小型排爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究.pdf

南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文小型排爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究姓名：劉鐵軍申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：機(jī)械制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師：何勇20060626碩士論文 小型持爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究摘 要小型化、輕量化和多功能的排爆機(jī)器人，在軍事上極具應(yīng)用和研究?jī)r(jià)值。本文針對(duì)軍用機(jī)器入的特殊性，以定位于兼有排爆和作戰(zhàn)功能的小型排爆機(jī)器人為研究對(duì)象，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)的研究。本文研究的機(jī)器人以小型通用移動(dòng)平臺(tái)作為載體，通過(guò)搭載機(jī)械手和武器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)排爆和作戰(zhàn)功能。本文首先通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)功能和任務(wù)的分析，制訂了系統(tǒng)總體性能指標(biāo)，并以此為基礎(chǔ)，從機(jī)構(gòu)角度對(duì)排爆機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)、武器平臺(tái)、機(jī)械手三個(gè)分系統(tǒng)展開方案的設(shè)計(jì)與論證。構(gòu)造了移動(dòng)平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)其越障運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析；對(duì)武器平臺(tái)主要建立了槍架的受力模型，以及機(jī)器人的射擊狀態(tài)穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)模型，并定性的分析了影響穩(wěn)定性的各因素，提出了提高穩(wěn)定性的方法；從總體上對(duì)機(jī)器人的靜態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；對(duì)機(jī)械手確定了結(jié)構(gòu)基本參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了詳細(xì)的機(jī)械手樣機(jī)設(shè)計(jì)，建立了機(jī)械手的位姿運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和速度微分方程。通過(guò)總體設(shè)計(jì)提供的設(shè)計(jì)方案和分析方法，為下一步詳細(xì)設(shè)計(jì)的深入奠定了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：小型排爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型穩(wěn)定性模型， l碩士論文 小型捧臻機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究AbstractMiniaturized and lightweight and multifunctional antiexplosion roborsare of great practical and theoretical valuable in militaryThis researchaims at the study of military robotand tries to present a general designof robots that can be used for both purposes：antiexglosion and militaryactionThe very robot takes the small and moveable platform as a carrier，through the equipment of a mechanical hand and a weapon platform，it canrealize the functions of anti-explosion and c伽batFirst，this paper analyzedthe designing task，decided the general performance index，and then carriedout the argument and design of every subsystem from organization angleThispaper construct reasonably of the movable platform，set up the kinematicsmodel，and analyzed the typical movement of climbing barriersTo the militaryplatform，this paper created a mechanistic model for the gun mount，a shootingstability dynamics model，and then analyzed the factors that wilL influencethe stability and give count measuresOn the basis of optimizing the basicindex of the mechanical hand，this paper present a detailed design sample forthe mechanical hand，formulate the kinematics equation of the mechanical handand the differential equation of velocity to the mechanical handThis studywould provide theoretical base for further designingKe，,ords；Antiexplosion robots General designKinematics model Stability modelII聲 明本學(xué)位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的研究成果，盡我所知，在本學(xué)位論文中，除了加以標(biāo)注和致謝的部分外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同事對(duì)本學(xué)位論文做出的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明。研究生簽名：垂!】塑銎 ，；年5雕曰學(xué)位論文使用授權(quán)聲明南京理工大學(xué)有權(quán)保存本學(xué)位論文的電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部?jī)?nèi)容，可以向有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交并授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學(xué)位論文的部分或全部?jī)?nèi)容。對(duì)于保密論文，按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。研究生簽名：玉墜圣 v年；月w日碩士論文 小型榫爆機(jī)囂人總體設(shè)計(jì)的研究1緒論11研究背景機(jī)器人是二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。人類對(duì)于機(jī)器入的研究由來(lái)已久，但直到上世紀(jì)50、60年代，隨著機(jī)構(gòu)理論和數(shù)控伺服技術(shù)的發(fā)展才真正進(jìn)入實(shí)用化。上世紀(jì)70年代后，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控靠q技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也隨之進(jìn)入高速發(fā)展階段，并發(fā)展成為集機(jī)械、電子、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的一項(xiàng)綜合技術(shù)1。在歷史上，所有的高新技術(shù)首先被考慮用于軍事用途，機(jī)器入也不例外。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)將是建立在高科技條件下的、高度信息化的全方位立體化的戰(zhàn)爭(zhēng)，各種具有巨大殺傷力的先進(jìn)武器的廣泛使用，將使未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境異常復(fù)雜、信息瞬息萬(wàn)變，士兵的生命無(wú)時(shí)不刻受到來(lái)自天空、地面，水下各種先進(jìn)武器的威脅，完全依賴士兵作戰(zhàn)能力的戰(zhàn)爭(zhēng)模式正越來(lái)越受到挑戰(zhàn)。在軍用機(jī)器人領(lǐng)域，排爆機(jī)器人是較早投入實(shí)戰(zhàn)的軍用機(jī)器人之，日靜，排爆機(jī)器人在些發(fā)達(dá)國(guó)家的軍隊(duì)已得到廣泛使用。