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履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 摘 要 在微小型履帶機器人方面美國走在了世界的前列，代表機器人有Packbot機器人，Talon機器人，NUGV等。 我國微小型機器人的研究和開發(fā)晚于西方的一些發(fā)達國家，我國是從20世紀80年代開始機器人領(lǐng)域的研究的。其中具有代表性的有中國科學院研制的復合移動機器人“靈晰-B”型排爆機器人，“龍衛(wèi)士Dragon Guard X3B 反恐機器人”，“JW-901 排爆機器人”等。 此設(shè)計的目的設(shè)計結(jié)構(gòu)新穎，能實現(xiàn)過坑、越障等動作。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，本研究的意義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(chǔ)平臺。 此設(shè)計移動方案的選擇是采用了履帶式驅(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(yīng)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(yīng)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(yīng)路面執(zhí)行機構(gòu)、履帶及履帶輪運動機構(gòu)。 關(guān)鍵詞：履帶機器人;履帶移動機構(gòu);模塊化設(shè)計 Abstract In terms of micro small crawler robots walk in the forefront of the world in the United States, on behalf of the robot has disposal robot, Talon robot, NUGV, etc. Miniature robot research and development in our country later than some developed western countries, our country from the 1980 s began to research in the field of robot. One of the typical composite mobile robot developed by the Chinese academy of sciences \"norm of spirit - B\" type eod robots, \"Dragon Guard Dragon Guard X3B anti-terrorism robot\", \"JW - 901 eod robot\", etc. The design is novel, the purpose of this design can achieve pit, surmounting obstacles. Through in the robot arm with other function modules to realize different use function, the significance of this study is to provide a power output for robot platform, provides the basis for the development of all sorts of function of robot platform. This design is the choice of mobile solutions adopted crawler drive structure. Structure of the overall use of modular design, in order to follow-up maintenance, removal can be adapted to various complicated road, and can turn on either side of the rocker arm before and after active control to regulate the robot's motion, so as to achieve auxiliary pit, surmounting obstacles. After reasonable design robots will have good environmental adaptability, mobility and can absorb a certain amount of drop impact, this design of the mobile mechanism is mainly composed of four parts: the driving wheel deceleration institutions, wing rotating mechanism, adaptive pavement actuators, track and track wheel motion mechanism. Keywords: tracked robot; tracked mobile mechanism;the modular design 目 錄 摘 要 2 1 引言 5 2 履帶機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展 6 3 履帶機器人的運動特性 9 4 本研究采用的行走機構(gòu) 12 4.1 行走機構(gòu)的選擇 12 4.2 履帶機器人的功能、性能指標與設(shè)計 13 4.3 主要機構(gòu)的工作原理 14 5 機器人越障分析 15 5.1 跨越臺階 15 5.2 跨越溝槽 16 5.3 斜坡運動分析 17 6 機器人移動平臺主履帶電機的選擇 19 6.1 機器人在平直的路上行駛 19 6.2 機器人在30°坡上勻速行駛 20 6.3 機器人的多姿態(tài)越階 21 7 移動機構(gòu)的分析及其選擇 23 7.1 典型移動機構(gòu)分析 23 7.2 本研究采用的移動機構(gòu) 27 8 履帶部分設(shè)計 28 8.1 履帶的選擇 28 8.2 確定主從動輪直徑 31 8.5 功率驗算 38 8.6 同步帶的物理機械性能 38 8.7 履帶主從動輪設(shè)計 39 8.8 副履帶部分設(shè)計 42 9履帶翼板部分設(shè)計 47 9.1 履帶翼板的作用 47 9.2 履帶翼板設(shè)計 47 10 計算履帶裝置的重心及其各部件重心 49 10.1 主履帶的重心計算 49 10.2 副履帶的重心計算 54 10.3 主履帶及其搖臂也就是副履帶總部分的重心計算 55 總 結(jié) 56 致 謝 57 參考文獻 57 1 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)。 