煤礦救生機(jī)器人設(shè)計(jì)【四連桿變形履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)】
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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
摘 要
四連桿變形履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)布局, 主要由機(jī)架和兩個(gè)對(duì)稱分布的履帶變形模塊組成。位于機(jī)器人中部的機(jī)架作為移動(dòng)平臺(tái)可裝載直流電源及與控制相關(guān)的各種設(shè)備, 用于完成各種特定的任務(wù), 在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中一般保持水平。
機(jī)架兩側(cè)是基于平行四邊形結(jié)構(gòu)的履帶變形模塊, 主要由四連桿變形機(jī)構(gòu)、主驅(qū)動(dòng)輪、被動(dòng)輪及繞在履帶輪上的履帶組成, 其中四連桿變形機(jī)構(gòu)由連桿、主動(dòng)曲柄、被動(dòng)曲柄組成, 用于提供驅(qū)動(dòng)力, 并且可以繞機(jī)架旋轉(zhuǎn), 實(shí)現(xiàn)履帶變形, 在越障時(shí)給機(jī)器人提供額外的輔助運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人共有3個(gè)自由度, 即一個(gè)平動(dòng)自由度和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。安裝在機(jī)器人兩個(gè)主驅(qū)動(dòng)輪內(nèi)的電機(jī)通過聯(lián)軸器傳動(dòng), 將主驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁膸У钠揭七\(yùn)動(dòng), 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向。另外一個(gè)電機(jī)安裝在機(jī)架上, 通過鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)履帶變形模塊中的主動(dòng)曲柄繞位于機(jī)架前方的軸轉(zhuǎn)動(dòng), 從而實(shí)現(xiàn)四連桿機(jī)構(gòu)的變形, 最終使繞在其四周的履帶構(gòu)形發(fā)生變化。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于巧妙地利用四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的行進(jìn)與履帶的變形, 使機(jī)器人具備良好的越障性能和地面適應(yīng)性。
關(guān)鍵詞：平行四邊形 四連桿變形履帶式機(jī)器人 越障
Abstract
Four 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 mounted 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
46
目 錄
1 緒論 1
1.1 選題背景和意義 1
1.2 履帶機(jī)器人研究現(xiàn)狀 3
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 3
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 6
1.3 微小型履帶機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 8
1.3.1 模塊化設(shè)計(jì)技術(shù) 8
1.3.2 控制技術(shù) 9
1.3.3 通信技術(shù) 9
1.3.4 多傳感器信息融合技術(shù) 10
1.3.5 導(dǎo)航和定位技術(shù) 10
1.4 履帶機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 11
1.4.1 多機(jī)器人編隊(duì) 11
1.4.2 人工智能的使用 11
1.4.3拓展使用范圍 11
1.4.4 加強(qiáng)實(shí)戰(zhàn)使用 12
1.4.5 跨平臺(tái)互操作能力 12
1.4.6 開發(fā)通用平臺(tái) 12
1.4.7 進(jìn)一步提高自主能力 13
1.5 本文主要研究內(nèi)容 13
2 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算與電機(jī)選擇 15
2.1 機(jī)器人整車驅(qū)動(dòng)力 15
2.2 牽引電機(jī)特性參數(shù) 16
2.3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)功率確定 17
2.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇 19
3 四連桿履帶式機(jī)器人內(nèi)部減速器設(shè)計(jì) 20
3.1 驅(qū)動(dòng)輪蝸輪蝸桿減速器設(shè)計(jì) 20
3.1.1電機(jī)的選擇 20
3.1.2動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算 20
3.1.3傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 21
3.1.4輸入軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
3.1.5輸出軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 27
目 錄
3.2 控制主動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)到的蝸輪蝸桿減速器設(shè)計(jì) 29
3.2.1電機(jī)的選擇 29
3.2.2動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算 30
3.2.3傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 30
3.2.4輸入軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 33
3.2.5輸出軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 36
4 四連桿變形履帶式機(jī)器人的建模 39
4.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)與Proe軟件簡介 39
4.2四連桿變形履帶式機(jī)器人虛擬樣機(jī)建模 40
4.2.1三維模型的建立 40
5總結(jié) 42
致 謝 44
參考文獻(xiàn) 45
1 緒論
1.1 選題背景和意義
