井下搜救探测机器人结构设计【含CAD图纸、说明书】
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目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪 论11.1 课题研究背景及意义11.1.1 课题研究的背景11.1.2 课题研究的意义11.2 国内外的研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状31.2.3 发展趋势31.3 设计目标4第二章 总体结构方案设计52.1 搜救机器人应满足的要求52.2 典型移动结构方案论证分析52.2.1 轮式移动机构特点52.2.2 腿式移动机构特点62.2.3 履带式移动机构特点72.2.4 轮、履、腿式移动机构性能比较72.3 行走机构的设计82.4搜救机器人性能指标与设计82.5 本章小结9第三章 井下搜救机器人运动参数设计计算103.1 机器人越障分析103.1.1 机器人跨越台阶103.1.2 机器人跨越沟槽113.2 斜坡运动分析113.3 本章小结12第四章 行走驱动机构的设计134.1 机器人后轮驱动电动机的选择134.2 减速器方案设计144.2.1 减速器应满足的要求144.2.2 减速器的设计计算154.3 本章小结27第五章 履带及翼板部分的设计285.1选择履带以及带轮285.1.1履带的选择285.1.2 带轮的选择295.2 翼板部分设计295.3 本章小结30第六章 机器人摆臂的设计316.1 摆臂作用概述316.2 摇臂减速器设计316.3 摆臂电动机的选择326.4 本章小结32第七章 总结与展望33参考文献34致 谢35摘 要当煤矿事故发生时，地下受害人处于极其危险的状态，需要尽快转移和实施救援。由于矿山环境十分复杂，救援工作极其困难和危险，救援人员经常遭受伤亡。因此有必要开发一种能及时迅速实施救援工作的搜救机器人。所设计的机器人具有节能、防水、防爆、能够在恶劣环境和复杂路况下工作的特点，搜救机器人采用履带驱动，可以适应较为复杂的路况，并可以通过转动机器人的摆臂来调整姿势保持平稳，协助越过障碍；搜救机器人在合理的结构设计后能具有良好的路况适应能力、机动能力并能抵御一定程度的冲击。设计的机器人主要有驱动机构、减速机构、翼板转动机构和履带行走机构四个部分。对上述方案进行了结构设计和运动设计，并计算了所需参数。通过在所设计的运载装置上加载不同的模块，搜索救援机器人可以具有不同的使用功能。设计的结构为搜救机器人的后续研发提供基本平台，以促进更多功能的搜救机器人的发展。关键词 搜救探测；机器人；矿井 35ABSTRACTWhen a coal mine accident occurs, the underground victim is in a very dangerous state and needs to be transferred and rescued as soon as possible. Because the mine environment is very complex and the rescue work is extremely difficult and dangerous, rescue workers often suffer casualties. Therefore, it is necessary to develop a search and rescue robot that can carry out rescue work quickly and timely. The designed robot has energy-saving, waterproof, explosion-proof, able to work under bad environment and complex road conditions, the characteristics of search and rescue robot driven by caterpillar, can adapt to the complex road conditions, and can adjust the position by turning the robot swing arm to keep smooth, assist the cross obstacle. After reasonable structural design, the search and rescue robot can have good adaptability, maneuverability and resist a