机器人移动平台设计.doc

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 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 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绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1研究意义1.1.2研究现状1.1.3研究思路和需要重点解决的技术问题1.1.4发展趋势1.2课题内容及其参数要求1.2.1课题主要解决的问题1.2.2遇到的主要问题1.2.3.解决问题的方法1.2.4参数要求2移动平台设计方案2.1底盘设计2.1.1移动方式设计2.1.2驱动系统设计2.1.3驱动方式设计2.2传动系统设计2.3 小结3 搜救机器人动力系统设计3.1基于平地的最大速度的电机功率计算3.1.2基于爬坡最大坡度的驱动电机功率计算3.3电机的选型3.4 小结4机器人驱动轮减速器设计4.1减速器方案分析4.1.1减速器应满足的要求4.1.2减速器方案分析4.2减速器的设计计算4.2.1减速器的传动方案类型和传动简图4.2.2配齿计算4.3.3初步计算齿轮的主要参数4.3.4减速器输入轴的设计5 传动系统设计5.1典型移动机构分析5.1.1轮式移动机构特点5.1.2腿式移动机构特点5.1.3履带式移动机构特点5.1.4履、腿式移动机构特点5.1.5轮、履、腿式移动机构性能比较5.2本研究采用的移动机构5.3搜救机器人方案设计5.3.1总体参数设计5.3.2救灾机器人的构成5.3.3主要机构的工作原理5.4移动机构履带部分设计5.4.1履带的选择5.4.1.1求设计功率5.4.1.2确定带的型号和节距5.4.1.3确定主从动轮直径5.4.1.4确定节线长度5.4.1.5确定设计功率为时所需的带宽5.4.1.6验算数据5.4.1.7同步带的物理机械性能5.5履带主从动轮设计5.5.1履带轮材料选择5.5.2履带轮形状及主要尺寸的确定5.5.3履带轮齿形及齿面宽度的选择5.5.4履带轮所允许的公差6移动机构履带翼板部分设计6.1履带翼板的作用6.2履带翼板设计6.3计算履带装置各部分的质量6.3.1翼板质量6.3.2履带从动轮质量6.3.3张紧轮，调节轮质量6.4求履带驱动装置重心7齿轮轴、轴承和键的设计7.1齿轮轴的校核计算7.2轴承的校核7.2.1初选轴承型号7.2.2验算并确定轴承型号7.3键的计算8移动机构3D建模8.1移动机构3D建模致 谢参考文献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费结构中的70%左右，预计到2050年还将占50%以上，因此，在未来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，2003年我国矿难死亡6000人。百万吨死亡率为4.00%；2004年全国矿难死亡6027人，百万吨死亡率为3.96%；2005年全国煤矿发生伤亡事故3341起，死亡5986人，百万吨死亡率约为2.84%，其中一次死亡39人的重大事故210起，死亡886人。2006年全国安全生产数据显示2006全国共发生一次死亡10人以上的特大事故91起，死亡1517人，其中煤矿企业特大事故共发生38起，死亡730人，死亡人数仍高居各类安全事故之首。2008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，为了使矿井救灾工作顺利开展，减少矿井灾害造成的人员伤亡，迫切需要研发替代或部分替代救险队员进入矿井灾害现场进行环境探测和完成救灾任务的煤矿救灾机器人。这对煤矿安全生产，建立特种危险环境下的工业救灾体系具有十分重要的意义。1绪论1.1课题研究背景及意义1.1.1研究意义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，2003年我国矿难死亡6000人，百万吨死亡率为4%；2004年全国矿难死亡6027人，百万吨死亡率为3.96%；2005年全国煤矿发生伤亡事故3341起，死亡5986人，百万吨死亡率约为2.84%，其中一次死亡39人的重大事故210起，死亡886人。特别是发生在该年度的几次特大矿难人们至今仍记忆犹新：2005年2月14日，辽宁阜新矿业(集团)公司孙家湾煤矿发生的特大瓦斯爆炸事故，遇难214名；2005年10月20日，河南大平煤矿瓦斯爆炸事故造成148名矿工死亡；2005年11月27日，黑龙江龙煤集团七台河东风煤矿发生一起爆炸事故，死亡171人。统计资料表明，2002-2005年煤矿事故占工矿企业一次死亡10人以上特大事故的72.8%至89.6%。2006年全国安全生产数据显示2006全国共发生一次死亡10人以上的特大事故91起，死亡1517人，其中煤矿企业特大事故共发生38起，死亡730人，死亡人数仍高居各类安全事故之首。2007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2004年6月15日，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1月8日，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8月23日，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，2人重伤，1人轻伤，由此可见，为了使矿井救灾工作顺利开展，减少矿井灾害造成的人员伤亡，迫切需要研发替代或部分替代救险队员进入矿井灾害现场进行环境探测和完成搜救任务的煤矿救灾机器人。