5自由度焊接機器人設(shè)計【說明書+CAD】

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80年代末和90年代初，德國大眾公司分別與上海和一汽成立合資汽車廠生產(chǎn)轎車，雖然是國外的二手設(shè)備，但其焊接自動化程度與裝備水平，讓我們認識到了與國外的巨大差距。隨后二汽在貨車及輕型車項目中都引進了焊接機器人?？梢哉f90年代以來的技術(shù)引進和生產(chǎn)設(shè)備、工藝裝備的引進使我國的汽車制造水平由原來的作坊式生產(chǎn)提高到規(guī)?；a(chǎn)，同時使國外焊接機器人大量進入中國。由于我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展帶動了工程機械行業(yè)的繁榮，工程機械行業(yè)也成為較早引用焊接機器人的行業(yè)之一。近年來由于我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的大量需求，與能源相關(guān)的制造行業(yè)也都開始尋求自動化焊接技術(shù)，焊接機器人逐漸嶄露頭角。鐵路機車行業(yè)由于我國貨運、客運、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車提速的需求，機器人的需求一直處于穩(wěn)步增長態(tài)勢。據(jù)2001年統(tǒng)計，全國共有各類焊接機器人1040臺，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機器人占全部焊接機器人的76%。在汽車行業(yè)中點焊機器人與弧焊機器人的比例為3：2，其他行業(yè)大都是以弧焊機器人為主，主要分布在工程機械（10%）、摩托車（6%）、鐵路車輛（4%）、鍋爐（1%）等行業(yè)。焊接機器人也主要分布在全國幾大汽車制造廠， 從圖1中還能看出，我國焊接機器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。 進入21世紀由于國外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，我國汽車行業(yè)的機器人安裝臺數(shù)迅速增加，2002、2003、2004年每年都有近千臺的數(shù)量增長。估計我國目前焊接機器人的安裝臺數(shù)在4000臺左右。汽車行業(yè)焊接機器人所占的比例會進一步提高。 目前在我國應(yīng)用的機器人主要分日系、歐系和國產(chǎn)三種。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奧地利的IGM公司。國產(chǎn)機器人主要是沈陽新松機器人公司產(chǎn)品。 目前在我國雖然已經(jīng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的焊接機器人系列產(chǎn)品，但卻不能批量生產(chǎn)，形成規(guī)模，有以下幾個主要原因： 國內(nèi)機器人價格沒有優(yōu)勢。近10年來，進口機器人的價格大幅度降低，從每臺7-8萬美元降低到2-3萬美元，使我國自行制造的普通工業(yè)機器人在價格上很難與之競爭。特別是我國在研制機器人的初期，沒有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件產(chǎn)業(yè)，如伺服電機、減速機等需要進口，使價格難以降低，所以機器人生產(chǎn)成本降不下來；我國焊接裝備水平與國外還存在很大差距，這一點也間接影響了國內(nèi)機器人的發(fā)展。對于機器人的最大用戶-汽車白車身生產(chǎn)廠來說，目前幾乎所有的裝備都來從國外引進，國產(chǎn)機器人幾乎找不到表演的舞臺。 我們應(yīng)該承認國產(chǎn)機器人無論從控制水平還是可靠性等方面與國外公司還存在一定的差距。國外工業(yè)機器人是個非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程，而且在實際生產(chǎn)中不斷地完善和提高，而我國則處于一種單件小批量的生產(chǎn)狀態(tài)。 國內(nèi)機器人生產(chǎn)廠家處于幼兒期，還需要政府政策和資金的支持。焊接機器人是個機電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，單靠企業(yè)的自身能力是不夠的，需要政府對機器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國產(chǎn)機器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國國產(chǎn)機器人的發(fā)展。二、主要技術(shù)經(jīng)濟指標和參數(shù)：自由度數(shù) 5驅(qū)動方式 伺服或步進電機總高1300mm最大持重 12kg各軸轉(zhuǎn)角軸 轉(zhuǎn)角速度/s1軸 3002軸 1203軸 110904軸 2105軸 360180三、研究的基本內(nèi)容，你解決的主要問題（闡述的主要觀點） 焊接機器人之所以能夠占據(jù)整個工業(yè)機器人總量的40%以上，焊接精度和速度等指標提出越來越高的要求，一般工人已難以勝任這一工作；此外，焊接時的火花及煙霧等，對人體造成危害。歸納起來采用焊接機器人有下列主要意義：(1) 穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均一性。 (2) 改善了工人的勞動條件。(3) 提高勞動生產(chǎn)率。本論文所研究的為5自由度焊接機器人，主要解決焊接機器人腰部以及大臂的工作平穩(wěn)性和提高其工作效率，主要解決一下幾個問題：(1) 理清整個機器的工作原理，及各個部件相互關(guān)系，使之協(xié)調(diào)。(2) 都大臂和腰部的工作原理做研究，明確其傳動路線。(3) 明確各個部件的裝配關(guān)系，畫出裝配圖和主要零件圖。(4) 明確各個部件的技術(shù)要求，合理選擇材料及配合關(guān)系。四、課題研究工作進度計劃起止日期 工作內(nèi)容 08.1.2-3.14 撰寫文獻綜述 外文翻譯 開題報告08.1 -08.3.14 畢業(yè)實習(xí) 08.03.15-08.04.01 總體設(shè)計 08.04.02-08.04.27 部件設(shè)計 08.04.28-08.05.14 零件設(shè)計 08.05.15-08.05.29 編寫設(shè)計計算說明書 08.05.30-08.06.04 預(yù)答辯及修改工作 08.06.06-08.06.09 主審教師評閱 08.06.10左右 答辯及成績綜合評定六、主要參考文獻1申永盛.機械原理M.北京：清華大學(xué)出版社，1999.2602642 徐德，涂志國，趙曉光，等.弧焊機器人的視覺控制J.焊接學(xué)報，2004，25（4）：10-14.3成大先.機械設(shè)計手冊，減(變)速器.電機與電器M.北京：化學(xué)工業(yè)出版 社2004.14 周炳森,新編焊接設(shè)備選型與焊接材料選用實用手冊.出版時間:2006年7月5 朱浩翔.工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢J.MC現(xiàn)代零部件，2007.16羅誠,最新壓力容器焊接和切割新技術(shù)、新工藝與應(yīng)用技術(shù)標準實用手冊，中國科技文化出版社，2005年7 陳善本，智能化焊接機器人技術(shù)。機械工業(yè)出版社。2006-1-1，5-28王伯平.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：機械工業(yè)出版社，20041525六、指導(dǎo)教師審核意見 指導(dǎo)教師（簽名） 年 月 日七、院（系）畢業(yè)設(shè)計（論文）工作領(lǐng)導(dǎo)小組審核意見1通過 2完善后通過 3. 未通過 負責人（簽名） 年 月 日6畢業(yè)設(shè)計說明書2008屆 5自由度焊接機器人總體及大臂與腰部設(shè)計學(xué)生姓名 方 君 學(xué) 號 04081205 院 系 工學(xué)院機電系 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化指導(dǎo)教師 黃德中 III5自由度焊接機器人總體及大臂與腰部設(shè)計 摘要 據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界在役的工業(yè)機器人中大約有將近一半的工業(yè)機器人用于各種形式的焊接加工領(lǐng)域，焊接機器人應(yīng)用中最普遍的主要有兩種方式，即點焊和電弧焊。我們所說的焊接機器人其實就是在焊接生產(chǎn)領(lǐng)域代替焊工從事焊接任務(wù)的工業(yè)機器人。這些焊接機器人中有的是為某種焊接方式專門設(shè)計的，而大多數(shù)的焊接機器人其實就是通用的工業(yè)機器人裝上某種焊接工具而構(gòu)成的。在多任務(wù)環(huán)境中，一臺機器人甚至可以完成包括焊接在內(nèi)的抓物、搬運、安裝、焊接、卸料等多種任務(wù)，因此，從某種意義上來說，工業(yè)機器人的發(fā)展歷史就是焊接機器人的發(fā)展歷史。 眾所周知，焊接加工一方面要求焊工要有熟練的操作技能、豐富的實踐經(jīng)驗、穩(wěn)定的焊接水平；另一方面，焊接又是一種勞動條件差、煙塵多、熱輻射大、危險性高的工作。工業(yè)機器人的出現(xiàn)使人們自然而然首先想到用它代替人的手工焊接，減輕焊工的勞動強度，同時也可以保證焊接質(zhì)量和提高焊接效率。本次我所設(shè)計的機器人為五自由度弧焊機器人。本說明書對本次設(shè)計的主要考慮內(nèi)容進行了敘述和講解，包括機器人的總體設(shè)計以及傳動系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計，電動機的選擇，圓錐齒輪的設(shè)計與校核，諧波減速器的原理以及選擇，腕部轉(zhuǎn)動軸的校核，齒形帶規(guī)格的選擇以及滾動軸承的選擇與校核等。由于設(shè)計經(jīng)驗不足以及理論知識的匱乏，本次設(shè)計肯定存在許多不足之處，望答辯老師諒解并不吝賜教。