排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)題目： 排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院：姓 名：學(xué) 號(hào)：專(zhuān) 業(yè)： 年 級(jí)：指導(dǎo)教師排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1摘 要摘 要排爆機(jī)器人是排爆人員用于處置或銷(xiāo)毀爆炸可疑物的專(zhuān)用器材，避免不必要的人員傷亡。它可用于多種復(fù)雜地形進(jìn)行排爆。此設(shè)計(jì)的排爆機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)過(guò)坑、越障等動(dòng)作。此設(shè)計(jì)移動(dòng)方案的選擇是采用了排爆式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)整體使用模塊化設(shè)計(jì)，以便后續(xù)拆卸維修，可以適應(yīng)于各種復(fù)雜的路面，并可主動(dòng)控制前后兩側(cè)搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而達(dá)到輔助過(guò)坑、越障等動(dòng)作。經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)后機(jī)器人將具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力、機(jī)動(dòng)能力并能承受一定的掉落沖擊，此設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由四部分組成：主動(dòng)輪減速機(jī)構(gòu)、翼板轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)路面執(zhí)行機(jī)構(gòu)、排爆及排爆輪運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。本文首先根據(jù)課題所給的技術(shù)參數(shù)和功能要求提出排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)方案進(jìn)行分析。接著，對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算選擇；然后，對(duì)各主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核；最后，通過(guò)AutoCAD制圖軟件繪制了排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)裝配圖及主要零部件圖。關(guān)鍵詞：排爆機(jī)器人；越障；同步帶。關(guān)鍵詞：排爆機(jī)器人;排爆移動(dòng)機(jī)構(gòu);模塊化設(shè)計(jì)排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2AbstractEOD robot EOD personnel for disposal or destruction of special equipment explosion suspicious objects, to avoid unnecessary casualties. It can be used for a variety of complex terrain EOD. This design can be achieved through the pit EOD robot, obstacle and other activities.Select this design is the use of mobile solutions crawler drive structure. Modular design of the overall structure, so that subsequent maintenance of the demolition, can be adapted to a variety of complex road, and take the initiative to control the rotation of the front and rear sides of the rocker to adjust the robot's motion attitude, so as to achieve the secondary over the pit, obstacle and other activities. After a reasonable design robots will have a good environmental adaptability, mobility and can withstand the impact of falling, the design of the movement mechanism is mainly composed of four parts: the driving wheel gear box, wing rotation mechanism, adaptive road actuators, track and track wheels kinematics.This article was first proposed EOD robot body structure of the program according to the given topics technical parameters