certain degree of impact. The designed robot mainly consists of four parts: drive mechanism, deceleration mechanism, rotor mechanism of airfoil and crawler walking mechanism. The structure design and motion design of the above scheme are carried out, and the required parameters are calculated.Search and rescue robot can have different functions by loading different modules on the designed vehicle. The designed structure provides a basic platform for the subsequent research and development of search and rescue robots to promote the development of more versatile search and rescue robots.Key words: Search and rescue detection, Robot, Mine 第一章 绪 论1.1 课题研究背景及意义1.1.1 课题研究的背景中国煤炭资源丰富，煤炭在中国能源中占很大的比例，在2050年之前煤炭生产在一次能源生产中仍将占比百分之五十，所以在很长一段时间内，煤炭资源将仍是我国能源的主要来源之一。 近年来，由于矿山自然条件恶劣、开采技术和管理缺乏以及煤炭资源需求的不断增加，煤矿井下灾害事故频发，人员伤亡惨重1。根据统计，仅2016年9月至12月遇难人数就高达145人。所以在灾害发生后如何及时迅速的救援遇难人员是灾后应急救援的重中之重。但是往往存在诸如复杂路况，有害物质，火灾，易燃易爆气体和结构不稳定等危险情况威胁到救援队员的安全，并阻碍快速部署救援工作。如何在减少人员伤亡的前提下快速有效地开展搜救工作一直是各国科学家以及社会关注的重点问题。本文设计的井下搜救探测机器人是一种结构紧凑，移动灵活，防水、防压、防爆的履带式移动机器人。履带移动方式让该机器人在复杂路况上有良好的机动能力，摆臂让该机器人能更好跨越障碍、穿越地形。控制方面，该机器人通过无线信号进行远程控制，并可以预先装载各种检测设备如红外线摄像头、超声波感应器来检测井下环境，并通过传感器及时反馈给救援人员，为救灾提供及时有效的决策参考。1.1.2 课题研究的意义长期以来，由于我国自然条件落后，技术和管理方面的不足，以及近年来煤炭资源的需求不断增加，煤矿灾害事故频发，伤亡惨重。据统计，我国每年因矿难死亡人数不下百人。虽然随着我国科学技术的发展，煤与瓦斯共采技术的出现，煤矿安全已经大大提高。但是每年仍会有不少工人死于煤矿井下，也有不少救援人员身陷险境。总的来说，中国的煤矿安全形势仍是不容乐观。煤矿井下作为最复杂、最危险的工作环境之一，在事故发生后，在井下复杂环境的影响下往往难以进行救援工作。所以在每一次事故中都有大量人员伤亡，如2012年，山西某煤矿发生火灾，救援队接到求救信号后前往救援，不幸灾区突然发生爆炸，造成7位救援人员死亡。因此，开发救灾救援机器人来代替救援人员是非常重要的。在救援之前，用救援机器人代替救援人员，进入环境试验，然后将收集的灾区信息反馈给救援人员一氧化碳和氧气的浓度、湿度、温度、以及生命迹象和井下图像等信息将成为救灾的重要参考资料。1.2 国内外的研究现状1.2.1 国外研究现状目前，国外搜救探测机器人的研发水平仍处于世界先进水平，下面是一些成熟的有特色的机器人介绍：图1.1是美国iRobot公司的一个更小的“PACKBOT”机器人，它曾在美国陆军服役，它结合了一个爆炸感测系统来有效地探测炸弹。“PACKBOT”上装备了一整套处理爆炸物的”的工具，它既可以挖炸弹，也可以挖土壤，并且PACKBOT最高可以提起自身重量的2倍的物品。图1.2是iRobot公司的SUGV机器人，它是一个只有30磅重的小型地面车辆。它有一个被称为“战术头”的头部，还有一个摄像头，一个红外线传感器和一个可以即时传送图像的摄像头，它能实时传送灾区的各种情报。 图1.1 PACKBOT机器人 图1.2 SUGV机器人AZIMUT机器人是加拿大舍布鲁克大学开发的，该机器人的移动机构是轮履和腿复合移动机构，且有四个履腿结构，每个履带结构有3个自由度，因此该结构有较强的越障能力但结构较为复杂，运动控制十分困难。该机器人主要用于室内环境中进行反恐任务和爆炸处置任务。