机器人移动平台设计.doc 83页

'河南理工大学万方科技学院本科毕业论文机器人移动平台设计摘要煤矿灾害尤其是瓦斯煤尘爆炸事故发生后,矿井环境十分复杂,井下因灾受伤人员面临极其危险的状况,需尽快地转移与救护；而救援工作异常困难和危险,往往在救援工作中造成救护人员的伤亡。研发代替或部分代替救护人员及时、快速深入矿井灾区进行环境探测和搜救工作的救灾机器人具有极其重要的意义。本论文研究工作的目的是设计结构新颖、具有独创性的可携带、抗一定冲击的履带移动机器人，以能够适应在恶劣环境和复杂路况下工作。通过在移动系统上加载不同的模块，能够实现搜救机器人不同的使用功能，本研究意义在于为后续设计的搜救机器人提供一个基础的动力平台，以便于能够开发出更多使用功能的搜救机器人。本研究所设计的搜救机器人移动方案是便携式履带式驱动结构。该方案采用模块化设计，便于拆卸维修，可以分段自适应复杂路面，并可主动控制两侧翼板模块的转动来调节机器人姿态变化，辅助爬坡、越障和跨沟；机器人经过合理的结构布局和设计后具有良好的环境适应能力、机动能力并能抵抗一定高度的掉落冲击。所设计的机器人移动机构主要由四部分组成：主动轮减速驱动机构、翼板转动机构、自适应路面执行机构、履带及履带轮运动机构，本论文对上述各部分方案分别进行论证、结构设计计算、3D建模，并设计了搜救机器人虚拟样机。关键字：搜救机器人；复合移动机构；模块化设计 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文AbstractCoalminedisasters,especiallygasandcoaldustexplosion,mineenvironmentisverycomplexandwoundedtollsminefaceextremelydangerousconditions,betransferredassoonaspossibleandrescue;andrescueworkextremelydifficultanddangerous,oftenresultingintherescueworkintheambulancecasualties.R&Dtoreplaceorpartiallyreplacetheambulancepersonnelinatimelymanner,quickin-depthenvironmentalexplorationandminedisasterreliefrobotsearchandrescueworkisextremelyimportant.Thepurposeofthisthesisistodesignnovelstructure,itsuniqueportable,shockintelligentlytrackedmobilerobot,inordertobeabletoadapttotheharshenvironmentandthecomplicatedroadtowork.Mobilesystemsloadedbydifferentmodules,searchandrescuerobotscanbeachievedusingdifferentfunctions,thisstudyisimportantbecauseotherpeople"ssearchandrescuerobotdesignedtoprovideabasisforthedynamicplatformtofacilitategreateruseoffeaturescandevelopsearchandrescuerobots.Thisresetarchprogramismovingsearchandrescuerobotcrawlerreconfigurablearchiecture.Theprogramismodularindesign,easydisassemblymaintenance,canbecomplexadaptivesub-surface,activecontrolcanturnonbothsidesofflangemoduletoadjusttherobotposechanges,supportingclimbing,obstacleandcross-channel;Thedesignoftherobotmovingmechanismmainlyconsistsoffourcomponents:Activewheelreducerdrivemechanism,flangerotationinstitutions,adaptiveroad 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文implementingagencies,sportsorganizationstrackandtrackwheels,partofthepaperontheaboveprogramswerecarriedoutfeasibilitystudies,structuraldesigncalculation,3Dmodeling,anddesignarescuerobotprototype.Keywords:searchandrescuerobots;compositemobilebody;modulardesign 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文前言我国的煤炭资源十分丰富，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消相当长的时间内，煤炭仍然是我国的主要能源，由于我国矿井自然条件差费结构中的70%左右，预计到2050年还将占50%以上，因此，在未来加上技术和管理等诸多方面不到位，以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长，使得我国煤矿矿井灾害事故频繁发生，人员伤亡十分惨重。据统计，2003年我国矿难死亡6000人。百万吨死亡率为4.00%；2004年全国矿难死亡6027人，百万吨死亡率为3.96%；2005年全国煤矿发生伤亡事故3341起，死亡5986人，百万吨死亡率约为2.84%，其中一次死亡3～9人的重大事故210起，死亡886人。2006年全国安全生产数据显示2006全国共发生一次死亡10人以上的特大事故91起，死亡1517人，其中煤矿企业特大事故共发生38起，死亡730人，死亡人数仍高居各类安全事故之首。2008年全国煤矿安全生产形势依然严峻，目前我国煤矿事故死亡人数远远超过世界其他产煤国家煤矿死亡人数的总和，约占世界矿难人数的80%，百万吨死亡率是美国的100倍、南非的30倍。每年上百次的事故发生，成千人的矿工死亡，煤矿安全形势已经十分严峻。矿井瓦斯爆炸一旦发生，因受高温、烟雾、有害气体和缺氧等影响，以及存在发生二次灾害的可能，救护人员无法知道能否进入或无法直接进入灾害现场执行营救任务，上述事故中的伤亡人员有相当一部分是救护人员，如陕西黄陵矿业公司一号煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，2名救护队员在井下不慎滑倒，将呼吸机鼻夹摔脱落，导致一氧化碳中毒死亡；2005年渑池县赵沟八矿井下突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立即赶到现场救灾，在救火过程中，突发瓦斯爆炸，4名救护队员殉职；１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文2006年六枝工矿集团公司救护大队的救护队员在井下实施封闭火区措施时，火区发生瓦斯爆炸，造成8名救护队员死亡。由此可见，为了使矿井救灾工作顺利开展，减少矿井灾害造成的人员伤亡，迫切需要研发替代或部分替代救险队员进入矿井灾害现场进行环境探测和完成救灾任务的煤矿救灾机器人。这对煤矿安全生产，建立特种危险环境下的工业救灾体系具有十分重要的意义。１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文1绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1研究意义我国的煤炭资源十分丰富，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70%左右，预计到2050年还将占50%以上。因此，在未来相当长的时间内，煤炭仍然是我国的主要能源。由于我国矿井自然条件差，加上技术和管理等诸多方面不到位，以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长，使得我国煤矿矿井灾害事故频繁发生，人员伤亡十分惨重.据统计，2003年我国矿难死亡6000人，百万吨死亡率为4%；2004年全国矿难死亡6027人，百万吨死亡率为3.96%；2005年全国煤矿发生伤亡事故3341起，死亡5986人，百万吨死亡率约为2.84%，其中一次死亡3～9人的重大事故210起，死亡886人。