履帶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。民用履帶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。 2 履帶機器人的現(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。尤其是履帶式機器人，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。 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(yīng)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(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)的一些履帶式可變形機器人： （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(yīng)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。 4 江西農(nóng)業(yè)大學學士學位論文,履帶式機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計,設(shè)計：游毫專業(yè)：農(nóng)業(yè)機械化及其制動化指導老師：肖麗萍副教授,履帶機器人的基本介紹,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?，F(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。,目錄,1.履帶機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.履帶機器人的運作原理3.結(jié)論,1.履帶機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)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,履帶機器人主要性能設(shè)計參數(shù)如表格：,履帶機器人的車體尺寸如下圖：,2.履帶機器人的運作原理,減速傳動機構(gòu)電動機通過減速器的降速，以實現(xiàn)增大轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)調(diào)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(zhuǎn)矩，為機器人提供主要動力。,行星輪減速器,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，即增大由傳動軸或直接從變速器傳來的轉(zhuǎn)矩，并將轉(zhuǎn)矩合理的分配給左右驅(qū)動車輪。,后軸驅(qū)動機構(gòu),雙電機差速轉(zhuǎn)向機構(gòu),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。,履帶驅(qū)動機構(gòu)其動力部分采用電機，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，從而使履帶驅(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。,履帶驅(qū)動機構(gòu),機器人跨越臺階：,機器人跨越溝槽：,結(jié)論,本次設(shè)計過程牽涉到所學知識的方方面面，通過自己的設(shè)計思路，一方面對以前所學的知識進行了溫故，其次也為日后從事工程實踐工作奠定了一定的基礎(chǔ)。設(shè)計中，我對履帶機器人的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、性能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、電動機等也進行了必要的闡析。而一個設(shè)計的好壞與否，在很大程度上取決于這個設(shè)計方案選取是否得當、相關(guān)參數(shù)的計算是否準確等等，諸如這些在本次的設(shè)計過程中都得到了具體的體現(xiàn)。另外，為確保設(shè)計出的履帶機器人能達到越障過坑等功能，我們勢必還要對履帶機器人的相關(guān)部件進行一些必要的校核，以最終確定此設(shè)計是否可以完成這些功能。通過對履帶機器人的相關(guān)性能要求的驗算，得出設(shè)計的結(jié)果基本上能夠符合設(shè)計要求這一結(jié)果。,THEEND,,謝謝觀賞,本片仍存在很多不足之處請老師指正, 江 西 農(nóng) 業(yè) 大 學 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）完成情況登記表 姓 名 游毫 性 別 男 學 號 20100980 學 院 工學院 專 業(yè) 農(nóng)業(yè)機械化及其自動化 班 級 農(nóng)機1001 論文（設(shè)計）題目 履帶式機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 論文（設(shè)計）完成提交時間 論文（設(shè)計）取得主要成果及學生的誠信承諾 論文（設(shè)計）是在指導老師指導下，由本人獨立撰寫完成，除文中已標注的引用外，本論文（設(shè)計）不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。本人完全了解本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。 學生（簽名）： 時 間： 教師指導過程情況記錄 （選題、試驗、調(diào)研、資料收集及論文撰寫等過程） 選題符合要求，認真指導，定期檢查工作進度，多次細致修改學生撰寫的論文（設(shè)計）、圖紙等。重點培養(yǎng)學生正確的思維方法、工作方法和科學態(tài)度。 指導教師（簽名）： 時 間： 指導教師對論文（設(shè)計）的審查意見 論文格式規(guī)范，邏輯結(jié)構(gòu)合理，內(nèi)容正確，工作態(tài)度端正，無嚴重抄襲或剽竊現(xiàn)象。達到本科畢業(yè)論文（設(shè)計）要求，同意參加論文（設(shè)計）答辯。 指導教師（簽名）： 時 間： 注：本表作為教學檔案，隨論文由各學院負責保存。 