《履帶式移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《履帶式移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)（49頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 作 系 者： 王佳 學(xué)號(hào)： 063268 機(jī)械工程 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 題 目: 多感官履帶式移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 丁承君 教授 評(píng)閱者： （姓名） （專業(yè)技術(shù)職務(wù)） （姓名） （專業(yè)技術(shù)職務(wù)） 2010年6 月1日 Gen erated by Foxit PDF Creator

2、? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) 畢業(yè)設(shè)計(jì)中文摘要 多感官履帶式移動(dòng)機(jī)器人底盤(pán)設(shè)計(jì) 摘要： 多感官履帶機(jī)器人是國(guó)家高技術(shù)發(fā)展研究計(jì)劃（863）支持項(xiàng)目之一，包括 雙節(jié)履帶直流伺服驅(qū)動(dòng)底盤(pán)和機(jī)器人多感官頭部以及傳感器系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制 系統(tǒng)。本題目的設(shè)計(jì)目標(biāo)是完成底盤(pán)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完成底盤(pán)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)功 率扭矩等參數(shù)計(jì)算校核、選型。 本設(shè)計(jì)利用了機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、機(jī)電傳動(dòng)等專業(yè)知識(shí)，解決多感官履帶 式機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)、移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及多節(jié)履帶和附屬部件的 設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的

3、具有較強(qiáng)的實(shí)用性，可以作為各種移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)以及其它移動(dòng) 設(shè)備的載體。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人 平臺(tái)設(shè)計(jì) 履帶設(shè)計(jì) Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文摘要 Title The Chassis Design of Multi-sensory Crawler-type Mobile Robot Abstract The multi-sensory crawler robot , which includes

4、 the twin-crawler DCservo drive chassis and multi-se nsory robot head as well as the sen sor systems and computer control systems , is one of the items supported by The National High Tech no logy Research and Developme nt Program (863 Program).This subject is desig ned to complete the chassis mecha

5、 ni cal structure desig n, to complete the parameter calculation and proof-reading such as the torque of the electric-motor power of the chassis drive system and to complete the proper type-select ions. In this design specialized knowledge such as the mechanical design, the mach inery manu factur

6、i ng and the mecha ni cal & electrical tran smissi on is used to design the drive system,mechanical system,multi-section crawler system and ancillary components of the mobile chassis of the multi-sensory crawler robot. This desig n has strong practical applicati on s, it can be used as the chassis

7、 of many kinds of moving robots and also as the carrier of other moving equipme nts. Keywords Robot Chassis desig n Crawler desig n Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) 目錄（Index） 1緒論 1.1研究現(xiàn)狀 1 1.2研究意義及目的 2 1.3應(yīng)用情況 3 1.4研究方向 4 1.

8、5虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在多感官機(jī)器人中的應(yīng)用 5 2課題內(nèi)容及其參數(shù)要求 2.1課題主要解決的問(wèn)題 6 2.2遇到的主要問(wèn)題 7 2.3解決問(wèn)題的方法 7 2.4參數(shù)要求 7 3總體設(shè)計(jì)方案 3.1底盤(pán)設(shè)計(jì) 8 3.2傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 3.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 3.4小結(jié) 12 4移動(dòng)平臺(tái)底盤(pán)的機(jī)械設(shè)計(jì) 4.1底盤(pán)設(shè)計(jì) 14 4.2擺臂設(shè)計(jì) 15 4.3多感官傳感器 18 4.4承載輪 18 4.5履帶 19 4.6外殼及輔助裝置 20 5移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1基于平地最大速度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算 22 5.2基于爬坡最大坡度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算 23

9、 5.3直流伺服電機(jī)的選型 24 5.4電源選擇 26 5.5小結(jié) 26 6傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6.1后輪減速器系統(tǒng) 27 6.2擺臂傳動(dòng)系統(tǒng) 29 7移動(dòng)平臺(tái)關(guān)鍵零部件有限元分析和校核 7.1底盤(pán)的有限元分析 30 7.2行星輪外支架有限元分析 32 7.3擺臂支架有限元分析 32 7.4小結(jié) 34 8總結(jié)及展望 34 致謝 34 參考文獻(xiàn) 35 Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) 1、 緒論 1.1

10、 移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 移動(dòng)機(jī)器人的研究始于60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen 和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研造出了取名 Shakey的自主移 動(dòng)機(jī)器人。目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、 規(guī)劃和控制。與此同時(shí)，最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功， 從而開(kāi)始了機(jī)器 人步行機(jī)構(gòu)方面的研究，以解決機(jī)器人在不平整地域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題， 設(shè)計(jì)并研制 出了多足步行機(jī)器人。其中最著名是名為 General ElectricQ uadruped 的步行 機(jī)器人。70年代末，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人研究

11、又 出現(xiàn)了新的高潮。特別是在80年代中期，設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界， 一大批世界著名的公司開(kāi)始研制移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，這些移動(dòng)機(jī)器人主要作為大學(xué) 實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)多種研究方 向的出現(xiàn)。90年代以來(lái)，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高 適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器 人更高層次的研究。 智能移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。智能移動(dòng)機(jī)器人集人 工智能、智能控制、信息處理、圖像處理、檢測(cè)與轉(zhuǎn)換等專業(yè)技術(shù)為一體，跨計(jì) 算機(jī)、自動(dòng)控制、機(jī)械、電子等多學(xué)科，代表機(jī)電一體化的最高成就，是當(dāng)前智

12、能機(jī)器人研究的熱點(diǎn)之一。 隨著在智能移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，機(jī)器人要完成的任務(wù)也越來(lái)越 復(fù)雜。盡管對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了令人鼓舞的可喜成果， 但隨著機(jī) 器人研究的不斷深入，智能移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域還存在許多的挑戰(zhàn)性課題有待我 們解決⑴。 1.2 研究意義及目的 科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，各國(guó)之間綜合國(guó)力的競(jìng)爭(zhēng)，很大程度上取決于高新 技術(shù)之間的競(jìng)爭(zhēng)，作為機(jī)電一體化的最高成就，機(jī)器人技術(shù)普遍受到了各國(guó)政府 的重視，他們都將機(jī)器人作為一個(gè)戰(zhàn)略高新技術(shù)給予支持。 中國(guó)工程院院士宋健 曾指出：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是20世紀(jì)自動(dòng)控制最有說(shuō)服力的成就，是當(dāng)代 最高意義上的自動(dòng)化?！敝悄軝C(jī)

