履帶機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模畢業(yè)論文-資料下載頁

【導(dǎo)讀】料均已作明確標注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨立完成，真實可靠，與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計）全部或部分內(nèi)。保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計）。傷亡與財產(chǎn)損失。履帶式機器人雖然行動較慢，運轉(zhuǎn)阻力大，但是通過性強，可。以翻越障礙物，爬樓梯，負載能力高，所以成為了軍用機器人的首選。詳細的對比后，找到最合適的設(shè)計方案。在后續(xù)的章節(jié)中對機器人的各個部分進。在設(shè)計過程中，充分考慮到了機器人的功能性，機構(gòu)合理。性，并且盡量的控制了加工的難度與成本。最終設(shè)計出一種以完成拆彈任務(wù)為主。同的插件完成偵查，戰(zhàn)斗任務(wù)。1履帶機器人的運動分析..................錯誤!動力傳動模式的選擇..................錯誤!機械臂的驅(qū)動方式選擇................錯誤!

　　

【正文】 旋轉(zhuǎn) 動作 。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。 圖 326 機械爪 Figure 326 Mechanical Claw 圖 327 機械爪的分解視圖 Figure 327 Deposition view of mechanical claw 因為零件太小，再考慮到機械爪不是一個經(jīng)常運轉(zhuǎn)的部件，所以并沒有安裝軸承，這要求機械爪在運作的時候需要進行充分的潤滑，否則運行阻力會過大，并且造成磨損。 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。履 帶機器人使用的是步進電機與蝸桿的結(jié)合，在蝸桿和步進電機之間還加了一級行星減速系統(tǒng)，這樣不僅能在高負載的情況下提供足夠的扭矩，也可以在精心的拆彈工作中提供足夠的微調(diào)精準度。大體上分為前臂，中臂，后臂，底座四個部分。 前臂 包含機械手和兩個自由度的控制，因為在整個機械臂的末端，所以采用了重量較輕的 42步進電機。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)。 圖 328 前臂的透視圖 Figure 328 Forearm perspective 圖 329 前臂框 架結(jié)構(gòu)圖 Figure 329 Forearm frame structure 腕關(guān)節(jié)，使用了一個推力軸承和一個滾針軸承。提供兩個方向的足夠的支撐。可以應(yīng)付較大的載荷。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。這樣由推力軸承承擔軸向力，滾針軸承承擔法相力，可以對機械臂產(chǎn)生足夠的支持力。 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。中臂也是改裝成偵查臂與戰(zhàn)斗臂的基礎(chǔ)。 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。 圖 334 支撐架 Figure 334 Backstop 支撐架，在中臂前端連接前臂的部件，負責(zé)傳遞兩個自由度的動作。 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。 后臂 圖 335 后臂 Figure 335 After arm 圖 336 后臂的內(nèi)部結(jié)構(gòu) Figure 336 The internal structure of the after arm 圖 337 后臂支撐架 Figure 337 After arm support frame 配件與中臂基本相同，唯一不同的是尾部，因為在行進過程中，整個機械臂會折疊起來，所以有一定的死角，這樣提高一定的高度使機械臂可以完全收起。 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 。 框架 整體采用的仍然是不銹鋼的方管，因為器材與零件全部整合在臂端的模塊中，所以除了臂端模塊以外的部分可以根據(jù)情況隨意改變，比如延長或縮短桿的長度，或者使用圓管等。 圖 339 機械臂框架 Figure 339 Arm frame 底座 負責(zé)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。 圖 340 機械臂底座 Figure 340 Arm base 圖 341 機械臂底座框架結(jié)構(gòu) Figure 341 frame of Arm base 圖 342 機械臂底座在底盤的安裝位置 Figure 342 Arm base position in the chassis 圖 343 機械臂底座軸承部件的分解視圖 Figure 343 Manipulator base bearing ponents deposition view 從圖 343 中可以清楚的看到推力軸承，和軸承的安裝順序， 從左到右分別是，后臂支架，軸承支架， 30mm 推力軸承，軸承支架， 25mm 深溝軸承，底座軸，底座架。 軸承座與支架是 通過 焊接連接的。 圖 344 整體視圖 Figure 344 whole body view 4 履帶機器人的控制與傳感器 傳感器 拆彈機器人不僅僅是一個工廠里的組裝機器人，作為遙控設(shè)備他需要人進行觀察，需要一些傳感器進行現(xiàn)場的評測。 作為軍用機器人，對傳感器的要求非常高。 1，精度高，重復(fù)性好。機器人傳感器的精度直接影響機器人的工作質(zhì)量。尤其是危險的拆彈工作與戰(zhàn)斗工作，任何誤差都會導(dǎo)致財產(chǎn)損失甚至人員傷亡，機器人是否能夠準確無誤的正常工作取決于傳感器的測量精度。 2，穩(wěn)定性好，可靠性高。