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附件3任务书学生姓名指导教师姓名论文（设计）题目履带机器人行走机构的设计下达任务日期任务起止日期主要研究内容及方法1、掌握履带机器人的原理、结构、性能要求；2、行走机构的设计：主动轮减速机构、翼板转动机构、自适应路面执行机构、履带及履带轮运动机构；3、履带机器人越障、爬坡能力设计。主要任务及目标1、完成履带机器人行走机构设计，包含主动轮减速机构、翼板转动机构、自适应路面执行机构、履带及履带轮运动机构；2、用CAD完成履带机器人行走机构整体设计图；3、完成履带机器人行走机构主要零件图三张2号与装配图两张0号。主要参考文献1 吉 洋 霍光青 .履带式移动机器人研究现状J.林业机械与木工设备第40卷第10期:7-102崔政斌 王明明 .履带式机器人的选用手册第二版M.化学工业出版社，2010.5-303毛恩荣 张红 宋正河 .车辆人机工程学第2版M.北京理工大学出版社，2007.53-803丁玉兰 .人机工程学第三版M.北京理工大学出版社，2010.60-734濮良贵 纪名刚 .机械设计第八版M.高等教育出版社，2010.35-4115徐飞 杨海忠 .主从履带复合式越障机器人软土行走研究J.工矿自动化2012.25-2716王松涛 朱华 .履带式煤矿救援机器人越障能力的运动学分析J.矿山机械2012.8-10进度安排各阶段工作任务起止日期查阅文献，明确思路，完成开题3.05-3.10确定设计方法，设计系统方案、完成相关计算及总体设计3.11-3.20行走机构的设计，越障、爬坡受力分析以及车体结构设3.21-4.15进行履带、齿轮、电机的选择4.16-4.30撰写毕业设计说明书，进行零件图的绘制5.01-5.20任务下达人签名任务接收人签名教研室指导小组组长签名系部领导小组组长签名注：1、本表可根据内容续页； 2、本表一式两份，学生、系部存档各一份；3、签名需手写，其他内容电子版填写。题目:履带机器人行走机构的设计摘要随着我国改革开放的不断开展，我国经济建设和技术应用都得到了高速稳定的发展，机器人已成为各个行业必不可少的关键设备。移动机器人相比普通关节机器人增加了移动机构，移动的方式多种多样，有腿式移动机构，轮式移动机构，履带式移动机构等等，选择何种移动方式决定了移动机器人的工作性质和内容。本篇论文中提出了一种结构巧妙、机动性好、稳定性能高的多功能履带式机器人设计方案，此设计移动方案的选择是采用了履带式驱动结构。结构整体使用模块化设计，以便后续拆卸维修，可以适应于各种复杂的路面，并可主动控制前后两侧摇臂的转动来调节机器人的运动姿态，从而达到辅助过坑、越障等动作。机器人的移动机构主要由四部分组成：主动轮减速机构、翼板转动机构、自适应路面执行机构、履带及履带轮运动机构。经过合理的设计后机器人将具有很好的环境适应能力、机动能力并能承受一定的掉落冲击。本研究的意义是为机器人提供一个动力输出平台，主要完成了履带移动机构的设计，针对履带机器人中采用的履带、减速器、电动机等也进行了必要的阐析，通过对履带机器人的相关性能要求的验算，得出设计的结果基本上能够符合设计要求这一结果。关键词：履带机器人;履带移动机构;模块化设计AbstractWith the continuous development of Chinas reform and opening up, Chinas economic construction and technology application have been developed rapidly and steadily, and robots have become an indispensable key equipment in various industries. Compared with the ordinary mobile robot joint robot increased the mobile mechanism, move in different ways, have legs type mobile mechanism, wheeled mobile mechanism, caterpillar mobile mechanism and so on, choose what kind of way to determine the nature of work and contents of the mobile robot.This paper puts forward a structure, good maneuverability, high stability performance of multi-function crawler robot design, this design is the choice of mobile solutions adopted crawler drive structure. Structure of the overall use of modular design, in order to follow-up maintenance, removal can be adapted to various