排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計【全套含CAD圖紙】

排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計題目： 排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計 學 院：姓 名：學 號：專 業(yè)： 年 級：指導教師排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計2摘 要摘 要排爆機器人是排爆人員用于處置或銷毀爆炸可疑物的專用器材，避免不必要的人員傷亡。它可用于多種復雜地形進行排爆。此設(shè)計的排爆機器人能實現(xiàn)過坑、越障等動作。此設(shè)計移動方案的選擇是采用了排爆式驅(qū)動結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)整體使用模塊化設(shè)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(cè)搖臂的轉(zhuǎn)動來調(diào)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(shè)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(shè)計的移動機構(gòu)主要由四部分組成：主動輪減速機構(gòu)、翼板轉(zhuǎn)動機構(gòu)、自適應路面執(zhí)行機構(gòu)、排爆及排爆輪運動機構(gòu)。本文首先根據(jù)課題所給的技術(shù)參數(shù)和功能要求提出排爆機器人車體結(jié)構(gòu)方案，并對方案進行分析。接著，對主要技術(shù)參數(shù)進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設(shè)計與校核；最后，通過AutoCAD制圖軟件繪制了排爆機器人車體結(jié)構(gòu)裝配圖及主要零部件圖。關(guān)鍵詞：排爆機器人；越障；同步帶。關(guān)鍵詞：排爆機器人;排爆移動機構(gòu);模塊化設(shè)計排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計3AbstractEOD robot EOD personnel for disposal or destruction of special equipment explosion suspicious objects, to avoid unnecessary casualties. It can be used for a variety of complex terrain EOD. This design can be achieved through the pit EOD robot, obstacle and other activities.Select this design is the use of mobile solutions crawler drive structure. Modular design of the overall structure, so that subsequent maintenance of the demolition, can be adapted to a variety of complex road, and take the initiative to control the rotation of the front and rear sides of the rocker to adjust the robots motion attitude, so as to achieve the secondary over the pit, obstacle and other activities. After a reasonable design robots will have a good environmental adaptability, mobility and can withstand the impact of falling, the design of the movement mechanism is mainly composed of four parts: the driving wheel gear box, wing rotation mechanism, adaptive road actuators, track and track wheels kinematics.This article was first proposed EOD robot body structure of the program according to the given topics technical parameters and functional requirements, and program analysis. Next, the main technical parameters were calculated choice; then, for the main components were designed and verification; and finally, through the AutoCAD drawing software to draw the EOD robot body structure and major components assembly diagram chart.Keywords: EOD robot; Obstacle; Belt排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計4目 錄摘 要 IIIAbstractIV第一章 緒論 11.1 研究背景及意義 11.2 國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 2第二章 總體方案設(shè)計 42.1 設(shè)計參數(shù)及功能要求 42.1.1 設(shè)計技術(shù)參數(shù) 42.1.2 功能要求 42.2 方案選定 42.2.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 42.2.2 性能指標參數(shù)選定 52.3 原理分析分析 62.3.1 主要機構(gòu)工作原理 62.3.2 運動特性分析 6第三章 機器人運動分析及主電機的選擇 83.1 運動分析 8排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計53.1.1 跨越臺階 83.1.2 跨越溝槽 93.3.3 斜坡運動分析 103.2 主電機的選擇 11第四章 主要零部件的設(shè)計與選擇 144.1 履帶（同步帶）部分設(shè)計 144.1.1 同步帶的選擇 144.1.2 確定主從動輪直徑 174.1.3 確定節(jié)線長度 184.1.4 確定最大功率時帶寬 194.1.5 功率驗算 214.1.6 同步帶的物理機械性能 214.1.7 同步帶主從動輪設(shè)計 214.2 副履帶（同步帶）部分設(shè)計 244.2.1 計算同步帶的帶寬 254.2.2 計算 H 帶的基準額定功率 254.2.3 中心距的選擇 264.2.4 計算同步帶節(jié)線長度 264.3 翼板部分設(shè)計 26排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計64.3.1 翼板的作用 264.3.2 翼板設(shè)計 274.4 車體副履帶支架設(shè)計 27總 結(jié) 28參考文獻 29致 謝 30排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計7第一章 緒論1.1 研究背景及意義機器人是二十世紀人類最偉大的發(fā)明之一。人類對于機器入的研究由來已久，但直到上世紀 50、60 年代，隨著機構(gòu)理論和數(shù)控伺服技術(shù)的發(fā)展才真正進入實用化。上世紀 70 年代后，計算機技術(shù)、控靠 q 技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，機器人技術(shù)也隨之進入高速發(fā)展階段，并發(fā)展成為集機械、電子、控制和計算機技術(shù)的一項綜合技術(shù)。在歷史上，所有的高新技術(shù)首先被考慮用于軍事用途，機器入也不例外。未來戰(zhàn)爭將是建立在高科技條件下的、高度信息化的全方位立體化的戰(zhàn)爭，各種具有巨大殺傷力的先進武器的廣泛使用，將使未來的戰(zhàn)場環(huán)境異常復雜、信息瞬息萬變，士兵的生命無時不刻受到來自天空、地面，水下各種先進武器的威脅，完全依賴士兵作戰(zhàn)能力的戰(zhàn)爭模式正越來越受到挑戰(zhàn)。在軍用機器人領(lǐng)域，排爆機器人是較早投入實戰(zhàn)的軍用機器人之，日靜，排爆機器人在些發(fā)達國家的軍隊已得到廣泛使用。英國早在 60 年代就研制了“手推車”排爆機器人用于英阿馬島戰(zhàn)爭的爆炸物清理，其改進型的土撥鼠及野牛兩種遙控電動排爆機器人被英國爭家工程兵在波黑及科索沃用于探測及處理爆炸物，德國 MV494 型遙控排爆機器人也曾裝備了其駐索馬暈的維和部隊 131。