多功能履帶式機器人設(shè)計

1、摘要：隨著我國改革開放的不斷開展，我國經(jīng)濟建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用都得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展，機器人已成為制造加工行業(yè)必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，機器人可以分為關(guān)節(jié)機器人和移動機器人兩種，關(guān)節(jié)機器人通常情況下是固定不動的，所以其工作范圍非常局限，而移動機器人恰恰克服了這一技術(shù)難題，隨時隨地的移動大大的增加了機器人的使用區(qū)間，使得機器人能夠更加方便快捷的完成各項任務(wù)。移動機器人相比普通關(guān)節(jié)機器人增加了移動機構(gòu)，移動的方式多種多樣，有腿式移動機構(gòu)，輪式移動機構(gòu)，履帶式移動機構(gòu)等等，選擇何種移動方式?jīng)Q定了移動機器人的工作性質(zhì)和內(nèi)容。本篇論文中提出了一種結(jié)構(gòu)巧妙、機動性好、穩(wěn)定性能高的多功能履帶式機器人設(shè)計方案，本方案對履

2、帶式機器人技術(shù)進行深入分析研究，其工作原理是：利用履帶式機器人的雙節(jié)雙履帶進行支撐機器人本體進行移動，通過調(diào)整兩節(jié)履帶的角度來翻越障礙，最終實現(xiàn)機器人自由移動的目的。多功能履帶式機器人作為一種新型的移動機器人，對此進一步的研究也是不能忽視的。關(guān)鍵詞：機器人；移動機器人；履帶式機器人AbstractWith the continuous development of Chinas reform and opening up, Chinas economic construction and technology applications have been high-speed and stab

3、le development, the robot has become a manufacturing and processing industry essential essential equipment, robots can be divided into joint robot and mobile robot two, joint robot Usually the case is fixed, so its working range is very limited, and mobile robots just to overcome this technical prob

4、lems, anytime, anywhere the mobile greatly increased the use of the robot range, making the robot can more quickly and easily complete the task.Compared with the common robot, the mobile robot has increased the movement mechanism, the movement way is varied, the leg movement mechanism, the wheel mov

5、ement mechanism, the crawler movement mechanism and so on. What kind of movement mode is selected determines the working nature of the mobile robot and content. This paper presents a multi-functional crawler robot design scheme with clever structure, good mobility and high stability. The scheme is b

6、ased on the deep analysis of the crawler robot technology. The working principle is that the use of the double- Section of the double track to support the robot body to move, by adjusting the angle of the two tracks to cross the obstacles, and ultimately achieve the purpose of free movement of the r

7、obot. Multi-function crawler robot as a new type of mobile robot, this further study can not be ignored.Keywords: robot，Mobile robots, Crawler robots目 錄AbstractIV目 錄V第一章 緒論11.1 引言11.2移動機器人的發(fā)展概況11.3 Solidwork軟件的介紹21.4 有限元分析的介紹31.5 課題研究的意義及目的4第二章多功能履帶式機器人的設(shè)計52.1 多功能履帶式機器人的設(shè)計要求52.2多功能履帶式機器人的設(shè)計概述5多功能履帶式

8、機器人與其他類型移動機器人原理的對比5多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人特點的對比82.2.3 多功能履帶式機器人的設(shè)計參數(shù)82.3多功能履帶式機器人的具體設(shè)計82.3.1 機器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計9行走電動機的設(shè)計與選型9減速器齒輪的設(shè)計12齒輪齒數(shù)的選擇13直齒圓柱齒輪靜力及接觸分析的理論計算14直齒輪靜力及接觸的有限元分析17鏈傳動的設(shè)計19機械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計21機械手臂轉(zhuǎn)動電機的設(shè)計與選型21機械手臂轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的設(shè)計23第三章 總結(jié)與展望24參考文獻24第一章 緒論1.1 引言隨著我國改革開放的不斷開展，我國經(jīng)濟建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用都得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展，機器人應(yīng)用的地方變得越來越多，從單一的生產(chǎn)

9、制造業(yè)發(fā)展到各行各業(yè)，甚至延伸到排爆等危險的具體工作?，F(xiàn)在國內(nèi)外都開始了對移動機器人的系統(tǒng)研發(fā)和設(shè)計，而移動機器人選擇何種移動方式是其設(shè)計時最重要的考慮點之一。移動機器人按其移動結(jié)構(gòu)可以分為腿式，輪式和履帶式三大類，這三類各有其優(yōu)缺點。隨著移動機器人行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，腿式機器人由于其結(jié)構(gòu)和操作過于復(fù)雜，且應(yīng)用的場地通常有特殊要求，因此并沒有得到廣泛的使用。而目前市場上的移動機器人主流仍是輪式機器人，我們常見的輪式機器人多像AGV小車的結(jié)構(gòu)形式，該機器人移動結(jié)構(gòu)簡單，適用于平坦的地面，行走過程相對穩(wěn)定，但是同樣存在著許多缺陷，最大的問題是輪式機器人對行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走

10、時極容易打滑；且移動轉(zhuǎn)向的時候需要整個機器人本體轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)彎半徑較大，占用的行走空間較多。我們都知道移動結(jié)構(gòu)是移動機器人中極為重要的一個構(gòu)件，因此在整體設(shè)計的時候應(yīng)該考慮移動結(jié)構(gòu)的適用性，穩(wěn)定性和可靠性。為了讓移動機器人的各項性能滿足其使用要求，我們需要從以下方面要求入手考慮：機動性能好，轉(zhuǎn)彎半徑小，翻越障礙能力強，與地面附著力大，穩(wěn)定可靠性高。本設(shè)計中我們選用履帶式作為移動機器人的移動結(jié)構(gòu)，其既具備腿式機器人跨越障礙物行走的優(yōu)點，又具備輪式機器人移動過程動作穩(wěn)定、操作簡單的優(yōu)點；履帶式機器人能夠適用于各種環(huán)境下的工作，因此對其進一步的研究是不能忽視的。1.2移動機器人的發(fā)展概況歐美等國家在移動

