災(zāi)害救援機(jī)器人的設(shè)計(jì)【履帶式行走機(jī)器人設(shè)計(jì)】【說(shuō)明書(shū)+CAD+SOLIDWORKS】

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為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的優(yōu)秀解決方案，可編程的靈活性，需要沿著整個(gè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)史，從它的誕生，到現(xiàn)在。機(jī)器人手臂能夠從基礎(chǔ)的編程升級(jí)到靈活性的鈑金，讓機(jī)器人的外殼越來(lái)越薄。但即使要讓這些機(jī)器人的外殼變薄，也必須嵌入智能軟件Excel，以確保每個(gè)機(jī)器人能正常運(yùn)轉(zhuǎn)和適應(yīng)新的復(fù)雜的功能。就像在串行鏈中最薄弱環(huán)節(jié)，不靈活的爪子限制了整個(gè)工作單元機(jī)器人的生產(chǎn)力。 機(jī)械爪子已經(jīng)進(jìn)行了獨(dú)特的設(shè)計(jì)，但是固定顎板的形狀還沒(méi)有確定。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，一般難以預(yù)計(jì)硬盤成本和進(jìn)度的范圍。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器人的每個(gè)形狀、方向和接近角的預(yù)期的變化，需要其他自定義，但是爪子固定的位置，存放爪子的地方和更換爪子的器械，是不容許擅自改變和增加的。 相比之下，巴雷特的專利機(jī)械手爪如圖1所示，機(jī)械結(jié)構(gòu)，自動(dòng)重新配置和高度可編程性，不到一秒鐘匹配，地工作單元不停頓的數(shù)據(jù)交換量，交換手爪的幾乎任意形狀的變換功能。 對(duì)于需要處理的可變等多種有效載荷的方向，提出了高度靈活性的任務(wù)，一個(gè)能讓機(jī)械手爪更安全，更快捷的安裝，以及比定做加工夾具更低的成本和大容量的存儲(chǔ)機(jī)架。 不間斷運(yùn)行時(shí)，工作單元只有一個(gè)或兩個(gè)備用機(jī)械手爪可以作為應(yīng)急備份，而一個(gè)或兩個(gè)備用的手抓，是要求每個(gè)手爪都能變化 - 可能每個(gè)工作單元需要幾十人。而且，悲劇的是如果兩個(gè)手爪都系統(tǒng)備份，如果失敗，因?yàn)樗鼤?huì)存儲(chǔ)前幾天的可以識(shí)別的數(shù)據(jù)，很多自定義形狀，裝運(yùn)和自身裝配，所以會(huì)影響后面的操作。與此相反，由于機(jī)械手爪是數(shù)據(jù)相同，他們總是可以通過(guò)特定的軟件及時(shí)提供無(wú)限量的數(shù)據(jù)。 傳統(tǒng)夾具 今天的機(jī)器人，裝配零件的處理大部分是通過(guò)夾具。如果表面的條件允許，真空吸力和電磁鐵也可以應(yīng)用，例如：處理汽車擋風(fēng)玻璃和車身。作為部分尺寸開(kāi)始超過(guò)100gms，顎板的自定義形狀，以確保安全運(yùn)行。由于處理和裝配耐用的主體，這些工具沒(méi)有什么變化，因?yàn)闄C(jī)器人是從三十年以前才開(kāi)始的。 夾具，可以看做簡(jiǎn)單的類似鉗子的動(dòng)作，有兩個(gè)或三個(gè)非鉸鏈?zhǔn)种福环Q為“鉗口”，保持平行或者進(jìn)行打開(kāi)或者觀關(guān)上的運(yùn)動(dòng)，如2所示。良好的組織目錄可從制造商那里得到客戶所匹配（除了自定義形成的素具）的各種組成手爪所需要的部分任務(wù)和部分參數(shù)。 大型液壓夾鉗的有效載荷的尺寸范圍從微克至100+公斤。驅(qū)動(dòng)是典型的氣動(dòng)或液動(dòng),用簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)閥控制切換全開(kāi)或全閉狀態(tài)。鉗口通常移動(dòng)1cm就可以全開(kāi)至全關(guān)。這兩只手，兩個(gè)或三個(gè)手指，被稱為“鉗口”。對(duì)鉗口部分的制造目標(biāo)是可移動(dòng)的機(jī)械軟鋼或鋁，被稱為“軟鉗口”。 在特殊的情況下，工具專家設(shè)計(jì)師決定要對(duì)矩形軟鉗口件進(jìn)行自定義加工。一旦加工形狀完成，軟鉗口夾持器就要連接到各自的機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試。