核环境下机器人机构设计研究及越障能力分析.doc

核环境下机器人机构设计研究及越障能力分析一 绪论1.1 研究意义随着世界人口的快速增长以及各国工业的迅猛发展，传统能源的消耗将会加快，核能、风能、太阳能等可再生能源越来越受到重视。但由于其它能源的局限性，核能成为目前唯一达到工业应用、可以大规模替代化石燃料的能源。在一些国家，核能成为主要的电力能源。世界目前有30多个国家拥有核电站，这420多座核电站提供了全球总电力的17%，在法国，核电甚至占到70%以上。开发和利用核能不仅可以节省煤炭、原油等不可再生资源，还能改善人类生存环境。随着大型核电站、加速器和后处理厂大型热室的发展，面对成百上千个复杂的子系统和有关安全设备，需要上百个训练有素的工作人员来维修这些设备，以保证工厂安全有效工作。但核电设施的维护作业大多是在放射线环境下进行的，工作人员若直接进入对设备进行维修、检查等操作，无疑会因放射剂量过高而造成人员伤亡事故。而且环境复杂，场地狭窄，有些地方还有阶梯，地面上管道纵横交错。虽然可以停止核设备的运行工况或急剧降低运行功率，创造人能安全进行工作的条件，但是这将造成一定的经挤损失。远距离操作技术是核工业不可缺少的工具，是核工业的生命线。采用现代的先进遥控操作和机器人技术就能够解决上述难题，克服安全与经济的矛盾，并可显著提高核工业设备的经济和社会效益。据资料显示，一座反应堆使用机器人进行检查与维修后，其寿命可以提高到四十年左右。美国公用事业电力与煤气公司于80年代中期开始实施PSE&G机器人计划，在电力公司的三个核电站（Salem-1、Salem-2和Hope creek）中取得了进展。在1986年4月到1991年12月第一个核机器人五年计划期间，PSE&G耗费了160万美元，但节省了530万美元，投入效益比可达1:3，其中减少电站停堆时间是节省的主要原因之一。最近几年由于各国需要处理的放射性废物与需要拆卸和去污的废弃核装置与日俱增，加上日益增长的人工费用和核辐射低剂量限值等问题，研制一些功能更强、技术更先进、真正能实现远距离控制的核环境机器人，成为当今世界的热门课题。此外，“3.11”日本9级大地震引发了福岛核电站危机，但是机器人技术最为先进的日本却没有合适的机器人可以用于福岛核电站的救援，笼罩在核泄露威胁下的民众迫切要求核电站具有高效的事故预防和解决措施，这起核事故给全世界核电站敲响了警钟。采用机器人进行核事故预防、控制和救援已成为社会的共识，目前我国核电站越来越多，发展核环境救援机器人迫在眉睫。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状据资料文献记载，美国、日本、法国等发达国家早在上个世纪四十年代就开始研发并研制成功了某些可以应用在核环境下的机器人，并在当地的核电站进行了验证，取得了一定的成果，其中具有代表性的机器人有：在美国，四十年代末阿贡实验室研制了第一台用于核工业的机械手，取名M1，后期研制出核环境机器人Odex系列机器人；在日本，1977年早稻田大学研制出了世界上第一台双足行走机器人；在欧洲，法国核机器人技术处于领先地位，研制出了用于核反应堆检查的机器人。最近20年，由于核电站的迅速发展，各国政府对核电站日常维护和事故处理及其重要的核机器人的发展也越来越受到重视，纷纷制订了研究开发核工业机器人的计划，提供财政支持，呈现了一派繁荣景象。如由美国能源部（DOE）组织佛罗里达、密歇根、田纳西和德克萨斯四所大学以及橡树岭国家实验室（ORNL）联合制订的美国先进反应堆用机器人发展计划（ARS），这个计划的目的是开发机器人进行危险作业，减少工人在辐射环境下作业或停留的时间，以便高效经济地监督、维修和修复核装置或其他设备。