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机械毕业设计全套
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JX01-139@履带式机器人结构设计,机械毕业设计全套
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本 科 毕 业 论 文（设 计） 题目 ： 履带式机器人结构设计 学 院： 工学院 姓 名： 摘 要 在微小型履带机器人方面美国走在了世界的前列，代表机器人有Packbot机器人， Talon机器人， NUGV 等。 我国微小型机器人的研究和开发晚于西方的一些发达国家，我国是从20世纪 80年代开始机器人领域的研究的。其中具有代表性的有中国科学院研制的复合移动机器人“灵晰 -B”型排爆机器人，“龙卫士 Dragon Guard X3B 反恐机器人”，“ JW-901 排爆机器人”等。 此设计的目的设计结构新颖，能实现过坑、越障等动作。通过在机器人机架上加装其他功能的模块来实现不同的使用功能，本研究的意义是为机器人提供一个动力输出平台，为开发各种功能的机器人提供基础平台。 此设计移动方案的选择是采用了履带式驱动结构。结构整体使用模块化设计，以便后续拆卸维修，可以适应于各种复杂的路面，并可主动控制前后两侧摇臂的转动来调节机器人的运动姿态，从而达到辅助过坑、越障等动作。经过合理的设计后机器人将具有很好的环境适应能力、机动能力nts履带式机器人机构设计 2 并能承受一定的掉落冲击，此设计的移动机构主要由四部分组成：主动轮减速机构、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。 关键词： 履带机器人 ;履带移动机构 ;模块化设计 Abstract In terms of micro small crawler robots walk in the forefront of the world in the United States, on behalf of the robot has disposal robot, Talon robot, NUGV, etc. Miniature robot research and development in our country later than some developed western countries, our country from the 1980 s began to research in the field of robot. One of the typical composite mobile robot developed by the Chinese academy of sciences norm of spirit - B type eod robots, Dragon Guard Dragon Guard X3B anti-terrorism robot, JW - 901 eod robot, etc. The design is novel, the purpose of this design can achieve pit, surmounting obstacles. Through in the robot arm with other function modules to realize different use function, the significance of this study is to provide a power output for robot platform, provides the basis for the development of all sorts of function of robot platform. This design is the choice of mobile solutions adopted crawler drive structure. Structure of the overall use of modular design, in order to follow-up maintenance, removal can be adapted to various complicated road, and can turn on either side of the rocker arm before and after active control to regulate the robots motion, so as to achieve auxiliary pit, surmounting obstacles. After reasonable design robots nts履带式机器人机构设计 3 will have good environmental adaptability, mobility and can absorb a certain amount of drop impact, this design of the mobile mechanism is mainly composed of four parts: the driving wheel deceleration institutions, wing rotating mechanism, adaptive pavement actuators, track and track wheel motion mechanism. Keywords: tracked robot; tracked mobile mechanism;the modular design 目 录 摘 要 . 