这对煤矿安全生产，建立特种危险环境下的工业救灾体系具有重要的意义。1.1.2研究现状对于矿井救灾机器人的研究工作，美国起步较早，已有多家高校或研究机构研发了针对不同用途的矿井救灾机器人。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250英尺(直线距离)，约合76米。这种机器人已经形成系列化，除了矿井方面的应用，还有军事方面的应用。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。另外，卡内基梅隆大学机器人研究中心所开发的两款全自主矿井探测机器人Groundhog和Ferret.Groundhog主要用于探测井下环境，精确绘制井下立体地图.其机械结构采用四轮导向、液压驱动，可实现零半径转弯，最高速度可达10公里/小时。装备有激光测距传感器、夜视摄像机、气体探测传感器、sinkage传感器、陀螺仪等，能够对矿井下的环境进行综合性的测量，建立矿井立体模型.机器人雪貂用于矿井钻孔探测，装备有长距离低反射率三维激光扫描仪、嵌入式微处理器、磁指南针、倾角传感器、活动云台摄像机、照明灯、接近传感器等设备.能够完成3维激光扫描地图生成，地图核对，可通过性分析等任务，一次充电可连续工作4个小时。由Remotec公司制造的V2煤矿救援机器人，大约50英寸高，1200英磅重，使用防爆电动机驱动橡皮履带。安装有导航和监控摄像机、灯、气体传感器和一个机器臂，具有夜视能力和两路语音通讯功能，可在5000英尺以外的安全位置远程遥控.使用光纤通讯传送矿井环境信息，操纵者能够看到实时视频信息和易燃的有毒气体的浓度。国内研究矿井救灾机器人的工作相对较晚，研究机构也相对较少，目前见到报道的只有中国矿业大学一家单位。中国矿业大学可靠性工程与救灾机器人研究所于2006年6月成功研制了我国第一台用于煤矿救援的CUMT-1型矿井搜救机器人。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高分辨率的现场图像等信息；具有双向语音对讲功能，能够使救灾指挥人员与受害者进行快速联络，指挥受伤人员选择最佳的逃生路线；具有无线网络通讯功能；同时还携带有食品、水、药品、救护工具等救助物资，使受害者能够积极开展自救。上述矿井搜救机器人代表了当前国内外在该领域的研究现状和发展水平，然而，它们离实际应用的要求还有很大距离。例如，Ratler矿井探索机器人的通讯方式单一，通讯距离短；机械结构方面，其原型设计是基于野外全地形运动车辆的使用要求，没有按照适合于矿井环境来设计运动系统，底盘较低，越障性能一般；由于采用轮式差速转弯，转弯半径大，转向不灵活，结构不太适合于巷道等狭窄空间，且没有任何自主避障方面的设计。Simbot是一种体积非常小的机器人，这就决定了它不可能拥有较远的控制范围，只能在较近的范围内进行有线控制，携带的传感器数量也很有限，必须由搜索队员携带下井，使用方式非常有限。Groundhog机器人的自主性和移动性都非常强，但它是为了探测正常矿井地形而设计的试验平台，携带有非常多的仪器设备，由于美国的矿井巷道比较宽敞，道路平坦，瓦斯含量少，条件比较优越，所以其设计的体积巨大，并不适合用作煤矿搜救，曾经陷入泥浆地，被用线缆拉了出来。V2机器人是比较成熟的一款矿井救灾机器人，结构设计很好，但体积略显巨大，而且也没有自主避障功能，仅仅是遥控而已，并且只有光纤一种通讯方式，其可靠性也有待提高。CUMT-1型矿井搜救机器人同样存在通讯、避障和机械可靠性等方面的技术问题。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。1.2.4参数要求表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。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。图2-1前后驱动比较移动机器人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。如图2-2所示。图2-2搜救机器人平台动力系统及传动系统布局2.2传动系统设计为了节省空间，本题目中的传动系统采用了行星减速器设计。从结构上实现了电机直接驱动后轮。行星减速器采用2K-H型行星齿轮传动。原理如图2-3所示。图2-3 2K-H型行星齿轮传动机构a、b：太阳轮；e：行星轮；H：转臂行星减速机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。2.3 小结综上所述，搜救机器人平台包括了平台底盘，传动系统，驱动系统。由于每个系统之间相互联系又相互制约，总体设计的目的就是为了是每个子系统合理布局，是整个平台尽量结构紧凑、运行灵活。总体布局如图2-4所示。图2-4搜救机器人平台总体布局河南理工大学万方科技学院本科毕业论文3 搜救机器人动力系统设计3.1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： 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： ML/R-f=0 N1+N2-mg=0 MLR-ML-fR+N2l1-mgL3=0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10.59Nm。