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双摆臂履带式搜索机器人行走机构的设计【含CAD图纸、说明书】
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双摆臂履带式搜索机器人行走机构
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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 级学院名称专业名称指导教师年5月22日 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 日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、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所拥有。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。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 搜救机器人； 传动系统； 履带式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 毕业设计(论文)目 录摘要IAbstractII1 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32 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7 2.5.1机器人跨越台阶7 2.5.2机器人跨越沟槽8 2.5.3机器人斜坡运动分析83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10 3.2爬坡最大坡度的驱动电机功率计算114 减速器设计12 4.1 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18 4.2.1 蜗杆的型号和材料18 4.2.2 按齿面接触疲劳强度进行设计18 4.2.3 蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸20 4.2.4蜗杆轴的设计21 4.2.5蜗轮轴的设计265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28 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306 机器人摆臂的设计317 机器人感知系统32结论33致谢34参考文献35附录36附录136附录237391 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。 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。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。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。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2.3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2.4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2.5.1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： 式（2.1）变换式（1）可得： 式（2.2） 式（2.3） 利用式（2.3）求出，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（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： 式（2.4）在角度为的斜坡图2-5(b)上跨越沟槽的宽度 ： 式（2.5） 2.5.3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： 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，最大静摩擦力为： 式（2.7）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。已知煤矿井下机器人在井下地面最大静摩擦系数，则机器人爬越的最大坡度为: 式（2.8）爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为： 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。 3电动机的选择3.1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： 式（3.1） 式（3.2）则，移动机器人平地直线运动的平衡方程为： 式（3.3） 则， 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：3.2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0.1。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3-2机器人爬坡受力图爬坡的平衡方程为： 解之得：M=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0.1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=11.94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：=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101624V6.5A3000r/min250W80%4 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 4.1.1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 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 ,SHlim = 1 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 （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 =4.025 （4） 选择齿宽系数 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1 计算小齿轮分度圆直径 766766=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）确定齿轮的齿数和 取 Z1 = 25 取 Z2 = 100 （7）实际齿数比 齿数比相对误差 /=2.19/204=0.0107 计算大齿轮齿根弯曲应力为 齿轮的弯曲强度足够4.1.4 齿轮几何尺寸的确定齿顶圆直径 由机械零件设计手册得 h*a =1 c* = 0.25 齿距 P = 23.14=6.28(mm)齿根高 齿顶高 齿根圆直径 4.1.5 轴的材料和热处理的选择由机械零件设计手册中的图表查得选45号钢，调质处理，HB217255 =650MPa =360MPa =280MPa4.1.6 轴几何尺寸的设计计算 1. 按照扭转强度初步设计轴的最小直径从动轴=c=115=29.35考虑键槽=29.351.05=30.82选取标准直径=32 2.轴的结构设计根据轴上零件的定位、装拆方便的需要，同时考虑到强度的原则，主动轴和从动轴均设计为阶梯轴。 3.轴的强度校核从动轴的强度校核 圆周力 =2000158.872/192=1654.92径向力 =tan=1654.92tan20=602.34 由于为直齿轮，轴向力=0 L=110mm =0.5=0.51654.92=827.46=0.5L=827.461100.5/1000=51.72=0.5=0.5602.34 =301.17=0.5L=501.171100.5/1000=36.4 转矩T=158.872 校核=55.04 =118.42 由图表查得，=55MPa d10=10=29.21(mm) 考虑键槽d=29.21mm 45mm L=110mm =0.5=0.51654.92=827.46=0.5L=827.461100.5/1000=51.72=0.5=0.5602.34 =301.17=0.5L=501.171100.5/1000=36.4 转矩T=158.872 校核=55.04 =118.42 由图表查得，=55MPa d10=10=29.21(mm) 考虑键槽d=29.21mm 45mm 则强度足够4.1.7减速器三维图 图4-1减速器三维图4.2蜗杆减速器的计算 4.2.1 蜗杆的型号和材料GB/T10065-1998推荐采用阿基米德（ZA蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用阿基米德型圆柱蜗杆（ZA型）。蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，以提高表面耐磨性，选用锡磷青铜ZCuSn10P1，采用金属模铸造。 4.2.2 按齿面接触疲劳强度进行设计蜗杆副采用闭式传动，多因齿面脱离危险合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行校核。按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为： 式 (4.1)式中 蜗杆副的传动中心距，单位为mm； K载荷系数； T2作用在蜗轮上的转矩T2，单位为Nmm； 弹性影响系数，单位为MP1/2； 接触系数； 许用接触应力，单位为MPa。从式（4.1）算出蜗杆副的中心距之后，根据已知的传动比i=48,从附录1中选择一个合适的中心距值，以及相应的蜗杆、蜗轮参数。（1） 确定作用在蜗杆上的转矩T2设蜗杆头数Z1=1，蜗杆的传动效率取=0.8。由电动机的额定功率P1=90W，可以算得蜗轮传递的功率P2=P1，再由蜗轮的轮转速n2=30r/min求得作用在蜗轮上的转矩：T2=9.55P2/n2=9.55P1/n2=9.55800.8/30Nm20.373Nm=20373Nmm（2） 确定载荷系数K载荷系数K=KAKKv。其中KA为使用系数，由附录2查得，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取KA=1.15；K为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和停止时有变化，故取K=1.15；Kv为动载系数，由于转速不高、冲击不大，可取Kv=1.05。刚载荷系数：K=KAKKv=1.151.151.051.39（3） 确定弹性影响系数ZE铸锡磷青铜蜗轮与蜗杆相配时,从有关手册查得弹性影响系数ZE=160MPa1/2。（4） 确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距的比值d1/=0.35，从附录3中可查得接触系数=2.9。（5） 确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1、金属模铸造蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，可从附录4中查得蜗轮的基本许用应力=268MPa。已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数J=1；蜗轮转速n2=30r/min;蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。则应力循环次数N=60Jn2Lh=6013010000=1.8107寿命系数：KHN=0.929许用应力：=KHN=0.929268MPa=249MPa（6） 计算中心距将以上各参数代入式（4.1），求得中心距：mm=46.2mm查附录1，取中心距=50mm，已知蜗杆头数Z1=1，设模数m=1.6mm，得蜗杆分度圆直径d1=20mm。为时d1/=0.4，由附录3得接触系数Z=2.74。因为ZZ，所以上述计算结果可用。4.2.3 蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数，算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后，即可绘制蜗杆副的工作图。（1） 蜗杆参数与尺寸头数Z1=1，模数m=4mm，轴向齿距Pa=m=12.56mm，轴向齿厚Sa=0.5m=6.28mm，分度圆直径d1=40mm，直径系数q=d1/m=10，分度圆导程角=arctan(z1/q)=54238。取齿顶高系数 ha*=1，径向间隙系数c*=0.2，则齿顶圆直径da1=d1+2ha*m=40mm+214mm=48mm齿根圆直径df1=d1-2m(ha*+c*)=40-24(1+0.2)mm=30.4mm。