英國(guó)早在60年代就研制了“手推車”排爆機(jī)器人用于英阿馬島戰(zhàn)爭(zhēng)的爆炸物清理，其改進(jìn)型的土撥鼠及野牛兩種遙控電動(dòng)排爆機(jī)器人被英國(guó)爭(zhēng)家工程兵在波黑及科索沃用于探測(cè)及處理爆炸物，德國(guó)MV494型遙控排爆機(jī)器人也曾裝備了其駐索馬暈的維和部隊(duì)131。在近年來(lái)美國(guó)發(fā)動(dòng)的幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，基于“零傷亡”的作戰(zhàn)思想，美軍開始在戰(zhàn)場(chǎng)上大量使用排爆機(jī)器人替代士兵執(zhí)行排爆任務(wù)，其Talon排爆機(jī)器入2000年就參與波斯尼亞地區(qū)的軍事行動(dòng)，隨后又參與2002年初的阿富汗行動(dòng)以及2003年的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)，執(zhí)行的主要任務(wù)是爆炸物檢測(cè)及其處理，阿富汗和伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中共執(zhí)行20000項(xiàng)任務(wù)，在戰(zhàn)爭(zhēng)中有效地降低了已方的傷亡H。此外，由于政治、經(jīng)濟(jì)、民族、宗教等關(guān)系的錯(cuò)綜復(fù)雜，國(guó)際和地區(qū)恐怖主義在世界各國(guó)有泛濫的趨勢(shì)。在公共場(chǎng)所安放爆炸物以產(chǎn)生恐慌(爆炸恐怖犯罪)即是其集中表現(xiàn)形式。相對(duì)于其他形式的惡性犯罪，恐怖爆炸由于其危害面廣、社會(huì)和政治負(fù)面影響面大，日益成為令當(dāng)今世界各國(guó)政府頭疼的問(wèn)題。據(jù)美國(guó)官方統(tǒng)計(jì)，1968年國(guó)際上的恐怖主義事件僅有120起，面1984年增至652起。1983年的500起恐怖活動(dòng)中，有262起是爆炸事件pl。尤其是最近幾年，隨著國(guó)際形勢(shì)的動(dòng)蕩，恐怖爆炸事件更是此起彼伏，接連不斷。除了傳統(tǒng)的恐怖活動(dòng)熱點(diǎn)地區(qū)，例如中東、阿富汗等地區(qū)外，美國(guó)、英國(guó)、西班牙、日本、俄羅斯、印度尼西亞、烏茲別克斯坦、馬來(lái)西亞和泰國(guó)，菲律賓也接連發(fā)生恐怖爆炸事件，影響較大的有俄軍醫(yī)院爆炸案、西班牙馬德里爆炸案，印尼巴厘島爆炸案、倫敦連環(huán)爆炸寨等。就連以往很少有恐怖活動(dòng)波碩十論文 小型捧爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究及的國(guó)家和地區(qū)，近年來(lái)也接連發(fā)生恐怖爆炸事件。而且，隨著時(shí)間的推移，這些活動(dòng)還愈演愈烈。作為應(yīng)對(duì)，反恐排爆已經(jīng)成為世界各國(guó)政府最為關(guān)注的問(wèn)題之一。目前在世界范圍內(nèi)，排爆機(jī)器人已經(jīng)成為反恐作戰(zhàn)的重要裝備之一。排爆機(jī)器人是目前較具研究?jī)r(jià)值的機(jī)器人產(chǎn)品，在反恐領(lǐng)域可用來(lái)執(zhí)行諸如反恐排爆的任務(wù)，戰(zhàn)場(chǎng)上排爆機(jī)器人則用以執(zhí)行諸如排除爆炸物、戰(zhàn)場(chǎng)信息收集的任務(wù)；稍加改造，即可加裝單兵武器用于武裝巡邏、戰(zhàn)斗值勤等高危險(xiǎn)任務(wù)。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)著力于排爆機(jī)器人的研發(fā)，但距離軍事用途還有相當(dāng)?shù)木嚯x?；谲娪脵C(jī)器人產(chǎn)品系列化，通用性的需要，本文對(duì)基于小型移動(dòng)平臺(tái)基礎(chǔ)上，兼具攤爆和作戰(zhàn)功能的機(jī)器人進(jìn)行總體設(shè)計(jì)的研究。12國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀排爆機(jī)器人是一種較為復(fù)雜，對(duì)智能化要求較高的機(jī)器人產(chǎn)品，屬于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的地面移動(dòng)機(jī)器人范疇。對(duì)其研究的開展，也主要集中在西方發(fā)達(dá)國(guó)家。其中以美、英、德、法、以色列等國(guó)家技術(shù)較為成熟51，并相繼有排爆機(jī)器人產(chǎn)品投入實(shí)際應(yīng)用。圖11“手推車”排爆機(jī)器入 圖I2 “獨(dú)眼龍”排爆機(jī)器人英國(guó)被公認(rèn)為較旱研制排爆機(jī)器入的國(guó)家之一。由于英國(guó)與北愛(ài)爾蘭長(zhǎng)期處于對(duì)峙狀態(tài)，并不斷受到爆炸威脅，早在60年代就研制出了實(shí)用化的產(chǎn)品“手推車”和“超級(jí)手推車”排爆機(jī)器人，累計(jì)在世界銷售了800多臺(tái)，見圖11。后來(lái)又加以改進(jìn)，除了原有的電視監(jiān)視器，引爆爆炸物的霰彈槍，各種轉(zhuǎn)臂和夾具、鋼索外，又安裝了電荷耦合器件電視攝像機(jī)，使機(jī)器人提高了清理爆炸物的效率。其中“超級(jí)手推車”車重204kg，長(zhǎng)12米，寬O69米，最大高度132米，最大速度55米分鐘。ABP公司成立于1965年，是英國(guó)國(guó)防部常用工程設(shè)備的供應(yīng)商。近30年以來(lái)，ABP公司專為英國(guó)國(guó)防部生產(chǎn)和供應(yīng)EOD爆炸品解拆裝置。 “獨(dú)眼龍”是ABP公司生產(chǎn)的小型排爆機(jī)器人(MROV)，可無(wú)線遙控或通過(guò)光纖進(jìn)行操作，用于解拆未爆炸裝置和常規(guī)武器，或用于其他存在高風(fēng)險(xiǎn)的危險(xiǎn)領(lǐng)域。獨(dú)眼龍”具有除障和爬梯能力，碩士論文 小型捧爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究可攜帶和操作爆炸物解拆器、小型武器、操縱器、手動(dòng)工具、化學(xué)武器和爆炸品偵測(cè)器、x光檢測(cè)儀以及熱成像系統(tǒng)等等?，F(xiàn)在“獨(dú)眼龍”及其衍生產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)。見圖12。美國(guó)Remote*公司的安德魯斯(Andros)系列排爆機(jī)器人是產(chǎn)品系列和型號(hào)較多的排爆機(jī)器人系列產(chǎn)品，主要型號(hào)有Andros II、Andros VA、Andros VIA、F6A等。其中F6A型最突出的特點(diǎn)是行走速度快，操作人員可以迅速執(zhí)行任務(wù)。F6A機(jī)身較窄，尤其適合在狹窄的地方(例如飛機(jī)上)進(jìn)行操作。F6A采用了Andros系列機(jī)器人獨(dú)有的活節(jié)式履帶，能夠跨越各種障礙，在復(fù)雜的地形上行走。全重159kg，長(zhǎng)132米，寬045米高112米，速度最高56公里，J、時(shí)速，可爬450臺(tái)階和斜坡，攀上46厘米高臺(tái)，跨越46厘米壕溝。其中F6A見圖13。圖13 F6A排爆機(jī)器入 圈14Talon機(jī)器人系列美國(guó)Foster一妣1ler公司是一家生產(chǎn)可在伊拉克和阿富汗執(zhí)行排爆任務(wù)機(jī)器人的最大供應(yīng)商。目前已有250多輛TALON型機(jī)器人部署于戰(zhàn)場(chǎng)。TALON機(jī)器人除了排爆外，還可以直接參加反恐戰(zhàn)斗，可以裝備Id240或者毗49型機(jī)槍。此外，還可以裝備火箭發(fā)射器，用于爆炸物處理、偵查、通信、探測(cè)、警戒、防御與救援等各種任務(wù)。36kg的重量非常便于人員攜帶，可在全天候、晝夜、兩棲及各種地形環(huán)境下使用，是典型的利用通用化底盤開發(fā)的系列化軍用機(jī)器人產(chǎn)品。見圖14。此外，國(guó)外較具代表性的排爆機(jī)器人產(chǎn)品，還有英國(guó)PwALLEN公司Defender排爆機(jī)器人、加拿大Pedsco公司的lMI-i0排爆機(jī)器人；法國(guó)A1setex公司的崛800小型排爆機(jī)器人、法國(guó)Crbernetics公司的Minirob排爆機(jī)器人，法國(guó)DM公司研制的RM35機(jī)器人；德國(guó)Unimex Handels公司的Rode排爆機(jī)器人、德國(guó)Telerob公司的塒4爆炸物處理機(jī)器人等，其中部分機(jī)器入已經(jīng)過(guò)實(shí)戰(zhàn)考驗(yàn)，并裝備于軍隊(duì)和警察部隊(duì)。國(guó)外排爆機(jī)器入產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)國(guó)外幾十年的研究，已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用，功能完善、技術(shù)先進(jìn)是其主要特點(diǎn)，目前，國(guó)外在經(jīng)歷了第一代機(jī)器人產(chǎn)品，即完全依賴人碩士論文 小型捧爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究工控制的遙控排爆機(jī)器人；以及第二代具有視覺(jué)、感知和信息處理技術(shù)的排爆機(jī)器人產(chǎn)品，正積極展開具有高度智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制、全自主能力的排爆機(jī)器人產(chǎn)品的開發(fā)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多信息融合等技術(shù)逐步應(yīng)用于其排爆機(jī)器人產(chǎn)品聊。