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設(shè)計背景國內(nèi)外研究現(xiàn)狀本設(shè)計技術(shù)指標(biāo)畢業(yè)設(shè)計時間安排排爆機器人系統(tǒng)組成移動平臺設(shè)計武器平臺設(shè)計結(jié)論 小型排爆機器人設(shè)計背景 機器人的發(fā)明是二十世紀(jì)人類生活中最偉大大發(fā)明之一 縱觀人類科技史 一切的高新技術(shù)幾乎無一例外的首先應(yīng)用在戰(zhàn)場上 并且大多這樣的技術(shù)的設(shè)計 研發(fā)初衷就是軍事應(yīng)用 機器人也不例外 恐怖主義威脅著世界各地區(qū)人民的安全 已成為各國政府最為關(guān)注和頭疼的話題 除了恐怖分子安放的炸彈外 在世界上許多戰(zhàn)亂國家中 到處都散布著未爆炸的各種彈藥 并且人力排爆工作極其危險繁重 造成的傷亡事故頻發(fā) 近代及現(xiàn)代恐怖活動及地區(qū)戰(zhàn)爭已經(jīng)轉(zhuǎn)向為巷戰(zhàn) 爆炸物處理機器要求小型化 輕型化 多功能 所以小型排爆機器人將成為了不二選擇 排爆機器人國外研究現(xiàn)狀 加拿大MK3機器人 德國TEODOR 美國F6A機器人 排爆機器人國外研究現(xiàn)狀 英國 手推車 Wheelbarrow 超級手推車 Super Wheelbarrow 法國TSR 200排爆機器人 排爆機器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀 RAPTOR EOD中型排爆機器人 中國航天科工集團公司自主研制的雪豹 10 我國研制的 靈晰 B 及 靈晰 HW 爆炸物處理機器人 京金吾科技有限公司研制的機器人 排爆機器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀分析 國外研究現(xiàn)狀優(yōu)點 1 產(chǎn)品已經(jīng)形成了系列化 模塊化及多功能化 2 科研人力物力投入較充足 3 產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)較為先進 開展時間長 4 科研單位 院校與廠家合作緊密 國 本設(shè)計技術(shù)指標(biāo) 1 移動平臺 移動平臺自重 不大于50kg 移動平臺載重 不小于30kg 公路最高直行速度 3m s 斜坡最高直線速度 0 5m s 續(xù)航時間 3小時 爬坡能力 不小于30 平地越障高度 垂直高度不小于15cm 此外 移動平臺應(yīng)能實現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)的運動特性要求 并在實現(xiàn)上述功能的前提下減小車體結(jié)構(gòu)尺寸 車體寬度應(yīng)小于700mm 2 武器平臺 武器平臺的搭載武器架體運動應(yīng)能實現(xiàn)俯仰角度 5 10度 武器平臺主體水平方向左右偏轉(zhuǎn)180 3 控制方式 控制方式可以采用完全自主控制 半自主控制和遙控 采用遠(yuǎn)程 大于3km 無線控制 4 供電方式 整機供電方式采用高蓄能鋰離子電池供電 供電電壓和電流根據(jù)整機最大需求電壓和電流設(shè)置 并采用過載保護裝置 本設(shè)計工作方案及進度安排 本設(shè)計排爆機器人系統(tǒng)組成 排爆機器人移動平臺運動形式選擇 排爆機器人移動平臺面對的作業(yè)環(huán)境極其復(fù)雜 是由自然環(huán)境和人工環(huán)境構(gòu)成的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境 也就是復(fù)雜多樣的三維地形結(jié)構(gòu) 實際上最典型的情況就是斜坡 向上和向下的臺階 基本上絕大多數(shù)環(huán)境可以簡化為這三類地形的單一結(jié)構(gòu)或組合型結(jié)構(gòu) 機器人只要可以完成這三類環(huán)境運動 并形成運動簡化程序 通過一定順序完成各類復(fù)雜環(huán)境的通過運動 在現(xiàn)有主要運動形式中結(jié)構(gòu)主要有輪式 腿足式 履帶式這三種 排爆機器人移動平臺運動形式選擇 排爆機器人移動平臺運動形式選擇 在滿足技術(shù)要求的條件下 以盡量減小體積和質(zhì)量 并且結(jié)構(gòu)簡單可靠為目的 最終選擇了兼有變形和變位的特種履帶作為機器人的運動形式 其通過典型障礙過程見圖如下 排爆機器人移動平臺結(jié)構(gòu)簡圖 排爆機器人移動平臺主要尺寸確定 移動平臺總寬度 580mm 700mm 主履帶寬度 80mm 前擺履帶寬度 55mm 前擺完全擺出后移動平臺總長度 980mm 主履帶輪中心距 560mm 前擺履帶輪中心距 280mm 主履帶輪直徑 200mm 排爆機器人移動平臺電機及減速器選擇 在滿足技術(shù)要求的條件下 以盡量減小體積和質(zhì)量 并且結(jié)構(gòu)簡單可靠為目的 最終選擇了500瓦以內(nèi)高精密電機中的全球領(lǐng)頭供應(yīng)商Maxonmotor公司的電機及其配套減速器 其型號機器參數(shù)如下 排爆機器人移動平臺傳動齒輪選擇 在滿足技術(shù)要求的條件下 以盡量減小體積和質(zhì)量 并且結(jié)構(gòu)簡單可靠為目的 最終選擇了產(chǎn)品系列較全小型齒輪供應(yīng)商日本KHK公司產(chǎn)品 