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I XX 學院 畢業(yè)設(shè)計說明書 論文 樓宇火災生命探測機器人的設(shè)計 作 者 學 號 學院 系 專 業(yè) 題 目 2015 年 5 月 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 論 文 中 文 摘 要 II 樓宇火災生命探測機器人采用履帶式的行走機構(gòu)設(shè)計 履帶式以其靈活性等 優(yōu)勢成為一種有效的工具用于各種復雜場合 引起了世界各國的普遍關(guān)注 文中 分析了設(shè)計履帶機器人的必要性和可行性 介紹了國內(nèi)外履帶機器人的研究歷史 和發(fā)展概況 本文介紹了在國內(nèi)外機器人應(yīng)用 以及機器人在發(fā)展過程中 其產(chǎn)生的巨大 優(yōu)越性 進行了機器人的整體設(shè)計以及具體設(shè)計要求各自由度的設(shè)計 本文設(shè)計 的行走機構(gòu)采用履帶式的 部分采用關(guān)節(jié) 關(guān)節(jié)通過底座固定在履帶機器人的機 殼上面 關(guān)鍵字 履帶機器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié) III 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 論 文 外 文 摘 要 The complexity of the work of disaster rescue danger and emergency rescue work has brought great difficulties Rescue robot with its small size flexible virtues such as disaster rescue tool assisted and caused widespread concern in the world This paper analyzes the use of emergency rescue rescue robot s necessity and feasibility introduced the research history and development situation of domestic and foreign rescue robot This paper discusses the development history of the rescue robot application status at home and abroad and its great superiority the robot specific design requirements the design overall design and detailed design of each degree of freedom structure calculation the final design of the walking mechanism and the fuselage design Manipulator with four joints manipulator Keywords disaster rescue robot structure design mechanical structure four joint manipulator Keywords Structure design Robot arm Structure analysis IV 目 錄 第 1 章 緒論 6 1 1 履帶機器人研究意義 6 1 2 國內(nèi)外履帶機器人研究現(xiàn)狀 6 1 3 履帶機器人的分類 6 1 4 履帶機器人發(fā)展方向 7 1 4 1 群體機器人研究 7 1 4 2 全自主機器人研究 7 1 4 3 全自主機器人研究 7 1 4 4 任務(wù)多樣化及傳感檢測技術(shù) 7 1 5 主要內(nèi)容 7 第 2 章 總體方案設(shè)計 8 2 1 工程概述 8 2 2 工業(yè)總體設(shè)計方案論述 8 第 3 章 履帶機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 3 1 總體設(shè)計的思路 10 3 2 設(shè)計方案過程及特點 10 3 3 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和比較 10 3 3 1 行走機構(gòu)的設(shè)計 10 3 3 2 履帶行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 10 3 3 大小錐齒輪的設(shè)計和校核 16 3 4 軸 的設(shè)計和校核 18 3 5 鍵的校核 26 3 6 雙擺臂驅(qū)動系統(tǒng)的計算 26 3 7 雙擺臂減速電機的選取 27 3 8 雙擺臂減速器的選取 28 總結(jié)與展望 29 