核環(huán)境下機器人機構(gòu)設(shè)計研究及越障能力分析

1、核環(huán)境下機器人機構(gòu)設(shè)計研究及越障能力分析一 緒論1.1 研究意義隨著世界人口的快速增長以及各國工業(yè)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)能源的消耗將會加快，核能、風(fēng)能、太陽能等可再生能源越來越受到重視。但由于其它能源的局限性，核能成為目前唯一達到工業(yè)應(yīng)用、可以大規(guī)模替代化石燃料的能源。在一些國家，核能成為主要的電力能源。世界目前有30多個國家擁有核電站，這420多座核電站提供了全球總電力的17%，在法國，核電甚至占到70%以上。開發(fā)和利用核能不僅可以節(jié)省煤炭、原油等不可再生資源，還能改善人類生存環(huán)境。隨著大型核電站、加速器和后處理廠大型熱室的發(fā)展，面對成百上千個復(fù)雜的子系統(tǒng)和有關(guān)安全設(shè)備，需要上百個訓(xùn)練有素的工作人

2、員來維修這些設(shè)備，以保證工廠安全有效工作。但核電設(shè)施的維護作業(yè)大多是在放射線環(huán)境下進行的，工作人員若直接進入對設(shè)備進行維修、檢查等操作，無疑會因放射劑量過高而造成人員傷亡事故。而且環(huán)境復(fù)雜，場地狹窄，有些地方還有階梯，地面上管道縱橫交錯。雖然可以停止核設(shè)備的運行工況或急劇降低運行功率，創(chuàng)造人能安全進行工作的條件，但是這將造成一定的經(jīng)擠損失。遠距離操作技術(shù)是核工業(yè)不可缺少的工具，是核工業(yè)的生命線。采用現(xiàn)代的先進遙控操作和機器人技術(shù)就能夠解決上述難題，克服安全與經(jīng)濟的矛盾，并可顯著提高核工業(yè)設(shè)備的經(jīng)濟和社會效益。據(jù)資料顯示，一座反應(yīng)堆使用機器人進行檢查與維修后，其壽命可以提高到四十年左右。美國公用

3、事業(yè)電力與煤氣公司于80年代中期開始實施PSE&G機器人計劃，在電力公司的三個核電站（Salem-1、Salem-2和Hope creek）中取得了進展。在1986年4月到1991年12月第一個核機器人五年計劃期間，PSE&G耗費了160萬美元，但節(jié)省了530萬美元，投入效益比可達1:3，其中減少電站停堆時間是節(jié)省的主要原因之一。最近幾年由于各國需要處理的放射性廢物與需要拆卸和去污的廢棄核裝置與日俱增，加上日益增長的人工費用和核輻射低劑量限值等問題，研制一些功能更強、技術(shù)更先進、真正能實現(xiàn)遠距離控制的核環(huán)境機器人，成為當(dāng)今世界的熱門課題。此外，“3.11”日本9級大地震引發(fā)了福

4、島核電站危機，但是機器人技術(shù)最為先進的日本卻沒有合適的機器人可以用于福島核電站的救援，籠罩在核泄露威脅下的民眾迫切要求核電站具有高效的事故預(yù)防和解決措施，這起核事故給全世界核電站敲響了警鐘。采用機器人進行核事故預(yù)防、控制和救援已成為社會的共識，目前我國核電站越來越多，發(fā)展核環(huán)境救援機器人迫在眉睫。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國外研究現(xiàn)狀據(jù)資料文獻記載，美國、日本、法國等發(fā)達國家早在上個世紀四十年代就開始研發(fā)并研制成功了某些可以應(yīng)用在核環(huán)境下的機器人，并在當(dāng)?shù)氐暮穗娬具M行了驗證，取得了一定的成果，其中具有代表性的機器人有：在美國，四十年代末阿貢實驗室研制了第一臺用于核工業(yè)的機械手，取名M1

5、，后期研制出核環(huán)境機器人Odex系列機器人；在日本，1977年早稻田大學(xué)研制出了世界上第一臺雙足行走機器人；在歐洲，法國核機器人技術(shù)處于領(lǐng)先地位，研制出了用于核反應(yīng)堆檢查的機器人。最近20年，由于核電站的迅速發(fā)展，各國政府對核電站日常維護和事故處理及其重要的核機器人的發(fā)展也越來越受到重視，紛紛制訂了研究開發(fā)核工業(yè)機器人的計劃，提供財政支持，呈現(xiàn)了一派繁榮景象。如由美國能源部（DOE）組織佛羅里達、密歇根、田納西和德克薩斯四所大學(xué)以及橡樹嶺國家實驗室（ORNL）聯(lián)合制訂的美國先進反應(yīng)堆用機器人發(fā)展計劃（ARS），這個計劃的目的是開發(fā)機器人進行危險作業(yè)，減少工人在輻射環(huán)境下作業(yè)或停留的時間，以便高

