强烈推荐履带机器人的结构设计与建模毕业论文设计文档格式.docx

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指导教师签名：

履带机器人的结构设计与建模

摘要

机器人在现代战争中，尤其是反恐战争中有着不可替代的地位，无论是作为拆弹机器人，侦查机器人还是战斗机器人，都能极大的简化任务过程，减少人员伤亡与财产损失。

履带式机器人虽然行动较慢，运转阻力大，但是通过性强，可以翻越障碍物，爬楼梯，负载能力高，所以成为了军用机器人的首选。

论文中先用了大量的的篇幅进行理论的论证与各种结构模式的选择，进行了详细的对比后，找到最合适的设计方案。

在后续的章节中对机器人的各个部分进行了详细的结构设计。

在设计过程中，充分考虑到了机器人的功能性，机构合理性，并且尽量的控制了加工的难度与成本。

最终设计出一种以完成拆弹任务为主的中型履带机器人平台，在拥有一切履带机器人的优点的同时，可以通过更换不同的插件完成侦查，战斗任务。

关键词：

通用机械；

机器人平台；

拆弹机器人；

侦查机器人；

战斗机器人；

TRACKEDROBOTDESIGNANDMODELIN

ABSTRACT

Robotsirreplaceablestatusinmodernwarfare,especiallyinanti-terroristswars.Bomb-disposalrobot,detectionrobot,andfightingrobot,forinstance,cangreatlysimplifythetaskofprocess,andreducecasualtiesandpropertylosses.Althoughthecrawlerrobotmovesslowlyandrunning,isclimboverobstaclesandstairs,anddefinesthebestalternativeofdesignsafteradetailedcomparison.Inthesubsequentchapters,specificstructuraldesignswereconductedforeachpartofrobots.Inthedesignprocess,suchasrobot’sfunctionalityandstructuralrationalitywassufficientlytakenintoconsideration,aswellasthecontrolofprocessingcostanddifficulty.Thefinaldesign,abomb-disposal-task-orientedmedium-sizedtrackedrobotplatformwascompleted.Itbeswitchedtodifferentplug-insinordertobombdemolition,detection,andcombatmissions.

KEYWORDS:

generalmachinery;

robotplatform;

bombdisposalrobot;

detectionrobot;

fightingrobot;

前言1

1履带机器人的运动分析3

1.1驱动模式的选择3

1.2动力传动模式的选择4

1.2.1几种常见的传动方式4

1.2.2传动方式的综合对比6

1.3能量源的选择7

1.3.1常见的可充电电池7

1.3.2几种充电电池的综合对比9

2机械臂的坐标变换与运动分析11

2.1齐次坐标旋转变换11

2.2机械臂的运动形式选择13

2.2.1机械臂的运动方式14

2.2.2几种机械臂运动方式的对比15

2.3机械臂的驱动方式选择16

2.3.1几种机械臂的驱动方式16

2.3.2机械臂驱动方式的对比与选择17

3结构设计18

3.1底盘设计18

3.1.1底盘框架19

3.1.2支撑轮底盘20

3.2轮轴模块的结构设计21

3.2.1轴21

3.2.2轴帽22

3.2.3轴承部件22

3.2.4主承重轮23

3.2.5支撑轮25

3.2.6前轮架26

3.2.7履带27

3.3动力模块的设计27

3.3.1减速器28

3.3.2动力模块框架28

3.3.3辅动力模块30

3.4机械爪的结构设计31

3.5机械臂的结构设计32

3.5.1前臂32

3.5.2中臂34

3.5.3后臂36

3.5.4底座38

4履带机器人的控制与传感器41

4.1传感器41

4.2步进电机驱动模块42

4.3远程遥控与传感器系统44

5履带机器人的动力部件46

5.1电动马达46

5.2马达驱动48

5.3步进电机49

5.4铅酸蓄电池52

6履带机器人的功能与扩展54

6.1底盘特性54

6.2拆弹模式56

6.3侦查模式57

6.4战斗模式59

7总结61

参考文献

致谢

前言

从机器人的分类上来讲，军用履带机器人是属于遥控机器人的一种，既是能在人的操控下在人类难以接近或者远距离完成作业的机器人。

从上世纪八十年代开始，欧美等工业发达国家就开始对各种机器人进行系统的研究，随着科技的进步和时间的推移，取得了大量的研究成果。

比较有影响的是美国的Packbot机器人和Talon机器人。

这两种属于便携式履带机器人,它们应用在伊拉克战争和阿富汗战争中,取得了巨大的成功。

此外,美国iRobot公司生产的Negotiator机器人和Warrior排爆机器人，英国研制的super2wheelbarrow排爆机器人、加拿大谢布鲁克大学研制的AZI2MUT机器人、日本的HeliosVII机器人都属于小型履带机器人,因其各自用途不同,在结构上各具特点。