致 謝 30 參 考 文 獻 31 1 第 1 章 緒論 1 1 履帶機器人研究意義 履帶機器人多用于災難現(xiàn)場通常是復雜和危險因素 主要由以下應(yīng)用場合 1 幸存者的救援被困在這些通常在空間折疊形成完全的搜索空間 這是非常重要的 遺憾的是 這些空間和通道很窄 一般都是救援人員無法進入 2 災難機械結(jié)構(gòu)的建筑物的破壞 救援廢墟必須提防碎片落在任何時間 同時 當 救援行動也可以導致廢墟下的二次倒塌 幸存者本身和被困的碎片造成困難是救援人 員的心理負擔 影響巨大的危險 救援工作快速部署 3 發(fā)生大風等容易引起火災的危險 在某些領(lǐng)域 如核電站 化工廠等 沒有相應(yīng)的 保護和支持 即使好的專業(yè)救援人員是不容易的工作 和穿戴防護裝備和能力有限的 救援人員在感知環(huán)境 延緩救援程序 這些風險因素的災難帶來了巨大的障礙 往往使救援付出沉重的代價 統(tǒng)計表明 美 國應(yīng)急救援辦公室 關(guān)在狹小空間 救援幸存者平均需要花時間 可以提高履帶機器人救 援 避免或減少受害者的救援人員 1 2 國內(nèi)外履帶機器人研究現(xiàn)狀 1995 年 在技術(shù)發(fā)展歷史的履帶式機器人的的重要里程碑 地震在日本神戶和大阪 后發(fā)生在俄克拉荷馬聯(lián)邦大樓爆炸的前奏阿爾弗德機器人技術(shù)的研究 2001 年 9 月 11 日美國履帶機器人提供了一個寶貴的機會 履帶機器人救援中心的機器 人的援助 美國和其他單位參與救援行動 如圖 1 1 是荷魯斯 ils 福斯特 米勒 系統(tǒng) vgtv 系統(tǒng)和系統(tǒng)機器人救援行動中 這已經(jīng)很救命也暴露出許多問題 圖 1 1 履帶機器人圖片 履帶機器人在 9 月 11 日的事件 引起了人們的熱潮的履帶式機器人的成功應(yīng)用 近年來 發(fā)表了大量的研究成果 理論和實際應(yīng)用都取得了很大的進步 開發(fā)各種手 履帶式機器人的機械部 并在實踐中積累了豐富的經(jīng)驗 的機械主要有四個方面 1 運動控制技術(shù) 2 通信和控制技術(shù)的自主導航技術(shù) 3 感知檢測技術(shù) 1 3 履帶機器人的分類 運動系統(tǒng)的雙履帶式履帶 在不同場合履帶式可調(diào)整上升角度和方向 因此具有很 好的越野能力 圖 1 不能也可以完成轉(zhuǎn)彎等動作很狹窄范圍內(nèi) 這種形式的運動的 履帶式機器人的廣泛應(yīng)用其他形式的運動等缺點 2 圖 1 2 IROBOT 履帶機器人 1 4 履帶機器人發(fā)展方向 1 4 1 群體機器人研究 目前 履帶機器的救援行動 以擴大搜索范圍 提高了效率 和多機器人的合作 可以提高機器人之間的通信的可靠性和準確性 可以解決每一個全球定位系統(tǒng) 覆蓋 如障礙難處理在一個單一的機器人 機器人技術(shù)研究組是常見的機器人技術(shù) 許多研 究人類和其他動物 以研究群體聯(lián)合運動 1 4 2 全自主機器人研究 控制電纜和控制方式 在一個有限的無線環(huán)境復雜的救濟 理想的解決方案是實現(xiàn)自 主導航的路徑規(guī)劃 機器人的機器人機械自治的半自主機器人來完成機器人性能的研 究綜合人工智能 重點定位導航 路徑規(guī)劃 自動識別技術(shù)的映射問題 雖然尚未完 全實現(xiàn)的活動完全獨立 但是在以后將會產(chǎn)生突破使履帶式機器人獲得發(fā)展 1 4 3 全自主機器人研究 成型機 為研究履帶履帶式機器人 積累了大量的數(shù)據(jù)和詳細的定義 給出了人 機交互和人機交互來描述一組 2 收集生物和社會環(huán)境 一套生物 由 8 救援任務(wù) 組 成 重要的問題要多研究研究人機交互 專業(yè)的救援機器人做 專家的幫助下 如何 使用履帶 采用履帶式行走機器人專家提供的信息機的實現(xiàn) 如何確定 可以有效地 利用履帶機器人的 機器人的手如何執(zhí)行各種機械履帶救援任務(wù) 1 4 4 任務(wù)多樣化及傳感檢測技術(shù) 在第一階段 一 代理機器人開發(fā)的氣味和味道的探索 尋找幸存者在廢墟中 然后 該機構(gòu)采用時間探索機器人的發(fā)展 三年的發(fā)展 機器人處理的幸存者的安全 和醫(yī)院 共 15 年到 2010 年將創(chuàng)造一個機器人救援隊單一傳感器信息可以是非常有限 的 局部特征信息環(huán)境作為整體研究 可以提高系統(tǒng)的容錯能力 全面描述環(huán)境 提 高了測量精度和處理速度信息 降低成本機器人技術(shù)和信息融合技術(shù)相結(jié)合的機器人 履帶能顯著提高機器人智能化水平 以完成更復雜的任務(wù) 1 5 主要內(nèi)容 在本文中 主要研究內(nèi)容如下 第 1 章 緒論 主要介紹履帶機器人的相關(guān)知識和本課題研究的任務(wù)和要求 第 2 章 總體方案設(shè)計 介紹該履帶機器人各部分的相關(guān)知識和總體設(shè)計 第 3 章 各部分設(shè)計的介紹 第 4 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 