　　　本研究所设计的搜救机器人移动方案是履带式驱动结构。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 ambulance casualties.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 resoarch is moving search and rescue robot crawler.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 课题研究背景3

1.1.2 课题研究意义3

1.2 国内外的研究概况5

1.2.1 国外研究现状5

2.2国内研究现状10

1.2.3 发展趋势11

2 搜救机器人的总体结构方案设计12

2.1 井下复杂环境对救灾机器人的要求12

2.2 典型移动机构方案论证分析13

2.2.1 轮式移动机构特点13

2.2.2 腿式移动机构特点14

2.2.3 履带式移动机构特点15

2.2.4 履、腿式移动机构特点16

2.2.5 轮、履、腿式移动机构性能比较17

2.3 本研究采用的行走机构17

2.4 救灾机器人性能指标与设计18

2.5 本章小结19

3矿用搜救机器人运动参数设计计算20

3.1机器人越障分析20

3.1.1机器人跨越台阶20

3.1.2跨越沟槽21

3.2斜坡运动分析22

3.3 本章小结23

4机器人移动平台机械设计24

4.1驱动电机的选则24

4.1.1基于平地的最大速度的电机功率计算24

4.1.2爬坡最大坡度的驱动电机功率计算25

4.2 本章小结26

5 驱动轮减速器设计27

5.1减速器方案分析27

5.1.1减速器应满足的要求27

5.1.2 减速器方案分析27

5.2 减速器的设计计算29

5.2.1减速器的传动方案分析29

5.2.2配齿计算29

5.2.3初步计算齿轮的主要参数30

5.2.4装配条件的计算34

5.2.5高速级齿轮强度的验算35

5.2.6 轴的设计及校核44

5.3 本章小结46

6移动机构履带及翼板部分设计47

6.1履带的选择47

6.1.1 确定带的型号和节距48

6.1.2确定主从动轮直径48

6.1.3确定节线长度和带宽49

6.2 翼板部分设计51

6.3 本章小结51

7机器人摇臂的设计52

7.1 摇臂作用概述52

7.2摇臂传动减速器设计53

7.3本章小结55

8 总结与展望56

致谢58

参考文献59

　　　1.1.1 课题研究背景

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。

然而复杂危险的灾后环境常常会给救援工作带来困难。危险物质、大火、易燃易爆气体、不稳定的结构等等危险因素的存在，时常威胁到救援队员的生命安全，阻碍救援工作的快速展开。如何能够在最少人员伤亡前提下快速高效地开展搜索救援工作一直是我们重点研究的问题。

　　　本文提出的便携式矿用救灾机器人是一种质量轻，易于单个救援人员背负，具有多种运动姿态和抗摔能力，采用履带方式行进的微小型机器人系统。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和一定高度的抗摔能力。机器人可通过无线电信号进行远程控制，并能够加载各种侦测设备对未知环境进行先期探测并回传井巷环境信息，为及时有效的救灾提供决策参考。

　　　1.1.2 课题研究意义

　　　我国煤炭资源丰富，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的一半以上，在未来相当长的时间内，煤炭仍然是我国的主要能源，由于我国矿井自然条件差，加上技术和管理等诸多方面不到位，以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长，使得我国煤矿矿井灾害事故频繁发生，人员伤亡十分惨重。据统计，2006年我国矿难死亡1517人，百万吨死亡率为2.00；2007年全国矿难死亡1600人，百万吨死亡率为2.1；2008年全国煤矿发生伤亡事故1341 起，死亡1389人，百万吨死亡率约为1.84，其中一次死亡3～9人的重大事故110起，死亡886人。2009年全国安全生产数据显示2009全国共发生一次死亡10 人以上的特大事故61起：死亡717人，其中煤矿企业特大事故共发生18起,死亡330 人，死亡人数仍高居各类安全事故之首。2010年全国煤矿安全生产形势依然严峻，目前我国煤矿事故死亡人数远远超过世界其他产煤国家煤矿死亡人数的总和，约占世界矿难人数的80%，百万吨死亡率是美国的100倍、南非的30 倍。每年上百次的事故发生，成千人的矿工死亡，煤矿安全形势已经十分严峻。

　　　煤矿作为最复杂、最危险的工作环境之一，在发生安全事故之后，常常会因为井下复杂危险的环境而阻碍救援人员深入井下开展工作。但煤矿安全形式十分严峻，瓦斯爆炸等煤矿事故频发，造成了重大的人员伤亡，产生了不良的社会影响。煤矿灾害尤其是瓦斯煤尘爆炸事故发生后，因受高温、烟雾、有害气体和缺氧等影响，以及存在发生二次灾害的可能，矿井环境十分复杂。救护人员无法知道能否进入或无法直接进入灾害现场执行营救任务，上述事故中的伤亡人员有相当一部分是救护人员，如陕西黄陵矿业公司一号煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，2名救护队员在井下不慎滑倒，将呼吸机鼻夹摔脱落，导致一氧化碳中毒死亡；2005年渑池县赵沟八矿井下突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立即赶到现场搜救，在救火过程中，突发瓦斯爆炸，4名救护队员殉职； 2006 年六枝工矿集团公司救护大队的救护队员在井下实施封闭火区措施时，火区发生瓦斯爆炸，造成8名救护队员死亡。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。

　　　由此可见研发代替或部分代替救护人员的救灾机器人及时、快速深入矿井灾区进行环境探测和搜救工作具有极其重要的意义。在救援初期，其主要作用是代替矿山救护人员进入灾区，进行环境探测，并将采集的数据发送至救援指挥中心，这些环境信息主要包括瓦斯、CO、氧气的浓度、环境温度、湿度与粉尘情况以及灾区的通风状况的参数，还应包括生命和图像等信息，为救灾决策提供重要参考。

1.2 国内外的研究概况

　　　1.2.1 国外研究现状

　　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)．该类机器人主要用于城市战斗与搜救。如美国智能系统和机器人中心开发的RATLER矿井探索机器人用于灾难后的现场侦查工作，采用电传遥控方式，有主动红外摄像机、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，携带数字低照度摄像机和基本气体监视组件，可以通过一个钻出的小洞钻进矿井，越过碎石和烂泥，并使用其携带的传感器发现受害矿工，探测氧气、甲烷气体含量，生成矿井地图。

　　下图为美国及其它国家在研的各种履带式可变形机器人：

　　如图1-1,1-2所示，这是美国iRobot的一种较小型“PackBot”机器人，现服役于美国军队，这个“PackBot”搭配了一个爆炸物感应系统，有效地探测炸弹。目前这种测试系统还处于实验阶段。“PackBot”机器人还以进行挖掘和拆弹工作。配备了称为“explosive ordnance disposal”(eod)和工程师的全套工具，可以对土壤进行挖掘，然后举起相当于自身重量2倍的炸弹。

　　图1-2这种iRobot SUGV的机器人是一种小型地面探测车，重量仅为30磅。它带有一个称为“tactical head”的头部，还有一个相机、一个红外感应器和一个可即时传送影像的摄像头。　　　1.2.3 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。2.4 救灾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煤矿井下搜救机器人的总体设计须满足适合井下复杂地形、防爆、防碰撞等要求，同时所载的子系统安装、使用要方便。

　　　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。为提高其地形适应性，前摆臂两个摆臂关节单独控制和单独驱动。

　　　总体设计方案如图2-4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。

根据井下环境对机器人的要求，主要设计性能参数如下：L1=600mm,L2=350mm,R=80mm,r=35mm,B(车体宽度)=500mm。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2-5图：　　　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。

　　　本论文重点介绍了搜救机器人总体结构方案设计、矿用搜救机器人运动参数设计、翼板转动结构离合器方案设计、驱动轮减速锥齿轮设计和脚轮、支撑轮、缓冲块的设计等五方面内容。

　　　搜救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。

　　　搜救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。

　　　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。

　　　驱动轮减速锥齿轮设计。通过对几种主要的减速器进行对比，结合矿用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。同时设计计算了驱动轮减速锥齿轮，通过校核满足了机器人的性能要求。

　　　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。

　　　矿用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。

参考文献

[1] 孙岩，陈晓罗主编，机械设计课程设计，北京理工大学出版社，2007

[2] 饶振刚行星传动机构设计国防工业出版社，1980

[3] 刘鸿文主编. 材料力学. 北京：高等教育出版社，2004

[4] 濮良贵主编. 机械设计[第八版].北京：高等教育出版社，2006

[5] 徐元吕主编. 工业机器人.北京：中国轻工业出版社，2006

[6] 哈尔滨工业大学. 理论力学[第六版].北京：高等教育出版社，2002

[7] 殷玉枫主编. 机械设计课程设计.北京：机械工业出版社，2008

[8] 邓文英主编. 金属工艺学[第四版].北京：高等教育出版社，1999

[9] 成大先机械设计手册化学工业出版社第四版 2002

[10] 孙宝均机械设计课程设计机械工业出版社 2004

[11] 孙恒机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006

[12] 李科杰．危险作业机器人发展战略研究[J]．机器人技术及应用2003(5)：14-22

[13] 李东晓. 机器人技术在煤矿自动化中的应用 .煤炭科学技术.2007

[14] 钱善华王勇等. 机器人研究的现状及煤矿搜救的应用. 机器人，2006(5).

