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摘要：
隨著我國改革開放的不斷開展，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用都得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展，機(jī)器人已成為制造加工行業(yè)必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，機(jī)器人可以分為工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人兩大類，工業(yè)機(jī)器人通常應(yīng)用于制造加工行業(yè)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化，多為關(guān)節(jié)機(jī)器人和多自由度機(jī)器手；而特種機(jī)器人則被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，幾乎遍布除工業(yè)外的其他領(lǐng)域，包括服務(wù)機(jī)器人、軍用機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人等等，關(guān)節(jié)機(jī)器人通常情況下是固定不動的，所以其工作范圍非常局限，而一些特種機(jī)器人根據(jù)實(shí)際情況訂制而成，可以實(shí)現(xiàn)移動并能夠一定程度上翻越障礙物，使得機(jī)器人能夠更加方便快捷的完成各項(xiàng)任務(wù)。
可移動式特種機(jī)器人相比普通關(guān)節(jié)機(jī)器人增加了移動機(jī)構(gòu)，移動的機(jī)構(gòu)多種多樣，有腿式移動機(jī)構(gòu)，輪式移動機(jī)構(gòu)，履帶式移動機(jī)構(gòu)等等，履復(fù)合移動平臺結(jié)合了履帶式機(jī)器人和輪式機(jī)器人各自的行走特點(diǎn)，發(fā)揮了二者的優(yōu)點(diǎn)長處，使得整個(gè)移動平臺行走起來更加平穩(wěn)快速。本篇論文中提出了一種結(jié)構(gòu)巧妙、機(jī)動性好、穩(wěn)定性能高的四輪履復(fù)合移動平臺設(shè)計(jì)方案，本設(shè)計(jì)對履復(fù)合式移動結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入分析研究，其工作原理是：利用行走電機(jī)通過減速器帶動四輪履帶轉(zhuǎn)動，使得整個(gè)移動平臺向前行進(jìn)，履帶上的復(fù)合滾輪跟隨著履帶轉(zhuǎn)動，利用翻轉(zhuǎn)電機(jī)通過減速器帶動四輪履帶翻轉(zhuǎn)用于實(shí)現(xiàn)越障功能。四輪履復(fù)合移動平臺作為一種新型的移動平臺，對此進(jìn)一步的研究也是不能忽視的。
關(guān)鍵詞：移動平臺；履復(fù)合；機(jī)器人
Abstract
With the continuous development of China's reform and opening up, China's economic construction and technology applications have been high-speed and stable development, the robot has become a manufacturing and processing industry essential essential equipment, robots can be divided into industrial robots and special robots two categories, Robots are often used in the manufacturing and processing industry, to achieve industrial automation, mostly joint robots and multi-degree of freedom of the robot; and special robots are widely used in all walks of life, almost all over the industrial areas, including service robots, military robots , Agricultural robots, etc., joint robots are usually fixed, so the scope of its work is very limited, and some special robots customized according to the actual situation, can be moved and to a certain extent, over the obstacles, making the robot Can be more convenient and quick to complete the task.
The mobile robot has a variety of moving mechanisms, a leg-type moving mechanism, a wheel-type moving mechanism, a crawler-type moving mechanism, etc., and a mobile robot is combined with a crawler-type robot and a mobile robot Wheeled robots of their own walking characteristics, played the advantages of both strengths, making the entire mobile platform to walk up more smoothly and quickly. In this paper, a design scheme of four-wheel-track compound mobile platform with clever structure, good