救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-履帶式移動(dòng)機(jī)械手【含6張cad圖紙+文檔全套資料】
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救援機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要：火災(zāi)的發(fā)生快速而迅猛，很多時(shí)候由于空氣中殘留大量易燃易爆氣體，使得救援工作很難開(kāi)展。全世界很關(guān)注救援機(jī)器人的發(fā)展，因?yàn)榫仍畽C(jī)器人體積靈活，可以持續(xù)工作，能夠及時(shí)就出遇害人員。文中對(duì)救援機(jī)器人國(guó)內(nèi)外的發(fā)展和研究作了詳細(xì)介紹，強(qiáng)調(diào)了本文使用救援機(jī)器人的必要性。
本文通過(guò)對(duì)救援機(jī)器人國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)和具體應(yīng)用，了解了救援機(jī)器人的好處。本文對(duì)救援機(jī)器人提出了總體的設(shè)計(jì)方案和自由度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，做出了詳細(xì)的計(jì)算。最后設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)和機(jī)身設(shè)計(jì)。機(jī)械臂采用四關(guān)節(jié)機(jī)械手。
關(guān)鍵字：救援機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；模塊化分析；四關(guān)節(jié)機(jī)械手
Rescue Robot of Structure Design
Abstract :The complexity of the work of fire disaster rescue,some time because of residual danger air rescue work has brought great difficulties. Rescue robot with its small size, flexible virtues such as disaster rescue tool assisted and caused widespread concern in the world. This paper analyzes the use of emergency rescue rescue robot's necessity and feasibility, introduced the research history and development situation of domestic and foreign rescue robot.
This paper discusses the development history of the rescue robot, application status at home and abroad, and its great superiority, the robot specific design requirements, the design, overall design and detailed design of each degree of freedom structure calculation; the final design of the walking mechanism and the fuselage design. Manipulator with four joints manipulator.
Keywords: disaster rescue robot；structure design；modularization analize；four joint manipulator；
目 錄
摘要 I
Abstract II
目錄 III
1 緒論 1
1.1 課題研究意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外救援機(jī)器人研究現(xiàn)狀 1
1.3 救援機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì) 3
2 救援機(jī)器人總體方案的確定 4
2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5
2.2 驅(qū)動(dòng)方式 5
2.3 確定負(fù)載 5
2.4 運(yùn)動(dòng)速度 5
3 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6
3.1 行走機(jī)構(gòu)方案的討論 6
3.1.1 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
3.2 大小錐齒輪的設(shè)計(jì)和校核 11
3.3 輸出軸的設(shè)計(jì)和校核 13
3.4 鍵的校核 19
3.5 雙擺臂的設(shè)計(jì) 20
4 機(jī)身設(shè)計(jì)及大臂的設(shè)計(jì) 21
4.1 機(jī)身的設(shè)計(jì) 21
4.1.1 支撐架的設(shè)計(jì) 21
4.1.2 機(jī)座的設(shè)計(jì) 21
4.1.3 機(jī)身箱體材料的選擇 21
4.1.4 機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝 21
4.2 大臂的設(shè)計(jì) 21
4.2.1 大臂的材料選擇 22
4.2.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
4.2.3 大臂電機(jī)及減速器選型 22