在近年來美國發(fā)動的幾次局部戰(zhàn)爭中，基于“零傷亡”的作戰(zhàn)思想，美軍開始在戰(zhàn)場上大量使用排爆機器人替代士兵執(zhí)行排爆任務(wù)，其 Talon 排爆機器入 2000 年就參與波斯尼亞地區(qū)的軍事行動，隨后又參與 2002 年初的阿富汗行動以及2003 年的伊拉克戰(zhàn)爭，執(zhí)行的主要任務(wù)是爆炸物檢測及其處理，阿富汗和伊拉克戰(zhàn)爭中共執(zhí)行 20000 項任務(wù)，在戰(zhàn)爭中有效地降低了已方的傷亡 H。此外，由于政治、經(jīng)濟、民族、宗教等關(guān)系的錯綜復雜，國際和地區(qū)恐怖主義在 世界各國有泛濫的趨勢。在公共場所安放爆炸物以產(chǎn)生恐慌(爆炸恐怖犯罪)即是其 集中表現(xiàn)形式。相對于其他形式的惡性犯罪，恐怖爆炸由于其危害面廣、社會和政治 負面影響面大，日益成為令當今世界各國政府頭疼的問題。據(jù)美國官方統(tǒng)計，1968排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計8年國際上的恐怖主義事件僅有 120 起，面 1984 年增至 652 起。1983 年的 500 起恐怖 活動中，有 262 起是爆炸事件 pl。尤其是最近幾年，隨著國際形勢的動蕩，恐怖爆炸 事件更是此起彼伏，接連不斷。除了傳統(tǒng)的恐怖活動熱點地區(qū)，例如中東、阿富汗等 地區(qū)外，美國、英國、西班牙、日本、俄羅斯、印度尼西亞、烏茲別克斯坦、馬來西 亞和泰國，菲律賓也接連發(fā)生恐怖爆炸事件，影響較大的有俄軍醫(yī)院爆炸案、西班牙 馬德里爆炸案，印尼巴厘島爆炸案、倫敦連環(huán)爆炸寨等。就連以往很少有恐怖活動波及的國家和地區(qū)， 近年來也接連發(fā)生恐怖爆炸事件。而且，隨著時間的推移，這些活 動還愈演愈烈。作為應對，反恐排爆已經(jīng)成為世界各國政府最為關(guān)注的問題之一。目 前在世界范圍內(nèi)，排爆機器人已經(jīng)成為反恐作戰(zhàn)的重要裝備之一。排爆機器人是目前較具研究價值的機器人產(chǎn)品，在反恐領(lǐng)域可用來執(zhí)行諸如反恐 排爆的任務(wù)，戰(zhàn)場上排爆機器人則用以執(zhí)行諸如排除爆炸物、戰(zhàn)場信息收集的任務(wù)； 稍加改造，即可加裝單兵武器用于武裝巡邏、戰(zhàn)斗值勤等高危險任務(wù)。目前國內(nèi)已經(jīng) 著力于排爆機器人的研發(fā)，但距離軍事用途還有相當?shù)木嚯x。基于軍用機器人產(chǎn)品系 列化，通用性的需要，本文對基于小型移動平臺基礎(chǔ)上，兼具攤爆和作戰(zhàn)功能的機器 人進行總體設(shè)計的研究。1.2 國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀20 世紀 60 年代到 70 年代，想到工業(yè)機器人印入腦海的便是自動機械手。機器人移動功能的大力研究和開發(fā)是 20 世紀 80 年代以后才開始，現(xiàn)在作為移動機器人而研制的移動機械類型已遠遠超過了機械手。尤其是排爆式機器人，不僅是生物體中沒見過的移動形態(tài)，而且能夠在復雜的環(huán)境下行進。目前六排爆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。六排爆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，對于排爆式移動機器人，可以是兩排爆式、四排爆式、六排爆式等。其次，考慮驅(qū)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(jié)為：排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計9機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計、運動學與動力學建模、導航與定位、多傳感器信息融合等。下 面 是 各 國 研 發(fā) 的 一 些 排 爆 式 可 變 形 機 器 人 ：（ 1） 美 國 的 拆 彈 專 家 ：如 圖 2-1、 2-2、 2-3、 2-4 所 示 ， 這 是 美 國 iRobot 的 一 種 較 小型 “PackBot”機 器 人 ， 現(xiàn) 服 役 于 美 國 軍 隊 ， 它 搭 配 了 一 個 爆 炸 物 感應 系 統(tǒng) ， 能 有 效 地 探 測 炸 彈 。圖 2-3 這 種 iRobot SUGV 的 機 器 人 是 一 種 小 型 地 面 探 測 車 ， 重 量僅 為 30 磅 。圖 2-4 是 iRobot 生 產(chǎn) 的 “Warrior”機 器 人 配 備 了 兩 個 全 自 動 、自 動 裝 彈 、 可 遙 控 的 12 桿 機 搶 ， 重 量 為 250 磅 。圖 2-1 RackBot 準備展開 圖 2-2 RackBot 伸 展 情 況圖 2-3 SUGV 機 器 人 圖 2-4 Warrior 機 器 人排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計10（ 2） 德 國 telemax 防 爆 機 器 人 ： 僅在一兩年前，德國公司出品了一款防爆機器人，現(xiàn)在 2006 年的新一代機器人已經(jīng)上市了，其結(jié)構(gòu)比以前的更加輕便，體積更小。這款機器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機器人一樣的功能。圖 2-5 telemax 行 走 姿 勢 圖 2-6 最 緊 湊 姿 勢通 過 對 國 內(nèi) 外 六 排 爆 擺 臂 式 搜 救 機 器 人 的 分 析 ， 可 以 看 出 六 排爆 擺 臂 式 搜 救 機 器 人 今 后 的 發(fā) 展 有 以 下 幾 個 方 面 的 趨 勢 ：（ 1） 結(jié) 構(gòu) 上 ， 趨 向 小 型 、 微 型 。（ 2） 運 動 上 ， 趨 向 全 方 位 ， 更 靈 活 ， 更 具 自 主 性 。 （3）在 用 途上 ，趨 向 于 功 能 多 功 能 化 。排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計11第二章 總體方案設(shè)計 2.1 設(shè)計參數(shù)及功能要求2.2.1 設(shè)計基本參數(shù) 運動速度：0-5km/h 爬坡能力：30-35外形尺寸：長1300mm，寬680mm 行走性能：可前進、后退、轉(zhuǎn)彎定位精度：=10mm2.1.2 功能要求本次設(shè)計的排爆機器人要求具有以下功能：（1）代替排爆人員搬運、轉(zhuǎn)移爆炸可疑物品及其它有害危險品；（2）代替排爆人員使用爆炸物銷毀器銷毀炸彈：（3）代替現(xiàn)場安檢人員實地勘察，實時傳輸現(xiàn)場圖像；（4）可配備散彈槍對犯罪分子進行攻擊；（5）可配備探測器材檢查危險場所及危險物品。2.2 方案選定2.2.1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計本次設(shè)計的排爆機器人車體結(jié)構(gòu)采用的是履腿式復合結(jié)構(gòu)，總體設(shè)計方案如圖 2-1 所示。機器人的車體的履帶作為排爆移動機構(gòu)，與前臂和后臂的轉(zhuǎn)動相協(xié)調(diào)，增加了機器人運動靈活性。機器人前臂和后臂各有一個伺服電機驅(qū)動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)前臂和后臂的靈活轉(zhuǎn)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(diào)作用，穩(wěn)定性將更好。機器人車體左右兩邊履帶各有永磁式直流電機驅(qū)動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，控制前軸和后軸的速度、力矩，可實現(xiàn)原地 360轉(zhuǎn)向，前排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計12進時的自由轉(zhuǎn)向，隨時調(diào)解爬坡時的力矩大小。在車體主履帶前端是慣性軸，與主動軸配合，保證機器人運動的平穩(wěn)。 1234567891.