小型排爆機器人總體設(shè)計的研究.pdf

南京理工大學碩士學位論文小型排爆機器人總體設(shè)計的研究姓名：劉鐵軍申請學位級別：碩士專業(yè)：機械制造及其自動化指導(dǎo)教師：何勇20060626碩士論文 小型持爆機器人總體設(shè)計的研究摘 要小型化、輕量化和多功能的排爆機器人，在軍事上極具應(yīng)用和研究價值。本文針對軍用機器入的特殊性，以定位于兼有排爆和作戰(zhàn)功能的小型排爆機器人為研究對象，進行總體設(shè)計的研究。本文研究的機器人以小型通用移動平臺作為載體，通過搭載機械手和武器平臺，實現(xiàn)排爆和作戰(zhàn)功能。本文首先通過對設(shè)計功能和任務(wù)的分析，制訂了系統(tǒng)總體性能指標，并以此為基礎(chǔ)，從機構(gòu)角度對排爆機器人的移動平臺、武器平臺、機械手三個分系統(tǒng)展開方案的設(shè)計與論證。構(gòu)造了移動平臺基本結(jié)構(gòu)，建立了運動學模型，對其越障運動進行了分析；對武器平臺主要建立了槍架的受力模型，以及機器人的射擊狀態(tài)穩(wěn)定性動力學模型，并定性的分析了影響穩(wěn)定性的各因素，提出了提高穩(wěn)定性的方法；從總體上對機器人的靜態(tài)穩(wěn)定性進行了分析；對機械手確定了結(jié)構(gòu)基本參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上進行了詳細的機械手樣機設(shè)計，建立了機械手的位姿運動學方程和速度微分方程。通過總體設(shè)計提供的設(shè)計方案和分析方法，為下一步詳細設(shè)計的深入奠定了理論基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：小型排爆機器人總體設(shè)計運動學模型穩(wěn)定性模型， l碩士論文 小型捧臻機器人總體設(shè)計的研究AbstractMiniaturized and lightweight and multifunctional antiexplosion roborsare of great practical and theoretical valuable in militaryThis researchaims at the study of military robotand tries to present a general designof robots that can be used for both purposes：antiexglosion and militaryactionThe very robot takes the small and moveable platform as a carrier，through the equipment of a mechanical hand and a weapon platform，it canrealize the functions of anti-explosion and c伽batFirst，this paper analyzedthe designing task，decided the general performance index，and then carriedout the argument and design of every subsystem from organization angleThispaper construct reasonably of the movable platform，set up the kinematicsmodel，and analyzed the typical movement of climbing barriersTo the militaryplatform，this paper created a mechanistic model for the gun mount，a shootingstability dynamics model，and then analyzed the factors that wilL influencethe stability and give count measuresOn the basis of optimizing the basicindex of the mechanical hand，this paper present a detailed design sample forthe mechanical hand，formulate the kinematics equation of the mechanical handand the differential equation of velocity to the mechanical handThis studywould provide theoretical base for further designingKe，,ords；Antiexplosion robots General designKinematics model Stability modelII聲 明本學位論文是我在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的研究成果，盡我所知，在本學位論文中，除了加以標注和致謝的部分外，不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得任何教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。與我一同工作的同事對本學位論文做出的貢獻均已在論文中作了明確的說明。研究生簽名：垂!】塑銎 ，；年5雕曰學位論文使用授權(quán)聲明南京理工大學有權(quán)保存本學位論文的電子和紙質(zhì)文檔，可以借閱或上網(wǎng)公布本學位論文的部分或全部內(nèi)容，可以向有關(guān)部門或機構(gòu)送交并授權(quán)其保存、借閱或上網(wǎng)公布本學位論文的部分或全部內(nèi)容。對于保密論文，按保密的有關(guān)規(guī)定和程序處理。研究生簽名：玉墜圣 v年；月w日碩士論文 小型榫爆機囂人總體設(shè)計的研究1緒論11研究背景機器人是二十世紀人類最偉大的發(fā)明之一。人類對于機器入的研究由來已久，但直到上世紀50、60年代，隨著機構(gòu)理論和數(shù)控伺服技術(shù)的發(fā)展才真正進入實用化。上世紀70年代后，計算機技術(shù)、控靠q技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，機器人技術(shù)也隨之進入高速發(fā)展階段，并發(fā)展成為集機械、電子、控制和計算機技術(shù)的一項綜合技術(shù)1。