（2） 蜗轮参数与尺寸齿数Z2=31，模数m=4mm，分度圆直径d2=mZ2=4*31mm=124mm，变位系数x2=-(d1+d2)/2/m=80-(40+124)/2/4=-1蜗轮喉圆直径da2=d2+2m(ha*+x2)=124+24(1+1)mm=140mm蜗轮齿根圆直径df2=d2-2m(ha*-x2+ c*)=124-24(1-1+0.2)mm=122.4mm蜗轮咽喉母圆半径rg2=-da2/2=(80-140/2)mm=10mm（3） 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度即检验下式是否成立： =（1.53KT2/d1d2m）YFa2Y 式(4.2)式中 蜗轮齿根弯曲应力，单位为MPa；YFa2蜗轮齿形系数；Y螺旋角影响系数；蜗轮的许用弯曲应力，单位为MPa。由蜗杆头数Z1=1，传动比i=31，可以算出蜗轮齿数Z2=iZ1=31。则蜗轮的当量齿数Zv2=Z2/cos3=48.46根据蜗轮变位系数x2=1和当量齿数ZV2=48.46，得齿形系数：YFa2=1.95螺旋角影响系数：Y=1-/140=0.967根据蜗轮的材料和制造方法，可得蜗轮基本许用弯曲应力：=56MPa蜗轮的寿命系数：KFN=0.725蜗轮的许用弯曲应力：=KFN=560.725MPa=40.6MPa将以上参数代入（4.2），得蜗轮齿根弯曲应力：=1.950.967MPa33.2MPa可见,蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。4.2.4蜗杆轴的设计1. 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力考虑轴主要传递蜗轮的转矩，为普通用途中小功率减速传动装置。选用45号钢，正火处理， 。2. 按扭转强度初步估算轴的最小直径 式（4.3）扭转切应力为脉动循环变应力，取抗弯截面系数取3确定各轴段的直径和长度根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状，直径和长度。图4-2 轴的形状，直径和长度L1为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为12mm，端盖宽度为10mm，则L1=22mm。L2尺寸长度与刀架体的设计有关，蜗杆端面到刀架端面距离为65mm，故L2=43mm。L3为蜗杆部分长度，圆整取30mm。L4取55mm，为（12+8）mm，通过联轴器与电动机相连长度为50mm，故L5=30mm。L6取40mm两轴承的中心跨度为128mm，轴的总长为220mm。同时轴承各段直径d1=32mm,d2=35mm,d3=50mm,d4=35mm,d5=32mm,d1=28mm4.蜗杆轴的校核作用在蜗杆轴上的圆周力 图4.3轴向受力分析其中，则 径向力 切向力 求水平方向上的支承反力 图4-4 水平方向支承力 求水平弯矩,并绘制弯矩图图4-5 水平弯矩图求垂直方向的支承反力 式（4.4） 查表得，其中， 图4-6 垂直方向支承反力 求垂直方向弯矩，绘制弯矩图图4-7垂直弯矩图求合成弯矩图，按最不利的情况考虑图4-8合成弯矩图计算危险轴的直径 式 (4.5)查教材机械设计表16.3得，材料为调质的许用弯曲应力，则所以该轴符合要求。5. 键的选取与校核考虑到，实际直径为17mm，所以强度足够，由GB1095-79查得，尺寸，的A型普通平键。按公式 式 （4.6）进行校核，。查表得，取则 该键符合要求。由普通平键标准查得轴槽深，毂槽深t。4.2.5 蜗轮轴的设计 1 蜗轮轴材料的选择，确定需用应力考虑到轴主要传递蜗轮转矩，为普通中小功率减速传动装置，选用45号钢，正火处理，查教材机械设计表16.3得弯曲许用应力和对称循环应力状态下的许用应力分别为，。 2 按扭转强度，初步估计轴的最小直径 式（4.7）查教材机械设计表16.3得，取45号调质钢的许用弯曲应力，则由于轴的平均直径为30mm，因此该轴安全。3 确定蜗轮轴长度根据车体宽度和履带及摆臂宽度可以得到蜗轮轴总长度为760mm。 5移动机构履带及翼板部分设计5.1履带的选择由于在考虑履带装置设计时，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，梯形双面齿同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步带传动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=160mm，履带从动轮直径=160mm，由公式，可得=120r/min.。故可以得到设计的已知条件如下：（1）传递名义功率.（2）主动轮转速.（3）从动轮转速（4）中心距. 5.1.1 确定带的型号和节距由设计功率=0.2275kw和=120r/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15查得型号选用XH型，对应节距=22.225mm，图16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，=15.49mm。图5-1梯形齿同步带，轮选型图 图5-2梯形齿形状图5.1.2确定主从动轮直径为了增大摩擦力，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=160mm，履带从动轮直径=160mm。选择履带主动轮型号为23XH，履带从动轮型号为23XH，就近圆整带轮直径，查得履带主动轮直径=162.71mm，履带从动轮直径=162.71mm。5.1.3确定节线长度和带宽确定中心距，中心距大，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=400mm。（1）计算所选用型号同步带的基准额定功率（kw） 式（5.1）式中许用工作拉力，查表得=4048.90N单位长度质量，查表得=1.484Kg/m线速度m/s求解线速度：由已知条件主动轮转速=1220r/min.带入上式得 4.049kw（2）计算主动轮啮合齿数 Zm = （3）确定实际所需带宽 式（5.2）式中带所传递的功率kw=0.17225kw啮合系数，因6，故=1.所以 将其取为标准值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。 6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6-17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。 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。致 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
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