mobility and high stability is proposed. The design of the compound moving structure is studied in detail. The working principle is as follows: The reducer drives the four-wheel track so that the entire moving platform travels forward. The compound rollers on the track follow the rotation of the track, and the four-wheel crawler is driven by the rewinding motor through the reducer to realize the obstacle crossing function. Four rounds of mobile platform as a new mobile platform, this further study can not be ignored.
Keywords: mobile platform，Reconciliation, robot
目 錄
Abstract II
目 錄 III
第一章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2移動平臺的發(fā)展概況 1
1.3 Solidwork軟件的介紹 2
1.4 有限元分析的介紹 3
1.5 課題研究的意義及目的 4
第二章 四輪履復(fù)合移動平臺的設(shè)計(jì) 5
2.1 四輪履復(fù)合移動平臺的設(shè)計(jì)要求 5
2.2 四輪履復(fù)合移動平臺的設(shè)計(jì)概述 6
2.3 四輪履復(fù)合移動平臺的具體設(shè)計(jì) 6
2.3.1 四輪履復(fù)合移動平臺行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6
2.3.1.1行走電動機(jī)的設(shè)計(jì)與選型 6
2.3.1.2行走減速器的設(shè)計(jì) 8
2.3.1.3齒輪副的設(shè)計(jì)與計(jì)算 10
2.3.1.4鏈傳動的設(shè)計(jì) 14
2.3.1.5滾輪帶傳動組件的設(shè)計(jì) 17
2.3.2 四輪履復(fù)合移動平臺運(yùn)動控制的設(shè)計(jì) 21
2.3.2.1四輪履復(fù)合移動平臺導(dǎo)航方式對比 21
2.3.2.2四輪履復(fù)合移動平臺差速運(yùn)動控制概述 22
2.3.2.3磁導(dǎo)航傳感器設(shè)計(jì)選型 22
2.3.2.4差速運(yùn)動控制的方式 23
2.3.2.5差速運(yùn)動控制的實(shí)現(xiàn)及PLC程序設(shè)計(jì) 23
第三章 總結(jié)與展望 24
參考文獻(xiàn) 24
III
第一章 緒論
1.1 引言
隨著我國改革開放的不斷開展，我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用都得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用的地方變得越來越多，從單一的生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展到各行各業(yè)，甚至從事危險(xiǎn)營救的具體工作?，F(xiàn)在國內(nèi)外都開始了對移動平臺的系統(tǒng)研發(fā)和設(shè)計(jì)，而移動平臺選擇何種移動方式是其設(shè)計(jì)時(shí)最重要的考慮點(diǎn)之一。移動平臺按其移動結(jié)構(gòu)可以分為輪式、履帶式履復(fù)合式三大類，這三種結(jié)構(gòu)形式用途各異。
隨著移動平臺在各個(gè)行業(yè)的需求量不斷加大，目前市場上的移動平臺主流仍是輪式機(jī)移動平臺，我們常見的輪式移動平臺多像AGV小車的結(jié)構(gòu)形式，該移動平臺移動結(jié)構(gòu)簡單，適用于平坦的地面，行走過程較快，但是同樣存在著許多缺陷，最大的問題是輪式移動平臺對行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時(shí)極容易打滑；且移動轉(zhuǎn)向的時(shí)候需要整個(gè)移動平臺本體轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)彎半徑較大，占用的行走空間較多。我們都知道移動結(jié)構(gòu)是移動平臺中極為重要的一個(gè)構(gòu)件，因此在整體設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該考慮移動結(jié)構(gòu)的適用性，穩(wěn)定性和可靠性。
為了讓移動平臺的各項(xiàng)性能滿足其使用要求，我們需要從以下方面要求入手考慮：機(jī)動性能好，轉(zhuǎn)彎半徑小，翻越障礙能力強(qiáng)，與地面附著力大，穩(wěn)定可靠性高。本設(shè)計(jì)中我們選用履復(fù)合式作為移動平臺的移動結(jié)構(gòu)，所謂履復(fù)合式移動結(jié)構(gòu)就是把履帶式和輪式結(jié)構(gòu)融合到一起，使其既具備履帶式移動平臺跨越障礙物行走的優(yōu)點(diǎn)，又具備輪式移動平臺移動過程動作穩(wěn)定、操作簡單的優(yōu)點(diǎn)；履復(fù)合式移動平臺能夠適用于各種環(huán)境下的工作，因此對其進(jìn)一步的研究是不能忽視的。
1.2移動平臺的發(fā)展概況
歐美等國家在移動平臺的技術(shù)研究方面一直處于世界的前端，他們單獨(dú)設(shè)立有專門的移動平臺技術(shù)研究小組，且都在努力將移動平臺的技術(shù)推廣到各行各業(yè)當(dāng)中。目前韓國的移動平臺的研發(fā)已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，他們成功將該移動平臺應(yīng)用到一些危險(xiǎn)的環(huán)境中實(shí)際作業(yè)，比如韓國忠南大學(xué)CALEB-2機(jī)器人，韓國科學(xué)技術(shù)院VSTR和ROBHAZ-DT系列機(jī)器人、韓國全北國立大學(xué)SingLE-Tracked機(jī)器人、法國VGTV機(jī)器人等，其中技術(shù)更為穩(wěn)定的是加拿大謝布魯克大學(xué)研制的AZIMUT履復(fù)合式移動平臺。