另外，日本和法国也有各自的核工业机器人发展计划。经过几十年的技术发展和积淀，这些国家又研制出了一些功能更强，技术更先进的核环境机器人，这些机器人真正实现了远距离控制，如美国Remotec公司用于核环境检测的机器人SURBOT，德国的EMSM系列，意大利Ario Romiti,Terenziano Raparelli等人研制成功的应用于危险核环境下的多功能机器人SECURITAS，法国SRA-SAVAC公司研制的可对核屏蔽热室进行放射性检测的RICA2核电站机器人等。这些机器人可以通过电脑遥控，具有很好的越障性能，不仅能行走转弯，还可以翻越40cm高的障碍物。它们主要应用于处理放射性物质泄漏事故和更换失灵的系统零部件等。另外，值得一提的是，日本在福岛核危机中使用了一款高辐射区域人员无法工作的专用Monirobo机器人（Monitoring Robot）（图1-1）。Monirobo是由日本核安全技术中心在日本东海村核燃料加工厂核辐射事故发生后而研制的，体积为80015001500mm，约1300磅重，属于针对地震灾害救援的复杂性设计迷你型机器人。Monirobo靠两条履带驱动行走，每分钟可走40米，时速最高可达2.4千米。另外，它还配有一支机械手用于移动障碍物和收集样本。 Monirobo共分为两种型号：红色Monirobo A和黄色Monirobo B。红色那台配备辐射探测、3D摄像机、温度湿度传感等。黄色那台则用于收集粉尘样品和检测可燃气体。两台机器人的外表都拥有辐射遮蔽层，用于辐射环境下工作，其内部电子电路不会受到干扰和破坏。当然两台机器人也少不了人类对其进行操控，最远操作距离可达1.1公里。 图1-1 Monirobo机器人 1.2.2 国内研究现状 国外在较早时期就积极开展防核机器人的研究工作，而我国在这方面研究开展较晚。为了赶超国外先进技术和满足国内核机器人的需求，在国家高技术研究发展计划（863计划）中列入了恶劣环境智能机器人的研究项目，并将移动式作业机器人和壁面爬行式检查机器人作为开发目标。另外，山东鲁能集团公司也研制出一种名为JP-DZ-06的核电站设备巡检机器人（图1-2）。它通过底部电机驱动的轮子导航，并具有自主或遥控两种控制方式，可以代替人对核电站高压设备进行实时巡检，协助发现变电 图1-2 核电站巡检机器人 站设备的故障隐患、内部热缺陷等异常现象。东南大学和相关部门合作，也于2011年初研制出了国内首台真正意义上的防核化侦察与应急处理遥控操作机器人（图1-3），可以在核辐射和有毒有害环境下协助人类救险。图1-3 遥控防化侦察机器人 在国家863计划的支持下，经过近20年的不懈努力，我国的机器人特别是核环境下机器人事业取得了一系列令世界瞩目的科研成果，正朝着更好更先进的方向前进。1.3 主要研究内容及研究意义1.3.1 研究内容 根据核机器人应当满足的功能要求，可以将核机器人分为两类：作业型和观察型。作业型核机器人需要完成的任务包括焊接、切割、搬运放射物质、开关阀门、喷水、捡拾和切断物体等，故需要安装能实现这些功能的部件如焊枪、机械手等。观察型核机器人则需携带摄像头、温度和压力传感器以及辐射强度检测仪等设备进入现场后传回现场数据。由于要求核环境下机器人需具有一定的事故处理和救援能力，因此核机器人应当有较强的通过性和越障能力，可以通过诸如楼梯、斜坡等一般障碍，并具有较强的防尘能力。另外，非常重要的一点是，此次设计的机器人需要在具有核辐射的环境下连续工作，故必须具有一定的防核辐射能力。综上所述，核环境下机器人要完成既定任务应具体有以下几方面需求:（1） 移动灵活敏捷。可在城市或野外等路面以较高的速度移动，转向灵活；（2） 避障能力强。可以通过一般障碍，攀爬标准楼梯等；（3） 防核辐射能力强。