這一過(guò)程可以采取任何數(shù)量的迭代和調(diào)整，直到系統(tǒng)正常工作。模具設(shè)計(jì)者需要時(shí)間來(lái)重復(fù)整個(gè)過(guò)程中每一個(gè)新的形態(tài)。 隨著消費(fèi)者需求產(chǎn)品選擇的多元化，更加頻繁的產(chǎn)品介紹，對(duì)可調(diào)節(jié)自動(dòng)化的需求前所未有地強(qiáng)烈。然而，并沒(méi)有使機(jī)械手爪更全面，在過(guò)去幾年中機(jī)器人產(chǎn)業(yè)一直遵循的工具自動(dòng)來(lái)交換數(shù)控磨刀具技術(shù)的例子。 但是，應(yīng)用換模型串行工具連接機(jī)器人證明是昂貴的和無(wú)效的。不同于使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范外的銑床工具進(jìn)行成品切割，機(jī)器人工具設(shè)計(jì)者必須定制每一套機(jī)械爪的形狀 ， 一個(gè)耗時(shí)多、昂貴且難以確定范圍的任務(wù)。雖然機(jī)械手爪只便宜了500美元，但是每個(gè)工人努力制造機(jī)械手爪會(huì)耗資數(shù)倍。通過(guò)上面的例子，如果你要增加12個(gè)爪子的換刀架和刀具庫(kù)，那么花費(fèi)就不止10,000美元，而是劇增到20,000美元至60,000元。 更嚴(yán)重的是，在定制過(guò)程中準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)成本將是未知數(shù)。因此，客戶必須提交一份包括初裝費(fèi)、所需時(shí)間和材料的成本在內(nèi)的采購(gòu)訂單，這是是交易的基礎(chǔ)。雖然在美國(guó)售價(jià)30,000美元，智能機(jī)械手爪并不便宜。然而，人們可以“定制”在某一天運(yùn)行一個(gè)小時(shí)軟件來(lái)驗(yàn)證的系統(tǒng)的性能。如果系統(tǒng)的性能不能達(dá)到目標(biāo)要求，那么那一天的勞動(dòng)是白費(fèi)的。如果系統(tǒng)成功，那么按照原訂單將沒(méi)有任何隱藏的費(fèi)用。 除了成本、轉(zhuǎn)換機(jī)制的物理重量，在末端串行連接的機(jī)械臂外，限制了有效載荷和整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。該轉(zhuǎn)換長(zhǎng)度增加了額外的有效載荷中心，運(yùn)動(dòng)的靈活性，動(dòng)態(tài)響應(yīng)和關(guān)鍵的安全距離。 巴雷特機(jī)械手爪的說(shuō)明 靈活性和耐久性的簡(jiǎn)潔介紹 巴雷特機(jī)械手爪在靈活性的基礎(chǔ)上，按圖3中確定的八種聯(lián)合軸連接。只有四個(gè)直流伺服電動(dòng)機(jī)，如圖4所示，需要控制所有八個(gè)關(guān)節(jié)，由智能機(jī)械耦合增強(qiáng)。由此產(chǎn)生的機(jī)械手爪是自身總共只有一點(diǎn)一八公斤重，只有8mm直徑的連接電纜提供直流電源，建立雙向串行通訊連接到機(jī)器人的主要工作單元控制器中。該機(jī)械手爪的通訊電子，五微處理器，傳感器，信號(hào)處理電路，電子換相，電流放大器，和伺服電機(jī)都整齊的安裝在機(jī)械手的體內(nèi)。 巴雷特機(jī)械手爪的手掌有三個(gè)手指關(guān)節(jié)，如圖5所示，通過(guò)聯(lián)系手掌及每個(gè)手指，協(xié)調(diào)他們的動(dòng)作，能讓他們?cè)谀繕?biāo)范圍內(nèi)，牢牢的抓住物體。 每個(gè)巴雷特機(jī)械手爪的三根手指都是由三個(gè)獨(dú)立伺服電機(jī)控制，如圖6所示。除了F1手指和F2手指的伸展動(dòng)作, 都是由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)1、F2、F3 三個(gè)手指的內(nèi)外部的機(jī)械結(jié)構(gòu)都是用一樣的鉸鏈連接的。 三個(gè)手爪的每個(gè)馬達(dá)都必須驅(qū)動(dòng)兩個(gè)關(guān)節(jié)軸。通過(guò)專用通道來(lái)控制扭矩，扭矩控制器如圖7所示，這些關(guān)節(jié)的作用是能讓爪子在抓東西時(shí)更安全。