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机器人履带行走系统设计【优秀机器人全套课程毕业设计含9张CAD图纸+带任务书+开题报告+外文翻译+26页@正文12300字】

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关键词：: 机器人履带行走系统机械设计课程毕业设计机器人履带行走系统设计机器人全套课程毕业设计

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机器人履带行走系统设计【优秀机器人全套课程毕业设计含9张CAD图纸+带任务书+开题报告+外文翻译+26页@正文12300字】

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任务书

课题名称机器人履带行走系统设计

一、毕业设计（论文）工作内容和要求

1、选题背景

机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜寻和营救的灾难救援机器人，是机器人学研究中一个富有挑战性的新领域。面临及其危险和恶劣的灾难环境，灾难救援机器人可以代替和协助救助人员执行相关作业。灾难救援机器人不仅能够用于城市救援、消防、公安、采矿和环保等领域，同时在国防、军事和星球探测等方面也有着良好的应用背景。机器人技术是国家发展迫切需要的战略必争的核心技术之一，将在国民经济和安全中起着重要的作用和有着重大的战略意义。能够穿越复杂环境实施救援作业的机器人具有广阔的应用价值。相对于轮式移动机构而言，履带式行走机构（tracked mobile mechanism）具有支承面积大，接地比压小，越野机动性能高，爬坡、越障、跨沟能力强等优点。

2、工作内容与需要提供的基础资料

（1）工作内容

（a）履带式行走系统机构与机械结构设计；

（b）履带式行走系统控制方案设计；

（c）履带式行走救援机器人越野与机动性能分析；

（d）履带式行走救援机器人静态稳定性分析与负载能力分析。

（2）基本传动方案

以能穿越复杂环境（如台阶、楼梯、斜坡、壕沟、障碍等）到达指定场所实施多种救援任务为目标，构建救援机器人履带式行走系统实现方案。

（3）原始条件及数据

（a）最大进退速度：20m/min；

（b）最大行进坡度角：25；

（c）最大越障高度：100mm；

（d）最大跨越宽度：150mm;

（e）最小转弯半径：600mm；

（f）最大负载能力：15kg；

（g）最大外形尺寸：700mm（长）×300mm（宽）×300mm（高）。

3、要求完成的成果和相应的技术指标

（1）文档

3000汉字的英文翻译并附原文；

开题报告一份，总字数不少于3000汉字；

毕业设计报告（论文）一份，字数不少于10000汉字，符合规范化格式要求。

毕业设计业务总结一份（进入学生档案）；

（2）实物成果（如：图纸、软硬件、产品等）的规格与数量或性能指标要求;

完成设计图纸（装配图A1一张，零件图一套）

二、工作进度要求（按周次填写）

第1周完成英文翻译，提交英文翻译给指导老师批阅。

第2周英文翻译经指导老师批阅合格并确认后，上传至“毕业设计管理系统”,译文封面用标准模板。围绕课题查阅文献资料。

第3周查阅文献资料，撰写开题报告。

第4周完成开题报告，经指导老师批阅合格并确认后，上传至“毕业设计管理系统”。开题报告封面用标准模板。

第5周完成方案设计、电机选型、运动设计及承载能力设计。

第6周进行初步结构设计。

第7周中期检查，在“毕业设计管理系统”上完成“中期检查报告”的填写。

第8周绘制装配图。

第9周完成装配图。

第10周完成零件图。

第11周完成“毕业设计报告（论文）”的撰写，并提交给指导老师批阅和确认。

第12周上传“毕业设计报告（论文）”和附件至“毕业设计管理系统”。封面用标准模板。

第13周评阅、成果验收，规范化检查。

第14周答辩评分

三、主要参考文献（3～5篇）

[1]莫海军，朱文坚．履带式移动机器人越障稳定性分析[J]．机械科学与技术，2007，26(1)：6567．

[2]陈淑艳，陈文家．履带式移动机器人研究综述[J]．机电工程，2007，24(12)：109112．

[3]肖俊君，尚建忠，罗自荣．一种多姿态便携式履带机器人传动和结构设计[J]．机械设计，2007，24(3)：1012．

[4]刘志彬．履带式移动机器人建模与动态仿真研究[D]. 呼和浩特：内蒙古工业大学硕士学位论文，2009．

机器人履带行走系统设计

摘要

机器人技术在如今的应用中越来越广泛，其中集营救于一体的救援机器人又是研究中的新方向。典型的机器人由行走系统、作业系统、驱动系统、运动传感与控制系统等组成。机器人行走系统的选择关乎到整个机器人的运动，是机器人完成设定任务的基础。行走系统设计如今主要有轮式移动和履带式行走。履带式行走系统在较恶劣环境下具有更优异的表现。履带接触面积大，接地比压小，动力强劲，克服障碍性能好等优势。

通过对不同机构特点的研究，对关节式履带机器人进行分析论证。此类机器人在不同环境中通过改变关节的位置关系通过障碍。论文主要讨论了此类机器人的结构设计，控制原理并对机器人越野机动性能进行分析。在结构设计中，先对行走机构转向进行了物理分析，加入了双流向机构使得转弯更加平稳，灵活。在特定物理条件下，对机器人主轴，齿轮等主要零部件进行尺寸设计，初步得到机器人结构参数。在控制系统设计中，考虑到履带式机器人的工作环境，利用PC机无线通讯控制单片机，单片机控制相应步进电机完成指定动作。与此同时PC机可以接受单片机的反馈调节行走机构的姿态。最终本文还对机器人的各项性能指标进行了分析，主要针对沟壑跨越，爬坡行驶和阶梯翻越三种特殊环境进行研究。根据运动中重心变化等指标，增大履带臂与机体的距离，对机构尺寸给出了最优设计方案。

最后对机器人未来发展进行展望，未来世界一定会因为科技的进步，机器人技术的发展而更加美好。

关键词：机器人技术；履带行走系统；性能指标

Design of tracked mobile mechanism of search rescue robot and analysis of obstacle negotiating performance

Abstract

Robot technology in today's application is more and more widely, which is set to rescue one of the rescue robot is a new direction for the study of. A typical robot by walking system, operation system, driving system, motion sensing and control system etc.. The robot system selection relates to the whole movement of the robot, is the basis of setting task robot. Now the main operating system design of wheeled mobile and crawler walking. Crawler system has more excellent performance in harsh environment. Contact area, small ground pressure, strong power, good performance and other advantages to overcome obstacles.

Through the research of different mechanisms, the analysis and demonstration of the articulated tracked robot is carried out.. The robot in different environment through the change of the position of the joints through obstacles. This paper mainly discusses the structure design, the control principle and the analysis of the performance of the robot off-road motor.. In structure design, first to the walking mechanism steering was analyzed by physical, joined the Shuangliu institutions to make a turn is more stable and flexible. In the specific physical condition, the main parts such as the robot spindle, the gear and so on are designed, and the structure parameters of the robot are obtained.. In the design of the control system, taking into account the working environment of the crawler robot, using PC wireless communication control MCU, single-chip microcomputer control the corresponding stepper motor to complete the specified action. At the same time PC machine can accept SCM feedback adjust the attitude of walking mechanism. Eventually the robot of the performance index are analyzed, mainly for gully span, climbing travel and ladder climb three special environment was studied. According to the change of center of gravity, the distance between the crawler arm and the body is enlarged, and the optimum design scheme is given for the mechanism.

