机器人移动平台设计【带PROE三维】【5张CAD图纸】【优秀】

机器人移动平台设计

85页 23000字数+说明书+中英文翻译+开题报告+PROE三维图+5张CAD图纸

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中英文翻译--机器人.doc

主动轮轴.dwg

从动轮.dwg

履带装配图A0.dwg

机器人移动平台设计开题报告.doc

机器人移动平台设计说明书.doc

机器人移动平台配图A0.dwg

翼板.dwg

　　　　摘  要

　　　煤矿灾害尤其是瓦斯煤尘爆炸事故发生后,矿井环境十分复杂,井下因灾受伤人员面临极其危险的状况,需尽快地转移与救护；而救援工作异常困难和危险,往往在救援工作中造成救护人员的伤亡。研发代替或部分代替救护人员及时、快速深入矿井灾区进行环境探测和搜救工作的救灾机器人具有极其重要的意义。

　　　本论文研究工作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，以能够适应在恶劣环境和复杂路况下工作。通过在移动系统上加载不同的模块，能够实现搜救机器人不同的使用功能，本研究意义在于为后续设计的搜救机器人提供一个基础的动力平台，以便于能够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便携式履带式驱动结构。该方案采用模块化设计，便于拆卸维修，可以分段自适应复杂路面，并可主动控制两侧翼板模块的转动来调节机器人姿态变化，辅助爬坡、越障和跨沟；机器人经过合理的结构布局和设计后具有良好的环境适应能力、机动能力并能抵抗一定高度的掉落冲击。所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、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，本论文对上述各部分方案分别进行论证、结构设计计算、3D建模，并设计了搜救机器人虚拟样机。

关键字：搜救机器人；复合移动机构；模块化设计

Abstract

　　　 Coal mine disasters, especially gas and coal dust explosion, mine environment is very complex and wounded tolls mine face extremely dangerous conditions, be transferred as soon as possible and rescue; and rescue work extremely difficult and dangerous, often resulting in the rescue work in the ambulancecasualties.R & D to replace or partially replace the ambulance personnel in a timely manner, quick in-depth environmental exploration and mine disaster relief robot search and rescue work is extremely important.

　　　 The purpose of this thesis is to design novel structure, its unique portable, shock intelligently tracked mobile robot, in order to be able to adapt to the harsh environment and the complicated road to work.Mobile systems loaded by different modules, search and rescue robots can be achieved using different functions, this study is important because other people's search and rescue robot designed to provide a basis for the dynamic platform to facilitate greater use of features can developsearch and rescue robots.

　　　 This resetarch program is moving search and rescue robot crawler reconfigurable archiecture.The program is modular in design, easy disassembly maintenance, can be complex adaptive sub-surface, active control can turn on both sides of flange module to adjust the robot pose changes, supporting climbing,obstacle and cross-channel;The design of the robot moving mechanism mainly consists of four components: Active wheel reducer drive mechanism, flange rotation institutions, adaptive road implementing agencies, sports organizations track and track wheels, part of the paper on the above programs were carried out feasibility studies, structural designcalculation, 3D modeling , and design a rescue robot prototype.

