《排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手設(shè)計(jì)》20000字

排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手設(shè)計(jì)摘要：排爆機(jī)器人在生活及軍事領(lǐng)域起到重要作用，可以通過遠(yuǎn)程控制的方式對(duì)可疑區(qū)域進(jìn)行探測(cè)以及對(duì)疑似爆炸物的搬移與拆除。排爆機(jī)器人因其可適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境進(jìn)行反恐排爆工作任務(wù)而成為當(dāng)今各國(guó)研發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)主要通過Solidworks軟件對(duì)排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)方面的設(shè)計(jì)，并通過TIAPortalV15.1進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先查閱和收集排爆機(jī)器人機(jī)械臂相關(guān)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與工作原理，根據(jù)排爆機(jī)械臂的主要參數(shù)，對(duì)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定案。在排爆機(jī)械臂所需要夾持最大載荷的基礎(chǔ)下，繪制基座、大臂、小臂、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三維圖以及整體零部件的裝配圖。并且考量到機(jī)械臂的所產(chǎn)生的的翻轉(zhuǎn)力矩，對(duì)其設(shè)計(jì)自平衡裝置，繪制其零部件三維圖以及對(duì)自平衡裝置與機(jī)械臂進(jìn)行裝配。最后對(duì)排爆機(jī)械臂實(shí)際工作條件下所需要配備的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：排爆反恐；機(jī)器人；自平衡裝置；控制系統(tǒng)目錄TOC\o"1-3"\h\u6925第1章引言 第1章引言1.1課題研究背景和意義ExplosiveOrdnanceDisposal“爆炸物處理(EOD)”一詞可定義為對(duì)未爆炸炸藥數(shù)量的檢測(cè)、識(shí)別、現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估、渲染、安全回收和最終處置。它還可能包括一種因損壞或惡化而變得危險(xiǎn)的爆炸性彈藥。爆炸物處理（EOD）是世界上最危險(xiǎn)的工作之一。從軍事化的角度來說，由于世界各地的沖突遺留了數(shù)百萬件軍械，因此有必要檢測(cè)和清除戰(zhàn)爭(zhēng)遺留爆炸物以保護(hù)平民。圖1-1排爆人員進(jìn)行排爆現(xiàn)場(chǎng)僅2010年，約有3300人在阿富汗傷亡，238人死于簡(jiǎn)易爆炸裝置，如圖所示。其中包括在戰(zhàn)場(chǎng)上或在車上在士兵附近引爆的路邊炸彈。為了反擊這些襲擊，軍方已經(jīng)擴(kuò)大了反叛亂信息收集、無人機(jī)(uav)、炸彈嗅探犬和地面機(jī)器人偵察的努力。一旦找到了簡(jiǎn)易爆炸裝置，處理它們就會(huì)帶來更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。圖1-2死于爆炸物的人數(shù)統(tǒng)計(jì)引發(fā)爆炸物爆炸是會(huì)造成了巨大的傷亡，在生活中也不乏會(huì)出現(xiàn)拆除炸彈的情況，拆除炸彈的任務(wù)盡可能是遠(yuǎn)程完成的。但處于一些極端情況下，炸彈拆除人員必須親自到達(dá)爆炸物所處位置進(jìn)行處理炸彈，訓(xùn)練有素的專業(yè)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行手動(dòng)解除炸藥，這一方法固然有效，然而風(fēng)險(xiǎn)高，這使得他們自己置于嚴(yán)重的危險(xiǎn)之中，隨時(shí)有可能喪失自己的生命。今天的排爆人員在拆除炸彈的過程中，會(huì)穿著安全防護(hù)服，使爆炸所可能產(chǎn)生的壓力降低為最小化，并防止爆炸所造成的傷害余波到一定水平。盡管排爆防護(hù)服具有降低爆炸危險(xiǎn)的效果，但其依舊缺乏靈活性，在另一方面，它們限制了運(yùn)動(dòng)能力，增加壓力，從而無法完全保護(hù)到排爆人員。所以，即使在現(xiàn)代科技化時(shí)代，具備先進(jìn)的安全預(yù)防措施，仍然今天也不可能百分百避免危險(xiǎn)，并且如果在爆炸所產(chǎn)生的爆炸波非常強(qiáng)烈的情況下，防護(hù)服就失去了作用，在處理爆炸物過程中將對(duì)爆炸拆除人員造成生命危險(xiǎn)。但也有在極少數(shù)情況下，允許炸彈拆除人員將爆炸物或炸彈從移走，然后使用安全爆炸殼裝置，形狀像大球體。接著通過使用遠(yuǎn)程方法，技術(shù)人員將物品放在容器中，并轉(zhuǎn)移到一個(gè)無人居住的區(qū)域，以完成爆炸拆除。但這一情況由于現(xiàn)代炸彈的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，在實(shí)際情況中并不適用。因此，另一種不需要人去進(jìn)行實(shí)際操作的方式就出現(xiàn)了，采用EOD機(jī)器人，排爆機(jī)器人，EOD機(jī)器人是一種移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人系統(tǒng)包括一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)，配備了一個(gè)連續(xù)冗余的靈巧臂，一個(gè)抓手和一個(gè)感覺系統(tǒng)，提供遠(yuǎn)程控制能力和的?；谶@一發(fā)展前景和現(xiàn)代化機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)共同趨勢(shì)是要完成那些對(duì)人類來說枯燥、骯臟或太危險(xiǎn)的任務(wù)，解除武裝和處理簡(jiǎn)易爆炸裝置符合這一愿景，因此許多公司都在努力開發(fā)這一領(lǐng)域的系統(tǒng)。與此同時(shí)，應(yīng)用EOD機(jī)器人不僅可以拯救爆炸物附近所波及的人，還可以在距離危險(xiǎn)區(qū)幾米遠(yuǎn)的地方進(jìn)行操作，從而為爆炸物專家提供了一個(gè)完全安全的場(chǎng)所。此外，這些機(jī)器人不僅可以用于解除爆炸武器，還可以收集威脅物質(zhì)和區(qū)域的信息。在實(shí)際應(yīng)用中，可以代替人進(jìn)入危險(xiǎn)可疑區(qū)域進(jìn)行檢查、取出的操作，從而其對(duì)提高排爆領(lǐng)域的安全性具有深刻意義。圖1-3排爆機(jī)器人進(jìn)行排爆工作1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)排爆機(jī)器人在排爆工作任務(wù)過程中，所身處的環(huán)境是隨機(jī)的、未知的，需要代替排爆技術(shù)人員對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域中可疑危險(xiǎn)物進(jìn)行抓取、轉(zhuǎn)移、銷毀。因此，其所需要具備的實(shí)際功能為進(jìn)入未知區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)、發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。該機(jī)器人的研究與研發(fā)有效減少了人員的傷亡，故各國(guó)對(duì)于排爆機(jī)器人的后續(xù)進(jìn)一步研究采取積極的態(tài)度，并投入大量人力物力和高科技手段進(jìn)行研發(fā)。1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀進(jìn)入第二次工業(yè)時(shí)代以來，西方的現(xiàn)代科學(xué)水平一直處于先進(jìn)狀態(tài)。對(duì)于排爆機(jī)器人的研發(fā)工作也在相對(duì)早期進(jìn)行研制，對(duì)于這一領(lǐng)域的相關(guān)先進(jìn)技術(shù)和行業(yè)所需要具備的規(guī)范操作已經(jīng)比較成熟。國(guó)外排爆機(jī)器人的研究特點(diǎn)目前處于實(shí)用性能高、工作可靠性高、適應(yīng)復(fù)雜地勢(shì)、經(jīng)濟(jì)成本性低等。國(guó)外的不同國(guó)家也對(duì)排爆機(jī)器人有屬于自己的產(chǎn)品，本模塊對(duì)市面上較為知名國(guó)外排爆機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)調(diào)研。美國(guó)基于其科技水平和經(jīng)濟(jì)水平，在研發(fā)排爆機(jī)器人領(lǐng)域處于領(lǐng)頭羊的身份并且現(xiàn)代發(fā)展趨勢(shì)依舊很快。近代，從本世紀(jì)早起推出“魔爪”系列機(jī)器人，其適應(yīng)不同地勢(shì)情況、靈動(dòng)性的特點(diǎn)在軍事領(lǐng)域大幅使用。后續(xù)，又推出F6A-J排爆機(jī)器人，其活節(jié)式履帶輪式結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，讓其能夠在復(fù)雜地勢(shì)中快速行進(jìn)，并且在窄小的工作任務(wù)空間內(nèi)精確完成任務(wù)。具有三節(jié)機(jī)械臂，6個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度和1個(gè)伸縮自由度，速度可調(diào)性，以及配備三組獨(dú)立攝像頭，使其能夠在工作任務(wù)的現(xiàn)場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)全方位無死角的探測(cè)和監(jiān)控。完全伸展時(shí)所能抓取的危險(xiǎn)物質(zhì)量為11kg，伸展長(zhǎng)度為46cm時(shí)可以最大抓取負(fù)載為27kg，由于其所具備高性能的特點(diǎn)，讓其能夠時(shí)刻處于一個(gè)高靈活度的工作任務(wù)中。圖1-4F6A-J排爆機(jī)器人英國(guó)也屬于早期研究發(fā)展排爆機(jī)器人的國(guó)家，在21世紀(jì)以來其最具代表性的產(chǎn)品為MK6，它是一種重型EOD機(jī)器人，配有兩種手臂中的任何一種：一種用于普通操作；另一種用于高精度和靈巧的操作。機(jī)器人由輪子或連接在輪子上的模塊化軌道驅(qū)動(dòng)，并且該機(jī)器人配備一個(gè)平行的夾持器，用于處理炸藥和可疑包裹。并且該機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中提出了不同的端部執(zhí)行器，但沒有一個(gè)快速的夾持器更換系統(tǒng)，所以在面對(duì)不同危險(xiǎn)物時(shí)，需要使用不同的夾持器時(shí)，機(jī)器人需要返回控制底座來更換夾持器。以及英國(guó)后續(xù)所設(shè)計(jì)的野牛機(jī)器人，它是一個(gè)四輪驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，用于爆炸物檢查和處置。該機(jī)器人由一個(gè)直流電機(jī)為車輛兩側(cè)的車輪供電。肩關(guān)節(jié)由一個(gè)包括線性執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，因此在承載方面，有效載荷能力非常高。與其他重型EOD機(jī)器人相比，野牛的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，這一事實(shí)帶來了魯棒性和可靠性的優(yōu)勢(shì)。然而，由于機(jī)械臂設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性，野牛在處理和操縱炸藥方面的EOD能力比它的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手要少，后者具有更高的自由度，野牛的機(jī)械手是控制在聯(lián)合空間與一個(gè)遙控處理單元，包括液晶顯示器。