11、機器人的技術(shù)研究方面一直處于世界的前端，他們單獨設(shè)立有專門的移動機器人技術(shù)研究小組，且都在努力將移動機器人的技術(shù)推廣到各行各業(yè)當(dāng)中。目前美國的移動機器人的研發(fā)已經(jīng)取得了突破性的進展，他們成功將該機器人應(yīng)用到一些危險的環(huán)境中實際作業(yè)，還有部分移動機器人甚至開始在戰(zhàn)爭中嶄露頭角，比如:iRobot公司的Packbot，Battelle公司的ROCOMP, Remotec公司的MINI Andros 等，其中最典型的是:iRobot公司的Packbot。iRobot公司在美國的移動機器人研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，其研發(fā)的單兵便攜式遙控地面武器機動平臺Packhot被美國軍方視為輕型無人偵查、戰(zhàn)術(shù)用機動平

12、臺的模板。Packbot為履帶式移動機器人，長0.87m，寬0.51m，高0.18m，自重18kg，最大運行速度14km/h，充電一次可以行駛10km，最大涉水深度3m，無線遙控移動，具有自主移動能力，設(shè)置有5個載荷設(shè)施接口，可任意搭載機械手、小型武器或其他裝備，主要用于偵察地形、戰(zhàn)術(shù)實施，如反地道、近距離干擾等。Packbot安裝有輔助轉(zhuǎn)臂履帶，所以翻越障礙的能力極強，可以爬60坡度的樓梯，有多種越障方式，能越過比自身高度大許多的障礙物，可以從任何顛覆狀態(tài)恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)。輔助轉(zhuǎn)臂可以拆卸，方便攜帶使用。Packbot平臺結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，抗沖擊能力極強，可經(jīng)受400G的沖擊，從2m高度摔下來也不

13、會損壞，可從窗戶或者低空直升機直接拋出。目前國內(nèi)對移動機器人的技術(shù)研究仍然處于初始階段，對移動機器人的定位傳感器、位置導(dǎo)航、運動控制以及主體結(jié)構(gòu)設(shè)計等關(guān)鍵層面的研究還遠遠落后于其他歐美國家。不過現(xiàn)在許多國內(nèi)研究機構(gòu)也開始努力開展對移動機器人的研究工作，從最基礎(chǔ)的主體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動控制入手。由于移動機器人在機動性、越障方式等方面與其他機器人有很大不同，因此國內(nèi)在移動機器人技術(shù)研發(fā)這條路上還有很長的路程要走。1.3 Solidwork軟件的介紹SolidWorks為達索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負責(zé)研發(fā)與銷售機械設(shè)計軟件的視窗產(chǎn)品。達索公司是負責(zé)系統(tǒng)性的

14、軟件供應(yīng)，并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務(wù)。該集團提供涵蓋整個產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等各個領(lǐng)域中的最佳軟件系統(tǒng)，著名的CATIAV5就出自該公司之手，目前達索的CAD產(chǎn)品市場占有率居世界前列。SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技術(shù)副總裁與CV公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸塞州的康克爾郡（Concord,Massachusetts）內(nèi)，當(dāng)初的目標(biāo)是希望在每一個工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實體模型設(shè)計系統(tǒng)。從1995年推出第一套SolidWorks三維機械設(shè)計軟件至今至2010年已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由30

15、0家經(jīng)銷商在全球140個國家進行銷售與分銷該產(chǎn)品。1997年，Solidworks被法國達索（Dassault Systemes）公司收購，作為達索中端主流市場的主打品牌。SolidWorks的主要模塊包括：（1）零件建模 SolidWorks 提供了無與倫比的、基于特征的實體建模功能。通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁 特征、高級抽殼、特征陣列以及打孔等操作來實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計。通過對特征和草圖的動態(tài)修改，用拖拽的方式實現(xiàn)實時的設(shè)計修改。三維草圖功能為掃描、放樣生成三維草圖路徑，或為管道、電纜、線和管線生成路徑。(2)曲面建模通過帶控制線的掃描、放樣、填充以及拖動可控制的相切操作產(chǎn)生復(fù)雜的曲面。可以直觀地對曲

16、面進行修剪、延伸、倒角和縫合等曲面的操作。（3）鈑金設(shè)計SolidWorks 提供了頂尖的、全相關(guān)的鈑金設(shè)計能力。可以直接使用各種類型的法蘭、薄片等特征，正交切除、角處理以及邊線切口等鈑金操作變得非常容易。用戶化SolidWorks 的API為用戶提供了自由的、開放的、功能完整的開發(fā)工具。開發(fā)工具包括Microsoft Visual Basic for Applications (VBA)、Visual C+，以及其他支持OLE的開發(fā)程序。（4）特征識別FeatureWorks是第一個為CAD用戶設(shè)計的特征識別軟件。與其它CAD系統(tǒng)共享三維模型，充分利用原有的設(shè)計數(shù)據(jù)，更快將向SolidWor

