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主动 越障 机器人 设计 特性 分析

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主动适形越障机器人的设计与特性分析,主动,越障,机器人,设计,特性,分析

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本科毕业论文（设计）摘要主动适形越障机器人是一种能够变换自身姿态从而通过不同类型障碍的机器人，被人们广泛应用于危险作业领域，能够代替人们进入到不能进入的地方、者环境搜救、帮助特警反恐、排爆等作业，减少或者避免了对救援人员不必要的损伤。因此，主动适形越障机器人的研究具有有很重大的意义。首先，本论文通过查阅国内外研究现状和主动适形越障机器人的需求分析，分析比较现有主动适形越障机构的优缺点，设计出一种具有合理尺寸、结构简单、实用性强以及良好越障能力的主从复合式越障机构。首先，针对主动适形越障机器人进行总体机构设计、传动机构设计、主要零部件设计，并针对各结构主要参数设计进行尺寸计算和验证。其次，采用Creo2.0软件进行主动适形越障机器人的三维建模和仿真分析。关键词：履带式；越障机器人；Creo2.0 AbstractActive conformal obstacle-obscuring robot is a kind of robot, which is widely used in dangerous operation fields that can change its posture to pass through different types of obstacles. Moreover, It also can replace people into inaccessible places, environmental search and rescue, special police against terrorism, expel explosives as well. Such operations reduce or avoid unnecessary damage to prevent workers from dangers. Therefore, the research of active conformal obstacle-obscuring robots is worthy to be implemented. First of all, this paper not only discusses the research status at home and abroad and shows analysis of active conformal obstacle-obscuring robots, but also analyzes and compares the advantages and disadvantages of existing active conformal obstacle-obscuring mechanisms. At the same time, it designs a reasonable size, simple structure and strong practicality. A master-slave compound obstacle-surpassing organization with good obstacle avoidance capabilities. Above all, the overall mechanism design, transmission mechanism design, and main component design for the active conformal obstacle-obstrusive robot are carried out. Besides, the size calculations and verifications are performed for the design of the main parameters of each structure. Next, the three-dimensional modeling and simulation analysis of the active conformal obstacle-obstacle robot is implemented with Creo2.0 software.Keywords: crawler; Obstacle robot; Creo2.0 目录第1章 绪论11.1 研究目的与意义11.2 国内外研究现状11.2.1 国内发展概况11.2.2 国外发展概况21.3 本轮文研究内容31.4 论文的组织结构3第2章 自主适形越障机构方案的确定52.1 几种常见的越障机构分析52.1.1轮式越障机构52.1.2 履带式越障机构62.1.3 腿式越障机构72.2 越障机构的分析比较与选择82.3 越障机构的确定82.3.1 几种常见障碍物的分析82.3.2 机构的确定92.4本章小结10第3章 主动适形越障机器人的设计113.1 越障机器人总体机构的设计113.2 传动机构的设计123.3 主要零部件的选择设计123.3.1 轴承的选用123.3.2 步进电机的选用143.3.3 轴的设计153.3.4 轴承座的设计173.3.5 齿轮的设计选用173.4 本章小结22第4章 主动适形越障机器人的设计验证234.1 齿轮的三维建模234.2 轴的三维建模264.3 轴承座的三维建模274.4 固定套的三维建模284.5 车轮的三维建模294.6 主动适形越障机器人的尺寸装配验证314.7 本章小结35第5章 总结36参考文献37致 谢38附录 外文翻译39V第1章 绪论1.1 研究目的与意义世界各国都在发展搜索救援机器人、排爆机器人、反恐机器人等危险作业机器人，这些机器人都有一个重要的性能要求 ，那就是要满足能够规避各种环境中的障碍物，这也是越障机器人发展的一个热门方向。 我们国家疆域辽阔，同时地质灾害也频发，如矿难、地震、洪水、泥石流等，这些灾害发生后的搜救工作及其复杂，一般援助人员不能进入危险区域，只能通过清除废弃物来搜救被困人员，如果区域内有危险气体，救援人员还不能进去搜救，而且救援人员的施救时间极其有限（仅有48小时），如果不能及时发现有生人员的信息，将会造成很大的生命财产损失，这对救援工作人员来说是一个极大的挑战，这时候使用自主越障机器人来进行搜救，很好的解决了这一问题，大大提高了对被困人员的搜救效率，尽可能减少了对搜救人员的伤害。从此可以看出对主动适形越障机器人的研究有很重大的意义。本论文讨论的越障机器人是一种能够根据障碍物,主动适形越障的机器人，相比以往的越障机器人，最大的特点是能适从各种复杂的环境特征，不在是某种单一环境先下使用的机器人，大大提高了工作效率，解除了对某种环境的限制，可以在各种危险、空间狭小、环境恶劣等人类无法到达或不便到达的地方进行勘测和工作。