喜歡這個資料需要的話就充值下載吧。。。資源目錄里展示的全都有預覽可以查看的噢，，下載就有,,請放心下載，原稿可自行編輯修改=【QQ：11970985 可咨詢交流】====================喜歡就充值下載吧。。。資源目錄里展示的全都有，，下載后全都有,,請放心下載，原稿可自行編輯修改=【QQ：197216396 可咨詢交流】====================
摘要：
隨著我國改革開放的不斷開展，我國經濟建設和技術應用都得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展，機器人已成為制造加工行業(yè)必不可少的關鍵設備，機器人可以分為關節(jié)機器人和移動機器人兩種，關節(jié)機器人通常情況下是固定不動的，所以其工作范圍非常局限，而移動機器人恰恰克服了這一技術難題，隨時隨地的移動大大的增加了機器人的使用區(qū)間，使得機器人能夠更加方便快捷的完成各項任務。
移動機器人相比普通關節(jié)機器人增加了移動機構，移動的方式多種多樣，有腿式移動機構，輪式移動機構，履帶式移動機構等等，選擇何種移動方式決定了移動機器人的工作性質和內容。本篇論文中提出了一種結構巧妙、機動性好、穩(wěn)定性能高的多功能履帶式機器人設計方案，本方案對履帶式機器人技術進行深入分析研究，其工作原理是：利用履帶式機器人的雙節(jié)雙履帶進行支撐機器人本體進行移動，通過調整兩節(jié)履帶的角度來翻越障礙，最終實現機器人自由移動的目的。多功能履帶式機器人作為一種新型的移動機器人，對此進一步的研究也是不能忽視的。
關鍵詞：機器人；移動機器人；履帶式機器人
Abstract
With the continuous development of China's reform and opening up, China's economic construction and technology applications have been high-speed and stable development, the robot has become a manufacturing and processing industry essential essential equipment, robots can be divided into joint robot and mobile robot two, joint robot Usually the case is fixed, so its working range is very limited, and mobile robots just to overcome this technical problems, anytime, anywhere the mobile greatly increased the use of the robot range, making the robot can more quickly and easily complete the task.
Compared with the common robot, the mobile robot has increased the movement mechanism, the movement way is varied, the leg movement mechanism, the wheel movement mechanism, the crawler movement mechanism and so on. What kind of movement mode is selected determines the working nature of the mobile robot and content. This paper presents a multi-functional crawler robot design scheme with clever structure, good mobility and high stability. The scheme is based on the deep analysis of the crawler robot technology. The working principle is that the use of the double- Section of the double track to support the robot body to move, by adjusting the angle of the two tracks to cross the obstacles, and ultimately achieve the purpose of free movement of the robot. Multi-function crawler robot as a new type of mobile robot, this further study can not be ignored.
Keywords: robot，Mobile robots, Crawler robots
目 錄
Abstract IV
目 錄 V
第一章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2移動機器人的發(fā)展概況 1
1.3 Solidwork軟件的介紹 2
1.4 有限元分析的介紹 3
1.5 課題研究的意義及目的 4
第二章 多功能履帶式機器人的設計 5
2.1 多功能履帶式機器人的設計要求 5
2.2 多功能履帶式機器人的設計概述 5
2.2.1多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人原理的對比 5
2.2.2多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人特點的對比 8
