井下探测救援机器人平台结构设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985毕业设计说明书毕业生姓名专业机械设计制造及其自动化学号指导教师所属系（部）买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985I毕业设计评阅书题目井下探测救援机器人结构设计机电系机械设计制造及其自动化专业姓名设计时间评阅意见成绩指导教师（签字）职务201年月日买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985II毕业设计答辩记录卡机电系机械设计制造及其自动化专业姓名答辩内容问题摘要评议情况记录员（签名）成绩评定指导教师评定成绩答辩组评定成绩综合成绩注评定成绩为100分制，指导教师为30，答辩组为70。专业答辩组组长（签名）买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985III201年月日买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985目录摘要1ABSTRACT21绪论311研究背景312国内外发展现状613本课题的研究内容9131本课题的任务要求9132本课题的研究内容92移动平台结构设计1021移动平台总体结构设计10211移动方式的选择10212总体结构方案的确定11213履带底盘总体基本尺寸的确定1322驱动系统结构设计1623回转平台的结构设计1824剪式升降平台设计193驱动系统设计计算与校核2131中间传动机构设计计算21311齿轮传动的特点和应用21312中间级齿轮传动主要参数的确定2132驱动轴的校核25321驱动轴结构设计26322驱动轮轴受力分析26323驱动轴强度的校核284履带机器人的运动学与动力学分析3141履带机器人的运动学分析31411移动平台运动坐标系的建立31412运动学模型32413逆运动模型3342移动平台动力学分析34421移动机器人运动机理研究34422电机的选择35423移动平台在正常环境下行驶分析35424机器人爬坡行驶分析36买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985425机器人越障过程分析37426机器人越沟槽分析39427机器人行走抗倾覆状态分析415经济技术分析42结论43参考文献44外文资料46中文翻译51致谢54买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709850井下探测救援机器人结构设计摘要灾害发生之后为了能够尽快地搜救被困人员，人们开发了各种各样的灾害生命搜索定位设备，搜救机器人就是其中的一种。搜救机器人的应用涉及到搜救策略和搜救机器人本体技术开发两个问题，这两个方面的不断研究将共同推动搜救机器人的应用和发展。搜救机器人使用策略的首要问题就是如何选用搜救机器人的问题。当前世界各国正在开发了各式各样的灾害搜救机器人，然而到目前为止这些机器人系统还没有一套明确统一的描述标准和评价办法，这给如何选择使用合适的机器人参与具体的救援行动带来了很大的困难。煤矿搜救机器人本身的研究和开发，也是当前煤矿救援研究的重点方向之一。本文详细介绍了履带式复杂地形机器人平台结构的组成。首先对履带机器人移动平台的总体结构进行设计，进而设计了移动平台的驱动部分结构，同时考虑了机器人移动平台的通用性，设计了回转平台结构和升降机构，以便机器人能够适应不同的环境的工作。本文还对驱动系统中间传动机构进行了设计计算和校核。从机器人的行走条件入手，建立其运动模型，对机器人行走系的运动学与动力学进行分析，对运行及越障过程和抗倾覆能力进行分析研究。通过分析计算本设计能够满足设计要求，为下一步深入研究奠定了基础。关键词救援；机器人；履带；传动机构买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709851THESTRUCTUREDESIGNOFDOWNHOLEPROBERESCUEROBOTABSTRACTINORDERTOSEARCHANDRESCUEVICTIMSINTIMEAFTERADISASTER，PEOPLEHAVEDEVELOPEDKINDSOFSEARCHANDRESCUEEQUIPMENTS，THESEARCHANDRESCUEROBOTISONEOFTHEMITSAPPLYOFSEARCHANDRESCUEROBOTS（SARR），WENEEDTORESEARCHTWOPROBLEMS，ONEISTHERESCUESTRATEGY，ANDTHEOTHERISTHEDEVELOPMENTOFSARRTHEYPROMOTETHEAPPLICATIONSANDDEVELOPMENTOFSARRTOGETHERTHEMOSTIMPORTANTISSUEOFTHESTRATEGYTOUSEOFSEARCHANDRESCUEROBOTISHOWTOCHOOSETHESEARCHANDRESCUEROBOTSBYFAR，KINDSOFSEARCHANDRESCUEROBOTSHAVEBEENDEVELOPEDBYDIFFERENTCOUNTRIES，BUTTHEREISNOTAUNIFORMANDDEFINITEDESCRIPTIONSTANDARDOFTHEM，THISMAKESITDIFFICULTTOSELECTANDUCEAPPROPRIATEROBOTFORUNDERTAKINGTHECONCRETETASKSTHERESEARCHANDDEVELOPMENTOFTHEMINERESCUEROBOTISALSOONEOFTHEFOCUSESOFTHESTUDYOFTHECURRENTCOALMINERESCUETHISTHESISDESCRIBEDCONSTITUTEOFCRAWLERCOMPLEXTERRAINROBOTPLATFORMSSTRUCTUREFIRSTTHISTHESISDESIGNEDTHEOVERALLSTRUCTUREOFMOBILEPLATFORMOFROBOT，FURTHERTHEDRIVENPARTOFTHESTRUCTUREOFMOBILEPLATFORMTAKINGINTOTHEMOBILEROBOTPLATFORMINTEROPERABILITY，DESIGNEDAROTATINGPLATFORMANDORGANIZATIONOFASCENDANDDESCENDTOTHEROBOTCANADAPTTOTHEENVIRONMENTANDDESIGNEDANDVERIFIEDTHEMIDDLESPREADTOMOVEORGANIZATIONOFTHEDRIVESYSTEMANALYZEDTHEKINEMATICSANDDYNAMICSOFROBOTSWALKINGSYSTEMESTABLISHEDITSCAMPAIGNMODELFROMRUNNINGCONDITIONS，RESEARCHEDONOBSTACLECROSSINGANDTHECAPABILITYOFANTIOVERTURNINGTHEDESIGNWOULDPROVIDEBASEFORFURTHERRESEARCHINGKEYWORDSSARROBOTTRACKTRANSMISSION买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709852买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709853买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709854买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098551绪论11研究背景我国是世界产煤大国，由于作业设备与工艺相对落后，管理水平欠缺等原因，各类矿难事故频繁发生，导致煤矿事故死亡人数居世界首位。死亡率居高不下的原因除了机械化程度低、煤层地质结构复杂、高瓦斯矿井多等原因之外，矿难救援水平落后也是一个不可忽略的重要因素。事故发生后无法迅速准确地得到灾难现场的信息，如瓦斯浓度的高低、灾难现场是否发生火灾、被困或遇难人员的位置以及现场温度、氧气含量、CO等有害气体的含量、现场倒塌状况等。常常会因为井下复杂危险的环境而阻碍救援人员深入井下开展工作，从而延误了救援工作的开展。血的事实告诉我们，没有高效的灾害生命搜索定位装备，没有实用的应急救助设备，在灾害发生之后，我们就无力营救我们被困的矿工，无法为我们的同胞提供应有的帮助。开展应急救灾搜索定位装备是当前函待解决的重大课题，它关系到我们的建设和谐社会主义的理念能否体现，它关系到我们的人权和我们的国际声誉。搜救机器人作为一种高效的搜索定位工具已经开始在灾害救助工作中崭露头角。像煤矿井下这类环境恶劣的情况下，正是搜救机器人的理想工作场合。目前我国搜救机器人水平与国外相关技术差距很大，主要是我国一直以来没有对搜救机器人研究与开发给与足够的重视，人力物力财力投入较少。而美国、日本以及欧洲发达国家都已经在广泛开展危险场合下的机器人研究和应用工作，政府部门也将危险环境下的搜救机器人研究列为了关键技术加以扶植。国际国内针对于煤矿搜救机器人的研究和应用正处于起步阶段，我国中国矿业大学研制了一台煤矿救援机器人，取得了一定的成绩。本设计主要对井下救援机器人的结构进行设计，然而煤矿搜救机器人的应用研究和开发是一个大的系统，还有很多的工作和任务需要完成，这需要很多人的长时间的工作和努力才能最终实现。我国是一个产煤大国，是一个严重依赖煤炭能源的国家，但是也是矿难多发国。煤炭行业作为我国国民经济主要传统行业之一，年产量约占世界35，但中国的矿难死亡人数却占世界的80。最让人痛心的乃是中国煤矿百万吨死亡率是美国的买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709856100倍、南非的30倍仅拿最近在国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监督局网站上公布的一些数字来看，可以说是触目惊心2001年7月22日，江苏省徐州市贾汪区岗子村五副井发生特大瓦斯煤尘爆炸事故，造成92人死亡；2005年11月27日，黑龙江省龙煤集团七台分公司东风煤矿皮带井发生一起爆炸事故，死亡171人；2005年2月14日，辽宁省阜新矿业集团公司孙家湾煤煤矿海州立井发生的特大瓦斯爆炸事故，遇难214名，2006年仅“五一”前后二十天，死亡3人以上的事故就有14起，合计115人。我国煤矿事故发生的原因极为复杂，是偶然性和必然性的结合。由于大多数为井工开采，不安全因素很多，瓦斯煤尘和火灾等灾害事故频繁发生，灾害事故危害极为严重，伤害人员多，中断生产时间长，损毁井巷工程或生产设备，各类灾害事故还存在突发性、灾难性、破坏性和继发性等特点。目前，救灾方式只是根据事故的类型确定救灾的方案，一般救护人员无法进入危险区域，只能通过采用提升绞车清除垃圾、移动式风车向井下通风，然后再搜救遇险矿工。