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2-1 履帶式機器人結(jié)構(gòu)組成2.2性能指標參數(shù)選定選定排爆機器人的主要設(shè)計性能參數(shù)如下：表 2-1 性能參數(shù)總 體 結(jié) 構(gòu) 六 節(jié) 履 腿 式 結(jié) 構(gòu)自 重 50Kg載 荷 50Kg搭 載 接 口 二 維 隨 動 搭 載 平 臺排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計13結(jié) 構(gòu) 尺 寸 1205*624*380平 地 最 大 速 度速 度0.5m/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(zhuǎn) 向 能 力 自 由 轉(zhuǎn) 向履 帶 高 度 200mm前 臂 履 帶 末 端直 徑80mm后 臂 履 帶 末 端直 徑80mm機器人車體具體尺寸如圖 2-2： 12056940854850624408圖 2-2 機器人車體結(jié)構(gòu)尺寸排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計142.3原理分析2.3.1 主 要 機 構(gòu) 工 作 原 理減 速 傳 動 機 構(gòu) 是 電 動 機 通 過 行 星 輪 減 速 器 的 降 速 ， 來 實 現(xiàn) 增大 轉(zhuǎn) 矩 、 調(diào) 速 ， 通 過 直 齒 輪 改 變 軸 的 方 向 ， 輸 出 后 軸 轉(zhuǎn) 矩 ， 為 機器 人 提 供 主 要 動 力 。 后 軸 驅(qū) 動 機 構(gòu) 驅(qū) 動 后 軸 位 于 傳 動 系 的 末 端 。其 基 本 功 用 是 增 扭 、 降 速 和 改 變 轉(zhuǎn) 矩 的 傳 遞 方 向 。轉(zhuǎn) 向 機 構(gòu) 機 器 人 在 行 駛 過 程 中 ， 經(jīng) 常 需 要 改 變 行 駛 方 向 ， 本機 構(gòu) 是 通 過 兩 個 電 機 的 差 速 比 來 實 現(xiàn) 的 。動 力 部 分 采 用 電 機 ， 通 過 齒 輪 副 降 速 后 帶 動 低 速 軸 的 轉(zhuǎn) 動 ，軸 與 履 帶 驅(qū) 動 機 構(gòu) 通 過 導 桿 滑 塊 機 構(gòu) 連 接 ， 使 履 帶 驅(qū) 動 機 構(gòu) 各 自繞 前 后 軸 的 中 心 線 轉(zhuǎn) 動 ， 實 現(xiàn) 機 器 人 不 同 角 度 的 爬 坡 和 越 障 能 力 。2.3.2 運動特性分析（ 1） 平 面 運 動 及 轉(zhuǎn) 彎平 面 運 動 及 轉(zhuǎn) 彎 是 最 基 本 的 運 動 方 式 ， 當 兩 側(cè) 的 排 爆 同 向 等 速運 動 時 ， 則 表 現(xiàn) 為 直 線 行 走 ， 當 兩 側(cè) 排 爆 反 向 等 速 運 動 可 實 現(xiàn) 原 地零 半 徑 回 轉(zhuǎn) ， 而 不 同 速 度 同 向 運 動 可 實 現(xiàn) 任 意 半 徑 轉(zhuǎn) 向 。圖 2-3（ a） 、 圖 2-3（ b） 為 四 擺 臂 排 爆 單 元 同 時 著 地 ， 使 機 器人 與 地 面 的 接 觸 面 積 增 大 ， 可 以 使 機 器 人 適 應 松 軟 、 泥 濘 和 凹 凸 不 平等 各 種 地 形 環(huán) 境 ； 圖 2-3（ a） 圖 2-3（ b）圖 2-3（ c） 、 圖 2-3（ d） 、 圖 2-3（ e） 中 當 遇 到 小 坡 度 的 斜 坡時 ， 可 直 接 爬 坡 而 不 必 采 取 其 他 動 作 ， 從 而 可 減 少 對 驅(qū) 動 控 制 系 統(tǒng) 要求 ；排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計15圖 2-3（c） 圖 2-3（d） 圖 2-3（e）圖 2-3（ f） 為 四 擺 臂 單 元 向 上 擺 到 中 間 位 置 ， 可 實 現(xiàn) 機 器 人 小空 間 轉(zhuǎn) 向 運 動 。圖 2-3（f）機 器 人 爬 坡 時 ， 姿 態(tài) 可 以 轉(zhuǎn) 變 成 圖 2-3（ g） 。 當 坡 度 較 大 時 ，則 圖 2-3（ h） 和 圖 2-3（ i） 是 較 好 的 姿 態(tài) ， 這 兩 種 方 式 可 使 機 器 人重 心 位 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) ， 從 而 保 證 機 器 人 順 利 爬 坡 。圖 2-3（ g） 圖 2-3（ h） 圖 2-3（ i）（ 2） 自 撐 起 及 涉 水機 器 人 的 主 要 控 制 系 統(tǒng) 和 檢 測 元 件 則 安 裝 在 中 間 箱 體 中 ， 為 了避 免 在 運 動 中 被 損 壞 ， 機 器 人 可 以 通 過 4 個 擺 臂 單 元 向 下 擺 動 ， 抬高 中 間 箱 體 的 高 度 。 且 其 以 各 自 不 同 的 擺 動 角 度 向 下 擺 動 時 可 使 機 器人 變 換 成 各 種 姿 態(tài) ， 從 而 使 中 間 箱 體 在 允 許 變 化 的 高 度 范 圍 內(nèi) 自 由 轉(zhuǎn)變 ， 從 而 使 機 器 人 完 成 涉 水 的 動 作 。（ 3） 越 障機 器 人 利 用 擺 臂 前 攻 角 進 行 越 障 ， 由 于 機 器 人 擺 臂 能 把 車 體 抬起 ， 所 以 可 越 過 高 于 自 身 高 度 的 障 礙 物 。 圖 示 （ a） -（ h） 表 示 機排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計16器 人 越 過 高 障 礙 物 的 一 般 過 程 。 排 爆 利 用 齒 形 對 障 礙 物 的 抓 爬 力 來向 上 攀 爬 ， 同 時 后 擺 臂 向 下 擺 動 以 使 車 體 抬 高 ， 當 擺 到 與 地 面 垂 直 時后 擺 臂 停 止 擺 動 。 當 主 排 爆 爬 到 障 礙 物 上 面 時 ， 前 擺 臂 向 前 向 下 擺動 支 起 車 體 ， 機 器 人 繼 續(xù) 前 進 ， 直 到 其 重 心 越 過 臺 階 。 重 心 越 過 臺 階后 ， 前 擺 臂 向 前 向 上 擺 動 直 到 與 地 面 貼 合 ， 同 時 后 擺 臂 向 后 向 上 擺 動與 車 體 成 一 后 攻 角 為 止 ， 此 時 機 器 人 已 越 上 臺 階 。 整 個 過 程 中 ， 排爆 始 終 向 前 爬 行 。圖 2-4 救 災 機 器 人 越 障 過 程排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計17第三章 機器人運動分析及主電機的選擇3.1 運動分析3.1.1 跨越臺階 當機器人在爬越臺階時，機器人排爆底線與地面之間的夾角將慢慢增大，當重心越過臺階的支撐點時，則完成了爬越臺階的動作。由運動過程可以看出，圖 5-1 重心的位置處于臨界狀態(tài)，機器人重心只有越過臺階邊緣，機器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機器人的最大越障高度。圖 3-1 上臺階臨界狀態(tài)示意圖由圖 3-1 所示幾何關(guān)系可得：( 3-1）cos()cot/sinxLhR變換式（5-1）可得： （3-2） /cosLR（3-3） 2in/0d排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計18利用式（3-3）求出 ，代入式（6-2）可算出機器人跨越障礙的高度 。 1H機器人加裝后臂，可以大幅提高機器人跨越臺階的高度，如圖 5-2 所示，在后臂伺服電機的驅(qū)動下，后臂排爆抬起，成 直立，在機器人跨越的90高度又要高出 H。所以本次設(shè)計排爆設(shè)計中機器人跨越障礙的最大高度為 H1max圖 3-2 上臺階臨界狀態(tài)示意圖3.1.2 跨越溝槽對于小于機器人前后排爆輪中心距的溝槽，因機器人重心在機器人車體內(nèi)，當機器人重心越過下一個溝槽的支撐點時，機器人就越過了溝槽。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內(nèi)。當溝槽大于中心距時，排爆式機器人可以看做爬越凸臺障礙。排爆式移動機器人跨越溝槽時，當重心越過溝槽邊緣時，受重力作用，機器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運動不穩(wěn)定。由機器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機器人重心在以 r 為半徑的圓內(nèi)，由于擺臂展開后機器人排爆與地接觸長度變大，為了計算最大跨越壕溝寬排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計19度，擺臂排爆應處于展開狀態(tài)。機器人前臂和后臂的長度相等。 （ a） （ b）（ c）圖 3-3 跨越溝槽示意圖機器人在平地圖 3-3（a）跨越溝槽的寬度 ：1L（3-max1Lr4）3.1.3 斜坡運動分析機 器 人 在 斜 坡 上 運 動 時 ， 其 受 力 情 況 如 圖 3-4 所 示 ， 機 器 人 勻速 行 駛 或 靜 止 時 ， 其 驅(qū) 動 力 ： （3-sinFG5）排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計20圖 3-4 機器人上坡受力示意圖最大靜摩擦力系數(shù)為 ，最大靜摩擦力為：（3-maxcosFG6）當 時，機器人能平穩(wěn)行駛。ax當 時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。