机械毕业设计（论文）-双摆臂履带式搜索机器人行走机构的设计【全套图纸】.pdf

图书分类号： 密 级： 毕业设计(论文) 双摆臂履带式搜索机器人行走机构的设计 the design of walking mechanism of the double pendulum arm crawler search robot 学 生 姓 名 班 级 09 机 设 1 班 学 号 学 院 名 称 机 电 工 程 学 院 专 业 名 称 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 指 导 教 师 2013 年 5 月 22 日 徐州工程学院学位论文原创性声明 本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 徐州工程学院学位论文版权协议书 本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。 徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件 和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文 的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库 进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 摘要 灾难应急搜索和救援机器人（search and rescue robot）是自然灾害、事故等突发 事件发生时，进入现场执行搜救探测任务的机器人。这种机器人可以远程操控或采用自主 的方式深入到复杂、危险、不确定的灾害现场，探测未知环境信息，搜索和营救被困者。 搜救机器人是机器人技术向实用化发展的一个重要分支和新的研究领域，具有重要的社会 价值。 本论文的目的是设计结构新颖、 具有独创性的可携带、 抗一定冲击的履带移动机器人， 以适应在恶劣环境和复杂路况下工作。通过在传动系统上加载各种感知系统，以此实现搜 救机器人不同的使用功能，本研究意义在于为设计的搜救机器人提供一个基础的传动机 构，以便于开发出更多使用功能的搜救机器人。 本研究所设计的搜救机器人移动方案是履带式驱动结构。搜救机器人的运动平台应尽 可能适应多种复杂的井下地形条件，如废墟、泥地、沙地、台阶、陡坡、壕沟等，即具有 较强的地形适应能力；除此之外，还要具有一定的运动速度和良好的运动学稳定性，尽可 能减少倾覆或翻滚的可能。设计的机器人移动机构主要由四部分组成：主动轮减速驱动机 构、摆臂减速转动机构、自适应路面执行机构、履带及履带轮运动机构。本论文对上述各 部分方案分别进行论证、结构设计计算. 关键词关键词 搜救机器人； 传动系统； 履带式 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 abstract disaster emergency search and rescue robot (the search and rescue robot) is a natural disasters, accidents and other emergencies occur, instead of search and rescue personnel to enter the scene search and rescue mission to the mobile robot. this kind of robot can be remotely operated or adopt the way of independent into complex, danger, uncertainty at the scene of the disaster, detecting unknown environmental information, search and rescue trapped persons. search and rescue robot is an important branch of robot technology in practical development and the new research field, has important social value. the purpose of this thesis research work is to design new structure, ingenious portable, impact resistance to certain of the tracked mobile robot, in order to adapt to work under bad