[15] 李克杰. 危险作业机器人发展研究.机器人技术与应用, 2003(5)

[16] 段星光，李科杰. 小型轮履腿复合机器人设计及运动特性分析.机械工程学报,2005(8):108-113.

[17] 朱华葛世荣等. 煤矿搜救机器人应用探讨. 煤矿机械，2009

[18] 朱华. 机器人研究现状. 徐州工程学院学报，2007（6）.

[19] 张福学.机器人技术及其应用[M].北京:电子工业出版社,2000. 609 - 610.

[20] 林柏泉,常建华,翟成.我国煤矿安全现状及应当采取的对策分析[J],中国安全科学学报, 2006(5):42-461.

[21] 苏学成,樊炳辉,李贻斌等. 试论煤矿机器人的研究与开发[J]. 机器人,1995(3) .

[22] Y. Crausaz, B. Merminod, M. Wiesendanger, R. Siegwart, M.Lauria, R. Piguet, Véhicule pour terrain accidenté, European Patent Application No 00810054.7 (2000).

[23] Packbot, iRobot Corporation, Available from: <>.

顶块.gif

行星架.gif

行星轮.gif

行星轴.gif

减速器装配图.gif

履带式搜救机器人装配图.gif

内齿圈.gif

前端盖.gif

球顶.gif

输出轴.gif

内容简介：: 河南理工大学本科毕业设计（论文）中期检查表指导教师：邓乐职称：教授所在院（系）：机械与动力工程学院教研室（研究室）：机械设计教研室题目履带式搜救机器人机械结构设计学生姓名张树祺专业班级07机制2班学号0720150074一、选题质量：（主要从以下四个方面填写：1、选题是否符合专业培养目标，能否体现综合训练要求；2、题目难易程度；3、题目工作量；4、题目与生产、科研、经济、社会、文化及实验室建设等实际的结合程度）此次所选择的题目为履带式搜救机器人机械结构设计，内容涉及到对机器人的总体布置和理论研究，局部机械零件和传动机构的设计，计算与校核，同专业课程紧密联系，符合专业培养目标，在设计工作中，需要对所学知识综合地加以运用，使之能够熟练应用有关参考资料，体现了综合训练的要求。但因机器人设计是一个前沿性的课题，这就对设计者提出较高的要求，需要查阅大量的资料，题目具有一定难度，由于设计过程中零部件多为微型元件，没有标准这就给设计带来了不便，工作量也是很大的。此次选题与我国煤炭生产安全问题密切相关，是符合社会发展和科学发展需要的。二、开题报告完成情况：1.根据设计要求，相关资料的收集整理，毕业实习报告，翻译与设计题目相关的英文资料均已基本完成。2.对搜救机器人在实际使用过程中出现的问题进行理论性研究和设计，且进行了大量的设计计算。3.已完成了对相关资料的查阅，对课题有了总体的分析，开题报告也已顺利完成。三、阶段性成果：1本次设计的开题报告已经完成，设计方案已经确定，基本完成了机器人机械传动的设计。2结构设计和校核工作正在进行中，部分零件图的绘制已经基本完成，英文翻译工作已结束，已开始制作设计说明书的工作。四、存在主要问题：1.对部分零件的结构尺寸和安装尺寸掌握的不够准确；2.因为该机器人传动装置体积较小，部分设计没考虑到与常规机械的不同之处；3对设计中的强度校核不太清楚，部分专业课知识不扎实；4.在应用CAD,PRO-E等绘图软件时还不太熟练；5.设计中应用到一些国外的电机元件，导致所获得的资料不够充分，对后期的数据校验和验证带来不便。五、指导教师对学生在毕业实习中，劳动、学习纪律及毕业设计（论文）进展等方面的评语指导教师：（签名）年月日河南理工大学万方科技学院毕业设计外文翻译中文翻译：简单结构管道检测机器人本文介绍了管道检测机器人的原始架构。该机器人由包含两个万向节铰接部分。一部分是沿管道平行移动的轴车轮盘，而另一部分则是被迫遵循与螺旋运动有关的轴线旋转的车轮倾斜管。单台电动机被放置在两个机构之间产生的运动。所有车轮安装在悬架上，以适应不断变化的曲线管道。该机器人有其自己的电池和无线链路。四种不同管径分别为的170，70和40毫米。对于较小的直径，电池，无线电接收器，可放置在其他额外的机构中。这种架构非常简单，其旋转运动可以被利用来进行擦洗或检验任务。关键词：自主移动机器人，在管道检测，螺旋运动管道检测机器人已经被研究了很长一段时间，许多原来的运动观念被提出来解决在管道直径，曲线和能源供应变化中有关的许多技术困难。虽然一个详尽的文献回顾是不可能的，根据有限的可用空间，几大类别，可确定几大类别：1对于小规模，许多项目遵循蚯蚓原则：中央部分组成轴向移动，而两端连接的设备具有阻隔管道。这一概念已经提出气动版本（如1），但他们需要电力脐带。对于较小的直径（10毫米或更小），根据尺蠖的原则，或根据惯性运动由锯齿波电压驱动2，或使用与微分摩擦系数振动鳍3，则采用压电驱动。2对于各种中型管道，根据直径的适应性和转弯能力古典机电系统已提出各种涉及车轮和轨道运动学结构。3对于大型管道，管道爬行走路也已提出6。文中提出的四个移动机器人属于第二类，他们的管直径从40到170mm，该设计尝试使用单一驱动器减少机器的复杂性实现沿管的的流动性，即使我们的研究可看作一个独立努力地结果。但此螺旋论似乎已经被研究过。体系结构图1该机器人主要分为两部分，定子和转子，包括一个DC连接，马达与减速机，万向节。定子配备了一套轮子，有助于运动平行; 在这种情形下，定子约束沿着管轴，而转子的车轮只能沿着螺旋轨迹，该机器人之间的轴向速度和旋转速度的关系其中R为管道半径, a是车轮倾斜角度。定子和转子必须保证稳定性，以保证机器人之间的管道和足够的接触力，以适应管道直径的变化和障碍，并允许在弯曲的管道中行驶。对于更大型的机器人（D -170），机器人是硬性连接到电机轴上来确保稳定性。对于规模较小的直径，弯管需要更大程度的自由，需要两倍的数量的轮子。图2图3直径70毫米以上的机器人提供了9个电池，分布在电机定子上。试验表明，对于规模较小的直径，这个配置是不可能的。第一个由转子组成，第二个包括电机和减速器，第三个是定子车轮与轴，能源供应和电信网络。两个方案进行了70mm直径的调查。在第一个中，马达和电池安装在定子上，但却无法用在第二个方案中，如果机器人使用缆索电源。前言毕业实习是我们机械设计制造及其自动化专业知识结构中不可缺少的组成部分，并作为一个独立的项目列入专业教学计划中的。其目的在于通过实习使我们获得基本生产的感性知识，理论联系实际，扩大知识面；了解这些工厂的生产情况，与本专业有关的各种知识，各厂工人的工作情况等等。亲身感受了所学知识与实际的应用；同时毕业实习又是锻炼和培养我们业务能力及素质的重要渠道，培养当代大学生具有吃苦耐劳的精神，也是我们接触社会、了解产业状况、了解国情的一个重要途径，逐步实现由学生到社会的转变，培养我们初步担任技术工作的能力、初步了解企业管理的基本方法和技能；体验企业工作的内容和方法。这些实际知识，对我们学习后面的课程乃至以后的工作，都是十分必要的基础。1实习目的和意义随着国家经济的发展，对煤炭的需求量在逐年增加，但由于煤炭生产多是在井下作业，井下环境恶劣、条件复杂、灾害严重，时刻受到水、火、瓦斯、煤尘的威胁，煤矿事故时有发生，因此矿井是最迫切需要机器人的地方。煤矿井下搜救机器人的越障能力是其能否发挥作用的重要因素，本文首先提出了机器人总体设计方案，然后从运动学角度分析了机器人克服台阶、沟槽、斜坡等典型障碍的运动机理及其最大越障能力并建立数学模型给出奇异位置，为确定机器人在煤矿井下复杂环境的适应能力提供理论依据。考虑到矿井自然条件差，加上技术和管理等诸多方面不到位，以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长，使得我国煤矿矿井灾害事故频繁发生，人员伤亡十分惨重，灾害后的救援工作又是极为困难和危险,因此研发具有环境探测和搜救功能的煤矿救灾机器人十分必要。在救援初期,主要使用灾后救灾机器人,其主要作用是代替矿山救护人员进入灾区,进行环境探测,并将采集的数据发送至救援指挥中心,这些环境信息主要包括瓦斯、CO、氧气的浓度,环境温度、湿度与粉尘情况,以及灾区的通风状况的参数,还应包括生命和图像等信息,为救灾决策提供重要参考由于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。2国内外研究现状2.1国外研究状况：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)该类机器人主要用于城市战斗与搜救。如美国智能系统和机器人中心开发的RATLER矿井探索机器人用于灾难后的现场侦查工作，采用电传遥控方式，有主动红外摄像机、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，携带数字低照度摄像机和基本气体监视组件，可以通过一个钻出的小洞钻进矿井，越过碎石和烂泥，并使用其携带的传感器发现受害矿工，探测氧气、甲烷气体含量，生成矿井地图。下图为美国及其它国家在研的各种履带式可变形机器人：如图2-1,2-2所示，这是美国iRobot的一种较小型“PackBot”机器人，现服役于美国军队，这个“PackBot”搭配了一个爆炸物感应系统，有效地探测炸弹。目前这种测试系统还处于实验阶段。“PackBot”机器人还以进行挖掘和拆弹工作。配备了称为“explosive ordnance disposal”(eod)和工程师的全套工具，可以对土壤进行挖掘，然后举起相当于自身重量2倍的炸弹。