同時(shí)，國(guó)外基于多年的基礎(chǔ)性研究以及相對(duì)成熟的技術(shù)，著手于系列化、規(guī)?；呐疟瑱C(jī)器人的生產(chǎn)。其系列化產(chǎn)品配件不僅齊全，而且具有良好的通用性，互換性，模塊化的設(shè)計(jì)思想使得一種產(chǎn)品經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，即可派生出一系列適合不同用途的機(jī)器人。圖15 super-D排爆機(jī)器人 圖16“靈晰一B”排饌機(jī)器人相對(duì)國(guó)外在排爆機(jī)器人方面的研究，國(guó)內(nèi)開展較晚，但是近年來(lái)在該研究領(lǐng)域也取得了一定的進(jìn)展。國(guó)內(nèi)一些廠家紛紛結(jié)合研究機(jī)構(gòu)、院校展開排爆機(jī)器人的研發(fā)，并相繼有一批產(chǎn)品問(wèn)世，并投入市場(chǎng)。北京中泰和上海交通大學(xué)研制的Super-D機(jī)器人，長(zhǎng)寬高分別為17米X 07米x 12米，重200kg。其移動(dòng)速度可以達(dá)到40米分，可以爬上傾斜角度為40度以上的樓梯和坡度。見圖15。由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的“靈蜥一B”由本體、控制臺(tái)、電動(dòng)收纜裝置和附件箱四部分組成，自重180kg，由電池電力驅(qū)動(dòng)，最大直線運(yùn)動(dòng)速度為40米分鐘，采用三段履帶的設(shè)計(jì)可以讓機(jī)器人上下樓梯，跨越045米高的障礙，實(shí)現(xiàn)全方位行走，具備較強(qiáng)的地面適應(yīng)能力，并應(yīng)用于第十屆全國(guó)運(yùn)動(dòng)會(huì)期間。見圖16。北京金吾高科技有限公司的JW901排爆機(jī)器人，機(jī)械臂最高伸展27m?？蓪⒖梢晌锓畔加诟?8m的車載防爆罐中；機(jī)械臂最低可水平伸出距地面02m，可伸入車雇拆彈或抓取可疑物品；抓取器縱向旋轉(zhuǎn)360。橫向旋轉(zhuǎn)90。，可靈活地將物品從防爆罐之中取出；抓取器最大張開距離48cm；雙卡頭機(jī)械手可卡裝多種工具，包括切割器、水炮槍、光纜瞄準(zhǔn)手槍、x光機(jī)等。見圖卜7。4碩士論文 小型攆爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究圖17 JW90l捧爆機(jī)器人 圖18 DRACK)NIII型排爆機(jī)器人北京瑞琦時(shí)代技術(shù)開發(fā)有限公的DRAGONIII型排爆機(jī)器人，采用關(guān)節(jié)型折疊四履帶移動(dòng)裝置，裝備有3+1自由度機(jī)械手(包括大、小臂及旋轉(zhuǎn)抓爪)，手臂全展時(shí)可抓舉重物lOkg，手臂總*芝900毫米。行駛速度最高30米分鐘，可在40。樓梯和斜坡行走，跨越300毫米高障礙和300毫米寬的壕溝。安裝兩臺(tái)CCD攝像機(jī)、照明設(shè)備、一臺(tái)監(jiān)視器和揚(yáng)聲器、話筒?？蛇x擇爆炸物銷毀器、散彈槍和雙錨式抓爪。國(guó)內(nèi)各高校和科研機(jī)構(gòu)中，上海交通大學(xué)較早開展了包括排爆機(jī)器人在內(nèi)的特種機(jī)器人及其相關(guān)理論的研究，北京理工大學(xué)、華南理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校也投入排爆機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的研究，并相繼有一批成果聞世。對(duì)排爆機(jī)器人的研究也曾列入了國(guó)家“十五”863計(jì)劃f14培l(xiāng)。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)排爆機(jī)器人的研究還處于發(fā)展階段，從事排爆機(jī)器人研究生產(chǎn)的僅有極少數(shù)的廠家，基礎(chǔ)性研究方面的投入不夠，缺乏具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，部分產(chǎn)品還處于模仿國(guó)外產(chǎn)品的階段，沒(méi)有系列化的、較為成功的排爆機(jī)器人產(chǎn)品。產(chǎn)品單一、功能尚有欠缺。國(guó)內(nèi)目前還主要依賴國(guó)外的排爆機(jī)器人用于反恐排爆，軍用領(lǐng)域的排爆機(jī)器人還是一片空白。國(guó)內(nèi)對(duì)于排爆機(jī)器人的研究，應(yīng)該借鑒國(guó)外的成功經(jīng)驗(yàn)，積極開展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的排爆機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的研究，尤其基于小型化的，具有軍事多用途排爆機(jī)器入的研究。13研究?jī)?nèi)容131研究意義排爆機(jī)器人屬于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下作業(yè)的地面移動(dòng)機(jī)器人。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)其研究主要在具有單一排爆功能的民用領(lǐng)域展開，單一地對(duì)具有一種功能的機(jī)器人進(jìn)行研究，不考慮其通用性和系列化，將會(huì)帶來(lái)大量的重復(fù)性研究，耗費(fèi)不必要的人力和經(jīng)費(fèi)，開發(fā)過(guò)程漫長(zhǎng)。相對(duì)于嚴(yán)格的軍用標(biāo)準(zhǔn)，其軍事用途更是受到質(zhì)疑。未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)，軍用機(jī)器入將扮演越來(lái)越重要的角色。排爆機(jī)器人，尤其是小型化、輕量化和多功能的排碩論文 小型排爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究爆機(jī)器人，在軍事應(yīng)用領(lǐng)域具有更為廣泛和深層的意義。以一種智能化小型移動(dòng)平臺(tái)作為載體，分別搭載可更換的機(jī)械手和武器平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)包括排爆、持槍作戰(zhàn)等在內(nèi)的多種功能，在戰(zhàn)場(chǎng)上將具有較強(qiáng)的生存能力，更加適合于未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的要求。對(duì)其進(jìn)行理論和實(shí)踐的研究，對(duì)于國(guó)防現(xiàn)代化意義深遠(yuǎn)。 132研究?jī)?nèi)容本文對(duì)基于小型化、通用化、多功能的小型排爆機(jī)器人總體技術(shù)進(jìn)行了分析和研究，本文研究的機(jī)器人是基于一種小型化移動(dòng)平臺(tái)的多功能排爆機(jī)器人，移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)其排爆功能，通過(guò)武器平臺(tái)則可具有作戰(zhàn)能力。由于軍用機(jī)器人的復(fù)雜性和特殊性，對(duì)其展開研究需要大量的人力和物力，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要做大量的理論方面的研究，本文研究側(cè)重于機(jī)器人機(jī)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)，主要研究?jī)?nèi)容如下：(1)小型排爆機(jī)器人系統(tǒng)組成和性能從排爆機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境和設(shè)計(jì)要求兩方面對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行了分析，從整體概念上進(jìn)行了機(jī)器人的功能分析，并在此基礎(chǔ)上制定了總體性能指標(biāo)。(2)小型排爆機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)主體的三個(gè)重要組成部分，即移動(dòng)平臺(tái)、武器平臺(tái)、機(jī)械手進(jìn)行了方案的設(shè)計(jì)分析與建模。對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了方案的論證和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建立了j下逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)越障過(guò)程進(jìn)行了分析；武器平臺(tái)分析了結(jié)構(gòu)方案，并建立了槍架的力學(xué)模型，以及武器發(fā)射狀態(tài)的射擊穩(wěn)定性模型。通過(guò)定性的分析，提出了提高穩(wěn)定性的辦法：對(duì)于機(jī)械手，確定了基本構(gòu)型和臂長(zhǎng)等參數(shù)；并從總體上對(duì)機(jī)器人的靜態(tài)穩(wěn)定進(jìn)行了分析。本章中確定的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法，為下一步展開更為詳細(xì)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。(3)機(jī)械手樣機(jī)設(shè)計(jì)對(duì)于排爆機(jī)器人的機(jī)械手，利用模塊化設(shè)計(jì)方法，做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。