environment and complex road conditions. by loading it on mobile system perception system, to implement the search and rescue robot different use function, and significance of this study is to search and rescue robot provides a foundation to the design of the transmission mechanism, so that to develop more function of search and rescue robot. this design institute of search and rescue robot moving plan is crawler drive structure. search and rescue robot motion platform should as far as possible to adapt to a variety of complex downhole terrain conditions, such as debris, mud, sand, steps, steep slope, trenches, etc., which has strong adaptability to terrain; in addition, will also have a certain velocity and good kinematic stability, minimize capsized or roll. design of robot mobile mechanism is mainly composed of four parts: the driving wheel deceleration driving mechanism, wing rotating mechanism, adaptive road, track and track wheel actuator motion mechanism. this paper on the package the parts for argumentation, structural design, calculation. keywords search and rescue robot the transmission system caterpillar 徐州工程学院毕业设计(论文) i 目目 录录 摘要 i abstract ii 1 绪论 . 1 1.1 课题研究背景及意义 . 1 1.1.1 课题研究背景 . 1 1.1.2 课题研究意义 . 1 1.2 国内外的研究概况 . 2 1.2.1 国外研究概况 . 2 1.2.2 国内研究概况 . 3 2 机器人总体结构及运动参数设计 . 4 2.1 机器人移动机构分析 4 2.2 机器人移动机构性能比较 5 2.3 论文采用的行走机构 5 2.4 机器人性能指标与设计 6 2.5 机器人运动分析机器人运动分析 6 2.5.1 机器人跨越台阶机器人跨越台阶 6 2.5.2 机器人跨越沟槽机器人跨越沟槽 7 2.5.3 机器人机器人斜坡运动分析 8 3 电动机的选择电动机的选择 10 3.1 基于平地的最大速度的电机功率计算基于平地的最大速度的电机功率计算 10 3.2 爬坡最大坡度的驱动电机功率计算爬坡最大坡度的驱动电机功率计算 10 4 减速器设计 . 12 4.1 一级圆柱齿轮减速器的计算一级圆柱齿轮减速器的计算 . 12 4.1.1 齿轮材料和热处理的选择 . 12 4.1.2 齿轮几何尺寸的设计计算 . 12 4.1.3 齿轮弯曲强度校核 14 4.1.4 齿轮几何尺寸的确定 14 4.1.5 轴的材料和热处理的选择 15 4.1.6 轴几何尺寸的设计计算 15 4.1.7 圆柱齿轮减速器三维图 17 4.2 蜗杆减速器的计算 17 4.2.1 蜗杆的型号和材料 . 17 4.2.2 按齿面接触疲劳强度进行设计 . 17 4.2.3 蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸 . 19 徐州工程学院毕业设计(论文) ii 4.2.4 蜗杆轴的设计 20 4.2.5 蜗轮轴的设计 26 5 移动机构履带及翼板部分设计 27 5.1 履带的选择 27 5.1.1 确定带的型号和节距 . 27 5.1.2 确定主从动轮直径 29 5.1.3 确定节线长度和带宽 29 5.2 翼板部分设计翼板部分设计 . 30 6 机器人摆摆臂的设计 . 31 7 机器人感知系统 . 32 结论 . 