如图1.3所示的 DRC-HUBO机器人是一种新型独创的机器人，它运动时十分快速灵活，它有两条腿，平时可以使用两条腿走路，但也可以根据需要使用膝盖和脚轮。 这将使它更加快速稳定地前进，更快地完成任务并且几乎不会摔倒。 图1.3 DRC-HUBO机器人1.2.2 国内研究现状中国沈阳研究院一直是中国搜救机器人发展最成功的研究机构，并且开发了一种飞行机器人（图1.4），一种废墟表面搜索机器人（图1.5）还有一种狭缝探测机器人。 其中，飞行机器人可以在空中拍摄地面，它的轴重有40公斤，它所能巡航的最大距离为120公里，所能达到的最大海拔高度为3000米， 最大巡航时间为1.5小时，抗风阻能力为6级，他在巡航的同时还可以携带可以包括水，食物和药品等救急物品来应对突发情况。 废墟搜索机器人具有轨道式结构，并且避障性能良好，能在崎岖不平的灾区表面探测搜救罹难人员。狭缝搜索机器人的主要功能是可以变形以适应20厘米宽的狭缝。虽然国产搜救机器人已经取得了长足的发展，但相比于国外的研究水平，国产搜救机器人还有很多的路要走。 图1.4 飞行机器人 图1.5 废墟表面搜救机器人1.2.3 发展趋势由于我国对煤矿资源十分依赖的特殊性，井下搜救探测机器人在我国具有高度的实用价值和广泛的应用前景。但是由于特殊的井下搜救工作环境和工作要求的不断提高，救援机器人仍需在以下几个技术层面上取得突破发展。（1）由于单个传感器不能满足搜索救援机器人的精确定位，因此需要多个传感器同时进行。多传感器信息融合技术也是未来的一种发展趋势。（2）井下搜救探测机器人的发展需要研发更多具有优良性能的新材料，比如抗冲击材料，耐高温材料，防尘防水材料。优良性能的新材料可以给井下探测搜救机器人的结构设计更多选择。（3）加工工艺方面需要有更大的突破，加工工艺水准决定了机器人内部零件的精密程度，当机器人的工艺水准有大的飞跃式，机器人的精密性和稳定性就会明显提高，能更好的完成探索搜救任务。（4）随着科技向着智能化发展，AI智能概念越来越深入人心，未来搜救机器人一定是向着人工智能化发展，不需要人的操控也能完成搜救任务。综上所述，搜救机器人向着标准化、精细化、拟生化、智能化方向发展。1.3 设计目标本设计旨在设计出，节能、防水、防爆，能在复杂路况下工作的井下搜救机器人。根据搜救机器人的工作特点以及工作环境对搜救机器人进行结构设计和运动设计，并选择合适的机器人构件类型以及材料，计算相关所需参数。 第二章 总体结构方案设计2.1 搜救机器人应满足的要求 (1)由于开采条件的落后，以及安全管理的不到位，井下环境往往十分恶劣，尤其是在事故发生之后。路面上会有大量的水，还有如电车、风管、电缆等障碍物。 巷道的路面本身窄而不均匀，有许多边坡。工作面路侧边坡较大，存在破碎煤、滑道等障碍。在灾害发生后，垮塌的开矿工具、岩石和煤块又形成了新的障碍，更加加重了道路的复杂程度。复杂的道路条件要求井下搜救机器人具有较强的越障、避障、前进和倾倒自恢复能力。(2)井下发生灾害后，地下通风系统常常同时受到破坏，导致地下气候变化明显，瓦斯和粉尘浓度增加，灾区的温湿度增加，风量减少。为了在此条件下安全工作，救援机器人需要进行特殊的矿用隔爆设计，各零件应能承受高温且不影响工作。为了防止煤尘和水进入车身内部和运动构件，必须对车身进行密封和防水设计。(3)井下没有自然光而且事故发生后，烟雾往往会在道路和工作面上弥漫，能见度降低。 机器人只能依靠自身的光源照明。(4)机器人工作由专用蓄电池供电。因此，在特殊的井下环境中，要求所设计的搜救机器人的体型较小，负载较大，能灵活移动、自由转向。具有穿越狭小空间，煤粉，岩石区的能力，有比较强的爬坡、越过障碍物、穿越沟槽能力，同时还要求井下搜救探测机器人能在高温下工作，且有一定的防爆、防水、防尘能力。2.2 典型移动结构方案论证分析 搜救机器人的基本移动机构可分为轮式移动式、腿式移动式和履带式移动式，它们各有其优点和缺点2。2.2.1 轮式移动机构特点轮式移动机构是探测搜救机器人中的一种最为常见的运动机构，该机构的优点有结构简单，自重轻，在平坦路面上移动速度快，不损坏路面。操纵简单，四个轮子可以独立编程控制驱动。缺点有轮式移动机构在崎岖不平、复杂的路况上，机动能力很差甚至经常倾翻无法前进。轮式移动机构的稳定性很大程度上取决于地面的情况，在恶劣复杂的路况上，轮式移动机器人很难完美完成搜救任务。轮式移动结构有一定的局限性，只能在平滑、坚硬的路面上移动，若遇到软土地如泥地、雪地、沙地很容易下沉和打滑。轮式移动的各种结构如图2.1所示。图2.1 轮式移动装置示意图2.2.2 腿式移动机构特点腿式移动机构优点有：（1）腿式移动机构具有比较强的地面适应能力。因为腿式机器人的运动轨迹是由很多离散的点组成，是不连续的，所以可以不受凹凸不平的地形的影响，能在崎岖的路况上平稳的移动。