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： nmax=vmax/D =1/3.140.16 =1.99r/s =119.4r/min3.1.2基于爬坡最大坡度的驱动电机功率计算相对于平地行驶过程，爬坡能力对于移动机器人的驱动能力是一个重要的衡量指标，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300的斜坡上匀速行驶，行驶速度为0.1m/s。在行驶过程中机器人轮子作瞬时纯滚动，不考虑空气阻力的影响。移动机器人爬坡受力情况如下图所示。爬坡的平衡方程为： ML/R-f-mgsin300=0 N1+N2-mgcos300=0 MLR-ML-fR+N2L1-mgL3cos300=0上式中各参数意义与平地受力相同。联立上式得： ML=MLR-fR+N2L1-mgL3cos300 =(f+mgsin300)R =(0.6509.8+509.80.5)0.08 =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19.40Nm.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=11.94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：=48.51W则所需电机的输出功率为：=79.53W3.3电机的选型电动机是动力的直接输出者，其选择的合适与否直接关系着机器人能否平稳运行、爬坡、载重等一系列的动作的实现。经计算，最终机器人左右两个主驱动电机分别取为150w，总功率300w。 综合分析矿井下的复杂环境和机器人的工作状况，并结合各种电机的结构特点、应用范围，本设计救灾机器人选用无刷直流电动机。 无刷直流电动机具有长寿命，高可靠性，高性能，运行平稳，无齿槽效应，低噪声，低电磁干扰，体积小，功耗低，效率高等有点。(1) 电动机尺寸与参数如图3-3-1所示：图3-3-1 电动机尺寸(2) 电动机性能参数如下表3-1所示：表3-1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%3.4 小结本章对多感官移动机器人的动力系统做了计算校核及选型。动力系统的好坏 直接影响到机器人的使用情况，因此十分重要。在查阅了移动机器人使用的各种 场合，对比发现本设计题目中的机器人主要以平地运动为主，因此电动机以平地 运动为主要计算参数。由于直流伺服电机可以周期性过载运行，因此本移动平台 不能长时间爬坡运行。这样可以减小电动机功率和电源功率，使移动平台更加灵 活和便携，同时也能使用与绝大多数场合使用。4机器人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。4.1减速器方案分析4.1.1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。4.1.2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。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。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。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。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。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。4.2减速器的设计计算4.2.1减速器的传动方案类型和传动简图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。传动简图如下：4.2.2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。4.3.3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。1计算高速齿轮的模数m8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=0.4mm2计算低速级得齿轮模数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13.8mmmm低速级在两个啮合齿轮副中中，其标准中心距a为mmmm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m0.40.40.4齿数z2346115分度圆直径d9.218.446齿顶圆直径d10.419.245.28齿根圆直径d8.617.447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m0.60.60.6齿数z2346115分度圆直径d13.827.669齿顶圆直径d1528.868.28齿根圆直径d12.326.170.5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。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=9.8；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=8；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=13.8；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；