履带机器人的结构设计与建模毕业论文(编辑修改稿)

履带机器人的结构设计与建模毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

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 25176。 C 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。 几种充电电池的综合对比 表 13 几种充电电池的性能对比 Table 13 Performance parison of several rechargeable batteries 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，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 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。 D－ H 矩阵是一个４ X４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 DH 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 21 坐标系的相对位置和相对方向 Figure 21 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 wuvvuuU V W kpjpipP  即  TwvuU VW pppP 1, 式中 wvu ppp , ，分别是 P沿 OU,OV,OW 轴的投影。 在 OXYZ 坐标系中向量 P 记为 zzyyxxX YZ kpjpipP  即  TzyxXYZ pppP 1, 我们希望找出旋转变换矩阵 UXR ，以使 UVWP 的坐标转换为 XYZP 的坐标，既存在 UVWUXXYZ PRP  实际上， OUVW 按一定的关系绕 OXYZ 转动时，固定于 OUVW 的向量 UVWP 随 OUVW一齐转动，当 OUVW 与 OUVW 重合时， UVWP 与 XYZP 重合，其转动 关系由 UXR 描述。 向量 UVWP 在 OX、 OY、 OZ 轴的投影分量可用下列分量的点积定义wwxvvxuuxU V Wxx pkipjipiiPip  wwyvvyuuyUVWyy pkjpjjpijPjp  wwzvvzuuzU V Wzz pkkpjkpikPkp  写成矩阵的形式： 1pzpypx=1000000wzvzuzwyvyuywxvxuxkkjkikkjjjijkijiii1wvuppp 式中 UXR =1000000wzyzuzwyvyuywxvxuxkkjkikkjjjijkijiii UXR 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 θ 时，基本转动矩阵记为 Rot(x, θ )，由式（ 418）可以计算得： Rot(x, θ )=10000c o ss in00s inc o s00001 Rot(y, θ )=10000c o s0s in00100s in0c o s Rot(z, θ )= 1000010000c o ss in00s inc o s 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。 机械臂的运动形式选择 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。 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。 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。 几种机械臂运动方式的对比 表 21 几种机械臂运动形式的性能对比 Table 21 Performance parison 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。