大型排爆机械手机械系统设计与操作算法研究

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，昀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。昀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，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ABSTRACTIIMECHANICALDESIGNANDRESEARCHONALGORITHMFOROPERATIONOFLARGEEODROBOTMANIPULATORABSTRACTAnti-terrorismrobotsystemismainlyusedtodetect,eliminateanddisposebomborotherdangerousexploder.Inadditon,itcanbeusedforlauchingattacktorodmanandterrorist.Itisnotonlytheessentialequipmentinanti-terroristarmy,butalsowidelyusedinsuccorandbattle.Becauseofthelowpayload,finiteworkspaceandbadadaptabilityincomplexenvi-ronment,thethesisputsmoreemphasisontheissueandresearchesaseriesofproblemsincludingthewholedesignofrobotmanipulator,analysisofkinematicsandalgorithmforoperationandsoon,developedalargeEODrobotmanipulatorwhichcanbeusedincomplexenvironmensuchasbottomofmotorandcarriage.First,thethesisresearchedthecharacteristricofmechanicaldesignasawholeandselectionofpartialstructureunits.Accordingtotherelatedrequirement,withmodernmethodsofmechanicaldesignsuchasCAD,moduledesignandsoon,thethesisdesignedthejointstructuredependentlyonebyonefromthegriptothewaistaftercomparisonofadvantagesand上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTIIIdisadvantagesofeachtransmmisionmechanism.Thenthethesisresearchedthesimulationofmotioninferenceandfinallyaccomplisheda6-DOFrobotmanipulator.Secondly,IestablishedkinematicmodeloftheEODrobotmanipulatorwithD-HcoorcinatestransformationandcalculatedthematrixTandmatrixJocobian.ThenIspecifiedtwodifferentpositonandorientationtovalidatetheconclusion.Atlast,Idevelopedansimplebutpracticalalgorithmforoperationwiththetechnologyofsensorandtraitsofredundantmanipulator.ThenIpro-gramedthemotionsimulationbyMatlabsofeware.KEYWORDS:EODrobot,manipulator,mechanicaldesignandoptimiza-tion,algorithmforoperation,sensor上海交通大学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□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（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第一章绪论1.1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。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。(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”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（WheelbarrowMK8RemoteControlledVehicle），该机器人采用两根橡胶履带，昀大速度为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（RoyalArmmentResearchandDevelopmentEstablishment,GB）研制，科努尔发展有限公司AB电子产品分公司（ABElectronicProductsCompany,KenureDevelopmentLtd,GB）生产的“手推车”（Wheelbarrow）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65～70%提高到90～95%。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无级加速到昀大速度，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/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Fig1-1EODrobotofWheelbarrowinUK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