圖1-5MK6和野牛排爆機(jī)器人隨著恐怖事件的數(shù)量增加，各個(gè)國(guó)家對(duì)于反恐排爆事業(yè)都投入了大量的人力和物力，并且投入高精尖人才到研究和應(yīng)用排爆機(jī)器人的領(lǐng)域中，因此對(duì)于排爆機(jī)器人的機(jī)械臂部分的研究會(huì)逐漸趨于智能化、精確化的方向前進(jìn)。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)對(duì)于反恐排爆領(lǐng)域的研發(fā)投入處于相對(duì)落后，故關(guān)于排爆機(jī)器人的研發(fā)工作也就隨之相對(duì)滯后，但是后續(xù)的發(fā)展和進(jìn)展十分迅速。隨著新時(shí)代的背景，工業(yè)4.0的工業(yè)時(shí)代背景提出，中國(guó)制造業(yè)也同樣迎來全新的階段，機(jī)器人的研發(fā)和應(yīng)用需要在不同領(lǐng)域進(jìn)行，比如軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。故在21世紀(jì)我國(guó)也同樣將迎來全速前進(jìn)的智能化機(jī)械生產(chǎn)發(fā)展中，進(jìn)入排爆機(jī)器人發(fā)展的黃金時(shí)代。然而相比起國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)的技術(shù)水平和規(guī)范的操作流程，我國(guó)在這一模塊的研發(fā)還是相對(duì)不足的，缺乏自主創(chuàng)新性，資源可重復(fù)利用率低，故經(jīng)濟(jì)成本性增加，由此可得，對(duì)于發(fā)展所需要跨越的鴻溝還是相對(duì)較大，因此任務(wù)相對(duì)還是艱巨。中國(guó)制造2025的提出與實(shí)施后，我國(guó)處于863計(jì)劃階段中，提出模塊化結(jié)構(gòu)的機(jī)器人生產(chǎn)制造。對(duì)于設(shè)計(jì)思想的制定為模塊化，其主要體現(xiàn)在規(guī)劃出一定的功能模塊，從而對(duì)功能、性能、規(guī)格不同化的產(chǎn)品進(jìn)行區(qū)分，然后進(jìn)一步拓展機(jī)器人的功能與所適用的工作范圍，通過拓展快的數(shù)量或種類來實(shí)現(xiàn)。這一設(shè)計(jì)理念與思想可以讓機(jī)器人在特定的工作任務(wù)環(huán)境下選擇其所適合的模塊，從而進(jìn)一步滿足多樣化的市場(chǎng)需求與趨勢(shì)。其原則是提供用戶更多的先進(jìn)、高端的產(chǎn)品選擇基于少量基礎(chǔ)性的產(chǎn)品所實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可以滿足經(jīng)濟(jì)成本性的要求。我國(guó)目前在反恐排爆方面的研究在排爆機(jī)器人上的體現(xiàn)主要在如下，沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所已經(jīng)研發(fā)并應(yīng)用多款、多型號(hào)的排爆機(jī)器人，如“靈蜥-A”、“靈蜥-B”、“靈蜥-H”等。目前，最新研制的“靈蜥-HW”自重700公斤，臂長(zhǎng)2.2米，最大直線速度可達(dá)到40米/分鐘。其配備最新、最先進(jìn)的“復(fù)合式移動(dòng)”，其通過輪、腿、履帶三者有機(jī)結(jié)合的方式組成移動(dòng)模式，可以支持它適應(yīng)樓梯式工作環(huán)境，從而進(jìn)行搜尋工作。該機(jī)器人主要應(yīng)用在公安部門，可代替公安干警對(duì)可疑物體進(jìn)行檢查、搬移、銷毀、拆卸等工作，在經(jīng)濟(jì)成本性以及環(huán)境適應(yīng)能力上與國(guó)外的同類型產(chǎn)品相比均得到極大提升。圖1-6靈蜥-A和靈蜥-HW排爆機(jī)器人“雪豹-10”是我國(guó)航天科工集團(tuán)公司所自主研究的一款排爆機(jī)器人。在工作環(huán)境適應(yīng)性方面，其為適應(yīng)不同地形的工作環(huán)境，通過配置輪履復(fù)合式的車體結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。在工作任務(wù)適應(yīng)性方面，其為適配不同的危險(xiǎn)物尺寸、形狀、大小，配備多款不同類型的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而在工作任務(wù)的過程中可以進(jìn)行快速換末端執(zhí)行器來適配多種工作任務(wù)。最新款“雪豹-50”在控制系統(tǒng)方面也進(jìn)行了提升，可以在車體傾斜的情況下進(jìn)行工作任務(wù)，并且在輪履復(fù)合式機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，輪胎可拆卸式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其提高了方便性。圖1-7雪豹-50排爆機(jī)器人1.2.3發(fā)展趨勢(shì)排爆機(jī)器人所需要適應(yīng)和工作的地形與環(huán)境趨于復(fù)雜性和多樣性兩個(gè)特點(diǎn)，因此排爆機(jī)器人在設(shè)計(jì)的過程中需要具備輕巧性、靈活性的特點(diǎn)，以便于具備識(shí)別危險(xiǎn)物的同時(shí)主動(dòng)避開障礙物從而精確抓取危險(xiǎn)物，這就意味著排爆機(jī)器人在機(jī)械臂部分的設(shè)計(jì)將趨于智能化、模塊化的設(shè)計(jì)理念前進(jìn)。針對(duì)本課題中所研究的機(jī)械臂方面設(shè)計(jì)，考慮到機(jī)械臂需要趨于輕便化、靈敏化。根據(jù)實(shí)際具體工作情況進(jìn)行分析，當(dāng)排爆機(jī)器人進(jìn)入工作任務(wù)環(huán)境內(nèi)，避開障礙物并達(dá)到可疑危險(xiǎn)物附近時(shí)，排爆機(jī)器人需要具備一只運(yùn)動(dòng)快速、精確的機(jī)械臂對(duì)危險(xiǎn)物進(jìn)行快速識(shí)別與抓取的動(dòng)作。因此，本課題在設(shè)計(jì)的過程中對(duì)于材料的選擇融入質(zhì)量輕、剛度高的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中融合反應(yīng)快、運(yùn)動(dòng)精確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1.3本文主要研究?jī)?nèi)容本文介紹排爆機(jī)器人的設(shè)計(jì)目的與意義后，對(duì)其進(jìn)行前景分析，以及得出國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展的趨勢(shì)，可以清楚的了解到排爆機(jī)器人擁有廣闊的應(yīng)用前景，本課題針對(duì)排爆機(jī)器人相關(guān)技術(shù)展開研究，設(shè)計(jì)出一款四軸移動(dòng)排爆機(jī)器人，針對(duì)其機(jī)械臂部分的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及自平衡裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和原理分析，另外對(duì)于排爆機(jī)械臂的控制系統(tǒng)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，本文按章節(jié)研究?jī)?nèi)容分布主要如下：第一章對(duì)排爆機(jī)器人的研究背景進(jìn)行調(diào)查，明確其研究的重大意義，并對(duì)國(guó)內(nèi)外排爆機(jī)器人相關(guān)技術(shù)展開研究，以及對(duì)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了解。第二章對(duì)排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手的總體方案進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，根據(jù)排爆機(jī)器人設(shè)計(jì)的主要參數(shù)和運(yùn)動(dòng)要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、材料等方案確定，以及對(duì)機(jī)械臂整體經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行分析。第三章對(duì)排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手的基座進(jìn)行具體設(shè)計(jì)分析，對(duì)基座部分腰關(guān)節(jié)進(jìn)行減速機(jī)和電機(jī)的選型，并且對(duì)于關(guān)鍵零部件如蝸輪蝸桿進(jìn)行強(qiáng)度校核，從計(jì)算的角度出發(fā)確保機(jī)械臂的強(qiáng)度符合要求。第四章對(duì)排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手的大臂進(jìn)行具體設(shè)計(jì)分析，其中大臂部分包含肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，分別驅(qū)動(dòng)大臂和小臂的運(yùn)動(dòng)，對(duì)其減速機(jī)和電機(jī)的選型進(jìn)行具體計(jì)算。第五章對(duì)排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手的小臂進(jìn)行具體設(shè)計(jì)分析，小臂部分存在腕關(guān)節(jié)的減速機(jī)和電機(jī)選型，驅(qū)動(dòng)小臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)多方位多角度抓取危險(xiǎn)物。第六章對(duì)排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行具體分析，對(duì)其減速機(jī)和電機(jī)選型進(jìn)行計(jì)算，以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要滿足自鎖的條件，并且考慮到抓取不同尺寸、形態(tài)的危險(xiǎn)物的現(xiàn)實(shí)情況，進(jìn)行末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。第七章對(duì)排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手的自平衡裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過所需要實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)目的進(jìn)行相關(guān)裝置的選型，以及對(duì)實(shí)際工作情況進(jìn)行分析。第八章對(duì)排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。第2章排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)2.1預(yù)期設(shè)計(jì)和參數(shù)要求2.1.1主要設(shè)計(jì)及預(yù)期設(shè)計(jì)結(jié)果本文主要針對(duì)排爆機(jī)器人的機(jī)械臂部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文中機(jī)械臂需要由排爆機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)到達(dá)可疑危險(xiǎn)物附近，通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和末端執(zhí)行裝置手爪的閉合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)物的抓取工作任務(wù)。