这种方式危险性大，伤亡人数多，救灾周期长，往往效率很低。因此，研究煤炭救灾新装备是一项紧迫任务。随着科技的发展，机器人将被应用到煤矿救灾领域。救灾机器人利用自身的优点，能迅速找到井下遇险矿工的位置，降低事故危害程度，对提高救灾效率具有重大意义，具体表现为（1）机器人具有灵活性好、机动性强的特点，有较好的爬坡和越障能力，能适应现场各种各样的地理环境。比如，蛇形救灾机器人能适应任何的复杂环境，在井下能自由运动。（2）机器人的探测技术发展迅速，能迅速找到井下遇险矿工的位置。首先，机器人利用传感器通过探测井下遇险矿工的呻吟声、体温的变化及心脏跳动的频率的信息能找到他们的位置。其次，机器人的视频探测器（CCD摄像头）具有信息直观、能实现计算机辅助控制等特点，可以将现场环境的图像返回到救灾中心，为进一步控制机器人的运动方向，制定下一步救灾的方案提供决策依据。最后，机器人还能进入井下区域，监测事故现场（如温度、瓦斯以及有害气体的浓度）的变化，防止事故的二次发生。机器人具有为井下遇险矿工投放小包食品、药物和通讯装置等辅助功能，能有效地减少遇险矿工的伤亡人数。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709857煤矿开采必须从地面向地下开掘一系列矿井，其正常生产过程的自然条件比较复杂，环境恶劣。巷道路面多积水，有矿车铁轨、水沟、风管、线缆等障碍物；支巷道路面窄而不平，多有坡度；工作面处得路面坡度大，有碎煤、支撑、滑道等障碍。灾害发生后，脱落的顶板、岩石、煤块等形成新的障碍物。复杂的路况要求井下机器人要有较强的越障、避障能力和行驶功能恢复能力。下面对矿井主要存在的瓦斯、煤尘、顶板、火、水五大灾害进行简要说明。瓦斯、矿尘灾害。根据瓦斯粉尘空气混合气体燃烧、爆炸时的火焰传播速度及冲击波压力的大小，瓦斯爆炸有三种速燃，火焰传播速度在10M/S以内，冲击波压力较小。它可以使人烧伤，引起火灾；爆燃，火焰的传播速度在音速以内，冲击波压力较大，对人和设备有较强的杀伤力和摧毁作用；爆炸，火焰的传播速度超过音速，达到每秒数千米，冲击波压力达到数个至数十个大气压，对人和设备具有强烈的毁灭作用。此外，灾害后，井下通风系统受到破坏，使井下气候发生明显的变化，常见瓦斯和粉尘浓度增大，灾变区域的温度、湿度增加，风量减少。所以，二次瓦斯爆炸的危险也常常是影响救护队员及时对下井救护的一个主要因素。机器人的移动系统除要能够适应瓦斯和煤尘爆炸后的非结构环境外，为了防止煤尘和积水进入车体内部和运动副，箱体要进行密封、防水设计。为能在高瓦斯下安全工作，控制系统需要进行矿用隔爆或本安型设计，电子元件在井下温度变化范围内也应能可靠地工作。顶板灾害在底下采掘过程中，由于矿山压力的作用，顶板会跨落。如果顶板管理工作出现漏洞或着地层变动等原因，则可能发生顶板事故。火灾矿井火灾也是煤矿生产的主要灾害之一，一旦发生矿井火灾，不但会造成煤炭资源的损失，打乱各项工作的布置，还往往会造成瓦斯、煤尘爆炸，使灾害程度和范围扩大。水灾矿区内的大气降水、地表水、地下水通过各种通道涌入井下，称为矿井涌水。当矿井涌水量超过矿井正常的排水能力时，就将发生水灾。为保证矿井正常建设与生产，必须采取各种措施防止水进入矿井或者将进入矿井的水排至地面，但当矿井涌水超过正常排水能力，或在采掘工作时挖透老塘积水或岩溶水等地下水体时，就会造成水害。积水有时会突然逼通煤墙倾斜而出，矿工退避不及导致伤亡事故。矿井发生水灾后，排水前还要对水源水量进行调查，这些都不可避免地会对救灾工作造成延误。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709858终上所述，煤矿救灾机器人的研制，对煤矿安全生产，建立特种危险环境下的工业救灾具有十分重要的意义。同时，救灾机器人又是机器人研究中的热门领域，但目前国内研制救灾机器人大都集中在地面火灾和地震等自然灾害的救灾，而对矿井地下救灾机器人的研制基本属于空白。研制救灾机器人已成了我国煤矿生产的迫切需要。对于矿井内的搜救机器人的研制，技术上有很多难题需要解决，国内还没有现成的解决方案，这也正是我们需要研究的意义所在。12国内外发展现状（1）国外机器人的发展过程及现状救援机器人于20世纪80年代从国外开始起步，并于1995年日本神户一大阪及随后的美国俄克拉马荷州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案发生之后引起了大地震及随后的美国俄克拉马荷州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案发生之后引起了人们的广泛关注。在这一阶段虽然在理论上搜救机器人技术己经日趋成熟，但基本上还停留在实验室阶段，参加实际救援行动较少。2001年美国911事件发生之后，美国机器人辅助救援中心应邀参加了灾后救援行动，这是搜救机器人第一次正式参加实际灾害救援行动。USAR、南佛罗里达大学、FOSTEMILLER公司等几家单位的机器人如图11所示，参与了此次行动并取得了一定程度的成功，同时也暴露出了一些不符合救援任务要求等缺点。如防水能力、耐热能力、防震及其他抗恶劣环境能力的不足，以及机器人自身状态感知及环境描述方法的不足。虽然美国、日本等西方发达国家近年来在救援机器人的研究方面做了大量工作，取得了不少的研究成果，但重点放在了地震、火灾等救援机器人的研究工作上。究其原因在于近10多年来其煤矿安全状况的大大改善。目前，美、英、德、澳等发达国已基本消灭了矿难重大死亡事故。尽管如此，美国等国家仍然在矿难救援机器人的研究方面投入了不少的精力。