地面反恐防爆機器人的結構設計目錄TOC\o"1-3"\h\u15422摘要 摘要隨著現在互聯網和智能化系統等先進技術的快速發展，工業4.0以及智能制造2025計劃得到有利推動，不同類型的機器人在市場的發展潛力不容小覷，而機器人在生活中的應用也越來越廣泛。而如今世界各地暴力和恐怖事件頻頻發生，恐怖組織手段殘忍，其中炸彈襲擊正是最頻繁最具殺傷力的手段，幾乎所有的國家對于地面反恐防爆機器人這方面的研究都無比的重視。這類型機器人可以幫助人們做一些危險程度高的工作，不但能在各種復雜程度高的環境之中進行工作，還能夠幫助人們在不同區域之間進行巡邏、排除危險以及防爆等很多工作。除此之外，對于一些危險程度比較高的地方，可以幫助人們在工作中的危險降到最低，大大保證了人們的安全性，具有重要的社會作用。文主要介紹了防爆機器人的設計原理，討論各種方案的可行性并選取最合適的方案對防爆機器人進行設計。關鍵詞：高危作業；巡邏；排險防爆；第1章地面反恐防爆機器人研究背景 1.1地面反恐防爆機器人的發展史世界上第一臺工業機器人的問世雖然離現在并不久遠，但人類對于機器人設計卻已經有著幾千年的歷史了。一直以來人類都希望創造出一種模擬人類的機械裝置，以便代替人類進行各項工作。根據《列子·湯問》記載，早在西周時代偃師就研制出了一個歌舞機器人進獻給周穆王，并因此有一個典故由此而生：偃師造人、唯難于心。也就是說技術能力雖然很好，但是人心是無法短時間造就的。由此可得機器人的研發并不是近年來才開始的。上世紀六十年代中期，電子技術有了重大突破，一種以小型電子計算機替代控制器的機器人被制造出來，剛開始有一些“感覺”和良好的肢體協調能力，可以主動或者人為操控下做一些復雜程度相對比較高的工作，這就使得機器人在軍事中進行應用有了一定的基礎。然而人類認識到機器人潛在的軍事價值則始于一次異乎尋常的打撈。在1966年1月15日，美國的海軍利用名為“科沃”的機器人潛入到水下750米左右，打撈出被丟棄的氫彈。正是因為這一事跡，讓人們首次看到在軍事中應用機器人是多么重要。在這之后美軍相繼推出了“軍用航天機器人”、“危險環境工作機器人”等，并開始批量裝備部隊。越戰期間，美軍不僅首次使用機器人駕駛列車，為運輸縱隊排除危險障礙，還使用夜視機器人站崗。這便是地面反恐防爆機器人最開始體現的軍用價值。在2001年9月11日，轟動世界的911事件發生，造成了不可估量的人員傷亡和經濟損失。自此之后恐怖主義的活動并未停止，反而愈演愈烈。恐怖組織頻繁的活動引起了越來越多國家的重視，面對巨大的威脅人類開始在原有的軍用機器人基礎上研發反恐防爆機器人，并將它應用于核工業、軍事、燃化、鐵路、公安、武警等高危險部門，代替人類在危險、惡劣、有害環境中執行探查、排除或銷毀爆炸物、消防、搶救人質以及與恐怖分子對抗等任務。2015年赴黎巴嫩維和的中國軍隊便配置了一款功能齊全的反恐防爆機器人，這也是反恐防爆機器人首次被應用于我國部隊。隨著科技不斷發展創新，反恐防爆機器人的作用不僅在軍事上體現，在工業方面也得到了多數企業的青睞，例如煤礦、對金屬進行冶煉以及化工廠等各行業，因為實際工作風險相對高，很容易發生危險的事故，導致很多工作人員發生安全事故以及造成很多的損失，現在不少企業使用反恐防爆機器人代替人工進行高危險作業，大幅度降低了作業風險。1.2地面反恐防爆機器人國內外研究現狀早在二十世紀六十年代，西方國家就致力于用防暴機器人處理易燃易爆的物品。