主动适形越障机器人可以说是具有一定思维的智能机器人,对人类未来智能化的发展有着重大的影响，因此可以看出，对主动适形越障机器人的研究有着很重要的意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内发展概况国内对越障机器人的研究起步较晚，因为我国的科技发展起步较迟，制造工艺和技术水平落后，制造的越障车很不理想，后来经过30年的探索，我国越障车取得了很大的进展，逐步赶上了发达国家的水平。典型的为中国农业大学研究设计的仿地形越障机车，针对已有的越障车在丘陵山区作业时表现的地面适应能力差，车轮极易打滑，附着力不足等问题，从而采用了底盘多自由度变形的方法，设计出具有8轮驱动全地形仿地形越障车，该越障车采用地面仿形原理，其底盘自由度为5个，在崎岖地形作业时能够根据地形变化而改变自身形态，实时适应复杂的地形环境。该越障车能够很好保证车轮与地面附着能力，改善了一般越障车地形适应力、车轮易打滑等问题，很具有实用意义。由北京航空航天大学的一种可变车轮直径的月球探测车,由装在轮毂内的电动机控制车轮收缩和张开,其车轮直径变化大小为200-390 mm1。月球探测车的车轮直径可以依据所通过的路面状况由车载系统控制张开或收缩,具有机构结构紧凑、越障能力优越和地形适应性强等特点。由北京航空航天大学大学研发的另外一种模块化可重组履带机构，其目的在于解决履带越障车的通用性、地形适应性、便携和微小化问题,得到一个几者之间兼顾的最佳解决方案。模块化履带机构的运动性较为稳定其中三节稳定性最好,而且比较灵活,越障能力也比较强,控制协调也较简单,因此具有较强的实用性。目前，国内对越障机器人的研究已经有了很大成果，已经能够适应各种地形，稳定性越来越高，结构也越来越科学合理。图 1.1 8轮驱动全地形越障车1.2.2 国外发展概况目前国外越障机器人技术的发展迅速并日趋成熟，并已进入实用阶段，其中日本和美国较为突出。日本研制的一种蛇形机器人，能够穿过狭小空间，能够在地形复杂的废墟上前行，其前部装有一部采集摄像头，身体各部分都装有不同传感器，其主要被用于地震和恐怖袭击后的探测和救援工作。由日本东京电子信息大学研制的HANZO机器人，克服了传统轮系越障高度不能高于其轮径的致命缺点，其设计了自动变臂功能。该机器人采用无线控制，具有五种不同变臂方式，能够很强的适应复杂环境，其系统应用PID调节，相比以往的越障机器人它有更多的自由度和很强的越障能力。由日本研发的另外一种轮腿混合式越障机器人能够实现轮径大小可变以增强其越障功能，克服了传统轮腿模式的缺点，同时具有轮系和腿系两种运动结构的优点，能够适应更加复杂的工作环境，还可以在其结构上安装一些传感器用于搜索和排爆。InuKtun公司研发了了机器人MicroVGTV，其机身可变换形位，控制采用电缆，并装有直视的彩色摄像头、微型话筒和扬声器等，它可以穿越地形复杂的废墟向受困者发出双路音频，可用于与压在废墟中的幸存者沟通，其适用于在小的孔洞和空间中执行任务。可以看出我国的越障机器人和发达国家相比还有相当大的差距，国外的越障机器人有着很高的自由度和较强的环境适应性，并且进入实用化阶段。而我国的越障机器人自由度和稳定性比较差，还没有进入实用化阶段，还在探索研究阶段，这是由于我国科学技术起步晚，远远落后于发达国家，但总的来说我们的越障机器人发展还是很迅速的。我们坚信在科技创新的推动下，我国的越障机器人必将取得更大的进展。图 1.2 轮退式越障机器人1.3 本轮文研究内容本论文的主要内容是研究设计一种主动适形越障机器人的机构。主要任务是：1）查阅了解国内外越障机器人发展的现状；2）设计越障机器人越障机构，设计选择合理的零部件参数；3）用Creo2.0对设计的越障机构和零部件参数三维建模验证。1.4 论文的组织结构本论文组织结构如下：第1章，国内外发展概况第2章，首先对3种越障机构的简单介绍，然后对他们进行比较分析，阐述这3种的优缺点，最后确定自己的越障机构设计方案。第3章，对主动适形越障机器人的总体设计，确定车体的大小尺寸。第4章，对主动适形越障机器人绘制三维图并验证方案的可行性。第5章，对论文进行总结和展望。第2章 自主适形越障机构方案的确定2.1 几种常见的越障机构分析2.1.1轮式越障机构轮式越障机构其运行速度快，效率高，适用于平缓的地带。其缺点是越障能力较差、地形适应能力差、转弯效率差、易打滑，不够平稳。到现在为止采用轮式越障的有单轮、双轮、四轮、五轮、六轮等几种形式的越障车2。下面列举了3种比较典型的轮式越障机构的越障车。在2008年北京国际车展上，成立了个特别展台。该展台展示了湖南大学自主研发的四轮三轴月球车，这款四轮月球车具有六轮系统的基本驾驶能力，并且在攀登、坡度、转向和越障方面表现出色。四轮机构设计的最大特点是，任何一个轮子悬空，其他三个车轮可以形成一个稳定的三角形结构，月球车的四个轮子安装在可以前后摆动的四个“腿”上3。在一般路面上，自适应性好，四轮着地良好，运动快速稳定。当遇到障碍物如阶梯或沟渠时，其可以调整姿态并将重心调整到其余三个中的任何一个，以实现重心向上，向下，向前，向后和向左移动以完成障碍越过。四轮月球车结构简单，操作灵活，能耗低，重量轻。日本国家宇航研究所开发了一种四轮驱动的微型典型五轮越野车，其中间轮用于支撑，它使用“五级辅助悬挂”旅行系统。 Micro5障碍物机器人的整体重量约为5kg，整体尺寸为54x52x24cm，跨越障碍高度13cm，爬坡能力40度，步行速度1.5cm / s。日本国家宇航研究所开发了一种四轮驱动的微型典型五轮越野车，其中间轮用于支撑，它使用“五级辅助悬挂”旅行系统。 Micro5障碍物机器人的整体重量约为5kg，整体尺寸为54x52x24cm，跨越障碍高度13cm，爬坡能力40度，步行速度1.5cm / s。中国军械工程学院研制的六轮驱动车辆障碍物具有十分重要的意义，其整体结构包括前驱转向机构、前轮、后轮在组内和车架上，前轮安装在前轮转向机构上，转向机构与车架前部固定连接，组中的后轮与车架连接。其优点是：六轮驱动车辆障碍物，确保车轮行驶阻力大，效率高，不增加方向盘直径和底盘高度，大大提高障碍物性能，特别是对于高垂直障碍物攀爬附着能力，后车轮在遇到障碍时可以适应障碍，具有结构简单的优点。图 2.1 四轮三轴月球车 图 2.2 五轮式越障车图 2.3 六轮式越障车2.1.2 履带式越障机构履带式越障机构因其一般比较沉重，行驶不易打滑，所以其在凹凸不平、松软的地方行驶非常的稳定，适应环境能力较强，其越障能力也非常的好。但其重量大、能耗较高、速度相对较低。 由哈尔滨龙海特机器人科技有限公司研制的履带式排爆机器人，履带式底盘具备较强的越野能力和地形通过能力，其包括了越野环境戈壁、草地、坡道等场景及常见的楼梯、瓦砾堆，其低速稳健行驶的行驶能力很突出，被用于公安武警部门侦查、排爆、矿业等领域救援、搬运、勘测等任务。图2.4 履带式排爆机器人2.1.3 腿式越障机构腿式越障机构环境适应性强，能跨越较为复杂的障碍，有着较为强悍的越野能力，因其有着良好的自由度，动作灵活，但其运行速度较为缓慢，而且控制起来非常的复杂。由美国卡内基-梅隆大学和美国航天航空局联合研制了DanteII，其高4米，重660kg，速度1.2m/min，步长1.1m，最大可跨越障碍1.2m，最大单步转弯12度。其仿生的设计，用仿生运动的原理走路和越过障碍物。我国对腿式越障机构也有许多研究，这里就不一一阐述。图 2.5 腿式越障机器人2.2 越障机构的分析比较与选择2.1已经介绍了目前常用的三种越障机构方式，下面进一步的分析和比较优缺点4。