17、ks系統(tǒng)過渡，這就是特征識別軟件FeatureWorks所帶來的好處。FeatureWorks同SolidWorks 完全集成。當(dāng)引入其它CAD軟件的三維模型時，F(xiàn)eatureWorks能夠重新生成新的模型，引進新的設(shè)計思路。FeatureWorks對靜態(tài)的轉(zhuǎn)換文件進行智能化處理，獲取有用的信息，減少了重建模型所化的時間。FeatureWorks最適合識別帶有長方形、圓錐形、圓柱形的零件和鈑金零件。FeatureWorks提供了嶄新的靈活功能，包括在任何時間按任意順序交互式操作以及自動進行特征識別。FeatureWorks 提供了在新的特征樹內(nèi)進行再識別和組合多個特征的能力，新增功能還包含識別

18、拔模特征和筋特征的能力。1.4 有限元分析的介紹有限元分析是運用電子計算機進行數(shù)值模擬的方式，現(xiàn)如今在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分多，有限元計算答案已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計和性能分析的可靠依據(jù)。現(xiàn)在，有限元分析大量應(yīng)用于解決航空、工業(yè)、航天、電子、土木、船舶、能源、化工、核工業(yè)、生物、醫(yī)學(xué)及交通運輸?shù)缺姸囝I(lǐng)域的具體工程問題，尤其是隨著計算機技術(shù)突飛猛進的高速發(fā)展，有限單元法在解決具體問題的規(guī)模、區(qū)間方面也已經(jīng)發(fā)生了巨大的變革。有限元分析技術(shù)可以實現(xiàn)：（1）找到產(chǎn)品潛在的問題以及先天的缺陷，為我們創(chuàng)造更加品質(zhì)優(yōu)異的產(chǎn)品。（2）對風(fēng)險進行評估與預(yù)測，提高產(chǎn)品和加工生產(chǎn)的可靠性，降低存在的風(fēng)險。（3）通過

19、進行對比計算分析，運用改進后的設(shè)計方案，降低產(chǎn)品生產(chǎn)加工成本。（4）縮短產(chǎn)品投向市場的時間。（5）降低物理試驗次數(shù)，對大量實際情況進行快速而有效的模擬實驗分析。有限元分析是R.Courant于1943年首先提出的。從提出有限元分析的概念以來，有限元理論及其特殊的應(yīng)用得到了高速發(fā)展。以往不能解決或能解決但解決精度不高的情況，都得到了更好的解決方法。傳統(tǒng)的FEM假設(shè)：分析域是無限；材質(zhì)是同樣的，甚至在絕大部分的分析中認為材質(zhì)是各向同性的；對邊界環(huán)境簡化處理。但實際情況往往是分析區(qū)域有限、材質(zhì)各向異性及邊界環(huán)境難以確定等因素。為了解決這些問題，美國學(xué)者發(fā)現(xiàn)用CFEM(Gener-alized Fin

20、ite Element Method)解決分析區(qū)域內(nèi)含有大量孔洞特性的情況；比利時學(xué)者也在之間提出了用HSM解決實際開裂情況。FEM在國內(nèi)的應(yīng)用也十分廣。自從我國成功研制了國內(nèi)第一個通用有限元分析程序系統(tǒng)JIGFEX后，有限元分析涵蓋到工程分析的各個領(lǐng)域中，從我國大型的三峽工程到微米級的器件都運用了FEM進行分析，在我國高速經(jīng)濟發(fā)展中擁有很大的發(fā)展空間?，F(xiàn)在我們在進行大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)中物理場分析時，為了控制并估計偏差，常用后驗偏差估計的自適應(yīng)有限元分析。而基于后處理法的計算偏差，與我們常常使用的傳統(tǒng)算法不同，它完美的將網(wǎng)格自適應(yīng)過程分成均勻化和變密度化兩個迭代過程。而均勻化迭代過程中，運用均勻

21、網(wǎng)格尺寸對整體分析區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，便得到一個合適的起始均勻分析網(wǎng)格；而在變密度化迭代過程中只進行網(wǎng)格細化的操作，而且充分運用上一次迭代的答案，在單元所在的曲邊三角形區(qū)域內(nèi)部進行局部網(wǎng)格細化工作，保證了全局分析網(wǎng)格尺寸分布的合理性，這樣不同尺寸的網(wǎng)格就能夠光滑銜接，從而提高網(wǎng)格的整體質(zhì)量。上述整個方案簡單可行，穩(wěn)定可靠，數(shù)次迭代即可快速收斂，生成的網(wǎng)格布局合理，質(zhì)量水平高。1.5 課題研究的意義及目的 從目前全球市場需求布局來看，歐、美地區(qū)成為功能全、結(jié)構(gòu)簡潔、質(zhì)量好、性能穩(wěn)定的移動機器人的主要銷售市場；中東、非洲地區(qū)主要選擇老款式、簡單實用價格便宜的移動機器人；還有以俄羅斯為代表的高寒國家則

22、更喜歡能耐寒，機械結(jié)構(gòu)牢固的移動機器人以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡乩須夂驐l件；日韓則主要關(guān)注產(chǎn)品的品質(zhì)與安全；目前國內(nèi)的移動機器人整體研究狀況還是比較良好，已由原來單一的移動功能，不注重外觀，逐漸演變成為實際使用中的藝術(shù)品，以外觀精美結(jié)構(gòu)巧妙，操作方便，質(zhì)量安全穩(wěn)定等特點成為新的發(fā)展方向。為進一步適應(yīng)各行各業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)如今市場上還出現(xiàn)了移動服務(wù)機器人。第二章 多功能履帶式機器人的設(shè)計現(xiàn)有市場上常見的移動機器人基本上都是輪式機器人，其基本工作方式為電動機帶動輪子轉(zhuǎn)動，輪子再將動力傳遞給整個輪式機器人達到讓其自由行走的目的。輪式機器人主要有以下幾個方面的缺點：對行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時