地面反恐防爆機器人最早的研究始于英國，當時由于北愛爾蘭不斷被炸彈襲擊，英國的軍事機械部隊率先研發出“手推車”和“超級手推車”反恐防暴機器人。后來英國部隊又將手推車機器人加以優化改良，先后研制出采用無線電控制系統的“土撥鼠”及“\t"/item/%E6%8E%92%E7%88%86%E6%9C%BA%E5%99%A8%E4%BA%BA/_blank"野牛”兩種電動防爆機器人。法國于上世紀八十年代也開始研發地面反恐防爆機器人，在歐洲地面軍用機器人的研究中，法國發揮了重要作用。法國DM公司研發的RM35反恐防爆機器十分具有代表性，它裝配了全履帶式底盤，能良好的適應各種地形，同時配備六臺攝像機和一臺X射線儀，能夠掃描檢查物體內部從而排查危險物品。美國政府非常重視反恐防爆機器人的研究，尤其是在911事件后在反恐防爆機器人的研究上投入了大量的人力和財力。美國Remotec公司研制出的Andros系列機器人能夠拆除小型爆炸物。iRobot公司研發的PackbotEOD系列反恐防爆機器人已經作為美軍標準配備大量運用在伊拉克戰場上。該系列機器人擁有全球精準的定位系統，能夠通過微波雷達、聲波定位儀、X光掃描儀等多種裝置精確的捕捉目標。雖然中國對于地面反恐防爆機器人的研究起步較晚，但由\t"/item/%E6%8E%92%E7%88%86%E6%9C%BA%E5%99%A8%E4%BA%BA/_blank"中國科學院沈陽自動化研究所自主研發的“\t"/item/%E6%8E%92%E7%88%86%E6%9C%BA%E5%99%A8%E4%BA%BA/_blank"靈蜥”\t"/item/%E6%8E%92%E7%88%86%E6%9C%BA%E5%99%A8%E4%BA%BA/_blank"智能機器人系列在整個世界中也是屬于較為先進的行列，已經被軍警等各部門應用到了實際戰斗中。這種類型機器人的頭部有著超高清攝像頭，讓操作工作人員在觀察外部狀況和下達指令的時候可以更加便利。在行走的過程中，利用“輪+腿+履帶”等方式進行組合。除此之外，在平底區域進行的時候可以快速前進，如果遇到陡坡，可以下達指令對其進行調控，四輪同時收起，改為履帶形式跨越障礙。“靈蜥”有著非常強的靈敏度，可以任意方向進行轉動，而且自由靈活度特別強的機械手可以將5公斤的爆炸物舉起來，并且快速扔向爆筒之中。不僅如此，他可以攀爬上35度以下的斜坡或者是樓梯，甚至可以翻越障礙，只要不超過0.4米，而且在洞穴不超過2.2米高度前提下，可以在其中取物品。同時，可以自身裝備不同的武器，攻擊敵人。第2章地面反恐防爆機器人概述2.1設計任務根據總功能要求和工作性質，地面反恐防爆機器人是代替人類去做一些地面反恐防爆工作，例如排除銷毀爆炸物、偵查、搶救人質、與恐怖分子對抗等。根據反恐防爆的工作性質需要，所需要的用到的機械部位主要是手部以及手臂前后的伸縮位置，上下升降或者轉腰和行走結構。2.2系統組成

機械手的整個系統需要借助四個部分才能完成運行，分別是機體、供電，控制裝置以及運輸代理。主傳動機構的伸縮臂和把握機構，電源液壓傳動和機械傳動，兩幅形型控制裝置，基本上都是利用自動和手動兩種方式進行控制的。2.3設計內容整個反恐防爆機機器人的主要動作過程分為五個部分：機械手臂的上下升降、機械手臂的前后伸縮、機械手臂的左右旋轉、機械手能夠張開閉合，裝置具備前進后退的功能。在5個部分之中，我們需要利用機械手將上升和下降的工作進行完成，這這個設計當中需要利用電動機的帶動絲杠螺母機構來完成手臂的上升下降的功能。