其型號機器參數(shù)如下 其產(chǎn)品優(yōu)點在與系列型號全 結(jié)構(gòu)合理 并且為用戶提供在加工設(shè)計和加工服務(wù) 在同類型中技術(shù)水平及市場份額都處于前列 排爆機器人移動平臺履帶設(shè)計 為了滿足機器人實際應(yīng)用 由其此類安防類機器人沒有可以直接選型的標(biāo)準(zhǔn)履帶供其選擇使用 通常采用自行設(shè)計履帶的方式 結(jié)構(gòu)尺寸結(jié)合整車尺寸來進行設(shè)計 本機器人履帶由芯金 加強層 緩沖層 橡膠部件組成 在鋼絲加強層外包覆一層 內(nèi) 有矩形橡膠傳動紋 類似于同步帶內(nèi)側(cè) 一層 外 防滑紋的橡膠履帶 并且內(nèi)層設(shè)有防雜物保護擋柵 主要用于阻擋較大雜物進入履帶內(nèi)側(cè)導(dǎo)致帶輪與履帶卡死或劇烈摩擦 損傷電機 履帶及相關(guān)機械結(jié)構(gòu)部分 外側(cè)采用單梯型花紋 所以本設(shè)計履帶需要專業(yè)廠家進行開模制作 排爆機器人移動平臺輪體設(shè)計 履帶車輛及移動平臺 按輪系組合分為無承重輪的大直徑負(fù)重輪式和有承重輪的小直徑負(fù)重輪式 主動輪 驅(qū)動輪及從動輪 輪觳上有矩形圓角齒 用于撥動履帶 將傳動裝置傳來的扭矩通過撥動履帶與地面的相互作用轉(zhuǎn)變?yōu)闋恳?使履帶車輛及移動平臺運動 主動輪此設(shè)計中采用后驅(qū)動 前從動方式 導(dǎo)向輪用來誘導(dǎo)履帶運動的方向 并且導(dǎo)向輪軸的高低可以決定履帶車輛及移動平臺翻越垂直障礙的高度 排爆機器人移動平臺運動形式選擇 承重輪設(shè)計有兩種主要形式 為單排和雙排設(shè)計 本設(shè)計采用雙排設(shè)計 這樣可以避免由于導(dǎo)向輪厚度小于履帶寬度造成的履帶寬度方向上受力不均與 應(yīng)力集中對履帶的磨損和破壞 也可以避免受力不均勻和應(yīng)力集中時的履帶卷曲 在雙排設(shè)計的同時采用雙排輪體交叉安裝 內(nèi)側(cè)為13個輪體 外側(cè)為12個輪體 這樣可以進一步使履帶運動過程中與地面接觸時兩承重輪體間無虛接觸現(xiàn)象 承重輪設(shè)計時還要考慮到兩端與主動輪輪緣間的間隙問題 履帶機構(gòu)設(shè)計現(xiàn)已十分成熟 對此間隙問題已形成了較為統(tǒng)一的結(jié)論 就是在保證運動靈活的同時 盡量減小其間隙大小 排爆機器人移動平臺前擺設(shè)計 排爆機器人移動平臺最終結(jié)構(gòu)設(shè)計 排爆機器人移動平臺完成內(nèi)容 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 履帶及其帶輪設(shè)計2 電機及其減速器和齒輪的選擇3 傳動軸的設(shè)計和校核4 前擺架的有限元分析5 平臺 水平及斜坡 運動分析6 平臺越野能力分析平臺制圖內(nèi)容 1 CAD制圖約為3張A0圖紙2 手繪圖紙1張A03 重要零部件及單側(cè)裝配三維建模 武器平臺結(jié)構(gòu)選擇 武器平臺最終結(jié)構(gòu)形式 采用與機械手臂相同的法蘭盤與移動平臺上的回轉(zhuǎn)平臺連接 實現(xiàn)正負(fù)回轉(zhuǎn)各180度 俯仰運動采用電動推桿帶動平臺小范圍精確俯仰 這樣可以在結(jié)構(gòu)最簡的情況下 保證平臺的穩(wěn)定性 武器平臺電動推桿的選擇 通過幾何繪圖的方式確定了電動推桿的沖程尺寸 30mm 并且通過簡化受力模型確定了電動推桿靜止鎖定力的范圍和所需推力 由于武器系統(tǒng)需要極高的射擊瞄準(zhǔn)精度 所以俯仰調(diào)節(jié)需要極高的精確度和分辨率 自行設(shè)計很難滿足要求 結(jié)合安裝尺寸范圍 最終選擇現(xiàn)有成熟HD公司產(chǎn)品 HD LinearActuator LA系列線性傳動裝置 其相關(guān)參數(shù)如下 武器平臺裝配至移動平臺示意圖 第一種安裝情況下 武器與武器平臺剛性聯(lián)接 圖中M為俯仰機構(gòu)所受動力偶 e為膛線到耳軸 俯仰機構(gòu)軸心線 的距離 水平射角為 俯仰機構(gòu)耳軸承受的載荷為FP和附加的動力偶Fe e 以發(fā)射最大膛壓進行計算 則在此最大膛壓作用下 耳軸受到約8100N的作用力 若槍膛線和兩側(cè)耳軸之間平均距離為50mm 則此時俯仰機構(gòu)承受最大約405Nm的動力偶的作用 對于控制俯仰動作的伺服電機及其傳動機構(gòu)來說 如果采用槍身剛性聯(lián)接 則需要俯仰機構(gòu)提供較大的制動力矩才能保證槍身穩(wěn)定不動 因此 必須減小e 因此此類安裝對于該類小型武器平臺的穩(wěn)定性挑戰(zhàn)性極大 不適合采用 第二種安裝情況下 武器與武器平臺柔性聯(lián)接 采用獨立設(shè)計的柔性緩沖器聯(lián)接兩部分 由于此時武器沿著其相反的射擊方向后坐 采用動靜運動法分析 通過對比兩種安裝情況 可以發(fā)現(xiàn)安裝柔性緩沖器可以明顯改善武器平臺的受力情況 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性 優(yōu)化結(jié)構(gòu) 大大減輕了對耳軸及電動推桿的沖擊載荷 所以后續(xù)設(shè)計中應(yīng)主要考慮此類安裝方式 武器平臺設(shè)計穩(wěn)定性分析 武器平臺系統(tǒng)組成 散彈 標(biāo)準(zhǔn)子彈彈殼及彈托回收箱 自動上彈裝置多配有彈托需要回收 