图2-2这种iRobot SUGV的机器人是一种小型地面探测车，重量仅为30磅。它带有一个称为“tactical head”的头部，还有一个相机、一个红外感应器和一个可即时传送影像的摄像头。图2-1 RackBot准备展开图2-2 SUGV机器人 Foster-miller公司研制了Talon机器人，该机器人采用履带方式行进，内部装备有两台普通直流电机，电机通过两根链条带动履带轮转动，实现机器人运动；另外机器人前后履带轮中间安装有一小型承重轮，该轮不仅能承载一部分负荷同时也能在机器人转向时起到支撑作用，减少履带与地面之间的摩擦，提高机器人转向能力。Talon机器人可以完成各种侦察、巡逻工作。机器人外形参数尺寸为86.4cm57.2cm27.9 cm，重约39Kg，能潜水30.5m，爬45度斜坡。图2-3 Talon机器人2003年，澳大利亚SIMTARS煤矿研究人员与美国机器人辅助救援中心(CRASAR)合作，开发了一个煤矿灾害搜救机器人，并在澳大利亚昆士兰州的15米地下训练场进行了试验。这个机器人专门是为矿山灾害而研制。它的尺寸大小像一个蜂蜜罐子，它可以通过地面的钻孔进入煤矿井下然后爬过障碍物和泥浆，利用传感器搜寻被困矿工，探测有毒或者可燃性气体，还可以将地面供气供水软管拖到被困矿工身边，给他们新鲜的空气和水。这种机器人在通过钻孔时像一条蛇一样将自己挤过岩石，一旦到达井下地面，就会像一个小型坦克一样行动，搜寻被困矿工。CRASAR希望能够进一步为该机器人添加新型的医学传感器，让救援义务人员能够通过观看、交谈、诊断的方式来了解被困矿工的健康状况。Inuktun公司推出的UGTV机器人具有独特履带可变形功能(如图2-4所示)，可以辅助攀爬和扩大机器人视野，曾在“911”事件的搜救任务中大显身手；加拿大Sherbrook大学研制的AZIMUT机器人(如图2-5所示)，该机器人采用轮、履、腿复合移动机构，具有四个履腿模块，每个履腿模块与本体相连接时有3个自由度，机器人运动功能多样，越障能力强，上下台阶方便；但结构极为复杂，仅电机就有12个，运动控制困难，该机器入主要用于室内环境执行反恐、排爆任务。图2-4 UGTV机器人图2-5 AZIMUT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。这款机器人依靠一个灵活的小型系统从而有了一些与大型机器人类似的功能，所以它小得以至于可以在地铁车厢或者飞行工具里操作，同时又足够大得可以直接处理一些在所有现行飞机的头顶贮藏室里的可疑项目处理。图2-6 telemax这款产品具有很大的创新价值，经过数十年经验的累计取得了变结构设计领域的重大发展。图2-7 telemax行走姿势它的机械结构由4个独立履带齿轮驱动技术提供了非凡的移动力，它可以爬坡45度，并且可以越障500mm的高度，它做的比其它很多类似机器人都好，它的可伸展的上臂加上一个高度可调的地盘，给予了这款机器人一个可达到的非凡的垂直高度2350mm。它的钳子可以吊起重达5Kg的货物，这就意味着它可以装配弹道系统和其它工具。图2-8 telemax防爆机器人2.2国内研究现状我国的搜救机器人技术起步较晚，但是近年来引起了越来越多的关注并取得了一定的成果，沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学、国防科技大学、上海交通大学、广东富卫公司等机构都设计了自己的搜救机器人系统。2005年中科院沈阳自动化研究所与日本国际救援系统研究院联合成立的中日救援与安全机器人技术研究中心，在沈阳揭牌成立，这标志着我国的搜救机器人研究进入了一个更加快速发展的时期。2006年6月22日，由中国矿业大学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（如图2-9所示）。这台煤矿搜救机器人采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式，能在煤矿灾害发生后深入事故现场，探测火灾温度、瓦斯浓度、灾害场景、呼救声讯等信息，并实时回传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、撬棍等自救工具以协助被困人员实施自救和逃生。图2-9CUMT-1型矿井搜救机器人3 履带式移动机与其它行走机构之间的对比3.1履带式移动机构特点履带式移动机构分为l条履带、2条履带(履带可车体左右布置或者车体前后布置)、3条履带、4条履带6条履带，移动方式优点在于机动性能好、越野性能强，缺点是结构复杂、重量大、摩擦阻力大，机械效率低，在自身重量比较大的情况下会对路面产生一定的破坏。履带式移动机构比较轮式移动机构有以下几个特点：(1)撑面积大、接地比压小、滚动阻尼小、通过性比较好：(2)越野机动往能好，爬坡越沟等性能均优于轮式结构；(3)履带支撑面上有履齿不打滑，牵引附着性能好；(4)结构较复杂重量大，运动惯性大，减震功能差，零件易损坏。 3.2履、腿式移动机构特点履腿复合移动机构综合了履带式和腿式两种移动机构的优势，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为机器人的推进系统；传统履带移动机构往往是两条履带与车身相对固定，很大程度上限制了机器人地形适应能力(此时机器人履带高度和长度直接决定了机器人越障、跨沟等性能)，为了解决该问题履式移动系统中引入了关节履带机构，两条履带不再相对车体固定而是能绕车身转动，这样能大大提高机器人的环境适应能力，但履、腿复合机构本身存在着一定的不足如结构复杂、运动控制困难等。(1)腿式机器人的地形适应能力强。腿式机器人运动轨迹由一系列离散点组成，崎岖地形可以给这些离散点提供支撑，使机器人平稳运动；而轮式和履带式机器人的运动是连续规迹，有些起伏较大的地形则不支持这种连续运动轨迹，进而限制了该类机器人活动范围。(2)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；(3)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腿移动机器人特点是稳定性好，越野能力强。腿式移动机构缺点有：(1)该类机器人的移动速度慢，机动性较差因此机器人的负载不能太重；(2)腿式机器入对地面适应性和运动灵活性需要进一步提高；(3)腿式机器人控制系统较为复杂，控制方法还有待完善；(4)该机构未进入实用化阶段。3.3轮、履、腿式移动机构性能比较车轮式，履带式、腿足式移动系统性能比较见表3-1所示。移动机构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机构复杂程度简单一般复杂能耗量小较小大机构控制难易程度易一般复杂表3-1典型移动机构的性能对比表4煤矿井下搜救机器人总体设计及越障分析由于煤矿井下环境的特殊性和复杂性煤矿井下搜救机器人的总体设计须满足适合井下复杂地形、防爆、防碰撞等要求，同时所载的子系统安装、使用要方便。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。为提高其地形适应性，前摆臂两个摆臂关节单独控制和单独驱动。总体设计方案如图4-1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。1-后轮驱动电机及其组件 2-摆臂电机及其组件 3-主履带 4-摆臂履带 5-齿轮图4-1煤矿井下搜救机器人总体方案4.1越障分析4.1.1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平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）越障过程分析煤矿井下搜救机器人爬越台阶的过程如图2所示，机器人借助摆臂的初始摆角，在履带机构的驱动下，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，当机器人重心线越过台阶边缘时，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4-2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4-2（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4-3机器人上台阶临界状态示意图由图4-3所示几何关系可得：（1）变换式（1）可得：（2）（3）利用式（3）求出，代入式（2）可算出机器人跨越障碍的最大高度。4.1.2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，机器人就越过了沟槽，完成了跨越动作。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。（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2，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3。