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履带式移动机械手的结构设计及分析【全套含有CAD图纸三维建模】 -- 150 元

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南京理工大学硕士学位论文小型排爆机器人总体设计的研究姓名刘铁军申请学位级别硕士专业机械制造及其自动化指导教师何勇20060626硕士论文小型持爆机器人总体设计的研究摘要小型化、轻量化和多功能的排爆机器人,在军事上极具应用和研究价值。本文针对军用机器入的特殊性,以定位于兼有排爆和作战功能的小型排爆机器人为研究对象,进行总体设计的研究。本文研究的机器人以小型通用移动平台作为载体,通过搭载机械手和武器平台,实现排爆和作战功能。本文首先通过对设计功能和任务的分析,制订了系统总体性能指标,并以此为基础,从机构角度对排爆机器人的移动平台、武器平台、机械手三个分系统展开方案的设计与论证。构造了移动平台基本结构,建立了运动学模型,对其越障运动进行了分析对武器平台主要建立了枪架的受力模型,以及机器人的射击状态稳定性动力学模型,并定性的分析了影响稳定性的各因素,提出了提高稳定性的方法从总体上对机器人的静态稳定性进行了分析对机械手确定了结构基本参数,并在此基础上进行了详细的机械手样机设计,建立了机械手的位姿运动学方程和速度微分方程。通过总体设计提供的设计方案和分析方法,为下一步详细设计的深入奠定了理论基础。关键词小型排爆机器人总体设计运动学模型稳定性模型,型捧臻机器人总体设计的研究ofinatoftoabeheasaofaaitofofofupofoaanofofaofoftoe,,本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果,尽我所知,在本学位论文中,除了加以标注和致谢的部分外,不包含其他人已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。研究生签名垂】塑銎≯,年5雕曰学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档,可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容,可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文,按保密的有关规定和程序处理。研究生签名玉坠圣v≯年月型榫爆机嚣人总体设计的研究1绪论1.1研究背景机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一。人类对于机器入的研究由来已久,但直到上世纪50、60年代,随着机构理论和数控伺服技术的发展才真正进入实用化。上世纪70年代后,计算机技术、控靠感技术和人工智能技术迅速发展,机器人技术也随之进入高速发展阶段,并发展成为集机械、电子、控制和计算机技术的一项综合技术¨1。在历史上,所有的高新技术首先被考虑用于军事用途,机器入也不例外。未来战争将是建立在高科技条件下的、高度信息化的全方位立体化的战争,各种具有巨大杀伤力的先进武器的广泛使用,将使未来的战场环境异常复杂、信息瞬息万变,士兵的生命无时不刻受到来自天空、地面,水下各种先进武器的威胁,完全依赖士兵作战能力的战争模式正越来越受到挑战。在军用机器人领域,排爆机器人是较早投入实战的军用机器人之~,日静,排爆机器人在~些发达国家的军队已得到广泛使用。英国早在60年代就研制了手推车排爆机器人用于英阿马岛战争的爆炸物清理,其改进型的土拨鼠及野牛两种遥控电动排爆机器人被英国争家工程兵在波黑及科索沃用于探测及处理爆炸物,德国1。在近年来美国发动的几次局部战争中,基于零伤亡的作战思想,美军开始在战场上大量使用排爆机器人替代士兵执行排爆任务,其后又参与2002年初的阿富汗行动以及2003年的伊拉克战争,执行的主要任务是爆炸物检测及其处理,阿富汗和伊拉克战争中共执行20000项任务,在战争中有效地降低了已方的伤亡H。此外,由于政治、经济、民族、宗教等关系的错综复杂,国际和地区恐怖主义在世界各国有泛滥的趋势。在公共场所安放爆炸物以产生恐慌爆炸恐怖犯罪即是其集中表现形式。相对于其他形式的恶性犯罪,恐怖爆炸由于其危害面广、社会和政治负面影响面大,日益成为令当今世界各国政府头疼的问题。据美国官方统计,1968年国际上的恐怖主义事件仅有120起,面1984年增至652起。1983年的500起恐怖活动中,有262起是爆炸事件其是最近几年,随着国际形势的动荡,恐怖爆炸事件更是此起彼伏,接连不断。除了传统的恐怖活动热点地区,例如中东、阿富汗等地区外,美国、英国、西班牙、日本、俄罗斯、印度尼西亚、乌兹别克斯坦、马来西亚和泰国,菲律宾也接连发生恐怖爆炸事件,影响较大的有俄军医院爆炸案、西班牙马德里爆炸案,印尼巴厘岛爆炸案、伦敦连环爆炸寨等。