2.2.3 多功能履帶式機器人的設計參數 8
2.3 多功能履帶式機器人的具體設計 8
2.3.1 機器人底座結構設計 9
2.3.1.1行走電動機的設計與選型 9
2.3.1.2減速器齒輪的設計 12
2.3.1.3齒輪齒數的選擇 13
2.3.1.4直齒圓柱齒輪靜力及接觸分析的理論計算 14
2.3.1.5直齒輪靜力及接觸的有限元分析 17
2.3.1.6鏈傳動的設計 19
2.3.2機械手臂結構設計 21
2.3.2.1機械手臂轉動電機的設計與選型 21
2.3.2.2機械手臂轉動結構的設計 23
第三章 總結與展望 24
參考文獻 24
IV
第一章 緒論
1.1 引言
隨著我國改革開放的不斷開展，我國經濟建設和技術應用都得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展，機器人應用的地方變得越來越多，從單一的生產制造業(yè)發(fā)展到各行各業(yè)，甚至延伸到排爆等危險的具體工作?，F在國內外都開始了對移動機器人的系統(tǒng)研發(fā)和設計，而移動機器人選擇何種移動方式是其設計時最重要的考慮點之一。移動機器人按其移動結構可以分為腿式，輪式和履帶式三大類，這三類各有其優(yōu)缺點。
隨著移動機器人行業(yè)技術的發(fā)展，腿式機器人由于其結構和操作過于復雜，且應用的場地通常有特殊要求，因此并沒有得到廣泛的使用。而目前市場上的移動機器人主流仍是輪式機器人，我們常見的輪式機器人多像AGV小車的結構形式，該機器人移動結構簡單，適用于平坦的地面，行走過程相對穩(wěn)定，但是同樣存在著許多缺陷，最大的問題是輪式機器人對行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時極容易打滑；且移動轉向的時候需要整個機器人本體轉動，轉彎半徑較大，占用的行走空間較多。我們都知道移動結構是移動機器人中極為重要的一個構件，因此在整體設計的時候應該考慮移動結構的適用性，穩(wěn)定性和可靠性。
為了讓移動機器人的各項性能滿足其使用要求，我們需要從以下方面要求入手考慮：機動性能好，轉彎半徑小，翻越障礙能力強，與地面附著力大，穩(wěn)定可靠性高。本設計中我們選用履帶式作為移動機器人的移動結構，其既具備腿式機器人跨越障礙物行走的優(yōu)點，又具備輪式機器人移動過程動作穩(wěn)定、操作簡單的優(yōu)點；履帶式機器人能夠適用于各種環(huán)境下的工作，因此對其進一步的研究是不能忽視的。
1.2移動機器人的發(fā)展概況
歐美等國家在移動機器人的技術研究方面一直處于世界的前端，他們單獨設立有專門的移動機器人技術研究小組，且都在努力將移動機器人的技術推廣到各行各業(yè)當中。目前美國的移動機器人的研發(fā)已經取得了突破性的進展，他們成功將該機器人應用到一些危險的環(huán)境中實際作業(yè)，還有部分移動機器人甚至開始在戰(zhàn)爭中嶄露頭角，比如:iRobot公司的Packbot，Battelle公司的ROCOMP, Remotec公司的MINI Andros 等，其中最典型的是:iRobot公司的Packbot。
iRobot公司在美國的移動機器人研究領域處于領先地位，其研發(fā)的單兵便攜式遙控地面武器機動平臺Packhot被美國軍方視為輕型無人偵查、戰(zhàn)術用機動平臺的模板。Packbot為履帶式移動機器人，長0.87m，寬0.51m，高0.18m，自重18kg，最大運行速度14km/h，充電一次可以行駛10km，最大涉水深度3m，無線遙控移動，具有自主移動能力，設置有5個載荷設施接口，可任意搭載機械手、小型武器或其他裝備，主要用于偵察地形、戰(zhàn)術實施，如反地道、近距離干擾等。Packbot安裝有輔助轉臂履帶，所以翻越障礙的能力極強，可以爬60°坡度的樓梯，有多種越障方式，能越過比自身高度大許多的障礙物，可以從任何顛覆狀態(tài)恢復到正常行駛狀態(tài)。輔助轉臂可以拆卸，方便攜帶使用。Packbot平臺結構穩(wěn)固，抗沖擊能力極強，可經受400G的沖擊，從2m高度摔下來也不會損壞，可從窗戶或者低空直升機直接拋出。
目前國內對移動機器人的技術研究仍然處于初始階段，對移動機器人的定位傳感器、位置導航、運動控制以及主體結構設計等關鍵層面的研究還遠遠落后于其他歐美國家。不過現在許多國內研究機構也開始努力開展對移動機器人的研究工作，從最基礎的主體機械結構設計及運動控制入手。由于移動機器人在機動性、越障方式等方面與其他機器人有很大不同，因此國內在移動機器人技術研發(fā)這條路上還有很長的路程要走。
1.3 Solidwork軟件的介紹
SolidWorks為達索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負責研發(fā)與銷售機械設計軟件的視窗產品。達索公司是負責系統(tǒng)性的軟件供應，并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務。該集團提供涵蓋整個產品生命周期的系統(tǒng)，包括設計、工程、制造和產品數據管理等各個領域中的最佳軟件系統(tǒng)，著名的CATIAV5就出自該公司之手，目前達索的CAD產品市場占有率居世界前列。
SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技術副總裁與CV公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸塞州的康克爾郡（Concord,Massachusetts）內，當初的目標是希望在每一個工程師的桌面上提供一套具有生產力的實體模型設計系統(tǒng)。從1995年推出第一套SolidWorks三維機械設計軟件至今至2010年已經擁有位于全球的辦事處，并經由300家經銷商在全球140個國家進行銷售與分銷該產品。1997年，Solidworks被法國達索（Dassault Systemes）公司收購，作為達索中端主流市場的主打品牌。