图4-4跨越沟槽示意图机器人在平地图4-4（a）跨越沟槽的宽度：（4）在角度为的斜坡图4-4(b)上跨越沟槽的宽度：（5） 4.2斜坡运动分析机器人在斜坡上运动时，其受力情况如图4-5所示，机器人匀速行驶或静止时，其驱动力：（6）图4-5机器人上坡受力示意图最大静摩擦力系数为，则最大静摩擦力为：（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: （8）爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为：（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。5设计性能及指标如图5-1L1=950mm,L2=450mm,R=225mm,r=100mm,B(车体宽度)=750mm车体质量为80kg,每个摆臂质量为5kg,机器人做直线运动最大速度等于2.5m/s,自备电源运行时间大于等于4小时。6履带式搜救机器人的发展趋势目前便携式、履带机器人在民用领域主要用途是安全监视、反恐、排爆、消防、搜救；在军事领域主要用途是洞穴、建筑物勘测、扫雷、破障、生化战剂探测等；但这还远不能满足目前日益增长的生产、生活需求和军事需求，正因为如此，世界各国开始积极拓展小型履带式机器人的使用范围，包括将便携式履带机器人用于家庭服务、科学考察、充当旅行助手或者是在战争中用于目标指示、火力发射、战术运输、通信中继等。通过对国内外履带式搜救机器人的现状的分析，可以看出履带式搜救机器人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。现有的履带移动机器人，局限在一般的地面环境里，以后会要求机器人能在越来越多的环境中实现多维运动、过渡运动，能够对环境进行识别，能适应未知环境。（3）在用途上，趋向于功能多功能化。比如拓展其应用到军事上，用于军事侦察，甚至于军事攻击。7实习小结通过本次毕业实习，使我对国内外的机器人发展有了更加深刻的了解，开阔了视野。使我对以往所学的知识有了更进一步的巩固，对以前没接触过的知识有了深刻地了解，让我对所设计的课程的具体结构有了深入认识。同时，我也对现代加工方法有了一定的认识，与传统的加工方法相比，提高了加工生产效率，大大减少了劳动力，减轻了劳动工人的作业强度。也让我们真正认识到科学技术是第一生产力的重要性。同时，我们也认识了机械方面的先进技术和高科技领域，使我们以后从事机械方面的发展有了新的认识。最后我要感谢毕业实习指导老师邓老师，在此次实习过程中邓老师给了我很多帮助，也感谢我们毕业设计同组的同学们，在此次实习中他们也给予了我很多帮助，谢谢！参考文献1 Gordon McComb主编. 机器人设计与实现. 北京：科学出版社 2008 2 濮良贵主编. 机械设计第八版.北京：高等教育出版社，20063 徐元吕主编. 工业机器人.北京：中国轻工业出版社，20064 李科杰危险作业机器人发展战略研究J机器人技术及应用2003(5)：14-225 李东晓. 机器人技术在煤矿自动化中的应用 .煤炭科学技术.20076 钱善华王勇等. 机器人研究的现状及煤矿搜救的应用. 机器人，2006(5)7 孟庆鑫，王晓东.机器人技术基础M.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版，20068 Danna Voth . Natures Guide to Robot Design J . IEEE Intelligent System , 2002 , V17:4-79刘极峰，易际明.机器人技术基础M.北京:高等教育出版社，2005：5-10，102-10310 罗庆生，韩宝玲等.光机电一体化系统常用机构M.北京：机械工业出版社，2009：227-25411 杨明，王硕，王德石.仿生机器人运动建模与控制研究进展J.海军工程大学学报，2005，17（1）：1-712 雪茗斋电脑社教育研究室.Pro/ENGINEER野火版3.0机构仿真运动实例精讲M.北京：人民邮电出版社，200813 Roland Siegwart, et al. Innovative design for wheeled locomotion in rough terrain. Robotics and Autonomous Systems 40 (2002) 151162.14 Thanhtam Ho, Sunghac Choi, Sangyoon Lee. Development of a Biomimetic Quadruped Robot.Journal of Bionic Engineering 4 (2007) 193199. 15 T.Bretl, S.Rock,J.-C. Latombe,B.Kennedy,and H.Aghazarian.Free-climbing with a multi-use robot.In Int.symp.Exp.Rob.,Singapore,200414河南理工大学万方科技学院本科毕业设计（论文）开题报告题目名称履带式搜救机器人机械结构设计学生姓名张树祺专业班级07机制2班学号0720150074一、选题的目的和意义在我国虽然煤炭资源丰富，但考虑到矿井自然条件差，加上技术和管理等诸多方面不到位，以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长，使得我国煤矿矿井灾害事故频繁发生，人员伤亡十分惨重，灾害后的救援工作又是极为困难和危险,因此研发具有环境探测和搜救功能的煤矿救灾机器人十分必要。在救援初期,主要使用灾后救灾机器人,其主要作用是代替矿山救护人员进入灾区,进行环境探测,并将采集的数据发送至救援指挥中心,这些环境信息主要包括瓦斯、CO、氧气的浓度,环境温度、湿度与粉尘情况,以及灾区的通风状况的参数,还应包括生命和图像等信息,为救灾决策提供重要参考由于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。二、国内外研究综述从20年代80年代起，国内外就对小型履带式机器人进行了研究。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)，Inuktun公司推出的UGTV机器人具有独特履带可变形功能，可以辅助攀爬和扩大机器人视野，曾在“911”事件的搜救任务中大显身手；加拿大Sherbrook大学研制的AZIMUT机器人，该机器人采用轮、履、腿复合移动机构，具有四个履腿模块，每个履腿模块与本体相连接时有3个自由度，机器人运动功能多样，越障能力强，上下台阶方便；但结构极为复杂，仅电机就有12个，运动控制困难，该机器入主要用于室内环境执行反恐、排爆任务。国内,中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所研制的CUMT - 1 型矿井搜救机器人,是我国第1 台针对煤矿救援的机器人。该机器人装备有低照度摄像机、气体传感器和温度计等设备。能够探测灾害环境,实时传回灾区的瓦斯、一氧化碳、粉尘浓度和温度,以及现场图像等信息。煤矿救灾机器人技术总体来说尚未成熟,仍处于技术研究阶段,明确机器人在煤矿救灾中的作用以及煤矿救灾对机器人的要求,有利于机器人技术的完善。三、毕业设计（论文）所用的主要技术与方法： 1全面收集资料，包括所有与搜救机器人相关的论文、书籍等，并进行整理。2所用的方法是：类比设计、优化设计，经验设计以及数据计算法等方法。3. 对救机器人的外形、动力、结构、工作原理等进行分析和研究。4. 在绘图过程中运用AutoCAD绘图和Pro/E等电脑绘图方法。四、主要参考文献与资料获得情况 1 Gordon McComb主编. 机器人设计与实现. 北京：科学出版社 2008 2 濮良贵主编. 机械设计第八版.北京：高等教育出版社，20063 徐元吕主编. 工业机器人.北京：中国轻工业出版社，20064 李科杰危险作业机器人发展战略研究J机器人技术及应用2003(5)：14-225 李东晓. 机器人技术在煤矿自动化中的应用 .煤炭科学技术.20076 钱善华王勇等. 机器人研究的现状及煤矿搜救的应用. 机器人，2006(5). 7 Roland Siegwart, et al. Innovative design for wheeled locomotion in rough terrain. Robotics and Autonomous Systems 40 (2002) 151162.8 Thanhtam Ho, Sunghac Choi, Sangyoon Lee. Development of a Biomimetic Quadruped Robot.Journal of Bionic Engineering 4 (2007) 193199.五、毕业设计（论文）进度安排：第5周-第6周（3月28日-4月10日）：进行毕业实习。收集、整理相关资料，完成毕业实习报告（30页以上），翻译与设计题目相关的英文资料。第7周-第15周（4月11日-6月12日）：进行毕业设计。完成开题报告、中期检查报告、毕业设计图纸绘制折合0号图纸3张，完成毕业设计说明书打印、装订，准备答辩。第16周（6月13日-6月20日）：进行毕业答辩。修改、完善、整理、上交有关资料。六、指导教师审批意见指导教师：（签名）年月日河南理工大学万方科技学院本科毕业论文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；AbstractCoal 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 ambulance casualties.