反恐防爆机器人 设计说明书
spongeyi
二〇一三年五月
前言
目前，世界上有案可查的恐怖组织有一千多个。随着高科技的发展运用，恐怖分子也采用高科技手段为其恐怖活动服务，制造并使用具有大规模杀伤力武器的危险性进一步增大，各式各样的炸弹袭击更是层出不穷。各国政府迫切需要一种能对抗武装分子、拆除炸弹、保护人员财产的机器人，反恐防爆机器人于是应运而生。
本文按照先进系统设计的理论，提供了一种反恐防爆机器人的设计方案，从产品规划、概念设计、工业设计、工艺设计、试验、试制、使用、改进设计、产品报废、成本价格等方面进行全面考虑，以期达到设计方案和全程优化目标。
本设计方案参阅了国内外诸多学者和专家的文献，正是由于他们的潜心研究与实践，才构筑了本方案丰富的内容基础，作者在此特别感谢文献作者的学术贡献。同时也要感谢指导老师戴庆辉教授对于方案的指导！
限于时间和水平，设计方案难免有不妥之处，欢迎读者批评指正。
作者
2013年5月
目 录
第1章 反恐防爆机器人的需求设计..........................................................................1
1.1 调查研究及产品规划.....................................................................................错误！未定义书签。
1.2 需求识别及建立产品规格.............................................................................错误！未定义书签。
第2章 反恐防爆机器人的概念设计..........................................................................2
2.1 功能设计.........................................................................................................2 2.1.1 总功能设计.........................................................................................2 2.1.2 分功能设计.........................................................................................2 2.1.3 “黑箱法”表示功能.........................................................................2 2.2 原理设计.........................................................................................................3 2.2.1功能分解..............................................................................................3 2.2.2形态学矩阵求解方案..........................................................................3 第3章 反恐防爆机器人的方案评价...........................................................................4
3.1 评分法评价.....................................................................................................4 3.2 技术经济法评价.............................................................................................5 3.3 模糊综合评价法评价.....................................................................................6 第4章 反恐防爆机器人的总体方案........................................................................错误！未定义书签。
4.1 主要机构介绍.................................................................................................7
4.1.1三臂结构和转盘..................................................................................7 4.1.2两指齿轮机械手..................................................................................7 4.1.3 履带式行走装置.................................................................................8 4.2 总体方案.........................................................................................................8 参考文献........................................................................................................................8
第1章 反恐防爆机器人的需求设计
1.1调查研究及产品规划
通过对市场的调查以及对可行性的研究，我们可以得出这样的结论：世界各国都面临着反恐的巨大挑战，而反恐分子利用爆炸物的不对称作战令各国都头痛不已。同时，随着人员成本的增加，国防部门迫切需要一种反恐防爆机器人代替人进行反恐防爆工作。综合产品规划，可以得到表1-1所示的反恐防爆机器人的任务书。
表1-1 反恐防爆机器人的任务书
任务名称 产品描述 关键商业目标 主要市场 次要市场 假设和约束 利益相关者 反恐防爆机器人项目 一种用于地面快速行军、检测排除销毁爆炸物、侦查、与武装分子对抗的机器人 1.获得国家安全部门财政、政策支持；2.获得国家安全部门大宗采购；3.获得出口海外武器许可证 经常爆发地区冲突的国家陆军、特警 1.遭遇恐怖威胁的国家地区；2.提供安保服务的私人公司 1.远程控制；2.能在不同作战环境完成多种任务；3.单价较高； 1.客户；2.销售商；3.国家安全部门
1.2需求识别及建立产品规格
根据积累的客户的需求信息，并加入设计经验和商业的决策经验，确定产品的完整解
集。如表1-1所示反恐防爆机器人的客户需求的特征及其意义。
表1-2 反恐防爆机器人的客户需求的特征及其意义
需求特征 1 2 3 4 5 能量 材料 信号 特征 性能 需求的内容和意义 柴油发动机驱动、大容量电池保障 防爆材料、耐热材料、 摄像机通过GPRS实时传输前方战况、操作者通过GPRS传输指令、 主体尺寸3m*1.8m*2m 最高速度70公里/时、多自由度机械手、 检测反坦克地雷、迅速排爆或者无害引爆、武器系统与武装分子对抗、与无人机协作作战