鑒于滬H方法在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模中已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)方法，在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)建模中運(yùn)用臚H方法，對(duì)正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和速度方程進(jìn)行了推導(dǎo)，通過(guò)計(jì)算仿真證明了其正確性。6碩士論文 小塑梓爆機(jī)器入總體設(shè)計(jì)的研究2小型排爆機(jī)器人系統(tǒng)組成與性能指標(biāo)本文的排爆機(jī)器人屬于軍用地面移動(dòng)機(jī)器人的范疇。其移動(dòng)載體為小型移動(dòng)平臺(tái)，配合機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)排爆功能；配合武器系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)其作戰(zhàn)功能。以實(shí)現(xiàn)系列化、通用化的軍事多用途機(jī)器人的需要。相對(duì)于民用機(jī)器人，軍用機(jī)器人的要求更為嚴(yán)格，設(shè)計(jì)開發(fā)也是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。設(shè)計(jì)工作的開展，首先必須建立在任務(wù)分析的基礎(chǔ)上，基于技術(shù)先進(jìn)性和可行性，提出設(shè)計(jì)要求，對(duì)系統(tǒng)總體功能和性能指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行初步的擬定，以指導(dǎo)進(jìn)一步設(shè)計(jì)任務(wù)的展開。21設(shè)計(jì)任務(wù)分析本文設(shè)計(jì)的排爆機(jī)器人，設(shè)計(jì)目的主要應(yīng)用于在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，代替人工完成排爆、持槍作戰(zhàn)等復(fù)雜的戰(zhàn)斗任務(wù)。在總體設(shè)計(jì)階段，對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行具體而又全面的分析是十分必要的。(1)作業(yè)環(huán)境作為軍用地面移動(dòng)機(jī)器人，其實(shí)施的各項(xiàng)作業(yè)任務(wù)在復(fù)雜的環(huán)境下展殲，作業(yè)環(huán)境受到各種非確定因素的影響，所面臨的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)往往是無(wú)法事先預(yù)測(cè)的。作業(yè)環(huán)境是決定機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要因素。對(duì)于排爆機(jī)器人，其作業(yè)可能需要在野外或城市內(nèi)展開機(jī)器人實(shí)施作業(yè)的地面環(huán)境由各種天然環(huán)境和人工環(huán)境構(gòu)成，機(jī)器人到達(dá)任務(wù)現(xiàn)場(chǎng)，可能會(huì)遇到各種凸臺(tái)、壕溝、斜坡、階梯，完成穿越灌木叢、涉水上岸，在沙漠、草地、池沼等復(fù)雜的地形地貌下完成行走，各種結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境相互交錯(cuò)，使其地面作業(yè)環(huán)境異常復(fù)雜。作業(yè)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化是其主要特點(diǎn)。(2)設(shè)計(jì)要求目前，小型化、輕量化和智能化是軍用機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)之一，輕量化的設(shè)計(jì)不僅便于運(yùn)輸，也有利于各項(xiàng)后勤保障的實(shí)施。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的排爆機(jī)器人，建立在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠的基礎(chǔ)上，應(yīng)能夠以自主和半自主及人工遙控的方式，實(shí)現(xiàn)排爆和戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)，并且體積小、重量輕。22功能分析在吸收國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，從兼顧先進(jìn)性和可行性出發(fā)，對(duì)排爆機(jī)器人提出如下的功能要求7碩士論文 小型捧爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究(1)全天候作業(yè)目前，作戰(zhàn)飛機(jī)的全天候作戰(zhàn)能力已經(jīng)依靠微光夜視、自動(dòng)導(dǎo)航、多普勒雷達(dá)、GPS等手段得以實(shí)現(xiàn)，地面作戰(zhàn)車輛也利用相似的方式基本實(shí)現(xiàn)了全天候作戰(zhàn)能力。在雨、雪、濃霧和夜間環(huán)境下，為單兵提供的適應(yīng)全天候作戰(zhàn)的工具極其有限，即使配合紅外微光夜視設(shè)備，也由于其視野的限制難以對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行全面地了解。機(jī)器人可以利用其先進(jìn)的探測(cè)和監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行全面的監(jiān)控，為士兵提供包括視景在內(nèi)的全面的戰(zhàn)場(chǎng)信息。機(jī)器人由各類精密儀器和機(jī)電系統(tǒng)構(gòu)成。作為全天候的作戰(zhàn)工具，機(jī)器入本體必須具有全天候環(huán)境下作戰(zhàn)的包括防雨、防潮在內(nèi)的自身防護(hù)能力。(2)多地形適應(yīng)和自主導(dǎo)航無(wú)論野戰(zhàn)環(huán)境還是城市作戰(zhàn)，所面臨的地形都將極其復(fù)雜。完全依賴人工操作不僅是行動(dòng)緩慢，而且操作起來(lái)相對(duì)比較復(fù)雜。對(duì)于多地形適應(yīng)能力的地面軍用移動(dòng)機(jī)器人的研究，國(guó)外在實(shí)現(xiàn)了基本的爬坡、越障、避障功能的基礎(chǔ)上，目前已廣泛開展了基于自主和半自主的路徑規(guī)劃優(yōu)化等技術(shù)的研究，在實(shí)驗(yàn)室階段通過(guò)了部分實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)其智能化的前提是機(jī)器人本體具有多地形適應(yīng)能力。對(duì)于體積和重量都相對(duì)小巧的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其爬坡越障和過(guò)溝壑的能力相對(duì)有限，尤其是涉水上岸，由于河泥的軟滑，移動(dòng)平臺(tái)的附著力和攀爬能力急劇下降，這是一個(gè)較難解決的問(wèn)題。設(shè)計(jì)功能主要應(yīng)能實(shí)現(xiàn)具有爬坡越障及各種復(fù)雜地理環(huán)境的多地形適應(yīng)能力。自主和半自主導(dǎo)航是機(jī)器入應(yīng)具有的功能，通過(guò)避障雷達(dá)、激光測(cè)距、GPS等設(shè)備，機(jī)器人可以在復(fù)雜的環(huán)境下無(wú)需人工干涉完成各項(xiàng)作戰(zhàn)任務(wù)，最后回到指定目標(biāo)地點(diǎn)。自主導(dǎo)航并非萬(wàn)能，以目前的技術(shù)條件，對(duì)于較為復(fù)雜的環(huán)境，利用軟件實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，可能會(huì)使機(jī)器人處于“兩難”的境地，因此，還應(yīng)能夠與人工遙控相配合，由人工進(jìn)行適當(dāng)?shù)母深A(yù)，相對(duì)較為簡(jiǎn)單的環(huán)境，以及其基本的避障，越障能力判斷則由機(jī)器人自主進(jìn)行。(3)排爆和戰(zhàn)場(chǎng)信息收集各類隱蔽和非隱蔽的爆炸物，對(duì)士兵的生命是極大的威脅。以海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后的科威特為例，在伊科邊境一萬(wàn)多平方公里的地區(qū)內(nèi)，有16個(gè)國(guó)家制造的25萬(wàn)顆地雷、85萬(wàn)發(fā)炮彈和多國(guó)部隊(duì)投下的布雷彈及子母彈的2500萬(wàn)顆子彈，其中20沒(méi)有爆炸【2們，在許多國(guó)家，甚至還殘留著第一次世界大戰(zhàn)和第二次世界大戰(zhàn)未爆炸的炸彈和地雷。新型的爆炸引信大量應(yīng)用于地雷等爆炸物，使人工排爆的難度越來(lái)越大，由此帶來(lái)的非戰(zhàn)斗減員對(duì)于部隊(duì)的戰(zhàn)斗力和士兵的氣是一種嚴(yán)重的打擊。此外，在戰(zhàn)場(chǎng)上，敵我雙方為獲得全方位的戰(zhàn)場(chǎng)信息，在戰(zhàn)場(chǎng)上通過(guò)飛機(jī)等方式大量布撒各類傳感器用于偵測(cè)惰報(bào)，其傳感器大都體積較小，通過(guò)肉眼極難分辨，且具有自毀功能。機(jī)器入以其小巧的體積穿梭于戰(zhàn)場(chǎng)，利用紅外、電子鼻、無(wú)線偵測(cè)等8頌十論文 小型捧爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究先進(jìn)的傳感器進(jìn)行探測(cè)，有效的銷毀敵方的各類戰(zhàn)場(chǎng)傳感設(shè)備，切斷敵方的信息來(lái)源和數(shù)據(jù)鏈路，這些都是依靠士兵難以實(shí)現(xiàn)的。