武器視覺系統(tǒng)箱 光學(xué)鏡頭 2 攝像頭 2 輔助測距及定位 紅外及激光裝置 照明設(shè)備LED 設(shè)計重量約為2 3Kg 該箱體與武器搭載平臺一起俯仰運動 經(jīng)過隱藏尺寸標(biāo)注等非結(jié)構(gòu)圖層CAD局部放大圖 排爆機器人武器平臺完成內(nèi)容 平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 武器平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計2 電動推桿的選擇3 武器系統(tǒng)彈藥發(fā)射力學(xué)分析平臺制圖內(nèi)容 1 CAD制圖約為1 5張A0圖紙3 重要零部件及裝配三維建模 結(jié)論 本論文對具有排爆和持槍作戰(zhàn)功能的排爆機器人進行了本體設(shè)計 并對其移動平臺 武器平臺和機械手臂三個組成機械結(jié)構(gòu)進行了方案選擇 設(shè)計和論證 本論文完成的主要工作如下 1 通過對功能和設(shè)計任務(wù)的分析 初步制定了排爆機器人的總體組成和性能指標(biāo) 2 移動平臺作為排爆機器人實現(xiàn)復(fù)雜地形運動功能的載體 本設(shè)計中采用了后輪驅(qū)動的履帶式移動機構(gòu) 并采用可獨立控制的前擺變位履帶 具有較強的地形適應(yīng)能力 并且結(jié)構(gòu)較為簡單 本文對其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了設(shè)計 特別對其越障運動進行了分析 3 本設(shè)計中提出了可行的武器平臺結(jié)構(gòu)方案 在合理理想假設(shè)的基礎(chǔ)上 對武器平臺進行了受力分析 建立了機器人在設(shè)計作業(yè)環(huán)境中的穩(wěn)定性模型 并提出了提高射擊穩(wěn)定的方法 本設(shè)計還有相當(dāng)?shù)牟蛔阒?在進一步的研發(fā)設(shè)計過程中 許多內(nèi)容還有待于完善和改進 謝謝 排爆機器人技術(shù)參數(shù) 設(shè)計技術(shù)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：<=10mm 對象功能： 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　 　　代替排爆人員使用爆炸物銷毀器銷毀炸彈　 　　代替現(xiàn)場安檢人員實地勘察，實時傳輸現(xiàn)場圖像　 　　可配備散彈槍對犯罪分子進行攻擊　 　　可配備探測器材檢查危險場所及危險物品 參考文獻： [1] 富巍、劉美俊. 排爆機器人的研究與開發(fā)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社 [2]張建民主編， 排爆機器人，北京理工大學(xué)出版社， 1987 年 [3][俄]IO·M 索爾編，排爆機器人圖冊，機械工業(yè)出版社， 1991 年。 排爆機器人技術(shù)參數(shù) 設(shè)計技術(shù)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：<=10mm 對象功能： 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　 　　代替排爆人員使用爆炸物銷毀器銷毀炸彈　 　　代替現(xiàn)場安檢人員實地勘察，實時傳輸現(xiàn)場圖像　 　　可配備散彈槍對犯罪分子進行攻擊　 　　可配備探測器材檢查危險場所及危險物品 參考文獻： [1] 富巍、劉美俊. 排爆機器人的研究與開發(fā)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社 [2]張建民主編， 排爆機器人，北京理工大學(xué)出版社， 1987 年 [3][俄]IO·M 索爾編，排爆機器人圖冊，機械工業(yè)出版社， 1991 年。 2.3移動車體總體方案設(shè)計 根據(jù)行走機構(gòu)和越障機構(gòu)的方案設(shè)計，設(shè)計如圖2.1所示的形狀可變履帶移動車體的外形示意圖，該機器人的主體部分是兩條形狀可變的履帶，分別由兩個主電動機驅(qū)動。當(dāng)兩條履帶的速度相同時，機器人實現(xiàn)前進或后退移動；當(dāng)兩條履帶的速度不同時，機器人實現(xiàn)轉(zhuǎn)向運動。當(dāng)搖臂桿圍繞支撐桿上的軸旋轉(zhuǎn)時，帶動行星輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)履帶的不同構(gòu)形，以適應(yīng)不同的運動和作業(yè)環(huán)境。 圖2.1 形狀可變履帶移動車體外形示意圖 2.4履帶變形機構(gòu)方案設(shè)計及驗證 2.4.1變形機構(gòu)方案設(shè)計 圖2.2 變形履帶傳動機構(gòu)示意圖 圖2.2所示為變形履帶傳動機構(gòu)示意圖。驅(qū)動電動機通過蝸桿減速器減速，帶動驅(qū)動輪運動，通過履帶帶動導(dǎo)向輪和行星輪轉(zhuǎn)動，這樣機器人就可以向前或者向后移動。搖臂減速電機通過與電動機同軸的齒輪1與齒輪2嚙合，帶動搖臂桿轉(zhuǎn)動；另一方面齒輪2與齒輪3嚙合，帶動齒輪3和齒輪4所在的軸轉(zhuǎn)動，再通過齒輪4與齒輪5嚙合，從而使同步帶輪1轉(zhuǎn)動，通過同步帶帶動同步帶輪2轉(zhuǎn)動；同步帶輪2進一步使安裝行星輪的曲軸回轉(zhuǎn)。