預(yù)期設(shè)計(jì)排爆機(jī)械臂是基于其工作空間和工作任務(wù)狀況才能進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于機(jī)械臂部分是搭建在排爆機(jī)器人的車身上，通過移動(dòng)平臺(tái)的尺寸和工作任務(wù)中實(shí)際需要抓取危險(xiǎn)物的最大臂長(zhǎng)來對(duì)機(jī)械臂大小臂的尺寸及旋轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，在設(shè)計(jì)的過程中根據(jù)機(jī)械臂所需要夾持危險(xiǎn)物的最大重量進(jìn)行結(jié)構(gòu)和材料的選擇。2.1.2主要參數(shù)要求本設(shè)計(jì)擬完成排爆機(jī)械臂滿足設(shè)計(jì)要求的參數(shù)包括最大負(fù)載，機(jī)械臂最大伸長(zhǎng)量。故根據(jù)排爆機(jī)械臂所需要具備的許多工作上的要求，結(jié)合到移動(dòng)平臺(tái)的尺寸，最終設(shè)計(jì)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的指標(biāo)參數(shù)如下表2-1。表2-1機(jī)械臂機(jī)構(gòu)指標(biāo)參數(shù)指標(biāo)類型指標(biāo)項(xiàng)目參數(shù)要求結(jié)構(gòu)類型自由度數(shù)4結(jié)構(gòu)要求腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)肩部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)肘部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)手爪開合幅度移動(dòng)平臺(tái)尺寸360度210度210度360度0-100mm1200*1050*1000mm載荷要求機(jī)械手爪夾持重量不超過30kg2.2排爆機(jī)械臂結(jié)構(gòu)方案確定排爆機(jī)械臂的總體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。它具有自平衡裝置、基座、機(jī)械大臂、機(jī)械小臂、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)。自平衡裝置1是為了平衡機(jī)械臂在抓取危險(xiǎn)物時(shí)所產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)力矩而設(shè)計(jì)，基于自平衡裝置平臺(tái)搭建，其放置平衡塊和電動(dòng)推桿?；?是搭建機(jī)械臂的平臺(tái)，用于固定在自平衡裝置平臺(tái)上，其由機(jī)箱組成，通過腰關(guān)節(jié)來帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂座3的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)大臂4旋轉(zhuǎn)。機(jī)械大臂是安裝在基座的驅(qū)動(dòng)臂座3上的，通過肩關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂進(jìn)行大范圍的仰視和俯視動(dòng)作。機(jī)械小臂5是通過小臂底座6與大臂4相連接，通過肘關(guān)節(jié)帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)的方式帶動(dòng)小臂基座6的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而機(jī)械臂進(jìn)行小范圍的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。機(jī)械小臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)7是以手爪張開閉合的方式來抓取可疑危險(xiǎn)物，手爪的運(yùn)動(dòng)是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸來實(shí)現(xiàn)齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。75643217564321圖2-1排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手整體三維圖（圖中1為自平衡裝置，2為基座，3為驅(qū)動(dòng)臂座，4為大臂，5為小臂，6為小臂底座，7為末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)）2.3排爆機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案確定綜合上方結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)指標(biāo)項(xiàng)目及參數(shù)要求，對(duì)本文所設(shè)計(jì)的排爆機(jī)器人機(jī)械臂做以下構(gòu)思。1.驅(qū)動(dòng)方式在對(duì)進(jìn)行針對(duì)性工作任務(wù)的機(jī)器人考慮如下三種驅(qū)動(dòng)方式，如電、液、氣。在選擇驅(qū)動(dòng)方式的時(shí)候，需要考量到的因素有效率、負(fù)載、精度等。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)一般在精度要求高的工業(yè)機(jī)器人中采用，但對(duì)負(fù)載的要求并不高；液壓驅(qū)動(dòng)最顯著的特點(diǎn)是對(duì)所配備設(shè)備的負(fù)載范圍大，從而經(jīng)常使用在大型負(fù)載設(shè)備上，但不適合精密的機(jī)器人；氣動(dòng)是所能配備的工業(yè)機(jī)器人所需負(fù)載小，但其具備成本低的特點(diǎn)。針對(duì)本文中所涉及的排爆機(jī)器人機(jī)械臂，所需要實(shí)現(xiàn)的工作任務(wù)為快速、準(zhǔn)確抓取危險(xiǎn)物，并對(duì)危險(xiǎn)物進(jìn)行轉(zhuǎn)移，因此選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)最為合適。2.電機(jī)選擇在對(duì)驅(qū)動(dòng)方式制定為電機(jī)驅(qū)動(dòng)后，本模塊針對(duì)步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)進(jìn)行選擇。首先，在危險(xiǎn)物搬運(yùn)的過程中，考慮到危險(xiǎn)物的不穩(wěn)定性，需要保持機(jī)械臂全程移動(dòng)的低速平穩(wěn)性。在這方面，伺服電機(jī)在低速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)不容易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，而步進(jìn)電機(jī)容易在低速情況下出現(xiàn)振動(dòng)的情況；其次，在對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的過程中需要對(duì)其速度、轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制，以至于實(shí)現(xiàn)靈巧、精確的抓取危險(xiǎn)物的目的。控制系統(tǒng)通過PLC對(duì)本課題中關(guān)節(jié)處所使用的的伺服電機(jī)進(jìn)行脈沖數(shù)量和頻率的控制，可以實(shí)現(xiàn)這一目的；最后，考慮到本課題所設(shè)計(jì)的排爆機(jī)器人整體設(shè)計(jì)過程中，需要保持機(jī)械臂的自平衡安裝自平衡裝置，在實(shí)現(xiàn)自平衡過程中，需要對(duì)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)平衡塊的移動(dòng)。在這個(gè)情況下，伺服電機(jī)的閉環(huán)反饋控制所具備的編碼器可以檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)的角度，可以對(duì)電機(jī)軸所旋轉(zhuǎn)的角度進(jìn)行反饋，得知目標(biāo)旋轉(zhuǎn)的額角度，從而進(jìn)行高精度的位置控制。3.機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選擇針對(duì)科技時(shí)代特種機(jī)器人所要滿足率的基本條件為系統(tǒng)化、模塊化。本文中機(jī)械臂采用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)、末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)、自平衡裝置為單位設(shè)計(jì)。其中末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)可與根據(jù)危險(xiǎn)物的尺寸、大小等因素而更換套殼。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)傳遞和調(diào)速主要是通過不同關(guān)節(jié)之間的相互配合實(shí)現(xiàn)的。4.材料選擇在排爆機(jī)器人探測(cè)危險(xiǎn)物的過程中，需要輕量化機(jī)械手臂，從而提升機(jī)械臂整個(gè)運(yùn)動(dòng)工作效率，并且在抓取危險(xiǎn)的工作任務(wù)重，需要保證機(jī)械臂的硬度、剛度達(dá)到要求。另外，針對(duì)可持續(xù)發(fā)展的生產(chǎn)理念，建立綠色生產(chǎn)化的工業(yè)流程，因此采用綠色材料、可降解的材料進(jìn)入生產(chǎn)加工中，增加綠色材料的使用占比。故在本文中的機(jī)械臂采用6061鋁合金，其在航空等領(lǐng)域的機(jī)械手臂較為常用。在對(duì)關(guān)節(jié)、軸等部位的齒輪等零件需要采用45#鋼，并進(jìn)行熱處理過后，達(dá)到所需的強(qiáng)度與剛度。5.傳感器的選擇本課題中排爆機(jī)械臂的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要手爪張開距離和可疑危險(xiǎn)物重量進(jìn)行檢測(cè)，選用壓敏傳感器和紅外測(cè)距傳感器；機(jī)械臂關(guān)節(jié)處需要對(duì)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角和位移進(jìn)行檢測(cè)，采用電位計(jì)；以及機(jī)械臂末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置與目標(biāo)危險(xiǎn)物之間的距離和位置關(guān)系進(jìn)行反饋檢測(cè)，選用激光測(cè)距傳感器和攝像頭；自平衡裝置對(duì)平衡塊所位移距離進(jìn)行檢測(cè)，選用激光位移傳感器。從而在下表2-2中對(duì)所涉及被測(cè)量進(jìn)行傳感器的選擇表2-2機(jī)械臂傳感器選擇傳感器類型型號(hào)型號(hào)參數(shù)壓敏傳感器LFC-15-A3+ZL-701測(cè)量范圍：300-100kg檢測(cè)精度：0.5%紅外測(cè)距傳感器HC-SR04測(cè)量范圍：20mm-4000mm檢測(cè)精度：3mm電位計(jì)REXA-P00694線性度：±1%分辨率：A/D激光測(cè)距傳感器BX-LV400N/R測(cè)量中心距離：400mm測(cè)量范圍：±200mm檢測(cè)精度：0.07mm激光位移傳感器HG-C1400測(cè)量中心距離：400mm測(cè)量范圍：±200mm檢測(cè)精度：0.08mm2.4排爆機(jī)械臂的工作原理本課題所完成設(shè)計(jì)工作為排爆機(jī)器人的兩個(gè)模塊：排爆機(jī)器人的機(jī)械臂以及自平衡裝置部分。