目前國內(nèi)對移動平臺的技術(shù)研究仍然處于初始階段，對移動平臺的定位傳感器、位置導(dǎo)航、運(yùn)動控制以及主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵層面的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他歐美國家。不過現(xiàn)在許多國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開始努力開展對移動平臺的研究工作，從最基礎(chǔ)的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動控制入手。由于移動平臺在機(jī)動性、越障方式等方面與其他機(jī)器人有很大不同，因此國內(nèi)在移動平臺技術(shù)研發(fā)這條路上還有很長的路程要走。
1.3 課題研究的意義及目的
從目前全球市場需求布局來看，歐、美地區(qū)成為功能全、結(jié)構(gòu)簡潔、質(zhì)量好、性能穩(wěn)定的移動平臺的主要銷售市場；中東、非洲地區(qū)主要選擇老款式、簡單實(shí)用價(jià)格便宜的移動平臺；還有以俄羅斯為代表的高寒國家則更喜歡能耐寒，機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固的移動平臺以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡乩須夂驐l件；日韓則主要關(guān)注產(chǎn)品的品質(zhì)與安全；目前國內(nèi)的移動平臺整體研究狀況還是比較良好，已由原來單一的移動功能，不注重外觀，逐漸演變成為實(shí)際使用中的藝術(shù)品，以外觀精美結(jié)構(gòu)巧妙，操作方便，質(zhì)量安全穩(wěn)定等特點(diǎn)成為新的發(fā)展方向。為進(jìn)一步適應(yīng)各行各業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)如今市場上還出現(xiàn)了移動服務(wù)機(jī)器人。
第二章 四輪履復(fù)合移動平臺的設(shè)計(jì)
現(xiàn)有市場上常見的移動平臺基本上都是輪式移動平臺，其基本工作方式為行走電動機(jī)帶動行走輪轉(zhuǎn)動，行走輪再將動力傳遞給整個(gè)輪式移動平臺達(dá)到讓其自由行走的目的。輪式移動平臺主要有以下幾個(gè)方面的缺點(diǎn)：對行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時(shí)極容易打滑；且移動轉(zhuǎn)向的時(shí)候需要整個(gè)移動平臺本體轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)彎半徑較大，占用的行走空間較多；而本設(shè)計(jì)中的四輪履復(fù)合移動平臺采用履帶加滾輪驅(qū)動的工作原理，其基本工作方式為利用行走電機(jī)通過減速器帶動四輪履帶轉(zhuǎn)動，使得整個(gè)移動平臺向前行進(jìn)，履帶上的復(fù)合滾輪跟隨著履帶轉(zhuǎn)動，利用翻轉(zhuǎn)電機(jī)通過減速器帶動四輪履帶翻轉(zhuǎn)用于實(shí)現(xiàn)越障功能。
這兩種移動平臺的工作原理截然不同，兩者結(jié)構(gòu)不同、實(shí)現(xiàn)方式不同，使用方法也不相同。本篇論文中的四輪履復(fù)合移動平臺設(shè)計(jì)運(yùn)用了巧妙的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，利用電動機(jī)作為移動平臺行走的源動力，再通過穩(wěn)定的減速器和鏈傳動將電動機(jī)的動力傳遞給前后四輪履帶，使得移動平臺可以實(shí)現(xiàn)自由的行走，且四輪履復(fù)合移動平臺在遇到障礙物時(shí)，通過翻轉(zhuǎn)電機(jī)調(diào)整整個(gè)履帶的角度，使得整個(gè)運(yùn)動過程更加平穩(wěn)。四輪履帶上額外增加的滾輪可以更好的幫助移動平臺在遇到大型障礙物時(shí)，增加動力，增大與地面的摩擦力。
我們在現(xiàn)有的履帶式機(jī)器人的理論基礎(chǔ)上改良結(jié)構(gòu)和運(yùn)動方式，本次設(shè)計(jì)的四輪履復(fù)合移動平臺采用四履帶式加八滾輪的結(jié)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，綜合材質(zhì)的選擇、結(jié)構(gòu)的簡化，讓操作者更加方便穩(wěn)定的使用該移動平臺，這是本篇論文四輪履復(fù)合移動平臺的設(shè)計(jì)初衷。
2.1 四輪履復(fù)合移動平臺的設(shè)計(jì)要求
（1）本設(shè)計(jì)中的四輪履復(fù)合移動平臺主要在一些人不方便進(jìn)入的小型場合使用，包括倒塌的建筑物內(nèi)，災(zāi)難現(xiàn)場，危險(xiǎn)災(zāi)區(qū)和坍塌煤礦等。
（2）本設(shè)計(jì)之前綜合考慮，該四輪履復(fù)合移動平臺應(yīng)該具有以下功能：產(chǎn)品加工生產(chǎn)成本低，質(zhì)量安全穩(wěn)定，使用壽命長，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，使用便捷，方便搬運(yùn)移動；
（3）本設(shè)計(jì)從四輪履復(fù)合移動平臺行走機(jī)構(gòu)和運(yùn)動控制兩方面著手進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析及計(jì)算闡述。
2.2 四輪履復(fù)合移動平臺的設(shè)計(jì)概述