6、效經(jīng)濟地監(jiān)督、維修和修復(fù)核裝置或其他設(shè)備。另外，日本和法國也有各自的核工業(yè)機器人發(fā)展計劃。經(jīng)過幾十年的技術(shù)發(fā)展和積淀，這些國家又研制出了一些功能更強，技術(shù)更先進的核環(huán)境機器人，這些機器人真正實現(xiàn)了遠距離控制，如美國Remotec公司用于核環(huán)境檢測的機器人SURBOT，德國的EMSM系列，意大利Ario Romiti,Terenziano Raparelli等人研制成功的應(yīng)用于危險核環(huán)境下的多功能機器人SECURITAS，法國SRA-SAVAC公司研制的可對核屏蔽熱室進行放射性檢測的RICA2核電站機器人等。這些機器人可以通過電腦遙控，具有很好的越障性能，不僅能行走轉(zhuǎn)彎，還可以翻越40cm高的障

7、礙物。它們主要應(yīng)用于處理放射性物質(zhì)泄漏事故和更換失靈的系統(tǒng)零部件等。另外，值得一提的是，日本在福島核危機中使用了一款高輻射區(qū)域人員無法工作的專用Monirobo機器人（Monitoring Robot）（圖1-1）。Monirobo是由日本核安全技術(shù)中心在日本東海村核燃料加工廠核輻射事故發(fā)生后而研制的，體積為800×1500×1500mm，約1300磅重，屬于針對地震災(zāi)害救援的復(fù)雜性設(shè)計迷你型機器人。Monirobo靠兩條履帶驅(qū)動行走，每分鐘可走40米，時速最高可達2.4千米。另外，它還配有一支機械手用于移動障礙物和收集樣本。 Monirobo共分為兩種型號：紅色Monir

8、obo A和黃色Monirobo B。紅色那臺配備輻射探測、3D攝像機、溫度濕度傳感等。黃色那臺則用于收集粉塵樣品和檢測可燃氣體。兩臺機器人的外表都擁有輻射遮蔽層，用于輻射環(huán)境下工作，其內(nèi)部電子電路不會受到干擾和破壞。當(dāng)然兩臺機器人也少不了人類對其進行操控，最遠操作距離可達1.1公里。 圖1-1 Monirobo機器人 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國外在較早時期就積極開展防核機器人的研究工作，而我國在這方面研究開展較晚。為了趕超國外先進技術(shù)和滿足國內(nèi)核機器人的需求，在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）中列入了惡劣環(huán)境智能機器人的研究項目，并將移動式作業(yè)機器人和壁面爬行式檢查機器人作為開發(fā)目標。

9、另外，山東魯能集團公司也研制出一種名為JP-DZ-06的核電站設(shè)備巡檢機器人（圖1-2）。它通過底部電機驅(qū)動的輪子導(dǎo)航，并具有自主或遙控兩種控制方式，可以代替人對核電站高壓設(shè)備進行實時巡檢，協(xié)助發(fā)現(xiàn)變電 圖1-2 核電站巡檢機器人 站設(shè)備的故障隱患、內(nèi)部熱缺陷等異常現(xiàn)象。東南大學(xué)和相關(guān)部門合作，也于2011年初研制出了國內(nèi)首臺真正意義上的防核化偵察與應(yīng)急處理遙控操作機器人（圖1-3），可以在核輻射和有毒有害環(huán)境下協(xié)助人類救險。圖1-3 遙控防化偵察機器人 在國家863計劃的支持下，經(jīng)過近20年的不懈努力，我國的機器人特別是核環(huán)境下機器人事業(yè)取得了一系列令世界矚目的科研成果，正朝著更好更先進的方

10、向前進。1.3 主要研究內(nèi)容及研究意義1.3.1 研究內(nèi)容 根據(jù)核機器人應(yīng)當(dāng)滿足的功能要求，可以將核機器人分為兩類：作業(yè)型和觀察型。作業(yè)型核機器人需要完成的任務(wù)包括焊接、切割、搬運放射物質(zhì)、開關(guān)閥門、噴水、撿拾和切斷物體等，故需要安裝能實現(xiàn)這些功能的部件如焊槍、機械手等。觀察型核機器人則需攜帶攝像頭、溫度和壓力傳感器以及輻射強度檢測儀等設(shè)備進入現(xiàn)場后傳回現(xiàn)場數(shù)據(jù)。由于要求核環(huán)境下機器人需具有一定的事故處理和救援能力，因此核機器人應(yīng)當(dāng)有較強的通過性和越障能力，可以通過諸如樓梯、斜坡等一般障礙，并具有較強的防塵能力。另外，非常重要的一點是，此次設(shè)計的機器人需要在具有核輻射的環(huán)境下連續(xù)工作，故必須具

11、有一定的防核輻射能力。綜上所述，核環(huán)境下機器人要完成既定任務(wù)應(yīng)具體有以下幾方面需求:（1） 移動靈活敏捷?？稍诔鞘谢蛞巴獾嚷访嬉暂^高的速度移動，轉(zhuǎn)向靈活；（2） 避障能力強。可以通過一般障礙，攀爬標準樓梯等；（3） 防核輻射能力強。可以保證其在核環(huán)境下的生存能力；（4） 適應(yīng)能力強。可以在惡劣的環(huán)境中作業(yè)；（5） 結(jié)構(gòu)緊湊輕巧。降低了機器人的移動重心，保證了機器人的移動穩(wěn)定性，另外重量輕 便于攜帶。其中，核環(huán)境機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、三維建模、越障分析及核防護措施是此次研究的主要內(nèi)容。核機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是此次設(shè)計的基礎(chǔ)，合理的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計可以滿足設(shè)計要求，提高機器人的性能。通過對機器人進行三

