大型排爆机械手机械系统设计与操纵算法研究.pdf
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1、上海交通大学 硕士学位论文 大型排爆机械手机械系统设计与操作算法研究 姓名:陶俊 申请学位级别:硕士 专业:机械电子工程 指导教师:张伟军 20080101 上海交通大学硕士学位论文 摘要 I 大型排爆机械手机械系统设计与操作算法研究 摘要 反恐机器人系统主要用于代替人工,直接在案发现场进行侦察,排除和 处理爆炸物以及其他危险品,也可以对持枪的恐怖分子及犯罪分子实施有效 攻击,是反恐部队中必不可少的重要装备,同时也广泛应用于救援以及作战 平台领域。本论文针对目前排爆机器人承载能力低、工作空间有限、不能适 应复杂环境等不足展开研究,研制了可适应车底、车厢等复杂环境作业的大 型排爆机械手, 主要包
2、括机械手的机械设计、 运动学分析及操作算法等方面。 本文先从整体上对机器人机械设计的特点和局部结构相关元件的选择进 行研究,根据作业环境的要求、负载能力,利用现代机械设计方法,如CAD 设计、模块化设计等,通过比较各种传动方式的优缺点,由抓取爆炸物的手 爪入手,按从前向后的顺序相对独立地利用Pro/E设计了排爆机械手的各个 关节结构。接着对其进行了运动干涉分析和改进,最终设计了一种具有平面 冗余度的六自由度机械手。 随后采用D-H坐标变换法建立了该机械手的运动 学模型,推导了坐标变换矩阵T和雅可比矩阵J,并进行算例验证。最后利 用传感器技术和冗余度机器人的特性提出了一种简单实用的机械手操作法,
3、 并用Matlab开发了运动仿真程序。 关键词:排爆机器人,机械手,机械设计及优化,操作算法,传感器 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT II MECHANICAL DESIGN AND RESEARCH ON ALGORITHM FOR OPERATION OF LARGE EOD ROBOT MANIPULATOR ABSTRACT Anti-terrorism robot system is mainly used to detect, eliminate and dispose bomb or other dangerous exploder. In additon, it c
4、an be used for lauching attack to rodman and terrorist. It is not only the essential equipment in anti-terrorist army, but also widely used in succor and battle. Because of the low payload, finite work space and bad adaptability in complex envi- ronment, the thesis puts more emphasis on the issue an
5、d researches a series of problems including the whole design of robot manipulator, analysis of kinematics and algorithm for operation and so on, developed a large EOD robot manipulator which can be used in complex environmen such as bottom of motor and carriage. First, the thesis researched the char
6、acteristric of mechanical design as a whole and selection of partial structure units. According to the related requirement, with modern methods of mechanical design such as CAD, module design and so on, the thesis designed the joint structure dependently one by one from the grip to the waist after c
7、omparison of advantages and 上海交通大学硕士学位论文 ABSTRACT III disadvantages of each transmmision mechanism. Then the thesis researched the simulation of motion inference and finally accomplished a 6-DOF robot manipulator. Secondly, I established kinematic model of the EOD robot manipulator with D-H coorcina
8、tes transformation and calculated the matrix T and matrix Jocobian. Then I specified two different positon and orientation to validate the conclusion. At last, I developed an simple but practical algorithm for operation with the technology of sensor and traits of redundant manipulator. Then I pro- g