特别是发生在该年度的几次特大矿难人们至今仍记忆犹新：2005年2月14日，辽宁阜新矿业(集团)公司孙家湾煤矿发生的特大瓦斯爆炸事故，遇难214名；2005年10月20日，河南大平煤矿瓦斯爆炸事故造成148名矿工死亡；2005年11月27日，黑龙江龙煤集团七台河东风煤矿发生一起爆炸事故，死亡171人。统计资料表明，2002-2005年煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8%至89.6%。2006年全国安全生产数据显示2006全国共发生一次死亡10人以上的特大事故91起，死亡1517人，其中煤矿企业特大事故共发生38起，死亡730人，死亡人数仍高居各类安全事故之首。2007年全国煤矿安全生产形势依然严峻……１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文目前我国煤矿事故死亡人数远远超过世界其他产煤国家煤矿死亡人数的总和，约占世界矿难人数的80%，百万吨死亡率是美国的100倍、南非的30倍。每年上百次的事故发生，成千人的矿工死亡，煤矿安全形势已经十分严峻。矿井瓦斯爆炸一旦发生，因受高温、烟雾、有害气体和缺氧等影响，以及存在发生二次灾害的可能，救护人员无法知道能否进入或无法直接进入灾害现场执行营救任务。上述事故中的伤亡人员有相当一部分是救护人员，如2004年6月15日，陕西黄陵矿业公司一号煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，2名救护队员在井下不慎滑倒，将呼吸机鼻夹摔脱落，导致一氧化碳中毒死亡；2005年1月8日，渑池县赵沟八矿井下突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立即赶到现场救灾，在救火过程中，突发瓦斯爆炸，4名救护队员殉职；2006年8月23日，六枝工矿集团公司救护大队的救护队员在井下实施封闭火区措施时，火区发生瓦斯爆炸，造成8名救护队员死亡，2人重伤，1人轻伤，由此可见，为了使矿井救灾工作顺利开展，减少矿井灾害造成的人员伤亡，迫切需要研发替代或部分替代救险队员进入矿井灾害现场进行环境探测和完成搜救任务的煤矿救灾机器人。这对煤矿安全生产，建立特种危险环境下的工业救灾体系具有重要的意义。1.1.2研究现状１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文对于矿井救灾机器人的研究工作，美国起步较早，已有多家高校或研究机构研发了针对不同用途的矿井救灾机器人。如美国智能系统和机器人中心开发的RATLER矿井探索机器人，用于灾难后的现场侦查工作，采用电传遥控方式，有主动红外摄像机、无线射频信号收发器、陀螺仪和危险气体传感器等装备。无线遥控距离250英尺(直线距离)，约合76米。这种机器人已经形成系列化，除了矿井方面的应用，还有军事方面的应用。美国南佛罗里达大学研制的Simbot矿井搜索机器人，小巧灵活，携带数字低照度摄像机和基本气体监视组件，可以通过一个钻出的小洞钻进矿井，越过碎石和烂泥，并使用其携带的传感器发现受害矿工，探测氧气、甲烷气体含量，生成矿井地图。另外，卡内基梅隆大学机器人研究中心所开发的两款全自主矿井探测机器人Groundhog和Ferret.Groundhog主要用于探测井下环境，精确绘制井下立体地图.其机械结构采用四轮导向、液压驱动，可实现零半径转弯，最高速度可达10公里/小时。装备有激光测距传感器、夜视摄像机、气体探测传感器、sinkage传感器、陀螺仪等，能够对矿井下的环境进行综合性的测量，建立矿井立体模型.机器人雪貂用于矿井钻孔探测，装备有长距离低反射率三维激光扫描仪、嵌入式微处理器、磁指南针、倾角传感器、活动云台摄像机、照明灯、接近传感器等设备.能够完成3维激光扫描地图生成，地图核对，可通过性分析等任务，一次充电可连续工作4个小时。由Remotec公司制造的V2煤矿救援机器人，大约50英寸高，1200英磅重，使用防爆电动机驱动橡皮履带。安装有导航和监控摄像机、灯、气体传感器和一个机器臂，具有夜视能力和两路语音通讯功能，可在5000英尺以外的安全位置远程遥控.使用光纤通讯传送矿井环境信息，操纵者能够看到实时视频信息和易燃的有毒气体的浓度。国内研究矿井救灾机器人的工作相对较晚，研究机构也相对较少，目前见到报道的只有中国矿业大学一家单位。中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所于2006年6月成功研制了我国第一台用于煤矿救援的CUMT-1型矿井搜救机器人。该机器人装备有低照度摄像机、气体传感器和温度计等设备，能够探测灾害环境，实时传回灾区的瓦斯、一氧化碳、粉尘浓度和温度以及高分辨率的现场图像等信息；具有双向语音对讲功能，能够使救灾指挥人员与受害者进行快速联络，指挥受伤人员选择最佳的逃生路线；具有无线网络通讯功能；同时还携带有食品、水、药品、救护工具等救助物资，使受害者能够积极开展自救。１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文上述矿井搜救机器人代表了当前国内外在该领域的研究现状和发展水平，然而，它们离实际应用的要求还有很大距离。例如，Ratler矿井探索机器人的通讯方式单一，通讯距离短；机械结构方面，其原型设计是基于野外全地形运动车辆的使用要求，没有按照适合于矿井环境来设计运动系统，底盘较低，越障性能一般；由于采用轮式差速转弯，转弯半径大，转向不灵活，结构不太适合于巷道等狭窄空间，且没有任何自主避障方面的设计。Simbot是一种体积非常小的机器人，这就决定了它不可能拥有较远的控制范围，只能在较近的范围内进行有线控制，携带的传感器数量也很有限，必须由搜索队员携带下井，使用方式非常有限。Groundhog机器人的自主性和移动性都非常强，但它是为了探测正常矿井地形而设计的试验平台，携带有非常多的仪器设备，由于美国的矿井巷道比较宽敞，道路平坦，瓦斯含量少，条件比较优越，所以其设计的体积巨大，并不适合用作煤矿搜救，曾经陷入泥浆地，被用线缆拉了出来。V2机器人是比较成熟的一款矿井救灾机器人，结构设计很好，但体积略显巨大，而且也没有自主避障功能，仅仅是遥控而已，并且只有光纤一种通讯方式，其可靠性也有待提高。CUMT-1型矿井搜救机器人同样存在通讯、避障和机械可靠性等方面的技术问题。1.1.3研究思路和需要重点解决的技术问题１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文煤矿救灾机器人需要在矿井发生灾害时完成环境探测和营救任务。由于技术和矿井环境等原因，可将矿井救灾机器人做成环境探测机器人和营救机器人两种专门用途的救灾机器人。环境探测机器人探测、采集和发送矿井灾害环境参数和信息，包括瓦斯、一氧化碳、氧气、温度和其它灾害特征气体等参数，以及生命、图像等信息，为地面救灾决策提供参考信息。环境探测机器人应该尽量小巧灵便。营救机器人需要将受伤矿工转移到安全地方，需要有足够的力量，因此其体积、尺寸不可能太小。目前，矿井营救机器人还没有开始研发，主要是研发用于矿井灾害环境探测机器人。所谓搜救机器人则是进行灾害环境和遇险人员探测，并为伤员提供一定救助的机器人，如中国矿业大学研制的CUMT-1型矿井搜救机器人。这种机器人不需要做成很大就能够满足功能上的要求。研发矿井救灾机器人，必须充分了解煤矿井下的自然环境和灾害现场的特点，使所研发的机器人能适应环境并发挥作用。无论研发哪一种用途的救灾机器人都应包括如下研究内容：(1)机构部分：搭建一个机动性和地面适应性好、越障能力强、可靠性高的机械移动平台，包括机械运动学和动力学设计、可靠性设计、机构的创新设计与性能试验等；(2)智能控制系统部分：自主或半自主避障设计，对外界环境信息以及远程命令信号的处理，以及整机协调控制等；(3)电器控制部分：机构动作驱动所需机电部件及其控制模块化设计，防爆本安设计及其可靠性性能试验；(4)传感部分：各类传感器的合理选用和设计，以及传感器的防爆本安设计；(5)信息处理部分：包括机器人各个运动部分的动作反馈处理，多传感器信息融合处理，行进路线记录与再现模式设计，以及事故现场的环境数字化处理等；(6)通讯部分：煤矿井下的无线传输特性分析及无线通讯解决方案设计，有线传输解决方案设计，巷道环境脱、放通信线缆机构设计及通讯线缆的脱、放性能分析等；(7)动力部分：包括动力源的选用和能耗分配设计，特殊环境下对能源装置性能的影响等；(8)整体防爆部分：整体模块化防爆系统的设计与检验；(9)整机试验：机器人集成设计的功能和可靠性等综合性能试验。１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文上述研究内容中，机构可靠性、避障能力、通讯方式和能力以及防爆设计是研发矿井救灾机器人需要重点解决的技术问题，以实现机器人有良好的越障能力和对在未知环境下动作的适应能力，尤其是在矿井巷道这样特定的地理环境中，对崎岖、狭窄空间的通过能力和对某些障碍的清障能力；在通讯不畅、环境信息不明的情况下，通过所携带的传感器使机器人安全避障，到达指定的目的地，即满足非结构化环境下避障、路径规划的实际应用需要；在矿井受灾情况下，无线信号的高速传输，有线通讯系统线缆收放、脱放的高效和高可靠性；同时满足机器人在矿井环境下使用的整体防爆要求.