2390 煤礦救生機器人設計,煤礦,救生,機器人,設計 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文I摘 要四連桿變形履帶式機器人結構布局, 主要由機架和兩個對稱分布的履帶變形模塊組成。位于機器人中部的機架作為移動平臺可裝載直流電源及與控制相關的各種設備, 用于完成各種特定的任務, 在機器人運動過程中一般保持水平。機架兩側是基于平行四邊形結構的履帶變形模塊, 主要由四連桿變形機構、主驅動輪、被動輪及繞在履帶輪上的履帶組成, 其中四連桿變形機構由連桿、主動曲柄、被動曲柄組成, 用于提供驅動力, 并且可以繞機架旋轉, 實現履帶變形 , 在越障時給機器人提供額外的輔助運動。機器人共有3個自由度, 即一個平動自由度和兩個旋轉自由度。安裝在機器人兩個主驅動輪內的電機通過聯軸器傳動, 將主驅動輪的旋轉運動轉變?yōu)槁膸У钠揭七\動, 實現機器人的直線前進、后退和轉向。另外一個電機安裝在機架上, 通過鏈傳動驅動左右兩側履帶變形模塊中的主動曲柄繞位于機架前方的軸轉動, 從而實現四連桿機構的變形, 最終使繞在其四周的履帶構形發(fā)生變化。該結構的特點在于巧妙地利用四連桿機構實現了機器人的行進與履帶的變形, 使機器人具備良好的越障性能和地面適應性。關鍵詞：平行四邊形 四連桿變形履帶式機器人 越障河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文IIAbstractFour connecting rod deformation caterpillar search and rescue robot that is used for public security, armed police after disaster unstructured environment executive search and rescue mission under the special robot.Four connecting rod deformation caterpillar robot structure layout, and the main frame and two symmetric distribution of deformation crawler module. Located in the central robot as a mobile platform can be loaded with control dc power supply and various related equipment, used to finish all kinds of particular task, in the motion process generally keep level. On both sides of the frame is based on a parallelogram structure deformation of the crawler module, mainly by the four connecting rod deformation institutions, the drive wheels, passive round and round the track of the wheel track composition, four of them deformation mechanism of connecting rod, connecting active and passive crank crank up, used to provide a driving force,And can be rotated around the frame, realizing track deformation, the obstacle to provide additional auxiliary motion robot. The robot has 3 degrees of freedom, namely a translational degrees of freedom and two rotational degrees of freedom. Mounted on a robot two main driving wheel motor through the coupling drive, the main drive wheel rotation motion into translational motion track of the robot, straight forward, backward and steering. A motor is 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文IIImounted on the frame, through the chain transmission drive around both sides of track deformation module of the driving crank around the rack is located in front of the axis of rotation, thus realizing the four connecting rod mechanism of deformation, eventually winding around the track configuration changes. The structure is characterized in that the clever use of four bar linkage mechanism can make the robot traveling and track deformation, so that the robot has good barrier properties and ground adaptability.Key words: parallelogram Four connecting rod deformation caterpillar robot The