（2）腿式移动机构的腿部有多个自由度，通过对腿的控制来改变自身姿态，使其运动更为灵活。（3）腿机器人的身体与地面不接触，这样机身不易受到外部复杂地形的碰撞影响。多足移动机构还具有良好的稳定性和较强的越野性能，比如图2.2所示的六足机器人具有很好的稳定性。腿式移动机构的缺点有：（1）这种机器人因为是腿部移动所以运动速度较慢，且负载不能太重；（2）腿式机器人控制系统较为复杂尤其是多足的同步控制，对机器人的控制还需进一步优化。 图2.2 六足机器人 2.2.3 履带式移动机构特点履带式移动机构和地面有较大的接触，机器人的重量可以均匀分布，同时较大的接触面积使机器人有更大的行驶牵引力，更好的机动性能，更强的越野性能。履带式移动机构的缺点是结构比较复杂，且一般机器人的重量比较大，甚至履带会对路面有一定损坏，履带与地面的接触面积比较大导致摩擦阻力大，机械效率低，运动较为迟缓。履带式移动机构有以下特点：（1）使用履带机构移动时与地面接触面积大，履带上有履齿、地面附着力较好不易打滑，能平稳运动，穿越性能较好。（2）与轮式、腿式相比，履带式越障、跨沟性能更强。（3）机体结构比较复杂，机身重量大，运动惯性大，减震效果比较差，零件易损坏。图2.3为一些履带式移动机构的示意图图2.3 履带式移动机构示意图2.2.4 轮、履、腿式移动机构性能比较轮式、履带式、腿足式三种移动机构在移动速度、越障能力、能量消耗、控制难易等方面性能的比较如表2-1所示。表2-1 典型移动机构的性能对比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 行走机构的设计设计的井下搜救探测机器人采用的移动机构是履带式驱动装置和摆臂副移动机构。这种结构的最大好处是在传统履带式移动机构上加上了可360旋转的摆臂，不仅增加了机器人倾倒自恢复的能力，还增强了机器人越障爬坡跨沟的能力，能更好地适应复杂环境。根据地形条件的复杂性，机器人可以通过主动调整履带和身体两侧摆臂的位置关系来主动适应环境。以此获得更好的运动稳定性和平稳性。机器人设计方案如下图2.4所示，机器人包括驱动装置及组件、摇臂电机装置及组件、传动齿轮、驱动履带和摆臂履带。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.齿轮图 2.4 井下探测搜救履带机器人的结构组成2.4搜救机器人性能指标与设计由于煤矿井下环境的特殊性和复杂性，井下探测搜救机器人的设计必须满足防尘、防爆、防撞、结构紧凑，以及能方便各个子系统模块的安装和使用等要求。履带机器人虽然具有很强的地面适应能力，但是在井下有很多的台阶和深沟，单纯的履带式移动方式没法满足工作要求。为了克服这种移动机构的固有缺点，在搜救机器人上安装了摆臂，摆臂的好处是：通过调节摆臂的位置，来改变机器人的重心位置，实现机器人跨沟和越障的功能；传统的履带式移动机器人一旦侧翻，除非人为帮助否则就不能恢复过来，所以安装了摆臂同时还增加了机器人倾倒自复位功能。为了提高地形适应能力，分别对两个摆臂关节进行控制和驱动。机器人采用后轮驱动和差速转向，要求能够通过控制实现原地360度转弯。摆臂要求可在360度的范围内自由旋转，以提高机器人跨越沟槽和越过障碍的能力。根据上述设计要求，搜救机器人的主要设计参数如下： L1=600mm，L2=350mm，R=80mm，r=35mm，B(车体宽度)=490mm。车体质量不超过45kg，摆臂质量不超过5kg，机器人最大直线运动速度大于1.2m/s，供电时间至少持续4小时。最大障碍高度大于等于310mm，跨越最大沟宽大于等于480mm。各尺寸如图2.5所示： 图2.5 机器人尺寸示意图2.5 本章小结本章主要介绍了履带式机器人的运动方式，并从越野性能、移动速度、机构复杂度和控制难度等方面比较分析了三种常见的移动方式，并对其性能提出了具体要求。第三章 井下搜救机器人运动参数设计计算3.1 机器人越障分析3.1.1 机器人跨越台阶图3.1所示的是搜救机器人爬上台阶的过程。当机器人遇到台阶时，机器人先是转动摆臂，将摆臂放到台阶上如图3.1（a），然后电机驱动机器人继续向前走到达图3.1(b)位置，然后摆臂向下转动，支撑起机器人如图3.1(c)所示，在此过程中，后轮驱动电动机一直在提供动力。渐渐地机器人的重心越过台阶的边缘，此时摆臂电动机不再提供向下转动的力，机器人机体由于重力的影响慢慢降下如图3.1(d)所示，最后机器人越障成功如图 3.1(d)所示3-7。图3.1 机器人爬上台阶过程从机器人爬上台阶的运动过程图中可以发现，机器人在图3.1（c）的位置，重心处于临界位置，只有当重心越过此位置，机器人才能越障成功。根据此原理对机器人越障的最大高度进行分析。 