and functional requirements, and program analysis. Next, the main technical parameters were calculated choice; then, for the main components were designed and verification; and finally, through the AutoCAD drawing software to draw the EOD robot body structure and major components assembly diagram chart.Keywords: EOD robot; Obstacle; Belt排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3目 錄摘 要 21 引言 52 排爆機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展 63 排爆機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性 94 本研究采用的行走機(jī)構(gòu) 124.1 行走機(jī)構(gòu)的選擇 .124.2 排爆機(jī)器人的功能、性能指標(biāo)與設(shè)計(jì) .134.3 主要機(jī)構(gòu)的工作原理 .145 機(jī)器 人越障分析 155.1 跨越臺(tái)階 .155.2 跨越溝槽 .165.3 斜坡運(yùn)動(dòng)分析 .176 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)主排爆電機(jī)的選擇 196.1 機(jī)器人在平直的路上行駛 .196.2 機(jī)器人在 30°坡上勻速行駛 206.3 機(jī)器人的多姿態(tài)越階 .217 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析及其選擇 237.1 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析 .237.2 本研究采用的移動(dòng)機(jī)構(gòu) .278 排爆部分設(shè)計(jì) 288.1 排爆的選擇 .288.2 確定主從動(dòng)輪直徑 .318.5 功率驗(yàn)算 .388.6 同步帶的物理機(jī)械性能 .388.7 排爆主從動(dòng)輪設(shè)計(jì) .398.8 副排爆部分設(shè)計(jì) .429 排爆翼板部分設(shè)計(jì) .479.1 排爆翼板的作用 .479.2 排爆翼板設(shè)計(jì) .4710 計(jì)算排爆裝置的重心及其各部件重心 4910.1 主排爆的重心計(jì)算 .4910.2 副排爆的重心計(jì)算 .5410.3 主排爆及其搖臂也就是副排爆總部分的重心計(jì)算 .55排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4總 結(jié) 56致 謝 57參考文獻(xiàn) 57排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)8排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)91 引言隨著社會(huì)的發(fā)展，我們面臨的自身能力、能量的局限越來(lái)越多，所以我們創(chuàng)造了各種類(lèi)型的機(jī)器人來(lái)輔助或代替我們完成任務(wù)。排爆式機(jī)器人包括偵察機(jī)器人、巡邏機(jī)器人、爆炸處理機(jī)器人、步兵支援機(jī)器人以及復(fù)雜環(huán)境下搜救機(jī)器人等，用來(lái)代替我們進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境下完成一些如偵查、搜集資料、救援等工作，從而減少了我們工作的危險(xiǎn)系數(shù)，在我們未來(lái)的生活與工作中起到非常重要的作用。民用排爆式機(jī)器人被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)等各種服務(wù)領(lǐng)域，如生產(chǎn)線(xiàn)傳輸、清掃、導(dǎo)盲和搜救復(fù)雜環(huán)境下的資料等各個(gè)方面。但我國(guó)對(duì)機(jī)器人研究起步較晚，大多數(shù)尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段，主要的研究項(xiàng)目有：清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于 1994 年通過(guò)鑒定，還有上海交通大學(xué)的地面移動(dòng)消防機(jī)器人已投入使用。北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)等單位承擔(dān)的總裝項(xiàng)目“地面軍用機(jī)器人技術(shù)”研究是以卡車(chē)、面包車(chē)作為平臺(tái)的，是大型智能作戰(zhàn)平臺(tái)。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的 AGC 和防爆機(jī)器人，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 1996 年研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人等。