obstacles河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文IV河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文V河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文i目 錄1 緒論 .......................................................11.1 選題背景和意義 .......................................11.2 履帶機器人研究現狀 ...................................31.2.1 國外研究現狀 ....................................31.2.2 國內研究現狀 ....................................61.3 微小型履帶機器人的關鍵技術 ...........................81.3.1 模塊化設計技術 ..................................81.3.2 控制技術 ........................................91.3.3 通信技術 ........................................91.3.4 多傳感器信息融合技術 ...........................101.3.5 導航和定位技術 .................................101.4 履帶機器人的發(fā)展趨勢 ................................111.4.1 多機器人編隊 ...................................111.4.2 人工智能的使用 .................................111.4.3 拓展使用范圍 ...................................111.4.4 加強實戰(zhàn)使用 ...................................121.4.5 跨平臺互操作能力 ...............................121.4.6 開發(fā)通用平臺 ...................................121.4.7 進一步提高自主能力 .............................131.5 本文主要研究內容 ....................................132 機器人驅動功率計算與電機選擇 ..............................152.1 機器人整車驅動力 ....................................152.2 牽引電機特性參數 ....................................162.3 機器人驅動功率確定 ..................................172.4 驅動電機選擇 ........................................193 四連桿履帶式機器人內部減速器設計 ..........................203.1 驅動輪蝸輪蝸桿減速器設計 ............................203.1.1 電機的選擇 .....................................203.1.2 動力學參數計算 .................................203.1.3 傳動零件的設計計算 .............................213.1.4 輸入軸的設計計算 ...............................243.1.5 輸出軸的設計計算 ...............................27河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文ii目 錄3.2 控制主動曲柄轉到的蝸輪蝸桿減速器設計 ................293.2.1 電機的選擇 .....................................293.2.2 動力學參數計算 .................................303.2.3 傳動零件的設計計算 .............................303.2.4 輸入軸的設計計算 ...............................333.2.5 輸出軸的設計計算 ...............................364 四連桿變形履帶式機器人的建模 ..............................394.1 虛擬樣機技術與 Proe 軟件簡介 .........................394.2 四連桿變形履帶式機器人虛擬樣機建模 ...................404.2.1 三維模型的建立 .................................405 總結 ......................................................42致 謝 ......................................................44參考文獻 ....................................................45河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文11 緒論1.1 選題背景和意義近年來，多發(fā)的自然災害（如地震、火災、洪水） 、人為的恐怖活動、武力沖突及各種生化病毒、有毒物質、輻射等恐怖不斷威脅著人類的安全，使得人們普遍關注對各種災害的應急能力、災后的快速響應處理能力。在突發(fā)恐怖事件、自然災害及意外傷害發(fā)生后，巨大的災害往往造成大范圍的建筑物坍塌和人員傷亡，現場搜索與救援成為人不最為緊急的工作。然而現場多為坍塌環(huán)境，結構復雜、不穩(wěn)定，有些狹小空間救援人員和搜救犬根本無法進入，從而使搜救范圍限制在倒塌建筑物表面范圍。救援人員進入建筑物也將有巨大的風險，其體重和移動可能會引起建筑物進一步倒塌，造成對救援人員和幸存者的再次傷害。