近年來，多發(fā)的自然災(zāi)害（如地震、火災(zāi)、洪水）、人為的恐怖活動(dòng)、武力沖突及各種生化病毒、有毒物質(zhì)、輻射等恐怖不斷威脅著人類的安全，使得人們普遍關(guān)注對(duì)各種災(zāi)害的應(yīng)急能力、災(zāi)后的快速響應(yīng)處理能力。在突發(fā)恐怖事件、自然災(zāi)害及意外傷害發(fā)生后，巨大的災(zāi)害往往造成大范圍的建筑物坍塌和人員傷亡，現(xiàn)場(chǎng)搜索與救援成為人不最為緊急的工作。然而現(xiàn)場(chǎng)多為坍塌環(huán)境，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不穩(wěn)定，有些狹小空間救援人員和搜救犬根本無法進(jìn)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(jìn)入建筑物也將有巨大的風(fēng)險(xiǎn)，其體重和移動(dòng)可能會(huì)引起建筑物進(jìn)一步倒塌，造成對(duì)救援人員和幸存者的再次傷害。因此，救援隊(duì)員必須在結(jié)構(gòu)工程師進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)不穩(wěn)定的倒塌結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐加固后才能進(jìn)入，這個(gè)過程延誤了搜救受災(zāi)者的時(shí)間。同時(shí)，由于搜尋空間條件惡劣，易導(dǎo)致救援隊(duì)員勞累，從而易對(duì)周圍建筑結(jié)構(gòu)作出錯(cuò)誤判斷，錯(cuò)過沒有知覺受災(zāi)者的概率上升，而且救援人員也存在重大的健康風(fēng)險(xiǎn)和安全風(fēng)險(xiǎn)，影響救援工作的快速展開。
將機(jī)器人技術(shù)、營救行動(dòng)技術(shù)、災(zāi)害學(xué)等多學(xué)科知識(shí)有機(jī)融合，研制與開發(fā)用于搜救與營救的救援機(jī)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(jī)器人是指用在災(zāi)后非結(jié)構(gòu)環(huán)境下執(zhí)行搜索與救援任務(wù)的特種機(jī)器人。機(jī)器人在搜索與救援過程中明顯具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。
一、在發(fā)生倒塌后，機(jī)器人可以立即展開對(duì)幸存者的搜索，進(jìn)入結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的建筑物，降低救援隊(duì)員的風(fēng)險(xiǎn)，為搜救工作節(jié)約時(shí)間
二、可以進(jìn)入狹窄空間，擴(kuò)展搜救專家的工作范圍。建筑物倒塌會(huì)形成各種各樣的空間，這些空間可能就會(huì)有幸存者，但搜救人員難以進(jìn)入，而機(jī)器人卻可以一展身手。
三、可以攜帶多種傳感器，探測(cè)幸存者空間狀況，在機(jī)器人軟件的幫助下對(duì)搜索區(qū)域?qū)嵭型暾娜S搜索，繪制結(jié)構(gòu)圖，提升工作效率和可靠性。搜救機(jī)器人可以攜帶溫度探測(cè)器、一氧化碳探測(cè)器、爆炸界限探測(cè)器、氧氣、PH探測(cè)器、輻射探測(cè)器和殺傷性武器探測(cè)器，從而測(cè)定空氣讀數(shù)，探測(cè)有害物質(zhì)，分析后向救援人員提出警告。
同時(shí)由于機(jī)器人技術(shù)發(fā)展極為迅猛，用于偵察和作戰(zhàn)等軍事領(lǐng)域的機(jī)器人，由于其特殊用途受到了各國軍方的廣泛關(guān)注。許多軍用機(jī)器人的研究成果直接應(yīng)用于國家安全領(lǐng)域，在維護(hù)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(dòng)機(jī)器人在各種復(fù)雜環(huán)境下具有較高的機(jī)動(dòng)性，可以代替人類進(jìn)入一些危險(xiǎn)未知的環(huán)境，適應(yīng)于國防和民用等多個(gè)領(lǐng)域，而且在反恐斗爭中葉可以發(fā)揮很大作用。
這類機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括以下幾個(gè)方面：
（1） 戰(zhàn)場(chǎng)偵察與環(huán)境探測(cè)
在移動(dòng)平臺(tái)上裝備攝像頭、安全激光測(cè)距儀、夜視裝置和衛(wèi)星全球點(diǎn)位儀等設(shè)備，通過無線電或光纜操縱，完成偵察和監(jiān)視敵情、情報(bào)收集、目標(biāo)搜索和自主巡邏等任務(wù)。還可以進(jìn)入一些人類無法進(jìn)入或適應(yīng)的危險(xiǎn)環(huán)境，完成規(guī)模戰(zhàn)爭和反恐作戰(zhàn)中的偵察任務(wù)。
（2） 高度機(jī)動(dòng)與協(xié)同作戰(zhàn)
由于體積較小、機(jī)動(dòng)能力較強(qiáng)，機(jī)器人能快速部署，完成偵察、警戒、目標(biāo)突擊、追擊乃至解救人質(zhì)、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(qiáng)大的攻擊殺傷力，特別適用于城市和惡劣環(huán)境下（如核、生、化戰(zhàn)場(chǎng)等）的局部戰(zhàn)爭和信息戰(zhàn)爭。
（3）探測(cè)危險(xiǎn)與排除險(xiǎn)情
在戰(zhàn)場(chǎng)上或工程中，常常會(huì)遇到各種各樣的意外。這時(shí)，微型移動(dòng)機(jī)器人就會(huì)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(cè)化學(xué)泄露物質(zhì)，可以進(jìn)行地鐵滅火，以及在強(qiáng)烈地震發(fā)生后到廢墟中尋找被埋人員等。
（4） 安全檢測(cè)與受損評(píng)估
在工程建設(shè)領(lǐng)域，除可對(duì)水庫堤壩、江河大壩進(jìn)行質(zhì)量和安全性檢測(cè)之外，還可應(yīng)用于碼頭、橋墩等被撞后的受損程度探測(cè)評(píng)估。在制造領(lǐng)域，可用于工業(yè)管道中機(jī)械損傷，裂紋等缺陷的探尋，對(duì)輸油和輸氣管道線的泄露和破損點(diǎn)的查找和定位等。還可用于機(jī)場(chǎng)、車站等一些人口密集型場(chǎng)所，對(duì)來往人群、貨物進(jìn)行安全監(jiān)控，也可以直接布置在客機(jī)機(jī)艙中執(zhí)行檢查危險(xiǎn)物品的任務(wù)。
這些特種機(jī)器人技術(shù)集機(jī)械、電子、新材料、傳感器、計(jì)算機(jī)、智能控制與網(wǎng)絡(luò)通信等多門科學(xué)于一體，是一種具有基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性和前瞻性的高新技術(shù)。對(duì)這種機(jī)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(shù)上的有力支持。
本課題目標(biāo)是要研究和開發(fā)一種能搭載多種特殊裝置的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)?？梢源钶d不同功能模塊完成相應(yīng)的任務(wù)，在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域得到推廣，應(yīng)用前景廣闊。
1.2 履帶機(jī)器人研究現(xiàn)狀
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
從20世紀(jì)60年代開始，國外就對(duì)小型履帶式式移動(dòng)機(jī)器人展開了系統(tǒng)的研究，經(jīng)過多年的技術(shù)積累和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。
在微小型履帶機(jī)器人研究方面，美國走在了世界的前列，它具有獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)性無人作戰(zhàn)機(jī)器人計(jì)劃，加上近年來反恐及城市巷戰(zhàn)的需要，小型智能履帶機(jī)器人研制工作受到了軍方高度重視。影響較大的有Packbot機(jī)器人、URBOT、NUGV和Talon機(jī)器人。它們應(yīng)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(jī)器人
圖1-2 Packbot機(jī)器人