12、維建?？梢灾庇^的了解機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，進而進行優(yōu)化設(shè)計。越障能力分析是分析和檢驗機器人是否滿足具有較強的越障能力，是否具有較強的通過性以適應(yīng)在較差的地形環(huán)境下工作而不會拋錨。另外，由于所設(shè)計的機器人需在核輻射環(huán)境下工作，如何使機器人在核輻射照射下具有足夠的工作壽命，這是此次研究的關(guān)鍵部分。如果機器人不具有足夠的核防護能力，那么當(dāng)機器人進入核輻射區(qū)域之后，核輻射會影響機器人內(nèi)部的電子元件以及控制系統(tǒng)等，從而使機器人失去工作能力。因此，研究選用合適的核防護措施是保證機器人能夠正常工作的關(guān)鍵。1.3.2 研究意義通過研究一種具有較強通過性以及越障能力的可防核輻射危害的機器人，并使其具有可操縱的執(zhí)行機

13、構(gòu)，以實現(xiàn)在遠距離操控的前提下控制機器人進入核輻射區(qū)域進行放射線數(shù)據(jù)檢測、維護設(shè)備、事故處理以及人員救助或者處理輻射物質(zhì)等工作，從而使作業(yè)人員遠離核輻射區(qū)域以避免受到輻射危害，減少人員傷亡和經(jīng)濟損失。二 核環(huán)境機器人功能要求和技術(shù)要求2.1 核環(huán)境機器人應(yīng)用場景 應(yīng)用于核電廠的設(shè)備安裝更換、維護巡檢、故障搶修、廢堆處理等工作以及其它產(chǎn)生核輻射危害的災(zāi)害現(xiàn)場救援搶險等工作。2.2 核環(huán)境機器人功能確定 由核環(huán)境下機器人的應(yīng)用場景可知核環(huán)境機器人需要具備以下功能： 1、進行核電廠熱室中設(shè)備操作； 2、核設(shè)施燃料后處理設(shè)備操作； 3、拆除和更換各種核設(shè)備的零部件； 4、高放射性樣品處理和運輸及核電站

14、中部件檢查和修理； 5、核設(shè)施的事故和退役處理， 包括放射性去污、器材拆除、減容、包裝和搬運等； 6、提供在線實時檢查、監(jiān)督和在線維修，降低工作人員事故放射線照射水平，減少工廠 停工時間，節(jié)省昂貴的替代電力； 7、核環(huán)境機器人還需具有操作機構(gòu)更換功能，能適應(yīng)除核電廠以外其它核環(huán)境下的作業(yè) 需求，如安裝地震生命跡象檢測儀器以實現(xiàn)在地震引起核輻射情況下進行搜救被困人 員的功能由以上核工業(yè)機器人所需實現(xiàn)的功能可知，核工業(yè)機器人須具備相應(yīng)的功能模塊。如實現(xiàn)實時檢測監(jiān)督預(yù)防事故發(fā)生功能時，即觀察型機器人，需要機器人具備一套能夠使機器人全面探測環(huán)境的傳感器系統(tǒng)，包括溫度、壓力、放射線傳感器等；實現(xiàn)在線維修

15、、拆除和更換零部件功能時，即作業(yè)型機器人，應(yīng)當(dāng)具備操作準確可靠、結(jié)構(gòu)簡單、可遠程操控的機械臂，另外根據(jù)需要添加焊接、切除、鉆孔等附屬功能模塊。此外，核環(huán)境機器人還需具有控制模塊、通訊模塊等。2.3 技術(shù)要求結(jié)構(gòu)指標自重50Kg載荷10Kg結(jié)構(gòu)尺寸機動指標正常速度0.6m/s最大速度1m/s最大爬坡角度30°樓梯通過能力能通過普通標準樓梯轉(zhuǎn)向能力零半徑防護能力防塵防核輻射，抗沖擊續(xù)航能力1小時以上三 核環(huán)境機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 核環(huán)境機器人具有機電一體化的特點，它在結(jié)構(gòu)緊湊性、靈巧性以及特殊性方面比一般機械設(shè)計有更高的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計是本次機器人系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，整機機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動方式和傳動

16、機構(gòu)等都會直接影響機器人的運動和動力性能。然而，核環(huán)境機器人機構(gòu)設(shè)計除了需要滿足系統(tǒng)的技術(shù)性能外，還需要滿足經(jīng)濟性要求，即必須在滿足機器人的預(yù)期技術(shù)指標的同時，考慮用材合理、制造安裝便捷、價格低以及可靠性高等問題。機器人的機械設(shè)計可以從一下四個方面考慮：（1）機器人的應(yīng)用和可行性研究現(xiàn)有同類機器人的產(chǎn)品性能和特點，進行可行性調(diào)查，論證技術(shù)上是否先進，是否可行；核算經(jīng)濟上的成本；明確機器人應(yīng)用的領(lǐng)域，實現(xiàn)什么樣的功能。（2）明確機器人的設(shè)計要求確定工藝過程、動作要求和有關(guān)參數(shù)，并對機器人的工作環(huán)境進行分析。（3）明確功能、性能指標和技術(shù)參數(shù)了解國內(nèi)外同類機器人的水平和研制的技術(shù)難點，結(jié)合現(xiàn)有的工