因此，救援隊員必須在結構工程師進行評估，并對不穩(wěn)定的倒塌結構進行支撐加固后才能進入，這個過程延誤了搜救受災者的時間。同時，由于搜尋空間條件惡劣，易導致救援隊員勞累，從而易對周圍建筑結構作出錯誤判斷，錯過沒有知覺受災者的概率上升，而且救援人員也存在重大的健康風險和安全風險，影響救援工作的快速展開。將機器人技術、營救行動技術、災害學等多學科知識有機融合，研制與開發(fā)用于搜救與營救的救援機器人，將有效地提高救援的效率和減少救援人員的傷亡。搜救機器人是指用在災后非結構環(huán)境下執(zhí)行搜索與救援任務的特種機器人。機器人在搜索與救援過程中明顯具有以下幾個方面的優(yōu)勢。一、在發(fā)生倒塌后，機器人可以立即展開對幸存者的搜索，進入結河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文2構不穩(wěn)定的建筑物，降低救援隊員的風險，為搜救工作節(jié)約時間二、可以進入狹窄空間，擴展搜救專家的工作范圍。建筑物倒塌會形成各種各樣的空間，這些空間可能就會有幸存者，但搜救人員難以進入，而機器人卻可以一展身手。三、可以攜帶多種傳感器，探測幸存者空間狀況，在機器人軟件的幫助下對搜索區(qū)域實行完整的三維搜索，繪制結構圖，提升工作效率和可靠性。搜救機器人可以攜帶溫度探測器、一氧化碳探測器、爆炸界限探測器、氧氣、PH 探測器、輻射探測器和殺傷性武器探測器，從而測定空氣讀數，探測有害物質，分析后向救援人員提出警告。同時由于機器人技術發(fā)展極為迅猛，用于偵察和作戰(zhàn)等軍事領域的機器人，由于其特殊用途受到了各國軍方的廣泛關注。許多軍用機器人的研究成果直接應用于國家安全領域，在維護國家安定，保障人民生活安全方面發(fā)揮了很大作用。軍用的地面移動機器人在各種復雜環(huán)境下具有較高的機動性，可以代替人類進入一些危險未知的環(huán)境，適應于國防和民用等多個領域，而且在反恐斗爭中葉可以發(fā)揮很大作用。這類機器人的主要應用領域包括以下幾個方面：（1） 戰(zhàn)場偵察與環(huán)境探測在移動平臺上裝備攝像頭、安全激光測距儀、夜視裝置和衛(wèi)星全球點位儀等設備，通過無線電或光纜操縱，完成偵察和監(jiān)視敵情、情報收集、目標搜索和自主巡邏等任務。還可以進入一些人類無法進入或適應的危險環(huán)境，完成規(guī)模戰(zhàn)爭和反恐作戰(zhàn)中的偵察任務。（2） 高度機動與協(xié)同作戰(zhàn)由于體積較小、機動能力較強，機器人能快速部署，完成偵察、警戒、目標突擊、追擊乃至解救人質、街巷戰(zhàn)斗、反恐作戰(zhàn)、反裝甲作戰(zhàn)等武器裝備，使之具備強大的攻擊殺傷力，特別適用于城市和惡劣環(huán)河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文3境下（如核、生、化戰(zhàn)場等）的局部戰(zhàn)爭和信息戰(zhàn)爭。（3）探測危險與排除險情在戰(zhàn)場上或工程中，常常會遇到各種各樣的意外。這時，微型移動機器人就會發(fā)揮很好的作用。美國軍方曾廣泛使用智能車輛掃除路邊炸彈、尋找地雷和銷毀地雷。民用方面，可以探測化學泄露物質，可以進行地鐵滅火，以及在強烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。（4）安全檢測與受損評估在工程建設領域，除可對水庫堤壩、江河大壩進行質量和安全性檢測之外，還可應用于碼頭、橋墩等被撞后的受損程度探測評估。在制造領域，可用于工業(yè)管道中機械損傷，裂紋等缺陷的探尋，對輸油和輸氣管道線的泄露和破損點的查找和定位等。還可用于機場、車站等一些人口密集型場所，對來往人群、貨物進行安全監(jiān)控，也可以直接布置在客機機艙中執(zhí)行檢查危險物品的任務。這些特種機器人技術集機械、電子、新材料、傳感器、計算機、智能控制與網絡通信等多門科學于一體，是一種具有基礎性、戰(zhàn)略性和前瞻性的高新技術。對這種機器人的研究，將為未來地面戰(zhàn)爭、反恐事業(yè)和民用工業(yè)的發(fā)展提供技術上的有力支持。本課題目標是要研究和開發(fā)一種能搭載多種特殊裝置的移動機器人平臺?？梢源钶d不同功能模塊完成相應的任務，在軍事領域和民用領域得到推廣，應用前景廣闊。1.2 履帶機器人研究現狀1.2.1 國外研究現狀從 20 世紀 60 年代開始，國外就對小型履帶式式移動機器人展開了河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文4系統(tǒng)的研究，經過多年的技術積累和經驗總結，已經取得了豐碩的研究成果。在微小型履帶機器人研究方面，美國走在了世界的前列，它具有獨立的實驗性無人作戰(zhàn)機器人計劃，加上近年來反恐及城市巷戰(zhàn)的需要，小型智能履帶機器人研制工作受到了軍方高度重視。影響較大的有Packbot 機器人、URBOT、NUGV 和 Talon 機器人。它們應用在伊拉克戰(zhàn)爭和阿富汗戰(zhàn)爭中，取得了巨大的成功。圖 1-1 Packbot 機器人圖 1-2 Packbot 機器人美國著名的軍用及特種機器人公司 IRobot 研制了微小型便攜式機器人 Packbot 系列，如圖 1-1、圖 1-2 所示。該系列機器人采用履帶式結構并裝備有鰭狀肢，鰭狀肢可根據任務要求在機器人前端安裝一對或前、后兩端各安裝一對，Packbot 利用鰭狀肢輔助翻越障礙；德國 TELEROB 公司研制了名為 TEODOR 的反恐機器人，如圖 1-3 所河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文5示。這種凝結了尖端技術的機器人能夠移動、銷毀或引爆炸彈。在TEODOR 的身上裝備有 4 個攝像頭、切割器以及用來砸破窗戶的裝置。它不僅可以上下臺階，還能行走在陡峭的河岸、懸崖或絕壁，更能在及其惡劣的氣候下作業(yè)，并能快速凍結炸彈裝置。圖 1-3 TEODOR 機器人履帶式機器人是為了滿足軍事偵察、拆除危險物等作業(yè)的需要,在傳統(tǒng)的輪式移動機器人的基礎上發(fā)展起來的。圖1-4給出了目前國際上幾家著名機器人公司的典型產品,他們主要是為了滿足軍事需要而開發(fā)的,體積普遍偏大,不太適合在倒塌的建筑物廢墟中狹小空間內搜尋幸存者。