SolidWorks的主要模塊包括：
（1）零件建模
SolidWorks 提供了無與倫比的、基于特征的實體建模功能。通過拉伸、旋轉、薄壁 特征、高級抽殼、特征陣列以及打孔等操作來實現產品的設計。通過對特征和草圖的動態(tài)修改，用拖拽的方式實現實時的設計修改。三維草圖功能為掃描、放樣生成三維草圖路徑，或為管道、電纜、線和管線生成路徑。
(2)曲面建模
通過帶控制線的掃描、放樣、填充以及拖動可控制的相切操作產生復雜的曲面。可以直觀地對曲面進行修剪、延伸、倒角和縫合等曲面的操作。
（3）鈑金設計
SolidWorks 提供了頂尖的、全相關的鈑金設計能力?？梢灾苯邮褂酶鞣N類型的法蘭、薄片等特征，正交切除、角處理以及邊線切口等鈑金操作變得非常容易。 用戶化 SolidWorks 的API為用戶提供了自由的、開放的、功能完整的開發(fā)工具。
開發(fā)工具包括Microsoft Visual Basic for Applications (VBA)、Visual C++，以及其他支持OLE的開發(fā)程序。
（4）特征識別
FeatureWorks是第一個為CAD用戶設計的特征識別軟件。與其它CAD系統(tǒng)共享三維模型，充分利用原有的設計數據，更快將向SolidWorks系統(tǒng)過渡，這就是特征識別軟件FeatureWorks所帶來的好處。
FeatureWorks同SolidWorks 完全集成。當引入其它CAD軟件的三維模型時，FeatureWorks能夠重新生成新的模型，引進新的設計思路。FeatureWorks對靜態(tài)的轉換文件進行智能化處理，獲取有用的信息，減少了重建模型所化的時間。
FeatureWorks最適合識別帶有長方形、圓錐形、圓柱形的零件和鈑金零件。
FeatureWorks提供了嶄新的靈活功能，包括在任何時間按任意順序交互式操作以及自動進行特征識別。FeatureWorks 提供了在新的特征樹內進行再識別和組合多個特征的能力，新增功能還包含識別拔模特征和筋特征的能力。
1.4 有限元分析的介紹
有限元分析是運用電子計算機進行數值模擬的方式，現如今在工程技術領域中的應用十分多，有限元計算答案已成為各類工業(yè)產品設計和性能分析的可靠依據?，F在，有限元分析大量應用于解決航空、工業(yè)、航天、電子、土木、船舶、能源、化工、核工業(yè)、生物、醫(yī)學及交通運輸等眾多領域的具體工程問題，尤其是隨著計算機技術突飛猛進的高速發(fā)展，有限單元法在解決具體問題的規(guī)模、區(qū)間方面也已經發(fā)生了巨大的變革。有限元分析技術可以實現：
（1）找到產品潛在的問題以及先天的缺陷，為我們創(chuàng)造更加品質優(yōu)異的產品。
（2）對風險進行評估與預測，提高產品和加工生產的可靠性，降低存在的風險。
（3）通過進行對比計算分析，運用改進后的設計方案，降低產品生產加工成本。
（4）縮短產品投向市場的時間。
（5）降低物理試驗次數，對大量實際情況進行快速而有效的模擬實驗分析。
有限元分析是R.Courant于1943年首先提出的。從提出有限元分析的概念以來，有限元理論及其特殊的應用得到了高速發(fā)展。以往不能解決或能解決但解決精度不高的情況，都得到了更好的解決方法。傳統(tǒng)的FEM假設：分析域是無限；材質是同樣的，甚至在絕大部分的分析中認為材質是各向同性的；對邊界環(huán)境簡化處理。但實際情況往往是分析區(qū)域有限、材質各向異性及邊界環(huán)境難以確定等因素。為了解決這些問題，美國學者發(fā)現用CFEM(Gener-alized Finite Element Method)解決分析區(qū)域內含有大量孔洞特性的情況；比利時學者也在之間提出了用HSM解決實際開裂情況。
FEM在國內的應用也十分廣。自從我國成功研制了國內第一個通用有限元分析程序系統(tǒng)JIGFEX后，有限元分析涵蓋到工程分析的各個領域中，從我國大型的三峽工程到微米級的器件都運用了FEM進行分析，在我國高速經濟發(fā)展中擁有很大的發(fā)展空間。
現在我們在進行大型復雜工程結構中物理場分析時，為了控制并估計偏差，常用后驗偏差估計的自適應有限元分析。而基于后處理法的計算偏差，與我們常常使用的傳統(tǒng)算法不同，它完美的將網格自適應過程分成均勻化和變密度化兩個迭代過程。而均勻化迭代過程中，運用均勻網格尺寸對整體分析區(qū)域進行網格劃分，便得到一個合適的起始均勻分析網格；而在變密度化迭代過程中只進行網格細化的操作，而且充分運用上一次迭代的答案，在單元所在的曲邊三角形區(qū)域內部進行局部網格細化工作，保證了全局分析網格尺寸分布的合理性，這樣不同尺寸的網格就能夠光滑銜接，從而提高網格的整體質量。上述整個方案簡單可行，穩(wěn)定可靠，數次迭代即可快速收斂，生成的網格布局合理，質量水平高。
1.5 課題研究的意義及目的
從目前全球市場需求布局來看，歐、美地區(qū)成為功能全、結構簡潔、質量好、性能穩(wěn)定的移動機器人的主要銷售市場；中東、非洲地區(qū)主要選擇老款式、簡單實用價格便宜的移動機器人；還有以俄羅斯為代表的高寒國家則更喜歡能耐寒，機械結構牢固的移動機器人以適應當地的地理氣候條件；日韓則主要關注產品的品質與安全；目前國內的移動機器人整體研究狀況還是比較良好，已由原來單一的移動功能，不注重外觀，逐漸演變成為實際使用中的藝術品，以外觀精美結構巧妙，操作方便，質量安全穩(wěn)定等特點成為新的發(fā)展方向。為進一步適應各行各業(yè)的發(fā)展，現如今市場上還出現了移動服務機器人。
第二章 多功能履帶式機器人的設計
現有市場上常見的移動機器人基本上都是輪式機器人，其基本工作方式為電動機帶動輪子轉動，輪子再將動力傳遞給整個輪式機器人達到讓其自由行走的目的。輪式機器人主要有以下幾個方面的缺點：對行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時極容易打滑；且移動轉向的時候需要整個機器人本體轉動，轉彎半徑較大，占用的行走空間較多；而本設計中的多功能履帶式機器人采用履帶驅動的工作原理，其基本工作方式為行走電動機帶動履帶本體轉動提供履帶式機器人行走的動力，關節(jié)電動機帶動履帶本體調整其行走角度，讓機器人本體能夠自如的翻越障礙。