第 2 章 總體方案設(shè)計 2 1 工程概述 是一項跨學科的綜合技術(shù) 它涉及機械 機制 機械設(shè)計 氣動 液壓技術(shù) 檢 測技術(shù)等領(lǐng)域的計算機技術(shù)和自動控制技術(shù) 人們會在分支得到了有效的解決組合問 題綜合工程稱為 系統(tǒng)工程 的設(shè)計為例 系統(tǒng)工程 應(yīng)作為一個系統(tǒng)的研究 開發(fā) 和應(yīng)用的綜合方法 設(shè)計和環(huán)境關(guān)系的外部系統(tǒng)從整體的有機聯(lián)系上的根據(jù)系統(tǒng)的不 同部分之間的內(nèi)部 從系統(tǒng)的功能 為復雜機械系統(tǒng) 包括多個子系統(tǒng)按一定規(guī)則的有機結(jié)合 是一 個不可分割的整體 如果失去了開放系統(tǒng) 根據(jù)一組特定的 因此 在設(shè)計一個復雜 的機器 機器系統(tǒng)的概念出發(fā) 本系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點 1 機械系統(tǒng)完整的完整性由多個子系統(tǒng)構(gòu)成不同性能應(yīng)具有特定功能的整體 2 作用的子系統(tǒng)之間的有機聯(lián)系 有機具有相關(guān)特性的系統(tǒng) 相互關(guān)聯(lián) 3 每個目標系統(tǒng)必須有明確的目標和系統(tǒng)的功能 結(jié)構(gòu) 功能目標和手段相結(jié) 合的系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)中的決策系統(tǒng) 4 系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)是在一定的環(huán)境下 必須能夠適應(yīng)不斷變化的外部環(huán)境 因此 當設(shè)計一個機器人 不僅要注意所有的組件構(gòu)成的系統(tǒng)設(shè)計部分 應(yīng)根據(jù) 系統(tǒng)工程的觀點 根據(jù)的功能要求 所有組件的子系統(tǒng) 以合理 產(chǎn)品性能優(yōu)良 用 于的工作需要 系統(tǒng)中復雜工業(yè)通常包括如下 操作機 它是主體 完成工作任務(wù)的 包括機座 手臂 手腕 效應(yīng)端和機構(gòu) 傳動系統(tǒng) 包括驅(qū)動電源 控制器 伺服驅(qū) 動系統(tǒng)的各種傳輸零點和傳動系統(tǒng)組成 該控制系統(tǒng)包括一個電子控制裝置的操作 存儲功能 計算機或其他控制裝置可編程版 人機接口設(shè)備 鍵盤 學習盒等 信 息處理裝置和各種傳感器 放大傳輸脫機 傳感器編程 輸入 輸出設(shè)備的通信接口 14 的 內(nèi)部和外部的傳感器和其他外圍設(shè)備 一般或特別 工業(yè)的特點是普遍的和靈活的調(diào)整 使工業(yè)可以有效地應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)的傳 輸實現(xiàn)裝配零件或材料或其他 op rations dans 柔性制造系統(tǒng)的基本處理裝置 例如 數(shù)控機床 鍛壓 焊接 裝配等生產(chǎn)設(shè)備 輔助生產(chǎn)設(shè)備 控制裝置和工業(yè)等 形成 了各種不同形式的技術(shù)手工業(yè)機械工業(yè)系統(tǒng)的其他生產(chǎn)部門 制造業(yè) 如建筑工程 礦山開采 生產(chǎn)和運輸也參考系統(tǒng) 2 2 工業(yè)總體設(shè)計方案論述 一 負荷的確定 目前 工業(yè)負載能力 最小五牛以下 直到九千牛 負荷大小的確定主要是考慮 力和力矩沿運動方向的每個在接口包括末端重量 速度和重量的條款和條件 加速關(guān) 節(jié)部分或勞動對象等慣性設(shè)計參數(shù)設(shè)計可以估計該設(shè)計在低負荷 二 驅(qū)動裝置 由于伺服電機具有良好的控制性能 控制速度 靈活性 可以實現(xiàn)精確的位置控制 沒有對環(huán)境的影響小 效率高 適用于要求嚴格的運動控制中小型及其他的特點 本 設(shè)計采用伺服電機驅(qū)動 3 驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 驅(qū)動裝置應(yīng)緊湊 重量輕 低慣量傳動鏈中考慮措施消除游戲來提高控制精度和的 運動位置的機制 常用驅(qū)動有齒輪和滾珠蝸桿傳動齒同步帶 鏈條和齒輪傳動 諧波 齒輪和皮帶等 特別緊湊 效率比準確可靠 壽命長等強大學學習 四 工作范圍 4 工作范圍是工業(yè)機器人的工作過程中 操作軌跡和運動范圍的確定 使用工作空 間的形狀和工作空間的大小選擇的范圍大小 長度變化的機器和自由度的數(shù)目和操作 每個關(guān)節(jié)臂和旋轉(zhuǎn)軸的每個關(guān)節(jié) 5 移動速度 每個操作的運動 以確定循環(huán)時間的機械臂 