關(guān)鍵詞 焊接機器人；齒形帶傳動；諧波減速器；五自由度design 5 degree-of-freedom welding robot overall and big arm and waist ABSTRCTAccording to incomplete statistics, nearly half of the worlds industrial robots in service are used for welding. The most common application of welding robot are in two main ways, spot welding and arc welding. The welding robot we are talking about is actually industrial robots which are doing the work in the welding tasks instead of welding production welder. Some of this welding robot is specially designed for welding while most of them are actually a common industrial robot fitted with a welding tool. In multi-task environment, a robot can even complete many kinds of work including the grasp of welding, handling, installation, welding, unloading and other tasks,. Therefore, in a sense, the history of the development of industrial robots is the history of the development of welding robot. It is well known that the welding processing on one hand requires on skilled operational skills, rich practical experience and stable level of welding; on the other hand, welding is a work with poor working conditions, dust, and heat radiation and high-risk. The emergence of industrial robots first makes people naturally think of using it to replace the manual welding to reduce labor intensity. But also it ensures the welding quality and enhances the efficiency of welding. The robot I designed is a DOF arc welding robot. The design statement mainly include design of robots drive system and the its composition, the choice of motor, design of bevel gear and verification, the principle of harmonic reducer and its choice, wrist Check the Department of rotational axis, the choice of rolling bearings and its checking and so on.KEY WORDS welding robot; profile belt transmission; harmonic reducer; 5-DOF 目錄中文摘要 英文摘要 目錄 前言 1 1 緒論 3 2 畢業(yè)設(shè)計基本思路 4 2.1總體所涉及思路及內(nèi)容 5 2.2設(shè)計傳動方案 5 3 焊接機器人腰部與大部設(shè)計 7 3.1 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 3.1.1 電動機的選擇 7 3.1.2 諧波減速器介紹及選擇 8 3.1.3 軸的設(shè)計與校核 10 3.1.4 軸承的設(shè)計計算與核 113.1.5 齒輪設(shè)計計算與校核 123.2 大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 153.2.1 電動機的選擇 153.2.2 諧波減速器的選擇 15 3.2.3 軸的設(shè)計與校核 164總 18參考文獻 19致謝 20前言 焊接機器人之所以能夠占據(jù)整個工業(yè)機器人總量的40%以上，與焊接這個特殊的行業(yè)有關(guān)，焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣，焊接質(zhì)量的好壞對產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的影響。歸納起來采用焊接機器人有下列主要意義： （1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量,保證其均一性。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結(jié)果起決定作用。采用機器人焊接時對于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人的因素影響較小,降低了對工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。而人工焊接時，焊接速度、干伸長等都是變化的，因此很難做到質(zhì)量的均一性。 （2）改善了工人的勞動條件。采用機器人焊接工人只是用來裝卸工件，遠離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對于點焊來說工人不再搬運笨重的手工焊鉗，使工人從大強度的體力勞動中解脫出來。 （3）提高勞動生產(chǎn)率。機器人沒有疲勞，一天可24小時連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機器人焊接，效率提高的更加明顯。 （4）產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。機器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計劃非常明確。 （5）可縮短產(chǎn)品改型換代的周期,減小相應(yīng)的設(shè)備投資。可實現(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化。機器人與專機的最大區(qū)別就是他可以通過修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。 我國開發(fā)工業(yè)機器人晚于美國和日本，起于20世紀70年代，早期是大學(xué)和科研院所的自發(fā)性的研究。到80年代中期，全國沒有一臺工業(yè)機器人問世。而在國外，工業(yè)機器人已經(jīng)是個非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，在汽車行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于當時的國內(nèi)外形勢，國家“七五”攻關(guān)計劃將工業(yè)機器人的開發(fā)列入了計劃，對工業(yè)機器人進行了攻關(guān)，特別是把應(yīng)用作為考核的重要內(nèi)容，這樣就把機器人技術(shù)和用戶緊密結(jié)合起來，使中國機器人在起步階段就瞄準了實用化的方向。與此同時于1986年將發(fā)展機器人列入國家“863”高科技計劃。在國家“863”計劃實施五周年之際，鄧小平同志提出了“發(fā)展高科技，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化”的目標。在國內(nèi)市場發(fā)展的推動下，以及對機器人技術(shù)研究的技術(shù)儲備的基礎(chǔ)上，863主題專家組及時對主攻方向進行了調(diào)整和延伸，將工業(yè)機器人及應(yīng)用工程作為研究開發(fā)重點之一，提出了以應(yīng)用帶動關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)研究的發(fā)展方針，以后又列入國家“八五”和“九五”中。經(jīng)過十幾年的持續(xù)努力，在國家的組織和支持下，我國焊接機器人的研究在基礎(chǔ)技術(shù)、控制技術(shù)、關(guān)鍵元器件等方面取得了重大進展，并已進入使用化階段，形成了點焊、弧焊機器人系列產(chǎn)品，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量生產(chǎn)。 我國焊接機器人的應(yīng)用主要集中在汽車、摩托車、工程機械、鐵路機車等幾個主要行業(yè)。汽車是焊接機器人的最大用戶，也是最早用戶。早在70年代末，上海電焊機廠與上海電動工具研究所，合作研制的直角坐標機械手，成功地應(yīng)用于上海牌轎車底盤的焊接?！耙黄笔俏覈钤缫M焊接機器人的企業(yè)，1984起先后從KUKA公司引進了3臺點焊機器人，用于當時“紅旗牌”轎車的車身焊接和“解放牌”車身頂蓋的焊接。1986年成功將焊接機器人應(yīng)用于前圍總成的焊接，并于1988年開發(fā)了機器人車身總焊線 。 80年代末和90年代初，德國大眾公司分別與上海和一汽成立合資汽車廠生產(chǎn)轎車，雖然是國外的二手設(shè)備，但其焊接自動化程度與裝備水平，讓我們認識到了與國外的巨大差距。隨后二汽在貨車及輕型車項目中都引進了焊接機器人。可以說90年代以來的技術(shù)引進和生產(chǎn)設(shè)備、工藝裝備的引進使我國的汽車制造水平由原來的作坊式生產(chǎn)提高到規(guī)?；a(chǎn)，同時使國外焊接機器人大量進入中國。由于我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高速發(fā)展帶動了工程機械行業(yè)的繁榮，工程機械行業(yè)也成為較早引用焊接機器人的行業(yè)之一。近年來由于我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，能源的大量需求，與能源相關(guān)的制造行業(yè)也都開始尋求自動化焊接技術(shù)，焊接機器人逐漸嶄露頭角。鐵路機車行業(yè)由于我國貨運、客運、城市地鐵等需求量的不斷增加，以及列車提速的需求，機器人的需求一直處于穩(wěn)步增長態(tài)勢。據(jù)2001年統(tǒng)計，全國共有各類焊接機器人1040臺，汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機器人占全部焊接機器人的76%。在汽車行業(yè)中點焊機器人與弧焊機器人的比例為3：2，其他行業(yè)大都是以弧焊機器人為主，主要分布在工程機械（10%）、摩托車（6%）、鐵路車輛（4%）、鍋爐（1%）等行業(yè)。焊接機器人也主要分布在全國幾大汽車制造廠， 從圖1中還能看出，我國焊接機器人的行業(yè)分布不均衡，也不夠廣泛。 