在歷史上，所有的高新技術(shù)首先被考慮用于軍事用途，機器入也不例外。未來戰(zhàn)爭將是建立在高科技條件下的、高度信息化的全方位立體化的戰(zhàn)爭，各種具有巨大殺傷力的先進武器的廣泛使用，將使未來的戰(zhàn)場環(huán)境異常復(fù)雜、信息瞬息萬變，士兵的生命無時不刻受到來自天空、地面，水下各種先進武器的威脅，完全依賴士兵作戰(zhàn)能力的戰(zhàn)爭模式正越來越受到挑戰(zhàn)。在軍用機器人領(lǐng)域，排爆機器人是較早投入實戰(zhàn)的軍用機器人之，日靜，排爆機器人在些發(fā)達國家的軍隊已得到廣泛使用。英國早在60年代就研制了“手推車”排爆機器人用于英阿馬島戰(zhàn)爭的爆炸物清理，其改進型的土撥鼠及野牛兩種遙控電動排爆機器人被英國爭家工程兵在波黑及科索沃用于探測及處理爆炸物，德國MV494型遙控排爆機器人也曾裝備了其駐索馬暈的維和部隊131。在近年來美國發(fā)動的幾次局部戰(zhàn)爭中，基于“零傷亡”的作戰(zhàn)思想，美軍開始在戰(zhàn)場上大量使用排爆機器人替代士兵執(zhí)行排爆任務(wù)，其Talon排爆機器入2000年就參與波斯尼亞地區(qū)的軍事行動，隨后又參與2002年初的阿富汗行動以及2003年的伊拉克戰(zhàn)爭，執(zhí)行的主要任務(wù)是爆炸物檢測及其處理，阿富汗和伊拉克戰(zhàn)爭中共執(zhí)行20000項任務(wù)，在戰(zhàn)爭中有效地降低了已方的傷亡H。此外，由于政治、經(jīng)濟、民族、宗教等關(guān)系的錯綜復(fù)雜，國際和地區(qū)恐怖主義在世界各國有泛濫的趨勢。在公共場所安放爆炸物以產(chǎn)生恐慌(爆炸恐怖犯罪)即是其集中表現(xiàn)形式。相對于其他形式的惡性犯罪，恐怖爆炸由于其危害面廣、社會和政治負面影響面大，日益成為令當今世界各國政府頭疼的問題。據(jù)美國官方統(tǒng)計，1968年國際上的恐怖主義事件僅有120起，面1984年增至652起。1983年的500起恐怖活動中，有262起是爆炸事件pl。尤其是最近幾年，隨著國際形勢的動蕩，恐怖爆炸事件更是此起彼伏，接連不斷。除了傳統(tǒng)的恐怖活動熱點地區(qū)，例如中東、阿富汗等地區(qū)外，美國、英國、西班牙、日本、俄羅斯、印度尼西亞、烏茲別克斯坦、馬來西亞和泰國，菲律賓也接連發(fā)生恐怖爆炸事件，影響較大的有俄軍醫(yī)院爆炸案、西班牙馬德里爆炸案，印尼巴厘島爆炸案、倫敦連環(huán)爆炸寨等。就連以往很少有恐怖活動波碩十論文 小型捧爆機器人總體設(shè)計的研究及的國家和地區(qū)，近年來也接連發(fā)生恐怖爆炸事件。而且，隨著時間的推移，這些活動還愈演愈烈。作為應(yīng)對，反恐排爆已經(jīng)成為世界各國政府最為關(guān)注的問題之一。目前在世界范圍內(nèi)，排爆機器人已經(jīng)成為反恐作戰(zhàn)的重要裝備之一。排爆機器人是目前較具研究價值的機器人產(chǎn)品，在反恐領(lǐng)域可用來執(zhí)行諸如反恐排爆的任務(wù)，戰(zhàn)場上排爆機器人則用以執(zhí)行諸如排除爆炸物、戰(zhàn)場信息收集的任務(wù)；稍加改造，即可加裝單兵武器用于武裝巡邏、戰(zhàn)斗值勤等高危險任務(wù)。目前國內(nèi)已經(jīng)著力于排爆機器人的研發(fā)，但距離軍事用途還有相當?shù)木嚯x?；谲娪脵C器人產(chǎn)品系列化，通用性的需要，本文對基于小型移動平臺基礎(chǔ)上，兼具攤爆和作戰(zhàn)功能的機器人進行總體設(shè)計的研究。12國內(nèi)外研究現(xiàn)狀排爆機器人是一種較為復(fù)雜，對智能化要求較高的機器人產(chǎn)品，屬于非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的地面移動機器人范疇。對其研究的開展，也主要集中在西方發(fā)達國家。其中以美、英、德、法、以色列等國家技術(shù)較為成熟51，并相繼有排爆機器人產(chǎn)品投入實際應(yīng)用。圖11“手推車”排爆機器入 圖I2 “獨眼龍”排爆機器人英國被公認為較旱研制排爆機器入的國家之一。由于英國與北愛爾蘭長期處于對峙狀態(tài)，并不斷受到爆炸威脅，早在60年代就研制出了實用化的產(chǎn)品“手推車”和“超級手推車”排爆機器人，累計在世界銷售了800多臺，見圖11。后來又加以改進，除了原有的電視監(jiān)視器，引爆爆炸物的霰彈槍，各種轉(zhuǎn)臂和夾具、鋼索外，又安裝了電荷耦合器件電視攝像機，使機器人提高了清理爆炸物的效率。其中“超級手推車”車重204kg，長12米，寬O69米，最大高度132米，最大速度55米分鐘。ABP公司成立于1965年，是英國國防部常用工程設(shè)備的供應(yīng)商。近30年以來，ABP公司專為英國國防部生產(chǎn)和供應(yīng)EOD爆炸品解拆裝置。 “獨眼龍”是ABP公司生產(chǎn)的小型排爆機器人(MROV)，可無線遙控或通過光纖進行操作，用于解拆未爆炸裝置和常規(guī)武器，或用于其他存在高風險的危險領(lǐng)域。獨眼龍”具有除障和爬梯能力，碩士論文 小型捧爆機器人總體設(shè)計的研究可攜帶和操作爆炸物解拆器、小型武器、操縱器、手動工具、化學武器和爆炸品偵測器、x光檢測儀以及熱成像系統(tǒng)等等?，F(xiàn)在“獨眼龍”及其衍生產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于軍隊。見圖12。美國Remote*公司的安德魯斯(Andros)系列排爆機器人是產(chǎn)品系列和型號較多的排爆機器人系列產(chǎn)品，主要型號有Andros II、Andros VA、Andros VIA、F6A等。其中F6A型最突出的特點是行走速度快，操作人員可以迅速執(zhí)行任務(wù)。F6A機身較窄，尤其適合在狹窄的地方(例如飛機上)進行操作。F6A采用了Andros系列機器人獨有的活節(jié)式履帶，能夠跨越各種障礙，在復(fù)雜的地形上行走。全重159kg，長132米，寬045米高112米，速度最高56公里，J、時速，可爬450臺階和斜坡，攀上46厘米高臺，跨越46厘米壕溝。其中F6A見圖13。圖13 F6A排爆機器入 圈14Talon機器人系列美國Foster一妣1ler公司是一家生產(chǎn)可在伊拉克和阿富汗執(zhí)行排爆任務(wù)機器人的最大供應(yīng)商。目前已有250多輛TALON型機器人部署于戰(zhàn)場。TALON機器人除了排爆外，還可以直接參加反恐戰(zhàn)斗，可以裝備Id240或者毗49型機槍。此外，還可以裝備火箭發(fā)射器，用于爆炸物處理、偵查、通信、探測、警戒、防御與救援等各種任務(wù)。36kg的重量非常便于人員攜帶，可在全天候、晝夜、兩棲及各種地形環(huán)境下使用，是典型的利用通用化底盤開發(fā)的系列化軍用機器人產(chǎn)品。