六履带摆臂式搜救机器人的设计（全套含CAD图纸）
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摘 要 本文首先介绍了近年来我国煤矿生产中发生的安全事故和造成的人员伤亡情况，阐述了研发煤矿救灾机器人的重要性和紧迫性。在对多种移动机器人的结构形式进行分析的基础上，设计了一种六履带式摆臂行走方案。 其次，本文研究了六履带摆臂式搜救机器人在不同环境下的机身姿态与行进步态，给出了六履带摆臂式搜救机器人的运动分析结果，探讨了几种典型的变形摆臂方式，通过对其行走机构的分析，设计计算了主驱动轴，传动锥齿轮及从动轮等，使其功能更能有效的体现。然后，根据机器人的驱动要求，设计了硬件电路，系统采用 制模式，可 以依据需求扩展各功能模块。 最后，我们验证了本文设计的六履带摆臂式搜救机器人可以 在井下复杂环境中实现爬“阶梯”，越“台阶”，翻越障碍、跨越壕沟等自适应非结构地形的能力。 关键词 ： 安全事故 ； 六履带摆臂； 搜救机器人； 制 of a of of of of on a of of in of of a of so it to LC be on we of be in 目 录 1 绪论 . 1 . 1 题的背景和意义 . 2 . 4 . 4 . 7 . 7 . 9 . 9 . 10 . 10 2 六履带摆臂式搜救机器人的总体机构设计 . 11 . 错误 !未定义书签。 . 13 . 13 . 14 . 14 . 16 . 17 3 机构的选择与计算 . 18 . 错误 !未定义书签。 . 19 齿锥齿轮的设计与校核 . 21 动轮轴的设计与校核 . 27 . 29 . 31 . 32 机选择 . 32 形带的选择 . 33 4 电气控制 系统设计 . 37 进电机简介 . 38 形分配器 . 38 脚图 . 38 要管脚作用 . 39 值表 . 39 率驱动器 . 40 . 40 !未定义书签。 参考文献 . 50 文献翻译 . 52 英文部分 . 52 中文部分 . 62 致 谢 . 68 1 1 绪论 言 人类在征服自然和推动社会进步的过程中，面临着自身能力、能量的局限，因而发明和创造了许多机器人来辅助或代替人类完成任务。机器人，是这种机器的最理想形式，也是人类科学研究中所面临的最大挑战之一。 六履带摆臂式搜救机器人是机器人学中的一个重要组成部分，它是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合智能控制系统。从现实中，履带式机器人包括侦察机器人、巡逻机器人、爆炸处理机器人、和步兵支援机器人和复杂环境下搜救机器人等，用来代替深入敌方或危险的环境下去侦查或搜集资料、排除爆 炸物等工作，能够在很大程度上减少人员的伤亡，在现代和未来的战争中起到越来越重要的作用。民用履带式机器人被广泛用于工业生产以及各种服务领域，如生产线传输、仓物物品搬运、清扫、割草、室内传送、导盲、导游导购、室内外清洗和搜救复杂环境下的资料等各个方面。 但国内对这机器人研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主要的研究工作有：清华大学智能移动机器人于 1994 年通过鉴定。涉及到五个方面的关键技术：基于地图的全局路径规划技术研究（准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形 环境下的全局路径规划）；基于传感器信息的局部路径规划技术研究 ;路径规划的仿真技术研究（基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟）；传感技术、信息融合技术研究（差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光吗盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术）；智能移动机器人的设计和实现（智能移动机器人 体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统）。