第3章機械手的設計及計算3.1機械手設計方案由于機械手所需抓取的物品不僅為規則幾何體，大多數為不規則形狀物品，所以本次設計機械手的方案為：夾持式機械手指，運動形式選擇回轉型。整個機械手采用二指回轉型手抓和滑槽杠桿結構。機械手指的開張由機械手內彈簧的伸縮來控制。在不工作狀態下，機械手指在彈簧處于正常長度下呈閉和狀，接收到工作指令后，機械手指受到壓力油的作用，彈簧長度被縮短，機械手手指張開以便夾取物件。3.2滑槽杠桿的力學分析圖3.2.1滑槽杠桿式機械手部結構圖3.2.2受力分析1——手指

2——銷軸

3——杠桿通過上面的圖我們能夠知道。因為杠桿三具有了作用，所以銷軸2的拉力可以為f，它的方向是向上的。借助銷軸的中心O點機械的手指一具有的滑槽，可以對銷軸反作用力，也就是F1和F2。力的方向是滑槽的中心線，1和2垂直并且同時指向了歐典和F1、F2的延長線有了兩個交點為A、B。由理論力學公式得：得，得, 得式中：a——手指回轉支點與對稱中心的距離（mm）。——工件夾緊時手指滑槽方向和兩回轉支點的夾角。針對機器人的手指，我們做出詳細的力學基礎分析。可以知道它的驅動力，如果我們將F作為固定數值的話，那么隨著角度不斷增大，的值也會跟著增加，但角如果太大的話，就會導致整個拉桿的行程變長，很有可能讓手部的結構不斷加大，所以對于α的取值范圍最好是。3.3夾緊力及驅動力的計算對機械手進行充分設計的過程當中，它的夾緊力是特別重要的，所以本篇文章對于機械手指夾緊力作出研究的時候，主要對它的手指大小方向等進行設計分析和準確計算。手指對工件的夾緊力的計算公式為：式中為安全系數，一般都會取值為1.2~2.0；為實際工作情況下具體應用的系數，主要是因為受到慣性力產生的影響。基本上可以按照下面公式作出估算其中a是重力方向的最大的上升加速度；為運載時工件的最大上升速度t響為系統能夠產生最高的速度時間，一般選取0.030.5s為方位系數，借助機器人手指和具體工作位置的不同而進行詳細分類并作出選擇。G為被抓取工件所受重力（N）。作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa小于50000.8~12~45000~100001.5~24~510000~200002.5~3以上5~8設計計算過程：設a=100mm,b=50mm,,機械手達到最高的響應時間為0.5s，求夾緊力、驅動力以及驅動液壓缸的尺寸。1）設，按照上面所有的公式將數據結果代入可以知道：根據驅動力公式得：取可以完全確定液壓缸直徑D選取活塞桿的直徑d=0.5D，這樣在對液壓缸產生的工作壓力油進行選擇：根查表選取液壓缸的內徑為：則活塞桿的內徑為:，選取3.4機械手手指夾持精度的分析計算正是因為機械手指對所需要的物品非常精準的拿取，對手的基本設計有以下幾個概括：對于需要抓取的東西做出非常準確的定位，在整個過程中，必須有超高的精準度，同時手在運動的過程中要有良好的穩定性能，必須要直達目標。對機械手是否可以完全準確拿到正確的物品或者是可以放到指定位置，不只是由機械手的定位準確度決定，同時也取決于機械手指的夾持誤差。由于本論文研究的是地面反恐防爆機器人手指，抓取的物品通常帶有危險性和不確定性，所以機械手助的定位準確和精準抓取是必要條件，必須要對機械手指所存在的價值誤差作出分析和計算。本篇論文所利用的棒料是對機械手夾持誤差做出精準度的判斷。設定機械手指夾持的范圍為50mm150mm。