毕业设计（论文）-四履带搜救机器人机械结构设计-摆臂设计

本科毕业论文V由《机械设计》表6--1查的平键截面=，键槽用键槽铣刀加工，长为同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为。半联轴器与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为。4.4本章小结本章通过对几种主要的减速器进行对比，结合矿用履带搜救机器人的工作环境，外型尺寸，确定所选用减速器的形式。5履带的设计计算5.1带的选择由于在考虑履带装置设计时，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，梯形双面齿同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。同步带是以钢丝绳或玻璃纤维为强力层，外覆以聚氨酯或氯丁橡胶的环形带，带的内周制成齿状，使其与齿形带轮啮合。同步带传动时，传动比准确，对轴作用力小，结构紧凑，耐油，耐磨性好，抗老化性能好，一般使用温度,，,对于要求同步的传动也可用于低速传动。

同步带传动具有以下特点：

（1）传动准确，工作时无滑动，具有恒定的传动比；

（2）传动平稳，具有缓冲、减振能力，噪声低；

（3）传动效率高，可达，节能效果明显；

（4）维护保养方便，不需润滑，维护费用低；

（5）速比范围大，一般可达，线速度可达，具有较大的功率传递范围，可达几瓦到几百千瓦；

（6）可用于长距离传动，中心距可达以上。

同步带传动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。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，因此可在不允许有污染和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。由已知输出功率为；由已知设计装置爬坡移动速度，根据公式，可得主动轮转速预先设计履带主动轮直径=160mm，履带从动轮直径=，由公式，可得.。故可以得到设计的已知条件如下：（1）传递名义功率.（2）主动轮转速.（3）从动轮转速（4）中心距.5.2计算带的型号和节距由设计功率=和=120r/min，考虑到可以用双面交错梯状齿形同步带作为履带使用，由图6-1查得型号选用XH型，对应节距=22.225mm，图6-2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=2.794mm，=15.49mm。图5-2梯形齿同步带，轮选型图图5-3梯形齿形状图5.3计算主从动轮直径为了增大摩擦力，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=160mm，履带从动轮直径=160mm。选择履带主动轮型号为23XH，履带从动轮型号为23XH，就近圆整带轮直径，查得履带主动轮直径=162.71mm，履带从动轮直径=162.71mm。前臂履带与平行移动履带型号一样。故前臂驱动轮直径确定为162.71mm。5.4本章小结为了减轻履带驱动装置的重量，可以选择硬铝合金作为履带主，从动轮的材料，硬铝合金主要是加入铜，镁，锰元素，故硬铝合金具有密度小，质量低，强度高，硬度高，耐热性好的优点，能够满足设计性能要求。通过本章的分析，选择梯形双面齿同步带作为设计履带，确定了带的型号和节距，主从动轮直径，以及节线长度和带宽，同时也采用了肋板作为支撑，节省了材料.图5-4XH型同步带轮尺寸表

规格齿数节径d外径do档边直径df档边内径db档边厚度h18XH18127.34124.551391104.519XH19134.41131.621461174.520XH20141.49138.691531244.521XH21148.56145.771601314.522XH22155.64152.841671384.523XH23162.71159.921751454.524XH24169.79166.991811524.525XH25176.86174.071881594.526XH26183.94181.141951664.527XH27191.01188.222021734.528XH28198.08195.292091804.530XH30212.23209.4432XH32226.38223.5940XH40282.98280.1848XH48339.57336.78