complicated road, and can turn on either side of the rocker arm before and after active control to regulate the robots motion, so as to achieve auxiliary pit, surmounting obstacles. The moving mechanism of the robot consists of four parts: the active wheel deceleration mechanism, the rotating mechanism of the airfoil, the adaptive pavement actuator, the crawler and the crawler wheel movement mechanism. After a reasonable design, the robot will have good environmental adaptability, maneuverability and can withstand certain drop impact.The significance of this study is to provide a platform for power output for robot, mainly completed the crawler mobile mechanism design, in view of the tracked robot track, speed reducer, motor and so on has made the necessary expatiates, through calculating the related performance requirements of tracked robot, it is concluded that the design result can basically meet the design requirements of the result.Keywords: tracked robot; tracked mobile mechanism;the modular design目录第1章 绪 论11.1 引言11.2 履带机器人的发展概况11.3 课题研究的意义及目的3第2章 履带机器人的结构设计32.1 履带式机器人的设计要求52.2 履带机器人的设计概述52.2.1 多功能履带式机器人与其他类型移动机器人原理的对比52.2.2 多功能履带式机器人与其他类型移动机器人特点的对比82.2.3 多功能履带式机器人的设计参数92.3 履带机器人的运动特性92.3.1 平面运动及转弯92.3.2 自撑起及涉水102.3.3 越障102.4 履带机器人的设计结构和尺寸112.4.1 履带机器人行走机构的选择112.4.2 多功能履带式机器人的结构组成和尺寸122.4.3 多功能履带式机器人主要机构的工作原理132.5 履带机器人的越障分析132.5.1 跨越台阶132.5.2 跨越沟槽142.5.3 斜坡运动分析152.6 机器人移动平台主履带电机的选择162.6.1 机器人在平直的路上行驶162.6.2 机器人在30坡上匀速行驶172.6.3 机器人的多姿态越阶172.7 履带部分的设计192.7.1 履带的选择192.7.2 功率的计算192.7.3 确定带的型号和节距202.7.4 确定从动轮的直径212.7.5 确定节线长度232.7.6 确定设计功率时所需的带宽242.7.7 功率验算262.7.8 同步带的物理机械性能272.8 履带主从动轮的设计272.8.1 履带轮材料选择272.8.2 履带轮形状及其主要尺寸的确定272.8.3 履带轮齿形及齿面宽度的选择282.8.4 履带轮所允许的公差302.9 副履带部分设计312.9.1 计算副履带的带宽312.9.2 计算H带的基准额定功率312.9.3 中心距的选择322.9.4 计算副履带节线长度322.10 履带翼板部分设计332.10.1 履带翼板的作用332.10.2 履带翼板设计332.11 主履带的重心计算342.11.1 翼板质量342.11.2 履带从动轮的质量352.11.3 张紧轮、调节轮质量352.11.4 履带驱动装置重心352.12 副履带的重心计算372.12.1 主从动轮的重心坐标372.12.2 翼板2的重心坐标382.12.3 副履带的重心坐标382.13 主履带及其摇臂也就是副履带总部分的重心计算38第3章 总结39参考文献41致谢43第1章 绪 论1.1 引言随着社会的发展，我们面临的自身能力、能量的局限越来越多，所以我们创造了各种类型的机器人来辅助或代替我们完成任务。机器人应用的地方变得越来越多，从单一的生产制造业发展到各行各业，甚至延伸到排爆等危险的具体工作。现在国内外都开始了对移动机器人的系统研发和设计，而移动机器人选择何种移动方式是其设计时最重要的考虑点之一。移动机器人按其移动结构可以分为腿式，轮式和履带式三大类，这三类各有其优缺点。