美國著名的軍用及特種機(jī)器人公司IRobot研制了微小型便攜式機(jī)器人Packbot系列，如圖1-1、圖1-2所示。該系列機(jī)器人采用履帶式結(jié)構(gòu)并裝備有鰭狀肢，鰭狀肢可根據(jù)任務(wù)要求在機(jī)器人前端安裝一對(duì)或前、后兩端各安裝一對(duì)，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(jī)器人，如圖1-3所示。這種凝結(jié)了尖端技術(shù)的機(jī)器人能夠移動(dòng)、銷毀或引爆炸彈。在TEODOR的身上裝備有4個(gè)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(tái)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(jié)炸彈裝置。
圖1-3 TEODOR機(jī)器人
履帶式機(jī)器人是為了滿足軍事偵察、拆除危險(xiǎn)物等作業(yè)的需要,在傳統(tǒng)的輪式移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。圖1-4給出了目前國際上幾家著名機(jī)器人公司的典型產(chǎn)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(nèi)搜尋幸存者。
圖1-4
為了能進(jìn)入狹小空間展開搜救工作，要求機(jī)器人的體積要盡可能小，但體積小了搜索視野就會(huì)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(jī)器人平臺(tái)基礎(chǔ)上，研制出了形態(tài)可變的履帶式多態(tài)搜救機(jī)器人。圖1-5為加拿Inuktun 公司MicroVGTV多態(tài)搜救機(jī)器人，他可以根據(jù)搜索通道的大小及搜尋范圍的遠(yuǎn)近靈活地調(diào)整形狀和尺寸。
圖1-5
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)微小型機(jī)器人的研究與開發(fā)工作晚于西方發(fā)達(dá)國家。我國是從20世紀(jì)80年代開始涉足機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃；80年代末，我國把排爆機(jī)器人列入“863”高技術(shù)計(jì)劃。目前我國從事機(jī)器人研究和應(yīng)用開發(fā)的主要是高校及有關(guān)科研所，針對(duì)微小型履帶機(jī)器人研究主要集中在警用、民用等非作戰(zhàn)領(lǐng)域。經(jīng)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(jī)器人，它們具有探測(cè)及多種作業(yè)功能，是可以廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)、公安、武警的新型機(jī)器人產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)性能上，國內(nèi)開發(fā)研制的微小型機(jī)器人與國外同類機(jī)器人相比還存在一定差距。
中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所研制的復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人——“靈晰-B”型排爆機(jī)器人進(jìn)入服役期，如圖1-6所示，該機(jī)器人采用輪、腿、履復(fù)合移動(dòng)式機(jī)構(gòu)，車身分三段，前、后履帶可繞車體轉(zhuǎn)動(dòng)，輔助上下臺(tái)階。車體裝備機(jī)械手、云臺(tái)、三個(gè)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(shí)現(xiàn)全方位行走。根據(jù)需求可裝備爆炸物銷毀器、連發(fā)散彈槍、催淚彈等武器，大小手臂完全伸展時(shí)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(dòng)中的傷亡，對(duì)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(dá)伙伴機(jī)器人有限公司研制的“龍衛(wèi)士Dragon Guard X3B反恐機(jī)器人”，是我國第一臺(tái)單兵反恐機(jī)器人。機(jī)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(yùn)行，適應(yīng)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(lǐng)域，綜合指標(biāo)接近國際水平。
圖1-8 JW-901排爆機(jī)器人
JW-901排爆機(jī)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(jī)器人可廣泛應(yīng)用于搜索、排爆、排除放射性物質(zhì)，代替人去完成危險(xiǎn)的工作。JW-901排爆機(jī)器人的主要功能——抓取，優(yōu)于國內(nèi)外同類機(jī)器人。該排爆機(jī)器人機(jī)械臂最高伸展2.7m，可將可疑物輕輕地放于高達(dá)1.8m的車載防爆罐中。機(jī)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(zhuǎn)90°，縱向旋轉(zhuǎn)360°，可靈活地將可疑物品從防爆罐中取出。這是其他機(jī)器人難以做到的。
1.3 微小型履帶機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)
微小型履帶機(jī)器人的研究涉及機(jī)械、控制、傳感器、人工智能等技術(shù)，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，要求其智能化程度更高，涉及的技術(shù)更廣，難度也越來越高，其核心技術(shù)主要包括模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)、導(dǎo)航和定位技術(shù)等。
1.3.1 模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)
基于模塊化設(shè)計(jì)的微小型履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)構(gòu)型可以根據(jù)工作任務(wù)而改變，不同的機(jī)器人構(gòu)型有不同的工作空間，適用于執(zhí)行不同的任務(wù)，因此對(duì)任務(wù)與環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)。
為了加快開發(fā)多種不同功能的機(jī)器人，有些公司將行走機(jī)構(gòu)模塊化，如美國IRobot公司制造的Packbot機(jī)器人，目前已有3種型號(hào)：偵察型、探險(xiǎn)型和處理爆炸裝置型，但全部動(dòng)采用相同的底盤。
1.3.2 控制技術(shù)
微小型履帶機(jī)器人作為在危險(xiǎn)、惡劣、有害的環(huán)境中執(zhí)行特殊任務(wù)時(shí)使用的一種高技術(shù)裝備，所采用的控制技術(shù)應(yīng)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(hù)；
（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(yīng)性強(qiáng)。
1.3.3 通信技術(shù)