排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)102 排爆機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展20 世紀(jì) 60 年代到 70 年代，想到工業(yè)機(jī)器人印入腦海的便是自動(dòng)機(jī)械手。機(jī)器人移動(dòng)功能的大力研究和開(kāi)發(fā)是 20 世紀(jì) 80 年代以后才開(kāi)始，現(xiàn)在作為移動(dòng)機(jī)器人而研制的移動(dòng)機(jī)械類(lèi)型已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了機(jī)械手。尤其是排爆式機(jī)器人，不僅是生物體中沒(méi)見(jiàn)過(guò)的移動(dòng)形態(tài)，而且能夠在復(fù)雜的環(huán)境下行進(jìn)。排爆式機(jī)器人因采用排爆式傳動(dòng)而得名。其最大特征是將圓狀的循環(huán)軌道排爆套在若干車(chē)輪上，使車(chē)輪不與地面直接接觸，利用排爆緩沖地面帶來(lái)的沖擊，使機(jī)器人能夠適應(yīng)各種路面狀況。目前六排爆擺臂式搜救機(jī)器人還是局限于單個(gè)或兩個(gè)自由度。其主要由機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等部分組成。六排爆擺臂式搜救機(jī)器人的研究涉及以下幾個(gè)方面，首先是移動(dòng)方式的選擇，對(duì)于排爆式移動(dòng)機(jī)器人，可以是兩排爆式、四排爆式、六排爆式等。其次，考慮驅(qū)動(dòng)器的控制，以使機(jī)器人達(dá)到期望的功能。再者，必須考慮導(dǎo)航或路徑規(guī)劃，如傳感信息融合，特征提取，避碰以及環(huán)境映射。最后，考慮擺臂角的原理，這方面需要重點(diǎn)考慮，通過(guò)控制搖臂的角度來(lái)改變自身高度以達(dá)到越障過(guò)坑功能是這種機(jī)器人的最大特點(diǎn)。對(duì)于這些問(wèn)題可歸結(jié)為：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模、導(dǎo)航與定位、多傳感器信息融合等。下 面 是 各 國(guó) 研 發(fā) 的 一 些 排 爆 式 可 變 形 機(jī) 器 人 ：（ 1） 美 國(guó) 的 拆 彈 專(zhuān) 家 ：如 圖 2-1、 2-2、 2-3、 2-4 所 示 ， 這 是 美 國(guó) iRobot 的 一 種 較 小型 “PackBot”機(jī) 器 人 ， 現(xiàn) 服 役 于 美 國(guó) 軍 隊(duì) ， 它 搭 配 了 一 個(gè) 爆 炸 物 感應(yīng) 系 統(tǒng) ， 能 有 效 地 探 測(cè) 炸 彈 。圖 2-3 這 種 iRobot SUGV 的 機(jī) 器 人 是 一 種 小 型 地 面 探 測(cè) 車(chē) ， 重 量?jī)H 為 30 磅 。圖 2-4 是 iRobot 生 產(chǎn) 的 “Warrior”機(jī) 器 人 配 備 了 兩 個(gè) 全 自 動(dòng) 、自 動(dòng) 裝 彈 、 可 遙 控 的 12 桿 機(jī) 搶 ， 重 量 為 250 磅 。排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11圖 2-1 RackBot 準(zhǔn)備展開(kāi) 圖 2-2 RackBot 伸 展 情 況圖 2-3 SUGV 機(jī) 器 人 圖 2-4 Warrior 機(jī) 器 人（ 2） 德 國(guó) telemax 防 爆 機(jī) 器 人 ： 僅在一兩年前，德國(guó)公司出品了一款防爆機(jī)器人，現(xiàn)在 2006 年的新一代機(jī)器人已經(jīng)上市了，其結(jié)構(gòu)比以前的更加輕便，體積更小。這款機(jī)器人依靠一個(gè)靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機(jī)器人一樣的功能。排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)12圖 2-5 telemax 行 走 姿 勢(shì) 圖 2-6 最 緊 湊 姿 勢(shì)通 過(guò) 對(duì) 國(guó) 內(nèi) 外 六 排 爆 擺 臂 式 搜 救 機(jī) 器 人 的 分 析 ， 可 以 看 出 六 排 爆擺 臂 式 搜 救 機(jī) 器 人 今 后 的 發(fā) 展 有 以 下 幾 個(gè) 方 面 的 趨 勢(shì) ：（ 1） 結(jié) 構(gòu) 上 ， 趨 向 小 型 、 微 型 。（ 2） 運(yùn) 動(dòng) 上 ， 趨 向 全 方 位 ， 更 靈 活 ， 更 具 自 主 性 。 （ 3） 在 用途 上 ， 趨 向 于 功 能 多 功 能 化 。排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)133 排爆機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性（ 1） 平 面 運(yùn) 動(dòng) 及 轉(zhuǎn) 彎平 面 運(yùn) 動(dòng) 及 轉(zhuǎn) 彎 是 最 基 本 的 運(yùn) 動(dòng) 方 式 ， 當(dāng) 兩 側(cè) 的 排 爆 同 向 等 速 運(yùn)動(dòng) 時(shí) ， 則 表 現(xiàn) 為 直 線(xiàn) 行 走 ， 當(dāng) 兩 側(cè) 排 爆 反 向 等 速 運(yùn) 動(dòng) 可 實(shí) 現(xiàn) 原 地 零 半徑 回 轉(zhuǎn) ， 而 不 同 速 度 同 向 運(yùn) 動(dòng) 可 實(shí) 現(xiàn) 任 意 半 徑 轉(zhuǎn) 向 。