其中機(jī)械臂主體結(jié)構(gòu)分為基座、機(jī)械大臂、機(jī)械小臂和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自平衡裝置結(jié)構(gòu)由電動(dòng)推桿和平衡塊組成，排爆機(jī)器人的系統(tǒng)框架如圖所示，該圖通過流程圖2-2的方式表達(dá)各關(guān)節(jié)之間的組成關(guān)系和相互聯(lián)系以及自平衡裝置與排爆機(jī)器人機(jī)械臂部分的關(guān)系。圖2-2排爆機(jī)器人工作原理流程圖從圖中可以得出，本課題的排爆機(jī)器人機(jī)械臂部分通過伺服電機(jī)控制其機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過人機(jī)界面發(fā)送相應(yīng)的控制指令，送達(dá)至排爆機(jī)器人機(jī)械臂部分的控制系統(tǒng)，從而驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，從而使機(jī)械臂的工作空間到達(dá)可疑危險(xiǎn)物的范圍內(nèi)。并且在機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，根據(jù)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)手爪力傳感器所傳回危險(xiǎn)物的重量，進(jìn)行對(duì)自平衡裝置的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)自平衡部分的電動(dòng)推桿推動(dòng)平衡塊，可對(duì)機(jī)械臂部分所產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)力矩進(jìn)行平衡，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)排爆機(jī)器人機(jī)械手的抓取任務(wù)與平衡。2.5排爆機(jī)械臂經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)在排爆機(jī)器人的真正實(shí)際應(yīng)用中，生產(chǎn)成本一直是一個(gè)難題，在對(duì)排爆機(jī)械臂進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，不僅需要產(chǎn)品滿足并符合各項(xiàng)加工要求與生產(chǎn)指標(biāo)，如耐用度、精度，更需要降低結(jié)構(gòu)方面的成本，從而滿足經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。在機(jī)械生產(chǎn)設(shè)計(jì)與加工的過程中，對(duì)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的定義是當(dāng)生產(chǎn)一種機(jī)械產(chǎn)品所需要花費(fèi)的總成本高低，所謂經(jīng)濟(jì)性好，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)高就是對(duì)應(yīng)生產(chǎn)成本低。在滿足本課題目的通過排爆平衡式機(jī)械手抓取危險(xiǎn)物，并保持自平衡的前提下，分別對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行生產(chǎn)成本降低，提高經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的要求。減速機(jī)方面：機(jī)械臂部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，將機(jī)構(gòu)減重實(shí)現(xiàn)輕量化。減速機(jī)選擇的時(shí)候通過比較市面上機(jī)械臂所常用的減速機(jī)類型，比如RV減速機(jī)、諧波減速機(jī)、擺線針輪減速機(jī)、行星減速機(jī)等。本文中在基座和小臂部分均采用精密行星減速機(jī)，此選擇不僅可以滿足本文中所采用的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)，還可以達(dá)到其他減速機(jī)，如諧波減速機(jī)、擺線針輪減速機(jī)，所實(shí)現(xiàn)的高精度等級(jí)。這一選擇還可以有效降低在本課題中傳動(dòng)部分的成本。傳感器方面：本文中機(jī)械臂需要對(duì)不同關(guān)節(jié)位置的測(cè)量通過對(duì)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于這一部分傳感器的選擇通常包含絕對(duì)型旋轉(zhuǎn)光電編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器和電位計(jì)等。為滿足機(jī)械臂輕量化的需求以及經(jīng)濟(jì)性的要求，選用成本低的電位計(jì)來進(jìn)行關(guān)節(jié)的位置測(cè)量，其可以滿足本文中對(duì)不同關(guān)節(jié)的絕對(duì)角度信息得知的要求。關(guān)節(jié)數(shù)量方面：本文中通過四個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，所實(shí)現(xiàn)4自由度的運(yùn)動(dòng)效果。雖然相比起市面上常見的六軸機(jī)械臂在靈活性方面降低一定要求，但依舊可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際工作任務(wù)中絕大多數(shù)的運(yùn)動(dòng)要求。與此同時(shí)，對(duì)于關(guān)節(jié)數(shù)目的減少可以降低制造機(jī)械臂時(shí)的經(jīng)濟(jì)成本，并且考慮到機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)空間時(shí)，對(duì)機(jī)械臂設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的難度降低。關(guān)節(jié)數(shù)的確定可以有效降低本課題中制造部分的成本。材料方面：材料方面的選擇不僅需要滿足在實(shí)際工作中的強(qiáng)度與剛度要求，還需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的輕量化，從而減少機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中的能量消耗、提高機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)速度，從而提高工作效率。在綜合比較機(jī)械臂所常見材料如鋼、鑄鐵、鋁合金等，最終選擇鋁合金6061材料，滿足其輕量化和經(jīng)濟(jì)性的要求。生產(chǎn)方案方面：在機(jī)械臂實(shí)際生產(chǎn)加工的過程中，對(duì)其所進(jìn)行的生產(chǎn)加工流程也需要進(jìn)行設(shè)計(jì)與改善，本文中機(jī)械臂在加工與管理的流程中采用六西格瑪管理方法，可以對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行提高。通過DMAIC模型對(duì)機(jī)械手的生產(chǎn)因子進(jìn)行追蹤與找出，進(jìn)一步通過改良關(guān)鍵因子提高經(jīng)濟(jì)性要求，來對(duì)生產(chǎn)成本進(jìn)行相應(yīng)控制。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的選擇：由于可疑危險(xiǎn)物在尺寸、大小、形狀方面存在差異，對(duì)于末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的多樣性與適應(yīng)性要求較高。市面上這一塊的處理普遍是更換末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的整個(gè)模型來實(shí)現(xiàn)這一目的，本文中通過改變末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的套殼形狀來盡可能滿足抓取可疑危險(xiǎn)物的現(xiàn)實(shí)要求，這一創(chuàng)新性大大降低生產(chǎn)成本。第3章排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手基座設(shè)計(jì)3.1基座的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 基座部分主要有固定在移動(dòng)平臺(tái)的底座、驅(qū)動(dòng)大臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的腰關(guān)節(jié)以及連接大臂的驅(qū)動(dòng)臂座組成。3.2腰關(guān)節(jié)減速機(jī)和電機(jī)選擇3.2.1腰關(guān)節(jié)減速機(jī)選擇腰關(guān)節(jié)主要為了實(shí)現(xiàn)排爆機(jī)器人整體機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于機(jī)械臂關(guān)節(jié)處的減速機(jī)選擇，可從RV減速機(jī)、行星減速機(jī)和蝸輪蝸桿減速機(jī)來設(shè)計(jì)。針對(duì)三種減速機(jī)的特點(diǎn)介紹進(jìn)行不同關(guān)節(jié)具體的選擇。RV減速機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、定位精度高且減速比大，與此同時(shí)具備高疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命的特性。相比較傳統(tǒng)的諧波減速機(jī)，其運(yùn)動(dòng)精度無法隨著時(shí)間的變化而保持一個(gè)較高的范圍，經(jīng)常處于下降趨勢(shì)，但生產(chǎn)成本較高。蝸輪蝸桿減速機(jī)是進(jìn)行動(dòng)力傳遞的機(jī)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是蝸輪蝸桿的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以滿足自鎖的條件，以及反向自鎖，并且傳動(dòng)平穩(wěn)、減速比大，但在精度和效率方面存在缺陷。行星減速機(jī)具有精度高、輸出扭矩大、使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。本文中腰關(guān)節(jié)需要傳遞較大扭矩，并且本課題要求具備高精度的特點(diǎn)，與此同時(shí)需要自鎖，故腰關(guān)節(jié)處的減速機(jī)選擇雙重減速機(jī)通過選用行星減速機(jī)和蝸輪蝸桿組合。下文中其他關(guān)節(jié)的減速機(jī)選擇也是類似。腰關(guān)節(jié)的雙重減速機(jī)可以保證機(jī)械臂從其底部實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的精準(zhǔn)定位，有利排爆機(jī)器人的機(jī)械手臂可以更加準(zhǔn)確地探測(cè)到車體所不能達(dá)到的危險(xiǎn)物位置，且快速、精準(zhǔn)地回轉(zhuǎn)手臂。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，底座分為倆個(gè)主要結(jié)構(gòu)，底座下部和底座上部，將底座分解為倆部分的原因是便于安裝伺服電動(dòng)機(jī)和減速器。主要的運(yùn)動(dòng)步驟為伺服電機(jī)1帶動(dòng)行星減速機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)，隨后蝸桿3旋轉(zhuǎn)，然后再通過渦輪4傳動(dòng)，渦輪4帶動(dòng)動(dòng)力輸出軸5的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)臂座6與渦輪4的動(dòng)力輸出軸5相互連接，從而使得機(jī)械臂發(fā)生整體的轉(zhuǎn)動(dòng)。