履帶式機器人移動底盤的設計

履帶式機器人移動底盤的設計,履帶式機器人移動底盤的設計,履帶式,機器人,移動,挪動,底盤,設計 履帶式機器人移動底盤的設計履帶機器人的介紹履帶機器人的介紹從20世紀60年代到70年代，迅速普及并實用化的工業(yè)機器人給人的印象只是自動機械手。廣泛開展機器人移動功能的研究和開發(fā)是進入20世紀80年代以后的事。現(xiàn)在作為移動機器人而開發(fā)試制的移動機械種類已遠遠超過了機械手。特別是履帶式機器人，它不僅是生物體中沒見過的移動形態(tài)，而且能夠在復雜的底面行進。履帶式機器人因采用履帶傳動方式而得名。履帶傳動方式又叫循環(huán)傳動方式，其最大特征是將圓狀的循環(huán)軌道履帶卷繞在若干車輪上，使車輪不與地面直接接觸，利用履帶緩沖地面而帶來的沖擊，使機器人能夠在各種路面條件下行進。CONTENTS目錄履帶機器人底盤的的結構設計1履帶機器人底盤的運作原理2結論3履帶機器人底盤的結構設計1.后擺臂及履帶 2.齒輪 3.永磁式直流電機 4.減速器 5.蓄電池 6.微控制器及組件 7.步進電機 8.主履帶 9.前擺臂及履帶 履帶機器人底盤的性能設計參數(shù)總體結構:六節(jié)履帶式結構 自重：50KG結構尺寸：1205*764*380mm平地最大速度：0.5m/s一般速度：0.3m/s通過最大坡度：30續(xù)航能力：4小時履帶機器人的運作原理減速傳動機構電動機構電動機通過減速器的減速，以增大轉矩，實現(xiàn)調速。減速器是行星輪減速器，電動機安裝在減速器旁，通過直齒輪改變軸的方向，輸出后軸轉矩，為機器人提供主要動力。后軸驅動機構后軸驅動機構驅動后軸位于傳動系的末端。其基本功用增增扭、降速和改變轉矩的傳遞方向，即增大由傳動軸或者直接從變速器傳來的轉矩，并將轉矩合理的分配給左右驅動車輪。履帶驅動機構其動力部分采用電機，通過齒輪副降速后帶動低速軸的轉動，軸與履帶驅動機構通過導桿滑塊機構連接，從而使履帶驅動機構各自繞前后軸的中心線轉動，實現(xiàn)機器人不同角度的爬坡和越障能力。履帶驅動機構機器人跨越臺階總結本次設計過程中涉及到所學知識的方方面面。通過本次設計，對所學知識進行了一次溫故，同時也為日后從事工程實踐工作打下了一些基礎。設計中，我對履帶式機器人底盤的工作原理、基本結構、性能的要求進行了比較詳細的分析，針對履帶機器人中采用的履帶、減速器、電動機等也進行必要的闡述。通過對履帶機器人的相關性能要求的驗算，得出設計的結果基本上符合設計要求。致謝THANKS!大學生活即將結束，在此，我要感謝所有教導我的老師和陪伴我一齊成長的同學，他們在我的大學生涯給予了很大的幫助。本論文能夠順利完成，要特別感謝我的導師代素梅老師，代老師對該論文從選題，構思到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予細心指引與教導,使我得以最終完成畢業(yè)論文設計！最后，我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱，評議和參與本人論文答辯的各位老師表示感謝！感謝各位老師的觀看和指正！摘要 此設計是設計結構新穎，能實現(xiàn)過坑、越障等動作的機器人底盤。通過在機器人機架上加裝其他功能的模塊來實現(xiàn)不同的使用功能，本設計的目的是為機器人提供一個動力輸出平臺，為開發(fā)各種功能的機器人提供基礎平臺。 此設計移動方案的選擇是采用了履帶式驅動結構。結構整體使用模塊化設計，以便后續(xù)拆卸維修，可以適應于各種復雜的路面，并可主動控制前后兩側搖臂的轉動來調節(jié)機器人的運動姿態(tài)，從而達到輔助過坑、越障等動作。經(jīng)過合理的設計后機器人將具有很好的環(huán)境適應能力、機動能力并能承受一定的掉落沖擊，此設計的移動機構主要由四部分組成：主動輪減速機構、翼板轉動機構、自適應路面執(zhí)行機構、履帶及履帶輪運動機構。 關鍵詞 移動式；機器人；履帶式；底盤；模塊化設計 Abstract This?design?is?a?robotic?chassis?with?a?novel?design?structure?that?enables?pits?and?obstacles?to?move.?Through?the?addition?of?other?functional?modules?to?the?robot?rack?to?achieve?different?usage?functions,?the?purpose?of?this?design?is?to?provide?a?power?output?platform?for?the?robot?and?to?provide?a?basic?platform?for?robots?that?develop?various?functions