圖 3-7（ a） 、 圖 3-7（ b） 為 四 擺 臂 排 爆 單 元 同 時(shí) 著 地 ， 使 機(jī) 器人 與 地 面 的 接 觸 面 積 增 大 ， 可 以 使 機(jī) 器 人 適 應(yīng) 松 軟 、 泥 濘 和 凹 凸 不 平等 各 種 地 形 環(huán) 境 ； 圖 3-1（ a） 圖 3-1（ b）圖 3-1（ c） 、 圖 3-1（ d） 、 圖 3-1（ e） 中 當(dāng) 遇 到 小 坡 度 的 斜 坡時(shí) ， 可 直 接 爬 坡 而 不 必 采 取 其 他 動(dòng) 作 ， 從 而 可 減 少 對(duì) 驅(qū) 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 要求 ；圖 3-1（c） 圖 3-1（d） 圖 3-1（e）圖 3-1（ f） 為 四 擺 臂 單 元 向 上 擺 到 中 間 位 置 ， 可 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 器 人 小空 間 轉(zhuǎn) 向 運(yùn) 動(dòng) 。圖 3-1（f）機(jī) 器 人 爬 坡 時(shí) ， 姿 態(tài) 可 以 轉(zhuǎn) 變 成 圖 3-1（ g） 。 當(dāng) 坡 度 較 大 時(shí) ，則 圖 3-1（ h） 和 圖 3-1（ i） 是 較 好 的 姿 態(tài) ， 這 兩 種 方 式 可 使 機(jī) 器 人重 心 位 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) ， 從 而 保 證 機(jī) 器 人 順 利 爬 坡 。排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)14圖 3-1（ g） 圖 3-1（ h） 圖 3-1（ i）（ 2） 自 撐 起 及 涉 水機(jī) 器 人 的 主 要 控 制 系 統(tǒng) 和 檢 測(cè) 元 件 則 安 裝 在 中 間 箱 體 中 ， 為 了避 免 在 運(yùn) 動(dòng) 中 被 損 壞 ， 機(jī) 器 人 可 以 通 過(guò) 4 個(gè) 擺 臂 單 元 向 下 擺 動(dòng) ， 抬高 中 間 箱 體 的 高 度 。 且 其 以 各 自 不 同 的 擺 動(dòng) 角 度 向 下 擺 動(dòng) 時(shí) 可 使 機(jī) 器人 變 換 成 各 種 姿 態(tài) ， 從 而 使 中 間 箱 體 在 允 許 變 化 的 高 度 范 圍 內(nèi) 自 由 轉(zhuǎn)變 ， 從 而 使 機(jī) 器 人 完 成 涉 水 的 動(dòng) 作 。（ 3） 越 障機(jī) 器 人 利 用 擺 臂 前 攻 角 進(jìn) 行 越 障 ， 由 于 機(jī) 器 人 擺 臂 能 把 車(chē) 體 抬起 ， 所 以 可 越 過(guò) 高 于 自 身 高 度 的 障 礙 物 。 圖 示 （ a） -（ h） 表 示 機(jī)器 人 越 過(guò) 高 障 礙 物 的 一 般 過(guò) 程 。 排 爆 利 用 齒 形 對(duì) 障 礙 物 的 抓 爬 力 來(lái) 向上 攀 爬 ， 同 時(shí) 后 擺 臂 向 下 擺 動(dòng) 以 使 車(chē) 體 抬 高 ， 當(dāng) 擺 到 與 地 面 垂 直 時(shí) 后擺 臂 停 止 擺 動(dòng) 。 當(dāng) 主 排 爆 爬 到 障 礙 物 上 面 時(shí) ， 前 擺 臂 向 前 向 下 擺 動(dòng) 支起 車(chē) 體 ， 機(jī) 器 人 繼 續(xù) 前 進(jìn) ， 直 到 其 重 心 越 過(guò) 臺(tái) 階 。 重 心 越 過(guò) 臺(tái) 階 后 ，前 擺 臂 向 前 向 上 擺 動(dòng) 直 到 與 地 面 貼 合 ， 同 時(shí) 后 擺 臂 向 后 向 上 擺 動(dòng) 與 車(chē)體 成 一 后 攻 角 為 止 ， 此 時(shí) 機(jī) 器 人 已 越 上 臺(tái) 階 。 整 個(gè) 過(guò) 程 中 ， 排 爆 始 終向 前 爬 行 。排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)15圖 3-2 救 災(zāi) 機(jī) 器 人 越 障 過(guò) 程排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)164 本研究采用的行走機(jī)構(gòu)4.1 行走機(jī)構(gòu)的選擇本文排爆機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)采用的是履腿式復(fù)合結(jié)構(gòu)，總體設(shè)計(jì)方案如圖2-4所示。機(jī)器人的車(chē)體的排爆作為排爆式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，與前臂和后臂轉(zhuǎn)動(dòng)相協(xié)調(diào)，增加了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性。機(jī)器人前臂和后臂各有一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)前臂和后臂的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，在機(jī)器人爬坡和越障時(shí)發(fā)揮更大作用。機(jī)器人前臂和后臂協(xié)調(diào)作用，穩(wěn)定性將更好。