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 peoples 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 resoarch is moving search and rescue robot crawler.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 iii目录前言11 绪论31.1 课题研究背景及意义31.1.1 课题研究背景31.1.2 课题研究意义31.2 国内外的研究概况51.2.1 国外研究现状52.2国内研究现状101.2.3 发展趋势112 搜救机器人的总体结构方案设计122.1 井下复杂环境对救灾机器人的要求122.2 典型移动机构方案论证分析132.2.1 轮式移动机构特点132.2.2 腿式移动机构特点142.2.3 履带式移动机构特点152.2.4 履、腿式移动机构特点162.2.5 轮、履、腿式移动机构性能比较172.3 本研究采用的行走机构172.4 救灾机器人性能指标与设计182.5 本章小结193矿用搜救机器人运动参数设计计算203.1机器人越障分析203.1.1机器人跨越台阶203.1.2跨越沟槽213.2斜坡运动分析223.3 本章小结234机器人移动平台机械设计244.1驱动电机的选则244.1.1基于平地的最大速度的电机功率计算244.1.2爬坡最大坡度的驱动电机功率计算254.2 本章小结265 驱动轮减速器设计275.1减速器方案分析275.1.1减速器应满足的要求275.1.2 减速器方案分析275.2 减速器的设计计算295.2.1减速器的传动方案分析295.2.2配齿计算295.2.3初步计算齿轮的主要参数305.2.4装配条件的计算345.2.5高速级齿轮强度的验算355.2.6 轴的设计及校核445.3 本章小结466移动机构履带及翼板部分设计476.1履带的选择476.1.1 确定带的型号和节距486.1.2确定主从动轮直径486.1.3确定节线长度和带宽496.2 翼板部分设计516.3 本章小结517机器人摇臂的设计527.1 摇臂作用概述527.2摇臂传动减速器设计537.3本章小结558 总结与展望56致谢58参考文献59前言我国的煤炭资源十分丰富，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的70%左右，预计到2050年还将占50%以上，因此，在未来相当长的时间内，煤炭仍然是我国的主要能源，由于我国矿井自然条件差，加上技术和管理等诸多方面不到位，以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长，使得我国煤矿矿井灾害事故频繁发生，人员伤亡十分惨重。据统计，2006年我国矿难死亡1517人，百万吨死亡率为2.00；2007年全国矿难死亡1600人，百万吨死亡率为2.1；2008年全国煤矿发生伤亡事故1341 起，死亡1389人，百万吨死亡率约为1.84，其中一次死亡39人的重大事故110起，死亡886人。2009年全国安全生产数据显示2009全国共发生一次死亡10 人以上的特大事故61起：死亡717人，其中煤矿企业特大事故共发生18起,死亡330 人，死亡人数仍高居各类安全事故之首。2010年全国煤矿安全生产形势依然严峻，目前我国煤矿事故死亡人数远远超过世界其他产煤国家煤矿死亡人数的总和，约占世界矿难人数的80%，百万吨死亡率是美国的100倍、南非的30 倍。每年上百次的事故发生，成千人的矿工死亡，煤矿安全形势已经十分严峻。矿井瓦斯爆炸一旦发生，因受高温、烟雾、有害气体和缺氧等影响，以及存在发生二次灾害的可能，救护人员无法知道能否进入或无法直接进入灾害现场执行营救任务，上述事故中的伤亡人员有相当一部分是救护人员，如陕西黄陵矿业公司一号煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，2名救护队员在井下不慎滑倒，将呼吸机鼻夹摔脱落，导致一氧化碳中毒死亡；2005年渑池县赵沟八矿井下突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立即赶到现场救灾，在救火过程中，突发瓦斯爆炸，4名救护队员殉职； 2006 年六枝工矿集团公司救护大队的救护队员在井下实施封闭火区措施时，火区发生瓦斯爆炸，造成8名救护队员死亡。由此可见研发代替或部分代替救护人员的救灾机器人及时、快速深入矿井灾区进行环境探测和搜救工作具有极其重要的意义。在救援初期，其主要作用是代替矿山救护人员进入灾区，进行环境探测，并将采集的数据发送至救援指挥中心，这些环境信息主要包括瓦斯、CO、氧气的浓度、环境温度、湿度与粉尘情况以及灾区的通风状况的参数，还应包括生命和图像等信息，为救灾决策提供重要参考。1 绪论 1.1 课题研究背景及意义1.1.1 课题研究背景我国是世界上灾害、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。然而复杂危险的灾后环境常常会给救援工作带来困难。危险物质、大火、易燃易爆气体、不稳定的结构等等危险因素的存在，时常威胁到救援队员的生命安全，阻碍救援工作的快速展开。如何能够在最少人员伤亡前提下快速高效地开展搜索救援工作一直是我们重点研究的问题。本文提出的便携式矿用救灾机器人是一种质量轻，易于单个救援人员背负，具有多种运动姿态和抗摔能力，采用履带方式行进的微小型机器人系统。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和一定高度的抗摔能力。机器人可通过无线电信号进行远程控制，并能够加载各种侦测设备对未知环境进行先期探测并回传井巷环境信息，为及时有效的救灾提供决策参考。1.1.2 课题研究意义我国煤炭资源丰富，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的一半以上，在未来相当长的时间内，煤炭仍然是我国的主要能源，由于我国矿井自然条件差，加上技术和管理等诸多方面不到位，以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长，使得我国煤矿矿井灾害事故频繁发生，人员伤亡十分惨重。据统计，2006年我国矿难死亡1517人，百万吨死亡率为2.00；2007年全国矿难死亡1600人，百万吨死亡率为2.1；2008年全国煤矿发生伤亡事故1341 起，死亡1389人，百万吨死亡率约为1.84，其中一次死亡39人的重大事故110起，死亡886人。2009年全国安全生产数据显示2009全国共发生一次死亡10 人以上的特大事故61起：死亡717人，其中煤矿企业特大事故共发生18起,死亡330 人，死亡人数仍高居各类安全事故之首。2010年全国煤矿安全生产形势依然严峻，目前我国煤矿事故死亡人数远远超过世界其他产煤国家煤矿死亡人数的总和，约占世界矿难人数的80%，百万吨死亡率是美国的100倍、南非的30 倍。每年上百次的事故发生，成千人的矿工死亡，煤矿安全形势已经十分严峻。煤矿作为最复杂、最危险的工作环境之一，在发生安全事故之后，常常会因为井下复杂危险的环境而阻碍救援人员深入井下开展工作。但煤矿安全形式十分严峻，瓦斯爆炸等煤矿事故频发，造成了重大的人员伤亡，产生了不良的社会影响。煤矿灾害尤其是瓦斯煤尘爆炸事故发生后，因受高温、烟雾、有害气体和缺氧等影响，以及存在发生二次灾害的可能，矿井环境十分复杂。救护人员无法知道能否进入或无法直接进入灾害现场执行营救任务，上述事故中的伤亡人员有相当一部分是救护人员，如陕西黄陵矿业公司一号煤矿发生特大瓦斯爆炸事故，2名救护队员在井下不慎滑倒，将呼吸机鼻夹摔脱落，导致一氧化碳中毒死亡；2005年渑池县赵沟八矿井下突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立即赶到现场搜救，在救火过程中，突发瓦斯爆炸，4名救护队员殉职； 2006 年六枝工矿集团公司救护大队的救护队员在井下实施封闭火区措施时，火区发生瓦斯爆炸，造成8名救护队员死亡。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。由此可见研发代替或部分代替救护人员的救灾机器人及时、快速深入矿井灾区进行环境探测和搜救工作具有极其重要的意义。在救援初期，其主要作用是代替矿山救护人员进入灾区，进行环境探测，并将采集的数据发送至救援指挥中心，这些环境信息主要包括瓦斯、CO、氧气的浓度、环境温度、湿度与粉尘情况以及灾区的通风状况的参数，还应包括生命和图像等信息，为救灾决策提供重要参考。1.2 国内外的研究概况1.2.1 国外研究现状目前，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)该类机器人主要用于城市战斗与搜救。如美国智能系统和机器人中心开发的RATLER矿井探索机器人用于灾难后的现场侦查工作，采用电传遥控方式，有主动红外摄像机、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，携带数字低照度摄像机和基本气体监视组件，可以通过一个钻出的小洞钻进矿井，越过碎石和烂泥，并使用其携带的传感器发现受害矿工，探测氧气、甲烷气体含量，生成矿井地图。下图为美国及其它国家在研的各种履带式可变形机器人：如图1-1,1-2所示，这是美国iRobot的一种较小型“PackBot”机器人，现服役于美国军队，这个“PackBot”搭配了一个爆炸物感应系统，有效地探测炸弹。