机器人链式行星越障轮组机构设计

洛阳理工学院毕业设计（论文）I机器人链式 (行星)越障轮组机构设计摘 要本次设计的项目根据实际设计工作的需要，对机器人链式(行星)越障轮组机构主要的零部件进行设计。对机构各部分的零件进行设计布局,算出齿轮的齿数、模数、齿宽、变位系数和中心距等关键参数，设计轴的结构及尺寸,链轮等.并进行几何尺寸计算、强度计算和安全系数计算。全方位越障车轮组由动力装置、转向装置和驱动轮系组成。框架上安装了中心轴，中心轴上设有驱动离合器、转向离合器、转臂和中心链轮。每组车轮组的个车轮轴线呈等角分布。当驱动离合器闭合、制动器制动，转向离合器脱开时，且路面对车轮作用力变化的情况下，驱动轮系亦相应转化构成定轴轮系或行星轮系，实现车轮的驱动或越障。而当制动器脱开，转向离合器闭合时，动力通过啮合齿轮副、转向链轮副和锥齿轮副，使框架相对于车体转动。按轮系传动时齿轮的轴线在空间的相对位置是否固定，轮系可分为定轴线齿轮传动和动轴线齿轮传动两大部分。整个机构结构简单且行之有效，可广泛用于排爆，救援等危险行业，也可用于高层建筑的外壁清洗，以及管道等狭小空间的作业等。而其未来的发展方向是趋于机械与自动控制，传感技术，PC 微机技术相结合，使其逐渐具有信息的收录，分析，和判断能力，真正实现独立自主。关键词：行星车轮, 越障, 机构设计, 机器人 洛阳理工学院毕业设计（论文）IIRobot Chain Structure Design Of Climbing Obatacle With Planetary WheelABSTRACTThe design is made on the basis of the demand of the progect .Our task is the designing of crucial part of the planetary reducer ,calculating the value of special parameters .Especially , the parameters of sun gear,planetary gear and ring gear,such as gear ratio, module, facewidth, modification coefficient,center distance,and physical dimension, strength and safety factor.are designed.For determination of perpendicular climbing obstacle capability of lunar rover with planetary wheel , based on simplified mechanics mobel of rover the paper gives the relations between rover parameters and perpendicular climbing obstacleheight under three conditions: simultaneously climbing obstacle by two front wheels, simultaneously climbing obstacle by two rear wheels and climbing obstacle by single wheel. Then maximum perpendicular climbing obstacle height of this rover is calculated. Simulation analysis to above three conditions is done. The simulation analysis gives conclusion that theoy inference result is reliable. The organization structure is simple and effective, and can be widely used in such industries, rescue explosive-handling danger, also can used for the high-rise building exteriors cleaning and pipeline etc of narrow space, etc. And its future development direction are mechanical and automatic control, sensing technology, microcomputer technology, combined with the PC has gradually to the information collected, analysis, and judgment, true independence. KEY WORDS: planetary wheel , climbing obstacle, structure design, robot洛阳理工学院毕业设计（论文）III目 录前 言 .1第 1 章 设计概述 .21.1 越障机器人的现状及发展 .21.2 越障机器人的功能及结构分析 .21.3 越障能力分析 .4第 2 章 传动机构及部件设计 .122.1 齿轮传动设计 .122.1.1.选择齿轮精度等级，材料及齿数 .122.1.2.按齿面接触疲劳强度设计公式： .122.2 中心传动链轮的设计 .152.2.1 初链条类型 .152.2.2 确定链轮齿数 12和 .162.3 转向链轮设计 .172.3.1. 确定传动比 .172.3.3确定链节数 x .172.3.4计算实际中心距 a .182.4 锥齿轮设计 .192.5 中心轴的设计 .22第 3 章 其他标准件附件的选择及校核 .293.1 轴承的选用 .293.1.1 载荷条件 .293.1.2 转速条件 .293.1.3 装调性能 .303.1.4 调心性能 .303.1.5 经济性 .303.2 键的选用及校核 .313.3 电磁离合器的选用 .313.4 链条的选用 .32洛阳理工学院毕业设计（论文）IV结 论 .33谢 辞 .34参考文献 .35外文资料翻译 .36洛阳理工学院毕业设计（论文）1前 言机器人是 20 世纪人类最伟大的发明之一。