随着移动机器人行业技术的发展，腿式机器人由于其结构和操作过于复杂，且应用的场地通常有特殊要求，因此并没有得到广泛的使用。而目前市场上的移动机器人主流仍是轮式机器人，但是同样存在着许多缺陷，最大的问题是轮式机器人对行走地面要求比较高，在松软或者是泥泞的道路上行走时极容易打滑；且移动转向的时候需要整个机器人本体转动，转弯半径较大，占用的行走空间较多。履带机器人，主要指搭载履带底盘机构的机器人，履带机器人具有牵引力大，不易打滑、越野性能好等优点，可以搭载摄像头、探测器等设备代替人类从事一些危险工作，因此对其进一步的研究是不能忽视的。1.2 履带机器人的发展概况20世纪60年代到70年代，想到工业机器人印入脑海的便是自动机械手。机器人移动功能的大力研究和开发是20世纪80年代以后才开始，现在作为移动机器人而研制的移动机械类型已远远超过了机械手。尤其是履带式机器人，不仅是生物体中没见过的移动形态，而且能够在复杂的环境下行进。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、步兵支援机器人以及复杂环境下搜救机器人等，用来代替我们进入危险环境下完成一些如侦查、搜集资料、救援等工作，从而减少了我们工作的危险系数，在我们未来的生活与工作中起到非常重要的作用。民用履带式机器人被广泛用于工业生产等各种服务领域，如生产线传输、清扫、导盲和搜救复杂环境下的资料等各个方面。目前美国的移动机器人的研发已经取得了突破性的进展，他们成功将该机器人应用到一些危险的环境中实际作业，还有部分移动机器人甚至开始在战争中崭露头角，代表机器人有Packbot机器人，Talon机器人，NUGV等。 图1-1 RackBot准备展开 图1-2 RackBot伸展情况图1-3 SUGV机器人 图1-4 Warrior机器人德国telemax防爆机器人：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。 图1-5 telemax行走姿势 图1-6最紧凑姿势我国微小型机器人的研究和开发晚于西方的一些发达国家，我国是从20世纪80年代开始机器人领域的研究的。其中具有代表性的有中国科学院研制的复合移动机器人“灵晰-B”型排爆机器人，“龙卫士Dragon Guard X3B 反恐机器人”，“JW-901 排爆机器人”等。1.3 课题研究的意义及目的本研究的意义是为机器人提供一个动力输出平台，为开发各种功能的机器人提供基础平台。此设计移动方案的选择是采用了履带式驱动结构。结构整体使用模块化设计，以便后续拆卸维修，可以适应于各种复杂的路面，并可主动控制前后两侧摇臂的转动来调节机器人的运动姿态，从而达到辅助过坑、越障等动作。经过合理的设计后机器人将具有很好的环境适应能力、机动能力并能承受一定的掉落冲击，此设计的移动机构主要由四部分组成：主动轮减速机构、翼板转动机构、自适应路面执行机构、履带及履带轮运动机构。此设计的目的设计结构新颖，能实现过坑、越障等动作。通过在机器人机架上加装其他功能的模块来实现不同的使用功能。- 43 -第2章 履带机器人的结构设计现有市场上常见的移动机器人基本上都是轮式机器人，其基本工作方式为电动机带动轮子转动，轮子再将动力传递给整个轮式机器人达到让其自由行走的目的。轮式机器人主要有以下几个方面的缺点：对行走地面要求比较高，在松软或者是泥泞的道路上行走时极容易打滑；且移动转向的时候需要整个机器人本体转动，转弯半径较大，占用的行走空间较多；而本设计中的多功能履带式机器人采用履带驱动的工作原理，其基本工作方式为行走电动机带动履带本体转动提供履带式机器人行走的动力，关节电动机带动履带本体调整其行走角度，让机器人本体能够自如的翻越障碍。这两种移动机器人的工作原理截然不同，两者结构不同、实现方式不同，使用方法也不相同。本篇论文中的多功能履带式机器人设计运用了巧妙的机械传动结构，利用电动机作为机器人行走的源动力，再通过稳定的减速器和链传动将电动机的动力传递给履带，使得机器人可以实现自由的行走，且多功能履带式机器人在遇到障碍物时，通过调整关节角度，使得整个运动过程更加平稳。我们在现有的单节双履带式机器人的理论基础上改良结构和运动方式，本次设计的多功能履带式机器人采用双节六履带式结构，机械结构更加优化，综合材质的选择、结构的简化，让使用者更加方便稳定的使用该移动机器人，这是本篇论文多功能履带式机器人的设计初衷。2.1 履带式机器人的设计要求（1）本设计中的多功能履带式机器人主要在一些人不方便进入的小型场合使用，包括倒塌的建筑物内，灾难现场，危险灾区和坍塌煤矿等。（2）本设计之前综合考虑，该多功能履带式机器人应该具有以下功能：产品加工生产成本低，质量安全稳定，使用寿命长，结构稳固，使用便捷，方便搬运移动。（3）本设计从履带机器人底座结构设计进行详细的设计分析及计算阐述。2.2 履带机器人的设计概述2.2.1 多功能履带式机器人与其他类型移动机器人原理的对比（1）轮式机器人的工作原理最早出现的移动机器人应当是轮式机器人。随着各个行业对移动机器人质量要求的不断提高，轮式机器人也得到了快速的发展与运用。轮式机器人以轮式移动为基础，相对腿式、履带式或其它非轮式的移动机器人具有运动速度快、工作效率高、结构简单、操作容易等优势。与其他移动机器人相比，轮式机器人最大的优点便是操作简单，其行走区域不需要假设轨道、支座架等固定装置，电路控制方便简单，且不易损坏。