機器人 傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是保證機器人能夠長期穩(wěn)定的可靠工作的必要條件。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。 3，抗干擾能力強。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。作為拆彈機器人不但要克服自身各種電動馬達傳感器產(chǎn)生的干擾，也要做好克服來自恐怖分子的惡意干擾的準備。 4，重量輕、體積小，安裝方便可靠。對于安裝在機器人手臂等運動部 件上的傳感器，重量要輕，否則會加大運動部件的慣性，影響機器人的工作性能。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。 考慮到以上因素，給履帶機器人在不同使用環(huán)境與不同的任務(wù)配備如下傳感器。 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。解決方案如下，機器人的前后各安裝一個較低分辨率的固定攝像頭，以在行進或者倒退過程中判斷障礙物的形狀以改變機器人的履帶狀態(tài)或者轉(zhuǎn)向。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)。目前市面上非常普遍的室外監(jiān)視器的攝像頭便是很好的選擇，它們被設(shè)計的時候考慮到風(fēng)吹日曬的因素，結(jié)構(gòu)簡單可靠，種類型號繁多，可以很好的適應(yīng)這一工作。 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。為了滿足偵查的需求，激光測距儀也需要被裝備。這些設(shè)備無論是采用民用還是軍用，都有著很好 的性能。 b壓力傳感器，機械爪末端與機械臂的底座 處需要安裝這樣的傳感器，目的是調(diào)解機械手的壓緊力，否則過大的夾持力會使爆炸物的外殼變形而壓迫內(nèi)部的危險物品。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。 c爆炸物傳感器 原理上講是高敏感度的氣味傳感器，通過氣味對爆炸物的化學(xué)成分進行判斷，對不同種類的爆炸物使用不同的拆除方法。 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)。所以我采用了國內(nèi)機器人競賽中使用的操作模塊，集成了 usb 遙控，大量步進電機與傳感器接口，使用 方便而且成本也相對較低。 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。 12 36V 直流電源供電，輸出電流 3A，可驅(qū)動 42,57,86 步進電機。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。盡管這是體積縮小的優(yōu)化設(shè)計，但是兩塊步進電機的驅(qū)動板面積仍然非常大，并且主控芯片對散 熱有一定的要求，不能安裝的太緊密，也不能安裝在機器人的內(nèi)部，只能將其安置在底盤的底部。 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)。車床步進電機控制板并非為移動設(shè)備而設(shè)計，所以需要額外的防護措施以適應(yīng)惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境。 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)。 方案一 在國內(nèi)機器人大賽中經(jīng)常被使用的整合系統(tǒng)，主要控制系統(tǒng)為一個單片機，配備大量傳感器與步進電機控制板，缺點是視頻需要通過另一路系統(tǒng)傳輸，可以滿足一般的拆彈任務(wù)與訓(xùn)練的需求。 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 117dBm@1200bps 接口速率 1200 19200bps 工作溫度 20℃ 70℃ 電源 – (177。50mV 紋波 ) 發(fā)射電流 ≦ 35mA@10mW 接收電流 ≦ 30mA 傳輸距離 1000m 備用方案 通過 3G網(wǎng)絡(luò)可以在有手機信號的任意范圍內(nèi)操作機器人，在沒有 3G 信號的地方可以通過計算機無線網(wǎng)卡使用的 通訊協(xié)議在 200 米范圍內(nèi)進行操作并傳遞高清視頻信號。需要在履帶機器人內(nèi)安裝微型 PC系統(tǒng)。因為 PC有著強大的計算能力所以可以方便的解決控制問題，與自主偵查等。通過網(wǎng)絡(luò)可以在世界任何一點遙控履帶機器人。 市面上銷售的以 Atom為核心的微型筆記本可以很好的完成這一任務(wù)，它們都內(nèi)置無線網(wǎng)卡與 3G 網(wǎng)卡，整合性高，自帶的電源可以供給 6 小時以上的電力。 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。這其中種類與型號繁多。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。以下是所選部件的型號與詳細參數(shù)。 電動馬達 主動力采用 86mm 直徑 48V 的無刷永磁直流馬達。和普通馬達相反，無刷馬達的線圈是固定的而磁體是旋轉(zhuǎn)的。與普通有刷馬達的相比，它產(chǎn)生的電子干擾較小，摩擦小。 市面上在這一功率范圍內(nèi)的電動馬達的電壓分為 24V 和 48V 兩種，這對于非移動設(shè)備來說可能僅僅只是更換變壓器這么簡單，但是對于移動的平臺， 48V 意味著四個 12V 蓄電池，這對空間和質(zhì)量上都是一種挑戰(zhàn)。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。 雖然數(shù)據(jù)顯示使用稀有金屬磁體馬達的話，馬達的性能會大大提升。比如，小型稀有金屬 馬達的效率一般在 80%到 90%。而且不管多高的電壓和高熱他都不會退磁。相對