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6 7 8 9 10 11 12 13 安全性 人因 美学 环境 质量 运输 维护 利润 摄像机防护、自毁装置防止武器系统落入恐怖分子 减少噪声 和军队整体风格协调 适于公路、沙漠环境 保证运动精度和夹紧力 公路、铁路、海运 模块可更换、和普通汽车、装甲车具有相同零件通用性 政府投资、单机利润高 第2章 反恐防爆机器人的概念设计
2.1功能设计
2.1.1总功能设计
代替人去做一些地面反恐防爆工作。
2.1.2分功能设计
具体功能：1.能实时反映前方景象，根据操作员指令行动；
2.能检测爆炸物，并且拆除或者无害化引爆爆炸物，保护有生力量和财产； 3.能与武器分子对抗，并且能抗打击； 4.能适应各种作战环境。
2.1.3“黑箱法”表示功能
图2-1 反恐防爆机器人的功能结构图
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2.2原理设计
2.2.1功能分解
机器人的机械系统是最重要的部分，根据反恐防爆工作的需要，机器人的机械系统又分为工作部分、行走部分、驱动部分等。
工作部分 ——臂杆和机械手
机械系统 ——行走部分 驱动部分
功能分解：建立出总功能与分功能之间的功能结构,为实现地面反恐防爆机器人的总功能，可将总功能分解为抓取功能、移动功能和放置功能。机器的功能是多种多样的，但每一种机器都要求完成某些动作，所以往往把总功能分解成一系列相对独立的动作，依次作为功能元。
① 臂杆可以在三维空间范围内运动。
② 机械手可以张开和闭合。 ③ 机器人行走。 关系如图2-2所示：
图2-2 反恐防爆机器人的功能分解图
2.2.2形态学矩阵求解方案
表2-1 反恐防爆机器人的功能形态学矩阵
2-1表描述了反恐防爆机器人的形态学矩阵，可得出(N=3×6×2=36)36种方案。
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选取三种典型方案，如表2-2所示。
表2-2 反恐防爆机器人的设计方案
主要配置 动力系统 臂杆 机械手 行走部分
设计方案1 柴油发动机 +备用电池 三臂 两指齿轮型 履带式 设计方案2 蓄电池 两臂 两指连杆型 轮式 设计方案3 柴油发动机 独臂 两指齿轮齿条 履带式 第3章 反恐防爆机器人的方案评价
3.1评分法评价
图3-1 反恐防爆机器人的评价指标树
采用五分制评分方法，评分标准如表3-1。
表3-1 评分标准 5分制 评分 优劣程度 0 不能用 1 勉强可用 2 可用 3 良好 4 很好 5 理想
根据评分标准对三个方案进行打分，结果如表3-2。
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表3-2 评分法评分结果
评判因素 臂运动精度（0.2） 可靠性（0.5） 手运动精度（0.2） 转盘运动精度（0.1） 固有功能（0.1） 功能性（0.3） 添加功能（0.2） 成本（0.1） 经济性（0.2） 维修费用（0.1） 5 2 3 2 4 5 1 2 3 设计方案1 3 4 4 4 设计方案2 2 1 4 2 设计方案3 2 1 4 1
经权重计算，各方案分数依次为：3.7、2.5、1.8。方案1最佳。
3.2技术经济法评价
对反恐防爆机器利用表3-2进行技术评价，得到表3-3；进行经济评价得到表3-4；综合表3-3和表3-4可以得到反恐防爆机器人的优度图，如图3-2。
表3-3 技术评价
方案 各方案评分P 最高分值pmax 技术价T=P/pmax 设计方案1 设计方案2 设计方案3 3.7 2.5 5 1.8 0.74
0.50 0.36 表3-4 经济评价
方案 实际生产成本H 理想生产成本H1 经济价WwH1/H 设计方案1 设计方案2 设计方案3 326万 200万 150万 190万 0.46 0.75 0.8
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图3-2反恐防爆机器人的优度图
可以得出方案2和方案3还需要提高技术性能指标，而方案1还需要降低成本，但考虑到军事工业产品主要目标是完成任务、保护有生力量，预期价格可以适当提高。
3.3模糊综合评价法评价
反恐防爆机器人能完成越多的功能越能适应多变的战场环境，但是功能的多样性也就意味着价格的提高，选择合理的功能价格比显得尤为重要。
功能价格比要求A为：A≥5为优，3≤A˂5为良，1≤A˂3为中，A˂1为差。】
1.0 差 中 良 优 0.8 0.6 0.4 0.2 A˂3 2 3 4 5 1 0
图3-3 功能价格比------隶属度函数曲线
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表3-5 反恐防爆机器人功能价格比的隶属度
方案 设计方案1 设计方案2 设计方案3
选直线型隶属度函数，在图3-3功能价格比------隶属度函数曲线中表达出优、良、中、差4条函数曲线，根据各设计方案的功能价格比向上引线与函数曲线相交，找出相应的隶属度，如表3-5所示。
功能价格比 优 良 评价标准 中 差 4 1.5 2 0 0 0 1.0 0 0 0 0.6 1.0 0 0.4 0
第4章 反恐防爆机器人的总体设计
4.1主要结构介绍
4.1.1三臂结构和转盘
如图4-1所示，人类手臂的自
由度和灵活性加之腰的旋转和脊柱的摆动，能完成多种动作。如图是人体腰、脊柱及手臂的结构，根据这种结构，我们设计机器人的工作装置时，将腰设计为水平旋转关节，在这个水平关节之上有一个与其垂直的旋转关节，脊柱也作为一根连杆，再与手臂的二根连杆三个关节连接，就成为三连杆五关节自由度的工作装置。为了使三连杆五个关节自由度的工作装置更加灵活实用，设计时在离机械手最近的腕连杆或肘连杆增加一个直线移动关节，使其连杆能够伸缩，就成为三连杆6个关节自由度的工作装置。
图4-1 4.1.2 两指齿轮机械手
使用两指齿轮型可以保证运动精度和控制施力大小，两指间形状做成类似钳子，可以稳固加持物体。另外，机械手可实现不同型号拆换，可适应特殊爆炸物。如图4-2和图4-3所示。
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图4-2 齿轮传动 图4-3 钳子形状
4.1.3 履带式行走装置
图4-4 外轮履带 图4-5车轮与履带啮合
坦克能够爬陡坡，越宽壕，涉深水，克垂壁，穿沼泽，过田野，依靠的就是履带式行进结构，为了保障反恐防暴机器人能够适应沙漠、沟壕、瓦砾等作战环境，选择履带式。如图4-4和图4-5所示。
4.2总体方案
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图4-6 反恐防爆机器人总体图
反恐防爆机器人机械结构部分总体图，如图4-6所示。武器系统、检测系统可适当安装在合适位置。
参考文献
[1] 戴庆辉编著. 先进系统设计[M]. 北京：电子工业出版社，2009.
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结束语
虽然科技在反恐防爆方面的应用保护了广大人民群众的生命财产安全，但是谋求和平才是避免暴力的最佳手段和终极目标。我们大学生更应该在学习科学文化知识的同时，放眼世界，关注世界，积极参与到和谐世界的建设中。
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