23、極容易打滑；且移動轉(zhuǎn)向的時候需要整個機器人本體轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)彎半徑較大，占用的行走空間較多；而本設(shè)計中的多功能履帶式機器人采用履帶驅(qū)動的工作原理，其基本工作方式為行走電動機帶動履帶本體轉(zhuǎn)動提供履帶式機器人行走的動力，關(guān)節(jié)電動機帶動履帶本體調(diào)整其行走角度，讓機器人本體能夠自如的翻越障礙。這兩種移動機器人的工作原理截然不同，兩者結(jié)構(gòu)不同、實現(xiàn)方式不同，使用方法也不相同。本篇論文中的多功能履帶式機器人設(shè)計運用了巧妙的機械傳動結(jié)構(gòu)，利用電動機作為機器人行走的源動力，再通過穩(wěn)定的減速器和鏈傳動將電動機的動力傳遞給前后雙節(jié)四履帶，使得機器人可以實現(xiàn)自由的行走，且多功能履帶式機器人在遇到障礙物時，通過調(diào)整關(guān)節(jié)角度

24、，使得整個運動過程更加平穩(wěn)。我們在現(xiàn)有的單節(jié)雙履帶式機器人的理論基礎(chǔ)上改良結(jié)構(gòu)和運動方式，本次設(shè)計的多功能履帶式機器人采用雙節(jié)四履帶式結(jié)構(gòu)，機械結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，綜合材質(zhì)的選擇、結(jié)構(gòu)的簡化，讓使用者更加方便穩(wěn)定的使用該移動機器人，這是本篇論文多功能履帶式機器人的設(shè)計初衷。2.1 多功能履帶式機器人的設(shè)計要求（1）本設(shè)計中的多功能履帶式機器人主要在一些人不方便進入的小型場合使用，包括倒塌的建筑物內(nèi)，災(zāi)難現(xiàn)場，危險災(zāi)區(qū)和坍塌煤礦等。（2）本設(shè)計之前綜合考慮，該多功能履帶式機器人應(yīng)該具有以下功能：產(chǎn)品加工生產(chǎn)成本低，質(zhì)量安全穩(wěn)定，使用壽命長，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，使用便捷，方便搬運移動；（3）本設(shè)計從履帶機器人底座

25、結(jié)構(gòu)設(shè)計和機械手臂設(shè)計兩方面著手進行詳細的設(shè)計分析及計算闡述。2.2 多功能履帶式機器人的設(shè)計概述多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人原理的對比（1）輪式機器人的工作原理最早出現(xiàn)的移動機器人應(yīng)當(dāng)是輪式機器人。隨著各個行業(yè)對移動機器人質(zhì)量要求的不斷提高，輪式機器人也得到了快速的發(fā)展與運用。輪式機器人以輪式移動為基礎(chǔ)，相對腿式、履帶式或其它非輪式的移動機器人具有運動速度快、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡單、操作容易等優(yōu)勢。與其他移動機器人相比，輪式機器人最大的優(yōu)點便是操作簡單，其行走區(qū)域不需要假設(shè)軌道、支座架等固定裝置，電路控制方便簡單，且不易損壞。因此，輪式機器人大多數(shù)在較好的環(huán)境下使用，如今在自動化物流

26、系統(tǒng)中被廣泛使用，利用其快捷性和高效性，實現(xiàn)高物流倉庫高效、經(jīng)濟、便捷的無人化管理。輪式機器人，其基本工作原理為電動機帶動輪子轉(zhuǎn)動，輪子再將動力傳遞給整個輪式機器人達到讓其自由行走的目的。再通過其他輔助功能，如地面控制系統(tǒng)，車載控制系統(tǒng)，導(dǎo)航引導(dǎo)方式等綜合起來形成完整的結(jié)構(gòu)體系。隨著對輪式機器人的深入研究分析，輪式機器人的應(yīng)用范圍也在不斷擴大,如今也廣泛運用于工業(yè)、軍事、交通運輸、電子等領(lǐng)域,，同樣具有很強的抗干擾能力和目標(biāo)識別能力。圖1 常見輪式機器人實物圖（2）多功能履帶式機器人的工作原理在本世紀(jì)早期，以電動機作為動力源帶動的單節(jié)雙履帶式機器人就已經(jīng)出現(xiàn)了。隨著現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，如今

27、出現(xiàn)了雙節(jié)四履帶式機器人和多節(jié)多履帶式機器人等等類型的履帶式機器人。本設(shè)計中的多功能履帶式機器人采用的仍然是單節(jié)雙履帶機器人的工作原理，只是在其基礎(chǔ)上額外又增加了單節(jié)雙履帶，共雙節(jié)四履帶，其基本工作方式為行走電動機帶動履帶本體轉(zhuǎn)動提供履帶式機器人行走的動力，關(guān)節(jié)電動機帶動履帶本體調(diào)整其行走角度，讓機器人本體能夠自如的翻越障礙。雙節(jié)四履帶機器人作為履帶式機器人的一種，相比單節(jié)雙履帶機器人翻越障礙物的能力更加，環(huán)境適用性更高，動力更強。該多功能履帶式機器人的結(jié)構(gòu)主要由兩大部分組成：機器人底座結(jié)構(gòu)和機械手臂結(jié)構(gòu)，而底座結(jié)構(gòu)包括：行走電動機、關(guān)節(jié)電動機，內(nèi)輪組件、車體框架組件、外輪組件、減速器、鏈傳動