進入21世紀由于國外汽車巨頭的不斷涌入，汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，我國汽車行業(yè)的機器人安裝臺數(shù)迅速增加，2002、2003、2004年每年都有近千臺的數(shù)量增長。估計我國目前焊接機器人的安裝臺數(shù)在4000臺左右。汽車行業(yè)焊接機器人所占的比例會進一步提高。 目前在我國應(yīng)用的機器人主要分日系、歐系和國產(chǎn)三種。日系中主要有安川、OTC、松下、FANUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的COMAU及奧地利的IGM公司。國產(chǎn)機器人主要是沈陽新松機器人公司產(chǎn)品。 目前在我國雖然已經(jīng)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的焊接機器人系列產(chǎn)品，但卻不能批量生產(chǎn)，形成規(guī)模，有以下幾個主要原因： 國內(nèi)機器人價格沒有優(yōu)勢。近10年來，進口機器人的價格大幅度降低，從每臺7-8萬美元降低到2-3萬美元，使我國自行制造的普通工業(yè)機器人在價格上很難與之競爭。特別是我國在研制機器人的初期，沒有同步發(fā)展相應(yīng)的零部件產(chǎn)業(yè)，如伺服電機、減速機等需要進口，使價格難以降低，所以機器人生產(chǎn)成本降不下來；我國焊接裝備水平與國外還存在很大差距，這一點也間接影響了國內(nèi)機器人的發(fā)展。對于機器人的最大用戶-汽車白車身生產(chǎn)廠來說，目前幾乎所有的裝備都來從國外引進，國產(chǎn)機器人幾乎找不到表演的舞臺。 我們應(yīng)該承認國產(chǎn)機器人無論從控制水平還是可靠性等方面與國外公司還存在一定的差距。國外工業(yè)機器人是個非常成熟的工業(yè)產(chǎn)品，經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程，而且在實際生產(chǎn)中不斷地完善和提高，而我國則處于一種單件小批量的生產(chǎn)狀態(tài)。 國內(nèi)機器人生產(chǎn)廠家處于幼兒期，還需要政府政策和資金的支持。焊接機器人是個機電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品，單靠企業(yè)的自身能力是不夠的，需要政府對機器人生產(chǎn)企業(yè)及使用國產(chǎn)機器人系統(tǒng)的企業(yè)給予一定的政策和資金支持，加速我國國產(chǎn)機器人的發(fā)展。 在“十五”期間，我國曾把包括焊接機器人在內(nèi)的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)作為重點研究內(nèi)容之一，其中包括焊接機器人。把弧焊與點焊機器人作為負載不同的一個系列機器人，可兼作弧焊、點焊、搬運、裝配、切割作業(yè)，產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、列化設(shè)計?；『笝C器人用激光視覺焊縫跟蹤裝置的開發(fā)、激光發(fā)射器的選用、成像系統(tǒng)、視覺圖像處理技術(shù)、視覺跟蹤與機器人協(xié)調(diào)控制、焊接機器人的離線示教編程及工作站系統(tǒng)動態(tài)仿真等。在新的歷史時期，面對新的機遇和挑戰(zhàn)，只有一方面緊跟世界科技發(fā)展的潮流，研究與開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)制造裝備。另一方面，仍然通過引進和消化，吸收一些現(xiàn)有的先進技術(shù)!盡快縮短和別人的差距，并通過應(yīng)用研究和二次開發(fā)，實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新和關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，提高我國制造業(yè)在國際舞臺上的地位。1. 緒論些圖是整個焊接系統(tǒng)的示意圖: 5自由度焊接機器人系統(tǒng)由弧焊機器人，焊接電源，焊槍送絲機構(gòu)，回轉(zhuǎn)雙工位變位機，工件夾具和控制系統(tǒng)組成。2我的畢業(yè)設(shè)計基本思路2.1總體設(shè)計思路及內(nèi)容本次設(shè)計的機器人是五自由度、關(guān)節(jié)型焊接機器人。自由度高，采用直流伺服電機驅(qū)動、微機控制，結(jié)構(gòu)緊湊，工作范圍大，動作靈活，不僅用于弧焊作業(yè)，還可以用于搬運和裝配作業(yè)。腰部和大、小臂的傳動采用諧波傳動，腕擺和腕轉(zhuǎn)除采用諧波齒輪外還均采用齒形帶傳動和錐齒輪傳動，傳動比準確，精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，耐油、耐磨性好。大臂上裝有氣動平衡機構(gòu)，使大臂驅(qū)動力矩減小，且使示教操作輕便。本次設(shè)計的焊接機器人的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：1 機座 2轉(zhuǎn)臺 3腰座 4腕部 5小臂 6大臂圖1-1焊接機器人結(jié)構(gòu)圖設(shè)計內(nèi)容主要是5自由度焊接機器人的工作原理設(shè)計，腰部與大臂主要機構(gòu)的設(shè)計與計算,主要零部件的設(shè)計與校核，裝配圖的繪制以及主要零部件圖紙繪制等。2.2設(shè)計傳動方案腰部傳動由伺服電機傳出動力一路傳遞到諧波減速器，再傳遞到軸，軸通過軸承固定，再通過齒輪機構(gòu)帶動整個腰部機構(gòu)運動。大臂傳動由伺服電機傳出動力一路傳遞到諧波減速器，再傳遞到大臂軸，軸通過軸承固定，通過大臂軸帶動平衡汽缸運動實現(xiàn)整個大臂機構(gòu)運動。3焊接機器人大臂與腰部設(shè)計3.1腰部的設(shè)計3.1.1電動機選擇：由查表得，以及考慮到安全系數(shù)S,一般取S=1.5，大致確定P至少大于1KW有下表可選取合適的電動機。綜合以上數(shù)據(jù)130SYX-01型號伺服電機，其參數(shù)如下：額定功率=1.2KW額定轉(zhuǎn)矩=4N/M額定轉(zhuǎn)速=3000r/min額定電壓=160V額定電流=9.4A峰值轉(zhuǎn)矩=32N/M電樞電阻=0.2電框電感=3.2MH3.1.2諧波齒輪減速器的選擇 諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動），它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。 諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動原理發(fā)展起來的一種新型減速器。諧波齒輪傳動（簡稱諧波傳動），它是依靠柔性零件產(chǎn)生彈性機械波來傳遞動力和運動的一種行星齒輪傳動。 （1） 傳動原理 它主要由三個基本構(gòu)件組成：（1）帶有內(nèi)齒圈的剛性齒輪（剛輪）2，它相當于行星系中的中心輪； （2）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）1，它相當于行星齒輪；（3）波發(fā)生器H，它相當于行星架。 當波發(fā)生器為主動時，凸輪在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動，就近使柔輪及薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形），這時柔輪的齒就在變形的過程中進入（嚙合）或退出（嚙離）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處在完全的脫開。 波發(fā)生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承內(nèi)，再將它們裝入柔輪內(nèi)。此時柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的內(nèi)齒沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)，一般有30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態(tài)，簡稱脫開；在波發(fā)生器長軸和短軸之間的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區(qū)段內(nèi)，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出。 波發(fā)生器在柔輪內(nèi)轉(zhuǎn)動時，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，就使柔輪齒的嚙入嚙合嚙出脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之錯齒運動，正是這一錯齒運動，作為減速器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動。 對于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動，當波發(fā)生器順時針轉(zhuǎn)動1/8周時，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來脫開狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_，嚙合變?yōu)閲С?，這樣柔輪相對剛輪轉(zhuǎn)動（角位移）了1/4齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動1/8周時，重復(fù)上述過程，這時柔輪位移一個齒距。依此類推，波發(fā)生器相對剛輪轉(zhuǎn)動一周時，柔輪相對剛輪的位移為兩個齒距。 柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個純滾動（無滑動）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長上少了兩個齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對剛輪轉(zhuǎn)過兩個齒距的角位移，這個角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)了減速的目的。 波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動，迫使柔輪上的一點不斷的改變位置，這時在柔輪的節(jié)圓的任一點，隨著波發(fā)生器角位移的過程，形成一個上下左右相對稱的和諧波，故稱之為：“諧波”。