見圖14。此外，國外較具代表性的排爆機器人產(chǎn)品，還有英國PwALLEN公司Defender排爆機器人、加拿大Pedsco公司的lMI-i0排爆機器人；法國A1setex公司的崛800小型排爆機器人、法國Crbernetics公司的Minirob排爆機器人，法國DM公司研制的RM35機器人；德國Unimex Handels公司的Rode排爆機器人、德國Telerob公司的塒4爆炸物處理機器人等，其中部分機器入已經(jīng)過實戰(zhàn)考驗，并裝備于軍隊和警察部隊。國外排爆機器入產(chǎn)品，經(jīng)過國外幾十年的研究，已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用，功能完善、技術(shù)先進是其主要特點，目前，國外在經(jīng)歷了第一代機器人產(chǎn)品，即完全依賴人碩士論文 小型捧爆機器人總體設(shè)計的研究工控制的遙控排爆機器人；以及第二代具有視覺、感知和信息處理技術(shù)的排爆機器人產(chǎn)品，正積極展開具有高度智能化、網(wǎng)絡(luò)化控制、全自主能力的排爆機器人產(chǎn)品的開發(fā)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多信息融合等技術(shù)逐步應(yīng)用于其排爆機器人產(chǎn)品聊。同時，國外基于多年的基礎(chǔ)性研究以及相對成熟的技術(shù)，著手于系列化、規(guī)?；呐疟瑱C器人的生產(chǎn)。其系列化產(chǎn)品配件不僅齊全，而且具有良好的通用性，互換性，模塊化的設(shè)計思想使得一種產(chǎn)品經(jīng)過簡單的設(shè)計，即可派生出一系列適合不同用途的機器人。圖15 super-D排爆機器人 圖16“靈晰一B”排饌機器人相對國外在排爆機器人方面的研究，國內(nèi)開展較晚，但是近年來在該研究領(lǐng)域也取得了一定的進展。國內(nèi)一些廠家紛紛結(jié)合研究機構(gòu)、院校展開排爆機器人的研發(fā)，并相繼有一批產(chǎn)品問世，并投入市場。北京中泰和上海交通大學研制的Super-D機器人，長寬高分別為17米X 07米x 12米，重200kg。其移動速度可以達到40米分，可以爬上傾斜角度為40度以上的樓梯和坡度。見圖15。由中國科學院沈陽自動化研究所研制的“靈蜥一B”由本體、控制臺、電動收纜裝置和附件箱四部分組成，自重180kg，由電池電力驅(qū)動，最大直線運動速度為40米分鐘，采用三段履帶的設(shè)計可以讓機器人上下樓梯，跨越045米高的障礙，實現(xiàn)全方位行走，具備較強的地面適應(yīng)能力，并應(yīng)用于第十屆全國運動會期間。見圖16。北京金吾高科技有限公司的JW901排爆機器人，機械臂最高伸展27m。可將可疑物放霞于高18m的車載防爆罐中；機械臂最低可水平伸出距地面02m，可伸入車雇拆彈或抓取可疑物品；抓取器縱向旋轉(zhuǎn)360。橫向旋轉(zhuǎn)90。，可靈活地將物品從防爆罐之中取出；抓取器最大張開距離48cm；雙卡頭機械手可卡裝多種工具，包括切割器、水炮槍、光纜瞄準手槍、x光機等。見圖卜7。4碩士論文 小型攆爆機器人總體設(shè)計的研究圖17 JW90l捧爆機器人 圖18 DRACK)NIII型排爆機器人北京瑞琦時代技術(shù)開發(fā)有限公的DRAGONIII型排爆機器人，采用關(guān)節(jié)型折疊四履帶移動裝置，裝備有3+1自由度機械手(包括大、小臂及旋轉(zhuǎn)抓爪)，手臂全展時可抓舉重物lOkg，手臂總*芝900毫米。行駛速度最高30米分鐘，可在40。樓梯和斜坡行走，跨越300毫米高障礙和300毫米寬的壕溝。安裝兩臺CCD攝像機、照明設(shè)備、一臺監(jiān)視器和揚聲器、話筒?？蛇x擇爆炸物銷毀器、散彈槍和雙錨式抓爪。國內(nèi)各高校和科研機構(gòu)中，上海交通大學較早開展了包括排爆機器人在內(nèi)的特種機器人及其相關(guān)理論的研究，北京理工大學、華南理工大學、哈爾濱工業(yè)大學等高校也投入排爆機器人及其相關(guān)技術(shù)的研究，并相繼有一批成果聞世。對排爆機器人的研究也曾列入了國家“十五”863計劃f14培l(xiāng)。與國外相比，國內(nèi)排爆機器人的研究還處于發(fā)展階段，從事排爆機器人研究生產(chǎn)的僅有極少數(shù)的廠家，基礎(chǔ)性研究方面的投入不夠，缺乏具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，部分產(chǎn)品還處于模仿國外產(chǎn)品的階段，沒有系列化的、較為成功的排爆機器人產(chǎn)品。產(chǎn)品單一、功能尚有欠缺。國內(nèi)目前還主要依賴國外的排爆機器人用于反恐排爆，軍用領(lǐng)域的排爆機器人還是一片空白。國內(nèi)對于排爆機器人的研究，應(yīng)該借鑒國外的成功經(jīng)驗，積極開展具有自主知識產(chǎn)權(quán)的排爆機器人及其相關(guān)技術(shù)的研究，尤其基于小型化的，具有軍事多用途排爆機器入的研究。13研究內(nèi)容131研究意義排爆機器人屬于非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下作業(yè)的地面移動機器人。目前，國內(nèi)對其研究主要在具有單一排爆功能的民用領(lǐng)域展開，單一地對具有一種功能的機器人進行研究，不考慮其通用性和系列化，將會帶來大量的重復(fù)性研究，耗費不必要的人力和經(jīng)費，開發(fā)過程漫長。相對于嚴格的軍用標準，其軍事用途更是受到質(zhì)疑。未來戰(zhàn)場，軍用機器入將扮演越來越重要的角色。排爆機器人，尤其是小型化、輕量化和多功能的排碩論文 小型排爆機器人總體設(shè)計的研究爆機器人，在軍事應(yīng)用領(lǐng)域具有更為廣泛和深層的意義。以一種智能化小型移動平臺作為載體，分別搭載可更換的機械手和武器平臺，實現(xiàn)包括排爆、持槍作戰(zhàn)等在內(nèi)的多種功能，在戰(zhàn)場上將具有較強的生存能力，更加適合于未來戰(zhàn)爭的要求。對其進行理論和實踐的研究，對于國防現(xiàn)代化意義深遠。 132研究內(nèi)容本文對基于小型化、通用化、多功能的小型排爆機器人總體技術(shù)進行了分析和研究，本文研究的機器人是基于一種小型化移動平臺的多功能排爆機器人，移動平臺通過機械手實現(xiàn)其排爆功能，通過武器平臺則可具有作戰(zhàn)能力。