就连以往很少有恐怖活动波硕十论文小型捧爆机器人总体设计的研究及的国家和地区,.近年来也接连发生恐怖爆炸事件。而且,随着时间的推移,这些活动还愈演愈烈。作为应对,反恐排爆已经成为世界各国政府最为关注的问题之一。目前在世界范围内,排爆机器人已经成为反恐作战的重要装备之一。排爆机器人是目前较具研究价值的机器人产品,在反恐领域可用来执行诸如反恐排爆的任务,战场上排爆机器人则用以执行诸如排除爆炸物、战场信息收集的任务稍加改造,即可加装单兵武器用于武装巡逻、战斗值勤等高危险任务。目前国内已经着力于排爆机器人的研发,但距离军事用途还有相当的距离。基于军用机器人产品系列化,通用性的需要,本文对基于小型移动平台基础上,兼具摊爆和作战功能的机器人进行总体设计的研究。1.2国内外研究现状排爆机器人是一种较为复杂,对智能化要求较高的机器人产品,属于非结构环境下的地面移动机器人范畴。对其研究的开展,也主要集中在西方发达国家。其中以美、英、德、法、以色列等国家技术较为成熟51,并相继有排爆机器人产品投入实际应用。图1.1手推车排爆机器入图I.2独眼龙排爆机器人英国被公认为较旱研制排爆机器入的国家之一。由于英国与北爱尔兰长期处于对峙状态,并不断受到爆炸威胁,早在60年代就研制出了实用化的产品手推车和超级手推车排爆机器人,累计在世界销售了800多台,见图1.1。后来又加以改进,除了原有的电视监视器,引爆爆炸物的霰弹枪,各种转臂和夹具、钢索外,又安装了电荷耦合器件电视摄像机,使机器人提高了清理爆炸物的效率。其中超级手推车车重2041.2米,宽O.69米,最大高度1.32米,最大速度55米/分钟。.英国国防部常用工程设备的供应商。近30年以来,独眼龙是可无线遥控或通过光纤进行操作,用于解拆未爆炸装置和常规武器,或用于其他存在高风险的危险领域。。独眼龙具有除障和爬梯能力,硕士论文小型捧爆机器人总体设计的研究可携带和操作爆炸物解拆器、小型武器、操纵器、手动工具、化学武器和爆炸品侦测器、在独眼龙及其衍生产品已广泛应用于军队。见图1.2。美国司的安德鲁斯列排爆机器人是产品系列和型号较多的排爆机器人系列产品,主要型号有I、A、.6中作人员可以迅速执行任务。其适合在狭窄的地方例如飞机上进行操作。够跨越各种障碍,在复杂的地形上行走。全重159132米,宽0.45米.高1.12米,速度最高5.6公里/,J、时速,可爬450台阶和斜坡,攀上46厘米高台,跨越46厘米壕沟。其中。图1.31.4前已有250多辆可以直接参加反恐战斗,可以装备外,还可以装备火箭发射器,用于爆炸物处理、侦查、通信、探测、警戒、防御与救援等各种任务。36在全天候、昼/夜、两栖及各种地形环境下使用,是典型的利用通用化底盘开发的系列化军用机器人产品。见图1.4。此外,国外较具代表性的排爆机器人产品,还有英国P.w.拿大国国国国国中部分机器入已经过实战考验,并装备于军队和警察部队。国外排爆机器入产品,经过国外几十年的研究,已经得到了大量的应用,功能完善、技术先进是其主要特点,目前,国外在经历了第一代机器人产品,即完全依赖人硕士论文小型捧爆机器人总体设计的研究工控制的遥控排爆机器人以及第二代具有视觉、感知和信息处理技术的排爆机器人产品,正积极展开具有高度智能化、网络化控制、全自主能力的排爆机器人产品的开发,神经网络、多信息融合等技术逐步应用于其排爆机器人产品聊。同时,国外基于多年的基础性研究以及相对成熟的技术,着手于系列化、规模化的排爆机器人的生产。其系列化产品配件不仅齐全,而且具有良好的通用性,互换性,模块化的设计思想使得一种产品经过简单的设计,即可派生出一系列适合不同用途的机器人。图1.51.6灵晰一B排馔机器人相对国外在排爆机器人方面的研究,国内开展较晚,但是近年来在该研究领域也取得了一定的进展。国内一些厂家纷纷结合研究机构、院校展开排爆机器人的研发,并相继有一批产品问世,并投入市场。北京中泰和上海交通大学研制的宽高分别为1.7米X0.7米x1.2米,重200移动速度可以达到40米/分,可以爬上倾斜角度为40度以上的楼梯和坡度。见图1.5。由中国科学院沈阳自动化研究所研制的灵蜥一B由本体、控制台、电动收缆装置和附件箱四部分组成,自重180电池电力驱动,最大直线运动速度为40米/分钟,采用三段履带的设计可以让机器人上下楼梯,跨越0.45米高的障碍,实现全方位行走,具备较强的地面适应能力,并应用于第十届全国运动会期间。见图1.6。北京金吾高科技有限公司的械臂最高伸展2.7m。可将可疑物放霞于高1.8械臂最低可水平伸出距地面0.2m,可伸入车雇拆弹或抓取可疑物品抓取器纵向旋转360。横向旋转90。,可灵活地将物品从防爆罐之中取出抓取器最大张开距离48卡头机械手可卡装多种工具,包括切割器、水炮枪、光缆瞄准手枪、图卜7。4硕士论文小型撵爆机器人总体设计的研究图1.71.8用关节型折叠四履带移动装置,装备有31自由度机械手包括大、小臂及旋转抓爪,手臂全展时可抓举重物臂总芝900毫米。