這兩種移動機器人的工作原理截然不同，兩者結構不同、實現方式不同，使用方法也不相同。本篇論文中的多功能履帶式機器人設計運用了巧妙的機械傳動結構，利用電動機作為機器人行走的源動力，再通過穩(wěn)定的減速器和鏈傳動將電動機的動力傳遞給前后雙節(jié)四履帶，使得機器人可以實現自由的行走，且多功能履帶式機器人在遇到障礙物時，通過調整關節(jié)角度，使得整個運動過程更加平穩(wěn)。我們在現有的單節(jié)雙履帶式機器人的理論基礎上改良結構和運動方式，本次設計的多功能履帶式機器人采用雙節(jié)四履帶式結構，機械結構更加優(yōu)化，綜合材質的選擇、結構的簡化，讓使用者更加方便穩(wěn)定的使用該移動機器人，這是本篇論文多功能履帶式機器人的設計初衷。
2.1 多功能履帶式機器人的設計要求
（1）本設計中的多功能履帶式機器人主要在一些人不方便進入的小型場合使用，包括倒塌的建筑物內，災難現場，危險災區(qū)和坍塌煤礦等。
（2）本設計之前綜合考慮，該多功能履帶式機器人應該具有以下功能：產品加工生產成本低，質量安全穩(wěn)定，使用壽命長，結構穩(wěn)固，使用便捷，方便搬運移動；
（3）本設計從履帶機器人底座結構設計和機械手臂設計兩方面著手進行詳細的設計分析及計算闡述。
2.2 多功能履帶式機器人的設計概述
2.2.1多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人原理的對比
（1）輪式機器人的工作原理
最早出現的移動機器人應當是輪式機器人。隨著各個行業(yè)對移動機器人質量要求的不斷提高，輪式機器人也得到了快速的發(fā)展與運用。
輪式機器人以輪式移動為基礎，相對腿式、履帶式或其它非輪式的移動機器人具有運動速度快、工作效率高、結構簡單、操作容易等優(yōu)勢。與其他移動機器人相比，輪式機器人最大的優(yōu)點便是操作簡單，其行走區(qū)域不需要假設軌道、支座架等固定裝置，電路控制方便簡單，且不易損壞。因此，輪式機器人大多數在較好的環(huán)境下使用，如今在自動化物流系統(tǒng)中被廣泛使用，利用其快捷性和高效性，實現高物流倉庫高效、經濟、便捷的無人化管理。
輪式機器人，其基本工作原理為電動機帶動輪子轉動，輪子再將動力傳遞給整個輪式機器人達到讓其自由行走的目的。再通過其他輔助功能，如地面控制系統(tǒng)，車載控制系統(tǒng)，導航引導方式等綜合起來形成完整的結構體系。隨著對輪式機器人的深入研究分析，輪式機器人的應用范圍也在不斷擴大,如今也廣泛運用于工業(yè)、軍事、交通運輸、電子等領域,，同樣具有很強的抗干擾能力和目標識別能力。
圖1 常見輪式機器人實物圖
（2）多功能履帶式機器人的工作原理
在本世紀早期，以電動機作為動力源帶動的單節(jié)雙履帶式機器人就已經出現了。隨著現代工業(yè)應用技術的發(fā)展，如今出現了雙節(jié)四履帶式機器人和多節(jié)多履帶式機器人等等類型的履帶式機器人。
本設計中的多功能履帶式機器人采用的仍然是單節(jié)雙履帶機器人的工作原理，只是在其基礎上額外又增加了單節(jié)雙履帶，共雙節(jié)四履帶，其基本工作方式為行走電動機帶動履帶本體轉動提供履帶式機器人行走的動力，關節(jié)電動機帶動履帶本體調整其行走角度，讓機器人本體能夠自如的翻越障礙。
雙節(jié)四履帶機器人作為履帶式機器人的一種，相比單節(jié)雙履帶機器人翻越障礙物的能力更加，環(huán)境適用性更高，動力更強。該多功能履帶式機器人的結構主要由兩大部分組成：機器人底座結構和機械手臂結構，而底座結構包括：行走電動機、關節(jié)電動機，內輪組件、車體框架組件、外輪組件、減速器、鏈傳動組件等；機械手臂結構包括：機器人大臂，機器人中臂，機器人小臂，攝像頭組件，機器人抓手等；行走電動機提供源動力帶動履帶自身轉動行走，關節(jié)電動機帶動履帶本體調整行走角度，車體框架組件支撐著整個多功能履帶式機器人的結構，其承受了多功能履帶式機器人所有的負載，車體框架組件的前后分別安裝有兩個外輪組件和兩個內輪組件，行走電機和關節(jié)電機均通過減速器將動力傳遞出去，鏈傳動組件負責將外輪組件和內輪組件連接到一起，機械手臂的功能在于讓機器人可以360°無死角的清除路面上的障礙物，通過攝像頭組件可以清楚的觀察到道路環(huán)境中的實際情況，頂部的機器人抓手可以完成一些基本功能的抓取和清掃作業(yè)。
圖2 多功能履帶式機器人三維設計圖
2.2.2多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人特點的對比
多功能履帶式機器人的優(yōu)點：
（1）.在惡劣環(huán)境下也可以作業(yè)，越障機動性好；
（2）.具有很好的自復位能力，可以從任何顛覆狀態(tài)恢復到正常行駛狀態(tài)；
（3）.履帶上的履齒不容易打滑，與地面的附著性好，能夠最大程度的發(fā)揮電動機的效率
輪式機器人的缺點：
（1) 對行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時極容易打滑；
（2) 移動轉向的時候需要整個機器人本體轉動，轉彎半徑較大，占用的行走空間較多
（3) 輪式機器人傳動系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，非專業(yè)人員不容易檢查和排除問題。
2.2.3 多功能履帶式機器人的設計參數
產品類別：雙節(jié)四履帶式移動機器人
材質：鋁合金
自身重量：60kG
規(guī)格(MM)：L825×W550×H630
運行速度：0.4~0.8m/s
行走電機功率：200W
關節(jié)電機功率：200W
續(xù)航時間：8H