機(jī)器人車(chē)體左右兩邊排爆各有永磁式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，控制前軸和后軸的速度、力矩，可實(shí)現(xiàn)原地 360°轉(zhuǎn)向，前進(jìn)時(shí)的自由轉(zhuǎn)向，隨時(shí)調(diào)解爬坡時(shí)的力矩大小。在車(chē)體主排爆前端是慣性軸，與主動(dòng)軸配合，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)。 123456789排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)171.后擺臂及排爆 2.齒輪 3.永磁式直流電機(jī) 4. 減速器 5. 蓄電池 6.微控制器及組件 7.步進(jìn)電機(jī) 8. 主排爆 9.前擺臂及排爆 圖4-1 排爆式機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成4.2 排爆機(jī)器人的功能、性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)排爆機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)如下：表 4-1 性能參數(shù)總 體 結(jié) 構(gòu) 六 節(jié) 履 腿 式 結(jié) 構(gòu)自 重 50Kg載 荷 〉 50Kg搭 載 接 口 二 維 隨 動(dòng) 搭 載 平 臺(tái)結(jié) 構(gòu) 尺 寸 1205*624*380平 地 最 大 速 度速 度0.5m/s正 常 速 度 0.3m/s最 大 通 過(guò) 坡 度 30°通 過(guò) 能 力 能 通 過(guò) 復(fù) 雜 行 道續(xù) 航 能 力 4 小 時(shí) 以 上轉(zhuǎn) 向 能 力 自 由 轉(zhuǎn) 向排 爆 高 度 200mm前 臂 排 爆 末 端直 徑80mm后 臂 排 爆 末 端直 徑80mm機(jī)器人車(chē)體具體尺寸如圖 4-2：排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)18120569040854850624408圖4-2 機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)尺寸4.3 主要機(jī)構(gòu)的工作原理減 速 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 是 電 動(dòng) 機(jī) 通 過(guò) 行 星 輪 減 速 器 的 降 速 ， 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 增大 轉(zhuǎn) 矩 、 調(diào) 速 ， 通 過(guò) 直 齒 輪 改 變 軸 的 方 向 ， 輸 出 后 軸 轉(zhuǎn) 矩 ， 為 機(jī)器 人 提 供 主 要 動(dòng) 力 。 后 軸 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 驅(qū) 動(dòng) 后 軸 位 于 傳 動(dòng) 系 的 末 端 。其 基 本 功 用 是 增 扭 、 降 速 和 改 變 轉(zhuǎn) 矩 的 傳 遞 方 向 。轉(zhuǎn) 向 機(jī) 構(gòu) 機(jī) 器 人 在 行 駛 過(guò) 程 中 ， 經(jīng) 常 需 要 改 變 行 駛 方 向 ， 本機(jī) 構(gòu) 是 通 過(guò) 兩 個(gè) 電 機(jī) 的 差 速 比 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 的 。動(dòng) 力 部 分 采 用 電 機(jī) ， 通 過(guò) 齒 輪 副 降 速 后 帶 動(dòng) 低 速 軸 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) ，軸 與 排 爆 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 通 過(guò) 導(dǎo) 桿 滑 塊 機(jī) 構(gòu) 連 接 ， 使 排 爆 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 各 自繞 前 后 軸 的 中 心 線(xiàn) 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 器 人 不 同 角 度 的 爬 坡 和 越 障 能 力 。排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)195 機(jī)器人越障分析5.1 跨越臺(tái)階 當(dāng)機(jī)器人在爬越臺(tái)階時(shí)，機(jī)器人排爆底線(xiàn)與地面之間的夾角將慢慢增大，當(dāng)重心越過(guò)臺(tái)階的支撐點(diǎn)時(shí)，則完成了爬越臺(tái)階的動(dòng)作。由運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以看出，圖 5-1 重心的位置處于臨界狀態(tài)，機(jī)器人重心只有越過(guò)臺(tái)階邊緣，機(jī)器人才能成功的越過(guò)障礙。由此可分析出機(jī)器人的最大越障高度。圖 5-1 上臺(tái)階臨界狀態(tài)示意圖由圖 5-1 所示幾何關(guān)系可得：( 5-1）cos()cot/sinxLhR?????變換式（5-1）可得： （5-2） /cosLR???（5-3） 2in/0d?