表2.1 越障机构分析越障方式优点缺点轮式速度快、效率高越障能力差履带式地形适应性较强、越障能力较强速度较慢、重量大、功耗高腿式地形适应性极强、越障能力强速度低、效率低、控制复杂 从以上表格中可以清楚的看到各个越障机构的优缺点，先分析一下对越障机器人的技术要求：（1） 效率高、结构简单；（2） 重量轻、功耗低；（3） 越障能力好，环境适应性胡搜。综合考虑了各个越障机构的特点以及对越障机器人的技术要求，决定采用履带式越障机构，原因有如下2点：（1）采用履带式越障机构，因为其有较强的越障能力和环境适应性；（2）履带式机构结构相对简单，控制方便。并将其改进为主从复合履带式机构，前端为从动履带，后端为驱动履带，下面确定具体的越障机构设计。2.3 越障机构的确定2.3.1 几种常见障碍物的分析1. 高台阶从日常生活中我们可以了解到台阶的高度一般在5cm-10cm左右，要想越过这些台阶，越障机器人的前端必须能够够到到台阶的顶端形成支点，再通过调整姿态从而跨越障碍，如图2.6所示。图 2.6 翻越台阶示意图2.斜坡斜坡的坡度一般从，要想翻越斜坡，越障机器人一个是要有足够的动力，一个是履带具有很好的附着力，这样越障机器人才能翻越斜坡，如图2.7所示。图 2.7 翻越斜坡示意图3.坑洼地带越障机器人想要通过坑洼地带必须有支点能跨越到坑洼的另一边，如图2.8所示。 图 2.8 跨越坑洼地带4.水平路面在水平路面行驶时，为了减少摩擦，将部分履带收起，从而也减小了功耗，如图2.9所示。图2.9 水平路面行驶示意图2.3.2 机构的确定根据2.3.1的分析，初步确定了如图2.9的设计方案，该越障机构具有很好的越障能力，结构也非常的简单。其前从动履带可以通过调角杆上下调整角度，为越障机器人提供越障的支点，后端驱动履带作为驱动并且带动前端从动履带运动。图 2.9 越障机构的设计2.4本章小结本章对几种常见越障机构的分析和比较，简单明了的介绍了各个越障机构的优缺点，还分析了几种常见的障碍物，最终确定了越障方案，选择履带主从复合式的越障方案，这种越障方式越障能力强，而且结构简单，很具有实用性，下一步就应该确定具体的机构设计和参数计算。第3章 主动适形越障机器人的设计3.1 越障机器人总体机构的设计结合第2章的分析，设计出了图3.1的越障机器人总体方案，其采用带传动的方式。1与15采用带连接，6与7采用带连接，16与18采用带连接，8与9采用带连接。16和15、7和8是连在一起的，他们以轴承的形式连在轴上作从动，驱动轮为1和6，驱动轮采用左右分开，这样可以实现差动转向。越障机器人通过调角杆来调整前从动履带，从而形成支点跨越各个障碍。备注：1.车轮1 ， 2.轴1， 3.电机1， 4. 电机2， 5.轴2， 6.车轮2， 7.车轮5， 8.车轮6， 9.车轮7， 10. 电机3， 11.轴3， 12.齿轮2， 13.齿轮1， 14.轴承座， 15.车轮4， 16.车轮3， 17.调角杆， 18.车轮8；图 3.1 总体结构方案3.2 传动机构的设计系统传动机构是由步进电动机1、2、3，传动轴1、2、3，齿轮1、齿轮2构成5，参见图3.1。步进电机1、2作为驱动电机，分别与轴1和轴2相连，他们两个保持同步，分别驱动车轮1与车轮2的转动，从而带动后端带的转动，因为车轮3和车轮4、车轮5和车轮6分别连在一起，他们以轴承形式安装在轴上，从而也带动了前端从履带的转动。步进电机3通过齿轮1驱动齿轮2，从而调整调角杆的角度，从而形成支点，以适应不同的障碍。3.3 主要零部件的选择设计3.3.1 轴承的选用考虑到轴承不易制作，在实际中可以使用标准件用于越障机器人。轴承在选用时应尽量选用摩擦系数小的，以减少对能量的损耗。由表格3.1，可知深沟球轴承的摩擦系数适合，所以车轮均采用深沟球轴承。轴承的选用标准参考简明机械设计手册同济大学出版社第252页常用滚动轴承的基本尺与数据6，选用合适的深沟球轴承C6201，最小直径为12mm，最大外径为32mm厚度为10mm。表 3.1 摩擦系数表轴承类型摩擦系数深沟球轴承0.002角接触球轴承0.003调心球轴承0.003圆柱滚子轴承0.002圆锥滚子轴承0.008调心滚子轴承0.004推力球轴承0.003 对轴承的校核与计算如下：1) 计算各轴承所受径向力图3-7 轴承的受力分析 式中：与轴承1的间距；两作用点之间的距离。2) 计算各轴承所受的轴向力 ，3) 轴承的校核针对接触疲劳寿命和静强度进行分析通常应用于轴承校核，本文也从这两个方面进行计算。由于工作过程中难免存在震动和冲击，轴承的当量动载荷计算式为：P=f Fr其中：Fr、P、f分别表示的是轴承径向载荷、轴承的当量动载荷、动载荷系数，f=1.0的情况是在平稳或小冲击时取得。轴承的使用寿命计算：Lh=10660nCP3上式中：n、Lh、P、C分别表示轴承转速、轴承的寿命、轴承的当量动载荷、轴承的基本额定动载荷。分别带入和，计算得：，查表12得，在机械类型为：每日8h工作机械（利用率较高），所以，和都比正常时间高，故轴承全都满足设计需要和安全要求。3.3.2 步进电机的选用越障机器人采用步进电机驱动，根据选择的轴承，可以初步将车轮的尺寸确定，其尺寸为内径为d=32mm，外径为D=50mm，宽度为h=30mm，对整个越障机器人的质量估算7，有: 公式 (3-1)为车轮材料(硬质塑料pvc）的密度，；带入以上数据通过公式计算得：，小车总共有8个轮子，则。越障机器人底座板设计为240mm200mm10mm，轴承座可以看成是80mm60mm10mm，前车轴为底面圆半径为6mm，高为320mm，后车轴底面圆半径为6mm，高为150mm，这些部件都采用轻质铝合金，则这些部件总质量为： 公式（3-2）将以上数据带入公式中可得，。通过这些数据的计算，越障机器人总体的质量估算为，接下来选取步进电机。通过查取车轮材料的摩擦系数，其动摩擦系数u=0.4,则转矩: 公式 (3-3)该越障机器人采用左右后轮两个电机分别驱动，则每个电机至少提供的扭矩为： 公式 (3-4)根据需要提供的最小扭矩，通过查机械设计手册8，选择如下的表3.2的步进电机，这样就有了足够的驱动力。 表3.2 步进电机参数电机型号类型电流输出力矩重量驱动器57BYG250B两相3A1.2N.M0.65kgTB66003.3.3 轴的设计越障机器人的设计方案中包括三根轴，后车轮轴轴1、轴2、前轴3，依据3.3.1选用的轴承，这3根轴的最大直径应该为12mm，材料都选用45钢9。因为越障机器人的这几根轴承受的扭矩的较小，45钢的强度已经完全够用，不再对轴的强度进行校核。轴与车轮的装配采用过盈配合，因为塑料pvc具有一定的塑性，装配起来较为轻松，轴和轴承装配为过盈配合，采用热处理的方式。轴1、轴2的尺寸见图3.3：图 3.3 轴1设计轴3的尺寸见图3.4：图 3.4 轴3的设计对轴承校核如下，受力分析:计算齿轮传动作用在轴上的压轴力 有效圆周力，N； 压轴力系数，对于垂直传动。， ， P=60W ，对轴进行受力分析图3-2 轴垂直面受力图3-3 轴水平面受力分析由前面可知，1) 水平面支反力的计算， ， 2) 垂直面支反力的计算 ， ， 3) 矩计算轴的弯 危险截面通常是承受扭矩的截面和最大转矩的，因此必需对该截面进行校核。有的时候也对其他危险截面，如弯矩不是最大的但轴径较小的截面，进行强度的校核。取；（实心圆轴）。因45钢的，所以A处轴径安全。3.3.4 轴承座的设计根据选的轴承和轴的设计，设计出了如图3.5的轴承座，其厚度为10mm，销钉孔的直径为，轴承和轴承座装配为过盈配合，采用热处理的方式。图 3.5 轴承座 3.3.5 齿轮的设计选用 根据设计需要，设计齿轮1与齿轮2的传动比i=2，选用直齿圆柱齿轮，材料为锻钢。