行驶速度最高30米/分钟,可在40。楼梯和斜坡行走,跨越300毫米高障碍和300毫米宽的壕沟。安装两台明设备、一台监视器和扬声器、话筒。可选择爆炸物销毁器、散弹枪和双锚式抓爪。国内各高校和科研机构中,上海交通大学较早开展了包括排爆机器人在内的特种机器人及其相关理论的研究,北京理工大学、华南理工大学、哈尔滨工业大学等高校也投入排爆机器人及其相关技术的研究,并相继有一批成果闻世。对排爆机器人的研究也曾列入了国家十五863计划l。与国外相比,国内排爆机器人的研究还处于发展阶段,从事排爆机器人研究生产的仅有极少数的厂家,基础性研究方面的投入不够,缺乏具有自主知识产权的技术,部分产品还处于模仿国外产品的阶段,没有系列化的、较为成功的排爆机器人产品。产品单一、功能尚有欠缺。国内目前还主要依赖国外的排爆机器人用于反恐排爆,军用领域的排爆机器人还是一片空白。国内对于排爆机器人的研究,应该借鉴国外的成功经验,积极开展具有自主知识产权的排爆机器人及其相关技术的研究,尤其基于小型化的,具有军事多用途排爆机器入的研究。1.3研究内容1.3.1研究意义排爆机器人属于非结构化环境下作业的地面移动机器人。目前,国内对其研究主要在具有单一排爆功能的民用领域展开,单一地对具有一种功能的机器人进行研究,不考虑其通用性和系列化,将会带来大量的重复性研究,耗费不必要的人力和经费,开发过程漫长。相对于严格的军用标准,其军事用途更是受到质疑。未来战场,军用机器入将扮演越来越重要的角色。排爆机器人,尤其是小型化、轻量化和多功能的排硕}论文小型排爆机器人总体设计的研究爆机器人,在军事应用领域具有更为广泛和深层的意义。以一种智能化小型移动平台作为载体,分别搭载可更换的机械手和武器平台,实现包括排爆、持枪作战等在内的多种功能,在战场上将具有较强的生存能力,更加适合于未来战争的要求。对其进行理论和实践的研究,对于国防现代化意义深远。.1.3.2研究内容本文对基于小型化、通用化、多功能的小型排爆机器人总体技术进行了分析和研究,本文研究的机器人是基于一种小型化移动平台的多功能排爆机器人,移动平台通过机械手实现其排爆功能,通过武器平台则可具有作战能力。由于军用机器人的复杂性和特殊性,对其展开研究需要大量的人力和物力,是一个复杂的系统工程,需要做大量的理论方面的研究,本文研究侧重于机器人机构及其实现,主要研究内容如下1小型排爆机器人系统组成和性能从排爆机器人的作业环境和设计要求两方面对设计任务进行了分析,从整体概念上进行了机器人的功能分析,并在此基础上制定了总体性能指标。2小型排爆机器人总体方案设计对机器人结构主体的三个重要组成部分,即移动平台、武器平台、机械手进行了方案的设计分析与建模。对移动平台进行了方案的论证和结构设计,建立了越障过程进行了分析武器平台分析了结构方案,并建立了枪架的力学模型,以及武器发射状态的射击稳定性模型。通过定性的分析,提出了提高稳定性的办法对于机械手,确定了基本构型和臂长等参数并从总体上对机器人的静态稳定进行了分析。本章中确定的设计和计算方法,为下一步展开更为详细的设计提供指导。3机械手样机设计对于排爆机器人的机械手,利用模块化设计方法,做了详细的设计。鉴于沪机械手运动学建模中运用胪正、逆运动学方程和速度方程进行了推导,通过计算仿真证明了其正确性。6硕士论文小塑梓爆机器入总体设计的研究2小型排爆机器人系统组成与性能指标本文的排爆机器人属于军用地面移动机器人的范畴。其移动载体为小型移动平台,配合机械手,实现排爆功能配合武器系统,可实现其作战功能。以实现系列化、通用化的军事多用途机器人的需要。相对于民用机器人,军用机器人的要求更为严格,设计开发也是一个复杂的过程。设计工作的开展,首先必须建立在任务分析的基础上,基于技术先进性和可行性,提出设计要求,对系统总体功能和性能指标参数进行初步的拟定,以指导进一步设计任务的展开。2.1设计任务分析本文设计的排爆机器人,设计目的主要应用于在战场环境下,代替人工完成排爆、持枪作战等复杂的战斗任务。在总体设计阶段,对设计任务进行具体而又全面的分析是十分必要的。1作业环境作为军用地面移动机器人,其实施的各项作业任务在复杂的环境下展歼,作业环境受到各种非确定因素的影响,所面临的作业现场往往是无法事先预测的。作业环境是决定机器人设计的重要因素。对于排爆机器人,其作业可能需要在野外或城市内展开机器人实施作业的地面环境由各种天然环境和人工环境构成,机器人到达任务现场,可能会遇到各种凸台、壕沟、斜坡、阶梯,完成穿越灌木丛、涉水上岸,在沙漠、草地、池沼等复杂的地形地貌下完成行走,各种结构化和非结构化环境相互交错,使其地面作业环境异常复杂。作业环境的非结构化是其主要特点。2设计要求目前,小型化、轻量化和智能化是军用机器人的发展趋势之一,轻量化的设计不仅便于运输,也有利于各项后勤保障的实施。对于本文设计的排爆机器人,建立在结构简单、可靠的基础上,应能够以自主和半自主及人工遥控的方式,实现排爆和战场作战,并且体积小、重量轻。