毕业设计（论文）-智能矿井救援机器人结构设计与动力学研究

ADDINCNKISM.UserStyle毕业设计(论文)课题名称智能矿井救援机器人结构设计与动力学研究学院专业班级学号 姓名指导教师(签字)教研室主任(签字)院长(签字)2022年3月24日摘要智能矿井救援机器人是实现在环境条件不好的情况下正常行驶，进行实现越过障碍物达到对矿井里面即时救援的一种新型机器人。在救援的过程中，可以提供一些外部物资，及时将信号传递到外面等基本功能。随着社会的进步和科学水平的不断的发展，使得在我们生活中，有很多的时候需要面临自然灾害、防火救治、军事侦察等一些比较极限的工作，在工作中需要使用到智能机器人，实现在不能通过人工工作的环境下进行实现自动化工作。所以在智能机器人的发展上，在近几年的发展中得到了很大的进步，提高了智能机器人在市场上还的地位。在自身的能力不足，实现的局限性的工作上，很好的采用智能机器人实现代替人工的过程，大大的减少了在保证人身安全上的优势。在现代化的发展上，各式各样的智能机器人的发展为人们提供了很大的帮助。在本次的智能矿井机器人的结构设计上，根据行驶的轮系的结构形式，可以分为胶轮式的智能矿井机器人，还有比较常用的履带式的智能矿井机器人。在胶轮式的智能矿井机器人的发展上，一般采用的是四轮结构小车的形式，在工作上一般时间对极限工作中实现搬运和运输的工作过程；在履带式的智能矿井机器人的结构设计上，一般采用的是两幅履带实现对机械传动结构的带动，实现在恶劣的障碍的环境下实现对自然灾害的侦察，巡逻等工作，在矿井救援上实现搜救等工作内容，由于履带式的结构在行驶上的稳定性，使得履带式的智能矿井机器人的现有的市场上占有很大的地位。在本次的设计上，根据现有技术的实际生产环境的能力，设计实现自动化控制的履带式的智能矿井机器人，设计两幅履带结构形式，通过链条和链轮的传动方式实现前进履带的智能矿井的过程，达到设计的基本要求。能够实现的复杂的环境下达到行驶的稳定性。在结构设计上设计多关节的自由度结构，通过支架实现在中关节上的柔性操作，实现跨越提升智能矿井行驶的过程中实现机械手工作的特点。在设计过程中，通过查阅相关的设计资料，了解智能矿井机器人的结构形式，结合机械传动上的支架设计的基本结构形式，确定总体结构方案实现在行驶上的参数化计算设计，对方案进行设计分析，选择合适的电机。通过三维软件SolidWorks对机构进行了三维造型设计。根据设计尺寸，用软件绘制导出相应的CAD设计结构工程图。关键词：履带、支架、机械传动、矿井、侦察

AbstractIntelligentminerescuerobotisanewtypeofrobotthatcandrivenormallyunderbadenvironmentalconditions,crossobstaclesandachieveimmediaterescueinthemine.Intheprocessofrescue,itcanprovidesomeexternalmaterialsandtransmitsignalstotheoutsideintime.Withtheprogressofsocietyandthecontinuousdevelopmentofscientificlevel,therearemanytimesinourlifethatweneedtofacesomeextremework,suchasnaturaldisasters,firepreventionandtreatment,militaryreconnaissanceandsoon.Inourwork,weneedtouseintelligentrobotstorealizeautomaticworkinanenvironmentthatcannotworkmanually.Therefore,greatprogresshasbeenmadeinthedevelopmentofintelligentrobotsinrecentyears,whichhasimprovedthepositionofintelligentrobotsinthemarket.Intheworkwithinsufficientabilityandlimitations,itisgoodtouseintelligentrobottoreplacemanualprocess,whichgreatlyreducestheadvantagesinensuringpersonalsafety.Inthedevelopmentofmodernization,thedevelopmentofallkindsofintelligentrobotshasprovidedgreathelptopeople.Inthestructuraldesignofthisintelligentminerobot,accordingtothestructuralformofthedrivinggeartrain,itcanbedividedintorubberwheeledintelligentminerobotandcrawlerintelligentminerobot.Inthedevelopmentofrubberwheeledintelligentminerobot,theformoffour-wheelstructuretrolleyisgenerallyadopted.Inwork,theworkingprocessofhandlingandtransportationisrealizedinthelimitwork;Inthestructuraldesignofcrawlerintelligentminerobot,twocrawlersaregenerallyusedtodrivethemechanicaltransmissionstructure,realizethereconnaissanceandpatrolofnaturaldisastersintheharshobstacleenvironment,andrealizetheworkcontentofsearchandrescueinminerescue.Duetothestabilityofcrawlerstructureindriving,crawlerintelligentminerobotoccupiesagreatpositionintheexistingmarket.Inthisdesign,accordingtotheabilityoftheactualproductionenvironmentoftheexistingtechnology,thecrawlerintelligentminerobotwithautomaticcontrolisdesigned,andthestructuralformoftwocrawlersisdesigned.Theprocessofintelligentminewithforwardcrawlerisrealizedthroughthetransmissionmodeofchainandsprocket,soastomeetthebasicrequirementsofthedesign.Itcanachievedrivingstabilityincomplexenvironment.Inthestructuraldesign,themultijointdegreeoffreedomstructureisdesigned,andtheflexibleoperationonthemiddlejointisrealizedthroughthesupport,soastorealizetheworkingcharacteristicsofthemanipulatorintheprocessofdrivingacrossandliftingtheintelligentmine.Inthedesignprocess,byconsultingtherelevantdesigndata,understandthestructuralformoftheintelligentminerobot,combinedwiththebasicstructuralformofthesupportdesignonthemechanicaltransmission,determinetheoverallstructuralscheme,realizetheparametriccalculationanddesignonthedriving,analyzetheschemeandselecttheappropriatemotor.Thethree-dimensionalmodelingdesignofthemechanismiscarriedoutthroughthethree-dimensionalSoftwareSolidworks.Accordingtothedesignsize,drawandexportthecorrespondingCADdesignstructureengineeringdrawingwithsoftware.Keywords:crawler,support,mechanicaltransmission,mine,reconnaissance.