通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)控制站和履帶機(jī)器人之間信息傳輸?shù)臉蛄?，是有效、?zhǔn)確地控制機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)和移動(dòng)載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵技術(shù)。通信系統(tǒng)是機(jī)器人控制系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，負(fù)責(zé)完成前方與后方之間的雙向信息交流，包括數(shù)據(jù)通信、視頻信號(hào)通信、音頻信號(hào)通信。微小型履帶機(jī)器人的特殊應(yīng)用環(huán)境對(duì)機(jī)器人通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性和隱蔽性都有很高的要求。通常微小型履帶機(jī)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。
1.3.4 多傳感器信息融合技術(shù)
單一傳感器獲得的信息量非常有限，對(duì)機(jī)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(jī)器人通常都配置多種不同用途的傳感器，構(gòu)成復(fù)雜的多傳感器系統(tǒng)。如果只對(duì)各個(gè)不同傳感器采集的信息進(jìn)行單獨(dú)加工，不僅會(huì)導(dǎo)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(nèi)在聯(lián)系，失去的信息組合還有可能蘊(yùn)含著有用的環(huán)境特征信息，從而造成信息資源的浪費(fèi)。因此，必須采用多傳感器信息融合技術(shù)來提高系統(tǒng)的容錯(cuò)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(dǎo)航和定位技術(shù)
微小型履帶機(jī)器人所面向的環(huán)境是現(xiàn)實(shí)世界中復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境，如何利用自身受限的感知和行為能力引導(dǎo)機(jī)器人順利完成復(fù)雜的任務(wù)，是微小型履帶機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自身導(dǎo)航和定位必須解決的問題。一般的，微小型履帶機(jī)器人的自主導(dǎo)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(jī)器人的三類模塊在監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)督管理下，能夠?qū)崟r(shí)感知周圍環(huán)境信息。自主地做出各種決策，隨時(shí)調(diào)整機(jī)器人位姿并執(zhí)行相應(yīng)的操作。因此，微小型履帶機(jī)器人的導(dǎo)航定位系統(tǒng)是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行一體的綜合系統(tǒng)。
1.4 履帶機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)
為了應(yīng)付各種危險(xiǎn)的復(fù)雜環(huán)境，最大限度地減少人員傷亡，微小型履帶機(jī)器人得到了空前重視，出現(xiàn)了大批較為成功的微小型履帶機(jī)器人。但是從這些機(jī)器人中可以看到一些缺點(diǎn)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(jī)器人未來的發(fā)展趨勢(shì)。
1.4.1 多機(jī)器人編隊(duì)
目前微小型履帶機(jī)器人的研究主要是針對(duì)單個(gè)系統(tǒng)的，但從未來應(yīng)用的角度來看，機(jī)器人編隊(duì)系統(tǒng)的研究將會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。多機(jī)器人編隊(duì)的優(yōu)勢(shì)在于可以盡可能擴(kuò)大視野、消除視覺死角、提高執(zhí)行任務(wù)的效率，而且也可以提高整個(gè)編隊(duì)系統(tǒng)的可靠性和存貨率，從而保證任務(wù)的 完成。
1.4.2 人工智能的使用
人工智能技術(shù)包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等，已經(jīng)在微小型履帶機(jī)器人尤其是偵察機(jī)器人中得到了應(yīng)用，但是應(yīng)用范圍和其控制的效果都還沒有達(dá)到理想的程度。在未來的微小型履帶機(jī)器人中，這些人工智能技術(shù)將會(huì)充分發(fā)揮自己的優(yōu)勢(shì)，在自主機(jī)器人系統(tǒng)中發(fā)揮主導(dǎo)作用。
1.4.3拓展使用范圍
目前微小型履帶機(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)域主要用途是洞穴和建筑物勘測(cè)、掃雷、破障、生化戰(zhàn)劑探測(cè)等；但還不能滿足目前日益增長的生產(chǎn)、生活需求和軍事需求，世界各國開始積極拓展小型履帶式機(jī)器人的使用范圍，包括將微小型履帶機(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。
1.4.4 加強(qiáng)實(shí)戰(zhàn)使用
實(shí)戰(zhàn)使用的微小型履帶機(jī)器人不僅可以檢驗(yàn)其性能，而且可以證實(shí)其應(yīng)用潛力和價(jià)值。美國陸軍已經(jīng)在伊拉克自由行動(dòng)和阿富汗戰(zhàn)爭中部署其新型無人偵查機(jī)器人Packbot、Maltilda和Talon機(jī)器人等，用于執(zhí)行洞穴和建筑物勘測(cè)，地雷探測(cè)與標(biāo)示、生化戰(zhàn)劑探測(cè)等任務(wù)。
1.4.5 跨平臺(tái)互操作能力
單一的微小型履帶機(jī)器人所能完成的任務(wù)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(tái)要密切集成與合作，這樣就需要各平臺(tái)間具有無縫隙連接的、可靠地互操作能力，良好的跨平臺(tái)操作能力取決于對(duì)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和接口、信息傳輸、建模、處理與安全及人機(jī)界面等的深入研究。
1.4.6 開發(fā)通用平臺(tái)
利用同一種微小型履帶機(jī)器人平臺(tái)搭載多種不同的功能模塊，以減少專用機(jī)器人平臺(tái)數(shù)量，提高基礎(chǔ)平臺(tái)的質(zhì)量，從而極大地提高微小型履帶機(jī)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(jī)器人便使用了通用平臺(tái)，將各個(gè)功能模塊化，在通用平臺(tái)的基礎(chǔ)上搭載不同的功能模塊，便可以實(shí)現(xiàn)不同的功能。由于功能模塊化，在通用平臺(tái)的基礎(chǔ)上搭載不同的功能模塊，便可以實(shí)現(xiàn)不同的功能，由于功能模塊具有良好統(tǒng)一的接口，使得功能模塊的更換實(shí)現(xiàn)“即插即用”，在緊急情況下，操作人員于短時(shí)間內(nèi)便可完成功能模塊的拆除和安裝。
1.4.7 進(jìn)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(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遙控式不現(xiàn)實(shí)的，而且出于保密要求一些地方通行會(huì)受到限制，還有一些地方（如地道）又無法進(jìn)行通行；其次在危險(xiǎn)區(qū)域遙控微小型履帶機(jī)器人，操作人員的安全不能保證；最后，遙控微小型履帶機(jī)器人的操作人員需要專門訓(xùn)練。因而需要進(jìn)一步提高微小型履帶機(jī)器人的自主能力。
1.5 本文主要研究內(nèi)容