1 1 引言 . 4 2 履带机器人的现状及发展 . 6 3 履带机器人的运动特性 . 9 4 本研究采用的行走机构 . 12 4.1 行走机构的选择 . 12 4.2 履带机器人的功能、性能指标与设计 . 13 4.3 主要机构的工作原理 . 14 5 机器人越障分析 . 15 5.1 跨越台阶 . 15 5.2 跨越沟槽 . 16 5.3 斜坡运动分析 . 17 6 机器人移动平台主履带电机的选择 . 19 6.1 机器人在平直的路上行驶 . 19 6.2 机器人在 30坡上匀速行驶 . 20 6.3 机器人的多姿态越阶 . 21 7 移动机构的分析及其选择 . 23 7.1 典型移动机构分析 . 23 nts履带式机器人机构设计 4 7.2 本研究采用的移动机构 . 27 8 履带部分设计 . 28 8.1 履带的选择 . 28 8.2 确定主从动轮直径 . 31 8.5 功率验算 . 38 8.6 同步带的物理机械性能 . 38 8.7 履带主从动轮设计 . 39 8.8 副履带部分设计 . 42 9 履带翼板部分设计 . 47 9.1 履带翼板的作用 . 47 9.2 履带翼板设计 . 47 10 计算履带装置的重心及其各部件重心 . 49 10.1 主履带的重心计算 . 49 10.2 副履带的重心计算 . 54 10.3 主履带及其摇臂也就是副履带总部分的重心计算 . 55 总 结 . 56 致 谢 . 57 参考文献 . 57 1 引言 随着社会的发展，我们面临的自身能力、能量的局限越来越多，所以我们创造了各种类型的机器人来辅助或代替我们完成任务。 履带式机器人包括侦察机器人、巡逻机器人、爆炸处理机器人、步兵支援机器人以及复杂环境下搜救机器人等，用来代替我们进入危险环境下完成一些如侦查、搜集资料、救援等工作，从而减少了我们工作的危险系数，在我们未来的生活与工作 中起到非常重要的作用。民用履带式机器人被广泛用于工业生产等各种服务领域，如生产线传输、清扫、导盲和搜救复杂环境下的资料等各个方面。 但我国对机器人研究起步较晚，大多数尚处于某个单项研究阶段，主要的研究项目有：清华大学智能移动机器人于 1994 年通过鉴定，还有上海交通大学的地面移动消防机器人已投入使用。北京理工大学、南京理工nts履带式机器人机构设计 5 大学等单位承担的总装项目“地面军用机器人技术”研究是以卡车、面包车作为平台的，是大型智能作战平台。中国科学院沈阳自动化研究所的AGC和防爆机器人，中国科学院自动化自行设计、制造的全方位移动式 机器人视觉导航系统，哈尔滨工业大学于 1996年研制成功的导游机器人等。 nts履带式机器人机构设计 6 2 履带机器人的现状及发展 20 世纪 60 年代到 70 年代，想到工业机器人印入脑海的便是自动机械手。机器人移动功能的大力研究和开发是 20世纪 80年代以后才开始，现在作为移动机器人而研制的移动机械类型已远远超过了机械手。尤其是履带式机器人，不仅是生物体中没见过的移动形态，而且能够在复杂的环境下行进。 履带式机器人因采用履带式传动而得名。其最大特征是将圆状的循环轨道履带套在若干车轮上，使车轮不与地面直接接触，利用履带缓冲地面带来的冲击，使 机器人能够适应各种路面状况。 目前六履带摆臂式搜救机器人还是局限于单个或两个自由度。其主要由机械本体、控制系统、导航系统等部分组成。六履带摆臂式搜救机器人的研究涉及以下几个方面，首先是移动方式的选择，对于履带式移动机器人，可以是两履带式、四履带式、六履带式等。其次，考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的功能。再者，必须考虑导航或路径规划，如传感信息融合，特征提取，避碰以及环境映射。最后，考虑摆臂角的原理，这方面需要重点考虑，通过控制摇臂的角度来改变自身高度以达到越障过坑功能是这种机器人的最大特点。对于这些问 题可归结为：机械结构设计、控制系统设计、运动学与动力学建模、导航与定位、多传感器信息融合等。 下面是各国研发的一些履带式可变形机器人： （ 1） 美国的 拆弹专家 ： 如图 2-1、 2-2、 2-3、 2-4 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，它搭配了一个爆炸物感应系统，能有效地探测炸弹。 图 2-3 这种 iRobot SUGV 的机器人是一种小型地面探测车，重量仅为 30 磅。 图 2-4是 iRobot生产的 “Warrior” 机器人配备了两个全自动、自动装弹、可遥控的 12 杆 机抢，重量 为 250 磅。 nts履带式机器人机构设计 7 图 2-1 RackBot准备展开 图 2-2 RackBot伸展情况 图 2-3 SUGV 机器人 图 2-4 Warrior 机器人 （ 2） 德国 telemax 防爆机器人： 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。 nts履带式机器人机构设计 8 图 2-5 telemax 行走姿势 图 2-6 最 紧凑姿势 通过对国内外六履带摆臂式搜救机器人的分析，可以看出六履带摆臂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。