当齿轮传递动力时，模数需要大于等于2，如果只是传动的话，可以选择较小的，所以根据机械原理第202页标准模数表（图3.3）确定齿轮1、齿轮2的模数都为210。调角杆的齿轮转动精度要求高，所以齿数越多越好，标准齿轮不发生根切的最少齿数为17，所以我们选用齿轮1齿数为20，齿轮2齿数为40。齿轮1和齿轮2的总齿数为60,压力角采用标准值为。表3.3标准模数系列表（GB/T 1357-2008)第一系列11.251.522.5345681012162025324050第二系列1.1251.3751.752.252.753.54.55.56.57911141822283545根据机械原理第202-203页10齿轮结构设计可计算出齿轮1、齿轮2的参数如下：国家标准GB/T1356-2001中规定， 已知m=2 ，则： 齿轮1：=20，直径=m=40mm； 公式（3-5）齿顶圆直径 =44mm； 公式（3-6）齿根圆直径=35mm； 公式（3-7）齿顶高 =2mm； 公式（3-8）齿根高 =2.5mm； 公式（3-9） 齿轮2：=40，直径=m=80mm齿顶圆直径 =82mm ；齿根圆直径=75mm；齿顶高 =2mm；齿根高 =2.5mm齿宽的确定：由公式得： 公式（3-10）齿轮1齿宽：=62=12mm齿轮2与齿轮1的中心距a=m(z1+z2)/2=60mm 公式（3-11）对于一般的啮合齿轮，为了防止大小齿轮因装配误差产生轴向错位时从而导致啮合齿宽的减小而增大轮齿的载荷，在设计上应该让主动轮比从动轮齿宽大（35mm）。所以齿轮2的齿宽为=10mm。选取完成后对其两个齿轮校核，两个齿轮的才材料都为45钢，调质处理，硬度；选取两个齿轮的齿数：，传动比为2；由齿面接触疲劳强度设计，试计算：；确定上式内的各参数：选取载荷系数；齿轮1传递的转矩齿宽系数为1，区域系数ZH= 2.5，由表1010-6查得使用该材料的弹性影响系数为ZE=189.8MPa，；由10图10-25D查得齿轮1的接触疲劳极限=600MPa，齿轮2的接触疲劳极限=600MPa。计算应力循环次数：=其中 、J、分别表示齿轮的转速（单位为r/min）、齿轮转一周相同齿面啮合过的次数、齿轮的工作寿命（单位为h）。 接触疲劳寿命系数，；选取整个装置的失效率是1%，稳定系数S=1，所以接触疲劳许用应力为： 齿轮1转速的计算：齿轮1的转速就是电机的转动速度，机动门要求速率较低，在这里我们取电机主轴的速度为42r/min 。 由上面分析可以得到分度圆的直径 = =32.44计算圆周速度V： = =0.071m/s计算齿宽b计算齿宽与齿高之比：模数计算载荷系数：由上面计算得V = 0.071m/s ，7级精度，由查11图10-8得：；直齿轮，假设。由11表103查得 ；由表1110-2查得使用系数；由表1110-4运用插值求得7级精度、齿轮1选择支承非对称放置；， ，由查表1110-3得到。故载荷系数按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（1010a）得计算模数： ，这里取由式（105）得弯曲强度的设计公式为确定公式内的各计算数值：由11图1020c查得齿轮1的弯曲疲劳强度极限；齿轮2的；由11图1018查得弯曲疲劳寿命系数，计算弯曲疲劳许应力：取弯曲疲劳安全系数S = 1.4，有式（1012）得：计算载荷系数查取齿形系数，由11表105查得 ， ；查取应力校正系数，由12表105查得 ， ；计算齿轮1，齿轮2的并加以比较，由计算结果可以看出，齿轮2的数值较大。设计计算通过校核结果可以发现，齿轮表面的接触疲劳超过了齿根的弯曲强度的模数。因为承载能力决定了齿轮模数，而承载能力又被齿面接触强度决定，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，因此可以取有齿根弯曲疲劳强度计算的模数m=2，齿轮的设计参数可以满足强度需求。3.4 本章小结 本章主要介绍了越障机器人的总体设计结构和主要零部件的选用设计，通过查阅资料、参数计算和画CAD图设计，设计出主动适形越障机器人，下一步对已设计好的参数和零件进行验证，通过绘图验证从而确定方案的可行性。第4章 主动适形越障机器人的设计验证当越障机器人的主要部件尺寸参数确定后,开始用SolidWorks2012与Creo2.0三维设计软件对越障机器人主要零部件进行1：1三维建模验证，验证其尺寸合理性。当零部件三维建模验证完成后，对越障机器人进行装配，再次验证尺寸设计合理性。4.1 齿轮的三维建模SolidWorks2012有着强大的标准件设计库，在齿轮、轴承、螺钉、钉销等标准件尺寸参数确定的情况下，利用SolidWorks2012的标准件设计库可以很快的完成标准零件的建模，只用在相应的标准件之间输入尺寸参数，SolidWorks2012就会生成相应的标准零件11。 首先启动SolidWorks2012界面，单击菜单选项【新建】（见图4-1）图4-1 新建零件界面图然后单击【零件】，确定。再打开标准齿轮生成插件齿轮设计GearTrax2012,参见图4-2。图4-2 GearTrax2012界面在节距数据中选取模数节距，模数选取为2，大齿轮齿数中输入40，小齿轮齿数中输入20，齿面宽度中输入7mm，然后单击创建，系统就会自动生成如下，见图4-3：图 4.3 齿轮2的初步建立在单击齿轮的一个面，单击右键选择【正视于】，再在功能菜单栏中选择【草图】，在齿轮面中心绘制一个直径12mm的圆，用于轴承的配合孔。在该圆周围绘制3个直径5mm的圆，作为定位孔，如图4-4。图 4.4 齿轮2的三维建模通过相同的方式可以得到齿轮1，如图4.5。图 4.5 齿轮1的建模4.2 轴的三维建模Creo2.0相对与solidworks在绘制简单三维图方面有着更简洁的操作，所以越障机器人的三维建模我们使用Creo2.0.所选用的前车轴（参见图4.6）、后车轴（参见图4.7）、参照设计的尺寸，分别进行【拉伸】建模，得到的建模图形如下：4.6 前车轴图4.7后车轴4.3 轴承座的三维建模轴承座起到固定和支撑轴承的作用，确定了车轮尺寸、轴的长度及轴承标准之后，轴承座的尺寸高低对越障机器人的的运动不影响，为了方便越障机器人的三维建模设计，所以9个轴承基台规格尺寸要一致，厚度为10mm。轴承座的草图如图4.8，然后对其拉伸，设置宽度为10mm，然后再进行孔选项，最后得到了图4.9。4.8 轴承座草绘图 图 4.9 轴承座的三维建模4.4 固定套的三维建模为了齿轮与轴、车轮与轴更好的固定连接，我们设计了如下的固定套，因为齿轮1和齿轮2的大小不同，其固定套的大小也不同。后车轮与轴也采用固定套的连接。我们以大齿轮和轴的连接为例，对其进行草绘（图4.10），然后添加中心线旋转，完成后对其进行孔选项和阵列，完成后如图4.11。 图 4.10 固定套草图图 4.11 固定套的三维建模4.5 车轮的三维建模根据设计前车轮与后车轮是不一样的，因此我们分开建立三维立体图。我们先对前车轮进行三维建模，对其进行草绘（图4.12），然后对其旋转，完成后在执行草绘命令，选择拉伸，最终得到图4.13。图 4.12 前车轮草绘图图 4.13 前车轮三维建模后车轮的三维建模跟上边一样，这里就不再讲述，建模完成后如图4.14。图 4.14 后车轮的三维建模4.6 主动适形越障机器人的尺寸装配验证在Creo2.0的界面下，装配具有很好操作性，具有操作简单、易学、易用，方便灵活的特点。