图12是卡耐基梅隆大学在美国政府基金资助下于2003年完成的矿难搜救机器人，它是一个完全自主的不需要人工干预的矿难搜救机器人。图13是美国劳工部矿业安全与卫生局花巨资购买的用于矿难救援的机器人。2006年初，美国西弗吉尼亚SAGO煤矿发生矿难，造成12名矿工死亡。事故发生后，救援人员使用GPS测定被困矿工的方位，然后从地面上钻了3个深孔，以买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709859便给井下输送氧气，同时期望对井下的状况进行检测。救援人员通过深孔向井下派出了一个救援机器人，这是搜救机器人被第1次用于矿难的救援，但最终因机器人中途行进过程中陷入泥潭而受阻。图11参与911救援的几种机器人（2）我国搜救机器人的现状我国的搜救机器人技术起步较晚，但是近年来引起了越来越多的关注并取得了一定的成果，沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学、国防科技大学、上海交通大学、广东富卫公司等机构都设计了自己的搜救机器人系统。2005年中科院沈阳自动化研究所与日本国际救援系统研究院联合成立的“中日救援与安全机器人技术研究中心“在沈阳揭牌成立，这标志着我国的搜救机器人研究进入了一个更加快速发展的时期。2006年6月22日，由中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所研制的国内首买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098510台煤矿搜救机器人样机如图12所示在徐州诞生。这台煤矿搜救机器人采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式，能在煤矿灾害发生后深入事故现场，探测火灾温度、瓦斯浓度、灾害场景、呼救声讯等信息，并实时回传采集到的信息和图像，为救灾指挥人员提供重要的灾害信息。同时，机器人还能携带急救药品、生命维持液、食品和千斤顶、撬棍等自救工具以协助被困人员实施自救和逃生。图12国内首台煤矿搜救机器人样机2006年11月8日，山东省科学院自动化研究所联合沈阳新松机器人有限公司申报的山东省2006年自主创新重大科技专项井下探险搜救机器人的研究正式通过审批。该项目将开展适合井下复杂路况和环境的探险搜救机器人的研究，攻克探险搜救机器人瓦斯等气体、环境参数、生命探测等以及防水、防爆和无线通讯等关键技术，建立完善的探险搜救机器人开发和试验环境，完成井下探险机器人和搜救机器人的研制和示范应用。2010年中国首台具有生命探测功能的矿难救援机器人，井下探测救援机器人，在沈阳揭幕的辽宁省暨沈阳市科技活动周亮相。此井下探测救援机器人，由沈阳新松机器人自动化有限公司和山东省科学院自动化研究所完成样机的研究。该机器人具有一定越障能力，具有井下防爆抗水、生命探测、协助救援、环境监测、环境参数实时探测、无光线搜救、数据信号传输等功能，还可以配载食品、水、急救包等物品。此机器人具有的音频探测、视频观测、红外热成像等功能，使其可以确认并搜救事故现场是否有生命存在，探测温度、压力、混合气体成分及其浓度，实现井下长距离通讯，传输井下环境实时视频图像，为抢险救援提供重要依据和支持。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098511该井下探测救援机器人整体达到国际先进水平，在正压防爆技术、全方位环境探测技术等方面，达到了国际领先水平。13本课题的研究内容131本课题的任务要求本设计的任务是研究履带机器人的移动平台的结构设计，其具体性能指标为1垂直越障高度为03M；2最大爬坡角度不小于40；3最大进退速度不小于05M/S；4最大跨沟槽宽度400MM；5机器人平台和搭载装置总重不超过40KG。132本课题的研究内容1机器人移动平台的总体结构设计；2移动平台驱动系统结构设计；3回转平台的设计；4升降机构的设计；5移动平台运动与动力学分析。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985122移动平台结构设计21移动平台总体结构设计211移动方式的选择移动平台是移动机器人的重要执行部件，其行走系由驱动装置、传动装置、位置检测元件、传感器等组成。它一方面支承机器人的机身、臂和手部等工作装置，因而必须具有足够的刚度和稳定性；另一方面还要求能够根据作业任务的要求，带动机器人实现在工作空间内运动。移动平台的作业环境非常复杂，其环境因素主要包括原有的天然环境，以及各种人工干预的环境，称之为非结构化环境。对于移动机器人来说，非结构环境是多样的，一般由平坦的地面、斜坡、障碍、台阶、壕沟、浅坑等地形组成。实质上，最典型的情况是斜坡、向上和向下的台阶，所有的地形可简化为以上三种典型地形的组合，移动机构只要能够通过上述三种地形及其组合，即可通过一系列动作顺序通过各种复杂的环境。移动平台机构按其行走系运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人，如横梁式机器人。无固定轨迹式行走系按其行走机构的特点分为轮式行走部、履带式行走部和关节式行走部。在行走过程中，前两者与地面连续接触，其形态为运行车式，该机构用得比较多，多用于野外、较大型作业方面，也比较成熟。后者与地面为间断接触，为人类（或动物）的腿脚式，该机构正在发展和完善中。在本设计中要求机器人对其工作环境的多种地形具有一定的适应能力，并且能买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098513够运行稳定，因此综合考虑设计要求选择履带式移动方式。