   Key words: search and rescue robots; composite mobile body; modular design

　前言１

　1绪论３

　1.1课题研究背景及意义３

　1.1.1研究意义３

　1.1.2研究现状４

　1.1.3研究思路和需要重点解决的技术问题６

　1.1.4发展趋势８

　1.2课题内容及其参数要求９

　1.2.1课题主要解决的问题９

　1.2.2遇到的主要问题１０

　1.2.3.解决问题的方法１０

　1.2.4参数要求１０

　2移动平台设计方案１２

　2.1底盘设计１２

　2.1.1移动方式设计１２

　2.1.2驱动系统设计１３

　2.1.3驱动方式设计１４

　2.2传动系统设计１５

　2.3 小结１６

　3 搜救机器人动力系统设计１７

　3.1基于平地的最大速度的电机功率计算１７

　3.1.2基于爬坡最大坡度的驱动电机功率计算１８

　3.3电机的选型２０

　3.4 小结２１

　4机器人驱动轮减速器设计２２

　4.1减速器方案分析２２

　4.1.1减速器应满足的要求２２

　4.1.2减速器方案分析２２

　4.2减速器的设计计算２４

　4.2.1减速器的传动方案类型和传动简图２４

　4.2.2配齿计算２４

　4.3.3初步计算齿轮的主要参数２５

　4.3.4减速器输入轴的设计３９

　5 传动系统设计４３

　5.1典型移动机构分析４３

　5.1.1轮式移动机构特点４３

　5.1.2腿式移动机构特点４４

　5.1.3履带式移动机构特点４５

　5.1.4履、腿式移动机构特点４５

　5.1.5轮、履、腿式移动机构性能比较４６

　5.2本研究采用的移动机构４６

　5.3搜救机器人方案设计４７

　5.3.1总体参数设计４７

　5.3.2救灾机器人的构成４７

　5.3.3主要机构的工作原理４８

　5.4移动机构履带部分设计４９

　5.4.1履带的选择４９

　5.4.1.1求设计功率５０

　5.4.1.2确定带的型号和节距５０

　5.4.1.3确定主从动轮直径５１

　5.4.1.4确定节线长度５２

　5.4.1.5确定设计功率为时所需的带宽５３

　5.4.1.6验算数据５５

　5.4.1.7同步带的物理机械性能５５

　5.5履带主从动轮设计５６

　5.5.1履带轮材料选择５６

　5.5.2履带轮形状及主要尺寸的确定５６

　5.5.3履带轮齿形及齿面宽度的选择５７

　5.5.4履带轮所允许的公差５８

　6移动机构履带翼板部分设计６０

　6.1履带翼板的作用６０

　6.2履带翼板设计６０

　6.3计算履带装置各部分的质量６１

　6.3.1翼板质量６１

　6.3.2履带从动轮质量６１

　6.3.3张紧轮，调节轮质量６１

　6.4求履带驱动装置重心６２

　7齿轮轴、轴承和键的设计６５

　7.1齿轮轴的校核计算６５

　7.2轴承的校核６９

　7.2.1初选轴承型号６９

　7.2.2验算并确定轴承型号６９

　7.3键的计算７０

　8移动机构3D建模７１

　8.1移动机构3D建模７１

　致 谢７４

　参考文献７５

表1-1多感官移动机器人移动平台设计要求

总体结构双节履带式结构

自重<50Kg

载荷>50Kg

搭载接口二维随动搭载平台

结构尺寸760*500*160

平地最大速度<1m/s

正常速度0.7m/s

最大通过坡度<30°

通过能力能通过复杂行道

转向能力零半径

续航能力4小时以上

防护能力防水防尘，抗冲击。

　　　1.1.3研究思路和需要重点解决的技术问题

　　　煤矿救灾机器人需要在矿井发生灾害时完成环境探测和营救任务。由于技术和矿井环境等原因，可将矿井救灾机器人做成环境探测机器人和营救机器人两种专门用途的救灾机器人。环境探测机器人探测、采集和发送矿井灾害环境参数和信息，包括瓦斯、一氧化碳、氧气、温度和其它灾害特征气体等参数，以及生命、图像等信息，为地面救灾决策提供参考信息。环境探测机器人应该尽量小巧灵便。营救机器人需要将受伤矿工转移到安全地方，需要有足够的力量，因此其体积、尺寸不可能太小。目前，矿井营救机器人还没有开始研发，主要是研发用于矿井灾害环境探测机器人。所谓搜救机器人则是进行灾害环境和遇险人员探测，并为伤员提供一定救助的机器人，如中国矿业大学研制的CUMT-1型矿井搜救机器人。这种机器人不需要做成很大就能够满足功能上的要求。

