废墟搜索与辅助救灾机器人机械部分设计

目 录1 绪论11.1概述11.2课题设计研究的背景和意义11.2.1机器人高机动越障性能的现实需求分析11.2.2机器人悬架及高性能越障三星轮的研究意义11.3 越障机器人的发展及应用11.4 典型范例展示21.5本文主要展开的研究设计工作52凸四边形及平行四边形悬架模型62.1 障碍分析62.1.1 V角度障碍62.1.2 遇障分析62.2悬架模型的提出72.2.1悬架设计时应该考虑的因素72.2.2 凸四边形弹簧悬架及平行四边形悬架模型92.2.3 机器人虚拟样机103 重点悬架杆件的运动学分析123.1 攀登机构杆件运动关系方程组的建立123.2杆件组几何尺寸优化133.2.1优化模型建立133.2.2优化目标函数求解及最优化解164 高机动越障轮三星轮的设计184.1 三星轮越障能力分析184.2 三星轮行星轮系的设计214.3 三星轮壳体设计及轮胎选型214.4 基于UG NX7.0的齿轮参数化设计225机器人小车转向箱设计255.1 小车转向原理分析255.2 小车转向箱详细设计266机器人小车整体越障能力分析296.1 越障极限状态数学模型建立296.2头部越障最大高度计算337机器人设计时速和总功率的确定337.1电机的选择337.2设计时速和总功率的确定34结论34参考文献：35附录：36翻译部分42英文原文42中文译文57致 谢671 绪论1.1 概述本文实现了基于废墟搜索与辅助救灾功能要求的高机动越障机器人平台的设计，能够实现在地震废墟、爆炸事故现场等复杂地形条件下的辅助搜索与救援的基本功能要求的平台支持。1.2课题设计研究的背景和意义人类进入21世纪在科技、人文、经济等方面得到了前所未有的巨大发展。但是伴随着人类经济活动的进行，人类极大地改变了大自然的原貌导致水土流失、土地荒漠化、地震、海啸及强台风等极端自然灾害剧增。同时随着社会贫富两极化的加剧和宗教信仰的分歧，人为恐怖事件也日益威胁公民人身财产安全。面对这些自然界和人为的灾害，人类并没有消极逃避，而是积极预防和救助。但在各种复杂的灾害现场救援人员的短缺也日益显现，同时一些极端情况并不允许人员进行救助。因此研制针对灾难废墟现场的搜索与辅助救援的机器人的要求日益迫切。以下是典型救灾环境分析。城市救灾：城市环境中人口城市化和城市人口密集现象加剧，高层建筑、地下工程、大型商贸场所、文化娱乐场所迅猛发展，城市建筑物不断增加，使得城市建筑环境中的搜救作业十分复杂。在一些危险性大的灾难中，如随时会引发爆炸的火灾现场，有易燃、易爆或剧毒气体存在的现场，地震后存在易二次倒塌建筑物的现场，施救人员无法深入进行侦察或施救，人们急于探知灾难现场的内部险情，但又不敢或无法接近或进入灾难现场。此时，救援机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，它们不但能够帮助工作人员执行救援工作，而且能够代替工作人员执行搜救任务，在灾难救援中起着越来越重要的作用。火场救灾：消防机器人在高温、强热辐射、浓烟、地形复杂、障碍物多、化学腐蚀、易燃易爆等恶劣环境中进行火场侦察，化学危险品探测、灭火、冷却、洗消、破拆、救人、启闭阀门、搬移物品、堵漏等作业，因此，作为某种特定功能的消防机器人具备以下某项或几项行走和自卫功能：a.登爬坡、登梯及障碍物跨越功能； b.耐高温和抗热辐射功能； c.防雨淋功能；d.防爆(隔爆)功能； e.防化学腐蚀功能； f.防电磁干扰功能； g.遥控功能等。塌方救灾：遇到地震、火灾或塌方等，经常会出现人不能亲自到一些危险地方实施救援的情况，于是往往会想到让机器人来完成这些艰巨任务。要求机器人行动都利落，遇到障碍物能够设法穿越。以最快速度达到救援指定地点，以尽最大可能挽救人民生命和财产。本文针对现实需求设计了一种具有高机动自越障能力的机器人平台，以求为减轻灾害给人们带来的损失。1.2.1机器人高机动越障性能的现实需求分析巨大的灾害会造成大面积的建筑物坍塌和人员伤亡，灾害发生之后最紧急的事情就是搜救那些困在废墟中的幸存者。研究表明,如果这些幸存者48小时之内得不到有效的救助，死亡的可能性就会急剧增加。然而，复杂危险的灾害现场给救援人员及幸存者带来了巨大的安全威胁 ,也会阻碍救援工作快速有效地进行。