28、組件等；機械手臂結(jié)構(gòu)包括：機器人大臂，機器人中臂，機器人小臂，攝像頭組件，機器人抓手等；行走電動機提供源動力帶動履帶自身轉(zhuǎn)動行走，關(guān)節(jié)電動機帶動履帶本體調(diào)整行走角度，車體框架組件支撐著整個多功能履帶式機器人的結(jié)構(gòu)，其承受了多功能履帶式機器人所有的負載，車體框架組件的前后分別安裝有兩個外輪組件和兩個內(nèi)輪組件，行走電機和關(guān)節(jié)電機均通過減速器將動力傳遞出去，鏈傳動組件負責(zé)將外輪組件和內(nèi)輪組件連接到一起，機械手臂的功能在于讓機器人可以360無死角的清除路面上的障礙物，通過攝像頭組件可以清楚的觀察到道路環(huán)境中的實際情況，頂部的機器人抓手可以完成一些基本功能的抓取和清掃作業(yè)。圖2 多功能履帶式機器人三維設(shè)

29、計圖多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人特點的對比多功能履帶式機器人的優(yōu)點：（1）.在惡劣環(huán)境下也可以作業(yè)，越障機動性好；（2）.具有很好的自復(fù)位能力，可以從任何顛覆狀態(tài)恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)；（3）.履帶上的履齒不容易打滑，與地面的附著性好，能夠最大程度的發(fā)揮電動機的效率輪式機器人的缺點：（1) 對行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時極容易打滑；（2) 移動轉(zhuǎn)向的時候需要整個機器人本體轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)彎半徑較大，占用的行走空間較多（3) 輪式機器人傳動系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，非專業(yè)人員不容易檢查和排除問題。 多功能履帶式機器人的設(shè)計參數(shù)產(chǎn)品類別：雙節(jié)四履帶式移動機器人材質(zhì)：鋁合金自身重量：60

30、kG規(guī)格(MM)：L825W550H630運行速度：0.40.8m/s行走電機功率：200W關(guān)節(jié)電機功率：200W續(xù)航時間：8H2.3 多功能履帶式機器人的具體設(shè)計多功能履帶式機器人主要從兩大方面進行具體設(shè)計：包括機器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計和機械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計；（1） 機器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計機器人底座結(jié)構(gòu)是整個履帶機器人的基礎(chǔ)，依靠它履帶式機器人才能夠在地面上行駛，也能夠攀爬建筑物內(nèi)部的樓梯以及一些更為復(fù)雜的地形。底座結(jié)構(gòu)包括：行走電動機、關(guān)節(jié)電動機，內(nèi)輪組件、車體框架組件、外輪組件、減速器、鏈傳動組件等；行走電動機提供源動力帶動履帶自身轉(zhuǎn)動行走，關(guān)節(jié)電動機帶動履帶本體調(diào)整行走角度，車體框架組件支撐著整個多

31、功能履帶式機器人的結(jié)構(gòu)，其承受了多功能履帶式機器人所有的負載，車體框架組件的前后分別安裝有兩個外輪組件和兩個內(nèi)輪組件，行走電機和關(guān)節(jié)電機均通過減速器將動力傳遞出去，鏈傳動組件負責(zé)將外輪組件和內(nèi)輪組件連接到一起。（2） 機械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計整個機械手臂安裝在履帶機器人的上部，通過機械手臂底座與車體框架組件連接到一起。機械手臂結(jié)構(gòu)包括：機器人大臂，機器人中臂，機器人小臂，攝像頭組件，機器人抓手等，機械手臂的功能在于讓履帶式機器人可以360無死角的清除路面上的障礙物，通過攝像頭組件可以清楚的觀察到道路環(huán)境中的實際情況，頂部的機器人抓手可以完成一些基本功能的抓取和清掃作業(yè)。 機器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計本設(shè)計中的機

32、器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括行走電動機的設(shè)計與選型，減速器齒輪的設(shè)計，鏈傳動的設(shè)計與選型；行走電動機的設(shè)計與選型在本設(shè)計中，鏈傳動組件將前后兩個外輪組件和兩個內(nèi)輪組件連接起來，相當(dāng)于四個履帶由兩個相同的行走電動機兩兩驅(qū)動，也就是說一個行走電機驅(qū)動一側(cè)的履帶行走。行走電機所需的功率計算：式中：安全系數(shù)，考慮超載或功耗波動等影響，取1.5； 多功能履帶式機器人所需的功率； 傳動裝置的總傳動效率；行走電機的功率。多功能履帶式機器人所需的功率計算：式中：單個行走電機作用于單側(cè)履帶式機器人的牽引力，N； V整個履帶式機器人的行走速度，m/s。假設(shè)履帶與地面之間的滾動摩擦系數(shù)=0.5，已知履帶機器人自身重量為

33、60KG，且兩個行走電機作用于履帶機器人上的牽引力與摩擦力f相等，則計算=f/2=mg/2=0.560 kg10 N/kg/2=150N由設(shè)計參數(shù)可知，整個履帶機器人的行走速度V為0.40.8m/s，取V最大值為0.8m/s計算得出=V=150N0.8m/s=120W履帶在轉(zhuǎn)動的過程中，行走電機與履帶之間通過減速器連接，減速器與履帶之間又通過鏈傳動組件連接，因此查機械設(shè)計手冊得到：類別傳動形式效率（%）減速器直齒圓柱齒輪傳動0.97鏈傳動滾子鏈0.96表2.1 各傳動部件的傳動效率因此可以計算得到從行走電機到履帶的總傳動效率為行走電機實際作業(yè)時所需要的輸出功率。本設(shè)計中的行走電機選型采用的是直