mF已知排爆機器人對地面的最大靜摩擦系數(shù) ，則機器人爬越的最大坡度為: （3-7）1axtn()爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為：（3-max(cosi)g8）通過上述分析，可以根據(jù)機器人排爆與運動面的摩擦系數(shù)來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機的特性，確定其運動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。由以上計算可得：機器人的爬坡角度最大為 ；垂直越障高度最03排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計21大為600mm：最大跨溝寬度為400mm。3.2主電機的選擇對于排爆和地面的動摩擦因數(shù) ， 實際上只是表示起動時車輪所f處的滑動狀態(tài)對應的滑動摩擦力，一旦車輪開始轉(zhuǎn)動，面臨的滾動摩擦力則總是比滑動摩擦力小得多。則可取 大一點。56.0排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計22第四章 主要零部件的設(shè)計與選擇4.1 履帶（同步帶）部分設(shè)計對 于 履 帶 基 于 標 準 化 的 思 考 ， 我 們 選 擇 了 梯 形 雙 面 齒 同 步 帶 作為 設(shè) 計 履 帶 ， 其 具 有 帶 傳 動 、 鏈 傳 動 和 齒 輪 傳 動 的 優(yōu) 點 。 由 于 帶 與帶 輪 是 靠 嚙 合 傳 遞 運 動 和 動 力 ， 故 帶 與 帶 輪 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 線 速 度 可 達 50m/s， 傳 動 比 可 達10， 效 率 可 達 98 。 傳 動 噪 音 比 帶 傳 動 、 鏈 傳 動 和 齒 輪 傳 動 小 ，耐 磨 性 好 ， 不 需 油 潤 滑 ， 壽 命 比 摩 擦 帶 長 。因 為 同 步 帶 傳 動 具 有 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 等 優(yōu) 點 ， 所 以 傳 遞功 率 可 以 從 幾 瓦 到 百 千 瓦 。 傳 動 效 率 高 ， 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 ， 適 宜 于 多 軸 傳動 ， 無 污 染 ， 因 此 可 在 工 作 環(huán) 境 較 為 惡 劣 的 場 所 下 正 常 工 作 。從 以 上 對 同 步 帶 性 能 的 分 析 中 可 以 得 出 結(jié) 論 ， 選 用 梯 形 雙 面 齒同 步 帶 作 為 移 動 裝 置 設(shè) 計 履 帶 能 夠 滿 足 設(shè) 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 ） ；wp81k081.由已知設(shè)計裝置移動速度 ，根據(jù)公式 ，可得主動輪smv/5. rnv2轉(zhuǎn)速 ，預先設(shè)計履帶主動輪直徑 =169mm，履帶in/7.592/1rvn d1從動輪直徑 =169mm， 由 公 式 ， 可 得 =59.71r/min.。 故 可dd122以 得 到 設(shè) 計 的 已 知 條 件 如 下 ：傳 遞 名 義 功 率 .wpm8主 動 輪 轉(zhuǎn) 速 r/min71.59n排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計23從 動 輪 轉(zhuǎn) 速 min/71.592rn中 心 距 .380a4.1.1 同步帶的選擇 kwpkmd 137式 中 K-載 荷 修 正 系 數(shù) （ 有 工 作 機 性 能 和 運 轉(zhuǎn) 時 間 查 表 8-1可 以 得 到 ）表 8-1 修 正 載 荷 系 數(shù) K運 行 時 間 （ 小 時 /日 ）工 作 機35 810 1624計 算 機 ， 醫(yī) 療機 1.0 1.2 1.4縫 紉 機 ， 辦 公機 械 1.2 1.4 1.6輕 傳 送 機 ， 包裝 機 1.3 1.5 1.7攪 拌 機 ， 造 紙機 1.4 1.6 1.8印 刷 機 ， 圓 形帶 鋸 1.4 1.6 1.8由 設(shè) 計 功 率 =0.1377kw 和 =59.71r/min， 考 慮 到 可 以 用 雙 面 交 錯Pdn梯 狀 齒 形 同 步 帶 作 為 履 帶 使 用 ， 由 圖 8-1 查 得 型 號 選 用 XH 型 ， 對應 節(jié) 距 =22.225mm， 圖 8-2 為 雙 面 交 錯 梯 狀 齒 形 同 步 帶 的 結(jié) 構(gòu) 圖 ，b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(shè) 計 履 帶 選 擇 DB型 。 XH 型 同 步 帶 =2.794mm， =15.49 WT排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計24圖 8-1 梯 形 齒 同 步 帶 ， 輪 選 型 圖圖 8-2 梯 形 齒 形 狀 圖本 裝 置 選 擇 的 梯 形 BD 型 XH 同 步 帶 的 具 體 參 數(shù) 如 下 表 8-2表 8-2 梯 形 齒 標 準 同 步 帶 型 號 以 及 齒 尺 寸排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計254.1.2 確定主從動輪直徑 17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(zhuǎn)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8-3 查的min124z取 ：表 8-3 小 帶 輪 的 最 小 齒 數(shù)小 帶 輪 轉(zhuǎn) XL L H XH XHH排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計26速 1n900 10 12 14 22 22900-1200 10 12 16 24 241200-1800 12 14 18 20 261800-3600 12 16 20 22 30由上面得到 p.5b可以代入公式169.87bzd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。dd2查 表 8-4， 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，d履 帶 從 動 輪 直 徑 =169.79mm。d2表 8-4XH 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 h22XH 22155.64152.84167 138 4.523XH 23162.71159.92174 145 4.524XH 24169.79166.99181 152 4.5排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計2725XH 25176.86174.07188 159 4.526XH 26183.94181.14195 166 4.527XH 27191.01188.22202 173 4.528XH 28198.08195.29209 180 4.51d=0.536nv校 核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(gòu)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(zhuǎn)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 8-5 得 maxv25/smaxv校 核表 8-5 梯形齒同步帶極限速度型號 MXL,XXL,XL,T2.5，T5，3ML,H,T10，8M,14MXH,XXH,T20，20M模數(shù) 1,1.5,2,2.53,4，57,10maxV40-50 35-40 25-304.1.3 確定節(jié)線長度 18確 定 中 心 距 ， 增 大 中 心 距 ， 可 以 增 加 帶 輪 的 包 角 ， 減 少 單 位a排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計28時 間 內(nèi) 帶 的 循 環(huán) 次 數(shù) ， 有 利 于 提 高 帶 的 壽 命 ， 但 是 中 心 距 過 大 ， 則會 加 劇 帶 的 波 動 ， 降 低 帶 的 傳 動 平 穩(wěn) 性 ， 同 時 增 大 帶 傳 動 的 整 體 尺寸 ， 中 心 距 過 小 ， 則 有 相 反 的 利 弊 ， 取 帶 傳 動 的 中 心 距 為)()(. dda212170由 =169.79mm， =169.79mm.代 入 上 式 有30由 于 履 帶 機 器 人 工 作 的 環(huán) 境 限 制 ， 所 設(shè) 計 的 尺 寸 不 宜 過 大 ， 選擇 中 心 距 的 尺 寸 偏 小 ， 初 選 取 =380mm。