按照確定的時間安排的每一個動作 也可以移動速度的確定每一個動作 以米 秒或 秒 每個動作的時間分配應(yīng)考慮 的幾個因素 例如總長度的循環(huán)時間 順序依次在每個動作之間進行同樣的檢查程序 運動時間分布的每個表的比較 運動時間分布的過程中需要考慮的運動 還應(yīng)考慮慣 性和比賽的大小 驅(qū)動和控制方法等 并要求定位精度 5 第 3 章 履帶機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 1 總體設(shè)計的思路 總體設(shè)計可以分為二個階段 系統(tǒng)分析階段 1 根據(jù)系統(tǒng)目標明確 所能達到的程度 2 根據(jù)工作環(huán)境 分析機器人的應(yīng)用場合 3 根據(jù)所需功能確定編寫程序代碼 如機器人的自由度 根據(jù)存儲量 計算機信息和 運動精度要求 重量可以把握的 允許的運動范圍 與溫度和振動的適應(yīng)性和環(huán)境 其次 設(shè)計階段的技術(shù) 根據(jù)系統(tǒng)要求和自由度空間使形狀的選擇范圍 機器人的坐標 三 確定類型的驅(qū)動系統(tǒng) 控制系統(tǒng)控制計劃的制定 集體選擇足夠的組件 裝配設(shè)計圖紙的機器人 機器人零件圖和尺寸的確定 下面的基本原理的基本要求 介紹系統(tǒng)設(shè)計和確定系統(tǒng)的程序 3 2 設(shè)計方案過程及特點 a 機器人必須小巧 靈活 拆卸方便 b 機器人在工作過程中 其結(jié)構(gòu)可適應(yīng)應(yīng)不同管徑的變化情況 c 機器人自動化程度高 控制方便靈活 3 3 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計和比較 3 3 1 行走機構(gòu)的設(shè)計 履帶式的優(yōu)點是占地面積大 容易產(chǎn)生更大的附著力 在地上 適應(yīng)性強的牽引 性能 爬坡能力強 缺點是體積大不易小型化 轉(zhuǎn)彎半徑大 結(jié)構(gòu)復雜 而且跟蹤的 張力 根據(jù)設(shè)計參數(shù)和技術(shù)要求 對機器人的發(fā)展必須具有可靠性高 效率高 因此 行走機構(gòu)的運動來實現(xiàn)行走的結(jié)合 所以它可以利用其綜合優(yōu)勢 避免單一移動的缺 點 由于不同的管彎頭的存在 這就要求機器人行走機構(gòu)具有一定的轉(zhuǎn)向能力和爬坡 能力 其特點是 移動速度快 轉(zhuǎn)向相對容易 有更大的牽引力 以適應(yīng)崎嶇的道路 3 3 2 履帶行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 初步選取電機的功率為 5 5KW 同時電機要能變速 選擇 SM 150 270 20 LFB 伺服電機 確定行走機構(gòu) 外部尺寸 首先 確定履帶寬度 由于履帶寬度越小 所以工作驅(qū)動力降低 其寬度過大 強度 也會很大 6 通過繪制方法 寬履帶 L 150 毫米 其次 確定跑道長度 柔性履帶長度越長將履帶 太長時間不能長 其長度 L 580mm 結(jié)構(gòu)測定的運行機制 由于大小限制和電機集成在履帶組中 利用錐齒輪逆轉(zhuǎn) 最后履帶驅(qū)動輪 結(jié)構(gòu)圖如 下所示 150mmiW L 580mm H 175mm 結(jié)構(gòu)總圖 1 軸 01 2 電機 3 小錐齒輪 4 驅(qū)動帶輪 5 軸 02 6 直齒輪 01 7 直齒輪 02 8 軸 03 9 大錐齒輪 10 從動帶輪 確定履帶輪 履帶的傳動采用同步帶傳動方式 以下是同步帶傳動的優(yōu)點 1 適用于承載能力較大 中心距較大傳動 2 可以緩沖 吸振 傳動平穩(wěn) 噪聲小 3 制造和維護方便結(jié)構(gòu)簡單 價錢少 首先 確定同步帶的主要參數(shù) 查機械設(shè)計手冊 13 42 齒 形 梯 形 齒距制式 模數(shù)制 型 號 m7 節(jié) 距 21 991mmbP 其次 設(shè)計帶輪 查機械設(shè)計手冊 13 50 1 初選帶輪的次數(shù) 17z 選擇切削帶輪齒形特別刀具 齒槽角 2 2 40 節(jié) 距 m mm bP2 9 節(jié)圓直徑 71dmz 模 數(shù) 齒側(cè)間隙 c 7 21 991mmbP17z 2 40 9dmc 名義徑向間隙 01 37e 徑向間隙 40 473 86 外圓直徑 mm 其中 1 750 0251d 外圓齒距 2 9pzm 外圓齒槽寬 016mbsc 齒槽深 4 38 0gthe 齒槽底寬 7w 齒根圓角半徑 25 7 5br 0 25 1tr 最后 設(shè)計履帶 查機械設(shè)計手冊 13 43 根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計履帶 由于有時特殊的工作環(huán)境 不能完全采用同步帶 參數(shù) 節(jié) 距 21 991 bP 齒形角 2 40 齒根厚 10 06 齒 高 4 2 th 帶 高 7 s 齒頂厚 t 