從而使履帶的形狀改變。 因為齒輪1、3和4，齒輪2和5的齒數(shù)分別相同，因此齒輪2和齒輪5的轉(zhuǎn)速一致，而方向相反。加上同步帶的傳動比為2:1，使得搖臂減速電機工作時，搖臂桿轉(zhuǎn)過的角度是曲軸的絕對轉(zhuǎn)角的2倍、方向相反，這樣使得行星輪的輪心運動軌跡恰好是一個橢圓。 2.4.2變形機構(gòu)方案驗證 圖2.3為行星輪輪心軌跡計算圖，由圖可以導(dǎo)出該行星輪輪心P（X,Y）點的運動軌跡滿足下式： （2.1） 顯然，式(2.1)是一個標(biāo)準(zhǔn)橢圓方程，這說明該行走機構(gòu)的履帶在任何形狀時都能保持松緊程度不發(fā)生變化，由此證明履帶變形機構(gòu)的方案是正確可行的。 因為變形機構(gòu)在變形的過程中履帶的長度是相等的，所以履帶在不同的姿態(tài)下都能保持相同的松緊程度，因此，本機構(gòu)中不需要再對機器人設(shè)計履帶張緊裝置。 圖2.3 行星履帶輪輪心軌跡計算圖 XXXXX 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文) 排爆機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計 系 名： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師姓名： 指導(dǎo)教師職稱： 年 月 目 錄 摘 要 III Abstract IV 第一章 緒論 1 1.1研究背景及意義 1 1.2國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 2 第二章 總體方案設(shè)計 4 2.1設(shè)計參數(shù)及功能要求 4 2.1.1設(shè)計技術(shù)參數(shù) 4 2.1.2功能要求 4 2.2方案選定 4 2.2.1結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 4 2.2.2性能指標(biāo)參數(shù)選定 5 2.3原理分析分析 6 2.3.1主要機構(gòu)工作原理 6 2.3.2運動特性分析 6 第三章 機器人運動分析及主電機的選擇 8 3.1運動分析 8 3.1.1跨越臺階 8 3.1.2 跨越溝槽 9 3.3.3 斜坡運動分析 10 3.2主電機的選擇 11 第四章 主要零部件的設(shè)計與選擇 14 4.1履帶（同步帶）部分設(shè)計 14 4.1.1同步帶的選擇 14 4.1.2確定主從動輪直徑 17 4.1.3確定節(jié)線長度 18 4.1.4確定最大功率時帶寬 19 4.1.5功率驗算 21 4.1.6同步帶的物理機械性能 21 4.1.7同步帶主從動輪設(shè)計 21 4.2副履帶（同步帶）部分設(shè)計 24 4.2.1計算同步帶的帶寬 25 4.2.2計算H帶的基準(zhǔn)額定功率 25 4.2.3中心距的選擇 26 4.2.4計算同步帶節(jié)線長度 26 4.3翼板部分設(shè)計 26 4.3.1翼板的作用 26 4.3.2翼板設(shè)計 27 4.4車體副履帶支架設(shè)計 27 總 結(jié) 28 參考文獻 29 致 謝 30 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(fù)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(fù)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)。 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 Abstract EOD 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 robot's 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 31 第一章 緒論 1.1研究背景及意義 機器人是二十世紀(jì)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(jì)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(jì)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(fù)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1．31。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(fù)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(fù)面影響面大，日益成為令當(dāng)今世界各國政府頭疼的問題。據(jù)美國官方統(tǒng)計，1968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碩十論文小型捧爆機器人總體設(shè)計的研究及的國家和地區(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(yīng)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(dāng)?shù)木嚯x?