a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 ： 21210 42addLda（代 入 =400mm， =169.79mm， =169.79mm 有1350.79mm，d根 據(jù) 表 8-6 就 近 圓 整 =1422.40mm 型 號 為 560XH， 同 步 帶 齒Ld0數(shù) 為 64。表 8-6 XH 型 同 步 帶 節(jié) 線 型 號XH 型 （ 節(jié) 距 =22.225mm）規(guī) 格 節(jié) 線 長 mm 齒 數(shù)463XH 1177.93 53508XH 1289.05 58560XH 1422.40 64570XH 1444.63 65580XH 1466.85 66排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計29630XH 1600.20 72700XH 1778.00 80735XH 1866.90 84752XH 1911.35 86770XH 1955.80 88785XH 2008.70 904.1.4 確定最大功率時帶寬kw120/)(vmTP式 中 許 用 工 作 拉 力 ， 查 表 8-4 得 =4048.90NT單 位 長 度 質(zhì) 量 ， 查 表 8-7 得 =1.484Kg/m線 速 度 m/sv表 8-7 七 種 同 步 帶 型 號 的 主 要 參 數(shù)帶 型號節(jié) 距 Pb基 準 寬so拉 力T0質(zhì) 量 G 帶 寬 baMXL 2.03 6.4 3.0， 4.8， 6.4XXL 3.175 6.4 31 0.010 3.0， 4.8， 6.4XL 5.080 9.5 50.17 0.022 6.4， 7.9， 9.5L 9.525 25.4 244.460.095 12.7， 19.1， 25.4H 12.70 76.2 2100.850.448 25.4， 38.1， 50.8XH 22.225 101.6 4048.901.484 50.8， 76.2， 101.6XXH 31.75 127.0 6398.032.473 76.2， 101.6， 127.0排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計30帶 入 上 式 得 小 帶 輪 的 嚙kwpo 024.510.48.92合 齒 數(shù) 為 121bmpzzenta614.00pKbzds其 中 為 嚙 合 系 數(shù) 由 表 8-8 查 的zk=1z表 8-8 嚙 合 齒 數(shù) 系 數(shù)mz65 4zK1 0.8 0.6式 中 帶 所 傳 遞 的 功 率 =2.024kwP0P本 履 帶 選 用 為 XH 帶 ， 可 以 由 表 8-9 查 的 基 準 帶 寬如 下 mbs6.10表 8-9 周 節(jié) 制 梯 形 齒 同 步 帶 的 寬 度型 號 MXL XXL XL L H XH XXH排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計題目： 排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計 學 院：姓 名：學 號：專 業(yè)： 年 級：指導教師排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計1摘 要摘 要排爆機器人是排爆人員用于處置或銷毀爆炸可疑物的專用器材，避免不必要的人員傷亡。它可用于多種復雜地形進行排爆。此設(shè)計的排爆機器人能實現(xiàn)過坑、越障等動作。此設(shè)計移動方案的選擇是采用了排爆式驅(qū)動結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)整體使用模塊化設(shè)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(cè)搖臂的轉(zhuǎn)動來調(diào)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(shè)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(shè)計的移動機構(gòu)主要由四部分組成：主動輪減速機構(gòu)、翼板轉(zhuǎn)動機構(gòu)、自適應路面執(zhí)行機構(gòu)、排爆及排爆輪運動機構(gòu)。本文首先根據(jù)課題所給的技術(shù)參數(shù)和功能要求提出排爆機器人車體結(jié)構(gòu)方案，并對方案進行分析。接著，對主要技術(shù)參數(shù)進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設(shè)計與校核；最后，通過AutoCAD制圖軟件繪制了排爆機器人車體結(jié)構(gòu)裝配圖及主要零部件圖。關(guān)鍵詞：排爆機器人；越障；同步帶。關(guān)鍵詞：排爆機器人;排爆移動機構(gòu);模塊化設(shè)計排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計2AbstractEOD robot EOD personnel for disposal or destruction of special equipment explosion suspicious objects, to avoid unnecessary casualties. It can be used for a variety of complex terrain EOD. This design can be achieved through the pit EOD robot, obstacle and other activities.Select this design is the use of mobile solutions crawler drive structure. Modular design of the overall structure, so that subsequent maintenance of the demolition, can be adapted to a variety of complex road, and take the initiative to control the rotation of the front and rear sides of the rocker to adjust the robots motion attitude, so as to achieve the secondary over the pit, obstacle and other activities. After a reasonable design robots will have a good environmental adaptability, mobility and can withstand the impact of falling, the design of the movement mechanism is mainly composed of four parts: the driving wheel gear box, wing rotation mechanism, adaptive road actuators, track and track wheels kinematics.This article was first proposed EOD robot body structure of the program according to the given topics technical parameters and functional requirements, and program analysis. Next, the main technical parameters were calculated choice; then, for the main components were designed and verification; and finally, through the AutoCAD drawing software to draw the EOD robot body structure and major components assembly diagram chart.Keywords: EOD robot; Obstacle; Belt排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計3目 錄摘 要 21 引言 52 排爆機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展 63 排爆機器人的運動特性 94 本研究采用的行走機構(gòu) 124.1 行走機構(gòu)的選擇 .124.2 排爆機器人的功能、性能指標與設(shè)計 .134.3 主要機構(gòu)的工作原理 .145 機器 人越障分析 155.1 跨越臺階 .155.2 跨越溝槽 .165.3 斜坡運動分析 .176 機器人移動平臺主排爆電機的選擇 196.1 機器人在平直的路上行駛 .196.2 機器人在 30坡上勻速行駛 206.3 機器人的多姿態(tài)越階 .217 移動機構(gòu)的分析及其選擇 237.1 典型移動機構(gòu)分析 .237.2 本研究采用的移動機構(gòu) .278 