由于軍用機器人的復(fù)雜性和特殊性，對其展開研究需要大量的人力和物力，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要做大量的理論方面的研究，本文研究側(cè)重于機器人機構(gòu)及其實現(xiàn)，主要研究內(nèi)容如下：(1)小型排爆機器人系統(tǒng)組成和性能從排爆機器人的作業(yè)環(huán)境和設(shè)計要求兩方面對設(shè)計任務(wù)進行了分析，從整體概念上進行了機器人的功能分析，并在此基礎(chǔ)上制定了總體性能指標。(2)小型排爆機器人總體方案設(shè)計對機器人結(jié)構(gòu)主體的三個重要組成部分，即移動平臺、武器平臺、機械手進行了方案的設(shè)計分析與建模。對移動平臺進行了方案的論證和結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立了j下逆運動學模型，對越障過程進行了分析；武器平臺分析了結(jié)構(gòu)方案，并建立了槍架的力學模型，以及武器發(fā)射狀態(tài)的射擊穩(wěn)定性模型。通過定性的分析，提出了提高穩(wěn)定性的辦法：對于機械手，確定了基本構(gòu)型和臂長等參數(shù)；并從總體上對機器人的靜態(tài)穩(wěn)定進行了分析。本章中確定的設(shè)計和計算方法，為下一步展開更為詳細的設(shè)計提供指導(dǎo)。(3)機械手樣機設(shè)計對于排爆機器人的機械手，利用模塊化設(shè)計方法，做了詳細的設(shè)計。鑒于滬H方法在機器人的運動學建模中已經(jīng)成為標準方法，在機械手運動學建模中運用臚H方法，對正、逆運動學方程和速度方程進行了推導(dǎo)，通過計算仿真證明了其正確性。6碩士論文 小塑梓爆機器入總體設(shè)計的研究2小型排爆機器人系統(tǒng)組成與性能指標本文的排爆機器人屬于軍用地面移動機器人的范疇。其移動載體為小型移動平臺，配合機械手，實現(xiàn)排爆功能；配合武器系統(tǒng)，可實現(xiàn)其作戰(zhàn)功能。以實現(xiàn)系列化、通用化的軍事多用途機器人的需要。相對于民用機器人，軍用機器人的要求更為嚴格，設(shè)計開發(fā)也是一個復(fù)雜的過程。設(shè)計工作的開展，首先必須建立在任務(wù)分析的基礎(chǔ)上，基于技術(shù)先進性和可行性，提出設(shè)計要求，對系統(tǒng)總體功能和性能指標參數(shù)進行初步的擬定，以指導(dǎo)進一步設(shè)計任務(wù)的展開。21設(shè)計任務(wù)分析本文設(shè)計的排爆機器人，設(shè)計目的主要應(yīng)用于在戰(zhàn)場環(huán)境下，代替人工完成排爆、持槍作戰(zhàn)等復(fù)雜的戰(zhàn)斗任務(wù)。在總體設(shè)計階段，對設(shè)計任務(wù)進行具體而又全面的分析是十分必要的。(1)作業(yè)環(huán)境作為軍用地面移動機器人，其實施的各項作業(yè)任務(wù)在復(fù)雜的環(huán)境下展殲，作業(yè)環(huán)境受到各種非確定因素的影響，所面臨的作業(yè)現(xiàn)場往往是無法事先預(yù)測的。作業(yè)環(huán)境是決定機器人設(shè)計的重要因素。對于排爆機器人，其作業(yè)可能需要在野外或城市內(nèi)展開機器人實施作業(yè)的地面環(huán)境由各種天然環(huán)境和人工環(huán)境構(gòu)成，機器人到達任務(wù)現(xiàn)場，可能會遇到各種凸臺、壕溝、斜坡、階梯，完成穿越灌木叢、涉水上岸，在沙漠、草地、池沼等復(fù)雜的地形地貌下完成行走，各種結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境相互交錯，使其地面作業(yè)環(huán)境異常復(fù)雜。作業(yè)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化是其主要特點。(2)設(shè)計要求目前，小型化、輕量化和智能化是軍用機器人的發(fā)展趨勢之一，輕量化的設(shè)計不僅便于運輸，也有利于各項后勤保障的實施。對于本文設(shè)計的排爆機器人，建立在結(jié)構(gòu)簡單、可靠的基礎(chǔ)上，應(yīng)能夠以自主和半自主及人工遙控的方式，實現(xiàn)排爆和戰(zhàn)場作戰(zhàn)，并且體積小、重量輕。22功能分析在吸收國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，從兼顧先進性和可行性出發(fā)，對排爆機器人提出如下的功能要求7碩士論文 小型捧爆機器人總體設(shè)計的研究(1)全天候作業(yè)目前，作戰(zhàn)飛機的全天候作戰(zhàn)能力已經(jīng)依靠微光夜視、自動導(dǎo)航、多普勒雷達、GPS等手段得以實現(xiàn)，地面作戰(zhàn)車輛也利用相似的方式基本實現(xiàn)了全天候作戰(zhàn)能力。在雨、雪、濃霧和夜間環(huán)境下，為單兵提供的適應(yīng)全天候作戰(zhàn)的工具極其有限，即使配合紅外微光夜視設(shè)備，也由于其視野的限制難以對戰(zhàn)場環(huán)境進行全面地了解。機器人可以利用其先進的探測和監(jiān)測設(shè)備，對戰(zhàn)場環(huán)境進行全面的監(jiān)控，為士兵提供包括視景在內(nèi)的全面的戰(zhàn)場信息。機器人由各類精密儀器和機電系統(tǒng)構(gòu)成。作為全天候的作戰(zhàn)工具，機器入本體必須具有全天候環(huán)境下作戰(zhàn)的包括防雨、防潮在內(nèi)的自身防護能力。(2)多地形適應(yīng)和自主導(dǎo)航無論野戰(zhàn)環(huán)境還是城市作戰(zhàn)，所面臨的地形都將極其復(fù)雜。完全依賴人工操作不僅是行動緩慢，而且操作起來相對比較復(fù)雜。對于多地形適應(yīng)能力的地面軍用移動機器人的研究，國外在實現(xiàn)了基本的爬坡、越障、避障功能的基礎(chǔ)上，目前已廣泛開展了基于自主和半自主的路徑規(guī)劃優(yōu)化等技術(shù)的研究，在實驗室階段通過了部分實驗的驗證。通過軟件實現(xiàn)其智能化的前提是機器人本體具有多地形適應(yīng)能力。對于體積和重量都相對小巧的機器人來說，其爬坡越障和過溝壑的能力相對有限，尤其是涉水上岸，由于河泥的軟滑，移動平臺的附著力和攀爬能力急劇下降，這是一個較難解決的問題。設(shè)計功能主要應(yīng)能實現(xiàn)具有爬坡越障及各種復(fù)雜地理環(huán)境的多地形適應(yīng)能力。自主和半自主導(dǎo)航是機器入應(yīng)具有的功能，通過避障雷達、激光測距、GPS等設(shè)備，機器人可以在復(fù)雜的環(huán)境下無需人工干涉完成各項作戰(zhàn)任務(wù)，最后回到指定目標地點。