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設(shè)計背景國內(nèi)外研究現(xiàn)狀本設(shè)計技術(shù)指標(biāo)畢業(yè)設(shè)計時間安排排爆機(jī)器人系統(tǒng)組成移動平臺設(shè)計武器平臺設(shè)計結(jié)論 小型排爆機(jī)器人設(shè)計背景 機(jī)器人的發(fā)明是二十世紀(jì)人類生活中最偉大大發(fā)明之一 縱觀人類科技史 一切的高新技術(shù)幾乎無一例外的首先應(yīng)用在戰(zhàn)場上 并且大多這樣的技術(shù)的設(shè)計 研發(fā)初衷就是軍事應(yīng)用 機(jī)器人也不例外 恐怖主義威脅著世界各地區(qū)人民的安全 已成為各國政府最為關(guān)注和頭疼的話題 除了恐怖分子安放的炸彈外 在世界上許多戰(zhàn)亂國家中 到處都散布著未爆炸的各種彈藥 并且人力排爆工作極其危險繁重 造成的傷亡事故頻發(fā) 近代及現(xiàn)代恐怖活動及地區(qū)戰(zhàn)爭已經(jīng)轉(zhuǎn)向?yàn)橄飸?zhàn) 爆炸物處理機(jī)器要求小型化 輕型化 多功能 所以小型排爆機(jī)器人將成為了不二選擇 排爆機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀 加拿大MK3機(jī)器人 德國TEODOR 美國F6A機(jī)器人 排爆機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀 英國 手推車 Wheelbarrow 超級手推車 Super Wheelbarrow 法國TSR 200排爆機(jī)器人 排爆機(jī)器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀 RAPTOR EOD中型排爆機(jī)器人 中國航天科工集團(tuán)公司自主研制的雪豹 10 我國研制的 靈晰 B 及 靈晰 HW 爆炸物處理機(jī)器人 京金吾科技有限公司研制的機(jī)器人 排爆機(jī)器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析 國外研究現(xiàn)狀優(yōu)點(diǎn) 1 產(chǎn)品已經(jīng)形成了系列化 模塊化及多功能化 2 科研人力物力投入較充足 3 產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)較為先進(jìn) 開展時間長 4 科研單位 院校與廠家合作緊密 國 本設(shè)計技術(shù)指標(biāo) 1 移動平臺 移動平臺自重 不大于50kg 移動平臺載重 不小于30kg 公路最高直行速度 3m s 斜坡最高直線速度 0 5m s 續(xù)航時間 3小時 爬坡能力 不小于30 平地越障高度 垂直高度不小于15cm 此外 移動平臺應(yīng)能實(shí)現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)的運(yùn)動特性要求 并在實(shí)現(xiàn)上述功能的前提下減小車體結(jié)構(gòu)尺寸 車體寬度應(yīng)小于700mm 2 武器平臺 武器平臺的搭載武器架體運(yùn)動應(yīng)能實(shí)現(xiàn)俯仰角度 5 10度 武器平臺主體水平方向左右偏轉(zhuǎn)180 3 控制方式 控制方式可以采用完全自主控制 半自主控制和遙控 采用遠(yuǎn)程 大于3km 無線控制 4 供電方式 整機(jī)供電方式采用高蓄能鋰離子電池供電 供電電壓和電流根據(jù)整機(jī)最大需求電壓和電流設(shè)置 并采用過載保護(hù)裝置 本設(shè)計工作方案及進(jìn)度安排 本設(shè)計排爆機(jī)器人系統(tǒng)組成 排爆機(jī)器人移動平臺運(yùn)動形式選擇 排爆機(jī)器人移動平臺面對的作業(yè)環(huán)境極其復(fù)雜 是由自然環(huán)境和人工環(huán)境構(gòu)成的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境 也就是復(fù)雜多樣的三維地形結(jié)構(gòu) 實(shí)際上最典型的情況就是斜坡 向上和向下的臺階 基本上絕大多數(shù)環(huán)境可以簡化為這三類地形的單一結(jié)構(gòu)或組合型結(jié)構(gòu) 機(jī)器人只要可以完成這三類環(huán)境運(yùn)動 并形成運(yùn)動簡化程序 通過一定順序完成各類復(fù)雜環(huán)境的通過運(yùn)動 在現(xiàn)有主要運(yùn)動形式中結(jié)構(gòu)主要有輪式 腿足式 履帶式這三種 排爆機(jī)器人移動平臺運(yùn)動形式選擇 排爆機(jī)器人移動平臺運(yùn)動形式選擇 在滿足技術(shù)要求的條件下 以盡量減小體積和質(zhì)量 并且結(jié)構(gòu)簡單可靠為目的 