9、ramed the motion simulation by Matlab sofeware. KEY WORDS: EOD robot, manipulator, mechanical design and optimiza- tion, algorithm for operation, sensor 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明
10、确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定, 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版, 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密,在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 (请在以上方框内打“” ) 学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年
11、月 日 日期: 年 月 日 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 课题来源课题来源 本课题来源于上海交通大学机器人所和上海市科委的合作项目:“大型排爆遥控 机械手集成系统” ,课题编号为 051111015。本课题主要完成面向排爆作业的大型冗 余机械手的结构设计和操作算法研究。 1.2 课题的研究背景课题的研究背景 机器人是人类创造的一种特殊的机器,尤其是近几十年来,机器人的发展已达 到了前所未有的程度。机器人正发展成为一个日益庞大的家族,代替人类从事各种 各样的工作,在生产生活方面,特别是在危险环境和极限环境作业中,它更是有着 广泛的应用前景。 现代人所
12、理解的机器人是一种通过远程遥控或程序控制,并能代替人类从事某 种作业的高度灵活的自动化机械系统。从广义上来说,它还包括机械手等外形上不 具备与人类相类似的自动化机械装置。美国机器人协会给“ROBOT”下的定义是: “机器人是一种可编写程序的具有多种功能的操作器, 它可以设计成具有搬运物体、 零件和工具等功能的特殊装置。通过改变它的编程动作,可完成不同的作业任务” 1。这个定义说明机器人有两个明显的特征:一是在编程条件下能自动工作;二是 具有高度的灵活性,可按编程完成多种任务。尽管这一定义比较实用,但并不全面, 因为定义中指的是工业机器人。 近十年来,机器人技术已成为具有代表性的高科技研究领域。
13、随着生产和科学 技术的发展,机器人技术的研究和应用领域也不断拓宽。为了适应工业自动化越来 越高的要求,机器人向更高的智能化方向发展。机器人智能化的实现依赖于良好的 机械结构特性和智能控制系统,二者相辅相成,完成复杂而精细的操作任务。机器 人种类繁多复杂,国际上根据其技术特点和规模大小的不同,对它们进行了大致的 分类。1990 年在工业机器人国际标准大会上把机器人分为四类:(1)顺序型。大多数 固定作业的装配机械手都属于此类。 (2)沿轨道作业型。 这类机器人能执行受控过程。 (3)远距离作业型。此类机器人可通过遥控,对操作者的行为反应可通过编程实现, 应用于核工业、真空、宇宙、海洋开发等领域。
14、(4)适应型或智能型。它们都具有感 知、适应和学习功能。智能机器人极大地扩展了机器人的应用领域。可以预见,这 种智能化机器人,必将普遍应用于生产领域中,更好地为人类服务。 特种机器人作为机器人中特殊的一类,是指专为某种特殊应用场合而设计的非 制造业中的各种机器人。特种机器人可以在危险、无法进入或对人体有害的环境中 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 2 代替人类去完成复杂的操作。 而自美国“9/11”事件后,全球掀起了反恐高潮。随着全球化的发展和反恐工作 的深入,与恐怖分子的矛盾进一步的激化,反恐形势也发生着巨大的变化。在我国, 反恐形势也日趋严峻,如在我国新疆自治区及其周边地区的“东突”
15、恐怖组织等。通 过放置炸弹来制造爆炸恐怖活动,是恐怖主义组织进行恐怖主义活动的惯常手段。 除此之外,在世界上的很多国家,散布着许多未爆炸的弹药,例如,伊拉克战争结 束后,伊拉克境内和边境仍有大量的地雷、炮弹以及多国部队投下的布雷弹及子母 弹,其中至少有 20没有爆炸2。所以如何有效地排除爆炸物已经成为一个世界性 的问题。在这个背景下,排爆机器人作为一种安全有效的排除爆炸物的工具日益受 到各国的重视,并有着越来越广阔的市场前景。世界上有许多国家例如美国、英国、 以色列等发达国家都在加紧研制先进高效的排爆机器人。随着我国经济的高速发展 和综合国力的不断提高,一些国际间的军事合作和国内的恐怖活动的日
16、益猖獗,提 高反恐装备水平,进行新型反恐排爆机器人的研究开发成为摆在科技工作者面前的 一个难题。 1.3 排爆机器人的国内外发展现状排爆机器人的国内外发展现状 目前的排爆机器人的移动载体主要有履带式、轮式两种,或者是二者的组合3。 如比较典型的英国 MK8 手推车遥控车(Wheelbarrow MK8 Remote Controlled Vehicle) ,该机器人采用两根橡胶履带,最大速度为 55 米/分,通过车上齿轮和齿条 驱动装置能前后移动整车重心,从而改变车辆姿态。在改变车辆姿态时用凸轮装置 张紧履带。在前进方向时履带表面与地面之间保持一定角度,当车辆改变成后向位 置、吊起重物、下楼或