因此，轮式机器人大多数在较好的环境下使用，如今在自动化物流系统中被广泛使用，利用其快捷性和高效性，实现高物流仓库高效、经济、便捷的无人化管理。轮式机器人，其基本工作原理为电动机带动轮子转动，轮子再将动力传递给整个轮式机器人达到让其自由行走的目的。再通过其他辅助功能，如地面控制系统，车载控制系统，导航引导方式等综合起来形成完整的结构体系。随着对轮式机器人的深入研究分析，轮式机器人的应用范围也在不断扩大,如今也广泛运用于工业、军事、交通运输、电子等领域,，同样具有很强的抗干扰能力和目标识别能力。图2-1 常见轮式机器人实物图（2）腿式机器人的工作原理：腿足式移动机构分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移动机构优点有：(a)腿式机器人的地形适应能力强。(b)腿式机器人的腿部具有多个自由度，运动更具有灵活性，通过调节腿的长度可以控制机器人重心位置，因此不易翻倒，稳定性更高。(c)腿式机器人的身体与地面分离，这种机械结构优点在于机器人身体可以平稳地运动而不必考虑地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移动机器人如图7-2所示，特点是稳定性好，越野能力强。腿式移动机构缺点有：该类机器人的移动速度慢，机动性较差负载不能太重；腿式机器入对地面适应性和运动灵活性需要进一步提高；腿式机器人控制系统较为复杂，控制方法还有待完善；该机构未进入实用化阶段。图2-2八腿机器人（3）履带式机器人的工作原理在本世纪早期，以电动机作为动力源带动的单节双履带式机器人就已经出现了。随着现代工业应用技术的发展，如今出现了双节四履带式机器人和多节多履带式机器人等等类型的履带式机器人。机器人的车体的履带作为履带式移动机构，与前臂和后臂转动相协调，增加了机器人运动灵活性。机器人前臂和后臂各有一个伺服电机驱动，通过控制系统协调配合，实现前臂和后臂的灵活转动，在机器人爬坡和越障时发挥更大作用。机器人前臂和后臂协调作用，稳定性将更好。机器人车体左右两边履带各有永磁式直流电机驱动，通过控制系统协调配合，控制前轴和后轴的速度、力矩，可实现原地360转向，前进时的自由转向，随时调解爬坡时的力矩大小。在车体主履带前端是惯性轴，与主动轴配合，保证机器人运动的平稳。图2-3六履机器人2.2.2 多功能履带式机器人与其他类型移动机器人特点的对比多功能履带式机器人的优点：（1）在恶劣环境下也可以作业，越障机动性好；（2）具有很好的自复位能力，可以从任何颠覆状态恢复到正常行驶状态；（3）履带上的履齿不容易打滑，与地面的附着性好，能够最大程度的发挥电动机的效率轮式机器人的缺点：（1）对行走地面要求比较高，在松软或者是泥泞的道路上行走时极容易打滑；（2）移动转向的时候需要整个机器人本体转动，转弯半径较大，占用的行走空间较多（3）轮式机器人传动系统一旦发生故障，非专业人员不容易检查和排除问题。表2-2典型移动机构的性能对比表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2.2.3 多功能履带式机器人的设计参数总体结构六节履腿式结构最大通过坡度30自重50Kg通过能力能通过复杂行道载荷50Kg续航能力5小时以上搭载接口二维随动搭载平台转向能力自由转向结构尺寸1205*624*380履带高度200mm平地最大速度度速度0.5m/s前臂履带末80mm正常速度0.3m/s后臂履带末80mm图2-3履带式机器人的设计参数2.3 履带机器人的运动特性2.3.1 平面运动及转弯平面运动及转弯是最基本的运动方式，当两侧的履带同向等速运动时，则表现为直线行走，当两侧履带反向等速运动可实现原地零半径回转，而不同速度同向运动可实现任意半径转向。图3-1（a）、图3-1（b）为四摆臂履带单元同时着地，使机器人与地面的接触面积增大，可以使机器人适应松软、泥泞和凹凸不平等各种地形环境； 图3-1（a） 图3-1（b）图3-1（c）、图3-1（d）、图3-1（e）中当遇到小坡度的斜坡时，可直接爬坡而不必采取其他动作，从而可减少对驱动控制系统要求； 图3-1（c） 图3-1（d） 图3-1（e） 图3-1（f）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3-1（f）机器人爬坡时，姿态可以转变成图3-1（g）。当坡度较大时，则图3-1（h）和图3-1（i）是较好的姿态，这两种方式可使机器人重心位于稳定状态，从而保证机器人顺利爬坡。 图3-1（g） 图3-1（h） 图3-1（i）2.3.2 自撑起及涉水 机器人的主要控制系统和检测元件则安装在中间箱体中，为了避免在运动中被损坏，机器人可以通过4个摆臂单元向下摆动，抬高中间箱体的高度。且其以各自不同的摆动角度向下摆动时可使机器人变换成各种姿态，从而使中间箱体在允许变化的高度范围内自由转变，从而使机器人完成涉水的动作。 2.3.3 越障机器人利用摆臂前攻角进行越障，由于机器人摆臂能把车体抬起，所以可越过高于自身高度的障碍物。图示（a）-（h）表示机器人越过高障碍物的一般过程。