自主導(dǎo)航并非萬能，以目前的技術(shù)條件，對于較為復(fù)雜的環(huán)境，利用軟件實現(xiàn)自主導(dǎo)航，可能會使機器人處于“兩難”的境地，因此，還應(yīng)能夠與人工遙控相配合，由人工進行適當?shù)母深A(yù)，相對較為簡單的環(huán)境，以及其基本的避障，越障能力判斷則由機器人自主進行。(3)排爆和戰(zhàn)場信息收集各類隱蔽和非隱蔽的爆炸物，對士兵的生命是極大的威脅。以海灣戰(zhàn)爭后的科威特為例，在伊科邊境一萬多平方公里的地區(qū)內(nèi)，有16個國家制造的25萬顆地雷、85萬發(fā)炮彈和多國部隊投下的布雷彈及子母彈的2500萬顆子彈，其中20沒有爆炸【2們，在許多國家，甚至還殘留著第一次世界大戰(zhàn)和第二次世界大戰(zhàn)未爆炸的炸彈和地雷。新型的爆炸引信大量應(yīng)用于地雷等爆炸物，使人工排爆的難度越來越大，由此帶來的非戰(zhàn)斗減員對于部隊的戰(zhàn)斗力和士兵的氣是一種嚴重的打擊。此外，在戰(zhàn)場上，敵我雙方為獲得全方位的戰(zhàn)場信息，在戰(zhàn)場上通過飛機等方式大量布撒各類傳感器用于偵測惰報，其傳感器大都體積較小，通過肉眼極難分辨，且具有自毀功能。機器入以其小巧的體積穿梭于戰(zhàn)場，利用紅外、電子鼻、無線偵測等8頌十論文 小型捧爆機器人總體設(shè)計的研究先進的傳感器進行探測，有效的銷毀敵方的各類戰(zhàn)場傳感設(shè)備，切斷敵方的信息來源和數(shù)據(jù)鏈路，這些都是依靠士兵難以實現(xiàn)的。4)持槍作戰(zhàn)惡劣的作戰(zhàn)環(huán)境和復(fù)雜的作戰(zhàn)任務(wù)是造成士兵傷亡的主要原因，此外對作戰(zhàn)環(huán)境的判斷由于人為因素的影響也會造成無謂的非戰(zhàn)斗減員，從美國軍方的統(tǒng)計數(shù)字不難看出，非戰(zhàn)斗減員也是造成人員傷亡的一大因素。(見圖21)但終其因原，惡劣的作戰(zhàn)環(huán)境本身是造成士兵心理壓力從而導(dǎo)致傷亡的主要因素。機器人可以相對專注的投入作戰(zhàn)任務(wù)，準確而又及時地做出判斷，為作戰(zhàn)任務(wù)贏取時間j取得先機。Dea眙byUS螄剛婦dll憫_-t一嘲-Howth哆diedI_-船_似，-l一圖21美軍對于非戰(zhàn)斗減員的統(tǒng)計23系統(tǒng)組成機器人的武器系統(tǒng)主要為可自動瞄準的自動步槍，攜帶武器系統(tǒng)，機器人取代士兵執(zhí)行各種高危險任務(wù)，如戰(zhàn)斗巡邏、執(zhí)勤等高危險的作戰(zhàn)任務(wù)。尤其是在夜間和復(fù)雜氣象條件下，利用機器人先進的傳感和監(jiān)控設(shè)備，有利于首先發(fā)現(xiàn)放情并采取應(yīng)對措施。對于機器人的攻擊，目前還不能依賴其基于敵我識別和模式識別的自動系統(tǒng)，必須由人工發(fā)出指令才能夠采取攻擊行動，否則極易造成誤傷。國外預(yù)測，具有完全自主射擊能力的機器人還需30年的時間。根據(jù)設(shè)計任務(wù)的分析，確定排爆機器人由圖22所示各部分組成，包括機器人本體和遠程控制端。機器人本體結(jié)構(gòu)主要由移動平臺、武器平臺、機械手三個部分組成。移動平臺作為整個排爆機器人功能實現(xiàn)的載體，可分別搭載機械手執(zhí)行爆炸物排除任務(wù)，或搭載武器平臺執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)?？刂贫瞬糠钟扇斯みM行監(jiān)控和執(zhí)行相應(yīng)的操作，圖23對控制端作了大體布局的設(shè)計。對于機械臂的人工遙控，除了能實現(xiàn)各關(guān)節(jié)的獨立控制，還應(yīng)能夠聯(lián)動控制，以實現(xiàn)排爆操作時的靈活控制性。機器人本體與控制端通過加密的無線數(shù)據(jù)鏈路通訊，實現(xiàn)可靠的雙向數(shù)據(jù)交流，并可通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制以及多機器人協(xié)調(diào)的功能。9l一竺n一竺j本體24總體性能指標圖22系統(tǒng)總體組成框圖圖23遠程控制端簡圖通過對設(shè)計任務(wù)和對系統(tǒng)功能和組成的分析，對排爆機器人總體性能指標進行初步擬定。一一 10碩士論文 小型捧爆機器人總體設(shè)計的研究(1)移動平臺自重：50kg載重：30kg公路最高直行速度：3ms續(xù)航時聞：3h爬坡能力：30。 平地越障高度：15cm此外，移動平臺應(yīng)能實現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)的運動特性要求，并在實現(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70cm。(2)機械手：機械手性能主要由自由度和抓取能力衡量，對于本文設(shè)計的小型排爆機器人的機械手，主要設(shè)計用于輕型爆炸物的抓取及戰(zhàn)場收集和布置各種傳感器，因此抓取能力設(shè)計要求滿足l2kg，自由度4。(3)武器平臺：武器主要考慮選擇58mm槍彈系列輕武器，武器平臺的運動應(yīng)能實現(xiàn)俯仰角度5。lO。，水平方向左右偏轉(zhuǎn)180。(4)控制方式：自主、半自主、遙控。(5)供電方式：鋰離子電池25本章小結(jié)在本章中，從排爆機器人的作業(yè)環(huán)境和設(shè)計要求兩方面對設(shè)計任務(wù)進行了分析，從整體概念上確定了機器人應(yīng)具有的功能，對于整個系統(tǒng)，從本體結(jié)構(gòu)上確立了由移動平臺、機械手、武器平臺三大部分的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上制定了初步的總體性能指標。ll碩士論文 小型捧爆機器人總體設(shè)計的研究3小型排爆機器人總體方案設(shè)計排爆機器入的設(shè)計，受到多方面因素的制約，基于戰(zhàn)場條件的要求，機器人必須滿足結(jié)構(gòu)簡單、可靠、小型化、輕量化的要求。合理的方案設(shè)計是實現(xiàn)機器人良好性能的前提，在方案設(shè)計中，必須進行大量的分析和論證。從機器人的總體結(jié)構(gòu)上，排爆機器人主要由移動平臺、機械手和武器平臺組成，其中，移動平臺是整個機器人實現(xiàn)各項任務(wù)的載體。在本章中，移動平臺部分設(shè)計了基本結(jié)構(gòu)，進行了正逆運動學的建模，并對越障運動進行了分析；通過對武器平臺的穩(wěn)定性建模，定性地分析了機器人的射擊穩(wěn)定性問題；通過優(yōu)化確定了機械手的主要參數(shù)，并從總體的角度對機器人的斜坡靜態(tài)穩(wěn)定性進行了分析。 