对于研发用于矿井救灾的机器人必须实现如下几个方面的创新：设计理念和设计技术的创新；适应矿井特殊环境的整体机构的设计创新；把机器人传感技术用到煤矿井下的应用创新；机器人导航控制方式的创新；矿井恶劣环境中机器人通讯技术的创新；机构的模块化设计和整体防爆设计的创新。1.1.4发展趋势救灾机器人是智能化机器人在煤矿领域的全新应用，尽管某些关键技术仍需要进一步研究，但救灾机器人具有高度的实用价值和广泛的应用前景。随着计算机技术、传感技术、控制技术、材料技术的发展，特别是网络技术和图像信息处理技术的迅猛发展，智能机器人的研究已取得了丰硕的研究成果。但是，由于矿井救灾机器人特殊的工作环境和工作要求的不断提高，矿井救灾机器人技术方面还需要有所突破：机械性能方面，能够适应矿井恶劣的灾后环境，对非结构的地形环境具有良好的自适应能力，具备较好的越障能力。１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文新技术和新材料的研发，矿井灾后恶劣的环境要求用高强度、抗拉抗压、抗高温阻燃、不产生电火花的材料。优良的导航性能、信息采集能力仍是今后矿井救灾机器人导航技术的主要发展方向。由于矿井中救灾机器人单一的传感器无法满足高精度定位需要，因此需要融合多个传感器测量信息，多传感器信息融合技术也就自然成为发展趋势。多机器人系统是矿井救灾机器人技术发展的主要方向。采用标准化、网络化、模块化技术。机器人装备有通信系统，在与外界进行数据信息交换时，采用标准化接口技术，网络技术可使机器人更具备操控性，同时机器人通信系统的稳定性、可维护性、兼容性也更好。由于便携式、履带机器人控制距离有限，当履带机器人在危险区域作业时，其控制操作人员的安全不能保证，此外遥控机器人的操作人员需要专门训练，因而需要进一步提高小型履带机器人自主能力。1.2课题内容及其参数要求1.2.1课题主要解决的问题移动平台的机械结构设计是本课题主要解决的问题。搜救机器人的移动平台是一个组成结构非常复杂的系统，它应不仅具有加速、减速、前进、后退、转向以及越障等常规的功能。综上所述，搜救机器人要完成既定任务应具体有以下几方面需求：l)移动灵活敏捷；2)较强的越障、避障能力；3)适应性能较强。可以在恶劣的环境中作业；１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文4)结构紧凑轻巧。降低了移动机器人的重心，保证了其行进中的稳定性。1.2.2遇到的主要问题在前期设计中主要遇到的问题是：普通的移动机器人运动平台中的减速器和电机占的空间过大，是地盘结构复杂，体积过大，机构不紧凑，无法满足要求，如果可以减少减速器和电机占的空间，就能在平台中安装更多的其它设备，提高机器人的总体性能。1.2.3.解决问题的方法遇到此问题后查阅了《汽车构造》一书，其中减速器一章介绍了轮边减速器。在重载货车、越野车或大型客车上，当要求有较大的主传动比和较大的离地间隙时，往往将双机主减速器中的第二集减速齿轮机构制成同样的两套，分别安装在两侧驱动车轮的近旁。由此想到用行星轮减速器，将其装在驱动轮中，这种结构可以增大减速比，提高驱动力，同时减小了减速器所占的空间，而且机构紧凑。经过计算，两级行星轮减速器可以达到1/25的减速比。1.2.4参数要求表1-1多感官移动机器人移动平台设计要求１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文总体结构双节履带式结构自重<50Kg载荷>50Kg搭载接口二维随动搭载平台结构尺寸760*500*160平地最大速度<1m/s正常速度0.7m/s最大通过坡度<30°通过能力能通过复杂行道转向能力零半径续航能力4小时以上防护能力防水防尘，抗冲击。１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文2移动平台设计方案本设计的搜救机器人移动平台包括移动平台的机械系统和动力系统。机械系统又包括底盘和传动系统。2.1底盘设计移动平台的底盘是搜救机器人的基础，机器人的各种传感器、控制器、驱动器以及搭载平台都需要以移动平台为载体，同时移动平台还要实现移动机器人的基本功能——移动。2.1.1移动方式设计机器人的移动方式多种多样，主要的移动机构有：轮式、履带式、腿式等。履带式移动机器人适合在未加工的天然路面上行走，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。履带式移动机构和轮式、腿式移动机构相比，具有如下特点：1)支撑面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能较好；2)越野机动性好，爬坡、越沟等性能均优于轮式移动机构；3)履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力；4)结构复杂，重量大，运动惯性大，减震性能差，零件易损坏。双节履带设计是目前出现的众多复合履带式结构移动机器人中的一种。双节履带设计可以提高履带车的爬坡和越野能力，使履带车更容易通过障碍物，增加了机器人的灵活性，目前双节履带设计在移动机器人上已有较多应用，故本设计采用双节履带设计。１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文2.1.2驱动系统设计驱动系统是机器人系统的动力来源，选择最佳的驱动系统是设计搜救机器人的关键。现代机器人的驱动方式主要有气动驱动、液压驱动和电动驱动三种。电动驱动系统具有传动平稳、灵活、速度快、控制简单精确、无污染、效率高、结构简单、无管路系统、维护方便等特点。适用于中、小型机器人。因此本搜救机器人平台采用电动方式驱动，并将蓄电池作为电动机和控制系统的动力能源。在确定了驱动方式后，需要选择合适的电动机。电动机的性能直接决定着驱动系统的性能，它的选择成为设计多功能特殊移动机器人驱动系统的基础。电动机按照工作电源分类可分为交流电机(AC)和直流电机(DC)两种。交流电机(AC)具有结构简单、造价便宜、维护方便等优点，一些工业机器人就使用交流供电，但是交流电机控制特性较差，要实现无级调速必须做到频率无级调节，虽然在现代控制理论发展到今天和产生了矢量控制技术以及脉宽调(PWM)技术的条件下交流电机变频调速己成为现实，但是交流电机的调速系统还是比较复杂。１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文直流电机(DC)的激励电流和电枢电流二者的大小及方向可以独立地分别控制，从而使转速在很宽的范围内可以得到精确的调节，具有良好的控制性能和调速性能。但是传统的有刷直流电机体积较大，结构复杂、散热性能差，它必须有炭刷和换向器，炭刷易产生电火花会引起电磁干扰，它和换向器易损坏，降低了电机的稳定性和寿命。无刷直流电机由电子换向器取代了普通有刷直流电机炭刷和换向器的机械换向，消除了机械换向带来的诸多限制，它既保持着有刷直流电机的优秀控制性和调速性，又具有可靠性高、结构简单、寿命长、体积小、噪声低、损耗低、无干扰性、过载能力大等优点，是交流电机与直流电机优点的结合，广泛用于机械、交通运输等领域。综上所述，搜救机器人移动平台选用无刷直流电机进行驱动，具体由电动机、减速箱组成。两台电动机分别驱动两个驱动轮为机器人运行提供动力。2.1.3驱动方式设计移动机器人驱动轮的选择关系到机器人的运动性能指标。履带式移动机器人的驱动轮分布主要有后轮驱动和前轮驱动两种。履带两端的导向轮哪一个用来驱动更为合适与履带机构的形状有关。对于本题目中的双节履带，以驱动轮在后方比较有利，这时履带的上分支受力较小，导向轮受力也较小，主履带承载分支处于微张紧状态，运行阻力较小，如图2-1（a）所示。反之，前轮为驱动轮时，履带的上分支及导向轮承载最大载荷，履带承载分支部分长度处于压缩弯折状态，运行阻力较大，见2.-1（b）图。图2-1前后驱动比较移动机器人使用两台电机分别对两个后轮进行驱动，通过控制电机的转速实现移动机器人的差速转向。这样可以实现机器人的快速转向和原地零半径回转。如图2-2所示。１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文图2-2搜救机器人平台动力系统及传动系统布局2.2传动系统设计为了节省空间，本题目中的传动系统采用了行星减速器设计。从结构上实现了电机直接驱动后轮。行星减速器采用2K-H型行星齿轮传动。原理如图2-3所示。图2-32K-H型行星齿轮传动机构a、b：太阳轮；e：行星轮；H：转臂行星减速机其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。但价格略贵。１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文2.3小结综上所述，搜救机器人平台包括了平台底盘，传动系统，驱动系统。由于每个系统之间相互联系又相互制约，总体设计的目的就是为了是每个子系统合理布局，是整个平台尽量结构紧凑、运行灵活。总体布局如图2-4所示。