履带利用齿形对障碍物的抓爬力来向上攀爬，同时后摆臂向下摆动以使车体抬高，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支起车体，机器人继续前进，直到其重心越过台阶。重心越过台阶后，前摆臂向前向上摆动直到与地面贴合，同时后摆臂向后向上摆动与车体成一后攻角为止，此时机器人已越上台阶。整个过程中，履带始终向前爬行。图3-2救灾机器人越障过程2.4 履带机器人的设计结构和尺寸2.4.1 履带机器人行走机构的选择本文履带机器人移动系统采用的是履腿式复合结构，总体设计方案如图2-4所示。机器人的车体的履带作为履带式移动机构，与前臂和后臂转动相协调，增加了机器人运动灵活性。机器人前臂和后臂各有一个伺服电机驱动，通过控制系统协调配合，实现前臂和后臂的灵活转动，在机器人爬坡和越障时发挥更大作用。机器人前臂和后臂协调作用，稳定性将更好。机器人车体左右两边履带各有永磁式直流电机驱动，通过控制系统协调配合，控制前轴和后轴的速度、力矩，可实现原地360转向，前进时的自由转向，随时调解爬坡时的力矩大小。在车体主履带前端是惯性轴，与主动轴配合，保证机器人运动的平稳。2.4.2 多功能履带式机器人的结构组成和尺寸图4-1多功能履带式机器人的设计结构1.后摆臂及履带 2.齿轮 3.永磁式直流电机 4. 减速器 5. 蓄电池 6.微控制器及组件 7.步进电机 8. 主履带 9.前摆臂及履带 图4-2机器人车体具体尺寸2.4.3 多功能履带式机器人主要机构的工作原理减速传动机构是电动机通过行星轮减速器的降速，来实现增大转矩、调速，通过直齿轮改变轴的方向，输出后轴转矩，为机器人提供主要动力。后轴驱动机构驱动后轴位于传动系的末端。其基本功用是增扭、降速和改变转矩的传递方向。转向机构是机器人在行驶过程中，经常需要改变行驶方向，本机构是通过两个电机的差速比来实现的。动力部分采用电机，通过齿轮副降速后带动低速轴的转动，轴与履带驱动机构通过导杆滑块机构连接，使履带驱动机构各自绕前后轴的中心线转动，实现机器人不同角度的爬坡和越障能力。2.5 履带机器人的越障分析2.5.1 跨越台阶 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慢慢增大，当重心越过台阶的支撑点时，则完成了爬越台阶的动作。由运动过程可以看出，图5-1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5-1上台阶临界状态示意图由图5-1所示几何关系可得： （5-1） 变换式（5-1）可得： （5-2） （5-3）利用式（5-3）求出，代入式（5-2）可算出机器人跨越障碍的高度。机器人加装后臂，可以大幅提高机器人跨越台阶的高度，如图5-2所示，在后臂伺服电机的驱动下，后臂履带抬起，成直立，在机器人跨越的高度又要高出H。所以本次设计履带设计中机器人跨越障碍的最大高度为：H=600mm图5-2上台阶临界状态示意图2.5.2 跨越沟槽对于小于机器人前后履带轮中心距的沟槽，因机器人重心在机器人车体内，当机器人重心越过下一个沟槽的支撑点时，机器人就越过了沟槽。也可能由于重心未能过去，倾翻在沟槽内。当沟槽大于中心距时，履带式机器人可以看做爬越凸台障碍。履带式移动机器人跨越沟槽时，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。机器人前臂和后臂的长度相等。机器人在平地图5-3（a）跨越沟槽的宽度： （5-4）图5-3跨越沟槽示意图2.5.3 斜坡运动分析机器人在斜坡上运动时，其受力情况如图5-4所示，机器人匀速行驶或静止时，其驱动力： （5-5）图5-4机器人上坡受力示意图 最大静摩擦力系数为，最大静摩擦力为： （5-6）当时，机器人能平稳行驶。当时，机器人受重力的影响将沿斜面下滑。已知履带机器人对地面的最大静摩擦系数，则机器人爬越的最大坡度为: 爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为： （5-7）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。由以上计算可得：机器人的爬坡角度最大为；垂直越障高度最大为600mm：最大跨沟宽度为400mm。2.6 机器人移动平台主履带电机的选择对于履带和地面的动摩擦因数，实际上只是表示起动时车轮所处的滑动状态对应的滑动摩擦力，一旦车轮开始转动，面临的滚动摩擦力则总是比滑动摩擦力小得多。则可取大一点。2.6.1 机器人在平直的路上行驶履带式机器人在跨越平面的沟槽或在平面移动，假设其速度最大，且匀速前进，则取 履带式机器人共有两个输出轴，每个输出轴前端都有一个电机，对机器人其中一个输出轴分析:图6-1 平直路线分析 （6-1） （6-2）又 则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：2.6.2 机器人在30坡上匀速行驶机器人在最大行驶坡度上匀速行驶，设定行驶速度为,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 图6-2 30坡度分析 （6-3） （6-4）又，则则在最大坡度下需提供极限转矩为 2.6.3 机器人的多姿态越阶对这几种姿态分析，机器人在跨越台阶时直流电机只驱动主履带，机器人在实际跨越台阶过程中速率不大，那么机器人所需提供的输出功率也不大。