The?design?of?this?design?mobility?scheme?is?the?use?of?a?tracked?drive?structure.?The?entire?structure?uses?a?modular?design?for?subsequent?demolition?and?maintenance,?which?can?be?adapted?to?various?complex?road?surfaces,?and?can?actively?control?the?rotation?of?the?rocker?arms?on?both?sides?to?adjust?the?movement?posture?of?the?robot?to?achieve?auxiliary?over-hole?and?obstacle-over?actions.?After?a?reasonable?design,?the?robot?will?have?good?environmental?adaptability,?mobility?and?can?withstand?a?certain?drop?impact.?This?design?of?the?mobile?mechanism?is?mainly?composed?of?four?parts:?the?active?wheel?deceleration?mechanism,?the?flap?rotation?mechanism,?adaptive?road?surface?Actuator,?crawler?and?track?wheel?movement?agencies. Keywords robot tracked mobile mechanism modular design 27 目 錄 摘要 I Abstract II 1 緒論 2 1.1 機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展 2 1.2 履帶式機器人的概述 3 1.3 本設計的目的及意義 3 2 移動機構的分析及其選擇 5 2.1 典型移動機構 5 2.1.1履帶式移動機構的特點 5 2.1.2輪式移動機構的特點 5 2.1.3腿式移動機構的特點 6 3 設計方案 7 3.1 行走機構的選擇 7 3.2 履帶機器人功能、性能指標與設計 8 3.3 主要機構的工作原理 9 4 機器人移動底盤主履帶電機的選擇 10 4.1 機器人在平直的路上行駛 10 4.2 機器人在30°坡上勻速行駛 10 4.3 機器人的多姿態(tài)階躍 11 5 履帶部分設計 13 5.1 履帶的選擇 13 5.2 確定主從動輪直徑 14 5.3 確定節(jié)線長度 15 5.4 計算所需的帶寬 16 5.5 功率驗算 18 5.6 履帶主從動輪設計 18 5.7 副履帶部分設計 20 6 履帶翼板部分設計 23 6.1 履帶翼板的作用 23 6.2 履帶翼板的設計 23 結論 24 致謝 25 參考文獻 26 1 緒論 1.1機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展 機器人是集合了機械、電子、傳感、控制、人工智能等多個學科先進技術于一體的自動化裝備。自1956年機器人產(chǎn)業(yè)誕生后，經(jīng)過近60年發(fā)展，機器人已經(jīng)被廣泛應用在裝備制造、新材料、生物醫(yī)藥、智慧新能源等高新產(chǎn)業(yè)。機器人與人工智能技術、先進制造技術和移動互聯(lián)網(wǎng)技術的融合發(fā)展，推動了人類社會生活方式的變革。當前，我國機器人市場進入高速增長期，工業(yè)機器人連續(xù)五年成為全球第一大應用市場，服務機器人需求潛力巨大，核心零部件國產(chǎn)化進程不斷加快，創(chuàng)新型企業(yè)大量涌現(xiàn)，部分技術已可形成規(guī)模化產(chǎn)品，并在某些領域具有明顯優(yōu)勢。 機器人行業(yè)不斷發(fā)展，機器人在生產(chǎn)人們?nèi)粘Ｉ钪械膽梅秶粩鄶U展，其種類也逐漸增多。按照不同的分類方法，可以對機器人進行不同類型的分類，如，根據(jù)其功能可以分為操作機器人、移動機器人、信息機器人、人機機器人。按照用途機器人可分為工業(yè)機器人、農(nóng)業(yè)機器人、服務機器人、軍用機器人四大類。近十幾年來，我國有關部門過分強調工業(yè)機器人的系統(tǒng)研發(fā)，而忽視了機器人關鍵技術突破，使得工業(yè)機器人某些核心技術仍處于實驗階段，嚴重制約了我國機器人的產(chǎn)業(yè)化進程。另外，對核心元件的過分依賴和創(chuàng)新能力的缺乏致使機器人生產(chǎn)的技術含量難以得到質的提升，從而導致工業(yè)機器人在諸多技術方面仍然停留在仿制層面。 目前，機器人產(chǎn)業(yè)在我國正處于強勁發(fā)展的狀態(tài)，各種類型正快速發(fā)展。工業(yè)機器人作為制造業(yè)皇冠頂端的明珠，其性能優(yōu)勢決定了其在工業(yè)生產(chǎn)中的優(yōu)勢地位。近年來，隨著經(jīng)濟危機陰影的消退，工業(yè)機器人的生產(chǎn)需求量不斷上升，市場銷量也保持快速增長。未來，一方面由于我國勞動力人口不斷減少，對勞動力需要不斷提升，會增加對工業(yè)機器人的需求；另一方面隨著產(chǎn)品加工精度不斷提高等，也會提升對工業(yè)機器人的需求。