2.3 多功能履帶式機器人的具體設計
多功能履帶式機器人主要從兩大方面進行具體設計：包括機器人底座結構設計和機械手臂結構設計；
（1） 機器人底座結構設計
機器人底座結構是整個履帶機器人的基礎，依靠它履帶式機器人才能夠在地面上行駛，也能夠攀爬建筑物內部的樓梯以及一些更為復雜的地形。
底座結構包括：行走電動機、關節(jié)電動機，內輪組件、車體框架組件、外輪組件、減速器、鏈傳動組件等；行走電動機提供源動力帶動履帶自身轉動行走，關節(jié)電動機帶動履帶本體調整行走角度，車體框架組件支撐著整個多功能履帶式機器人的結構，其承受了多功能履帶式機器人所有的負載，車體框架組件的前后分別安裝有兩個外輪組件和兩個內輪組件，行走電機和關節(jié)電機均通過減速器將動力傳遞出去，鏈傳動組件負責將外輪組件和內輪組件連接到一起。
（2） 機械手臂結構設計
整個機械手臂安裝在履帶機器人的上部，通過機械手臂底座與車體框架組件連接到一起。機械手臂結構包括：機器人大臂，機器人中臂，機器人小臂，攝像頭組件，機器人抓手等，機械手臂的功能在于讓履帶式機器人可以360°無死角的清除路面上的障礙物，通過攝像頭組件可以清楚的觀察到道路環(huán)境中的實際情況，頂部的機器人抓手可以完成一些基本功能的抓取和清掃作業(yè)。
2.3.1 機器人底座結構設計
本設計中的機器人底座結構設計主要包括行走電動機的設計與選型，減速器齒輪的設計，鏈傳動的設計與選型；
2.3.1.1行走電動機的設計與選型
在本設計中，鏈傳動組件將前后兩個外輪組件和兩個內輪組件連接起來，相當于四個履帶由兩個相同的行走電動機兩兩驅動，也就是說一個行走電機驅動一側的履帶行走。
行走電機所需的功率計算：
式中：——安全系數，考慮超載或功耗波動等影響，取1.5；
——多功能履帶式機器人所需的功率；
——傳動裝置的總傳動效率；
——行走電機的功率。
多功能履帶式機器人所需的功率計算：
PW=F牽V
式中：F牽——單個行走電機作用于單側履帶式機器人的牽引力，N；
V——整個履帶式機器人的行走速度，m/s。
假設履帶與地面之間的滾動摩擦系數μ=0.5，已知履帶機器人自身重量為60KG，且兩個行走電機作用于履帶機器人上的牽引力與摩擦力f相等，則計算F牽
F牽=f/2=μmg/2=0.5×60 kg×10 N/kg/2=150N
由設計參數可知，整個履帶機器人的行走速度V為0.4～0.8m/s，取V最大值為0.8m/s計算得出
=F牽V=150N×0.8m/s=120W
履帶在轉動的過程中，行走電機與履帶之間通過減速器連接，減速器與履帶之間又通過鏈傳動組件連接，因此查《機械設計手冊》得到：
類別
傳動形式
效率（%）
減速器
直齒圓柱齒輪傳動
0.97
鏈傳動
滾子鏈
0.96
表2.1 各傳動部件的傳動效率
因此可以計算得到從行走電機到履帶的總傳動效率為
=減速器鏈傳動=0.97×0.96=0.9312
Pm=kPw=1.5×1200.9312=193.29W
——行走電機實際作業(yè)時所需要的輸出功率。
本設計中的行走電機選型采用的是直流無刷電機。作為同步電機的一種，直流無刷電機相對于其它類型的電動機具有響應快速、較大的起動轉矩、從零轉速至額定轉速具備可提供額定轉矩的優(yōu)點。根據上面的計算，我們得到多功能履帶式機器人行走電機實際工作時所需要的輸出功率為193.29W，考慮在行走過程中可能遇到復雜地形的情況，我們選定行走電機的品牌為瑞士maxon直流無刷電機，型號為EC-4pole 30，其工作額定功率為200W，額定轉速n為16200r/min,行走電機的具體參數見表2.2；
表2.2 行走電機詳細參數
由設計三維圖可知內輪的直徑為220mm，且設計要求整個履帶機器人的行進速度為0.4～0.8m/s，所以履帶行走的最大轉速
n=vπd=0.8π×0.22=1.16r/s=69.45r/min
2.3.1.2減速器齒輪的設計
已知選定的行走電機型號為EC-4pole 30，其工作額定功率為200W，額定轉速n為16200r/min,且履帶的轉速為69.45r/min，如果我們直接通過減速器減速則減速器總傳動比為233。如果我們只選用減速器減速，那么傳動比i=233就必須通過很多級減速才可以實現，考慮到多功能履帶式機器人的設計要求：結構安裝簡單，自身重量輕，因此減速器的體積也需要盡可能的小，所以本設計中采用電機自帶減速器的方式先來降低電機自身輸出轉速。
我們查瑞士maxon直流無刷電機的產品手冊，查到行走電機EC-4pole 30的配套減速器的具體規(guī)格如下表2.3；
表2.3 行走電機減速器詳細參數
我們這里選擇配套的減速器為行星輪減速器，型號為GP-42C，我們已知行走電機的輸出軸直徑為5mm，小于減速器最大允許電機軸徑8mm，滿足要求，并根據總傳動比i=233，我們選擇減速器的編號為203129，減速比為156:1，精確減速比為156。
那么我們可以將總傳動比i分別分配到行走電機減速器，齒輪減速器和鏈傳動減速器上?？傻?
i=i電機i齒輪i鏈輪
我們這里設計齒輪的傳動比為1：1，也是說齒輪副兩個嚙合齒輪齒數相等，于是計算出鏈輪的傳動比為1.5:1。
齒輪減速器為行走電機與鏈傳動之間的獨立的閉式傳動裝置，它通過降低轉速和增大轉矩來滿足實際工況的需求。減速器的類型有很多，按照傳動方式的不同可以分為齒輪減速器，蝸輪蝸桿減速器和行星減速器；按照傳動的級數可以分為單級和多級減速器。我們已知本設計中的齒輪減速器的減速比為1。通常情況下單級齒輪減速器的傳動比i≤8—10，且齒輪減速器的優(yōu)點是效率和可靠性高，工作壽命長，維護簡單；這里齒輪可以選擇直齒、斜齒和人字齒。由于本設計中的履帶轉動的工作轉矩較大，因此選擇單級直齒圓柱齒輪做為本設計中的齒輪減速器。
2.3.1.3齒輪齒數的選擇
在設計時保證直齒輪傳動的中心距不變的條件下，增加齒數，不僅可以增大齒輪嚙合的重合度、保證傳動的平穩(wěn)性，而且可以減小齒輪模數，降低齒高，減少加工的切削量。為了提高傳動的穩(wěn)定性，減少傳動過程中的沖擊振動，降低磨損失效。