In the end, the future development of robots is prospected, and the future world will be more beautiful because of the progress of technology and the development of robot technology.

Keywords：robot technology；crawler walking system；performance index

摘要 I

Abstract II

第一章绪论 1

1.1 选题背景与意义 1

1.1.1 选题背景 1

1.1.2 各类行走机构特点 1

1.2履带式移动机器人的研究现状 2

1.3主要研究方向 3

1.3.1履带式行走系统内部结构研究 3

1.3.2行走系统控制设计 4

1.3.3行走系统越障分析 4

第二章机器人结构设计 5

2.1简介 5

2.2履带机器人力学分析 5

2.2.1履带机器人行走分析 5

2.2.2机构转向原理 5

2.3传动结构 9

2.3.1履带式行走机构 9

2.3.2履带机器人关节方案设计 12

2.4基本结构设计 12

2.4.1轴类零件参数尺寸 12

2.4.2剩余部件设计 13

第三章机器人控制系统 15

3.1 简述 15

3.2 控制系统选取 15

3.2.1 主要原件选取 15

3.2.2 控制原理设计 15

第四章越野机动性能分析 17

4.1 概述 17

4.2履带机器人稳定性分析 17

4.3.1 沟壑跨越 18

4.3.2 爬坡行驶 18

4.3.3 台阶翻越 19

第五章结论与展望 21

5.1结论 21

5.2展望 21

致谢 22

参考文献 23

第一章绪论

1.1 选题背景与意义

1.1.1 选题背景

现今社会中，机器人的应用逐渐代替大量人力。其中救援机器人不仅应用在国防等军事领域，在公安消防中也有很大应用。我国自然灾害频发，给国家经济与国民安全带来极大影响。随着机器人技术逐渐成熟，其应用显得越发广泛。如今机器人可以代替人类完成极端环境下的艰难任务，使得科研，救援等任务更加高效。

典型的机器人由行走系统、作业系统、驱动系统、运动传感与控制系统等组成。机器人行走系统的选择关乎到整个机器人的运动，是机器人完成设定任务的基础。行走系统设计如今主要有轮式移动和履带式行走。履带式行走系统在较恶劣环境下具有更优异的表现。履带接触面积大，接地比压小，动力强劲，克服障碍能力强等优点。