目录TOC\o"1-3"\h\u15214摘要 24766Abstract 314018第一章绪论 5261491.1课题研究的意义和目的 5112391.2智能矿井救援机器人的研究概况 637921.2.1国外研究现状 6311621.2.2国内研究现状 7116451.3智能矿井救援机器人的未来发展趋势 826210第二章智能矿井救援机器人的总体结构设计 9271602.1智能矿井救援机器人行走机构的设计 948522.2总体结构的设计 10324692.3车体结构设计 1116511第三章智能矿井救援机器人传动系统的结构设计 133963.1运动特性的分析 13108713.2智能矿井救援机器人在平直的路上行驶 15125273.3机器人在30°坡上匀速行驶 1524463.4机器人的爬坡计算 16114023.5链轮传动系的设计计算 17108113.5.1确定链轮传动精度等级 17301243.5.2计算许用应力 1872883.5.3按齿面接触疲劳强度确定中心距 18186023.5.4验算齿面接触疲劳强度 19282913.5.5验算齿根弯曲疲劳强度 2064233.5.6链轮主要参数和几何尺寸 2143293.7轴承的校核 2320589参考文献 2612709致谢 27

第一章绪论1.1课题研究的意义和目的智能矿井救援机器人是在现代科学技术的发展上得到快速发展的一种智能机器人结构，在短时间内被大量的研发和运用在一些极限的工作中，给人们带来了很大的便捷。在本次的设计上，设计的智能矿井救援机器人，主要是实现对其传动系统结构的设计，实现智能矿井救援机器人的稳定性和可靠性的行驶过程，达到在设计上的意义。能够很好的代替人类的救援工作，提高工作的安全性和可靠性，实现人性化的智能矿井救援工作。在我们面临的自身能力的局限性上实现更多的机器人代替的能力，为机器人的辅助和代替我们完成的任务书体现出设计的重要意义。在设计的目的性上，对智能矿井救援机器人的结构设计，可以提高自身在对机器人工业发展的了解，学习机器人传动系统上的基本知识。将大学中学到的知识更好的运用在本次的智能矿井救援机器人的结构系统设计上，满足在机械结构设计上实现智能矿井救援履带式机器人在实际的使用上达到括侦察的作用，可以实现巡逻的过程。在爆炸和不安全的矿井工作上实现机器人救援的特点。实现在以后的搜救的工作中，自然灾害的巡视以及工作上带来便捷，减少人们在工作上的危险系数，可以在未来的科学发展上起到重要的作用。在我国的研发和生产上，是落后于其他的发国家的，由于起步比较晚，使得智能矿井救援机器人在我国的发展上，没有很大的提升。在研发上也是属于单方向上的研究，所以使得我国在智能矿井救援机器人的发展上，一直停滞不前，直到九十年代中期，清华大学的智能移动的机器人的研发上，通过了国家的相关的坚定，实现了在市场上的生产和运用，上海交通大学的底面移动的机器人，在实现消防上的使用，使得我国在自动化机器人的使用上的空缺得到了填补。后来的发上，我国在研发上更加的重视智能化的设备，特别是在军事工作上，对机器人的使用慢慢的得到了发展，直到现代的发展上，很多高性能的机器人已经被大量的运用在工业上和生活中。很多种类的机器人在实现自身不同使用特性的要求下，可以满足人们在生活上的很多基本的要求，实现自动化的特点。1.2智能矿井救援机器人的研究概况1.2.1国外研究现状在国外的智能矿井救援机器人的发展上，比我国的起步是比较早的，在国外的发展中的速度也是很快的，特别是在一些发到国家，德国、日本、美国。这些发达的国家在智能矿井救援机器人的发展上已经是很先进了，大部分的都采用智能化的技术实现了对机器人的发展和基本的要求，所以在国外机器人的运用上使用的范围是更将广阔的，在国外的高新技术水平的发展上，使得机器人工业的发展得到了飞速的提升。在现有的基础上，在国外的机器人的发展领域，逐步向以下几个方面进行发展:实现在智能矿井救援机器人上的人性化的提高，工作的能力更加接近于人的工作模式，从速度上，精度上以及可靠性上发展，实现了大批量的生产能力，将机器人技术运用的更将的广泛。