在一般的情況下，機械的手指堅持存在的誤差不能夠超過1mm分析如下：（1）工件平均半徑：手指長度l=120mm,取手指夾角偏轉角取值為最佳偏轉角：由上式可得：當時，帶入有：由上述計算可得機械手指的設計滿足夾持誤差要求。3.5機械手指彈簧的設計及計算在上文中提到，機械手指的閉合由彈簧的伸縮來控制，在本次設計中控制機械手指的彈簧選用圓柱壓縮彈簧。圖3.5圓柱螺旋彈簧的幾何參數（1）選用硅錳彈簧鋼，可以清楚知道可以運用切應力：（2）選擇旋繞比為C=8，則按照具體安裝的空間選擇彈簧的中徑D=48mm，對彈簧絲具體的應用直徑進行估算（4）試算彈簧絲的直徑，取7mm（5）根據變形情況來確定彈簧圈有效的圈數：選擇標準為，彈簧的總圈數為圈（6）最后確定：，，，3.6圓柱壓縮彈簧驗算本文當中所設計中利用的是壓縮彈簧，因為彈簧的長度特別長時，受力之后很容易失去原有的彈性和穩定性，遇到這樣的狀況會導致在機器人的工作過程中造成嚴重失誤。為了避免上述情況發生，對彈簧的疲勞強度和應力強度進行驗算是必要的。壓縮彈簧的長細比為，本設計中選用的彈簧是兩個自由端，根以下為彈簧穩定性指標：當兩端全部被固定時，；如果有一個端點是完全固定的，而另一端卻是自由的，那么；如果兩端都能夠自由靈敏的進行轉動，那么。結論中本設計額彈簧，所以彈簧的穩定性是非常適合的。對疲勞強度和應力強度作出驗算：對于頻繁使用、在變力情況下工作的彈簧，為保證彈簧的工作性能，還要對彈簧的疲勞強度和靜應力強度進行驗算。查得靜應力強度驗算公式為：若彈簧合格，范圍為1.31.7。由上述計算可得，彈簧的疲勞強度合格。第4章腕部結構的設計4.1機械手腕部設計方案地面反恐防爆機器人機械手腕用于連接機械手臂和整個機械手，本設計理想夾取物品的重量為30Kg，由于夾取物品需要機械手靈活轉動，既能支撐機械手的重量，又要良好的和手臂銜接，所以要求機械手腕回轉角度為180°。所以在本設計中腕部的結構利用的是自由度可以靈活回轉的，它所采用的方式是液壓驅動法。4.2腕部的設計及計算4.2.1縱向氣缸的設計計算和校核：通過上面總結可以知道對于手腕的支撐大小需要是30kg，在對氣缸最初沒有加載的時候，它所能夠輸出的力需要充分進行考量。在氣缸的活塞和缸筒之中會受到一定的力。而活塞桿和前氣缸中發生摩擦力，這些都會產生一定的影響，所以機械手自身的重量是一定要考慮的。查得在研究氣缸的性能和確定氣缸的缸徑時，常用到負載率β： 查《液壓與氣壓傳動技術》表可得：阻性負載（靜負載）慣性負載的運動速度v表4.2.1氣缸的運動狀態與負載率運動的速度v=3m/min=50mm/s，取β=0.60，所以對于液壓缸負載的具體大小是：F=F0/β=500N。4.2.2氣缸內徑的確定：氣缸內徑確定公式項目計算公式缸徑雙作用氣缸推力拉力氣缸內徑確定公式由上式可得D=61.79mm按照GB/T2348-1993標準對以上數據進行圓整，取D=63mm810121620253240506380（90）100（110）125（140）160（180）200（220）250320400500630表氣缸缸徑尺寸系列活塞桿直徑的確定由d=0.3D估取活塞桿的直徑d=20mm456810121416182022252832364045505663708090100110125140160180200220250280320360400活塞桿直徑系列（mm）4.2.3缸筒長度的確定由公式可得，缸筒的長度S=L+B+30，上式中L為活塞的行程，B為活塞額厚度。