31移動平臺方案設(shè)計311移動平臺構(gòu)型移動平臺的作業(yè)環(huán)境非常復(fù)雜，其環(huán)境因素主要包括原有的天然環(huán)境，以及各種人工干預(yù)的環(huán)境，稱之為非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。對于移動機器人來說，非結(jié)構(gòu)環(huán)境是多樣的，復(fù)雜的三維地形，一般由平坦的地面、斜坡、障礙、臺階、壕溝、淺坑等地形組成。實質(zhì)上，最典型的情況是斜坡、向上和向下的臺階，所有的地形可簡化為以上三種典型地形的組合，移動機構(gòu)只要能夠通過上述三種地形及其組合，即可通過一系列動作序列通過各種復(fù)雜的三維環(huán)境。具有多地形適應(yīng)能力的移動機構(gòu)，目前主要有輪式和履帶式、腿足式。對于本設(shè)計，其主要功能除了爬坡越障和多地形適應(yīng)能力、全方位轉(zhuǎn)向功能外，還應(yīng)在速度、運行平穩(wěn)性、載重自重比等方面全面予以考慮。在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，任何一種移動機構(gòu)都有其優(yōu)勢和實用性，同時存在某些缺陷。對移動機構(gòu)的設(shè)計和選擇，需要綜合設(shè)計要求及其他相關(guān)因素。(1)輪式移動機構(gòu)輪式移動機構(gòu)可以達到較高的運動速度，在相對平坦的地面上，輪式移動具有相當?shù)膬?yōu)勢，控制也相對簡單，輪式移動機構(gòu)由于應(yīng)用廣泛，是目前研究最為透徹的移動機構(gòu)之一傳統(tǒng)的輪式行走機構(gòu)有三輪、四輪、六輪的結(jié)構(gòu)形式。相對而言，輪式移動機構(gòu)的缺點也是明顯的，由于與地面接觸面積小，在土壤壓比較小的柔軟路面和濕滑的路面上易產(chǎn)生沉陷和打滑。這些都使輪式機構(gòu)在大多數(shù)野外復(fù)雜環(huán)境下功能受硪士論文 小型捧爆機器人總體設(shè)計的研究到限制。為提高輪式行走機構(gòu)的多地形適應(yīng)能力及其通過性，在傳統(tǒng)的輪式行走機構(gòu)上進行結(jié)構(gòu)變形，出現(xiàn)了四輪加前后擺、六輪加前后擺、行星輪式等具有多地形適應(yīng)能力的行走機構(gòu)；車輪結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了超輕線編制輪胎、半球形輪胎、麥卡姆輪等多種車輪形式。(2)履帶式移動機構(gòu)典型的履帶式移動機構(gòu)由驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、托帶輪、履帶板、履帶架等部分構(gòu)成。履帶式移動機構(gòu)適合于在復(fù)雜路面上行駛，它是輪式移動機構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。履帶式移動結(jié)構(gòu)具有主要有以下的優(yōu)點：地面支撐面積大，接地比壓小，滾動摩擦小，通過性能較好，轉(zhuǎn)彎半徑小，牽引附著性能、越野機動性、爬坡，越溝等性能優(yōu)于輪式移動機構(gòu)，履帶式移動機構(gòu)廣泛用于各種軍用地面移動機器入。普通履帶式移動機構(gòu)越障能力有限，只有通過加大帶輪直徑和履帶長度來提高其越障性能，并且履帶式移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其控制和運動分析較為困難，大多都是通過實驗方法進行研究。為改善普通履帶式移動機構(gòu)的缺點，主要通過改變履帶的形狀和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，卡特比勃(Caterpillar)、形狀可變履帶、位置可變履帶、履帶式加裝前后擺等結(jié)構(gòu)形式相繼出現(xiàn)，并應(yīng)用于各種機器人移動機構(gòu)。近年來各種增強的非金屬復(fù)合材料運用子履帶，大大減輕了履帶式移動機構(gòu)笨重的缺點，改善了其整體性能。對野外環(huán)境，履帶式移動機構(gòu)具有較強的適應(yīng)性。(3)腿足式移動機構(gòu)腿足式移動機構(gòu)基于仿生學的原理，目前展開廣泛研究的有兩足、四足、六足等各種腿足式移動機構(gòu)，該機構(gòu)幾乎可以適合任何路面的行走，且具有良好的機動性，其運動系統(tǒng)具有良好的主動隔振功能，可以較輕松的通過松軟地面和大跨度障礙。但該機構(gòu)運行速度慢，結(jié)構(gòu)形式在上述各種移動機構(gòu)中最復(fù)雜，控制也相對較為困難，目前應(yīng)用較少，大多處于研究和實驗室階段。表31各種移動機構(gòu)綜合評價評價啦能 越障 越野 通過 速度 小型化 行駛 轉(zhuǎn)向 載重吾蠹、3 能力 性能 性 實施 穩(wěn)定性 性能 自重比腿足式 A A A D D A D普通履帶式 C B B B A B B B特種履帶式 B B B B B A B B普通輪式 D C C A B C 特種輪式 B C C B B C B碩士論文 小型捧爆機器人總體設(shè)計的研究對本設(shè)計而言，爬坡越障能力、小型化、輕量化是其主要特點。在表31中對各種行走機構(gòu)進行綜合評價?；谠O(shè)計要求，對各性能分配權(quán)重，A至D分別為從高至低的分值。表中特種履帶式移動機構(gòu)為加裝前擺及加裝前后擺的結(jié)構(gòu)形式，對表31中的幾種可能的設(shè)計方案，綜合評價的結(jié)果，特種履帶式為相對較優(yōu)的方案。加前后擺的履帶機構(gòu)，比單獨加裝前擺具有更強的越障和地形適應(yīng)能力，但由此帶來了的機構(gòu)復(fù)雜性和重量的增加，也會帶來對系統(tǒng)的可靠性的影響，實質(zhì)上加裝前擺即可實現(xiàn)爬坡越障功能。其通過各種典型地形的情況見圖31。為了使擺臂有更強的地形適應(yīng)能力，前擺部分左右兩擺臂可單獨控制即獨立驅(qū)動。3，12移動平臺結(jié)構(gòu)渺旺璺圖31前擺式履帶移動機構(gòu)通過幾種典犁地形在確定機構(gòu)方案的前提下，對移動平臺的結(jié)構(gòu)方案進行初步設(shè)計，移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖見圖32。履帶驅(qū)動方式為后輪驅(qū)動，左右兩后驅(qū)動帶輪1分別由兩個直流伺服電機通過后輪驅(qū)動傳動機構(gòu)2驅(qū)動，由于齒輪減速器傳動效率和傳動精度較高，運行平穩(wěn)性好等特點，因此可以為整個機器人提供良好的直線行走、差速轉(zhuǎn)向和原地回轉(zhuǎn)的功能。