圖 1-4 為了能進入狹小空間展開搜救工作，要求機器人的體積要盡可能小，但體積小了搜索視野就會受到限制，為了解決這一矛盾，近年來在傳統(tǒng)牽引式搜救機器人平臺基礎上，研制出了形態(tài)可變的履帶式多態(tài)搜救機河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文6器人。圖1-5為加拿Inuktun 公司MicroVGTV多態(tài)搜救機器人，他可以根據搜索通道的大小及搜尋范圍的遠近靈活地調整形狀和尺寸。圖 1-51.2.2 國內研究現狀國內微小型機器人的研究與開發(fā)工作晚于西方發(fā)達國家。我國是從20 世紀 80 年代開始涉足機器人領域的研究和應用的。1986 年，我國開展了“七五”機器人攻關計劃；80 年代末，我國把排爆機器人列入“863”高技術計劃。目前我國從事機器人研究和應用開發(fā)的主要是高校及有關科研所，針對微小型履帶機器人研究主要集中在警用、民用等非作戰(zhàn)領域。經過近 20 年的發(fā)展，目前已研究并開發(fā)出多種微小型履帶機器人，它們具有探測及多種作業(yè)功能，是可以廣泛應用于軍隊、公安、武警的新型機器人產品。在設計性能上，國內開發(fā)研制的微小型機器人與國外同類機器人相比還存在一定差距。中國科學院沈陽自動化所研制的復合移動機器人——“靈晰-B”型排爆機器人進入服役期，如圖 1-6 所示，該機器人采用輪、腿、履復合移動式機構，車身分三段，前、后履帶可繞車體轉動，輔助上下臺階。車體裝備機械手、云臺、三個攝像頭，重 180Kg行駛速度 2.4km/h，可以通過小于 45°的斜坡和樓梯，可以跨越 0.45m高的障礙物，實現全方位行走。根據需求可裝備爆炸物銷毀器、連發(fā)散河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文7彈槍、催淚彈等武器，大小手臂完全伸展時能舉起 8kg 重物，可以在很大程度上減小公安和武警人員在排除爆炸物、打擊犯罪活動中的傷亡，對犯罪分子起到威懾作用。圖 1-6圖 1-7圖 1-7 所示是由上海廣茂達伙伴機器人有限公司研制的“龍衛(wèi)士Dragon Guard X3B 反恐機器人”，是我國第一臺單兵反恐機器人。機器人重 50kg，行駛速度為 0~1m/s,可以通過 27°樓梯、30°斜坡，可以跨越 20cm 高的障礙物，可在草地、沙地、碎石地、雪地運行，適應全天候、全地形、操作方便，廣泛用于爆炸物處理、偵察、特種作業(yè)等反恐領域，綜合指標接近國際水平。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文8圖 1-8 JW-901 排爆機器人JW-901 排爆機器人是由北京京金吾高科技有限公司研制的，如圖1-8 所示，該機器人可廣泛應用于搜索、排爆、排除放射性物質，代替人去完成危險的工作。JW-901 排爆機器人的主要功能——抓取，優(yōu)于國內外同類機器人。該排爆機器人機械臂最高伸展 2.7m，可將可疑物輕輕地放于高達 1.8m 的車載防爆罐中。機械臂最低可水平伸出距地面0.2m，可伸入車底拆彈或抓取可疑物品。其抓取器，橫向旋轉 90°，縱向旋轉 360°，可靈活地將可疑物品從防爆罐中取出。這是其他機器人難以做到的。1.3 微小型履帶機器人的關鍵技術微小型履帶機器人的研究涉及機械、控制、傳感器、人工智能等技術，隨著機器人技術的發(fā)展，要求其智能化程度更高，涉及的技術更廣，難度也越來越高，其核心技術主要包括模塊化設計技術、控制技術、通信技術、多傳感器信息融合技術、導航和定位技術等。1.3.1 模塊化設計技術基于模塊化設計的微小型履帶機器人的結構構型可以根據工作任務河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文9而改變，不同的機器人構型有不同的工作空間，適用于執(zhí)行不同的任務，因此對任務與環(huán)境的適應性強。為了加快開發(fā)多種不同功能的機器人，有些公司將行走機構模塊化，如美國 IRobot 公司制造的 Packbot 機器人，目前已有 3 種型號：偵察型、探險型和處理爆炸裝置型，但全部動采用相同的底盤。1.3.2 控制技術微小型履帶機器人作為在危險、惡劣、有害的環(huán)境中執(zhí)行特殊任務時使用的一種高技術裝備，所采用的控制技術應滿足如下一些基本要求：（1）控制系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠；（2）易于保養(yǎng)和維護；（3）操作簡單、方便；（4）具有良好的抗電磁干擾能力；（5）能夠全天候作業(yè)，環(huán)境適應性強。1.3.3 通信技術通信技術是實現控制站和履帶機器人之間信息傳輸的橋梁，是有效、準確地控制機器人執(zhí)行任務和移動載體運動狀態(tài)的關鍵技術。通信系統(tǒng)是機器人控制系統(tǒng)的關鍵模塊之一，負責完成前方與后方之間的雙向信息交流，包括數據通信、視頻信號通信、音頻信號通信。微小型履帶機器人的特殊應用環(huán)境對機器人通信系統(tǒng)的實時性、可靠性和隱蔽性都有很高的要求。通常微小型履帶機器人控制系統(tǒng)的通信方式主要分為三類：串行通信、總線通信和無線通信。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文101.3.4 多傳感器信息融合技術單一傳感器獲得的信息量非常有限，對機器人功能和自主性的提高往往是不夠的，因此，微小型履帶機器人通常都配置多種不同用途的傳感器，構成復雜的多傳感器系統(tǒng)。如果只對各個不同傳感器采集的信息進行單獨加工，不僅會導致信息處理工作量的增加，而且還隔斷了各傳感器信息之間的內在聯系，失去的信息組合還有可能蘊含著有用的環(huán)境特征信息，從而造成信息資源的浪費。因此，必須采用多傳感器信息融合技術來提高系統(tǒng)的容錯能力和系統(tǒng)精度，提高系統(tǒng)完成描述外界環(huán)境的能力，提高信息處理的速度和降低獲取信息的成本。1.3.5 導航和定位技術微小型履帶機器人所面向的環(huán)境是現實世界中復雜的動態(tài)環(huán)境，如何利用自身受限的感知和行為能力引導機器人順利完成復雜的任務，是微小型履帶機器人實現自身導航和定位必須解決的問題。一般的，微小型履帶機器人的自主導航定位系統(tǒng)可粗略分為感知模塊、規(guī)劃模塊和執(zhí)行模塊。