上海交通大学的地面移动消防机器人已投入使用。北京理工大学、南京理工大学等单位承担的总装 项目“地面军用机器人技术”研究也是以卡车、面包车作为平台来研究的，是大型智能作战平台。香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人。中国科学院沈阳自动化研究所的 防爆机器人。中国科学院自动化自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导 2 航系统。哈尔滨工业大学于 1996年研制成功的导游机器人等。 题的背景和意义 在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，现阶段煤矿事故频频发生，对煤矿救灾工作的研究显得越来越重要，而传统的煤矿救灾方法具有高危险性和低效率性等缺点 ，为了实现高的安全性能和提高效率必须开发出新型的煤矿救灾方法。于是运用人工智能手段实现的煤矿救灾机器人的开发势在必行。 在灾难发生的煤矿等环境恶劣的地方，灾难救援中，救援人员只有非常短的时间，这个时间一般在两天左右，用于在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。 在这种紧急而危险的环境下，救灾机器人可以为救援人员提供帮助。 因此，将具有自主智能的救灾机器人用于危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救” ( 存者，是机器人学中的一个新兴而富有挑战性的领域。 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 100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 3 事故危害性，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 (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。 (3)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。 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。 尘灾害。根据瓦斯 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/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服，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。 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。 4 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。 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。 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，这也正是我们需要立项研究的意义所在。 履带摆臂式搜救机器人研究现状及发展趋势 履带摆臂式搜救机器人的研究现状 从 20世纪 60年代到 70年代，迅速普及并实用化 的工业机器人给人的印象只是自动机械手。广泛开展机器人移动功能的研究和开发是进入 20世纪 80 年代以后的事。