履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY 本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計） 題目： 履帶式機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 學 院： 工學院 姓 名： 游毫 學 號： 20100980 專 業(yè)： 農(nóng)業(yè)機械化及其自動化 年 級： 農(nóng)機1001 指導教師：肖麗萍 職 稱：副教授 2014年 5 月 摘 要 在微小型履帶機器人方面美國走在了世界的前列，代表機器人有Packbot機器人，Talon機器人，NUGV等。 我國微小型機器人的研究和開發(fā)晚于西方的一些發(fā)達國家，我國是從20世紀80年代開始機器人領(lǐng)域的研究的。其中具有代表性的有中國科學院研制的復合移動機器人“靈晰-B”型排爆機器人，“龍衛(wèi)士Dragon Guard X3B 反恐機器人”，“JW-901 排爆機器人”等。 此設(shè)計的目的設(shè)計結(jié)構(gòu)新穎，能實現(xiàn)過坑、越障等動作。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，本研究的意義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(chǔ)平臺。 此設(shè)計移動方案的選擇是采用了履帶式驅(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(yīng)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(yīng)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(yīng)路面執(zhí)行機構(gòu)、履帶及履帶輪運動機構(gòu)。 關(guān)鍵詞：履帶機器人;履帶移動機構(gòu);模塊化設(shè)計 Abstract In terms of micro small crawler robots walk in the forefront of the world in the United States, on behalf of the robot has disposal robot, Talon robot, NUGV, etc. Miniature robot research and development in our country later than some developed western countries, our country from the 1980 s began to research in the field of robot. One of the typical composite mobile robot developed by the Chinese academy of sciences \"norm of spirit - B\" type eod robots, \"Dragon Guard Dragon Guard X3B anti-terrorism robot\", \"JW - 901 eod robot\", etc. The design is novel, the purpose of this design can achieve pit, surmounting obstacles. Through in the robot arm with other function modules to realize different use function, the significance of this study is to provide a power output for robot platform, provides the basis for the development of all sorts of function of robot platform. This design is the choice of mobile solutions adopted crawler drive structure. Structure of the overall use of modular design, in order to follow-up maintenance, removal can be adapted to various complicated road, and can turn on either side of the rocker arm before and after active control to regulate the robot's motion, so as to achieve auxiliary pit, surmounting obstacles. After reasonable design robots will have good environmental adaptability, mobility and can absorb a certain amount of drop impact, this design of the mobile mechanism is mainly composed of four parts: the driving wheel deceleration institutions, wing rotating mechanism, adaptive pavement actuators, track and track wheel motion mechanism. Keywords: tracked robot; tracked mobile mechanism;the modular design 目 錄 摘 要 2 1 引言 5 2 履帶機器人的現(xiàn)狀及發(fā)展 6 3 履帶機器人的運動特性 9 4 本研究采用的行走機構(gòu) 12 4.1 行走機構(gòu)的選擇 12 4.2 履帶機器人的功能、性能指標與設(shè)計 13 4.3 主要機構(gòu)的工作原理 14 5 機器人越障分析 15 5.1 跨越臺階 15 5.2 跨越溝槽 16 5.3 斜坡運動分析 17 6 機器人移動平臺主履帶電機的選擇 19 6.1 機器人在平直的路上行駛 19 6.2 機器人在30°坡上勻速行駛 20 6.3 機器人的多姿態(tài)越階 21 7 移動機構(gòu)的分析及其選擇 23 7.1 典型移動機構(gòu)分析 23 7.2 本研究采用的移動機構(gòu) 27 8 履帶部分設(shè)計 28 8.1 履帶的選擇 28 8.2 確定主從動輪直徑 31 8.5 功率驗算 38 8.6 同步帶的物理機械性能 38 8.7 履帶主從動輪設(shè)計 39 8.8 副履帶部分設(shè)計 42 9履帶翼板部分設(shè)計 47 9.1 履帶翼板的作用 47 9.2 履帶翼板設(shè)計 47 10 計算履帶裝置的重心及其各部件重心 49 10.1 主履帶的重心計算 49 10.2 副履帶的重心計算 54 10.3 主履帶及其搖臂也就是副履帶總部分的重心計算 55 總 結(jié) 56 致 謝 57 參考文獻 57 1 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)。 