机器人执行机构的设计采用左右行走机构对称布置，主要包括内外侧板、电机和减速器模块、履带和带轮，以及安装于履带模块上的尾部支撑轮。内外侧板采用硬质铝合金制造，可支撑整个行走机构。侧板主要的载荷是铅垂线方向的压力，以及履带的张力。履带采用定制的齿形同步传动带，其优点是不会出现打滑现象，效率较高，且较容易加工。考虑到机器人在瓦砾等地形运动时，很难排出掉入的石块，为此带轮侧面加装了排屑机构；另外，由于同步带基本没有延展性，应选择节线周长略长的传动带，并配合张紧轮机构，防止温度变化时橡胶和金属膨胀系数不一致而导致履带过紧或过松，如图3.31所示。

图3.31　整体外观

（一）整体结构设计

1.行走装置分析与设计

按总体设计要求，行走装置要求可以翻越倾斜角为14°以内的障碍物。移动载体的任务是把排爆系统等设备以及机械手操作装置运送到工作区域。机器人的移动功能可以由轮式、履带式以及轮-履带式实现。从系统的观点出发，运用模块化设计思想，将移动载体分成行走、驱动、底盘三大模块，对每个模块进行单独设计。在结构设计时，应主要考虑机器人本体的抗冲击振动性能、行走灵活性、转弯半径、爬坡、越障能力和降低机器人本体重心位置等问题。同时，采用CAD/CAM（如MDT、CATIA软件）进行三维实体造型和参数化设计，通过结构参数变量驱动结构尺寸的变化，缩短设计周期，并在动力学分析和仿真基础上确定结构方案，以达到结构优化的目标。

2.运动方式的选取

对排爆机器人来说，常见的复杂地形是楼梯、台阶等非结构化地形，因此可以用机器人的爬楼梯能力来表征其地形适应能力。对地形适应能力较强的行走方式可分多足式和履带式/复合履带式两种。多足式机器人在爬楼梯时像人或动物一样各足交替踏上台阶，从而带动机体爬上楼梯。这种机器人控制系统较为复杂，精度要求高，且爬楼梯的速度较慢。对于要求价格低廉、可靠性较高的小型地面排爆机器人而言，不宜选取多足式的行走方式。履带式/复合履带式机器人对复杂地形的适应能力较强，只要结构合理即使是遇到楼梯也能轻松越过，而且履带式机器人不仅爬楼梯的速度较快，对其他各种复杂地形的适应能力也较强且结构较为简单。综合考虑以上因素，本书设计的机器人行走机构采用履带式驱动，其结构如图3.32所示。

图3.32　履带式驱动模式

3.驱动电机的选取及论证

直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，既能承受频繁的冲击负载，实现频繁的无极快速启动、制动和反转，又能满足生成过程自动化系统各种不同的特殊运行的基本要求。选取直流电驱动电机的关键是合适的尺寸和功率，以及电机的热容限，可以防止电机连续运行时过热。分析机器人爬坡中的各种形态，易知在机器人处于同时接触两级高度状态时，机器人仅与台阶沿有2～3条接触线，且机器人倾角最大，重力给机器人造成的负担最大，此时需要的驱动力也最大。按照力学计算出需要的最大扭矩约为17 N·m，稳定爬坡时电机的功率约为93 W。所以电机的额定功率要大于93 W，考虑电机的热时间常数，电机功率宜选1.5倍额定功率，约140 W；考虑到行走机构尺寸，电机的直径不能超过60 mm，否则会给直角减速器的安装带来困难，并且长度不能超过200 mm。

4.机械手设计

对于排爆机器人而言，最主要的工作装置就是机械手，这是判断机器人是否具有较强作业能力的关键。水刀排爆机器人的机械手设计重量约20 kg，用于固定喷头和连接高压出水管，采用步进电机驱动可实施X、Y、Z三个轴向的切割作业。步进电机有一个显著的特点就是快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动和反转，其转换精度高，正转和反转控制灵活。机械手行程与结构外观如图3.33所示。

图3.33　机械手行程与结构外观图(www.daowen.com)

（二）辅助结构设计

1.驱动、控制模块设计

驱动及控制模块要装载十多个小型驱动器，以及电源管理电路、保护电路、无线数据链路、无线图像传输模块等。其设计思路是将强电和弱电尽量分开，所有插接件都布置在上面板，并采用适应全天候工作的防水设计，如图3.34所示。为了使系统硬件稳定可靠，我们采用以下一系列的措施来减少干扰：①采用数字电源与模拟电源分开的方案；②采用地线、电源线加粗，做成PCB板的形式；③印制板图布线时，尽量减少回路环的面积，降低感应噪声；④路线检测方案的选择与论证。

图3.34　驱动及控制模块

2.电池模块设计

电池模块同样要具备全天候工作能力，电池选型要保证机器人满载工作2～3 h，且便于更换。为减轻重量，驱动及控制模块考虑整体设备舱式设计，上面板可以打开，采用铝合金钣金工艺完成。系统数据传输采用72 MHz频段，因此拉杆天线比较长。

为使天线不影响机械手的行程，天线与舱体采用柔性弹簧软管连接。电池布置在机器人后部，并采用3块铅酸电池串联供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离开，利用光电耦合器传输信号，这样做虽然可以将电动机的驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但会增加重量，也会增加小车的惯性。可选用重量较大的电池或单独设计配重块来解决该问题。驱动及控制模块和电池模块设计结果如图3.35所示。

图3.35　电源排列方式

3.摄像机及云台设计

排爆机器人侦查系统中的关键点是一个具有全方位观察能力的摄像机，要求这个摄像机具有水平360°旋转、垂直120°～150°旋转功能，并具有变焦放大图像功能。因此，需要设计双自由度的云台用于搭载摄像机。

摄像机通常安装在机器人后部，可以观测到机器人大部分和切割时的实时图像。此特性对于在通过复杂地形时实时观察机器人的姿态和周边情况具有很大意义。这既是排爆机器人侦察系统所必需的，也是移动机器人视觉导航的重要技术。一般情况下，可利用CCD摄像头、红外摄像头等观测系统和激光、超声波、红外线等测距系统，以及各种类型的传感器进行观测。为了获得良好的观察效果，可以在观察系统中加装云台及照明设备，云台的俯仰和水平运动可以扩大摄像头的视觉范围。因此，磨料水射流排爆机器人的云台和摄像机都布置在整体的侧后方，如图3.36所示。

图3.36　云台及摄像头设计