2.2功能分析在吸收国内外研究成果的基础上,从兼顾先进性和可行性出发,对排爆机器人提出如下的功能要求.7硕士论文小型捧爆机器人总体设计的研究1全天候作业目前,作战飞机的全天候作战能力已经依靠微光夜视、自动导航、多普勒雷达、面作战车辆也利用相似的方式基本实现了全天候作战能力。在雨、雪、浓雾和夜间环境下,为单兵提供的适应全天候作战的工具极其有限,.即使配合红外微光夜视设备,也由于其视野的限制难以对战场环境进行全面地了解。机器人可以利用其先进的探测和监测设备,对战场环境进行全面的监控,为士兵提供包括视景在内的全面的战场信息。机器人由各类精密仪器和机电系统构成。作为全天候的作战工具,机器入本体必须具有全天候环境下作战的包括防雨、防潮在内的自身防护能力。2多地形适应和自主导航无论野战环境还是城市作战,所面临的地形都将极其复杂。完全依赖人工操作不仅是行动缓慢,而且操作起来相对比较复杂。对于多地形适应能力的地面军用移动机器人的研究,国外在实现了基本的爬坡、越障、避障功能的基础上,目前已广泛开展了基于自主和半自主的路径规划优化等技术的研究,在实验室阶段通过了部分实验的验证。通过软件实现其智能化的前提是机器人本体具有多地形适应能力。对于体积和重量都相对小巧的机器人来说,其爬坡越障和过沟壑的能力相对有限,尤其是涉水上岸,由于河泥的软滑,移动平台的附着力和攀爬能力急剧下降,这是一个较难解决的问题。设计功能主要应能实现具有爬坡越障及各种复杂地理环境的多地形适应能力。自主和半自主导航是机器入应具有的功能,通过避障雷达、激光测距、器人可以在复杂的环境下无需人工干涉完成各项作战任务,最后回到指定目标地点。自主导航并非万能,以目前的技术条件,对于较为复杂的环境,利用软件实现自主导航,可能会使机器人处于两难的境地,因此,还应能够与人工遥控相配合,由人工进行适当的干预,相对较为简单的环境,以及其基本的避障,越障能力判断则由机器人自主进行。3排爆和战场信息收集各类隐蔽和非隐蔽的爆炸物,对士兵的生命是极大的威胁。以海湾战争后的科威特为例,在伊科边境一万多平方公里的地区内,有16个国家制造的25万颗地雷、85万发炮弹和多国部队投下的布雷弹及子母弹的2500万颗子弹,其中20%没有爆炸【2们,在许多国家,甚至还残留着第一次世界大战和第二次世界大战未爆炸的炸弹和地雷。新型的爆炸引信大量应用于地雷等爆炸物,使人工排爆的难度越来越大,由此带来的非战斗减员对于部队的战斗力和士兵的±气是一种严重的打击。此外,在战场上,敌我双方为获得全方位的战场信息,在战场上通过飞机等方式大量布撒各类传感器用于侦测惰报,其传感器大都体积较小,通过肉眼极难分辨,且具有自毁功能。机器入以其小巧的体积穿梭于战场,利用红外、电子鼻、无线侦测等8颂十论文小型捧爆机器人总体设计的研究先进的传感器进行探测,有效的销毁敌方的各类战场传感设备,切断敌方的信息来源和数据链路,这些都是依靠士兵难以实现的。4持枪作战恶劣的作战环境和复杂的作战任务是造成士兵伤亡的主要原因,此外对作战环境的判断由于人为因素的影响也会造成无谓的非战斗减员,从美国军方的统计数字不难看出,非战斗减员也是造成人员伤亡的一大因素。见图2.1但终其因原,恶劣的作战环境本身是造成士兵心理压力从而导致伤亡的主要因素。机器人可以相对专注的投入作战任务,准确而又及时地做出判断,为作战任务赢取时间.蛳刚∞妇■■●■■船_●■■似●■,■l■■一图2.1美军对于非战斗减员的统计2.3系统组成机器人的武器系统主要为可自动瞄准的自动步枪,携带武器系统,机器人取代士兵执行各种高危险任务,如战斗巡逻、执勤等高危险的作战任务。尤其是在夜间和复杂气象条件下,利用机器人先进的传感和监控设备,有利于首先发现放情并采取应对措施。对于机器人的攻击,目前还不能依赖其基于敌我识别和模式识别的自动系统,必须由人工发出指令才能够采取攻击行动,否则极易造成误伤。国外预测,具有完全自主射击能力的机器人还需30年的时间。根据设计任务的分析,确定排爆机器人由图2.2所示各部分组成,包括机器人本体和远程控制端。机器人本体结构主要由移动平台、武器平台、机械手三个部分组成。移动平台作为整个排爆机器人功能实现的载体,可分别搭载机械手执行爆炸物排除任务,或搭载武器平台执行作战任务。控制端部分由人工进行监控和执行相应的操作,图2.3对控制端作了大体布局的设计。对于机械臂的人工遥控,除了能实现各关节的独立控制,还应能够联动控制,以实现排爆操作时的灵活控制性。机器人本体与控制端通过加密的无线数据链路通讯,实现可靠的双向数据交流,并可通过网络系统实现网络化控制以及多机器人协调的功能。9j本体2.4总体性能指标图2.2系统总体组成框图图2.3远程控制端简图通过对设计任务和对系统功能和组成的分析,对排爆机器人总体性能指标进行初步拟定。一一10硕士论文小型捧爆机器人总体设计的研究1移动平台自重≤5030m/30。