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1、本 科 毕 业 设 计 （论 文）履带机器人的结构设计与建模题 目 _毕业论文（设计）诚信声明本人声明：所呈交的毕业论文（设计）是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果，论文中引用他人的文献、数据、图表、资料均已作明确标注，论文中的结论和成果为本人独立完成，真实可靠，不包含他人成果及已获得 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日 毕业论文（设计）版权使用授权书本毕业论文（设计）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文（设计）的复印件和电子版，允许论文（设计）被查
2、阅和借阅。本人授权青岛农业大学可以将本毕业论文（设计）全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业论文（设计）。本人离校后发表或使用该毕业论文（设计）或与该论文（设计）直接相关的学术论文或成果时，单位署名为 。论文（设计）作者签名： 日期： 年 月 日指 导 教 师 签 名： 日期： 年 月 日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，
3、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；TRACKED ROBOT DESIGN AND MODELINABSTRACTRobots have an irre
4、placeable status in modern warfare, especially in anti-terrorists wars. Bomb-disposal robot, detection robot, and fighting robot, for instance, can greatly simplify the task of process, and reduce casualties and property losses. Although the crawler robot moves slowly and has great resistance on run
5、ning, is has high passability that can climb over obstacles and stairs, and high load capacity. It has become the first choice for military uses.The thesis carries out demonstrations of theoretical arguments and a list of a variety of options for structure model first by using a considerable space,
6、then defines the best alternative of designs after a detailed comparison. In the subsequent chapters, specific structural designs were conducted for each part of robots. In the design process, such as robots functionality and structural rationality was sufficiently taken into consideration, as well