排爆部分設(shè)計 288.1 排爆的選擇 .288.2 確定主從動輪直徑 .318.5 功率驗算 .388.6 同步帶的物理機械性能 .388.7 排爆主從動輪設(shè)計 .398.8 副排爆部分設(shè)計 .429 排爆翼板部分設(shè)計 .479.1 排爆翼板的作用 .479.2 排爆翼板設(shè)計 .4710 計算排爆裝置的重心及其各部件重心 4910.1 主排爆的重心計算 .4910.2 副排爆的重心計算 .5410.3 主排爆及其搖臂也就是副排爆總部分的重心計算 .55排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計4總 結(jié) 56致 謝 57參考文獻 57排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計5排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計6排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計7排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計8排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計91 引言隨著社會的發(fā)展，我們面臨的自身能力、能量的局限越來越多，所以我們創(chuàng)造了各種類型的機器人來輔助或代替我們完成任務(wù)。排爆式機器人包括偵察機器人、巡邏機器人、爆炸處理機器人、步兵支援機器人以及復雜環(huán)境下搜救機器人等，用來代替我們進入危險環(huán)境下完成一些如偵查、搜集資料、救援等工作，從而減少了我們工作的危險系數(shù)，在我們未來的生活與工作中起到非常重要的作用。民用排爆式機器人被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)等各種服務(wù)領(lǐng)域，如生產(chǎn)線傳輸、清掃、導盲和搜救復雜環(huán)境下的資料等各個方面。但我國對機器人研究起步較晚，大多數(shù)尚處于某個單項研究階段，主要的研究項目有：清華大學智能移動機器人于 1994 年通過鑒定，還有上海交通大學的地面移動消防機器人已投入使用。北京理工大學、南京理工大學等單位承擔的總裝項目“地面軍用機器人技術(shù)”研究是以卡車、面包車作為平臺的，是大型智能作戰(zhàn)平臺。中國科學院沈陽自動化研究所的 AGC 和防爆機器人，中國科學院自動化自行設(shè)計、制造的全方位移動式機器人視覺導航系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學于 1996 年研制成功的導游機器人等。排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計102 排爆機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展20 世紀 60 年代到 70 年代，想到工業(yè)機器人印入腦海的便是自動機械手。機器人移動功能的大力研究和開發(fā)是 20 世紀 80 年代以后才開始，現(xiàn)在作為移動機器人而研制的移動機械類型已遠遠超過了機械手。尤其是排爆式機器人，不僅是生物體中沒見過的移動形態(tài)，而且能夠在復雜的環(huán)境下行進。排爆式機器人因采用排爆式傳動而得名。其最大特征是將圓狀的循環(huán)軌道排爆套在若干車輪上，使車輪不與地面直接接觸，利用排爆緩沖地面帶來的沖擊，使機器人能夠適應各種路面狀況。目前六排爆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。六排爆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，對于排爆式移動機器人，可以是兩排爆式、四排爆式、六排爆式等。其次，考慮驅(qū)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(jié)為：機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計、運動學與動力學建模、導航與定位、多傳感器信息融合等。下 面 是 各 國 研 發(fā) 的 一 些 排 爆 式 可 變 形 機 器 人 ：（ 1） 美 國 的 拆 彈 專 家 ：如 圖 2-1、 2-2、 2-3、 2-4 所 示 ， 這 是 美 國 iRobot 的 一 種 較 小型 “PackBot”機 器 人 ， 現(xiàn) 服 役 于 美 國 軍 隊 ， 它 搭 配 了 一 個 爆 炸 物 感應 系 統(tǒng) ， 能 有 效 地 探 測 炸 彈 。圖 2-3 這 種 iRobot SUGV 的 機 器 人 是 一 種 小 型 地 面 探 測 車 ， 重 量僅 為 30 磅 。圖 2-4 是 iRobot 生 產(chǎn) 的 “Warrior”機 器 人 配 備 了 兩 個 全 自 動 、自 動 裝 彈 、 可 遙 控 的 12 桿 機 搶 ， 重 量 為 250 磅 。排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計11圖 2-1 RackBot 準備展開 圖 2-2 RackBot 伸 展 情 況圖 2-3 SUGV 機 器 人 圖 2-4 Warrior 機 器 人（ 2） 德 國 telemax 防 爆 機 器 人 ： 僅在一兩年前，德國公司出品了一款防爆機器人，現(xiàn)在 2006 年的新一代機器人已經(jīng)上市了，其結(jié)構(gòu)比以前的更加輕便，體積更小。這款機器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機器人一樣的功能。排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計12圖 2-5 telemax 行 走 姿 勢 圖 2-6 最 緊 湊 姿 勢通 過 對 國 內(nèi) 外 六 排 爆 擺 臂 式 搜 救 機 器 人 的 分 析 ， 可 以 看 出 六 排 爆擺 臂 式 搜 救 機 器 人 今 后 的 發(fā) 展 有 以 下 幾 個 方 面 的 趨 勢 ：（ 1） 結(jié) 構(gòu) 上 ， 趨 向 小 型 、 微 型 。（ 2） 運 動 上 ， 趨 向 全 方 位 ， 更 靈 活 ， 更 具 自 主 性 。 （ 3） 在 用途 上 ， 趨 向 于 功 能 多 功 能 化 。排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計133 排爆機器人的運動特性（ 1） 平 面 運 動 及 轉(zhuǎn) 彎平 面 運 動 及 轉(zhuǎn) 彎 是 最 基 本 的 運 動 方 式 ， 當 兩 側(cè) 的 排 爆 同 向 等 速 運動 時 ， 則 表 現(xiàn) 為 直 線 行 走 ， 當 兩 側(cè) 排 爆 反 向 等 速 運 動 可 實 現(xiàn) 原 地 零 半徑 回 轉(zhuǎn) ， 而 不 同 速 度 同 向 運 動 可 實 現(xiàn) 任 意 半 徑 轉(zhuǎn) 向 。圖 3-7（ a） 、 圖 3-7（ b） 為 四 擺 臂 排 爆 單 元 同 時 著 地 ， 使 機 器人 與 地 面 的 接 觸 面 積 增 大 ， 可 以 使 機 器 人 適 應 松 軟 、 泥 濘 和 凹 凸 不 平等 各 種 地 形 環(huán) 境 ； 圖 3-1（ a） 圖 3-1（ b）圖 3-1（ c） 、 圖 3-1（ d） 、 圖 3-1（ e） 中 當 遇 到 小 坡 度 的 斜 坡時 ， 可 直 接 爬 坡 而 不 必 采 取 其 他 動 作 ， 從 而 可 減 少 對 驅(qū) 動 控 制 系 統(tǒng) 要求 ；圖 3-1（c） 圖 3-1（d） 圖 3-1（e）圖 3-1（ f） 為 四 擺 臂 單 元 向 上 擺 到 中 間 位 置 ， 可 實 現(xiàn) 機 器 人 小空 間 轉(zhuǎn) 向 運 動 。圖 3-1（f）機 器 人 爬 坡 時 ， 姿 態(tài) 可 以 轉(zhuǎn) 變 成 圖 3-1（ g） 。 當 坡 度 較 大 時 ，則 圖 3-1（ h） 和 圖 3-1（ i） 是 較 好 的 姿 態(tài) ， 這 兩 種 方 式 可 使 機 器 人重 心 位 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) ， 從 而 保 證 機 器 人 順 利 爬 坡 。排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計14圖 3-1（ g） 圖 3-1（ h） 圖 3-1（ i）（ 2） 自 撐 起 及 涉 水機 器 人 的 主 要 控 制 系 統(tǒng) 和 檢 測 元 件 則 安 裝 在 中 間 箱 體 中 ， 為 了避 免 在 運 動 中 被 損 壞 ， 機 器 人 可 以 通 過 4 個 擺 臂 單 元 向 下 擺 動 ， 抬高 中 間 箱 體 的 高 度 。 