（二）特點 1承載能力高 諧波傳動中，齒與齒的嚙合是面接觸，加上同時嚙合齒數(shù)（重疊系數(shù)）比較多，因而單位面積載荷小，承載能力較其他傳動形式高。 2傳動比大 單級諧波齒輪傳動的傳動比，可達 i=70500。 3體積小、重量輕。 4傳動效率高、壽命長。 5傳動平穩(wěn)、無沖擊，無噪音，運動精度高。6由于柔輪承受較大的交變載荷，因而對柔輪材料的抗疲勞強度、加工和熱處理要求較高，工藝復(fù)雜。諧波減速器在國內(nèi)于六七十年代才開始研制，到目前已有不少廠家專門生產(chǎn)，并形成系列化。廣泛應(yīng)用于電子、航天航空、機器人等行業(yè)，由于它的獨特優(yōu)點，在化工行業(yè)的應(yīng)用也逐漸增多。（三）減速器的選擇根據(jù)電動機的參數(shù)，有機械設(shè)計手冊表15-2-129查表選出諧波減速器型號為：XB1-120-150。XB1為產(chǎn)品代號，120機型，150表示減速比。其參數(shù)為：輸入功率=1.25KW輸入轉(zhuǎn)速=3000r/min輸出轉(zhuǎn)矩=450N/M輸出轉(zhuǎn)速=20r/min3.1.3軸的計算（一）軸材料選擇軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，=360 MPa。（二）軸的校核軸因為是豎直的，本身自重可以忽略不計，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用。故只對軸扭矩進行校核。對軸進行簡化計算： 從齒輪計算中得到轉(zhuǎn)矩T=3820N.mm，得到的扭矩圖：有圖可知，危險截面在C面。在C面：扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：=53*53*53*3.14/16=29217 m =T/=3820 /29217=0.13 MPa 在C無須進行彎轉(zhuǎn)應(yīng)力校核，也無須根據(jù)第三強度理論進行強度校核。軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，=360 MPa，遠遠大于最大應(yīng)力，故合適。3.1.4 軸承選擇并校核機構(gòu)中有多個軸承，現(xiàn)在選取一圓錐滾子軸承校核。簡圖如下：(1) 驗算軸承平均壓力p(單位為MPa) =247N=0.24MPa式中：B軸承寬度，mm(根據(jù)寬徑比B/d確定) p軸瓦材料的許用壓力，單位為MPa(2) 驗算軸承的pv值(單位為MPam/s)pv=0.240.17=0.0408MPam/sv軸徑圓周速度，即滑動速度，m/spv軸承材料的pv許用值，MPam/s3.驗算滑動速度v(單位為m/s)v=0.17m/sv為許用滑動速度，單位為m/s根據(jù)這些數(shù)據(jù)查機械設(shè)計第七版表12-2選擇軸承為耐磨鑄鐵HT300?；瑒虞S承和軸承座的配合為過渡配合，定為，IT6=13,IT7=21基準孔H7的下偏差EI=0,上偏差為ES=EI+IT7=+0.021軸瓦m的下偏差ei=0.008,es=ei+IT6=0.021由此得，。滑動軸承和軸的配合為間隙配合，定為，IT6=13,IT7=21基準軸h6的上偏差es=0,下偏差為ei=esIT6=(013)=13孔H7的下偏差EI=0孔H7的上偏差ES=EI+IT7=21由此得，。，3.1.5 齒輪的設(shè)計與校核齒輪參數(shù)計算及其校核： 材料：高速級小齒輪選用鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為250HBS。高速級大齒輪選用鋼正火，齒面硬度為220HBS。 齒輪計算，查課本表得: 。 材料彈性系數(shù)Z Z=189.8(N/mm)（表15-17） 重合度系數(shù)Z=（4-）/3）=0.9（表15-18） 節(jié)點區(qū)域系數(shù)Z Z=2.5(圖15-22) 螺旋角系數(shù)Z Z=1 (式15-34) 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N：N=60njL=605001811250=6.6108N= N/i=6.610/4.2=1.571108 表10-4得： 。故 。查課本表10-21圖得： 。故 。由設(shè)計計算公式（10-9a）進行試算即 轉(zhuǎn)矩 載荷系數(shù)K:K= KKKK 7級精度制造，查課本表10-3得：載荷系數(shù)，取齒寬系數(shù) 計算中心距： 考慮計算原因取 則取 傳動比：i=齒寬：取大齒輪： ,小齒輪： 大端分度圓直徑 d=m=436=144，d=m=471=284齒頂圓直徑 d= d+2mcos=144+6cos13.3924=236.87，d= d+2mcos=284+6cos76.6076=295.900齒根圓直徑d= d-2.4mcos=63-2.4cos13.3924=55.966d= d-2.4mcos2=276-2.4cos76.6076=86.532齒輪錐距 R=1/2=135.998大端圓周速度 v=dn/60000=3.1463500/60000=1.649m/s，齒寬b= 0.4135.998=64.14選齒輪精度為7級=（0.10.2）R=（0.10.2）305.500=30.0560.1取=10，=14,c=10輪寬 L=（0.10.2）d=（0.10.2）93=12.4L=（0.10.2）d=（0.10.2）291=39 按齒面接觸強度設(shè)計： 所以安全。 驗算輪齒彎曲強度： 查課本表10-5得： 最小齒寬計算： 所以安全。查課本第162頁表11-2知選用7級的的精度是合適的。以上課本為 機械設(shè)計（第七版）。3.2大臂的設(shè)計3.2.1電動機選擇：電動機功率計算：以上是大致受理圖，得出電機需帶動的扭矩。T=cos*F*S=cos*12*10*/1000=78N/MT=9550*P/nN=60r/min所以輸出功率P=T*n/9550=78*60*9550=0.49KW=490W。因為功率經(jīng)過整個傳動系統(tǒng)后不變，所以電機至少需要也為490W,即0.49KW?？紤]到安全系數(shù)S,一般取S=1.5，所以P至少大于1.5*0.49=0.735kw有下表可選取合適的電動機。3.2.2諧波齒輪減速器的選擇根據(jù)電動機的參數(shù)，有機械設(shè)計手冊表15-2-129查表選出諧波減速器型號為：XB1-100-125。XB1為產(chǎn)品代號，120機型，150表示減速比。其參數(shù)為：輸入功率=0.777KW輸入轉(zhuǎn)速=3000r/min輸出轉(zhuǎn)矩=240/M輸出轉(zhuǎn)速=24r/min3.2.3軸的計算一、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)軸承的要求和機構(gòu)本身的性能要求，等到軸的尺寸如附圖：軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，=360 MPa。二、軸的校核軸本身自重可以忽略不計，彎矩作用可以忽略，看成軸只受扭矩作用,故只對軸扭矩進行校核。A,B處為相同兩個槽，受扭矩相同，C處也是受扭矩影響大之處。故腰對B,C兩處進行校核。對軸進行簡化計算： 從電動機計算中得到轉(zhuǎn)矩T=2387.5N.mm，計算A,B處扭矩為3119N.mm得到的扭矩圖： 有圖可知，其受理情況一直，每處受到扭矩一樣，故可隨機選取一點。在B面：=1717173.14/16=964mm。=T/=6238/964=6.47MPa 在C面：扭轉(zhuǎn)應(yīng)力：=72*72*72*3.14/16=73249.92 m =T/=2387.5 /73249=0.03 MPa 在C無須進行彎轉(zhuǎn)應(yīng)力校核，也無須根據(jù)第三強度理論進行強度校核。軸的材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，=360 MPa，遠遠大于最大應(yīng)力，故合適。4總結(jié)經(jīng)過六個月的不懈努力，我的畢業(yè)設(shè)計終于接近尾聲了。在做畢業(yè)設(shè)計之前，我就深知其重要性。他是大學(xué)教學(xué)的最后一個環(huán)節(jié)，對畢業(yè)生在大學(xué)所學(xué)知識的一次綜合運用，是保證畢業(yè)生質(zhì)量的必然要求。所以我認真地去完成其中的每一個細節(jié)，包括設(shè)計中的設(shè)計原理、計算、圖紙及撰寫設(shè)計說明書等。不懂就去查質(zhì)料，去請教老師和同學(xué)。不放過其中不懂的知識點。經(jīng)過畢業(yè)設(shè)計之后，我更加深刻地體會到了畢業(yè)設(shè)計的重要意義。通過畢業(yè)設(shè)計，我對大學(xué)四年所學(xué)的理論知識和基本技能作了一次綜合運用。對許多以前所學(xué)的專業(yè)知識進行了系統(tǒng)復(fù)習(xí)。包括：理論力學(xué)、材料力學(xué)、機械原理、機械零件、機械設(shè)計、機械制造、互換性與測量技術(shù)、機械制圖、AUTOCAD計算機繪圖、SOLIDWORKS三維實體建模、機電傳動控制、微機控制原理、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計等課程。鞏固了專業(yè)知識，提高了我獨立分析和解決實際問題的能力，培養(yǎng)了我的創(chuàng)新意識。增強了我對機電一體化行業(yè)的興趣。我在以下幾方面得到了鍛煉與專業(yè)認識： 1、鞏固和豐富所學(xué)的專業(yè)理論知識。本次設(shè)計所要求的專業(yè)知識面是廣泛的。題目是5自由度焊接機器人總體及大臂與腰部設(shè)計。從控制到傳動都是機械，是純機械的設(shè)計。我意識到，作為一名設(shè)計員，首先必須掌握各種各樣的較為全面的理論知識，并且要將這些知識靈活應(yīng)運于設(shè)計之中。2、本次設(shè)計中我所學(xué)到的是一個系統(tǒng)的。學(xué)會調(diào)查、研究，初步掌握收集資料，獲取技術(shù)信息的方法和手段。在設(shè)計過程中不可死板套用，要注意創(chuàng)新。從多方面來考慮問題，從多種方案中挑選最佳方案。設(shè)計必須仔細，用系統(tǒng)與科學(xué)的態(tài)度處理每個問題。 3、設(shè)計能夠解決生產(chǎn)的實際問題。所以在設(shè)計中體現(xiàn)出來的問題是相當?shù)目陀^的。通過本次設(shè)計，增強了自身知識的應(yīng)用能力和綜合能力；增強了分析和解決生產(chǎn)實際問題的能力。參考文獻1申永盛.機械原理M.北京：清華大學(xué)出版社，1999.2602642 徐德，涂志國，趙曉光，等.弧焊機器人的視覺控制J.焊接學(xué)報，2004，25（4）：10-14.3成大先.機械設(shè)計手冊，減(變)速器.