履带移动机构具有以下特点（1）支承面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能较好；（2）越野机动性能好，爬坡、越沟等性能好；（3）履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好有利于发挥较大的牵引力；（4）结构复杂，重量大，运动惯性大，减振性能差，零件易损坏。与轮式机器人相比履带式移动机构能够克服其比压大，越障能力跨沟力差及打滑等缺点，同时又能改善步行移动机构运动不平稳，爬坡能力弱，易倾倒的特点，并且技术成熟，易于控制。212总体结构方案的确定移动平台是整个机器人实现各项任务的载体，在机器人总体结构设计时，要考虑到机器人的整体刚度与强度，考虑机器人的越障性能，要求机器人能够满足工作条件等多方面因素的制约，使机器人满足结构简单，可靠，小型化，轻量化的要求，并且买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985141摆臂2摆臂驱动电机3摆臂电机4同步带5电池箱6回转平台7驱动电机8摆臂导向轮9摆臂驱动轮10支重轮11驱动轮图21移动平台结构示意图要考虑机器人平台的通用性。在确定行走机构方案的前提下，首先对移动平台的整体结构进行初步设计，移动平台结构简图如图21所示。移动平台是行走机器人的关键部分，其性能直接影响到机器人的整体性能，它一方面要支承机器人的机身和工作台，要求有足够的刚度和稳定性，另一方面要考虑其搭载工作装置的工作空间。因此移动机构在设计上采用整体框架的结构，同时考虑其整体的密封性，在车体内部设置了多个隔离舱室，用以对减速器、电机、控制模块以及电源等的存放。履带驱动方式为后轮驱动，左右两驱动轮11分别由两个直流无刷减速电机7通过后轮驱动传动机构驱动，传动机构采用齿轮传动。通过控制两驱动电机的转速可以控制履带车前进后退和转弯等。摆臂通过直流无刷电机2驱动，上下摆臂通过摆臂直流无刷电机3得以实现。移动平台车体主要由以下几部分组成1）车体框架采用框架式车体具有许多优点，它能有效地减轻机器人的总重量，同时还具有相对较强的抗扭转力。框架车体在总体上形成密封形式，有利于车体内部的封闭，其两边为支重轮提供了安装位置，顶部和底板又是机械回转平台及电机的安装平台。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985152）行走装置履带机器人移动平台的行走装置由以下几部分组成（1）驱动轮11驱动轮主要起向前或向后卷绕履带的作用，同时也承担着机器人的部分重量。当驱动轮前置时，大部分履带在行驶过程中承受较大的牵引力，履带上分支及导向轮承载最大载荷。在行驶过程中，履带将剧烈地伸长，导致在行驶时下部履带处形成所谓的“履带腹部”，机器人在转向行驶过程中，履带更会有脱落的危。后驱动方式则可以避免这些问题，并且履带承载分支处于微张紧状态，13险运行阻力较小。一般车向前运动较多，故采用主动轮后置的方式。（2）导向轮在履带底盘的前端，起引导履带作用，并且防止其在运行过程中脱落。（3）支重轮10在履带底盘的底部设计了1对支重轮，用来在机器人运动传递车体的重量给履带，在运行过程中起支承机体，使履带基本保持原有轮廓的作用。（4）摆臂1在机器人地盘前端设计了1对摆臂，在机器人垂直越障时起支撑和拉拽作用。（5）履带4履带在机器人行走过程中起连续铺路的作用，增大机器人与地面的接触面积，减小比压。在本设计中机器人履带采用橡胶同步带。橡胶同步带可以减轻机器人总重，减少磨擦，并且有较好的减振效果。本设计中采用氯丁橡胶，氯丁橡胶有较高的抗变形性和抗撕裂性，有高的耐磨性和较好的弹性，适合于各种地形。（6）驱动装置机器人常用的驱动方式有液压驱动、气动驱动、电动驱动三种基本方式。电动驱动主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。考虑到本设计中机器人的尺寸与重量，本设计采用直流无刷减速电机驱动，因为液压与气动方式对环境要求较高，实现起来较复杂；电机驱动较易实现密封与调速控制；直流无刷减速电机尺寸较小符合本设计的小结构要求。为了降低速度，增加转矩，电机自带减速器的传动比为1041，再经过中间传动机构减速可以达到设计要求。213履带底盘总体基本尺寸的确定1履带机器人整体外形尺寸的确定买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098516移动机器人的设计受到多方面因素的制约，因为机器人在井下工作环境不同，有时会工作在比较窄小的地方，其外形尺寸就会受到限制，不可能特别大，必须满足小型化，轻量化的要求。在本设计中机器人外形尺寸受到最大制约因素就是其转弯半径。因此必须对机器人转弯运动进行分析。履带机器人的转弯原理与履带车辆转弯原理基本相同，都是通过两个履带之间的速度差来实现的，履带转向运动可以用围绕其转向中心（运动的瞬时中心）来描述。该中心自身还可以根据车辆运动情况，分为曲线运动或原地保持不动。因此履带完成围绕各自瞬时中心而作旋转运动和滑移运。在转弯运动时，外侧履带在14动行驶方向上需要一个牵引力，而内侧履带在转达向范围内有制动作用。转弯时，机器人外侧主动轮的转速大于内侧的主动轮转速。两履带系各按外侧履带半径及内侧履带半径行驶，由此得出了机器人重心的理论转向半径R。定义转向传动比LI/2LRIB理论转向半径履带中心距之半在对履带机器人转弯运动分析后，可以看出履带机器人的转弯半径与其结构有很大关系，尤其是两履带中心距。