履带式移动机械手的结构设计及分析【全套含有CAD图纸三维建模】
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包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 业 设 计 (论 文 ) 移动机械手的结构设计及分析 系 名： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 年 月 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 I 目 录 摘 要 . . V 第一章 绪论 . 1 究背景及意义 . 1 内外研究及发展现状 . 2 第二章 总体方案设计 . 4 计参数及功能要求 . 4 计技术参数 . 4 能要求 . 4 案选定 . 4 体方案设计 . 4 臂方案设计 . 5 理分析分析 . 5 要机构工作原理 . 5 动特性分析 . 6 臂原理分析 . 7 第三章 机器人运动分析及主电机的选择 . 8 动分析 . 8 越台阶 . 8 越沟槽 . 9 坡运动分析 . 9 电机的选择 . 10 第四章 零部件的设计与选择 . 14 带（同步带）部分设计 . 14 步带的选择 . 14 定主从动轮直径 . 16 定节线长度 . 17 定最大功率时带宽 . 18 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 功率验算 . 20 步带的物理机 械性能 . 20 步带主从动轮设计 . 21 履带（同步带）部分设计 . 23 算同步带的带宽 . 24 算 H 带的基准额定功率 . 25 心距的选择 . 25 算同步带节线长度 . 25 体副履带摇臂设计 . 26 械手臂部分设计 . 26 机的选择 . 26 、小臂设计 . 28 爪、手腕设计 . 29 第五章 基于 的三维设计 . 32 三维设计软件概述 . 32 维设计 . 32 体 . 32 履带 . 33 履带 . 33 臂、手腕 . 33 维装配 . 34 总 结 . 35 参考文献 . 36 致 谢 . 37 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 要 移动机械手是用于处置或销毁爆可疑、危险物品的专用器材，避免不必要的人员伤亡。它可用于多种复杂地形进行移动。此设计的移 动机械手可实现回转、上下移动，夹持并且能过坑、越障等动作。 此设计移动方案的选择是采用了履带式驱动结构，而手臂部分则采用关节式机构。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：电机的选择、主履带设计、副履带设计、臂部及手腕设计。 本文首先根据课题所给的技术参数和功能要求提出 移动机械手车体 结构方 案，并对方案进行分析。 接着，对主要技术参数进行了计算选择；然后，对各主要零部件进行了设计与校核；最后，通过 图软件绘制了 移动机械手车体 结构 装配图及主要零部件图。 关键词：移动机械手；手臂；手腕；同步带 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 V 含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 is or of to It be to a of of up a is of is of of be to a of to on to so as to a a of is is of of to to a 含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 1 第一章 绪论 究背景及意义 机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一。人类对于机器入的研究由来已久，但直到上世纪 50、 60 年代，随着机构理论和数控伺服技术的发展才真正进入实用化。上世纪 70 年代后，计算机技术、控靠 q 技术、传感技术和人工智能技术迅速发展，机器人技术也随之进入高速发展阶段，并发展成为集机械、电子、控制和计算机技术的一项综合技术。 在历史上，所有的高新技术首先被考虑用于军事用途，机器入也不例外。未来战争将是建立在高科技条件下的、高度信息化的全方位立体化的战争，各种具有巨大杀伤力的先进武器的广泛 使用，将使未来的战场环境异常复杂、信息瞬息万变，士兵的生命无时不刻受到来自天空、地面，水下各种先进武器的威胁，完全依赖士兵作战能力的战争模式正越来越受到挑战。在军用机器人领域，移动机械手是较早投入实战的军用机器人之，日静，移动机械手在些发达国家的军队已得到广泛使用。英国早在 60 年代就研制了 “手推车 ”移动机械手用于英阿马岛战争的爆炸物清理，其改进型的土拨鼠及野牛两种遥控电动移动机械手被英国争家工程兵在波黑及科索沃用于探测及处理爆炸物，德国 遥控移动机械手也曾装备了其驻索马晕的维和部队 1 31。在 近年来美国发动的几次局部战争中，基于 “零伤亡 ”的作战思想，美军开始在战场上大量使用移动机械手替代士兵执行移动任务，其 动机器入 2000 年就参与波斯尼亚地区的军事行动，随后又参与 2002 年初的阿富汗行动以及 2003 年的伊拉克战争，执行的主要任务是爆炸物检测及其处理，阿富汗和伊拉克战争中共执行 20000 项任务，在战争中有效地降低了已方的伤亡 H。 此外，由于政治、经济、民族、宗教等关系的错综复杂，国际和地区恐怖主义在世界各国有泛滥的趋势。在公共场所安放爆炸物以产生恐慌 (爆炸恐怖犯罪 )即是其集中表现形式。 相对于其他形式的恶性犯罪，恐怖爆炸由于其危害面广、社会和政治负面影响面大，日益成为令当今世界各国政府头疼的问题。据美国官方统计， 1968 年国际上的恐怖主义事件仅有 120 起，面 1984 年增至 652 起。 1983 年的 500 起恐怖活动中，有 262起是爆炸事件 其是最近几年，随着国际形势的动荡，恐怖爆炸事件更是此起彼伏，接连不断。除了传统的恐怖活动热点地区，例如中东、阿富汗等地区外，美国、英国、西班牙、日本、俄罗斯、印度尼西亚、乌兹别克斯坦、马来西亚和泰国，菲律宾也接连发生恐怖爆炸事件，影响较大的有俄军医院爆炸 案、西班牙马德里爆炸案，印尼巴厘岛爆炸案、伦敦连环爆炸寨等。就连以往很少有恐怖活动波硕十论文小型捧爆机器人总体设计的研究及的国家和地区，近年来也接连发生恐怖爆炸事件。而且，随着时间的推移，这些活动还愈演愈烈。作为应对，反恐移动已经成为世界各国政府最为关注的问题包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 2 之一。