如圖8所示，當(dāng)手爪第一次接觸物體時(shí)，需要傳遞簡(jiǎn)單的扭矩，確定他們的接合處，關(guān)閉電機(jī)電流，并等待手抓內(nèi)部的微處理器發(fā)出進(jìn)一步的指示命令。 但是，當(dāng)扭矩控制器如圖9所示時(shí)，為使安全和控制，扭矩控制機(jī)制第一次接觸物體時(shí)，用事先設(shè)置好的扭矩的上限值，再次確定物體螺紋的聯(lián)系，并當(dāng)手爪第二次接觸時(shí)，在一毫秒之內(nèi)更改第一次接觸時(shí)的所有扭矩信息。接觸順序快速確定，沒(méi)有高速攝像機(jī)的幫助下你將無(wú)法想象其中的過(guò)程。當(dāng)機(jī)械手爪放開(kāi)被抓對(duì)象時(shí)，它會(huì)讓扭矩控制器對(duì)每個(gè)手爪的扭矩的上限值進(jìn)行設(shè)定，而可控扭矩可以讓機(jī)械的停止的爪子再一次打開(kāi)。當(dāng)扭矩達(dá)到最高，那就是它的上限。這樣的話，機(jī)械手爪就有一個(gè)可抓起物體重量的準(zhǔn)確范圍。 與傳統(tǒng)的機(jī)械手爪不同，這種手抓里的連接，容許每個(gè)手指的兩個(gè)一致的獨(dú)立接觸點(diǎn)來(lái)穩(wěn)固的抓住物體的表面。不管位置，速度，加速度，還是扭矩，都可以通過(guò)所有17,500種型號(hào)的編碼器進(jìn)行控制處理。當(dāng)速度和加速度設(shè)置為最大時(shí)，每個(gè)手指可以在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)向任何一個(gè)的方向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通過(guò)測(cè)量，每個(gè)手指都能夠迅速的產(chǎn)生2公斤的力。一旦確定穩(wěn)定的抓住物體時(shí)，則鏈接將自動(dòng)鎖定，并關(guān)掉電機(jī)，這樣可以節(jié)省電源，直到需要重新調(diào)整或者放開(kāi)物體時(shí)，電機(jī)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)。 雖然手抓的張開(kāi)與收縮是擬人化，但如圖10所示，清楚的顯示了機(jī)器的非擬人化。機(jī)器伸展的動(dòng)作非常近似于靈長(zhǎng)類動(dòng)物的手指（拇指）的動(dòng)作，但是又不能替代，巴雷特機(jī)械手爪還有一種類似的手爪，整個(gè)手爪可以旋轉(zhuǎn)180度，手指中心對(duì)稱且平行于連接軸，是一種可以抓住各種夾具形狀的多功能手爪。 在1/2秒內(nèi)可控制的機(jī)器在 [3000]位置中任意伸展。不同的是機(jī)械鎖定了手爪伸縮的運(yùn)動(dòng)，使伸縮運(yùn)動(dòng)變回了可驅(qū)動(dòng)狀態(tài)，允許其控制手爪的位置，速度，加速度和扭矩。通過(guò)允許手爪的伸縮運(yùn)動(dòng)，使手指緊密的感應(yīng)物體，機(jī)械手爪的主要目的是找到一個(gè)接觸面積最大的同時(shí)耗能又是最小的地方。 電子和機(jī)械的優(yōu)化 可編程機(jī)器人智能靈巧的控制是成功的關(guān)鍵，不論是控制機(jī)械手臂，自動(dòng)引導(dǎo)工具，還是機(jī)械手爪。雖然智能機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)控的制通常是與處理器相關(guān)聯(lián)，很多生物系統(tǒng)，包括人類的手，一定程度上是通過(guò)大腦控制來(lái)處理一些反饋上來(lái)的獨(dú)立信號(hào)。實(shí)際上，巴雷特機(jī)械手爪通過(guò)結(jié)合現(xiàn)實(shí)世界中生物的靈活動(dòng)作，制作了一個(gè)機(jī)械程度相當(dāng)高的智能可編程微處理器，來(lái)處理反饋的信號(hào)。 通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義，要求關(guān)節(jié)軸通過(guò)智能電機(jī)的控制，使每一個(gè)獨(dú)立關(guān)節(jié)都能非常靈活。如果想讓機(jī)器人變得靈活，至少需要N個(gè)獨(dú)立的伺服電機(jī)，有時(shí)會(huì)多達(dá)N+1個(gè)或者2N個(gè)，每個(gè)關(guān)節(jié)軸都需要驅(qū)動(dòng)器控制。能讓機(jī)器人靈活的最重要的組成是伺服電機(jī)，可惜的是，這個(gè)家伙非常大，非常復(fù)雜，同時(shí)也是非常昂貴的。