且 其 以 各 自 不 同 的 擺 動 角 度 向 下 擺 動 時 可 使 機 器人 變 換 成 各 種 姿 態(tài) ， 從 而 使 中 間 箱 體 在 允 許 變 化 的 高 度 范 圍 內(nèi) 自 由 轉(zhuǎn)變 ， 從 而 使 機 器 人 完 成 涉 水 的 動 作 。（ 3） 越 障機 器 人 利 用 擺 臂 前 攻 角 進 行 越 障 ， 由 于 機 器 人 擺 臂 能 把 車 體 抬起 ， 所 以 可 越 過 高 于 自 身 高 度 的 障 礙 物 。 圖 示 （ a） -（ h） 表 示 機器 人 越 過 高 障 礙 物 的 一 般 過 程 。 排 爆 利 用 齒 形 對 障 礙 物 的 抓 爬 力 來 向上 攀 爬 ， 同 時 后 擺 臂 向 下 擺 動 以 使 車 體 抬 高 ， 當 擺 到 與 地 面 垂 直 時 后擺 臂 停 止 擺 動 。 當 主 排 爆 爬 到 障 礙 物 上 面 時 ， 前 擺 臂 向 前 向 下 擺 動 支起 車 體 ， 機 器 人 繼 續(xù) 前 進 ， 直 到 其 重 心 越 過 臺 階 。 重 心 越 過 臺 階 后 ，前 擺 臂 向 前 向 上 擺 動 直 到 與 地 面 貼 合 ， 同 時 后 擺 臂 向 后 向 上 擺 動 與 車體 成 一 后 攻 角 為 止 ， 此 時 機 器 人 已 越 上 臺 階 。 整 個 過 程 中 ， 排 爆 始 終向 前 爬 行 。排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計15圖 3-2 救 災 機 器 人 越 障 過 程排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計164 本研究采用的行走機構(gòu)4.1 行走機構(gòu)的選擇本文排爆機器人移動系統(tǒng)采用的是履腿式復合結(jié)構(gòu)，總體設(shè)計方案如圖2-4所示。機器人的車體的排爆作為排爆式移動機構(gòu)，與前臂和后臂轉(zhuǎn)動相協(xié)調(diào)，增加了機器人運動靈活性。機器人前臂和后臂各有一個伺服電機驅(qū)動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)前臂和后臂的靈活轉(zhuǎn)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(diào)作用，穩(wěn)定性將更好。機器人車體左右兩邊排爆各有永磁式直流電機驅(qū)動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，控制前軸和后軸的速度、力矩，可實現(xiàn)原地 360轉(zhuǎn)向，前進時的自由轉(zhuǎn)向，隨時調(diào)解爬坡時的力矩大小。在車體主排爆前端是慣性軸，與主動軸配合，保證機器人運動的平穩(wěn)。 123456789排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計171.后擺臂及排爆 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. 主排爆 9.前擺臂及排爆 圖4-1 排爆式機器人結(jié)構(gòu)組成4.2 排爆機器人的功能、性能指標與設(shè)計排爆機器人的主要設(shè)計性能參數(shù)如下：表 4-1 性能參數(shù)總 體 結(jié) 構(gòu) 六 節(jié) 履 腿 式 結(jié) 構(gòu)自 重 50Kg載 荷 50Kg搭 載 接 口 二 維 隨 動 搭 載 平 臺結(jié) 構(gòu) 尺 寸 1205*624*380平 地 最 大 速 度速 度0.5m/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(zhuǎn) 向 能 力 自 由 轉(zhuǎn) 向排 爆 高 度 200mm前 臂 排 爆 末 端直 徑80mm后 臂 排 爆 末 端直 徑80mm機器人車體具體尺寸如圖 4-2：排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計18120569040854850624408圖4-2 機器人車體結(jié)構(gòu)尺寸4.3 主要機構(gòu)的工作原理減 速 傳 動 機 構(gòu) 是 電 動 機 通 過 行 星 輪 減 速 器 的 降 速 ， 來 實 現(xiàn) 增大 轉(zhuǎn) 矩 、 調(diào) 速 ， 通 過 直 齒 輪 改 變 軸 的 方 向 ， 輸 出 后 軸 轉(zhuǎn) 矩 ， 為 機器 人 提 供 主 要 動 力 。 后 軸 驅(qū) 動 機 構(gòu) 驅(qū) 動 后 軸 位 于 傳 動 系 的 末 端 。其 基 本 功 用 是 增 扭 、 降 速 和 改 變 轉(zhuǎn) 矩 的 傳 遞 方 向 。轉(zhuǎn) 向 機 構(gòu) 機 器 人 在 行 駛 過 程 中 ， 經(jīng) 常 需 要 改 變 行 駛 方 向 ， 本機 構(gòu) 是 通 過 兩 個 電 機 的 差 速 比 來 實 現(xiàn) 的 。動 力 部 分 采 用 電 機 ， 通 過 齒 輪 副 降 速 后 帶 動 低 速 軸 的 轉(zhuǎn) 動 ，軸 與 排 爆 驅(qū) 動 機 構(gòu) 通 過 導 桿 滑 塊 機 構(gòu) 連 接 ， 使 排 爆 驅(qū) 動 機 構(gòu) 各 自繞 前 后 軸 的 中 心 線 轉(zhuǎn) 動 ， 實 現(xiàn) 機 器 人 不 同 角 度 的 爬 坡 和 越 障 能 力 。排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計195 機器人越障分析5.1 跨越臺階 當機器人在爬越臺階時，機器人排爆底線與地面之間的夾角將慢慢增大，當重心越過臺階的支撐點時，則完成了爬越臺階的動作。由運動過程可以看出，圖 5-1 重心的位置處于臨界狀態(tài)，機器人重心只有越過臺階邊緣，機器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機器人的最大越障高度。圖 5-1 上臺階臨界狀態(tài)示意圖由圖 5-1 所示幾何關(guān)系可得：( 5-1）cos()cot/sinxLhR變換式（5-1）可得： （5-2） /cosLR（5-3） 2in/0d利用式（5-3）求出 ，代入式（6-2）可算出機器人跨越障礙的高度 。1H機器人加裝后臂，可以大幅提高機器人跨越臺階的高度，如圖 5-2 所示，在后臂伺服電機的驅(qū)動下，后臂排爆抬起，成 直立，在機器人跨越的90高度又要高出 H。排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計20所以本次設(shè)計排爆設(shè)計中機器人跨越障礙的最大高度為 H1max圖 5-2 上臺階臨界狀態(tài)示意圖5.2 跨越溝槽對于小于機器人前后排爆輪中心距的溝槽，因機器人重心在機器人車體內(nèi)，當機器人重心越過下一個溝槽的支撐點時，機器人就越過了溝槽。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內(nèi)。當溝槽大于中心距時，排爆式機器人可以看做爬越凸臺障礙。排爆式移動機器人跨越溝槽時，當重心越過溝槽邊緣時，受重力作用，機器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運動不穩(wěn)定。由機器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機器人重心在以 r 為半徑的圓內(nèi)，由于擺臂展開后機器人排爆與地接觸長度變大，為了計算最大跨越壕溝寬度，擺臂排爆應處于展開狀態(tài)。機器人前臂和后臂的長度相等。排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計21（ a） （ b）（ c）圖 5-3 跨越溝槽示意圖機器人在平地圖 5-3（a）跨越溝槽的寬度 ：1L（6-max1Lr4）5.3 斜坡運動分析機 器 人 在 斜 坡 上 運 動 時 ， 其 受 力 情 況 如 圖 5-4 所 示 ， 機 器 人 勻速 行 駛 或 靜 止 時 ， 其 驅(qū) 動 力 ： （6-sinFG5）排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計22圖 5-4 機器人上坡受力示意圖最大靜摩擦力系數(shù)為 ，最大靜摩擦力為：（6-maxcosFG6）當 時，機器人能平穩(wěn)行駛。ax當 時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。mF已知排爆機器人對地面的最大靜摩擦系數(shù) ，則機器人爬越的最大坡度為: （6-7）1axtn()爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為：（6-max(cosi)g8）通過上述分析，可以根據(jù)機器人排爆與運動面的摩擦系數(shù)來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機的特性，確定其運動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。