17、作條件和功能要求，明確提出設(shè)計的機器人具有的功能、性能指標和技術(shù)參數(shù)。這一步至關(guān)重要，因為所有的設(shè)計都是圍繞著這個中心來設(shè)計的。（4）方案比較初步提出若干總體設(shè)計方案，通過對工藝生產(chǎn)、技術(shù)和價值分析選擇最佳方案。3.1 結(jié)構(gòu)簡述 合理的機器人本體結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)使其機械系統(tǒng)的工作負載與自重的比值盡可能大，結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)剛度盡可能高，并盡量提高系統(tǒng)的固有頻率和改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。 所設(shè)計的機器人主要由行走機構(gòu)、操作機構(gòu)、傳動機構(gòu)和箱體所組成。核環(huán)境機器人需要實現(xiàn)遠程操控技術(shù)，代替工作人員進入到核輻射區(qū)域進行事故處理與救援，因此機器人需要具備操作機構(gòu)。核機器人的操作機構(gòu)一般主要包括基座、機械臂、末端執(zhí)行模塊

18、，可實現(xiàn)多自由度運動。以往所開發(fā)的應(yīng)用于核電廠的機器人大都只是固定的可操作機械手或搬運車，靈活性差，因此此次研究的核機器人采用一種靈活的行走機構(gòu)，并具有很好的越障性能。通過傳動機構(gòu)，可以把動力傳遞到行走機構(gòu)和操作機構(gòu)等等。由于需要對核輻射進行屏蔽，因此將控制模塊與傳動機構(gòu)放置在箱體內(nèi)。3.2 行走機構(gòu)設(shè)計 從20世紀60年代到70年代，迅速普及并實用化的工業(yè)機器人給人的印象只是自動機械手。廣泛開展機器人移動功能的研究和開發(fā)是進入20世紀80年代以后的事?，F(xiàn)在作為移動機器人而開發(fā)試制的移動機械種類已遠遠超過了機械手。如今開發(fā)的核環(huán)境下的機器人多為行走機器人，行走機構(gòu)是行走機器人的重要執(zhí)行部件，它

19、一個作用是作為機器人機身、手臂的支撐，另一個作用就是根據(jù)控制器的指令帶動機器人在工作區(qū)域移動。它主要由驅(qū)動裝置、傳動系統(tǒng)、位置檢測元件、傳感器、電纜及管路等組成?？梢哉f行走機構(gòu)的好壞直接決定了機器人的性能。機器人的行走方式主要有輪式、履帶式、腳足式等，此次設(shè)計的核環(huán)境下機器人的行走方式從這三種中選擇。 方案一：采用輪式移動機構(gòu)。輪式行走機構(gòu)是核機器人中應(yīng)用較多的一種移動機構(gòu),具有獨立驅(qū)動裝置、換向裝置和制動裝置的滾輪通過電機直接驅(qū)動, 能夠?qū)崿F(xiàn)機器人的前進、后退、轉(zhuǎn)向等各種運動。采用這種行走機構(gòu)的機器人動作平穩(wěn)、操作簡單、運動方便自如、運行速度較快, 且能實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向, 適合在比較平坦、光滑的

20、地面上行走, 缺點是不能跨越高度, 不能爬樓梯,核電站巡檢機器人通常采用這種運動機構(gòu)。方案二：采用履帶式移動機構(gòu)。履帶式行走方式也稱為無限軌道方式，其最大特征是將圓環(huán)狀的無限軌道履帶卷繞在多個車輪上，使車輪不直接與路面接觸。履帶式行走機構(gòu)的支撐面積大，對地面的壓強小，滾動阻力小，承載能力大，對路況具有較強的適應(yīng)性，適合于松軟或泥濘場地作業(yè)。在野外凹凸不平或松軟路面上上作時，輪式移動就顯得非常吃力，而利用履帶可以增大輪子與路面的接觸面積，緩沖路面狀態(tài)，實現(xiàn)機器人的平穩(wěn)運動。履帶式行走機構(gòu)在原有履帶機構(gòu)上加裝擺臂履帶后，不但充分利用了履帶式機器人良好的地面適應(yīng)性，而且大大提高了機構(gòu)的越障能力和爬坡

21、能力。缺點是由于沒有自位輪, 沒有轉(zhuǎn)向機構(gòu), 要轉(zhuǎn)彎只能靠左右兩個履帶的速度差, 所以不僅在橫向, 而且在前進方向也會產(chǎn)生滑動, 轉(zhuǎn)彎阻力大, 不能準確地確定回轉(zhuǎn)半徑等。軍用機器人和那些使用場所不固定的機器人常采用履帶式行走方式。例如由美國iRobot公司生產(chǎn)的Packbot（圖3-1）系列履帶機器人因其在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場上表現(xiàn)優(yōu)秀，挽救了很多士兵的生命而享譽盛名。它的最大時速可達14 公里，每次充電后行駛距離能超過13 公里，同時涉水深度可達3 米?！癙ackbot”機器人十分結(jié)實，即使從1.8 米的高度摔在硬質(zhì)混凝土上，也毫發(fā)無傷?！癙ackbot”越障能力極強，能爬60%的坡度樓梯，有