图2-4搜救机器人平台总体布局１５ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文3搜救机器人动力系统设计3.1基于平地的最大速度的电机功率计算假设机器人以最大速度匀速前进，轮子作瞬时纯滚动，前进时不考虑空气阻力的影响。如下图所示：根据理论力学平面交汇力系平衡条件和合力矩定理：则，移动机器人平地直线运动的平衡方程为：ML/R-f=0N1+N2-mg=0７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文MLR-ML-fR+N2l1-mgL3=0可以得出，机器人两侧电机经减速器后在最大速度下需要提供的极限扭矩为10.59Nm。在最大的行驶速度下，驱动电机经过减速箱减速后需要提供的极限转速为：nmax=vmax/πD=1/3.14×0.16=1.99r/s=119.4r/min3.1.2基于爬坡最大坡度的驱动电机功率计算相对于平地行驶过程，爬坡能力对于移动机器人的驱动能力是一个重要的衡量指标，所以在进行驱动系统设计时，爬坡指标的计算也应作为选择电机的必须依据。假设移动机器人在最大指标300的斜坡上匀速行驶，行驶速度为0.1m/s。在行驶过程中机器人轮子作瞬时纯滚动，不考虑空气阻力的影响。移动机器人爬坡受力情况如下图所示。７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文爬坡的平衡方程为：ML/R-f-mgsin300=0N1+N2-mgcos300=0MLR-ML-fR+N2L1-mgL3cos300=0上式中各参数意义与平地受力相同。联立上式得：ML=MLR-fR+N2L1-mgL3cos300=(f+mgsin300)R=(0.6×50×9.8+50×9.8×0.5)×0.08=43.12Nm可以得出机器人两侧电机经减速器减速后在最大坡度下爬坡需要提供的极限扭矩为19.40Nm.在0.1的速度爬坡时，驱动电机经过减速器后所需提供的转速为：n==11.94由以上分析可知，机器人平地直线运动时要求的驱动电机输出转速较大，而爬坡时的要求的驱动电机输出扭矩较大。因此在选电机型时，应根据平地直线运动要求转速和爬坡要求扭矩进行选择。根据最大爬坡要求，初步确定驱动电机经减速器后的功率为：=48.51W则所需电机的输出功率为：=79.53W７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文3.3电机的选型电动机是动力的直接输出者，其选择的合适与否直接关系着机器人能否平稳运行、爬坡、载重等一系列的动作的实现。经计算，最终机器人左右两个主驱动电机分别取为150w，总功率300w。综合分析矿井下的复杂环境和机器人的工作状况，并结合各种电机的结构特点、应用范围，本设计救灾机器人选用无刷直流电动机。无刷直流电动机具有长寿命，高可靠性，高性能，运行平稳，无齿槽效应，低噪声，低电磁干扰，体积小，功耗低，效率高等有点。(1)电动机尺寸与参数如图3-3-1所示：图3-3-1电动机尺寸７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文(1)电动机性能参数如下表3-1所示：表3-1电动机性能参数产品型号电压额定电流转速输出功率效率Maxon--Ec4524V6.5A1800r/min150W79%3.4小结本章对多感官移动机器人的动力系统做了计算校核及选型。动力系统的好坏直接影响到机器人的使用情况，因此十分重要。在查阅了移动机器人使用的各种场合，对比发现本设计题目中的机器人主要以平地运动为主，因此电动机以平地运动为主要计算参数。由于直流伺服电机可以周期性过载运行，因此本移动平台不能长时间爬坡运行。这样可以减小电动机功率和电源功率，使移动平台更加灵活和便携，同时也能使用与绝大多数场合使用。７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文4机器人驱动轮减速器设计移动减速传动机构是完成机器人前进、后退、转向等各种运动的关键部件，利用齿轮的速度转换，将动力机的转速减低到所需的转速，同时扭矩达增大到所需的扭矩。本机构采用二级减速器，电动机通过减速器的实现减速、增大转矩。电动机安装在减速器前端，通过锥齿轮改变轴的方向，输出履带驱动轮转矩，为复杂状况下救灾机器人提供主要动力。4.1减速器方案分析4.1.1减速器应满足的要求（1）目前大部分的煤矿都处于深井开采，深度大都为数百米，甚至上千米，远远深于恒温带的深度，随着深度的增加，地温逐渐升高，造成地下温度很高。减速器必须满足在高温下工作要求；（2）我国开采的矿井，大部分都为高瓦斯矿井，井内充满了浓厚的瓦斯。减速器应有隔爆防爆的作用；（3）搜救机器人的行驶路况复杂，在行驶过程的启动、停止、前进与后退换向频繁。其载重较大，要有较大的启动转矩，启动平稳，换向灵敏；（4）搜救机器人遥控操作，电动机用蓄电池提供能源。体积要小，重量要轻。4.1.2减速器方案分析７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文减速器的种类很多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们互相组合起来的减速器；按照传动级数可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥---圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式由可以分为展开式、分流式和同轴式减速器。展开式齿轮减速器结构简单，但齿轮相对于轴承的位置不对称，因此要求轴有较大的刚度。高速级齿轮布置在远离转矩输入端，这样，轴在转矩的作用下产生的扭矩变形和在载荷作用下轴产生的弯曲变形可部分的互相抵消，以减缓沿齿宽载荷分布不均匀的现象。用于载荷比较平衡的场合。同轴式齿轮减速器横向尺寸较小，两对齿轮侵入油中深度大致相同。但轴向尺寸和重量较大，且中间轴较长、刚度差，沿齿宽载荷分布不均匀，高速轴的承载能力难以充分利用，适合小型、微型机械适用。蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大，但价格略贵。另外行星减速箱，有平齿和斜齿2种，精度和价格都有不同。谐波减速器的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差，输入转速不能太高，价格较高。根据复杂路况下搜救机器人的行驶速度及各项工作要求，综合各种减速器的特点，本设计采用二级减速传动，依传递运动和转矩，又根据减速箱空间的限制采用二级行星齿轮减速器。７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文4.2减速器的设计计算4.2.1减速器的传动方案类型和传动简图根据上述设计要求可知，该行星轮减速器传递功率高，传动比较大，工作环境恶劣等特点。故采用双级行星齿轮传动。2K-H型结构简单，制造方便，适用于任何情况下的大小功率的传动。选用由两个2X-A型行星齿轮传动串联而成的双级行星齿轮减速器较为合理，名义传动比可分为进行传动。传动简图如下：4.2.2配齿计算根据2K-H型行星齿轮传动比的值和按其配齿计算公式，可按第一级传动的内齿，行星齿轮的齿数。先考虑到该行星齿轮传动的外廓尺寸，故选取第一级中心齿轮数为23和行星齿轮数为。根据内齿轮，则。对内齿轮齿数进行圆整后，此时实际的P值与给定的P值稍有变化，但是必须控制在其传动比误差范围内。实际传动比为：７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文6其传动比误差根据同心条件可得行星轮的齿数为所求的适用于非变位或高度变位的行星齿轮传动。再考虑到安装条件为：（整数）第二级传动比为6，选择中心齿数和行星齿轮数目与第一级相同，则。4.3.3初步计算齿轮的主要参数齿轮材料和热处理的选择：中心齿轮和中心齿轮，以及行星齿轮和均采用20CrMnTi，渗碳后淬火，淬透性不错，耐低温冲击，能够满足要求。齿面硬度为58-62HRC，查《行星齿轮传动设计》可知，取，，中心齿轮加工精度为6级，高速级与低速级的内齿轮均采用42CrMo，这种材料经过正火和调质处理，以获得相当的强度和硬度等力学性能，调质硬度为217-259HRC，取，，轮和的加工精度为7级。1计算高速齿轮的模数m8７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文按弯曲强度的初算公式，为现已知。中心齿轮的名义转矩为Nm，取算式系数，查《机械设计使用手册》系数，查得；取接触强度计算的行星齿轮间载荷分布不均匀系数，由公式可得，查得齿形系数，齿宽系数，则所得的模数m为：取齿轮模数为=0.4mm2计算低速级得齿轮模数m取弯曲强度的初算公式，计算低速级的齿轮的模数m为，现已知，，中心齿轮的名义转矩，取算式系数，使用系数，综合系数，取接触强度计算的行星齿轮间载荷分布不均匀系数，由公式可得，查表得齿形系数，齿宽系数，则所得的模数m为：mm７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文取齿轮模数为mm啮合参数计算高速级在两个啮合齿轮副中-，中，其标准中心距a为13.8mmmm低速级在两个啮合齿轮副中中，其标准中心距a为mmmm由此可见，高速级和低速级得标准中心距均相等。