使用救援机器人进行辅助搜救是解决这一难题的有效手段。该机器人作业条件针对地震废墟、爆炸事故现场等复杂地形。现场存在垂直凸起障碍，沟壑障碍及一定坡度障碍等复杂情况，要求机器人在一定负重的情况下完成一定指标垂直凸起和沟壑越障性能和一定的爬坡性能。针对现实情况，本文确定垂直障碍越障指标为（-350，350）mm。 1.2.2机器人悬架及高性能越障三星轮的研究意义救援机器人是地面移动机器人的一种，其工作环境是结构环境与非结构环境的组合，在复杂多变的工作环境，大多数情况要求机器人不是避开障碍及复杂地形，而是要越过障碍，所以救援机器人必须具有针对各种障碍的跨越能力14。 本文提出由凸四边形平行四边形凸四边形的机器人小车的悬架系统，以及具备翻滚能力的三星轮作为行走轮。因此小车的越障能力基本完全取决于悬架系统和行星轮几何尺寸的研究及优化。1.3 越障机器人的发展及应用人类对越障类机器人的研究是伴随着行星探测和反恐排爆等活动而活跃发的，因此行星探测机器人和反恐排爆机器人的发展代表了当时越障机器人的发展动态。在行星探测机器人方面，其移动系统是保证行星探测计划顺利进行的前提，其构型直接影响行星探测车的通过性、平稳性及可靠性等性能。移动系统包括车轮、悬架及悬架与本体连接装置（如差速器等），而悬架是连接车轮和载荷平台（车身）间连接传力机构的统称，一般包括悬架杆、转向机构及连接机构。驱动轮为整个车体提供驱动力。悬架优越的移动系统能够使行星探测车具有良好的抗倾覆和越障性能，且具有减震能力，这对保持车体稳定减轻车载各种科学探测设备的振动，保持其正常工作有重大意义。行星探测车移动系统根据悬架有无动力源可分为主动式和被动式移动系统；从末端行走机构上可分为轮式、腿式、履带式及轮腿结合式等典型移动系统。轮式行星探测车以其高速、高效、悬架型式灵活多变及控制相对方便等优点成为行星探测车的主流13。美国JPL(JetPropulsion Laboratory) 在行星探测车技术方面代表了这个领域的最高水平，目前已成功发射或在研的行星探测车亦多以轮式为主。在反恐排爆机器人方面，小车移动系统是确保排爆装置稳定精确执行动作为前提，其构型将直接影响排爆机器人排爆的成功与否。因此与行星探测机器人对悬架通过性能高要求不同，排爆机器人更加侧重对机器人运行时的稳定性。因此排爆类机器人多采用履带式的行走部，而悬架系统多为低平形式，以求降低机器人整体重心提高稳定性。在国内该方面研究比较突出的有沈阳自动化研究所的“雪豹”系列等。1.4 典型范例展示1997年7月4日，美国国家航空航天局(NASA)发射的带有“索杰纳”火星车的火星探路者号宇宙飞船成功地在火星表面着陆。“索杰纳”是 Rocky 7的一种简化型号，是JPL研制的一辆自主式轮式移动机器人，它的移动系统采用六轮摇杆悬吊式悬架，六轮独立驱动，前后四轮独立转向，见图 1-1。2003 年6月10日和 2003 年7月8日，美国国家航空航天局(NASA)发射的火星探测器将勇气号和机遇号火星车运送到火星。勇气号和机遇号火星车是一对一模一样的双胞胎。他们移动系统采用六轮摇杆悬吊式悬架（它的摇臂与转向架布置位置与 Sojourner 相反），六轮独立驱动，前后四轮独立转向，见图 1-2。Sojourner与 MER 的移动系统采用六轮摇杆悬吊式悬架系统。摇杆悬吊式悬架是一个无弹簧悬挂系统。它包括两副摇杆臂(或称转向节, bogie)，每副转向节包括一个主摇杆臂和一个从摇杆臂。摇杆臂的转轴装在主摇杆臂的前端，两副转向节通过差速齿轮连接，机器人的主车体装在差速齿轮箱上，这样主车体的俯仰就是两副转向节的平均俯仰，这为科学仪器和传感器提供了一个平稳的平台。JPL 在行星表面科学探测漫游车技术方面代表了这个领域的最高水平。 图1-1 索杰纳 图1-2 勇气号Micro5是由日本宇航中心、梅基大学、绰大学联合研制的火星探测机器人地球样机，见图 1-3。该车重量约为 5kg，外型尺寸为长 55cm宽 53cm高 25cm，车轮直径 10cm，最高速度 1.5cm/s，最大越障高度为 130mm。该车悬架系统采用五点接触悬吊结构。五轮独立驱动，特殊的是中间轮及所连接的支架可绕横梁节点转动，通过其转动来调整重力在各轮上的分配。