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，而爬坡时需要驱动电机的输出转矩较大。因此，在选电机时，应根据平地直线运动所求的最大转速和爬坡运动所求的转矩进行选择。根据机器人爬坡情况的分析：,机器在平面状况下，因而选取P=80W作为机器人的最大输出功率。根据计算的履带式机器人的最大输出功率为80W, 输出转矩为22.1N.M, 输出转速为56.2r/min。因为直流电机启动性能好，过载性能强，可承受频繁冲击、制动和反转，允许冲击电流可达额定电流的3到5倍。另外在使用过程中可携带或可移动的蓄电池，干电池作为供电电源，操作轻巧与方便。根据直流电机这些性能，满足主履带频繁受冲击，制动和反转的要求，满足机器人要携带移动电池的要求，因而则选择90ZY54型号的直流永磁电机。表6-1 直流电机数据额定功率92额定转矩0.6额定转速1500电流7电压12允许正反转速差150因为 则因为, 则又则选取 2.7 履带部分的设计2.7.1 履带的选择对于履带基于标准化的思考，我们选择了梯形双面齿同步带作为设计履带，其具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步带通常以氯丁橡胶为材料，这种带薄而且轻，故可用于较高速度。传动时的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98。传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。因为同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大等优点，所以传递功率可以从几瓦到百千瓦。传动效率高，结构紧凑，适宜于多轴传动，无污染，因此可在工作环境较为恶劣的场所下正常工作。从以上对同步带性能的分析中可以得出结论，选用梯形双面齿同步带作为移动装置设计履带能够满足设计性能及工作的环境条件要求。由已知后轴输出功率为(即）；由已知设计装置移动速度，根据公式，可得主动轮转速，预先设计履带主动轮直径=169mm，履带从动轮直径=169mm，由公式，可得=59.71r/min.。故可以得到设计的已知条件如下：传递名义功率.主动轮转速r/min从动轮转速中心距.2.7.2 功率的计算式中K-载荷修正系数（有工作机性能和运转时间查表7-1可以得到）表7-1修正载荷系数K工作机运行时间（小时/日）358101624计算机，医疗机1.01.21.4缝纫机，办公机械1.21.41.6轻传送机，包装机1.31.51.7搅拌机，造纸机1.41.61.8印刷机，圆形带锯1.41.61.82.7.3 确定带的型号和节距由设计功率=0.1377kw和=59.71r/min，考虑到可以用双面交错梯状齿形同步带作为履带使用，由图7-1查得型号选用XH型，对应节距=22.225mm，图7-2为双面交错梯状齿形同步带的结构图，双面齿同步带的节距和齿形等同与单面齿同步带的齿形和节距，图A为DA型双面齿同步带，其两面带齿呈对称排列，图B为DB型双面齿同步带，其两面带齿呈交错位置排列，本装置设计履带选择DB型。XH型同步带=2.794mm，=15.49 图7-1梯形齿同步带，轮选型图图7-2梯形齿形状图表7-2梯形齿标准同步带型号及其尺寸槽型MXLXXLXLLHXHXXH齿数10-232410101014-19191818节距0.0032.0323.1755.0805.52512.70022.22531.750齿半角A0.122820252520202020齿高0.640.841.402.132.596.8810.29齿顶厚0.610.670.961.273.104.247.5911.61齿顶圆角半径0.030.300.300.610.861.472.012.69齿根圆角半径0.030.230.280.610.531.041.421.932.82两倍节极距2a0.5080.5080.5080.7621.3722.7943.0482.7.4 确定从动轮的直径对于梯形标准同步带来说小带轮的齿数是有要求的，能够保证同步带运转是最为基本的，履带选用的XH形同步带一样有齿数最小要求，由表7-3查得 表7-3小带轮的最小齿数小带轮转速XLLHXHXHH9001012142222900-120010121624241200-180012141820261800-36001216202230 由上面得到 可以代入公式: 为了增大摩擦力，应考虑增大履带与接触地面的有效接触面积，所以履带离地面的高度不易过大，故取履带主动轮直径=169mm，履带从动轮直径=169mm。查表7-4，选择履带主动轮型号为24XH，履带从动轮型号为24XH，就近圆整带轮直径，查得履带主动轮直径=169.79mm，履带从动轮直径=169.79mm。