節(jié)頂距 1 750 帶 寬 15sbm01 37e 86 116 5mmd 21 529mm0p 11 06mmb 8 036gh7w 1 5brt 21 991bP 2 40 10 06 4 2th 8 7 sh t 1 75015sbm 確定大小錐齒輪參數(shù) 整個行走裝置里 錐齒輪的主要作用 換向 傳遞動力 同時考慮到其完全 在行走裝置內(nèi)部 尺寸受到限制 根據(jù)以上的因素 設(shè)計大小錐齒輪的具體參數(shù) 根據(jù)要求 采用軸交角 齒輪類型為 90 直齒錐齒輪 齒形角為 20 齒頂高系數(shù) 1 頂隙系數(shù) 查機械設(shè) ah 0 2c 計手冊 14 200 齒形制為 GB T 12369 1990 大錐齒輪的次數(shù) 小錐齒輪的次數(shù) 大小錐齒輪的具體參數(shù)分別13z23z 如下 查機械設(shè)計手冊 14 201 大錐齒輪 法向模數(shù) 2 5nm 齒 數(shù) 30z 法向齒形角 a 分度圓直徑 75dm 分度圓錐角 11230cotct21 6 zrar 齒頂圓直徑 sah 75 2 1 2 5 5 78 044mm 齒根圓直徑 12 cofadm 大錐齒輪 2 5nm 30za 7d152 6 78 044mma 71 347mmf 錐 距 2112sinmzRz 530 47 253mm 齒頂角 arctnahR 12 5473 9 3 1 43 齒根角 arctnafhmR 10 25473 3 47 1 頂圓錐角 aa 3 1 43 521 6 55 33 9 根圓錐角 ff 3 47 1 3 48 44 25 齒 寬 b 25mm 47 253mmR 53 9 a 482f b 25mm 小錐齒輪 法向模數(shù) 2 5nm 齒 數(shù) 3z 法向齒形角 0a 分度圓直徑 57 dm 分度圓錐角 11230cotct28 4 zrar 齒頂圓直徑 sah 57 5 2 1 2 5 7 61 467mm 齒根圓直徑 12 cofadm 57 5 2 1 0 2 2 5 s328 4 52 54mm 錐 距 2112sinzRz 530 47 253mm 齒頂角 arctnahmR 12 5473 3 1 43 小錐齒輪 2 5nm 10 23z 0na 57 5mmd1 78 4 61 467mma 52 54mmf 47 253mmR 31 4 a 齒根角 arctnafhmR 10 25473 3 47 1 頂圓錐角 aa 3 1 43 28 41307 根圓錐角 ff 3 47 1 齒 寬 b 25mm 確定直齒輪的參數(shù) 在整個行走裝置中 直齒輪傳遞動力的作用 齒頂高系數(shù) 1 頂隙系數(shù) 齒數(shù) z 40 模數(shù) 其具體參數(shù)如 ah 0 25c 2 5nm 下 分度圓直徑 1 410dmz 齒 頂 高 ah 齒 根 高 fc 0 25 3 125347 1 f a 0f b 25mm 100mm1d 2 5ah 3 125f 全 齒 高 2 5 3 125 5 625afh 齒頂圓直徑 12adh 100 2 2 5 105mm 11 齒根圓直徑 12ffdh 100 2 3 125 93 75mm 齒 厚 3 453 927sm 齒 根 寬 e 中 心 距 10ad 頂 隙 2 6c 3 3 大小錐齒輪的設(shè)計和校核 選擇齒數(shù)齒輪的類型 材料精度等級 選擇直齒圓錐齒輪 8級精度軟齒面齒輪 小齒輪的材料為40Cr 調(diào)制處理 硬度為280HBS 大齒輪的材料為45鋼 調(diào)制處理HBS 初選小齒輪的齒數(shù) 大齒輪的齒數(shù)為 12z 27z 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算 131295 t HKTd 根據(jù)載荷沖擊情況 軸承布置方式 取 K 1 8 查附錄 2 機械設(shè)計 機械設(shè)計基礎(chǔ)課程設(shè)計 得小齒輪的接觸疲勞極限為 lim160HMpa 大齒輪的接觸疲勞極限為 li25 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 lim110 9 604H pa 22 95 1 17 HM 1540HMpa 29 計算分度圓直徑 小齒輪 131295 t HKTd 195 1 53 856mm32 860457 其中 1 095 dTPn 821 6 36 1 N m 設(shè)計計算 齒根彎曲疲勞強度 12 1322 FSKTYmz 計算當量齒數(shù)并查取齒形系數(shù) 兩齒輪的分度圓錐角分別為 1227cotcot520 1zarar 1375 當量齒數(shù)為 1 cos cs 3752 6 31vz 220490 查附錄2得 14 58 FSFSY 查書本 小齒輪的彎曲疲勞極限為 lim0Mpa 大齒輪的彎曲疲勞極限為 53 856mm1td 304 36 1 N mT 2 57 16 3vz 24901 58 FSY7limMpa lim20Fpa 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 