對于服務機器人，有機構預測未來服務機器人將像家用電器一樣普及，它將大量進入人們的生活，走進千家萬戶[3]。特別是隨著我國人口老齡化加速，未來醫(yī)療服務機器人、陪伴機器人等的需要有可能會出現(xiàn)爆炸式增長。憑借其重要的戰(zhàn)略意義，未來軍事機器人也將越來越受到重視，其智能化將會越來越高。軍事機器人本身也將會呈現(xiàn)“兩級分化”的發(fā)展趨勢。一方面，為滿足新形勢下急難險重任務的需求，提高工作效率，未來軍事機器人將越來越偏向大型化；另一方面，為提高隱蔽性，方便士兵攜帶，未來軍事機器人將越來越小，呈微型化發(fā)展。 履帶式機器人因采用履帶式傳動而得名。其最大特征是將圓狀的循環(huán)軌道履帶套在若干車輪上，使車輪不與地面直接接觸，利用履帶緩沖地面帶來的沖擊，使機器人能夠適應各種路面狀況。目前六履帶擺臂式搜救機器人還是局限于單個或兩個自由度。其主要由機械本體、控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)等部分組成。六履帶擺臂式搜救機器人的研究涉及以下幾個方面，首先是移動方式的選擇，對于履帶式移動機器人，可以是兩履帶式、四履帶式、六履帶式等。其次，考慮驅動器的控制，以使機器人達到期望的功能。再者，必須考慮導航或路徑規(guī)劃，如傳感信息融合，特征提取，避碰以及環(huán)境映射。最后，考慮擺臂角的原理，這方面需要重點考慮，通過控制搖臂的角度來改變自身高度以達到越障過坑功能是這種機器人的最大特點。對于這些問題可歸結為：機械結構設計、控制系統(tǒng)設計、運動學與動力學建模、導航與定位、多傳感器信息融合等。 1.2履帶式移動機器人的概述 隨著人類社會的不斷發(fā)展進步，在日常生活的方方面面都越來越需要移動機器人。移動機器人是一種由機械傳動裝置、高精度傳感器以及電機伺服控制器所構成的綜合系統(tǒng) ，能將動態(tài)決策與分析、環(huán)境感知與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能集于一體 ，同時對環(huán)境適應能力較強，能夠方便操作具有人工智能的復雜控制系統(tǒng)。近年來移動機 器人 的 發(fā) 展有了明顯的進步，它的應用也涉及 到 人們的各方面，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè) 、 醫(yī)療 、交通運輸?shù)刃袠I(yè)中，移動機器人都得到了廣泛的應用。民用領域，移動機器人能完成家庭清潔、指路導引、運輸貨物、醫(yī)療救援等任務。軍事領域，移動機器人可以偵 查軍情、排爆反恐、防核掃雷等危險任務。因此，移動機器人的技術研究己經(jīng)得到全世界的廣泛關注。 履帶式移動機器人是指能夠在各種復雜環(huán)境或路面中行駛并執(zhí)行某項任務的履帶式車。它集中了機械制造技術、自動化控制技術、傳感器技術、和通信技術等多學項科的研究成果，是目前科技發(fā)展的前沿領域之一。美、英、德、法、日等發(fā)達國家，在履帶式移動承載平臺的研究方面走在世界的前列，典型的有美國卡耐基梅隆大學研制的 Crusher大范圍復雜越 野的無人機動平臺，德國的“犀?！?Rhino)履帶式 遙控車，英國的“地雷探測、標識和處理計劃 (MINDER)”等。與世界發(fā)達國家相比，我國在這方面的研究起步較晚，履帶平臺的技術含量低、導航定位和傳感等關鍵技術相對落后，在設計和制造上還存在差距。 1.3 本設計的目的和意義 機器人在現(xiàn)代化的生產(chǎn)行業(yè)里面用的頻率越來越高，不管是生產(chǎn)汽車，還是加工各種電器，現(xiàn)在很多都是由機器人來完成。工業(yè)發(fā)展如此迅速，在這樣的大背景下，機器人的很多要求就變得更多了，精度比之前高很多，復雜程度也高很多?？倳浽趦稍涸菏看髸性岬?，“機器人是‘制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。近年來，機器人行業(yè)的快速發(fā)展不僅創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟價值，也提高了人們的生活質量，促進著人類社會的發(fā)展。目前，在機械加工與電子電氣等行業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)機器人的批量使用，使生產(chǎn)流程工序自動化、簡潔化，顯著降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)利潤。同時，作為智能制造的主力軍，工業(yè)機器人不斷從汽車制造領域向機械、建材、物流、食品乃至航空、航天、船舶制造等領域滲透，帶動相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。此外，機器人在醫(yī)療、餐飲服務等方面的應用，也提高了人們的生活質量，便捷了人們?nèi)粘５纳a(chǎn)生活。在我國人口紅利減弱的背景下，隨著產(chǎn)業(yè)轉型升級的不斷深入，機器人應用范圍越來越廣，我國機器人產(chǎn)業(yè)將迎來戰(zhàn)略發(fā)展黃金期。