表7-4XH型同步轮尺寸表（节距=22.225mm）规格齿数节径d外径do档边直径df档边内径db档边厚度h22XH22155.64152.841671384.523XH23162.71159.921741454.524XH24169.79166.991811524.525XH25176.86174.071881594.526XH26183.94181.141951664.527XH27191.01188.222021734.528XH28198.08195.292091804.5同步带都有自己的极限速度，如果速度过大会使皮带轮机构的不稳定性增强，有较大的波动现象，并且在单位时间的转动次数会增加，不利于带的寿命的提高，所以有同步带的速度校核如下: 查表7-5得 表7-5梯形齿同步带极限速度型号MXL,XXL,XL,T2.5，T5，3ML,H,T10，8M,14MXH,XXH,T20，20M模数1,1.5,2,2.53,4，57,1040-5035-4025-302.7.5 确定节线长度确定中心距，增大中心距，可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命，但是中心距过大，则会加剧带的波动，降低带的传动平稳性，同时增大带传动的整体尺寸，中心距过小，则有相反的利弊，取带传动的中心距为：由=169.79mm，=169.79mm.代入上式有：由于履带机器人工作的环境限制，所设计的尺寸不宜过大，选择中心距的尺寸偏小，初选取=380mm。根据带传动总体尺寸和中心距的要求，带的节线长度可由带围绕两带轮的周长来计算，根据下式求得： （7-1）代入=400mm，=169.79mm，=169.79mm有1350.79mm根据表7-6就近圆整=1422.40mm型号为560XH，同步带齿数为64。表7-6 XH型同步带节线型号XH型（节距=22.225mm）规格节线长mm 齿数463XH1177.9353508XH1289.0558560XH1422.4064570XH1444.6365580XH1466.8566630XH1600.2072700XH1778.0080735XH1866.9084752XH1911.3586770XH1955.8088785XH2008.70902.7.6 确定设计功率时所需的带宽a.计算同步带的基准额定功率 kw （7-2） 式中许用工作拉力，查表7-4得=4048.90N单位长度质量，查表7-7得=1.484Kg/m表7-7七种同步带型号的主要参数带型号节距基准宽拉力质量G带宽MXL2.036.43.0，4.8，6.4XXL3.1756.4310.0103.0，4.8，6.4XL5.0809.550.170.0226.4，7.9，9.5L9.52525.4244.460.09512.7，19.1，25.4H12.7076.22100.850.44825.4，38.1，50.8XH22.225101.64048.901.48450.8，76.2，101.6XXH31.75127.06398.032.47376.2，101.6，127.0带入上式得：b.计算主动轮啮合齿数小带轮的啮合齿数为： c.确定实际所需带宽其中为啮合系数由表7-8查的=1表7-8啮合齿数系数5410.80.6式中带所传递的功率=2.024kw本履带选用为XH带，可以由表7-9查的基准带宽如下:表7-9周节制梯形齿同步带的宽度型号MXLXXLXLLHXHXXH基准宽度mm6.46.49.525.476.2101.6127许用拉力T273150.17244.462100.854048.906398.03带的质量m0.0070.010.0220.0950.4481.4842.473所以以上公式算得带宽为72.44mm，所以以此选取标准带宽，表7-10查的将其取为标准值7-10周节制梯形同步带的宽度与高度型号公称高度标准宽度mminmmin代号H4.30.1750.8220076.23300XH11.20.4476.23300101.64400XXH15.70.62101.644001275500XXL1.52_4.8-4.86.4-6.42.7.7 功率验算,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，同时得到作用在轴上的力 2.7.8 同步带的物理机械性能 本履带式机器人选用XH带，其物理机械如下：表7-11同步带的物理机械性能项目梯形齿XHLHXHXXH拉伸强度80120270380450参考力伸长率参考力N6090220300360伸长40硬度755包布粘合强度56.581012芯绳粘合强度2003806008001500齿体剪切强度50607075902.8 履带主从动轮的设计2.8.1 履带轮材料选择为了减轻履带驱动装置的重量，我们选择硬铝合金作为履带主、从动轮的材料，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。2.8.2 履带轮形状及其主要尺寸的确定履带和带轮的啮合方式见图8-1所示，图中为同步带轮节圆或同步带节线上测得相邻两齿的距离即节距。XH型节距=22.225mm，为同步带轮的节圆直径，主动轮节圆型号为24XH，=169.79mm，从动轮节圆型号为24XH，=169.79mm.为同步带轮实际外圆直径，主动轮=166.99mm，从动轮=166.99mm。图8-1同步带轮外径径节示意图同步带分为AS型，BS型，AF型，BF型，WS型，其中AF型和BF型为双边档边，由于本设计采用的是电动机、减速器动力总成放在翼板内，直接通过锥齿轮传递用后驱动轮轮轴。