可以保证其在核环境下的生存能力；（4） 适应能力强。可以在恶劣的环境中作业；（5） 结构紧凑轻巧。降低了机器人的移动重心，保证了机器人的移动稳定性，另外重量轻 便于携带。其中，核环境机器人的机械结构设计、三维建模、越障分析及核防护措施是此次研究的主要内容。核机器人的机械结构设计是此次设计的基础，合理的机械结构设计可以满足设计要求，提高机器人的性能。通过对机器人进行三维建模可以直观的了解机器人的结构设计，进而进行优化设计。越障能力分析是分析和检验机器人是否满足具有较强的越障能力，是否具有较强的通过性以适应在较差的地形环境下工作而不会抛锚。另外，由于所设计的机器人需在核辐射环境下工作，如何使机器人在核辐射照射下具有足够的工作寿命，这是此次研究的关键部分。如果机器人不具有足够的核防护能力，那么当机器人进入核辐射区域之后，核辐射会影响机器人内部的电子元件以及控制系统等，从而使机器人失去工作能力。因此，研究选用合适的核防护措施是保证机器人能够正常工作的关键。1.3.2 研究意义通过研究一种具有较强通过性以及越障能力的可防核辐射危害的机器人，并使其具有可操纵的执行机构，以实现在远距离操控的前提下控制机器人进入核辐射区域进行放射线数据检测、维护设备、事故处理以及人员救助或者处理辐射物质等工作，从而使作业人员远离核辐射区域以避免受到辐射危害，减少人员伤亡和经济损失。二 核环境机器人功能要求和技术要求2.1 核环境机器人应用场景 应用于核电厂的设备安装更换、维护巡检、故障抢修、废堆处理等工作以及其它产生核辐射危害的灾害现场救援抢险等工作。2.2 核环境机器人功能确定 由核环境下机器人的应用场景可知核环境机器人需要具备以下功能： 1、进行核电厂热室中设备操作； 2、核设施燃料后处理设备操作； 3、拆除和更换各种核设备的零部件； 4、高放射性样品处理和运输及核电站中部件检查和修理； 5、核设施的事故和退役处理， 包括放射性去污、器材拆除、减容、包装和搬运等； 6、提供在线实时检查、监督和在线维修，降低工作人员事故放射线照射水平，减少工厂 停工时间，节省昂贵的替代电力； 7、核环境机器人还需具有操作机构更换功能，能适应除核电厂以外其它核环境下的作业 需求，如安装地震生命迹象检测仪器以实现在地震引起核辐射情况下进行搜救被困人 员的功能由以上核工业机器人所需实现的功能可知，核工业机器人须具备相应的功能模块。如实现实时检测监督预防事故发生功能时，即观察型机器人，需要机器人具备一套能够使机器人全面探测环境的传感器系统，包括温度、压力、放射线传感器等；实现在线维修、拆除和更换零部件功能时，即作业型机器人，应当具备操作准确可靠、结构简单、可远程操控的机械臂，另外根据需要添加焊接、切除、钻孔等附属功能模块。此外，核环境机器人还需具有控制模块、通讯模块等。2.3 技术要求结构指标自重50Kg载荷10Kg结构尺寸机动指标正常速度0.6m/s最大速度1m/s最大爬坡角度30楼梯通过能力能通过普通标准楼梯转向能力零半径防护能力防尘防核辐射，抗冲击续航能力1小时以上三 核环境机器人总体结构设计 核环境机器人具有机电一体化的特点，它在结构紧凑性、灵巧性以及特殊性方面比一般机械设计有更高的要求。结构设计是本次机器人系统设计的基础，整机机械结构、驱动方式和传动机构等都会直接影响机器人的运动和动力性能。然而，核环境机器人机构设计除了需要满足系统的技术性能外，还需要满足经济性要求，即必须在满足机器人的预期技术指标的同时，考虑用材合理、制造安装便捷、价格低以及可靠性高等问题。机器人的机械设计可以从一下四个方面考虑：（1）机器人的应用和可行性研究现有同类机器人的产品性能和特点，进行可行性调查，论证技术上是否先进，是否可行；核算经济上的成本；明确机器人应用的领域，实现什么样的功能。