　　　研发矿井救灾机器人，必须充分了解煤矿井下的自然环境和灾害现场的特点，使所研发的机器人能适应环境并发挥作用。无论研发哪一种用途的救灾机器人都应包括如下研究内容：

　　　(1)机构部分：搭建一个机动性和地面适应性好、越障能力强、可靠性高的机械移动平台，包括机械运动学和动力学设计、可靠性设计、机构的创新设计与性能试验等；

　　　(2)智能控制系统部分：自主或半自主避障设计，对外界环境信息以及远程命令信号的处理，以及整机协调控制等；

　　　(3)电器控制部分：机构动作驱动所需机电部件及其控制模块化设计，防爆本安设计及其可靠性性能试验；

　　　(4)传感部分：各类传感器的合理选用和设计，以及传感器的防爆本安设计；

　　　(5)信息处理部分：包括机器人各个运动部分的动作反馈处理，多传感器信息融合处理，行进路线记录与再现模式设计，以及事故现场的环境数字化处理等；

　　　(6)通讯部分：煤矿井下的无线传输特性分析及无线通讯解决方案设计，有线传输解决方案设计，巷道环境脱、放通信线缆机构设计及通讯线缆的脱、放性能分析等；

　　　(7)动力部分：包括动力源的选用和能耗分配设计，特殊环境下对能源装置性能的影响等；

　　　(8)整体防爆部分：整体模块化防爆系统的设计与检验；

　　　(9)整机试验：机器人集成设计的功能和可靠性等综合性能试验。

　　　上述研究内容中，机构可靠性、避障能力、通讯方式和能力以及防爆设计是研发矿井救灾机器人需要重点解决的技术问题，以实现机器人有良好的越障能力和对在未知环境下动作的适应能力，尤其是在矿井巷道这样特定的地理环境中，对崎岖、狭窄空间的通过能力和对某些障碍的清障能力；在通讯不畅、环境信息不明的情况下，通过所携带的传感器使机器人安全避障，到达指定的目的地，即满足非结构化环境下避障、路径规划的实际应用需要；在矿井受灾情况下，无线信号的高速传输，有线通讯系统线缆收放、脱放的高效和高可靠性；同时满足机器人在矿井环境下使用的整体防爆要求.对于研发用于矿井救灾的机器人必须实现如下几个方面的创新：

　　　设计理念和设计技术的创新；

　　　适应矿井特殊环境的整体机构的设计创新；

　　　把机器人传感技术用到煤矿井下的应用创新；

　　　机器人导航控制方式的创新；

　　　矿井恶劣环境中机器人通讯技术的创新；

　　　机构的模块化设计和整体防爆设计的创新。

　　　1.1.4发展趋势

　　　救灾机器人是智能化机器人在煤矿领域的全新应用，尽管某些关键技术仍需要进一步研究，但救灾机器人具有高度的实用价值和广泛的应用前景。随着计算机技术、传感技术、控制技术、材料技术的发展，特别是网络技术和图像信息处理技术的迅猛发展，智能机器人的研究已取得了丰硕的研究成果。但是，由于矿井救灾机器人特殊的工作环境和工作要求的不断提高，矿井救灾机器人技术方面还需要有所突破：

　　　机械性能方面，能够适应矿井恶劣的灾后环境，对非结构的地形环境具有良好的自适应能力，具备较好的越障能力。

　　　新技术和新材料的研发，矿井灾后恶劣的环境要求用高强度、抗拉抗压、抗高温阻燃、不产生电火花的材料。

　　　优良的导航性能、信息采集能力仍是今后矿井救灾机器人导航技术的主要发展方向。

　　　由于矿井中救灾机器人单一的传感器无法满足高精度定位需要，因此需要融合多个传感器测量信息，多传感器信息融合技术也就自然成为发展趋势。

　　　多机器人系统是矿井救灾机器人技术发展的主要方向。

　　　采用标准化、网络化、模块化技术。

　　　机器人装备有通信系统，在与外界进行数据信息交换时，采用标准化接口技术，网络技术可使机器人更具备操控性，同时机器人通信系统的稳定性、可维护性、兼容性也更好。

　　　由于便携式、履带机器人控制距离有限，当履带机器人在危险区域作业时，其控制操作人员的安全不能保证，此外遥控机器人的操作人员需要专门训练，因而需要进一步提高小型履带机器人自主能力。

1.2课题内容及其参数要求

　　　1.2.1课题主要解决的问题

　　　移动平台的机械结构设计是本课题主要解决的问题。搜救机器人的移动平台是一个组成结构非常复杂的系统，它应不仅具有加速、减速、前进、后退、转向以及越障等常规的功能。综上所述，搜救机器人要完成既定任务应具体有以下几方面需求：

　　　l)移动灵活敏捷；

　　　2)较强的越障、避障能力；

　　　3)适应性能较强。可以在恶劣的环境中作业；

　　　4)结构紧凑轻巧。降低了移动机器人的重心，保证了其行进中的稳定性。

　　　1.2.2遇到的主要问题

　　　在前期设计中主要遇到的问题是：普通的移动机器人运动平台中的减速器和电机占的空间过大，是地盘结构复杂，体积过大，机构不紧凑，无法满足要求，如果可以减少减速器和电机占的空间，就能在平台中安装更多的其它设备，提高机器人的总体性能。