lim11 4 28039FMpa 22F 1 58 39 6 FSY 2705 大齒輪數(shù)值大 代入計算 計算 1322 FSKTYmz 322 864 5 7038 2 1635 取 m 2 5 則 取1 1 5tdz 123z 13 取 213 0429 z 230z 錐距為 21mRz 47 253mm 分度圓直徑為 1 537 dz 20 分度圓錐角為 21arctn arctn 23 z 51 6 13728 4 lim20FMp 13928 1 0 68FSY 2 0 4FSY 2 1635 1z 23047 5Rm1d2 3 6 1784 齒 寬 b 25mm 3 4 軸 的設(shè)計和校核 1 初步估計軸徑 扭轉(zhuǎn)強度 30PdAn 其中 110 查機械設(shè)計 P362 表 15 3 可得 8950 76dkw 167 rm 代入上面得值 計算可得 0 43 由于軸上有一鍵槽 所以 取軸的最小直徑為 0 1 7 9 4dm d 20mm 2 軸的結(jié)構(gòu)簡圖如下 14 3 按彎扭合成強度進行強度校核 做出軸的計算簡圖 根據(jù)尺寸 受力簡圖如下 b 25mmP0 76kw 185 nrm43d 9 d 20mm 校核所需要的基本參數(shù) 20ABlm 48C6Dl 計算齒輪的嚙合力 A 直齒輪的齒輪嚙合力 15 1 齒輪圓周力 21BtTFd 36 0 95 685 9 N20ABlm 48C6Dl 直齒輪 685 9 NBtF 2 齒輪徑向力 tan685 9tan2049 67BrFN B 錐齒輪的齒輪嚙合力 1 齒輪圓周力 21CtTd 36 0 957 914 533 N 2 齒輪徑向力 1tancosCrF 914 532053 26 202 634 N 3 齒輪軸向力 1tiCa ans 264 078 N 求支反力和彎矩圖 水平面 1 其受力如下圖 BrF249 67N 錐齒輪 Ct 914 533N 202 634 NCrF 264 078 Na 2 對 A 點求矩 16 則有 0FAM 1BtNHADCtAllFl BDCtABCl 1 Ct tBACll 94 53 20865 920 372 848 N 3 對 B 點求矩 則有 0FM2 0NHADBtCtDlFll CB 914 536284620 144 216 N 4 根據(jù)上面的計算結(jié)果 畫出彎矩圖 372 848 N1NHF24 6 求垂直面內(nèi)的支反力 并作出彎矩圖 1 受力分析如圖所示 2 對 A 點 求矩 17 則有 其中 0FAM 2CaFdM 10BrCarACNVADlll 1aBrNV CrABCrABDlFll 264 078520 634249 670 8 590 N 2 對 D 點求矩 則有 0FAM 2 0NVBrDCarDllMFl 8 590 N1NV 2CarBrAl 64 07852 63429 647 82 08 38 423 N 3 做出對應(yīng)彎矩圖 求支反力 2ANHVF 2 14 6 38 4 149 246 N 21DHV NV 149 26 NAF 35D 18 22 37 84 590 312 965 N 合成彎矩圖 22 1 BM 2889 432 N 236 398 6 C 左 25774 198 N 2 1 左 23238 956 N 根據(jù)已知條件 做出扭矩 289 43 NBM 571C左 6 左 校核危險截面 綜上所知 C 面為危險截面 其中 由于扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力 所22aCM 左 T 以取 T 36100 0 6 22 38 956 31a 31767 982 其中 aCW dbt 1251 74 322584 5 C 截面圖 19 軸滿足要求 aCMW 左 13176 9825 34 其中 55 查機械設(shè)計基礎(chǔ)教程 P261 表 11 13 得 下頁附 彎矩圖 3176 982Ca 1251 74 a15 20 21 3 5 鍵的校核 由于在軸1上的鍵 8 25結(jié)構(gòu)尺寸最小 受力較大 在這里就只校核該鍵 其余可以 不予與校核 普通平鍵的強度條件 3210pTKld 其中 T 傳遞扭矩 6 Nm 鍵與輪轂鍵槽高度 K 5h 鍵圓頭平鍵為 llLb 軸的直徑 d 32 100 58 25p 42 47 Ma 由于鍵的材料為 45 機械設(shè)計 P 106 表 6 2 可得 12pP 所以 鍵滿足要求 p 3 6 雙擺臂驅(qū)動系統(tǒng)的計算 驅(qū)動輪所需轉(zhuǎn)矩根據(jù)滾動摩擦定律 可得 5 1 NFM 其中 為滾動摩擦因數(shù) 由實驗測得 m1064 3tan26 0tan3 r 5 2 為支撐面的正壓力 即 5 3 mgFN14 則 5 4 NM 46 506 33 驅(qū)動輪所需驅(qū)動力為 5 5 d2 2 驅(qū)動輪所需功率為 5 6 WFPW63514 爬坡時的機器人所受的滾動阻力 坡道分力 此時機器 GfcosrTf GsinFg 人所受的總阻力為 