（2）明确机器人的设计要求确定工艺过程、动作要求和有关参数，并对机器人的工作环境进行分析。（3）明确功能、性能指标和技术参数了解国内外同类机器人的水平和研制的技术难点，结合现有的工作条件和功能要求，明确提出设计的机器人具有的功能、性能指标和技术参数。这一步至关重要，因为所有的设计都是围绕着这个中心来设计的。（4）方案比较初步提出若干总体设计方案，通过对工艺生产、技术和价值分析选择最佳方案。3.1 结构简述 合理的机器人本体结构应当使其机械系统的工作负载与自重的比值尽可能大，结构的静动态刚度尽可能高，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。 所设计的机器人主要由行走机构、操作机构、传动机构和箱体所组成。核环境机器人需要实现远程操控技术，代替工作人员进入到核辐射区域进行事故处理与救援，因此机器人需要具备操作机构。核机器人的操作机构一般主要包括基座、机械臂、末端执行模块，可实现多自由度运动。以往所开发的应用于核电厂的机器人大都只是固定的可操作机械手或搬运车，灵活性差，因此此次研究的核机器人采用一种灵活的行走机构，并具有很好的越障性能。通过传动机构，可以把动力传递到行走机构和操作机构等等。由于需要对核辐射进行屏蔽，因此将控制模块与传动机构放置在箱体内。3.2 行走机构设计 从20世纪60年代到70年代，迅速普及并实用化的工业机器人给人的印象只是自动机械手。广泛开展机器人移动功能的研究和开发是进入20世纪80年代以后的事。现在作为移动机器人而开发试制的移动机械种类已远远超过了机械手。如今开发的核环境下的机器人多为行走机器人，行走机构是行走机器人的重要执行部件，它一个作用是作为机器人机身、手臂的支撑，另一个作用就是根据控制器的指令带动机器人在工作区域移动。它主要由驱动装置、传动系统、位置检测元件、传感器、电缆及管路等组成。可以说行走机构的好坏直接决定了机器人的性能。机器人的行走方式主要有轮式、履带式、脚足式等，此次设计的核环境下机器人的行走方式从这三种中选择。 方案一：采用轮式移动机构。轮式行走机构是核机器人中应用较多的一种移动机构,具有独立驱动装置、换向装置和制动装置的滚轮通过电机直接驱动, 能够实现机器人的前进、后退、转向等各种运动。采用这种行走机构的机器人动作平稳、操作简单、运动方便自如、运行速度较快, 且能实现自由转向, 适合在比较平坦、光滑的地面上行走, 缺点是不能跨越高度, 不能爬楼梯,核电站巡检机器人通常采用这种运动机构。方案二：采用履带式移动机构。履带式行走方式也称为无限轨道方式，其最大特征是将圆环状的无限轨道履带卷绕在多个车轮上，使车轮不直接与路面接触。履带式行走机构的支撑面积大，对地面的压强小，滚动阻力小，承载能力大，对路况具有较强的适应性，适合于松软或泥泞场地作业。在野外凹凸不平或松软路面上上作时，轮式移动就显得非常吃力，而利用履带可以增大轮子与路面的接触面积，缓冲路面状态，实现机器人的平稳运动。履带式行走机构在原有履带机构上加装摆臂履带后，不但充分利用了履带式机器人良好的地面适应性，而且大大提高了机构的越障能力和爬坡能力。缺点是由于没有自位轮, 没有转向机构, 要转弯只能靠左右两个履带的速度差, 所以不仅在横向, 而且在前进方向也会产生滑动, 转弯阻力大, 不能准确地确定回转半径等。军用机器人和那些使用场所不固定的机器人常采用履带式行走方式。例如由美国iRobot公司生产的Packbot（图3-1）系列履带机器人因其在伊拉克和阿富汗战场上表现优秀，挽救了很多士兵的生命而享誉盛名。它的最大时速可达14 公里，每次充电后行驶距离能超过13 公里，同时涉水深度可达3 米。