现在作为移动机器人而开发试制的移动机械种类已远远超过了机械手。特别是履带式机器人，它不仅是生物体中没见过的移动形态，而且能够在复杂的底面行进。 履带式机器人因采用履带传动方式而得名。履带传动方式又叫循环传动方式，其最大特征是将圆状的循环轨道履带卷绕在若干车轮上，使车轮不与地面直接接触，利用履带缓冲地面而带来的冲击，使机器人能够在各种路面条件下行进。 到目前六履带摆臂式搜救机器人还是局限于单个或两个自由度。 其系统主 5 要由机器人的机械本体、控制系统、导航系统等部分组成。六履带摆臂式搜救机器人的研究涉及以下几个方面，首先是移动方式的选择。对于履带式移动机器人，可以是轮履复合式、两履带式、四履带式等。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的目标。第三，必须考虑导航或路径规划，如传感信息融合，特征提取，避碰以及环境映射。第四，必须考虑摆臂角的原理，这方面需要重点考虑，因为靠其臂的调整来改变自身高度以越障这种机器人的最大特点，结构形式对机器人稳定性，功能特点都有着极大的决定作用。对于这些问题的研究，可归结为：机械 结构设计、控制系统设计、运动学与动力学建模、导航与定位、多传感器信息融合等。 下图为美国及其它国家在研的各种履带式可变形机器人： （ 1） 美国的 拆弹专家 ： 如图 1111示，这是美国 一种较小型 “器人，现服役于美国军队，这个 “配了一个爆炸物感应系统，有效地探测炸弹。目前这种测试系统还处于实验阶段。 “器人还以进行挖掘和拆弹工作。配备了称为 “工程师的全套工具 ，可以对土壤进行挖掘，然后举起相当于自身重量 2倍的炸弹。 图 1种 机器人是一种小型地面探测车，重量仅为 30 磅。它带有一个称为 “头部，还有一个相机、一个红外感应器和一个可即时传送影像的摄像头 。 图 1 产的 “器人配备了两个全自动、自动装弹、可遥控的 12杆 机抢，重量为 250磅。这种机枪被称为 “锤子 ”（ 目前还处于实验阶段 。 图 1 图 1 6 图 1器人 图 1器人 （ 2） 德国 爆机器人： 仅在一两年前，德国公司出品了一款防爆机器人，现在 2006 年的新一代机器人已经上市了，其结构比以前的更加轻便，体积更小。这款机器人依靠一个灵活的小型系统有了和一些大型机器人一样的功能。 这款机器人依靠一个灵活的小型系统从而有了一些与大型机器人类似的功能，所以它小得以至于可以在 地铁车厢或者飞行工具里操作，同时又足够大得可以直接处理一些在所有现行飞机的头顶贮藏室里的可疑项目处理。 这款产品具有很大的创新价值，经过数十年经验的累计取得了变结构设计领域的重大发展。 图 1-5 走姿势 图 1紧凑姿势 7 它的机械结构由 4 个独立履带齿轮驱动技术提供了非凡的移动力，它可以爬坡 45 度，并且可以越障 500高度，它做的比其它很多类似机器人都好，它的可伸展的上臂加上一个高度可调的地盘，给予了这款机器人一个可达到的非凡的垂直高 度 2350的钳子可以吊起重达 5就意味着它可以装配弹道系统和其它工具。 履带摆臂式搜救机器人的发展趋势 通过对国内外六履带摆臂式搜救机器人的现状的分析，可以看出六履带摆臂式搜救机器人今后的发展有以下几个方面的趋势： （ 1）结构上，趋向小型、微型。 （ 2）运动上，趋向全方位，更灵活，更具自主性。现有的履带移动机器人，局限在一般的地面环境里，以后会要求机器人能在越来越多的环境中实现多维运动、过渡运动，能够对环境进行识别，能适应未知环境。 （ 3）在用途上，趋向于功能多功能化。比如拓 展其应用到军事上，用于军事侦察，甚至于军事攻击。 履带摆臂式搜救机器人的运动特性 （ 1）平面运动及转弯 平面运动及转弯是机器人最基本的运动方式，当机器人两侧的履带同向等速运动时，实现直线行走功能，当两侧履带反向等速运动可实现机器人原地零半径回转，不同速度同向运动可实现机器人任意半径转向。