sinGfco nF 為斜坡上支撐面的正壓力 即 Nmgn 5 3468 0143 5 7 則 5 8 mFM 7 6 3 驅(qū)動輪在斜坡上克服滑動摩擦力所需驅(qū)動力為 5 9 d4 62 05 22 在斜坡上克服滑動摩擦力所需功率為 WFP12 98 04361 5 10 爬坡時坡道分力為 Gsing 機器人在以 0 5m s 的速度爬 30 的斜坡時 克服坡道分力所需的功率 5 11 6 52 機器人在爬 30 坡時所需總功率為 5 12 PW12 8921 3 7 雙擺臂減速電機的選取 為了減少傳動部分增加的額外質(zhì)量 直接選用了 24V 36W 直流減速電機 下表 5 1 為直流減速電機參數(shù) 表 5 1 24V 36W 直流減速電機主要技術(shù)參數(shù) 項目 指標值 型號 64ZY2435 額定電壓 24V 空載電流 0 35A 空載轉(zhuǎn)速 3500rpm 額定電流 1 8A 額定轉(zhuǎn)速 3000rpm 額定轉(zhuǎn)矩 118mN m 減速比 30 1 減速器額定轉(zhuǎn)速 100rpm 減速器額定扭力 5 0N m 下圖 5 1 減速電機尺寸 為電機的安裝提供了參數(shù) 23 3 8 雙擺臂減速器的選取 根據(jù)需要 選擇 WPX80 型蝸輪蝸桿減速器 具體參數(shù)見上表 24 總結(jié)與展望 總結(jié)本文對履帶式機器人結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進行了設(shè)計 由于作者的水平有限 對相關(guān)議 題 如技術(shù)和控制技術(shù)的傳感器是不好的 仍有許多問題需要解決 還有許多問題值 得進一步討論和更深入的研究和展望 1 優(yōu)化問題的機械結(jié)構(gòu) 在機器人的設(shè)計方法 包括機械臂 采用模塊化設(shè)計 不同的設(shè)計結(jié)構(gòu)和各功能 模塊之間的連接 分別優(yōu)化模式 但在每個模塊的零件設(shè)計 計算參數(shù)選取主要結(jié)構(gòu) 的強度和剛度的基本要求 許多零件配合的實際需求 大很多 設(shè)計包括非核心部分 是根據(jù)前人的實驗設(shè)計 選擇大小 這種設(shè)計不僅可以提高整體素質(zhì)系統(tǒng) 增加發(fā)動 機負荷 造成資源的浪費 2 有限元分析的計算機沒有更深入 通過有限元法對計算機軟件的一部分 力 學分析的強度 剛度和最佳的臂部結(jié)構(gòu) 這可以作為后續(xù)研究的方向 3 機械臂控制系統(tǒng)必須研究和自主技術(shù) 運動控制 路徑規(guī)劃技術(shù) 視覺技術(shù) 實時導航定位技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)的多傳感器組合 計算技術(shù) 高性能問題 因為無 線通信技術(shù) 特別是網(wǎng)絡(luò)也有待研究 在未來生活中的應(yīng)用越來越廣泛 包括在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用是必然的發(fā)展方向之一 我們的工業(yè)和科學技術(shù)的關(guān)鍵是系統(tǒng)設(shè)計中的機械臂 部分地區(qū)是累了整個系統(tǒng)的設(shè) 計經(jīng)驗比較豐富 我相信 通過不斷的發(fā)展和完善的和成熟的做法 25 致 謝 最后學習階段的畢業(yè)設(shè)計 首先我要特別感謝我的導師關(guān)愛無限和指導 過了許 久 終于比較成功地完成了設(shè)計任務(wù) 回顧日日夜夜 我脾氣后的感覺 通過方法的 書籍 網(wǎng)絡(luò) 教師 學生和其他可用 鞏固了自己的專業(yè)知識 理解和運用所學知識 有更深刻的認識 在這一刻 我要感謝我的導師的精心指導下 不僅指導我們解決的關(guān)鍵技術(shù)問題 更重要的是為我們引導設(shè)計思路 并解釋我們在實際的工程設(shè)計經(jīng)驗應(yīng)用于設(shè)計因此 不僅如此 教師的敬業(yè)精神深深地感染了我 我愛和未來奉獻骨刺的工作 導師是真 的做的傳道 授業(yè) 解惑 精心準備的長途跋涉大學幾個月了 終于到了時間的論文計劃期間 像往常一樣 救 援的心臟 但寫作過程中的感覺經(jīng)常出現(xiàn)無力折騰和徘徊 先花那么多時間和這么多 精力去完成的論文具有一定的學術(shù)價值 這是很難說的艱辛和困難 但曲終要離開的 味道幕后 這是值得我一生留連忘返 敲完最后一個字符 再次從仔細閱讀文本已經(jīng)并不陌生 我感覺好多 雖然不是 特別值得一提的成就來炫耀 但對我來說 是寶貴的 這是無數(shù)的教誨 關(guān)心他人 樂于助人的結(jié)果 我要感謝我的導師 XX 老師 雖然教師負責教學 科研任務(wù) 還需要一段時間 不時有門 叫我勸功課 從第一稿到最終版本 耐心 再審 大章偏頗布局 小一審 缺陷報表格式 都可以指出 他教我各方面的知識 拓寬我的知識 培養(yǎng)我的技能 完成論文是不無裨益 我還要感謝所有的大學老師教給我的 