33 致谢 . 34 参考文献 . 35 附录 . 36 附录 1 . 36 附录 2 . 37 徐州工程学院毕业设计(论文) 1 1 绪论绪论 1.1 课题研究背景及意义 1.1.1 课题研究背景 20 世纪 80 年代 开始出现对应急灾难搜索和救援机器人的研究。 在经过 1995 年的美 国俄克拉荷马州爆炸案以及日本神户大地震，搜救机器人逐渐被作为机器人学的人道主义 应用研究被重视起来. 我国是世界上灾害、事故发生次数最多的国家之一，地震、火灾、塌方、以及各类人 为事故，给人民生命财产安全造成极大的危害。灾害发生后，如何及时有效的发现被困幸 存者并实施快速的救援是灾后应急救援的头等大事。当灾难或事故发生后，现场环境复杂 恶劣，充满未知和不确定性的因素，严重威胁搜救人员的生命安全，给搜救工作的部署和 实施带来严峻考验。一般而言在灾难发生后的 48 小时是实施营救的最佳时间，一旦超过 48 小时被困者生还的可能性就变得很小。 所以搜救机器人的研究具有重要的实用价值和社 会意义，近年来受到了美、日、澳、中等国家的高度重视 1.1.2 课题研究意义 搜救机器人第一次大规模参与到现场救援的应用案例发生在美国911事件后，当时有 talon、solem、packbot、vgtv、microtracs、spawarurbot等六种军方和研究所的机器人 参与了救援工作，如图1所示。在这次救援任务中，机器人系统的主要任务包括:在废墟中 搜索可能有幸存者的空间，并监控现场的结构变化，防止发生倒塌危及现场救援人员。搜 救工作主要分为两个阶段，在第一阶段的的工作中,机器人并不是过度深入废墟现场,而是 在人不便于接近的地方起到辅助作用。第二阶段的工作重点是清理现场建筑残骸,并为分 析世贸中心塔楼倒塌的原因提供依据。在这一阶段中，随着操作人员熟练程度的增加以及 现场积累的经验，机器人系统的优越性逐渐表现出来。机器人通过深入现场近距离侦察、 摄像,从而确定残存墙体的稳定性和发生倒塌的可能性；同时，机器人通过自身携带的不 同类型探测器,测量一氧化碳、硫化氢、挥发性有机物的浓度和现场温度,形成现场环境危 险情况的基础数据。通过十几名不同专业、不同领域的专家进行现场分析，并研究、指导 现场的救援工作,大大加快了工作进度,并保证了人员的安全,体现了明显的优势。同时， 在此次救援过程中也发现了机器人系统的一些问题，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。总之，这次救 援任务是人类历史上由救援机器人参与的规模最大、也是较为成功的一次救援，在这次救 援过程中，工程技术人员和现场专家积累了大量的机器人系统进行灾难救援工作的宝贵经 验，对今后搜救机器人的研究来说是一笔巨大的财富。 徐州工程学院毕业设计(论文) 2 图1-1 参与911救援的机器人 1.2 国内外的研究概况 1.2.1 国外研究概况 目前，在救灾机器人研究方面，美国走在了世界的前列，美国在微小型机器人研制方 面投入了大量的人力和物力，特别是新型、高机动、高可靠性移动载体研究方面。如美国 移动机器人(tmr)计划中的便携式机器人系统(mprs)此类机器人被大量应用与于城市战 斗和搜救任务。如美国智能系统和机器人中心开发的ratler矿井探索机器人主要用于侦查 灾难后的现场，电传遥控方式作为主动控制方式，车上带有红外摄像机、无线射频信号收 发器、陀螺仪和危险气体传感器等各类装备。无线遥控距离约76 米。美国南佛罗里达大 学研制的simbot矿井搜索机器人,小巧灵活，车位上带有数字化低照度摄像机及基本气体 监视组件，可以通过一个人为钻出的小洞钻进矿井，跨过碎石与烂泥地段，并通过车上携 带的传感器来发现受害矿工，探测气体类如氧气与甲烷气体的含量，并生成清晰可见的矿 井地图。 徐州工程学院毕业设计(论文) 3 1.2.2 国内研究概况 我国的搜救机器人虽然研究起步较晚，但是最近几年有了较快的发展，受到越来越多 研究机构的关注。哈尔滨工业大学、上海交通大学、沈阳自动化研究所、广东卫富公司等 都研制了各自的搜救机器人系统，中国矿业大学与清华大学等几家机构同时也研制了用于 煤矿井下救援的移动机器人。2006年6月22日，由中国矿大可靠性与救灾机器人研究所研 制的国内首台煤矿搜救机器人(样机)在徐州诞生。这台煤矿搜救机器人行走控制方式是靠 自主避障和遥控引导相结合，能在煤矿灾害出现后深入事故现场，探测明火的温度、瓦斯 的浓度、收集灾害场景状况、呼救声讯等信息，并实时传回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，在关键时刻协助被困人员实施自救。在2010年4月2日王家岭透水 事故发生的过程中，中国科学院沈阳自动化研究所研制的水下机器人被带到现场，试图参 与透水现场的总体探测任务，虽然最终没有采用，但也是一次有益的尝试，为透水事故探 测救援积累了宝贵的经验。 