機器人的三類模塊在監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)督管理下，能夠實時感知周圍環(huán)境信息。自主地做出各種決策，隨時調整機器人位姿并執(zhí)行相應的操作。因此，微小型履帶機器人的導航定位系統(tǒng)是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行一體的綜合系統(tǒng)。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文111.4 履帶機器人的發(fā)展趨勢為了應付各種危險的復雜環(huán)境，最大限度地減少人員傷亡，微小型履帶機器人得到了空前重視，出現了大批較為成功的微小型履帶機器人。但是從這些機器人中可以看到一些缺點和不足，如自主能力不夠、功能單一等。由此，我們可以看出微小型履帶機器人未來的發(fā)展趨勢。1.4.1 多機器人編隊目前微小型履帶機器人的研究主要是針對單個系統(tǒng)的，但從未來應用的角度來看，機器人編隊系統(tǒng)的研究將會占據主導地位。多機器人編隊的優(yōu)勢在于可以盡可能擴大視野、消除視覺死角、提高執(zhí)行任務的效率，而且也可以提高整個編隊系統(tǒng)的可靠性和存貨率，從而保證任務的 完成。1.4.2 人工智能的使用人工智能技術包括神經網絡、模糊控制等，已經在微小型履帶機器人尤其是偵察機器人中得到了應用，但是應用范圍和其控制的效果都還沒有達到理想的程度。在未來的微小型履帶機器人中，這些人工智能技術將會充分發(fā)揮自己的優(yōu)勢，在自主機器人系統(tǒng)中發(fā)揮主導作用。1.4.3 拓展使用范圍目前微小型履帶機器人在民用領域主要用途是安全監(jiān)視、反恐、排爆、消防、搜救；在軍事領域主要用途是洞穴和建筑物勘測、掃雷、破障、生化戰(zhàn)劑探測等；但還不能滿足目前日益增長的生產、生活需求和河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文12軍事需求，世界各國開始積極拓展小型履帶式機器人的使用范圍，包括將微小型履帶機器人用于家庭服務、科學考察、充當旅行助手或者是在戰(zhàn)爭中用于目標指示、火力發(fā)射、戰(zhàn)術運輸、通信中繼等。1.4.4 加強實戰(zhàn)使用實戰(zhàn)使用的微小型履帶機器人不僅可以檢驗其性能，而且可以證實其應用潛力和價值。美國陸軍已經在伊拉克自由行動和阿富汗戰(zhàn)爭中部署其新型無人偵查機器人 Packbot、Maltilda 和 Talon 機器人等，用于執(zhí)行洞穴和建筑物勘測，地雷探測與標示、生化戰(zhàn)劑探測等任務。1.4.5 跨平臺互操作能力單一的微小型履帶機器人所能完成的任務有限，為提高作業(yè)效能，在各種環(huán)境下的各種有人和無人、地面和空中平臺要密切集成與合作，這樣就需要各平臺間具有無縫隙連接的、可靠地互操作能力，良好的跨平臺操作能力取決于對信息技術標準和接口、信息傳輸、建模、處理與安全及人機界面等的深入研究。1.4.6 開發(fā)通用平臺利用同一種微小型履帶機器人平臺搭載多種不同的功能模塊，以減少專用機器人平臺數量，提高基礎平臺的質量，從而極大地提高微小型履帶機器人的作業(yè)效能，降低使用和維修成本。如美國的 Packbot 偵查機器人便使用了通用平臺，將各個功能模塊化，在通用平臺的基礎上搭載不同的功能模塊，便可以實現不同的功能。由于功能模塊化，在通用平臺的基礎上搭載不同的功能模塊，便可以實現不同的功能，由于功能河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文13模塊具有良好統(tǒng)一的接口，使得功能模塊的更換實現“即插即用” ，在緊急情況下，操作人員于短時間內便可完成功能模塊的拆除和安裝。1.4.7 進一步提高自主能力首先利用有限的帶寬資源傳輸大量的數據對機器人進行遙控式不現實的，而且出于保密要求一些地方通行會受到限制，還有一些地方（如地道）又無法進行通行；其次在危險區(qū)域遙控微小型履帶機器人，操作人員的安全不能保證；最后，遙控微小型履帶機器人的操作人員需要專門訓練。因而需要進一步提高微小型履帶機器人的自主能力。1.5 本文主要研究內容本文以研究和開發(fā)一種能搭載多種特殊裝置的移動機器人平臺為目標，提出了一種新型三自由度微小型履帶機器人的設計方案。機器人采用模塊化設計，可迅速拆裝，適合單兵攜帶和進行維護，具有良好的機動性，在越障、越溝、攀爬方面具有明顯優(yōu)勢。該機器人作為一種穩(wěn)定的移動平臺，最大優(yōu)點是具有良好的越障性能、環(huán)境適應性能并具備了全地形通過能力，可進一步開發(fā)成為通用平臺，裝載偵察設備、武器系統(tǒng)等實現多機器人編隊，形成戰(zhàn)斗群，提高機器人可靠性和存活率。也可以加載其他設備用于民用領域。論文主要研究內容如下：1、查閱參考文獻，對微小型履帶式機器人研究情況進行調研。2、研究經典履帶機器人的移動機構，對微小型履帶機器人性能指標進行調研與分析，基于國內外研究現狀提出四連桿變形履帶式機器人應達到的性能指標。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文143、四連桿變形履帶式機器人的移動機構設計。4、對四連桿變形履帶式機器人進行越障能力分析5、四連桿履帶式機器人內部主要零件設計6、對四連桿變形履帶式機器人建立虛擬樣機模型 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文152 機器人驅動功率計算與電機選擇四連桿履帶式機器人的驅動裝置為牽引電機，牽引電機的性能好壞直接影響機器人的驅動能力，其特點主要表現為：（1）電機低速輸出轉矩大且工作穩(wěn)定，過載系數大，有高的功率密度。（2）電機輸出轉速范圍大，即能工作在恒轉矩區(qū)，又能工作在恒功率區(qū)，同時在寬轉速范圍內能保持較高的工作效率。2.1 機器人整車驅動力機器人整車驅動力的計算公式為（2-zeltri?TF?1）（2-xch2）式中 —牽引動力的總輸出轉矩（N·m） ；elTi—機械傳動比；—主驅動輪半徑（m） ；zr—驅動電機到驅動輪的傳動效率（ =0.75~0.8）ch?ch?—履帶行駛裝置的效率。x可根據下面的經驗公式確定：河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文16=0.95—0.003 （2-x?v3）2.2 牽引電機特性參數四連桿變形履帶式機器人要求在低速和爬坡時提供大轉矩，高速行駛時輸出大功率，并能大范圍變速。