7、as the control of processing cost and difficulty. The final design, a bomb-disposal-task-oriented medium-sized tracked robot platform was completed. It has all the advantages of tracked robot, and can be switched to different plug-ins in order to bomb demolition, detection, and combat missions.KEY W
8、ORDS: general machinery; robot platform; bomb disposal robot; detection robot; fighting robot; 目 录前言11履带机器人的运动分析31.1 驱动模式的选择31.2动力传动模式的选择41.2.1几种常见的传动方式41.2.2 传动方式的综合对比61.3能量源的选择71.3.1常见的可充电电池71.3.2 几种充电电池的综合对比92 机械臂的坐标变换与运动分析112.1齐次坐标旋转变换112.2机械臂的运动形式选择132.2.1 机械臂的运动方式142.2.2 几种机械臂运动方式的对比152.3 机械臂的
9、驱动方式选择162.3.1 几种机械臂的驱动方式162.3.2 机械臂驱动方式的对比与选择173 结构设计183.1底盘设计183.1.1底盘框架193.1.2 支撑轮底盘203.2 轮轴模块的结构设计213.2.1轴213.2.2轴帽223.2.3轴承部件223.2.4主承重轮233.2.5 支撑轮253.2.6前轮架263.2.7 履带273.3 动力模块的设计273.3.1减速器283.3.2动力模块框架283.3.3辅动力模块303.4 机械爪的结构设计313.5 机械臂的结构设计323.5.1前臂323.5.2中臂343.5.3后臂363.5.4底座384 履带机器人的控制与传感器4
10、14.1传感器414.2 步进电机驱动模块424.3 远程遥控与传感器系统445 履带机器人的动力部件465.1电动马达465.2 马达驱动485.3 步进电机495.4 铅酸蓄电池526 履带机器人的功能与扩展546.1 底盘特性546.2 拆弹模式566.3 侦查模式576.4 战斗模式597 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Packbo
11、t 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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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会比较费力，但是对于履带式机器人来说根本没有问题，首先作为拆弹机器人，并不需要高速的移动到爆炸物旁边，反而需要慢慢的靠近，通过蜗杆减速和链条减速的马达可以输出足够的扭矩解决阻力与重
18、量过大这一问题。对于这种慢速的履带设备来说，强大的正压力只能提供更高的推进力。第二，拆弹机器人是需要移除爆炸物的，沉重的底盘可以保证重心的稳定防止机器人翻倒。表1-1 活塞内燃机与电动马达的性能对比Table 1-1 Piston engine and electric motor performance comparison单位质量功率再启动难度对空气依赖性噪音震动发热量电磁干扰活塞式内燃机高难高高高无电动马达中易无低中有在这两个选择之间，电动马达唯一的缺点便是在运转的时候会产生电磁干扰，虽然这对负责拆弹工作的机械臂的控制极为不利，但是从现实角度出发，拆弹工作一般不会在机器人行进中进行，而是