；谲娪脵C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(jì)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(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過了機械手。尤其是排爆機器人，不僅是生物體中沒見過的移動形態(tài)，而且能夠在復(fù)雜的環(huán)境下行進。 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(dǎo)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，對于排爆移動機器人，可以是兩排爆、四排爆、六排爆等。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(dǎo)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(xué)與動力學(xué)建模、導(dǎo)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(zhǔn)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)外排爆機器人的分析，可以看出排爆機器人今后的發(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。 第二章 總體方案設(shè)計 2.1設(shè)計參數(shù)及功能要求 2.1.1設(shè)計技術(shù)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：<=10mm 2.1.2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(fù)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2-1 排爆機器人結(jié)構(gòu)組成 2.2.2性能指標(biāo)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 運動速度 5km/h 最大通過坡度 30° 通過能力 能通過復(fù)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 機器人車體總體尺寸如圖2-2： 圖2-2 機器人車體結(jié)構(gòu)尺寸 2.3原理分析分析 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(dǎo)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(dāng)兩側(cè)的履帶同向等速運動時，則表現(xiàn)為直線行走，當(dāng)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2-3（a）、圖2-3（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2-3（a） 圖2-3（b） 圖2-3（c）、圖2-3（d）、圖2-3（e）中當(dāng)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(dāng)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2-4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(dāng)擺到與地面垂直時后擺臂停止擺動。當(dāng)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2-4 救災(zāi)機器人越障過程 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(dāng)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(dāng)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3-1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： ( 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3-2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履帶輪中心距的溝槽，因機器人重心在機器人車體內(nèi)，當(dāng)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(dāng)溝槽大于中心距時，排爆機器人可以看做爬越凸臺障礙。排爆移動機器人跨越溝槽時，當(dāng)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： （6-4） 3.3.3 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： （6-5） 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： （6-6） 當(dāng)時，機器人能平穩(wěn)行駛。 