徐州工程学院毕业设计(论文) 4 2 机器人总体结构及运动参数设计 2.1 机器人移动机构分析 运动机构作为移动机器人的移动载体，直接影响到机器人的通过性和地形适应能力。 搜救机器人的运动平台应尽可能适应多种复杂的地形条件，如废墟、泥地、沙地、台阶、 陡坡、壕沟等；除此之外，机器人还要具有一定的运动速度和良好的稳定性，最大化减少 倾覆或翻滚的可能。目前的搜救机器人运动机构种类较多，如轮式、履带式、蛇形移动机 构等，不同的运动平台决定了各自的运动能力。轮式机器人速度快、效率高，但越障能力 较差，复杂地形适应能力有限；履带式越障能力强，但速度较慢、运动效率较低；蛇形机 器人可以钻进狭小的空间，利用头部安装的摄像头传回图像信息，但也存在速度慢、机构 复杂等缺点；足式机器人，如四足、六足等具有适应地形能力强的特点,能越过大的壕沟 和台阶,但目前大部分足式机构存在速度慢、效率较低的特点;轮腿复合式机器人具有履带 机器人的地形适应能力和轮式机器人的运动速度，但也存在结构相对复杂体积较为庞大等 缺点;此外受到自然界生物的启发，各种特殊的仿生机构机器人也展现了美好的前景。综 合各种复杂的地形环境和事故发生后可能存在的实际情况，采用具有较强地形适应能力的 带辅助臂的复合履带方式是一种相对理想的运动机构，该方式在具有较强地形适应能力， 可以保持较小的体积，能够穿过相对狭窄的空间。 除了上述需要考虑的因素之外，运动平台的设计必须可靠，以应对复杂的环境。比如 搜救机器人设计时必须重点考虑考虑现在的爆炸，积水，高温等情况。而且履带机器人发 生履带出轨脱落也将导致机器人寸步难行，这也是一大难题。除了灵活的运动能力和可靠 性设计外，搜救机器人还应考虑便携性。为了应对突发的矿难事故，提高搜救效率，搜救 机器人应该具有较强的机动能力，须在第一时间投放现场。并具有快速转移能力，可携带 性较高，在搜索完一个目标地点，能尽快到下一搜救地点。最后机器人体积不能过于庞大， 更高的能耗和较差的平台通过能力会给运输过程和救援工作带来困难。 徐州工程学院毕业设计(论文) 5 2.2 机器人移动机构性能比较 表 2.1 机器人移动机构性能比较 2.3 行走机构的设计 本文的履带机器人移动系统采用的是履、轮复合结构，该结构最大优点在于在传统 履带移动机构的基础上增加了可转动得摆臂机构，机器人的越障、爬坡性能以及环境适应 能力得到了较大的提升。 机器人能根据地形条件的复杂程度，通过主动调节两侧履带与车身约束关系来选择自 适应环境或者是主动适应环境。自适应环境可以提高机器人运动稳定性能、平顺性能；主 动适应环境可以提高机器人通过性能，机器人设计方案如下图2所示。 图2-1 便携式履带机器人结构组成 1.后轮驱动电机及组件 2.摆臂电机及组件 3.主履带 4.摆臂履带 5.齿轮 移动方 式 轮式 履带式 腿式 移动速 度 快 较快 慢 越障能 力 差 一般 好 复杂程 度 简单 一般 复杂 能耗量 小 较小 大 控制难 易 易 一般 复杂 徐州工程学院毕业设计(论文) 6 2.4 机器人性能指标与设计机器人性能指标与设计 在地面移动机器人家族中，履带机器人具有很强的地形适应性，能够适应恶劣的路面 条件，因此得到了广泛的应用。但普通的履带移动移动机构结构复杂，重量大，运动惯性 大，减震性能差，零件易损坏。为克服普通履带式移动机构的缺点，给煤矿井下搜救机器 人履带式移动机构加装前摆。机器人加装前摆臂的优点：机器人重心将前移，实现机器人 爬坡和越障的功能，稳定性将更好；实现机器人倾翻后自复位. 总体设计方案如图 2.2 所示。采用后轮驱动，差速转向，可实现原地 360转向。摆 臂电动机驱动摆臂可在 360范围内旋转，提高机器人跨越沟槽和爬越台阶的越障的能力 和翻转后自复位的功能。 搜救机器人性能参数如下： l1=600mm,l2=350mm,r=80mm,r=40mm,b(车体宽 度)=500mm，车体高 300mm。车体质量为 50kg,摆臂质量不超过 5kg,机器人做直线运动最大 速度等于 1m/s,自备电源运行时间大于等于 4 小时。最大越障高度 h=300mm，跨越最大沟 壑宽度 c=500mm。如图 3： 图 2-2 机器人设计草图 2.5 机器人运动分析机器人运动分析 2.5.1 机器人跨越台阶机器人跨越台阶 （1）越障机理分析 当机器人在爬越台阶时，机器人履带底线与地面之间的夹角将随时间而逐渐增加，其 重心越过台阶的支撑点时，机器人就跨过了台阶完成爬越动作。 （2）越障过程分析 搜救机器人爬越台阶的过程如图 4 所示，机器人借助摆臂的初始摆角，在履带机构的 徐州工程学院毕业设计(论文) 7 驱使下，使其主履带前端搭靠在台阶的支撑点上，机器人继续移动，驱动摆臂逆时针摆动， 当机器人重心越过台阶边缘时，旋转摆臂关节，机器人在自身重力影响下，车体下移，机 器人成功地爬越台阶。 