本設(shè)計(jì)中四輪履復(fù)合移動平臺由車體框架、行走機(jī)構(gòu)、蓄電池、充電裝置、運(yùn)動定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、運(yùn)動控制裝置等組成。本設(shè)計(jì)中的行走機(jī)構(gòu)由行走電動機(jī)、行走減速器、鏈傳動組件、滾輪帶傳動組件組成。
四輪履復(fù)合移動平臺的設(shè)計(jì)參數(shù)
材質(zhì)：鋁合金
自身重量：50kG
規(guī)格(MM)：L860×W592×H354
運(yùn)行速度：1~1.5m/s
行走電機(jī)功率：200W
翻轉(zhuǎn)電機(jī)功率：200W
續(xù)航時(shí)間：2H
2.3 四輪履復(fù)合移動平臺的具體設(shè)計(jì)
2.3.1 四輪履復(fù)合移動平臺行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中的四輪履復(fù)合移動平臺行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括行走電動機(jī)的設(shè)計(jì)與選型，行走減速器的設(shè)計(jì)，鏈傳動組件的設(shè)計(jì)與選型，滾輪帶傳動組件的設(shè)計(jì)。
2.3.1.1行走電動機(jī)的設(shè)計(jì)與選型
在本設(shè)計(jì)中，鏈傳動組件將前后四個(gè)履帶連接起來，而滾輪帶傳動組件又分別將單個(gè)履帶中的兩個(gè)滾輪驅(qū)動起來，相當(dāng)于四個(gè)履帶由兩個(gè)相同的行走電動機(jī)驅(qū)動，也就是說一個(gè)行走電機(jī)驅(qū)動一側(cè)的履帶行走，這樣即保證了單側(cè)前后履帶速度的同步性，又保證了兩側(cè)可以通過兩個(gè)行走電動機(jī)不同的速度造成差速控制使得整個(gè)四輪履復(fù)合移動平臺可以實(shí)現(xiàn)自動轉(zhuǎn)彎行走。
這里我們按四輪履復(fù)合移動平臺的自身重量50KG進(jìn)行行走電動機(jī)的設(shè)計(jì)選型。在本設(shè)計(jì)中我們設(shè)定四輪履復(fù)合移動平臺的最大牽引線速度V為90m/min。
根據(jù)公式N = V /?πD
式中：N——行走電機(jī)經(jīng)過行走減速器后的轉(zhuǎn)速
V——四輪履復(fù)合移動平臺的牽引線速度
D——轉(zhuǎn)動輪的直徑
已知轉(zhuǎn)動輪的設(shè)計(jì)直徑為105mm，計(jì)算得到行走電機(jī)經(jīng)過減速器后的轉(zhuǎn)速：
N=90*1000/（π*105）≈272.8r/min
取四輪履復(fù)合移動平臺的履帶與地面之間的滾動摩擦系數(shù)為0.5，從三維設(shè)計(jì)圖中計(jì)算得出整個(gè)四輪履復(fù)合移動平臺自重50KG，得到：
整個(gè)四輪履復(fù)合移動平臺在向前行走的過程中與地面的滾動摩擦力f=0.5*50*10=250N
我們這里計(jì)算時(shí)設(shè)定四輪履復(fù)合移動平臺以勻速運(yùn)動的方式運(yùn)動，單個(gè)行走電機(jī)的牽引力F=1/2*f=125N
計(jì)算可以得到：
行走電機(jī)經(jīng)過減速器后的輸出扭矩M=F*R=125×52.5/1000=6.5625N.M
根據(jù)公式M=9550×/n
式中：M——行走電動機(jī)經(jīng)過減速器后的輸出扭矩
——行走電動機(jī)的主軸輸出功率
n——行走電動機(jī)經(jīng)過減速器后的輸出轉(zhuǎn)速
計(jì)算得到：
行走電動機(jī)的理論主軸功率 =6.5625*272.8/9550=0.18746KW
行走電動機(jī)所需的功率：
式中： ——行走電動機(jī)理論主軸功率
——傳動機(jī)構(gòu)的總傳動效率，取0.95
——行走電動機(jī)的功率
計(jì)算得到行走電機(jī)功率
pm=0.187460.95KW≈0.197KW
本設(shè)計(jì)中的行走電機(jī)選型采用的是直流無刷電機(jī)。作為同步電機(jī)的一種，直流無刷電機(jī)相對于其它類型的電動機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)上面的計(jì)算，我們得到四輪履復(fù)合移動平臺行走電機(jī)實(shí)際工作時(shí)所需要的輸出功率為197W，考慮在行走過程中可能遇到復(fù)雜地形的情況，我們選定行走電機(jī)的品牌為瑞士maxon直流無刷電機(jī)，型號為EC-4pole 30，其工作額定功率為200W，額定轉(zhuǎn)速n為16200r/min,行走電機(jī)的具體參數(shù)見表2.2；
表2.2 行走電機(jī)詳細(xì)參數(shù)
2.3.1.2行走減速器的設(shè)計(jì)
已知行走電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速n1為16200 r/min，行走電機(jī)經(jīng)過減速器后的轉(zhuǎn)速n2為272.8r/min，計(jì)算傳動比：
i=16200/272.8=59.38≈60
如果我們只選用減速器減速，那么傳動比i=40就必須通過多級減速才可以實(shí)現(xiàn)，考慮到四輪履復(fù)合移動平臺的設(shè)計(jì)要求：結(jié)構(gòu)安裝簡單，自身重量輕，因此減速器的體積需要盡可能的小，所以本設(shè)計(jì)中采用行走電機(jī)自帶減速器的方式先來降低電機(jī)自身輸出轉(zhuǎn)速。
齒輪減速器為行走電機(jī)與鏈傳動之間的獨(dú)立的閉式傳動裝置，它通過降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩來滿足實(shí)際工況的需求。減速器的類型有很多，按照傳動方式的不同可以分為齒輪減速器，蝸輪蝸桿減速器和行星減速器；按照傳動的級數(shù)可以分為單級和多級減速器。我們已知本設(shè)計(jì)中的齒輪減速器的減速比為1。通常情況下單級齒輪減速器的傳動比i≤8—10，且齒輪減速器的優(yōu)點(diǎn)是效率和可靠性高，工作壽命長，維護(hù)簡單；由于本設(shè)計(jì)中的履帶轉(zhuǎn)動的工作轉(zhuǎn)矩較大，因此選擇行星減速器做為本設(shè)計(jì)中的齒輪減速器。