所以，主动轮选择两个单边单圈，从动轮选择一个无挡圈，选WS型同步带轮。主动轮24XH，齿数24，径节=169.79mm，外径=166.99mm主动轮初选两个双边挡圈的带轮，用于设计中将其组合。2.8.3 履带轮齿形及齿面宽度的选择根据图8-2可以查得XH型梯形双面齿同步带轮齿形尺寸如下:节距=22.225mm，齿槽=mm，齿深=7.14mm，槽角=，倒角=，=，=3.048mm，根据表8-3可以查出以上数据。图8-2齿形尺寸表8-3梯形双面齿同步轮齿形尺寸型号节距MXL2.0320.840.050.69200.350.130.508XL5.0801.320.051.65250.410.640.508L9.5253.050.102.67201.191.170.762H12.74.190.133.05201.601.61.372XH22.2257.900.157.14201.982.392.794XXH31.75012.170.1810.31203.963.183.048根据前面确定的宽度为76.2，及所选择的无档边带轮查表8-4可得到梯形双面齿同步带轮齿面宽度=83.8。表8-4同步带轮齿面宽度尺寸参考表型号同步带宽度齿轮面宽度代号带宽双面档边带轮单面档边带轮无档边带轮XH20050.856.662.259.630076.283.889.886.9400101.6110.7116.7113.72.8.4 履带轮所允许的公差两轮所允许的公差如表8-5所示表8-5允许公差表项目小轮大轮外径偏差+0.150+0.150任意两相邻点节距偏差90度弧内的累积0.030.150.030.15外圆径向圆跳动0.130.15外圆端面圆跳动0.190.26轮齿与轴线平行度齿顶圆柱面的圆柱度0.090.11轴孔直径偏差H7或H8H7或H8外圆及两齿侧表面粗糙度3.23.22.9 副履带部分设计 因为同步带传动具有准确的传动比，无滑差，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大等优点，所以传递功率可以从几瓦到百千瓦。传动效率高，结构紧凑，适宜于多轴传动，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。从以上对同步带性能的分析看出其性能的优越性，因此选用梯形双面齿同步带作为移动装置副履带能够满足设计性能及工作的环境条件要求。副履带的设计是依照主履带的设计进行的，具有异曲同工之妙。而副履带相对了主履带来说，它是辅助作用，帮助移动平台具有更出色的越野性能，更擅长于攀爬和越沟。自然它的环境不如主履带恶劣，并且所承受的载荷也比较轻一些，所以我给予选择H带。其设计方法参照主履带如下:介于副履带的主动轮的直径选择应与主履带的从动轮的相当，则选择副履带主动轮直径。根据任务推出副履带从动轮直径 副履带主动轮齿数 副履带从动轮齿数 2.9.1 计算副履带的带宽根据前面的表7-7查得到：H带 选择标准带由表7-9差查得H带 2.9.2 计算H带的基准额定功率计算所选用型号同步带的基准额定功率:其中：得出：而由：反推得到设计功率为2.9.3 中心距的选择则确定中心距2.9.4 计算副履带节线长度根据带传动总体尺寸和中心距的要求，带的节线长度可由带围绕两带轮的周长来计算，根据下式求得： （9-1）代入数据根据表9-1可选带长为9-1周节制梯形齿同步带节线长度及齿数长度代号基本尺寸极限偏差LHXHXXH345876.300.6692-360914.40-72-367933.4598-390990.6010478-4201066.800.7611284-2.10 履带翼板部分设计2.10.1 履带翼板的作用履带翼板是整个履带驱动装置中的基础部分，主要起支撑张紧作用，履带从动轮，张紧轮和过度轮分别安装在翼板上。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，所以翼板的材料选择硬铝合金。2.10.2 履带翼板设计翼板的主要尺寸见图10-1所示，履带主动轮，从动轮，张紧轮和调节轮在翼板上的位置见图10-1上部的一个圆孔和下部的两个圆孔所示，张紧轮翼板设计厚度为18mm。图10-1翼板主要尺寸2.11 主履带的重心计算2.11.1 翼板质量由图10-1翼板主要尺寸，翼板的设计厚度为18mm，可参考图11-1翼板三维效果图，可以求出翼板的体积，翼板材料为硬质合金，密度为2.7求翼板体积由于翼板外形较为复杂，直接求其体积较为复杂，可用Ug建立翼板模型见图11-2，用其质量特性测得翼板的体积。图 11-1翼板的三维效果图图11-2 求解翼板体积2.11.2 履带从动轮的质量由前面选择的履带从动轮型号为24XH，径圆直径=169.8mm，则=84.9mm，从动轮通过圆柱滚子轴承与翼板连接，选择圆柱滚子轴承外径D=90mm，轮宽履带从动轮材料选择硬质合金，其密度2.7。 2.11.3 张紧轮、调节轮质量由于梯形双面齿同步带在工作一定时间后会发生松弛，为了防止同步带轮因同步带松弛而发生打滑现象，可以通过调节张紧轮的高度使履带继续保持张紧。当履带驱动装置工作时，由于梯形双面齿同步带具有弹性，履带转动与路面接触难以形成有效的摩擦力，在履带