图 2-3 机器人爬越台阶过程 由运动过程可以看出，机器人在越障第三阶段图 2-3（c）重心的位置处于临界状态， 机器人重心只有越过台阶边缘，机器人才能成功的越过障碍。由此可分析出机器人的最大 越障高度。 图 2-4 机器人上台阶临界状态示意图 由图 2.4 所示几何关系可得： cos()cot/sinxlhrraaa=-+ 式（2.1） 变换式（1）可得：sin/coshlrraa=-+ 式（2.2） 2 cossin/cos0 h lr d aaa a =-= 式（2.3） 利用式 （2.3） 求出a， 代入式 （2.2） 可算出机器人跨越障碍的最大高度 hmax为 600mm。 2.5.2 机器人跨越沟槽机器人跨越沟槽 （1）越障机理分析 对于小于机器人前后履带轮中心距地沟槽，因机器人重心在机器人车体内，当机器人 徐州工程学院毕业设计(论文) 8 重心越过下一个沟槽的支撑点时，机器人就越过沟槽完成了整个跨越动作。也可能由于重 心未过去，翻倒在沟槽内。当沟槽大于中心距时，履带式机器人的运动可以看做是爬越凸 台障碍。 （2）越障分析 履带式移动机器人跨越沟槽时，机器人重心不断向前移动，当重心越过沟槽边缘时， 受重力作用，机器人将产生前倾现象，运动不稳定。由机器人质心变化规律可知机器人重 心在以 r 为半径的圆内，由于摆臂展开后机器人履带与地接触长度变大，为了计算最大跨 越壕沟宽度，摆臂履带应处于展开状态。 图 2-5 跨越沟槽示意图 机器人在平地图 2-5（a）跨越沟槽的宽度 1 l ： max1 llr=+ 式（2.4） 在角度为a的斜坡图 2-5(b)上跨越沟槽的宽度 1 l ： max1 tanllrha=+ - 式（2.5） 2.5.3 机器人斜坡运动分析机器人斜坡运动分析 机器人在斜坡上运动时， 起受力情况如图 7 所示， 机器人匀速行驶或静止时， 其驱动力： sinfgb= 式（2.6） 图 2-6 机器人上坡受力示意图 最大静摩擦力系数为m，最大静摩擦力为： max cosfgmb= 式（2.7） 当 max ff时，机器人能平稳行驶。 当 max ff时，机器人受重力的影响将沿斜面下滑。 已知煤矿井下机器人在井下地面最大静摩擦系数m，则机器人爬越的最大坡度为: 1 max tan ( )am - = 式（2.8） 徐州工程学院毕业设计(论文) 9 爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为： max (cossin)agmbb=- 式（2.9） 通过上述分析，可以根据机器人履带与运动面的摩擦系数来确定一些陡坡是否能 够安全爬升，并根据坡度和电机的特性，确定其运动过程最大加速及爬升都陡坡的快 速性。 徐州工程学院毕业设计(论文) 10 3 电动机的选择电动机的选择 3.1 基于平地的最大速度的电机功率计算基于平地的最大速度的电机功率计算 假设机器人以最大速度 s m 1匀速前进，轮子作瞬时纯滚动，前进时不考虑空气阻力 的影响。如下图所示： 图 3-1 平地直线运动受力图 根据理论力学平面交汇力系平衡条件和合力矩定理： =0f 式（3.1） ()0 1 = = i n i o fm 式（3.2） 则，移动机器人平地直线运动的平衡方程为： ( )0, 0 0, 0 0, 0 312 21 1 =-+-= =-+= =-= mgllnfrmmfm mgnny frmx llro 式（3.3） 则，nmmgllnfrmm lrl 52.23 312 =-+-= 式（3.4） 可以得出， 机器人两侧电机经减速器后在最大速度下需要提供的极限扭矩为 11.76nm。 在最大的行驶速度下，驱动电机经过减速箱减速后需要提供的极限转速为： min43.119 maxmax rdvn=p 3.2 爬坡最大坡度的驱动电机功率计算爬坡最大坡度的驱动电机功率计算 相对于平地行驶过程，爬坡能力对于机器人的驱动能力是一个重要的衡量标准，所以 在进行驱动系统设计时，爬坡指标的计算也应作为选择电机的必须依据。 假设移动机器人在最大指标上匀速行驶，速度为 0.1sm。在行驶过程中轮子作纯滚 动，不考虑空气阻力的影响。机器人爬坡受力情况如图： 徐州工程学院毕业设计(论文) 11 图 3-2 机器人爬坡受力图 爬坡的平衡方程为： ( )030cos, 0 030cos, 0 030sin, 0 0 3120 0 21 0 =-+-= =-+= =-= mgllnfrmmfm mgnny mgfrmx llr l 解之得：m l=43.12nm,可以得出机器人两侧电机经减速器减速后在最大坡度下爬坡需 要提供的极限扭矩为 21.56nm. 在 0.1sm的 速 度 爬 坡 时 ， 驱 动 电 机 经 过 减 速 器 后 所 需 提 供 的 转 速 为 ： n=pdv=11.94minr 由以上分析可知，机器人平地直线运动时要求的驱动电机输出转速较大，而爬坡时的 要求的驱动电机输出扭矩较大。