目前这种测试系统还处于实验阶段。“PackBot”机器人还以进行挖掘和拆弹工作。配备了称为“explosive ordnance disposal”(eod)和工程师的全套工具，可以对土壤进行挖掘，然后举起相当于自身重量2倍的炸弹。图1-2这种iRobot SUGV的机器人是一种小型地面探测车，重量仅为30磅。它带有一个称为“tactical head”的头部，还有一个相机、一个红外感应器和一个可即时传送影像的摄像头。图1-1 RackBot准备展开图1-2 SUGV机器人Foster-miller公司研制了Talon机器人，该机器人采用履带方式行进，内部装备有两台普通直流电机，电机通过两根链条带动履带轮转动，实现机器人运动；另外机器人前后履带轮中间安装有一小型承重轮，该轮不仅能承载一部分负荷同时也能在机器人转向时起到支撑作用，减少履带与地面之间的摩擦，提高机器人转向能力。Talon机器人可以完成各种侦察、巡逻工作。机器人外形参数尺寸为86.4cm57.2cm27.9 cm，重约39Kg，能潜水30.5m，爬45度斜坡。图1-3 Talon机器人2003年，澳大利亚SIMTARS煤矿研究人员与美国机器人辅助救援中心(CRASAR)合作，开发了一个煤矿灾害搜救机器人，并在澳大利亚昆士兰州的15米地下训练场进行了试验。这个机器人专门是为矿山灾害而研制。它的尺寸大小像一个蜂蜜罐子，它可以通过地面的钻孔进入煤矿井下然后爬过障碍物和泥浆，利用传感器搜寻被困矿工，探测有毒或者可燃性气体，还可以将地面供气供水软管拖到被困矿工身边，给他们新鲜的空气和水。这种机器人在通过钻孔时像一条蛇一样将自己挤过岩石，一旦到达井下地面，就会像一个小型坦克一样行动，搜寻被困矿工。CRASAR希望能够进一步为该机器人添加新型的医学传感器，让救援义务人员能够通过观看、交谈、诊断的方式来了解被困矿工的健康状况。Inuktun公司推出的UGTV机器人具有独特履带可变形功能(如图1-4所示)，可以辅助攀爬和扩大机器人视野，曾在“911”事件的搜救任务中大显身手；加拿大Sherbrook大学研制的AZIMUT机器人(如图1-5所示)，该机器人采用轮、履、腿复合移动机构，具有四个履腿模块，每个履腿模块与本体相连接时有3个自由度，机器人运动功能多样，越障能力强，上下台阶方便；但结构极为复杂，仅电机就有12个，运动控制困难，该机器入主要用于室内环境执行反恐、排爆任务。图1-4 UGTV机器人图1-5 AZIMUT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。这款机器人依靠一个灵活的小型系统从而有了一些与大型机器人类似的功能，所以它小得以至于可以在地铁车厢或者飞行工具里操作，同时又足够大得可以直接处理一些在所有现行飞机的头顶贮藏室里的可疑项目处理。图1-6 telemax这款产品具有很大的创新价值，经过数十年经验的累计取得了变结构设计领域的重大发展。图1-7 telemax行走姿势它的机械结构由4个独立履带齿轮驱动技术提供了非凡的移动力，它可以爬坡45度，并且可以越障500mm的高度，它做的比其它很多类似机器人都好，它的可伸展的上臂加上一个高度可调的地盘，给予了这款机器人一个可达到的非凡的垂直高度2350mm。它的钳子可以吊起重达5Kg的货物，这就意味着它可以装配弹道系统和其它工具。图1-8 telemax防爆机器人2.2国内研究现状我国的搜救机器人技术起步较晚，但是近年来引起了越来越多的关注并取得了一定的成果，沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学、国防科技大学、上海交通大学、广东富卫公司等机构都设计了自己的搜救机器人系统。2005年中科院沈阳自动化研究所与日本国际救援系统研究院联合成立的中日救援与安全机器人技术研究中心，在沈阳揭牌成立，这标志着我国的搜救机器人研究进入了一个更加快速发展的时期。2006年6月22日，由中国矿业大学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（如图1-9所示）。这台煤矿搜救机器人采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式，能在煤矿灾害发生后深入事故现场，探测火灾温度、瓦斯浓度、灾害场景、呼救声讯等信息，并实时回传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、撬棍等自救工具以协助被困人员实施自救和逃生。图1-9CUMT-1型矿井搜救机器人1.2.3 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：(1) 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。(2) 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。(3) 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。(4) 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。(5) 多机器人系统是矿井救灾机器人技术发展的主要方向。(6) 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。2 搜救机器人的总体结构方案设计2.1 井下复杂环境对救灾机器人的要求井下环境和气候与地面不同，井下环境恶劣，特别是事故刚刚发生后的井下条件更为恶劣。搜救机器人需要满足井下工作环境的特殊要求，具备快速搜寻并且准确定位井下失踪人员的功能，还要有简单的急救功能。（1）井下地形矿山井下地形复杂，环境恶劣。巷道路面多积水，有矿车铁轨、水沟、风管、线缆等障碍物；支巷道路面窄而不平，多有坡度；工作面处的路面坡度大，有碎煤、支撑、滑道等障碍。灾害发生后，脱落的顶板、岩石、煤块等形成新的障碍物。复杂的路况要求井下机器人要有较强的越障、避障能力和行驶功能恢复能力。（2）井下气候灾害后，井下通风系统常受到破坏，使井下气候发生明显的变化，常见瓦斯和粉尘浓度增大，灾变区域的温度、湿度增加，风量减少。所以二次瓦斯爆炸的危险也常常是影响救护队员及时下井救护的一个主要因素。为了在高瓦斯下安全工作，搜救机器人需要进行矿用隔爆兼本安型设计；元件在井下温度变化范围内应能可靠地工作；为了防止煤尘和积水进入车体内部和运动副，厢体要进行密封、防水设计。（3）光照与烟雾井下无自然光，机器人只有自带光源。事故后，往往烟雾充斥巷道和工作面，能见度低，对照明产生一定影响。（4）能源使用井下专用蓄电池供电。因此，井下的特殊环境要求所设计的搜救机器人形体较小，载荷较大，运动灵活，具有通过狭小空间、碎煤和岩石区的能力，能够实现较大弧度的转动，较强的越障、爬坡能力，以及防爆、防水、耐高温、视觉防尘等功能。2.2 典型移动机构方案论证分析便携式机器人按移动方式分主要有轮式、履带式、腿足式三种，另外还有步进移动式、蠕动式、混合移动式、蛇行移动式等。2.2.1 轮式移动机构特点轮式移动机构在救灾机器人中是最为普通的运动方式，轮式机器人移动机构普遍具有结构简单、运动速度快、能源利用率高的、机动性好强的特点，同时具有自重轻、不损坏路面、作业循环时间短和工作效率高等优势。控制的角度看，编程简单并有较高的可靠性，每个轮子都可以独立驱动。与履带式移动机器人相比，当跨越不平坦地形时，轮式机器人有着固有的不足，限制了其运动能力，其稳定性和对环境的适应性完全依赖于环境本身的状况，对于进入复杂的环境完成既定任务存在严重的困难。轮式移动机构按轮的数量可分为2轮、3轮、4轮、6轮、8轮。该结构存在着一定的局限性，只能在相对平坦、表面较硬的路面上行驶，如遇到软性地面(如沼泽、草地、雪地、沙地等)容易打滑、沉陷，但可根据具体地面环境采用一些预防措施来缓解该类情况的出现，如采用不同种类的款式轮胎以提高其越野能力，象沙漠车辆、山地车辆等，其各种结构如图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：(1)腿式机器人的地形适应能力强。腿式机器人运动轨迹由一系列离散点组成，崎岖地形可以给这些离散点提供支撑，使机器人平稳运动；而轮式和履带式机器人的运动是连续规迹，有些起伏较大的地形则不支持这种连续运动轨迹，进而限制了该类机器人活动范围。(2)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；(3)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2-2所示，特点是稳定性好，越野能力强。腿式移动机构缺点有：(1) 该类机器人的移动速度慢，机动性较差因此机器人的负载不能太重；(2) 腿式机器入对地面适应性和运动灵活性需要进一步提高；(3) 腿式机器人控制系统较为复杂，控制方法还有待完善；(4) 该机构未进入实用化阶段。图2-2八腿机器人 2.2.3 履带式移动机构特点履带式移动机构分为l条履带、2条履带(履带可车体左右布置或者车体前后布置)、3条履带、4条履带，6条履带，履带式移动机构与地面较大的接触面积，因此在较大的区域内分布机器人的重量，较大的接触区域使机器人具有较好的驱动牵引力，机动性能好、越野性能强，缺点是结构复杂、重量大、摩擦阻力大，机械效率低，在自身重量比较大的情况下会对路面产生一定的破坏。