图3.2 机器人越障临界位置示意图由图3.2所示几何关系可得： （3-1）即 （3-2） （3-3） 联立（3-2）（3-3）两式可得=310mm。3.1.2 机器人跨越沟槽机器人跨越沟槽时，或出现两种情况。一种是沟槽的宽度比较小，当机器人的后轮越过沟槽的后边缘时（即图3.3（a）中沟槽的右边），机器人的重心已经越过沟槽的前边缘（即图3.3（a）中的沟槽的左边），此时机器人的后轮便不会掉入沟槽。第二种情况，沟槽的宽度较大，当机器人的后轮越过沟槽的后边缘时，机器人的重心没有越过沟槽的前边缘，此时机器人的后轮就会掉入槽中，机器人就相当于在做跨越台阶运动。机器人跨越斜坡上的沟槽时如图3.2（b），情况基本与平地相同，只是因为重心下移的关系，所能跨越的宽度更短。又由图3.3可以直观的看出，当机器人总的机长尽量大的时候，机器人所能跨越的沟槽宽度最长，所以我们计算摆臂展开时机器人所能跨越沟槽的宽度。(a) (b)图3.3 跨越沟槽示意图机器人在平地图3-3（a）跨越沟槽的宽度： （3-4）机器人在角度为的斜坡图3-3(b)上跨越沟槽的宽度： （3-5）3.2 斜坡运动分析机器人爬坡时，其受力情况如图3-4所示，当机器人匀速行驶或静止时，驱动力为： （3-6）图3.4受力示意图此时机器人受到的最大摩擦力： （3-7）当时，机器人能平稳前进。当时，受重力的影响机器人将下滑。机器人最大的爬升角度为: （3-8） 爬坡时所需的最大加速度为： （3-9）由上述分析可知，可以根据机器人履带相对于运动面的摩擦系数来确定能爬上多大斜度的坡，根据坡度的大小和电机的参数，确定其爬坡时的最大速度。3.3 本章小结本章重点对井下履带搜救机器人的越障、跨沟、越障三方面进行了分析以及计算。经过计算得所设计的机器人的最大爬升角度为30，最大越障高度为310mm，最大跨越沟宽为520mm。第四章 行走驱动机构的设计4.1 机器人后轮驱动电动机的选择 机器人的后轮电机承担着给机器人提供前进动力的任务，所以选择合适功率的电动机对机器人来说至关重要。考虑到井下特殊的情况，我们分别考虑机器人在平地上的移动，和机器人在斜坡上的移动两种情况，并计算所需的电动机参数。（1）机器人在平地上移动 不考虑空气阻力的影响，我们理想化的认为机器人在平地上的运动只受地面摩擦力的影响。机器人的受力情况如图4.1所示。图4.1 机器人受力分析图由理论力学的知识可知，机器人需要在平面力系内合力以及合力矩都等于零。即 F=0,M=0 . （4-1）即 X=O, MlR-f=0 （4-2） Y=O,N1+N2-mg=0 （4-3） M=0,MLR-ML=fR+N2L1-mgL3=0 （4-4）解所需扭矩ML=24Nm（2）机器人在斜坡上移动同样不考虑空气阻力的影响，理想化的认为机器人只受地面摩擦力的作用。机器人在斜坡上受力情况如图4.2所示：图4.2 机器人爬坡运动受力图机器人在斜坡上的平衡方程为: FX=MlR-f=0 （4-5）FY=O,N1+N2-mgcos30=0 （4-6） M=0,MLR-ML=fR+N2L1-mgL3cos30=0 （4-7）解得在斜坡上运动所需的扭矩为：ML=43Nm由计算结果可知，机器人在斜坡上运动需要更大的扭矩，所以机器人在斜坡上的运动来计算电动机经减速器减速后所需的功率。由公式v=Dn60，得电动机所需的最大转速为：144r/min。 由公式T=9550pn，得所需功率p=64W根据功率以及扭矩选择直流电动机，电动机性能参数如表4.1所示。表4.1 电动机性能参数产品型号电压额定电流转速输出功率Maxon-EC36V6.5A1800r/min150W4.2 减速器方案设计减速器是机器人完成如前进，后退，方向转换等各种操作的重要因素之一。本设计利用齿轮的转速转换，来达到降低速度，增加扭矩的目的。4.2.1 减速器应满足的要求（1）目前大部分煤矿都在深井开采，开采深度大多为数百米，甚至几千米，随着深度的增加，地下温度逐渐升高，导致地下温度非常高。 所以减速器必须能在高温条件下工作。（2）在中国的大部分煤矿是瓦斯矿井，其中充满了浓浓的易爆气体，所以减速器应该能隔爆防爆。（3）搜救机器人的行驶状况复杂，驾驶时频繁启动，停止，前进和后退。机器人的起动转矩必须足够大才能平稳启动，灵活换向。（4）探测搜救机器人远程操控，使用蓄电池给电机供电。4.2.2 减速器的设计计算(1)减速器的传动方案分析根据上述要求，为了尽量减小减速器的尺寸，所以本设计采用结构紧凑的，由两对行星轮太阳轮构成的两级行星齿轮减速器。行星减速器的机构运动简图如图5.1所示。 图5.1 机构运动简图该减速器的自由度为F=3n-2pL-PH=1为了设计便利，我们将传动比分为。(2)确定齿轮齿数计算 根据齿轮匹配公式以及第一级变速器的内齿数确定行星齿轮的齿数。因为Za1=23，行星齿轮的数目。所以，则。