4)持槍作戰(zhàn)惡劣的作戰(zhàn)環(huán)境和復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)是造成士兵傷亡的主要原因，此外對(duì)作戰(zhàn)環(huán)境的判斷由于人為因素的影響也會(huì)造成無(wú)謂的非戰(zhàn)斗減員，從美國(guó)軍方的統(tǒng)計(jì)數(shù)字不難看出，非戰(zhàn)斗減員也是造成人員傷亡的一大因素。(見圖21)但終其因原，惡劣的作戰(zhàn)環(huán)境本身是造成士兵心理壓力從而導(dǎo)致傷亡的主要因素。機(jī)器人可以相對(duì)專注的投入作戰(zhàn)任務(wù)，準(zhǔn)確而又及時(shí)地做出判斷，為作戰(zhàn)任務(wù)贏取時(shí)間j取得先機(jī)。Dea眙byUS螄剛婦dll憫_-t一嘲-Howth哆diedI_-船_似，-l一圖21美軍對(duì)于非戰(zhàn)斗減員的統(tǒng)計(jì)23系統(tǒng)組成機(jī)器人的武器系統(tǒng)主要為可自動(dòng)瞄準(zhǔn)的自動(dòng)步槍，攜帶武器系統(tǒng)，機(jī)器人取代士兵執(zhí)行各種高危險(xiǎn)任務(wù)，如戰(zhàn)斗巡邏、執(zhí)勤等高危險(xiǎn)的作戰(zhàn)任務(wù)。尤其是在夜間和復(fù)雜氣象條件下，利用機(jī)器人先進(jìn)的傳感和監(jiān)控設(shè)備，有利于首先發(fā)現(xiàn)放情并采取應(yīng)對(duì)措施。對(duì)于機(jī)器人的攻擊，目前還不能依賴其基于敵我識(shí)別和模式識(shí)別的自動(dòng)系統(tǒng)，必須由人工發(fā)出指令才能夠采取攻擊行動(dòng)，否則極易造成誤傷。國(guó)外預(yù)測(cè)，具有完全自主射擊能力的機(jī)器人還需30年的時(shí)間。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的分析，確定排爆機(jī)器人由圖22所示各部分組成，包括機(jī)器人本體和遠(yuǎn)程控制端。機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)主要由移動(dòng)平臺(tái)、武器平臺(tái)、機(jī)械手三個(gè)部分組成。移動(dòng)平臺(tái)作為整個(gè)排爆機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)的載體，可分別搭載機(jī)械手執(zhí)行爆炸物排除任務(wù)，或搭載武器平臺(tái)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)?？刂贫瞬糠钟扇斯みM(jìn)行監(jiān)控和執(zhí)行相應(yīng)的操作，圖23對(duì)控制端作了大體布局的設(shè)計(jì)。對(duì)于機(jī)械臂的人工遙控，除了能實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)的獨(dú)立控制，還應(yīng)能夠聯(lián)動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)排爆操作時(shí)的靈活控制性。機(jī)器人本體與控制端通過(guò)加密的無(wú)線數(shù)據(jù)鏈路通訊，實(shí)現(xiàn)可靠的雙向數(shù)據(jù)交流，并可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制以及多機(jī)器人協(xié)調(diào)的功能。9l一竺n一竺j本體24總體性能指標(biāo)圖22系統(tǒng)總體組成框圖圖23遠(yuǎn)程控制端簡(jiǎn)圖通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)和對(duì)系統(tǒng)功能和組成的分析，對(duì)排爆機(jī)器人總體性能指標(biāo)進(jìn)行初步擬定。一一 10碩士論文 小型捧爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究(1)移動(dòng)平臺(tái)自重：50kg載重：30kg公路最高直行速度：3ms續(xù)航時(shí)聞：3h爬坡能力：30。 平地越障高度：15cm此外，移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)特性要求，并在實(shí)現(xiàn)上述功能的前提下減小車體結(jié)構(gòu)尺寸，車體寬度應(yīng)小于70cm。(2)機(jī)械手：機(jī)械手性能主要由自由度和抓取能力衡量，對(duì)于本文設(shè)計(jì)的小型排爆機(jī)器人的機(jī)械手，主要設(shè)計(jì)用于輕型爆炸物的抓取及戰(zhàn)場(chǎng)收集和布置各種傳感器，因此抓取能力設(shè)計(jì)要求滿足l2kg，自由度4。(3)武器平臺(tái)：武器主要考慮選擇58mm槍彈系列輕武器，武器平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)俯仰角度5。lO。，水平方向左右偏轉(zhuǎn)180。(4)控制方式：自主、半自主、遙控。(5)供電方式：鋰離子電池25本章小結(jié)在本章中，從排爆機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境和設(shè)計(jì)要求兩方面對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行了分析，從整體概念上確定了機(jī)器人應(yīng)具有的功能，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，從本體結(jié)構(gòu)上確立了由移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械手、武器平臺(tái)三大部分的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上制定了初步的總體性能指標(biāo)。ll碩士論文 小型捧爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究3小型排爆機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)排爆機(jī)器入的設(shè)計(jì)，受到多方面因素的制約，基于戰(zhàn)場(chǎng)條件的要求，機(jī)器人必須滿足結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、小型化、輕量化的要求。合理的方案設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人良好性能的前提，在方案設(shè)計(jì)中，必須進(jìn)行大量的分析和論證。從機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)上，排爆機(jī)器人主要由移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械手和武器平臺(tái)組成，其中，移動(dòng)平臺(tái)是整個(gè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)任務(wù)的載體。在本章中，移動(dòng)平臺(tái)部分設(shè)計(jì)了基本結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的建模，并對(duì)越障運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析；通過(guò)對(duì)武器平臺(tái)的穩(wěn)定性建模，定性地分析了機(jī)器人的射擊穩(wěn)定性問(wèn)題；通過(guò)優(yōu)化確定了機(jī)械手的主要參數(shù)，并從總體的角度對(duì)機(jī)器人的斜坡靜態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。 31移動(dòng)平臺(tái)方案設(shè)計(jì)311移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)型移動(dòng)平臺(tái)的作業(yè)環(huán)境非常復(fù)雜，其環(huán)境因素主要包括原有的天然環(huán)境，以及各種人工干預(yù)的環(huán)境，稱之為非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，非結(jié)構(gòu)環(huán)境是多樣的，復(fù)雜的三維地形，一般由平坦的地面、斜坡、障礙、臺(tái)階、壕溝、淺坑等地形組成。實(shí)質(zhì)上，最典型的情況是斜坡、向上和向下的臺(tái)階，所有的地形可簡(jiǎn)化為以上三種典型地形的組合，移動(dòng)機(jī)構(gòu)只要能夠通過(guò)上述三種地形及其組合，即可通過(guò)一系列動(dòng)作序列通過(guò)各種復(fù)雜的三維環(huán)境。具有多地形適應(yīng)能力的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，目前主要有輪式和履帶式、腿足式。對(duì)于本設(shè)計(jì)，其主要功能除了爬坡越障和多地形適應(yīng)能力、全方位轉(zhuǎn)向功能外，還應(yīng)在速度、運(yùn)行平穩(wěn)性、載重自重比等方面全面予以考慮。在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，任何一種移動(dòng)機(jī)構(gòu)都有其優(yōu)勢(shì)和實(shí)用性，同時(shí)存在某些缺陷。對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和選擇，需要綜合設(shè)計(jì)要求及其他相關(guān)因素。