19、在停止的状态下进行的，所以主动力马达的电磁干扰对履带机器人来说也可以忽略。另一方面，使用无刷电动马达可以将电磁干扰造成的影响降到最低。综上所述，相对于活塞引擎来说，电动马达在各项指标中都有所胜出。所以电动马达对于拆弹机器人是最理想的动力来源。1.2动力传动模式的选择将发动机产生的扭矩和转速可靠精准的传递到轮子也是非常重要的。通过前面的章节，我们已经选择电动马达作为履带机器人的主要动力。虽然和活塞式引擎相比，电动马达可以在更广的转速范围内工作而不至于熄火，但是可以并不代表最优，电动马达在低转速大扭矩下运转效率非常低，也就是说会产生大量的热量。因此在将动力传递到轮子的同时也需要对电动马达进行减速，
20、目前工业上普遍采用的方法如下。1.2.1几种常见的传动方式a链条传动：链条的长度可以自行选择，所以对轴的距离要求不是很精准，这个可以降低安装难度。因为链条齿轮与链条之间存在间隙，所以传递过程并不是很精准，尤其是在传动方向转变的时候有一定的滞后性。但是低廉的成本和和加工成本与较低的安装精度使他成为一种非常方便迅捷的解决方案。正因为其对精准性要求不高，所以在高强度的越野环境与震动较大的环境下，链条传动也是最能持续稳定工作的一种转动模式。b平带传动：平带传动被广泛使用在高速，小直径，低噪音的场合。一般使用在一个大型马达带动许多不同的机械机构。带轮需要摩擦力来维持运动，这一过程中可能发生打滑和蠕变。平
21、带需要绷紧力来使能量从一个轮子传递到另一个，因此需要一个张力调整设备。这一张紧过程会对轴承产生较大的载荷。不同步问题使它不能用到需要两端转速同步的情况下，但是因此可以适用于会短时间超载的场合。适用的温度范围有限，性能与工作环境挂钩（灰尘，污渍，机油等）。运转时会产生静电。c V型带传动：V型传动带的截面很像梯形，导轮的截面也有一个V型的口。V型传动带是最普遍的传动带。因为它有两个摩擦接触面，所以它能比传统的平带传递更大的能量。传递的能量取决于V型带的绷紧力和滑轮V型口的角度。绷紧力越大，传动能量就越强。从某种意义上讲，V型传动带是平带的一种改进型，保持了平带所有的优点的同时加大了传递的扭矩。d
22、同步带传动：同步带也被称作齿带。这种同步带经常被用在汽车引擎上，连接凸轮轴和曲轴使之同步运转。同步带在安装上与平带类似，是平带传动的另一种注重精准性的改进型。同步带的导轮上有牙槽。这使所有与同步带连接的导轮能以相同的速度转动。同步带能比普通的平带传递更大的扭矩。它没有齿间隙, 所以成为了理想的精确的自动化机器人机械部件。缺点是，它也需要绝对平行的安装环境，否则也会在运转中飞出诱导轮。 e变速箱传动：变速箱是紧凑的连接马达和轮子的方法。一般大型机械要传递很大的扭矩的时候都是使用变速箱的方法，内部的金属齿轮可提供很高的强度来对抗较大的扭矩。一般机器人上使用的都是减速马达，也就是一个减速箱和一个电动
23、马达的结合体。变速箱中是齿轮，轴，轴承，润滑油，和其他刚性配件。变速箱必须由精确设计的零件组成。普遍的方法是使用直齿轮，行星齿轮，蜗杆齿轮或者这些齿轮的结合体。行星减速与蜗杆减速在履带机器人的各个部分都有使用。1.2.2 传动方式的综合对比表1-2 几种传动方式的性能对比Table 1-2 Transmission performance comparison of several methods 传递扭矩传动精度安装难度加工难度成本链条高中低低低平带低低中低低V型带中中低低中同步带较高较高中中中变速箱高高高高高综上所述，链条，同步皮带，与齿轮传动都是良好的传动方式。下面针对以上各种传动方法进
24、行比对。1，从传递扭矩这一点出发，机器人在爬坡或者负载较重的时候需要很高的扭矩，出于这一点的考虑，链条传动与齿轮传动优势较大。但是如果机器人在行进中遇到不可翻越的障碍物的话，电动马达便会卡死，产生非常大的热量，这很有可能瞬间烧毁电动马达，平带与V型带会在卡死后产生相对的滑动以减少热量的产生。但是如果使用先进的电动机控制模块的话，内部自带的电流保护可以有效的保护电动马达不被烧毁。2，机器人面对的是危险的爆炸物，或者是危险的战斗场合。在工作中会为了抓取物体或者为了瞄准目标而进行武器系统进行精确的微调。所以传动精度非常重要，这一过程需要反复的改变传动方向，同步性较低的传动方式显得不是很合适。3，安装