13、器人是具有感知、思維和行動(dòng)功能的機(jī)器人，是 機(jī)構(gòu)學(xué)、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、光電技術(shù)、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、仿真 技術(shù)等多種學(xué)科和技術(shù)的綜合成果。智能機(jī)器人作為新一代生產(chǎn)和服務(wù)工具，在 制造領(lǐng)域和非制造領(lǐng)域占有廣泛、 重要的位置，對(duì)人類開(kāi)辟新的產(chǎn)業(yè)，提高生產(chǎn) 與生活水平具有十分現(xiàn)實(shí)的意義[2] 0 移動(dòng)機(jī)器人是智能機(jī)器人中智能最高的機(jī)器人， 它可以在動(dòng)態(tài)壞境中無(wú)須人 工干預(yù)便自主完成從起點(diǎn)到終點(diǎn)的行駛?cè)蝿?wù)。 近十年來(lái)，移動(dòng)機(jī)器人的研究十分 活躍，其得到快速開(kāi)發(fā)的原因主要有兩個(gè)方面：其一，移動(dòng)機(jī)器人有廣泛的應(yīng)用 范圍，包括制造系統(tǒng)、服務(wù)行業(yè)、國(guó)防、航天及其它社會(huì)應(yīng)用方面。其最成功的 應(yīng)用是

14、作為自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運(yùn)裝置， 用以完成機(jī)床之間、機(jī)床與自動(dòng) 倉(cāng)庫(kù)之間的工件傳送，以及機(jī)床與工具庫(kù)間的工具傳送。由于移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈 活，因而大大增加了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性和自動(dòng)化程度。星際探索和海洋開(kāi)發(fā)也是促 使移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的重要因素。早在六十年代，美國(guó)MIT就開(kāi)始研究火星探索用 移動(dòng)機(jī)器人，以便在火星上軟著陸后進(jìn)行移動(dòng)收集數(shù)據(jù)。 海洋開(kāi)發(fā)方面，移動(dòng)機(jī) 器人的作用是資源調(diào)查、石油礦藏開(kāi)采、沉船打撈等?，F(xiàn)在，移動(dòng)機(jī)器人的研究 開(kāi)發(fā)除上述應(yīng)用外，還涉及許多其它應(yīng)用領(lǐng)域。如在采礦業(yè)中進(jìn)行隧道的掘進(jìn)和 礦藏的開(kāi)采，在醫(yī)療中對(duì)病人進(jìn)行護(hù)理，在農(nóng)業(yè)中實(shí)施化肥和農(nóng)藥的噴灑， 在軍 事上用于探測(cè)偵察、爆炸

15、物處理，特別是在一些具有危險(xiǎn)性的操作中，例如，核 電廠的廢料搬運(yùn)、有毒的化工場(chǎng)地作業(yè)。最近幾年，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)也應(yīng)用到了 智能交通系統(tǒng)中。其二，與任何一門(mén)現(xiàn)代技術(shù)分支一樣，移動(dòng)機(jī)器人研究的興起 一方面是社會(huì)生產(chǎn)發(fā)展的需要，另一方面也是相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域交叉發(fā)展的結(jié)果。 其 中一個(gè)最直接的因素是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。 計(jì)算機(jī)信息處理、存儲(chǔ)能力的大幅提 高，為移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行更復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制算法創(chuàng)造了條件。 另外計(jì)算機(jī)科學(xué)出現(xiàn) 了一系列諸如人工智能、專家系統(tǒng)等新興技術(shù)分支學(xué)科，這些學(xué)科為移動(dòng)機(jī)器人 未知或動(dòng)態(tài)環(huán)境的實(shí)時(shí)導(dǎo)航開(kāi)辟了道路。移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)已成為眾多高新技術(shù)的 產(chǎn)物，同時(shí)也為其它技術(shù)的發(fā)展提供了豐

16、富的研究素材和應(yīng)用場(chǎng)所。 從阿波羅登 月計(jì)劃中的月球車到美國(guó)NASA亍星漫游計(jì)劃中的六輪采樣車，從西方各國(guó)正在 加緊研制的戰(zhàn)場(chǎng)巡邏機(jī)器人、偵察車到新近研制的管道清洗檢測(cè)機(jī)器人和智能服 務(wù)機(jī)器人，都有力地顯示出移動(dòng)機(jī)器人正在成為智能機(jī)器人發(fā)展的方向。 不同于 傳統(tǒng)的機(jī)器人手臂，移動(dòng)機(jī)器人具有其特殊的機(jī)構(gòu)模型和應(yīng)用性，是一個(gè)集多種 功能于一體的綜合系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人的研究提出了許多新穎的、挑戰(zhàn)性的理論與 工程技術(shù)課題，引起了越來(lái)越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣。 智能移動(dòng)機(jī) 器人的發(fā)展極大的擴(kuò)展了人類對(duì)周圍環(huán)境空間的認(rèn)識(shí)范圍， 也為機(jī)器人技術(shù)與人 工智能的發(fā)展提供了一個(gè)極好的研究平臺(tái)。 智能

17、移動(dòng)機(jī)器人正在走進(jìn)我們的日常 工作和生活。 1.3 應(yīng)用情況 早在六十年代，國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始了關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究， 并且己經(jīng)研究出 能適應(yīng)地面、地下、水中、空中以及太空環(huán)境作業(yè)的多種機(jī)器人機(jī)構(gòu)。斯坦福研 究所(SRT)的NilsNilssen 和CharlesRosen等人，在1966年至2972年間研制的 名為shakey的自主移動(dòng)機(jī)器人，成為世界上第一個(gè)運(yùn)用邏輯思維自行定位物體， 并在物體周圍移動(dòng)的智能移動(dòng)機(jī)器人，如圖 1.3.1所示。 圖1.3.1 Shakey機(jī)器人 由美國(guó)iRobot公司生產(chǎn)的Packbot系列機(jī)器人因其在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場(chǎng) 上表現(xiàn)優(yōu)秀，挽救了很多士兵

18、的生命而享譽(yù)盛名，見(jiàn)圖 1.3.1.4?！癙ackbot”意 指“背包機(jī)器人”，它體型小，易于攜帶，美國(guó)軍方已準(zhǔn)備將其納入美軍新型單 兵標(biāo)準(zhǔn)裝備“模塊化輕型攜行裝備(MOLLE)中。它的最大時(shí)速可達(dá) 14公里，每 次充電后行駛距離能超過(guò)13公里，同時(shí)涉水深度可達(dá)3米?！?Packbot”機(jī)器人 十分結(jié)實(shí)，即使從1.8米的高度摔在硬質(zhì)混凝土上，也毫發(fā)無(wú)傷?！癙ackbot”越 障能力極強(qiáng)，能爬60%勺坡度樓梯，有多種越障方式，能越過(guò)比自身高度大許多 的障礙，可以從任何顛覆狀態(tài)下恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)?？捎糜趥刹臁⒎淳褤?、戰(zhàn) 術(shù)實(shí)施，如反地道、近距離干擾等?，F(xiàn)在，iRobot 公司正在研發(fā)一種名