履帶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。民用履帶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。 2 履帶機器人的現(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。尤其是履帶式機器人，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。 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(yīng)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(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)的一些履帶式可變形機器人： （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(yīng)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 （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)外六履帶擺臂式搜救機器人的分析，可以看出六履帶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。 3 履帶機器人的運動特性 （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)的履帶同向等速運動時，則表現(xiàn)為直線行走，當兩側(cè)履帶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）為四擺臂履帶單元同時著地，使機器人與地面的接觸面積增大，可以使機器人適應(yīng)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。 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。履帶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。當主履帶爬到障礙物上面時，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，履帶始終向前爬行。 圖3-2救災(zāi)機器人越障過程 4 本研究采用的行走機構(gòu) 4.1 行走機構(gòu)的選擇 本文履帶機器人移動系統(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。機器人的車體的履帶作為履帶式移動機構(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)。 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4-1 履帶式機器人結(jié)構(gòu)組成 4.2 履帶機器人的功能、性能指標與設(shè)計 履帶機器人的主要設(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 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4-2： 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。 5 機器人越障分析 5.1 跨越臺階 當機器人在爬越臺階時，機器人履帶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） 變換式（5-1）可得： （5-2） （5-3） 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。 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，后臂履帶抬起，成直立，在機器人跨越的高度又要高出H。 所以本次設(shè)計履帶設(shè)計中機器人跨越障礙的最大高度為 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履帶輪中心距的溝槽，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，履帶式機器人可以看做爬越凸臺障礙。履帶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履帶與地接觸長度變大，為了計算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應(yīng)處于展開狀態(tài)。機器人前臂和后臂的長度相等。 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： （6-4） 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： （6-5） 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： （6-6） 當時，機器人能平穩(wěn)行駛。 當時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。 已知履帶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） 爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為： （6-8） 通過上述分析，可以根據(jù)機器人履帶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；垂直越障高度最大為600mm：最大跨溝寬度為400mm。 6 機器人移動平臺主履帶電機的選擇 對于履帶和地面的動摩擦因數(shù)，實際上只是表示起動時車輪所處的滑動狀態(tài)對應(yīng)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。 