電機與電器M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社2004.14 周炳森,新編焊接設(shè)備選型與焊接材料選用實用手冊.出版時間:2006年7月5 朱浩翔.工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢J.MC現(xiàn)代零部件，2007.16羅誠,最新壓力容器焊接和切割新技術(shù)、新工藝與應(yīng)用技術(shù)標準實用手冊，中國科技文化出版社，2005年7 陳善本，智能化焊接機器人技術(shù)。機械工業(yè)出版社。2006-1-1，5-28王伯平.互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：機械工業(yè)出版社，20041525致 謝 本研究及學(xué)位論文是在我的導(dǎo)師黃德中教授和機電系各位老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他們嚴肅的科學(xué)態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，他們都始終給予我細心的指導(dǎo)和不懈的支持。大學(xué)幾年時間里，他們不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時還在思想、生活上給我以無微不至的關(guān)懷，在此謹向所有老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。在此，我還要感謝在一起愉快的度過本科生生活的室友和其他同學(xué)以及朋友，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本論文的順利完成。特別感謝黃虎鈞和黃斌同學(xué)，他們教會了我如何更好的去使用Solidworks、CAD、等畫圖軟件，也幫我解決了分析和計算上的許多問題，從他們身上學(xué)到了許多解決問題的方法，對于即將踏上工作崗位的我來說，幫助是很大的。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們!20 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯學(xué)院 (系)： 機械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 姓 名： 汪俊 學(xué) 號： 0601610108 外文出處： Journal of Mechanical Design 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評語：譯文準確，語句通暢，符合漢語的習(xí)慣。 簽名： 年 月 日注：請將該封面與附件裝訂成冊。附件1：外文資料翻譯譯文ResQuake：遠程操作救援機器人ResQuake作為一種遠程操作救援機器人，它的設(shè)計程序以及對其動態(tài)分析，生產(chǎn)過程，控制系統(tǒng)，防滑性能改進等一直被人們所探討。人們首先要探討的問題是規(guī)定機器人要完成的總?cè)蝿?wù)以及組成機器人基本結(jié)構(gòu)的各種機構(gòu)。選擇適當?shù)臋C構(gòu)、幾何尺寸、對質(zhì)量進行定性分析以形成系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)模型。其次是對每個構(gòu)建的強度進行分析以最終定型并提出機構(gòu)模型。接著對控制系統(tǒng)進行簡要的介紹，該控制系統(tǒng)包括用作主處理器的操作者的電腦以及安裝在機器人身上作為從處理器的便攜式電腦。最后通過實驗測試確定并驗證軌道滑移系數(shù)，以改善系統(tǒng)的跟蹤性能。 ResQuake已經(jīng)參加幾個救援機器人聯(lián)賽。關(guān)鍵詞：移動機器人，遠程操作，運動機制，控制結(jié)構(gòu)，滑移估計1 引言由一個或多個操縱器平臺組成的移動操縱型機器人有無限的工作空間。因此，各種行走，輪式，履帶式和飛行系統(tǒng)已被提出并成功地付諸實踐。這種系統(tǒng)被廣泛用于消防，林業(yè)，排爆，有毒廢物清理，運輸材料，空間軌道維護等會危機到人類健康安全的領(lǐng)域 1。因此，可以預(yù)計，不管是自動運行的還是遠程操作的移動機器，都將會在人類生活的各個不同領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。但是，在移動機器人系統(tǒng)中，基于作用于反作用原理，動力會影響到基座與操縱器的運動。因此，運動學(xué)、動態(tài)，以及對這些系統(tǒng)的控制已經(jīng)得到了廣泛的研究關(guān)注2-5。地震是一種會威脅人類生命的自然事件。主震之后的余震會造成二次坍塌， 這會危及搜救人員的生命。為了盡量降低救援人員的風險，同時增加受害人生存機率，開發(fā)出一種能相互協(xié)作的機器救援隊不失為一種好的選擇。該種機器人及其操作者的任務(wù)是找到受害者并確定他們的情況，然后匯報目標在建筑物地圖上的方位6,7。這消息，會立即被發(fā)送至人類救援隊。對救援機器人的進一步預(yù)期，如能夠自主搜索倒塌建筑物，發(fā)現(xiàn)受害者和確定他們的環(huán)境，為幸存者提供生活用品和通信工具和布設(shè)傳感器(聲，熱，地震等)正處于課題研究中。然而，救援機器人的基本能力是它們在遭受破壞地區(qū)的機動性,這完全依賴于它們的運動系統(tǒng)和它們的維度。到目前為止已經(jīng)設(shè)計并生產(chǎn)了各救援機器人8,9。本文對Khaje Nasir Toosi大學(xué)（KNTU）的ResQuake項目進行了直觀的描述，如圖1所示。首先對移動機構(gòu)的設(shè)計步驟進行詳細介紹，并確定系統(tǒng)尺寸和相關(guān)參數(shù)。然后是對系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)進行探討，并提出對每個機構(gòu)部件應(yīng)力分析問題。接著是敘述機器人控制系統(tǒng)。最后通過實驗測試確定并驗證軌道滑移系數(shù)，以改善系統(tǒng)的跟蹤性能。ResQuake有著友好的人機操作界面，它在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境、不光滑的路徑，甚至是在爬樓梯時都有很強的移動能力。它的性能已被如下事實證明：在2005年日本大阪機器人世界杯救援機器人聯(lián)賽中取得第二個最佳設(shè)計獎，2006年在德國不來梅機器人世界杯足球賽中取得最佳操作界面獎，以及2008年在中國蘇州機器人杯大賽中取得第二個最佳移動獎。圖1 ResQuake在不同的環(huán)境中運動：(左)折疊路徑,(右)爬上不平斜坡可擴展軌跡2 機構(gòu)設(shè)計以移動形式劃分，搜救機器人主要有三類，即輪式，履帶式和行走機器人。輪式機器人，可以在搜索平坦的區(qū)域時使用。由于動力簡單，開發(fā)這些自動系統(tǒng)相對容易。輪式機器人還能夠攀爬高度比車輪小的障礙物。履帶式機器人由于具有在崎嶇不平的地形上移動的超強能力而得到廣泛使用。圖2展示了輪式和履帶式系統(tǒng)面臨著同樣的障礙（樓梯）。可以看出，相對較小的履帶式機器人具有相同的越障能力。圖2 兩種運動系統(tǒng)遇到相同障礙物行走機器人通常具有高自由度(DOFs)，故而具有高機動性。因此，這種系統(tǒng)的動力學(xué)模型及其穩(wěn)定性要比前者復(fù)雜的多。此外，這種系統(tǒng)的運行需要大量的執(zhí)行機構(gòu)和傳感器，所以他們的控制系統(tǒng)更昂貴。還應(yīng)該提到的是兩輪和行走機構(gòu)相結(jié)合的方式，這保留了兩個運動系統(tǒng)的優(yōu)點，而且避免了它們的缺點10。在輪式-行走混合機構(gòu)中，輪式機構(gòu)可以支撐行走機構(gòu)的重量，而行走機構(gòu)可以在崎嶇的地形上移動機器人。 不僅僅是運動系統(tǒng)類型，救援機器人的尺寸也是一個重要的問題。在一個遭受破壞的室內(nèi)環(huán)境中，可能存在一些例如倒塌的墻壁或天花板一類的一般系統(tǒng)不能輕易通過的障礙。在這種情況下，機器人必須在障礙物之間尋找一條其他的路徑而不是爬過他們，這無疑取決于它的大小。一個相對較小的機器人能夠輕易地通過一條狹窄通道并繼續(xù)搜索。應(yīng)當指出，樓梯是室內(nèi)環(huán)境的一個不可分割的一部分。不管樓梯破壞與否，救援機器人都應(yīng)該有能力上下樓梯以搜查整個地區(qū)。 為了在這兩個矛盾之間進行折衷，人們提出了一種具有高機動性的小機器人，履帶式機構(gòu)已經(jīng)被應(yīng)用于ResQuake的研制。這種機制包括一個主體(基座)和兩個可擴展履帶(臂)。這一布置使機器人能根據(jù)它遇到的障礙調(diào)整自身大小。因此，相應(yīng)的，履帶應(yīng)該有一個最小長度以防止失去平衡，并且能夠在沒有額外震動的情況下能在連續(xù)的樓梯上穩(wěn)定的運動，如圖3(a)所示,。另一方面,長的履帶,例如那些簡單的履帶機器人需要一個較大的區(qū)域進行拐彎,如圖3(b)，這在遭受破壞的環(huán)境中很難滿足這一條件。圖3 (a)履帶式機器人最小長度 (b)簡單的履帶式機器人最小拐彎半徑2.1 可擴展履帶(臂)圖4中顯示的結(jié)構(gòu),使得機器人可以擴大它的履帶長度以便通過障礙。另一方面,當機器人在穿過狹窄的通道以及需要較小體積時，其前端可以折疊。這也有助于減少轉(zhuǎn)彎半徑。最初的想法是在折疊工作臂上，以克服上述矛盾。這個概念已經(jīng)改進了在兩邊都有一對工作臂的車輛，如圖4(b) 所示，用折疊臂來減少機器人的長度或擴大其他長度來滿足其他要求。另一個優(yōu)點是對稱結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使得機器人在前進和后退時運動相似，這一布置便于在受限空間內(nèi)轉(zhuǎn)彎。其次，工作臂被布置在同一平面內(nèi)以降低機器人寬度(圖5 (b)。最后，為了在工作臂折疊時使用額外的區(qū)域空間，在每個臂中安裝了連接件(圖5 (b)。因此,機器人兩邊的履帶都能伸展成三個平行層面,這提供了更有效的牽引力。圖4 (a)前端履帶初步設(shè)計 (b)具有兩對臂的改進設(shè)計 (前端和后端)圖5（a）使履帶共線以減少機器人寬度 (b)履帶最終結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)中添加四個獨立的（主動）關(guān)節(jié)會增加執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)量從而增加系統(tǒng)的總價格。因此，人們用行星齒輪系來簡化每個臂上主連接件到次連接件的功率傳輸。每個臂上的兩個的旋轉(zhuǎn)是相互獨立的。通過分析兩個臂的輪廓可以得出齒輪傳動比；（i）完全伸展（ii）完全折疊，這樣，在那些具有兩個輪廓的預(yù)期平面上的臂就可以運動(圖6)。