平地越障高度≥15动平台应能实现原地回转的运动特性要求,并在实现上述功能的前提下减小车体结构尺寸,车体宽度应小于702机械手机械手性能主要由自由度和抓取能力衡量,对于本文设计的小型排爆机器人的机械手,主要设计用于轻型爆炸物的抓取及战场收集和布置各种传感器,因此抓取能力设计要求满足l~2由度/4。3武器平台武器主要考虑选择5.8器平台的运动应能实现俯仰角度.5。~水平方向左右偏转±180。。4控制方式自主、半自主、遥控。5供电方式锂离子电池2.5本章小结在本章中,从排爆机器人的作业环境和设计要求两方面对设计任务进行了分析,从整体概念上确定了机器人应具有的功能,对于整个系统,从本体结构上确立了由移动平台、机械手、武器平台三大部分的结构,并在此基础上制定了初步的总体性能指标。型捧爆机器人总体设计的研究3小型排爆机器人总体方案设计排爆机器入的设计,受到多方面因素的制约,基于战场条件的要求,机器人必须满足结构简单、可靠、小型化、轻量化的要求。合理的方案设计是实现机器人良好性能的前提,在方案设计中,必须进行大量的分析和论证。从机器人的总体结构上,排爆机器人主要由移动平台、机械手和武器平台组成,其中,移动平台是整个机器人实现各项任务的载体。在本章中,移动平台部分设计了基本结构,进行了正逆运动学的建模,并对越障运动进行了分析通过对武器平台的稳定性建模,定性地分析了机器人的射击稳定性问题通过优化确定了机械手的主要参数,并从总体的角度对机器人的斜坡静态稳定性进行了分析。3.1移动平台方案设计3.1.1移动平台构型移动平台的作业环境非常复杂,其环境因素主要包括原有的天然环境,以及各种人工干预的环境,称之为非结构化环境。对于移动机器人来说,非结构环境是多样的,复杂的三维地形,一般由平坦的地面、斜坡、障碍、台阶、壕沟、浅坑等地形组成。实质上,最典型的情况是斜坡、向上和向下的台阶,所有的地形可简化为以上三种典型地形的组合,移动机构只要能够通过上述三种地形及其组合,即可通过一系列动作序列通过各种复杂的三维环境。具有多地形适应能力的移动机构,目前主要有轮式和履带式、腿足式。对于本设计,其主要功能除了爬坡越障和多地形适应能力、全方位转向功能外,还应在速度、运行平稳性、载重自重比等方面全面予以考虑。在非结构环境下,任何一种移动机构都有其优势和实用性,同时存在某些缺陷。对移动机构的设计和选择,需要综合设计要求及其他相关因素。1轮式移动机构轮式移动机构可以达到较高的运动速度,在相对平坦的地面上,轮式移动具有相当的优势,控制也相对简单,轮式移动机构由于应用广泛,是目前研究最为透彻的移动机构之一.传统的轮式行走机构有三轮、四轮、六轮的结构形式。相对而言,轮式移动机构的缺点也是明显的,由于与地面接触面积小,在土壤压比较小的柔软路面和湿滑的路面上易产生沉陷和打滑。这些都使轮式机构在大多数野外复杂环境下功能受硪士论文小型捧爆机器人总体设计的研究到限制。为提高轮式行走机构的多地形适应能力及其通过性,在传统的轮式行走机构上进行结构变形,出现了四轮加前后摆、六轮加前后摆、行星轮式等具有多地形适应能力的行走机构车轮结构也出现了超轻线编制轮胎、半球形轮胎、麦卡姆轮等多种车轮形式。2履带式移动机构典型的履带式移动机构由驱动轮、导向轮、托带轮、履带板、履带架等部分构成。履带式移动机构适合于在复杂路面上行驶,它是轮式移动机构的拓展,履带本身起着给车轮连续铺路的作用。履带式移动结构具有主要有以下的优点地面支撑面积大,接地比压小,滚动摩擦小,通过性能较好,转弯半径小,牵引附着性能、越野机动性、爬坡,越沟等性能优于轮式移动机构,履带式移动机构广泛用于各种军用地面移动机器入。普通履带式移动机构越障能力有限,只有通过加大带轮直径和履带长度来提高其越障性能,并且履带式移动机构结构复杂,对其控制和运动分析较为困难,大多都是通过实验方法进行研究。为改善普通履带式移动机构的缺点,主要通过改变履带的形状和结构来实现,卡特比勃形状可变履带、位置可变履带、履带式加装前后摆等结构形式相继出现,并应用于各种机器人移动机构。近年来各种增强的非金属复合材料运用子履带,大大减轻了履带式移动机构笨重的缺点,改善了其整体性能。对野外环境,履带式移动机构具有较强的适应性。3腿足式移动机构腿足式移动机构基于仿生学的原理,目前展开广泛研究的有两足、四足、六足等各种腿足式移动机构,该机构几乎可以适合任何路面的行走,且具有良好的机动性,其运动系统具有良好的主动隔振功能,可以较轻松的通过松软地面和大跨度障碍。但该机构运行速度慢,结构形式在上述各种移动机构中最复杂,控制也相对较为困难,目前应用较少,大多处于研究和实验室阶段。表3.1各种移动机构综合评价评价\啦能越障越野通过速度小型化行驶转向载重吾蠹、~3能力性能性实施稳定性性能自重比腿足式AAADDABBBABBBBBBABCCABC特种轮式BCCBBC型捧爆机器人总体设计的研究对本设计而言,爬坡越障能力、小型化、轻量化是其主要特点。在表3.1中对各种行走机构进行综合评价。