6.1 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(shè)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6-1 平直路線分析 又 則 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 6.2 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 又，則 則在最大坡度下需提供極限轉(zhuǎn)矩為 6.3 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)動主履帶，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(yīng)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， , 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(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，滿足主履帶頻繁受沖擊，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 92 額定轉(zhuǎn)矩 0.6 額定轉(zhuǎn)速 1500 電流 7 電壓 12 允許正反轉(zhuǎn)速差 150 圖7-3 直流電機數(shù)據(jù) 因為 則 因為, 則 又 則選取 7 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?？梢妭鲃酉到y(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、履帶式、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。與履帶式移動機器人相比，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(yīng)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。 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(yīng)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(yīng)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。 圖7-2八腿機器人 圖7-3六履機器人 7.1.3 履帶式移動機構(gòu)特點 履帶式移動機構(gòu)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，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。履帶式移動機構(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)履帶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。 六履帶機器人車體前后各有一對履帶鰭，可以輔助翻越障礙，運動十分靈活。 7.1.4 履、腿式移動機構(gòu)特點 履腿復合移動機構(gòu)結(jié)合了履帶式和腿式兩種移動機構(gòu)的優(yōu)勢，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面，它的活動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動機構(gòu)無法與其比擬，適合作為機器人的推進系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動機構(gòu)往往是兩條履帶與車身相對固定，很大程度上限制了機器人地形適應(yīng)能力，為了解決該問題履式移動系統(tǒng)中引入了關(guān)節(jié)履帶機構(gòu)，兩條履帶不再相對車體固定而是能繞車身轉(zhuǎn)動，這樣能大大提高機器人的環(huán)境適應(yīng)能力，但履、腿復合機構(gòu)本身存在著一定的不足如結(jié)構(gòu)復雜、運動控制困難等。 7.1.5 輪、履、腿式移動機構(gòu)性能比較 車輪式，履帶式、腿足式移動系統(tǒng)性能比較見表7-1示： 表7-1典型移動機構(gòu)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 7.2 本研究采用的移動機構(gòu) 本研究的的機器人移動機構(gòu)采用了履帶式。如圖7-4所示，這種機構(gòu)中的移動履帶的作用，在復雜環(huán)境中起傳遞動力作用。后移動輪為主動輪，前移動輪為從動輪，二者通過移動履帶來傳遞動力，實現(xiàn)同運動。 圖7-4輪履復合式移動機構(gòu) 8 履帶部分設(shè)計 8.1 履帶的選擇 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）； 由已知設(shè)計裝置移動速度，根據(jù)公式，可得主動輪轉(zhuǎn)速，預先設(shè)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(shè)計的已知條件如下： 傳遞名義功率. 主動輪轉(zhuǎn)速r/min 從動輪轉(zhuǎn)速 中心距. 8.1.1 功率的計算 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 工作機 運行時間（小時/日） 3~5 8~10 16~24 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 8.1.2 確定帶的型號和節(jié)距 由設(shè)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，由圖8-1查得型號選用XH型，對應(yīng)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，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 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 8.2 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(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 表8-3小帶輪的最小齒數(shù) 小帶輪轉(zhuǎn)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(yīng)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，履帶從動輪直徑=169.79mm。 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(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 表8-5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 8.3 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)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 由=169.79mm，=169.79mm.