　　　1.2.3.解决问题的方法

　　　遇到此问题后查阅了《汽车构造》一书，其中减速器一章介绍了轮边减速器。在重载货车、越野车或大型客车上，当要求有较大的主传动比和较大的离地间隙时，往往将双机主减速器中的第二集减速齿轮机构制成同样的两套，分别安装在两侧驱动车轮的近旁。由此想到用行星轮减速器，将其装在驱动轮中，这种结构可以增大减速比，提高驱动力，同时减小了减速器所占的空间，而且机构紧凑。经过计算，两级行星轮减速器可以达到1/25的减速比。

　　　　2移动平台设计方案

　　　本设计的搜救机器人移动平台包括移动平台的机械系统和动力系统。机械系统又包括底盘和传动系统。

2.1底盘设计

　　　移动平台的底盘是搜救机器人的基础，机器人的各种传感器、控制器、驱动器以及搭载平台都需要以移动平台为载体，同时移动平台还要实现移动机器人的基本功能——移动。

　　　2.1.1移动方式设计

　　　机器人的移动方式多种多样，主要的移动机构有：轮式、履带式、腿式等。履带式移动机器人适合在未加工的天然路面上行走，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。履带式移动机构和轮式、腿式移动机构相比，具有如下特点：

　　　1)支撑面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能较好；

　　　2)越野机动性好，爬坡、越沟等性能均优于轮式移动机构；

　　　3)履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力；

　　　4)结构复杂，重量大，运动惯性大，减震性能差，零件易损坏。

　　　双节履带设计是目前出现的众多复合履带式结构移动机器人中的一种。双节履带设计可以提高履带车的爬坡和越野能力，使履带车更容易通过障碍物，增加了机器人的灵活性，目前双节履带设计在移动机器人上已有较多应用，故本设计采用双节履带设计。

　　　2.1.2驱动系统设计

　　　驱动系统是机器人系统的动力来源，选择最佳的驱动系统是设计搜救机器人的关键。现代机器人的驱动方式主要有气动驱动、液压驱动和电动驱动三种。

　　　电动驱动系统具有传动平稳、灵活、速度快、控制简单精确、无污染、效率高、结构简单、无管路系统、维护方便等特点。适用于中、小型机器人。因此本搜救机器人平台采用电动方式驱动，并将蓄电池作为电动机和控制系统的动力能源。

　　　在确定了驱动方式后，需要选择合适的电动机。电动机的性能直接决定着驱动系统的性能，它的选择成为设计多功能特殊移动机器人驱动系统的基础。电动机按照工作电源分类可分为交流电机(AC)和直流电机(DC)两种。

　　　交流电机(AC)具有结构简单、造价便宜、维护方便等优点，一些工业机器人就使用交流供电，但是交流电机控制特性较差，要实现无级调速必须做到频率无级调节，虽然在现代控制理论发展到今天和产生了矢量控制技术以及脉宽调(PWM)技术的条件下交流电机变频调速己成为现实，但是交流电机的调速系统还是比较复杂。

　　　直流电机(DC)的激励电流和电枢电流二者的大小及方向可以独立地分别控制，从而使转速在很宽的范围内可以得到精确的调节，具有良好的控制性能和调速性能。但是传统的有刷直流电机体积较大，结构复杂、散热性能差，它必须有炭刷和换向器，炭刷易产生电火花会引起电磁干扰，它和换向器易损坏，降低了电机的稳定性和寿命。无刷直流电机由电子换向器取代了普通有刷直流电机炭刷和换向器的机械换向，消除了机械换向带来的诸多限制，它既保持着有刷直流电机的优秀控制性和调速性，又具有可靠性高、结构简单、寿命长、体积小、噪声低、损耗低、无干扰性、过载能力大等优点，是交流电机与直流电机优点的结合，广泛用于机械、交通运输等领域。

　　　综上所述，搜救机器人移动平台选用无刷直流电机进行驱动，具体由电动机、减速箱组成。两台电动机分别驱动两个驱动轮为机器人运行提供动力。2.1.3驱动方式设计

　　　移动机器人驱动轮的选择关系到机器人的运动性能指标。履带式移动机器人的驱动轮分布主要有后轮驱动和前轮驱动两种。履带两端的导向轮哪一个用来驱动更为合适与履带机构的形状有关。对于本题目中的双节履带，以驱动轮在后方比较有利，这时履带的上分支受力较小，导向轮受力也较小，主履带承载分支处于微张紧状态，运行阻力较小，如图2-1（a）所示。反之，前轮为驱动轮时，履带的上分支及导向轮承载最大载荷，履带承载分支部分长度处于压缩弯折状态，运行阻力较大，见2.-1（b）图。

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