60XH60424.47421.6772XH72509.36506.576摆臂结构设计6.1摆臂作用摆臂的作用是是机器人在越障时起辅助作用，使机器人受力情况改变，更加灵活的适应崎岖的环境。主要作用为以下两点：1．支撑摆臂的前轮，使之能够自由滚动。2．360度转动时，能够支撑起车体。为了使与摆臂相连的轮能够自由转动，设计成输出轴上套轴承，轴承支撑车轮的形式。摆臂主体实际上是一块钢板，形状与摆臂两个轮的形状相一致，尺寸略小于轮。前导轮安装在一个短轴上，而短轴也是通过花键嵌到肋板上的。为了使花键与肋板不发生相对错动，故当肋板安装到位后，用螺栓将肋板与花键轴连接起来。为了增加肋板的强度刚度，在肋板外侧连接一个条形挡板。在肋板前端短轴末端用螺栓连接一个挡板，用来卡住轴承。为了使之运动平稳，肋板相连的大轮直径应该与前车轮直径相同而为了减小整机的尺寸，前轮是靠轴承支撑的。摆臂是用来联接主动轮与摆臂轮，且能固定摆臂轮。摆臂的长度由越障高度来决定。本设计中，由于机人本体较重，为减轻重量，采用肋板式结构。摆臂先通过铸造，然后进行钻孔、铣键槽等机械加工。安装摆臂轮处采用自张紧结构，通过靠螺栓锁紧摆臂轮张紧履带，这样结构相对变得简单，而且有利于减重。摆臂需加工花键，通过花键与齿轮联接，从而实现摆臂旋转运动。固定肋板处厚度为。6.2肋板部分设计履带肋板是整个履带驱动装置中的基础部分，主要起支撑作用，履带从动轮，张紧轮分别安装在肋板上，所设计的机器人移动部分采用的是轮履结合式，这种机构设计使机器人具有良好的越障和爬坡能力，履带驱动部分必须能够实现在履带主动轮转动的过程中肋板也能够绕从动轮的轴线转动，即在有不同角度障碍物的情况下能够顺利越碍。支撑轮等零件都以前后肋板为固定支架，前后肋板的刚度直接影响着这些零部件工作状态，若前后肋板刚性较差，在受到外界冲击力的作用下易产生变形，那么将会直接导致电机安装位置产生错位，电机驱动齿轮与后同步带轮中的传动齿轮不能正常啮合甚至卡死，或者导致安装在后肋板上的承重轮不能正常支撑同步带，失去承载机器人负荷的作用。为了实现肋板能够绕轴线中心转动，需要使用电机提供扭矩，履带驱动装置需要的扭矩越大，相同型号的电机的尺寸也越大，从经济性的考虑，应尽量减轻整个履带驱动装置的重量，所以在材料选择方面，肋板的材料应满足质量轻，高强度，高硬度，易加工的优点，综合选择，镁合金能够满足一般的性能要求，所以肋板的材料选择镁合。6.3摆臂参数计算1.齿轮计算由履带选择可知摆臂传动比为i=，主动轮齿数为23主动轮齿轮直径为，则模数圆整为7即模数从动轮齿数直径齿顶圆直径计算=175.00mm==齿根圆直径计算====由齿轮材料和布置方式可选的齿宽系数为计算齿宽则可知道与所选23XH型履带相符合，故可知挡边厚度为4.5mm。摆臂轮不仅具有支撑作用分担机器人的重量；而且具有导向作用，夹持履带，不让它横向滑出；在机器人转向时，它又要迫使履带在地面上横向滑移，使履带能够顺利传动。同时可得摆臂主动轮转速为，由得由此参数画出齿轮结构图轴的设计初步确定轴的最小直径选取轴的材料为40，调制处理。由表7-1可取=100，于是可得输出轴的的最小直径查机械设计手册得选用深沟球轴承6200型号。摆臂轮齿宽，选取螺母为六角螺母,=螺纹规格为。选取两个六角螺母，将摆臂轮固定在肋板上，。查《机械设计课程设计》六角螺母附表3-13可得。肋板厚度为所以可得轴的长度所以可选轴的长度为。电机，减速器，移动平台，摆臂设计计算完毕，可画出装配图。