在正常行驶时起到驱动和支撑作用，当遇到障碍时中间轮及所连接的支架所起到的驱动及支撑作用加大，向上抬高车体，从而增加整车的越障能力。整个车体从支撑轮的支点处分成可以相对转动的两部分，见图 1-4。 图1-3 Micro5 图1-4 Micro5简图“雪豹10”用于代替人工在危险区域进行危险物搜索和排除，减少人员伤亡。机器人能适应野外恶劣环境，能够抓取15公斤可疑物，放置带线引爆装置；能通过更换专用手抓实现不同形状目标的抓取。技术指标：全重：200kg连续工作时间:2h最大行驶速度：3km/h越障能力：0.15m爬坡能力：30最大遥控距离：1000m最大抓取重量:15kg机械臂最大展长:1.8m,摄像头方向视界：360工作温度：-2050体积：1.6m*0.7m*0.7m主要特点：越野性能强，能够适应草原、戈壁、碎石地、水泥地等多种地形环境。具有防水、防风沙的性能，防尘防水等级达到IP53；可在-20+50的温度、湿度80%的环境中正常工作。具备手臂末端控制、手臂自动折叠、防车体倾斜、防误操作、导航修正、自动避障等功能。采用模块化设计，手臂等关键部件可快速更换。机械末端具有可更换接口，可根据要求安装相应的作业器械或辅助工具。外形简洁美观，体积较小，动作灵活，工作可靠，维修方便，便于运输。遥控终端人机界面友好，具有触摸屏、控制面板按钮两套输入模式，操控方便。 运用了仿人机器人、仿生机器人等技术，融合了军品设计思想和理念，采用了先进的军工制造技术。能够广泛应用于反恐、侦察、排爆、抢险救灾等多个领域见图1-6。 图1-6 雪豹号中国“RAPTOR”排爆机器人（见图1-7），外形紧凑、坚固可靠，可在会场过道、飞机机舱中自如活动，在各种大型机器人无法进入的狭窄环境中执行任务。附加摄像机，喊话器，放射线探测器，毒品探测器，散弹枪，各种水炮枪，探照灯等；模块化设计，所有部件可迅速拆装；遥控/线控可选，遥控距离300 -500米，线控距离100米。性能指标：长宽高：820X430X 550mm；重量：49kg ( 全配置 )；最高速度：20 米/ 分钟 机器人安装了3台CCD摄像机，其中一台具有10 倍光学变焦，高清晰。满负荷连续工作 2 小时以上碳纤维结构的伸长达 1.25 米 的机械手上直接架设水炮枪，任务处置更灵活。可以在各种地形环境工作，包括楼宇、户外、建筑工地，会场内，机舱内、甚至坑道、废墟。 抓持能力达 5 -15 公斤 的4 关节机械手可以轻松处置藏于汽车底部的可疑物品。防护等级达到 IP65 ，使机器人满足全天候工作条件，即使在积水路面机器人仍能正常执行任务。自带强光照明，在黑暗中操作时可以准确分辨物体颜色及位置。 双向语音通信系统可以使指挥中心和现场人员及时交换信息。 Raptor 排爆机器人是利用国家 863 项目开展的课题，现在已经开发到第二代样机，经过天津的武警部队试用反映良好。该机器人具有体积小、布置迅速可以对突发事件进行快速反应的能力。 图1-7 “RAPTOR”排爆机器人日本一些科学家研制出一种可以在废墟中爬行的小型机器人如图1-8所示，它们可以承担营救被困于地震废墟中的幸存者的重任。据新科学家周刊称，这种机器人可以通过有节奏的收缩运动沿着地面爬行。由于这种机器人的宽度仅有几厘米，遥控人员可以利用磁场原理推动机器人在细小的墙壁裂缝中穿行，它的身上除了安装有照明灯泡和摄像机之外，还配备有一系列用来测量辐射程度或氧气含量等指标的传感器。这些指标可以显示某个区域是否安全，以便救援人员对被困者实施营救。这种机器人由若干个装有铁磁微粒、水以及润滑剂的橡胶囊组成，爬行时所受阻力很小。每两个橡胶囊之间由一副橡胶棒连接，通过磁场的作用推动机器人前行。 研制这款机器人的佐贺公司将在西雅图召开新闻发布会，并在会上演示机器人具体操作情况。该公司表示，与此前一些可以行走、飞行或是依靠轮子滑行的机器人相比，这款新型机器人的稳定性更强，因而实用性也更强。 图1-8 日本小型爬行机器人1.5本文主要展开的研究设计工作 本文首先分析了机器人遇障情况和相应的力学原理，针对设计要求提出了能够适应障碍地形的凸四边形及平行四边形的悬架模型。然后对该悬架的重点部分攀登机构四边形悬架进行了运动学分析，并对此模型采用了曲线逼近法参数优化。同时，本文选取了三星轮作为车轮，文中对三星轮的越障原理进行了详细的分析。