我們這里選用湖北行星傳動設(shè)備有限公司的精密行星減速機(jī)，選用他們的ZJPX系列的精密行星減速機(jī)。
該減速機(jī)主要性能：
1.采用行星齒輪傳動，輸出力矩比直齒圓柱齒輪高30%，噪音更低；
2.轉(zhuǎn)動體經(jīng)動平衡校正確保運(yùn)行更平穩(wěn)；
3.適配任何伺服電機(jī)，輸入，輸出模塊組合，可進(jìn)行特殊連接設(shè)計(jì)，安裝簡便可靠；
4.維護(hù)簡單，在壽命期間無需要換潤滑油脂。
ZJPX行星減速機(jī)技術(shù)參數(shù)
產(chǎn)品型號
ZJPX65
ZJPX85
ZJPX115
ZJPX142
減速比
級數(shù)
額定輸出扭矩
13.5
39
98
308
3
1級
29
80
205
600
4
24
65
137
425
5
15
37
86
272
8
15
42
110
335
12
2級
34
90
230
675
16
34
90
230
675
20
29
71
155
460
25
34
90
230
675
32
29
71
155
400
40
17
42
95
305
64
19
54
142
422
60
3級
44
110
296
900
80
44
110
296
900
100
44
110
296
900
120
44
110
296
900
160
38
90
195
585
200
44
110
296
900
256
38
90
195
385
320
22
52
122
395
512
故障停止轉(zhuǎn)矩
2倍額定輸出轉(zhuǎn)矩
產(chǎn)品型號
ZJPX65
ZJPX85
ZJPX115
ZJPX142
單位
級數(shù)
最大徑向力
1550
3055
4330
9480
N
最大軸向力
1220
2330
3300
6800
N
滿載效率
95
%
1級
93
2級
90
3級
平均壽命
20000
h
重量
3.3
6.7
16.5
37.0
Kg
1級
3.7
7.5
18.2
43.0
2級
4.2
7.5
18.5
40.0
3級
我們這里選用3級減速比60的減速機(jī)型號ZJPX142。
2.3.1.3齒輪副的設(shè)計(jì)與計(jì)算
在設(shè)計(jì)時(shí)保證直齒輪傳動的中心距不變的條件下，增加齒數(shù)，不僅可以增大齒輪嚙合的重合度、保證傳動的平穩(wěn)性，而且可以減小齒輪模數(shù)，降低齒高，減少加工的切削量。為了提高傳動的穩(wěn)定性，減少傳動過程中的沖擊振動，降低磨損失效。
我們已知本設(shè)計(jì)中的齒輪副傳動的減速比為1。根據(jù)齒輪副的工作環(huán)境選擇不同的齒輪齒數(shù)，閉式齒輪傳動一般轉(zhuǎn)速較高，為了提高傳動的穩(wěn)定性，減小沖擊振動，通常選擇齒數(shù)多一點(diǎn)的齒輪，小齒輪的齒數(shù)可取為Z1=20~40，而開式（半開式）齒輪傳動，由于輪齒的磨損失效為主要因素，因此小齒輪的齒數(shù)通常選用不多，一般可以小齒輪的齒數(shù)Z1=17—20，且為了防止齒輪嚙合時(shí)發(fā)生根切，應(yīng)取Z1≥17。本設(shè)計(jì)中的齒輪副的工作環(huán)境為封閉的減速箱內(nèi)，且齒輪傳動的轉(zhuǎn)速較高，因此選定小齒輪的齒數(shù)Z1為30。
小齒輪齒數(shù)確定后，按傳動比i=Z2/Z1可以計(jì)算出大齒輪齒數(shù)Z2也為30。
1）確定齒輪的材質(zhì)，計(jì)算出齒輪的許用應(yīng)力大小
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》圖10-25（d）選定小齒輪的材質(zhì)為調(diào)質(zhì)
選定大齒輪的材質(zhì)為 45鋼
參考公式10-14可得，許用接觸應(yīng)力
參考圖10-25（d）可得，接觸疲勞極限
參考公式10-15得， 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
--齒輪的轉(zhuǎn)動速度
–齒輪副轉(zhuǎn)動時(shí)的嚙合次數(shù)
-齒輪的使用最長時(shí)間
-齒輪工作時(shí)的最小安全使用系數(shù)，取失效率為1%，則 ，
接觸疲勞壽命系數(shù)
參考圖10-23得
根據(jù)上邊的公式計(jì)算得
齒輪彎曲疲勞許用應(yīng)力
參考圖10-24（c）得，彎曲疲勞極限，雙向傳動乘0.7
參考圖10-22得，彎曲疲勞壽命系數(shù)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》圖10-21得，彎曲強(qiáng)度尺寸系數(shù) 為彎曲強(qiáng)度尺寸系數(shù)（通常情況下模數(shù)m小于5）
計(jì)算得到
2）齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
計(jì)算出齒輪的精度等級，
初步選定，參考表10-6
精度范圍選擇9級
參考公式10-11得，小齒輪分度圓直徑，
參考表10-7得，齒寬系數(shù)，一般按照不對稱
根據(jù)齒輪副的工作環(huán)境選擇不同的齒輪齒數(shù)，閉式齒輪傳動一般轉(zhuǎn)速較高，為了提高傳動的穩(wěn)定性，減小沖擊振動，通常選擇齒數(shù)多一點(diǎn)的齒輪，小齒輪的齒數(shù)Z1可取為Z1=20~40，
這里選定Z1=30
大齒輪齒數(shù) Z2=Z1×i=30×1=30
傳動比 =i=1
計(jì)算結(jié)果符合要求
確定載荷系數(shù)
根據(jù)表10-3得，取
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，取
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，取
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，取
計(jì)算得到
根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表10-5查得，
，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，這里取
齒輪刀具模數(shù)
M=d1/z1=44.7/30=1.49mm