活塞的厚度B=(0.61.0)D=0.780=56mm，因整個氣缸的全部路程L為800mm,所以S=L+B+30=886mm對于一般的導向套滑動面，它的長度設為A，在D<80mm時，可取A=(0.61.0)D；在D>80mm時,可取A=(0.61.0)d。所以可得A=25mm最小導向的長度H：按照已有的經驗，如果氣缸有著最大的行程L，而且它的缸筒直徑為D，最小導向的長度為H代入上面所提到的數據，即最小導向長度H=80mm活塞桿的長度l=L+B+A+80=800+56+25+40=961mm4.2.4氣缸筒的壁厚的確定根據《液壓氣動技術手冊》可以知道所需要的氣缸筒的壁厚是按照能夠相關薄壁筒公式計算出來的。式中：缸筒的壁厚（m），缸筒的內徑（m），缸筒承受的最大工作壓力（MPa），缸筒材料許用應力（MPa）。鋼筒的壁厚實際取值：一般應用的氣缸大約取值是計算出的7倍；重型的氣缸一般是計算出數據的20倍，再根據標準的管材尺碼進行選取。參考《液壓與氣壓傳動》缸筒壁厚強度計算及校核缸體的材料選擇45鋼，抗拉強度為600MPan為安全系數一般取n=5；缸筒材料的抗拉強度(Pa)P—缸筒承受的最大工作壓力（MPa）。當工作壓力p≤16MPa時，P=1.5p；當工作壓力p＞16MPa時，P=1.3P由此可知工作壓力0.6MPa小于16MPa，P=1.5P=1.5×0.6=0.9MPa=0.3mm參照下表氣缸筒的壁厚圓整取=7mm材料氣缸直徑5080100125160200250320壁厚鑄鐵HT15~3378101012141616鋼A3.455788991112鋁合金8~1212~1414~17表4.2.4氣缸筒的壁厚（mm）4.2.5氣缸進排氣口直徑d選取v=12m/s代入數據得：d0=14.146mm。表4.2.5氣缸進排氣口直徑（mm）汽缸內徑D氣缸進排氣口直徑d0408506310801001251514016018020所以按照氣缸排氣口直徑為15mmQ——在工作壓力之下對氣缸進行的空氣流量的輸入V——空氣流經進排氣口的速度，可取v=10254.2.6活塞桿的校核因為所選擇的活塞桿它的長度是L10d，所以不僅需要對它的強度進行校準，而且它的穩定性也需要進行測量。充分考慮完畢之后，活塞的材料應用的是45鋼。參考《機械設計手冊單行本》，由《液壓氣動技術手冊》可得FP0—活塞桿承受的最大軸向壓力（N）；FP0=1633NFK—縱向彎曲極限力（N）；nK—穩定性安全系數，一般取1.54。綜合考慮選取2K—活塞桿橫截面回轉半徑，對于實心桿K=d/4代入數據K=25/4=6.25mmE—材料彈性模量，鋼材E=2.11011Pa；J—活塞桿橫截面慣性矩（m4）；d—活塞桿的直徑（m）；L—氣缸的安裝長度為活塞桿的長度為961mm代入數據得FK=2.685N因為FP0=1.34所以活塞桿必須要滿足基本的穩定性質條件；強度校核：由公式d≥n為安全系數一般取n=5；缸筒材料的抗拉強度(Pa)代入數據得因為FP0=1.34所以活塞桿的穩定性滿足條件；45鋼的抗拉強度=600MPa則4.16mm＜d，所以強度是能夠滿足要求；綜上所述：活塞桿具有的穩定性以及強度都能夠滿足具體需求。第5章機械手臂防爆機器人的機械臂部是帶動和支撐手腕和機械手指的重要部件，手臂需要承載整個機械手和抓取物品的重量，并在執行指令過程中頻繁運動，將機械手移動至所需位置。