图 1a）、图 1b）为四摆臂履带单元同时着地，增大了机器人与地面的接触面积，可以使机器人适应松软、泥泞和凹凸不平等地形环境； 图 1a） 图 1b） 图 1c）、图 1d）、图 1e）中前摆臂或后摆臂抬起或前后摆臂同时抬起一定的角度，当遇到小坡度的斜坡时，可直接爬坡而不必采取其他动作，从而可降低对驱动控制系统要求； 8 图 1c） 图 1d） 图 1e） 图 1f） 为四摆臂单元向上摆到中间位置，可实现机器人小空间转向运动。 图 1f） 机器人爬 坡时，其基本姿态可以应用图 1g）的形式。当坡度较大时，图 1h）和图 1i）是比较好的选择，这两种方式可使机器人重心位于稳定状态之内，从而保证机器人顺利爬坡。 图 1g） 图 1h） 图 1i） （ 2） 自撑起及涉水 救灾机器人的主要控制系统和检测元件均安装在中间箱体中，为了避免在运动中被撞击和浸水，机器人可以通过 4 个摆臂单元向下摆动支撑起箱体，抬高中间箱体的高度。 4 个摆臂以各自不同的摆动角度向下摆动时可使机器人实现各自位姿的变化 ，从而达到使中间箱体位于不同高度的效果。当 4 个摆臂单元将箱体向上抬起，机器人整体重心位置被抬高到一定的高度，通过 4 个摆臂履带的卷绕运动，机器人可以涉过水域。 （ 3） 越障 机器人利用摆臂形成钱攻角进行越障，可爬越高于自身高度的障碍物。由于机器人摆臂能把车体抬起，当障碍物高度超过摆臂主从动轮中心距时依然可以通过有效的动作序列来越过。图示（ a） -（ h）表示机器 9 人越过高障碍物的一般过程。履带在借助齿形对障碍物的抓爬力来实现不断地向上攀爬，与此同时后摆臂向下摆动以使车体抬升，当摆到与地面垂直时后摆臂停 止摆动。当主履带爬到障碍物上面时，前摆臂向前向下摆动并支起车体，机器人继续前进，以使其重心越过台阶。重心越过台阶之后，前摆臂向前向上摆动直到与地面贴合为止，同时后摆臂向后向上摆动与车体成一后攻角为止，此时机器人已顺利越上台阶。整个过程中，履带始终向前爬行。 图 1灾机器人越障过程 题研究内容及意义 题研究的主要内容 (1)对现有的六履带摆臂式搜救机器人的结构进行深层分析。结合结构对机器人的控制进行了策略研究，为六履带摆臂式搜救机器人的研制提供一定的理论 框架支持。重点从结构上解决驱动、摆臂、履带张紧等实际问题，提出框架长度变化的问题。 (2)对六履带摆臂式搜救机器人进行结构分析，对系统中的重要及关键零部件进行力的校核，从理论上验证机构设计的合理性及可行性。 10 题研究的目的与意义 研制一种可以在狭小低矮空间机动行驶并具有一定越障能力的六履带摆臂器人。该机器人可以通过改变自身高度以适应不同环境的要求，既可以以较低的整体高度在狭小空间内工作，又可以通过调整自身高度翻越障碍，从而克服了传统微小型地面移动机器人环境适应能力差的缺点。 以国内外同类机器人的结 构特点，研究六履带摆臂式搜救机器人实现摆臂的原理与条件，通过对比分析，确立六履带摆臂式搜救机器人的总体设计目标、技术要求和性能指标；在上述工作的基础上，提出六履带摆臂式搜救机器人的总体结构方案，对机器人的工作和运动机理进行详细分析，进而根据机器人整体的技术要求和各构件间的相互关系，确定机器人结构尺寸，最后完成机器人驱动传动系统的设计和电机选型，并对整体方案的进行严密检查。 根据现代人类对复杂环境使用机器人的依赖，设计了一种新的运行方式，它对复杂环境具有很好的适应性，针对这种探测机器人开展的研究为我国未来的机 械化搜救机器人设计提供了必要的理论参考。本课题不仅具有理论价值，而且具有实际的应用意义。 矿救灾机器人的功能参数 由对井下发生灾害后的分析可知，机器人如果要代替或辅助救护队员进行救灾工作，井下的特殊环境要求救灾机器人形体要小，运动灵活，具有通过狭小空间、碎煤和岩石区的能力，较强的越障、爬坡能力，以及防爆、防水、耐高温等功能。 