25、的复杂程度虽然对于精密的机器人来说不是什么问题，但是许多传动方式在两个轴不绝对平行的情况下会无法工作，而这种事情在机器人翻越障碍物或者受到爆炸物冲击波的冲击后很有可能发生。有些传递方式需要绷紧力，这样会对马达输出轴和动力模块的轴承产生更多的负载。较低的安装精度对控制机器人的成本和机器人的普及性方面有着很重要的作用。4，加工难度与成本，变速箱与同步带都需要较高的成本，变速箱需要大量的钻孔与车铣加工，同步带需要高强度的复合材料和精度。这将大大的影响成本，在对成本不敏感而对精度要求较高的情况下可以忽略。考虑到履带机器人对各项指标的需求，使用如下的传动方式，在电动马达输出轴上安装蜗杆减速，这种减速方式
26、减速比大，而且可以垂直的改变传动角度，然后通过链条传动将扭矩传递到主轮。1.3能量源的选择作为一个电气化的机器人，高效稳定的能量源非常重要，目前世界上广泛使用的并且技术成熟的是，铅酸蓄电池，镍镉电池，金属氢化合物镍电池，锂离子电池这几种。这其中有些完全不适合机器人使用，有些的性能非常相近，以下便对这些产品进行详细的分析与比对。1.3.1常见的可充电电池a铅酸蓄电池 铅酸蓄电池的技术相当成熟，非常适合机器人使用。从技术上讲铅酸蓄电池是一种电池组。总的来说，铅酸蓄电池的容量是是10Ah级别。以下几点是它的优点：1，价格最便宜，成本低。2，寿命长，可以在300次充放电循环后可能仍然有80%的容量。如
27、果存储在25 o C的环境下，每天的电量损失低于1%。3，它在所有的电池中能提供的电流是最高的。这对于偶尔进行大功率输出的设备来说非常重要。4，摩托车，汽车，电瓶车都需要使用这种蓄电池，所以可用的型号非常广泛，不同的尺寸序列也非常庞大。5，他的电压与电量的相关性很高，对于一个12V电池，电池的电压会从充满电的13.2V慢慢的降低到无电状态的10V，这样可以快速的判别电池的剩余电量，而决定什么时候该更换电池或者进行充电。以下几点是铅酸蓄电池的缺点：1，铅酸蓄电池产生的时间非常早，技术相对落后，所以他比其他种类的电池都要重，或者说是单位质量下产生的能量最小。2，如前文所说，随着电量的下降，电压也会
28、随之下降，因此产生的能量会随之下降。3，内部有大量液体，所以在高温或者是高功率工作的时候会产生气体，需要安装排气孔。所以大部分的铅酸蓄电池不能快速充电，否则会有内部压力过大的危险。4，因为它内部的酸液会在放电时腐蚀极板，所以它必须在充满电的情况下储存，并且要经常充电。如果在没电的情况下存储一段时间的话电池会报废。但是考虑到他的较低的自放电率，这一充电过程也并不需要经常进行。b镍镉电池(NiCad)镍镉电池是一个很成熟的技术，而且他的价格和性能仍然在不断的改进中。以下是镍镉电池的优点：1，它有极佳的性价比。虽然购买镍镉电池的成本没有铅酸蓄电池那么低，但是在长时间使用的情况下，如果保养得当，镍镉电
29、池最终会更省钱，甚至比铅酸蓄电池还要便宜。在良好的储存和保养下，镍镉电池可以完成1000次充电循环。2，能量密度很好，是铅酸蓄电池的三倍，在这方面只有金属氢化合物镍电池可以超越。3，镍镉电池在存储的时候可以不充电并且不会受到损害。但是从另一角度讲，它也只能在不充电的情况下储存，否则会产生记忆效应，这会大大降低电池的容量。以下是镍镉电池的缺点：1，当电池在25 C存储的时候，每天会损失1%的能量。当充满电的时候，镍镉电池会在三周内自行放电到80%的电量。需要偶尔通过深度放电使电压降低到80%来保证电池内阻维持在一个较低水平上。最好每20次充放电循环进行一次深度放电。2，镍镉电池需要高度的保养，检
30、测，充电，在低温下存储以延长使用寿命。3，镍镉电池含有镉，虽然被很安全的封在电池中，但是镉是有毒的化学元素，必须妥善的处理。c金属氢化物镍电池 (NiMH)虽然这里说的金属氢化物镍电池和真正的镍氢电池有本质的不同，但是日常生活中我们都把金属氢化物镍电池称之为镍氢电池。这是一个正在发展并且不断提升的技术。目前市面上的5号或者7号充电电池基本上都是镍氢电池。以下是金属氢化物镍电池的优点：1，NiMH电池的能量密度是现有的电池中最好的。在良好的保养和存储下，NiMH电池可以完成500多次充放电循环，随着技术的不断发展，这一数值在不断的被刷新中。2，直到完全放电前，电压会一直保持稳定。这使它能任务中全