34、流無刷電機。作為同步電機的一種，直流無刷電機相對于其它類型的電動機具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點。根據(jù)上面的計算，我們得到多功能履帶式機器人行走電機實際工作時所需要的輸出功率為193.29W，考慮在行走過程中可能遇到復(fù)雜地形的情況，我們選定行走電機的品牌為瑞士maxon直流無刷電機，型號為EC-4pole 30，其工作額定功率為200W，額定轉(zhuǎn)速n為16200r/min,行走電機的具體參數(shù)見表2.2；表2.2 行走電機詳細參數(shù)由設(shè)計三維圖可知內(nèi)輪的直徑為220mm，且設(shè)計要求整個履帶機器人的行進速度為0.40.8m/s，所以履帶行走的最大轉(zhuǎn)速減速器齒輪

35、的設(shè)計已知選定的行走電機型號為EC-4pole 30，其工作額定功率為200W，額定轉(zhuǎn)速n為16200r/min,且履帶的轉(zhuǎn)速為69.45r/min，如果我們直接通過減速器減速則減速器總傳動比為233。如果我們只選用減速器減速，那么傳動比i=233就必須通過很多級減速才可以實現(xiàn)，考慮到多功能履帶式機器人的設(shè)計要求：結(jié)構(gòu)安裝簡單，自身重量輕，因此減速器的體積也需要盡可能的小，所以本設(shè)計中采用電機自帶減速器的方式先來降低電機自身輸出轉(zhuǎn)速。我們查瑞士maxon直流無刷電機的產(chǎn)品手冊，查到行走電機EC-4pole 30的配套減速器的具體規(guī)格如下表2.3；表2.3 行走電機減速器詳細參數(shù)我們這里選擇配套

36、的減速器為行星輪減速器，型號為GP-42C，我們已知行走電機的輸出軸直徑為5mm，小于減速器最大允許電機軸徑8mm，滿足要求，并根據(jù)總傳動比i=233，我們選擇減速器的編號為203129，減速比為156:1，精確減速比為156。那么我們可以將總傳動比i分別分配到行走電機減速器，齒輪減速器和鏈傳動減速器上?？傻梦覀冞@里設(shè)計齒輪的傳動比為1：1，也是說齒輪副兩個嚙合齒輪齒數(shù)相等，于是計算出鏈輪的傳動比為1.5:1。齒輪減速器為行走電機與鏈傳動之間的獨立的閉式傳動裝置，它通過降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩來滿足實際工況的需求。減速器的類型有很多，按照傳動方式的不同可以分為齒輪減速器，蝸輪蝸桿減速器和行星減速器；

37、按照傳動的級數(shù)可以分為單級和多級減速器。我們已知本設(shè)計中的齒輪減速器的減速比為1。通常情況下單級齒輪減速器的傳動比i810，且齒輪減速器的優(yōu)點是效率和可靠性高，工作壽命長，維護簡單；這里齒輪可以選擇直齒、斜齒和人字齒。由于本設(shè)計中的履帶轉(zhuǎn)動的工作轉(zhuǎn)矩較大，因此選擇單級直齒圓柱齒輪做為本設(shè)計中的齒輪減速器。齒輪齒數(shù)的選擇在設(shè)計時保證直齒輪傳動的中心距不變的條件下，增加齒數(shù)，不僅可以增大齒輪嚙合的重合度、保證傳動的平穩(wěn)性，而且可以減小齒輪模數(shù)，降低齒高，減少加工的切削量。為了提高傳動的穩(wěn)定性，減少傳動過程中的沖擊振動，降低磨損失效。根據(jù)齒輪副的工作環(huán)境選擇不同的齒輪齒數(shù)，閉式齒輪傳動一般轉(zhuǎn)速較高，

38、為了提高傳動的穩(wěn)定性，減小沖擊振動，通常選擇齒數(shù)多一點的齒輪，小齒輪的齒數(shù)可取為Z1=2040，而開式（半開式）齒輪傳動，由于輪齒的磨損失效為主要因素，因此小齒輪的齒數(shù)通常選用不多，一般可以小齒輪的齒數(shù)Z1=1720，且為了防止齒輪嚙合時發(fā)生根切，應(yīng)取Z117。本設(shè)計中的齒輪副的工作環(huán)境為封閉的減速箱內(nèi)，且齒輪傳動的轉(zhuǎn)速較高，因此選定小齒輪的齒數(shù)Z1為30。主動齒輪齒數(shù)確定后，按傳動比i=Z2/Z1可以計算出從動齒輪齒數(shù)Z2也為30。直齒圓柱齒輪傳動的基本參數(shù)見表21所示：表 2-1名稱主動齒輪從動齒輪齒數(shù)3030變位量系數(shù)00齒頂高系數(shù)11頂隙系數(shù)0.250.25刀具模數(shù)1.51.5刀具壓力

39、角2020齒寬87直齒圓柱齒輪靜力及接觸分析的理論計算對直齒圓柱齒輪分別進行接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度的校核，確定斜齒輪副能否滿足實際工況下的需求。直齒圓柱齒輪材質(zhì)選用Q235A，齒輪表面做調(diào)質(zhì)熱處理，齒輪副的參數(shù)如表2-2所示。表2-2斜齒輪副參數(shù)齒 輪模數(shù)(m)齒數(shù)(z)轉(zhuǎn)速(n)分度圓直徑（mm）功率(p)主動齒輪1.530104r/min45200W從動齒輪1.530104r/min45（1）齒輪接觸疲勞強度校核1）計算主動齒輪名義轉(zhuǎn)矩T1=9.55106P1/n1=9.551030.2/104=18.36N.M取直齒輪材料接觸疲勞極限應(yīng)力。2）計算主動齒輪的的圓周力Ft=2T1/d1