目前在世界范围内，移动机械手已经成为反恐作战的重要装备之一。 移动机械手是目前较具研究价值的机器人产品，在反恐领域可用来执行诸如反恐移动的任务，战场上移动机械手则用以执行诸如排除爆炸物、战场信息收集的任务；稍加改造，即可加装单兵武器用于武装巡逻 、战斗值勤等高危险任务。目前国内已经着力于移动机械手的研发，但距离军事用途还有相当的距离。基于军用机器人产品系列化，通用性的需要，本文对基于小型移动平台基础上，兼具摊爆和作战功能的机器人进行总体设计的研究。 内外研究及发展现状 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。尤其是移动机械手，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。 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。其主要由机械本体、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，对于移动移动机器人，可以是两移动、四移动、六移动等。其次，考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的功能。再者，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。最后，考虑摆臂角的原理，这方面需要重点考虑，通过控制摇臂的角度来改变自身高度以达到越障过坑功能是这种机器人的最大特点。对于这些问题可归结为：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。 下面是各国研发的一些移动可变形机器人： （ 1） 美国的拆弹专家： 如图 2222示，这是美国 一种较小型 “器人，现服役于美国军队，它搭配了一个爆炸物感应系统，能有效地探测炸弹。 图 2种 机器人是一种小型地面探测车，重量仅为 30 磅。 图 2 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。 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 3 图 2 备展开 图 2展情况 图 2器人 图 2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。 图 2-5 走姿势 图 2紧凑姿势 通过对国内外移动机械手的分析，可以看出移动机械手今后的发展有以 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。 （ 3）在用途上，趋向于功能多功能化。 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 4 第二章 总体方案设计 计参数及功能要求 计技术参数 机器人行进速度： 40m/械手抓取质量不超过： 30械手臂可实现回转、上下移动，机械手爪可实现夹持 能要求 本次设计的移动机械手要求具有以下功能： 移动机械手是移动平台和操作手的组合体，具有操作和移动的功能。这种机器人具有更大更灵活的工作空间，在工业、农业 、公共安全、军事、服务等领域有着广泛的应用前景。本设计的移动机器手采用履带摆臂式移动平台，其可适应复杂路况、跨越台阶和越障。操作手采用关节式机械手，其操作空间大，机械手末端要求具有良好的夹持能力。 案选定 体方案设计 本次设计的移动机械手车体结构采用的是履腿式复合结构，总体设计方案如图 2器人的车体的履带作为移动移动机构，与前臂和后臂转动相协调，增加了机器人运动灵活性。 机器人后 轮 有一个伺服电机驱动，通过控制系统协调配合，实现 后轮 的灵活转动，在机器人爬坡和越障时发挥更大作用。 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动机械手 车体 结构组成 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 5 臂方案设计 本次设计的机械手要求 ： 机械手臂可实现回转、上下移动，机械手爪可实现夹持 ，并且采用关节式结构，因此选定的设计方案如下：其由两个电机驱动关节转动实现 机械手臂上下移动，手臂整体回转有底部回转电机实现；机械手爪具有 2 个自由度，分 别是手爪回转，手爪夹持；手爪回转有电机驱动，手爪夹持由电磁铁的正反接实现。 图 2动机械手手臂 体结构尺寸 理 分析分析 要机构工作 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包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 6 的爬坡和越障能力。 动特性分析 （ 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 2a）、图 2b）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 2a） 图 2b） 图 2c）、图 2d）、图 2e）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 2c） 图 2d） 图 2e） 图 2f） 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 2f） 机器人爬坡时，姿态可以转变成图 2g）。当坡度较大时，则图 2h）和图 2i）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 2g） 图 2h） 图 2i） （ 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。 （ 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，所以可越过高于包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 7 自身高度的障碍物。图 2（ 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 2灾机器人越障过程 臂原理分析 其由两个电机驱动关节转动实现 机械手臂上下移动，手臂整体回转有底部回转电机实现 ；机械手爪具有 2 个自由度，分别是手爪回转，手爪夹持；手爪回转有电机驱动，手爪夹持由电磁铁的正反接实现。 