工業(yè)4.0正在加快推進，在進行生產(chǎn)加工的時候，不管是強度還是精度，自動化程度以前相比提高了很多，現(xiàn)在在很多地方都可以看到機器人加工產(chǎn)品，這一點是其他的加工方式實現(xiàn)不了的。在進行加工生產(chǎn)的時候，最重要的就是機器人的質量，質量好了，加工的產(chǎn)品就好，質量差，加工的產(chǎn)品就不行；機器人底盤對產(chǎn)品生產(chǎn)時間影響很大，產(chǎn)品質量還受到加工效率的影響，另外加工出來的東西是不是滿足要求，可以生產(chǎn)多少，這些都關系到產(chǎn)品的造價。 移動機器人系統(tǒng)主要分移動平臺以及上層搭載兩大部分，由于移動平臺要求具有通用性、越野性，這就要求進行系統(tǒng)設計時，需要多方面的優(yōu)化，即在滿足越障、渉水、爬樓梯、行進速度等規(guī)定動作的同時，對系統(tǒng)進行可靠性分析、結構優(yōu)化、重量優(yōu)化等等。底盤結構是履帶平臺設計中最重要部分之一，直接決定了車輛行駛時的穩(wěn)定性和越障能力。在分析了國內(nèi)外移動承載平臺技術發(fā)展的基礎上，參考了各種地面承載平臺及其底盤機構的設計，研究設計了一種小型履帶式移動承載平臺的底盤， 并對其各項性能進行理論與仿真分析。仿真結果表明，該履帶底盤具有可靠的承載能力、爬坡性能優(yōu)越等特點。 2移動機構的分析及其選擇 由電動機輸出的動力，需要通過傳動系統(tǒng)傳遞到機器人移動平臺的后輪上，以便驅動機器人運動。可見傳動系統(tǒng)是整個移動平臺實現(xiàn)是運動功能的紐帶和關鍵。 2.1典型移動機構 履帶式、輪式、腿足式三種是機器人的三種主要移動方式。另外還有步進移動式、蠕動式、混合移動式、蛇行移動式等。 2.1.1 履帶式移動機構特點 履帶式移動機構分為l條履帶、2條履帶(履帶可車體左右布置或者車體前后布置)、3條履帶、4條履帶．6條履帶，機動性能好、越野性能強是履帶移動方式的優(yōu)點，缺點是結構重量大、復雜、機械效率低，摩擦阻力大，在自重比較大的情況下會對路面造成一定程度的破壞。履帶式移動機構和輪式移動機構相比有以下幾個特點： (1)越野機動性能好，爬坡越障等性能均好于輪式結構； (2)支撐面積大、接地比壓小、滾動阻尼小、通過性比較好； (3)履帶支撐面上有履齒，不打滑，附著牽引性能好； (4)結構較復雜重量大，運動慣性大，減震功能差，零件易損壞。 (5)六履帶移動機器人車體前后各有一對履帶鰭，可以輔助越障，運動性能十分好。 圖2-1六履機器人底盤 2.1.2輪式移動機構特點 輪式移動機構是最普通的運動方式，結構簡單、速度快、節(jié)能、靈活是輪式機器人移動機構普遍的特點，同時具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時間短和效率高、編程簡單可靠性高，每個輪子都可以獨立驅動等優(yōu)點。當跨越不平坦地形時，與履帶式移動機器人相比，輪式機器人則有著明顯的不足，其穩(wěn)定性和對環(huán)境的適應性則完全依賴于環(huán)境本身，對于進入復雜的環(huán)境完成既定任務存在嚴重的困難。按輪的數(shù)量輪式移動機構可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。此種結構有著一定的局限性，只能在相對平坦、表面較硬的路面上行駛，如遇到軟性地面環(huán)境，容易打滑、沉陷，但也可以根據(jù)具體地面環(huán)境采取一些預防措施來緩解此類情況的出現(xiàn)。 2.1.3腿式移動機構的特點 腿足式移動機構的形式有2腿、4腿、6腿、8腿等。腿式移動機構優(yōu)點有： (1)對地形有較強的適應能力。 (2)機器人的腿部有多個自由度，運動更具有靈活性。機器人重心位置可以通過調節(jié)腿的長度來控制，因而不易翻倒，有更好的穩(wěn)定性； (3)腿式機器人的身體與地面分離，該機械結構的優(yōu)點在于機器人身體可以平穩(wěn)地運動而不必考慮腿的所放位置和地面的租糙程度，8腿移動機器人如圖7-2所示，特點是越野能力強，穩(wěn)定性好。 腿式移動機構缺點有： 1.此類型機器人機動性較差，移動速度慢，負載較小； 2.需要進一步提高腿式機器人運動靈活性和對地面適應性； 3.控制系統(tǒng)較為復雜，需要完善控制方法； 4.尚未進入實用化階段。 車輪式，履帶式、腿足式移動系統(tǒng)性能比較見表2-1示： 表2-1典型移動機構的性能對比表 移動方式 輪式 履帶式 腿式 移動速度 快 較快 慢 越障能力 差 一般 好 復雜程度 簡單 一般 復雜 能耗量 小 較小 大 控制難易 易 一般 復雜 3 設計方案 3.1 行走機構的選擇 本文履帶機器人移動系統(tǒng)采用的是履帶式結構，總體設計思路如圖4-1所示。 圖 3-1 機器人的車體的履帶作為履帶式移動機構，與前臂和后臂轉動相協(xié)調，增加了機器人運動靈活性。 機器人的前臂和后臂各由一個伺服電機驅動，和控制系統(tǒng)相互配合，完成前臂和后臂的靈活轉動，在機器人爬坡和越障時發(fā)揮更大作用。