基于设计要求,对各性能分配权重,中特种履带式移动机构为加装前摆及加装前后摆的结构形式,对表3.1中的几种可能的设计方案,综合评价的结果,特种履带式为相对较优的方案。加前后摆的履带机构,比单独加装前摆具有更强的越障和地形适应能力,但由此带来了的机构复杂性和重量的增加,也会带来对系统的可靠性的影响,实质上加装前摆即可实现爬坡越障功能。其通过各种典型地形的情况见图3.1。为了使摆臂有更强的地形适应能力,前摆部分左右两摆臂可单独控制即独立驱动。3,1.2移动平台结构渺旺璺图3.1前摆式履带移动机构通过几种典犁地形在确定机构方案的前提下,对移动平台的结构方案进行初步设计,移动机构结构简图见图3.2。履带驱动方式为后轮驱动,左右两后驱动带轮1分别由两个直流伺服电机通过后轮驱动传动机构2驱动,由于齿轮减速器传动效率和传动精度较高,运行平稳性好等特点,因此可以为整个机器人提供良好的直线行走、差速转向和原地回转的功能。1摆臂运动的实现两个前摆的转动摆臂动作,分别由直流伺服电机经前摆减速机构5减速后带动摆杆8产生前摆的摆臂运动,左右两摆臂为独立驱动,可分别进行控制,动作更加灵活。摆臂减速机构可采用蜗轮蜗杆传动,以使结构更加简单。2摆臂部分履带控制的实现前摆主动轮7空套履带承重轮6上,通过离合器控制两者的分离和啮合,离合器分离时,前摆履带不转动啮合时,前摆履带转动。在前摆履带不接地时,可通过离合器控制前摆履带不转动以降低整机的电能消耗。因此,此结构可实现前摆部分以下几种方式的运动摆杆摆动十前摆履带转动摆杆摆动前摆履带不转动摆杆制动前摆履带转动摆杆制动前摆履带制动。14硕士论文小型摔爆机器人总体设计的研究l23456789\{}{\Uj{jk\l\\I、№一一占睦刍笛』一口乓C一一IuII前摆驱动传动机构6一承重轮7一前拦主动轮8摆杆9一前摆从动轮图3.2移动平台结构示意图移动平台是实现整个机器人功能的载体,其性能将直接影响到机器人的整体性能。移动平台的刚性对机器人整体性能影响最大,结构刚性不足容易使车体产生变形,在野外复杂路面行走造成车体的震颤,不仅难以实现越野功能,而且会直接降低移动机构及其所承载的作业系统的作业精度,因此,移动机构应采用整体式底盘设计。此外,考虑其整体的防水性能要求,除了在前后轮和压带轮轮轴部分采取防水措施外,车体部分应设置为多个隔离舱室,减速器和驱动电机均采用独立舱室,中间部位的舱室则用来安装控制系统电路板、其它电子线路模块、子陀螺仪等设备,以及驱动整机的锂离子电池。.移动平台的基本结构参数进行如下的确定。整体长度尺寸,应以所承载的武器系统为参考来确定,目前使用5.8嘞枪弹的单兵轻武器,以840啪全枪长的95式班用15硕士论文小型捧爆机器人总体设计的研究机枪作为参考,枪身前后可略有外伸,初步确定移动平台的结构尺寸为单侧履带接地宽度10带接地长度50后带轮直径25心距50摆主动轮直径20摆轮与前驱动轮中心距为30体长度为75摆收回状态,宽度为60度为24于采用履带式移动机构的移动平台,承载能力是其重要指标,履带的承载能力主要有两个指标表示,即平均比压和最大比压,这里主要对平均比压进行计算。履带的平均比压为用吼表示,平均比压为旦育63.1。了23.1式3.1中,为承载后引起的偏载,工为履带接地长度,用比压吼为0.05~O.15N/照载重系数为0.85,车体重50均比压为0.00833N/满足许用比压的要求。移动平台从结构上满足承载的要求。3.1.3移动平台运动学建模移动平台是机器入实现地面运动的主要载体,在非机构环境实现运动,机器人必须能够在由壕沟、台阶、障碍和斜坡等复杂地形上行驶。这就要求移动平台能实现路径跟踪控制和障碍回避,在行驶过程中应能估计出自己的位置、方向、速度、加速度,能根据期望的前进速度确定出各驱动轮的速度,建立移动平台的运动学模型是十分必要的。对于运动学建模,本文采用基于移动平台几何中心位姿的运动学建模方法,实际上研究的是二维平面的运动学问题。由于移动平台采用履带式移动机构,使得其实际运动非常复杂,尤其是在转弯运动时,由于履带压力分布不均匀,在转弯过程中车体产生滑移和刮土,这些因素都使得对移动平台的运动学分析极为困难。因此对其进行运动学分析,必须建立在适当的假设和简化基础上。由于运动学只分析运动,而不考虑受力,在此可作以下假设不考虑结构变形,将移动平台结构各部分视为刚体履带传动机构的履带轮与履带之问没有滑转,即驱动轮滑转5O,履带与地面之间不发生侧滑●两侧履带均匀着地●前摆机构主要用于越障、爬坡,对运动学分析没有影响,因此运动学分析中不考虑前摆机构分析运动学,首先要建立坐标系,移动平台在二维平面中的坐标系如图3.3所示。16硕士论文小型彳非移动平台牮标系中。,y。分别为为左右履带中心线之问的距离矿和C.瞬时线速度和角速度此外,用q、出分别表示左右驱动带轮的角速度,,表示驱动带轮的半径,移动平台在固定坐标系口柬表示。