在完成约束下，能根据用户的设计样式进行装配，完成越障机器人的三维建模12。在建立了越障机器人的主要零部件模型后，开始进入装配环节。打开Creo2.0界面，单击新建，类型选择装配（图4.15），按照由下到上，先左后右的原则装配。装配我们分部进行，主要分为齿轮2与前车轴的装配、后车轮与后车轴的装配、齿轮1与电机的装配、轴承座与轴承的装配，最后再与底座装配，完成越障机器人的总装配。图 4.15 装配界面开始装配，开始齿轮2与前车轴的装配，选取齿轮2零件，然后选取固定套零件，选取这两个的中心线，约束选为重合，选择齿轮与固定套连接孔的中心线，约束选为重合，这时6个连接孔都能重合对齐，选取两个相对面重合，再用销钉连接，说明齿轮2与固定套连接孔的设计尺寸定位是正确的。选取轴零件的中心线与齿轮的孔中心线，约束为重合，再选取轴上连接孔的中心线与固定套连接孔中心线，约束选为重合，这时齿轮2与前车轴装配到一起，说明前车轴与齿轮2的装配尺寸是正确的，用销钉连接，如图4.16所示。图 4.16 前车轴与齿轮2的装配通过齿轮2与前车轴的装配，说明了轴与齿轮的装配尺寸设计是合理的。进行后车轮与后车轴的装配，选择车轮固定套与后车轮的中心线，约束选为重合，选择固定套与车轮连接孔的中心线，约束为重合，这时6个孔能完全重合，说明后车轮与固定套的配合尺寸是合理的。选取后车轴与后车轮的中心线，约束为重合，选取定位孔的中心线重合，这时后车轮与后车轴完全配合，说明后车轴与后车轮的装配尺寸设计是合理的，装配完成后如图4.17所示。图 4.17 后车轮与后车轴的装配通过后车轮与后车轴的装配，说明了后车轮与后车轴的装配尺寸设计是合理的。轴承座与轴承的装配，先选取中心线进行重合约束，在进行面重合约束，说明轴承座的尺寸设计是合理的，能与标准的轴承完全配合，装配完成后如图4.18。图 4.18 轴承座与轴承的装配通过轴承座与轴承的装配说明了轴承座的尺寸设计是合理的。进行电机轴与齿轮1的装配，选取齿轮1零件，然后选取固定套零件，选取这两个的中心线，约束选为重合，选择齿轮1与固定套连接孔的中心线，约束选为重合，这时6个连接孔都能重合对齐，选取两个相对面重合，再用销钉连接，说明齿轮1与固定套连接孔的设计尺寸定位是正确的。选取电机轴零件的中心线与齿轮1的孔中心线，约束为重合，再选取轴上连接孔的中心线与固定套连接孔中心线，约束选为重合，这时齿轮1与电机轴紧密装配到一起，说明后车轴与齿轮1的装配尺寸是正确的，用销钉连接，装配完成后如图4.19。 图 4.19 齿轮1与电机轴的装配通过对齿轮1与电机轴的装配，说明电机轴和固定套的尺寸设计是合理的。 从动轮与调角杆的装配，选取调角杆的车轴中线与从动轮中心线，约束选为重合，再选取从动轮车轮面与调角板间距约束，这时从动轮与轴紧密装配到一起，说明调角板的尺寸设计是合理的，装配完成后如图4.20。图 4.20 调角杆与从动履带轮的装配通过调角杆与车轮的装配说明调角杆的尺寸设计是合理的。图 4.21 前车轮与轴承的装配主要分部件装配好后，进行主动适形越障机器人的总装配，现将底座与轴承座装配好，然后分别插入各组装好的部件，完成总装配，如图4.22。图 4.22 主动适形越障机器人的三维模型图通过对主动适形越障机器人三维建模，对其各零部件的装配组合，其各零部件的三维模型可以按设计要尺寸装配到一起，证明了其各零部件的设计尺寸参数是合理的，所以整个越障机器人的设计方案是可行的。4.7 本章小结 本章通过对越障机器人各主要零部件的尺寸验证，及总装配的验证，证明对越障机器人的设计方案和设计尺寸参数是可行的。第5章 总结本论文通过查阅分析越障机器人的现阶段的发展状况，对比国内外越障机器人的发展情况，了解了越障机器人各个越障方案的优缺点，总结对比了各个越障方案。从国内外对越障机器人的发展力度可以看出，越障机器人对未来的发展有着至关重要的作用。总结本论文，本论文的主要研究内容有： (1)系统地回顾了大学本专业所学的知识，结合自己所学的知识设计出了越障机器人，对以后的工作学习打下了基础。 (2)系统地学习了Creo2.0和Solidwork三维建模软件的使用，为下一步的深入学习奠定了坚实的基础。现如今越许多障机器人已经应用到现实生活当中，为人们带来了极大的方便，但是越障机器人还有很多不足的地方等待改进。伴随着国内外对越障机器人的进一步设计优化改进，相信越障机器人会有更进一步的发展。参考文献1 邓宗全，高海波，王少纯.行星轮式月球车的越障能力分析J.北京航空航天大学学报，2004,30(3):197-201.2 陈世荣,汪义平.轮式机器人越台阶控制与仿真J.机械设计，2007,24(1):13-15.3 张茧，黄红立.湖大首创四轮菱形“月球车”J.湖南日报，2008.10.13.4 白师贤.高等机构学M.上海:上海科科学技术出版社，1988.5 华大年. 机械原理M.北京：高等教育出版社，1994.6 洪钟德. 简明机械设计手册M. 同济大学出版社，2002.5.7 陈立德，牛玉丽.机械设计基础课程设计指导书M高等教育出版社,2005.8 王文斌. 机械设计手册（第3版）M.北京：机械工业出版社，2004.8.9 濮良贵，纪名刚. 机械设计（第八版）M.北京：高等教育出版社，2006.5.10 李杞仪，赵韩. 机械原理M. 武汉：武汉理工大学出版社，2001.8.11 俞斌. SolidWorks2010中文版从入门到精通M.北京：人民邮电出版社，2010.7.12 詹友刚.Creo机械设计教程M.北京：机械工业出版社，2013.5.13 费仁元，张慧慧. 机器人机械设计和分析M.北京：北京工业大学出版社，1998.14 陈立德，牛玉丽.机械设计基础课程设计指导书M北京：高等教育出版社,2005.致 谢 时间过得可真快啊，一瞬间四年的大学生活即将逝去，仿佛还沉浸在大一青涩。而在离开大学校园前的最后一项学习毕业设计论文中，使我仿佛又回到了昔日的课堂，学习到了许多平时不会关注的知识。在本次论文写作中，非常感谢吴神丽老师的细心指导和修改。在吴神丽老师的谆谆教诲下，使我豁然开朗，受益匪浅。在此，我向她表示真诚的谢意，同时还要感谢在我毕业设计过程中给予帮助的老师和同学。通过本次对越障机器人的设计过程，我明白了越障机器人的发展研究对人类的发展是很重要的，自然灾害的搜救、残疾人的生活辅助、反恐等都离不开越障机器人的支持。本次论文不足之处在于本次设计过程中没有对越障机器人进行优化，只是阐述了自己的设计理念。