19、為“勇 士”的多功能模塊化機(jī)器人，它是繼“ Packbot”之后的新一代機(jī)器人，并能運(yùn) 送“ Packbot”機(jī)器人，可以執(zhí)行補(bǔ)給、安裝武器、醫(yī)療救護(hù)、機(jī)動(dòng)、為士兵運(yùn) 送裝備等任務(wù)[3][4]。 圖 1.3.2 “ Packbot” 機(jī)器人 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)，經(jīng)過(guò)近二十年的不懈努力，取得了一 系列令世界矚目的科研成果。從大型的工業(yè)機(jī)器人到小型的納米機(jī)器人， 從代表 國(guó)家最高科技水平的登月機(jī)器人到提高學(xué)生綜合素質(zhì)的教育機(jī)器人， 機(jī)器人產(chǎn)業(yè) 在中國(guó)正進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，呈現(xiàn)出一種欣欣向榮的前景 ⑸。 1.4研究方向 1、拓展履帶機(jī)器人的使用范圍 目前

20、履帶機(jī)器人在民用領(lǐng)域主要用途是安全監(jiān)視、 反恐、排爆、消防、搜救; 在軍事領(lǐng)域主要用途是洞穴、建筑物勘測(cè)、掃雷、破障、生化戰(zhàn)劑探測(cè)等；但這 還遠(yuǎn)不能滿足目前日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)、 生活需求和軍事需求，正因?yàn)槿绱耍澜绺?國(guó)開(kāi)始積極拓展小型履帶式機(jī)器人的使用范圍，包括將便攜式履帶機(jī)器人用于家 庭服務(wù)、科學(xué)考察、充當(dāng)旅行助手或者是在戰(zhàn)爭(zhēng)中用于目標(biāo)指示、火力發(fā)射、戰(zhàn) 術(shù)運(yùn)輸、通信中繼等⑹。 2、 實(shí)際應(yīng)用履帶機(jī)器人 目前，履帶機(jī)器人無(wú)論是軍用還是民用都未普及， 主要是該類機(jī)器人造價(jià)不 菲，如一臺(tái)Packbot價(jià)值32萬(wàn)人民幣，雖然在阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)，伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中使用 過(guò)，但由于價(jià)格太高，美軍也未能大面積

21、部署。進(jìn)一步降低機(jī)器人成本，推向?qū)?用化才能挖掘出機(jī)器人的潛力和存在價(jià)值⑹。 3、 增加履帶機(jī)器人與其它種類機(jī)器人之間的互操作能力 單一的地面小型履帶機(jī)器人所能完成的任務(wù)有限，為提高執(zhí)行任務(wù)能力，在 多種作業(yè)環(huán)境下如地面、水下和空中，各類機(jī)器人要求能密切集成與合作，這樣 需要機(jī)器人之間增強(qiáng)互操作能力，互操作能力所需的信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和接口涉及信 息傳輸、建模、處理與安全以及人機(jī)接口等方面技術(shù)。 4、 進(jìn)一步提高履帶機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性和運(yùn)動(dòng)可靠性 機(jī)器人可根據(jù)外界環(huán)境變化主動(dòng)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)輔助爬坡、 越障，從而增強(qiáng)機(jī) 器人運(yùn)動(dòng)靈活性和地形通過(guò)能力;另外機(jī)器人應(yīng)具備良好的運(yùn)動(dòng)可靠性，如機(jī)器 人有

22、抗沖擊能力，執(zhí)行任務(wù)時(shí)從高處掉落而不損壞⑺⑹。 1.5虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)在多感官機(jī)器人中的應(yīng)用 虛擬設(shè)計(jì)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的研究領(lǐng)域，是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、 人工智能、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息處理、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。它 以計(jì)算機(jī)仿真和產(chǎn)品生命周期建模為基礎(chǔ),集計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、并行工 程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為一體,在虛擬的條件下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行 構(gòu)思、設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試和分析;從而提高產(chǎn)品在時(shí)間、質(zhì)量、成本、服務(wù)環(huán)境 等多目標(biāo)中的決策水平,達(dá)到全局優(yōu)化和一次性開(kāi)發(fā)成功的目的。 通過(guò)虛擬設(shè)計(jì)可以完成多感官移動(dòng)機(jī)器人的虛擬設(shè)計(jì)， 虛擬裝配，虛擬運(yùn)動(dòng) 仿真等工作，

23、并且在虛擬設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員可以使用各種裝配工具對(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu) 進(jìn)行裝配檢驗(yàn),確定零部件的安裝有無(wú)困難、零部件之間是否有干涉現(xiàn)象等。若 有則可以隨時(shí)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，從而避免了由于設(shè)計(jì)上的疏忽而造成大批零件的報(bào) 廢。 2、課題內(nèi)容及其參數(shù)要求 2.1課題主要解決的問(wèn)題 移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本課題主要解決的問(wèn)題。 室外移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè) 組成結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它應(yīng)不僅具有加速、減速、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向以及越 障等常規(guī)的功能，而且還應(yīng)具有任務(wù)分析、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、信息感知、自 主決策等類似人類智能行為的人工智能。因此，按其功能劃分，室外移動(dòng)機(jī)器人 可以看作是由機(jī)械裝置、行為控制器、知識(shí)庫(kù)及

24、傳感器系統(tǒng)組成的相互聯(lián)系、相 互作用的復(fù)雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。 本文設(shè)計(jì)的多感官履帶式移動(dòng)機(jī)器人主要應(yīng)用在消防、 反恐、公安等需要特 殊作業(yè)的部門(mén)，這就要求移動(dòng)機(jī)器人在野外路面和城市路面能夠自如行駛， 可以 通過(guò)諸如樓梯、斜坡等一般障礙，在野外自然裸土山上行駛時(shí)具有防塵功能。為 了使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)不同的功能，機(jī)器人應(yīng)可以搭載不同的子系統(tǒng)，如消防、輕武器、 偵察監(jiān)聽(tīng)設(shè)備、夜視設(shè)備、機(jī)械手等，同時(shí)搭載平臺(tái)應(yīng)該具有兩個(gè)以上的自由度 以便靈活作業(yè)。此外在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中機(jī)器人除了本身能存儲(chǔ)一定的聲音圖像 資料外，還應(yīng)實(shí)時(shí)傳遞信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與人之間的通訊。在突發(fā)狀況通訊中斷 時(shí)機(jī)器人應(yīng)具有一定的自主行動(dòng)能力，

25、 使其能夠安全返回。綜上所述，多功能特 殊移動(dòng)機(jī)器人要完成既定任務(wù)應(yīng)具體有以下幾方面需求： 1） 移動(dòng)靈活敏捷?？梢栽诔鞘新访嬉约安糠忠巴饴访嬉暂^高的速度行走，轉(zhuǎn)向 靈活； 2） 較強(qiáng)的越障、避障能力?？梢酝ㄟ^(guò)城市內(nèi)一般障礙，可以攀爬標(biāo)準(zhǔn)樓梯以及 城市內(nèi)所有坡道； 3） 適應(yīng)性能較強(qiáng)?？梢栽趷毫拥沫h(huán)境中作業(yè)； 4） 結(jié)構(gòu)緊湊輕巧。降低了移動(dòng)機(jī)器人的重心，保證了其行進(jìn)中的穩(wěn)定性：同時(shí)作 為戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)器人使用時(shí)，也便于機(jī)器人的隱蔽、攜帶。 2.2遇到的主要問(wèn)題 在前期設(shè)計(jì)中主要遇到的問(wèn)題是：普通的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中的減速器和 電機(jī)占的空間過(guò)大，是地盤(pán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積過(guò)大，機(jī)構(gòu)不緊湊，無(wú)法滿