“Packbot”机器人十分结实，即使从1.8 米的高度摔在硬质混凝土上，也毫发无伤。“Packbot”越障能力极强，能爬60%的坡度楼梯，有多种越障方式，能越过比自身高度大许多的障碍，可以从任何颠覆状态下恢复到正常行驶状态。可用于侦察、反狙击、战术实施，如反地道、近距离干扰等。 履带式行走方式有如下特点：（1）支承面积大，接地比压小。路面粘着力强，越野机动性好。（2）履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大牵引力。（3）用两个电机驱动两条履带从而实现了原地转弯，利用履带可以缓冲路面状态。（4）比较稳定，容易爬坡，履带本身给车轮起 图3-1 Packbot机器人在爬楼梯 铺路的作用。 方案三：采用脚足式移动机构。脚足式行走是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。优点是对步行环境要求低，能适应各种不平整、不规则的地面，具有较高的逾越障碍的能力，能够方便的上下台阶，移动“盲区”小。缺点是行进速度较缓慢，控制实现起来复杂，稳定性和可靠性低。下表为三种行走方式的特点对比：表3-1 几个行走方式特点移动方式车轮式履带式脚足式原理配置多个轮子，每个轮子用电机驱动电机驱动两个无轨道履带通过多个脚反复吸附与脱落移动特点移动速度快，便于控制，着地面积小，维持一定的摩擦力比较困难，越障能力较低着地面积大，对壁面适应性强，携载能力强，有较强的越障能力，体积较大，不易转弯间歇式移动，移动速度慢，携载能力较强，控制难度大，稳定性和可靠性差由于现有核电厂大都没有考虑到机器人遥控作业技术的应用，因此所设计的机器人必须适应现有的定型化了的核电厂，增加了许多苛刻的条件，例如环境场地狭窄，设备与管道布置稠密等等，要求机器人必须体积小，能在狭窄的不规则的空间（或地面）移动等等。所以所设计的核环境机器人需要有较好的通过性以及良好的爬坡越障能力，因此选择选择方案三履带式行走机构，并在原有履带机构上加装两个摆动臂履带组成双节履带式（图3-2）。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。所设计的双节履带可以360旋转，能够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，有着较强的地形适应能力、越障能力和良好的环境适应性，目前双节履带设计在移动机器人上已有较多应用。前轮承载轮摆臂副履带车身主履带后轮摆臂小轮图3-2 双节履带式行走机构3.3 操作机构设计由于核辐射对人体健康具有严重的威胁，所以核辐射区域内的设备维修、事故处理、抢险救援等工作只能由机器人可远程控制的操作机构来实现。核机器人的操作机构一般是由基座、机械臂、末端模块三部分组成的，其中最重要的就是机械臂的设计。末端模块安装在机械臂上面，因此机械臂的设计影响着机器人的操作性能。一般机械臂都设计为多自由度，自由度越多，机器人的操作灵活性也就越好，但是相反控制系统实现起来就很困难。所以说需要综合机器人的作业要求以及控制形式等各方面因素来确定机械臂合适的自由度。另一方面，操纵机构还需具有一定的承载能力，这是由机器人的作业类型来定的，如需要抓取物品时。另外，操作臂的工作距离也很重要，太短末端模块达不到被操作对象，太长则机器人重心靠前，稳定性不好，故需设计一个合理工作范围，能使机器人顺利完成所承担的作业任务。一般情况下，如果操作任务比较简单、单一的话，通常设计单机械臂操作机构来实现。如果完成的是一些复杂、难度大的任务，则可以通过设计双机械臂的操作机构来完成。单机械臂操作机构结构简单，控制起来也比较容易。如果在单机械臂末端安装一个执行部件，就可以完成如夹取物品、开关阀门等操作。