（3）在用途上，趋向于功能多功能化。 nts履带式机器人机构设计 9 3 履带机器人的运动特性 （ 1）平面运动及转弯 平面运动及转弯是最基本的运动方式，当两侧的履带同向等速运动时，则表现为直线行走，当两侧履带反向等速运动可实现原地零半径回转，而不同速度同向运动可实现任意半径转向。 图 3-7（ a）、图 3-7（ b）为四摆臂履带单元同时着 地，使机器人与地面的接触面积增大，可以使机器人适应松软、泥泞和凹凸不平等各种地形环境； 图 3-1（ a） 图 3-1（ b） 图 3-1（ c）、图 3-1（ d）、图 3-1（ e）中当遇到小坡度的斜坡时，可直接爬坡而不必采取其他动作，从而可减少对驱动控制系统要求； 图 3-1（ c） 图 3-1（ d） 图 3-1（ e） 图 3-1（ f） 为四摆臂单元向上摆到中间位置，可实现机器人小空间转向运动。 图 3-1（ f） 机器人爬坡时，姿态可以转变成图 3-1（ g）。当坡度较大时，则图 3-1（ h）和图 3-1（ i）是较好的姿态，这两种方式可使机器人重心位于稳定状态，从而保证机器人顺利爬坡。 nts履带式机器人机构设计 10 图 3-1（ g） 图 3-1（ h） 图 3-1（ i） （ 2） 自撑起及涉水 机器人的主要控制系统和检测元件则安装在中间箱体中，为了避免在运动中被损坏，机器人可以通过 4 个摆臂单元向下摆动，抬高中间箱体的高度。且其以各自不同的摆动角度向下摆动时可使机器人变换成各种姿态， 从而使中间箱体在允许变化的高度范围内自由转变，从而使机器人完成涉水的动作。 （ 3） 越障 机器人利用摆臂前攻角进行越障，由于机器人摆臂能把车体抬起，所以可越过高于自身高度的障碍物。图示（ a） -（ h）表示机器人越过高障碍物的一般过程。履带利用齿形对障碍物的抓爬力来向上攀爬，同时后摆臂向下摆动以使车体抬高，当摆到与地面垂直时后摆臂停止摆动。当主履带爬到障碍物上面时，前摆臂向前向下摆动支起车体，机器人继续前进，直到其重心越过台阶。重心越过台阶后，前摆臂向前向上摆动直到与地面贴合，同时后摆臂向后向上摆 动与车体成一后攻角为止，此时机器人已越上台阶。整个过程中，履带始终向前爬行。 nts履带式机器人机构设计 11 图 3-2 救灾机器人越障过程 nts履带式机器人机构设计 12 4 本研究采用的行走机构 4.1 行走机构的选择 本文履带机器人移动系统采用的是履腿式复合结构，总体设计方案如图 2-4所示。机器人的车体的履带作为履带式移动机构，与前臂和后臂转动相协调，增加了机器人运动灵活性。 机器人前臂和后臂各有一个伺服电机驱动，通过控制系统协调配合，实现前臂和后臂的灵活转动，在机器人爬坡和越障时发挥更大作用。机器人前臂和后臂协调作用，稳定性将更好。 机器人车体左右两 边履带各有永磁式直流电机驱动，通过控制系统协调配合，控制前轴和后轴的速度、力矩，可实现原地 360转向，前进时的自由转向，随时调解爬坡时的力矩大小。在车体主履带前端是惯性轴，与主动轴配合，保证机器人运动的平稳。 1 23 4 5 6 7 8 9nts履带式机器人机构设计 13 1.后摆臂及履带 2.齿轮 3.永磁式直流电机 4. 减速器 5. 蓄电池 6.微控制器及组件 7.步进电机 8. 主履带 9.前摆臂及履带 图 4-1 履带式机器人结构组成 4.2 履带机器人的功能、性能指标与设计 履带机器人的主要设计性能参数如下： 表 4-1 性能参 数 总体结构 六节履腿式结构 自重 50Kg 载荷 50Kg 搭载接口 二维随动搭载平台 结构尺寸 1205*624*380 平地最大速度速度 0.5m/s 正常速度 0.3m/s 最大通过坡度 30 通过能力 能通过复杂行道 续航能力 4 小时以上 转向能力 自由转向 履带高度 200mm 前臂履带末端直径 80mm 后臂履带末端直径 80mm 机器人车体具体尺寸如图 4-2： nts履带式机器人机构设计 14 12056904008580484506245040080 85550图4-2 机器人车体结构尺寸 4.3 主要机构的工作原理 减速传动机构 是 电动机通过 行星轮 减速器的 降速 ，来 实现增大转矩 、 调速 ， 通过 直 齿轮改变轴的方向 ， 输出后 轴 转矩 ， 为机器人提供主要动力。后 轴 驱动机构驱动 后轴 位于传动系的末端。其基本功用是增扭、降速和改变转矩的传递方向 。 转向机构机器人在行驶过程中 ， 经常需要改变行驶方向 ，本机构是通过两个电机的差速比来实现的 。 动力部分采用电机 ， 通过齿轮副降速后带动低速轴的转动 ，轴与履带驱动机构通过导杆滑块机构连接 ， 使履带驱动机构各自绕前后轴的中心线转动 ， 实现机器人不同角度的爬坡和越障能力。 nts履带式机器人机构设计 15 5 机器人越障分析 5.1 跨越台阶 当机器人在爬越台阶时，机器人履带底线与地 面之间的夹角将慢慢增大，当重心越过台阶的支撑点时，则完成了爬越台阶的动作。由 运动过 程可以看出，图 5-1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 5-1上台阶临界状态示意图 由图 5-1所示几何关系可得： c o s ( ) c o t / s i nx L h R R ( 5-1） 变换式（ 5-1）可得： s i n / c o sh L R R （ 5-2） 2c o s s i n / c o s 0h LRd （ 5-3） 利用式（ 5-3）求出 ，代入式（ 6-2）可算出机器人跨越障碍的高度 1H 。 