機器人的一種，既是能在人的操控下在人類難以接近或者遠距離完成作業的機器人。從上世紀八十年代開始，歐美等工業發達國家就開始對各種機器人進行系統的研究，隨著科技的進步和時間的推移，取得了大量的研究成果。比較有影響的是美國的Packbot 機器人和Talon機器人 。這兩種屬于便攜式履帶機器人,它們應用在伊拉克戰爭和阿富汗戰爭中,取得了巨大的成功。此外, 美國iRobot公司生產的Negotiator機器人和Warrior排爆機器人，英國研制的super2wheelbarrow 排爆機器人、加拿大謝布魯克大學研制的AZI2MUT機器人、日本的HeliosVII機器人都屬于小型履帶機器人,因其各自用途不同,在結構上各具特點。國內對該類機器人研究起步較晚,但近期取得了一定成果,如沈陽自動化研究所研制的CLIMBER機器人,北京理工大學研制的四履腿機器人,北京航空航天大學研制可重構履帶機器人等[1]。在現代戰爭中，尤其是反恐戰爭中履帶機器人無論是作為拆彈機器人，偵查機器人還是戰斗機器人，都發揮著越來越重要的的作用。履帶式機器人雖然行動較慢，運轉阻力大，但是通過性強，可以翻越障礙物，爬樓梯，負載能力高使之能裝載許多設備與武器。所以成為了軍用機器人的首選。各國目前現役的的拆彈機器人，偵查機器人與戰斗機器人均已履帶機器人為基礎。以上三種軍用機器人中，拆彈機器人使用的最為廣泛。目前在各國的警察部隊中，拆彈機器人已經成為反恐作戰的必備裝備。機器人的結構設計直接關系到拆彈的效率與成功率。這次的設計能盡可能考慮到需要考慮到的所有的相關因素，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構模式的選擇，用來尋找最合適的設計方案。一個優良的拆彈機器人擁有通過性與載重性很強的底盤，精準強力的機械臂，與完備的遠程監控操作能力。以上這些優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生系列產品，如偵查機器人，搜救機器人，戰斗機器人等。這些功能會通過裝備特制的功能插件得以實現。設計機器人是一個龐大大工程，一個優良的設計不僅僅是優秀的結構理論數據與華麗的外觀，便于生產和控制加工成本也是成功的關鍵，這是設計能否走出圖紙成為成品的決定性因素。在論文的準備階段中我了解到“通用機械”這一概念，機械的通用性的好壞不僅決定了這一個設備的加工難度，而且能決定這一領域的發展速度。起步早但是發展緩慢的機械行業與發展迅猛的電子行業便很好的詮釋出了通用性的重要程度。 在獲得數控車床中級技師資格后我更加體會到設計便于加工的產品的重要性，有些零件雖然從設計上達到了理論上的最優結構但是加工起來卻比較復雜，比如需要掉頭加工或需要切換各種刀具，這都加大了生產成本并且降低了加工精度，而對性能的提升往往不明顯，從整體上講是得不償失的。所以在設計這個拆彈機器人的時候，所有的結構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。機器人的的每一個零件，從螺母到軸承到方形鋼管，完全符合我國工業標準，在設計的后期我也切身體會到標準化帶來的優勢，許多零件因為統一的標準可以互相替換，使設計周期大大縮短。步進電機與控制模塊等需要由專業廠商提供的部件，全部先進行市場調查，確定市面上有銷售并且價格合理后才予以采用。這么做是希望在條件允許的條件下，僅僅通過我提供的圖紙和供貨商名冊便可以快速的以較低成本將履帶機器人生產出來。2 履帶機器人的運動分析 驅動模式的選擇機器人的種類有許多種，要設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。這一章便是對各種機器人工作模式之間進行對比與選擇。找出最適合拆彈任務的組合。作為一個小型的移動平臺，常用的動力只有活塞式內燃機和電動馬達兩種。內燃機單位質量產生的能量較大，例如。但是同時帶來的也有強烈的震動，熱量和廢氣。經過合理設計的四沖程汽油引擎可以相應的降低震動。考慮到即使主動力模塊使用汽油發動機，仍然需要蓄電池作為機械臂的動力，所以這并不會節省多少空間和重量。因此，這里為了單位質量的功率而使用汽油引擎是得不償失的。另外，相對于活塞式引擎，電動馬達有如下優點：[2]不會熄火，這個在緊急狀態下絕不允許發生，雖然可以在機器人內部設置啟動電機，但是這在這種小型機器人中實現起來相當的麻煩。與之相比，電動機可以瞬間啟動，瞬間停止，并且配有自鎖剎車功能，而內燃機還需要另外配備剎車部件。熱源小，面對爆炸物來說熱量越小越好。而作為戰斗機器人的參加任務的話熱源會成為熱敏武器與紅外觀察設備的目標。安靜，震動小，對于拆彈任務來說，震動會沿著機械臂傳導至爆炸物，可能會引爆爆炸物，或激發爆炸物的起爆裝置，這會導致災難性的后果。對于偵查與戰斗任務來說，機器人的隱蔽性也是至關重要的，震動與噪音較大的活塞式引擎用在這里便不是很合適。運行起來不需要新鮮空氣，這對于在比如集裝箱，室內這樣的狹窄空間中的拆彈任務極為重要，否則會使機器人無法工作。雖然電動機加上蓄電池的重量可能非常大，這樣會導致在爬樓梯和上坡中會比較費力，但是對于履帶式機器人來說根本沒有問題，首先作為拆彈機器人，并不需要高速的移動到爆炸物旁邊，反而需要慢慢的靠近，通過蝸桿減速和鏈條減速的馬達可以輸出足夠的扭矩解決阻力與重量過大這一問題。對于這種慢速的履帶設備來說，強大的正壓力只能提供更高的推進力。第二，拆彈機器人是需要移除爆炸物的，沉重的底盤可以保證重心的穩定防止機器人翻倒。 活塞內燃機與電動馬達的性能對比單位質量功率再啟動難度對空氣依賴性噪音震動發熱量電磁干擾活塞式內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的時候會產生電磁干擾，雖然這對負責拆彈工作的機械臂的控制極為不利，但是從現實角度出發，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。