主要特性參數包括電機的額定功率、額定轉速 、峰值功率 、最大轉速 、以及峰值轉矩mPmnm_axPmax_n。ax_T最大轉矩 主要用于滿足機器人爬坡要求，對于雙側電機獨立max_T驅動的微小型履帶式移動機器人，單側電機最大轉矩 滿足： max_T（2-zr·i2gfmax_??4）式中 m—機器人質量；—地面變形阻力系數（平地行駛時 =0.03~0.04；爬坡時f f=0.055~0.065） ；電機的額定功率 主要用來滿足機器人平均行進速度 的要求，即：mPrv（2-rgfv?21?5）電機的額定轉速 主要用來滿足機器人最高行進速度要求，即：mn河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文17（2-mnzrv·2.10π?6）電機的峰值功率 主要用來滿足機器人最高行駛速度和爬坡時的功max_P率要求，即：（2-),(max_aax_pvP?7）電機的最高轉速 主要用來滿足機器人最高行駛速度要求，即：max_n（2-zrvmaxax_·2.10π?8）2.3 機器人驅動功率確定機器人的設計指標要求：機器人質量 負載質量 ，,301kgm?kgm502?總質量m=80kg。機器人平均行進速度 ；根據機器svsr /6./2ax人實際設計參數，機械傳動比 ；根據經驗選取驅動電機到驅動:9i輪的傳動效率 ，計算履帶行駛裝置的效率75.0ch??，機器人傳動總效率 ，取定機94236.950??x 70.?xch?器人平地行駛時地面變形阻力系數 ，爬坡行駛時地面變形阻035.?f力系數 。 .Pf代入式5-4中可算出機器人單側牽引電機的最大轉矩 為： max_T河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文18)·(10max_NT?代入式5-5 中可計算出牽引電機的額定功率 為：mP≥40（W）mP代入式 5-7中可計算出機器人爬坡時牽引電機的功率 為： max_p（W）74max_?p機器人最高速度下行駛時牽引電機的功率 為：max_vP（W）max_vP52代入式5-6 中可計算出牽引電機的額定轉速 為：mni/16rnm?代入式5-7 中可計算出牽引電機的最高轉速 為：max_≥1464r/minmax_對于履帶變形裝置的驅動電機，要求其輸出低轉速、大轉矩，對變速范圍沒有要求，主要考察指標為電機的輸出轉矩。如圖 26 所示，當機器人變形抬高底盤，機器人離開地面瞬間，機器人需要較大的轉矩用以克服重力產生的力矩。圖 2-1 履帶變形所需最大轉矩用于履帶變形的驅動電機的最大轉矩 應滿足：maxT河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文19（2-2·maxligfT??9）式中各參數一樣與式相同， 為機器人前后輪之間的距離。加載重l質量后機器人總質量 m=80kg，前后輪之間的距離 =700mm，履帶變形l裝置傳動比 ，地面變形阻力系數 ，傳動效率 ，1:30?i 035.?f 70.??代入式 5-9 中計算可得機器人履帶變形裝置所需電機的最大轉矩 為：maxT)·(462maxNT?2.4 驅動電機選擇根據上述計算結果，最終可確定機器人左右兩個牽引電機的額定功率取 80W，總功率 160W。選用 MAXON 公司的產品，電機型號為F2260；根據機器人變形時的最大輸出轉矩，選擇用于履帶變形的電機型號為 RE75。MAXON 公司的產品具有體積小、重量輕、線性度好（無齒槽效應） 、轉動慣量小、反應迅速、過載能力強、效率高、以及良好的抗電磁干擾能力等優(yōu)點，因此在世界各國的機器人研究領域擁有廣泛的市場。電機的主要技術參數如下表 1-1 和表 1-2 所示。 表1-1 MAXON-F2260電機主要技術參數產品型號 額定電壓 額定轉速 額定轉矩 額定功率MAXON-F2260 24V 2440r/min 258mN·m 80W表 1-2 MAXON-RE75 電機主要技術參數產品型號 額定電壓 額定轉速 額定轉矩 額定功率河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文20MAXON-RE75 24V 24510r/min 630mN·m 75W3 四連桿履帶式機器人內部減速器設計由于本課程設計傳動方案已給出：要求設計單級蝸桿上置式減速器，適用于傳動 m/s，這正符合本課題的要求。5-4v?3.1 驅動輪蝸輪蝸桿減速器設計3.1.1 電機的選擇驅動輪電機的選擇在上一章中已經重點設計計算，根據計算的結果，選用電機的型號為MAXON—F2260，其主要性能：額定電壓24V，額定轉速2440r/min，額定轉矩258mN·m，額定功率80W 。3.1.2 動力學參數計算根據機器人實際設計參數，機械傳動比i=29:1。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文211.計算各軸轉速2440r/min?電 動 機n02440r/min184.14r/min?2942in84.14r/min?1.83i2.計算各軸的功率 WP800?電 機 2.791?聯?62?蝸 桿軸 承P.583?聯軸 承3.計算各軸扭矩 mNT·31.0n950?P11?·8.622 mNnT950333.1.3 傳動零件的設計計算1、蝸桿傳動的設計計算（1）選擇蝸桿傳動類型河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文22根據GB/T10085—1988的推薦，采用漸開線蝸桿（ ZI)。（2）選擇材料考慮到蝸桿傳動功率不大，速度只是中等，故蝸桿采用45鋼；因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45~55HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1 ，金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。2、按齒面接觸疲勞強度進行設計根據開式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，再校核齒根彎曲疲勞強度。由教材公式可得，傳動中心距 ??3 22???????HPEZKTa?