圖6 臂的運動軌跡 如圖6所示，當工作臂的主體部分旋轉(zhuǎn)/ 2rad時，從屬部分的旋轉(zhuǎn)角度應(yīng)該超過rad。具備這一性能的齒輪系應(yīng)該是一個行星變速箱。第一個工作臂的主體部分在行星輪系中起著工作臂的作用，其動力由電動機直接提供。太陽輪連接在機器人上的主體之上，行星輪連接到在工作臂的從屬結(jié)構(gòu)上。一對中間齒輪安裝在太陽輪和行星輪之間，該處齒輪的直徑不得超過履帶主輪直徑這一閾值（圖7）。這一機構(gòu)的另一個優(yōu)點是工作臂的兩個連接點處的中心距離在旋轉(zhuǎn)時將保持不變。這使得我們能夠補償主履帶和裝有另一履帶的工作臂之間的間隙。這種履帶的作用是將履帶主體部分上的動力傳遞至工作臂上的從屬履帶上。圖7 個行星傳動鏈斜齒輪由于剛度大且齒輪輪齒強度相比于直齒圓柱齒輪來說更強而被用在行星齒輪系中11,12。臂的角速度應(yīng)低于2至4轉(zhuǎn)每分鐘，而電機的輸出速度為3000轉(zhuǎn)每分鐘。因此電機與連桿之間的速比約為1000。三級行星齒輪變速箱這以組合結(jié)構(gòu)的每一級的比率皆為3：1 (推定直角在角速度相對較大電機軸處）的比例。傳動比為30:1的蝸輪系為受限空間提供了理想的傳動比（圖8）。機器人的兩側(cè)履帶都是直流電機驅(qū)動。圖8 最終設(shè)計的布置2.2 履帶移動系統(tǒng)的牽引力在很大程度上依賴于機器人行走時履帶表面與接觸面之間的摩擦。因此履帶部件的材料和形狀就顯得尤為重要13。另一方面履帶應(yīng)該承受適當?shù)膹埦o力。設(shè)計的履帶由兩個主要部件組成。鏈齒結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)提供了足夠的張緊力,由乳膠做成的齒形零部件則補償了鏈與接觸面之間的隙，從而得到所需的摩擦力。通過用長銷釘替換標準鏈中的銷釘對金屬鏈進行了修正。圖9展示了修正后的鏈以及履齒是如何安裝在這些銷釘上的。當系統(tǒng)需要快速機動的穿過或是爬過某個斜坡時，產(chǎn)生了一個嚴重的問題，那就是由于基座運動而導(dǎo)致的不穩(wěn)定性及傾覆14。懸架結(jié)構(gòu)具備兩個主要優(yōu)點。懸架系統(tǒng)包括主體上的兩個表面，并將它們通過回轉(zhuǎn)副連接起來（圖9）。一對線性彈簧限制了旋轉(zhuǎn)角度，同時使得該系統(tǒng)在未受到額外施加的作用力時保持理想姿勢。在此指出一點，該系統(tǒng)不需要使用減震器，因為作為轉(zhuǎn)動副的滑動軸承產(chǎn)生的摩擦力足以限制彈簧的額外震動。圖9 上圖：安裝在鏈上的乳膠零件；下圖：懸掛系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)2.3 最終尺寸 移動結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后開始進行尺寸設(shè)計。一些諸如金屬鏈和行星輪一類的零件作為標準間很容易得到，所以其他零件的尺寸應(yīng)該與它們相匹配。除此之外，在計算時必須考慮機器人的整體尺寸和齒輪系的公式。由于大量的方程式共同決定著參數(shù)，人工計算無法得到最優(yōu)解。所以可以通過MATLAB來解方程得出最優(yōu)解。該過程需要考慮的尺寸列在圖10和表1中。圖10 主要的長度確定其他維度表1尺寸參數(shù)的機器人 附件2：外文原文（復(fù)印件）ResQuake: A Tele-Operative Rescue RobotThe design procedure of ResQuake as a tele-operative rescue robot and its dynamics analysis, manufacturing procedure, control system, and slip estimation for performance improvement are discussed. First, the general task to be performed by the robot is defined, and various mechanisms to form the basic structure of the robot are discussed. Choosing the appropriate mechanisms, geometric dimensions, and mass properties are detailed to develop kinematic and dynamic models for the system. Next, the strength ofeach component is analyzed to finalize its shape, and the mechanism models are presented. Then, the control system is briefly described, which includes the operators PC as the master processor, and the laptop installed on the robot as the slave processor. Finally, slip coefficients of tracks are identified and validated by experimental tests to improve the system tracking performance. ResQuake has participated with distinction in several rescue robot leagues. DOI: 10.1115/1.3179117Keywords: mobile robots, tele-operative, locomotion mechanisms, control architecture, slippage estimation1 IntroductionMobile manipulators, which consist of a platform and one or more manipulators, have an unlimited workspace. Therefore, various legged, wheeled, tracked, and flying systems have been proposed, and successfully put into practice. Such systems are used in different kinds of fields such as fire fighting, forestry, deactivating bombs, toxic waste cleanup, transportation of materials, space onorbit services, and similar applications in which human health is endangered 1. So, it is expected that mobile robots, whether autonomous or tele-operative, play a more important role in different fields of human life. However, in a mobile robotic system, dynamic forces affect the motion of the base and the manipulators, based on the action and reaction principle. Therefore, kinematics, dynamics, and control of such systems have received extensive research attention 25.Earthquake is a natural incident, which threatens human life. Aftershocks occurring a while after the main earthquake cause secondary collapses and may take victims away from the search and rescue personnel. In order to minimize the risks for rescuers, while increasing victim survival rates, exploiting fielding teams of collaborative robots is a good alternative. The mission for the robots and their operators would be to find victims, determine their situation, and then report their findings based on a map of the building 6,7. This information will immediately be given to human rescue teams. Further expectations of rescue robots such as being able to autonomously search collapsed structures, finding victims and ascertain their conditions, delivering sustenance and communications to the victims, and emplacing sensors (acoustic, thermal, seismic, etc.) are ongoing research subjects. Nevertheless, the basic capability of rescue robots is their maneuverability in destructed areas, which thoroughly depends on their locomotion system and their dimensions. Various rescue robots were designed and manufactured so far 8,9.This paper presents an illustrative description of the ResQuake project at Khaje Nasir Toosi University (KNTU), as shown in Fig. 1. First, designing procedure for the locomotion mechanism will be detailed, and the system dimensions