利用式（5-3）求出 ，代入式（6-2）可算出機(jī)器人跨越障礙的高度 。1H機(jī)器人加裝后臂，可以大幅提高機(jī)器人跨越臺(tái)階的高度，如圖 5-2 所示，在后臂伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，后臂排爆抬起，成 直立，在機(jī)器人跨越的?90高度又要高出 H。排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)20所以本次設(shè)計(jì)排爆設(shè)計(jì)中機(jī)器人跨越障礙的最大高度為 H1max??圖 5-2 上臺(tái)階臨界狀態(tài)示意圖5.2 跨越溝槽對(duì)于小于機(jī)器人前后排爆輪中心距的溝槽，因機(jī)器人重心在機(jī)器人車(chē)體內(nèi)，當(dāng)機(jī)器人重心越過(guò)下一個(gè)溝槽的支撐點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人就越過(guò)了溝槽。也可能由于重心未能過(guò)去，傾翻在溝槽內(nèi)。當(dāng)溝槽大于中心距時(shí)，排爆式機(jī)器人可以看做爬越凸臺(tái)障礙。排爆式移動(dòng)機(jī)器人跨越溝槽時(shí)，當(dāng)重心越過(guò)溝槽邊緣時(shí)，受重力作用，機(jī)器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。由機(jī)器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機(jī)器人重心在以 r 為半徑的圓內(nèi)，由于擺臂展開(kāi)后機(jī)器人排爆與地接觸長(zhǎng)度變大，為了計(jì)算最大跨越壕溝寬度，擺臂排爆應(yīng)處于展開(kāi)狀態(tài)。機(jī)器人前臂和后臂的長(zhǎng)度相等。排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21（ a） （ b）（ c）圖 5-3 跨越溝槽示意圖機(jī)器人在平地圖 5-3（a）跨越溝槽的寬度 ：1L（6-max1Lr??4）5.3 斜坡運(yùn)動(dòng)分析機(jī) 器 人 在 斜 坡 上 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 其 受 力 情 況 如 圖 5-4 所 示 ， 機(jī) 器 人 勻速 行 駛 或 靜 止 時(shí) ， 其 驅(qū) 動(dòng) 力 ： （6-sinFG??5）排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)22圖 5-4 機(jī)器人上坡受力示意圖最大靜摩擦力系數(shù)為 ，最大靜摩擦力為：?（6-maxcosFG??6）當(dāng) 時(shí)，機(jī)器人能平穩(wěn)行駛。ax?當(dāng) 時(shí)，機(jī)器人受重力的影響將沿斜面下滑。mF?已知排爆機(jī)器人對(duì)地面的最大靜摩擦系數(shù) ，則機(jī)器人爬越的最大?坡度為: （6-7）1axtn()????爬坡時(shí)克服摩擦力所需的最大加速度為：（6-max(cosi)g?8）通過(guò)上述分析，可以根據(jù)機(jī)器人排爆與運(yùn)動(dòng)面的摩擦系數(shù)來(lái)確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機(jī)的特性，確定其運(yùn)動(dòng)過(guò)程最大加速及爬升都陡坡的快速性。由以上計(jì)算可得：機(jī)器人的爬坡角度最大為 ；垂直越障高度最03排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)23大為600mm：最大跨溝寬度為400mm。6 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)主排爆電機(jī)的選擇對(duì)于排爆和地面的動(dòng)摩擦因數(shù) ， 實(shí)際上只是表示起動(dòng)時(shí)車(chē)輪所?f處的滑動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)摩擦力，一旦車(chē)輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，面臨的滾動(dòng)摩擦力則總是比滑動(dòng)摩擦力小得多。則可取 大一點(diǎn)。56.0??6.1 機(jī)器人在平直的路上行駛排爆式機(jī)器人在跨越平面的溝槽或在平面移動(dòng)，假設(shè)其速度最大，且勻速前進(jìn)，則取sm/0.5v?kg0?mR85排爆式機(jī)器人共有兩個(gè)輸出軸，每個(gè)輸出軸前端都有一個(gè)電機(jī)，對(duì)機(jī)器人其中一個(gè)輸出軸分析:圖 6-1 平直路線(xiàn)分析排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)242mgN?fRML又 則f?m.135NL在最大的行駛速度下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為 in/56.2maxrDn???6.2 機(jī)器人在 30°坡上勻速行駛機(jī)器人在最大行駛坡度上勻速行駛，設(shè)定行駛速度為 , ,在sm/0.1??30?行駛過(guò)程中輪子作純滾動(dòng)，不考慮空氣阻力的影響，機(jī)器人爬坡受力情況如圖圖 6-2 30°坡度分析排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)25203cosN??mgRfML???????in又 ，則?mNL/2.1?in/1.Drn???