654231654231圖3-2排爆機(jī)器人基座腰關(guān)節(jié)（圖中1為伺服電機(jī)，2為行星減速機(jī)，3為蝸桿，4為渦輪，5為動(dòng)力輸出軸，6為驅(qū)動(dòng)臂座）3.2.2腰關(guān)節(jié)電機(jī)選擇圖3-3腰關(guān)節(jié)機(jī)械簡(jiǎn)圖排爆機(jī)器人機(jī)械臂繞著J1即底座腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾持危險(xiǎn)物重量為，危險(xiǎn)物重心距離J1軸的長(zhǎng)度為，機(jī)械臂的自身重量，機(jī)械臂重心距離J1軸的長(zhǎng)度為。機(jī)械臂基座需要克服機(jī)械臂自重、危險(xiǎn)物在水平伸直時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，即：其中，為腰關(guān)節(jié)電機(jī)所需力矩，為機(jī)械臂自重所產(chǎn)生的慣性力矩，為危險(xiǎn)物所產(chǎn)生的的慣性力矩。由力矩計(jì)算公式： (3-1)可以得知需要對(duì)機(jī)械臂和危險(xiǎn)物所具有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)機(jī)械臂水平方向伸長(zhǎng)到最長(zhǎng)距離時(shí)，可以得到其所具備最大的慣性矩。本文中末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)所能抓取最大負(fù)載為30kg，機(jī)械臂最大伸長(zhǎng)長(zhǎng)度為1.5m，機(jī)械手爪所能張開的最大開合距離為0.1m。故假設(shè)所抓取危險(xiǎn)物為半徑為，長(zhǎng)度0.1m的圓柱體，其質(zhì)量為，與腰關(guān)節(jié)的距離為，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量平移公式可得到危險(xiǎn)物對(duì)J1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (3-2)在計(jì)算機(jī)械臂自重所產(chǎn)生的的關(guān)系力矩時(shí)，采用SolidWorks進(jìn)行屬性計(jì)算機(jī)械臂對(duì)腰關(guān)節(jié)處所產(chǎn)生的的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，得到。由于需要保證腰關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)精確且快速，此處取腰關(guān)節(jié)的角加速度，則腰關(guān)節(jié)處電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為：腰關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)通過蝸輪減速機(jī)和行星減速機(jī)組合和聯(lián)軸器來控制J1軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)所需要滿足的轉(zhuǎn)矩為基座腰關(guān)節(jié)選用減速比的蝸輪蝸桿減速器，減速比行星減速器ZE40，并且行星減速機(jī)與蝸輪蝸桿減速器的總傳動(dòng)效率為，則腰關(guān)節(jié)的電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為保證J1軸處有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩，所選用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該按所需轉(zhuǎn)矩的1.3至1.5倍計(jì)算，即根據(jù)課題要求，基座腰關(guān)節(jié)的回轉(zhuǎn)速度為由電機(jī)功率計(jì)算公式： (3-3)得腰關(guān)節(jié)電機(jī)所需功率為對(duì)腰關(guān)節(jié)處的電機(jī)功率進(jìn)行圓取整為200w。機(jī)械手臂腰關(guān)節(jié)需要實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂由底座旋轉(zhuǎn)臺(tái)驅(qū)動(dòng)繞其轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，最大轉(zhuǎn)動(dòng)幅度QUOTE360°。機(jī)械臂腰關(guān)節(jié)部分的減速結(jié)構(gòu)采用蝸輪減速機(jī)和行星減速機(jī)組成的雙重減速機(jī)，具有較高的減速比，與此同時(shí)，此處采用的伺服電機(jī)可控制的最小回轉(zhuǎn)角度位1°，即腰關(guān)節(jié)的最小分辨率為0.001°，由此特性可以滿足排爆機(jī)器人在窄小的工作任務(wù)空間內(nèi)進(jìn)行活動(dòng)且準(zhǔn)確地驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂，從而提高排爆機(jī)器人對(duì)車身無法探測(cè)工作空間內(nèi)進(jìn)行更深入地檢測(cè)危險(xiǎn)物。通過機(jī)械臂所需要工作的任務(wù)空間與過程中可以發(fā)現(xiàn)，由于機(jī)械臂需要運(yùn)動(dòng)到所需要的工作平面，這個(gè)工作平面往往是與工作平面相同。從而，在同平面內(nèi)進(jìn)行任務(wù)，腰關(guān)節(jié)只起到對(duì)對(duì)整個(gè)機(jī)械臂的支撐作用以及當(dāng)抓取危險(xiǎn)物時(shí)相關(guān)定位，而不進(jìn)行其他的旋轉(zhuǎn)任務(wù)。鑒于腰關(guān)節(jié)連接基座和機(jī)械臂，在抓取最大重量危險(xiǎn)物時(shí)持續(xù)進(jìn)行任務(wù)，只會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)存在過載的現(xiàn)象，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用時(shí)候無需與最大功率需求相符合，可以通過電機(jī)短時(shí)過載的特性進(jìn)行合理選用。根據(jù)安川伺服電機(jī)7系列選型，綜合樣本選擇SGM7A-02A表3-1SGM7A-02A電機(jī)型號(hào)參數(shù)型號(hào)三相相電壓額定轉(zhuǎn)速額定功率QUOTE靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量QUOTE額定電流ASGM7A-02A20030000.2kw0.63712.36.43.3蝸輪蝸桿強(qiáng)度校核圖3-4蝸輪蝸桿三維圖本章中蝸輪蝸桿用于機(jī)械臂大范圍旋轉(zhuǎn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過計(jì)算的方法進(jìn)行強(qiáng)度校核。1、蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩，根據(jù)GB/T10085-2018推薦，采取漸開線蝸桿（ZI）。2、考慮到蝸桿傳動(dòng)功率不大，速度不高，故蝸桿選用45鋼；希望傳動(dòng)效率高，耐磨性好，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度45-55HRC。蝸輪用鑄錫青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造，輪芯則采用灰鑄鐵HT100制造。3、按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)：按照閉式蝸桿傳動(dòng)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，傳動(dòng)中心距 (3-4)（1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩按照，估計(jì)效率則 (3-5)（2）確定載荷系數(shù)K假設(shè)工作載荷穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)QUOTE，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11-5選取使用系數(shù)QUOTE，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載荷系數(shù)QUOTE (3-6)（3）確定蝸輪齒數(shù) (3-7)（4）確定許用接觸應(yīng)力根據(jù)鑄錫青銅ZCuSn10P10，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度QUOTE≥45HRC，從《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11-7中查得渦輪基本許用應(yīng)力QUOTE應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，其中為工作壽命，假設(shè)渦輪一天工作16個(gè)小時(shí)，一年工作300天，總共工作16年， (3-8)壽命系數(shù) (3-9)得到 (3-10)（5）計(jì)算值因故從《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11-1中取模數(shù)，蝸桿分度圓直徑4.蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸（1）中心距(3-11)（2）蝸桿分度圓直徑，齒頂圓直徑，齒根圓直徑，齒寬，分度圓導(dǎo)程角。（3）蝸輪蝸輪分度圓直徑QUOTEd2=mz2蝸輪喉圓直徑QUOTEd蝸輪外圓直徑QUOTEde2≤da2蝸輪齒根圓直徑d蝸輪咽喉母圓半徑QUOTEr5.齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核根據(jù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表11-8中可查得齒形系數(shù)取QUOTE螺旋角系數(shù)許用彎曲應(yīng)力QUOTE查表11-8由ZCuSn10P1制造蝸輪基本許用彎曲應(yīng)力為壽命系數(shù)故QUOTE由上式可得故彎曲強(qiáng)度滿足。6.主要設(shè)計(jì)結(jié)論模數(shù)，蝸桿直徑，蝸桿頭數(shù)。蝸桿使用#45鋼，齒面淬火；蝸輪使用ZCuSn10P1，金屬模鑄造。第4章排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手大臂設(shè)計(jì)4.1大臂的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其中大臂方面的設(shè)計(jì)，主要用來連接機(jī)械臂第二關(guān)節(jié)（肩關(guān)節(jié)）和第三關(guān)節(jié)（肘關(guān)節(jié)），為了增大機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)工作空間，其大臂的尺寸盡可能大一些，另外，為減輕機(jī)械臂負(fù)載，大臂采用中空的結(jié)構(gòu)，為加強(qiáng)大臂的強(qiáng)度，大臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。4.2肩關(guān)節(jié)減速機(jī)和電機(jī)選型4.2.1肩關(guān)節(jié)減速機(jī)選擇肩關(guān)節(jié)主要是使排爆機(jī)器人大臂轉(zhuǎn)動(dòng)，即排爆機(jī)械臂大范圍的仰視和俯視。文中采取的肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖4-2示，在實(shí)際抓取危險(xiǎn)物的過程中，肩關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械臂大臂處的擺動(dòng)，從而與能否成功抓取危險(xiǎn)物起到重要作用，故對(duì)肩關(guān)節(jié)對(duì)大臂轉(zhuǎn)動(dòng)的要求高，需要對(duì)此位置有高精度的定位與控制。