本文以研究和開發(fā)一種能搭載多種特殊裝置的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)為目標(biāo)，提出了一種新型三自由度微小型履帶機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案。機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，可迅速拆裝，適合單兵攜帶和進(jìn)行維護(hù)，具有良好的機(jī)動(dòng)性，在越障、越溝、攀爬方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。
該機(jī)器人作為一種穩(wěn)定的移動(dòng)平臺(tái)，最大優(yōu)點(diǎn)是具有良好的越障性能、環(huán)境適應(yīng)性能并具備了全地形通過能力，可進(jìn)一步開發(fā)成為通用平臺(tái)，裝載偵察設(shè)備、武器系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人編隊(duì)，形成戰(zhàn)斗群，提高機(jī)器人可靠性和存活率。也可以加載其他設(shè)備用于民用領(lǐng)域。
論文主要研究內(nèi)容如下：
1、 查閱參考文獻(xiàn)，對(duì)微小型履帶式機(jī)器人研究情況進(jìn)行調(diào)研。
2、 研究經(jīng)典履帶機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)微小型履帶機(jī)器人性能指標(biāo)進(jìn)行調(diào)研與分析，基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀提出四連桿變形履帶式機(jī)器人應(yīng)達(dá)到的性能指標(biāo)。
3、 四連桿變形履帶式機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。
4、 對(duì)四連桿變形履帶式機(jī)器人進(jìn)行越障能力分析
5、四連桿履帶式機(jī)器人內(nèi)部主要零件設(shè)計(jì)
6、對(duì)四連桿變形履帶式機(jī)器人建立虛擬樣機(jī)模型
2 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算與電機(jī)選擇
四連桿履帶式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置為牽引電機(jī)，牽引電機(jī)的性能好壞直接影響機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)能力，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：
（1） 電機(jī)低速輸出轉(zhuǎn)矩大且工作穩(wěn)定，過載系數(shù)大，有高的功率密度。
（2） 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速范圍大，即能工作在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，又能工作在恒功率區(qū)，同時(shí)在寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能保持較高的工作效率。
2.1 機(jī)器人整車驅(qū)動(dòng)力
機(jī)器人整車驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式為
（2-1）
（2-2）
式中—牽引動(dòng)力的總輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）；
i—機(jī)械傳動(dòng)比；
—主驅(qū)動(dòng)輪半徑（m）；
—驅(qū)動(dòng)電機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪的傳動(dòng)效率（=0.75~0.8）
—履帶行駛裝置的效率。
可根據(jù)下面的經(jīng)驗(yàn)公式確定：
=0.95—0.003 （2-3）
2.2 牽引電機(jī)特性參數(shù)
四連桿變形履帶式機(jī)器人要求在低速和爬坡時(shí)提供大轉(zhuǎn)矩，高速行駛時(shí)輸出大功率，并能大范圍變速。主要特性參數(shù)包括電機(jī)的額定功率、額定轉(zhuǎn)速、峰值功率、最大轉(zhuǎn)速、以及峰值轉(zhuǎn)矩。
最大轉(zhuǎn)矩主要用于滿足機(jī)器人爬坡要求，對(duì)于雙側(cè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的微小型履帶式移動(dòng)機(jī)器人，單側(cè)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩滿足：
（2-4）
式中m—機(jī)器人質(zhì)量；
—地面變形阻力系數(shù)（平地行駛時(shí)=0.03~0.04；爬坡時(shí)=0.055~0.065）；
電機(jī)的額定功率主要用來滿足機(jī)器人平均行進(jìn)速度的要求，即：
（2-5）
電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速主要用來滿足機(jī)器人最高行進(jìn)速度要求，即：
（2-6）
電機(jī)的峰值功率主要用來滿足機(jī)器人最高行駛速度和爬坡時(shí)的功率要求，即：
（2-7）
電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速主要用來滿足機(jī)器人最高行駛速度要求，即：
（2-8）
2.3 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)功率確定
機(jī)器人的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：機(jī)器人質(zhì)量負(fù)載質(zhì)量，總質(zhì)量m=80kg。機(jī)器人平均行進(jìn)速度；根據(jù)機(jī)器人實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，機(jī)械傳動(dòng)比；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取驅(qū)動(dòng)電機(jī)到驅(qū)動(dòng)輪的傳動(dòng)效率，計(jì)算履帶行駛裝置的效率，機(jī)器人傳動(dòng)總效率，取定機(jī)器人平地行駛時(shí)地面變形阻力系數(shù)，爬坡行駛時(shí)地面變形阻力系數(shù)。
代入式5-4中可算出機(jī)器人單側(cè)牽引電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為：
代入式5-5中可計(jì)算出牽引電機(jī)的額定功率為：
≥40（W）
代入式5-7中可計(jì)算出機(jī)器人爬坡時(shí)牽引電機(jī)的功率為： （W）
機(jī)器人最高速度下行駛時(shí)牽引電機(jī)的功率為：
（W）
代入式5-6中可計(jì)算出牽引電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為：
代入式5-7中可計(jì)算出牽引電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為：
≥1464r/min
對(duì)于履帶變形裝置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，要求其輸出低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩，對(duì)變速范圍沒有要求，主要考察指標(biāo)為電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。如圖26所示，當(dāng)機(jī)器人變形抬高底盤，機(jī)器人離開地面瞬間，機(jī)器人需要較大的轉(zhuǎn)矩用以克服重力產(chǎn)生的力矩。
圖2-1 履帶變形所需最大轉(zhuǎn)矩
