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1、履带机器人设计及应用毕业论文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AZI
2、2MUT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XX自动化研究所研制的CLIMBER机器人,理工大学研制的四履腿机器人,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
3、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
4、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
5、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。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
6、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：21、不会熄火,
7、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
8、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高难高高高无电动马达中易无低中
9、有在这两个选择之间,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
10、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
11、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
12、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
13、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高中低低低平带低低中低低V型带中中低低中同步带较高较高中中中续表2.2 几种传动方式的性能对比变速箱高高高高高综上
14、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
15、,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,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