内容简介：: 东南大学成贤学院毕业设计（论文）任务书机械工程系机械设计制造及其自动化专业学生姓名张策学号 04111214 起讫日期设计地点东南大学成贤学院指导教师签字专业负责人审查签字课题名称机器人履带行走系统设计一、毕业设计（论文）工作内容和要求 1、选题背景机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜寻和营救的灾难救援机器人，是机器人学研究中一个富有挑战性的新领域。面临及其危险和恶劣的灾难环境，灾难救援机器人可以代替和协助救助人员执行相关作业。灾难救援机器人不仅能够用于城市救援、消防、公安、采矿和环保等领域，同时在国防、军事和星球探测等方面也有着良好的应用背景。机器人技术是国家发展迫切需要的战略必争的核心技术之一，将在国民经济和安全中起着重要的作用和有着重大的战略意义。能够穿越复杂环境实施救援作业的机器人具有广阔的应用价值。相对于轮式移动机构而言，履带式行走机构（有支承面积大，接地比压小，越野机动性能高，爬坡、越障、跨沟能力强等优点。 2、工作内容与需要提供的基础资料（ 1）工作内容（ a）履带式行走系统机构与机械结构设计；（ b）履带式行走系统控制方案设计；（ c）履带式行走救援机器人越野与机动性能分析；（ d）履带式行走救援机器人静态稳定性分析与负载能力分析。（ 2）基本传动方案以能穿越复杂环境（如台阶、楼梯、斜坡、壕沟、障碍等）到达指定场所实施多种救援任务为目标，构建救援机器人履带式行走系统实现方案。（ 3）原始条件及数据（ a）最大进退速度： 20m/ （ b）最大行进坡度角： 25；（ c）最大越障高度： 100 （ d）最大跨越宽度： 150（ e）最小转弯半径： 600 （ f）最大负载能力： 15 （ g）最大外形尺寸： 700） 300） 300）。 3、要求完成的成果和相应的技术指标（ 1）文档 3000 汉字的英文翻译并附原文；开题报告一份，总字数不少于 3000 汉字；毕业设计报告（论文）一份，字数不少于 10000 汉字，符合规范化格式要求。毕业设计业务总结一份（进入学生档案）；（ 2）实物成果（如：图纸、软硬件、产品等）的规格与数量或性能指标要求 ; 完成设计图纸（装配图张，零件图一套）二、工作进度要求（按周次填写）第 1 周完成英文翻译，提交英文翻译给指导老师批阅。第 2 周英文翻译经指导老师批阅合格并确认后，上传至“毕业设计管理系统” ,译文封面用标准模板。围绕课题查阅文献资料。第 3 周查阅文献资料，撰写开题报告。第 4 周完成开题报告，经指导老师批阅合格并确认后，上传至“毕业设计管理系统”。开题报告封面用标准模板。第 5 周完成方案设计、电机选型、运动设计及承载能力设计。第 6 周进行初步结构设计。第 7 周中期检查，在“毕业设计管理系统”上完成“ 中期检查报告 ”的填写。第 8 周绘制装配图。第 9 周完成装配图。第 10 周完成零件图。第 11 周完成“毕业设计报告（论文）”的撰写，并提交给指导老师批阅和确认。第 12 周上传“ 毕业设计报告（论文）”和附件至 “毕业设计管理系统”。封面用标准模板。第 13 周评阅、成果验收，规范化检查。第 14 周答辩评分三、主要参考文献（ 3 5 篇） 1 莫海军，朱文坚履带式移动机器人越障稳定性分析 J机械科学与技术， 2007， 26(1)： 6567 2 陈淑艳，陈文家履带式移动机器人研究综述 J机电工程， 2007， 24(12)： 109112 3 肖俊君，尚建忠，罗自荣一种多姿态便携式履带机器人传动和结构设计 J机械设计， 2007，24(3)： 1012 4 刘志彬履带式移动机器人建模与动态仿真研究 D. 呼和浩特：内蒙古工业大学硕士学位论文，2009 外文资料翻译翻译资料名称 (外文 ) 翻译资料名称 (中文 ) 齿轮院（系）：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化姓名：张策学号： 04111214 指导教师：林晓辉完成日期：齿轮齿轮是成对运转的直接接触体，它们通过连续啮合的称作齿的突出物把运动和力从一根转轴传递带另一根转轴上，或从一根转轴传递到齿条上。图 7 所示是四种主要的齿轮（正齿轮、斜齿轮、蜗轮和锥齿轮）以及齿条小齿轮 . 齿廓齿轮齿的接触面必须排列得使传动是流畅的，即所传递的负载决不能依赖摩擦接触。正如在分析直接接触体时所指出的，这要求接触面上的公法线一定既不能通过主动轮的枢轴，也不能通过从动轮的枢轴。大多数齿轮的齿廓还要求具有能使齿轮的速比保持不变的那样一种外形（本文只讨论这种齿轮，除非另作说明）。这就要求公法线必须与两齿轮枢轴的连线在一定点相交。正如在讨论直接接触体的那一节所指出的，摆线好渐开线齿廓不但能保证流畅传动而且能获得等速比，即共轭作用。我们已经列举了渐开线用作齿轮齿廓的一些优点。评价齿轮齿廓时所要考虑的因素包括制造的难易程度、对调整不良的敏感性以及承受负载的能力。在所有这几方面，渐开线都优于或比得上摆线。然而，渐开线不适用于只有六、七个齿每齿能转六十度角的从动齿轮齿。这是钟表齿轮的要求。由于摆线齿或近似于尖拱形（圆弧形）的齿能满足这一点，所以它们用于钟表和小型仪表中。另一类用于钟表装置的小齿轮是钝齿小齿轮，或者称为针齿轮。这种齿是由固定在两块端板之间的许多段很短的经过抛光的硬质钢丝制作，和它配合的齿轮上的齿呈现共轭外摆线形。利用滚柱来代替固定的针齿，可以减少摩擦力。最近在某些国家，建议对齿轮采用圆形齿廓。因为互相接触的一对渐开线都是凸形的，其接触应力比圆形齿廓所能获得的一对凹凸形齿廓的应力要大。尽管圆形齿廓的接触面承载能力比较高，然而这种齿轮使用的比较少。因为它们没有渐开线齿轮所具有的那种齿廓互换性，并且难于制造，对中心距的变化也非常敏感。尽管也存在某些缺点，渐开线仍然是最常用的齿轮齿廓。就传递运动而论，一对齿轮的齿无论具有什么形状都无关重要，只要这些齿是互相啮合就行，也就是说，只要能以等速比传递运动就行。需要着重考虑的问题是制造的方便程度和互换性。蜗杠及其啮合齿轮是不可分的，切削该齿轮所用的刀具（滚齿刀）基本上同蜗杆是完全一样的东西。英国某些制造厂比较喜欢采用渐开线齿廓的蜗杆；在美国，这种类型的齿轮很少采用渐开线。基本关系一对齿轮中比较小的一个叫小齿轮，较大的一个叫大齿轮。如果小齿轮在主动轴上，这对齿轮起减速装置的作用；如果大齿轮装在主动轴上，这对齿轮起加速装置的作用。齿轮装置较常用语减速而不是用于加速。如果一个齿数为 N 的齿轮的转速为 n 转 /分，则乘积量纲是“每分钟齿数”。这一乘积对于互配的两个齿轮来说必须是相等的，如果在通过啮合区时想让每一个齿都能从互陪齿轮获得一个互陪齿的话。对于各种类型的啮合齿轮来说，齿轮传动比和转速比都是根据大齿轮的齿数同小齿轮的齿数的比值得出来的。如果大齿轮的齿数为 100，互配小齿轮的齿数为 20 则比值齿轮的转速都是大齿轮的 5 倍。如果两根轴是平行的，该大齿轮和小齿轮可以用一对速度比与这对齿轮相同的通过纯滚动接触传递运动的圆柱体来代替。在这两个齿轮上，称这两个假想的圆柱体的圆称作节圆；这两个节圆可供分析齿轮的参数之用。这两个圆的切点称作节点，因为节点位于中心线上，所以节点是两个齿轮纯滚动接触的唯一的一点。两根轴上不平行，不相交的一对齿轮也有节圆，但滚动节圆的概念对它是不适用的。齿轮的型式主要取决于轴的布置；此外，某几种类型的齿轮比其它几种更适用于速度变化很大的场合。