因此次行星齿轮传动满足非变位的同心条件，但是在行星轮传动中，采用高度可以避免跟切，减少机构的尺寸和质量，还可以改善齿轮副的磨损情况以及提高承载能力。几何尺寸的计算高速级分度圆直径d基圆直径７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文齿顶圆直径齿顶高：外啮合内啮合齿根圆直径齿根高高速级太阳轮行星轮内齿圈模数m0.40.40.4齿数z2346115分度圆直径d9.218.446齿顶圆直径d10.419.245.28齿根圆直径d8.617.447７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文低速级分度圆直径d基圆直径齿顶圆直径齿顶高：外啮合内啮合齿根圆直径齿根高７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文低速级太阳轮行星轮内齿圈模数m0.60.60.6齿数z2346115分度圆直径d13.827.669齿顶圆直径d1528.868.28齿根圆直径d12.326.170.5装配条件的计算对设计的齿轮副应满足以下条件的计算：1邻接条件在行星轮传动中，为保证两相邻行星轮的齿顶不致相碰，相邻两行星轮的中心距应大于两齿顶圆半径之和，由公式验算其邻接条件（为行星轮的直径，a为中心距高速级：18.4＜2×13.8×0.865=23.87低速级：27.6＜2×20.7×0.865=35.81故满足邻接条件。2.同心条件按公式对于高度变位有，已知高速级，满足公式则满足同心条件。低速级与高速级齿数相同，故满足条件。3.安装条件按公式验算安装条件，即得７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文(C为整数)即都满足装配条件。高速级齿轮强度的验算由于该行星轮传动具有长期有效间断工作的特点，具有结构紧凑，外轮廓尺寸较小的特点，因此应按齿面接触强度和齿根弯曲强度验算。齿面接触疲劳强度的校核由公式可验算：式中—区域系数；__弹性影响系数；—螺旋角系数，直齿轮为1；—重合度系数；-齿宽，齿轮副中的较小齿宽；—小齿轮分度圆直径；—许用应力；U—齿数比；齿轮副中：许用接触应力的计算：由机械零件查得；７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文选取安全系数故又查得；由于螺旋角，由机械零件得；直齿轮螺旋角系数；重合度系数；；齿宽b=9.8；故161MPa<。故满足强度要求。齿轮副中：许用接触应力的计算：由机械零件查得；选取安全系数故又查得；由于螺旋角，由机械零件得；７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文直齿轮螺旋角系数；重合度系数；5；齿宽b=8；故310MPa<。故满足强度要求。齿根弯曲疲劳强度的校核由公式可验算：式中齿根危险截面的弯曲应力；载荷系数；齿形系数；应力校正系数。齿轮副：计算载荷系数K：式中K-载荷系数；-使用系数；-动载系数；-齿间载荷分配系数；-齿间载荷分布系数。由《机械零件》可查得取=1；７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文根据V=1.2，可得；查《机械零件》可得，，故。由《机械零件》得齿形系数：，得齿形修正系数；许用应力的计算：由《机械零件》得，，安全系数s=1.25，故。因此弯曲疲劳强度：109M，132Mpa<故弯曲疲劳强度足够。齿轮副：计算载荷系数K：由《机械零件》查得，根据v=0.58，对称支撑；由《机械零件》取得，故。查得齿形系数；应力系数；许用应力的计算：７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文由《机械零件》得；由《机械零件》得由《机械零件》取弯曲疲劳强度安全系数S=1.25；；因此弯曲疲劳强度129Mpa<所以弯曲疲劳强度足够。低速级齿轮强度的验算：由于该行星轮传动具有长期有效间断工作的特点，具有结构紧凑，外轮廓尺寸较小的特点，因此应按齿面接触强度和齿根弯曲强度验算。齿面接触疲劳强度的校核由公式可验算：式中—区域系数；__弹性影响系数；—螺旋角系数，直齿轮为1；７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文—重合度系数；-齿宽，齿轮副中的较小齿宽；—小齿轮分度圆直径；—许用应力；U—齿数比；齿轮副中：许用接触应力的计算：由机械零件查得；选取安全系数故又查得；由于螺旋角，由机械零件得；直齿轮螺旋角系数；重合度系数；；齿宽b=13.8；故183MPa<。故满足强度要求。齿轮副中：许用接触应力的计算：７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文由机械零件查得；选取安全系数故又查得；由于螺旋角，由机械零件得；直齿轮螺旋角系数；重合度系数；5；齿宽b=12；故352MPa<。故满足强度要求。齿根弯曲疲劳强度的校核由公式可验算：式中齿根危险截面的弯曲应力；载荷系数；齿形系数；应力校正系数。齿轮副：计算载荷系数K：７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文式中K-载荷系数；-使用系数；-动载系数；-齿间载荷分配系数；-齿间载荷分布系数。由《机械零件》可查得取=1；根据V=1.2，可得；查《机械零件》可得，，故。由《机械零件》得齿形系数：，得齿形修正系数；许用应力的计算：由《机械零件》得，，安全系数s=1.25，故。因此弯曲疲劳强度：127M，143Mpa<故弯曲疲劳强度足够。齿轮副：７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文计算载荷系数K：由《机械零件》查得，根据v=0.58，对称支撑；由《机械零件》取得，故。查得齿形系数；应力系数；许用应力的计算：由《机械零件》得；由《机械零件》得由《机械零件》取弯曲疲劳强度安全系数S=1.25；；因此弯曲疲劳强度143Mpa<所以弯曲疲劳强度足够。4.3.4减速器输入轴的设计1．选择轴的材料，确定许用应力７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文根据工作条件选择轴的材料为40Cr钢，调质处理，由教材表15-3查得。2．按扭转强度估算轴径根据《机械零件》取=112，故得==4.892mm。输出轴的最小直径是安装联轴器的直径，为了使所选的轴直径与联轴器的孔相适应，故需同时选取联轴器型号。按照计算转矩应小于联轴器的公称转矩的条件，为了隔离震动与冲击，应选用微型弹性联轴器，选用德国KTR公司品牌的ROTEX--GS系列的微型无齿隙弹性联轴器；轴套材质为铝式，加紧式轴套，无键槽，传递扭矩取决于轴径，轴径范围为5--8，联轴器长度，外径。半联轴器的孔，故取，联轴器与轴配合的毂孔长度。3.轴的结构设计拟定轴上零件的装配方案，用下图所示的装配方案７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文可取，，因为轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选择单列圆锥滚子轴承。参照工作要求选择C136079J，其尺寸为：。轴承采用反装形式，用轴肩定位，轴肩高度。4.确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角2×45，各轴间圆角半径见图。5.轴上载荷以及轴的校核７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文图4-1轴的弯矩扭矩图圆周力：==2×270/5=108N径向力：==108×tan=39.3N法向力：=/cos=44.2/cos=114.9N水平支反力为：，垂直反力：当量弯矩为：垂直面内=320Nmm，=15Nmm水平面内总弯矩为：==401Nmm，==243Nmm轴受转矩为：T=9549/n=9549×0.15/1800=796Nmm最后按弯矩合成应力校核轴的强度：进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度，根据以上数据及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，故取，轴的计算应力所以满足=70Mpa的条件，故设计的轴有足够的强度，并有一定裕量。７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文5传动系统设计由电动机输出的动力，需要通过传动系统传递到机器人移动平台的后轮上，以便驱动机器人运动。可见传动系统是整个移动平台实现是运动功能的纽带和关键。