(1)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以達(dá)到較高的運(yùn)動(dòng)速度，在相對(duì)平坦的地面上，輪式移動(dòng)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，控制也相對(duì)簡(jiǎn)單，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)由于應(yīng)用廣泛，是目前研究最為透徹的移動(dòng)機(jī)構(gòu)之一傳統(tǒng)的輪式行走機(jī)構(gòu)有三輪、四輪、六輪的結(jié)構(gòu)形式。相對(duì)而言，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)也是明顯的，由于與地面接觸面積小，在土壤壓比較小的柔軟路面和濕滑的路面上易產(chǎn)生沉陷和打滑。這些都使輪式機(jī)構(gòu)在大多數(shù)野外復(fù)雜環(huán)境下功能受硪士論文 小型捧爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究到限制。為提高輪式行走機(jī)構(gòu)的多地形適應(yīng)能力及其通過(guò)性，在傳統(tǒng)的輪式行走機(jī)構(gòu)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形，出現(xiàn)了四輪加前后擺、六輪加前后擺、行星輪式等具有多地形適應(yīng)能力的行走機(jī)構(gòu)；車輪結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了超輕線編制輪胎、半球形輪胎、麥卡姆輪等多種車輪形式。(2)履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)典型的履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、托帶輪、履帶板、履帶架等部分構(gòu)成。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)適合于在復(fù)雜路面上行駛，它是輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。履帶式移動(dòng)結(jié)構(gòu)具有主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：地面支撐面積大，接地比壓小，滾動(dòng)摩擦小，通過(guò)性能較好，轉(zhuǎn)彎半徑小，牽引附著性能、越野機(jī)動(dòng)性、爬坡，越溝等性能優(yōu)于輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)廣泛用于各種軍用地面移動(dòng)機(jī)器入。普通履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)越障能力有限，只有通過(guò)加大帶輪直徑和履帶長(zhǎng)度來(lái)提高其越障性能，并且履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)其控制和運(yùn)動(dòng)分析較為困難，大多都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行研究。為改善普通履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，主要通過(guò)改變履帶的形狀和結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，卡特比勃(Caterpillar)、形狀可變履帶、位置可變履帶、履帶式加裝前后擺等結(jié)構(gòu)形式相繼出現(xiàn)，并應(yīng)用于各種機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)。近年來(lái)各種增強(qiáng)的非金屬?gòu)?fù)合材料運(yùn)用子履帶，大大減輕了履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)笨重的缺點(diǎn)，改善了其整體性能。對(duì)野外環(huán)境，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。(3)腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)基于仿生學(xué)的原理，目前展開廣泛研究的有兩足、四足、六足等各種腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)幾乎可以適合任何路面的行走，且具有良好的機(jī)動(dòng)性，其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具有良好的主動(dòng)隔振功能，可以較輕松的通過(guò)松軟地面和大跨度障礙。但該機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度慢，結(jié)構(gòu)形式在上述各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)中最復(fù)雜，控制也相對(duì)較為困難，目前應(yīng)用較少，大多處于研究和實(shí)驗(yàn)室階段。表31各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)綜合評(píng)價(jià)評(píng)價(jià)啦能 越障 越野 通過(guò) 速度 小型化 行駛 轉(zhuǎn)向 載重吾蠹、3 能力 性能 性 實(shí)施 穩(wěn)定性 性能 自重比腿足式 A A A D D A D普通履帶式 C B B B A B B B特種履帶式 B B B B B A B B普通輪式 D C C A B C 特種輪式 B C C B B C B碩士論文 小型捧爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究對(duì)本設(shè)計(jì)而言，爬坡越障能力、小型化、輕量化是其主要特點(diǎn)。在表31中對(duì)各種行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)?；谠O(shè)計(jì)要求，對(duì)各性能分配權(quán)重，A至D分別為從高至低的分值。表中特種履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)為加裝前擺及加裝前后擺的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)表31中的幾種可能的設(shè)計(jì)方案，綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，特種履帶式為相對(duì)較優(yōu)的方案。加前后擺的履帶機(jī)構(gòu)，比單獨(dú)加裝前擺具有更強(qiáng)的越障和地形適應(yīng)能力，但由此帶來(lái)了的機(jī)構(gòu)復(fù)雜性和重量的增加，也會(huì)帶來(lái)對(duì)系統(tǒng)的可靠性的影響，實(shí)質(zhì)上加裝前擺即可實(shí)現(xiàn)爬坡越障功能。其通過(guò)各種典型地形的情況見圖31。為了使擺臂有更強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，前擺部分左右兩擺臂可單獨(dú)控制即獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。3，12移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)渺旺璺圖31前擺式履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)幾種典犁地形在確定機(jī)構(gòu)方案的前提下，對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖32。履帶驅(qū)動(dòng)方式為后輪驅(qū)動(dòng)，左右兩后驅(qū)動(dòng)帶輪1分別由兩個(gè)直流伺服電機(jī)通過(guò)后輪驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2驅(qū)動(dòng)，由于齒輪減速器傳動(dòng)效率和傳動(dòng)精度較高，運(yùn)行平穩(wěn)性好等特點(diǎn)，因此可以為整個(gè)機(jī)器人提供良好的直線行走、差速轉(zhuǎn)向和原地回轉(zhuǎn)的功能。(1)擺臂運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)兩個(gè)前擺的轉(zhuǎn)動(dòng)擺臂動(dòng)作，分別由直流伺服電機(jī)經(jīng)前擺減速機(jī)構(gòu)5減速后帶動(dòng)擺桿8產(chǎn)生前擺的擺臂運(yùn)動(dòng)，左右兩擺臂為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，可分別進(jìn)行控制，動(dòng)作更加靈活。擺臂減速機(jī)構(gòu)可采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，以使結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。(2)擺臂部分履帶控制的實(shí)現(xiàn)前擺主動(dòng)輪7空套履帶承重輪6上，通過(guò)離合器控制兩者的分離和嚙合，離合器分離時(shí)，前擺履帶不轉(zhuǎn)動(dòng)；嚙合時(shí)，前擺履帶轉(zhuǎn)動(dòng)。在前擺履帶不接地時(shí)，可通過(guò)離合器控制前擺履帶不轉(zhuǎn)動(dòng)以降低整機(jī)的電能消耗。