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 8 第三章 机器人运动分析及主电机的选择 动分析 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 3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 3台阶临界状态示意图 由图 3示几何关系可得： c o s ( ) c o t / s i h R R ( 5 变换式（ 5得： s i n / c o R R （ 5 2c o s s i n / c o s 0h （ 5 利用式（ 5出 ，代入式（ 6算出机器人跨越障碍的高度 1H 。 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 3示，在后臂伺服电机的驱动下，后臂履带抬起，成 90 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 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 9 图 3台阶临界状态示意图 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 ，移动机械手可以看做爬越凸台障 碍 。移动移 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。 （ a ） （ b ）（ c ）图 3越沟槽示意图 机器人在平地 图 3a） 跨越 沟槽的宽 度 1L ： r （ 6 坡运动分析 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 10 机器人在斜坡上运动时，其受力情况如图 3示，机器人匀速行驶或静止时，其驱动力： （ 6 图 3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： m a x c o （ 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。 已知移动机械手对地面的最大静摩擦系数 ，则机器人爬越的最大坡度为 : 1m a x ta n ( ) （ 6 爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为： m a x ( c o s s i n ) （ 6 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 030 ；垂直越障高度最大为 600大跨沟宽度为 400 对于履带和地面的动摩擦因数 ， f 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。 电机的选择 （ 1）机器人在平直的路上行驶 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 11 移动机械手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 0 5 移动机械手共有两个输出轴，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 3直路线分析 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 m 6 . 2m a xm a x （ 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 30 ,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 330坡度分析 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 12 2 03 2 30s ，则 / m 1 则在最大坡度下需提供极限转矩为 / （ 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， , 1.2 rn w w 269 55 01 1. 22 2. 19 55 0P 机器在平 面状况下 ， 6.2 rn w w 809 55 05 6. 21 3. 59 55 0P 因而选取 P=80W 作为机器人的最大输出功率。 根据计算的移动机械手的最大输出功率为 80W,输出转矩为 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 90号的直流永磁电机，其参数如下： 额定功率 /W 92 额定转矩 定转速 1 r 1500 电流 /A 7 电压 V/ 12 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 13 允许正反转速差 1r 150 因为 0,92 输额 则 额输 因为 500 额 , 6.2 输 则 输额又 3 6 2 2 a x 6i w 包含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 14 第四章 零部 件的设计与选择 带（同步带）部分设计 步带的选择 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 1 (即 ）； 由已知设计装置移动速度 ，根据公式 2 ，可得主动轮转速m ，预先设计履带主动轮直径 169带从动轮直径169 公式 ，可得 故可以得到设计的已知条件如下： 传递名义功率 1 . 主动轮转速 n r/动轮转速 中心距 380a . （ 1）功率的计算 3 7 式中 工作机性能和运转时间查表 8以得到） 表 8正载荷系数 K 工作机 运行时间（小时 /日） 35 810 1624 计算机，医疗机 含 纸和三维建模及说明书 ,咨询 Q 197216396 15 缝纫机，办公机械 传送机，包装机 拌机，造纸机 刷机，圆形带锯 2）确定带的型号和节距 由设计功率 虑到可以用双面交错梯状齿形同步带作为履带使用，由图 8得型号选用 ，对应节距 8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 双面齿同步带，其两面带齿呈对称排列，图 B 为 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 步带： W =T = 8形齿同步带，轮选型图 图 8形齿形状图 本
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