3.1.3.1正运动学模型如图3.3所示,对于移动平台左右履带的速度,可表示为{rz,由速度瞬心法确定移动平台几何中心0±生2∞匕二生.2代入式3.3即可得到3.317仁掣3.4移动平台几何中心矩阵形式表示为眺r.cos刚字锋3.53.6式3.6即为移动平台在平面坐标系式3.6进行分折1以m,时,左右两侧履带驱动轮角速度相等,移动平台直线行使2,,为差速转向状态,其中国.使枪身不至前身过长,旋转底座的可安装范圈为其轴心线距车体几何中心肛一100~结构尺寸需通过具体分析束确定。3.2.2枪架受力分析枪械发射时,受力情况十分复杂,其瞬洲的作用力必须通过内弹道方程和膛压曲线进行解算。对于非自动武器,如火炮,在射击时作用于膛底的火药燃气压力,推动炮箱带动炮身后座,此力使炮身产生运动的唯一主动力,常称为后坐力,以只来表示,对于导气式自动武器,如95式班用机枪,推动机陌后坐的力不仅只是膛底的火药燃气压力,还有通过导气孔的火药燃气压力,它一方面压导气室前壁推机再向前,另一方面作用于枪击框压缩复进簧,弹簧力推进机再向后。为了研究方便,这些在后坐期作用于机厦上的所有主动力统统包括在后坐力只内421。对枪架机构进行受力的分析,首先作以下基本假设1枪架底座与机器人刚性联接,视为刚体,枪身为一均质卡T2枪械结构上左右对称,射击时所有外力及其合力均位于枪械对称面内,并略去弹丸在枪膛内运动时膛线导线侧的反抗力矩的影响3射击时,枪架保持不动。枪架部分受力如图3.9所示第一种情况假设枪身与枪架刚性联接,图中仰机构轴心线的距离,水平射角为Q。俯仰机构耳轴承受的载荷为只和附加的动力偶只,口,以发射最大膛压进行计算昂3.14式中卜最大膛压,按300于5.813径,面积为O.27型抖绱}机器人总体设计的研究则最大膛压作用下,耳轴受到约8300膛线和耳轴之间距离为5俯仰机构承受最大407于控制俯仰动作的伺服电机及其传动机构来说,如果采用枪身刚性联接。则需要俯仰机构提供较大的制动力矩才能保证枪身稳定不动。因此,必须减小P,即枪身膛线到的俯仰机构轴线的距离。幽3.9枪絮受力分忻第二种情况枪身通过缓冲器与枪架连接,此时,由于枪身沿着其相反的射向后坐,用动静法进行分析。可以把枪身作用于枪架的后坐力按照下式计算%■一袱z£3.15式中榭由后坐时『日坐时2l,r.、/警啪s每式中t,后坐时问F弹簧效率,一般取0.5m后坐部分质量坑后坐初弹簧力后坐术弹簧力由上述两式3.15和3.16可以看出,采用弹性联接,使用缓冲器,可以使枪架俯仰机构受理情况明显改善。通过对枪架进行受力分析,待出如下结论枪身通过缓冲器安装并固定于枪架上减小枪身膛线到耳轴的距离以减小对俯仰机构电机和传动机构的冲击载衙。3.2.3射击稳定性动力学建模在机器人搭载武器机枪进行射击时,机器人整体的稳定性和机枪的射击精度是必须要考虑的问题。机枪是一种主要以连发的方式使用的武器,连发射击时机器人的稳定性对射击精度有非常大的影响,尤其是对散白密集度的影响,连发射击过程中25硕士论文小型捧爆机器人总体设计的研究机枪、机器入整体可能产生跳动、移动或下沉,枪身、武器机械平台、移动平台等也可能产生弹性变形引起局部振动以及整体振动,这些都是影响射击稳定性的因素。射击稳定性的概念是与射击精度的概念密切相关的,单纯的考虑机器人的稳定性而不考虑其射击精度将没有任何意义。对于射击稳定性的理解,可以认为,机枪射击时。无论机器人整体是否跳动,移动或振动,只要武器能够保证弹丸出枪口瞬时的射向误差在一定的允许范围内,就能满足武器的射击精度要求,即可以认为其射击是稳定的【421。3.2.3.1稳定性分析方法对于射击稳定性问题的分析,主要有绝对稳定性、相对稳定性以及动态稳定性几个概念脚】。1绝对稳定性绝对稳定性是传统的稳定性观点,该稳定性要求武器系统在射击时,相对应各支点既不产生跳动,也不产生移动和下沉,符合静止性的要求。2相对稳定性相对稳定性允许机器入整体沿射击方向前后移动,也允许有规律的轻微跳动,前者很显然是保证了射向一致性,后者则需要验证武器上跳过程与周期是否影响弹丸出枪口时的射向。3动态稳定性动态稳定性认为,射击时,无论武器是否产生移动、跳动、变形和振动,只要保证武器的射向一致性就认为是稳定的。相对稳定性与动态稳定性的区别是,前者只考虑刚体位移,后者主要考虑武器结构的弹性变形,后者实现起来要比前者困难得多。本文用相对稳定性的理论进行稳定性分析。3.2.3.2射击稳定性模型发射时的枪身后坐阶段中,若某时间区段内的翻倒力矩大于重力矩稳定力矩,则机器人就会有绕后驱动轮接地点转动的趋势,即表现为机器人上抬当翻倒力矩小于重力矩时,则上抬转慢或转为下降,落地后又有下沉和抬起。对于重量较轻的小型机器人来说,枪械设计时必然会发生略微上跳的现象。用绝对稳定的理论,如果实现在射击过程中完全的静止,解决的办法只有通过增加机器入的重量,假设机器人在静止状态下进行射击,并保持静止,其水平方向和铅垂方向仅有地面摩擦和重力的作用与武器发射产生的后坐力相平衡,阻止机器人上抬的稳定力矩则仅有重力矩。