則在最大坡度下需提供極限轉(zhuǎn)矩為 mNML/2.1?6.3 機(jī)器人的多姿態(tài)越階對(duì)這幾種姿態(tài)分析，機(jī)器人在跨越臺(tái)階時(shí)直流電機(jī)只驅(qū)動(dòng)主排爆，機(jī)器人在實(shí)際跨越臺(tái)階過(guò)程中速率不大，那么機(jī)器人所需提供的輸出功率也不大。由以上分析可知，機(jī)器人平地直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較大，而爬坡時(shí)需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較大。因此，在選電機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)平地直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)所求的最大轉(zhuǎn)速和爬坡運(yùn)動(dòng)所求的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行選擇。根據(jù)機(jī)器人爬坡情況的分析，,mNMTL.21?in/1.2rnw?Wnw6950P?機(jī)器在平面狀況下 ，mNTL.35in/56.2rw?w80.21?因而選取 P=80W 作為機(jī)器人的最大輸出功率。根據(jù)計(jì)算的排爆式機(jī)器人的最大輸出功率為 80W, 輸出轉(zhuǎn)矩為22.1N.M, 輸出轉(zhuǎn)速為 56.2r/min因?yàn)橹绷麟姍C(jī)啟動(dòng)性能好，過(guò)載性能強(qiáng)，可承受頻繁沖擊、制動(dòng)和排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)26反轉(zhuǎn)，允許沖擊電流可達(dá)額定電流的 3 到 5 倍。另外在使用過(guò)程中可攜帶或可移動(dòng)的蓄電池，干電池作為供電電源，操作輕巧與方便。根據(jù)直流電機(jī)這些性能，滿(mǎn)足主排爆頻繁受沖擊，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的要求，滿(mǎn)足機(jī)器人要攜帶移動(dòng)電池的要求，因而則選擇 90ZY54 型號(hào)的直流永磁電機(jī)額定功率 /W92額定轉(zhuǎn)矩 MN.0.6額定轉(zhuǎn)速 1min/?r1500電流 A7電壓 V/ 12允許正反轉(zhuǎn)速差 1in/?r150圖 7-3 直流電機(jī)數(shù)據(jù)因?yàn)? 則WP80,92?輸額 .6額輸w?因?yàn)?, 則min/150rn?額 in/56.2r?輸 26.7?輸額w又 3.86.2maxTisw則選取 i?排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)277 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析及其選擇由 電 動(dòng) 機(jī) 輸 出 的 動(dòng) 力 ， 需 要 通 過(guò) 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 傳 遞 到 機(jī) 器 人 移 動(dòng) 平臺(tái) 的 后 輪 上 ， 以 便 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 器 人 運(yùn) 動(dòng) 。 可 見(jiàn) 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 是 整 個(gè) 移 動(dòng) 平 臺(tái)實(shí) 現(xiàn) 是 運(yùn) 動(dòng) 功 能 的 紐 帶 和 關(guān) 鍵 。7.1 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析機(jī) 器 人 按 移 動(dòng) 方 式 分 主 要 有 輪 式 、 排 爆 式 、 腿 足 式 三 種 ， 另 外還 有 步 進(jìn) 移 動(dòng) 式 、 蠕 動(dòng) 式 、 混 合 移 動(dòng) 式 、 蛇 行 移 動(dòng) 式 等 。7.1.1 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)輪 式 移 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 是 最 為 普 通 的 運(yùn) 動(dòng) 方 式 ， 輪 式 機(jī) 器 人 移 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 普遍 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 速 度 快 、 節(jié) 能 、 靈 活 的 特 點(diǎn) ， 同 時(shí) 具 有 自 重 輕 、不 損 壞 路 面 、 作 業(yè) 循 環(huán) 時(shí) 間 短 和 效 率 高 等 優(yōu) 勢(shì) 。 并 且 編 程 簡(jiǎn) 單 可 靠性 高 ， 每 個(gè) 輪 子 都 可 以 獨(dú) 立 驅(qū) 動(dòng) 。 