毕业设计（论文）-履带越障小车设计

主动适形越障机器人的设计与特性分析摘要越障小车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，越障小车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solidworks软件进行主动适形越障机器人的三维建模。关键词：履带式；越障小车；solidworksAbstractObstacle-crossingcarisakindofrobot,whichiswidelyusedindangerousoperationfieldsthatcanchangeitsposturetopassthroughdifferenttypesofobstacles.Moreover,Italsocanreplacepeopleintoinaccessibleplaces,environmentalsearchandrescue,specialpoliceagainstterrorism,expelexplosivesaswell.Suchoperationsreduceoravoidunnecessarydamagetopreventworkersfromdangers.Therefore,theresearchofactiveconformalobstacle-obscuringrobotsisworthytobeimplemented.Firstofall,thispapernotonlydiscussestheresearchstatusathomeandabroadandshowsanalysisofObstacle-crossingcar,butalsoanalyzesandcomparestheadvantagesanddisadvantagesofexistingactiveconformalobstacle-obscuringmechanisms.Atthesametime,itdesignsareasonablesize,simplestructureandstrongpracticality.Amaster-slavecompoundobstacle-surpassingorganizationwithgoodobstacleavoidancecapabilities.Aboveall,theoverallmechanismdesign,transmissionmechanismdesign,andmaincomponentdesignfortheactiveconformalobstacle-obstrusiverobotarecarriedout.Besides,thesizecalculationsandverificationsareperformedforthedesignofthemainparametersofeachstructure.Next,thethree-dimensionalmodelingoftheactiveconformalobstacle-obstaclerobotisimplementedwithsolidworkssoftware.Keywords:crawler;Obstacle-crossingcar;solidworks 目录TOC\o"1-3"\h\u417第1章绪论 543071.1研究目的与意义 5241881.2国内外研究现状 5250131.2.1国内发展概况 5147511.2.2国外发展概况 6231861.3本轮文研究内容 7218421.4论文的组织结构 71334第2章自主适形越障机构方案的确定 8108312.1几种常见的越障机构分析 874622.1.1轮式越障机构 8237932.1.2履带式越障机构 9226702.1.3腿式越障机构 10268562.2越障机构的分析比较与选择 11209172.3越障机构的确定 1180482.3.1几种常见障碍物的分析 11237502.3.2机构的确定 12134072.4本章小结 1313620第3章主动适形越障机器人的设计 14144703.1总体设计思路 1418043.2设计方案过程及特点 1451763.3总体结构的设计及比较 1451763.3.1行走机构设计 14273863.3.2履带行走机构结构设计 15287613.3.3大小锥齿轮的设计和校核 22229413.3.4轴1的设计和校核 25229413.3.5键的校核 34190343.4机身结构的设计 3523629第4章总结 3627878参考文献 3714732致谢 38PAGE55PAGE56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。