在本设计中对机器人整体尺寸影响最大的是大转弯半径。在大转弯半径时，履带机器人的转向传动比应该大于1。即1/2LRIB根据设计要求我们可以知道，最小转弯半径不大于05M。所以在此取。9BM同时考虑到机器人原地回转时，机器人所占的空间范围，暂定机器人的全长。6L在本设计中只是提供了移动平台的机械结构设计，对于控制部分没有作出设计，可以根据实际工作需要选择放置控制接口的位置，可以用于安装控制元件，实现对机器人的控制。2履带的选择（1）履带尺寸与结构的确定初步选择梯形齿同步带1800XHH100GB/T116161999，单侧带宽为100MM，带的节距，其结构简图如图22所示。342TM买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098517T图22履带尺寸简图（2）履带强度的校核根据分析可以看出履带上受到的拉力即为机器人克服外阻力的推进力。即AF（21）式中F机器人行进中的推进力；A机器人行进过程中的外阻力；AFG（22）式中摩擦系数，这里取075；G机器人总重；故413NA履带受拉截面积为20610208MA则单侧履带受的拉应力为5531PA48F根据前文可知，本设计履带材料采用的是氯丁橡胶，因为移动机器人要求结构简单，质量轻小，并且还要适应井下各种不同的环境。采用橡胶履带能够解决金属履带摩擦容易产生火花问题；氯丁橡胶具有高抗撕裂性和耐磨性；有较高的耐热性和耐寒性；还具有较好的耐酸碱腐蚀性，可以达到设计要求。氯丁橡胶的抗拉强度为21MPA15。故可以满足强度要求。对于采用履带式移动机构，承载能力是其重要指标，履带的承载能力主要有两买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098518个指标表示，即平均比压和最大比压。这里主要对平均比压进行计算。履带的平均比压用表示。OQ22405N/M05/21GLB式中机器人总重；履带接地长；L单侧履带宽；许用比压OQ为。根据计算满足许用比压要求。移动平台从结2051N/M构上满足承载的要求。3主动轮的选择主动轮为动力的最后的输出装置。动力源通过传动部件将动力传递到驱动轮上，由驱动轮卷绕履带带动整个移动平台前进。驱动轮的大小与结构对移动平台的支承与越障都有着很大的影响因素。根据同步带选择驱动轮20XXH100GB/T11361，这种结构有利于驱动轮的支承作用，也有利于驱动轮卷绕履带，并且能保持履带在运行过程中的稳定性，防止履带在冲击或转弯时从主动轮上脱落。驱动轮的结构如图23示。图23驱动轮结构图买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709851922驱动系统结构设计驱动机构主要是由电机，中间传动机构及驱动轮组成，其作用就是动力从电机传递给驱动轮，从而带动整个机器人的运行。其结构如图25示。直流无刷减速电机9驱动小齿轮11转动，然后带动大齿轮8转动，再通过电磁离合器将动力传递给驱动轴2，进而驱动驱动轮1转动。为了避免在电机失电以后无法拖动机器人行走，在传动部分选用了一型号为DLY025A的牙嵌式电磁离合器，在磁轭5与衔铁6的相对端面，各装有牙部经渗碳和高频淬火的细三角牙，激磁线圈13置于磁轭内。联接环7和衔铁6以内外齿轮形式相啮合，在衔铁滑动时起导向作用。联接环周向分布三个螺栓10与大齿轮相联。离合器断电时，压缩弹簧7使衔铁复位，衔铁与磁轭的细牙分开，使驱动电机与驱动轴相脱离，在失电时可以保证机器人被拖动。两履带受直流无刷电机的驱动，当两直流电机以同速驱动时，履带车直线前进或后退，当改变其中一侧电机的转速时，可以实现机器人的转向，当两侧电机转速相同方向相反时可实现机器人绕其中轴线原地旋转。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985201驱动轮2驱动轴3键4箱体5磁轭6衔铁7联接环8大齿轮9直流减速电机10螺栓11小齿轮12压缩弹簧13线圈14滑环15键16深沟球轴承图25驱动系统结构图表21DLYO型牙嵌式电磁离合器基本参数23回转平台的结构设计本设计目的是为了设计一个通用的机器人移动平台，使其能够适应井下多样的环境，进行搜救工作。为了达到这一要求，在机器人的框架顶端设计一旋转平台，可以根据具体工作的需要搭载不同的工作装置。旋转平台可以360旋转，在周向可以使机器人选一个有利的角度进行工作。其驱动电机及传动机构安装在移动平台的框架内，对其驱动部分有密封和保护作用。其结构图如图27所示规格公称转矩/MN额定电压（DC）/V线圈消耗功率/WCO20许用最高结合转速/1MINR许用最高转速/1INR质量/KG1212248805500052525248655000083550241650450014210100242135400016161602424253500212525024322033003240400243515300053买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098521123456789101回转平台2密封圈3推力球轴承4角接触球轴承5套筒6箱盖7蜗轮8套筒9键10轴11蜗杆图27旋转平台结构图回转平台传动机构采用了一级蜗轮蜗杆传动，动力由直流无刷电机通过蜗杆11与蜗轮7传递给轴10，从而带动旋转平台旋转。平台及搭载装置的重量由推力球轴承3卸荷在移动平台的框架顶端，两个面对面放置的角接触球轴承4以承受蜗轮蜗杆啮合时轴受的径向载荷。选用蜗轮蜗杆传动是因为蜗轮蜗杆传动传动比大，传动平稳，节省空间且具有良好的自锁性。