用于履帶變形的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：
（2-9）
式中各參數(shù)一樣與式相同，為機(jī)器人前后輪之間的距離。加載重質(zhì)量后機(jī)器人總質(zhì)量m=80kg，前后輪之間的距離=700mm，履帶變形裝置傳動(dòng)比，地面變形阻力系數(shù)，傳動(dòng)效率，代入式5-9中計(jì)算可得機(jī)器人履帶變形裝置所需電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩為：
2.4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇
根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，最終可確定機(jī)器人左右兩個(gè)牽引電機(jī)的額定功率取80W，總功率160W。選用MAXON公司的產(chǎn)品，電機(jī)型號(hào)為F2260；根據(jù)機(jī)器人變形時(shí)的最大輸出轉(zhuǎn)矩，選擇用于履帶變形的電機(jī)型號(hào)為RE75。MAXON公司的產(chǎn)品具有體積小、重量輕、線性度好（無齒槽效應(yīng)）、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、反應(yīng)迅速、過載能力強(qiáng)、效率高、以及良好的抗電磁干擾能力等優(yōu)點(diǎn)，因此在世界各國的機(jī)器人研究領(lǐng)域擁有廣泛的市場(chǎng)。電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下表1-1和表1-2所示。
表1-1 MAXON-F2260電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
產(chǎn)品型號(hào)
額定電壓
額定轉(zhuǎn)速
額定轉(zhuǎn)矩
額定功率
MAXON-F2260
24V
2440r/min
258mN·m
80W
表1-2 MAXON-RE75電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
產(chǎn)品型號(hào)
額定電壓
額定轉(zhuǎn)速
額定轉(zhuǎn)矩
額定功率
MAXON-RE75
24V
24510r/min
630mN·m
75W
3 四連桿履帶式機(jī)器人內(nèi)部減速器設(shè)計(jì)
由于本課程設(shè)計(jì)傳動(dòng)方案已給出：要求設(shè)計(jì)單級(jí)蝸桿上置式減速器，適用于傳動(dòng)m/s，這正符合本課題的要求。
3.1 驅(qū)動(dòng)輪蝸輪蝸桿減速器設(shè)計(jì)
3.1.1電機(jī)的選擇
驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的選擇在上一章中已經(jīng)重點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，選用電機(jī)的型號(hào)為MAXON—F2260，其主要性能：額定電壓24V，額定轉(zhuǎn)速2440r/min，額定轉(zhuǎn)矩258mN·m，額定功率80W。
3.1.2動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算
根據(jù)機(jī)器人實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，機(jī)械傳動(dòng)比i=29:1。
1.計(jì)算各軸轉(zhuǎn)速
2440r/min
2440r/min
84.14r/min
84.14r/min
2.計(jì)算各軸的功率
3.計(jì)算各軸扭矩
3.1.3傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算
1、蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）選擇蝸桿傳動(dòng)類型
根據(jù)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(dòng)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(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
根據(jù)開式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。由教材公式可得，傳動(dòng)中心距
（1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩
按=1，估取效率=0.77，則
（2）確定載荷系數(shù)K
取載荷分布不均系數(shù)；使用系數(shù)；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載系數(shù)；則由計(jì)算式可得：
（3）確定彈性影響系數(shù)
因選用的是鑄錫青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故=160。
（4）確定接觸系數(shù)
先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距a的比值0.56從教材中查的=2.6。
（5）確定許用接觸應(yīng)力
根據(jù)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(yīng)力=268MPa。由教材中的公式應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
壽命系數(shù)：，則==0.62272×268=167MPa
（6）計(jì)算中心距
=35.402mm
取中心距a=40mm。查表得模數(shù)m=2mm。
3、 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸
（1）蝸桿
軸向尺距；直徑系數(shù)；
分度圓導(dǎo)程角
（2）蝸輪
蝸輪齒輪29；變位系數(shù)
蝸輪分度圓直徑58mm
蝸輪喉圓直徑65
蝸輪齒根圓直徑52
4、 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
當(dāng)量齒數(shù)29.33
根據(jù)，29.33從教材中可查得齒行系數(shù)
螺旋角系數(shù)
從教材中知許用彎曲應(yīng)力
從教材表查的ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力。
由教材中壽命系數(shù)0.508
可見彎曲強(qiáng)度是滿足的。
3.1.4輸入軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
1、 按扭矩初算軸徑
選擇45調(diào)質(zhì)，硬度217~255HRS
根據(jù)教材中查表可得，取
3mm
2、 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）軸上零件的定位，固定和裝配
單級(jí)減速器中可將蝸桿蝸齒部分安排在箱體中央，相對(duì)兩軸承對(duì)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(nèi)徑為15mm，寬度為9mm
II段：直徑d2=17mm 長度取L2=50mm
III段：直徑d3=22.4mm 長度取L3=29mm
IⅤ段：直徑 d4=17mm 長度取L4=15mm
Ⅴ段：直徑d5=15mm 長度L5=15mm
初選用6102型深溝球球軸承，其內(nèi)徑為15mm，寬度為9mm
Ⅵ段：直徑d6=12mm 長度L6=8mm
Ⅶ段：直徑d7=10mm 長度L7=15mm
（3）按彎矩復(fù)合強(qiáng)度計(jì)算
①求小齒輪分度圓直徑：已知d1=22.4mm=0.0224m
②求轉(zhuǎn)矩：已知T2=6.81N·m、T1=0.31N·m