根据小车性能要求，详细设计了小车的转向系统。在设计的过程中，作者使用UG NX7.0三维建模软件对设计进行了实体建模8。通过实体建模排查设计中不合理的地方检查干涉，使设计更趋合理。最后对小车的越障性能做出了详细分析，经过验证表明小车设计达到设计要求。2凸四边形及平行四边形悬架模型2.1 障碍分析2.1.1 V角度障碍为了便于对车轮受力的分析，将障碍类型做以归纳。将车轮中心点和车轮与前方障碍的接触点连线的垂直线与水平面的夹角为 V 角的障碍定义为 V角度障碍，如图 2-1 所示VV 图2-1 车轮受力的分析简图如图两种情况遇障是受力相同，越障是车轮抬起的难度相同，可以按同一情况进行考虑。2.1.2 遇障分析车辆前行时会遇到各种障碍，遇障时车轮越障的难度各有不同。通常在环境不变的情况下，越障难度是由障碍的角度决定的。较小角度障碍一般车辆可顺利通过，角度越大越障越困难，当角度大到 V=6090时，越障极为困难。设计出有利于越过大角度障碍的模型车悬架系统才能使模型车具有较强的通过能力。因此对车轮遇到 90障碍（台阶）时车轮及杆件与车轮连接处的受力情况进行分析，如图 2-2 所示。afmVfz0fx0fx1fz1Gw 图2-2车轮台阶遇障分析简图图中 fz0、fz1、fx0、fx1分别为地面及障碍给车轮的支反力和驱动力，Gw为车轮重力，fm为车轮所受合力也是车轮给杆件的合力，a 为 fm与水平面的夹角。显然 a 为 090之间。假定模型车为六轮驱动，各轮受力较均匀，单轮遇90障碍，G 为整车重量。取路面附着系数 =0.5，车轮滚动阻力系数 ff=0.1。则：fz0(G/2- fx0)(ff) =(G/2- fx0) 0.4 (2.1)fz1(G/6- fx0)；fx1fz1(ff)=（G/6- fx0）0.4 (2.2)tan（a）= (fz1+ fx0-Gw)/( fz0- fx1) =(5G-30Gw)/4G (2.3)初步认为单个车轮重量为整车重量的 1/20 是合理的，即 Gw=G/20，则:tan（a）=0.875a=41.245 (2.4)此时杆件受到车轮提供的的合力方向 a 接近 45。2.2悬架模型的提出2.2.1悬架设计时应该考虑的因素在设计悬架时，考虑了以下几个方面。1) 车轮数目越障小车采用何种移动系统，是设计其悬架的前提和方向。目前机动性较强的越障机器人按所采用移动系统可分为:轮式、履带式、腿式、轮腿式等。其中轮式移动子系统以其结构简单可靠、高速稳定、能量利用率高、操作性和通过性好而被广泛地应用在移动车辆中。目前，轮式移动子系统主要有单轮、两轮、三轮、四轮、五轮、六轮及八轮等几种。1.单轮式移动子系统结构简单，运动灵活，但越障、控制、路径规划较难；2.两轮式移动子系统结构简单，但在静止和低速状态时极不稳定；3.三轮式移动子系统结构简单，且旋转中心在两驱动轮的连线上，可实现零半径回转，但结构稳定性较差；4.四轮式移动子系统的运动情况与三轮式基本相同，由于增加了一个支撑轮，运动更加平稳，但越野能力有限；5.五轮式移动子系统的结构不具有对称性，有效载荷搭载能力差。六轮式移动子系统和八轮式移动子系统是在火星和月球上成功应用过的移动子系统，具有较强的地形适应性和越障能力。从可操纵性和越障能力方面考虑，六轮式移动子系统是最优的选择，可简化整个系统的复杂性。因此，选择六轮月球车悬架系统作为设计目标。2) 车轮排列形式六轮越障车车轮排列形式有 32 车轮形式（如 Sojourner），相比 32 形式1+22+1 形式具有攀爬能力强，转向控制简易，稳定性强等优点。因此选择 1+22+1 车轮排列形式。3) 载荷平台形式目前越障小车载荷平台形式分整体式和分体式。采用整体式载荷平台的越障车典型的有：Sojouener；MER；rocky系列；lunakhod-1等。其中载荷平台与左右移动系统差速连接，可以减缓载荷平台的仰俯摆动并具有较强的适应崎岖地形能力，目前最受推崇。采用分体式载荷平台的行星/月球车典型的有：Micro5（左右两半铰接分体）；Marsokhod（前中后三段多铰接分体），等。分体式载荷平台月球车具有良好的地面适应能力。采用 sojouener、MER 与 Micro5、Marsokhod 形式载荷平台的行星/月球车都具有良好的适应崎岖地面能力。