双臂操作机构的作用原理更像人的两只手臂一样，通过双手相互配合对操作对象进行作业，这样便可以承担一些比较复杂的作业任务，比如通过协调控制两只机械臂来实现对设备进行安装、维修、拆卸、钻孔、部件切割、工具更换等操作。可实现的操作更复杂，因而控制系统相对于单机械臂来讲实现起来也更困难，结构也复杂。通过比较单臂与双臂操作机构的优缺点，并且综合考虑此次所设计机器人的工作要求，选择单臂操作机构，并在单臂操作机构末端安装末端执行部件。末端执行部件（手部）是机器人直接参与工作的部分，手部可以是各种夹持器，也可以是各种工具，如焊枪、喷头等。机械夹持器多为手抓式，按其手爪的运动方式可以分为平移型（图3-3a）和回转型（图3-3b）。 a 平移型 b 杠杆回转型 图3-3 机械夹持器 本次设计选择一种连杆杠杆回转式结构，与前者相比具有结构简单、控制容易的特点。图3-4 机械臂三维模型所设计的机械臂如图3-4所示，机械臂安装在底座上，具有三个摆动自由度以及一个转动自由度。3.4 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核环境下机器人的关键。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。 气动驱动系统主要优点是快速性好，系统结构简单、维修方便、成本低、无污染，另外由于气体的可压缩性，气动系统具有缓冲作用，很容易实现无级调速。但是由于气体的可压缩性，定位精度因而不高，难以实现伺服驱动。 液压驱动系统是较早被采用的驱动方式，它具有重量轻、惯量小、传动平稳、控制环节简单等特点。但是液压驱动系统的液压油容易泄漏，影响工作性能和污染环境，它需要单独的油源，所占空间较大，主要适用于中、大型机器人。 电动驱动系统是利用各种电机产生的力矩和力，直接或通过机械传动装置来驱动执行机构。这类系统不需要能量转换，因此效率比气动和液压驱动高，且有使用方便、噪声低和控制灵活等优点，适用于中、小型机器人。 采用电动驱动系统是现代机器人的技术发展趋势之一，负荷1000N 以内的中、小型机器人，现已绝大部分采用了电动驱动系统。因此核环境下履带机器人采用电动方式驱动，并将锂电池组作为电动机和控制系统的动力能源。下面对机器人的传动机构进行设计。3.5 传动机构设计 首先，先确定履带移动机器人的驱动方式。履带式的驱动方式有前轮驱动和后轮驱动两种，履带两端的导向轮哪一个用来作为驱动轮更合适与履带机构的形状有关。根据图3-2所示的双节履带式结构，此次设计的机器人采用后轮驱动更为合适。因为当采用前轮驱动（图3-5a）时，履带上部分与导向轮处于最大载荷，履带下部承载轮部分的长度处于折弯压缩状态，运行阻力比较大。当采用后轮驱动（图3-5b）时，履带上部分与导向轮受力较小，主履带下部分处于微微张紧状态，运行阻力较小。 a 前轮驱动 b 后轮驱动 图3-5 前后轮驱动方式的不同通过以上分析确定驱动方式为后轮驱动，然后需使用两台电机分别对两个后轮进行驱动，通过控制电机的转速可以来实现移动机器人的差速转向，这样可以实现机器人的快速转向和原地零半径回转。此外，将摆臂履带的大轮与主履带前轮相结合，这样一来摆臂履带就不需要由电机驱动，而由前轮驱动。前轮变成为主履带的从轮以及摆臂履带的主动轮。这样一来不仅可以节省电机数量，而且还可以简化结构，节省空间。两摆臂不仅有一个履带传动的运动，还有一个绕前轮中心轴的转动运动，通过这个转动运动可以大幅度提高机器人的越障能力。为了方便的安装摆臂，将摆臂设计为外伸结构，前轮通过空心轴来支撑固定，摆臂中间轴穿过空心轴然后与减速器连接,然后通过电机驱动。