22、多種越障方式，能越過比自身高度大許多的障礙，可以從任何顛覆狀態(tài)下恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)?？捎糜趥刹臁⒎淳褤?、戰(zhàn)術(shù)實施，如反地道、近距離干擾等。 履帶式行走方式有如下特點：（1）支承面積大，接地比壓小。路面粘著力強，越野機動性好。（2）履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大牽引力。（3）用兩個電機驅(qū)動兩條履帶從而實現(xiàn)了原地轉(zhuǎn)彎，利用履帶可以緩沖路面狀態(tài)。（4）比較穩(wěn)定，容易爬坡，履帶本身給車輪起 圖3-1 Packbot機器人在爬樓梯 鋪路的作用。 方案三：采用腳足式移動機構(gòu)。腳足式行走是步行方式中自動化程度最高、最為復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)。優(yōu)點是對步行環(huán)境要求低，能適應(yīng)各種不平整、不

23、規(guī)則的地面，具有較高的逾越障礙的能力，能夠方便的上下臺階，移動“盲區(qū)”小。缺點是行進速度較緩慢，控制實現(xiàn)起來復(fù)雜，穩(wěn)定性和可靠性低。下表為三種行走方式的特點對比：表3-1 幾個行走方式特點移動方式車輪式履帶式腳足式原理配置多個輪子，每個輪子用電機驅(qū)動電機驅(qū)動兩個無軌道履帶通過多個腳反復(fù)吸附與脫落移動特點移動速度快，便于控制，著地面積小，維持一定的摩擦力比較困難，越障能力較低著地面積大，對壁面適應(yīng)性強，攜載能力強，有較強的越障能力，體積較大，不易轉(zhuǎn)彎間歇式移動，移動速度慢，攜載能力較強，控制難度大，穩(wěn)定性和可靠性差由于現(xiàn)有核電廠大都沒有考慮到機器人遙控作業(yè)技術(shù)的應(yīng)用，因此所設(shè)計的機器人必須適應(yīng)現(xiàn)

24、有的定型化了的核電廠，增加了許多苛刻的條件，例如環(huán)境場地狹窄，設(shè)備與管道布置稠密等等，要求機器人必須體積小，能在狹窄的不規(guī)則的空間（或地面）移動等等。所以所設(shè)計的核環(huán)境機器人需要有較好的通過性以及良好的爬坡越障能力，因此選擇選擇方案三履帶式行走機構(gòu)，并在原有履帶機構(gòu)上加裝兩個擺動臂履帶組成雙節(jié)履帶式（圖3-2）。雙節(jié)履帶設(shè)計是目前出現(xiàn)的眾多復(fù)合履帶式結(jié)構(gòu)移動機器人中的一種。所設(shè)計的雙節(jié)履帶可以360°旋轉(zhuǎn)，能夠提高履帶車的爬坡和越野能力，使履帶車更容易通過障礙物，增加了機器人的靈活性，有著較強的地形適應(yīng)能力、越障能力和良好的環(huán)境適應(yīng)性，目前雙節(jié)履帶設(shè)計在移動機器人上已有較多應(yīng)用。前輪

25、承載輪擺臂副履帶車身主履帶后輪擺臂小輪圖3-2 雙節(jié)履帶式行走機構(gòu)3.3 操作機構(gòu)設(shè)計由于核輻射對人體健康具有嚴重的威脅，所以核輻射區(qū)域內(nèi)的設(shè)備維修、事故處理、搶險救援等工作只能由機器人可遠程控制的操作機構(gòu)來實現(xiàn)。核機器人的操作機構(gòu)一般是由基座、機械臂、末端模塊三部分組成的，其中最重要的就是機械臂的設(shè)計。末端模塊安裝在機械臂上面，因此機械臂的設(shè)計影響著機器人的操作性能。一般機械臂都設(shè)計為多自由度，自由度越多，機器人的操作靈活性也就越好，但是相反控制系統(tǒng)實現(xiàn)起來就很困難。所以說需要綜合機器人的作業(yè)要求以及控制形式等各方面因素來確定機械臂合適的自由度。另一方面，操縱機構(gòu)還需具有一定的承載能力，這是

26、由機器人的作業(yè)類型來定的，如需要抓取物品時。另外，操作臂的工作距離也很重要，太短末端模塊達不到被操作對象，太長則機器人重心靠前，穩(wěn)定性不好，故需設(shè)計一個合理工作范圍，能使機器人順利完成所承擔(dān)的作業(yè)任務(wù)。一般情況下，如果操作任務(wù)比較簡單、單一的話，通常設(shè)計單機械臂操作機構(gòu)來實現(xiàn)。如果完成的是一些復(fù)雜、難度大的任務(wù)，則可以通過設(shè)計雙機械臂的操作機構(gòu)來完成。單機械臂操作機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，控制起來也比較容易。如果在單機械臂末端安裝一個執(zhí)行部件，就可以完成如夾取物品、開關(guān)閥門等操作。雙臂操作機構(gòu)的作用原理更像人的兩只手臂一樣，通過雙手相互配合對操作對象進行作業(yè)，這樣便可以承擔(dān)一些比較復(fù)雜的作業(yè)任務(wù)，比如通過