颀士论文小型辅像机{|}}人总体设计的研究按照绝对稳定理论,则对于本设计的机器入柬说,其总体质量根本无法满足要求。根据相对稳定性分析理论,我们认为,机器入无论是否上跳,只要能保证在弹丸射出枪口之前,下落至起跳位霄或在一定的误差范围内,或者在机枪连发时,保持一个相对稳定的动态位冒微小跳动,都可以认为射击过程是稳定的。下面我们对机器人整体进行研究。对于整个机器人的射击稳定性的分析,必须建立在合理的基本假设上,在这罩对系统模型进行如下基本假设●机器人整体位于水平面上。即水平角度为零不考虑机器人各部分的变形,视之为刚体,枪械视为刚体●不考虑土壤在后坐运动方向的变形过程,不计地面摩擦●枪械和机器入整体左右对称●射击时武器平台枪架及移动平台机构等机器人各部分不下沉机器人初始为静止状态,即仞速为O。。对其后坐运动阶段进行分析,机器入射击时的受力情况如图3.10所示。.10射击状态稳定性分析图中地面对后驱动轮履带接地点的垂直抗力∥机器人重量∞质心相对于后驱动轮接地点g机枪水平射角,范围为一5。一30。图示位置口值取负幻机器人质心高度h。后驱动轮接地点到枪身膛线的距离工履带接地长度D机器人质心到后驱动轮接地点后驱动轮履带接地点到枪身膛线的距离27硕士论文小型持爆机器人总体设计的研究对图3.10进行分析,显然,保持机器人稳定的力矩只有重力矩,稳定力矩为M靛3.17在后坐过程的任一时『B】,机器人整体有绕后驱动轮履带接地点据动量矩定理M。∽s,将各力对可得到,警咋锄一一卿319上式中,机器人对后驱动轮履带接地点机器人绕点.19对时间求出转动角速度和角位移的方程。由图3.10进行分析,‰的值由枪械俯仰角确定,计算值为3.20如果把式3.19中昂h。称为翻倒力矩,则结合式3.20可知,翻倒力矩为‰昂日一.21在最大俯射角度时,翻倒力矩最大,机器人可能产生的抬起角度最大。将式3.21代入式3.19,则可得到在任意设计角度时的方程,警州O3.22对式3.22进行积分,则可得到∞喜‰口,z。,式3.23就是机器人在任意俯仰角度进行射击时的射击稳定性描述,需要注意的是,这里考虑的是机器入水平方向不发生移动的情况,如果考虑水平方向的移动,情况更加复杂,但在这样的假设条件下,由于忽略了摩擦阻力的做功,机器人产生的抬起角度会略大。实质上,机器人的射击稳定性分析相当复杂,各构件的弹性变形,硕士论文小型持爆机器人总体设.卉的研究射击过程中时各构件的碰撞,履带轮与履带之间,履带与地面之间的接触变形等因素都会对射击稳定性带来影响。1跳动现象的估计与分析假设枪身仅有后坐和复进阶段,对两个阶段进行机器人跳动现象的分析。参考图3.11所示两个阶段的跳动和稳定力矩图进行分析。在弹丸出枪口前,1到2时刻,翻倒力矩大于稳定力矩器人自1时刻加速上跳,2时刻后为等减速上跳然后下落,则机器人总的上跳高度为占最疋国z3.24二二在3时刻到达最大高度后,机器人整体开始回落,4时刻为回落一6高度的时刻,应控制在弹丸出枪口前。随着机器人的落至地面,速度最大,之后履带轮与履带之间的碰撞,以及土壤缓冲将部分能量吸收衰减并停止,衰减时间长短与落点速度、土质有关,在硬质路面上,衰减时间较长。\234L如弹丸出枪口前2枪身后坐与复进阶段图3,11跳动与稳定力矩分析枪身后坐和复进阶段,用同样的方法分析,5到6时刻为加速上跳,6到7时刻为减速上跳,7时刻后开始回落,其上跳高度为肚8182.3.25为提高稳定性,提高点射密集度,必须保证图3.11中4时刻在弹丸出枪口前,8时刻在下一发子弹发射前,否则,射击精度就会受到影响。2提高机器人射击稳定性的方法要增加机器人的射击稳定性,通过增加整体重量提高稳定力矩的办法是不可行的,在移动平台质量已确定的前提下,通过增加武器平台,即枪架的重量来增大稳定力矩,将会是机器人的整体重心高度上移,从而影响到机器人整体的稳定性。所以必29硕七论文小型钧琳机器人总体设计的研究须采取另外的途径。分析式3.23各参量,其中£和坍,为常量,可采取的具体措施有1通过枪身缓冲器减小后坐力斥.2降低膛线高度以减小颠覆力矩3机器人整体质心前移对于可行方法~,通过前一节的受力分析,我们已经得出相同的结论对于可行方法二,在枪身与移动平台上表面不发生运动干涉的前提下,我们取枪身膛线安装高度Ⅳ为250在结构上使枪身膛线与俯仰机构轴心线相交在结构尺寸下,通过质心前移的办法来解决,只有通过莳移旋转底座的位冒柬实现,可安装范围内,即旋转底座轴心线距离移动平台几何中心仁一100~100们取L100.3机械手方案设计对机械手部分的设计,要求重量轻、灵活、工作空l日掘设计指标的要求,必须能够满足1~2本节中,主要对机械手的构型和结构参数进行分析和确定,具体的设计内容在放在后面的章节中。3.3.1机械手构型在三维空阃一刚体的位姿由独立的六个自由度束确定,机器人也应就有相应的自由度以实现空『丑余自
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