对比前者需要装配差速系统，后者在仪器设备的安装、车体姿态的控制等方面实施性较差。因此，优先考虑采用整体式各轮独立驱动载荷平台。4) 悬架类型通常越障小车悬架类型可分为独立悬架和非独立悬架。装配独立悬架的越障车各轮的运动相互独立。装配非独立悬架的行星/月球车各轮的运动相互影响。采用独立悬架的行星/月球车典型的有 lunakhod-1，其八套悬架系统相互独立。采用非独立悬架的行星/月球车典型的有 Sojourner，其一侧悬架杆件相互耦联运动，左右悬架差速运动。与独立悬架相比，非独立悬架变形能力强，更具有适应崎岖路面能力，车轮负重更均匀，其杆件耦联作用更有利于越障。因此，综合两者优点，本文选择攀爬悬架独立而行走悬架非独立的综合型悬架。 5) 小车越障的平顺性(1) 找到一种悬架机构可以实现前轮、后轮向上运动时中轮向下运动，相反前轮、后轮向下运动时中轮向上运动，且具有较大的运动量。因为这样可以使主车体尽可能的保持水平，也就是最能够适应地形变化，如图 2-3 所示。 图2-3小车地形适应简图(2) 越障或路面不平时，应通过杆件被动自适应运动在一定程度上抵消地面不平度，保持载荷平台相对平稳；2.2.2 凸四边形弹簧悬架及平行四边形悬架模型综合考虑以上几点，提出凸四边形平行四边形组合悬架越障小车移动系统模型，结构如图 2-4 所示。连杆 1、连杆 5、连杆 8 的末端与车轮相连接（对称结构不复述见图）。连杆1、2、3、4铰接成凸四边形攀登悬架，连杆5、6、7、8铰接成平行四边形行走悬架。并分别由铰接点11、12和13、14固连在车体上。该悬架机构在遇到一定高低起伏的障碍后会自适应变形，表现顺序为首先：首部凸四边形的攀登机构适应地形地上下运动。而行走的平行四边形悬架平稳行进，尾部起到凸四边形机构支撑与稳定作用；然后首部恢复稳定状态，中部平行四边形悬架为适应地形发生变形，但中部铰接点竖直高度基本保持不变。尾部仍然其支撑作用。最后首部和中部均恢复稳定状态，尾部适应地形而上下起伏，维持车体的平衡状态。悬架系统通过这种顺序的变形，达到使车体维持平衡的要求。 图2-4 机器人小车结构简图2.2.3 机器人虚拟样机基于以上模型构想，为了对该悬架进行性能分析，设计了一台装配凸四边形和平行四边形组合悬架系统的越障车原理型样机。图 2-5 为原理型样机的三维模型图。 图 2-5 原理型样机的三维模型原理型样车的工作方式如下：1前进、后退：当所有驱动电机正、反转时，悬架在 6 个驱动轮的作用下向前移动，带动载荷平台向前、后移动；2转向：通过前后对称布置的攀登机构上安装的转向系统，以引导小车转向3越障：越障小车的驱动轮遇到障碍时，攀登悬架和行走悬架的变形和三星轮翻滚的共同作用使小车完成越障，并在一定程度上抵消障碍的不平度，使载荷平台相对平稳。3 重点悬架杆件的运动学分析3.1 攀登机构杆件运动关系方程组的建立在本文设计的越障机器人的悬架系统中，攀登机构的杆件几何尺寸对整体的运动能力的影响最大，故本文重点研究该部分悬架。首先建立攀登机构杆件运动关系方程组，如下图所示是越障小车攀登机构的受力简图，P点是车轮的铰接点b、c、d、e、h代表攀登机构的各杆件（其中d和h是固接为一个杆件）见图3-1 图3-1 越障小车攀登机构的受力简图13根据力学模型得杆件各数学关系： （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5） （3.6）引导轮轮轴中心（即图3-1中P点）的运动轨迹为： （3.7） （3.8）可见，P点的运动轨迹是以A为变量的方程。3.2杆件组几何尺寸优化3.2.1优化模型建立由上述力学模型得杆件各数学关系公式（3.1）(3.8)可知决定M点轨迹的设计变量有b、c、d、e、h。由机构学原理可知，四连杆机构的各杆件的几何尺寸决定了目标点的运动轨迹。本例中将结合越障小车的总体几何尺寸对连杆对该四连杆机构建立优化模型，对b、c、d、e、h进行优化。从越障小车性能要求的角度分析，要求引导轮运动轨迹一方面在水平位移一定的情况下垂直位移能尽量的大；另一方面引导轮在动作时，小车能尽量维持平衡。根据这些要求，本例提出以小车重心点在地面上的投影点为原点的一段圆弧作为引导轮的目标轨迹。