在目前用于传递动力与运动的机构中，减速器的应用范围相当广泛，几乎在各式机械的传动系统中都可以见到它的踪迹，从交通工具的船舶、汽车、机车、建筑用的重型机具、机械工业所用的加工机具及自动化生产设备，到日常生活中常见的家电、钟表等等。其应用从大动力的传输工作，到小负荷、精确的角度传输都可以见到减速器的应用，且在工业应用上，减速器具有减速及增加转矩功能，因此广泛应用在速度与扭矩的转换设备。由于摆臂使用时必须是固定不动的，即当使用摆臂履带进行越障时，摆臂履带的位置不能改变，这样才能起到支撑越障作用，因此摆臂摆动的传动系统必须具有自锁功能，同时机器人系统还需要能检测到摆臂的位置，以便控制各种姿态。由于对减速箱有自锁要求，因此在这里选用蜗轮蜗杆减速器。蜗轮蜗杆减速机是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能，同时可以有较大的减速比，因此用在驱动摆臂上就可以省去了抱闸机构。主履带运动的传动顺序为：编码器-驱动电机-减速箱-一对锥齿轮啮合-主履带后轮-带动履带传动。摆臂履带摆动的传动顺序为：编码器-驱动电机-蜗轮蜗杆减速器-摆臂轴。图3-6 核环境下摆臂履带机器人主体内部总体传动结构布局四 机构的选择与计算由前几章的分析和有关数据，本章对其中几个主要结构进行选择和详细计算。4.1 材料的选择 选择机器人本体材料应从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制作要求。机器人本体用来支承、连接、固定机器人的各部分，当然也包括机器人的运动部分，这一点与一般机械结构特性相同。机器人本体所用的材料也是结构材料，但另一方面，机器人本体又不单是固定构件，比如机器人转臂是运动的，机器人整体也是运动的。所以，机器人运动部分材料质量应轻。 精密机器人对于机器人的刚度有一定的要求，即对材料的刚度要求。刚度设计时要考虑静刚度和动刚度，既要考虑振动问题。从材料角度来看，控制振动涉及减轻重量和抑制振动两方面，其本质就是材料内部的能量损耗和刚度问题，它与材料的抗振性紧紧相关。另外人们对于现代机器人的外观更加要求美感，所以机器人材料又应具备柔软和外表美观的特点。总之，正确选用结构件材料不仅可以降低机器人的成本价格，更重要的是可以适应机器人的高速化、高载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学特性要求。随着材料工业的发展，新材料的出现给机器人的发展提供了宽广的空间。 与一般机械设备相比，机器人结构的运动学特性十分重要，这是材料选择的出发点。材料选择的基本要求是：（1）强度高 机器人转臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人转臂的强度条件，而且可望减少转臂界面尺寸，减轻重量.（2）弹性模量大 由材料力学的知识可知，构件刚度(或变形量) 与材料的弹性模量E 、G有关。弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料的弹性模量差别很大。（3）重量轻 机器人转动变形中所需要的驱动力矩直接和转臂重量相关，所以它影响着电机的选择。因此我们应该选择高弹性模量低密度的材料。（4）阻尼大选择机器人的材料不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人转臂经过运动后，要求能平稳的停下来。可是在终止运动瞬间构件会产生惯性力和惯性力矩，构建自身又具有弹性，因而会产生残余振动。从提高定位精度和传动平衡性考虑，希望采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。（5）材料经济性 材料价格是机器人成本价格的重要组成部分。 