因此在動(dòng)力系統(tǒng)傳動(dòng)過程中采用了行星減速機(jī)和蝸輪蝸桿的雙重減速機(jī)，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、扭矩大、定位精度高且減速比大，與此同時(shí)具備高疲勞強(qiáng)度、剛度和壽命的特性。相比較傳統(tǒng)的諧波減速機(jī)，其運(yùn)動(dòng)精度無法隨著時(shí)間的變化而保持一個(gè)較高的范圍，經(jīng)常處于下降趨勢(shì)。因此與本文中排爆機(jī)器人的所需要具備的要求與特點(diǎn)截然不同。本文所采取的的雙重減速機(jī)構(gòu)，在保證大減速比的前提下，還可以將傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)誤差明顯降低，從而使得機(jī)械臂大臂處的精度大大提升，為機(jī)械手臂定位性能進(jìn)一步提升。肩關(guān)節(jié)帶動(dòng)大臂的運(yùn)動(dòng)流程為：伺服電機(jī)1轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)行星減速機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)，從而蝸桿3旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步帶動(dòng)渦輪4的運(yùn)動(dòng)，渦輪4和動(dòng)力輸出軸5相連，動(dòng)力輸出軸5轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大臂6進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)大臂的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。654321654321圖4-2排爆機(jī)器人大臂肩關(guān)節(jié)（圖中1為伺服電機(jī)，2為行星減速機(jī)，3為蝸桿，4為渦輪，5為動(dòng)力輸出軸，6為大臂）4.2.2肩關(guān)節(jié)電機(jī)選擇圖4-3肩關(guān)節(jié)機(jī)械簡(jiǎn)圖排爆機(jī)器人機(jī)械大臂繞著J2軸即肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾持危險(xiǎn)物重量為，危險(xiǎn)物重心距離J2軸的長(zhǎng)度為，機(jī)械臂的自身重量，機(jī)械臂重心距離J2軸的長(zhǎng)度為。故危險(xiǎn)物和機(jī)械臂自身對(duì)轉(zhuǎn)軸J2所產(chǎn)生的的力矩為：肩關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)通過RV減速機(jī)和聯(lián)軸器來控制J2軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)所需要滿足的轉(zhuǎn)矩為大臂肩關(guān)節(jié)選用減速比的蝸輪蝸桿減速器，減速比行星減速機(jī)ZE110，并且雙重減速機(jī)的總傳動(dòng)效率為，則肘關(guān)節(jié)的電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為保證J2軸處有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩，所選用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該按所需轉(zhuǎn)矩的1.3至1.5倍計(jì)算，即在大臂處的肩關(guān)節(jié)所受的扭矩最大，電機(jī)的額定扭矩需求最大，為使其保持穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，將其旋轉(zhuǎn)速度定為肩關(guān)節(jié)電機(jī)所需功率為對(duì)肩關(guān)節(jié)處的電機(jī)功率進(jìn)行圓取整為750w。根據(jù)安川伺服電機(jī)7系列選型，綜合樣本選擇SGM7A-08A表4-1SGM7A-08A電機(jī)型號(hào)參數(shù)型號(hào)三相相電壓額定轉(zhuǎn)速額定功率QUOTE靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量QUOTE額定電流ASGM7A-08A20030000.75kw2.3912.36.44.3肘關(guān)節(jié)減速機(jī)和電機(jī)選型4.3.1肘關(guān)節(jié)減速機(jī)選擇肘關(guān)節(jié)主要是使排爆機(jī)器人小臂轉(zhuǎn)動(dòng)，即排爆機(jī)械臂小范圍的仰視和俯視。本文中肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖4-4所示，肘關(guān)節(jié)主要需要起到帶動(dòng)小臂、手腕、手爪處的質(zhì)量，需要的驅(qū)動(dòng)要求較高，故采用大功率的伺服電機(jī)。為了節(jié)省空間并且滿足減速系統(tǒng)較大的減速比，采用大臂端的行星減速機(jī)和蝸輪蝸桿組成的雙重減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)減速效果，且減速機(jī)輸出端可以具備較大的承載能力。運(yùn)動(dòng)流程：通過伺服電機(jī)1帶動(dòng)行星減速機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)，從而蝸桿3旋轉(zhuǎn)，進(jìn)一步帶動(dòng)渦輪4運(yùn)動(dòng)，渦輪4和動(dòng)力輸出軸5相連，動(dòng)力輸出軸5帶動(dòng)連桿傳動(dòng)軸套6轉(zhuǎn)動(dòng)；通過軸套6和連桿7的固定，連桿7發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小臂底座8隨之發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械小臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。8762153487621534圖4-4排爆機(jī)器人大臂肘關(guān)節(jié)（圖中1為伺服電機(jī)，2為行星減速機(jī)，3為蝸桿，4為渦輪，5為動(dòng)力輸出軸，6為傳動(dòng)軸套，7為連桿，8為小臂底座）114.3.2肘關(guān)節(jié)電機(jī)選擇圖4-5肘關(guān)節(jié)機(jī)械簡(jiǎn)圖排爆機(jī)器人機(jī)械小臂繞著J3軸即肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾持危險(xiǎn)物重量為，危險(xiǎn)物重心距離J3軸的長(zhǎng)度為，機(jī)械小臂的自身重量，機(jī)械小臂重心距離J2軸的長(zhǎng)度為。故危險(xiǎn)物和機(jī)械臂自身對(duì)轉(zhuǎn)軸J3所產(chǎn)生的的力矩為：肘關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)通過RV減速機(jī)和聯(lián)軸器來控制J3軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)所需要滿足的轉(zhuǎn)矩為大臂肘關(guān)節(jié)選用減速比的RV蝸輪蝸桿減速器，減速比行星減速機(jī)ZE110，并且RV減速機(jī)與蝸輪蝸桿減速器的總傳動(dòng)效率為，則肘關(guān)節(jié)的電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為保證J3軸處有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩，所選用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該按所需轉(zhuǎn)矩的1.3至1.5倍計(jì)算，即根據(jù)大臂的受力分析，結(jié)合實(shí)際情況及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將其旋轉(zhuǎn)速度確定為肘關(guān)節(jié)電機(jī)所需功率為對(duì)肘關(guān)節(jié)處的電機(jī)功率進(jìn)行圓取整為450w。根據(jù)安川伺服電機(jī)7系列選型，綜合樣本選擇SGM7A-04A表4-2SGM7A-25A電機(jī)型號(hào)參數(shù)型號(hào)三相相電壓額定轉(zhuǎn)速額定功率QUOTE靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量QUOTE額定電流ASGM7A-25A20030000.45kw1.2712.36.4第5章排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手的小臂設(shè)計(jì)5.1腕關(guān)節(jié)減速機(jī)選擇腕關(guān)節(jié)主要是使排爆機(jī)器人小臂旋轉(zhuǎn)，即可使末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)多角度抓取危險(xiǎn)物。本文中腕關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)如圖所示，手爪的位置與姿態(tài)由腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)來決定。在機(jī)械臂工作過程中，手爪為抓取不同方位的疑似危險(xiǎn)物時(shí)，需要通過手腕的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)快速夾持的動(dòng)作。本文設(shè)計(jì)的腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)所采取的減速機(jī)構(gòu)為行星減速機(jī)和齒輪雙重減速機(jī)構(gòu)，產(chǎn)生較大的減速比。運(yùn)動(dòng)流程主要為：伺服電機(jī)1帶動(dòng)行星減速機(jī)2的輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸與小齒輪3相連，小齒輪3與大齒輪4嚙合，帶動(dòng)大齒輪4的旋轉(zhuǎn)；大齒輪與小臂5之間通過套筒的螺栓連接，實(shí)現(xiàn)小臂5的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。5432154321圖5-1排爆機(jī)器人小臂腕關(guān)節(jié)（圖中1為伺服電機(jī)，2為行星減速機(jī)，3為小齒輪，4為大齒輪，5為小臂）5.2腕關(guān)節(jié)電機(jī)選擇排爆機(jī)器人機(jī)械小臂繞著J4軸即腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。圖5-2腕關(guān)節(jié)機(jī)械簡(jiǎn)圖此處需要考慮末端執(zhí)行裝置所抓取危險(xiǎn)物的重心偏離J4軸的最大距離，需要進(jìn)行假設(shè)危險(xiǎn)物重心所偏離J4軸的距離為；末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾持危險(xiǎn)物重量為，故危險(xiǎn)物J4所產(chǎn)生的的力矩為：腕關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)通過齒輪減速機(jī)和聯(lián)軸器來控制J4軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)所需要滿足的轉(zhuǎn)矩為小臂腕關(guān)節(jié)選用減速比的齒輪減速器，減速比行星輪減速機(jī)ZE160，并且行星輪減速機(jī)與齒輪減速器的總傳動(dòng)效率為，則腕關(guān)節(jié)的電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為保證J4處有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩，所選用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該按所需轉(zhuǎn)矩的1.3至1.5倍計(jì)算，即根據(jù)小臂的受力分析，結(jié)合實(shí)際情況及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將其旋轉(zhuǎn)速度確定為腕關(guān)節(jié)電機(jī)所需功率為對(duì)腕關(guān)節(jié)處的電機(jī)功率進(jìn)行圓取整為50w。