机器人加装后臂，可以大幅提高机器人跨越台阶的高度，如图 5-2所示，在后臂伺服电机的驱动下，后臂履带抬起，成 90 直立，在机器人跨越的高度又要高出 H。 nts履带式机器人机构设计 16 所以本次设计履带设计中机器人跨越障碍的最大高度为 HHH1max 图 5-2上台阶临界状态示意图 5.2 跨越沟槽 对 于小于机器人前后履 带轮 中心距的 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 。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 。履 带 式移 动 机器人跨越 沟槽时 ， 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 。机器人前臂和后臂的长度相等。 nts履带式机器人机构设计 17 （ a ） （ b ）（ c ）图 5-3跨越沟槽示意图 机器人在平地 图 5-3（ a） 跨越 沟槽的宽 度1L： max 1L L r （ 6-4） 5.3 斜坡运动 分析 机器人在斜坡上运动时，其受力情况如图 5-4 所示，机器人匀速行驶或静止时，其驱动力： sinFG （ 6-5） nts履带式机器人机构设计 18 图 5-4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： m a x c o sFG （ 6-6）当maxFF时 ，机器人能平稳行驶。 当maxFF时，机器人受重力的影响将沿斜面下滑。 已知履带机器人对地面的最大静摩擦系数 ，则机器人爬越的最大坡度为 : 1m a x ta n ( )（ 6-7） 爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为： m a x ( c o s s i n )ag （ 6-8） 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。 由以上计算可得：机器人的爬坡角度最大为 030 ；垂直越障高度最大为 600mm：最大跨沟宽度为 400mm。 nts履带式机器人机构设计 19 6 机器人移动平台主履带电机的选择 对于履带和地面的动摩擦因数 ， f 实际上只是表示起动时车轮所处的滑动状态对应的滑动摩擦力，一旦车轮开始转动，面临的滚动摩擦力则总是比滑动摩擦力小得多。则可取 大一点。 56.0 6.1 机器人在平直的路上行驶 履带式机器人在跨越平面的沟槽或在平面移动，假设其速度最大，且匀速前进，则取 sm /0.5v kgm 50 mmR 85 履带式机器人共有两个输出轴，每个输出轴前端都有一个电机，对机器人其中一个输出轴分析 : 图 6-1 平直路线分析 2mgN fRML nts履带式机器人机构设计 20 又 Nf 则 m.13.5NM L 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 m in/56.2m a xm a x rDn 6.2 机器人在 30坡上匀速行驶 机器人在最大行驶坡度上匀速行驶，设定行驶速度为 sm/0.1 , 30 ,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 图 6-2 30坡度分析 2 03cosN mgRmgfM L 2 30sin 又 Nf ，则 mNM L /22.1 nts履带式机器人机构设计 21 min/11.2D rn 则在最大坡度下需提供极限转矩为 mNM L /22.1 6.3 机器人的多姿态越阶 对这几种姿态分析，机器人在跨越台阶时直流电机只驱动主履带，机器人在实际跨越台阶过程中速率不大，那么机器人所需提供的输出功率也不大。 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，而爬坡时需要驱动电机的输出转矩较大。因此 ，在选电机时，应根据平地直线运动所求的最大转速和爬坡运动所求的转矩进行选择。 根据机器人爬坡情况的分析， mNMT L .22.1 , min/11.2 rn w WWTn w 269550 1 1 . 22 2 . 19550P 机器在平面状况下 mNMT L .13.5 ， min/56.2 rnw WWTn w 809550 5 6 . 21 3 . 59550P 因而选取 P=80W 作为机器人的最大输出功率。 根据计算的履带式机器人的最大输出功率为 80W, 输出转矩为22.1N.M, 输出转速为 56.2r/min 因为直流电机启动性能好，过载性能强，可承受频繁冲击、制动和反转，允许冲击电流可达额定电流的 3 到 5倍。另外在使用过程中可携带或可移动的蓄电池，干电池作为供电电源，操作轻巧与方便。根据直流电机这些性能，满足主履带频繁受 冲击，制动和反转的要求，满足机器人要携带移动电池的要求，因而则选择 90ZY54 型号的直流永磁电机 nts履带式机器人机构设计 22 额定功率 /W 92 额定转矩 MN./ 0.6 额定转速 1min./ r 1500 电流 /A 7 电压 V/ 12 允许正反转速差 1min/ r 150 图 7-3 直流电机数据 因为 WPWP 80,92 输额则 0.86额输PPw因为 min/1500 rn 额, min/56 .2 rn 输则 26.7i 输额nnw又 36.86.022.1m a x TTi sw则选取 36i wnts履带式机器人机构设计 23 7 移动机构的分析及其选择 由电动机输出的动力，需要通过传动系统传递到机器人移动平台的后轮上，以便驱动机器人运动。