40、=218.36/0.045=816N3）許用接觸疲勞強度計算主動齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N1=60njLh=601041010250=1.56108從動齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N2=60njLh=601041010250=1.56108取安全系數(shù)取 則許用接觸疲勞強度為：4）直齒輪齒面接觸疲勞強度校核：取齒寬系數(shù) 則齒寬為 b=dd1=0.645=27齒輪傳動比 u=Z2/Z1=30/30=1齒輪重合度=(1/z1+1/Z2）cos=1.566取重合度系數(shù) 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 彈性系數(shù) 載荷系數(shù) K=2.669直齒面接觸疲勞強度校核：H=ZEZHZ（K Ft/bd1）*（u+1）/u0.5=189.82.50.

41、95（2.669816/27/45）（1+1）/10.5=842.15MPa得到結(jié)果： （2）直齒輪彎曲疲勞強度校核1）確定載荷系數(shù)：取 動載荷系數(shù) 取齒間載荷分配系數(shù) 取 則2）確定齒形參數(shù)取從動齒輪齒形系數(shù) 應(yīng)力修正系數(shù) 主動齒輪齒形系數(shù) 應(yīng)力修正系數(shù)重合度系數(shù)3）確定直齒輪彎曲疲勞許用應(yīng)力 斜齒輪彎曲疲勞許用應(yīng)力為 根據(jù)齒輪材料取彎曲疲勞極限應(yīng)為， 取彎曲疲勞強度計算的壽命系數(shù)：， 取應(yīng)力修正系數(shù) 取彎曲疲勞強度安全系數(shù) 則彎曲疲勞許用應(yīng)力：4）校核齒輪彎曲疲勞強度： 按主動齒輪校核齒輪彎曲疲勞強度：F2=kFtYFa2YSa2Y/bm=2.878162.751.60.95/3/48=6

42、7.98MPa經(jīng)過上面對直齒輪副的強度校核計算得到以下結(jié)果：齒輪接觸疲勞和彎曲疲勞強度為：H=ZEZHZ（K Ft/bd1）*（u+1）/u0.5=5（2.669816/27/45）（1+1）/10.5=842.15MPaF2=kFtYFa2YSa2Y/bm=2.878162.751.60.95/3/48=67.98MPa對疲勞強度進行比較：經(jīng)過對比我們可以得到結(jié)論：直齒輪的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度都滿足實際強度要求。直齒輪靜力及接觸的有限元分析分析直齒輪的應(yīng)力分布圖，我們可以得出直齒輪在進入或退出嚙合時，因為直齒輪的彈性形變將發(fā)生干涉和沖擊，直齒輪的齒頂、齒根和端面邊

43、緣都會發(fā)生應(yīng)力集中，這些應(yīng)力集中很容易造成直齒輪失效，因此分析直齒輪受力，避免應(yīng)力集中可以有效地提高直齒輪的使用時間。從主動齒輪的接觸應(yīng)力圖中可以看出，主動齒輪齒根圓處的應(yīng)力大小在70MPa 到 100MPa 區(qū)間內(nèi)，齒輪齒形表面的應(yīng)力分布有逐漸增大的態(tài)勢，其大小為 140245MPa，而齒形表面及齒槽表面分布其應(yīng)力值逐漸降低到35MPa 左右，主動齒輪的最大應(yīng)力出現(xiàn)在加載的齒形嚙合部分的齒頂附近處，大小為316MPa。圖2.4 主動齒輪接觸應(yīng)力分布圖從齒輪副接觸應(yīng)力圖中可以看出，從動齒輪的應(yīng)力分布方式與主動齒輪基本相似。從動齒輪的齒根圓處的應(yīng)力值在 274MPa 到 366MPa 之間的范圍

44、，齒形表面的應(yīng)力分布逐漸加大，附近的應(yīng)力其值為 457549MPa，而齒形表面及齒根表面的應(yīng)力分布，其應(yīng)力值逐漸降低到91183MPa 左右，與主動齒輪的應(yīng)力分布相似，齒形嚙合處附近接近齒頂輪廓處的應(yīng)力較大，從動齒輪該處為最大應(yīng)力點，而從動齒輪上該位置的應(yīng)力最大值約為 824MPa。圖2.5齒輪副接觸應(yīng)力分布圖根據(jù)以上分析可以得到結(jié)論：齒輪運動副中的危險應(yīng)力集中位置，我們在實際的齒輪生產(chǎn)加工工藝中可以作為技術(shù)依照，為了后面使用過程中增加齒輪的耐久性和穩(wěn)定性，需要在齒輪制造生產(chǎn)和熱處理工藝加工的過程中做特殊的表面熱處理。鏈傳動的設(shè)計鏈傳動是一種繞性傳動，通常由鏈條和鏈輪組成，通過鏈輪的輪齒和鏈條

45、的鏈節(jié)之間的嚙合傳遞動力。與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造和安裝精度要求較低，成本也較低。特別在長距離傳動時，結(jié)構(gòu)比齒輪傳動更加有優(yōu)勢。鏈條按用途不同又可以分為傳動鏈、輸送鏈和起重鏈。輸送鏈和起重鏈通常用于重型運輸機械和起重機械中。本設(shè)計中我們選用的是常用的傳動鏈。傳動鏈又可以分為滾子鏈和齒形鏈等類型，本設(shè)計中采用的是常規(guī)的滾子鏈，通常用于低速的傳動系統(tǒng)中，且最大傳動比i=8。滾子鏈在傳遞較大功率時，可采用雙排鏈或者多排鏈。多排鏈的承載能力和排數(shù)成正比，但受到裝配精度的制約，多排鏈承受的載荷不容易分布均勻，因此鏈條的排數(shù)也不宜過多。（1） 鏈輪設(shè)計與計算小鏈輪的齒數(shù)少一點可以減小鏈輪的外廓尺寸，但