因此在选电机型时，应根据平地直线运动要求转速和爬坡 要求扭矩进行选择。 根据最大爬坡要求，初步确定驱动电机经减速器后的功率为： =53.8w 则所需电机的输出功率为： h out in p p =88.19w 则可选择如下表 3.1 电机： 表 3-1 电动机性能参数 产品型号 电压 额定电流 空载转速 输出功率 效率 越速 1016 24v 6.5a 3000r/min 250w 80% 30 nm kp l p = 徐州工程学院毕业设计(论文) 12 4 减速器设计减速器设计 移动减速传动机构是完成机器人前进、后退、转向等各种运动的关键部件，利用齿轮 的速度转换，将动力机的转速减低到所需的转速，同时扭矩达增大到所需的扭矩。本机构 采用二级减速器，电动机通过减速器的实现减速、增大转矩。电动机安装在减速器前端， 通过锥齿轮改变轴的方向， 输出履带驱动轮转矩， 为复杂状况下救灾机器人提供主要动力。 4.1 一级圆柱齿轮减速器的计算一级圆柱齿轮减速器的计算 4.1.1 齿轮材料和热处理的选择齿轮材料和热处理的选择 小齿轮选用 45 号钢，调质处理，hb236 大齿轮选用 45 号钢，正火处理，hb190 4.1.2 齿轮几何尺寸的设计计算齿轮几何尺寸的设计计算 1.按照接触强度初步设计齿轮主要尺寸 由机械零件设计手册查得 ahah mpmp530,580 2lim1lim =ss,shlim = 1 1,200,215 lim2lim1lim = fafaf smpmp ss 025 . 4 589.117/333.473/ 21 =nnm 由机械零件设计手册查得 zn1 = zn2 = 1 yn1 = yn2 = 1.1 由 （1） 小齿轮的转矩 i t )(42.3793771.974/473.9550/9550 111 mnnpt= （2） 选载荷系数 k 查机械原理与机械零件教材中表得，取 k1.1 （3） 计算尺数比m m=4.025 a h nh h mp s z 580 1 1580 lim 11lim 1 = = s s a h nh h mp s z 530 1 1530 lim 22lim 2 = = s s a f nf f mp s y 244 1 1 . 1215 lim 11lim 1 = = s s a f nf f mp s y 204 1 1 . 1200 lim 22lim 2 = = s s 徐州工程学院毕业设计(论文) 13 （4） 选择齿宽系数 d y 根据齿轮为软齿轮在两轴承间为对称布置。查机械原理与机械零 件教材中表得，取 d y1 计算小齿轮分度圆直径 1 d 1 d 1 d 766 u ukt hd i 2 2 3 )1( sy + 1 d 766=76 = 44.714( mm) （5）确定齿轮模数 m m =(0.0070.02)a = (0.0070.02)185.871 取 m=2 （6）确定齿轮的齿数 1 z 和 2 z 取 z1 = 25 6 . 96244.025 12 = zzm 取 z2 = 100 （7）实际齿数比 m 齿数比相对误差 m 2f y/ 2f s =2.19/204=0.0107 计算大齿轮齿根弯曲应力为 1 )(952.40 f mpas （3）确定实际所需带宽bs 式（5.2） 式中p 0带所传递的功率 kwp0=0.17225kw ka啮合系数，因zm6，故ka=1. mmbs 6 . 101 0 = 所以 将其取为标准值mmbs 2 . 76= 32 10-=vmv b b tkk p ao a awz )( 3 (2916.150.27825)110 - =- =1.4570.17225 额定功率大于设计功率，则带的传动能力已足够，所选参数合理。 为了减轻履带驱动装置的重量，可以选择硬铝合金作为履带主，从动轮的材料，硬铝 合金主要是加入铜，镁，锰元素，故硬铝合金具有密度小，质量低，强度高，硬度高，耐 热性好的优点，能够满足设计性能要求。 5.2 翼板部分设计翼板部分设计 履带翼板是整个履带驱动装置中的基础部分，主要起支撑作用，履带从动轮，张紧轮 分别安装在翼板上，所设计的机器人移动部分采用的是轮履结合式，这种机构设计使机器 人具有良好的越障和爬坡能力，履带驱动部分必须能够实现在履带主动轮转动的过程中翼 板也能够绕从动轮的轴线转动，即在有不同角度障碍物的情况下能够顺利越碍。 电机、电池组、支撑轮等零件都以前后翼板为固定支架，前后翼板的刚度直接影响着 这些零部件工作状态，若前后翼板刚性较差，在受到外界冲击力的作用下易产生变形，那 么将会直接导致电机安装位置产生错位，电机驱动齿轮与后同步带轮中的传动齿轮不能正 常啮合甚至卡死，或者导致安装在后翼板上的承重轮不能正常支撑同步带，失去承载机器 人负荷的作用。 