在本设计中所选用蜗轮蜗杆传动的减速比为182，选用的直流无刷电机为BL3056，其电源电压为24V，功率为2886W，转矩为0166NM，动力通过电机，再经过蜗轮蜗杆传动增大转矩，可以驱动平台转动。在平台转动到指定工作位置后，蜗轮蜗杆的自锁作用可以使平台稳定在工作位置进行工作。选用直流无刷电机为机器人节省了空间，以满足设计要求。24剪式升降平台设计工作时为了突破机器人自身高度的限制，在回转平台上设计了升降平台。目前买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098522国内的升降机构方式主要有剪叉式、动臂折叠式、桅柱式和直升式等，并且其驱动部分基本都是采用液压装置进行驱动。液压驱动的特点是单位面积作用力大、驱动平稳，同时采用液压驱动最大的优点是液压油缸的放置容易，因而能方便地实现较大的升降范围。但是采用液压系统控制系统比较复杂，体积和重量也较大，因此在应用时也受到限制。本设计中机器人本身体积较小，为了满足机器人小型化，轻量化要求，不适合采用液压驱动装置。综合考虑各方面因素，本设计中采用剪叉式机械升降机构。在本设计中两侧对称剪叉都是一端固定，一端可以在导轨上移动。驱动方式采用直流无刷电机9驱动丝杠5转动带动螺母副在丝杠上平移，从而带动移动端销轴上的小轮6在上下导轨的滚动，将两侧剪叉撑起来实现升降运动。本设计中所选用直流无刷电机为BL2628IG32，电机电源为24V，功率为134W，转矩为006NM，减速器减速比为171，再经过中间传动机构可以实现平台的升降运动。下导轨和丝杠轴承座及电机固定在回转平台上。其结构图如图28示。本设计方案有以下优点1）丝杠螺母副的螺纹升角小于其摩擦角，具有自锁功能，因而控制简单、安全性较好，同时丝杠螺母副生产成本较低，有利于降低整体成本。2）采用剪叉式升降机构。剪叉式升降机构是一种单自由度对称结构，具有放大的平行位移的特点，在较小的驱动行程下可获得较大的起升高度，买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985231升降平台2上导轨3剪叉杆4下导轨5丝杠轴6小轮7螺母副8齿轮9直流无刷电机10回转平台图28剪式升降平台结构图且结构简单，稳定性较好，因此在升降机构中得到较广泛的应用。通常在升降平台中常采用多级剪叉式机构，这样可以获得较大的升降空间，在本次设计中采用三级剪叉，经过计算，本设计中三级剪叉最高可以达到300MM的升降高度，可以满足一般的需要。另外采用本结构，还可以根据工作空间需要可以增加剪叉级数。但是为保证机器人运行及工作时的稳定性，剪叉级数也不易过高，避免发生倾覆和失稳的情况。设计升降平台是为了满足机器人通用性的要求，使机器人能够完成不同的工作。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985243驱动系统设计计算与校核31中间传动机构设计计算为了增大转矩、降低转速，在电机与驱动轴之间增加了一级中间传动机构。由于整体结构的限制中间传动机构选用齿轮传动，通过它来降低转速、提高转矩，也使得整体结构尺寸达到最优。311齿轮传动的特点和应用齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，型式很多，应用广泛。在本设计中考虑到机器人移动平台的结构要求，采用一级齿轮传动。齿轮传动的主要特点有1）效率高在常用的机械传动中，以齿轮传动效率最高，一级齿轮传动效率可高达99，这在机器人传动中具有很大的经济意义。2）结构紧凑在同样的使用条件下，齿轮传动所需要的空间尺寸一般较小，这也满足了机器人小量化的要求。3）工作可靠、寿命长设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可达一二十年，这也是其它机械传动所不能比拟的。这在机器人传动过程也很重要，能够保证机器人在工作过程中稳定可靠运行。4）传动比稳定传动比稳定往往是传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用，也就是由于具有这一特点。机器人在行走工作过程中，需要有稳定的转矩，齿轮传动能够满足要求。312中间级齿轮传动主要参数的确定履带机器人在电机与主动轮之间增加一级齿轮传动，目的是为了满足机器人在运行过程中的转矩要求。在确定中间传动机构主要参数时，计算过程采用的是参考资料机械设计的公式，在本节以下计算过程中所有计算公式均出自该参考资料。其主要参数确定如下买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985251选定齿轮类型、材料及齿数根据机械设计表96选择小齿轮材料为40CR调质后表面淬火，硬度为241286HBS，大齿轮材料为45号钢调质处理，硬度为240255HBS，二者材料硬度差为40HBS。初定中间传动机构传动比15I，所选电机额定转速为0623R/MINN，减速器减速比为104，经减速后输出转速为602357R/I4N，经中间传动后能够15I满足要求。选定小齿轮齿数为120Z，大齿轮齿数21203ZI。