附录 外文翻译Surmounting obstacles by arm maneuver for unmanned power shovelAbstractLarge debris created after natural disasters restrict access to inner parts of affected regions, and slows down disaster relief operations. Power shovels are often used to clear wreckage but the process can take a lot of time. Moreover, it is dangerous to involve human workers operating heavy machinery in such unstable conditions. To speedup access to inner areas, obstacles can be surmounted with the assistance of carefully maneuvered power shovel arm, instead of removing them. In this work, an autonomous obstacle surmounting technique for an unmanned power shovel isproposed. Out of different sequences, the one that optimizes the total energy consumption is chosen as the best can- didate for surmounting a given step-like obstacle. Dynamic simulation results show the effectiveness of the proposed method.BackgroundEach year many countries in the world are challenged by natural disasters such as earthquakes, floods, tsu- namis, typhoons and so on. While these disasters can cause loss of life, they also generate large amounts of debris, which further reduces access to inner parts of the affected regions. This results in slowing down of search and rescue missions as well as other disaster relief opera- tions. Power shovels are used in disaster stricken areas to remove wreckage and to clear up roads. Neverthe- less, it is a dangerous task to involve human workers to operate such heavy machines in these conditions as there is chance of tip over of these machines due to instabil- ity. Moreover, it can take a lot of time to clear up all the obstacles and finally get access to inner areas.In order to speed up disaster relief operations, large obstacles can be surmounted instead of clearing them. Using crawler wheels, power shovels have the ability to go over objects effectively compared to other vehi- cles. However, there exists several challenges to obsta- cle surmounting with power shovels as follows: only theobstacles that are within the climbing limit of the crawler can be overcome; crawler power can be easily saturated; power shovel can tip over and damage itself if not moved skillfully when it is on top of an obstacle; being heavy machines, power shovels are also difficult to get back to the original state at the event of tip over.To overcome the aforementioned problems, a power shovel can maneuver its arm effectively to assist the obstacle surmount operation. In fact, such arm assistance is being used nowadays to load small power shovels to trucks for transportation. As can be seen on 1, it can be achieved only with great level of skill and competency. Considering this scenario as a starting point, this work presents an autonomous arm maneuver based obstacle surmounting method to overcome a step-like structure for an unmanned power shovel (Fig. 1). Among different maneuver sequences, the best maneuver is chosen based on the minimum total energy consumption. Further- more, a smooth trajectory of the machine is preferred to avoid any vibrations and jerk exerted on itself and on its surroundings.Previous works on excavators can be found at 25. Ref. 2 presents a dynamic model for an excavator with the intention of developing an automated excavation con- trol system for terrestrial, lunar, and planetary excavation. The kinematics of excavators having hydraulic actuatorsare investigated in detail in 3. Ref. 4 mainly focuses on a system that completely automates the truck loading task. In that system the excavators software decides where to dig in the soil, where to dump in the truck, and