5.1典型移动机构分析便携式机器人按移动方式分主要有轮式、履带式、腿足式三种，另外还有步进移动式、蠕动式、混合移动式、蛇行移动式等。5.1.1轮式移动机构特点轮式移动机构在救灾机器人中是最为普通的运动方式，轮式机器人移动机构普遍具有结构简单、运动速度快、能源利用率高的、机动性好强的特点，同时具有自重轻、不损坏路面、作业循环时间短和工作效率高等优势。控制的角度看，编程简单并有较高的可靠性，每个轮子都可以独立驱动。与履带式移动机器人相比，当跨越不平坦地形时，轮式机器人有着固有的不足，限制了其运动能力，其稳定性和对环境的适应性完全依赖于环境本身的状况，对于进入复杂的环境完成既定任务存在严重的困难。轮式移动机构按轮的数量可分为2轮、3轮、4轮、6轮、8轮。该结构存在着一定的局限性，只能在相对平坦、表面较硬的路面上行驶，如遇到软性地面(如沼泽、草地、雪地、沙地等)容易打滑、沉陷，但可根据具体地面环境采用一些预防措施来缓解该类情况的出现，如采用不同种类的款式轮胎以提高其越野能力，象沙漠车辆、山地车辆等，其各种结构如图5-1所示。７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文图5-1轮式移动装置示意图5.1.2腿式移动机构特点腿足式移动机构分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移动机构优点有：(1)腿式机器人的地形适应能力强。腿式机器人运动轨迹由一系列离散点组成，崎岖地形可以给这些离散点提供支撑，使机器人平稳运动；而轮式和履带式机器人的运动是连续规迹，有些起伏较大的地形则不支持这种连续运动轨迹，进而限制了该类机器人活动范围。(2)腿式机器人的腿部具有多个自由度，运动更具有灵活性，通过调节腿的长度可以控制机器人重心位置，因此不易翻倒，稳定性更高；(3)腿式机器人的身体与地面分离，这种机械结构优点在于机器人身体可以平稳地运动而不必考虑地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移动机器人如图2-2所示，特点是稳定性好，越野能力强。腿式移动机构缺点有：该类机器人的移动速度慢，机动性较差．因此机器人的负载不能太重；腿式机器入对地面适应性和运动灵活性需要进一步提高；７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文腿式机器人控制系统较为复杂，控制方法还有待完善；该机构未进入实用化阶段。图5-2八腿机器人图5-3六履机器人5.1.3履带式移动机构特点履带式移动机构分为l条履带、2条履带(履带可车体左右布置或者车体前后布置)、3条履带、4条履带．6条履带，移动方式优点在于机动性能好、越野性能强，缺点是结构复杂、重量大、摩擦阻力大，机械效率低，在自身重量比较大的情况下会对路面产生一定的破坏。履带式移动机构比较轮式移动机构有以下几个特点：(1)撑面积大、接地比压小、滚动阻尼小、通过性比较好；(2)越野机动往能好，爬坡越沟等性能均优于轮式结构；(3)履带支撑面上有履齿不打滑，牵引附着性能好；(4)结构较复杂重量大，运动惯性大，减震功能差，零件易损坏。六履带机器人如图2-3所示，车体前后各有一对履带鳍，可以辅助翻越障碍，运动十分灵活。5.1.4履、腿式移动机构特点７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文履腿复合移动机构综合了履带式和腿式两种移动机构的优势，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为机器人的推进系统；传统履带移动机构往往是两条履带与车身相对固定，很大程度上限制了机器人地形适应能力(此时机器人履带高度和长度直接决定了机器人越障、跨沟等性能)，为了解决该问题履式移动系统中引入了关节履带机构，两条履带不再相对车体固定而是能绕车身转动，这样能大大提高机器人的环境适应能力，但履、腿复合机构本身存在着一定的不足如结构复杂、运动控制困难等。5.1.5轮、履、腿式移动机构性能比较车轮式，履带式、腿足式移动系统性能比较见表5-1所示：表5-1典型移动机构的性能对比表移动方式轮式履带式腿式移动速度快较快慢越障能力差一般好复杂程度简单一般复杂能耗量小较小大控制难易易一般复杂5.2本研究采用的移动机构救灾机器人主要是在复杂地况上工作，路况干扰大，在井下一般发生灾难后道路损坏严重，不可预测的情况多，所以救灾机器人在井下救灾工作时速度要求较低，而在路面上移动速度较高。所以救灾机器人的移动机构既要保证救灾机器人在较理想路况上具有较高的移动速度，又要保证其在复杂路况地面上具有较好的越障和爬坡能力。综上所述，通过对救灾机器人移动机构的性能的分析和其作业环境的特点，本研究的的救灾机器人移动机构采用了履带式。如图5-4所示，这种机构中的移动履带的作用，７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文在复杂环境中起传递动力作用。后移动轮为主动轮，前移动轮为从动轮，二者通过移动履带来传递动力，实现同运动。图5-4轮履复合式移动机构5.3搜救机器人方案设计5.3.1总体参数设计根据井下环境对机器人的要求，主要设计性能参数如下：救灾机器人最大移动速度不大于120m/min，垂直越障高度不大于300mm，直接跨越沟壑宽度小于250mm，最大爬坡角度30°，总体尺寸（履带自然伸展状态）小于760mm500mm160mm。5.3.2救灾机器人的构成本研究所设计的救灾机器人驱动部分结构如图5-5所示，该机构主要包括四部分组成，减速传动机构、后轮驱动机构、转向机构及轮履运动机构。７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文图5-5搜救机器人结构示意图工作方式是主驱动电机由减速器降速后，输出大转矩和低速，通过联轴器传送给驱动后桥，由后轴带动履带运行。5.3.3主要机构的工作原理减速传动机构电动机通过减速器的降速，以实现增大转矩，实现调速，减速器是行星轮减速器，电动机安装在减速器旁，通过直齿轮改变轴的方向，输出后轴转矩，为机器人提供主要动力。后轴驱动机构驱动后轴位于传动系的末端。其基本功用是增扭、降速和改变转矩的传递方向，即增大由传动轴或直接从变速器传来的转矩，并将转矩合理的分配给左右驱动车轮。转向机构机器人在行驶过程中，经常需要改变行驶方向，本机构是通过两个电机的差速比来实现的。履带驱动机构其动力部分采用电机，通过齿轮副降速后带动低速轴的转动，轴与履带驱动机构通过导杆滑块机构连接，从而使履带驱动机构各自绕前后轴的中心线转动，实现机器人不同角度的爬坡和越障能力。７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文5.4移动机构履带部分设计所设计的机器人采用的是履带式运动。5.4.1履带的选择由于在考虑履带装置设计时，基于标准化的思考，我们选择了梯形双面齿同步带作为设计履带，梯形双面齿同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步带传动由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步带通常以氯丁橡胶为材料，这种带薄而且轻，故可用于较高速度。传动时的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98％。传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。因为同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大等优点，所以传递功率可以从几瓦到百千瓦。传动效率高，结构紧凑，适宜于多轴传动，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。从以上对同步带性能的分析中可以得出结论，选用梯形双面齿同步带作为移动装置设计履带能够满足设计性能及工作的环境条件要求。由已知后轴输出功率为(即）；由已知设计装置移动速度，根据公式，可得主动轮转速，预先设计履带主动轮直径=160mm，履带从动轮直径=160mm，由公式，可得=120r/min.。故可以得到设计的已知条件如下：７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文（1）传递名义功率.（2）主动轮转速.（3）从动轮转速（4）中心距.5.4.1.1求设计功率式中K--载荷修正系数（有工作机性能和运转时间查表5-2可以得到）表5-2修正载荷系数K工作机运行时间（小时/日）3~58~1016~24计算机，医疗机1.01.21.4缝纫机，办公机械1.21.41.6轻传送机，包装机1.31.51.7搅拌机，造纸机1.41.61.8印刷机，圆形带锯1.41.61.85.4.1.2确定带的型号和节距由设计功率=0.2275kw和=120r/min，考虑到可以用双面交错梯状齿形同步带作为履带使用，由图6-1查得型号选用XH型，对应节距７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文=22.225mm，图6-2为双面交错梯状齿形同步带的结构图，双面齿同步带的节距和齿形等同与单面齿同步带的齿形和节距，图A为DA型双面齿同步带，其两面带齿呈对称排列，图B为DB型双面齿同步带，其两面带齿呈交错位置排列，本装置设计履带选择DB型。