基于对煤矿井下环境的了解，本课题救灾机器人设计参考值如下： 体 20重 35 *宽 *高）：约 450*250*15 摆臂收起时 ) =18m/30度（一般矿井） 主要任务及功能参数有以下几个方面： 采用的行走系统、越障形势等能够适应井下灾区的非结构地形（复杂、未知、多样的地形）。移动系统具有良好的地形适应性，地面附着能力强、动载荷小，且可通过性好、结构紧凑。 量在 20 公斤以内。 11 动副、动力系统要进行密封、防水和防爆设计。 80 型化、轻量化，采用统一的机构接口，最大程度提高系统内部件的通用性和互换性。 此外，在电子系统上，为了能够使地面指挥人员及时了解受灾情况，制定救灾方案，机器人应能够搜集灾区的多种相关参数，包括甲烷浓度、一氧化碳浓度、氧气浓度、粉尘浓度、温度等；能够实时传输、记录和再现灾区视频；能够与灾区幸存人员进行双向通话。 步设计选择如下： （ 1）机器人可以在复杂的环境中进行搜索，所以为了便于行动，选择了履带式行走方式。 （ 2）为了增加其越障能力，所以将履带式与摆臂式巧妙的 结合在一起，转臂的旋转角度设计为 0 360。 （ 3）由于环境的未知性比较大，所以初步设计用全履带，即履带包裹着机体。这样不管在什么情况下，车体以任何方位与地面接触都是履带接触的，这样就可以极大的减少翻车和被异物卡死情况。 12 2 六履带摆臂式搜救机器人的总体机构设计 履带摆臂式搜救机器人的机械设计概述 机器人机械设计具有机电一体化的特点，它在结构紧凑性、灵巧性以及特殊性方面比一般机械设计有更高的要求。机构设计是本课题机器人系统设计的基础，整机机械结构、摆臂角度、驱动方式和传 动机构等都会直接影响变结构机器人的运动和动力性能。然而，六履带摆臂式搜救机器人机构设计除了需要满足系统的技术性能外，还需要满足经济性要求，即必须在满足机器人的预期技术指标的同时，考虑用材合理、制造安装便捷、价格低以及可靠性高等问题。机器人的机械设计可以从一下四个方面考虑： （ 1）机器人的应用和可行性 研究现有同类机器人的产品性能和特点，进行可行性调查，论证技术上是否先进，是否可行；核算经济上的成本；明确机器人应用的领域，实现什么样的功能。 （ 2）明确机器人的设计要求 确定工艺过程、动作要求和有关参数，并对机 器人的工作环境进行分析。 （ 3）明确功能、性能指标和技术参数 了解国内外同类机器人的水平和研制的技术难点，结合现有的工作条件和功能要求，明确提出设计的机器人具有的功能、性能指标和技术参数。这一步至关重要，因为所有的设计都是围绕着这个中心来设计的。 本文以六履带摆臂式搜救机器人的灵活性和实用性为目标，完成六履带摆臂式搜救机器人的机械结构设计优化，并进行运动学分析。本文的目的就是完成机构系统设计的主要工作，这些内容直接影响六履带摆臂式搜救机器人的控制系统的设计、影响六履带摆臂式搜救机器人的整体运动、动力性能。其 意义在于为六履带摆臂式搜救机器人的摆臂原理和合理结构设计提供理论依据，为六履带摆臂式搜救机器人的研究提供了共性技术基础和途径，也进一步完善了我国六履带摆臂式搜救机器人研究体系。 13 体结构设计的依据与组成 构设计的依据 如果将六履带摆臂式搜救机器人分为行走装置、动力装置和传动装置等部分。那么对其功能要求可以归纳为： （ 1）具有一定的承载能力，运动灵活。 （ 2）能向前、向后行驶，转弯，有一定的避障、攀登台阶能力。 （ 3）重心要低，以保持车体行驶稳定。 图 2灾机器人机构 设计 其结构特点：机器人由 6 个履带单元及箱体等部分组成。采用模块化设计，按左右对称式结构布局，分为左、右 2 个主履带单元，前左、前右、后左、后右四个摆臂单元和箱体，如图 2示。中间箱体可以装载各种探测仪器和设备，用于完成各项侦查任务，是机器人的运载平台，在运动中一般保持水平姿态； 2 个主履带单元用于提供机器人主驱动力，4 个摆臂单元可以绕各自回转中心轴转动，给机器人提供额外辅助运动，提高地形适应能力。机器人通过箱体内的两台主驱动电机，减速后通过履带驱动轮，直接驱动 6 个履带进行卷绕运动，实现机器人前进和后退 。 