根據(jù)安川伺服電機(jī)7系列選型，綜合樣本選擇SGM7A-A5A表5-1SGM7A-A5A電機(jī)型號(hào)參數(shù)型號(hào)三相相電壓額定轉(zhuǎn)速額定功率QUOTE靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量QUOTE額定電流ASGM7A-A5A20030000.05kw0.15912.36.4第6章排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)6.1末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)本文中末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示，由于排爆機(jī)器人末端執(zhí)行用來夾持爆炸物品，需要進(jìn)行較大的工作行程和較穩(wěn)定的抓取，末端執(zhí)行器采用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使得驅(qū)動(dòng)方式更加的簡(jiǎn)便容易，夾爪固定于機(jī)械臂的末端。另外，對(duì)于絕大多數(shù)場(chǎng)合皆有各種探測(cè)設(shè)備的應(yīng)用，比如雙能源照射器、炸彈掃描器等，可以有效地防止在公共場(chǎng)合下存在大型危險(xiǎn)物的情況，因此本文中排爆機(jī)器人主要針對(duì)比較貼近現(xiàn)實(shí)的小型危險(xiǎn)物，通過便攜式的盒子或塑料袋進(jìn)行隱藏，顯著特征為外形尺寸較小，根據(jù)這一現(xiàn)實(shí)條件下的設(shè)計(jì)，此排爆機(jī)器人最小張合距離為零，處于閉合狀態(tài)，最大張合距離為100mm，可以抓取絕大多數(shù)的爆炸物品。6.2末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)減速機(jī)和電機(jī)選型6.2.1末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)減速機(jī)的選擇根據(jù)本文排爆機(jī)器人的任務(wù)工作要求，抓取危險(xiǎn)物的質(zhì)量不超過30kg。末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)的工作流程為，通過伺服電機(jī)1傳遞給傳動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)軸傳遞運(yùn)動(dòng)給小齒輪2，通過小齒輪2和大齒3輪的嚙合，使大齒輪3轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿4的旋轉(zhuǎn)，由于末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)采取的是對(duì)稱式結(jié)構(gòu)，通過兩連桿的方式來連接手爪，并且對(duì)稱側(cè)的齒輪帶動(dòng)，通過大齒輪嚙合來帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。通過電機(jī)控制傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)手爪前端部分鉗口5的開合運(yùn)動(dòng)，針對(duì)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)所攜帶的力傳感器，對(duì)危險(xiǎn)物的重量進(jìn)行檢測(cè)，從而可以合理且準(zhǔn)確的根據(jù)危險(xiǎn)物的大小和重量，控制電機(jī)的力矩，從而末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手爪機(jī)構(gòu)可以提起危險(xiǎn)物。當(dāng)危險(xiǎn)物被提起以后，可以通過電機(jī)同時(shí)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的效果，以至于達(dá)到手爪停止到相對(duì)的物理位置，從而保證了危險(xiǎn)物不掉落，并且后續(xù)轉(zhuǎn)移危險(xiǎn)物的任務(wù)。6.2.2末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇排爆機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過齒輪嚙合帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)張開和閉合動(dòng)作。圖6-3末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械簡(jiǎn)圖此處需要考慮末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾持危險(xiǎn)物最大重量為，因此手爪單邊所需要施加的力為F，其中手爪所配置的套殼采用橡膠材料，其與危險(xiǎn)物之間的摩擦系數(shù)為。則得到F的取值范圍為：手爪單邊開合角度為，其中桿長(zhǎng)，鉗口垂直長(zhǎng)度，故手爪連桿所需要提供的力矩范圍為：手爪處的伺服電機(jī)通過齒輪減速機(jī)和聯(lián)軸器來控制手爪的張開和閉合，電機(jī)所需要滿足的轉(zhuǎn)矩為末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用減速比的齒輪減速器，減速比行星輪減速機(jī)ZE90，并且行星輪減速機(jī)與齒輪減速器的總傳動(dòng)效率為，則腕關(guān)節(jié)的電機(jī)所需轉(zhuǎn)矩為保證J4處有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩，所選用電機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該按所需轉(zhuǎn)矩的1.3至1.5倍計(jì)算，即根據(jù)本課題中末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的要求，手爪的張開速度為，即為手爪處電機(jī)所需功率為對(duì)手爪處的電機(jī)功率進(jìn)行圓取整為50w。根據(jù)安川伺服電機(jī)7系列選型，綜合樣本選擇SGM7A-A5A表6-1SGM7A-A5A電機(jī)型號(hào)參數(shù)型號(hào)三相相電壓額定轉(zhuǎn)速額定功率QUOTE靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量QUOTE額定電流ASGM7A-A5A20030000.05kw0.15912.36.46.3末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新點(diǎn)設(shè)計(jì)由于排爆機(jī)器人在實(shí)際生活和應(yīng)用中，不乏會(huì)遇到不同尺寸、大小、材質(zhì)以及表面狀態(tài)的危險(xiǎn)物，從而在手爪處，增加一個(gè)套殼與手爪的尺寸相匹配，從而增大手爪與危險(xiǎn)物夾緊時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力，此處所采用的的材料為橡膠，橡膠對(duì)于所接觸危險(xiǎn)物的摩擦系數(shù)為，有利于末端執(zhí)行結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定抓取危險(xiǎn)物。與此同時(shí)，為了滿足不同形狀的危險(xiǎn)物，本文所采取的解決方案與市面上絕大多數(shù)的排爆機(jī)器人所采取直接更換手爪的方式不同，套殼采取可螺紋連接的方式與手爪相連接，從而針對(duì)工作作業(yè)任務(wù)的特點(diǎn)時(shí)，可以選擇恰當(dāng)?shù)奶讱ば螤?，從而盡可能的與抓取物體相吻合，所以在設(shè)計(jì)本文中排爆機(jī)器人的時(shí)候，同時(shí)設(shè)計(jì)匹配的多款套殼，類似手掌結(jié)構(gòu)，進(jìn)行相互配對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)在針對(duì)工作作業(yè)形狀差異大時(shí)，可以快速更換套殼從而有針對(duì)性地抓取危險(xiǎn)物。更重要的是，考慮到經(jīng)濟(jì)環(huán)保的時(shí)代發(fā)展背景，通過套殼的更換很明顯地相對(duì)于更換整個(gè)手爪的成本顯著降低，并且對(duì)于材料的選擇更為廣泛，有利于綠色可持續(xù)發(fā)展的思想與理念。圖6-4手爪安裝不同套殼的三維圖（左為圓柱形、右為方形）第7章排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手的自平衡裝置設(shè)計(jì)7.1自平衡裝置的總體設(shè)計(jì)7.1.1自平衡裝置預(yù)期結(jié)果本文中自平衡裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如下，由于排爆機(jī)器人抓取危險(xiǎn)物時(shí)，機(jī)械臂會(huì)產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩，移動(dòng)平臺(tái)較大可能會(huì)發(fā)生側(cè)翻，為防止此類情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)一個(gè)自平衡裝置，來避免移動(dòng)機(jī)器人發(fā)生側(cè)翻。自平衡裝置由一個(gè)平衡塊和電動(dòng)缸組成，電動(dòng)缸進(jìn)行重塊的移動(dòng)控制，通過機(jī)械臂的伺服電機(jī)感知得到機(jī)械臂的狀態(tài)，在檢測(cè)到容易發(fā)生側(cè)翻的時(shí)候，通過電動(dòng)缸推動(dòng)重塊，讓整個(gè)車輛達(dá)到平衡。主要是通過電動(dòng)推桿和平衡塊的連接來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)流程為伺服電機(jī)通過一對(duì)齒輪減速后，帶動(dòng)絲桿螺母，從而將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，并且利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)平衡塊的推拉運(yùn)動(dòng)。由于，平衡塊與機(jī)械臂平臺(tái)的滑槽需要經(jīng)常發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，為減少滑槽的磨損，此處通過固體潤(rùn)滑劑固定在接觸面上，以至于達(dá)到摩擦力減小、對(duì)接觸面的磨損降低的效果。本文中采用石墨作為固體潤(rùn)滑劑，其具備耐高溫、抗腐蝕，在濕潤(rùn)和干燥的環(huán)境下都具備良好的減摩效果，因此適合作為本文所采用的固體潤(rùn)滑劑的選擇。并且，石墨作為固體潤(rùn)滑材料可達(dá)到的摩擦系數(shù)可為，本文中所采用的的石墨含量對(duì)其石墨固體潤(rùn)滑涂層的摩擦學(xué)性能影響主要體現(xiàn)在接觸地面摩擦系數(shù)。在選擇材料的過程中，此處平衡塊的選擇采取與叉車配重塊相同的材料為重晶石，由于重晶石的強(qiáng)度和持久性，價(jià)格相對(duì)偏油的特點(diǎn)，使其具備做排爆機(jī)器人自平衡裝置的平衡塊材料的優(yōu)越性和合理性。圖7-1自平衡裝置7.1.2自平衡裝置設(shè)計(jì)思路排爆機(jī)器人根據(jù)危險(xiǎn)物的位置和重量，通過自平衡裝置達(dá)到防翻轉(zhuǎn)的目的，數(shù)據(jù)經(jīng)過采集、傳輸、處理、執(zhí)行是個(gè)過程。