XH型同步带=2.794mm，=15.49mm。图5-6梯形齿同步带，轮选型图图5-7梯形齿形状图5.4.1.3确定主从动轮直径为了增大摩擦力，应考虑增大履带与接触地面的有效接触面积，所以履带离地面的高度不易过大，故取履带主动轮直径=160mm，履带从动轮直径=160mm。查表5-3，选择履带主动轮型号为23XH，履带从动轮型号为23XH，就近圆整带轮直径，查得履带主动轮直径=162.71mm，履带从动轮直径=162.71mm。７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文表5-3XH型同步轮尺寸表（节距=22.225mm）规格齿数节径d外径do档边直径df档边内径db档边厚度h22XH22155.64152.841671384.523XH23162.71159.921741454.524XH24169.79166.991811524.525XH25176.86174.071881594.526XH26183.94181.141951664.527XH27191.01188.222021734.528XH28198.08195.292091804.55.4.1.4确定节线长度确定中心距，中心距大，可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命，但是中心距过大，则会加剧带的波动，降低带的传动平稳性，同时增大带传动的整体尺寸，中心距过小，则有相反的利弊，取带传动的中心距为由=162.71mm，=162.71mm.代入上式有由于搜救机器人工作的环境限制，所设计的尺寸不宜过大，选择中心距的尺寸偏小，初选取=400mm。根据带传动总体尺寸和中心距的要求，带的节线长度可由带围绕两带轮的周长来计算，根据下式求得：７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文代入=400mm，=162.71mm，=162.71mm有1377.0958mm，根据表5-4就近圆整=1422.40mm型号为560XH，同步带齿数为64。表5-4：XH型同步带节线型号XH型（节距=22.225mm）规格节线长mm齿数463XH1177.9353508XH1289.0558560XH1422.4064570XH1444.6365580XH1466.8566630XH1600.2072700XH1778.0080735XH1866.9084752XH1911.3586770XH1955.80885.4.1.5确定设计功率为时所需的带宽（1）计算所选用型号同步带的基准额定功率（kw）式中许用工作拉力，查表6-4得=4048.90N单位长度质量，查表6-4得=1.484Kg/m７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文线速度m/s表5-5七种同步带型号的主要参数带型号节距基准宽拉力质量G带宽MXL2.036.43.0，4.8，6.4XXL3.1756.4310.0103.0，4.8，6.4XL5.0809.550.170.0226.4，7.9，9.5L9.52525.4244.460.09512.7，19.1，25.4H12.7076.22100.850.44825.4，38.1，50.8XH22.225101.64048.901.48450.8，76.2，101.6XXH31.75127.06398.032.47376.2，101.6，127.0求解线速度：由已知条件主动轮转速=1220r/min.带入上式得4.049kw（2）计算主动轮啮合齿数（6-6）（3）确定实际所需带宽７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文（6-7）式中带所传递的功率kw=0.17225kw啮合系数，因6，故=1.所以将其取为标准值5.4.1.6验算数据1.4570.17225额定功率大于设计功率，则带的传动能力已足够，所选参数合理。5.4.1.7同步带的物理机械性能７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文表5-6同步带的物理机械性能项目梯形齿XHLHXHXXH拉伸强度80120270380450参考力伸长率参考力N6090220300360伸长40硬度755包布粘合强度56.581012芯绳粘合强度2003806008001500齿体剪切强度50607075905.5履带主从动轮设计5.5.1履带轮材料选择为了减轻履带驱动装置的重量，可以选择硬铝合金作为履带主，从动轮的材料，硬铝合金主要是加入铜，镁，锰元素，故硬铝合金具有密度小，质量低，强度高，硬度高，耐热性好的优点，能够满足设计性能要求。5.5.2履带轮形状及主要尺寸的确定履带和带轮的啮合方式见图5-8所示，图中为同步带轮节圆或同步带节线上测得相邻两齿的距离即节距。XH型节距=22.225mm，为同步带轮的节圆直径，主动轮节圆型号为23XH，=162.71mm，从动轮节圆型号为23XH，=162.71mm.为同步带轮实际外圆直径，主动轮=159.92mm，从动轮=159.92mm。７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文图5-8同步带轮外径径节示意图同步带分为AS型，BS型，AF型，BF型，WS型，其中AF型和BF型为双边档边，由于本设计采用的是电动机、减速器动力总成放在翼板内，直接通过锥齿轮传递用后驱动轮轮轴。所以，主动轮选择两个单边单圈，从动轮选择一个无挡圈，选WS型同步带轮。主动轮23XH，齿数23，径节，外径主动轮初选两个单边挡圈的带轮，用于设计中将其组合。5.5.3履带轮齿形及齿面宽度的选择根据图5-9可以查得XH型梯形双面齿同步带轮齿形尺寸如下图5-9齿形尺寸７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文表5-7梯形双面齿同步轮齿形尺寸型号节距MXL2.0320.840.050.69200.350.130.508XL5.0801.320.051.65250.410.640.508L9.5253.050.102.67201.191.170.762H12.74.190.133.05201.601.61.372XH22.2257.900.157.14201.982.392.794XXH31.75012.170.1810.31203.963.183.048节距=22.225mm，齿槽=mm，齿深=7.14mm，槽角=，倒角=，=，=3.048mm，根据表5-7可以查出以上数据。根据前面确定的基准宽度为101.6mm，及所选择的无档边带轮查表5-8可得到梯形双面齿同步带轮齿面宽度=118mm。表5-8同步带轮齿面宽度尺寸参考表型号同步带宽度齿轮面宽度代号带宽双面档边带轮单面档边带轮无档边带轮XH20050.856.662.259.630076.283.889.886.9400101.6110.7116.7113.75.5.4履带轮所允许的公差两轮所允许的公差如表5-9所示７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文表5-9允许公差表项目小轮大轮外径偏差+0.150+0.150任意两相邻点节距偏差90度弧内的累积0.030.150.030.15外圆径向圆跳动0.130.15外圆端面圆跳动0.190.26轮齿与轴线平行度齿顶圆柱面的圆柱度0.090.11轴孔直径偏差H7或H8H7或H8外圆及两齿侧表面粗糙度3.23.2７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文6移动机构履带翼板部分设计6.1履带翼板的作用履带翼板是整个履带驱动装置中的基础部分，主要起支撑作用，履带从动轮，张紧轮和过度轮分别安装在翼板上。从经济性的考虑，应尽量减轻整个履带驱动装置的重量，所以在材料选择方面，翼板的材料应满足质量轻，高强度，高硬度，易加工的优点，综合选择，硬铝合金能够满足一般的性能要求，所以翼板的材料选择硬铝合金。6.2履带翼板设计翼板的主要尺寸见图6-1所示，履带主动轮，从动轮，张紧轮和调节轮在翼板上的位置见图6-2所示，张紧轮翼板设计厚度为20mm。图6-1翼板主要尺寸图6-2翼板上带轮安装位置图７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文6.3计算履带装置各部分的质量6.3.1翼板质量由图6-1翼板主要尺寸，翼板的设计厚度为20mm，可以求出翼板的体积，翼板材料为硬质合金，密度为2.75。