根據齒輪副的工作環(huán)境選擇不同的齒輪齒數，閉式齒輪傳動一般轉速較高，為了提高傳動的穩(wěn)定性，減小沖擊振動，通常選擇齒數多一點的齒輪，小齒輪的齒數可取為Z1=20~40，而開式（半開式）齒輪傳動，由于輪齒的磨損失效為主要因素，因此小齒輪的齒數通常選用不多，一般可以小齒輪的齒數Z1=17—20，且為了防止齒輪嚙合時發(fā)生根切，應取Z1≥17。本設計中的齒輪副的工作環(huán)境為封閉的減速箱內，且齒輪傳動的轉速較高，因此選定小齒輪的齒數Z1為30。
主動齒輪齒數確定后，按傳動比i=Z2/Z1可以計算出從動齒輪齒數Z2也為30。直齒圓柱齒輪傳動的基本參數見表2—1所示：
表 2-1
名稱
主動齒輪
從動齒輪
齒數
30
30
變位量系數
0
0
齒頂高系數
1
1
頂隙系數
0.25
0.25
刀具模數
1.5
1.5
刀具壓力角
20
20
齒寬
8
7
2.3.1.4直齒圓柱齒輪靜力及接觸分析的理論計算
對直齒圓柱齒輪分別進行接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度的校核，確定斜齒輪副能否滿足實際工況下的需求。
直齒圓柱齒輪材質選用Q235A，齒輪表面做調質熱處理，齒輪副的參數如表2-2所示。
表2-2斜齒輪副參數
齒 輪
模數(m)
齒數(z)
轉速(n)
分度圓直徑（mm）
功率(p)
主動齒輪
1.5
30
104r/min
45
200W
從動齒輪
1.5
30
104r/min
45
（1）齒輪接觸疲勞強度校核
1）計算主動齒輪名義轉矩
T1=9.55×106×P1/n1=9.55×103×0.2/104=18.36N.M
取直齒輪材料接觸疲勞極限應力。
2）計算主動齒輪的的圓周力
Ft=2×T1/d1=2×18.36/0.045=816N
3）許用接觸疲勞強度計算
主動齒輪應力循環(huán)次數：
N1=60njLh=60×104×10×10×250=1.56×108
從動齒輪應力循環(huán)次數：
N2=60njLh=60×104×10×10×250=1.56×108
取安全系數
取
則許用接觸疲勞強度為：
4）直齒輪齒面接觸疲勞強度校核：
取齒寬系數
則齒寬為 b=ψdd1=0.6×45=27
齒輪傳動比 u=Z2/Z1=30/30=1
齒輪重合度
εα=[1.88-3.2×(1/z1+1/Z2）]cosβ=1.566
取重合度系數
節(jié)點區(qū)域系數
彈性系數
載荷系數 K=2.669
直齒面接觸疲勞強度校核：
σH=ZEZHZε[（K Ft/bd1）*（u+1）/u]0.5
=189.8×2.5×0.95×[（2.669×816/27/45）×（1+1）/1]0.5=842.15MPa
得到結果：＜＜
（2）直齒輪彎曲疲勞強度校核
1）確定載荷系數：
取 動載荷系數
取齒間載荷分配系數
取
則
2）確定齒形參數
取從動齒輪齒形系數 應力修正系數
主動齒輪齒形系數 應力修正系數
重合度系數
3）確定直齒輪彎曲疲勞許用應力
斜齒輪彎曲疲勞許用應力為
根據齒輪材料取彎曲疲勞極限應為，
取彎曲疲勞強度計算的壽命系數：，
取應力修正系數
取彎曲疲勞強度安全系數
則彎曲疲勞許用應力：
4）校核齒輪彎曲疲勞強度：
按主動齒輪校核齒輪彎曲疲勞強度：
σF2=kFtYFa2YSa2Yε/bm=2.87×816×2.75×1.6×0.95/3/48=67.98MPa
經過上面對直齒輪副的強度校核計算得到以下結果：
齒輪接觸疲勞和彎曲疲勞強度為：
σH=ZEZHZε[（K Ft/bd1）*（u+1）/u]0.5
=189.8×2.5×0.95×[（2.669×816/27/45）×（1+1）/1]0.5=842.15MPa
σF2=kFtYFa2YSa2Yε/bm=2.87×816×2.75×1.6×0.95/3/48=67.98MPa
對疲勞強度進行比較：
＜＜
＜＜
經過對比我們可以得到結論：直齒輪的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度都滿足實際強度要求。
2.3.1.5直齒輪靜力及接觸的有限元分析
分析直齒輪的應力分布圖，我們可以得出直齒輪在進入或退出嚙合時，因為直齒輪的彈性形變將發(fā)生干涉和沖擊，直齒輪的齒頂、齒根和端面邊緣都會發(fā)生應力集中，這些應力集中很容易造成直齒輪失效，因此分析直齒輪受力，避免應力集中可以有效地提高直齒輪的使用時間。
從主動齒輪的接觸應力圖中可以看出，主動齒輪齒根圓處的應力大小在70MPa 到 100MPa 區(qū)間內，齒輪齒形表面的應力分布有逐漸增大的態(tài)勢，其大小為 140~245MPa，而齒形表面及齒槽表面分布其應力值逐漸降低到35MPa 左右，主動齒輪的最大應力出現在加載的齒形嚙合部分的齒頂附近處，大小為316MPa。
圖2.4 主動齒輪接觸應力分布圖
從齒輪副接觸應力圖中可以看出，從動齒輪的應力分布方式與主動齒輪基本相似。從動齒輪的齒根圓處的應力值在 274MPa 到 366MPa 之間的范圍，齒形表面的應力分布逐漸加大，附近的應力其值為 457～549MPa，而齒形表面及齒根表面的應力分布，其應力值逐漸降低到91～183MPa 左右，與主動齒輪的應力分布相似，齒形嚙合處附近接近齒頂輪廓處的應力較大，從動齒輪該處為最大應力點，而從動齒輪上該位置的應力最大值約為 824MPa。
圖2.5齒輪副接觸應力分布圖
根據以上分析可以得到結論：齒輪運動副中的危險應力集中位置，我們在實際的齒輪生產加工工藝中可以作為技術依照，為了后面使用過程中增加齒輪的耐久性和穩(wěn)定性，需要在齒輪制造生產和熱處理工藝加工的過程中做特殊的表面熱處理。
2.3.1.6鏈傳動的設計
鏈傳動是一種繞性傳動，通常由鏈條和鏈輪組成，通過鏈輪的輪齒和鏈條的鏈節(jié)之間的嚙合傳遞動力。與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造和安裝精度要求較低，成本也較低。特別在長距離傳動時，結構比齒輪傳動更加有優(yōu)勢。鏈條按用途不同又可以分為傳動鏈、輸送鏈和起重鏈。輸送鏈和起重鏈通常用于重型運輸機械和起重機械中。本設計中我們選用的是常用的傳動鏈。傳動鏈又可以分為滾子鏈和齒形鏈等類型，本設計中采用的是常規(guī)的滾子鏈，通常用于低速的傳動系統(tǒng)中，且最大傳動比i=8。