(1)擺臂運動的實現(xiàn)兩個前擺的轉(zhuǎn)動擺臂動作，分別由直流伺服電機經(jīng)前擺減速機構(gòu)5減速后帶動擺桿8產(chǎn)生前擺的擺臂運動，左右兩擺臂為獨立驅(qū)動，可分別進行控制，動作更加靈活。擺臂減速機構(gòu)可采用蝸輪蝸桿傳動，以使結(jié)構(gòu)更加簡單。(2)擺臂部分履帶控制的實現(xiàn)前擺主動輪7空套履帶承重輪6上，通過離合器控制兩者的分離和嚙合，離合器分離時，前擺履帶不轉(zhuǎn)動；嚙合時，前擺履帶轉(zhuǎn)動。在前擺履帶不接地時，可通過離合器控制前擺履帶不轉(zhuǎn)動以降低整機的電能消耗。因此，此結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)前擺部分以下幾種方式的運動：擺桿擺動十前擺履帶轉(zhuǎn)動；擺桿擺動+前擺履帶不轉(zhuǎn)動；擺桿制動+前擺履帶轉(zhuǎn)動；擺桿制動+前擺履帶制動。14碩士論文 小型摔爆機器人總體設(shè)計的研究l 2 3 4 5 6 7 8 9U jj k l Ir卜1、 、 I古 匍 一 一占睦 芻笛 一口乓 C= 一一I u I I Il ll一后驅(qū)動輪2一后輪驅(qū)動傳動機構(gòu)3一車體框架4一支撐輪 卜前擺驅(qū)動傳動機構(gòu)6一承重輪 7一前攔主動輪8擺桿9一前擺從動輪圖32移動平臺結(jié)構(gòu)示意圖移動平臺是實現(xiàn)整個機器人功能的載體，其性能將直接影響到機器人的整體性能。移動平臺的剛性對機器人整體性能影響最大，結(jié)構(gòu)剛性不足容易使車體產(chǎn)生變形，在野外復(fù)雜路面行走造成車體的震顫，不僅難以實現(xiàn)越野功能，而且會直接降低移動機構(gòu)及其所承載的作業(yè)系統(tǒng)的作業(yè)精度，因此，移動機構(gòu)應(yīng)采用整體式底盤設(shè)計。此外，考慮其整體的防水性能要求，除了在前后輪和壓帶輪輪軸部分采取防水措施外，車體部分應(yīng)設(shè)置為多個隔離艙室，減速器和驅(qū)動電機均采用獨立艙室，中間部位的艙室則用來安裝控制系統(tǒng)電路板、其它電子線路模塊、GPS、電子陀螺儀等設(shè)備，以及驅(qū)動整機的鋰離子電池。 移動平臺的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)進行如下的確定。整體長度尺寸，應(yīng)以所承載的武器系統(tǒng)為參考來確定，目前使用58嘞槍彈的單兵輕武器，以840啪全槍長的95式班用15碩士論文 小型捧爆機器人總體設(shè)計的研究機槍作為參考，槍身前后可略有外伸，初步確定移動平臺的結(jié)構(gòu)尺寸為單側(cè)履帶接地寬度10cm，履帶接地長度50cm，前后帶輪直徑25cm，中心距50cm，前擺主動輪直徑20cm，前擺輪與前驅(qū)動輪中心距為30cm，車體長度為75cm(前擺收回狀態(tài))，寬度為60cm，高度為24cm。對于采用履帶式移動機構(gòu)的移動平臺，承載能力是其重要指標，履帶的承載能力主要有兩個指標表示，即平均比壓和最大比壓，這里主要對平均比壓進行計算。履帶的平均比壓為用吼表示，平均比壓為：；旦：育6+Qqo (31)。了2i乒 (31)式(31)中，G為履帶式移動機構(gòu)的重量，Q為承載后引起的偏載，工為履帶接地長度，b為履帶接地寬度。許用比壓吼為005O15Nmm2。按照載重系數(shù)為085，車體重50kg，平均比壓為000833 Nmm，滿足許用比壓的要求。移動平臺從結(jié)構(gòu)上滿足承載的要求。313移動平臺運動學建模移動平臺是機器入實現(xiàn)地面運動的主要載體，在非機構(gòu)環(huán)境實現(xiàn)運動，機器人必須能夠在由壕溝、臺階、障礙和斜坡等復(fù)雜地形上行駛。這就要求移動平臺能實現(xiàn)路徑跟蹤控制和障礙回避，在行駛過程中應(yīng)能估計出自己的位置、方向、速度、加速度，能根據(jù)期望的前進速度確定出各驅(qū)動輪的速度，建立移動平臺的運動學模型是十分必要的。對于運動學建模，本文采用基于移動平臺幾何中心位姿的運動學建模方法，實際上研究的是二維平面的運動學問題。由于移動平臺采用履帶式移動機構(gòu)，使得其實際運動非常復(fù)雜，尤其是在轉(zhuǎn)彎運動時，由于履帶壓力分布不均勻，在轉(zhuǎn)彎過程中車體產(chǎn)生滑移和刮土，這些因素都使得對移動平臺的運動學分析極為困難。因此對其進行運動學分析，必須建立在適當?shù)募僭O(shè)和簡化基礎(chǔ)上。由于運動學只分析運動，而不考慮受力，在此可作以下假設(shè)： 不考慮結(jié)構(gòu)變形，將移動平臺結(jié)構(gòu)各部分視為剛體；履帶傳動機構(gòu)的履帶輪與履帶之問沒有滑轉(zhuǎn)，即驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)5=O，履帶與地面之間不發(fā)生側(cè)滑；兩側(cè)履帶均勻著地；前擺機構(gòu)主要用于越障、爬坡，對運動學分析沒有影響，因此運動學分析中不考慮前擺機構(gòu)；分析運動學，首先要建立坐標系，移動平臺在二維平面中的坐標系如圖33所示。16碩士論文 小型彳非t攀機器人總體設(shè)計的研究圖33移動平臺牮標系X圖33中：m矽為固連于地面的固定坐標系；Oc為移動機構(gòu)的幾何中心；X。，y。分別為Oc點對應(yīng)的坐標值；占為左右履帶中心線之問的距離；礦和CJ為移動平臺幾何中心0的瞬時線速度和角速度；此外，用q、出：分別表示左右驅(qū)動帶輪的角速度，表示驅(qū)動帶輪的半徑，移動平臺在固定坐標系xoy的位姿用G，弘口)柬表示。3131正運動學模型如圖33所示，對于移動平臺左右履帶的速度，可表示為：V鏟I=c町oi r z，由速度瞬心法確定移動平臺幾何中心0c的線速度和角速度為：。：!生2：匕二生B將式(32)代入式(33)即可得到：(33)17仁掣 (34)移動平臺幾何中心Oc相對固定坐杯系xoy的運動方程，以矩陣形式表示為：眺rr-eos8rcos剛字鋒(35)(36)式(36)即為移動平臺在平面坐標系xoy的運動速度。對式(36)進行分折：(1)以=m，時，左右兩側(cè)履帶驅(qū)動輪角速度相等，移動平臺直線行使；(2)coj緲，為差速轉(zhuǎn)向狀態(tài)，其中國(-02為向右行使，If250咖，為使槍身不至前身過長，旋轉(zhuǎn)底座的可安裝范圈為其軸心線距車體幾何中心肛一100+lOOmm，其結(jié)構(gòu)尺寸需通過具體分析束確定。322槍架受力分析槍械發(fā)射時，受力情況十分復(fù)雜，其瞬洲的作用力必須通過內(nèi)彈道方程和膛壓曲線進行解算。