最終選擇了兼有變形和變位的特種履帶作為機(jī)器人的運(yùn)動形式 其通過典型障礙過程見圖如下 排爆機(jī)器人移動平臺結(jié)構(gòu)簡圖 排爆機(jī)器人移動平臺主要尺寸確定 移動平臺總寬度 580mm 700mm 主履帶寬度 80mm 前擺履帶寬度 55mm 前擺完全擺出后移動平臺總長度 980mm 主履帶輪中心距 560mm 前擺履帶輪中心距 280mm 主履帶輪直徑 200mm 排爆機(jī)器人移動平臺電機(jī)及減速器選擇 在滿足技術(shù)要求的條件下 以盡量減小體積和質(zhì)量 并且結(jié)構(gòu)簡單可靠為目的 最終選擇了500瓦以內(nèi)高精密電機(jī)中的全球領(lǐng)頭供應(yīng)商Maxonmotor公司的電機(jī)及其配套減速器 其型號機(jī)器參數(shù)如下 排爆機(jī)器人移動平臺傳動齒輪選擇 在滿足技術(shù)要求的條件下 以盡量減小體積和質(zhì)量 并且結(jié)構(gòu)簡單可靠為目的 最終選擇了產(chǎn)品系列較全小型齒輪供應(yīng)商日本KHK公司產(chǎn)品 其型號機(jī)器參數(shù)如下 其產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)在與系列型號全 結(jié)構(gòu)合理 并且為用戶提供在加工設(shè)計和加工服務(wù) 在同類型中技術(shù)水平及市場份額都處于前列 排爆機(jī)器人移動平臺履帶設(shè)計 為了滿足機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用 由其此類安防類機(jī)器人沒有可以直接選型的標(biāo)準(zhǔn)履帶供其選擇使用 通常采用自行設(shè)計履帶的方式 結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)合整車尺寸來進(jìn)行設(shè)計 本機(jī)器人履帶由芯金 加強(qiáng)層 緩沖層 橡膠部件組成 在鋼絲加強(qiáng)層外包覆一層 內(nèi) 有矩形橡膠傳動紋 類似于同步帶內(nèi)側(cè) 一層 外 防滑紋的橡膠履帶 并且內(nèi)層設(shè)有防雜物保護(hù)擋柵 主要用于阻擋較大雜物進(jìn)入履帶內(nèi)側(cè)導(dǎo)致帶輪與履帶卡死或劇烈摩擦 損傷電機(jī) 履帶及相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分 外側(cè)采用單梯型花紋 所以本設(shè)計履帶需要專業(yè)廠家進(jìn)行開模制作 排爆機(jī)器人移動平臺輪體設(shè)計 履帶車輛及移動平臺 按輪系組合分為無承重輪的大直徑負(fù)重輪式和有承重輪的小直徑負(fù)重輪式 主動輪 驅(qū)動輪及從動輪 輪觳上有矩形圓角齒 用于撥動履帶 將傳動裝置傳來的扭矩通過撥動履帶與地面的相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)闋恳?使履帶車輛及移動平臺運(yùn)動 主動輪此設(shè)計中采用后驅(qū)動 前從動方式 導(dǎo)向輪用來誘導(dǎo)履帶運(yùn)動的方向 并且導(dǎo)向輪軸的高低可以決定履帶車輛及移動平臺翻越垂直障礙的高度 排爆機(jī)器人移動平臺運(yùn)動形式選擇 承重輪設(shè)計有兩種主要形式 為單排和雙排設(shè)計 本設(shè)計采用雙排設(shè)計 這樣可以避免由于導(dǎo)向輪厚度小于履帶寬度造成的履帶寬度方向上受力不均與 應(yīng)力集中對履帶的磨損和破壞 也可以避免受力不均勻和應(yīng)力集中時的履帶卷曲 在雙排設(shè)計的同時采用雙排輪體交叉安裝 內(nèi)側(cè)為13個輪體 外側(cè)為12個輪體 這樣可以進(jìn)一步使履帶運(yùn)動過程中與地面接觸時兩承重輪體間無虛接觸現(xiàn)象 承重輪設(shè)計時還要考慮到兩端與主動輪輪緣間的間隙問題 履帶機(jī)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)已十分成熟 對此間隙問題已形成了較為統(tǒng)一的結(jié)論 就是在保證運(yùn)動靈活的同時 盡量減小其間隙大小 排爆機(jī)器人移動平臺前擺設(shè)計 排爆機(jī)器人移動平臺最終結(jié)構(gòu)設(shè)計 排爆機(jī)器人移動平臺完成內(nèi)容 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 履帶及其帶輪設(shè)計2 電機(jī)及其減速器和齒輪的選擇3 傳動軸的設(shè)計和校核4 前擺架的有限元分析5 平臺 水平及斜坡 運(yùn)動分析6 平臺越野能力分析平臺制圖內(nèi)容 1 CAD制圖約為3張A0圖紙2 手繪圖紙1張A03 重要零部件及單側(cè)裝配三維建模 武器平臺結(jié)構(gòu)選擇 武器平臺最終結(jié)構(gòu)形式 