當(dāng)時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。 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） 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。 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。 3.2主電機的選擇 （1）機器人在平直的路上行駛 排爆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 排爆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3-5 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 （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3-6 30°坡度分析 又，則 則在最大坡度下需提供極限轉(zhuǎn)矩為 （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)計算的排爆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，其參數(shù)如下： 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 因為 則 因為, 則 又 則選取 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 4.1.1同步帶的選擇 對于履帶基于標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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(yù)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. （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 （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(biāo)準(zhǔn)同步帶型號以及齒尺寸 4.1.2確定主從動輪直徑 對于梯形標(biāo)準(zhǔn)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 4.1.3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 由于排爆機器人工作的環(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 4.1.4確定最大功率時帶寬 （1）計算同步帶的基準(zhǔn)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(zhǔn)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 （2）計算主動輪嚙合齒數(shù) 小帶輪的嚙合齒數(shù)為 （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(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)帶寬，表8-10查的 將其取為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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 4.1.5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 4.1.6同步帶的物理機械性能 本排爆機器人選用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 4.1.7同步帶主從動輪設(shè)計 （1）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。 （2）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。 （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 （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 4.2副履帶（同步帶）部分設(shè)計 因為同步帶傳動具有準(zhǔn)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(dāng)，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(biāo)準(zhǔn)同步帶的直徑 4.2.1計算同步帶的帶寬 根據(jù)前面的表8-7查得到： H帶 選擇標(biāo)準(zhǔn)帶由表8-9差查得 H帶 4.2.2計算H帶的基準(zhǔn)額定功率 計算所選用型號同步帶的基準(zhǔn)額定功率 其中 得出 而由 反推得到設(shè)計功率為 4.2.3中心距的選擇 則確定中心距 4.2.4計算同步帶節(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 -- -- 4.3翼板部分設(shè)計 4.3.1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。 