機器人前臂和后臂協(xié)調作用，將獲得更好的穩(wěn)定性。 永磁式直流電機驅動機器人車體左右兩邊履帶，與控制系統(tǒng)協(xié)調配合，實現(xiàn)對前軸和后軸的速度、力矩的控制，能實現(xiàn)前進時的自由轉向， 360°原地轉向，隨時調整爬坡時的力矩大小。慣性軸位于車體主履帶前端，配合主動軸，實現(xiàn)機器人運動的平穩(wěn)。 1. 后擺臂及履帶 2.齒輪 3.永磁式直流電機 4.減速器 5.蓄電池 6.微控制器及組件 7.步進電機 8. 主履帶 9.前擺臂及履帶 圖3-2 履帶式機器人結構組成 3.2 履帶機器人的功能、性能指標與設計 履帶機器人的主要設計性能參數(shù)如下： 表4-1 性能參數(shù) 總體結構 六履腿式結構 自重 50KG 載荷 >50KG 結構尺寸 1205*624*380 搭載接口 二維隨動搭載平臺 平地最大速度 0.5 m/s 正常速度 0.3m/s 最大通過坡度 30° 通過能力 能通過復雜行道 續(xù)航能力 4小時以上 轉向能力 自由轉向 履帶高度 200mm 前壁履帶末端直徑 80mm 后壁履帶末端直徑 80mm 機器人車體具體尺寸如圖3-3： 圖3-3 機器人車體結構尺寸 3.3 主要機構的工作原理 轉向機構：在行駛過程中，機器人需要經(jīng)常改變行駛方向，通過兩個電機的差速比來實現(xiàn)機器人的轉向。 減速傳動機構：通過行星輪減速器的降速，減速傳動機構能實現(xiàn)增大轉矩、調速，軸的方向通過直齒輪改變，輸出后軸轉矩，為機器人提供主要動力。后軸驅動機構驅動后軸位于傳動系的末端。實現(xiàn)增扭、降速和改變轉矩的傳遞方向等的基本功能。 動力部分采用電機，低速軸的轉動由齒輪副降速后帶動，通過導桿滑塊機構對軸與履帶驅動機構進行連接，使履帶驅動機構各自繞前后軸的中心線轉動，使機器人能在不同角度完成爬坡和越障。 4 機器人移動底盤主履帶電機的選擇 動摩擦因數(shù)，摩擦力實際上只是表示起動時車輪所處的滑動狀態(tài)對應的摩擦力，車輪一旦開始轉動，所受的滾動摩擦力總是要小于滑動摩擦力。因此可取大一點。 4.1機器人在平直的路上行駛 履帶式機器人在跨越平面的溝槽或在平面移動，假設其速度最大，且勻速前進，則取 履帶式機器人共有兩個輸出軸，每個輸出軸前端都有一個電機，對機器人其中一個輸出軸分析: 圖4-1 平直路線分析 又 則 在最大的行駛速度下，驅動電機經(jīng)過減速箱減速后需要提供的極限轉速為 4.2 機器人在30°坡上勻速行駛 機器人在最大行駛坡度上勻速行駛，設定行駛速度為,,在行駛過程中輪子作純滾動，不考慮空氣阻力的影響，機器人爬坡受力情況如圖 圖4-2 30°坡度分析 又，則 則在最大坡度下需提供極限轉矩為 4.3 機器人的多姿態(tài)越階 通過對上述幾種姿勢分析，在跨越臺階時，機器人的直流電機只驅動主履帶，在實際跨越臺階過程中，機器人的速率不大，因此機器人所需要提供的輸出功率也不大。 由上述分析可知，在平面做直線運動時，機器人所要求的驅動電機輸出的轉速較大，需要驅動電機的輸出轉矩則在爬坡時較大。所以，在選擇電機時，應該由平地直線運動所求的最大轉速和爬坡所求的轉矩進行選擇。 根據(jù)機器人爬坡情況的分析， , 機器在平面狀況下， 因而選取P=80W作為機器人的最大輸出功率。 根據(jù)計算的履帶式機器人的最大輸出功率為80W, 輸出轉矩為22.1N.M, 輸出轉速為56.2r/min 因為直流電機啟動性能好，過載性能強，可承受頻繁沖擊、制動和反轉，允許沖擊電流可達額定電流的3到5倍。另外在使用過程中可攜帶或可移動的蓄電池，干電池作為供電電源，操作輕巧與方便。根據(jù)直流電機這些性能，滿足主履帶頻繁受沖擊，制動和反轉的要求，滿足機器人要攜帶移動電池的要求，因而則選擇90ZY54型號的直流永磁電機 表4-1 直流電機數(shù)據(jù) 額定功率/W 額定轉矩/N.M 額定轉速/r.min 電流/A 電壓/V 允許正反轉差速/r/min 92 0.6 1500 7 12 150 因為 則 因為, 則 又 則選取 5 履帶部分設計 5.1 履帶的選擇 基于履帶標準化的思考，選擇梯形雙面齒同步帶作為設計履帶，其兼具帶鏈傳動、傳動、和齒輪傳動的優(yōu)點。因為帶輪與帶之間是通過嚙合來傳遞運動和動力的，因此帶輪與帶之間無相對滑動，能保證準確的傳動比。同步帶通常以氯丁橡膠為材料，這種帶薄而且輕，故可用于較高速度。傳動時的傳動比可達10，線速度可達50m/s，傳動效率可達98％。傳動噪聲比帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨性好，不需油潤滑，使用壽命也比摩擦帶長。 準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大是同步帶傳動具有的優(yōu)點，所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦值不等。傳動效率高，結構緊湊，適宜于多軸傳動，無污染，在比較惡劣的環(huán)境下可以正常工作。 從以上對同步帶性能的分析中可以得出結論，選用梯形雙面齒同步帶作為移動裝置設計履帶能夠滿足設計性能及工作的環(huán)境條件要求。 