国外在智能矿井救援机器人的发展上向更高的模块化实现发展，达到看重构化的发展趋势，在电气化水平上运用的更加的广泛，实现伺服电机、检测系统、传动系统和减速机等模块上的更加先进的发展。在国外的智能矿井救援机器人的发展上，从工业的角度上实现了控制技术上的开放性的发展，实现了发展上的标准化要求，达到了网络化和智能化的发展说，使得在控制系统上实现了高度集成化的发展，大大的提高了传动系统在使用上的可靠性和操作的便捷性，在后期的维修上更加的简单。在智能矿井救援机器人的发展上实现了传感器的使用，提高了在传动意义上的位置和速度，实现了加快发展的步伐，上下在视觉和力觉上的感应，在遇到障碍物的时候能够实现自动的感知和转向等先进的积水水平。将传感器技术很好地融合在环境模块上，实现对智能矿井救援机器人行驶中对环境的更好的适应性。通过以上的分析和了解，可以更好的对国外的智能矿井救援机器人的发展进行学习，学习在智能矿井救援机器人设计上的优点，实现在我国的机器人的设计上的提升自从在九十年代初期，美国在机器人的研发上实现了起步，知道现在，在美国的机器人的发展上，已经达到了一个很高的水平，如图1-1所示[12]，美国的SUGV机器人，如图1-2日本的Warrior机器人都是在履带实现智能矿井救援机器人结构设计上的先进产物。在实现虚拟的现实技术上，在智能矿井救援机器人上开始了仿真和预演的模块介入，将现代化的技术运用在智能矿井救援机器人上。同样在其他的工业机械人和机器人的的发展上都得到了很大的发展[2]。图1-1：SUGV机器人图1-2：Warrior机器人1.2.2国内研究现状自从我国在进入21世纪以来，慢慢的实现了对机器人的研发，使得更多的机器人使用在现代化的生产上。提高我国在工业机器人上的发展能力，降低在工作上的劳动强度，提高了我国在工业生产水平上的自动化的程度，但是在智能矿井救援机器人的发展上，我国使用的还是很少，没有广泛的运用智能矿井救援机器人的结构形式[3]。在实际的工作上没有体现出我国在智能矿井救援机器人上的发展优势。[8]1.3智能矿井救援机器人的未来发展趋势直到现代化的发展中，在世界各地的智能矿井救援机器人的发展上，应有很多明确的定义，实现早机器人结构设计上的先进化的发展，在未来的发展上，将会在高性能化的智能化上达到更大的发展趋势。实现更大型化和精确化的发展，在实现智能化的发展是上，是现代化机器人的发展主要的趋势，将更高科技的技术水平运用在智能矿井救援机器人上，可以更好的实现在恶劣的环境下进行工作，在工作中更好的提高智能矿井救援机器人的工作能力和工作的准确性。所以在本次的设计上，为了实现我国在未来智能矿井救援机器人上的发展方向，所以在设计上达到以下基本的设计条件和设计的要求。能够在智能矿井救援机器人的设计上使得传动的精度更加精确，在救灾和救火等工作中实现准确的工作能力。在结构系统的设计上，提高智能矿井救援机器人的强度和刚度的要求，使得在行驶上更好的抵抗恶劣环境带来的影响，提高智能矿井救援机器人在生产和制造上的机械化水平，提高智能矿井救援机器人的适应性。在工作中达到对救灾失火事故的代替人工的过程，在救灾上很好的实现个执行部件的运动的稳定性和正确性。由于在救灾智能矿井救援机器人的使用上，工作的环境是比较恶劣的，所以在结构系统的设计上，需要考虑传动部件在使用上的质量性，提高智能矿井救援机器人在材料上的使用性能。降低智能矿井救援机器人在行驶工作中的噪音，智能矿井救援机器人在军事行动的使用上，出行侦察的使用上和巡逻的使用上，噪音太大可能会造成影响，所以在我国的智能矿井救援机器人的发展上，加强传动系统部件的设计，降低传系统在实现工作上的噪音。提高智能矿井救援机器人在制造生产上的能力，提高加工工艺的水平，在实现机械化传动系统上更好的提高精度要求，使得后期的维修减少和维修方便。在智能矿井救援机器人的动力设计上，一般采用电动机来提高，在未来的防止上，应该更好的趋向于使用智能电池等进行智能矿井救援机器人动力的提高，使得智能矿井救援机器人在外部使用上的范围更加的广阔。适用性更加的强，使用的时间上更长，在使用的寿命上更长等设计的优势。