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)表（GB/T1357-1987），m=1.5
齒輪副中心距
A=m(z1+z2)/2=1.5×（30+30）/2=45mm
3）齒輪齒根處彎曲疲勞強(qiáng)度校核分析
由式 6-10
參考圖10-17得，齒形系數(shù)，
參考圖10-18得，應(yīng)力修正系數(shù)，
計(jì)算得
計(jì)算表明，行走機(jī)構(gòu)的齒輪副的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度滿足實(shí)際需要。
2.3.1.4鏈傳動的設(shè)計(jì)
鏈傳動是一種繞性傳動，通常由鏈條和鏈輪組成，通過鏈輪的輪齒和鏈條的鏈節(jié)之間的嚙合傳遞動力。與齒輪傳動相比，鏈傳動的制造和安裝精度要求較低，成本也較低。特別在長距離傳動時(shí)，結(jié)構(gòu)比齒輪傳動更加有優(yōu)勢。鏈條按用途不同又可以分為傳動鏈、輸送鏈和起重鏈。輸送鏈和起重鏈通常用于重型運(yùn)輸機(jī)械和起重機(jī)械中。本設(shè)計(jì)中我們選用的是常用的傳動鏈。傳動鏈又可以分為滾子鏈和齒形鏈等類型，本設(shè)計(jì)中采用的是常規(guī)的滾子鏈，通常用于低速的傳動系統(tǒng)中，且最大傳動比i=8。
滾子鏈在傳遞較大功率時(shí)，可采用雙排鏈或者多排鏈。多排鏈的承載能力和排數(shù)成正比，但受到裝配精度的制約，多排鏈承受的載荷不容易分布均勻，因此鏈條的排數(shù)也不宜過多。
（1） 鏈輪設(shè)計(jì)與計(jì)算
小鏈輪的齒數(shù)少一點(diǎn)可以減小鏈輪的外廓尺寸，但齒數(shù)過少時(shí)也會增加動力傳遞過程中的不均勻性和動態(tài)載荷；鏈條和鏈輪在嚙合時(shí)鏈節(jié)間的相對轉(zhuǎn)角增大使得鏈傳動的圓周力增大，導(dǎo)致鏈傳動整體的磨損。因此小鏈輪的齒數(shù)Z1也不宜過小，通常情況下鏈輪的最少齒數(shù)Zmin=9。一般Z1≥16，對于高速傳動或是承受較大沖擊載荷的鏈傳動Z1不少于25。同樣小鏈輪的齒數(shù)Z1也不宜取得過大，在傳動比一定時(shí)，Z1大，Z2也相應(yīng)增大，會導(dǎo)致傳動結(jié)構(gòu)的總體尺寸增大，并且容易導(dǎo)致鏈條跳鏈和脫鏈的情況發(fā)生，也會影響鏈條的使用壽命。本設(shè)計(jì)中選定小鏈輪的齒數(shù)Z1=16，并依據(jù)前后兩個(gè)履帶轉(zhuǎn)動速度一致的實(shí)際情況，可以得到整個(gè)鏈傳動的傳動比為1，可得到：
Z2=Z1×i=16×1=16
鏈輪的節(jié)距P越大，承載能力也越高，但是P越大也意味著鏈輪的總體尺寸越大，反而振動、沖擊和噪聲也會越嚴(yán)重。為了使整個(gè)鏈傳動結(jié)構(gòu)緊湊，當(dāng)速度高，功率大時(shí)，應(yīng)盡量選用小節(jié)距的多排鏈，本設(shè)計(jì)中采用雙排鏈的鏈輪傳動。
（2） 鏈傳動的計(jì)算
根據(jù)鏈傳動的工作環(huán)境，小鏈輪齒數(shù)和鏈條排數(shù)，將鏈傳動所傳遞的功率修正為當(dāng)量的雙排鏈的計(jì)算功率
Pca=KAKZKPP
式中：KA——工況系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表9-6工況系數(shù)取1.0；
Kz——小鏈輪齒數(shù)系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》圖9-13小鏈輪齒數(shù)系數(shù)取1.65；
KP——排鏈系數(shù)，雙排鏈時(shí)取KP=1.75，三排鏈時(shí)取KP=2.5；
P——傳遞的功率，KW。
計(jì)算得到
Pca=1.0×1.651.75×0.2=0.19KW
根據(jù)計(jì)算得到的排鏈的計(jì)算功率Pca和小鏈輪的轉(zhuǎn)速n1=272.8r/min由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》圖9-11得到鏈條型號為08A，鏈輪的型號為08A，再根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表9-1確定鏈條的節(jié)距P=12.7mm。鏈條具體參數(shù)見圖2.6
圖2.5 滾子鏈額定功率曲線
鏈條的鏈速V決定了鏈傳動的潤滑方式，鏈條平均鏈速
V=Z1n1p60×1000=Z2n2p60×1000=16×272.8×0.260×1000=14.55mm/s
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》圖9-14選擇定期人工潤滑的方式。
圖2.6 滾子鏈的規(guī)格參數(shù)
（3） 鏈傳動的張緊
鏈傳動張緊的目的在于，為了避免在鏈條的松邊垂度過大時(shí)產(chǎn)生鏈傳動嚙合不良和鏈條的振動現(xiàn)象，同時(shí)也增加鏈條和鏈輪的嚙合包角。張緊的方式有很多，當(dāng)小鏈輪與大鏈輪之間的中心距可調(diào)時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)中心距來控制鏈條的張緊程度。但是當(dāng)中心距不可調(diào)時(shí)，我們只有通過增加張緊輪的方式實(shí)現(xiàn)鏈條的張緊。張緊輪可以是鏈輪，也可以是滾輪。且設(shè)計(jì)張緊輪時(shí)應(yīng)該使其直徑盡量與小鏈輪的直徑相接近。本設(shè)計(jì)中小鏈輪的齒數(shù)為16，因此設(shè)計(jì)張緊鏈輪的齒數(shù)為11，型號為08A。
2.3.1.5滾輪帶傳動組件的設(shè)計(jì)
履復(fù)合式移動平臺相比普通的履帶式移動平臺多了八個(gè)帶動力的滾輪，而這些滾輪的動力來源則是由履帶上的轉(zhuǎn)動輪提供的，通過帶傳動的方式將動力傳遞給了各個(gè)滾輪。
動力傳遞中可以按規(guī)定的速度精確，平穩(wěn)，可靠地將動力從一個(gè)載體傳遞到另一個(gè)載體上，根據(jù)傳動方式的不同，分為“帶傳動”和“鏈傳動”兩大類。兩種傳動方式各自的特點(diǎn)如下：