由已知后軸輸出功率為(即）； 由已知設計裝置移動速度，根據(jù)公式，可得主動輪轉速，預先設計履帶主動輪直徑=169mm，履帶從動輪直徑=169mm，由公式，可得=59.71r/min.。故可以得到設計的已知條件如下： 傳遞名義功率. 主動輪轉速r/min 從動輪轉速 中心距. 5.1.1 功率的計算 式中K--載荷修正系數(shù)（由工作機性能和運轉時間查相關數(shù)據(jù)可以得到為1.7） 5.1.2確定帶的型號和節(jié)距 由設計功率=0.1377kw和=59.71r/min，考慮到可以用雙面交錯梯狀齒形同步帶作為履帶使用，由相關資料查得選用XH型，對應節(jié)距=22.225mm，圖5-1為雙面交錯梯狀齒形同步帶的結構圖，雙面齒同步帶的節(jié)距和齒形等同與單面齒同步帶的齒形和節(jié)距，圖A為DA型雙面齒同步帶，其兩面帶齒呈對稱排列，圖B為DB型雙面齒同步帶，其兩面帶齒呈交錯位置排列，本裝置設計履帶選擇DB型。 圖5-1梯形齒形狀圖 5.2 確定主從動輪直徑 對于梯形標準同步帶來說小帶輪的齒數(shù)是有要求的，能夠保證同步帶運轉是最為基本的，履帶選用的XH形同步帶一樣有齒數(shù)最小要求，由表5-1查得 表5-1小帶輪的最小齒數(shù) 小帶輪轉速 XL L H XH XHH <900 10 12 14 22 22 900-1200 10 12 16 24 24 1200-1800 12 14 18 20 26 1800-3600 12 16 20 22 30 由上面得到 可以代入公式 為了增大摩擦力，應考慮增大履帶與接觸地面的有效接觸面積，所以履帶離地面的高度不易過大，故取履帶主動輪直徑=169mm，履帶從動輪直徑=169mm。 查表5-2，選擇履帶主動輪型號為24XH，履帶從動輪型號為24XH，就近圓整帶輪直徑，查得履帶主動輪直徑=169.79mm，履帶從動輪直徑=169.79mm。 表5-2XH型同步輪尺寸表（節(jié)距=22.225mm） 規(guī)格 齒數(shù) 節(jié)徑d 外徑do 檔邊直徑df 檔邊內(nèi)徑db 檔邊厚度h 22XH 22 155.64 152.84 167 138 4.5 23XH 23 162.71 159.92 174 145 4.5 24XH 24 169.79 166.99 181 152 4.5 25XH 25 176.86 174.07 188 159 4.5 26XH 26 183.94 181.14 195 166 4.5 27XH 27 191.01 188.22 202 173 4.5 28XH 28 198.08 195.29 209 180 4.5 同步帶都有自己的極限速度，如果速度過大會使皮帶輪機構的不穩(wěn)定性增強，有較大的波動現(xiàn)象，并且在單位時間的轉動次數(shù)會增加，不利于帶的壽命的提高，所以有同步帶的速度校核如下 查表5-1得 表5-3梯形齒同步帶極限速度 型號 MXL,XXL,XL,T2.5，T5，3M L,H,T10，8M,14M XH,XXH, T20，20M 模數(shù) 1,1.5, 2,2.5 3,4， 5 7,10 40-50 35-40 25-30 5.3確定節(jié)線長度 確定中心距。增大中心距，可以增加帶輪的包角，減少單位時間內(nèi)履帶的循環(huán)次數(shù)，可以提高帶的使用壽命，但是過大的中心距，則會導致帶的波動，降低帶的傳動穩(wěn)定性。如果增大帶傳動的整體尺寸，中心距太小，則有相反的利弊，取帶傳動的中心距為 由=169.79mm，=169.79mm.代入上式有 由于環(huán)境對履帶機器人工作的限制，所尺寸設計不宜太大，選擇中心距的尺寸偏小，初選取=380mm。 根據(jù)帶傳動總體尺寸和中心距的要求，帶的節(jié)線長度可由帶圍繞兩帶輪的周長來計算，由下式可得： 代入=400mm，=169.79mm，=169.79mm有 1350.79mm， 根據(jù)表5-4就近圓整=1422.40mm型號為560XH，同步帶齒數(shù)為64。 表5-4 XH型同步帶節(jié)線型號（節(jié)距=22.225mm） 規(guī)格 節(jié)線長mm 齒數(shù) 463XH 1177.93 53 508XH 1289.05 58 560XH 1422.40 64 570XH 1444.63 65 580XH 1466.85 66 630XH 1600.20 72 700XH 1778.00 80 735XH 1866.90 84 752XH 1911.35 86 770XH 1955.80 88 785XH 2008.70 90 5.4計算所需的帶寬 5.4.1計算同步帶的基準額定功率 kw 式中許用工作拉力，查表5-2得=4048.90N 單位長度質量，查表5-5得=1.484Kg/m 線速度m/s 表5-5七種同步帶型號的主要參數(shù) 帶型號 節(jié)距 基準寬 拉力 質量G 帶寬 MXL 2.03 6.4 3.0，4.8，6.4 XXL 3.175 6.4 31 0.010 3.0，4.8，6.4 XL 5.080 9.5 50.17 0.022 