实际传动比为: 6其传动比误差行星轮的齿数 再考虑到安装条件为： （取整数）因为第二级传动比为6，中心齿和行星齿轮的数量与第一级相同，则。(3)计算齿轮的主要参数采用22 CrMo作为高速级与低速级的内齿轮的材料，然后为了获得更好的强度和硬度，对该材料进行正火和调制处理，22CrMo的调质硬度为220-260 HRC。采用20 CRMnTi作为中心齿轮和行星齿轮的材料，对其进行粗车后正火，齿成形后渗碳淬火的加工工艺，其齿面硬度为58-62 HRC。1.计算高速齿轮的模数m 由公式 已知。其中Nm, ，查机械设计实用手册17得， ；取，又由,查得, ，则模数m为： 2.计算低速级的齿轮模数m同理可得 mm3.啮合参数计算:高速级：在对啮合-，中，其标准中心距a为 13.8mm mm低速级：在两队啮合中，其标准中心距a为 mm mm可以发现高速级齿轮和低速级齿轮之间的中心距是相同的，所以副行星齿轮传动满足非位移同心条件。 用高位移来避免根切，减小机构的尺寸和重量，改善齿轮的磨损，提高承载能力。几何尺寸的计算：高速级：分度圆直径d 基圆直径： 齿顶高：外啮合内啮合齿顶圆直径：齿根高 齿根圆直径： 表4.2 第一级行星轮系齿轮参数高速级齿轮太阳轮行星轮内齿圈模数m0.40.40.4齿数z2346115分度圆直径9.218.446齿顶圆直径10.419.245.28齿根圆直径8.617.447 低速级： 外啮合内啮合 表4.3 第二级行星轮系齿轮参数低速级齿轮太阳轮行星轮内齿圈模数m0.60.60.6齿数z2346115分度圆直径d13.827.669齿顶圆直径1528.868.28齿根圆直径12.326.170.5(4)装配条件的计算对所设计的齿轮副应满足的条件的计算：1. 邻接条件 由公式可验算 （-行星轮的直径，a-中心距）高速级：18.4213.80.865=23.87低速级：27.6220.70.865=35.81故满足邻接条件。2.同心条件 高速级，满足同心条件。因为低速级与高速级齿数相同，故也满足条件。3.安装条件根据公式验算安装条件，即得 (C为整数) 即都满足装配条件。（5）减速器内零件的安装高速级内齿圈以及低速级内齿圈与减速器箱体之间采用弹性圆柱销连接，弹性圆柱销材料选择优质碳素钢，型号为GB/T 879.1-2000。齿轮与轴之间均采用键连接。(6)高速级齿轮强度的验算由于行星齿轮传动具有长而有效的不连续工作，结构紧凑、外轮廓小的特点。因此，应根据齿面的接触强度和齿根的弯曲强度来校核。接触强度公式： 式中 _弹性影响系数；区域系数；重合度系数； 螺旋角系数，直齿轮为1； 小齿轮分度圆直径； 许用应力； U齿数比； b齿轮副中较小的齿宽齿轮副中：许用接触应力的计算：由机械设计手册查得；选取安全系数 故 又查得，;直齿轮螺旋角系数；重合度系数；齿宽b=3;故161MPa故强度满足要求。齿轮副中：许用接触应力的计算：同理求得 又查得；;直齿轮螺旋角系数；重合度系数；5；齿宽b=4;故310MPa故满足强度要求。校核齿根弯曲疲劳强度：齿根弯曲疲劳强度公式： 式中 齿根危险截面的弯曲应力； 载荷系数； 齿形系数； 应力校正系数。齿轮副：计算载荷系数K： 式中 K -载荷系数； -使用系数； -动载系数； -齿间载荷分配系数； -齿间载荷分布系数。由机械设计手册取=1;根据V=1.2，可得;查机械设计手册得,，故。由，得齿形修正系数；许用应力的计算：由机械设计手册得，,s=1.25,故。因此弯曲疲劳强度：109M132Mpa故弯曲疲劳强度满足要求。齿轮副： 计算载荷系数K：由机械设计手册查得,根据v=0.58，对称支撑；由机械设计手册取,故。查得; ；许用应力的计算：由机械设计手册得；S=1.25； 因此弯曲疲劳强度 129Mpa 所以弯曲疲劳强度满足要求。(7)低速级齿轮强度的验算低速级齿轮同理进行校核 齿轮副中：许用接触应力的计算：由机械设计手册查得；选取安全系数 故 又查得；由于螺旋角，由机械零件得;直齿轮螺旋角系数；所以重合度系数；齿宽 b=4.3;故183MPa。故强度满足要求。齿轮副中：许用接触应力的计算：由机械零件查得；选取安全系数 故 又查得；由于，所以得;直齿轮螺旋角系数；重合度系数；5；齿宽b=5.5;故352MPa。故强度满足要求。校核齿根弯曲疲劳强度： 齿轮副：计算载荷系数K： 由机械设计实用手册可取=1;根据V=1.2，可得;查机械设计手册可得,，故。由，得；许用应力的计算：由机械设计实用手册得，,安全系数s=1.25,故。因此弯曲疲劳强度：127M143Mpa故弯曲疲劳强度足够。齿轮副： 计算载荷系数K：由机械设计实用手册查得,根据v=0.58，；取,故。查得齿形系数;应力系数；许用应力的计算：由机械设计手册得；得取S=1.25； 因此弯曲疲劳强度 143Mpa 故弯曲疲劳强度足够。