采用與機(jī)械手臂相同的法蘭盤與移動平臺上的回轉(zhuǎn)平臺連接 實(shí)現(xiàn)正負(fù)回轉(zhuǎn)各180度 俯仰運(yùn)動采用電動推桿帶動平臺小范圍精確俯仰 這樣可以在結(jié)構(gòu)最簡的情況下 保證平臺的穩(wěn)定性 武器平臺電動推桿的選擇 通過幾何繪圖的方式確定了電動推桿的沖程尺寸 30mm 并且通過簡化受力模型確定了電動推桿靜止鎖定力的范圍和所需推力 由于武器系統(tǒng)需要極高的射擊瞄準(zhǔn)精度 所以俯仰調(diào)節(jié)需要極高的精確度和分辨率 自行設(shè)計很難滿足要求 結(jié)合安裝尺寸范圍 最終選擇現(xiàn)有成熟HD公司產(chǎn)品 HD LinearActuator LA系列線性傳動裝置 其相關(guān)參數(shù)如下 武器平臺裝配至移動平臺示意圖 第一種安裝情況下 武器與武器平臺剛性聯(lián)接 圖中M為俯仰機(jī)構(gòu)所受動力偶 e為膛線到耳軸 俯仰機(jī)構(gòu)軸心線 的距離 水平射角為 俯仰機(jī)構(gòu)耳軸承受的載荷為FP和附加的動力偶Fe e 以發(fā)射最大膛壓進(jìn)行計算 則在此最大膛壓作用下 耳軸受到約8100N的作用力 若槍膛線和兩側(cè)耳軸之間平均距離為50mm 則此時俯仰機(jī)構(gòu)承受最大約405Nm的動力偶的作用 對于控制俯仰動作的伺服電機(jī)及其傳動機(jī)構(gòu)來說 如果采用槍身剛性聯(lián)接 則需要俯仰機(jī)構(gòu)提供較大的制動力矩才能保證槍身穩(wěn)定不動 因此 必須減小e 因此此類安裝對于該類小型武器平臺的穩(wěn)定性挑戰(zhàn)性極大 不適合采用 第二種安裝情況下 武器與武器平臺柔性聯(lián)接 采用獨(dú)立設(shè)計的柔性緩沖器聯(lián)接兩部分 由于此時武器沿著其相反的射擊方向后坐 采用動靜運(yùn)動法分析 通過對比兩種安裝情況 可以發(fā)現(xiàn)安裝柔性緩沖器可以明顯改善武器平臺的受力情況 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性 優(yōu)化結(jié)構(gòu) 大大減輕了對耳軸及電動推桿的沖擊載荷 所以后續(xù)設(shè)計中應(yīng)主要考慮此類安裝方式 武器平臺設(shè)計穩(wěn)定性分析 武器平臺系統(tǒng)組成 散彈 標(biāo)準(zhǔn)子彈彈殼及彈托回收箱 自動上彈裝置多配有彈托需要回收 武器視覺系統(tǒng)箱 光學(xué)鏡頭 2 攝像頭 2 輔助測距及定位 紅外及激光裝置 照明設(shè)備LED 設(shè)計重量約為2 3Kg 該箱體與武器搭載平臺一起俯仰運(yùn)動 經(jīng)過隱藏尺寸標(biāo)注等非結(jié)構(gòu)圖層CAD局部放大圖 排爆機(jī)器人武器平臺完成內(nèi)容 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 武器平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計2 電動推桿的選擇3 武器系統(tǒng)彈藥發(fā)射力學(xué)分析平臺制圖內(nèi)容 1 CAD制圖約為1 5張A0圖紙3 重要零部件及裝配三維建模 結(jié)論 本論文對具有排爆和持槍作戰(zhàn)功能的排爆機(jī)器人進(jìn)行了本體設(shè)計 并對其移動平臺 武器平臺和機(jī)械手臂三個組成機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了方案選擇 設(shè)計和論證 本論文完成的主要工作如下 1 通過對功能和設(shè)計任務(wù)的分析 初步制定了排爆機(jī)器人的總體組成和性能指標(biāo) 2 移動平臺作為排爆機(jī)器人實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形運(yùn)動功能的載體 本設(shè)計中采用了后輪驅(qū)動的履帶式移動機(jī)構(gòu) 并采用可獨(dú)立控制的前擺變位履帶 具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力 并且結(jié)構(gòu)較為簡單 本文對其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計 特別對其越障運(yùn)動進(jìn)行了分析 3 本設(shè)計中提出了可行的武器平臺結(jié)構(gòu)方案 在合理理想假設(shè)的基礎(chǔ)上 對武器平臺進(jìn)行了受力分析 建立了機(jī)器人在設(shè)計作業(yè)環(huán)境中的穩(wěn)定性模型 并提出了提高射擊穩(wěn)定的方法 本設(shè)計還有相當(dāng)?shù)牟蛔阒?在進(jìn)一步的研發(fā)設(shè)計過程中 許多內(nèi)容還有待于完善和改進(jìn) 謝謝