履带式移动机构比较轮式移动机构有以下几个特点：(1)撑面积大、接地比压小、滚动阻尼小、通过性比较好；(2)越野机动往能好，爬坡越沟等性能均优于轮式结构；(3)履带支撑面上有履齿不打滑，牵引附着性能好；(4)结构较复杂重量大，运动惯性大，减震功能差，零件易损坏。图2-3为一部分履带式移动机构的简图图2-3 履带式移动装置示意图2.2.4 履、腿式移动机构特点履腿复合移动机构综合了履带式和腿式两种移动机构的优势，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为机器人的推进系统；传统履带移动机构往往是两条履带与车身相对固定，很大程度上限制了机器人地形适应能力(此时机器人履带高度和长度直接决定了机器人越障、跨沟等性能)，为了解决该问题履式移动系统中引入了关节履带机构，两条履带不再相对车体固定而是能绕车身转动，这样能大大提高机器人的环境适应能力，但履、腿复合机构本身存在着一定的不足如结构复杂、运动控制困难等。2.2.5 轮、履、腿式移动机构性能比较车轮式，履带式、腿足式移动系统性能比较见表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 本研究采用的行走机构本文提出来的便携式履带机器人移动系统采用的是履、腿(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转动关节，加强了机器人越障、爬坡性能并提高了环境适应能力。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2-4所示。图 2-4 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 救灾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煤矿井下搜救机器人的总体设计须满足适合井下复杂地形、防爆、防碰撞等要求，同时所载的子系统安装、使用要方便。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。为提高其地形适应性，前摆臂两个摆臂关节单独控制和单独驱动。总体设计方案如图2-4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。根据井下环境对机器人的要求，主要设计性能参数如下：L1=600mm,L2=350mm,R=80mm,r=35mm,B(车体宽度)=500mm。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2-5图：图2-52.5 本章小结本章重点介绍了国内外履带机器人的移动方式，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。3矿用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（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）越障过程分析煤矿井下搜救机器人爬越台阶的过程如图3-1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3-1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3-1（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3-2机器人上台阶临界状态示意图由图3-2所示几何关系可得：（1）变换式（1）可得：（2）（3）利用式（3）求出，代入式（2）可算出机器人跨越障碍的最大高度。3.1.2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，机器人就越过了沟槽，完成了跨越动作。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。（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：（4）在角度为的斜坡图3-3(b)上跨越沟槽的宽度：（5）3.2斜坡运动分析机器人在斜坡上运动时，起受力情况如图3-4所示，机器人匀速行驶或静止时，其驱动力：（6）图3-4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：（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: （8）爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为：（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。3.3 本章小结本章重点围绕矿用履带搜救机器人的爬坡性能、越障性能、跨沟性能三方面，对机器人移动原理进行理论分析，运动过程进行数值计算，验证了该机器人在恶劣环境下具有优良机动能力。机器人的爬坡角度最大为；垂直越障高度最大为300mm：最大跨沟宽度为500mm。4机器人移动平台机械设计4.1驱动电机的选则4.1.1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：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：则，移动机器人平地直线运动的平衡方程为：则，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：4.1.2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：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=11.944.2 本章小结由以上分析可知，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4-1电机：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效率Maxon-Ec4524V6.5A1800r/min150W79% 5 驱动轮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。5.1减速器方案分析5.1.1减速器应满足的要求（1）目前大部分的煤矿都处于深井开采，深度大都为数百米，甚至上千米，远远深于恒温带的深度，随着深度的增加，地温逐渐升高，造成地下温度很高。减速器必须满足在高温下工作要求；（2）我国开采的矿井，大部分都为高瓦斯矿井，井内充满了浓厚的瓦斯。减速器应有隔爆防爆的作用；（3）搜救机器人的行驶路况复杂，在行驶过程的启动、停止、前进与后退换向频繁。其载重较大，要有较大的启动转矩，启动平稳，换向灵敏；（4）搜救机器人遥控操作，电动机用蓄电池提供能源。体积要小，重量要轻。5.1.2 减速器方案分析减速器的种类很多，按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器以及它们互相组合起来的减速器；按照传动级数可分为单级和多级减速器；按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥-圆柱齿轮减速器；按照传动的布置形式由可以分为展开式、分流式和同轴式减速器。（1）展开式齿轮减速器结构简单，但齿轮相对于轴承的位置不对称，因此要求轴有较大的刚度。高速级齿轮布置在远离转矩输入端，这样，轴在转矩的作用下产生的扭矩变形和在载荷作用下轴产生的弯曲变形可部分的互相抵消，以减缓沿齿宽载荷分布不均匀的现象。用于载荷比较平衡的场合。（2）同轴式齿轮减速器横向尺寸较小，两对齿轮侵入油中深度大致相同。但轴向尺寸和重量较大，且中间轴较长、刚度差，沿齿宽载荷分布不均匀，高速轴的承载能力难以充分利用，适合小型、微型机械适用。（3）蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。（4）行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大，但价格略贵。另外行星减速箱，有平齿和斜齿2种，精度和价格都有不同。（5）谐波减速器的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差，输入转速不能太高，价格较高。根据复杂路况下搜救机器人的行驶速度及各项工作要求，综合各种减速器的特点，本设计采用二级减速传动，依传递运动和转矩，又根据减速箱空间的限制采用二级行星齿轮减速器。5.2 减速器的设计计算5.2.1减速器的传动方案分析根据上述设计要求可知，该行星轮减速器传递功率高，传动比较大，工作环境恶劣等特点。故采用双级行星齿轮传动。2K-H型结构简单，制造方便，适用于任何情况下的大小功率的传动。选用由两个2X-A型行星齿轮传动串联而成的双级行星齿轮减速器较为合理，名义传动比可分为进行传动。5.2.2配齿计算根据2K-H型行星齿轮传动比的值和按其配齿计算公式，可按第一级传动的内齿，行星齿轮的齿数。先考虑到该行星齿轮传动的外廓尺寸，故选取第一级中心齿轮数为23和行星齿轮数为。根据内齿轮，则。对内齿轮齿数进行圆整后，此时实际的P值与给定的P值稍有变化，但是必须控制在其传动比误差范围内。