27、協(xié)調(diào)控制兩只機械臂來實現(xiàn)對設(shè)備進行安裝、維修、拆卸、鉆孔、部件切割、工具更換等操作?？蓪崿F(xiàn)的操作更復(fù)雜，因而控制系統(tǒng)相對于單機械臂來講實現(xiàn)起來也更困難，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜。通過比較單臂與雙臂操作機構(gòu)的優(yōu)缺點，并且綜合考慮此次所設(shè)計機器人的工作要求，選擇單臂操作機構(gòu)，并在單臂操作機構(gòu)末端安裝末端執(zhí)行部件。末端執(zhí)行部件（手部）是機器人直接參與工作的部分，手部可以是各種夾持器，也可以是各種工具，如焊槍、噴頭等。機械夾持器多為手抓式，按其手爪的運動方式可以分為平移型（圖3-3a）和回轉(zhuǎn)型（圖3-3b）。 a 平移型 b 杠桿回轉(zhuǎn)型 圖3-3 機械夾持器 本次設(shè)計選擇一種連桿杠桿回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)，與前者相比具有結(jié)構(gòu)簡

28、單、控制容易的特點。圖3-4 機械臂三維模型所設(shè)計的機械臂如圖3-4所示，機械臂安裝在底座上，具有三個擺動自由度以及一個轉(zhuǎn)動自由度。3.4 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 驅(qū)動系統(tǒng)是機器人系統(tǒng)的動力來源，選擇最佳的驅(qū)動系統(tǒng)是設(shè)計核環(huán)境下機器人的關(guān)鍵?，F(xiàn)代機器人的驅(qū)動方式主要有氣動驅(qū)動、液壓驅(qū)動和電動驅(qū)動三種。 氣動驅(qū)動系統(tǒng)主要優(yōu)點是快速性好，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、成本低、無污染，另外由于氣體的可壓縮性，氣動系統(tǒng)具有緩沖作用，很容易實現(xiàn)無級調(diào)速。但是由于氣體的可壓縮性，定位精度因而不高，難以實現(xiàn)伺服驅(qū)動。 液壓驅(qū)動系統(tǒng)是較早被采用的驅(qū)動方式，它具有重量輕、慣量小、傳動平穩(wěn)、控制環(huán)節(jié)簡單等特點。但是液壓驅(qū)動系統(tǒng)的

29、液壓油容易泄漏，影響工作性能和污染環(huán)境，它需要單獨的油源，所占空間較大，主要適用于中、大型機器人。 電動驅(qū)動系統(tǒng)是利用各種電機產(chǎn)生的力矩和力，直接或通過機械傳動裝置來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。這類系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，因此效率比氣動和液壓驅(qū)動高，且有使用方便、噪聲低和控制靈活等優(yōu)點，適用于中、小型機器人。 采用電動驅(qū)動系統(tǒng)是現(xiàn)代機器人的技術(shù)發(fā)展趨勢之一，負荷1000N 以內(nèi)的中、小型機器人，現(xiàn)已絕大部分采用了電動驅(qū)動系統(tǒng)。因此核環(huán)境下履帶機器人采用電動方式驅(qū)動，并將鋰電池組作為電動機和控制系統(tǒng)的動力能源。下面對機器人的傳動機構(gòu)進行設(shè)計。3.5 傳動機構(gòu)設(shè)計 首先，先確定履帶移動機器人的驅(qū)動方式。履帶式的驅(qū)動

30、方式有前輪驅(qū)動和后輪驅(qū)動兩種，履帶兩端的導(dǎo)向輪哪一個用來作為驅(qū)動輪更合適與履帶機構(gòu)的形狀有關(guān)。根據(jù)圖3-2所示的雙節(jié)履帶式結(jié)構(gòu)，此次設(shè)計的機器人采用后輪驅(qū)動更為合適。因為當(dāng)采用前輪驅(qū)動（圖3-5a）時，履帶上部分與導(dǎo)向輪處于最大載荷，履帶下部承載輪部分的長度處于折彎壓縮狀態(tài)，運行阻力比較大。當(dāng)采用后輪驅(qū)動（圖3-5b）時，履帶上部分與導(dǎo)向輪受力較小，主履帶下部分處于微微張緊狀態(tài)，運行阻力較小。 a 前輪驅(qū)動 b 后輪驅(qū)動 圖3-5 前后輪驅(qū)動方式的不同通過以上分析確定驅(qū)動方式為后輪驅(qū)動，然后需使用兩臺電機分別對兩個后輪進行驅(qū)動，通過控制電機的轉(zhuǎn)速可以來實現(xiàn)移動機器人的差速轉(zhuǎn)向，這樣可以實現(xiàn)機器

31、人的快速轉(zhuǎn)向和原地零半徑回轉(zhuǎn)。此外，將擺臂履帶的大輪與主履帶前輪相結(jié)合，這樣一來擺臂履帶就不需要由電機驅(qū)動，而由前輪驅(qū)動。前輪變成為主履帶的從輪以及擺臂履帶的主動輪。這樣一來不僅可以節(jié)省電機數(shù)量，而且還可以簡化結(jié)構(gòu)，節(jié)省空間。兩擺臂不僅有一個履帶傳動的運動，還有一個繞前輪中心軸的轉(zhuǎn)動運動，通過這個轉(zhuǎn)動運動可以大幅度提高機器人的越障能力。為了方便的安裝擺臂，將擺臂設(shè)計為外伸結(jié)構(gòu)，前輪通過空心軸來支撐固定，擺臂中間軸穿過空心軸然后與減速器連接,然后通過電機驅(qū)動。在目前用于傳遞動力與運動的機構(gòu)中，減速器的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，幾乎在各式機械的傳動系統(tǒng)中都可以見到它的蹤跡，從交通工具的船舶、汽車、機車、建