31、功率输出。3，它可以在不充电的情况下无损害的存储。它在无电存储的时候没有记忆效应，也就是说可以在有电或者没电的情况下储存，不需要像镍镉电池那样提前放电或者像铅酸蓄电池那样提前充电。4，他不含镉等危险的元素所以没有相关的健康问题，也不会污染环境。以下是NiMH电池的缺点：1，成本较高，一般作为随身设备的小型电源，而不是这种大功率的场合。2，完成500次充放电循环后，电池的容量就会随着内阻的提高而下降。3， 当存储在25o C 的环境下，NiMH电池每天会损失5%的电量。当充满电的时候，NiMH电池会在5天内自放电为原来80%的电量，所以需要偶尔进行深度放电使电池的内阻降低。d锂离子电池锂离子电池
32、是普遍使用的充电电池。如果进行缓慢的功率输出的话，它的能量密度很大。然而，在大流量放电的时候，电压会下降很快。在电池大流量放电的时候电池可能会损坏。我们也从新闻中得知，许多使用锂离子电池的笔记本在温度较高功率较大的情况下使用发生爆炸事故。因此，锂离子电池不是很适合大功率机器人使用。另一个缺点是，锂离子电池的框架寿命在25C下仅为两年。也就是说即使在没有使用并且妥善保存的情况下，锂离子电池的性能也会在两年后大大下降。1.3.2 几种充电电池的综合对比表1-3 几种充电电池的性能对比Table 1-3 Performance comparison of several rechargeable b
33、atteries功率能量密度寿命维护难度自放电电池价格铅酸蓄电池大小长低中低镍镉电池中大长高中中金属氢化物镍电池中最大中高高中锂离子电池小大短低低高综上所述对以上几种常见的充电电池进行对比，1，从功率角度考虑，履带机器人有两个330W的无刷电动机作为主动力，另外有8个步进电机作为机械臂等设备的动力，所以对功率要求很高。在高功率环境下会产生爆炸危险的锂离子电池便被首先排除。2，从能量密度方面分析，因为是履带式机器人，而且作为拆弹机器人需要相应的底盘重量，所以能量密度要求不高，但是不可以忽略的是，机器人的内部空间尺寸非常有限，体积过大的话会对设计造成不便。3，寿命，拆弹工作与反恐任务并不是经常发生
34、，所以并不需要多高的充电循环，但是要求有很高的存储寿命，而且需要在短时间内迅速出动，所以镍镉电池等虽然存储寿命长，但是需要在空电状态存储下这一属性便不适用于随时可能发生的拆弹任务，优先排除。铅酸蓄电池的低放电率很适合存储并随时应付突发情况。而用来应付长时间工作的镍氢电池包的较高放电率便显得比较不利。4，维护难度，考虑未来的用途，维护难度并不是主要的问题，作为重要的军事装备会有专人进行维护。但是相对较低的使用成本也意味着可以同时装备较多的机器人。通过以上对各种电池的分析，履带机器人应该配备两种电池来应付不同的任务，如果进行拆弹工作，需要同时使用数个步进电机而且工作时间一般不长，再考虑到对底盘稳定
35、性的要求，所以将采用铅酸蓄电池。如果进行长时间的侦查或者战斗任务的话，电池的使用时间与重量便变得比较重要。这时能量密度最高而且维护方便并且潜力巨大的金属氢化物镍电池便是很好的选择。2 机械臂的坐标变换与运动分析2.1齐次坐标旋转变换机械臂作为履带机器人的重要组成部分，其运动方程决定了以后的计算分析等工作，而对于机械臂的控制来说，坐标计算公式更是至关重要，以下是对多自由度机械臂的自由度坐标换算方法。齐次变换是用其此矩阵来描述机构连杆的关系。DH矩阵是一个X矩阵，它把一个矢量从一个坐标系转换到另一个坐标系。每一个矩阵可以实现两个作用：旋转和平移。原来的矢量则必须用齐次坐标系表示。空间机构的运动学分