这意味着如果对轴的布置有某种特殊的要求，齿轮的型式或多或少也就确定了。反之，若果所需要的某种速度变化要求某种型式的齿轮，那么轴的位置也就确定了。直齿轮和斜齿轮齿轮其轮齿与轴平行的齿轮称作直齿轮。一对直齿轮只能用来连接平行轴。然而，平行轴也可以用其他型式的齿轮来连接，并且一个直齿轮可以同一个不同形式的齿轮互配。在图 6 中，如果互配的渐开线直齿轮的一对齿的齿廓都是渐开线，那么，因为接触在 r 点开始并在 s 点结束，为了获得连续传动，一对齿在 s 点脱离接触之前，另一对齿必须在 r 点开始接触。这种情况是否出现取决于吃的间距和直线长度，而长度取决于齿伸出节圆上下的量。这些尺寸的使用值已经标准化了。因为节圆是纯滚动的，互配齿轮两个节圆上齿的距离必须相等。这个距离记做 p，他是齿的尺寸的计量参数，是相邻的两个齿在节圆上相应的两点之间的距离。为了避免由于热膨胀而出现的卡顿现象，为了润滑，为了补偿在制造是不可避免的误差，所有传递动力的齿轮必须具有侧向间隙。这意味着在互配齿轮的节圆上，小齿轮的间隙宽度必须稍大于大齿轮的宽度，反之亦然。在仪表齿轮上，可以利用中部分开的配合齿轮来消除侧向间隙，它的一半可相对于另一半转动。弹簧迫使配合齿轮的齿占满小齿轮的间隙的整个空间。如果一个渐开线直齿小齿轮是用橡皮做的，并且被均匀扭转使其两端面绕轴线相对转动，则原来是直的、其方向同轴线平行的轮齿素线就会变成螺旋线。那么这个小齿轮实际上就会变成一个斜齿轮。斜齿轮具备某些有点，例如，当连接两根平行轴时，斜齿轮比齿数相同并用相同刀具切削出来的直齿轮具有较高的承载能力。由于齿轮的重叠作用工作比较平稳，并且与直齿轮相比能以比较高的节线速度运转。节线速度是节圆的速度。因为齿轮倾斜于旋转轴的方向，所以斜齿轮会产生轴向推力。如果单个使用，这一推力必须有轴承来承受。推力问题可以通过在同一培件上切削两列方向相反的斜齿的方法来克服。根据制造方法的不同，齿轮可以做成连续人字形的，或者做成双斜齿形的，在两列斜齿之间留一间隙以便让切削刀具通过。双斜齿轮非常适用于高速高效的传递动力。这种齿轮的一个重要用途是用在船舶上的齿轮蜗轮传动。在一条排水量八万吨的客轮上，有四个单级减速人字齿轮箱，从每分钟 1500 转和 1050转的几台涡轮机把总功率 160000 马力传递到每分钟 180 转的螺旋桨轴上。每个大型从动齿轮的直径接近于尺。斜齿轮也能用来连接不平行也不相交的相互成任何角度的轴。 90 度是这种齿轮最常用的角度。当两根轴平行时，互配齿轮的轮齿之间的接触是“线接触”，不管齿轮是直齿轮还是斜齿轮。当轴倾斜时，接触就变成了“点接触”。因此，交叉轴（不平行也不相交）斜齿轮的承载能力就不及平行轴斜齿轮。然而，交叉轴斜齿轮不易调整，所以常用于只有摩擦力是唯一阻碍运动的力的仪表和定位机构上。如上所述，适用于平行轴齿轮的滚动节圆的概念，不适用于不平行也不相交的轴。这意味着一对齿轮当它们的轴相互交叉时，比相互平行时更容易获得大的速比，比如 100。在平行轴的情况下，小齿轮的节径应是大齿轮节径的 1/100，这个比较不现实。在交叉轴的情况下，小齿轮只要有一个斜齿就行其大小要适应足够的强度的需要。这个小齿轮看上去就像一个螺旋。而大齿轮则有一百个牙。蜗轮蜗杆和锥齿轮为了使交叉轴斜齿轮获得线接触并且改进他的承载能力，可以把大齿轮做成弯曲的，部分包在小齿轮上，有点像螺母套在螺丝上一样。结果就形成一个柱形蜗杆和蜗轮。蜗杆也可以做成沙漏形（即两端粗中间细，象计量时间用的沙漏的形状）而不是圆柱形的，以便部分包在小轮上。这就导致承载能力的进一步提高。蜗轮蜗杆提供了获得一对大速比齿轮的最简单的方法。然而，蜗轮蜗杆的效率通常低于平行轴齿轮，因为沿轮齿方向会产生额外的滑动。由于它们的类似性蜗轮蜗杆的效率也同样取决于影响螺纹效率的那些因素。大直径的单线蜗杆的导角很小并且效率很低。多线蜗杆的导角较大并且效率也比较高。如果导角约为 15 度，摩擦系数小于其效率约为 55%至 95%不等，涡轮就能驱动蜗杆。这样的组合可以组成结构紧凑的增速装置；它们已经用来驱动飞机发动机的增压器。在自锁式蜗轮蜗杆中，蜗轮不能驱动蜗杆，并且效率而已低于50%。为了使传递的转动和扭转能转一个角度，常常使用伞齿轮。所连接的两根轴如果延长后其轴线就会相交，它们彼此通常（但不是必须）相交成 90 度。伞齿轮的节面是滚动的截锥，而在厚度和高度上都必须逐渐减小的轮齿即可以是直的，也可以是弧形的。虽然弧齿伞齿轮称作螺旋伞齿轮，但轮齿的曲线通常是一个圆弧。轮齿的曲率可以导致轮齿重叠工作从而使动力的传递比直齿平稳。对于高转速和高扭矩来说，螺旋伞齿轮由于直齿伞齿轮，很象在两轴平行的情况下，斜齿轮优于正齿轮一样。适用于两轴不相交的螺旋伞齿轮称作偏轴锥齿轮。这种齿轮的节面不是滚动的，并且它们的平均直径比不等于速比。因此，小齿轮的齿数可以比较小，并使其大小能适应承载的需要。这就使之比两轴相交有更高的速比，正向交叉轴斜齿轮和蜗轮蜗杆能比平行轴斜齿轮提供更高的速比一样。不需要成比例的滚动节面是一个有利之处。螺旋锥齿轮在汽车上用来连接驱动轴和后轴。驱动轴上的小齿轮的轴线低于大齿轮的轴线，这就使发动机和车子的重心得以降低。因为轴不相交，所以从安装在一根小齿轮轴上的几个小齿轮可以驱动几根轮轴，像卡车的传动轴那样。锥齿轮的齿廓不是渐开线形，它们的形状使切齿轮刀具比渐开线刀具更易于制造和维修。因为锥齿轮都是成对供应的，只要它们的相互啮合的，它们就不需要同齿数的其他齿轮啮合。齿轮系和减速器一对齿轮能获得的最大传动比因齿轮的类型和用途而异。各种类型的齿轮在平均负载条件下最大传动比的近似值如下：直齿轮： 8；平行轴斜齿轮： 10；直齿锥齿轮： 6；螺旋锥齿轮： 8；直角交错齿轮： 12；蜗轮蜗杆： 80。对轻载齿轮、仪表齿轮和定位齿轮来说，这一比值还可以更大点。用类似于和偏轴伞齿轮啮合的锥形蜗杆的齿轮装置可以获得高达 400 或 400 以上的传动比。对于重载齿轮，上述比值可能太高，这会造成这样一种情况，即传动比过高找不到合适的小齿轮。因为一对齿轮的传动比是齿数的商，并且因为一对适用的齿轮的齿数的最大值和最小值通常都有一个极限，因此一对齿轮所能获得的传动比值也有一定限度。为了扩大其比值范围，必须采用几对齿轮或齿轮轮系。齿轮系的总速比是每对齿轮的速比的乘积。在某些情况下，用齿轮不能获得精确的速比，但采用两对或几对齿轮，就能使所要求的速比接近任何精确度。为了使机械制造者和使用者方便起见，根据工业通用的式样，制造了各种不同类型，结构，速比和能力的成套减速器；这些减速器有一个外壳，外壳里面装有轴承，轴，齿轮，润滑剂和油封。增速器通常是定做的。在连续运转的情况下，由于轮齿，润滑剂，轴承和油封中的摩擦作用，所有减速器都会发热。如果发热的速度比散发到大气中速度快，润滑剂就会变质，齿轮或轴承就会损坏。 