14 动结构设计 传动机构用来把驱动器的运动传递到关节和动作部位。机器人中常用的传动机构有齿轮传动、螺旋传动、带传动、链传动、流体传动和连杆机构与凸轮传动。 电动机是高转速、低转矩的驱动器，而我们所设计的变结构机器人却要求低转速，高转矩 们选用了齿轮传动机构来完成速度和力矩的转化与调节 合车体的高度，初定 传动比为 1： 3，大轮直径为 85 100 图 2动设计图 带式行走方式设计 履带式行走方式也称为无 限轨道方式，其最大特征是将圆环状的无限轨道，履带卷绕在多个车轮上，使车轮不直接与路面接触。在野外凹凸不平或松软路面上上作时，轮式移动就显得非常吃力，而利用履带可以增大轮子与路面的接触面积，缓冲路面状态，实现机器人的平稳运动。军用机器人和那些使用场所不固定的机器人常采用这种移动方式。 表 2其它行走方式与履带式的特点对比： 表 2各移动方式行走方式特点 15 方式 车轮式 履带式 脚足式 原理 配置多个轮子，每个轮子用电机驱动 电机驱动两个无轨道履带 通 过 多 个 脚 反复吸附与 脱落移动 特点 移动速度快，便于控制，着地面积小，维持一定的摩擦力比较空难 着地面积大，对壁面适应性强，携载能力强，体积较大，不易转弯 间歇式移动，移动速度慢，携载能力较强 履带式行走方式还有如下特点： （ 1）支承面积大，接地比压小。路面粘着力强，越野机动性好。 （ 2）履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大牵引力。 （ 3）用两个电机驱动两条履带从而实现了原地转弯，利用履带可以缓冲路面状态。 （ 4）比较稳定，容易爬坡，履带本身给车轮起铺路的作用。 通过对上述移动机器人各种移动机构 进行分析，并针对本课题对机器人机动性、可控性和稳定性的要求，我们设计了类似于齿形带的行走履带，履带内齿面为齿形带标准齿形，外齿面（着地面）采用矩形截面齿形，以提高其攀越障碍的能力。工作时，带齿与带轮的齿槽相啮合，是一种啮合运动，因而具有带传动的优点，如耐屈挠性能、伸长率小、强力高等。 从攀越障碍、防止打滑以及履带式独特的转弯方式角度分析， 驱动轮位于机体后部，其齿形为标准齿形带轮齿形，带挡边，以限制履带横向移动。转臂前端的转臂轮以及诱导轮在结构上与驱动轮完全一致。机体前部的底轮为带挡边的光轮，直径与驱动轮相 同。综合底盘离地高度和机器人整体高度，初步设计驱动轮直径为 75 带式行走机构在机械行业已经得到了广泛的应用，影响其行走的因素不仅和机械的机构、参数有关，而且还和地面土壤的性质有着密切的关系。设计时要综合的 16 m a x( 1 ) ( / 2 ) /R B B m a 9 2 5 0 . 1 5 / 分析和研究，认真分析各项技术参数，才能保证履带行走机构使用状态良好，完全满足使用要求。 器人转向受力描述 履带机器人转向过程中，履带接地段相对于地面存在侧向运动，地面产生阻止履带侧向运动的侧向反力，该侧向反力为履带机器人转向时的转向阻力。外力主要由滑动摩擦阻力，剪切阻力，刮土阻力组成。 滑动摩擦阻力：其组成包括：履带齿与地面之间的滑动摩擦力。粘于履带齿之间的土壤与地面之间的滑动摩擦力；履带两侧封闭面板与地面之间的滑动摩擦力。这些阻力的大小与履带接地段的法向反力、履带与地面的摩擦系数有关，而与转动半径无关。 剪切阻力：当机器人转向时，履带接地段发生转动，履带齿断面便在履带轨迹切线方向上剪切或推动土壤，就像土壤被履带齿断面剪切开，土壤相应产生反抗，因而产生了剪切阻力，该阻力的大小与地面性质、法向负荷、履带板结构以及转向半径等因素有关。 刮土阻力：机器人在地面（非绝对硬质地面）上转向时，由于地面 形变和被履带齿和履带板挤碎和剪切下来的土壤，会形成堆积履带封闭面板两侧的障碍，机器人要继续转向，履带就要推动着这些障碍一起旋转，并不断再击碎、碾过，因而形成了刮土阻力。