第二章智能矿井救援机器人的总体结构设计2.1智能矿井救援机器人行走机构的设计在本文的设计上，通过查阅相关的设计文献，在智能矿井救援机器人的设计上采用的移动的结构形式是履腿式复合结构，在整体行走结构的设计上，机器人的整体安装在支架上，实现支架和行走结构的结合，达到机器人的整体在履带的传动移动下实现行走的结构形式，增加智能矿井救援机器人在行驶中的灵活度的要求。在智能矿井救援机器人的中间设置传动系统的结构，在前部传动中使用一副履带实现对约到障碍物的时候实现自动提升的行走结构部，在提升推杆的作用下实现对前履带副的提升达到越过障碍物的作用。其主要的行走结构的设计简图如下图2-1所示：图2-1：行走结构设计在行走结构的设计上，通过车体上的电机实现对变速装置的传递，使得在主轴上的两个主动带轮实现准的过程，在主动带轮的传动下带动履带实现旋转，实现前进的行走过程，在遇到障碍物的时候，前带轮的提升推杆将进行提升，继续向前行走实现越过障碍物的过程。整个的形式系统通用机械传动的形式实现运转，在整个结构的形式下达到行走上的稳定性。在智能矿井救援机器人的中间的电机的作用下，实现对整个系统的控制的作用，在控制前实现个轴和链轮的传动，实现速度上和力矩上的转动，在前进的时候时间自由转向的过程，在平面的行驶上达到了力矩的最小。2.2总体结构的设计在智能矿井救援履带机器人的总体结构的设计上，主要设计的部分是机械传动系统的设计，在本次的设计上，选择使用链轮传动的形式达到智能矿井救援机器人的变速的过程，在变速的过程中实现对主传动轮的动力输出。在整体的智能矿井救援机器人的整体结构设计上，包括了一下传动部件的组成。执行机构，实现对电机动力输出控制的执行元件的设计，一般在执行元件的设计上，选择使用电器控制的系统，达到对智能矿井救援机器人的控制作用。传动系统的设计，智能矿井救援机器人的传动系统，是最关键的结构形式，是实现智能矿井救援机器人在行驶上的稳定性的关键。其传动系统主要包括动力系统的选择，传动变速装置的设计，传动轴系的设计，履带传动和带轮结构形式的设计。图2-2：救援机械手结构机械手部件的设计，机械手也是整个智能矿井救援机器人的车体部分，也是对智能矿井救援机器人支撑其他部件的支架结构，在本次的设计上，选择使用移动支架的结构框架，实现对电机传动部件的支撑和变速装置的支撑。在行走结构的支撑上，选择使用支架对传动轮的固定，在履带的作用下实现行驶。2.3车体结构设计在车体的设计上，对于整个机械结构来说，是很重要的，因为车体正在这整个智能矿井救援结构的运动受力情况，所有车体在设计上需要有足够的刚度和强度要求，车体的设计准则有一下几点：（1）车体的工况分析不管是什么车体，在设计上，必须保证车体设计上的工作要求，保证车体的安装顺序和运动要求，符合安装上的便捷性要求，所以车体的设计外形和内部的结构不至于阻碍其他零部件的使用要求，保证执行结构的设计安全，人工操作上的便捷和使用安全等。（2）车体的刚度要求由于车体在使用上的受力是很大的，所以在设计上，必须保证车体的刚度要求，在机床的部件上，车体相当于床身，在使用中起到决定性的作用，对提升机床的生产效率和加工的精度的一个保障。（3）车体设计强度的要求在设计上，对于承受重载的结构来说，强度设计是很关键的，能够承载运动的冲击力和机器自身的重力作用，是车体在使用和制造过程中的一个重要的分析内容。必须引起重视，所有在车体的设计上，任何的受力点都需要承受最大的允许应力作用，满足疲劳强度的要求。（4）稳定性的要求对于车体上的细长结构和薄壁的结构形式，需要受压整个结构总体的受弯曲能力，在某些结构上，可能会存在的失稳性的问题和局部存在的问题，会对结构产生很大的影响，必要的时候需要对个部件进行强度校核。

第三章智能矿井救援机器人传动系统的结构设计3.1运动特性的分析智能矿井救援机器人的设计，需要对其在行驶中的运动的特性进行分析，其运动的特性决定了在救灾形式智能矿井救援上的传动系统的稳定性。本次设计的智能矿井救援机器人，通过对参考文献的查阅和学习。对其进行以及的参考引用运动特性的分析的内容：（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。通过查阅相关的设计文献[2]，图3-1（a）、图3-1（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3-2（c）、图3-2（d）、图3-2（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3-2（c）图3-2（d）图3-2（e）机器人爬坡时，姿态可以转变成图3-3（g）。当坡度较大时，则图3-3（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。图3-3（g）图3-3（h）图3-3（i）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。