③求圓周力：Ft
根據(jù)教材P198（10-3）式得：=2T1/d1=27.68N
=2T2/d2=235N
④求徑向力Fr
根據(jù)教材P198（10-3）式得：
Fr=·tanα=85.5N
⑤因?yàn)樵撦S兩軸承對(duì)稱，所以：LA=LB=27mm
⑥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=117.5N
FAZ=FBZ=/2=13.84N
由兩邊對(duì)稱，知截面C的彎矩也對(duì)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
1、 繪制合彎矩圖
MC=(MC12+MC22)1/2=3.173N·m
2、 繪制扭矩圖
轉(zhuǎn)矩：T=0.31N·m
3、 校核危險(xiǎn)截面C的強(qiáng)度
由教材P373式（15-5）經(jīng)判斷軸所受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力,取α=0.6,
3MPa
前已選定軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理,由教材P362表15-1查得,因此<,故安全。
該軸強(qiáng)度足夠。
3.1.5輸出軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
1、按扭矩初算軸徑
選用45#調(diào)質(zhì)鋼，硬度（217~255HBS）
根據(jù)教材,取=110
9.8mm
2、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）軸上的零件定位，固定和裝配
單級(jí)減速器中,可以將蝸輪安排在箱體中央，相對(duì)兩軸承對(duì)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=15mm 長度取L1=12mm
初選用6102型深溝球球軸承，其內(nèi)徑為15mm，寬度為9mm
II段：直徑d2=18mm 長度取L2=3mm
III段：直徑d3=22mm 長度取L3=15mm
Ⅳ段：直徑d4=18mm 長度取L4=15mm
Ⅴ段：直徑d5=15mm 長度取 L5=20mm
初選用6102型深溝球球軸承，其內(nèi)徑為15mm，寬度為9mm
Ⅵ段：直徑d6=12mm 長度L6=10mm
Ⅶ段：直徑d7=10mm 長度L7=25mm
（3）按彎扭復(fù)合強(qiáng)度計(jì)算
①求分度圓直徑：已知d2=58mm
②求轉(zhuǎn)矩：已知T2=6.81N·m
③求圓周力Ft：根據(jù)教材P198（10-3）式得
=2T2/d2=235N
④求徑向力Fr：根據(jù)教材P198（10-3）式得
Fr=·tanα=3586.4×tan200=10N
⑤∵兩軸承對(duì)稱
∴LA=LB=25.5mm
4、 求支反力FAY、FBY、FAZ、FBZ
FAY=FBY=Fr/2=5N
FAX=FBX=/2=13.8N
5、 由兩邊對(duì)稱，截面C的彎矩也對(duì)稱，截面C在垂直面彎矩為
MC1=FAYL/2=0.1275N·m
6、 截面C在水平面彎矩為
MC2=FAXL/2=0.352N·m
7、 計(jì)算合成彎矩
MC=（MC12+MC22）1/2=0.3744N·m
圖3-2 彎矩扭矩圖
8、 校核危險(xiǎn)截面C的強(qiáng)度
由教材P373式經(jīng)判斷軸所受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力,取α=1,
12MPa
前已選定軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理,由教材P362表15-1查得,因此<,故安全。
此軸強(qiáng)度足夠。
3.2 控制主動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)到的蝸輪蝸桿減速器設(shè)計(jì)
3.2.1電機(jī)的選擇
驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)的選擇在上一章中已經(jīng)重點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，選用電機(jī)的型號(hào)為MAXON—RE75，其主要性能：額定電壓24V，額定轉(zhuǎn)速24510r/min，額定轉(zhuǎn)矩630mN·m，額定功率75W。
3.2.2動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算
根據(jù)機(jī)器人實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)，機(jī)械傳動(dòng)比i=30:1。
24510/min
24510r/min
817r/min
1、 計(jì)算各軸的功率
2、 計(jì)算各軸扭矩
3.2.3傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算
一、蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
1. 選擇蝸桿傳動(dòng)類型
根據(jù)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(dòng)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。
3. 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
根據(jù)開式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。由教材公式可得，傳動(dòng)中心距
（1）確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩
按=1，估取效率=0.77，則
（2）確定載荷系數(shù)K
取載荷分布不均系數(shù)；使用系數(shù)；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載系數(shù)；則由計(jì)算式可得：
（3）確定彈性影響系數(shù)
因選用的是鑄錫青銅蝸輪和鋼蝸桿相配，故=160。
（4）確定接觸系數(shù)
先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距a的比值0.56從教材中查的=2.6。
（5）確定許用接觸應(yīng)力
根據(jù)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(yīng)力=268MPa
。由教材中的公式應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
壽命系數(shù)
則==0.468×268=125.6MPa
（6）計(jì)算中心距
=11.875mm
取中心距a=40mm。查表得模數(shù)m=2mm。
二、 蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸
（1）蝸桿
軸向尺距；直徑系數(shù)；
分度圓導(dǎo)程角
（2）蝸輪
蝸輪齒輪29；變位系數(shù)
蝸輪分度圓直徑58mm
蝸輪喉圓直徑65
蝸輪齒根圓直徑52
（3）校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
當(dāng)量齒數(shù)29.33
根據(jù)，29.33從教材中可查得齒行系數(shù)
螺旋角系數(shù)
從教材中知許用彎曲應(yīng)力
從教材表查的ZCuSn10P1制造的蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力。
由教材中壽命系數(shù)0.395
可見彎曲強(qiáng)度是滿足的。
3.2.4輸入軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
一、按扭矩初算軸徑
選擇45調(diào)質(zhì)，硬度217~255HRS