另一方面，使用無刷電動馬達可以將電磁干擾造成的影響降到最低。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。所以電動馬達對于拆彈機器人是最理想的動力來源。 動力傳動模式的選擇將發動機產生的扭矩和轉速可靠精準的傳遞到輪子也是非常重要的。通過前面的章節，我們已經選擇電動馬達作為履帶機器人的主要動力。雖然和活塞式引擎相比，電動馬達可以在更廣的轉速范圍內工作而不至于熄火，但是可以并不代表最優，電動馬達在低轉速大扭矩下運轉效率非常低，也就是說會產生大量的熱量。因此在將動力傳遞到輪子的同時也需要對電動馬達進行減速，目前工業上普遍采用的方法如下。 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。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，尤其是在傳動方向轉變的時候有一定的滯后性。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。正因為其對精準性要求不高，所以在高強度的越野環境與震動較大的環境下，鏈條傳動也是最能持續穩定工作的一種轉動模式。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。一般使用在一個大型馬達帶動許多不同的機械機構。帶輪需要摩擦力來維持運動，這一過程中可能發生打滑和蠕變。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整設備。這一張緊過程會對軸承產生較大的載荷。不同步問題使它不能用到需要兩端轉速同步的情況下，但是因此可以適用于會短時間超載的場合。適用的溫度范圍有限，性能與工作環境掛鉤（灰塵，污漬，機油等）。運轉時會產生靜電。c V型帶傳動：V型傳動帶的截面很像梯形，導輪的截面也有一個V型的口。V型傳動帶是最普遍的傳動帶。因為它有兩個摩擦接觸面，所以它能比傳統的平帶傳遞更大的能量。傳遞的能量取決于V型帶的繃緊力和滑輪V型口的角度。繃緊力越大，傳動能量就越強。從某種意義上講，V型傳動帶是平帶的一種改進型，保持了平帶所有的優點的同時加大了傳遞的扭矩。d同步帶傳動：同步帶也被稱作齒帶。這種同步帶經常被用在汽車引擎上，連接凸輪軸和曲軸使之同步運轉。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。同步帶的導輪上有牙槽。這使所有與同步帶連接的導輪能以相同的速度轉動。同步帶能比普通的平帶傳遞更大的扭矩。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。缺點是，它也需要絕對平行的安裝環境，否則也會在運轉中飛出誘導輪。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，內部的金屬齒輪可提供很高的強度來對抗較大的扭矩。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合體。變速箱中是齒輪，軸，軸承，潤滑油，和其他剛性配件。變速箱必須由精確設計的零件組成。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合體。行星減速與蝸桿減速在履帶機器人的各個部分都有使用[3]。 傳動方式的綜合對比 幾種傳動方式的性能對比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 幾種傳動方式的性能對比變速箱 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。下面針對以上各種傳動方法進行比對。從傳遞扭矩這一點出發，機器人在爬坡或者負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勢較大。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型帶會在卡死后產生相對的滑動以減少熱量的產生。但是如果使用先進的電動機控制模塊的話，內部自帶的電流保護可以有效的保護電動馬達不被燒毀。機器人面對的是危險的爆炸物，或者是危險的戰斗場合。在工作中會為了抓取物體或者為了瞄準目標而進行武器系統進行精確的微調。所以傳動精度非常重要，這一過程需要反復的改變傳動方向，同步性較低的傳動方式顯得不是很合適。安裝的復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生。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生更多的負載。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。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合材料和精度。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。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。 能量源的選擇作為一個電氣化的機器人，高效穩定的能量源非常重要，目前世界上廣泛使用的并且技術成熟的是，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，以下便對這些產品進行詳細的分析與比對[4]。 常見的可充電電池a鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池的技術相當成熟，非常適合機器人使用。從技術上講鉛酸蓄電池是一種電池組。總的來說，鉛酸蓄電池的容量是是10Ah級別。以下幾點是它的優點：價格最便宜，成本低。壽命長，可以在300次