刮土阻力的分布和摩擦力不同，其大小与地面性质、法向负荷、履带板结构、转向角度、转向速度以及转向半径等因素有关。 由于上述三种横向阻力与众多因素有关，故机器人转向时所受侧向力十分复杂，一般采用转向阻力系数 对转向阻力进行描述， 的物理含义定义为转向阻力与履带接地段法向反力1 。根据转向阻力测试实验结果可以给出计算平均转向阻力系数 值的经验公式： （ 2 其中，车辆作制动转向时的最大转向阻力系数，改值由实验球得。 数 0 0 ，取 ，上式简化为： （ 2 17 器人转向受力描述 在履带式机器人以零半径和任意半径 弯时所受转向阻力分析方法基本一样，此处以履带式机器人特有的零半径转弯为例分析。机器人在水平地面上匀速转向时，地面法向负荷沿履带接地段均匀分布，车辆重心和几何中心在水平投影面内重合，受力情况（在机器人平面上投影）如图所示。由于地面法向负荷均匀分布，根据转向阻力的定义可知转向内外侧履带的转向阻力分布完全相同，履带接地段得侧向运动在转向中心线两侧改变方向，转向阻力也相应改变方向，和侧向运动方向相反。机器人长为 L，两侧履带几何中心的距离为B。 图 2向受力分析 单条履带接地段单位长度上法向反力为：1 / (2 )F G L（ 2 18 履带内外侧所受转向阻力为： 1 ( / 2 ) / ( 2 ) ( / 2 )/4r i r F L G L （ 2 不难看出，上式除定性的假设前提外，还应该有 0，也就是机器人受的侧向力只有转向阻力而忽略离心力。即本课题所研究的小型机器人在转向时，转向中心线过机器人的几何中心，与机器人的横向对称线重合。 3 机构的选择与计算 言 稳态下研究 的机器人运动学分析只限于静态位置问题的讨论，未涉 19 及机器人的运动的力，速度，加速度等动态过程。实际上，机器人是一个复杂的动力学系统，机器人系统在外载荷和关节驱动力矩的作用下将取得静力平衡，在驱动力的作用下将发生运动变化。机器人的动态特性不仅与运动学因素有关，还与机器人结构形式、质量分布、执行机构的位置、传动装置等对动力学产生重要影响的因素有关。 机器人动力学主要研究机器人运动和受力之间的关系，目的是对机器人进行控制、优化设计和仿真。机器人动力学主要解决动力学正解和逆解两类：动力学正解是根据各连接位置的驱动力， 求解机器人的运动（位移、速度、加速度），主要用于机器人仿真；动力学逆解是已知机器人关节位移、速度、加速度，求解所需要关节力或力矩。 机器人是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，简化解过程，最大限度的减少工业机器人动力学在线计算的时间是很有必要的。 由上一章的分析及有关数据，本章对其中几个主要结构进行详细计算。 料的选择 选择机器人本体材料应从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制作要求。机器人本体用来支承、连接，固定机器人的各部分，当然也包括机器人 的运动部分，这一点与一般机械结构特性相同。机器人本体所用的材料也是结构材料，但另一方面，机器人本体又不单是固定构件，比如机器人转臂是运动的，机器人整体也是运动的。所以，机器人运动部分材料质量应轻。 精密机器人对于机器人的刚度有一定的要求，即对材料的刚度要求。刚度设计时要考虑静刚度和动刚度，既要考虑振动问题。从材料角度来看，控制振动涉及减轻重量和抑制振动两方面，其本质就是材料内部的能量损耗和刚度问题，它与材料的抗振性紧紧相关。另外人们对于现代机器人的外观更加要求美感，所以机器人材料又应具备柔软和外表美观的特点 。 总之，正确选用结构件材料不仅可以降低机器人的成本价格，更重 20 要的是可以适应机器人的工速滑，高载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学特性要求。随着材料工业的发展，新材料的出现给机器人的发展提供了宽广的空间。 与一般机械设备相比，机器人结构的运动学特性十分重要，这是材料选择的出发点。