26、足要求， 如果可以減少減速器和電機(jī)占的空間， 就能在平臺(tái)中安裝更多的其它設(shè)備， 提高 機(jī)器人的總體性能。 2.3解決問(wèn)題的方法 遇到此問(wèn)題后查閱了《汽車構(gòu)造》一書(shū)，其中減速器一章介紹了輪邊減速器。 在重載貨車、越野車或大型客車上，當(dāng)要求有較大的主傳動(dòng)比和較大的離地間隙 時(shí)，往往將雙機(jī)主減速器中的第二集減速齒輪機(jī)構(gòu)制成同樣的兩套， 分別安裝在 兩側(cè)驅(qū)動(dòng)車輪的近旁。由此想到用行星輪減速器，將其裝在驅(qū)動(dòng)輪中，這種結(jié)構(gòu) 可以增大減速比，提高驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)減小了減速器所占的空間，而且機(jī)構(gòu)緊湊。 經(jīng)過(guò)計(jì)算，兩級(jí)行星輪減速器可以達(dá)到 1/25的減速比。 2.4參數(shù)要求 表2.4.1多感官移動(dòng)機(jī)器人移

27、動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)要求 總體結(jié)構(gòu) 雙節(jié)履帶式結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)指標(biāo) 自重 <100Kg 載荷 >50Kg 搭載接口 二維隨動(dòng)搭載平臺(tái) 結(jié)構(gòu)尺寸 1200*700*500 機(jī)動(dòng)指標(biāo) 干地取大速度 >1m/s 正常速度 0.7m/s 最大通過(guò)坡度 >30 樓梯通過(guò)能力 能通過(guò)普通標(biāo)準(zhǔn)樓梯 轉(zhuǎn)向能力 零半徑 續(xù)航能力 1小時(shí)以上 防護(hù)能力 防水防塵，抗沖擊。 3總體設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)的多感官機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)包括移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)。 機(jī)械 系統(tǒng)又包括底盤(pán)和傳動(dòng)系統(tǒng)?？傮w布局如圖 3.1所示。 圖3.1多感官履帶式移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)總體布局 3.1

28、底盤(pán)設(shè)計(jì) 移動(dòng)平臺(tái)的底盤(pán)是移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)， 機(jī)器人的各種傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng) 器以及搭 載平臺(tái)都需要以移動(dòng)平臺(tái)為載體，同時(shí)移動(dòng)平臺(tái)還要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的基本功能 一一移動(dòng)。 機(jī)器人的移動(dòng)方式多種多樣，主要的移動(dòng)機(jī)構(gòu)有:輪式、履帶式、腿式等。 履帶式移動(dòng)機(jī)器人適合在未加工的天然路面上行走，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪 路的作用。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)和輪式、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，具有如下特點(diǎn)： 1） 支撐面積大，接地比壓小，適合于松軟或泥濘場(chǎng)地作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力 小，通過(guò)性能較好； 2） 越野機(jī)動(dòng)性好，爬坡、越溝等性能均優(yōu)于輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)； 3） 履帶支撐面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好

29、，有利于發(fā)揮較大的牽引力； 4） 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，運(yùn)動(dòng)慣性大，減震性能差，零件易損壞。 雙節(jié)履帶設(shè)計(jì)是目前出現(xiàn)的眾多復(fù)合履帶式結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人中的一種。 雙節(jié) 履帶設(shè)計(jì)可以提高履帶車的爬坡和越野能力， 使履帶車更容易通過(guò)障礙物，增加 了機(jī)器人的靈活性，目前雙節(jié)履帶設(shè)計(jì)在移動(dòng)機(jī)器人上已有較多應(yīng)用。 本設(shè)計(jì)采用雙節(jié)履帶設(shè)計(jì)，每個(gè)擺臂可以單獨(dú)有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，擺臂履帶為從 動(dòng)。布局如圖3.1.1所示。 圖3.1.1雙節(jié)履帶設(shè)計(jì)布局 移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的選擇關(guān)系到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)。履帶式移動(dòng)機(jī)器人 的驅(qū)動(dòng)輪分布主要有后輪驅(qū)動(dòng)和前輪驅(qū)動(dòng)兩種。履帶兩端的導(dǎo)向輪哪一個(gè)用來(lái)驅(qū) 動(dòng)更為合適與

30、履帶機(jī)構(gòu)的形狀有關(guān)。 對(duì)于本題目中的雙節(jié)履帶，以驅(qū)動(dòng)輪在后方 比較有利，這時(shí)履帶的上分支受力較小，導(dǎo)向輪受力也較小，主履帶承載分支處 于微張緊狀態(tài)，運(yùn)行阻力較小，如圖 3.1.2 (a)所示。反之，前輪為驅(qū)動(dòng)輪時(shí)， 履帶的上分支及導(dǎo)向輪承載最大載荷，履帶承載分支部分長(zhǎng)度處于壓縮彎折狀 態(tài)，運(yùn)行阻力較大，見(jiàn)3.1.2 (b)圖。 移動(dòng)機(jī)器人使用兩臺(tái)電機(jī)分別對(duì)兩個(gè)后輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)， 通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí) 現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的差速轉(zhuǎn)向。這樣可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的快速轉(zhuǎn)向和原地零半徑回轉(zhuǎn)。 如圖3.1.3所示。 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 傳動(dòng)系統(tǒng) // 圖3.1.3多感官履帶式移動(dòng)機(jī)

31、器人平臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)布局 3.2傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 為了節(jié)省空間，本題目中的傳動(dòng)系統(tǒng)采用了行星減速器設(shè)計(jì)。 從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn) 了電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)后輪。行星減速器采用 2K-H型行星齒輪傳動(dòng)。原理如圖3.2.1 所示。 圖3.2.1 2K-H型行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) a、b :太陽(yáng)輪；e：行星輪；H :轉(zhuǎn)臂 行星減速機(jī)其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長(zhǎng), 額定輸出扭矩可以做的很大。但價(jià)格略貴。 3.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，選擇最佳的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)多感官移動(dòng) 機(jī)器人的關(guān)鍵?，F(xiàn)代機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三 種。 氣動(dòng)驅(qū)