（1）確定作用在蝸輪上的轉矩 2T按 =1，估取效率 =0.77，則1Z?mNnP·81.69502?（2）確定載荷系數K取載荷分布不均系數 ；使用系數 ；由于轉速不高，1??K.AK沖擊不大，可取動載系數 ；則由計算式可得：05.v05.1.???A?（3）確定彈性影響系數 EZ因選用的是鑄錫青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故 =160 。EZ21MPa（4）確定接觸系數 P先假設蝸桿分度圓直徑 和傳動中心距a的比值 0.56從教材中1d?ad1河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文23查的 =2.6。PZ（5）確定許用接觸應力 ??H?根據蝸輪材料為鑄錫青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度>45HRC，可從教材中查得蝸輪的基本許用應力 =268MPa。由??'H?教材中的公式應力循環(huán)次數： 42398010236514.860jnh2 ????LN壽命系數： ，則 =7.297HNK??H?=0.62272×268=167MPa??'·HN?（6）計算中心距=35.402mm??3 22???????HPEZKTa?取中心距a=40mm。查表得模數 m=2mm。3、蝸桿與蝸輪的主要參數與幾何尺寸（1）蝸桿軸向尺距 ；直徑系數 ；mPa28.614.3???π 20.1q?分度圓導程角 ???05?（2）蝸輪蝸輪齒輪29；變位系數 1.2??X蝸輪分度圓直徑 58mm mzd蝸輪喉圓直徑 65?22aah河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文24蝸輪齒根圓直徑 52??22ffhd4、校核齒根彎曲疲勞強度 ??FFaFYmdKT?????22153.當量齒數 29.33???33206.5cos9cs?ZV根據 ， 29.33從教材中可查得齒行系數10.2??X2V7.2aFY螺旋角系數 964.01.5401??????Y從教材中知許用彎曲應力 ??FNFK·'?從教材表查的 ZCuSn10P1 制造的蝸輪的基本許用彎曲應力。??MPaF56'??由教材中壽命系數 0.508?9610NKF??MPaF45.28.056???a95.106.7.213.1??可見彎曲強度是滿足的。3.1.4 輸入軸的設計計算1、按扭矩初算軸徑選擇45調質，硬度217~255HRS河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文25根據教材中查表可得，取 10?A3mm?30nPd2、軸的結構設計（1）軸上零件的定位，固定和裝配單級減速器中可將蝸桿蝸齒部分安排在箱體中央，相對兩軸承對稱布置，兩軸承分別以軸肩和軸承蓋定位。（2）確定軸各段直徑和長度I 段：直徑 d1=15mm 長度取 L1=15mm初選用 6102 型深溝球球軸承，其內徑為 15mm，寬度為 9mmII 段：直徑 d2=17mm 長度取 L2=50mmIII 段：直徑 d3=22.4mm 長度取 L3=29mmIⅤ段：直徑 d 4=17mm 長度取 L4=15mmⅤ段：直徑 d5=15mm 長度 L5=15mm初選用 6102 型深溝球球軸承，其內徑為 15mm，寬度為 9mmⅥ段：直徑 d6=12mm 長度 L6=8mmⅦ段：直徑 d7=10mm 長度 L7=15mm（3）按彎矩復合強度計算①求小齒輪分度圓直徑：已知 d1=22.4mm=0.0224m②求轉矩：已知 T2=6.81N·m、T 1=0.31N·m③求圓周力：Ft根據教材 P198（10-3）式得： =2T1/d1=27.68NtF=2T2/d2=235Nt④求徑向力 Fr河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文26根據教材 P198（10-3）式得：Fr= ·tanα=85.5N2tF⑤因為該軸兩軸承對稱，所以：L A=LB=27mm⑥繪制軸的受力簡圖 ⑦繪制垂直面彎矩圖 軸承支反力：FAY=FBY=Fr1/2=117.5NFAZ=FBZ= /2=13.84N1t由兩邊對稱，知截面 C 的彎矩也對稱。截面 C 在垂直面彎矩為：MC1=FAyL/2=3.17N·m 圖 3-1 彎矩扭矩圖截面 C 在水平面上彎矩為：MC2=FAZL/2=0.3737N·m河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文271、繪制合彎矩圖MC=(MC12+MC22)1/2=3.173N·m2、繪制扭矩圖轉矩：T=0.31N·m3、 校核危險截面 C 的強度由教材 P373 式（15-5） 經判斷軸所受扭????122?????????Wcca轉切應力為脈動循環(huán)應力,取 α=0.6, 3MPa??TMcca22)(前已選定軸的材料為 45 鋼,調質處理,由教材 P362 表 15-1 查得,因此 45HRC，可從教材中查得蝸輪的基本許用應力 =268MPa??'H?。由教材中的公式應力循環(huán)次數 429150036581760jnh2 ????LN壽命系數 8.?NKHN則 = =0.468×268=125.6MPa?????'·（6）計算中心距=11.875mm??3 22???????HPEZKTa取中心距a=40mm。查表得模數m=2mm。二、蝸桿與蝸輪的主要參數與幾何尺寸（1）蝸桿軸向尺距 ；直徑系數 ；mPa28.614.3???π 20.1q?分度圓導程角 ???05?河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文33（2）蝸輪蝸輪齒輪29；變位系數 m10.2??X蝸輪分度圓直徑 58mm zd蝸輪喉圓直徑 65?22aah蝸輪齒根圓直徑 52??ff（3）校核齒根彎曲疲勞強度 ??FFaFYmdKT?????22153.當量齒數 29.33???33206.cos9?ZV根據 ， 29.33從教材中可查得齒行系數10.2??X2V7.2aFY螺旋角系數 964.01.540??????Y從教材中知許用彎曲應力 ??FNFK·'?從教材表查的 ZCuSn10P1 制造的蝸輪的基本許用彎曲應力。??MPaF56'??由教材中壽命系數 0.395?9610NKF??MPa.235.???aF 06.194.784.2601??