实际传动比为:6其传动比误差根据同心条件可得行星轮的齿数为所求的适用于非变位或高度变位的行星齿轮传动。再考虑到安装条件为：（整数）第二级传动比为6，选择中心齿数和行星齿轮数目与第一级相同，则。5.2.3初步计算齿轮的主要参数齿轮材料和热处理的选择：中心齿轮和中心齿轮，以及行星齿轮和均采用20CrMnTi,渗碳后淬火，淬透性不错，耐低温冲击，能够满足要求。齿面硬度为58-62HRC,查行星齿轮传动设计可知，取，中心齿轮加工精度为6级，高速级与低速级的内齿轮均采用42CrMo,这种材料经过正火和调质处理，以获得相当的强度和硬度等力学性能，调质硬度为217-259HRC，取，轮和的加工精度为7级。高速齿轮的模数m 按弯曲强度的初算公式，为现已知。中心齿轮的名义转矩为Nm,取算式系数，查机械设计使用手册系数，查得；取接触强度计算的行星齿轮间载荷分布不均匀系数，由公式可得,查得齿形系数,齿宽系数，则所得的模数m为：取齿轮模数为=0.4mm低速级得齿轮模数m取弯曲强度的初算公式，计算低速级的齿轮的模数m为，现已知，中心齿轮的名义转矩，取算式系数，使用系数，综合系数，取接触强度计算的行星齿轮间载荷分布不均匀系数，由公式可得，查表得齿形系数，齿宽系数，则所得的模数m为： mm取齿轮模数为mm啮合参数计算:高速级在两个啮合齿轮副中-，中，其标准中心距a为 13.8mm mm低速级：在两个啮合齿轮副中中，其标准中心距a为 mm mm由此可见，高速级和低速级得标准中心距均相等。因此次行星齿轮传动满足非变位的同心条件，但是在行星轮传动中，采用高度可以避免跟切，减少机构的尺寸和质量，还可以改善齿轮副的磨损情况以及提高承载能力。几何尺寸的计算高速级：分度圆直径d 基圆直径齿顶圆直径齿顶高：外啮合内啮合齿根圆直径齿根高高速级太阳轮行星轮内齿圈模数m齿数z2346115分度圆直径d9.218.446齿顶圆直径10.419.245.28齿根圆直径8.617.447低速级：分度圆直径d 基圆直径齿顶圆直径齿顶高：外啮合内啮合齿根圆直径齿根高低速级太阳轮行星轮内齿圈模数m齿数z2346115分度圆直径d13.827.669齿顶圆直径1528.868.28齿根圆直径12.3.4装配条件的计算对设计的齿轮副应满足以下条件的计算：1. 邻接条件在行星轮传动中，为保证两相邻行星轮的齿顶不致相碰，相邻两行星轮的中心距应大于两齿顶圆半径之和，由公式验算其邻接条件（为行星轮的直径，a为中心距）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.同心条件按公式对于高度变位有，已知高速级，满足公式则满足同心条件。低速级与高速级齿数相同，故满足条件。3.安装条件按公式验算安装条件，即得 (C为整数) 即都满足装配条件。5.2.5高速级齿轮强度的验算由于该行星轮传动具有长期有效间断工作的特点，具有结构紧凑，外轮廓尺寸较小的特点，因此应按齿面接触强度和齿根弯曲强度验算。齿面接触疲劳强度的校核由公式可验算：式中区域系数； _弹性影响系数；螺旋角系数，直齿轮为1；重合度系数； -齿宽，齿轮副中的较小齿宽；小齿轮分度圆直径；许用应力； U齿数比；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；由于螺旋角，由机械零件得;直齿轮螺旋角系数；重合度系数；齿宽b=3;故161MPa。故满足强度要求。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；由于螺旋角，由机械零件得;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。齿根弯曲疲劳强度的校核由公式可验算：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。由机械零件可查得取=1;根据V=1.2，可得;查机械零件可得,，故。由机械零件得齿形系数：，得齿形修正系数；许用应力的计算：由机械零件得，,安全系数s=1.25,故。因此弯曲疲劳强度：109M,132Mpa故弯曲疲劳强度足够。齿轮副：计算载荷系数K：由机械零件查得,根据v=0.58，对称支撑；由机械零件取得,故。查得齿形系数;应力系数；许用应力的计算：由机械零件得；由机械零件得由机械零件取弯曲疲劳强度安全系数S=1.25；；因此弯曲疲劳强度 129Mpa 所以弯曲疲劳强度足够。低速级齿轮强度的验算由于该行星轮传动具有长期有效间断工作的特点，具有结构紧凑，外轮廓尺寸较小的特点，因此应按齿面接触强度和齿根弯曲强度验算。齿面接触疲劳强度的校核由公式可验算：式中区域系数； _弹性影响系数；螺旋角系数，直齿轮为1；重合度系数； -齿宽，齿轮副中的较小齿宽；小齿轮分度圆直径；许用应力； U齿数比；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；由于螺旋角，由机械零件得;直齿轮螺旋角系数；重合度系数；齿宽b=4.3;故183MPa。故满足强度要求。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；由于螺旋角，由机械零件得;直齿轮螺旋角系数；重合度系数；5；齿宽b=5.5;故352MPa。故满足强度要求。齿根弯曲疲劳强度的校核由公式可验算：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。由机械零件可查得取=1;根据V=1.2，可得;查机械零件可得,，故。由机械零件得齿形系数：，得齿形修正系数；许用应力的计算：由机械零件得，,安全系数s=1.25,故。因此弯曲疲劳强度：127M,143Mpa故弯曲疲劳强度足够。齿轮副：计算载荷系数K：由机械零件查得,根据v=0.58，对称支撑；由机械零件取得,故。查得齿形系数;应力系数；许用应力的计算：由机械零件得；由机械零件得由机械零件取弯曲疲劳强度安全系数S=1.25；；因此弯曲疲劳强度 143Mpa 所以弯曲疲劳强度足够。5.2.6 轴的设计及校核1选择轴的材料，确定许用应力根据工作条件选择轴的材料为40Cr钢，调质处理，由教材表15-3查得。2按扭转强度估算轴径根据机械零件取=112,故得=4.892mm。输出轴的最小直径是安装联轴器的直径，为了使所选的轴直径与联轴器的孔相适应，故需同时选取联轴器型号。按照计算转矩应小于联轴器的公称转矩的条件，为了隔离震动与冲击，应选用微型弹性联轴器，选用德国KTR公司品牌的ROTEX-GS系列的微型无齿隙弹性联轴器；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5-8，联轴器长度，外径。半联轴器的孔，故取，联轴器与轴配合的毂孔长度。 3.轴的结构设计拟定轴上零件的装配方案,用下图所示的装配方案可取，因为轴承同时受有径向力和轴向力的作用，故选择单列圆锥滚子轴承。参照工作要求选择C136079J,其尺寸为：。轴承采用反装形式，用轴肩定位，轴肩高度。4.确定轴上圆角和倒角尺寸取轴端倒角245，各轴间圆角半径见图。5.轴上载荷以及轴的校核图5-1轴的弯矩扭矩图圆周力：=2270/5=108N 径向力：=108tan=39.3N法向力：=/cos=44.2/ cos=114.9N水平支反力为：，垂直反力：当量弯矩为：垂直面内=320Nmm，=15Nmm水平面内总弯矩为：=401Nmm，=243Nmm轴受转矩为：T=9549/n=95490.15/1800=796Nmm最后按弯矩合成应力校核轴的强度：进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度，根据以上数据及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，故取，轴的计算应力所以满足=70Mpa的条件，故设计的轴有足够的强度，并有一定裕量。5.3 本章小结本章通过对几种主要的减速器进行对比，结合矿用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。同时设计计算了驱动轮减速锥齿轮，通过校核满足机器人的性能要求。6移动机构履带及翼板部分设计6.1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. 6.1.1 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6-1查得型号选用XH型，对应节距=22.225mm，图6-2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，=15.49mm。图6-1梯形齿同步带，轮选型图图6-2梯形齿形状图6.1.2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。6.1.3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（6-6）（3）确定实际所需带宽（6-7）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（6-8）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。6.2 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

温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。