32、動(dòng)系統(tǒng)以壓縮空氣為動(dòng)力源， 具有氣源方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)快 速靈活，不污染環(huán)境，以及維修方便，價(jià)格便宜，適合在惡劣工況條件下工作等 特點(diǎn)。但是由于氣體具有可壓縮性，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的平穩(wěn)性差，高速時(shí)要設(shè)緩沖 或制動(dòng)裝置，低速時(shí)不易控制，速度、位置控制難于達(dá)到精確值，一般不能用于 伺服系統(tǒng)。 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是較早被采用的驅(qū)動(dòng)方式， 它具有重量輕、慣量小、傳動(dòng)平穩(wěn)、 控制環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。但是液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的液壓油容易泄漏， 影響工作性能和污 染環(huán)境，它需要單獨(dú)的油源，所占空間較大，主要適用于中、大型機(jī)器人。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、靈活、速度快、控制簡(jiǎn)單精確、無(wú)污染、效率 高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)管路系

33、統(tǒng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)。適用于中、小型機(jī)器人。 采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是現(xiàn)代機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一，負(fù)荷 1000N以內(nèi)的 中、小型機(jī)器人，現(xiàn)已絕大部分采用了電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 因此多感官移動(dòng)機(jī)器人平 臺(tái)采用電動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，并將蓄電池作為電動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)的動(dòng)力能源。 在確定了驅(qū)動(dòng)方式后，需要選擇合適的電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)的性能直接決定著驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)的性能，它的選擇成為設(shè)計(jì)多功能特殊移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 電動(dòng) 機(jī)按照工作電源分類可分為交流電機(jī)(AC)和直流電機(jī)(DC)兩種。 交流電機(jī)(AC)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，一些工業(yè)機(jī)器人 就使用交流供電，但是交流電機(jī)控制特性較差，要實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速

34、必須做到頻率無(wú) 級(jí)調(diào)節(jié)，雖然在現(xiàn)代控制理論發(fā)展到今天和產(chǎn)生了矢量控制技術(shù)以及脈寬調(diào)(PWM) 技術(shù)的條件下交流電機(jī)變頻調(diào)速己成為現(xiàn)實(shí)，但是交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)還是比較 復(fù)雜。 直流電機(jī)(DC)的激勵(lì)電流和電樞電流二者的大小及方向可以獨(dú)立地分別控 制，從而使轉(zhuǎn)速在很寬的范圍內(nèi)可以得到精確的調(diào)節(jié)，具有良好的控制性能和調(diào) 速性能。但是傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、散熱性能差，它必須有 炭刷和換向器，炭刷易產(chǎn)生電火花會(huì)引起電磁干擾， 它和換向器易損壞，降低了 電機(jī)的穩(wěn)定性和壽命。無(wú)刷直流電機(jī)由電子換向器取代了普通有刷直流電機(jī)炭刷 和換向器的機(jī)械換向，消除了機(jī)械換向帶來(lái)的諸多限制，它既保持著有刷

35、直流電 機(jī)的優(yōu)秀控制性和調(diào)速性，又具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、體積小、噪聲 低、損耗低、無(wú)干擾性、過(guò)載能力大等優(yōu)點(diǎn)，是交流電機(jī)與直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合， 廣泛用于機(jī)械、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。 綜上所述，多功能特殊移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)選用無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)， 具 體由電動(dòng)機(jī)、減速箱、數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器和光電編碼器組成。 兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng) 兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪為機(jī)器人運(yùn)行提供動(dòng)力，數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行 控制，并通過(guò)光電編碼器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的反饋進(jìn)行不斷調(diào)整， 它們共同組成 一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，控制機(jī)器人完成前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向等動(dòng)作。如圖3.3.1為驅(qū)動(dòng)閉 壞系統(tǒng)的示意圖。 圖3.3.1驅(qū)動(dòng)閉

36、環(huán)系統(tǒng) 3.4小結(jié) 綜上所述，多感官移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)包括了平臺(tái)底盤(pán)，傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 由于每個(gè)系統(tǒng)之間相互聯(lián)系又相互制約，總體設(shè)計(jì)的目的就是為了是每個(gè)子系統(tǒng) 合理布局，是整個(gè)平臺(tái)盡量結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行靈活。 移動(dòng)平臺(tái)的最終三維示意圖如圖 3.4.1所示。 圖3.4.1多感官履帶式移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)渲染效果圖 -13 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) 4、移動(dòng)平臺(tái)底盤(pán)的機(jī)械設(shè)計(jì) 要設(shè)計(jì)在室外工作的移動(dòng)機(jī)器

37、人， 首先要考慮移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。移動(dòng)平 臺(tái)是車上儀器設(shè)備的搭載平臺(tái)，是移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)，其功能和適應(yīng)性的好壞直 接關(guān)系到機(jī)器人的使用壽命和完成任務(wù)的情況。因此，移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是 移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。 4.1底盤(pán)設(shè)計(jì) 多感官移動(dòng)機(jī)器人底盤(pán)是各種機(jī)械結(jié)構(gòu)韻載體， 它承載著其它機(jī)械結(jié)構(gòu)和搭 載元件的部分重量，同時(shí)也是其它部件的定位基準(zhǔn)。這就要求機(jī)器人底盤(pán)具有一 定的強(qiáng)度、剛度和較高的可靠性。在加工精度方面，底盤(pán)各軸孔、定位面應(yīng)該具 有較高的精度，以保證其它元件的準(zhǔn)確定位。另外，根據(jù)機(jī)器人指標(biāo)要求，移動(dòng) 機(jī)器人應(yīng)該具有較高的通過(guò)障礙能力.，在進(jìn)行底盤(pán)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充

38、分考慮到底 盤(pán)通過(guò)能力。 本設(shè)計(jì)中的底盤(pán)采用鋼板彎曲焊接而成，制造成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕， 剛度大，而且便于其它設(shè)備連接。材料采用 45鋼，易于折彎焊接。另外底盤(pán)還 附屬有其它加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖 4.1.1圖4.1.2所示。 圖4.1.1底盤(pán)板料  圖4.1.2底盤(pán)折彎焊接后成型 4.2擺臂設(shè)計(jì) 本題目中的擺臂設(shè)計(jì)為各自可 360自由旋轉(zhuǎn)，可以通過(guò)各種障礙物，增加 了靈活度，擺臂與渦輪蝸桿減速器相連，可以實(shí)現(xiàn)反向自鎖。同時(shí)擺臂與前輪從 動(dòng)輪直接相連，無(wú)需單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，即簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，又不影響爬坡能力。結(jié)構(gòu)如圖 4.2.1所示。 圖4.2.1能360。旋轉(zhuǎn)的擺臂