从某种意义上讲，一个国家机器人技术水平的高低反映了这个国家综合技术实力的高低。机器人已在工业领域得到了广泛的应用，而且正以惊人的速度不断向军事、医疗、服务、娱乐等非工业领域扩展。毋庸质疑，21 世纪机器人技术必将 得到更大的发展，成为各国必争之知识经济制高点。在计算机技术和人工智能科学发展的 基础上，产生了智能机器人的概念。智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器，是机构学、自动控制、计算机、人工智能、微电子学、光学、通讯技术、传感技术、仿生学等多种学科和技术的综合成果。智能机器人可获取、处理和识别多种信息，自主地完成较为复杂 的操作任务，比一般的工业机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的应用领域。智能机 器人作为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制造领域具有更广泛、更重要的位置，如 核工业、水下、空间、农业、工程机械（地上和地下） 、建筑、医用、救灾、排险、军事、服务、娱乐等方面，可代替人完成各种工作。同时，智能机器人作为自动化、信息化的装置与设备，完全可以进入网络世界，发挥更多、更大的作用，这对人类开辟新的产业，提高生产水平与生活水平具有十分现实的意义。因此，面向先进制造的工业机器人和面向非制造业的 先进机器人的研究、开发和应用将成为 21 世纪智能机器人的两个重要发展方向。 洛阳理工学院毕业设计（论文）2第 1 章 设计概述1.1 越障机器人的现状及发展现有的越障车轮组，如爬楼机器人（JSME Series C，Vol.39,No.3，1996） ，采用平面布置的两轮结构，越障时运动起伏大，且不具备全方位运动的车辆，采用外滚子式车轮，可实现全方位运动，但其基本上不具备越障功能。且承载能力小，只适合于在平坦的路面上实现全方位运动。今后这类机器人的发展方向是实现全方位的自主越障。1.2 越障机器人的功能及结构分析由动力装置、转向装置和驱动轮系组成全方位越障车轮组。动力装置由电机、啮合齿轮、驱动离合器和转向离合器组成。驱动轮系由转臂、小链轮、中心链轮组成，小链轮分别与每个车轮组上相应的 3 个车轮固定连接，3 个车轮的轴线呈等角分布。框架上安装了中心轴，中心轴上设有驱动离合器、转向离合器、转臂和中心链轮。当驱动离合器闭合，制动器制动，转向离合器脱开时，且路面对车轮作用力变化的情况下，驱动轮系亦相应地转化构成定轴轮系或行星轮系。当路面平坦时，两个车轮将同时着地，由转臂、小链轮、中心链轮组成的驱动轮系构成定轴轮系，在电机的驱动下，车轮组以滚动方式运动。而当前进的车轮遇到障碍时，前轮静止不动，定轴轮系自行转化为行星轮系，实现越障。而当制动器脱开，转向离合器闭合时，由转向链轮、传动链轮和一对相互啮合的转向锥齿轮组成的转向装置开始运动。在电机的驱动下，动力通过啮合齿轮传送到安置在中心轴上的转向链轮，并通过传动链轮、锥齿轮副，使框架相对于车体进行转动。主要机构：（如图所示）洛阳理工学院毕业设计（论文）3图 1-1 结构图图 1-2 行星结构图洛阳理工学院毕业设计（论文）4一种由动力装置、转向装置和驱动轮系组成的全方位越障车轮组，其特征在于所述的动力装置由电机(1)、啮合齿轮(16)、(17)、驱动离合器(15)和转向离合器(9)组成，所述的驱动轮系由转臂(11)、小链轮(13)、中心链轮(14)组成，小链轮(13)分别与每个车轮组上相应的 3 个车轮(12)固定连接 3 个车轮(12)的轴线呈等角分布，框架(2)上安装了中心轴（10） ，中心轴（10）上设有驱动离合器（15） 、转向离合器（9） 、转臂（11）和中心链轮（14） ，当驱动离合器（15）闭合，制动器（4）制动，转向离合器（9）脱开时，且路面对车轮作用力变化的情况下，驱动轮系亦相应转化构成定轴轮系或行星轮系。中心链轮 14、小链轮13(包括车轮 12)、转臂 11 组成一周转轮系,该周转轮系随着车轮 12 所受外力情况的改变而相应地演变成不同的轮系,或演变成定轴轮系或演变成行星轮系.当该周转轮系演变成定轴轮系时,能实现机器人在平坦路面上快速行驶,当该周转轮系演变成行星轮系时,能实现机器人爬坡越障运动。转向锥齿轮 6(包括转向链轮 8)、转向锥齿轮 5、框架 2、车身本体 3 组成一行星轮系,转向离合器 9、制动器 4 的接合状态的不同组合决定运动是否传递到该行星轮系,从而决定车轮是否相对于车身本体 3 转过一个角度。 1.3 越障能力分析 假定车轮只滚不滑,整个车轮组处于静力平衡状态,车轮组所受作用力简化为作用在转臂中心的水平力和垂直力.车轮自左向右运动,前轮碰到障碍,碰撞点为 P,P点与垂直面的夹角为 .图 13 为单个车轮组的受力分析图。F12F113洛阳理工学院毕业设计（论文）5图 1-3 行星轮受力图(b) (c)图 14 行星轮受力分析图由于 6、7、8、9 组成一个自由度为 2 的周转轮系,应用轮系的相关公式 3,4可以得到(11)(1),axMe12xMe其中 e=N/n 为小齿轮 8 与中心齿轮 6 的齿数比;M x为驱动力矩;M 11为传递到前轮的驱动力矩;M 12为传递到后轮的驱动力矩;M a为传递到转臂的驱动力矩.由图1(c)得(12)12,FrM131FrM洛阳理工学院毕业设计（论文）6前轮能滚动爬上障碍时,F 11=0,则 M11=P11R sin +Q 11R cos .随着障碍高度的增加, 角也随之增加,由于 P11R sin 增加量大于 Q11R cos 的减少量,所以要使前轮能滚动爬上障碍所需的力矩 M11也随着 角的增加而增加,根据(11)式可以知道 Ma、Mx 亦随之增加;当 角增加到 max时,M a达到极限值,即Ma=P1R cos +Q 1R sin ,此时转臂 9 将绕着前轮的中心轴回转,轮变前轮,达到翻越障碍的目的。机器人在平壁面上运动或跨越较低的障碍时( max),由于障碍物的阻碍作用,前轮停止向前滚动,此时周转轮系演变成行星轮系,转臂 9 将回绕着前轮的中心轴回转,轮变前轮,达到翻越障碍的目的.在这种情形下由于轮脱离地面,故F12=0,N12=0.根据图 13