为了实现翼板能够绕轴线中心转动，需要使用电机提供扭矩，履带驱动装置需要的扭 2 6422.22564 (6464) 223.144000 - 14 . 1 0 0 pk p bb z d ss mm pk p bb z d ss 61.28 049 . 4 1 17225 . 0 6 . 101 14 . 1 14 . 1 0 0 = = 3241.1 1011484.1 6.101 2.76 4048) 6.101 2.76 (1 - -= 徐州工程学院毕业设计(论文) 30 矩越大，相同型号的电机的尺寸也越大，从经济性的考虑，应尽量减轻整个履带驱动装置 的重量，所以在材料选择方面，翼板的材料应满足质量轻，高强度，高硬度，易加工的优 点，综合选择，镁合金能够满足一般的性能要求，所以翼板的材料选择镁合金。 徐州工程学院毕业设计(论文) 31 6 机器人摆臂的设计机器人摆臂的设计 摇臂的作用是是机器人在越障时起辅助作用，使机器人受力情况改变，更加灵活的适 应崎岖的环境。 主要作用为以下两点： 1支撑摇臂的前轮，使之能够自由滚动。 2360 度转动时，能够支撑起车体。 为了使与摇臂相连的轮能够自由转动， 设计成输出轴上套轴承， 轴承支撑车轮的形式。 为了使摇臂转动时能够支撑起车体，车体前方的输出轴是由摇臂电机经减速器输出 的。输出轴通过花键与摇臂翼板固定连接。采用花键的原因是安装方便。 摇臂主体实际上是一块钢板，形状与摇臂两个轮的形状相一致，尺寸略小于轮。前导 轮安装在一个短轴上，而短轴也是通过花键嵌到翼板上的。为了使花键与翼板不发生相对 错动，故当翼板安装到位后，用螺栓将翼板与花键轴连接起来。为了增加翼板的强度刚度， 在翼板外侧连接一个条形挡板。 在翼板前端短轴末端用螺栓连接一个挡板， 用来卡住轴承。 为了使之运动平稳，翼板相连的大轮直径应该与前车轮直径相同而为了减小整机的尺 寸，故该轮的宽度要比前轮宽度窄一些。这里定轮宽为 60， 所以小轮的宽度也为 60。车 前轮与摇臂大轮之间的间隙为 5，轮是靠轴承支撑的，轴承套在减速器输出轴上。这两个 轮子的位置是通过轴承内外圈限定的，故选择的轴承需要承担较大的轴向力，所以选择圆 锥滚子轴承。由输出轴直径为 30，查表得选择的轴承型号是：32006。 翼板上各零件尺寸如下： 翼板宽度为 10，花键长度为 15，条形挡板厚度为 10，最远螺栓中心长度为 250，通 过 6 个 m6 螺栓与翼板相连接。 图 6-1 徐州工程学院毕业设计(论文) 32 7 机器人感知系统机器人感知系统 搜救机器人的主要功能包括搜索探测与救援，但目前世界各国搜救机器人的研究还大 多集中于环境探测和幸存者搜寻的功能上。由于环境极度复杂，受困人员本身面临的困难 复杂多样，对人员的救援工作目前还是一件非常困难的事情，因此，环境探测与人员搜索 任务是目前搜救机器人的主要功能，其搜索与探测能力主要取决于其自身携带的传感器的 类型与应用情况。作为搜救机器人的感知系统，传感器必须具备信息采集、信息存储与分 析以及信息传输等功能,同时要求其具有较小尺寸、足够的分辨率和响应时间，以及很好 的稳定性和可靠性等特点。 对环境的探测主要目的首先是让搜救人员实时准确的了解事故后井下的综合环境情 况，评估井下环境对幸存人员及搜救人员生命及健康的影响，考虑指派救护队员下井完成 救援任务的可行性，以及为制定科学高效的救援方案提供必要的、可靠的井下环境参数信 息。这就需要对井下的温度、气体组成情况如氧含量、有毒气体含量、可燃气体含量，以 及井下的地形及地质结构的情况进行探测。其次，在进行环境探测的同时，当机器人深入 事故现场后，应该具有对幸存人员进行搜索定位及人员情况的初步探测能力。最后，为保 证机器人能够安全、有效的完成探测任务，机器人应该具有其自身情况及所处环境的感知 能力，如机器人本体的姿态、温度、电池电量等本体参数，以及环境中的障碍物、火区、 水区等危险环境和机器人所处的位置等信息。 目前对于部分环境探测与感知的传感器是比较成熟的，如温度感知、氧含量传感器、 可燃气体探测器、有毒气体探测器等，这些传感器体积小巧、探测精度高、集成度好，基 本能够满足井下环境探测的需求；对于井下地形与地质结构的探测主要依靠视觉系统或与 视觉系统相配合使用的距离、位置等传感器如声纳探测器、激光测距仪等；对人员的搜索 定位有生命探测仪、热成像仪等设备；机器人自身状态的感知主要依靠里程计、惯性系统 以及姿态传感器等感知单元，完成机器人位置及姿态的感知以及为导航及运动控制提供必 要的数据。 此外，井下环境特别是事故后的井下环境情况复杂，极有可能出现浓烟、灰尘等恶劣 情况，在这种环境下很多传感器特别是视觉系统会受到严重的影响。而远红外探测器具有 很好的穿透烟雾进行探测的能力，并且可以同时获得被测物体表面的辐射温度，因此采用 远红外成像仪进行复杂环境的探测既可以作为可见光视觉系统的补充，又可以通过对一些 特殊物体表面辐射温度的测量实现目标的识别，如人体、着火点、水域等。