32、筑用的重型機具、機械工業(yè)所用的加工機具及自動化生產(chǎn)設(shè)備，到日常生活中常見的家電、鐘表等等。其應(yīng)用從大動力的傳輸工作，到小負荷、精確的角度傳輸都可以見到減速器的應(yīng)用，且在工業(yè)應(yīng)用上，減速器具有減速及增加轉(zhuǎn)矩功能，因此廣泛應(yīng)用在速度與扭矩的轉(zhuǎn)換設(shè)備。由于擺臂使用時必須是固定不動的，即當(dāng)使用擺臂履帶進行越障時，擺臂履帶的位置不能改變，這樣才能起到支撐越障作用，因此擺臂擺動的傳動系統(tǒng)必須具有自鎖功能，同時機器人系統(tǒng)還需要能檢測到擺臂的位置，以便控制各種姿態(tài)。由于對減速箱有自鎖要求，因此在這里選用蝸輪蝸桿減速器。蝸輪蝸桿減速機是一種動力傳達機構(gòu)，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電機（馬達）的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回

33、轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩的機構(gòu)。蝸輪蝸桿減速機的主要特點是具有反向自鎖功能，同時可以有較大的減速比，因此用在驅(qū)動擺臂上就可以省去了抱閘機構(gòu)。主履帶運動的傳動順序為：編碼器-驅(qū)動電機-減速箱-一對錐齒輪嚙合-主履帶后輪-帶動履帶傳動。擺臂履帶擺動的傳動順序為：編碼器-驅(qū)動電機-蝸輪蝸桿減速器-擺臂軸。圖3-6 核環(huán)境下擺臂履帶機器人主體內(nèi)部總體傳動結(jié)構(gòu)布局四 機構(gòu)的選擇與計算由前幾章的分析和有關(guān)數(shù)據(jù)，本章對其中幾個主要結(jié)構(gòu)進行選擇和詳細計算。4.1 材料的選擇 選擇機器人本體材料應(yīng)從機器人的性能要求出發(fā)，滿足機器人的設(shè)計和制作要求。機器人本體用來支承、連接、固定機器人的各部分，當(dāng)然也包括機器人的運動

34、部分，這一點與一般機械結(jié)構(gòu)特性相同。機器人本體所用的材料也是結(jié)構(gòu)材料，但另一方面，機器人本體又不單是固定構(gòu)件，比如機器人轉(zhuǎn)臂是運動的，機器人整體也是運動的。所以，機器人運動部分材料質(zhì)量應(yīng)輕。 精密機器人對于機器人的剛度有一定的要求，即對材料的剛度要求。剛度設(shè)計時要考慮靜剛度和動剛度，既要考慮振動問題。從材料角度來看，控制振動涉及減輕重量和抑制振動兩方面，其本質(zhì)就是材料內(nèi)部的能量損耗和剛度問題，它與材料的抗振性緊緊相關(guān)。另外人們對于現(xiàn)代機器人的外觀更加要求美感，所以機器人材料又應(yīng)具備柔軟和外表美觀的特點。總之，正確選用結(jié)構(gòu)件材料不僅可以降低機器人的成本價格，更重要的是可以適應(yīng)機器人的高速化、高載

35、荷化及高精度化，滿足其靜力學(xué)及動力學(xué)特性要求。隨著材料工業(yè)的發(fā)展，新材料的出現(xiàn)給機器人的發(fā)展提供了寬廣的空間。 與一般機械設(shè)備相比，機器人結(jié)構(gòu)的運動學(xué)特性十分重要，這是材料選擇的出發(fā)點。材料選擇的基本要求是：（1）強度高 機器人轉(zhuǎn)臂是直接受力的構(gòu)件，高強度材料不僅能滿足機器人轉(zhuǎn)臂的強度條件，而且可望減少轉(zhuǎn)臂界面尺寸，減輕重量.（2）彈性模量大 由材料力學(xué)的知識可知，構(gòu)件剛度(或變形量) 與材料的彈性模量E 、G有關(guān)。彈性模量越大，變形量越小，剛度越大。不同材料的彈性模量差別很大。（3）重量輕 機器人轉(zhuǎn)動變形中所需要的驅(qū)動力矩直接和轉(zhuǎn)臂重量相關(guān)，所以它影響著電機的選擇。因此我們應(yīng)該選擇高彈性模量