36、析有许多方法，齐次变换是其中较为直观地、较方便的一种，Paul首次将D-H矩阵应用于机器人的轨迹的计算，从此，齐次变换在机器人运动学中和动力学分析中广为应用。他为机器人的分析与综合提供了一种有效的手段。履带机器人所使用的多关节机械臂可以认为是有一系列关节连接起来的连杆所组成。我们把构件坐标系嵌入机器的每一个连杆中，便可以用齐次坐标来描述这些坐标系之间相对位置和方向。图2-1 坐标系的相对位置和相对方向Figure 2-1 Coordinates of the relative position and relative orientation坐标系的旋转变换坐标系OUVW是坐标系OXYZ经过旋
37、转后变换得到的。令Ix,Jy,Kz和Iu,Jv,Kw分别为OX、OY、OZ轴和沿OU、OV、OW轴的单位向量。空间中一点P的位置可用向量P表示。在OUVW坐标系中，向量P记为 即 式中，分别是P沿OU,OV,OW轴的投影。在OXYZ坐标系中向量P记为即 我们希望找出旋转变换矩阵，以使的坐标转换为的坐标，既存在实际上，OUVW按一定的关系绕OXYZ转动时，固定于OUVW的向量随OUVW一齐转动，当OUVW与OUVW重合时，与重合，其转动关系由描述。向量在OX、OY、OZ轴的投影分量可用下列分量的点积定义 写成矩阵的形式：=式中 =阵中第一列元素分别为Iu在Ix,Jy,Kz方向的投影分量；第二、三
38、列元素分别为Jv,Kw在方向Ix,Jy,Kz的投影分量。三列分别表示轴OU、OV、OW所在的方向。OUVW绕OXYZ单个轴的转动变换矩阵称为基本变换矩阵。当OUVW仅绕OX轴转角时，基本转动矩阵记为Rot(x, )，由式（4-18）可以计算得：Rot(x, )= Rot(y, )= Rot(z, )= 所以关节的端点就可以用各个矩阵相乘，最终得到脚底部处相对于起点的位移。但是有矩阵乘法可知，我们必须按照关节的次序一次相乘，因为矩阵的乘法是有次序的。这样便可以得出机械臂终点的坐标，虽然拆弹机械臂基本是由人控制，但是对复杂的环境或者遮蔽物的环境下也需要计算机辅助来控制机械臂的位置。2.2机械臂的运
39、动形式选择机械手产生的时间非常早，早在20世纪初期，随着机床汽车制造业的发展，机械手也随之产生了，世界上第一个机械手是美国福特公司在1913年在汽车零件加工自动线采用的，当时为了解决自动机上下料与工件的传送问题。所以，当时的机械手是作为自动机，自动线的附属装置出现的。后来，随着40年代原子能工业的产生，出现了半自动化抓取搬运装置，也就是所谓的操作机。在原子能工业中负责进行放射性材料的加工处理和实验，或者是在兵工厂进行易燃易爆物的加工装配，这类装置的特点是不属于某一工作主机，而且由人来操控。因此有人将这类操作机器人称为遥控操作机，操纵机器人。拆弹机器人可以说就是一个底盘可移动的操纵机器人，而且他
40、平时进行的工作与兵工厂中进行的易爆物加工与装配工作如出一辙，都是由操作者进行操纵，进行危险物的移除工作。机械手种类繁多，在不同的操作方式，动力来源，坐标结构，自由度搭配中又有无数种排列组合，下文便是通过对各种模式的比对，排除，来选择出最适合的机械臂模式与结构。2.2.1 机械臂的运动方式a圆柱坐标系这种运动形式的机器臂均具有回转，伸缩，与升降三个自由度，运动范围为一个圆柱体。优点是占地小，活动范围大，结构简单，紧凑，能达到较高的定位精度，应用广泛，运动直观性较强。它可以绕中心轴转一个角度，因此其工作范围可以扩大，且计算简单。他的直线驱动部分如果采用液压驱动，则可以输出较大的动力，能够伸入腔式机
41、器人的内部，但是他的手臂到达的空间受到限制，不能到达靠近立柱或者地面的空间；直线驱动部分难以密封、防尘、及防御腐蚀性物质；后缩手臂工作时，手臂会碰到工作范围内的其他物体。b极坐标系型极坐标机器人又称为球坐标机器人，他与圆柱坐标型机器人一样，可以绕中心轴旋转。这种机械臂由一个直线运动与两个回转运动组成，由一个伸缩一个俯仰机构组成。其运动范围的图形为一个球体。它具有中心支架附近工作范围大、两个转动驱动装置容易密封、覆盖工作区间较大的优点。但是他的坐标复杂，较难控制；其直线驱动装置仍存在密封和工作死区问题。c直角坐标系型这种机械臂由三个直线运动组成，沿xyz轴三个方向运动组成。运动范围的图形为立方体