(6)轴的设计及强度校核1选择轴的材料，确定许用应力由工作要求选择40Cr钢作为轴的材料，调质处理。40Cr钢在热处理后具有不错的韧性、塑性和耐磨性，且价格适中，易于加工，经调制后常用于制造承受中等负荷、中等速度的轴。2按扭转强度估算轴径根据轴所需承受的大压力计算轴承的最小轴径，查阅资料初定需要轴截面面积A=120mm2。由机械知识可知，联轴器的直径等于连接轴的最小直径，所以为了能够选择的联轴器和轴相匹配，我们这里同时选择联轴器。根据扭矩应小于联轴器公称扭矩的条件，为了分离振动和冲击，应选择微型弹性联轴器，选择德国KTR公司品牌的ROTEX-GS系列。轴套材质为铝式，加紧式轴套，无键槽，传递扭矩取决于轴径，轴径范围为5-8mm，联轴器长度为22mm，外径联轴器的孔的直径为6mm，配合的毂孔长度为7mm。 轴的设计如图4.3所示图4.3 轴的尺寸设计取，2. 轴的校核根据最小直径d=5mm进行校核圆周力：=2270/5=108N径向力：=108tan=39N法向力：=/cos=44.2/ cos=115N水平支反力为：， 垂直反力：当量弯矩为：垂直面内=320Nmm，=15Nmm，水平面内MH1=MH2=246总弯矩为：=410Nmm，=246Nmm作用在轴上的转矩：T=9549/n=95490.15/1800=796Nmm最后根据弯矩合成应力校核轴的强度：轴的应力为其中取0.6，因为=70Mpa，故轴的强度满足要求。4.3 本章小结在本章中，通过分析机器人在平地以及斜坡上运动，计算出电动机所需提供的转矩、转速以及功率从而选择驱动电动机。通过比较几种主要减速器的特点，结合井下履带式搜救机器人使用环境的要求，确定了减速器的形式。同时根据机器人的工作要求，对驱动轮减速齿轮进行了设计计算和校核。第五章 履带及翼板部分的设计5.1选择履带以及带轮5.1.1履带的选择履带的选择对于机器人的移动至关重要，合适的履带能让机器人在复杂的路况上的行驶能力更强。相对于其他传动带形式，梯形齿同步带具有传动比准确、传动比线速度大、传动效率高、噪音小维修简单、经济等突出的优点，所以本设计选用梯形齿同步带作为履带。原先已知的输出轴的理论输出功率Pout=180w ，设计的机器人的最大移动速度为1.2m/s，所以最大带速为1.2m/s,由公式V=2nr得， n1=144r/min。又因为两带轮半径都为80mm，所以传动比为1且n2=144r/min ，中心距a为60mm。履带以及带轮的设计采用周节制。根据设计功率以及带轮转速，可以选用梯形双面齿同步带，再根据梯形齿同步带选型图(见图5.1)选择XH型同步带，此型号的履带的节距为22.8 mm。图5.2是梯形双面齿同步带的两种结构示意图。在这里我们综合考虑，选择上下不对称的DB型。履带的材料选择氯丁橡胶，这种材料比较轻，可用于高速传动，其线速度最高可达50m/s，最大传动比为10，理论传动效率为96%。工作时不产生污染，可在较恶劣的工作环境下使用。图5.1 梯形齿同步带选型图(a) (b)图5.2 梯形齿形状图5.1.2 带轮的选择首先预设主、从带轮的直径为160mm，然后查机械设计手册表12-1-60以此选择带轮的齿数，选择带轮的齿数为23，所以带轮的型号为23XH，主、从带轮节径d=162.71mm，外径d0=159.92mm。为了减轻履带驱动装置的重量，选择密度小、强度高、耐热性好的硬铝合金作为带轮的材料。5.1.3 带与带轮的运动参数计算由公式0.7（d1+d2）a0 2(d1+d2)初定中心距a0=400mm再由公式L0p2a0+/2（d1+d2）+（d2-d1)24a0 确定带的节线长度再由 确定带宽bs。其中，kw=0.17225kw。所以取带宽为76.2mm。再由公式进行校核，计算得额定功率P1.460.17225kw 所以满足要求。5.2 翼板部分设计履带翼板是整个履带装置中起支撑作用的基础部件之一。翼板上分别安装有从动轮，和张紧轮。设计的机器人的移动装置是一个履带和摇臂复合移动机构，并且驱动轮和摆臂可以同时独立转动，这样使机器人具有良好的越障爬坡能力。翼板的刚度直接影响着电机、支撑轮、蓄电池这些部件的工作状态，如果翼板的刚度不够，在外力的冲击下，翼板就会产生变形。这就会直接导致电动机和驱动齿轮的安装位置错误以及驱动齿轮无法正常与传动齿轮啮合乃至卡死，不仅无法传输动力，正常工作，还会导致零件的损坏。所以翼板的材料需要选择具有高强度、高刚度的材料。为了实现摆臂翼板绕轴线的中心旋转，电机需要电机提供足够的转矩。一般来说，转矩越大，同一类型电动机的尺寸越大。从经济角度考虑，应尽可能减少整个机器人的重量。根据上述要求，需要翼板材料强度高、刚度高、且密度比较小，所以选择镁合金这一轻质，高强度高刚度、易加工的材料。