是你讓我成熟和壯大 感 謝學院的工作人員 他的細致工作 讓我的同學 有序的學習和生活 我的父母和家人想表達我誠摯的謝意 他們是我的生命永遠依靠和支持他們的關(guān) 懷和愛護 是我前進的動力 他們的殷切希望 激勵著我繼續(xù)說下去 沒有他們就沒有 我 我的成績已經(jīng)從他們來的點點滴滴 我也舍不得你的好友 與門和室友 我需要幫助時 他們伸出溫暖的手 在最大 的幫助 他們可以見面 相交 相知是人生一大幸事 本論文的完成遠未結(jié)束 不足和膚淺的地方的文字是我的新征程的新起點 我會繼續(xù)前進 我們也感謝其他同學 老師和同事們的熱心幫助 感謝我們的教師的重視和關(guān)注 課程設(shè)計的領(lǐng)導 為我們提供了繪圖工具和選項 26 參 考 文 獻 1 包志軍 關(guān)節(jié)運動特性研究 D 上海交通大學博士論文 2000 14 48 2 姜山 程君實 陳佳品 包志軍 基于遺傳算法的步態(tài)優(yōu) 化 J 上海交通大學學報 1999 vo1 33 10 1280 1283 3 劉志遠 動態(tài)研究 D 哈爾濱工業(yè)大學博士論文 1991 4 劉志遠 戴紹安 裴潤 張栓 傅佩深 零力矩點與動態(tài)穩(wěn) 定性的關(guān)系 J 哈爾濱工業(yè)大學學報 1994 vol 26 1 38 42 5 紀軍紅 HIT I 步態(tài)規(guī)劃研究 D 哈爾濱工業(yè)大學博士論 文 2000 15 71 6 麻亮 紀軍紅 強文義 傅佩深 基于力矩傳感器的雙足在線模糊步 態(tài)調(diào)整器設(shè)計 J 控制與決策 2000 Vol 15 6 734 736 7 竺長安 系統(tǒng)分析 設(shè)計及運動控制 D 國防科技大學博 士論文 1992 8 馬宏緒 動態(tài)研究 D 國防科技大學博士論文 1995 9 馬宏緒 應(yīng)偉福 張彭 姿態(tài)穩(wěn)定性分析 J 計算技術(shù)與 自動化 1997 vol 16 3 14 18 10 馬宏緒 張彭 張良起 動態(tài)的步態(tài)控制與實時時位控 制方法 2005 vo120 l 10 18 11 繩濤 馬宏緒 王越 仿人未知地面控制方法研究 N 華中科 技大學學報 2004 年 31 期 161 163 12 Mae GeerT Passive Dynamie Walking of Roboties Researeh D 1990 9 2 62 82 13 包志軍 關(guān)節(jié)運動特性研究 D 上海交通大學博士論文 2000 14 48 14 柯明揚 主編 機械制造工藝學 M 北京 北京航空航天大學出版社 1996 132 153 15 陳于萍 主編 互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ) M 北京 機械工業(yè)出版社 2003 32 56 16 關(guān)慧貞 馮辛安 主編 機械制造裝備設(shè)計 M 機械工業(yè)出版社 2009 51 59 17 黃如林 汪 群 主編 金屬加工工藝及工裝設(shè)計 M 北京 化學工業(yè)出版 社 2006 27 64 18 李名望 主編 機床夾具設(shè)計實例教程 J 北京 化學工業(yè)出版社 2009 82 113 19 Mechanical Drive Reference Issue Machine Design M 52 14 1980 97 105 20 Rajput R K Elements of Machanical Engineering M Katson Publ House 1985 55 63 21 Hindhhede I Uffe Machine Design Fundermentals A Practical Approach M New York Wiley 1983 77 89 22 Kuehnle M R Toroidal Drive Concepts Product Engineering Aug 1979 21 36 27 23 Robert J Funfanmentals of Robotics Analysis and Control M New Jersey Prentice Hall 1990 94 109 24 趙瑾 主編 互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ) M 武漢 華中科技大學出版社 2006 34 70 25 趙如海 金屬機械加工工藝人員手冊 M 上海 上?？茖W技術(shù)出版社 2009 15 40 26 艾興 肖師岡 切削用量簡明手冊 M 北京 機械工業(yè)出版社 1994 91 136 27 馮之敬 機械制造工程原理 M 北京 清華大學出版社 2008 117 134 28 李益民 機械加工工藝簡明手冊 M 北京 機械工業(yè)出版社 1994 10 40 29 楊叔子 機械加工工藝師手冊 M 北京 機械工業(yè)出版社 2001 5 36 30 王光斗 王春福 機床夾具設(shè)計手冊 M 上海 上海科學技術(shù)出版社 1988 92 10 28