2按齿面接触强度设计由设计计算公式（910）进行试算，即21312TETDHKTZUD（31）2）确定公式内各计算数值（1）试选载荷系数3T（2）计算小齿轮传递的转矩5541190/9016/7NM20371NMTPN（3）由表912选取齿宽系数D（4）由表911查得材料的弹性影响系数1/289MPA（5）由图918C按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限为LIM160MPAH，大齿轮的疲劳接触强度极限LIM250H（6）由式（913）计算应力循环次数716075141HNNJL24/30（7）由图919查得接触疲劳寿命系数12HNK；25HN（8）计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数，由式（911）得1S买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或11970985261LIM260MPA72HNKS2LI2585A2）将以下各值代入式（31）计算（1）试算小齿轮分度圆直径1TD，代入H中较小的值224133120715892M67TETDHKTZID4796M（2）计算圆周速度V1437965M/S0172/S001TDN（3）计算齿宽B189DT（4）计算齿宽与齿高之比/H模数1143796/201MTMZ齿高25845TH/7B（5）计算载荷系数根据0172M/SV，由图910查得动载系数1VK；直齿轮，假设10N/ATKFB，查表103查得12HF；由表97查得使用系数；由表910查得小齿轮作悬臂时2312086701HDB2528917由/4BH，1HK，取8FK；故载荷系数174AVH（6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式（1010A）得331/479624/5023MTTD买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098527（7）计算模数M1/45023/512MDZ3按齿根弯曲强度设计由式（917）得弯曲强度的设计公式为132FSDYKTMZ（32）1）确定公式内的各计算数值（1）由图923查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限150MPAFE，大齿轮的弯曲疲劳强度极限2380MPAFE；（2）由图1018查得弯曲疲劳寿命系数18FN，28FN；（3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数14S，由式（1012）得085MPA3057AFNEK22328614FS（4）计算载荷系数14AVFK（5）查取齿形系数由图921查得1280FY；25F。（6）查取应力校正系数由表105查得15S；216S。（7）计算大小齿轮的FY并加以比较12801542937SF26SY大齿轮的数值大。2）设计计算买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或119709852843221460371M17035M对比计算结果，由按齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而由齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，因此可取由弯曲强度算得的模数1703M，并就近圆整为标准值2M，按接触强度算得的分度圆直径1452D，算出小齿轮齿数14503DZ大齿轮齿数212I这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。4几何尺寸计算1）计算分度圆直径123M46DZ25702）计算中心距12/46/258MAD3）计算齿轮宽度105M3DB考虑到本设计中所用齿轮受载荷不大，受载不频繁，故取两齿轮齿宽都取18MM。32驱动轴的校核轴是组成机器的主要零件之一，一切作回转运动的传动零件如齿轮、蜗轮等，都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递，因此轴的结构、强度与刚度都对机器的整个性能有很大的影响。买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098529321驱动轴结构设计为了方便计算，将其轴上传动部分简化为直接齿轮传动。驱动轮轴结构简化图如图31示，根据轴的受力，选取深沟球轴承61805，为了对驱动轮进行轴向固定在其一端设计一轴肩，装驱动轮处直径为120MD，轴肩直径为25MD。图31驱轮结构简化图322驱动轮轴受力分析参考材料力学计算轴上受力如图32（A）示，（1）齿轮上力的计算由上述计算知，轴上所传递的转矩12037NMT，所以，齿轮的圆周力1285DTF齿轮的径向力TANTA20314R（2）求轴上支反力其受力如图32（B）示A在水平平面内的支反力由得0AM0BZRRABF买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098530324095N67RBZFARB图32轴的载荷分布图由0ZF得3249526NAZRBZRFB在垂直平面内的支反力其受力如图32（D）示由0AM得18542N2YBTRFC由于轮子端力的作用，在支点A、B处的支反力0其受力如图32（F）示买文档就送您CAD图纸全套，Q号交流197216396或1197098531由0BM得00ARABF163594N7001BA（3）作弯矩和扭矩图A齿轮的作用力在水平平面的弯矩图，其弯矩如图32（C）示2690NM4538DZAMRA齿轮的作用力在垂直平面的弯矩图，其弯矩如图32（E）示45YA由于齿轮作用力在截面作出的最大合成弯矩22894NMDZDY由于作用而作出的弯矩