根據(jù)教材中查表可得，取
1.096mm
二、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）軸上零件的定位，固定和裝配
單級(jí)減速器中可將蝸桿蝸齒部分安排在箱體中央，相對(duì)兩軸承對(duì)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(nèi)徑為15mm，寬度為9mm
II段：直徑d2=17mm 長度取L2=50mm
III段：直徑d3=22.4mm 長度取L3=29mm
IⅤ段：直徑 d4=17mm 長度取L4=15mm
Ⅴ段：直徑d5=15mm 長度L5=15mm
初選用6102型深溝球球軸承，其內(nèi)徑為15mm，寬度為9mm
Ⅵ段：直徑d6=12mm 長度L6=8mm
Ⅶ段：直徑d7=10mm 長度L7=15mm
（3）按彎矩復(fù)合強(qiáng)度計(jì)算
①求小齒輪分度圓直徑：已知d1=22.4mm=0.0224m
②求轉(zhuǎn)矩：已知T2=0.662N·m、T1=0.0289N·m
③求圓周力：Ft
根據(jù)教材P198（10-3）式得：=2T1/d1=2.58N
=2T2/d2=22.83N
④求徑向力Fr
根據(jù)教材P198（10-3）式得：
Fr=·tanα=8.3N
⑤因?yàn)樵撦S兩軸承對(duì)稱，所以：LA=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=11.415N
FAZ=FBZ=/2=1.29N
由兩邊對(duì)稱，知截面C的彎矩也對(duì)稱。截面C在垂直面彎矩為：
MC1=FAyL/2=0.308N·m
圖3-3 彎矩扭矩圖
截面C在水平面上彎矩為：
MC2=FAZL/2=0.035N·m
9、 繪制合彎矩圖
MC=(MC12+MC22)1/2=0.309N·m
10、 繪制扭矩圖
轉(zhuǎn)矩：T=0.0289N·m
11、 校核危險(xiǎn)截面C的強(qiáng)度
∵由教材P373式（15-5）經(jīng)判斷軸所受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力,取α=0.6,
0.3MPa
前已選定軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理,由教材P362表15-1查得,因此<,故安全。
∴該軸強(qiáng)度足夠。
3.2.5輸出軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
1、按扭矩初算軸徑
選用45# 調(diào)質(zhì)鋼，硬度（217~255HBS）
根據(jù)教材,取=110
4.517mm
2、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）軸上的零件定位，固定和裝配
單級(jí)減速器中,可以將蝸輪安排在箱體中央，相對(duì)兩軸承對(duì)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=15mm
II段：直徑d2=12mm 長度取L2=14mm
III段：直徑d3=15mm 長度取L3=12mm
初選用6102型深溝球球軸承，其內(nèi)徑為15mm，寬度為9mm
Ⅳ段：直徑d4=18mm 長度取L4=3mm
Ⅴ段：直徑d5=22mm 長度取 L5=3mm
Ⅵ段：直徑d6=18mm 長度取L6=15mm
Ⅶ段：直徑d7=15mm 長度取L7=18mm
初選用6102型深溝球球軸承，其內(nèi)徑為15mm，寬度為9mm
Ⅷ段：直徑=12mm 長度取=14mm
Ⅸ段：直徑=10mm 長度取=15mm
（3）按彎扭復(fù)合強(qiáng)度計(jì)算
①求分度圓直徑：已知d2=58mm=0.058m
②求轉(zhuǎn)矩：已知T2=0.662N·m
③求圓周力Ft：根據(jù)教材P198（10-3）式得
=2T2/d2=22.83N
④求徑向力Fr：根據(jù)教材P198（10-3）式得
Fr=·tanα=22.83×tan200=8.3N
⑤∵兩軸承對(duì)稱
∴LA=LB=25.5mm
（3）求支反力FAY、FBY、FAZ、FBZ
FAY=FBY=Fr/2=4.15N
FAX=FBX=/2=11.415N
（4）由兩邊對(duì)稱，截面C的彎矩也對(duì)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(jì)算合成彎矩
MC=（MC12+MC22）1/2=0.310N·m
圖3-4 彎矩扭矩圖
12、 校核危險(xiǎn)截面C的強(qiáng)度由式（15-5）
∵由教材P373式（15-5）經(jīng)判斷軸所受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力,取α=1,
1.3MPa
前已選定軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理,由教材P362表15-1查得,因此<,故安全。
∴此軸強(qiáng)度足夠。
4 四連桿變形履帶式機(jī)器人的建模
4.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)與Proe軟件簡介
隨著市場(chǎng)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(chǎn)品的生命周期越來越短，這就對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法提出了挑戰(zhàn)。同時(shí)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使得利用計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和研究成為一種可能，虛擬樣機(jī)技術(shù)正是在這種環(huán)境下發(fā)展起來的。建立系統(tǒng)的數(shù)字化模型，進(jìn)行仿真分析，并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實(shí)工程條件下各種性能和特性，為實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造提供參考依據(jù)，從而可以方便地修改設(shè)計(jì)參數(shù)并能得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
目前，虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程機(jī)械、汽車制造業(yè)、航空航天、造船領(lǐng)域。應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)可以方便快速地完成各種條件的設(shè)計(jì)分析，多次重復(fù)仿真試驗(yàn)，進(jìn)行性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)并排除潛在的危險(xiǎn)和故障。
Pro/Engineer操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。
Pro/Engineer是軟件包，并非模塊，它是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實(shí)體零件及組裝造型，三維上色實(shí)體或線框造型棚完整工程圖產(chǎn)生及不同視圖（三維造型還可移動(dòng)，放大或縮小和旋轉(zhuǎn)）。Pro/Engineer是一個(gè)功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設(shè)計(jì)專用功能來實(shí)現(xiàn)，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用這種手段來建立形體，對(duì)于工程師來說是更自然，更直觀，
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