见图3-2中粗线段。 图 3-2引导轮的目标轨迹示意图1）确定设计变量 如图3-1所示A为原动件摇臂c的转角，若取摇臂c的起始转角为A0，则： （3.9） 取A0=0 ，其中将由 设计的已知条件给出。铰接点12的位置将由车体的几何尺寸确定。 在无约束的情况下自由设计变量有b、c、d、e、h、。但是考虑到越障小车车体尺寸要求，需要将b、c、h、固化。 分别设置：b=150 c=180h=250=0 故最终设计变量为e、d两个。 记为： （3.10） 2）确定目标函数 目标轨迹圆弧方程为： （起始角度0终止角度30） 将摇臂c在预定轨迹下转过的转角分为s等分，得到点P的相应坐标Pi（XPi，YPi）（i=1,2s），又设预期圆弧轨迹pp上的s个点为pi（Xpi，Ypi）（i=1,2s），则要求连杆曲线PP最佳地逼近预期轨迹pp，具体可由连杆上的s歌点Pi最佳地逼近预期轨迹上的s个点pi予以实现。由此可按点距和最小原则建立如下目标函数： （3.11）上式等价于： （3.12） 3）确定约束条件由杆长必须大于零，及设计几何结构要求得： （3.12） （3.13） （3.14） 由上可知，这是一个三不等式约束的二元非线性优化问题。4）设计预期轨迹 pp： （起始角度0终止角度30） （3.15）已知铰接点12的坐标为：等分点数s=4 （3.16） （3.17）及轨迹pp上4个点坐标值列表如下表3-1 表3-1 及轨迹pp上4个点坐标值表i1234/（）0102030/（mm）550541.6516.8475.7/（mm）095.5188.1275将已知条件相应地代入（3.9）（3.15）各式，并用设计变量类表达，得攀登四连杆机构优化设计的数学模型： （3.18）即： （3.19）S.t. （3.20） （3.21） （3.22）其中： （3.22） （3.23） （3.24）初始点取： （3.25）3.2.2优化目标函数求解及最优化解将上述优化函数数学模型输入优化软件“1stopt”进行优化。得优化结果文件：迭代数：39计算用时（时:分:秒:毫秒）00:00:11:598计算中止原因：达到收敛判定标准优化算法：鲍威尔法+通用全局优化算法函数表达式：(250+180*cos(0)+250*cos(arccos(54900-54000*sin(0)+x(1)2-x(2)2)/(2*x(1)*sqrt(54900-54000*sin(0)+arccos(64800-54000*sin(0)/(360*sqrt(54900-54000*sin(0)-0)-550)2+(266+180*sin(0)+250*sin(arccos(54900-54000*sin(0)+x(1)2-x(2)2)/(2*x(1)*sqrt(54900-54000*sin(0)+arccos(64800-54000*sin(0)/(360*sqrt(54900-54000*sin(0)-0)-0)2)+(250+180*cos(pi/18)+250*cos(arccos(54900-54000*sin(pi/18)+x(1)2-x(2)2)/(2*x(1)*sqrt(54900-54000*sin(pi/18)+arccos(64800-54000*sin(pi/18)/(360*sqrt(54900-54000*sin(pi/18)-pi/18)-541.6)2+(266+180*sin(pi/18)+250*sin(arccos(54900-54000*sin(pi/18)+x(1)2-x(2)2)/(2*x(1)*sqrt(54900-54000*sin(pi/18)+acos(64800-54000*sin(pi/18)/(360*sqrt(54900-54000*sin(pi/18)-pi/18)-95.5)2)+(250+180*cos(pi/9)+250*cos(arccos(54900-54000*sin(pi/9)+x(1)2-x(2)2)/(2*x(1)*sqrt(54900-54000*sin(pi/9)+arccos(64800-54000*sin(pi/9)/(360*sqrt(54900-54000*sin(pi/9)-pi/9)-516