因此，此結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)前擺部分以下幾種方式的運(yùn)動(dòng)：擺桿擺動(dòng)十前擺履帶轉(zhuǎn)動(dòng)；擺桿擺動(dòng)+前擺履帶不轉(zhuǎn)動(dòng)；擺桿制動(dòng)+前擺履帶轉(zhuǎn)動(dòng)；擺桿制動(dòng)+前擺履帶制動(dòng)。14碩士論文 小型摔爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究l 2 3 4 5 6 7 8 9U jj k l Ir卜1、 、 I古 匍 一 一占睦 芻笛 一口乓 C= 一一I u I I Il ll一后驅(qū)動(dòng)輪2一后輪驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3一車體框架4一支撐輪 卜前擺驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)6一承重輪 7一前攔主動(dòng)輪8擺桿9一前擺從動(dòng)輪圖32移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖移動(dòng)平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)器人功能的載體，其性能將直接影響到機(jī)器人的整體性能。移動(dòng)平臺(tái)的剛性對(duì)機(jī)器人整體性能影響最大，結(jié)構(gòu)剛性不足容易使車體產(chǎn)生變形，在野外復(fù)雜路面行走造成車體的震顫，不僅難以實(shí)現(xiàn)越野功能，而且會(huì)直接降低移動(dòng)機(jī)構(gòu)及其所承載的作業(yè)系統(tǒng)的作業(yè)精度，因此，移動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)采用整體式底盤設(shè)計(jì)。此外，考慮其整體的防水性能要求，除了在前后輪和壓帶輪輪軸部分采取防水措施外，車體部分應(yīng)設(shè)置為多個(gè)隔離艙室，減速器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用獨(dú)立艙室，中間部位的艙室則用來(lái)安裝控制系統(tǒng)電路板、其它電子線路模塊、GPS、電子陀螺儀等設(shè)備，以及驅(qū)動(dòng)整機(jī)的鋰離子電池。 移動(dòng)平臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行如下的確定。整體長(zhǎng)度尺寸，應(yīng)以所承載的武器系統(tǒng)為參考來(lái)確定，目前使用58嘞槍彈的單兵輕武器，以840啪全槍長(zhǎng)的95式班用15碩士論文 小型捧爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究機(jī)槍作為參考，槍身前后可略有外伸，初步確定移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)尺寸為單側(cè)履帶接地寬度10cm，履帶接地長(zhǎng)度50cm，前后帶輪直徑25cm，中心距50cm，前擺主動(dòng)輪直徑20cm，前擺輪與前驅(qū)動(dòng)輪中心距為30cm，車體長(zhǎng)度為75cm(前擺收回狀態(tài))，寬度為60cm，高度為24cm。對(duì)于采用履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的移動(dòng)平臺(tái)，承載能力是其重要指標(biāo)，履帶的承載能力主要有兩個(gè)指標(biāo)表示，即平均比壓和最大比壓，這里主要對(duì)平均比壓進(jìn)行計(jì)算。履帶的平均比壓為用吼表示，平均比壓為：；旦：育6+Qqo (31)。了2i乒 (31)式(31)中，G為履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量，Q為承載后引起的偏載，工為履帶接地長(zhǎng)度，b為履帶接地寬度。許用比壓吼為005O15Nmm2。按照載重系數(shù)為085，車體重50kg，平均比壓為000833 Nmm，滿足許用比壓的要求。移動(dòng)平臺(tái)從結(jié)構(gòu)上滿足承載的要求。313移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模移動(dòng)平臺(tái)是機(jī)器入實(shí)現(xiàn)地面運(yùn)動(dòng)的主要載體，在非機(jī)構(gòu)環(huán)境實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人必須能夠在由壕溝、臺(tái)階、障礙和斜坡等復(fù)雜地形上行駛。這就要求移動(dòng)平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤控制和障礙回避，在行駛過(guò)程中應(yīng)能估計(jì)出自己的位置、方向、速度、加速度，能根據(jù)期望的前進(jìn)速度確定出各驅(qū)動(dòng)輪的速度，建立移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是十分必要的。對(duì)于運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，本文采用基于移動(dòng)平臺(tái)幾何中心位姿的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方法，實(shí)際上研究的是二維平面的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題。由于移動(dòng)平臺(tái)采用履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得其實(shí)際運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，尤其是在轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于履帶壓力分布不均勻，在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中車體產(chǎn)生滑移和刮土，這些因素都使得對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析極為困難。因此對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，必須建立在適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上。由于運(yùn)動(dòng)學(xué)只分析運(yùn)動(dòng)，而不考慮受力，在此可作以下假設(shè)： 不考慮結(jié)構(gòu)變形，將移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)各部分視為剛體；履帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的履帶輪與履帶之問(wèn)沒(méi)有滑轉(zhuǎn)，即驅(qū)動(dòng)輪滑轉(zhuǎn)5=O，履帶與地面之間不發(fā)生側(cè)滑；兩側(cè)履帶均勻著地；前擺機(jī)構(gòu)主要用于越障、爬坡，對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析沒(méi)有影響，因此運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中不考慮前擺機(jī)構(gòu)；分析運(yùn)動(dòng)學(xué)，首先要建立坐標(biāo)系，移動(dòng)平臺(tái)在二維平面中的坐標(biāo)系如圖33所示。16碩士論文 小型彳非t攀機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究圖33移動(dòng)平臺(tái)牮標(biāo)系X圖33中：m矽為固連于地面的固定坐標(biāo)系；Oc為移動(dòng)機(jī)構(gòu)的幾何中心；X。，y。分別為Oc點(diǎn)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值；占為左右履帶中心線之問(wèn)的距離；礦和CJ為移動(dòng)平臺(tái)幾何中心0的瞬時(shí)線速度和角速度；此外，用q、出：分別表示左右驅(qū)動(dòng)帶輪的角速度，表示驅(qū)動(dòng)帶輪的半徑，移動(dòng)平臺(tái)在固定坐標(biāo)系xoy的位姿用G，弘口)柬表示。3131正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖33所示，對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)左右履帶的速度，可表示為：V鏟I=c町oi r z，由速度瞬心法確定移動(dòng)平臺(tái)幾何中心0c的線速度和角速度為：。：!生2：匕二生B將式(32)代入式(33)即可得到：(33)17仁掣 (34)移動(dòng)平臺(tái)幾何中心Oc相對(duì)固定坐杯系xoy的運(yùn)動(dòng)方程，以矩陣形式表示為：眺rr-eos8rcos剛字鋒(35)(36)式(36)即為移動(dòng)平臺(tái)在平面坐標(biāo)系xoy的運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)式(36)進(jìn)行分折：(1)以=m，時(shí)，左右兩側(cè)履帶驅(qū)動(dòng)輪角速度相等，移動(dòng)平臺(tái)直線行使；(2)coj緲，為差速轉(zhuǎn)向狀態(tài)，其中國(guó)(-02為向右行使，If250咖，為使槍身不至前身過(guò)長(zhǎng)，旋轉(zhuǎn)底座的可安裝范圈為其軸心線距車體幾何中心肛一100+lOOmm，其結(jié)構(gòu)尺寸需通過(guò)具體分析束確定。