滾子鏈在傳遞較大功率時，可采用雙排鏈或者多排鏈。多排鏈的承載能力和排數成正比，但受到裝配精度的制約，多排鏈承受的載荷不容易分布均勻，因此鏈條的排數也不宜過多。
（1） 鏈輪設計與計算
小鏈輪的齒數少一點可以減小鏈輪的外廓尺寸，但齒數過少時也會增加動力傳遞過程中的不均勻性和動態(tài)載荷；鏈條和鏈輪在嚙合時鏈節(jié)間的相對轉角增大使得鏈傳動的圓周力增大，導致鏈傳動整體的磨損。因此小鏈輪的齒數Z1也不宜過小，通常情況下鏈輪的最少齒數Zmin=9。一般Z1≥16，對于高速傳動或是承受較大沖擊載荷的鏈傳動Z1不少于25。同樣小鏈輪的齒數Z1也不宜取得過大，在傳動比一定時，Z1大，Z2也相應增大，會導致傳動結構的總體尺寸增大，并且容易導致鏈條跳鏈和脫鏈的情況發(fā)生，也會影響鏈條的使用壽命。本設計中選定小鏈輪的齒數Z1=16，根據以上計算鏈輪的傳動比為1.5:1，可得到：
Z2=Z1×i=16×1.5=24
鏈輪的節(jié)距P越大，承載能力也越高，但是P越大也意味著鏈輪的總體尺寸越大，反而振動、沖擊和噪聲也會越嚴重。為了使整個鏈傳動結構緊湊，當速度高，功率大時，應盡量選用小節(jié)距的多排鏈，本設計中采用雙排鏈的鏈輪傳動。
（2） 鏈傳動的計算
根據鏈傳動的工作環(huán)境，小鏈輪齒數和鏈條排數，將鏈傳動所傳遞的功率修正為當量的雙排鏈的計算功率
Pca=KAKZKPP
式中：KA——工況系數，查《機械設計手冊》表9-6工況系數取1.0；
Kz——小鏈輪齒數系數，查《機械設計手冊》圖9-13小鏈輪齒數系數取1.65；
KP——排鏈系數，雙排鏈時取KP=1.75，三排鏈時取KP=2.5；
P——傳遞的功率，KW。
計算得到
Pca=1.0×1.651.75×0.2=0.19KW
根據計算得到的排鏈的計算功率Pca和小鏈輪的轉速n1=104r/min由《機械設計手冊》圖9-11得到鏈條型號為25B，鏈輪的型號為25B，再根據《機械設計手冊》表9-1確定鏈條的節(jié)距P=6.35mm。鏈條具體尺寸見圖2.6；
圖2.6 鏈條具體尺寸圖
鏈條的鏈速V決定了鏈傳動的潤滑方式，鏈條平均鏈速
V=Z1n1p60×1000=Z2n2p60×1000=16×104×20060×1000=5.5m/s
查《機械設計手冊》圖9-14選擇定期人工潤滑的方式。
（3） 鏈傳動的張緊
鏈傳動張緊的目的在于，為了避免在鏈條的松邊垂度過大時產生鏈傳動嚙合不良和鏈條的振動現象，同時也增加鏈條和鏈輪的嚙合包角。張緊的方式有很多，當小鏈輪與大鏈輪之間的中心距可調時，可以通過調節(jié)中心距來控制鏈條的張緊程度。但是當中心距不可調時，我們只有通過增加張緊輪的方式實現鏈條的張緊。張緊輪可以是鏈輪，也可以是滾輪。且設計張緊輪時應該使其直徑盡量與小鏈輪的直徑相接近。本設計中小鏈輪的齒數為16，因此設計張緊鏈輪的齒數為11，型號為25B。
2.3.1.7 傳動主軸的設計與計算
1）計算傳動主軸的圓周力
Ft=2T2/d=2×27.59×1000/20=2759N
計算軸的徑向力
Fr= Fttan20°=2759×0.364=1004N
2）選定傳動主軸的材質且計算其最小直徑
選定傳動主軸的材料為45鋼，表面做調質處理，硬度220~250HRC
計算傳動主軸的最小直徑：
dmin=A3Pn2=8×320069.23=11.39mm
傳動主軸的第一個臺階用于安裝履帶組件，且第一段直徑與履帶輪上花鍵的孔徑相配合，配合公差為H7/g6。
公稱轉矩Tn /(N·m): 1000
許用轉速[n] /(r/min): 10001~78000
軸孔直徑d1、d2、dz /mm: 12
軸孔長度|L /mm: 48
容許偏心范圍(mm): 0.02~0.2
容許偏角（deg）: 1
因此，取軸段1的直徑d1=12mm，軸端1的長度L1=112.7mm。
3）傳動主軸的結構設計
a)按軸向定位要求
軸的第一個臺階用于履帶組件的軸向卡位，且設計臺階高度h=4 （），因此軸的第二個臺階直徑d2=20mm，根據傳動主軸上安裝履帶組件的長度為138.8mm，因此取L2=138.8mm。
b)齒輪在軸上安裝時的定位方式
齒輪和傳動主軸之間通過A型平鍵鏈接，平鍵的尺寸為
寬為5mm
長度取12mm
R=2.5
c)確定傳動主軸上圓角和倒角尺寸
R=0.5，圖標注所示
軸端倒角取0.5×45°
4）傳動主軸的強度校核
對于6301型深溝球軸承，確定軸承的支點位置，取值為。
Ft=2T2/d=2×294×1000/20=29400N
Fr= Fttan20°=29400×0.364=10700N
根據裝配圖所示高速軸軸承跨距以及和齒輪支點跨距如圖所示
水平面：
RH2=476Ft604=218534 N
RH2=476Ft604=218534 N
彎矩MH=RH1×AC=58765×476=28×106
垂直面：
同理得
RV1=21390 N RV2=616.3 N
彎矩:Mv=Rv1×AC=10×106
合成彎矩：M=MH2+MV2=280×106N?MM
扭矩
軸的彎矩校核公式：，
式中， a--------折合系數，取0.6；
選定軸的材料為45鋼，軸表面做調質處理，硬度220~250HRC
查得45鋼許用應力
計算得到軸的應力大小為
，因此本設計中的傳動主軸滿足實際使用要求。
2.3.2機械手臂結構設計
整個機械手臂安裝在履帶機器人的上部，通過機械手臂底座與車體框架組件連接到一起。機械手臂結構包括：機器人大臂，機器人中臂，機器人小臂，攝像頭組件，機器人抓手等，機械手臂的功能在于讓履帶式機器人可以360°無死角的清除路面上的障礙物，通過攝像頭組件可以清楚的觀察到道路環(huán)境中的實際情況，頂部的機器人抓手可以完成一些基本功能的抓取和清掃作業(yè)。