其他的特殊情 况也可能导致不同的传感器失效，因此采用多种传感器进行探测并对多种信息进行融合处 理是有效的解决方案。多传感器的信息融合是把不同位置的多个同类型或不同类型的传感 器提供的局部环境的不完整信息加以综合，消除信息之间的冗余和矛盾，以形成对环境相 对完整和一致的描述，提高智能决策的速度和准确性。多传感器融合的常用方法有：加权 平均法、贝叶斯估计、卡尔曼滤波、神经网络和模糊推理法以及带置信因子的产生式规则。 徐州工程学院毕业设计(论文) 33 结论结论 本论文提出的矿用搜救履带机器人是为了能胜任多种工作任务、适应多种工作环境而 研发的一种小型智能移动运载机器人，论文分析了轮式、履带式、腿式、履腿复合式等移 动机构的优缺点，在此基础上提出了两履腿移动机构，该机构在复杂环境中为提高越野能 力和机动能力，机器人采用履腿复合移动方式行进。 （1）机器人总体结构方案设计。论文从国内外履带机器人的移动方式着手，对三种 常见的移动方式(轮式、履带式、腿式)在越野性能、移动速度、机构复杂程度、控制难易 程度等几方面进行了比较和分析，就研制的矿用履带搜救机器人应达到的性能指标提出了 具体要求。 （2）机器人运动参数设计。论文针对两履机器人运动特点推导出运动学方程并对机 器人爬坡性能、越障性能、跨沟性能等运动性能从理论上进行了分析验证。 （3）翼板转动结构离合器方案设计。重点围绕翼板转动自适应、主动适应路面减速 机构离合器的方案分析，通过理论计算，结合搜救机器人的实际性能要求，确定所需离合 器的主要参数。 （4）驱动轮减速器设计。选定满足要求的减速器，结合履带搜救机器人的工作环境， 外型尺寸，确定所选用减速器的形式。同时设计计算减速器的各项参数，通过校核满足了 机器人的性能要求。 （5）脚轮、支撑轮和缓冲块设计。主要对机器人主体的脚轮，支撑轮和缓冲块进行 了分析、设计和计算。结合搜救机器人的性能要求，选定了脚轮、支撑轮和缓冲块的材料 以及主要参数，经过验证分析，所选的参数满足实际要求。 搜救机器人的研究是一个涉及到多领域、多学科的课题。本文仅仅讨论了其中结构与 机构方面的内容。由于时间的限制和作者知识水平的欠缺，论文并不完善，有待于在以下 几个方面作进一步的探索和深化： (1)机器人的越障能力和行驶机构的参数选取有很密切的关系。在结构形式确定的基 础上，有必要对行驶机构的参数作进一步的优化，以求得到更好的越障性能和车体的稳定 性。 (2)履地接触关系是一个值得研究的课题。要确定履带的外形和表面形式，必须对机 器人在路面行走时履带的受力状态有深入的研究。 (3)机器人在未知环境中执勤，所处环境往往十分恶劣，如地形复杂、存在辐射污染、 温差大，其机械部件容易出现问题，因此合理利用硬件布局设计，保证机器人安全可靠地 运行，这将成为今后研究的一个方向。 徐州工程学院毕业设计(论文) 34 致致 谢谢 毕业设计已经接近尾声了，在这段时间中我所做的工作是比较肤浅的，由于该设计与 常规机械有所不同，这也使我的设计显得有所欠缺，设计过程中也遇到了不少的问题，在 关键问题上，老师给了我很大的帮助和指导，论文能够完成，首先要感谢我的导师，在设 计的整个过程中都给予了我悉心的指导让我少走了许多的弯路。导师的治学严谨和科学研 究的精神是我永远学习的榜样，这也将影响到我今后的工作和学习。 在本设计完成过程中，我还要感谢在大学期间给我授过课得每一位老师，正是他们的 出色的工作使我掌握了较为扎实的基础知识，在设计的过程中也得益于此。同时，还要感 谢在设计过程中给予我帮助的同学们，特别是我们设计组的同学，他们也给予了很多的支 持和帮助。 最后，我还要感谢我的母校四年来对我的大力栽培，感谢我的老师和同学们，谢谢！ 徐州工程学院毕业设计(论文) 35 参考文献参考文献 1 孙岩，陈晓罗主编，机械设计课程设计，北京理工大学出版社，2007 2 饶振刚 行星传动机构设计 国防工业出版社，1980 3 刘鸿文 主编. 材料力学. 北京：高等教育出版社，2004 4 濮良贵 主编. 机械设计第八版.北京：高等教育出版社，2006 5 徐元吕 主编. 工业机器人.北京：中国轻工业出版社，2006 6 哈尔滨工业大学. 理论力学第六版.北京：高等教育出版社，2002 7 殷玉枫 主编. 机械设计课程设计.北京：机械工业出版社，2008 8 邓文英 主编. 金属工艺学第四版.北京：高等教育出版社，1999 9 成大先 机械设计手册 化学工业出版社 第四版 2002 10 孙宝均 机械设计课程设计 机械工业出版社 2004 11 孙恒 机械原理m.北京：高等教育出版社，2006 12 李科杰危险作业机器人发展战略研究j机器人技术及应用 2003(5)：14-22 13 李东晓. 机器人技术在煤矿自动化中的应用 .煤炭科学技术.2007 14 钱善华 王勇等. 机器人研究的现状及煤矿搜救的应用. 机器人，2006(5). 1