in to or a to a by of of a . of be in a is on As in of to to of a of at a As in on a a , of of as a to be in a of to On of is or to of as as or of 0 is a or on of in is or of on in of is in in a as be of to to In of is As as of is it on a as as to i,e, a A is a is a of in of of a is is is on is a is a to to If a at n n be of a if is to a as it of by of of on to of on If a 00 a 0, . as as of of If be by a of by at as On in of of is it on of it is at on is by of in if a of is of is or On if a a A to is as a A be to be by of a be a of a In , if a of on at r at s , to of a at r of at s . or on of on of on of on on a be is as p is a of is on on To as a of to to on of a on be on On be by a to A to of If an of so to of to in a a of of in at is of to of an If be in be by of on on of be of or a a to to of is On a 0,000 a 60,000 ,500 ,050 to a 80 3.5 in be to at to is at on of ao ” do as as to in is As to on to on a on of 100 is to be of an be as as a 00 In to of be to in a a be a in of an of so in a in of in a of an a;of of a on as of a of of 5 a of 5 5 on In is 0 if at to of be in or of is a of in a of to in to do of of is to be as as to as of is a on to is to of on is of of of do be on a as in of on a to in as as to be to be to a of of 8 ; 10 ; ; 8 ; 12 ; 80 be be so a a in a of is of on of on of in a is To it is to or in a is of in In an be or be to of As a an in a of a or of in in in in If is at a it be to or 东南大学成贤学院毕业设计 (论文 )开题报告机械工程系机械设计制造及其自动化专业学生姓名：张策学号： 04111214 设计地点：东南大学成贤学院指导教师：林晓辉毕业设计（论文）开题报告课题名称机器人履带行走系统设计一、选题背景与意义将机器人技术、营救行动技术、灾难学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜寻和营救的灾难救援机器人，是机器人学研究中一个富有挑战性的新领域。面临及其危险和恶劣的灾难环境，灾难救援机器人可以代替和协助救助人员执行相关作业。灾难救援机器人不仅能够用于城市救援、消防、公安、采矿和环保等领域，同时在国防、军事和星球探测等方面也有着良好的应用背景。机器人技术是国家发展迫切需要的战略必争的核心技术之一，将在国民经济和安全中起着重要的作用和有着重大的战略意义。能够穿越复杂环境实施救援作业的机器人具有广阔的应用价值。实物机器人救援（是国际赛的主题项目之一。救援机器人（要由行走系统、作业系统、驱动系统、运动传感与控制系统、环境信息感知系统、数据传输系统、智能决策系统等部分组成，其中前两者是实施救援的机器人本体部分。相对于轮式移动机构而言，履带式行走机构（有支承面积大，接地比压小，越野机动性能高，爬坡、越障、跨沟能力强等优点。二、课题关键问题及难点灾难救援环境对机器人的运动能力要求较高，机器人移动平台十分重要。在诸如废墟、坎坷和管道的狭小空间，因为受到环境空间的限制，机器人物理结构必须要小，但是它又必须要越过位于机器人路径上的障碍物。灾难环境存在松软的灰土地面、由于消防用水或漏水导致的泥泞路面及坎坷不平的废墟地面等多种地面地形，机器人必须具有高度的地面适应性能，本设计选择履带式行走机构，相对于轮式移动机构而言，履带式行走机构（有支承面积大，接地比压小，越野机动性能高，爬坡、越障、跨沟能力强等优点，满足了对复杂地面适应性的要求。另一方面，机器人必须不断地翻越各种垂直的障碍物，平台的稳定性和自调整能力很重要。本方案在各种形式的履带式行走机构中选择关节式行走机构，机器人通过调节关节角度，调整自身姿态，以满足不同情况的越障地形。由于在灾难现场等非结构环境中，机器人本体不可避免要受到伤害或由于系统的可靠性不够而出现故障，系统软、硬件的容错功能和故障处理能力也十分重要。三、文献综述履带式机器人主要由行走系统、作业系统、驱动系统、运动传感与控制系统、环境信息感知系统、数据传输系统、智能决策系统等部分组成，其中前两者是机器人本体部分。相对于轮式移动机构而言，履带式行走机构（有支承面积大，接地比压小，越野机动性能高，爬坡、越障、跨沟能力强等优点。履带驱动方式有很强的实用性，包括具有通过各种障碍例如石块、排水沟和坑洼等。若采用正确的履带材料，即便是在光滑的表面例如雪地、湿的混凝土或者清洁的厨房地板上，它的牵引力也是相当优秀的。虽然更大的接触面积提升了前后运动时的牵引力，但同时也限制了机器人的转弯能力。履带式车辆（例如坦克）依靠侧滑或者绕着一个转弯点滑动来实现转弯，因此，它们被称为采用“滑动转向”。如果履带行走部分极度柔韧，而地面又非常坚硬（比如厨房地板），额外增加的摩擦力将极大地削弱车辆的转弯能力。（ 1）普通履带移动机器人图 1 是采用普通履带式行走机构的履带机器人。它的运动机构由履带式移动机构和 5 自由度机械臂两部分组成。履带式移动机构由两台步进电机驱动两条履带 ,以相同脉冲驱动时，实现直线前进或后退 ,以不同脉冲驱动时可实现曲线运动。图 1 履带式机器人（ 2）四履带足机器人四履带足机器人行走机构主要有并联机构型四履带足、变位四履带足机器人行走机构，机构简图如下：图 2 变位四履带足机器人行走机构图 3 并联机构型四履带足机器人图 2 为变位四履带足机器人行走机构，其特点是履带足可绕回转轴自由旋转 ,回转轴低置 ,低于两带轮中心线连线；履带足可以有正负一定度数的摆动自由。其越障原理是 :当前履带足碰到障碍物时，壁面对履带足的摩擦力使履带足产生一个向上翻转的力矩 ,履带足沿壁攀升，直到爬上障碍物。后履带足以同样的形式爬上障碍物。并联机构型四履带足机器人行走机构在原有四履带足行走机构的基础上巧妙地进行了机构创新 ,通过改变腿的长度来实现机器人水平姿态的调整 ,其越障能力和地形适应能力大大提高。并联机构型四履带足行走机构主要由履带足，伸缩腿和车体三部分组成。其中履带足可以绕腿部自由摆动 ,而腿也可以通过电机带动前后摆动 ,并且每条腿还可以自由伸缩。图 3 为该行走机构越障时的姿态示意图。