7总结与展望本论文提出的矿用搜救履带机器人是为了能胜任多种工作任务、适应多种工作环境而研发的一种小型智能移动运载机器人，论文分析了轮式、履带式、腿式、履腿复合式等移动机构的优缺点，在此基础上提出了四履带的移动机构，该机构在复杂环境中为提高越野能力和机动能力，机器人采用履腿复合移动方式行进。本论文重点介绍了搜救机器人总体结构方案设计、矿用搜救机器人运动参数设计、电机选择，减速器的设计与布置等等，而我主要做的是四履带机器人的摆臂设计，包括摆臂设计，驱动轮摆臂轮的设计等。搜救机器人总体结构方案设计。论文从国内外履带机器人的移动方式着手，对三种常见的移动方式(轮式、履带式、腿式)在越野性能、移动速度、机构复杂程度、控制难易程度等几方面进行了比较和分析，就研制的矿用履带搜救机器人应达到的性能指标提出了具体要求。搜救机器人运动参数设计。论文针对两履机器人运动特点推导出运动学方程并对机器人爬坡性能、越障性能、跨沟性能等运动性能从理论上进行了分析验证。通过对机器人运动过程的分析选定了电机的类型。二级行星齿轮减速器的设计。通过对减速器类型的选择确定了为2K-H型二级行星齿轮减速器，计算所需齿轮的齿数与传动比，并进行配齿计算，校核齿轮和轴的强度，从而确定减速器的选择。摆臂设计:通过从动轮和摆臂轮的分析，确定了从动轮和摆臂轮的各项参数，外形和材料。同时对摆臂轮的安装和固定进行讨论，确定了肋板的形状和材料，从而确定了摆臂轮的安装。矿用搜救机器人的研究是一个涉及到多领域、多学科的课题。本文仅仅讨论了其中结构与机构方面的内容。由于时间的限制和作者知识水平的欠缺，论文并不完善，有待于在以下几个方面作进一步的探索和深化：(1)机器人的越障能力和行驶机构的参数选取有很密切的关系。在结构形式确定的基础上，有必要对行驶机构的参数作进一步的优化，以求得到更好的越障性能和车体的稳定性。(2)履地接触关系是一个值得研究的课题。要确定履带的外形和表面形式，必须对机器人在路面行走时履带的受力状态有深入的研究。(3)机器人在未知环境中执勤，所处环境往往十分恶劣，如地形复杂、存在辐射污染、温差大，其机械部件容易出现问题，因此合理利用硬件布局设计，保证机器人安全可靠地运行，这将成为今后研究的一个方向。致谢本次毕业设计也已接近尾声了，在这次设计过程中发现对所学的知识掌握的还不够，许多学过的知识都不会用，而且这次的设计与平常的课程设计有所不同，难度也加大不少，在设计过程中也遇到了很大的困难。在一些重要的问题上，我们的指导老师邓乐老师给了我们很大的帮助，一些专业知识的指导和分析让我们的毕业设计简单了不少。也少走了很多的弯路。同时也很感谢和我一组的两位同学，他们在一些知识的运用以及绘图方面给我我很大的帮助，让我顺利的完成了此次的毕业设计。这次毕业设计的完成，让我对大学所学的知识又重新有了一个新的认识和理解，又重温了一遍大学所学的专业知识，尤其是机械设计方面的知识，所以这次毕业设计是对这个大学所学知识的回忆和总结，对我以后的学习和工作都起到了很大的帮助。最后感谢各位老师同学的帮助，谢谢！参考文献[1]孙岩，陈晓罗主编，机械设计课程设计，北京理工大学出版社，2007[2]饶振刚行星传动机构设计国防工业出版社，1980[3]刘鸿文主编.材料力学.北京：高等教育出版社，2004[4]濮良贵主编.机械设计[第八版].北京：高等教育出版社，2006[5]徐元吕主编.工业机器人.北京：中国轻工业出版社，2006[6]哈尔滨工业大学.理论力学[第六版].北京：高等教育出版社，2002[7]殷玉枫主编.机械设计课程设计.北京：机械工业出版社，