材料选择的基本要求是： （ 1）强度高 机器人转臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人转臂的强度条件，而且可望减少转臂界面尺寸，减轻重量 . （ 2）弹性模量大 由材料力学的知识可知，构件刚度 (或变形量 ) 与材料的弹性模量E 、 G 有关。弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料的弹性模量差别很大。 （ 3）重量轻 机器人转动变形中所需要的驱动力矩直接和转臂重量相关，所以它影响着电机的选择。因此我们应该选择高弹性模量低密度的材料。 阻尼大选择机器人的材料不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人转臂经过运动后，要求能平稳的停下来。可是在终止运动瞬间构件会产生惯性力和惯性力矩，构建自身又具有弹性，因而会产生残余振动。从提高定位精度和传动平衡性考虑，希望采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。 （ 4）材料 经济性 材料价格是机器人成本价格的重要组成部分。 本文所选择的铝合金材料重量轻，价格适中，虽然弹性模量不太大，但是材料密度小，铝的密度约为 103kg/ E/P 之比可与钢材相比 铝比重小，重量轻，可以用来代替钢铁。它不仅能使设备重量减轻很多，而且强度高，不怕腐蚀，因而用途广泛。铝的强度不算低，当加入少量铜、锰、硅、镁等元素形成合金后，其强度又显著提高，经过一定的处理，甚至超过了一些钢的强度，但重量却比钢轻很多。铝的导电性能也很好，虽比铜要差却好于铁，但它的质量 只有铜的 2/3 倍，并且铝导线散热快，能通过较大电流而不会被烧坏。再加上价格便宜。铝的 21 导热性能好，几乎是铁的 4 倍，散热性能好。铝容易加工成型，可压成薄板或拉成细丝。铝容易与氧发生反应而在表面生成一层坚韧的氧化膜。这层膜性质稳定，有较强的抗腐蚀能力，因而防腐能力强。铝是非磁性金属，可防止复杂环境中的很多磁干扰。 齿锥齿轮的设计与校核 由于锥齿轮沿齿宽方向截面大小不等，引起载荷沿齿宽方向分布不均，其受力和强度计算都相当复杂，故一般以齿宽中点的当量直齿圆柱齿轮作为计算基础。 图 3齿锥齿轮传动的几何参数 直齿锥齿轮的几何参数有： 分度圆锥角： 齿数比： （ 3 22 当量齿数比： （ 3 锥距： （ 3 齿宽系数： （ 3 齿宽中点直径： （ 3 齿宽中点模数： （ 3 当量齿轮直径： （ 3 （ 3 锥齿轮用于传递两相交铀的运动和动力。其传动可看成是两个锥顶共点的圆 锥体相互作纯滚动 ,，如下图所示。两轴交角 = 1+由传动要求确定，可为任意值，常用轴交角 90。锥齿轮有直齿、斜齿和曲线齿之分，其中直齿锥齿轮最常用，斜齿锥齿轮已逐渐被曲线齿锥齿轮代替。与圆柱齿轮相比，直齿锥齿轮的制造精度较低，工作时振动和噪声都较大，适用于低速轻载传动； 23 曲线齿锥齿轮传动平稳，承载能力强，常用于高速重载传动，但其设计和制 造较复杂。本课题只讨论两轴相互垂直的标准直齿圆锥齿轮传动。 直齿锥齿轮的正确啮合条件为：两锥齿轮的大端模数和压力角分别相等且等于标准值，此外，两轮的锥距还必须相等。 一对标准直齿圆锥齿轮传动，其分度圆直径分别为： 。 一对标准直齿圆锥齿轮传动的传动比： i= 1/ 2=2=d1/d 2= = 1+ 2=900) 在设计直齿圆锥齿轮传动时，可求出两轮的分度圆锥角。通常直齿圆锥齿轮的齿高由大端到小端逐渐收缩，称为收缩齿圆锥齿轮。这类齿轮按顶隙不同又可分为不等顶隙收缩齿，和等顶隙收缩齿两种。由于等顶隙收缩齿增加的小端的顶隙，改善了润滑状况；同时还可降低小端的齿高，提高小端轮齿的
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