322槍架受力分析槍械發(fā)射時(shí)，受力情況十分復(fù)雜，其瞬洲的作用力必須通過(guò)內(nèi)彈道方程和膛壓曲線進(jìn)行解算。對(duì)于非自動(dòng)武器，如火炮，在射擊時(shí)作用于膛底的火藥燃?xì)鈮毫?，推?dòng)炮箱帶動(dòng)炮身后座，此力使炮身產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的唯一主動(dòng)力，常稱為后坐力，以只來(lái)表示，對(duì)于導(dǎo)氣式自動(dòng)武器，如95式班用機(jī)槍，推動(dòng)機(jī)陌后坐的力不僅只是膛底的火藥燃?xì)鈮毫?，還有通過(guò)導(dǎo)氣孔的火藥燃?xì)鈮毫?，它一方面壓?dǎo)氣室前壁推機(jī)再向前，另一方面作用于槍擊框壓縮復(fù)進(jìn)簧，彈簧力推進(jìn)機(jī)再向后。為了研究方便，這些在后坐期作用于機(jī)廈上的所有主動(dòng)力統(tǒng)統(tǒng)包括在后坐力只內(nèi)421。對(duì)槍架機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力的分析，首先作以下基本假設(shè)：(1)槍架底座與機(jī)器人剛性聯(lián)接，視為剛體，槍身為一均質(zhì)卡T：(2)槍械結(jié)構(gòu)上左右對(duì)稱，射擊時(shí)所有外力及其合力均位于槍械對(duì)稱面內(nèi)，并略去彈丸在槍膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)膛線導(dǎo)線側(cè)的反抗力矩的影響；(3)射擊時(shí)，槍架保持不動(dòng)。槍架部分受力如圖39所示：第一種情況：假設(shè)槍身與槍架剛性聯(lián)接，圖中M為俯仰機(jī)構(gòu)所受動(dòng)力偶，e為膛線到耳軸(俯仰機(jī)構(gòu)軸心線)的距離，水平射角為Q。俯仰機(jī)構(gòu)耳軸承受的載荷為只和附加的動(dòng)力偶只，口，以發(fā)射最大膛壓進(jìn)行計(jì)算：昂=PxS (314)式中：卜最大膛壓，按300MPa計(jì)算；p一槍管作用面積，對(duì)于58 13徑，面積為O27cm224碩士論文 小型抖绱機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究則最大膛壓作用下，耳軸受到約8300N的作用力，若膛線和耳軸之間距離為5cm，則俯仰機(jī)構(gòu)承受最大407Nm的動(dòng)力偶的作用。對(duì)于控制俯仰動(dòng)作的伺服電機(jī)及其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，如果采用槍身剛性聯(lián)接。則需要俯仰機(jī)構(gòu)提供較大的制動(dòng)力矩才能保證槍身穩(wěn)定不動(dòng)。因此，必須減小P，即槍身膛線到的俯仰機(jī)構(gòu)軸線的距離。幽39槍絮受力分忻第二種情況：槍身通過(guò)緩沖器與槍架連接，此時(shí)，由于槍身沿著其相反的射向后坐，用動(dòng)靜法進(jìn)行分析?？梢园褬屔碜饔糜跇尲艿暮笞Π凑障率接?jì)算：=一袱=Px8一J，z (315)式中：榭由后坐時(shí)日J(rèn)和緩沖器的剛度K束決定。后坐時(shí)fBJ的計(jì)算式為42l：，r、警啪s每 cs式中：t，后坐時(shí)問(wèn)：F彈簧效率，一般取05；m后坐部分質(zhì)量；坑后坐初彈簧力；后坐術(shù)彈簧力；由上述兩式(315)和(316)可以看出，采用彈性聯(lián)接，使用緩沖器，可以使槍架俯仰機(jī)構(gòu)受理情況明顯改善。通過(guò)對(duì)槍架進(jìn)行受力分析，待出如下結(jié)論：槍身通過(guò)緩沖器安裝并固定于槍架上；減小槍身膛線到耳軸的距離以減小對(duì)俯仰機(jī)構(gòu)電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的沖擊載衙。323射擊穩(wěn)定性動(dòng)力學(xué)建模在機(jī)器人搭載武器(機(jī)槍)進(jìn)行射擊時(shí)，機(jī)器人整體的穩(wěn)定性和機(jī)槍的射擊精度是必須要考慮的問(wèn)題。機(jī)槍是一種主要以連發(fā)的方式使用的武器，連發(fā)射擊時(shí)機(jī)器人的穩(wěn)定性對(duì)射擊精度有非常大的影響，尤其是對(duì)散白密集度的影響，連發(fā)射擊過(guò)程中25碩士論文 小型捧爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究機(jī)槍、機(jī)器入整體可能產(chǎn)生跳動(dòng)、移動(dòng)或下沉，槍身、武器機(jī)械平臺(tái)、移動(dòng)平臺(tái)等也可能產(chǎn)生彈性變形引起局部振動(dòng)以及整體振動(dòng)，這些都是影響射擊穩(wěn)定性的因素。射擊穩(wěn)定性的概念是與射擊精度的概念密切相關(guān)的，單純的考慮機(jī)器人的穩(wěn)定性而不考慮其射擊精度將沒(méi)有任何意義。對(duì)于射擊穩(wěn)定性的理解，可以認(rèn)為，機(jī)槍射擊時(shí)。無(wú)論機(jī)器人整體是否跳動(dòng)，移動(dòng)或振動(dòng)，只要武器能夠保證彈丸出槍口瞬時(shí)的射向誤差在一定的允許范圍內(nèi)，就能滿足武器的射擊精度要求，即可以認(rèn)為其射擊是穩(wěn)定的【421。3231穩(wěn)定性分析方法對(duì)于射擊穩(wěn)定性問(wèn)題的分析，主要有絕對(duì)穩(wěn)定性、相對(duì)穩(wěn)定性以及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性幾個(gè)概念腳】。(1)絕對(duì)穩(wěn)定性絕對(duì)穩(wěn)定性是傳統(tǒng)的穩(wěn)定性觀點(diǎn)，該穩(wěn)定性要求武器系統(tǒng)在射擊時(shí)，相對(duì)應(yīng)各支點(diǎn)既不產(chǎn)生跳動(dòng)，也不產(chǎn)生移動(dòng)和下沉，符合靜止性的要求。(2)相對(duì)穩(wěn)定性相對(duì)穩(wěn)定性允許機(jī)器入整體沿射擊方向前后移動(dòng)，也允許有規(guī)律的輕微跳動(dòng)，前者很顯然是保證了射向一致性，后者則需要驗(yàn)證武器上跳過(guò)程與周期是否影響彈丸出槍口時(shí)的射向。(3)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性認(rèn)為，射擊時(shí)，無(wú)論武器是否產(chǎn)生移動(dòng)、跳動(dòng)、變形和振動(dòng)，只要保證武器的射向一致性就認(rèn)為是穩(wěn)定的。相對(duì)穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的區(qū)別是，前者只考慮剛體位移，后者主要考慮武器結(jié)構(gòu)的彈性變形，后者實(shí)現(xiàn)起來(lái)要比前者困難得多。本文用相對(duì)穩(wěn)定性的理論進(jìn)行穩(wěn)定性分析。3232射擊穩(wěn)定性模型發(fā)射時(shí)的槍身后坐階段中，若某時(shí)間區(qū)段內(nèi)的翻倒力矩大于重力矩(穩(wěn)定力矩)，則機(jī)器人就會(huì)有繞后驅(qū)動(dòng)輪接地點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，即表現(xiàn)為機(jī)器人上抬；當(dāng)翻倒力矩小于重力矩時(shí)，則上抬轉(zhuǎn)慢或轉(zhuǎn)為下降，落地后又有下沉和抬起。對(duì)于重量較輕的小型機(jī)器人來(lái)說(shuō)，槍械設(shè)計(jì)時(shí)必然會(huì)發(fā)生略微上跳的現(xiàn)象。用絕對(duì)穩(wěn)定的理論，如果實(shí)現(xiàn)在射擊過(guò)程中完全的靜止，解決的辦法只有通過(guò)增加機(jī)器入的重量，假設(shè)機(jī)器人在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行射擊，并保持靜止，其水平方向和鉛垂方向僅有地面摩擦和重力的作用與武器發(fā)射產(chǎn)生的后坐力相平衡，阻止機(jī)器人上抬的穩(wěn)定力矩則僅有重力矩。頎士論文 小型輔像機(jī)|人總體設(shè)計(jì)的研究按照絕對(duì)穩(wěn)定理論，則對(duì)于本設(shè)計(jì)的機(jī)器入柬說(shuō)，其總體質(zhì)量根本無(wú)法滿足要求。根據(jù)相對(duì)穩(wěn)定性分析理論，我們認(rèn)為，機(jī)器入無(wú)論是否上跳，只要能保證在彈丸射出槍口之前，下落至起跳位霄或在一定的誤差范圍內(nèi)，或者在機(jī)槍連發(fā)時(shí)，保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)位冒微小跳動(dòng)，都可以認(rèn)為射擊過(guò)程是穩(wěn)定的。下面我們對(duì)機(jī)器人整體進(jìn)行研究。對(duì)于整個(gè)機(jī)器人的射擊穩(wěn)定性的分析，必須建立在合理的基本假設(shè)上，在這罩對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行如下基本假設(shè)：機(jī)器人整體位于水平面上。即水平角度為零；不考慮機(jī)器人各部分的變形，視之為剛體，槍械視為剛體；不考慮土壤在后坐運(yùn)動(dòng)方向的變形過(guò)程，不計(jì)地面摩擦；槍械和機(jī)器入整體左右對(duì)稱；射擊時(shí)武器平臺(tái)槍架及移動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)等機(jī)器人各部分不下沉；機(jī)器人初始為靜止?fàn)顟B(tài)，即仞速為O。 。對(duì)其后坐運(yùn)動(dòng)階段進(jìn)行分析，機(jī)器入射擊時(shí)的受力