代入上式有 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。 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=400mm，=169.79mm，=169.79mm有 1350.79mm， 根據(jù)表8-6就近圓整=1422.40mm型號為560XH，同步帶齒數(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 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 8.4 確定設(shè)計功率為時所需的帶寬 8.4.1 計算同步帶的基準額定功率 kw 式中許用工作拉力，查表8-4得=4048.90N 單位長度質(zhì)量，查表8-7得=1.484Kg/m 線速度m/s 表8-7七種同步帶型號的主要參數(shù) 帶型號 節(jié)距 基準寬 拉力 質(zhì)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 8.4.2 計算主動輪嚙合齒數(shù) 小帶輪的嚙合齒數(shù)為 8.4.3 確定實際所需帶寬 其中為嚙合系數(shù)由表8-8查的 =1 表8-8嚙合齒數(shù)系數(shù) 5 4 1 0.8 0.6 式中帶所傳遞的功率=2.024kw 本履帶選用為XH帶，可以由表8-9查的基準帶寬 如下 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 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(zhì)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，表8-10查的 將其取為標準值 8-10周節(jié)制梯形同步帶的寬度與高度 型號 公稱高度 標準寬度 mm in mm in 代號 H 4.3 0.17 50.8 2 200 76.2 3 300 XH 11.2 0.44 76.2 3 300 101.6 4 400 XXH 15.7 0.62 101.6 4 400 127 5 500 XXL 1.52 __ 4.8 -- 4.8 6.4 -- 6.4 8.5 功率驗算 ,額定功率大于設(shè)計功率，則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 8.6 同步帶的物理機械性能 本履帶式機器人選用XH帶，其物理機械如下 表8-11同步帶的物理機械性能 項目 梯形齒 XH L H XH XXH 拉伸強度 80 120 270 380 450 參考力 伸長率 參考力N 60 90 220 300 360 伸長 40 硬度 755 包布粘合強度 5 6.5 8 10 12 芯繩粘合強度 200 380 600 800 1500 齒體剪切強度 50 60 70 75 90 8.7 履帶主從動輪設(shè)計 8.7.1 履帶輪材料選擇 為了減輕履帶驅(qū)動裝置的重量，我們選擇硬鋁合金作為履帶主、從動輪的材料，硬鋁合金具有密度小，質(zhì)量低，強度高，硬度高，耐熱性好的優(yōu)點，能夠滿足設(shè)計性能要求。 8.7.2 履帶輪形狀及主要尺寸的確定 履帶和帶輪的嚙合方式見圖8-3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8-3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(shè)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(qū)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(shè)計中將其組合。 8.7.3 履帶輪齒形及齒面寬度的選擇 根據(jù)圖8-4可以查得XH型梯形雙面齒同步帶輪齒形尺寸如下 圖8-4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8-12可以查出以上數(shù)據(jù)。 表8-12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表8-13可得到梯形雙面齒同步帶輪齒面寬度=83.8。 表8-13同步帶輪齒面寬度尺寸參考表 型號 同步帶寬度 齒輪面寬度 代號 帶寬 雙面檔邊帶輪 單面檔邊帶輪 無檔邊帶輪 XH 200 50.8 56.6 62.2 59.6 300 76.2 83.8 89.8 86.9 400 101.6 110.7 116.7 113.7 8.7.4 履帶輪所允許的公差 兩輪所允許的公差如表8-14所示 表8-14允許公差表 項目 小輪 大輪 外徑偏差 +0.15 0 +0.15 0 任意兩相鄰點 節(jié)距 偏差 90度弧內(nèi)的累積 0.03 0.15 0.03 0.15 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(cè)表面粗糙度 3.2 3.2 8.8 副履帶部分設(shè)計 因為同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，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，因此可在不允許有污染和工作環(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看出其性能的優(yōu)越性，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(shè)計性能及工作的環(huán)境條件要求。副履帶的設(shè)計是依照主履帶的設(shè)計進行的，具有異曲同工之妙。 而副履帶相對了主履帶來說，它是輔助作用，幫助移動平臺具有更出色的越野性能，更擅長于攀爬和越溝。自然它的環(huán)境不如主履帶惡劣，并且所承受的載荷也比較輕一些，所以我給予選擇H帶。其設(shè)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(yīng)與主履帶的從動輪的相當，則參照表8-15選擇副履帶主動輪直徑。 