39、 為了能使擺臂易于安裝，擺臂設(shè)計(jì)為外伸結(jié)構(gòu)，中間用空心支撐桶來(lái)支撐固 定前輪，中間軸來(lái)帶動(dòng)擺臂運(yùn)動(dòng)。中軸與內(nèi)部的絕對(duì)碼盤(pán)和蝸輪蝸桿減速器相連 接?？招闹瓮Y(jié)構(gòu)如圖4.2.2所示。 圖4.2.2前輪及擺臂示意圖 由于在使用擺臂過(guò)障礙時(shí)，車身重量的一半會(huì)落在擺臂的履帶上， 如果擺臂 上的履帶沒(méi)有承載輪的話，將會(huì)使履帶拉伸過(guò)于嚴(yán)重。如圖 4.2.3 -17 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) -# -

40、 Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) 圖4.2.3過(guò)障礙時(shí)擺臂履帶會(huì)過(guò)載 為此，在擺臂上加裝了承載輪，是平臺(tái)在過(guò)障礙時(shí)更加容易，同時(shí)也保護(hù)了 擺臂所用的履帶，延長(zhǎng)了使用壽命。改進(jìn)如圖 4.2.4所示 圖4.2.4擺臂加裝的承載輪

41、 -19 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) 4.3多感官傳感器 本題目為多感官移動(dòng)式履帶機(jī)器人，因此在移動(dòng)平臺(tái)上加裝了視覺(jué)傳感器、 測(cè)距、聲音傳感器動(dòng)多種傳感器。視覺(jué)傳感器采用攝像頭，在攝像頭旁邊裝有 LED燈，可以在夜晚使用，在攝像頭的下方裝有紅外線燈，以備特殊情況使用。 同時(shí)傳感器的本身可以90旋轉(zhuǎn)，增加了靈活性和視角。如圖 431所示 圖4.3.1多感官傳感器

42、 4.4承載輪 移動(dòng)平臺(tái)雖然有了前輪和后輪的支撐和動(dòng)力可以行走， 但是如果機(jī)器人平臺(tái) 需要過(guò)障礙物，障礙物在前后輪之間的時(shí)候，會(huì)對(duì)履帶產(chǎn)生非常大的壓力，甚至 于損壞履帶。因此必須有承載輪來(lái)分擔(dān)履帶的受力。承載輪如果使用剛性固定的， 會(huì)使機(jī)器人平臺(tái)產(chǎn)生較大的震動(dòng)，不易于過(guò)障礙和平地行走，因此承載輪上安裝 了減震彈簧，使其變?yōu)閺椥暂喯?。其結(jié)構(gòu)如圖 4.4.1所示。 圖441承載輪結(jié)構(gòu) 4.5履帶 履帶機(jī)器人的行走部件是本題目所設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)， 該平臺(tái)采用搖擺帶動(dòng)一 節(jié)可旋轉(zhuǎn)履帶，即雙節(jié)履帶設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)如圖二所示。主履帶采用環(huán)型無(wú)接頭履帶， 內(nèi)部有加強(qiáng)鋼絲，無(wú)接頭，整體抗拉強(qiáng)度高。

43、同時(shí)節(jié)距穩(wěn)定性強(qiáng)，誤差少。工作 過(guò)程中節(jié)距不發(fā)生變形或位移，確保了運(yùn)行過(guò)程中全時(shí)與驅(qū)動(dòng)輪正確嚙合， 機(jī)械 傳動(dòng)功率損失少，延長(zhǎng)了機(jī)器與橡膠履帶的壽命。而且伸長(zhǎng)率極低。環(huán)型無(wú)接頭 橡膠履帶的伸長(zhǎng)率僅僅是鋼絲簾線的伸長(zhǎng)量，數(shù)值非常小。此伸長(zhǎng)量的存在對(duì)履 帶的正常使用不構(gòu)成任何影響，只要鋼絲不斷，橡膠履帶在首次使用的跑合期張 緊后，今后無(wú)需再?gòu)埦o。因此本設(shè)計(jì)題目中未加入張緊裝置。 圖4.5.1環(huán)型無(wú)接頭履帶 4.6外殼及輔助裝置 為了防止碰撞給履帶和后輪帶來(lái)的損壞， 在移動(dòng)平臺(tái)上設(shè)計(jì)了具有保護(hù)性的 外殼。外殼設(shè)計(jì)有可以打開(kāi)的蓋子，蓋子下面裝有控制器，可以方便的打開(kāi)蓋子 對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行

44、操作。 在總裝配體中，擺臂不用時(shí)可以與主履帶平行放置，既節(jié)省空間又防止擺臂 履帶碰撞損壞，當(dāng)需要時(shí)可以在旋轉(zhuǎn)伸出擺臂。如圖 4.6.1所示 -23 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) -25 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) 圖

45、4.6.1裝配圖效果圖中的外殼 外殼的后部有可視窗口，可以將其打開(kāi)，里面裝有控制器，方便操作調(diào)試。 如圖4.6.2所示 圖462打開(kāi)后蓋以便操作控制器 -# - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) 5、移動(dòng)機(jī)器人

46、動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5.1基于平地最大速度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算 圖5.1.1移動(dòng)機(jī)器人平地直線運(yùn)動(dòng)受力圖 根據(jù)理論力學(xué)平面交匯力系平衡條件和合力矩定理： F 0 n 5.1.1 Mo Fi 0 i 1 則，移動(dòng)機(jī)器人平地直線運(yùn)動(dòng)的平衡方程為： X 0, Ml/ R f 0 Y 0, N1 N2 mg 0 5.1.2 Mo F 0 Mlr Ml fR N2L1 mgL3 0 其中， m:為移動(dòng)機(jī)器人的質(zhì)量(kg)，m=50K； R：為移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪半徑(m)，R=0.15m L1:為移動(dòng)機(jī)器人支撐輪軸心到驅(qū)動(dòng)輪軸心的水平距離(

47、m)，Ll=0.7llm ； L3:為移動(dòng)機(jī)器人重心到驅(qū)動(dòng)輪軸心 0的水平距離(m)， L3=0.34m ； ML為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩(Nm); N1、N2:為地面對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的支撐力； MLR為滾動(dòng)摩阻力矩(Nm), MLR電(N1+N2,取5 =0.007m f:為地面對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的摩擦阻力； 卩：為地面與履帶摩擦系數(shù)，取產(chǎn)=0.17 圖5.2.1移動(dòng)機(jī)器人爬坡受力圖 -27 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)

48、明書(shū) Ml M LR-fR+N 2i-mgL3 fR 0.17 100 9.8 0.15 24.99Nm 可以得出，移動(dòng)機(jī)器人兩側(cè)電機(jī)經(jīng)減速器減速后在最大行駛速度下需要提供 的極限扭矩為12.5Nm 在lm/s的最大行駛速度下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn) 速為： 1 n max vmax/ D 1.06r/s 63.7 r/min 3.14 0.3 5.2基于爬坡最大坡度的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算 相對(duì)于平地行駛過(guò)程，爬坡能力對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)能力是一個(gè)重要的衡 量指標(biāo)，所以在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，爬坡指標(biāo)的計(jì)算也應(yīng)作為選擇電機(jī)的必須 依據(jù)。 假設(shè)移動(dòng)機(jī)器人