how to quickly move between these points while detecting and stopping for obstacles. The nature of an excavation process and the way it may be controlled is investigated with the intention of automatic excavation in 5.Among other related works, an autonomous stair- case climbing tracked mobile robot is introduced in 6. However, it does not use any arms for assistance. Ref. 7 introduces a pilot system for a rescue robot to let a human operator suggest good directions to traverse on a 3D debris environment. In contrast, the proposed sys- tem seeks autonomous operation without any human intervention. Ref. 8 has proposed a wheeled robot with a movable center of mass (CoM) to ease the traverse over rough terrain. The proposed system also considers change of CoM, indirectly, by maneuvering its arm; how- ever, the main focus is on getting the reaction force at the bucket as a support to lift the power shovel crawler. Problem statementGiven a step-like obstacle, the power shovel should maneuver its arm to climb up the obstacle in a smooth trajectory. Also, it should carry out the maneuver in such a way that the total energy consumption is minimized. The whole process is to be automated so that the risk for the human workers is eliminated.NomenclatureThe basic parts of a power shovel are illustrated in Fig. 1; boom, arm and bucket are the main links considered,while each link is attached to the previous link by boom- joint, arm-joint and bucket-joint, respectively. These joints are individually controlled to achieve different poses similar to a serial link robot manipulator. There is a rotating platform, which can rotate around its local z axis (vertical) so that the whole boom-arm-bucket composite can be moved to its front and back, symmetrically. The vehicle stands on a crawler that provides better mobility on unstructured terrain.MethodsIn the proposed method the obstacle surmount operation is divided into two stages. In the 1st stage, the bucket is kept at the front of the power shovel and it provides the required reaction force to lift the front of the crawler to climb up the step-like structure; the rear of the crawler maintains contact with the ground level. This is illus- trated in Fig. 2a. After the 1st stage is completed, the platform rotates 180 to move the boom-arm-bucket composite to the back of the power shovel to initiate the 2nd stage. Similar to the 1st stage, the bucket provides the required reaction force to lift the rear of the crawler to complete the total surmount operation in the 2nd stage. This is illustrated in Fig. 2b. Throughout 1st and 2nd stages, the bucket maintains fixed ground position either by using friction force 1 or anchored by bucket teeth, which acts as a pivot for stable maneuver; the suit- able anchoring method can be chosen depending on the environment.DiscussionIt can be observed that the CFSQP result compare well with the result obtained in the exhaustive slow batch simulation. In fact, CFSQP had captured the continuous nature of the objective function (energy) and as a result had been able to obtain the most energy efficient param- eters, which cannot be seized even when exhaustive