and related parameters are determined. Next, the system kinematics and dynamics is discussed, and the sequence of stress analysis for each member of the mechanism is addressed. Then, the robot control system is described. Finally, slip coefficients are identified and validated byvarious tests to improve the system tracking performance. ResQuake has great capabilities for moving in unstructured environment, on rough trains, and even climbing stairs, with a user-friendly operative interface. Its performance has been demonstrated in the rescue robot league of RoboCup 2005 in Osaka, Japan, achieving the second best design award, RoboCup 2006 inBremen, Germany, achieving the best operator interface award, and RoboCup 2008 in Suzhou, China, achieving the second best award for mobility.Fig. 1 ResQuake in different conditions;(left)folded tracks,(right)extended tracks climbing up a ramp uneven surface2 Mechanism DesignThere are three major categories of search and rescue robots in terms of their locomotion system, i.e., wheeled, tracked, and legged robots. Wheeled robots could be considered for searching flat areas. Developing the autonomy for these systems is easier due to their simple dynamics. A wheeled robot is also capable of climbing obstacles with a height smaller than their wheels. Tracked robots are used mostly because of their great ability to move on uneven terrains. Figure 2 shows wheeled and tracked systems facing the same obstacle _stair_. It can be seen that a smaller tracked robot has the same capability.Fig. 2 Two types of locomotion systems encountering the same obstacleLegged robots usually possess high degrees of freedom (DOFs), and thus, high maneuverability. Consequently, dynamics modeling and stability of such systems is more complicated than the former types. Besides, implementation of such systems requires numerous actuators and sensors, so their control is more expensive. It should be also mentioned that with a combination ofthe two wheeled and legged mechanisms, advantages of both locomotion systems can be preserved while shortcomings are prevented (10). In a hybrid wheel-legged mechanism, wheeled mechanism can support the weight of the legged mechanism, while the legged mechanism can move the robot on a rough terrain.Regardless of the type of locomotion system, the size of a rescue robot is also an important issue. In a destructed indoor environment, some obstacles may exist such as collapsed walls or ceilings that cannot be easily passed by usual systems. In such situations, the robot should search for a bypass or a way between the obstacles rather than climbing over them; that definitely depends on its size. A relatively small robot can easily pass a narrow passageway and continue its search. It should be noted that stairways are an inseparable part of an indoor environment. Whether destructed or not, a rescue robot should have the ability to climb up and down stairways in order to search the whole area.In order to compromise between the two contradictory aspects of providing a small robot with high maneuverability, a tracked mechanism has been developed for ResQuake. This mechanism includes a main body (base) with two expandable tracks (arms). This arrangement enables the robot to resize depending on the situation it encounters. Accordingly, these tracks should have a minimum length to prevent loosing its balance, and having a steady movement on successive stairs without extra vibrations, as shown in Fig. 3(a). On the other hand, lengthy tracks such as those of a simple track robot will require a wide area for turning, as shown in Fig. 3(b), which is rarely available in a destructed environment.Fig. 3 (a) Minimum length for tracks of the robot and (b) minimum turning radius of a simple track robot2.1 Expandable Tracks(Arms)The structure shown in Fig. 4 enables the robot to expand the length of its tracks to pass through obstacles. On the other hand, when the robot is going through narrow passages and needs to be rather small, the front tracks can be folded. This helps with reducing the turning radius as well. Folding arms was the original idea, developed to overcome the aforementioned contradiction.This concept has been improved to a system with two pairs of arms at both sides of the vehicle, as shown in Fig. 4(b), to reduce the length of the robot with folded arms while the expanded length fulfills other requirement. Another advantage would be the symmetry of the structure, which enables the robot to move equivalently in both forward and backward directions. This arrangement facilitates turning in a confined space.Next, the arms are placed in the same plane to reduce the robot width (Fig. 5_a). Finally, another joint is added to each arm in order to use an extra area between the arms when they are folded, Fig. 5(b). Therefore, the tracks on each side of the robot are stretched into three