其工作原理是 :当安装在车体上的姿态传感器检测到车体倾斜到一定的程度时 ,机器人就会驱动相应侧的腿部电动机，使该侧的腿伸长一定的距离，而另一侧的腿保持不变 ,直到车身恢复至水平姿态。本移动机器人行走机构具有很强的越障性能，可以跨越比履带轮高数倍的障碍，相对于一般的轮式和履带式移动机构具有很强的优越性。此外该机构采用模块化设计，可以通过改变机体的尺寸或更换部件来满足不同的要求，适用范围广。（ 3）关节式履带机器人机器人的爬梯能力是移动机器人的重要越障性能指标，传统的履带式机器人虽然能够完成上述任务，但是体积较大。特殊车轮机构亦有发展，例如采用行星轮机构，该结构所用零件和马达较多，重量较重，机械效率差，所爬台阶高度大致为行星轮板高的三分之二。腿式移动载体（一般以连杆机构或者气动机构较为常见）是另一类爬梯机构方案，模仿人类或其它动物腿部运动，该类机构较容易跨越障碍物，安稳地上下楼梯，以及在极度崎岖的地面上平顺地运动。但是由于机构复杂，移动面又时有变化，故设计时变得十分复杂；为达到动态稳定的要求，在控制上也变得更为精细，所以此型机器人的移动速度不会很快。关节式履带机器人通过在原有履带移动机构上加上关节摆臂，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性能，使其更能应付表面的突然变化，其机身在陡峭的斜面或楼梯上行进时也较易保持稳定的姿态。并且综合考虑系统复杂度以及性能指标，关节式履带行走系统在机构冗余度低、控制相对简单的情况下能较好实现其它各机构的越障要求。图 4 关节式履带机器人图 4 是由上海大学精密机械工程系研制的关节式履带机器人，该机器人主要是由前摆臂和主车体构成，采用后轮驱动，机器人通过调节关节角度适应地面变化，前臂摆动角度为 90 度。参考文献 1 莫海军，朱文坚履带式移动机器人越障稳定性分析 J机械科学与技术， 2007， 26(1)： 6567 2 陈淑艳，陈文家履带式移动机器人研究综述 J机电工程， 2007， 24(12)： 109112 3 肖俊君，尚建忠，罗自荣一种多姿态便携式履带机器人传动和结构设计 J机械设计， 2007， 24(3)：1012 4 刘志彬履带式移动机器人建模与动态仿真研究 D. 呼和浩特：内蒙古工业大学硕士学位论文，2009 四、方案论证综合比较上述方案，本论文选择关节式履带行走系统设计方案，关节式履带机器人通过在原有履带移动机构上加上关节摆臂 ,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性能 ,使其更能应付表的突然变化 ,其机身在陡峭的斜面或楼梯上行进时也较易保持稳定的姿态。并且综合考虑系统复杂度以及性能指标，关节式履带行走系统在机构冗余度低、控制相对简单的情况下能较好实现其它各机构的越障要求。图 5：双流转向机构该关节式履带行走机构由两组平行排履带构成，前关节把两履带组联结在一起，分别由直流电机驱动（采用后轮驱动），关节的转动动力由舵机提供。通过关节的转动，履带机构整体姿态得到不同程度的调整、中心位置的变化，以适应不同的越障要求。该行走系统实现的关键是合适的传动装置的设计，来解决履带行走装置普遍存在的转弯条件下的功率要求较高的问题。拟定采用双流转向机构，双流转向机构 , 就是将动力分为两路 , 一路为变速分路 , 控制两侧履带的直线行驶速度，另一路为转向分路 ,专门控制转向运动，这两路功率在两侧汇流行星排中汇合起来 , 再经两侧的侧传动 , 最后传到驱动轮上（见图 5）。五、工作计划第 1 周完成英文翻译，提交英文翻译给指导老师批阅。第 2 周英文翻译经指导老师批阅合格并确认后，上传至“毕业设计管理系统” ,译文封面用标准模板。围绕课题查阅文献资料。第 3 周查阅文献资料，撰写开题报告。第 4 周完成开题报告，经指导老师批阅合格并确认后，上传至“毕业设计管理系统”。开题报告封面用标准模板。第 5 周完成方案设计、电机选型、运动设计及承载能力设计。第 6 周进行初步结构设计。第 7 周中期检查，在“毕业设计管理系统”上完成“ 中期检查报告 ”的填写。第 8 周绘制装配图。第 9 周完成装配图。第 10 周完成零件图。第 11 周完成“毕业设计报告（论文）”的撰写，并提交给指导老师批阅和确认。第 12 周上传“毕业设计报告（论文）”和附件至“毕业设计管理系统”。封面用标准模板。第 13 周评阅、成果验收，规范化检查。第 14 周答辩评分。指导教师意见：张策同学认真阅读了毕业设计任务书，围绕课题广泛搜集了相关文献资料并进行了认真的阅读，对课题研究的目的、意义进行了分析，并有了比较明确的方向。在此基础上提出了完成机器人履带行走系统设计要求内容的思路，以及初步的设计方案，从开题报告中可看出，思路和初步设计方案可行，开题条件具备，同意开题。签名：年月日毕业设计报告 (论文 ) 机器人履带行走系统设计所属系机械工程系专业机械设计制造及其自动化学号 04111214 姓名张策指导教师林晓辉起讫日期设计地点东南大学成贤学院东南大学成贤学院毕业设计报告（论文）诚信承诺本人承诺所呈交的毕业设计报告（论文）及取得的成果是在导师指导下完成，引用他人成果的部分均已列出参考文献。如论文涉及任何知识产权纠纷，本人将承担一切责任。学生签名：日期： I 机器人履带行走系统设计摘要机器人技术在如今的应用中越来越广泛，其中集营救于一体的救援机器人又是研究中的新方向。典型的机器人由行走系统、作业系统、驱动系统、运动传感与控制系统等组成。机器人行走系统的选择关乎到整个机器人的运动，是机器人完成设定任务的基础。行走系统设计如今主要有轮式移动和履带式行走。履带式行走系统在较恶劣环境下具有更优异的表现。履带接触面积大，接地比压小，动力强劲，克服障碍性能好等优势。通过对不同机构特点的研究，对关节式履带机器人进行分析论证。此类机器人在不同环境中通过改变关节的位置关系通过障碍。论文主要讨论了此类机器人的结构设计，控制原理并对机器人越野机动性能进行分析。在结构设计中，先对行走机构转向进行了物理分析，加入了双流向机构使得转弯更加平稳，灵活。在特定物理条件下，对机器人主轴，齿轮等主要零部件进行尺寸设计，初步得到机器人结构参数。在控制系统设计中，考虑到履带式机器人的工作环境，利用无线通讯控制单片机，单片机控制相应步进电机完成指定动作。与此同时可以接受单片机的反馈调节行走机构的姿态。最终本文还对机器人的各项性能指标进行了分析，主要针对沟壑跨越，爬坡行驶和阶梯翻越三种特殊环境进行研究。根据运动中重心变化等指标，增大履带臂与机体的距离，对机构尺寸给出了最优设计方案。最后对机器人未来发展进行展望，未来世界一定会因为科技的进步，机器人技术的发展而更加美好。关键词：机器人技术；履带行走系统；性能指标 of of of in s is is to of is a A by to of is of of in to of of is in of of of of In to by to a is In as so on of In of of C to At C CM of of to of of is is In of is be of of of 录摘要 . I . 一章绪论 .题背景与意义 . 选题背景 . 各类行走机构特点 .带式移动机器人的研究现状 .要研究方向 . 履带式行走系统内部结构研究 . 行走系统控制设计 . 行走系统越障分析 .二章机器人结构设计 .