與 排 爆 式 移 動(dòng) 機(jī) 器 人 相 比 ， 當(dāng) 跨越 不 平 坦 地 形 時(shí) ， 輪 式 機(jī) 器 人 則 存 在 明 顯 的 不 足 ， 其 穩(wěn) 定 性 和 對(duì) 環(huán)境 的 適 應(yīng) 性 完 全 依 賴(lài) 于 環(huán) 境 本 身 的 狀 況 ， 對(duì) 于 進(jìn) 入 復(fù) 雜 的 環(huán) 境 完 成既 定 任 務(wù) 存 在 嚴(yán) 重 的 困 難 。 輪 式 移 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 按 輪 的 數(shù) 量 可 分 為 2 輪 、3 輪 、 4 輪 、 6 輪 、 8 輪 。 該 結(jié) 構(gòu) 有 一 定 的 局 限 性 ， 只 能 在 相 對(duì) 平 坦 、表 面 較 硬 的 路 面 上 行 駛 ， 如 遇 到 軟 性 地 面 容 易 打 滑 、 沉 陷 ， 但 可 根據(jù) 具 體 地 面 環(huán) 境 采 用 一 些 預(yù) 防 措 施 來(lái) 緩 解 該 類(lèi) 情 況 的 出 現(xiàn) ， 如 圖7-1 所 示 。排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)28圖 7-1 輪 式 移 動(dòng) 裝 置 示 意 圖7.1.2 腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)腿 足 式 移 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 分 2 腿 、 4 腿 、 6 腿 、 8 腿 等 形 式 。 腿 式 移 動(dòng)機(jī) 構(gòu) 優(yōu) 點(diǎn) 有 ：(1)腿 式 機(jī) 器 人 的 地 形 適 應(yīng) 能 力 強(qiáng) 。(2)腿 式 機(jī) 器 人 的 腿 部 具 有 多 個(gè) 自 由 度 ， 運(yùn) 動(dòng) 更 具 有 靈 活 性 ，通 過(guò) 調(diào) 節(jié) 腿 的 長(zhǎng) 度 可 以 控 制 機(jī) 器 人 重 心 位 置 ， 因 此 不 易 翻 倒 ， 穩(wěn) 定性 更 高 ；(3)腿 式 機(jī) 器 人 的 身 體 與 地 面 分 離 ， 這 種 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 點(diǎn) 在 于 機(jī)器 人 身 體 可 以 平 穩(wěn) 地 運(yùn) 動(dòng) 而 不 必 考 慮 地 面 的 租 糙 程 度 和 腿 的 放 位 置 ，8 腿 移 動(dòng) 機(jī) 器 人 如 圖 7-2 所 示 ， 特 點(diǎn) 是 穩(wěn) 定 性 好 ， 越 野 能 力 強(qiáng) 。腿 式 移 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 缺 點(diǎn) 有 ：該 類(lèi) 機(jī) 器 人 的 移 動(dòng) 速 度 慢 ， 機(jī) 動(dòng) 性 較 差 ． 負(fù) 載 不 能 太 重 ；腿 式 機(jī) 器 入 對(duì) 地 面 適 應(yīng) 性 和 運(yùn) 動(dòng) 靈 活 性 需 要 進(jìn) 一 步 提 高 ；腿 式 機(jī) 器 人 控 制 系 統(tǒng) 較 為 復(fù) 雜 ， 控 制 方 法 還 有 待 完 善 ；該 機(jī) 構(gòu) 未 進(jìn) 入 實(shí) 用 化 階 段 。排爆機(jī)器人車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)29圖 7-2 八 腿 機(jī) 器 人圖 7-3 六 履 機(jī) 器 人7.1.3 排爆式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)排 爆 式 移 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 分 為 l 條 排 爆 、 2 條 排 爆 (排 爆 可 車(chē) 體 左 右 布置 或 者 車(chē) 體 前 后 布 置 )、 3 條 排 爆 、 4 條 排 爆 ． 6 條 排 爆 ， 移 動(dòng) 方式 優(yōu) 點(diǎn) 在 于 機(jī) 動(dòng) 性 能 好 、 越 野 性 能 強(qiáng) ， 缺 點(diǎn) 是 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 、 重 量 大 、摩 擦 阻 力 大 ， 機(jī) 械 效 率 低 ， 在 自 身 重 量 比 較 大 的 情 況 下 會(huì) 對(duì) 路 面 產(chǎn)生 一 定 的 破 壞 。 排 爆 式 移 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 比 較 輪 式 移 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 有 以 下 幾 個(gè) 特 點(diǎn) ：(1)撐 面 積 大 、 接 地 比 壓 小 、 滾 動(dòng) 阻 尼 小 、 通 過(guò) 性 比 較 好 ；(2)越 野 機(jī) 動(dòng) 性 能 好 ， 爬 坡 越 溝 等 性 能 均 優(yōu) 于 輪 式 結(jié) 構(gòu) ；(3)排 爆 支 撐 面 上 有 履 齒 不 打 滑 ， 牽 引 附 著 性 能 好 ；(4)結(jié) 構(gòu) 較 復(fù) 雜 重 量 大 ， 運(yùn) 動(dòng) 慣 性 大 ， 減 震 功 能 差 ， 零 件 易 損壞 。六 排 爆 機(jī) 器 人 車(chē) 體 前 后 各 有 一 對(duì) 排 爆 鰭 ， 可 以 輔 助 翻 越 障 礙 ，