能否準確的抓取物件完全依靠機械手臂的轉動伸縮。本次設計中機械手臂擁有的3個自由度，能實現整個裝置中手部的上升下降、扭轉以及各向伸縮功能。對于機械手臂的結構設計不僅取決于機器人自身的運動方式，還取決于承載機身和抓起物品具體的重量、可以活動的最大自由程度以及運動的精準度。由于抓取物品最大重量為30kg，在輸入指令運行的過程當中，為了避免機械手臂因為承受重力過大而發生變形現象，其必須要有達到標準的硬度以及剛度，同時必須要有良好的導向性能和定位功能，所具備的偏重力矩也不能過大，否則防爆機器人的整體運作不夠平穩。所以整個機械手臂的設計中，手臂的回轉運動利用伺服電機的驅動來進行工作，在機身內部用一對內齒輪來完成手臂回轉運動；而伸縮運動則同樣使用伺服電機驅動的方式，但不同于回轉運動的是伸縮運動將由斜齒輪去帶動螺桿和螺母來有序進行運動，這樣整個手臂就可以具有良好的伸縮性能；同樣的方式作為對手臂的升降運動的驅動，借助滾柱絲杠來進行控制，絲杠和滾珠兩者進行相互回轉，整個外殼就可以在機體外側進行相對的滑動，這樣手臂的升降工作就可以得到實現。整個手臂實際運轉過程當中，利用大齒輪相互交叉對手臂的重量作出測試。整個軸承需要按照相關標準對止推軸承進行設計，我們選取的類型是8320。它的額定運載荷在21700ckN內，同時它的額定靜載荷是在57200ckN，基本上全部滿足了需要用到的條件。整個軸承之中，內、外圈都可以利用螺孔來進行連接。除此之外，要在淬火之前對外圈進行各方向的固定。特殊定制的交叉滾珠軸承在結構設計方面所需要制定的尺寸是：d=140.0mmD=278.0mmB=54.0mm潤滑方式：脂潤滑。第6章地面反恐防爆機器人的驅動方式這個機器人是由四個完全不同且獨立的轉動關節組成的，而且需要結合末端的機械手進行運動，共有五個動力源。如果想要機器人的驅動系統達到標準的設計，就需要利用直流伺服電機進行驅動，讓機器人可以運動。不同類型的關節電機型號和所使用的參數如下表所示。電機參數機械手臂1機械手臂2機械手肘機械手腕機械手指電機型號MAXON2332MAXON2332MAXON2332MULTIPLEXSTELL-SERVOMULTIPLEXSTELL-SERVO額定電壓18v18v18v6v6v額定轉矩18.2N·m18.2N·m18.2N·m10.3N·m10.3N·m最大轉矩67.4N·m67.4N·m67.4N·m額定轉速7980rpm7980rpm7980rpm5460rpm5460rpm最高轉速轉子慣量9200rpm18.4gcm·cm9200rpm18.4gcm·cm9200rpm18.4gcm·cm表6.1地面反恐防爆機器人驅動電機參數這篇文章之中所采用的電機是和齒輪輪系相結合的一個新穎設計，它的整體結構非常的緊密，有著很強的負載能力，然而想要單個的連桿進行運動，電機是無法做到的。為了讓整個機構在運行的過程當中，不會產生太大的沖擊力和振動效果，就利用了齒形帶傳動，他還有一個好處是不會降低對應的控制精度。所謂的齒形帶傳動是和同步帶一樣的類型，它能夠利用平行軸間作出運動，或者可以將回轉運動轉變為直線運動。在這篇論文中主要需要用到腰環節肘關節以及肩關節處的運動。第7章地面反恐防爆機器人使用注意事項在反恐防爆機器人手臂的承重范圍內使用，不能過載，否則超過臨界點會對整個防爆機器人裝置造成損傷。為了防止以外發生，請勿在機器人執行指令時人為扳動機器人手臂以及手指。反恐防爆機器人在涉水執行指令后應及時將水擦干，以免破壞