介 .带机器人力学分析 . 履带机器人行走分析 . 机构转向原理 .动结构 . 履带式行走机构 . 履带机器人关节方案设计 .本结构设计 . 轴类零件参数尺寸 . 剩余部件设计 .三章机器人控制系统 .述 .制系统选取 . 主要原件选取 . 控制原理设计 .四章越野机动性能分析 .述 .带机器人稳定性分析 . 沟壑跨越 . 爬坡行驶 . 台阶翻越 .五章结论与展望 .论 .望 . 谢 .考文献 .南大学成贤学院毕业设计报告 1 第一章绪论题背景与意义题背景现今社会中，机器人的应用逐渐代替大量人力。其中救援机器人不仅应用在国防等军事领域，在公安消防中也有很大应用。我国自然灾害频发，给国家经济与国民安全带来极大影响。随着机器人技术逐渐成熟，其应用显得越发广泛。如今机器人可以代替人类完成极端环境下的艰难任务，使得科研，救援等任务更加高效。典型的机器人由行走系统、作业系统、驱动系统、运动传感与控制系统等组成。机器人行走系统的选择关乎到整个机器人的运动，是机器人完成设定任务的基础。行走系统设计如今主要有轮式移动和履带式行走。履带式行走系统在较恶劣环境下具有更优异的表现。履带接触面积大，接地比压小，动力强劲，克服障碍能力强等优点。类行走机构特点在较恶劣环境中，我们常常选用履带式行走机构。因为这种机构设计较为简便，即使在摩擦力较小的环境中也可通过改变履带接触面积获得较大牵引力。这类行走机构转向时常常使用“滑动转向”。当然不同行走机构性能各有特点，详见下表。表各类机器人特点简介应用环境轮式腿式履带式室内，地毯优秀，只要轮子半径大于地毯绒毛高度的两倍即可良好。如果地毯绒毛较短的话，粗绒和长绒可能会挂住而造成麻烦很差。地毯纤维回缠结在链轮和链轨中室内，硬地板或桌面优秀优秀。腿的末端应该用橡胶处理以提供所需的牵引力较好与优秀之间。取决于链轨的硬度；软的橡胶链轨在抛光或坚硬的表面可能无法很好地实现转向室外，泥土较好，如果地面不是过于松软或者崎岖的话；泡沫轮胎会粘起并塞满泥土很差和良好之间。取决于地形状况（机器人是否可能被绊倒）优秀。但是要注意链轨和链轮中泥土的结块问题室外，草地很差与较好之间。机器人地低部要高于草坪的高度较好与良好之间。但是机器人应该采取抬腿迈步的步态，而不是拖曳前行步态优秀。尽管链轮和链轨中会夹入草屑普通混凝土地面优秀。尽管泡沫轮胎很容易沾上泥土和灰尘优秀较好与良好之间。从转向性能考虑，履带不应使用太硬或过于强韧的材料普通沥青地面较好。但如果轮子的直径较小，轮子表面光滑。良好优秀东南大学成贤学院毕业设计报告 2 带式移动机器人的研究现状履带式移动机器人在特殊环境中表现优异，各国都在加强研究与改进，以用来执行救援防爆等特殊任务。各种仿真研究实验平台也随着机器人技术不断发展逐渐建立起来。履带行走机器人的行走系统也有很多种，比如以关节臂辅助行走的关节式履带机器人，双履带机器人等。下面对几种典型行走系统简要介绍。（ 1）普通双履带机器人传统履带机器人长度达到 60可以实现基本功能，而履带与地面较大接触面积带来较大摩擦力，较大的动力以及越障能力都是此行走机构的优势。在各类移动机构中属于容易设计并实现的，但是在翻越较高障碍物时存有较大缺陷。一般形式的双履带式行走机构的机器人如图多自由度机械臂与履带式移动机构共同组成了其运动机构。该机器人用步进电机驱动履带运动，由脉冲驱动的异同分别实现机器人的直线与非直线运动。图 1 履带机器人（ 2）多履带足类机器人此类机器人有一下两种主要机构形式，其简图如下：图位多履带行走机器人图并联机构型多履带行走机器人图临阶梯等障碍时，前履带轮在摩擦力的作用下产生反作用力，沿着障碍爬升直至越过障碍。后履带足用同样的方式实现翻越障碍。东南大学成贤学院毕业设计报告 3 对原有四履带足行走机构进行改进，增加腿长以保持平衡姿态这就构成了并联型四履带足机器人。这种行走机构主要由车体，伸缩腿和履带足组成，如图其行走图。其在行走时，可以体用姿态传感器随时调节腿部长度以保持整个机构的平衡。此机构行走时，可以跨越更高的障碍物，具有更好的环境适应能力，但制造要求也相对较高。（ 3）关节式履带机器人关节式履带机器人顾名思义，在原有履带机构中增加了关节臂以提高机构越障能力以及对环境的适应能力。与此同时，其稳定性也很理想，控制相对简单。综合考虑其系统各类性能指标，表现都较优。图关节式履带机器人关节式履带机器人如图前臂与主题组成了主要行走机构，驱动在后轮，不同的关节角度变化不断适应环境障碍的变化。（ 4）复合式移动机构机器人复合移动机构机器人通过增加摆腿构成轮腿履带式等复合型移动机构以增强机器人如图在功率大，稳定性差是其等缺点。如图所示通过摆腿的摆动来翻越障碍。与其他行走机构比，性能有待提高。 (a) 复合机构 (b) 机构爬行图复合移动机构机器人要研究方向带式行走系统内部结构研究初步设计的关节式履带行走机构是利用步进电机驱动，该机构包含运动履带和臂履带。两履带用关节连接。而关节可以不断调整姿态以适应不同环境障碍。机器人这种关节式设计可以基本满足大多数运东南大学成贤学院毕业设计报告 4 动要求。当然，设计中也存在不足，首先，履带式行走机构在转向时速度较高一侧会出现滑转现象而速度较低一侧会产生滑移。转向时，内外侧履带的实际速度与理论的速度不同，这样还会带来转向半径与转向角度的变化。由于车辆转向还会引起功率增大，当然这与地面路况和机器人接够有直接关系。另一方面，由于长期使用导致履带形变，破坏，磨损。最终使得机器人在直线行驶时两履带速度不一致。这种现象称为自偏驶现象。为解决这类缺陷，我们在将双流转向机构应用在行驶传动系统中。这种机构将动力分为变速分路与转向分路，功率整合后加载到驱动轮。次机构不仅平衡两侧功率流提高了功率效率还消除了因为电机而造成的偏驶误差。设计中，我们安放了转向电机，用来满足转向时功率增大的需求。走系统控制设计机器人控制系统核心就是单片机，这次选用一个主单片机和四个从单片机。从单片机是用来控制步进电机的，单片机控制步进电机完成相应的行走动作。这四个电机分别为行驶驱动电机和转向电机以及两个关节驱动电机。单片机作为控制的核心，十分重要。因此，要合理调试单片机与电机之间的配合，使得电机能理想驱动机器人完成相应动作。走系统越障分析本文对所设计的履带行走机器人实用稳定性进行研究。在相应数学及物理模型下，通过计算得到相关运行数据，分别对机器人稳定性和相应的越障可行性进行分析。得到相应的理想设计数据。经过分析，在设计方案基础上获得最优方案。东南大学成贤学院毕业设计报告 5 第二章机器人结构设计介在满足基本行走的要求下，力求机器人简洁实用。利用所学机械设计等知识对履带行走机器人进行了初步设计。在确保零件不失效的前提下，尽可能提高精度。机构满足机器人行走过程中对力，力矩以及功率等存在的特定要求。下面分别在相应物理模型下对履带机器人进行力学分析，传动机构分析。在对材料以及结构进行力学分析的基础上大致得到机构的基本尺寸，根据尺寸绘制装配图以及若干零件图。带机器人力学分析带机器人行走分析履带机器人的电机存在传动损失，其中传动效率T。在机器人行驶过程中，履带可能会有打滑现象，实际履带的速度会产生变化。履带机器人行驶过程中受力与功率分析如下图。式中：转速度；界阻力；际功率；实际牵引力轮上实际功率： T e T Z T F v (2轮上实际牵引力： ZT wa F(2总前进力： 2 W a R F (2图带轮受力与所受功率图设计中履带的选择也十分重要，履带摩擦系数R足够大才能使机器人行走。