對于非自動武器，如火炮，在射擊時作用于膛底的火藥燃氣壓力，推動炮箱帶動炮身后座，此力使炮身產(chǎn)生運動的唯一主動力，常稱為后坐力，以只來表示，對于導(dǎo)氣式自動武器，如95式班用機槍，推動機陌后坐的力不僅只是膛底的火藥燃氣壓力，還有通過導(dǎo)氣孔的火藥燃氣壓力，它一方面壓導(dǎo)氣室前壁推機再向前，另一方面作用于槍擊框壓縮復(fù)進簧，彈簧力推進機再向后。為了研究方便，這些在后坐期作用于機廈上的所有主動力統(tǒng)統(tǒng)包括在后坐力只內(nèi)421。對槍架機構(gòu)進行受力的分析，首先作以下基本假設(shè)：(1)槍架底座與機器人剛性聯(lián)接，視為剛體，槍身為一均質(zhì)卡T：(2)槍械結(jié)構(gòu)上左右對稱，射擊時所有外力及其合力均位于槍械對稱面內(nèi)，并略去彈丸在槍膛內(nèi)運動時膛線導(dǎo)線側(cè)的反抗力矩的影響；(3)射擊時，槍架保持不動。槍架部分受力如圖39所示：第一種情況：假設(shè)槍身與槍架剛性聯(lián)接，圖中M為俯仰機構(gòu)所受動力偶，e為膛線到耳軸(俯仰機構(gòu)軸心線)的距離，水平射角為Q。俯仰機構(gòu)耳軸承受的載荷為只和附加的動力偶只，口，以發(fā)射最大膛壓進行計算：昂=PxS (314)式中：卜最大膛壓，按300MPa計算；p一槍管作用面積，對于58 13徑，面積為O27cm224碩士論文 小型抖绱機器人總體設(shè)計的研究則最大膛壓作用下，耳軸受到約8300N的作用力，若膛線和耳軸之間距離為5cm，則俯仰機構(gòu)承受最大407Nm的動力偶的作用。對于控制俯仰動作的伺服電機及其傳動機構(gòu)來說，如果采用槍身剛性聯(lián)接。則需要俯仰機構(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P，即槍身膛線到的俯仰機構(gòu)軸線的距離。幽39槍絮受力分忻第二種情況：槍身通過緩沖器與槍架連接，此時，由于槍身沿著其相反的射向后坐，用動靜法進行分析?？梢园褬屔碜饔糜跇尲艿暮笞Π凑障率接嬎悖?一袱=Px8一J，z (315)式中：榭由后坐時日J和緩沖器的剛度K束決定。后坐時fBJ的計算式為42l：，r、警啪s每 cs式中：t，后坐時問：F彈簧效率，一般取05；m后坐部分質(zhì)量；坑后坐初彈簧力；后坐術(shù)彈簧力；由上述兩式(315)和(316)可以看出，采用彈性聯(lián)接，使用緩沖器，可以使槍架俯仰機構(gòu)受理情況明顯改善。通過對槍架進行受力分析，待出如下結(jié)論：槍身通過緩沖器安裝并固定于槍架上；減小槍身膛線到耳軸的距離以減小對俯仰機構(gòu)電機和傳動機構(gòu)的沖擊載衙。323射擊穩(wěn)定性動力學建模在機器人搭載武器(機槍)進行射擊時，機器人整體的穩(wěn)定性和機槍的射擊精度是必須要考慮的問題。機槍是一種主要以連發(fā)的方式使用的武器，連發(fā)射擊時機器人的穩(wěn)定性對射擊精度有非常大的影響，尤其是對散白密集度的影響，連發(fā)射擊過程中25碩士論文 小型捧爆機器人總體設(shè)計的研究機槍、機器入整體可能產(chǎn)生跳動、移動或下沉，槍身、武器機械平臺、移動平臺等也可能產(chǎn)生彈性變形引起局部振動以及整體振動，這些都是影響射擊穩(wěn)定性的因素。射擊穩(wěn)定性的概念是與射擊精度的概念密切相關(guān)的，單純的考慮機器人的穩(wěn)定性而不考慮其射擊精度將沒有任何意義。對于射擊穩(wěn)定性的理解，可以認為，機槍射擊時。無論機器人整體是否跳動，移動或振動，只要武器能夠保證彈丸出槍口瞬時的射向誤差在一定的允許范圍內(nèi)，就能滿足武器的射擊精度要求，即可以認為其射擊是穩(wěn)定的【421。3231穩(wěn)定性分析方法對于射擊穩(wěn)定性問題的分析，主要有絕對穩(wěn)定性、相對穩(wěn)定性以及動態(tài)穩(wěn)定性幾個概念腳】。(1)絕對穩(wěn)定性絕對穩(wěn)定性是傳統(tǒng)的穩(wěn)定性觀點，該穩(wěn)定性要求武器系統(tǒng)在射擊時，相對應(yīng)各支點既不產(chǎn)生跳動，也不產(chǎn)生移動和下沉，符合靜止性的要求。(2)相對穩(wěn)定性相對穩(wěn)定性允許機器入整體沿射擊方向前后移動，也允許有規(guī)律的輕微跳動，前者很顯然是保證了射向一致性，后者則需要驗證武器上跳過程與周期是否影響彈丸出槍口時的射向。(3)動態(tài)穩(wěn)定性動態(tài)穩(wěn)定性認為，射擊時，無論武器是否產(chǎn)生移動、跳動、變形和振動，只要保證武器的射向一致性就認為是穩(wěn)定的。相對穩(wěn)定性與動態(tài)穩(wěn)定性的區(qū)別是，前者只考慮剛體位移，后者主要考慮武器結(jié)構(gòu)的彈性變形，后者實現(xiàn)起來要比前者困難得多。本文用相對穩(wěn)定性的理論進行穩(wěn)定性分析。3232射擊穩(wěn)定性模型發(fā)射時的槍身后坐階段中，若某時間區(qū)段內(nèi)的翻倒力矩大于重力矩(穩(wěn)定力矩)，則機器人就會有繞后驅(qū)動輪接地點轉(zhuǎn)動的趨勢，即表現(xiàn)為機器人上抬；當翻倒力矩小于重力矩時，則上抬轉(zhuǎn)慢或轉(zhuǎn)為下降，落地后又有下沉和抬起。對于重量較輕的小型機器人來說，槍械設(shè)計時必然會發(fā)生略微上跳的現(xiàn)象。用絕對穩(wěn)定的理論，如果實現(xiàn)在射擊過程中完全的靜止，解決的辦法只有通過增加機器入的重量，假設(shè)機器人在靜止狀態(tài)下進行射擊，并保持靜止，其水平方向和鉛垂方向僅有地面摩擦和重力的作用與武器發(fā)射產(chǎn)生的后坐力相平衡，阻止機器人上抬的穩(wěn)定力矩則僅有重力矩。頎士論文 小型輔像機|人總體設(shè)計的研究按照絕對穩(wěn)定理論，則對于本設(shè)計的機器入柬說，其總體質(zhì)量根本無法滿足要求。根據(jù)相對穩(wěn)定性分析理論，我們認為，機器入無論是否上跳，只要能保證在彈丸射出槍口之前，下落至起跳位霄或在一定的誤差范圍內(nèi)，或者在機槍連發(fā)時，保持一個相對穩(wěn)定的動態(tài)位冒微小跳動，都可以認為射擊過程是穩(wěn)定的。下面我們對機器人整體進行研究。對于整個機器人的射擊穩(wěn)定性的分析，必須建立在合理的基本假設(shè)上，在這罩對系統(tǒng)模型進行如下基本假設(shè)：機器人整體位于水平面上。即水平角度為零；不考慮機器人各部分的變形，視之為剛體，槍械視為剛體；不考慮土壤在后坐運動方向的變形過程，不計地面摩擦；槍械和機器入整體左右對稱；射擊時武器平臺槍架及移動平臺機構(gòu)等機器人各部分不下沉；機器人初始為靜止狀態(tài)，即仞速為O。 。對其后坐運動階段進行分析，機器入射擊時的受力