国内对该类机器人研究起步较晚,但近期取得了一定成果,如沈阳自动化研究所研制的CLIMBER机器人,北京理工大学研制的四履腿机器人,北京航空航天大学研制可重构履带机器人等。

在现代战争中，尤其是反恐战争中履带机器人无论是作为拆弹机器人，侦查机器人还是战斗机器人，都发挥着越来越重要的的作用。

履带式机器人虽然行动较慢，运转阻力大，但是通过性强，可以翻越障碍物，爬楼梯，负载能力高使之能装载许多设备与武器。

所以成为了军用机器人的首选。

各国目前现役的的拆弹机器人，侦查机器人与战斗机器人均已履带机器人为基础。

以上三种军用机器人中，拆弹机器人使用的最为广泛。

目前在各国的警察部队中，拆弹机器人已经成为反恐作战的必备装备。

机器人的结构设计直接关系到拆弹的效率与成功率。

这次的设计能尽可能考虑到需要考虑到的所有的相关因素，在论文开始的几章里用了大量的的篇幅进行理论的论证与各种结构模式的选择，用来寻找最合适的设计方案。

一个优良的拆弹机器人拥有通过性与载重性很强的底盘，精准强力的机械臂，与完备的远程监控操作能力。

以上这些优点使拆弹机器人成为了一个很好的机器人平台，可以通过更换功能插件而产生系列产品，如侦查机器人，搜救机器人，战斗机器人等。

这些功能会通过装备特制的功能插件得以实现。

设计机器人是一个庞大大工程，一个优良的设计不仅仅是优秀的结构理论数据与华丽的外观，便于生产和控制加工成本也是成功的关键，这是设计能否走出图纸成为成品的决定性因素。

在论文的准备阶段中我了解到“通用机械”这一概念，机械的通用性的好坏不仅决定了这一个设备的加工难度，而且能决定这一领域的发展速度。

起步早但是发展缓慢的机械行业与发展迅猛的电子行业便很好的诠释出了通用性的重要程度。

在获得数控车床中级技师资格后我更加体会到设计便于加工的产品的重要性，有些零件虽然从设计上达到了理论上的最优结构但是加工起来却比较复杂，比如需要掉头加工或需要切换各种刀具，这都加大了生产成本并且降低了加工精度，而对性能的提升往往不明显，从整体上讲是得不偿失的。

所以在设计这个拆弹机器人的时候，所有的结构部件在考虑强度的同时最大限度的考虑到了易于加工性，因此也牺牲了一部分外观和强度或者重量的参数。

机器人的的每一个零件，从螺母到轴承到方形钢管，完全符合我国工业标准，在设计的后期我也切身体会到标准化带来的优势，许多零件因为统一的标准可以互相替换，使设计周期大大缩短。

步进电机与控制模块等需要由专业厂商提供的部件，全部先进行市场调查，确定市面上有销售并且价格合理后才予以采用。

这么做是希望在条件允许的条件下，仅仅通过我提供的图纸和供货商名册便可以快速的以较低成本将履带机器人生产出来。

1履带机器人的运动分析

1.1驱动模式的选择

机器人的种类有许多种，要设计一个机器人必须先选择合适的动力，能源，运动模式，传动模式等。

这一章便是对各种机器人工作模式之间进行对比与选择。

找出最适合拆弹任务的组合。

作为一个小型的移动平台，常用的动力只有活塞式内燃机和电动马达两种。

内燃机单位质量产生的能量较大，例如，一个微型的3.5cc航模用甲醇二冲程发动机就能爆发出惊人的能量和转速。

但是同时带来的也有强烈的震动，热量和废气。

经过合理设计的四冲程汽油引擎可以相应的降低震动。

考虑到即使主动力模块使用汽油发动机，仍然需要蓄电池作为机械臂的动力，所以这并不会节省多少空间和重量。

因此，这里为了单位质量的功率而使用汽油引擎是得不偿失的。

另外，相对于活塞式引擎，电动马达有如下优点。

1，不会熄火，这个在紧急状态下绝不允许发生，虽然可以在机器人内部设置启动电机，但是这在这种小型机器人中实现起来相当的麻烦。

与之相比，电动机可以瞬间启动，瞬间停止，并且配有自锁刹车功能，而内燃机还需要另外配备刹车部件。

2，热源小，面对爆炸物来说热量越小越好。

而作为战斗机器人的参加任务的话热源会成为热敏武器与红外观察设备的目标。

3，安静，震动小，对于拆弹任务来说，震动会沿着机械臂传导至爆炸物，可能会引爆爆炸物，或激发爆炸物的起爆装置，这会导致灾难性的后果。

对于侦查与战斗任务来说，机器人的隐蔽性也是至关重要的，震动与噪音较大的活塞式引擎用在这里便不是很合适。

4，运行起来不需要新鲜空气，这对于在比如集装箱，室内这样的狭窄空间中的拆弹任务极为重要，否则会使机器人无法工作。

5，虽然电动机加上蓄电池的重量可能非常大，这样会导致在爬楼梯和上坡中