6.4，7.9，9.5 L 9.525 25.4 244.46 0.095 12.7，19.1，25.4 H 12.70 76.2 2100.85 0.448 25.4，38.1，50.8 XH 22.225 101.6 4048.90 1.484 50.8，76.2，101.6 XXH 31.75 127.0 6398.03 2.473 76.2，101.6，127.0 帶入上式得 5.4.2算主動輪嚙合齒數(shù) 小帶輪的嚙合齒數(shù)為 5.4.3定實際所需帶寬 其中為嚙合系數(shù)，查表5-6數(shù)據(jù)可得 =1 表5-6嚙合齒數(shù)系數(shù) 5 4 1 0.8 0.6 上式中帶所傳遞的功率=2.024kw 本履帶選用為XH帶，可以由表7-9查的基準帶寬 如下 表5-7周節(jié)制梯形齒同步帶的寬度 型號 MXL XXL XL L H XH XXH 基準寬度mm 6.4 6.4 9.5 25.4 76.2 101.6 127 許用拉力T 27 31 50.17 244.46 2100.85 4048.90 6398.03 帶的質量m 0.007 0.01 0.022 0.095 0.448 1.484 2.473 所以 以上公式算得帶寬為72.44mm，所以以此選取標準帶寬，取標準值 5.5功率驗算 ,額定功率大于設計功率，說明帶的傳動能力已足夠，所選參數(shù)合理。 同時得到作用在軸上的力 5.6履帶主從動輪設計 5.6.1履帶輪材料選擇 為了減輕履帶驅動裝置的重量，選擇硬鋁合金作為履帶主、從動輪的材料，密度小，質量低，強度高，硬度高，耐熱性好是硬鋁合金的優(yōu)點，能夠滿足設計性能要求。 5.6.2及主要尺寸的確定 履帶和帶輪的嚙合方式見圖5-2所示，圖中為同步帶輪節(jié)圓或同步帶節(jié)線上測得相鄰兩齒的距離即節(jié)距。XH型節(jié)距=22.225mm，為同步帶輪的節(jié)圓直徑，主動輪節(jié)圓型號為24XH，=169.79mm，從動輪節(jié)圓型號為24XH，=169.79mm.為同步帶輪實際外圓直徑，主動輪=166.99mm，從動輪=166.99mm。 圖5-2同步帶輪外徑徑節(jié)示意圖 同步帶分為AS型，BS型，AF型，BF型，WS型，其中AF型和BF型為雙邊檔邊，由于本設計采用的是電動機、減速器動力總成放在翼板內(nèi)，直接通過錐齒輪傳遞用后驅動輪輪軸。所以，主動輪選擇兩個單邊單圈，從動輪選擇一個無擋圈，選WS型同步帶輪。 主動輪24XH，齒數(shù)24，徑節(jié)=169.79mm，外徑=166.99mm 主動輪初選兩個雙邊擋圈的帶輪，用于設計中將其組合。 5.6.3齒面寬度的選擇 根據(jù)圖5-3可以查得XH型梯形雙面齒同步帶輪齒形尺寸如下 圖5-3齒形尺寸 節(jié)距=22.225mm，齒槽=mm，齒深=7.14mm，槽角=，倒角=，=，=3.048mm，根據(jù)表5-8可以查出以上數(shù)據(jù)。 表5-8梯形雙面齒同步輪齒形尺寸 型號 節(jié)距 MXL 2.032 0.840.05 0.69 20 0.35 0.13 0.508 XL 5.080 1.320.05 1.65 25 0.41 0.64 0.508 L 9.525 3.050.10 2.67 20 1.19 1.17 0.762 H 12.7 4.190.13 3.05 20 1.60 1.6 1.372 XH 22.225 7.900.15 7.14 20 1.98 2.39 2.794 XXH 31.750 12.170.18 10.31 20 3.96 3.18 3.048 根據(jù)前面確定的寬度為76.2，及所選擇的無檔邊帶輪查相關參數(shù)可得到梯形雙面齒同步帶輪齒面寬度=83.8。 5.6.4兩輪允許的公差 兩輪所允許的公差如表5-9所示 表5-9允許公差表 項目 小輪 大輪 外徑偏差 +0.15 0 +0.15 0 外圓徑向圓跳動 0.13 0.15 外圓端面圓跳動 0.19 0.26 輪齒與軸線平行度 齒頂圓柱面的圓柱度 0.09 0.11 軸孔直徑偏差 H7或H8 H7或H8 外圓及兩齒側表面粗糙度 3.2 3.2 5.7副履帶部分設計 因為同步帶傳動具有確定的傳動比，傳動平穩(wěn)，無滑差，能吸振，噪音小，傳動比范圍大等優(yōu)點，所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦。結構緊湊，傳動效率高，適宜于多軸傳動。具有無污染的特點，因此可在工作環(huán)境較為惡劣和不允許有污染的場所下正常工作。 其性能的優(yōu)越性從以上對同步帶性能的分析中可以看出，因此選用梯形雙面齒同步帶作為移動裝置副履帶能夠滿足設計性能及工作的環(huán)境條件要求。依照主履帶的設計對副履帶進行設計，具有相似之處。 而副履帶對主履帶來說，起到輔助作用，能使移動平臺獲得更出色的越野性能，更擅長于越溝和攀爬。它的工作環(huán)境沒有主履帶惡劣，并且所承受的載荷也比主履帶小一些，所以我選擇H帶。其設計方法參照主履帶如下: 介于副履帶的主動輪的直徑選擇應與主履帶的從動輪的相當，則參照相關數(shù)據(jù)可選擇副履帶主動輪直徑。 