4.3.2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 4.4車體副履帶支架設(shè)計 車體副履帶支架如下圖示： 總 結(jié) 排爆機器人是一種極具研究價值和應(yīng)用前景的軍用地面移動機器人，在未來的戰(zhàn)場上將扮演越來越重要的角色，本論文對具有排爆功能的化排爆機器入進行了總體技術(shù)的研究，并主要對其車體結(jié)構(gòu)部分進行了詳細(xì)的設(shè)計和論證，本論文完成的主要工作如下： （1）通過功能和設(shè)計任務(wù)的分析，確立了排爆機器人總體功能構(gòu)架，初步制定了小型排爆機器人的總體組成和性能指標(biāo)。 （2）在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，移動平臺是小型排爆機器人實現(xiàn)復(fù)雜地形運動的功能載體，本文采用了后輪驅(qū)動的履帶式移動機構(gòu)，并具有可獨立控制的前擺，具有較強的地形適應(yīng)能力。本文對其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了設(shè)計，特別對其越障運動進行了分析。 設(shè)計中，我對排爆機器人的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、性能要求進行了比較詳細(xì)的分析，針對排爆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)計出的排爆機器人能達到越障過坑等功能，我們勢必還要對排爆機器人的相關(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。 對于本文研究的小型排爆機器人，是一個復(fù)雜的機器人系統(tǒng)，在總體設(shè)計中，由于能力和精力有限，研究內(nèi)容還是很初步的，由于本人水平和能力有限，文中難免存在有疏漏和不妥之處，敬請老師給予批評和指正。 參考文獻 [1] 蔡自興，劉健勤.面向21 世紀(jì)的智能機器人技術(shù)機器人技術(shù)與應(yīng)用.1998(6) [2] 李貽斌，現(xiàn)代科技革命與機器人的發(fā)展，山東交通學(xué)院學(xué)報.200210 [3] 白民，劉遠(yuǎn)江,從2004 中國國際機器人展覽看中國機器人產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和未來機器人技術(shù)與應(yīng)用.2005 [4] 仲崇慧，賈喜花.國外地面無人作戰(zhàn)機器人發(fā)展概況綜述.機器人技術(shù)與應(yīng)用 [5] 章小兵，宋愛國.地面移動機器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢.機器人技術(shù)與應(yīng)用 [6] 閏清東，魏王勇，馬越.小型無人地面武器機動機器人與發(fā)展趨勢.機器人2004.26(4) [7] 李克杰，危險作業(yè)機器人發(fā)展戰(zhàn)略研究，機器人技術(shù)與應(yīng)用.2003(5) [8] 羅軍，謝少榮，翟宇毅，王琦等.特種機器人.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006 [9] 喬中蓮，漲治民.坦克履帶的應(yīng)用及其發(fā)展.裝備與技術(shù).2005(6) [10] Research on the Research and Development Conditions of Military Robots Abroad 致 謝 在本文即將結(jié)束之際，請允許我對在這四年的大學(xué)生活學(xué)習(xí)中給予我支持和鼓勵的各位老師和同學(xué)致以深深的感謝。 首先，我要感謝我的指導(dǎo)老師，感謝他在我的研究和學(xué)習(xí)過程中給予我的指導(dǎo)和幫助。老師深厚的理論素養(yǎng)，淵博的學(xué)識和誨人不倦的精神使我受益非淺，更重要的是，老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)范和對學(xué)術(shù)問題的概括與抽象能力在潛移默化中影響著我，教育著我。在大學(xué)生活中，老師對我的言傳身教以及給予我許多無私的關(guān)心和幫助，所有這些不僅是我得以順利地完成本文，而且更是使我終身受益。我還要感謝系里的各位老師，他們?yōu)槲业漠厴I(yè)設(shè)計提出諸多良好的建議以及努力方向，使我得以較快地完成設(shè)計。 其次，我還要特別感謝我的母校，為我提供了一個先進的學(xué)習(xí)、工作環(huán)境，能讓我順利完成自學(xué)考試的各個課程。 最后，請讓我將這篇學(xué)士學(xué)位論文獻給我的父母親，感謝他們的養(yǎng)育之恩，感謝他們使我成為一個對社會有用的人，他們的關(guān)懷、支持和鼓勵是我所有信念的力量源泉。