帶傳動：運(yùn)行平穩(wěn)，噪音小，對環(huán)境污染少，允許高速運(yùn)行，但不能在有油污的地方工作。鏈傳動：承載能力大，布置方便，對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在經(jīng)常接觸油、水及溫度較高的地方工作，但在多塵環(huán)境中工作室鏈條容易磨損，高速運(yùn)行時(shí)噪音較大。
帶傳動按照工作方式的不同又可以分為摩擦式帶傳動和嚙合式帶傳動，其中摩擦式帶傳動又可以根據(jù)傳動帶的橫截面的形狀不同分為普通平帶傳動，“O”帶傳動，V帶傳動和多楔帶傳動。而所謂嚙合式帶傳動就是我們通常說的同步帶傳動，它是利用傳動帶上等距分布的齒形和同步帶輪上與之對應(yīng)的齒形做嚙合運(yùn)動實(shí)現(xiàn)動力傳遞的，與摩擦式帶傳動相比，嚙合式帶傳動中的同步帶和同步帶輪之間沒有相對滑動，因此傳動過程中可以保證傳動比始終是穩(wěn)定的。
綜上所述我們不難發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)中要求滾輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動輪的轉(zhuǎn)速一致，那就必須要保證滾輪與轉(zhuǎn)動輪之間的傳動比是穩(wěn)定的，因此在本設(shè)計(jì)中我們選擇使用同步帶的傳動方式帶動滾輪轉(zhuǎn)動。
同步帶的類型有很多，具體類型見表2-4，主要根據(jù)三個(gè)方面的條件：帶傳動傳遞的功率，帶輪轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)速和帶傳動的用途、載荷性質(zhì)。
1) 計(jì)算帶傳動的設(shè)計(jì)功率Pa
Pa=Kap
式中：Ka--------工況系數(shù)，見《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表13-1-68，本設(shè)計(jì)中選定Ka=1.3
P----帶傳動傳遞的功率，KW
Pa=Kap=1.3×0.2=0.26KW
2）選擇同步帶的帶型
根據(jù)上面計(jì)算得出的Pa和小帶輪的轉(zhuǎn)速n1由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》圖13-1-7選取合適的同步帶的類型；已知小同步帶輪的轉(zhuǎn)速n1=272.8r/min，本設(shè)計(jì)選定同步帶的帶型為L型。
3）,同步帶輪齒數(shù)的選定
根據(jù)公式Z1≥Zmin，且Zmin通過《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》表13-1-69查的，理論上帶傳動的帶速V和安裝尺寸允許時(shí)，Z1應(yīng)該盡可能的選取較大值。
由表可得Zmin=12，因此本設(shè)計(jì)中選定小同步帶輪齒數(shù)Z1為24，并根據(jù)滾輪與轉(zhuǎn)動輪的轉(zhuǎn)速大小相等，可知同步帶傳動的傳動比為1，所以計(jì)算得到大同步帶輪齒數(shù)Z2也為24。
2.3.2 四輪履復(fù)合移動平臺運(yùn)動控制的設(shè)計(jì)
2.3.2.1四輪履復(fù)合移動平臺導(dǎo)航方式對比
電磁導(dǎo)航：電磁導(dǎo)航是一種更為傳統(tǒng)的導(dǎo)向方式，根據(jù)工作需求，在工作區(qū)域埋設(shè)金屬導(dǎo)線，并加載低頻低壓電流，使電線周圍的磁場，移動平臺沿著此路徑行走時(shí)，其內(nèi)部的感應(yīng)線圈通過對導(dǎo)航磁場力量識別跟蹤，實(shí)現(xiàn)對移動平臺的導(dǎo)引。
優(yōu)點(diǎn)：導(dǎo)線隱藏，不易污染和損壞，引導(dǎo)原理簡單可靠，易于控制通訊，無干擾聲光，投資成本遠(yuǎn)低于激光導(dǎo)航
缺點(diǎn)：改變或擴(kuò)大路徑比較麻煩，引導(dǎo)線鋪設(shè)相對困難。
磁帶導(dǎo)航：磁帶導(dǎo)航技術(shù)與電磁導(dǎo)航相似，區(qū)別在于使用磁帶在路上而不是磁帶嵌入地下金屬線，通過磁帶傳感應(yīng)信號實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)。
優(yōu)點(diǎn)：采用磁帶導(dǎo)航導(dǎo)引車定位精確，鋪設(shè)、變更或擴(kuò)充行走路線時(shí)，相對于電磁導(dǎo)航的較容易，而且磁帶成本較低。
缺點(diǎn)：磁帶容易斷開，需要經(jīng)常對磁帶進(jìn)行維護(hù)，更改路徑時(shí)需要重新鋪設(shè)磁帶，移動平臺只能通過磁帶走，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避免，或者通過控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)更改任務(wù)。
二維碼導(dǎo)航：該技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)有一段時(shí)間，運(yùn)用該導(dǎo)航方式的移動平臺是通過視覺識別系統(tǒng)識別二維碼，加上慣性進(jìn)行導(dǎo)航，其地圖相當(dāng)于是一個(gè)大號的圍棋棋盤，移動平臺可以到達(dá)所有點(diǎn)。
優(yōu)點(diǎn)：移動平臺定位精度，導(dǎo)航靈活性更好，鋪設(shè)，改變或擴(kuò)展路徑也比較容易方便控制通信，不會干擾聲光。
缺點(diǎn)：需要定期維護(hù)路徑，如果現(xiàn)場復(fù)雜，則需要運(yùn)行替代二維碼，對陀螺儀的準(zhǔn)確性要求高，其使用壽命要求長，另外對于工作場地的平整度要求較高，價(jià)格偏高。
激光導(dǎo)航：第一種是通過反光板導(dǎo)航，在移動平臺工作的路徑周圍安裝位置精確的激光反射板，通過移動平臺發(fā)射激光束，同時(shí)收集由路徑周圍的反射板反射過來的激光束，確定移動平臺此時(shí)所在的位置和方向，并通過連續(xù)的三角形幾何操作來實(shí)現(xiàn)移動平臺導(dǎo)航。另一種是通過激光測距與SLAM算法結(jié)合，建立一套移動平臺行駛路線圖，不需要任何輔助材料，具有更高程度的靈活性，可以進(jìn)行全面部署，這種導(dǎo)航是未來的發(fā)展趨勢，也是很多廠商都在研發(fā)的方向，靈活性比其他導(dǎo)航方法強(qiáng)。