batch simulations are run based on smaller parameter incre- ments. This is evident from CFSQP energy result being smaller than that of the exhaustive slow batch simulations. To make CFSQP running, a modification had to be included into the original algorithm. That is, when the gradient of the objective function is calculated by finiteAngle degdifference approximation, the algorithm tends to use nearby points, which can even violate the given con- straints. This can make ODE crash due to ill-defined inputs. To overcome this problem, a large cost was injected when ill-defined points were tested.The joint trajectories for boom, arm and bucket joints (Figs. 11, 12, 13) confirm that the joints undergo smooth transition. However, the discontinuity of each figure needs special mention. After the 1st stage has finished the platform rotates to the back of the power shovel to start the 2nd stage. It is assumed that this trivial operation can be done by constant energy and therefore omitted from the analysis for simplicity. As a result, a discontinuity can be seen due to the mismatch of final and initial joint posi- tions between sequence 1 and sequence 21.The parameter P4 is considered to be constant in thesimulation. The only requirement for P4 is such that the power shovel should be able to maintain stability once it lifts the bucket after sequence 22 is completed. There- fore, as long as this requirement is fulfilled, P4 can be set to an empirical value and not be included in the optimi- zation process.The open dynamics engine (ODE) 9 consists of two default solvers namely, (1) Dantzigs Agorithm solver, and(2) Successive Over-Relaxation (SOR) Projected Gauss- Seidel (PGS) LCP solver. Dantzigs Agorithm solver has been used in this work as it attempts to achieve anumerically exact solution, even though it is about one order of magnitude slower than SOR PGS LCP solver.From Fig. 14, it can be observed that the joint tor- ques undergo certain transients at different stages. At the beginning of 1st stage, torque transients occur due to two reasons: (1) front of the crawler looses the contact with ground, and (2) internal forces generated when the bucket starts pushing the step or ground. A similar condition occurs at the beginning of the 2nd stage where the back of the crawler (however, seen as the front of the crawler due to platform rotation) starts moving upwards and looses contact with the ground. Another important observation is that the gravity terms (mass of each link) have dominated over other terms such as Coriolis, centripetal and inertial terms because of the relatively small joint velocities and accelerations.As the first step of obstacle surmount operation a sim- ple step-like structure was chosen as the obstacle. How- ever, one should not forget that power shovels have the advantage of modifying the terrain using its arm and bucket. As a result, it can pave the unstructured terrain in front of it to shape it to a step-like structure using fast methods like bench cut method and employ the proposed method; totally modifying the terrain into a smooth slope would take a considerable amount of time, which negates the