所以，理想中的想法可能是美好的，但放到現(xiàn)實(shí)中確實(shí)一個(gè)不切實(shí)際的設(shè)計(jì)。 根據(jù)定義，靈活的既不是你的手，也不是巴雷特機(jī)械手爪。當(dāng)然，其本身的良好定義是多功能的。其次，如果嚴(yán)格的定義巴雷特機(jī)械手爪的靈活性，它需要八至16個(gè)馬達(dá)，使過(guò)于笨重的，復(fù)雜的，和不牢固的機(jī)械手變得靈活起來(lái)，但實(shí)際應(yīng)用起來(lái)卻并非如此。但是，通過(guò)利用四個(gè)智能的聯(lián)合耦合機(jī)制，僅需要4個(gè)伺服電機(jī)基本上就可以讓巴雷特機(jī)械手爪變得靈活起來(lái)。 在某些情況下反射控制甚至比刻意控制要好。基于對(duì)自身有兩個(gè)例子可以說(shuō)明這一點(diǎn)。假設(shè)你的手不小心摸了非常燙的表面，它本能的會(huì)立刻回縮，通過(guò)條件反射來(lái)彌補(bǔ)主觀控制。如果沒(méi)有這種反射行為，你的手將邊燃燒邊等待疼痛的感覺(jué)通過(guò)神經(jīng)纖維緩慢的從你的手傳送到到你的大腦，然后你的大腦通過(guò)相同的神經(jīng)纖維緩慢的指揮你的手臂，手腕，手指的肌肉收縮。 至于第二個(gè)例子，試著動(dòng)食指的某一個(gè)關(guān)節(jié)而不出動(dòng)其他關(guān)節(jié)。如果你還是正常人的話，你將不能完成，因?yàn)槟愕氖值年P(guān)節(jié)是聯(lián)系在一起的。你的肌肉和肌腱為了精簡(jiǎn)而失去了某些靈活的功能。 巴雷特機(jī)械手爪承諾，微處理器和機(jī)械智能集成的功能設(shè)計(jì)將滿足智能靈活的要求。 電子控制 在巴雷特機(jī)械手爪中，包含了中央監(jiān)控微處理器，協(xié)調(diào)四個(gè)專門的運(yùn)動(dòng)控制微處理器通過(guò)RS232線進(jìn)行對(duì)I / O的控制。在圖4所示部分控制電路是在70針底板上建立并運(yùn)行的。每個(gè)控制微處理器都是傳感器電子進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)動(dòng)，電機(jī)換向電子和電機(jī)功率，手指或擴(kuò)散的動(dòng)作電流放大器的電子產(chǎn)品。 微處理器通過(guò)I/O命令監(jiān)視高速通過(guò)的信息，通過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信連接到PC的工作單元 或 控制器進(jìn)行通訊。機(jī)器人的兼容性允許使用任何RS232控制器，只有8毫米直徑的電纜同時(shí)對(duì)所有電力和通信進(jìn)行限制。通過(guò)使用公開(kāi)出版的機(jī)械手爪通訊語(yǔ)言（GLS）優(yōu)化了通信速度、帶寬和所需要的時(shí)間，并處理了機(jī)械手爪遇到特殊情況所出現(xiàn)的延遲問(wèn)題。重要的是要認(rèn)識(shí)到，機(jī)械手爪一般在工作周期中是最活躍的，而其執(zhí)行手臂運(yùn)動(dòng)，手臂在一個(gè)估計(jì)的軌跡兩端活動(dòng)時(shí)所用時(shí)間是最短的。 當(dāng)然機(jī)械臂在整個(gè)周期需要高控制帶寬，機(jī)械手抓就有足夠的時(shí)間接受安裝信息，因?yàn)樗咏哪繕?biāo)比較大。然后，用精確定時(shí)的控制器發(fā)布一個(gè)“觸發(fā)器”命令，如ASCII字符“C”，在幾個(gè)毫秒內(nèi)開(kāi)始執(zhí)行。 機(jī)械手爪的控制語(yǔ)言(GCL) 該機(jī)械手爪可以傳達(dá)和接受任何機(jī)器人的工作控制器命令，個(gè)人電腦，蘋(píng)果機(jī)，UNIX box，甚至是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的ASCII RS232 - C的掌上電腦進(jìn)行串行通信 他們都有共同的通信協(xié)議。雖然強(qiáng)大，相比USB或火線的標(biāo)準(zhǔn)， RS232有一個(gè)慢速帶寬的說(shuō)法，但其的簡(jiǎn)單導(dǎo)致了數(shù)據(jù)有一個(gè)短時(shí)間的小延遲。