可见传动系统是整个移动平台实现是运动功能的纽带 和关键。 7.1 典型移动机构分析 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。 7.1.1 轮式移动机构特点 轮式移动机构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、速度快、节能、灵活的特点，同时具有自重轻、不损坏路面、作业循环时间短和效率高等优势。并且编程简单可靠性高，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，轮式机器人则存在明显的不足，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。该结构有一定的局限性，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，如图 7-1 所示。 nts履带式机器人机构设计 24 图 7-1 轮式移动装置示意图 7.1.2 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。 (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 7-2 所示，特点是稳定性好，越野能力强。 腿式移动机构缺点有： 该类机器人的移动速度慢，机动性较差负载不能太重； 腿式机器入对地面适应性和运动灵活性需要进一步提高； 腿式机器人控制系统较为复杂，控制方法还有待完善； 该机构未进入实用化阶段。 nts履带式机器人机构设计 25 图 7-2 八腿机器人 图 7-3 六履机器人 7.1.3 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，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)越野机动性能好，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。 六履带机器人车体 前后各有一对履带鳍，可以辅助翻越障碍，nts履带式机器人机构设计 26 运动十分灵活。 7.1.4 履、腿式移动机构特点 履腿复合移动机构结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，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。 7.1.5 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 7-1 示： 表 7-1 典型移动机构的性能对比表 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 nts履带式机器人机构设计 27 7.2 本研究采用的移动机构 本研究的的机器人移动机构采用了履带式。如图 7-4 所示，这种机构中的移动履带的作用，在 复杂环境中起传递动力作用。后移动轮为主动轮，前移动轮为从动轮，二者通过移动履带来传递动力，实现同运动。 图 7-4 轮履复合式移动机构 nts履带式机器人机构设计 28 8 履带部分设计 8.1 履带的选择 对于履带基于标准化的思考，我们选择了梯形双面齿同步带作为设计履带，其具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。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 wp 81 (即 kwp 081.0 ）； 由已知设计装置移动速度 smv /5.0 ，根据公式 rnv 2 ，可得主动轮转速 m in/71.592/1 rrvn ，预先设计履带主动轮直径 d1 =169mm，履带从动轮直径 d2 =169mm，由公式ddnn 1221 ，可得 n2 =59.71r/min.。故可以得到设计的已知条件如下： nts履带式机器人机构设计 29 传递名义功率 wppm 81. 主动轮转速 71.591 n r/min 从动轮转速 min/71.592 rn 中心距 380a . 8.1.1 功率的计算 kwpkp md 1377.0817.1 式中 K-载荷修正系数（有工作机性能和运转时间查表 8-1可以得到） 表 8-1 修正载荷系数 K 工作机 运行时间（小时 /日） 35 810 1624 计算 机，医疗机 1.0 1.2 1.4 缝纫机，办公机械 1.2 1.4 1.6 轻传送机，包装机 1.3 1.5 1.7 搅拌机，造纸机 1.4 1.6 1.8 印刷机，圆形带锯 1.4 1.6 1.8 8.1.2 确定带的型号和节距 由设计功率 Pd =0.1377kw 和 n1 =59.71r/min，考虑到可以用双面交错nts履带式机器人机构设计 30 梯状齿形同步带作为履带使 用，由图 8-1 查得型号选用 XH 型，对应节距 Pb =22.225mm，图 8-2 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 