求翼板体积由于翼板外形较为复杂，直接求其体积较为复杂，可用ProE建立翼板模型，用其质量特性测得翼板的体积6.3.2履带从动轮质量由前面选择的履带从动轮型号为23XH，径圆直径=162.71mm，则=81.35mm，从动轮通过圆柱滚子轴承与翼板连接，选择圆柱滚子轴承外径D=90mm，轮宽=84mm，履带从动轮材料选择硬质合金，其密度2.75。6.3.3张紧轮，调节轮质量７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文张紧轮的作用，由于梯形双面齿同步带在工作一定时间后会发生松弛，为了防止同步带轮因同步带松弛而发生打滑现象，可以通过调节张紧轮的高度使履带继续保持张紧轮，张紧轮位于翼板中心轴上方位置，下端外径与履带接触。调节轮的作用，当履带驱动装置工作时，由于梯形双面齿同步带具有弹性，履带转动与路面接触难以形成有效的摩擦力，在履带主动轮和履带从动轮之间增加两个调节轮，可以有效地增加履带与路面的接触面积，从而增大履带的摩擦力，提高履带驱动装置工作效率。设计张紧轮和调节轮外径，在满足性能要求的前提下，为了减轻重量，张紧轮和调节轮的材料选用硬铝合金。6.4求履带驱动装置重心对于整个履带驱动装置，其形状是个复杂结构，求解其重心比较复杂，通过分析可以看出履带驱动装置是由三个简单形状的部分组成的，故可以用重心分割法首先分别求出简单形状的重心，再通过公式算出履带驱动装置的重心位置。根据图6-1翼板的设计重心在其中心线，翼板材料均匀，故可以设其中心在其对称中心线上。紧轮在翼板的中心面上，两个调节轮相对于翼板中心面对称，故在求这三个轮的重心时，可以把它们看成等边三角形模型。７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文履带从动轮为对称轮，其重心必在其几何中心上。重心分割法原理：设物体由若干部分组成，其第部分的重为，重心为，则由公式，可得物体的重心为（4-1）如果物体是均质的，由上式可得（4-2）式中为物体的体积。对履带驱动机构建立直角坐标系如下图4-3所示，坐标原点O与翼板对称中心重合，翼板方向，从动轮中心轴线方，与，方向垂直，符合左手定则。图6-3重心坐标图翼板质量及重心位置：履带从动轮质量及重心位置：７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文张紧轮，调节轮质量及重心位置：由于把三个轮看成等腰三角形的模型，其重心位置在中线的交点。所以履带驱动装置的重心为履带驱动装置的重心。７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文7齿轮轴、轴承和键的设计7.1齿轮轴的校核计算表7-1齿轮轴的校核计算设计计算和说明计算结果1.选择齿轮材料、热处理方式及计算许用应力(1)选择材料及热处理方式小齿轮16MnCr5渗碳淬火，齿面硬度56-62HRC大齿轮45钢表面淬火，齿面硬度50-56HRC(2)确定许用应力a)确定和b)计算应力循环次数N，确定寿命系数、。７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文c)计算许用应力取，==应力修正系数==2.初步确定齿轮的基本参数和主要尺寸(1)选择齿轮类型根据齿轮传动的工作条件，选用斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合传动方案(2)选择齿轮传动精度等级选用7级精度(3)初选参数初选=8=20=0.8=0.7=0.89按当量齿数斜齿圆柱齿轮与斜齿齿条啮合传动7级精度46510７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文(4)初步计算齿轮模数转矩290.7×0.16=46.51=46510闭式硬齿面传动，按齿根弯曲疲劳强度设计。==2.396(5)确定载荷系数=1，由，/100=0.00124，=1；对称布置，取=1.06；取=1.3则=1×1×1.06×1.3=1.378(6)修正法向模数=2.396×=2.383圆整为标准值，取=2.53.确定齿轮传动主要参数和几何尺寸(1)分度圆直径=1.378=2.5=21.74=26.74=15.49取=18=2.5=3.12７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文==21.74mm(2)齿顶圆直径=21.74+2=21.74+2×2.5(1+0)=26.74(3)齿根圆直径=21.74-2=21.74-2×2.5×1.25=15.49(4)齿宽=0.8×21.74=17.39因为相互啮合齿轮的基圆齿距必须相等，即。齿轮法面基圆齿距为齿条法面基圆齿距为取齿条法向模数为=2.5(5)齿条齿顶高=2.5×(1+0)=2.5(6)齿条齿根高=2.5(1+0.25-0)=3.12(7)法面齿距=3.9=3.9齿面接触疲劳强度满足要求７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文4.校核齿面接触疲劳强度由表7-5，=189.8由图7-15，=2.45取=0.8，==0.985所以=189.8×2.45×0.8×0.985×=1677.65.结构设计和绘制零件图详见零件图7.2轴承的校核7.2.1初选轴承型号查《机械工程及自动化简明设计手册》，选择6201轴承，Cr=12.8KN，其基本额定静负荷7.2.2验算并确定轴承型号1.，e为0.27，轴向载荷系数Y应为1.62.计算当量动载荷７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文（3-41）3.验算6201轴承的寿命即高于预期寿命，能满足要求。7.3键的计算∵[]=120MPa（3-42）∴（3-43）式中T——传递的转矩，单位为N·mm；d——轴的直径，单位为mm；l——键的接触长度，单位为mm；K——键与轮毂接触高度，K≈h/2，单位为mm；[σp]——许用挤压应力，单位为MPa。选用A型键公称尺寸b×h=6×6根据具体情，键的接触长度l应该大于15mm，则L≥15+6=21mm圆头普通平键(A型)的尺寸参考GB1096-79键和键槽的断面尺寸参考GB1095-79７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文8移动机构3D建模8.1移动机构3D建模通过上述设计计算，由Pro/E软件对各部分进行3D建模，结果如图8-1~8-4所示。图8-1主动带轮图７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文图8-2履带图8-3翼板７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文图8-4履带机构７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文致谢首先，我要感谢河南理工大学万方科技学院，感谢机械与动力工程系对我四年的培养，让我学到了许许多多的知识，在此致以我深深的谢意。在本设计完成之际，无论我的设计是否能够真的投入使用，这里面每一个方案的选择，每一个数据的计算，每一段文本的输入之中都有我辛勤的汗水。毕业设计的时间虽然不长，我却从中学到了很多的东西。我由衷地感谢关怀、教诲、帮助、支持和鼓励我完成学业的老师、朋友和亲人。特别感谢我的导师邓乐教授，一直以来来他在学习、科研上一直对我悉心指导，严格要求、热情鼓励，为我创造了很多锻炼提高的机会。邓乐教授洞察全局、高屋建瓴，为我的设计的顺利完成指出了很好的方向，邓乐教授渊博的知识、宽广无私的胸怀、夜以继日的工作态度、对事业的执著追求、诲人不倦的教师风范和对问题的敏锐观察力，都将使我毕生受益。在此我谨向我的导师以及在毕业设计过程中给予我很大帮助的老师、同学们致以最诚挚的谢意！７７ 河南理工大学万方科技学院本科毕业论文参考文献[1]陈晓东等主编.警用机器人.北京：科技出版社，2008[2]GordonMcComb主编.机器人设计与实现.北京：科学出版社2008[3]刘鸿文主编.材料力学.北京：高等教育出版社，2004[4]蒲良贵主编.机械设计[第八版].北京：高等教育出版社，2006[5]徐元吕主编.工业机器人.北京：中国轻工业出版社，2006[6]哈尔滨工业大学.理论力学[第六版].北京：高等教育出版社，2002[7]殷玉枫主编.机械设计课程设计.北京：机械工业出版社，2008[8]邓文英主编.金属工艺学[第四版].北京：高等教育出版社，1999[9]徐国华，谭民．移动机器人的发展现状及其趋势[J]．机器人技术与应用，2001(3)：7—14.[10]陈淑艳.移动机器人履带行走装置构型与机动性能研究.万方数据库.扬州大学硕士论文[11]肖俊君.多姿态便携式履带机器人设计与分析.万方数据库.国防科技大学研究生院学位论文[12]李科杰．危险作业机器人发展战略研究[J]．机器人技术及应用2003(5)：14-22[13]李东晓.机器人技术在煤矿自动化中的应用.煤炭科学技术.2007[14]钱善华王勇等.机器人研究的现状及煤矿搜救的应用.７７ 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