.8)2+(266+180*sin(pi/9)+250*sin(arccos(54900-54000*sin(pi/9)+x(1)2-x(2)2)/(2*x(1)*sqrt(54900-54000*sin(pi/9)+arccos(64800-54000*sin(pi/9)/(360*sqrt(54900-54000*sin(pi/9)-pi/9)-188.1)2)+(250+180*cos(pi/6)+250*cos(arccos(54900-54000*sin(pi/6)+x(1)2-x(2)2)/(2*x(1)*sqrt(54900-54000*sin(pi/6)+arccos(64800-54000*sin(pi/6)/(360*sqrt(54900-54000*sin(pi/6)-pi/6)-475.7)2+(266+180*sin(pi/6)+250*sin(arccos(54900-54000*sin(pi/6)+x(1)2-x(2)2)/(2*x(1)*sqrt(54900-54000*sin(pi/6)+arccos(64800-54000*sin(pi/6)/(360*sqrt(54900-54000*sin(pi/6)-pi/6)-275)2)目标函数值（最小）：2.1645421145487E02X1=1.5132584687129E02X2=1.2948617845969E02即优化结果为： （3.26）对优化结果取整得 （3.27）即经过优化后的各杆件尺寸为：b=150 ,c=180 ,h=250,e=130,d=1504 高机动越障轮三星轮的设计4.1 三星轮越障能力分析越障小车车行驶时会遇到各种障碍，其中最为恶劣的障碍就是垂直障碍，所以越障小车越过垂直障碍的能力最能体现其越障能力的好坏。因此，本章中主要讨论三星轮越过垂直障碍的能力。由于小车在越过垂直障碍时车速较低，因此，在三星车轮不翻转(三星车轮翻转系指其3个驱动车轮中的2个着地车轮由于系杆的转动而改变着地顺序。虽然系杆转动,但是没有改变车轮着地顺序的转动不叫做三星车轮翻转)越过垂直障碍的情况下(此时称为爬过垂直障碍)，可以用静力学平衡方程求得三星车轮可以爬过的垂直障碍物高度与车辆参数间的关系，及在何种条件下须三星车轮翻转才能越过障碍。为确定三星轮式月球车的垂直越障能力,通过简化力学模型,讨论单个三星车轮可以爬过的垂直障碍高度与车辆参数之间的关系。1）单个三星轮不翻转越障分析如图4-1给出了单个三星轮遇到垂直障碍的临界受力情况，其力学平衡方程为： （4.1） （4.2） （4.3）式中N1为垂直障碍作用在右行走轮上的反作用力；N2， N3 ，N4 为轮2,3,4 的地面反作用力；N5为后轴载荷。 图4-1单个三星轮遇到垂直障碍的临界受力情况右前三星轮在越障时，轮1和轮2是同一个电机驱动的，因而扭矩是平均分配的11，且轮1和轮2 上的相同。则有： （4.4）同样，设右前行星轮单独越障时有： （4.5） （4.6） （4.7）（1） 当N1 N2时 N2= N1sin+ N2cos （4.10） （4.11）将式（4.7）（4.10）代入（4.2）中，并考虑到解得： （4.12）联立式（4.11）和（4.12）有cos=+sin （4.13）由此可见，无论N1 N2还是N1 N2，单个行星轮越障时可以爬过的垂直高度均可用（4.13）的表达式表示，又由图中几何关系可知 （4.14）将式（4.14）代入式（4.13）解得： （4.15）如果单个车轮遇到的障碍垂直高度大于，就需要三星轮翻转来越过垂直障碍。2）三星轮的极限垂直越障高度 当小车三星轮遇到垂直障碍高度大于时，三星轮就要通过翻转来越过障碍，其极限值Hmax可用下式表示： （4.16） 式中R为行星轮中系杆的半径，D为小轮的直径 将D=80，R=53.5代入（4.16）得Hmax=132.7mm，即本文所设计的三星轮理论最大越障高度为132.7mm4.2 三星轮行星轮系的设计由上一节对三星轮越障性能的分析可知，三星轮最大垂直越障高度取决于：行星轮中系杆的半径R和小轮的直径D。因此，在设计三星轮时在考虑车体总体尺寸的情况下，应该尽量优化R和D的尺寸。