（3）智能矿井救援[5]机器人利用摆臂前攻角进行智能矿井救援，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3-4（a）-（h）表示机器人越过高障碍物的一般过程。图3-4救灾机器人救援过程对于履带和地面的动摩擦因数，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，。3.2智能矿井救援机器人在平直的路上行驶智能矿井救援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：智能矿井救援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[2]:图3-5平直路线分析又则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.3.3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,,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[6]：图3-6：30°坡度分析又，则则在最大坡度下需提供极限转矩为。3.4机器人的爬坡计算由以上分析可知，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。根据矿井里面的复杂环境进行行驶能力的分析，其爬坡情况的分析：,机器在平面状况下，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8000W,输出转矩为221N.M,输出转速为562r/min，因而则选择90ZY54型号的直流永磁电机表3-1：直流电机数据额定功率9200额定转矩6额定转速580电流7电压220 允许正反转速差150因为则因为,则又则选取。3.5链轮传动系的设计计算3.5.1确定链轮传动精度等级根据使用情况和估计速度m/s,则选用8级精度的链轮。选择材料：小链轮选用45号钢，调质处理，；大链轮选用45号钢，正火处理，；按国家标准，分度圆上的压力角；对于正常齿，齿顶高系数，顶隙系数。链轮传动系统的结构如下图4-2所示：图3-7：链轮传动系3.5.2计算许用应力主动轮和从动轮齿面硬度为230HBS和170HBS，并查图得，=570Mpa,=520Mpa,查图得，=1.0，=1.14,=1.0,=1.0,=1.0,=0.92,=1.0。3.5.3按齿面接触疲劳强度确定中心距小链轮转距：初取，取：查表得，确定中心距：取a=95mm估计模数：m=(0.007～0.02)a=(0.007～0.02)×155=1.085～3.1mm,取m=3mm.各轮齿数：取实际传动比传动比误差许用分度圆直径：验算圆周速度,选择8级精度的链轮合适。3.5.4验算齿面接触疲劳强度因电机驱动，载荷平稳，查表，，由于速度v=3.17m/s,8级精度链轮，查图得，轴上轴承不对称分布，且，查图得，齿宽b=。取b=54mm,。查表得载荷系数计算端面和纵向重合度：由查图得，，取u=2.7=158MP链轮选择安全。3.5.5验算齿根弯曲疲劳强度根据材料热处理，查图，查图，则计算出许用应力由图得，验算弯曲疲劳强度：链轮设计安全。3.5.6链轮主要参数和几何尺寸mmmmmmmmmmmm同理：当3轴间传动比=2.5时，链轮主要参数和几何尺寸mmmmmmmmmmmmmm.

3.6键的校核键和轴的材料都是钢，由[4]表6-2查的许用挤压应力,取其中间值，。键的工作长度，键与轮榖键槽的接触高度。由[4]式（6-1）可得：可见连接的挤压强度足够了，键的标记为：3.7轴承的校核（1）轴轴承的校核Ⅰ轴选用的是深沟球轴承6206，其基本额定负荷为19.5KN,由于该轴的转速是定值，所以齿轮越小越靠近轴承，对轴承的要求越高。根据设计要求，应该对Ⅰ轴未端的滚子轴承进行校核。∴因轴承在运转中有中等冲击载荷，又由于不受轴向力，[4]表13-6查得载荷系数，取，则有：（3）轴承的寿命计算:所以按轴承的受力大小计算寿命故该轴承6206能满足要求。

总结在本次的智能矿井救援机器人的设计上，经过了很久的设计过程，在设计上，遇到了很多的问题，使得在设计上没有什么头绪，但是在老师的帮助下，进行相关资料的查找和本次设计上的总体方案的结构确定，主要设计的内容有传动履带传动系统，动力提供系统，整体框架结构构架。在本次设计的智能矿井救援机器人上，通过对人体工程学学的查阅和分析，对智能矿井救援机器