其中數(shù)據(jù)采集主要是根據(jù)排爆機(jī)器人大臂和小臂關(guān)節(jié)處裝有電位計(jì)，其作用為檢測(cè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，控制系統(tǒng)反饋關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)角，以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝有力傳感器反饋危險(xiǎn)物重量，并對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)經(jīng)過發(fā)送后，數(shù)據(jù)中心采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，并當(dāng)數(shù)據(jù)數(shù)量充足的時(shí)候，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的處理。上位機(jī)對(duì)于發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考慮并且計(jì)算后，將反饋平衡塊的電動(dòng)推桿所要執(zhí)行的位移長(zhǎng)度，換算成伺服電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角，最終傳回給數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心再對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送電動(dòng)推桿的伺服電機(jī)處，從而達(dá)到自平衡的實(shí)現(xiàn)。圖7-2自平衡裝置數(shù)據(jù)傳輸流程圖當(dāng)遇到危險(xiǎn)情況的時(shí)候，排爆機(jī)器人將先移動(dòng)車體部分至危險(xiǎn)前方或者附近位置，再執(zhí)行伸出排爆機(jī)器人機(jī)械臂進(jìn)行抓取危險(xiǎn)物的任務(wù)，在此過程中車體與機(jī)械臂之間會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于本文中涉及的排爆機(jī)器人在進(jìn)行抓取危險(xiǎn)物的時(shí)候，車體部分將處于靜止?fàn)顟B(tài)，此刻，排爆機(jī)器人的重心會(huì)相應(yīng)隨著機(jī)械臂部分的移動(dòng)發(fā)生變換。對(duì)于機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)伸出到一定位置的時(shí)候，整體的重心會(huì)對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生問題，從而會(huì)對(duì)排爆機(jī)器人整體造成一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩，最終排爆機(jī)器人會(huì)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此，在設(shè)計(jì)過程中為了綜合考慮這一因素，在機(jī)械臂所處平臺(tái)，因設(shè)計(jì)相應(yīng)自平衡裝置，為平衡機(jī)械臂抓取重物時(shí)產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)力矩，從而避免排爆機(jī)器人由于重心不穩(wěn)從而發(fā)生翻轉(zhuǎn)的問題。7.2自平衡裝置具體選型7.2.1平衡塊的選擇首先，對(duì)平衡塊的選擇。為了實(shí)現(xiàn)排爆機(jī)器人在抓取危險(xiǎn)物的時(shí)候防翻轉(zhuǎn)的問題，需要考慮機(jī)械手臂在極限位置下所產(chǎn)生的的翻轉(zhuǎn)力矩。排爆機(jī)器人在平地運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，其機(jī)械手臂有向前最長(zhǎng)的臂展，此時(shí)，危險(xiǎn)物以及機(jī)械臂會(huì)對(duì)機(jī)械臂基座產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩，假設(shè)機(jī)械臂底座為翻轉(zhuǎn)中心O，距離抓取危險(xiǎn)物的手爪的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，機(jī)械臂重心距離O的距離為L(zhǎng)2；G1、G2分別為重物的重量和機(jī)械臂的重量；其中機(jī)械臂大臂基座自身寬度相比臂長(zhǎng)下較小，可忽略，另外危險(xiǎn)物自身尺寸亦可忽略。此時(shí)，為滿足自平衡條件，即平衡危險(xiǎn)物此時(shí)對(duì)機(jī)械臂底座產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，假設(shè)平衡塊的重量為G3，且被電動(dòng)推桿推于最遠(yuǎn)距離即離O點(diǎn)距離為L(zhǎng)3，平衡方程可以簡(jiǎn)單表示為：圖7-3機(jī)械臂處于最長(zhǎng)位置時(shí)的機(jī)械簡(jiǎn)圖公式中G1按本文排爆機(jī)器人可抓取最大質(zhì)量危險(xiǎn)物為30kg，機(jī)械臂質(zhì)量G2由SolidWorks的質(zhì)量估計(jì)可以得出50kg（包括減速機(jī)和電機(jī)重量），以及L1和L2的長(zhǎng)度分別為1.5m，0.73m，另外自平衡裝置的平衡塊最遠(yuǎn)的位移距離L3為0.76m。由上式計(jì)算可得，平衡塊的最小質(zhì)量需為107.23kg，為滿足排爆機(jī)器人在極限情況下也不發(fā)生側(cè)翻，通過消除其對(duì)排爆機(jī)器人車身所造成的翻轉(zhuǎn)力矩，且避免一些極端情況下，前方末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)抓取危險(xiǎn)物質(zhì)量超過30kg的時(shí)候發(fā)生意外，故采用質(zhì)量為110kg的配重塊在自平衡裝置中使用。7.2.2電動(dòng)推桿的選擇其次，對(duì)于電動(dòng)推桿所配的電動(dòng)缸型號(hào)進(jìn)行選型。為滿足電動(dòng)推桿可以推動(dòng)自平衡裝置的平衡塊從而實(shí)現(xiàn)對(duì)翻轉(zhuǎn)力矩的平衡，需要在平衡塊的重量和滑動(dòng)平面的摩擦系數(shù)進(jìn)行對(duì)電動(dòng)推桿所配備的電機(jī)選擇，并且電機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)速及推桿所推動(dòng)的距離需要根據(jù)關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)電機(jī)反饋得到相應(yīng)的參數(shù)。其中電動(dòng)推桿需要滿足以下要求：接觸面的摩擦系數(shù)為0.1電動(dòng)推桿的推力需要達(dá)到：電動(dòng)推桿的行程需要達(dá)到：根據(jù)電動(dòng)推桿的推力和行程選取，DGA系列的電動(dòng)推桿，選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)為伺服電機(jī)。DGA系列的電動(dòng)推桿參數(shù)如下表7-1DGA系列電動(dòng)推桿參數(shù)型號(hào)推力范圍行程范圍運(yùn)動(dòng)速度范圍QUOTEDGA50kN~500kN20mm~5000mm0.1mm/s~1000mm/s所配備的伺服電機(jī)經(jīng)過下列公式計(jì)算可得到：其中推力為108kN，位移為0.18m，通過蝸桿副效率為0.66，絲桿副效率為0.58，可以得到總效率為0.38，減速比100。為保證有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩，所選選電機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該按所需的轉(zhuǎn)矩的1.3至1.5倍計(jì)算，即根據(jù)安川伺服電機(jī)7系列選型，綜合樣本選擇SGM7A-A5A表7-2SGM7A-A5A電機(jī)參數(shù)型號(hào)三相相電壓額定轉(zhuǎn)速額定功率QUOTE靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量QUOTE額定電流ASGM7A-A5A20030000.50.15912.36.47.3自平衡裝置實(shí)現(xiàn)分析上方計(jì)算得到平衡塊的質(zhì)量后，進(jìn)行排爆機(jī)器人機(jī)械臂伸長(zhǎng)長(zhǎng)度變化和不同危險(xiǎn)物質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，所實(shí)現(xiàn)平衡塊與電動(dòng)推桿進(jìn)行螺紋連接后進(jìn)行動(dòng)態(tài)伸縮。由于本文排爆機(jī)器人關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)動(dòng)所采用電位計(jì)，其對(duì)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角具有檢測(cè)功能，通過控制系統(tǒng)可以對(duì)機(jī)械臂大小臂所發(fā)生的轉(zhuǎn)角進(jìn)行反饋。對(duì)于機(jī)械臂關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)角測(cè)量，可以得到大臂和小臂與初始位置發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)角為α，β；其中機(jī)械臂大臂和小臂的質(zhì)量根據(jù)solidworks質(zhì)量評(píng)估可以得到G1，G2，根據(jù)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力傳感器可以得知危險(xiǎn)物的質(zhì)量為G3；平衡塊的質(zhì)量為G4，且平衡塊假設(shè)處于位置L4。平衡方程可以簡(jiǎn)單表示為：圖7-4為任意位置自平衡的機(jī)械簡(jiǎn)圖（綠色圖例為機(jī)械臂抓取危險(xiǎn)物后的位置）根據(jù)上式平衡方程，經(jīng)過控制系統(tǒng)得到相應(yīng)的L4，從而伺服電機(jī)需要根據(jù)平衡塊所需要處于的位置L4，對(duì)伺服電機(jī)編碼器進(jìn)行脈沖傳遞，轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度，從而達(dá)到L4的長(zhǎng)度位置。第8章排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過PLC控制排爆機(jī)器人機(jī)械手臂抓取可疑爆炸物，分別從腰、肩、肘、腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，以及控制末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的張開和閉合來抓取危險(xiǎn)物，并在抓取危險(xiǎn)物的同時(shí)移動(dòng)自平衡裝置的平衡塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的自平衡。8.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及要求本課題中機(jī)械臂抓取可疑危險(xiǎn)物流程控制簡(jiǎn)化成幾個(gè)步驟：到達(dá)可疑危險(xiǎn)物可抓取工作范圍內(nèi)--根據(jù)可疑危險(xiǎn)物所在位置，運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解得到每個(gè)關(guān)節(jié)所需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度--腰關(guān)節(jié)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)--腰關(guān)節(jié)傳感器檢測(cè)到相應(yīng)角度-