W =2.794mm ， T =15.49 图 8-1 梯形齿同步带，轮选型图 图 8-2 梯形齿形状图 本装置选择的梯形 BD 型 XH 同步带的具体参数如下表 8-2 表 8-2 梯形齿标准同步带型号以及齿尺寸 nts履带式机器人机构设计 31 8.2 确定主从动轮直径 对于梯形标准同步带来说小带轮的齿数是有要求的，能够保证同步带运转是最为基本的，履带选用的 XH 形同步带一样有齿数最小要求，由表8-3查的 m in122224zzz取 ： 表 8-3 小带轮的最小齿数 nts履带式机器人机构设计 32 小带轮转速 1n XL L H XH XHH 1n 900 10 12 14 22 22 900-1200 10 12 16 24 24 1200-1800 12 14 18 20 26 1800-3600 12 16 20 22 30 由上面得到 p 22.225b 可以代入公式 11 1 6 9 .8 7bzpd 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d1 =169mm，履带从动轮直径 d2 =169mm。 查表 8-4，选择履带主动轮型号为 24XH，履带从动轮型号为24XH，就近圆整带轮直径，查得履带主动轮直径 d1 =169.79mm，履带从动轮直径 d2 =169.79mm。 表 8-4XH 型同步轮尺寸表（节距 =22.225mm） 规格 齿数 节径 d 外径do 档边直径df 档边内径db 档边厚度 h 22XH 22 155.64 152.84 167 138 4.5 23XH 23 162.71 159.92 174 145 4.5 nts履带式机器人机构设计 33 24XH 24 169.79 166.99 181 152 4.5 25XH 25 176.86 174.07 188 159 4.5 26XH 26 183.94 181.14 195 166 4.5 27XH 27 191.01 188.22 202 173 4.5 28XH 28 198.08 195.29 209 180 4.5 11d= 0 . 5 36 0 1 0 0 0nv 校 核 同步带都有自己的极限速度，如果速度过大会使皮带轮机构的不稳定性增强，有较大的波动现象，并且在单位时间的转动次数会增加，不利于带的寿命的提高，所以有同步带的速度校核如下 查表 8-5得 m axv 25 /ms maxvv 校 核 表 8-5梯形齿同步带极限速度 型号 MXL,XXL,XL,T2.5， T5， 3M L,H,T10，8M,14M XH,XXH, T20， 20M 模数 1,1.5, 2,2.5 3,4， 5 7,10 maxV40-50 35-40 25-30 nts履带式机器人机构设计 34 8.3 确定节线长度 确定中心距 a ，增大中心距，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 )()(. dddd dddd a 2121 270 由 d1 =169.79mm， d2 =169.79mm.代入上式有 16.6 7 97 0 6.2 3 7 0 a 由于履带机器人工作的环境限制，所设计的尺寸不宜过大，选择中心距的尺寸偏小，初选取 a =380mm。 根据带传动总体尺寸和中心距的要求，带的节线长度可由带围绕两带轮的周长来计算，根据下式求得： 221210422 adddL ddddd a ）（ d 代入 a =400mm， d1 =169.79mm， d2 =169.79mm 有 Ld0 1350.79mm， 根据表 8-6 就近圆整 Ld0 =1422.40mm 型号为 560XH，同步带齿数为 64。 表 8-6 XH 型同步带节线型号 XH 型（节距 =22.225mm） 规格 节线长 mm 齿数 463XH 1177.93 53 508XH 1289.05 58 nts履带式机器人机构设计 35 560XH 1422.40 64 570XH 1444.63 65 580XH 1466.85 66 630XH 1600.20 72 700XH 1778.00 80 735XH 1866.90 84 752XH 1911.35 86 770XH 1955.80 88 785XH 2008.70 90 8.4 确定设计功率为 Pd 时所需的带宽 8.4.1 计算同步带的基准额定功率 P0 1 0 0 0200 /)( vmvTP kw 式中 T0 许用工作拉力，查表 8-4 得 T0 =4048.90N m 单位长度质量，查表 8-7 得 m =1.484Kg/m v 线速度 m/s 表 8-7 七种同步带型号的主要参数 带型号 节距 Pb 基准宽bso 拉力T0 质量 G 带宽ba MXL 2.03 6.4 3.0， 4.8， 6.4 XXL 3.175 6.4 31 0.010 3.0， 4.8， 6.4 XL 5.080 9.5 50.17 0.022 6.4， 7.9， 9.5 L 9.525 25.4 244.46 0.095 12.7， 19.1，25.4 H 12.70 76.2 2100.85 0.448 25.4， 38.1，50.8 nts履带式机器人机构设计 36 XH 22.225 101.6 4048.9
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