5.3 本章小结本章选择了履带的类型，并通过计算确定了主从动轮直径，带的型号和节距及各种参数，同时设计了履带翼板以及摆臂翼板并选择了翼板材料。第六章 机器人摆臂的设计6.1 摆臂作用概述摆臂的作用是帮助机器人跨越障碍物，改变机器人的工作条件并更好地适应恶劣的工作环境。摆臂的作用主要有以下两点：支撑摇臂的前轮，使之能够自由滚动。摆臂360度转动，能够支撑起车体。为了使与摇臂相连的轮能够自由转动，所以在轴上套上轴承。 为了使花键和翼板没有相对错位，当安装翼板时，翼板通过螺栓与键轴连接,输出轴通过键与摇臂翼板固定连接。在翼板的外侧在安装一个条形档板，来提高翼板的强度。摇臂主体由一块钢板制成，尺寸略小于轮。摇臂短轴上安装前导轮，短轴又通过键安装到翼板上。为了使花键和翼板之间不发生相对错位，当安装翼板时，翼板通过螺栓与花键轴连接。前翼板的短轴端通过螺栓与挡板连接，来卡住轴承。考虑机器人体积不宜过大和运动平稳，初步确定大小轮的宽度为60mm，前轮与摇臂的间隙为5mm，减速器的输出轴上套上轴承，然后轴承支撑带轮。因为两个轮子的位置受轴承内外圈的限制，所以选择能承受较大的轴向力的圆锥滚子轴承。输出轴的直径为30，所选择的轴承类型为32006。 翼板上各零件尺寸如下：翼板厚度为10mm，花键长度为14mm，条形挡板厚度为10mm，最远螺栓中心长度为250mm，挡板通过6个M6螺栓与翼板相连。摇臂形状如图6.1所示。图6.1摇臂示意图6.2 摇臂减速器设计（1）计算传动装置的传动比传动比 电动机额定转速输出轴所需转速=90 （2）轴的运动参数计算与选择根据表6.2选择各传动精度等级表6.2 传动精度等级的选择项目涡轮蜗杆滚动轴承效率0.70.99通过计算齿轮尺寸，涡轮蜗杆尺寸如表6.3所示：表6.3 涡轮蜗杆尺寸齿顶圆直径齿轮宽度分度圆直径中心距涡轮651761.2516.681蜗杆22.51420最终得到减速器的形状尺寸，长宽高14186.51266.3 摆臂电动机的选择摆臂电动机需要为摆臂的转动提供动力，甚至要能通过摆臂电动机提供的动力支撑起整个机器人来跨越障碍。带动摆臂转动至少需要的扭矩T=mg0.5l2=8.75Nm跨越台阶时，转动摆臂以支撑起机器人所需的转矩至少为T2=m2gL2=210Nm。所以选择步进电机42BYG。6.4 本章小结本章设计了摆臂，增强了机器人穿越障碍物、越过沟槽以及倾倒自恢复的能力。并设计计算了摇臂减速器。第七章 总结与展望本文设计的井下搜救探测履带机器人是一种小型智能移动载体，能够完成多种任务，适应各种工况。本文首先分析了轮式、履带式、腿式移动装置各自的优缺点。然后根据性能比较以及井下搜救机器人的工作要求，选择了一种履带式移动机构，并且机器人采用复合移动方式前进，以此提高机器人的越障爬坡能力。设计了搜救机器人的总体结构。本文从国内外履带式机器人的运动方式出发，比较分析了三种常用的移动方式（车轮、履带式、腿）的性能、速度、机构的复杂性、控制的难易度等。提出了开发的井下履带式搜救机器人的结构设计方向，并做出具体性能要求。本文分析了机器人爬坡越障跨沟的原理，推导了两个履带式机器人的运动学和力学方程，计算了井下探测搜救机器人的运动参数。通过对几种目前主流的几种减速器的优缺点比较，并结合搜救机器人的结构设计布局要求，选择了减速器的类型，同时设计了驱动轮减速器，并通过计算校核选择的参数了是否满足了要求。通过理论计算和搜索救援机器人的实际性能要求，确定了摆臂减速器的主要参数，重点研究了履带翼板对路面的自适应和主动适应能力。计算了搜救机器人的运动参数。井下搜救探测机器人的设计是一门复杂的学科，本文就搜救机器人的机械结构进行设计，由于本设计者的知识水平的限制，该设计仍有许多不足和需要改进的地方。（1）井下搜救探测机器人的工作环境往往十分恶劣、复杂，所以机器人的零件特别容易损坏，所以合理的结构布局，保证机器人能稳定可靠的工作。（2）未知的环境可往往能对机器人造成很大的破坏，所以机器人的表面加工工艺需要进一步的研究和优化，制造出防爆，防水，抗压能力更强的机器人,更好地保证（3）机器人的越障能力与机器人各运动部各件的选择紧密相关，如何选择更合适更有利的运动部件，提高性价比这将是以后的一个研究方向。参考文献1 朱华. 矿井救灾机器人研究现状及需要重点解决的技术问题J. 徐州工程学院学报(社会科学版), 2007, 22(6):5-8.2 董晓坡. 煤矿搜救机器人描述方法研究及其探测模块开发D. 成都理工大学, 2007.3 李东晓. 机器人技术在煤矿自动化中的应用J. 煤炭科学技术, 2007, 35(5):67-69.4 钱善华, 葛世荣, 王永胜,等. 救灾机器人的研究现状与煤矿救灾的应用J. 机器人
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