36、低密度的材料。（4）阻尼大選擇機器人的材料不僅要求剛度大，重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。機器人轉(zhuǎn)臂經(jīng)過運動后，要求能平穩(wěn)的停下來?？墒窃诮K止運動瞬間構(gòu)件會產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，構(gòu)建自身又具有彈性，因而會產(chǎn)生殘余振動。從提高定位精度和傳動平衡性考慮，希望采用大阻尼材料或采取增加構(gòu)件阻尼的措施來吸收能量。（5）材料經(jīng)濟性 材料價格是機器人成本價格的重要組成部分。 此次設(shè)計的核環(huán)境下機器人所選用的是鋁合金材料。鋁是非磁性金屬，可防止復(fù)雜環(huán)境中的很多電磁干擾，尤其適用于核輻射區(qū)域。鋁合金材料重量輕，價格適中，雖然彈性模量不太大，但是材料密度小，鋁的密度約為2.7×103kg/m3。故E

37、/P之比可與鋼材相比。總的來說鋁合金材料有一下優(yōu)點：鋁比重小，重量輕，可以用來代替鋼鐵。它不僅能使設(shè)備重量減輕很多，而且強度高，不怕腐蝕，因而用途廣泛。鋁的強度不算低，當(dāng)加入少量銅、錳、硅、鎂等元素形成合金后，其強度又顯著提高，經(jīng)過一定的處理，甚至超過了一些鋼的強度，但重量卻比鋼輕很多。鋁的導(dǎo)電性能也很好，雖比銅要差卻好于鐵，但它的質(zhì)量只有銅的2/3倍，并且鋁導(dǎo)線散熱快，能通過較大電流而不會被燒壞。再加上價格便宜。鋁的導(dǎo)熱性能好，幾乎是鐵的4倍，散熱性能好。鋁容易加工成型，可壓成薄板或拉成細絲。鋁容易與氧發(fā)生反應(yīng)而在表面生成一層堅韌的氧化膜。這層膜性質(zhì)穩(wěn)定，有較強的抗腐蝕能力，因而防腐能力強。

38、4.2 履帶的選擇針對此次關(guān)于核機器人機動性、可控性和穩(wěn)定性的要求，設(shè)計了類似于同步帶的行走履帶，履帶內(nèi)齒面為同步帶標準齒形，外齒面（著地面）采用矩形截面齒形，以提高其攀越障礙的能力。工作時，帶齒與帶輪的齒槽相嚙合，是一種嚙合運動，因而具有帶傳動的優(yōu)點，如耐屈撓性能、伸長率小、強力高等。主履帶（圖4-1）采用環(huán)型無接頭履帶，內(nèi)部有加強鋼絲，無接頭，整體抗拉強度高。同時節(jié)距穩(wěn)定性強，誤差少。工作過程中節(jié)距不發(fā)生變形或位移，確保了運行過程中全時與驅(qū)動輪正確嚙合，機械傳動功率損失少，延長了機器與橡膠履帶的壽命。而且伸長率極低。環(huán)型無接頭橡膠履帶的伸長率僅僅是鋼絲簾線的伸長量，數(shù)值非常小。此伸長量的存

39、在對履帶的正常使用不構(gòu)成任何影響，只要鋼絲不斷，橡膠履帶在首次使用的跑合期張緊后，今后無需再張緊。因此此次設(shè)計中未加入張緊裝置。圖4-1 環(huán)形無接頭橡膠履帶4.3 擺臂擺動電機和減速機的選擇與計算擺臂電機的作用是帶動擺臂轉(zhuǎn)動，因此電機必須有足夠的功率和額定轉(zhuǎn)矩。根據(jù)擺臂的工作狀態(tài)，易知當(dāng)擺臂處于水平工作狀態(tài)時，電機帶動擺臂轉(zhuǎn)動所需的轉(zhuǎn)矩和功率最大，因此以擺臂水平工作狀態(tài)來選擇電機。圖4-2為擺臂水平工作狀態(tài)時的受力分析圖。圖4-2 擺臂水平工作狀態(tài)時的受力分析圖根據(jù)理論力學(xué)合力矩定理： 4.3.1得擺臂水平工作狀態(tài)的平衡方程為： 4.3.2式中： 擺臂驅(qū)動電機的驅(qū)動力矩（N·m）;

40、單個擺臂的重量（kg）,m=1kg; 水平狀態(tài)時擺臂重心到前輪軸心O的水平距離（m）,=0.145m。代入式4.3.2，可得： =1×9.8×0.145 =1.42 N·m考慮到安全系數(shù)為2，故2.84 N·m。為了減少電機數(shù)量以節(jié)省空間、降低成本，所以采用一個電機驅(qū)動兩個擺臂履帶同時擺動，因此可以得出，要想使得兩個擺臂能夠?qū)崿F(xiàn)正常工作并360°旋轉(zhuǎn)，需要擺臂電機經(jīng)過蝸輪蝸桿減速器減速后能夠提供的極限扭矩為5.68 N·m。由于擺臂履帶擺動的速度不用很高，因此考慮到擺臂電機的工作特點、各種電機的優(yōu)缺點以及成本等因素，選擇步進電機作為擺臂電機。步進電機具有以下優(yōu)點：1、電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)；2、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不會將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運動的重復(fù)性；3、優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)；4、由于沒有電刷，可靠性較高，因此電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命；5、由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍；6、容易實現(xiàn)數(shù)字控制。選擇搖臂電機為型號是SM3-403的MOTEC 系列4型電機。MOTEC 系列三相混合式步進電機在增多磁極數(shù)、改善齒形及其排列方式、增大轉(zhuǎn)子直徑、減小氣隙等方面采用了一系列革新技術(shù)，配合基于