由以上計算可得：機器人的爬坡角度最大為 ；垂直越障高度最03排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計23大為600mm：最大跨溝寬度為400mm。6 機器人移動平臺主排爆電機的選擇對于排爆和地面的動摩擦因數(shù) ， 實際上只是表示起動時車輪所f處的滑動狀態(tài)對應的滑動摩擦力，一旦車輪開始轉(zhuǎn)動，面臨的滾動摩擦力則總是比滑動摩擦力小得多。則可取 大一點。56.06.1 機器人在平直的路上行駛排爆式機器人在跨越平面的溝槽或在平面移動，假設(shè)其速度最大，且勻速前進，則取sm/0.5vkg0mR85排爆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 6-1 平直路線分析排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計242mgNfRML又 則fm.135NL在最大的行駛速度下，驅(qū)動電機經(jīng)過減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為 in/56.2maxrDn6.2 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(shè)定行駛速度為 , ,在sm/0.130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 6-2 30坡度分析排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計25203cosNmgRfMLin又 ，則mNL/2.1in/1.Drn則在最大坡度下需提供極限轉(zhuǎn)矩為 mNML/2.16.3 機器人的多姿態(tài)越階對這幾種姿態(tài)分析，機器人在跨越臺階時直流電機只驅(qū)動主排爆，機器人在實際跨越臺階過程中速率不大，那么機器人所需提供的輸出功率也不大。由以上分析可知，機器人平地直線運動時要求的驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)速較大，而爬坡時需要驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩較大。因此，在選電機時，應根據(jù)平地直線運動所求的最大轉(zhuǎn)速和爬坡運動所求的轉(zhuǎn)矩進行選擇。根據(jù)機器人爬坡情況的分析，,mNMTL.21in/1.2rnwWnw6950P機器在平面狀況下 ，mNTL.35in/56.2rww80.21因而選取 P=80W 作為機器人的最大輸出功率。根據(jù)計算的排爆式機器人的最大輸出功率為 80W, 輸出轉(zhuǎn)矩為22.1N.M, 輸出轉(zhuǎn)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、制動和排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計26反轉(zhuǎn)，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，滿足主排爆頻繁受沖擊，制動和反轉(zhuǎn)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額定功率 /W92額定轉(zhuǎn)矩 MN.0.6額定轉(zhuǎn)速 1min/r1500電流 A7電壓 V/ 12允許正反轉(zhuǎn)速差 1in/r150圖 7-3 直流電機數(shù)據(jù)因為 則WP80,92輸額 .6額輸w因為 , 則min/150rn額 in/56.2r輸 26.7輸額w又 3.86.2maxTisw則選取 i排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計277 移動機構(gòu)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(qū) 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(guān) 鍵 。7.1 典型移動機構(gòu)分析機 器 人 按 移 動 方 式 分 主 要 有 輪 式 、 排 爆 式 、 腿 足 式 三 種 ， 另 外還 有 步 進 移 動 式 、 蠕 動 式 、 混 合 移 動 式 、 蛇 行 移 動 式 等 。7.1.1 輪式移動機構(gòu)特點輪 式 移 動 機 構(gòu) 是 最 為 普 通 的 運 動 方 式 ， 輪 式 機 器 人 移 動 機 構(gòu) 普遍 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 速 度 快 、 節(jié) 能 、 靈 活 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 等 優(yōu) 勢 。 并 且 編 程 簡 單 可 靠性 高 ， 每 個 輪 子 都 可 以 獨 立 驅(qū) 動 。 與 排 爆 式 移 動 機 器 人 相 比 ， 當 跨越 不 平 坦 地 形 時 ， 輪 式 機 器 人 則 存 在 明 顯 的 不 足 ， 其 穩(wěn) 定 性 和 對 環(huán)境 的 適 應 性 完 全 依 賴 于 環(huán) 境 本 身 的 狀 況 ， 對 于 進 入 復 雜 的 環(huán) 境 完 成既 定 任 務(wù) 存 在 嚴 重 的 困 難 。 輪 式 移 動 機 構(gòu) 按 輪 的 數(shù) 量 可 分 為 2 輪 、3 輪 、 4 輪 、 6 輪 、 8 輪 。 該 結(jié) 構(gòu) 有 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 容 易 打 滑 、 沉 陷 ， 但 可 根據(jù) 具 體 地 面 環(huán) 境 采 用 一 些 預 防 措 施 來 緩 解 該 類 情 況 的 出 現(xiàn) ， 如 圖7-1 所 示 。排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計28圖 7-1 輪 式 移 動 裝 置 示 意 圖7.1.2 腿式移動機構(gòu)特點腿 足 式 移 動 機 構(gòu) 分 2 腿 、 4 腿 、 6 腿 、 8 腿 等 形 式 。 腿 式 移 動機 構(gòu) 優(yōu) 點 有 ：(1)腿 式 機 器 人 的 地 形 適 應 能 力 強 。(2)腿 式 機 器 人 的 腿 部 具 有 多 個 自 由 度 ， 運 動 更 具 有 靈 活 性 ，通 過 調(diào) 節(jié) 腿 的 長 度 可 以 控 制 機 器 人 重 心 位 置 ， 因 此 不 易 翻 倒 ， 穩(wěn) 定性 更 高 ；(3)腿 式 機 器 人 的 身 體 與 地 面 分 離 ， 這 種 機 械 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 點 在 于 機器 人 身 體 可 以 平 穩(wěn) 地 運 動 而 不 必 考 慮 地 面 的 租 糙 程 度 和 腿 的 放 位 置 ，8 腿 移 動 機 器 人 如 圖 7-2 所 示 ， 特 點 是 穩(wěn) 定 性 好 ， 越 野 能 力 強 。腿 式 移 動 機 構(gòu) 缺 點 有 ：該 類 機 器 人 的 移 動 速 度 慢 ， 機 動 性 較 差 負 載 不 能 太 重 ；腿 式 機 器 入 對 地 面 適 應 性 和 運 動 靈 活 性 需 要 進 一 步 提 高 ；腿 式 機 器 人 控 制 系 統(tǒng) 較 為 復 雜 ， 控 制 方 法 還 有 待 完 善 ；該 機 構(gòu) 未 進 入 實 用 化 階 段 。排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計29圖 7-2 八 腿 機 器 人圖 7-3 六 履 機 器 人7.1.3 排爆式移動機構(gòu)特點排 爆 式 移 動 機 構(gòu) 分 為 l 條 排 爆 、 2 條 排 爆 (排 爆 可 車 體 左 右 布置 或 者 車 體 前 后 布 置 )、 3 條 排 爆 、 4 條 排 爆 6 條 排 爆 ， 移 動 方式 優(yōu) 點 在 于 機 動 性 能 好 、 越 野 性 能 強 ， 缺 點 是 結(jié) 構(gòu) 復 雜 、 重 量 大 、摩 擦 阻 力 大 ， 機 械 效 率 低 ， 在 自 身 重 量 比 較 大 的 情 況 下 會 對 路 面 產(chǎn)生 一 定 的 破 壞 。 排 爆 式 移 動 機 構(gòu) 比 較 輪 式 移 動 機 構(gòu) 有 以 下 幾 個 特 點 ：(1)撐 面 積 大 、 接 地 比 壓 小 、 滾 動 阻 尼 小 、 通 過 性 比 較 好 ；(2)越 野 機 動 性 能 好 ， 爬 坡 越 溝 等 性 能 均 優(yōu) 于 輪 式 結(jié) 構(gòu) ；(3)排 爆 支 撐 面 上 有 履 齒 不 打 滑 ， 牽 引 附 著 性 能 好 ；(4)結(jié) 構(gòu) 較 復 雜 重 量 大 ， 運 動 慣 性 大 ， 減 震 功 能 差 ， 零 件 易 損壞 。六 排 爆 機 器 人 車 體 前 后 各 有 一 對 排 爆 鰭 ， 可 以 輔 助 翻 越 障 礙 ，