本论文讨论的越障小车是一种能够根据障碍物,主动适形越障的小车，相比以往的越障小车，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小车的研究起步较晚，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200-390mm[1]。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1.18轮驱动全地形越障车1.2.2国外发展概况目前国外越障小车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小车发展的现状；2）设计越障小车越障机构，设计选择合理的零部件参数；3）用SolidWorks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，对主动适形越障小车的总体设计，确定车体的大小尺寸。第4章，对论文进行总结。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：效率高、结构简单；重量轻、功耗低；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总体设计的思路总体设计可以分为二个阶段：系统分析阶段1，根据系统目标明确，所能达到的程度。2、根据工作环境，分析机器人的应用场合。3、根据所需功能确定编写程序代码。如机器人的自由度，根据存储量，计算机信息和运动精度要求，重量可以把握的，允许的运动范围，与温度和振动的适应性和环境。其次，设计阶段的技术根据系统要求和自由度空间使形状的选择范围，机器人的坐标三、确定类型的驱动系统。控制系统控制计划的制定。集体选择足够的组件，装配设计图纸的机器人。机器人零件图和尺寸的确定。下面的基本原理的基本要求，介绍系统设计和确定系统的程序。3.2设计方案过程及特点a.机器人必须小巧、灵活、拆卸方便；b．机器人在工作过程中，其结构可适应应不同管径的变化情况；c．机器人自动化程度高，控制方便灵活；3.3总体结构的设计和比较3.3.1行走机构的设计履带式的优点是占地面积大，容易产生更大的附着力，在地上，适应性强的牵引性能，爬坡能力强。缺点是体积大不易小型化，转弯半径大，结构复杂，而且跟踪的张力。根据设计参数和技术要求，对机器人的发展必须具有可靠性高，效率高。因此，行走机构的运动来实现行走的结合，所以它可以利用其综合优势，避免单一移动的缺点。由于不同的管弯头的存在，这就要求机器人行走机构具有一定的转向能力和爬坡能力。其特点是：移动速度快，转向相对容易，有更大的牵引力，以适应崎岖的道路3.3.2履带行走机构结构设计初步选取电机的功率为5.5KW;同时电机要能变速；选择SM

150-270-20

LFB伺服电机。确定行走机构，外部尺寸首先，确定履带宽度。由于履带宽度越小，所以工作驱动力降低，其宽度过大，强度也会很大。通过绘制方法，宽履带L=150毫米。其次，确定跑道长度。柔性履带长度越长将履带，太长时间不能长。其长度L=

580mm。结构测定的运行机制由于大小限制和电机集成在履带组中，利用锥齿轮逆转，最后履带驱动轮。结构图如下所示：=150mmL=580mmH=175mm结构总图1—轴012—电机3—小锥齿轮4—驱动带轮5—轴026—直齿轮017—直齿轮028—轴039—大锥齿轮10—从动带轮③确定履带轮履带的传动采用同步带传动方式。以下是同步带传动的优点：适用于承载能力较大，中心距较大传动，。可以缓冲、吸振，传动平稳，噪声小。制造和维护方便结构简单，价钱少。首先，确定同步带的主要参数：（查机械设计手册13-42）齿形：梯形齿距制式：模数制型号：m7节距：=21.991mm其次，设计带轮：（查机械设计手册13-50）(1)初选带轮的次数：；⑵选择切削带轮齿形特别刀具；⑶齿槽角：2φ=2β=40°；⑷节距:=πm=mm；⑸节圆直径:；⑹模数：；⑺齿侧间隙：；=21.991mm2φ=40°⑻名义径向间隙：；⑼径向间隙：；⑽外圆直径：mm（其中δ=1.750）；⑾外圆齿距：；⑿外圆齿槽宽：；⒀齿槽深：；⒁齿槽底宽：；⒂齿根圆角半径：；⒃；最后，设计履带：（查机械设计手册13-43）根据具体的结构尺寸设计履带。由于有时特殊的工作环境，不能完全采用同步带参数，⑴节距：=21.991；⑵齿形角：2β=40°；⑶齿根厚：σ=10.06；⑷齿高：=4.2；⑸带高：；⑹齿顶厚：；⑺节顶距：δ=1.750；⑻带宽：；=116.5mm=21.529mm=11.06mm=8.036=21.9912β=40°σ=10.06=4.2δ=1.750④确定大小锥齿轮参数整个行走装置里，锥齿轮的主要作用换向，传递动力。同时考虑到其完全在行走装置内部，尺寸受到限制。根据以上的因素，设计大小锥齿轮的具体参数。根据要求，采用轴交角。齿轮类型为：直齿锥齿轮、,齿形角为20°、齿顶高系数=1、顶隙系数。