parallel planes, which provide a more efficient traction.Fig. 4 (a) Preliminary design of just front tracks (arm) and (b) improved design with two pairs of arms (front and rear)Fig. 5 (a) Making the tracks collinear to reduce the width of robot and (b) final mechanism chosen for the tracksAdding four independent (active) joints to the system would increase the number of actuators and consequently the total price of the system. Therefore, a planetary gear set has been used to simply transmit the power of the main joint of each arm to its second joint. So, rotation of the two parts for each arm will be dependent. The gear ratio is obtained, considering two desirable configurations of the arms; (i) fully stretched and (ii) fully folded, such that the arms can move, based on a desired plan between these two configurations (Fig. 6).Fig. 6 The path for motion of the armsAs shown in Fig. 6, for a pai/2 rad rotation of the main part of arm, the second part should rotate more than pai rad. The gear chain with such performance should be a planetary gearbox. The main part of the first arm plays the role of the arm in the planetary chain, which is directly powered by a motor. The sun gear should be attached to the main body of the robot, and the planet gear is attached to the second part of the arm. A pair of medium gears is placed between the sun and the planet where the diameter of gears does not exceed a given threshold, which is the diameter of the main wheels of the tracks (Fig. 7). Another advantage of this mechanism is that the center distance of the two joints of the arm will remain constant during its rotation. This enables us to fill the gap between the main track, and the arm with another track. This track is used to transmit power from the main part of the tracks to the second part on the arm.Fig. 7 Planetary gear chainHelical gears are chosen for the planetary gear set, due to their small backlash and higher strength of gear tooth comparing with spur gears 11, 12. The angular velocity of the arm should be less than 24 rpm. The motors output velocity is 3000 rpm. Hence, the velocity ratio between the motor and the link should be approximately 1000. A combination of a three stage planetary gearbox (constructed right at the motor shaft where the angular velocity is relatively high) with a ratio of 3:1 at each stage, and a worm gear set with a ratio of 30:1 provides the desirable ratio in a limited available space (Fig. 8). A dc motor drives the tracks at each side of the robot.Fig. 8 Final designed arrangement for the arms2.2 TracksThe traction of the locomotion system strongly depends on the friction between the track pieces and the surface on which the robot moves. Therefore, the material and the shape of the track pieces are of great importance 13. On the other hand, the tracks should also bear a reasonable tension. Designed tracks are made of two main parts. A basis of chain-sprocket provides the system with sufficient tensile strength, and tooth shaped pieces made of latex fills the gap between the chain and the surface to create the required friction. Metal chains have been modified by replacing pins of the standard chain with longer pins, and the latex grousers are mounted directly on them. Figure 9 shows modified chains and how the grousers are mounted on these pins.One of the most important problems caused by base movement, when the system undergoes a fast maneuver or tries to climb a slopped terrain, is the instability problem or tipping over 14. Noting this, two major advantages are obtained by including a suspension mechanism.The suspension system was designed by containing two surfaces on the main body, and then attaching them by a revolute joint (Fig. 9). A pair of linear springs limits the angle of rotation and makes the system remain at a desired position when no extra forces are applied. It should be mentioned that the use of dampers was not needed because the friction of the sliding bearings used as the so-called joints was enough to limit any extra shaking of the springs.Fig. 9 Top: latex pieces fixed on the chain; bottom: basic structure of the suspension system2.3 Final DimensionsFinishing the design of locomotion mechanisms, the dimensions are to be determined. Some of the components like metal chains and sprockets are available as standard parts, so that other dimensions should match their counterparts. Besides, the overall size of the robot and the formulas on the gear chains must be considered in the calculations. Since numerous equations govern these factors, an optimized solution is not reachable by manual calculations. Thus, MATLAB has been used to find the desired values from a set of equations. The main dimensions considered in this procedure are shown in Fig. 10 and summarized in Table 1.Fig. 10 Main lengths for determining the other dimensionsTable 1 Dimensional parameters of robot