根據(jù)任務推出 副履帶從動輪直徑 副履帶主動輪齒數(shù) 副履帶從動輪齒數(shù) 5.7.1計算副履帶的帶寬 根據(jù)前面的表5-5查得到： H帶 選擇標準帶由表8-9差查得 H帶 5.7.2基準額定功率 計算所選用型號同步帶的基準額定功率 其中 得出 而由 反推得到設計功率為 5.7.3中心距的選擇 則確定中心距 5.7.4帶節(jié)線長度 根據(jù)帶傳動總體尺寸和中心距的要求，帶的節(jié)線長度可由帶圍繞兩帶輪的周長來計算，根據(jù)下式求得： 代入數(shù)據(jù) 根據(jù)表8-16可選帶長為 表5-10周節(jié)制梯形齒同步帶節(jié)線長度及齒數(shù) 長度代號 基本尺寸 極限偏差 L H XH XXH 345 876.30 0.66 92 -- -- -- 360 914.40 -- 72 -- -- 367 933.45 98 -- -- --- 390 990.60 104 78 -- -- 420 1066.80 0.76 112 84 -- -- 6 履帶翼板部分設計 6.1履帶翼板的作用 履帶翼板是整個履帶驅動裝置中的基礎部分，主要起支撐張緊作用，履帶從動輪，張緊輪和過度輪分別安裝在翼板上。 翼板的材料應滿足質量輕，高強度，高硬度，易加工的優(yōu)點，綜合選擇，所以翼板的材料選擇硬鋁合金。 6.2 履帶翼板設計 翼板的主要尺寸見圖6-1所示，履帶主動輪，從動輪，張緊輪和調節(jié)輪在翼板上的位置見圖6-1上部的一個圓孔和下部的兩個圓孔所示，張緊輪翼板設計厚度為18mm。 圖6-1翼板主要尺寸 結論 本設計移動底盤采用履腿式復合結構，前臂和后臂轉動相協(xié)調，可增加機器人的運動靈活性。 基于履帶標準化的思考，選擇梯形雙面齒同步帶作為設計履帶，其兼具帶鏈傳動、傳動、和齒輪傳動的優(yōu)點。因為帶輪與帶之間是通過嚙合來傳遞運動和動力的，因此帶輪與帶之間無相對滑動，能保證準確的傳動比。 選擇90ZY54型直流永磁電機作為動力源。其啟動性能好，過載性能強，可承受頻繁沖擊、制動和反轉，允許沖擊電流可達到額定電流的3到5倍。另外在使用過程中可攜帶能移動的干電池，干電池作為供電電源，操作輕巧與方便。根據(jù)直流電機這些性能，滿足主履帶頻繁受沖擊，制動和反轉的要求，滿足機器人要攜帶移動電池的要求。 通過對履帶式機器人底盤的相關性能要求的驗算，設計成果符合設計要求。相信這次設計獲得的經(jīng)驗和處理問題的能力將會對日后的學習和工作都會有幫助 致謝 這里還要特別感謝我的指導老師代素梅老師。在我畢業(yè)論文的寫的過程中，指導老師給我提供了相當大的幫助和指導。從一開始選課題再到修正，最后定稿，指導老師的建議是相當關鍵重要的。也要感謝那些曾經(jīng)教導過我的老師，不光傳授了專業(yè)知識，還讓我懂得了對待學習以及生活的態(tài)度，讓我們受益匪淺。 此外，還要感謝朋友以及同學們在論文編寫中帶給的大力支持和幫忙，給我?guī)順O大的啟發(fā)。也要感謝參考文獻中的作者們，透過他們的研究文章，使我對研究課題有了很好的出發(fā)點。 最后還要感謝自己的父母，你們是我奮斗的動力，只要有你們，面對各種困難，都不會感到畏懼，不會退縮。最后對各位專家、教授還有各位老師對我畢業(yè)設計的評審和指導表示我最衷心的感謝！謝謝！ 自己的專業(yè)水平還有限，這次設計并不是沒有漏洞，作為一名機械專業(yè)的學生，能把所學的專業(yè)知識用來解決實際工作中的問題才是檢驗掌握知識的最好的途徑。 參考文獻 [1] 徐灝.機械設計手冊（第4卷）2版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000 [2] 江志.機器人的歷史.中國青年科技. 2003(11):36-37 [3] 章小兵.宋愛國.地面移動機器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢. 機器人技術與應用.2005(2):19-23 [4] 徐國華,譚民.移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢. 機器人技術與應用.2001(3):7-14 [5]張明路,丁承君，段萍.移動機器人的研究現(xiàn)狀與趨勢.河北工業(yè)大學學報. 2004（2）： 110-115 [6] 吉洋.林用履帶機器人底盤設計與仿真分析[D].北京林業(yè)大學，2013 [7] 徐少飛.履帶式移動機器人底盤機械結構設計[J].消費電子，2014（16）：240 [8] 樸春日，嚴國正,王志武.一種履帶式機器人設計及其越障分析[J].現(xiàn)代制造工程，2013（3）：24-27 [9] 侯憲倫，葛兆斌，李向東,等.履帶式機器人的設計[J].機械制造，2009,47 [10]DUCKWORTH D，SHREWSBURY B，MURPHY R． Run the Robot Backward ［C］/ / Proceedings of the IEEE 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