（查机械设计手册14-200）（齿形制为GB/T12369—1990）大锥齿轮的次数;小锥齿轮的次数。大小锥齿轮的具体参数分别如下：（查机械设计手册14-201）大锥齿轮：⑴法向模数：；⑵齿数：；⑶法向齿形角：⑷分度圆直径：⑸分度圆锥角：⑹齿顶圆直径：=75+2×1×2.5×=78.044mm⑺齿根圆直径：大锥齿轮：78.044mm71.347mm⑻锥距：==47.253mm⑼齿顶角：==3°1′43″⑽齿根角：==3°47′1″⑾顶圆锥角：=+3°1′43″=55°33′9″⑿根圆锥角：=-3°47′1″=48°44′25″⒀齿宽：b=25mm47.253mmb=25mm小锥齿轮：⑴法向模数：；⑵齿数：；⑶法向齿形角：⑷分度圆直径：⑸分度圆锥角：⑹齿顶圆直径：=57.5+2×1×2.5×=61.467mm⑺齿根圆直径：=57.5-2×（1+0.2）×2.5×=52.54mm⑻锥距：==47.253mm⑼齿顶角：==3°1′43″小锥齿轮：57.5mm=61.467mm=52.54mm47.253mm⑽齿根角：==3°47′1″⑾顶圆锥角：=+3°1′43″=⑿根圆锥角：=-3°47′1″=⒀齿宽：b=25mm⑤确定直齿轮的参数在整个行走装置中，直齿轮传递动力的作用。齿顶高系数=1、顶隙系数。齿数z=40，模数。其具体参数如下：⑴分度圆直径：⑵齿顶高：⑶齿根高：=3.125b=25mm=100mm=2.5=3.125⑷全齿高：=2.5+3.125=5.625⑸齿顶圆直径：=100+2×2.5=105mm⑹齿根圆直径：=100-2×3.125=93.75mm⑺齿厚：⑻齿根宽：⑼中心距：⑽顶隙：3.3.3大小锥齿轮的设计和校核⑴选择齿数齿轮的类型,材料精度等级选择直齿圆锥齿轮8级精度软齿面齿轮,小齿轮的材料为40Cr，调制处理，硬度为280HBS；大齿轮的材料为45钢，调制处理HBS。初选小齿轮的齿数；大齿轮的齿数为。⑵按齿面接触疲劳强度设计计算根据载荷冲击情况、轴承布置方式，取K=1.8。查附录2（机械设计、机械设计基础课程设计）得小齿轮的接触疲劳极限为： 大齿轮的接触疲劳极限为：计算接触疲劳许用应力： ③计算分度圆直径（小齿轮）=195.153.856mm其中=36.1N.m⑶设计计算：齿根弯曲疲劳强度计算当量齿数并查取齿形系数，两齿轮的分度圆锥角分别为：当量齿数为：查附录2得：查书本，小齿轮的弯曲疲劳极限为：大齿轮的弯曲疲劳极限为：53.856mm=36.1N.m=计算弯曲疲劳许用应力： 大齿轮数值大，代入计算计算：==2.1635取m=2.5则：取，取；锥距为：=47.253mm分度圆直径为：分度圆锥角为：，2.1635⑧齿宽：b=25mm3.3.4轴Ⅰ的设计和校核初步估计轴径（扭转强度）：其中=110，查机械设计（P362）表15-3可得。代入上面得值，计算可得：由于轴上有一键槽，所以：，取轴的最小直径为：d=20mm。2.轴的结构简图如下：3.按弯扭合成强度进行强度校核①做出轴的计算简图根据尺寸，受力简图如下：b=25mmd=20mm。②校核所需要的基本参数计算齿轮的啮合力：A:直齿轮的齿轮啮合力齿轮圆周力：=685.9N直齿轮：685.9N2.齿轮径向力：B:锥齿轮的齿轮啮合力齿轮圆周力：=914.533N齿轮径向力：=202.634N齿轮轴向力：==264.078N求支反力和弯矩图（水平面）:1.其受力如下图:锥齿轮：=914.533N=202.634N=264.078N2.对A点求矩：则有：=372.848N3.对B点求矩：则有： ==-144.216N根据上面的计算结果，画出弯矩图。=372.848N求垂直面内的支反力，并作出弯矩图受力分析如图所示：2.对A点求矩：则有：（其中）=-8.590N对D点求矩：则有：=-8.590N=-38.423N做出对应弯矩图⑥求支反力=149.246N=312.965N⑦合成弯矩图=2889.432N=25774.198N=23238.956N⑧根据已知条件，做出扭矩⑨校核危险截面综上所知，C面为危险截面：(其中，由于扭转切应力为脉动循环变应力，所以取，T=36100) =31767.982(其中=1251.74)C截面图=，轴满足要求。(其中=55查机械设计基础教程P261-表11-13得)下页附：弯矩图1251.743.3.5键的校核由于在轴1上的键825结构尺寸最小，受力较大。在这里就只校核该键，其余可以不予与校核。普通平键的强度条件： 其中 T传递扭矩：；键与轮毂键槽高度：键圆头平键为：轴的直径=42.47由于键的材料为45，机械设计（P-106）表6-2可得： 所以，键满足要求。3.4机身结构的设计1、选择机身箱体材料动作，制造工艺要求不高，选择HT250灰铸铁制造。在灰铸铁凝固收缩率小，抗冲击性能好。这可以提高机身其稳定性制造，以及经济性。2、考虑加工工艺设计机身结构决定了其形状较为复杂，所以使用铸造的方法协调内部零件，便于安装，右上打开盖子。因为这是一个发动机的水平放置，考虑到电机的质量，在左侧板支撑发