对履带进行受力分析，不仅要受到重力，还要有传动时的水平力。在履带中常常会产生前进阻力，这种力受履带承载重量等因素影响。与此同时，运行过程中履带与机构链接产生的摩擦，冲撞等阻力也阻止机构前进。外界环境对机器人产生行驶阻力，这种阻力主要来自外界环境，例如空气，坡度障碍等。只有履带可以提供足够大的摩擦力才能克服外行驶阻力驱使机器人行驶。构转向原理构转向分析与讨论当人行走时两条腿速度不同会转圈，机器人也如此。当行走机构两履带速度不同步时，就会转向行驶。转向时，履带外侧转速于内侧转速两条履带轮按不同半径行驶，并由此可以得到履带车东南大学成贤学院毕业设计报告 6 行驶的理论半径 R ，如图图动速度图图中： R 环绕半径； M 环绕中心；履带实际触地长； S 两履带距离。如图所示，履带式行走机构在做曲线运动。可以清晰得到此时环绕中心为 M，由于外侧履带速度较快，内侧较慢，整个机构形成一个力矩。分析该力矩，可以对履带行走机构的轨迹有更好的身世，下面我们做出一些创造性假设： (a)机器人行驶路况平坦； (b)行驶环境中，外界各项指标平衡均匀； (c)行走机构在转向时速度保持匀速； (d)行走机构内外侧履带承受相同且均匀的重量； (e)履带重力对地面的影响均匀； (f)履带机构在行走时不发生侧面滑动； (g)履带横向尺寸可以忽略；在行走机构转向时，我们可以得到对应传动比 /2L （ 2 当 R 确定时，我们便能确定两者都知道是我们便得其比值式子如下： / （ 2 由上式求得的比值可以群定很多行走系统信息。比如我们能得到驱动机器人行走的参考力。而以大致得到机器人转向时的运动区域，当（ R ） 1或行走机构沿直线前进。在假设的前提下，就可以通过计算得到履带式行走机构各类物理量之间的关系。使得运动流畅而平稳。带行走机构物理量讨论通过对行走机构的物理讨论外轮，对行驶的速度进行简化。在履带式行走机构转向时，我们假定速东南大学成贤学院毕业设计报告 7 度：履带行走机构外轮带行走机构内轮合两种速度，得到22。此时的传输比履带中心矩之半理论转向半径，履带式行走机构沿直线运动。当转向半径较大时，内外侧的前进方向一致。当 1可能存在失稳的可能性，如图图、外侧主动轮相对速度根据以上假设，在履带式行走机构转弯时，进行力学分析。设定转动比，外界环境的摩擦系数为。在此系数下得到机构受力情况如图图上力比值图中： 2/履带轮上的滚动摩擦阻力；电机传给外部履带力；电机传给内部履带所受力。通过分析可以得到，驱动力和所受外界力的联系。当履带式行走机构在转弯时，所受力较大，远远高于直线运动。因为在转弯时， 1，这样外部的履带需要很大的驱动力这样才能使机器人完成转弯运动。当然如果驱动力只是需要平衡外界力即可。这样履带式及其人便是直行前进。此时，所受力小，功率也相应小。通过对力分析后，对功率分析。与所受力分析类似，功率变化与外界环境相关，也与行驶状态有关。我们可以得到下面功率比值图，如图东南大学成贤学院毕业设计报告 8 图带上功率比值图中：外部履带转弯功率；内部履带转弯功率；外界力产生功率；上面我们对力以及功率进行分析。机器人在转弯时，功率情况各有不同。在一定的小范围内，内外侧履带所受力方向是一样的，因此功率也一样。当转弯范围达到一定程度时，内部履带会有制动效果。这样就需要提高外部履带的功率带动整个行走机构向前。此时的功率将大大提高而且会有一部分功率做无用功。经过研究与讨论易知，履带式行走机构在沿着直线运动时，只需要克服外界的阻力，这个时候功率消耗小，运动稳定，电机功率的输出平衡，变化小。当履带式行走机构做非直线运动时，受力与功率都相应增加。这个时候电机也会增加输出功率。这对履带式行走机构的稳定性带来较大考验。在机构中添加双流转向机构是为了平衡电机功率，使得机器人整体运动更加平稳。避免受力与功率的突然变化带来的损害。带行走机构性能讨论履带式行走机构由电机驱动，履带所受力在匀速运行时是平衡的。假设电机力过变速后力为个力到作用中心距离是 S。此时产生的力矩上述分析的（ /），可以判定此机构的运动性能。为了防止打滑，我们尽量将摩擦力指标更大： 2上式里，摩擦系数R。在转弯运动中，我们可以得到下式 ()22 由以上分析得到摩擦系数要求范围：2 履带式行走机器人性能评定： 2() 为了保证行走机构能运动顺畅，我们要尽可能降低值。这就带来力与功率上的要求，因此选择合适的电机与履带也显得十分重要。履带式行走机器人在做不同运动时，功率与力都会变化。如果要求机构运行顺畅，保持较小的必不可少。经过分析，假设一定的外界环境建议值小于东南大学成贤学院毕业设计报告 9 动结构带式行走机构流转动机构履带式行走机器人在转弯时，功率要远远大于直行功率。这就要对电机功率合理利用。将一部分行走功率供给转弯使用。通过双流转动机构分流功率。这样履带上所受功率不仅驱使向前，还驱使其转向，如图种机构是典型方向控制机构，即使在较高速度下，其控制运动都较为理想。图流转动机构械工作原理首先对上述机构，运用机械原理的知识进行轮系分析。得到下式： 2 2 3 2 31133 1 2 1 2( 1 )H z z zi z z z z （ 2 通过变形可以得到： 3221323211 式中： 1 齿轮 1 角速度； 2 齿轮 2 角速度； q 驱动电机角速度； z 转向电机角速度；驱动分路变速比；转向分路变速比。可以得到下式： qq i/1 zz i/3 将结果带入整个式中得到行星架角速度：东南大学成贤学院毕业设计报告 10 32213221 / 运动中的总的角速度为： 5632213221565656 /)()1( (2下面两种典型运动状态下，分别分析角速度。 (1) 行走机构直行履带式行走机构直行时，两侧履带速度应该相同。控制行走的驱动电机经过齿轮最终将动力传递给履带。式子如下： 563221215632213221 / 右左(2(2) 行走机构转向转弯要分情况。（我们规定机器人向前运动时齿轮 1 方向为正，机器人在如图的小太阳轮转向下前进，大太阳轮的方向若与其相同也为正，若与小太阳轮方向相反则为负。在行走机构做转向运动时，驱动电机传递动力使得履带前行，转向电机会使得履带形成速度差，使得行走机构绕某个点转动。此时左齿轮 3 的角速度：3 /，右齿轮 3 的角速度为： 3 /。得到内外侧履带行走时角速度： 5632213221 / 左(25632213221 / 右 (2通过分析，当左右,行走机构左偏转，反之则右偏转。由此可见，行走机构在转弯时，通过转向电机的控制可以实现一定范围的转向运动。而且控制较为方便准确。转向电机的加入平衡了履带式行走机构在转弯时功率的变化。这大大降低了驱动电机的负担。走系统传动设计（ 1）齿轮设计齿轮作为传递动力的零件，设计时要十分严谨。根据机械设计的知识，本传动机构采用推荐值。选取齿顶高系数 1h ，同时 c 。设定机器人极限行走速率 20m/走轮的直径为 140此求得履带转速 50 / 履带式行走机构在运行时，应该符合以下条件：直行运动时：因为 3113，则21321 1 zz ；转弯运动时：因为 1313，则32213 1 zz ；根据推荐，机构中所有齿轮全部为标准齿轮，则 2 )(2 )( 3221 (2东南大学成贤学院毕业设计报告 11 22223111 (2由以上分析

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