本文通过三维建模和分析确定三星轮各这要尺寸如下： 表4-1 各齿轮参数太阳轮行星轮一行星轮二模数1.5齿数181719传动比1.056 1)齿轮设计:太阳轮齿轮选用硬铝合金LY11，使用普通平键（键4x8）与轴连接详细参数见工程图RWJ00.01.01。舵轮齿轮选用硬铝合金LY11，使用滑动轴承与轴连接（尼龙6 6x8x5）详细参数见工程图RWJ00.01.02。行星轮齿轮选用硬铝合金LY11，使用普通平键（键4x8）与轴连接详细参数见工程图RWJ00.01.03。2）轴设计太阳轮轴一方面与齿轮连接，一方面与轴承连接，还要与联轴器连接，综合考虑以上因素设计图4-2所示的轴体，选用45号钢，轴设计的具体参数请见工程图RWJ00.01.04。 图4-2 太阳轮轴三维模型 舵轮轴一方面与齿轮通过过盈配合连接，另一方面与滑动轴承连接，综合考虑以上因素设计图4-3所示的轴体，选用45号钢，轴设计的具体参数请见工程图RWJ00.01.05。 图4-3 舵轮轴三维模型行星轮轴一方面与齿轮连接，一方面与轴承连接，还要与橡胶轮连接，综合考虑以上因素设计图4-4所示的轴体，选用45号钢，轴设计的具体参数请见工程图RWJ00.01.06。图4-4 行星轮轴三维模型4.3 三星轮壳体设计及轮胎选型由于越障搜索机器人工作环境一般比较恶劣，存在废渣，粉尘等污染物。为尽量避免这些污染物进入三星轮轮系，这里设计封闭式的壳体，。壳体由主壳体和盖板组成，主壳体同时充当行星架的作用。为了尽量减轻其质量并保持有足够的其强度，壳体选用硬铝合金LY11，壳体详细设计参数请见工程图RWJ00.01.07和RWJ00.01.08。考虑到行星轮系的尺寸约束，行走轮这里选取普通橡胶轮，轮径80mm。将D=80，R=53.5代入（4.16）得Hmax=132.7mm。即本文设计的三星轮最大垂直越障高度为132.7mm如图4-5所示为三星轮实体建模： 图4-5三星轮实体模型4.4 基于UG NX7.0的齿轮参数化设计UG是当今世界上最先进的CAD/CAM软件之一，广泛用于航空、航天、汽车、机械、模具和家电等领域。随着软件应用面得扩大，以及各个专业领域对UG软件应用的不同要求，越来越多的用户希望在UG软件平台的基础上通过二次开发来实现专业化，智能化和高效化的定制，从而提高其产品研发的速度与质量。EDS公司为UG提供了功能强大的二次开发接口UG/open，所开发的应用程序可以和UG很好的融合。本文中，在对小车进行三维建模时，通过编写UG/Open Grip程序实现了直齿圆柱齿轮的参数化设计，大大的化简了建模难度，提高了建模速度。下面就简要分析一下UG/Open Grip程序编制过程：1）创建单齿曲线 单齿曲线包括渐开线、齿根过度曲线，齿顶圆弧和齿根圆弧，其中剪开先和齿根过度曲线是创建齿轮模型的关键。由机械原理可知，渐开线的极坐标方程为： （4.17） （4.18）式中：rb为基圆半径 rk为渐开线上任意点K的向径 k为渐开线在K点时的压力角 k为渐开线上K点的展角根据（4.17）、（4.18）采用样条曲线拟合的方法生成渐开线。首先计算出齿廓曲线上若干点的直角坐标，然后绘制通过上述点的样条曲线，利用样条曲线代替渐开线。在拟合过程中，拟合点越多生成的样条曲线越逼近真实的渐开线。由于基圆内没有渐开线，所以当齿数z41时，dfdb，齿轮的的齿廓曲线由 2 部分组成。基圆与齿顶圆间的曲线为渐开线，基圆与齿根圆间的曲线不参与轮齿的啮合，其过度曲线可以采用一段圆弧来代替10。齿顶圆和齿根圆以外的曲线，便可得到单侧齿廓曲线。连接原点和分度圆与渐开线的交点生成一条直线,将这条直线旋转90/z , 然后以生成的直线为镜像中心线镜像生成另一侧齿廓曲线。接着绘制齿顶圆弧和齿根圆弧，至此完成了单齿曲线的绘制。单齿曲线程序设计流程如图4-6所示,生成的单齿曲线如图4-7所示。 图4-6 齿曲线程序设计流程图 图4-7 单齿曲线2）UG/Open Grip 程序编译和齿轮实体生成根据流程,在记事本中用 Grip 编写齿轮参数化设计程序，并把该文件保存为“*.grs”文件（本文中保存为“gear.grs”，程序代码见附录）。通过UG自带的NX Open Grip进行编译和连接生成“gear.grx” 文件。保存到指定目录下。打开UG NX 7.0 通过“Ctr+g”进行“