可見彎曲強度是滿足的。河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文343.2.4 輸入軸的設計計算一、按扭矩初算軸徑選擇45調質，硬度217~255HRS根據教材中查表可得，取 10?A1.096mm?30nPd二、軸的結構設計（1）軸上零件的定位，固定和裝配單級減速器中可將蝸桿蝸齒部分安排在箱體中央，相對兩軸承對稱布置，兩軸承分別以軸肩和軸承蓋定位。（2）確定軸各段直徑和長度I 段：直徑 d1=15mm 長度取 L1=15mm初選用 6102 型深溝球球軸承，其內徑為 15mm，寬度為 9mmII 段：直徑 d2=17mm 長度取 L2=50mmIII 段：直徑 d3=22.4mm 長度取 L3=29mmIⅤ段：直徑 d 4=17mm 長度取 L4=15mmⅤ段：直徑 d5=15mm 長度 L5=15mm初選用 6102 型深溝球球軸承，其內徑為 15mm，寬度為 9mmⅥ段：直徑 d6=12mm 長度 L6=8mmⅦ段：直徑 d7=10mm 長度 L7=15mm（3）按彎矩復合強度計算①求小齒輪分度圓直徑：已知 d1=22.4mm=0.0224m②求轉矩：已知 T2=0.662N·m、T 1=0.0289N·m③求圓周力：Ft河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文35根據教材 P198（10-3）式得： =2T1/d1=2.58NtF=2T2/d2=22.83Nt④求徑向力 Fr根據教材 P198（10-3）式得：Fr= ·tanα=8.3N2tF⑤因為該軸兩軸承對稱，所以：L A=LB=27mm（4）繪制軸的受力簡圖 （5）繪制垂直面彎矩圖 軸承支反力：FAY=FBY=Fr1/2=11.415NFAZ=FBZ= /2=1.29N1t由兩邊對稱，知截面 C 的彎矩也對稱。截面 C 在垂直面彎矩為：MC1=FAyL/2=0.308N·m 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文36圖 3-3 彎矩扭矩圖截面 C 在水平面上彎矩為：MC2=FAZL/2=0.035N·m9、 繪制合彎矩圖MC=(MC12+MC22)1/2=0.309N·m10、 繪制扭矩圖轉矩：T=0.0289N·m11、 校核危險截面 C 的強度∵由教材 P373 式（15-5） 經判斷軸所受????122?????????Wcca扭轉切應力為脈動循環(huán)應力,取 α=0.6, 0.3MPa??TMcca2)(??前已選定軸的材料為 45 鋼,調質處理,由教材 P362 表 15-1 查得,因此 < ,故安全。?????601ca??1?∴該軸強度足夠。3.2.5 輸出軸的設計計算1、按扭矩初算軸徑選用 45# 調質鋼，硬度（217~255HBS）根據教材,取 =1100A4.517mm??30nPd2、軸的結構設計河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文37（1）軸上的零件定位，固定和裝配單級減速器中,可以將蝸輪安排在箱體中央，相對兩軸承對稱分布，蝸輪左面用軸肩定位，右面用套筒軸向定位，周向定位采用鍵和過渡配合，兩軸承分別以軸承肩和套筒定位，周向定位則用過渡配合或過盈配合，軸呈階梯狀，左軸承從左面裝入，蝸輪套筒，右軸承和鏈輪依次從右面裝入。（2）確定軸的各段直徑和長度I 段：直徑 d1=10mm 長度取 L1=15mmII 段：直徑 d2=12mm 長度取 L2=14mmIII 段：直徑 d3=15mm 長度取 L3=12mm初選用 6102 型深溝球球軸承，其內徑為 15mm，寬度為 9mmⅣ段：直徑 d4=18mm 長度取 L4=3mmⅤ段：直徑 d5=22mm 長度取 L 5=3mmⅥ段：直徑 d6=18mm 長度取 L6=15mmⅦ段：直徑 d7=15mm 長度取 L7=18mm初選用 6102 型深溝球球軸承，其內徑為 15mm，寬度為 9mmⅧ段：直徑 =12mm 長度取 =14mm88Ⅸ段：直徑 =10mm 長度取 =15mm9d9d（3）按彎扭復合強度計算①求分度圓直徑：已知 d2=58mm=0.058m②求轉矩：已知 T2=0.662N·m③求圓周力 Ft：根據教材 P198（10-3）式得=2T2/d2=22.83NtF④求徑向力 Fr：根據教材 P198（10-3）式得河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文38Fr= ·tanα=22.83×tan20 0=8.3N2tF⑤∵兩軸承對稱∴L A=LB=25.5mm（3）求支反力 FAY、F BY、F AZ、F BZFAY=FBY=Fr/2=4.15NFAX=FBX= /2=11.415N2t（4）由兩邊對稱，截面 C 的彎矩也對稱，截面 C 在垂直面彎矩為MC1=FAYL/2=0.106N·m（5）截面 C 在水平面彎矩為MC2=FAXL/2=0.291N·m（6）計算合成彎矩MC=（M C12+MC22） 1/2=0.310N·m圖 3-4 彎矩扭矩圖12、 校核危險截面 C 的強度由式（15-5）河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文39∵由教材 P373 式（15-5） 經判斷軸所受????122?????????Wcca扭轉切應力為對稱循環(huán)變應力,取 α=1, 1.3MPa???WTMcca22)(??前已選定軸的材料為 45 鋼,調質處理,由教材 P362 表 15-1 查得,因此 < ,故安全。?????601ca???1?∴此軸強度足夠。4 四連桿變形履帶式機器人的建模4.1 虛擬樣機技術與 Proe 軟件簡介隨著市場競爭日益激烈，用戶的需求向著多元化方向發(fā)展，這使得產品的生命周期越來越短，這就對傳統(tǒng)的設計方法提出了挑戰(zhàn)。同時，計算機技術的飛速發(fā)展，使得利用計算機對產品進行設計、分析和研究成為一種可能，虛擬樣機技術正是在這種環(huán)境下發(fā)展起來的。建立系統(tǒng)的數字化模型，進行仿真分析，并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實工程條件下各種性能和特性，為實際系統(tǒng)的設計和制造提供參考依據，從而可以方便地修改設計參數并能得到最優(yōu)設計方案。目前，虛擬樣