2.3.2.1機械手臂轉動電機的設計與選型
本設計中機械手臂轉動結構的轉動電機選用電機和絲桿集成化的標準產品，俗稱電缸。電缸將伺服電機結合絲桿的結構把旋轉運動轉換成直線運動，同時將伺服電機最佳優(yōu)點-精確轉速控制，精確轉數控制，精確扭矩控制轉變成精確速度控制，精確位置控制，精確推力控制；且從節(jié)省空間的角度考慮，機械手臂之間，如機器人大臂與機器人中臂，機器人中臂與機器人小臂，兩兩之間的方向是平行的，因此選擇電缸的安裝方向與機械手臂的方向平行的。這意味著電缸的直線運動軸的方向與機械手臂關節(jié)的中心軸方向是垂直的。
電缸的優(yōu)點有：采用閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制，直線運動精度可以達到0.01mm；可以實現精密控制推力，并在產品上增加壓力傳感器，其直線運動控制精度可達1%；與PLC等控制系統(tǒng)連接非常方便簡單，很容易實現高精密運動控制。噪音低，節(jié)能，干凈，高剛性，抗沖擊力，超長壽命，操作維護簡單。電缸可以在惡劣環(huán)境下無故障，防護等級可以達到IP66。長期工作，并且實現高強度，高速度，高精度定位，運動平穩(wěn)，低噪音。所以可以廣泛的應用在造紙行業(yè)，化工行業(yè)，汽車行業(yè)，電子行業(yè)，機械自動化行業(yè)，焊接行業(yè)等。
電缸在工業(yè)上可以完全替代液壓缸和氣缸，并且實現環(huán)境更環(huán)保，更節(jié)能，更干凈的優(yōu)點，與PLC等控制系統(tǒng)連接，實現高精密運動控制。
配置靈活性：可以提供非常靈活的安裝配置，全系列的安裝組件：安裝前法蘭，后法蘭，側面法蘭，尾部鉸接，耳軸安裝，導向模塊等；可以與伺服電機直線安裝，或者平行安裝；可以增加各式附件：限位開關，行星減速機，預緊螺母等；驅動可以選擇交流制動電機，直流電機，步進電機，伺服電機。
本設計中采用德國FESTO品牌的電缸，型號為EPCO-25-300-3P-A-ST-E，馬達類型為ST步進馬達ST，產品型號為EPCO O系列，規(guī)格25，行程300mm，絲桿螺距3P3mm，測量單位為E編碼器，位置感測為A用于接近式感測，直線運動的重復精度可以達到±0.02mm。
本設計中正是利用了電缸運動的高精度性能實現了整個機器手準確無誤的抓取目標物。
機器人關節(jié)電缸的三維圖見圖2.6所示：
圖2.6機器人關節(jié)電缸三維結構圖
2.3.2.2機械手臂轉動結構的設計
因為本設計中的履帶機器人適用于一些人不方便進入的小型場合使用，包括倒塌的建筑物內，災難現場，危險災區(qū)和坍塌煤礦等，我們這里以倒塌的建筑物為例分析，而建筑物內最常見的攀爬的障礙物就是樓梯，這里選擇樓梯作為本設計中機械手臂尺寸的設計參考。已知樓梯一節(jié)臺階的內空寬為215mm，且內空高為200mm，樓梯一層總高2600mm，總寬950mm，因此，為了保證多功能履帶式機器人能夠自由的翻越樓梯，設計機械手臂的寬度不能超過950mm，展開長度不能超過2600mm。本設計中機器人大臂總長度為400mm，機器人中臂總長度為400mm，機器人小臂總長度為150mm，機器人抓手總長度180mm，因此整個機器人手臂完全展開總長度為1130mm，小于2600mm，整個多功能履帶式機器人總高度為630mm，總長度為825mm，總寬度為550mm，均小于一層樓梯的內空長寬高，均符合人機工程學的要求作業(yè)要求尺寸。樓梯的具體尺寸見下圖2.7。
圖2.7 樓梯的具體尺寸參數
第三章 總結與展望
自選題后，我就開始積極地查閱相關資料，為本次的畢業(yè)設計做準備。本次設計經過大量的數據計算，選擇了最優(yōu)的外形尺寸結構，體現出設計的最初宗旨，即便攜、穩(wěn)定。
上述工作完成之后，通過計算機AutoCAD和Solidwork軟件的學習運用，對多功能履帶式機器人的總體裝配圖、零件實體圖、零件的二維圖等進行了繪制，在繪制的過程中對履帶機器人的裝配又有了進一步的理解，補充并修改了計算部分中的遺漏與錯誤之處。
在整個設計過程中，查閱大量有關資料，與同學交流，并向老師請教，使自己學到了很多未曾接觸的知識，并對學過的知識加以鞏固。本次設計，能夠參考的相關實例少之甚少，整個設計過程就是創(chuàng)造過程。論文開始階段，毫無頭緒，看著別人忙著寫論文，內心百般焦急，卻不知從何開始，于是我嘗試結合所學知識與相關書籍，艱難的前進，最終順利完成此項設計。這其中經歷了不少辛勞，但天道酬勤，我迎來的還是豐收的季節(jié)！深知此次的設計成果并非是最好的，但是設計過程中我掌握到的知識是我這次畢業(yè)設計中的最大收獲，而這些收獲將會對我無論是現在還是以后參加工作都會有很大的幫助。
由于我的知識范圍有限，本次設計肯定還有很多不足之處，望老師能夠批評指正，多給一些意見和建議。
參考文獻
[1]崔政斌 王明明 《履帶式機器人的選用手冊》第二版 化學工業(yè)出版社，2010
[2]毛恩榮 張紅 宋正河 《車輛人機工程學》第2版 北京理工大學出版社，2007
[3]丁玉蘭 《人機工程學》第三版 北京理工大學出版社，2010
[4]濮良貴 紀名剛 《機械設計》第八版 高等教育出版社，2010
[5]柴鵬飛 王晨光 《機械設計課程設計指導書》機械工業(yè)出版社，2009
[6]吳宗澤 羅圣國 《機械設計課程設計手冊》第3版 高等教育出版社，2010
[7]劉朝儒 吳志軍 高政一 《機械制圖》第五版 高等教育出版社，2006
[9]高英武 高午 辛繼紅 湯興初《履帶式機器人的研制》 農機化研究 2002年11月 第 4期
[10]賀光誼 唐之清《畫法幾何及機械制圖》 重慶大學出版社，1994
[11]鄭文緯 吳克堅《機械原理》第七版 高等教育出版社，2009
[12]鄒家祥主編 《現代機械設計理論與方法》 科學出版社，1990
[13]洪鐘德主編 《簡明機械設計手冊》 同濟大學出版社，2002
[14]唐經世《工程機械》中國鐵道出版社 “橡膠履 帶的結構分析及改進措施”。
27