42、。优点是结构简单，定位精度高，运动直观性强，但是占地面积大而工作范围小，惯性大灵活性差。他在X、Y、Z轴上的运动是独立的，其运动方程可以独立处理;同时方程又是线性的，因此对这类机器人进行计算机控制很简单；它可以两端支撑，因此对于给定的结构长度，其刚性最大。他的精度和位置分辨率不随工作场合而变化，容易达到高精度。但是他的操作范围小，手臂收缩的同时，又向相反的方向伸出，不仅妨碍工作，而且占地面积大，运动速度低，密封性也不好。d多关节型这种机器臂和人的手臂比较相似，可以做多个方向的转动，由多个臂组成，机械形式和人的肘关节肩关节类似。优点是工作范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近基座的物体，但是运动
43、直观性差。机械臂末端由多个回转角确定，定位精度不高。虽然国内多数文献对关节的个数和自由度有一定的要求，但是我认为，所有的有较多臂关节的机器臂都可以叫做多关节型机械臂。e SCRA型一般用于装配，也叫做装配机器人，动作灵活，速度快，定位精度高。其实是多关节机器人的一种特定的形式。一般有4个自由度。2.2.2 几种机械臂运动方式的对比表2-1 几种机械臂运动形式的性能对比Table 2-1 Performance comparison of several forms of arm movement 工作范围所占空间运动惯性操作直观性重要优点圆柱坐标系较大较小大强极坐标系型大较小小差能抓取死角直角
44、坐标系小大大强多关节型最大较小小差能绕过障碍SCRA大小小差总结以上各种类型的运动方式，1，工作范围的角度考虑，拆弹机器人需要一定的范围，以拆除高出地面或者是障碍物后的爆炸物。这几种机械臂的的操作范围都可以满足这一需求。因为在范围内移动物体这一原则本来就是工业领域设计机械臂的初衷。2，所占空间必须小，拆弹机器人是一个可移动的操作点，而不是一个空间，所以占用空间较大的直角坐标系便被排除。3，惯性对拆弹工作影响并不大，因为拆弹过程中所有的动作都非常缓慢，为了搬运重量较大的物体机械臂的各处驱动留下的功率余量比较大，可以很好的解决惯性的问题。4，从操作直观性的方面出发，虽然以上几种有较大的差别，但是随
45、着科技的进步，电脑模拟技术的完善，直观性差可以通过软件与程序来弥补，所以直观性不强对拆弹任务的影响不大。5，考虑到拆弹过程中可能会遇到在箱子中或者是在汽车底下的爆炸物，绕过障碍与路径这一特点会使拆弹工作非常方便。综上所述，多关节机械臂最适合履带机器人的拆弹工作。 2.3 机械臂的驱动方式选择2.3.1 几种机械臂的驱动方式机械手的驱动方式主要为以下五类a液压式 液压式系统使用的比较广泛，尤其是大功率机械臂上基本都是使用液压式，比如马路上常见的吊车，挖掘机等都是液压式机械臂的一种。驱动系统包含油缸，电磁阀，油泵，油箱。操作特点是操作力大，体积小，动作平稳，耐冲击，耐振动。缺点是漏油对系统工作性能
46、影响很大，成本高。虽然液压系统的体积小，但是仅限于在有压力源的情况下，如车间，大型机械等，对于小型移动设备来说，需要单独的机构提供压力，这需要额外的空间。小型的液压设备不容易设计管线等在局促的空间内会不好分配空间。b气压式与液压式原理相同，由气缸，气阀，空气压缩机组成。特点是气源方便，维修简单，速度高，成本低，防火防爆，漏气对设备影响不大。缺点是操作力小，体积大，由于空气的压缩性差，速度不易控制，响应慢，动作不平稳，有冲击等。而且同样的也需要空气压缩机作为气源，不便于小型移动设备随时携带。其中，速度不宜控制，动作不平稳，有冲击对于精密危险的拆弹工作来说是完全不可取的，如采用气压式机械臂的话将很容易发生事故。c机械式驱动系统由电机，凸轮，齿轮齿条，连杆等机械装置组成，传动可靠，缺点是结构比较复杂，对于简单的机械臂来说非常合适，但是对于有6个自由度的拆弹机器人来说，其间的机械结构将非常复杂精细。机械式机械臂也是需要辅助设备提供动力的