根據(jù)任務(wù)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) 表8-15標準同步帶的直徑 8.8.1 計算副履帶的帶寬 根據(jù)前面的表8-7查得到： H帶 選擇標準帶由表8-9差查得 H帶 8.8.2 計算H帶的基準額定功率 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(shè)計功率為 8.8.3 中心距的選擇 則確定中心距 8.8.4 計算副履帶節(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 8-16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 -- -- 9履帶翼板部分設(shè)計 9.1 履帶翼板的作用 履帶翼板是整個履帶驅(qū)動裝置中的基礎(chǔ)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(yīng)滿足質(zhì)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。 9.2 履帶翼板設(shè)計 翼板的主要尺寸見圖9-1所示，履帶主動輪，從動輪，張緊輪和調(diào)節(jié)輪在翼板上的位置見圖9-1上部的一個圓孔和下部的兩個圓孔所示，張緊輪翼板設(shè)計厚度為18mm。 圖9-1翼板主要尺寸 10 計算履帶裝置的重心及其各部件重心 10.1 主履帶的重心計算 10.1.1 翼板質(zhì)量 由圖9-1翼板主要尺寸，翼板的設(shè)計厚度為18mm，可參考圖10-1翼板三維效果圖，可以求出翼板的體積，翼板材料為硬質(zhì)合金，密度為2.7 求翼板體積 由于翼板外形較為復雜，直接求其體積較為復雜，可用ProE建立翼板模型見圖10-2，用其質(zhì)量特性測得翼板的體積。 圖 10-1翼板的三維效果圖 圖10-2 求解翼板體積 10.1.2 履帶從動輪質(zhì)量 由前面選擇的履帶從動輪型號為24XH，徑圓直徑=169.8mm，則=84.9mm，從動輪通過圓柱滾子軸承與翼板連接，選擇圓柱滾子軸承外徑D=90mm，輪寬履帶從動輪材料選擇硬質(zhì)合金，其密度2.7。 10.1.3 張緊輪，調(diào)節(jié)輪質(zhì)量 由于梯形雙面齒同步帶在工作一定時間后會發(fā)生松弛，為了防止同步帶輪因同步帶松弛而發(fā)生打滑現(xiàn)象，可以通過調(diào)節(jié)張緊輪的高度使履帶繼續(xù)保持張緊。 當履帶驅(qū)動裝置工作時，由于梯形雙面齒同步帶具有彈性，履帶轉(zhuǎn)動與路面接觸難以形成有效的摩擦力，在履帶主動輪和履帶從動輪之間增加兩個調(diào)節(jié)輪，可以有效地增加履帶與路面的接觸面積，從而增大履帶的摩擦力，提高履帶驅(qū)動裝置工作效率。 設(shè)計張緊輪和調(diào)節(jié)輪，在滿足性能要求的前提下，為了減輕重量，張緊輪和調(diào)節(jié)輪的材料選用硬鋁合金。 10.1.4 求履帶驅(qū)動裝置重心 對于整個履帶驅(qū)動裝置，求解其重心比較復雜，通過分析可以看出履帶驅(qū)動裝置是由三個簡單形狀的部分組成的，故可以用重心分割法首先分別求出簡單形狀的重心，再通過公式算出履帶驅(qū)動裝置的重心位置。 根據(jù)圖10-1翼板的設(shè)計重心在其中心線，翼板材料均勻，故可以設(shè)其中心在其對稱中心線上。 張緊輪在翼板的中心面上，兩個調(diào)節(jié)輪相對于翼板中心面對稱，故在求這三個輪的重心時，可以把它們看成等邊三角形模型。 履帶從動輪為對稱輪，其重心必在其幾何中心上。 重心分割法原理：設(shè)物體由若干部分組成，其第部分的重為，重心為，則由公式，可得物體的重心為 （10-1） 如果物體是均質(zhì)的，由上式可得 （10-2） 式中為物體的體積。 對履帶驅(qū)動機構(gòu)建立直角坐標系如下圖10-3所示，坐標原點O與翼板對稱中心重合，翼板方向，從動輪中心軸線方，與，方向垂直，符合左手定則。 圖10-3重心坐標圖 （1）翼板質(zhì)量及重心位置： （2）履帶主動輪和從動輪質(zhì)量及重心位置： （3）張緊輪，調(diào)節(jié)輪質(zhì)量及重心位置： 由于把三個輪看成等腰三角形的模型，其重心位置在 中心線上。 張緊輪的質(zhì)量 拖輪的質(zhì)量 張緊輪和拖輪的重心的計算為 主履帶張緊輪和拖輪的重心位置 {0,0,-24.18}mm ( 4 )組成主履帶的重心計算 由以上的數(shù)據(jù)綜合計算主履帶重心坐標 對于z軸： 綜上所述可以得到主履帶重心坐標為 {0,0，-3.14} 10.2 副履帶的重心計算 10.2.1 主從動輪的重心坐標 根據(jù)副履帶的主動輪設(shè)計內(nèi)容計算主動輪的體積 主動輪的質(zhì)量 從動輪的體積計算 從動輪的質(zhì)量計算 副履帶主從動輪形成的整體的重心為 10.2.2 翼板2的重心坐標 對于翼板2的體積的計算如下 翼板2的質(zhì)量計算 10.2.3 副履帶的重心坐標 對于x軸 對于y軸 綜上所述副履帶的重心坐標為{82.68,237.84,0} 10.3 主履帶及其搖臂也就是副履帶總部分的重心計算 很顯然主履帶的重量為 副履帶的重量為 重心的坐標計算為 履帶及其搖臂部分重心坐標{21.397,61.552，-2.52}  總 結(jié) 在設(shè)計的過程中涉及到大學四年所學的知識，首先明確了自己的設(shè)計思路， 然后邊設(shè)計一點點撿回以前的知識，在學習的過程中再慢慢改善自己的設(shè)計思路。 設(shè)計中，我對履帶機器人的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、性能要求進行了比較 詳細的分析，針對履帶機器人中采用的履帶、減速器、電動機等也進行了必要的闡析。另外，為確保設(shè)計出的履帶機器人能達到越障過坑等功能，我們勢必還要對履帶機器人的相關(guān)部件進行一些必要的校核，以最終確定此設(shè)計是否可以完成這些功能。 通過對履帶機器人的相關(guān)性能要求的驗算，得出設(shè)計的結(jié)果基本上能夠符合設(shè)計要求這一結(jié)果。 致 謝 參考文獻 [1] 鄭文偉，吳克堅.機械原理（第七版）.北京：高等教育出版社.2011 [2] 濮良貴,紀名剛.機械設(shè)計（第八版）. 北京：高等教育出版社.2012 [3] 涂建平，徐雪紅，夏忠義．秸稈還田機刀片及刀片優(yōu)化排列的研究．農(nóng)機化研究，2003，(2)：102—104． [3] 王大康，盧頌峰.機械設(shè)計課程設(shè)計. 北京工業(yè)大學出版社.2000 [4] 吳宗澤.機械設(shè)計實用手冊.化學工業(yè)出版社.1999 [5] 李艷.多功能玉米秸稈還田機的研制.山東農(nóng)業(yè)大學碩士論文.2007 [6] 姬江濤，李慶軍，蔡葦．甩刀布置對莖桿切碎還田機振動得影響分析[J]．農(nóng)機化研究，2003，(2)：63—64． [7] 劉世祥.秸稈粉碎還田機的正確使用及操作要點.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)2012年第11期：53-54 [8] 陳小兵，陳巧敏.我國機械化秸稈還田技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．農(nóng)業(yè)機械，2000，(4)：14—15． [9] 張銀霞,曾憲陽. 秸稈粉碎滅茬還田機的試驗研究.河南農(nóng)業(yè)大學學報2002年6月第二期 [10]