優(yōu)點(diǎn)：移動平臺定位精準(zhǔn)，地面不需要設(shè)置其他定位設(shè)施，行駛可以適應(yīng)各種現(xiàn)場環(huán)境，目前國內(nèi)外很多AGV廠商都傾向于使用該種先進(jìn)的導(dǎo)航。
缺點(diǎn)：制造成本高，對環(huán)境有相對較高的要求（外界光線，地面要求，能見度要求等）
2.3.2.2四輪履復(fù)合移動平臺差速運(yùn)動控制概述
移動平臺的行進(jìn)線路圖包括行進(jìn)線路，啟停位置和轉(zhuǎn)彎位置，自動導(dǎo)航傳感器和磁條，磁釘一起組成導(dǎo)航系統(tǒng)，移動平臺在上位程序的調(diào)度下按照事先規(guī)定好的路線進(jìn)行行走動作，包括啟停，轉(zhuǎn)彎或者是其他的動作。
依據(jù)不同的使用方法，自動導(dǎo)航系統(tǒng)又可以分為兩大類：地標(biāo)傳感器和磁導(dǎo)航傳感器。多點(diǎn)位的地標(biāo)傳感器和多點(diǎn)位的磁導(dǎo)航傳感器相互關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)完整的自動導(dǎo)航傳導(dǎo)系統(tǒng)。
自動導(dǎo)航傳感器就安裝在移動平臺車體框架的最下端，在自動導(dǎo)航傳感器的兩邊還安裝有兩個(gè)磁釘。當(dāng)移動平臺在磁條上方行走時(shí)，此時(shí)自動導(dǎo)航傳感器同樣也應(yīng)該在磁條的正上方。如果在行進(jìn)的過程中發(fā)生位置偏移，即自動導(dǎo)航傳感器檢測到磁條不是正好在下面，移動平臺就是自動通過差速控制讓車體向左邊偏離或是向右邊偏離，一直到自動導(dǎo)航傳感器重新回到磁條的正上方。磁釘主要是用來檢測一些啟停的具體工位和轉(zhuǎn)彎的位置。自動導(dǎo)航傳感器和兩邊的磁釘安裝位置如圖所示：
磁條的周圍布滿了磁場，并且離磁場越近的地方磁場強(qiáng)度也越大。通常情況下，自動導(dǎo)航傳感器正中央的檢測點(diǎn)檢測到的磁場強(qiáng)度最大，越往邊上磁場強(qiáng)度檢測的越弱，且最邊上的檢測點(diǎn)檢測到的磁場強(qiáng)度最低。通過磁條發(fā)出的磁場分布情況，我們就可以檢測出移動平臺相對于地面上磁條的位置，根據(jù)這一信息，移動平臺的差速控制系統(tǒng)就可以判斷本體行走的路線是否正確，是否已經(jīng)偏移指定位置。
2.3.2.3磁導(dǎo)航傳感器設(shè)計(jì)選型
磁導(dǎo)航傳感器選型：地標(biāo)傳感器MA02和磁導(dǎo)航傳感器MA16
MA02和MA16帶NPN數(shù)字量輸出和RS485串口輸出
自動導(dǎo)航傳感器MA16主要是起到行進(jìn)路線識別的作用，而磁釘則用于檢測一些其它特殊位置，比如啟停位置，轉(zhuǎn)彎位置，分叉位置等等。
2.3.2.4差速運(yùn)動控制的方式
所謂差速運(yùn)動控制，就是整個(gè)四輪履復(fù)合移動平臺的行走機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)行走電動機(jī)分別以不一樣的速度轉(zhuǎn)動，因?yàn)樗俣鹊牟町愂沟靡苿悠脚_行走的方向得以調(diào)整。
本設(shè)計(jì)中移動平臺轉(zhuǎn)動輪轉(zhuǎn)速控制考慮使用以下兩種方案相結(jié)合的方式來控制：
1、采用PID控制，根據(jù)移動平臺在磁帶運(yùn)動的正中央為PID的給定輸出值，以自動導(dǎo)航傳感器實(shí)際檢測到的具體數(shù)據(jù)為PID的輸入值，從而控制兩個(gè)轉(zhuǎn)動輪的不同運(yùn)動轉(zhuǎn)速。
2、以磁導(dǎo)航傳感器反饋的數(shù)據(jù)分不同情況設(shè)置兩個(gè)轉(zhuǎn)動輪的速度，根據(jù)不同情況轉(zhuǎn)動輪以不同的速度運(yùn)行。
2.3.2.5差速運(yùn)動控制的實(shí)現(xiàn)及PLC程序設(shè)計(jì)
1、實(shí)現(xiàn)四輪履復(fù)合移動平臺能繞著圓圈做循環(huán)運(yùn)行，測試差速控制方式、用西門子PLC-200符合控制要求（程序的大小、程序的掃描周期）
2、實(shí)現(xiàn)四輪履復(fù)合移動平臺繞著圓圈做循環(huán)運(yùn)行，在固定位置停止，測量停止精度和方向精度
3、實(shí)現(xiàn)自四輪履復(fù)合移動平臺在交叉口做轉(zhuǎn)彎測試（交叉口為兩個(gè)分叉口）。 第三章 總結(jié)與展望
經(jīng)過一個(gè)學(xué)期的努力，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，由于還未畢業(yè)，工作經(jīng)驗(yàn)的匱乏，難免會造成諸多問題的考慮不周，如果沒有導(dǎo)師的督促與指導(dǎo)，以及室友、同學(xué)們的支持和幫助，獨(dú)自完成這個(gè)設(shè)計(jì)是非常艱難的。
我最應(yīng)該感謝的就是我的指導(dǎo)老師，楊老師不管工作多么繁忙，都非常在意和關(guān)心我們的設(shè)計(jì)進(jìn)度，無論是設(shè)計(jì)最開始的資料的收集，還是之后計(jì)算、校核、繪圖中遇到的困難，都是在楊老師的耐心、專業(yè)的指導(dǎo)下一點(diǎn)點(diǎn)兒的完成的。楊老師科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度感染著我，這將是我學(xué)習(xí)和傳承的研究精神。
我也要感謝我的室友們，四年來風(fēng)雨一起走過，培養(yǎng)了一定的默契，我們互相提醒對方論文、圖紙中存在的小問題，一起奮斗了四年，謝謝她們的支持和鼓勵。
我也要感謝這四年來教我專業(yè)知識的所有老師，是他們教會我機(jī)械相關(guān)知識，夯實(shí)了基礎(chǔ)。
四年時(shí)間過得很快，到了不得不分開的時(shí)節(jié)，縱有不舍、彷徨，但是我們要勇往直前，在此感謝母校和老師的栽培。
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