46、齒數(shù)過少時也會增加動力傳遞過程中的不均勻性和動態(tài)載荷；鏈條和鏈輪在嚙合時鏈節(jié)間的相對轉(zhuǎn)角增大使得鏈傳動的圓周力增大，導(dǎo)致鏈傳動整體的磨損。因此小鏈輪的齒數(shù)Z1也不宜過小，通常情況下鏈輪的最少齒數(shù)Zmin=9。一般Z116，對于高速傳動或是承受較大沖擊載荷的鏈傳動Z1不少于25。同樣小鏈輪的齒數(shù)Z1也不宜取得過大，在傳動比一定時，Z1大，Z2也相應(yīng)增大，會導(dǎo)致傳動結(jié)構(gòu)的總體尺寸增大，并且容易導(dǎo)致鏈條跳鏈和脫鏈的情況發(fā)生，也會影響鏈條的使用壽命。本設(shè)計中選定小鏈輪的齒數(shù)Z1=16，根據(jù)以上計算鏈輪的傳動比為1.5:1，可得到：Z2=Z1i=161.5=24鏈輪的節(jié)距P越大，承載能力也越高，但是P越

47、大也意味著鏈輪的總體尺寸越大，反而振動、沖擊和噪聲也會越嚴(yán)重。為了使整個鏈傳動結(jié)構(gòu)緊湊，當(dāng)速度高，功率大時，應(yīng)盡量選用小節(jié)距的多排鏈，本設(shè)計中采用雙排鏈的鏈輪傳動。（2） 鏈傳動的計算根據(jù)鏈傳動的工作環(huán)境，小鏈輪齒數(shù)和鏈條排數(shù)，將鏈傳動所傳遞的功率修正為當(dāng)量的雙排鏈的計算功率式中：工況系數(shù)，查機械設(shè)計手冊表9-6工況系數(shù)取1.0；小鏈輪齒數(shù)系數(shù)，查機械設(shè)計手冊圖9-13小鏈輪齒數(shù)系數(shù)取1.65；排鏈系數(shù)，雙排鏈時取=1.75，三排鏈時取=2.5；P傳遞的功率，KW。計算得到根據(jù)計算得到的排鏈的計算功率和小鏈輪的轉(zhuǎn)速n1=104r/min由機械設(shè)計手冊圖9-11得到鏈條型號為25B，鏈輪的型號為

48、25B，再根據(jù)機械設(shè)計手冊表9-1確定鏈條的節(jié)距P=6.35mm。鏈條具體尺寸見圖2.6；圖2.6 鏈條具體尺寸圖鏈條的鏈速V決定了鏈傳動的潤滑方式，鏈條平均鏈速查機械設(shè)計手冊圖9-14選擇定期人工潤滑的方式。（3） 鏈傳動的張緊鏈傳動張緊的目的在于，為了避免在鏈條的松邊垂度過大時產(chǎn)生鏈傳動嚙合不良和鏈條的振動現(xiàn)象，同時也增加鏈條和鏈輪的嚙合包角。張緊的方式有很多，當(dāng)小鏈輪與大鏈輪之間的中心距可調(diào)時，可以通過調(diào)節(jié)中心距來控制鏈條的張緊程度。但是當(dāng)中心距不可調(diào)時，我們只有通過增加張緊輪的方式實現(xiàn)鏈條的張緊。張緊輪可以是鏈輪，也可以是滾輪。且設(shè)計張緊輪時應(yīng)該使其直徑盡量與小鏈輪的直徑相接近。本設(shè)計

49、中小鏈輪的齒數(shù)為16，因此設(shè)計張緊鏈輪的齒數(shù)為11，型號為25B。2.3.2機械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計整個機械手臂安裝在履帶機器人的上部，通過機械手臂底座與車體框架組件連接到一起。機械手臂結(jié)構(gòu)包括：機器人大臂，機器人中臂，機器人小臂，攝像頭組件，機器人抓手等，機械手臂的功能在于讓履帶式機器人可以360無死角的清除路面上的障礙物，通過攝像頭組件可以清楚的觀察到道路環(huán)境中的實際情況，頂部的機器人抓手可以完成一些基本功能的抓取和清掃作業(yè)。機械手臂轉(zhuǎn)動電機的設(shè)計與選型本設(shè)計中機械手臂轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動電機選用的品牌和型號與行走電機一致，且與之配套的電機上的減速器也一致。但是電機上銜接的減速器將不能再采用常規(guī)的齒輪減速器，且從節(jié)省空間的角度考慮，機械手臂之間，如機器人大臂與機器人中臂，機器人中臂與機器人小臂，兩兩之間的方向是平行的，因此選擇電機的安裝方向與機械手臂的方向也是平行的。這意味著電機輸出軸的方向與機械手臂關(guān)節(jié)的中心軸方向是垂直的。蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸之間傳遞動力的一種傳動裝置，兩軸線交錯的角度通常為90，該傳動有以下優(yōu)點：1. 使用蝸桿傳動可以實現(xiàn)大傳動比，由于傳動比大，零件數(shù)目又少，因此整個結(jié)構(gòu)就很緊湊；