17、下陡坡时则通过改变车辆姿态保证车辆的稳定性。 1.3.1 排爆机器人的国外发展情况排爆机器人的国外发展情况 目前美国、英国、以色列、法国、德国等国都在积极研制各种反恐防暴、排爆 和军用机器人,现已有许多机器人装备部队和警察部门4。 如图 1-1 所示的由英国皇家武器装备研究与发展院(Royal Armment Research and Development Establishment, GB )研制,科努尔发展有限公司 AB 电子产品分公 司 (AB Electronic Products Company, Kenure Development Ltd, GB) 生产的 “手推车” (Whe
18、elbarrow)是世界上有名的排爆机器人,其中 MK7 型于 70 年代装备英国陆 军,现已为 MK8 型代替8。MK8 型与 MK7 相比,改进了控制台等设备,完成排除 未爆炸物的能力由 6570%提高到 9095%。 MK8 型的一种称为红火(Redfire)的 变型车已于 1982 年用于马尔维纳斯群岛战争进行扫雷。该机器人移动载体装有 4 个电动机。电动机由蓄电池供电,间断使用蓄电池时可工作 2h。变速箱能在两个档 次下从 0 无级加速到最大速度,低速时操纵更加精确。高效变速箱使该车连续执行 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 3 任务时间延长了 50%,运输行驶速度可达 8km
19、/h。通过车上齿轮和齿条驱动装置能 前后移动整车重心,从而改变车辆姿态。车体密封,可越过矮墙、壕沟等障碍物, 涉水深 200mm。 图 1-1 英国 Wheelbarrow(手推车)排爆机器人 Fig 1-1 EOD robot of Wheelbarrow in UK 其控制系统上下位机通过 100m 长的电线或用无线电通信线路进行通讯。操纵 台上装有控制车辆各种操作的开关。为进行观察控制,在车上模块武器支架系统和 伸缩管上安装了代替电子摄像机的彩色电荷耦合器件的电视摄像机。使用电机调节 焦距, 摄像机能检查最低高度为 50mm 的细小痕迹或单个螺钉。 车上还装有录像机、 扩音机等,可用于人
20、员培训。 美国对排爆机器人的研究也十分重视, 把它作为下一代战斗力的重要组成部分, 并投入大量资金和人力物力。 由美国 Remotec 公司的 Andros 系列机器人受到各国军 警部门的欢迎,白宫及国会大厦的警察局都购买了这种机器人5-6。Andros 机器人 可用于小型随机爆炸物的处理,它是美国空军客机及客车上使用的唯一的机器人。 海湾战争后,美国海军也曾用这种机器人在沙特阿拉伯和科威特的空军基地清理地 雷及未爆炸的弹药。 Andros 系列包括了多种型号的机器人, 如 Andros F6-A、 Andros Wolverine、Andros Mini II、Andros VA1 等。以
21、Andros F6A 为例,该机器人也 由一个移动载体和一个机械手组成。移动载体是关节式行走底盘,可以适合各种复 杂地形,如沙地、泥地、草地等,还可以跨越障碍、壕沟,爬楼梯。并且最小化的 设计可以使机器人在狭小的空间中自由操作。机器人还配备了多个摄像头(红外摄 像头,彩色摄像头) ,方便远程操作人员观察机器人的周边环境。同时,机器人还配 备各种排爆装备,可以做到当场销毁炸弹或者拆除炸弹的功能。图 1-2 为 Andros F6-A 的外形。 图 1-3 为法国 Cybernetix 开发的 TSR 200 型排爆机器人7,法国空军、陆军和 警察署都购买了这种机器人。该机器人移动底盘安装有橡胶履
22、带,能越过 40斜坡 和 30的侧坡,还可跨越 1.2 米的坑,也可通过多石的地面。机器人采用无线控制 时最远可到 300 米, 采用有线控制时最远可到 200 米。 机械手为 6 自由度的液压臂, 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 4 全展开可举起 12 公斤的重物。机器人还可以加装 6 台摄像头和一台 X 射线仪,可 以方便的观察爆炸物及其周边环境。 图 1-2 美国 Andros 排爆机器人 Fig1-2 EOD robot Andros in America 图 1-3 法国 TSR 200 型排爆机器人 Fig1-3 EOD robot TSR 200 of France 德国
23、开发的排爆机器人对爆炸物的处理方面具有强大的功能8。该机器人装备 了 6 台摄像机和一台 X 光射线仪,用以检查物体的内部。人可以用遥控或者通过导 上海交通大学硕士学位论文 第一章 绪论 5 线传送指令控制这个机器人,它有武器系统和水炮,还有一个特殊的冷冻装置,利 用冷冻方法使可疑爆炸物失去作用。机器人外形如图 1-4 所示。 图 1-4 德国的排爆机器人 Fig1-4 EOD robot of Germany 此外,以色列长期受到恐怖活动的威胁,对反恐工作更是重视,为了对付自杀 性爆炸袭击,研制和购买了多种型号的排爆机器人。另外,加拿大、澳大利亚、日 本、韩国等国都相继投入相当的人力物力来研
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