此次设计的核环境下机器人所选用的是铝合金材料。铝是非磁性金属，可防止复杂环境中的很多电磁干扰，尤其适用于核辐射区域。铝合金材料重量轻，价格适中，虽然弹性模量不太大，但是材料密度小，铝的密度约为2.7103kg/m3。故E/P之比可与钢材相比。总的来说铝合金材料有一下优点：铝比重小，重量轻，可以用来代替钢铁。它不仅能使设备重量减轻很多，而且强度高，不怕腐蚀，因而用途广泛。铝的强度不算低，当加入少量铜、锰、硅、镁等元素形成合金后，其强度又显著提高，经过一定的处理，甚至超过了一些钢的强度，但重量却比钢轻很多。铝的导电性能也很好，虽比铜要差却好于铁，但它的质量只有铜的2/3倍，并且铝导线散热快，能通过较大电流而不会被烧坏。再加上价格便宜。铝的导热性能好，几乎是铁的4倍，散热性能好。铝容易加工成型，可压成薄板或拉成细丝。铝容易与氧发生反应而在表面生成一层坚韧的氧化膜。这层膜性质稳定，有较强的抗腐蚀能力，因而防腐能力强。4.2 履带的选择针对此次关于核机器人机动性、可控性和稳定性的要求，设计了类似于同步带的行走履带，履带内齿面为同步带标准齿形，外齿面（着地面）采用矩形截面齿形，以提高其攀越障碍的能力。工作时，带齿与带轮的齿槽相啮合，是一种啮合运动，因而具有带传动的优点，如耐屈挠性能、伸长率小、强力高等。主履带（图4-1）采用环型无接头履带，内部有加强钢丝，无接头，整体抗拉强度高。同时节距稳定性强，误差少。工作过程中节距不发生变形或位移，确保了运行过程中全时与驱动轮正确啮合，机械传动功率损失少，延长了机器与橡胶履带的寿命。而且伸长率极低。环型无接头橡胶履带的伸长率仅仅是钢丝帘线的伸长量，数值非常小。此伸长量的存在对履带的正常使用不构成任何影响，只要钢丝不断，橡胶履带在首次使用的跑合期张紧后，今后无需再张紧。因此此次设计中未加入张紧装置。图4-1 环形无接头橡胶履带4.3 摆臂摆动电机和减速机的选择与计算摆臂电机的作用是带动摆臂转动，因此电机必须有足够的功率和额定转矩。根据摆臂的工作状态，易知当摆臂处于水平工作状态时，电机带动摆臂转动所需的转矩和功率最大，因此以摆臂水平工作状态来选择电机。图4-2为摆臂水平工作状态时的受力分析图。图4-2 摆臂水平工作状态时的受力分析图根据理论力学合力矩定理： 4.3.1得摆臂水平工作状态的平衡方程为： 4.3.2式中： 摆臂驱动电机的驱动力矩（Nm）; 单个摆臂的重量（kg）,m=1kg; 水平状态时摆臂重心到前轮轴心O的水平距离（m）,=0.145m。代入式4.3.2，可得： =19.80.145 =1.42 Nm考虑到安全系数为2，故2.84 Nm。为了减少电机数量以节省空间、降低成本，所以采用一个电机驱动两个摆臂履带同时摆动，因此可以得出，要想使得两个摆臂能够实现正常工作并360旋转，需要摆臂电机经过蜗轮蜗杆减速器减速后能够提供的极限扭矩为5.68 Nm。由于摆臂履带摆动的速度不用很高，因此考虑到摆臂电机的工作特点、各种电机的优缺点以及成本等因素，选择步进电机作为摆臂电机。步进电机具有以下优点：1、电机旋转的角度正比于脉冲数；2、由于每步的精度在百分之三到百分之五，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；3、优秀的起停和反转响应；4、由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；5、由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围；6、容易实现数字控制。选择摇臂电机为型号是SM3-403的MOTEC 系列4型电机。MOTEC 系列三相混合式步进电机在增多磁极数、改善齿形及其排列方式