通過(guò)簡(jiǎn)化GCL，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了只需要以毫秒為單位就可以執(zhí)行和反饋一個(gè)命令（從控制器傳輸?shù)綑C(jī)械手爪，然后再傳回控制器）。通過(guò)最初的努力，建立了一個(gè)高度優(yōu)化的機(jī)械手爪語(yǔ)言，這樣的標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)協(xié)議意味著GCL的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容協(xié)議的未來(lái)是美好的。 該機(jī)械手抓有兩種控制模式：監(jiān)管模式和即時(shí)模式。監(jiān)督是通過(guò)正常的模式來(lái)控制機(jī)械手爪。它是通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的指揮體系，為了實(shí)現(xiàn)最佳的性能。 監(jiān)管模式具有以下幾種語(yǔ)法結(jié)構(gòu)： 對(duì)象（前綴） - 動(dòng)作（命令） - 主體（參數(shù)） - 限定（數(shù)值）. 前綴是指通過(guò)1-4臺(tái)電機(jī)的ASCII數(shù)值1，2，3，4來(lái)分別對(duì)應(yīng)F1,F2,F3,F4四個(gè)手指。任何前綴號(hào)碼，可用于任何命令。如果前綴被省略，那么機(jī)械手爪的命令適用于所有可用的軸。 舉一個(gè)例子，在ASCII字符“c”表示命令，驅(qū)動(dòng)相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī)，以默認(rèn)（或用戶定義）的速度和加速度開(kāi)始運(yùn)行，直到運(yùn)行夠默認(rèn)（或用戶定義）的時(shí)間后停止，并鎖定這個(gè)時(shí)候機(jī)械手抓的位置 ?1C代表關(guān)閉F1號(hào)手指。 ?2C代表關(guān)閉F2號(hào)手指 ?12C代表關(guān)閉F12號(hào)手指。 ?C相當(dāng)于1234C并關(guān)閉所有手指。 我們也有專門的命令“S”（取自于單詞“spread”）作為 “4”的快捷方式，“G” （取自于“grasp”）作為“123”的快捷方式，所以： ?GC是相當(dāng)于123C ?SC是相當(dāng)于4C。 有類似的命令啟動(dòng)手指，移動(dòng)任何組合的四個(gè)軸的位置，打開(kāi)默認(rèn)或用戶定義的數(shù)據(jù)，讀取和設(shè)置用戶自定義的參數(shù)，并讀?。蛇x）相應(yīng)的三個(gè)手指。BH8-250型號(hào)的最新版本有21和28兩種命令設(shè)置參數(shù)，可以靈活的進(jìn)行各種設(shè)置。 在即時(shí)模式下，如過(guò)先進(jìn)的即時(shí)遙操作控制，并且經(jīng)常通過(guò)巴雷特的用戶友好的GUI訪問(wèn)運(yùn)行Windows95/98/NT電腦。在即時(shí)模式下，用戶指定一個(gè)已有的數(shù)據(jù)包括模式和結(jié)構(gòu)。巴雷特的個(gè)人電腦軟件為用戶提供了20個(gè)連續(xù)的模式，使用戶可以通過(guò)定量細(xì)化數(shù)據(jù)包里的信息內(nèi)容。 GUI可以快速的形成一個(gè)機(jī)械手抓的圖案，其中包括了速度和位置的控制。GUI也有新型“生成C + +代碼”按鈕，使一個(gè)沒(méi)有任何C或C + +編程知識(shí)人都可以成功的保存和讀取。但是，如果熟悉C + +編程，也可以根據(jù)需要自行編輯代碼。 一旦即時(shí)模式啟動(dòng)，數(shù)據(jù)將全部處于ASCII字符的控制，直到發(fā)出停止即時(shí)模式或監(jiān)管模式才能返回。則該系統(tǒng)已被證明有效，并將客戶的各種應(yīng)用進(jìn)行了強(qiáng)化。 結(jié)論 雖然巴雷特機(jī)械手爪BH8 - 250只在1999年推出商用，已在30個(gè)企業(yè)投入使用，在全球各地每個(gè)的價(jià)格統(tǒng)一30,000美元。購(gòu)買機(jī)械手爪最集中的產(chǎn)業(yè)是日本汽車行業(yè)的制造商和供應(yīng)商，包括本田，雅馬哈摩托車， NGK（催化改裝陶瓷基板）。在這個(gè)時(shí)候，這些廠家才剛剛開(kāi)始探索這種多功能設(shè)備的功能，而諸如Fanuc Robotics公司，美國(guó)和日本空間計(jì)劃的客戶，已成為回頭客。