49、在最大指標(biāo) 30的斜坡上勻速行駛，行駛速度為 0.3m/s。 在行駛過(guò)程中機(jī)器人輪子作瞬時(shí)純滾動(dòng)，不考慮空氣阻力的影響。移動(dòng)機(jī)器人爬 坡受力情況如圖5.2.1所示。  移動(dòng)機(jī)器人爬坡平衡方程為: X 0, Ml/R f mgsi n30 0 Y 0, N1 N2 mgcos30 0 5.2.1 圖5.2.1移動(dòng)機(jī)器人爬坡受力圖 -29 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) Mo F 0 Mlr Ml

50、fR N 2L1 mgL3cos30 解方程的: M l Mlr fR N2L1 mgL3 cos30 f mg sin30 R 0.17 100 9.8 100 9.8 sin30 0.15 98.5Nm 可以得出，移動(dòng)機(jī)器人兩側(cè)電機(jī)經(jīng)減速器減速后在最大坡度下爬坡需要提供的極 限扭矩為49.25Nm 0.3m/s 的速度爬坡時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器后所需提供的轉(zhuǎn)速為： n v/ D 03 19.1r/min 3.14 0.3 由以上分析可知，移動(dòng)機(jī)器人平地直線運(yùn)動(dòng)時(shí)要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較 大，而爬坡時(shí)要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩較大。 因此在電機(jī)選型時(shí)，應(yīng)根據(jù)平地直 線運(yùn)

51、動(dòng)要求轉(zhuǎn)速和爬坡要求扭矩進(jìn)行選擇。 5.3直流伺服電機(jī)的選型 電動(dòng)機(jī)選擇上海從化S3系列，如表5.2.1 圖5.2.1移動(dòng)機(jī)器人爬坡受力圖 -# - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) S 3-753 S3-754 S3-755 S3-756 ■■ 蔽龍功軍-P [WJ 100 9D 200 1B0 3Q0 2SD 300 220 最衣轉(zhuǎn)S [tpm| 600

52、0 4S0C 5000 3SIM 4000 3300 3000 JOOO 04 0.35 1 15 1 * 1 5 -Tu|Nm] 2.16 2 35 2 65 3.65 3 3 4..05 4 45 占1 tn速度 + M Irad/sec^J 27250 30500 204 0D 28100 17150 213D0 25500 返憔扭距下的頓毎電H |A] 3,5 2,7 4,2 5.4 4.B A A ittta按霜下的額定（&盍[A| 18 15.3 18 18 1 保大烘陽(yáng)

53、一晅圧* V, [V| 9D 巫矩晉良鳴）|N常叢| 0.122 0.156 0.149 0<.204 0.186 0.227 0 249 0.342 甩壓宸戒-Kn(*M0%) |V/kRPM| 12.75 1B 3 15.6 21 3 19-5 23.a 26 1 35.8 25七的直藍(lán)阻抗? RJ*M2.5%）[Q1 3.3 5.5 1.6 3.0 12 2.0 1.9 3.5 感應(yīng)系敖-LtftmH] 3.0 4.7 1.7 S.1 1.4 2.4 1.5 2.fl 問(wèn)需註? rjmej 17

54、17 9.4 3-4 6.6 6 6 7.3 7.2 25-001電汽時(shí)閽需豔? q [m&] 0 91 0.B5 1.1 1.03 1.2 1.2 0.9 o.a 表5.3.1上海從化S3系列直流伺服電機(jī) 根據(jù)功率，選擇 S3-756系列直流伺服電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速為 2000rpm從而確 定減速器減速比為25: 1。S3-756直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)居轉(zhuǎn)速特性圖如圖 5.3.1 所示。峰值扭矩為T(mén)p=6.1Nm連續(xù)扭矩 Tc=1.5Nm最高轉(zhuǎn)速為 nmax=2000rpm 額定功率P=220W S3? 756-01C-XXX 壬衆(zhòng)ffl 圖5.3.1

55、 S3-756C直流伺服電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速圖 -# - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) 轉(zhuǎn)速（r pm） 圖5.3.1 S3-756C直流伺服電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速圖 -31 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) 圖5.3.2 S3-756C直流伺服電

56、機(jī)（上海從化） 5.4電源選擇 移動(dòng)平臺(tái)的電源選用了上海華伍波爾的 HW36V10A鋰電池，規(guī)格為36V20AH 電池組品質(zhì)為3.8Kg。最大連續(xù)放電電流不超過(guò) 20A最大脈沖電流不超過(guò)30A 最大輸出功率為720W可以滿足兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)需求。電池組還具有防過(guò)充，防過(guò) 放，防短路，防高溫，過(guò)電流保護(hù)等功能。 5.5小結(jié) 本章對(duì)多感官移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)做了計(jì)算校核及選型。 動(dòng)力系統(tǒng)的好壞 直接影響到機(jī)器人的使用情況，因此十分重要。在查閱了移動(dòng)機(jī)器人使用的各種 場(chǎng)合，對(duì)比發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)題目中的機(jī)器人主要以平地運(yùn)動(dòng)為主， 因此電動(dòng)機(jī)以平地 運(yùn)動(dòng)為主要計(jì)算參數(shù)。由于直流伺服電機(jī)可以周期性過(guò)載運(yùn)行

57、，因此本移動(dòng)平臺(tái) 不能長(zhǎng)時(shí)間爬坡運(yùn)行。這樣可以減小電動(dòng)機(jī)功率和電源功率， 使移動(dòng)平臺(tái)更加靈 活和便攜，同時(shí)也能使用與絕大多數(shù)場(chǎng)合使用。 6、傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 由電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力，需要通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的后輪上， 以便驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。可見(jiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)是運(yùn)動(dòng)功能的紐帶和關(guān) 鍵。 6.1后輪減速器系統(tǒng) 移動(dòng)平臺(tái)另一個(gè)關(guān)鍵部分是傳動(dòng)系統(tǒng)， 而傳動(dòng)系統(tǒng)的核心是減速器。體積小， 功率大，結(jié)構(gòu)合理的減速器是傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵。 行星減速機(jī)是一種用途廣泛的工業(yè)產(chǎn)品，其性能可與其它軍品級(jí)減速機(jī)產(chǎn)品 相媲美，卻有著工業(yè)級(jí)產(chǎn)品的價(jià)格，主要用于塔式起重機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)， 又可作為 配套部件用

58、于起重、挖掘、運(yùn)輸、建筑等行業(yè)。 行星減速器內(nèi)部齒輪采用 20CvMnT滲碳淬火和磨齒具有體積小、重量輕，承 載能力高，使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低、輸出扭矩大，速比在、效率高、性 能安全的特點(diǎn)。兼具功率分流、多齒嚙合獨(dú)用的特性。是一種具有廣泛通用性的 新性減速機(jī)。最大輸入功率可達(dá)104kW適用于起重運(yùn)輸、工程機(jī)械、冶金、礦 山、石油化工、建筑機(jī)械、輕工紡織、醫(yī)療器械、儀器儀表、汽車、船舶、兵器 和航空航天等工業(yè)部門(mén)行星系列新品種 WG定軸傳動(dòng)減速器、WN子母齒輪傳動(dòng) 減速器、彈性均載少齒差減速器。 本題目中選用了兩級(jí)行星減速器，減速比為 25: 1,每一級(jí)減速比為5： 1, 如圖6.1

59、.1所示為減速器結(jié)構(gòu)圖，采用行星減速器可以有效的節(jié)約移動(dòng)平臺(tái)內(nèi)部 空間，從而可以搭載更多的傳感器和其它設(shè)備。 /////////////////^  圖6.1.2后輪傳動(dòng)系統(tǒng)三維示意圖 6.2擺臂傳動(dòng)系統(tǒng) 擺臂設(shè)計(jì)是使用在移動(dòng)平臺(tái)過(guò)障礙的過(guò)程中，提高通過(guò)能力的裝置。為了能 是擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)，需要有電動(dòng)機(jī)來(lái)帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，但當(dāng)擺臂使用是必須固定不動(dòng)，才能 起到支撐作用。因此擺臂的傳動(dòng)系統(tǒng)必須有鎖定更能， 同時(shí)機(jī)器人系統(tǒng)還需要能 檢測(cè)到擺臂的位置，以便控制各種姿態(tài)。 蝸輪蝸桿減速機(jī)是一種動(dòng)力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電機(jī)（馬 達(dá)）的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)

60、數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)。在目前用于傳遞動(dòng) 力與運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)中，減速機(jī)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。幾乎在各式機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)中 都可以見(jiàn)到它的蹤跡，從交通工具的船舶、汽車、機(jī)車，建筑用的重型機(jī)具，機(jī) 械工業(yè)所用的加工機(jī)具及自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備， 到日常生活中常見(jiàn)的家電，鐘表等等. 其應(yīng)用從大動(dòng)力的傳輸工作，到小負(fù)荷，精確的角度傳輸都可以見(jiàn)到減速機(jī)的應(yīng) 用，且在工業(yè)應(yīng)用上，減速機(jī)具有減速及增加轉(zhuǎn)矩功能。因此廣泛應(yīng)用在速度與 圖6.1.1后輪傳動(dòng)系統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)示意圖 -33 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati

61、on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說(shuō)明書(shū) 扭矩的轉(zhuǎn)換設(shè)備。 擺臂驅(qū)動(dòng)裝置采用蝸輪蝸桿減速器，減速比為 66: 1，采用力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 結(jié)構(gòu)如圖6.2.1所示。蝸輪蝸桿減速機(jī)的主要特點(diǎn)是具有反向自鎖功能，同時(shí)可 以有較大的減速比。因此用在驅(qū)動(dòng)擺臂上就可以省去了抱閘機(jī)構(gòu)。 圖6.2.1蝸輪蝸桿減速器三維示意圖 7、移動(dòng)平臺(tái)關(guān)鍵零部件有限元分析和校核 多感官移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)的關(guān)鍵零部件有底盤(pán)、行星輪外支架和擺臂。 底盤(pán)是移動(dòng)平臺(tái)的基礎(chǔ)，底盤(pán)的強(qiáng)度和剛度直接影響整個(gè)平臺(tái)是否能夠使 用，因此必須進(jìn)行校核。 行星輪外支架直接為后輪提供動(dòng)力，是否符合強(qiáng)度要

62、求是平臺(tái)運(yùn)動(dòng)能力的關(guān) 鍵，因此需要對(duì)其進(jìn)行校核。 擺臂是移動(dòng)平臺(tái)過(guò)障礙時(shí)使用的，過(guò)障礙時(shí)二分之一的重量都分擔(dān)在擺臂 上，如果擺臂剛度不夠，會(huì)影響移動(dòng)平臺(tái)過(guò)障礙的能力，因此也需要校核。 本設(shè)計(jì)使用了 solidworks 自帶的COSMOSXpres進(jìn)行有限元分析。Cosmos 軟件是美國(guó)SRAC公司的產(chǎn)品，它具有計(jì)算速度快、解題時(shí)占用磁盤(pán)空間少、使 用方便、分析功能全面、與其他 CAD/CA軟件集成性好等優(yōu)點(diǎn)。 7.1底盤(pán)的有限元分析 底盤(pán)的材料為45號(hào)鋼，建模時(shí)材料選擇普通碳鋼，劃分單元格最小0.62mm 單元公差0.03mm最大受力1000N全部加載在橫梁上。計(jì)算求解后，得到底盤(pán)

63、 的應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖分別如圖 7.1.1和7.1.2所示。 6 從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，最大應(yīng)力 9.44 10 Nm，材料許應(yīng)力為 8 m 6.2 10 Nm，安全系數(shù)s=0.015，因此符合要求。 9. 444+006 8.637e+006 7 STOe+OOG 7.0S3e+006 6. 296e+006 5. 50S+00G 4.722e+006 3.勺勢(shì)電"06 3. 149e+006 2.3&le*006 1. 5T4e+006 7 07Oe+OO5 1.191e+001 ——A ?屈康力：&? 204e+0Q8 圖7.1.1應(yīng)力分布云圖

64、 圖7.1.2位移分布云圖 2.675*^002 2.432arOD2 2. 2. 006e-002 1. 733e-002 1. 5S0e-002 i” 337t-002 1. U5e-002 3. ?1“一0曲 &.&3?e-003 4.456S-003 2, 229t-Q03 1. 000-030 7.2行星輪外支架有限元分析 行星輪外支架的材料為45號(hào)鋼，建模時(shí)材料選擇普通碳鋼，劃分單元格最 小0.62mm單元公差0.03mm最大受力750N全部加載在橫梁上。計(jì)算求解后， 得到底盤(pán)的應(yīng)力分布云圖如圖7.2.1所示。 從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，最大應(yīng)力 3.89 107Nm，材料許應(yīng)力為 m 22 105 Nm，安全系數(shù)s=0.177，因此符合要求。 圖7.2.1行星輪外支架應(yīng)力分布云圖 7.3擺臂支架有限元分析 擺臂支架的材料為 45號(hào)鋼，建模時(shí)材料選擇普通碳鋼，劃分單元格最小 0.62mm單元公差0.03mm最大受力500N全部加載在橫梁上。計(jì)算求解后， 得到底盤(pán)的應(yīng)力分布云圖如圖7.3.1所示。 從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，最大應(yīng)力 2?56 107Nm，材料許應(yīng)力為 8 m 2.2 10 Nm，安全系數(shù)s=0.116，因此符合要求。 圖7.3.1前輪擺臂支架應(yīng)力分布云圖 7.4小結(jié) 通過(guò)對(duì)各