5 機(jī)械手小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
5.1 手部的設(shè)計(jì) 24
5.2 腕部設(shè)計(jì) 24
5.3 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算 25
5.4 軸分析及計(jì)算 28
5.5 軸承的壽命校核 29
5.6 軸的強(qiáng)度校核 30
總結(jié)與展望 31
參考文獻(xiàn) 32
致謝 34
IV
1 緒論
由于現(xiàn)在的環(huán)境惡化越來(lái)越嚴(yán)重，很多災(zāi)害不斷發(fā)生，有些情況是我們無(wú)法控制的，因此廣泛的使用救援機(jī)器人是必然的趨勢(shì)[1]。因?yàn)樵跒?zāi)害發(fā)生之后，災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性使得救援工作進(jìn)行緩慢。據(jù)大量數(shù)據(jù)表明，如果在災(zāi)難發(fā)生后的48小時(shí)之內(nèi)救不了那些幸存者，他們的死亡率就會(huì)急劇上升。而在危險(xiǎn)又緊急的情況下，如果救援工作不能及時(shí)展開(kāi)，這無(wú)疑是對(duì)遇害人員生命的威脅。這種情況下，使用救援機(jī)器人進(jìn)行輔助營(yíng)救就顯的非常重要[2]。
1.1 課題研究意義
火災(zāi)的發(fā)生往往迅猛，消防員很難進(jìn)入使得火情得到控制。救援工作受到空間限制、高溫濃煙、危險(xiǎn)物質(zhì)的影響，使得遇害人員不能夠及時(shí)的得到救助?；馂?zāi)救援機(jī)器人應(yīng)該小巧靈活，在救援過(guò)程中能夠克服各種障礙，適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。很快找到幸存者的位置并且可以避免消防人員進(jìn)入救援現(xiàn)場(chǎng)受到事故二次發(fā)生的傷害[3-4]?；馂?zāi)救援機(jī)器人還能克服高溫，濃煙的環(huán)境，持而有序的長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行救援，所以研究火災(zāi)救援機(jī)器人在救援工作中有著重要的意義。
1.2 國(guó)內(nèi)外救援機(jī)器人研究現(xiàn)狀
機(jī)器人技術(shù)起初是為了進(jìn)行軍事戰(zhàn)場(chǎng)的戰(zhàn)情偵查和戰(zhàn)場(chǎng)清掃等工作，在上個(gè)世界的八十年代以前，就有人已經(jīng)提出將機(jī)器人用在救援上面。
自從發(fā)生了美國(guó)俄克拉荷馬州的大樓爆炸案和日本神戶—大阪的地震之后，救援機(jī)器人的應(yīng)用得到了充分的肯定，各個(gè)國(guó)家也開(kāi)始了對(duì)救援機(jī)器人的研究[5]。機(jī)械人技術(shù)的研究，在2001年美國(guó)9.11事件中得到了實(shí)踐，美國(guó)機(jī)器人研究中心和相關(guān)的參研單位共同開(kāi)發(fā)了救援機(jī)械人，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.1所示。它們是Ｆoster-Miller公司的SOLEM系統(tǒng)、Tolon系統(tǒng)以及l(fā)nuklun公司的VGTV系統(tǒng)和Microlac系統(tǒng)，機(jī)器人在此次救援行動(dòng)中取得了成功。但是在應(yīng)用的同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了視野狹窄、控制方式不好等缺點(diǎn)[6]。
圖1.1 救援機(jī)器人系統(tǒng)
在9.11事件中，機(jī)器人發(fā)揮了重要的作用，同時(shí)引發(fā)了對(duì)機(jī)器人研究的熱潮，在廣大科研人員和高校等相關(guān)單位的共同努力下，取得了大量的研究成果，無(wú)論是理論上還是實(shí)際應(yīng)用上，都取得了突飛猛進(jìn)的成果，研制出了各式各樣用于偵查和搜救的救援機(jī)器人。
主要典型的有履帶式機(jī)器人、蛇形機(jī)器人、飛行機(jī)器人等幾類[7-8]。
（1）履帶式機(jī)器人
履帶式救援機(jī)器人是將履帶套在車輪上，從而增大受力面積，使得機(jī)器人能夠適應(yīng)各種復(fù)雜地形。復(fù)合式履帶可以調(diào)整爬坡角度和方向，因此具有很好的越野性能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.2所示。
圖1.2 SUGV履帶式機(jī)器人
（2） 蛇形（蠕蟲(chóng)）機(jī)器人系統(tǒng)
蛇形機(jī)器人主要結(jié)合仿生學(xué)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，它通過(guò)模仿自然界肢節(jié)動(dòng)物，例如蛇的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)。其結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。
圖1.3 ACM-R5蛇形機(jī)器人
（3） 飛行機(jī)器人
飛行機(jī)器人由美國(guó)在20世紀(jì)30年代率先提出的，俗話說(shuō)：站的高看的遠(yuǎn)。飛行機(jī)器人用于高空作業(yè)，視野更寬闊，觀察范圍更廣[9]。如圖1.4所示。
圖1.4飛行機(jī)器人
1.3 救援機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)
9.11以來(lái)救援機(jī)器人研究的迅速進(jìn)展，解決了一系列困擾救援機(jī)器人發(fā)展的問(wèn)題，機(jī)器人由半自主向全自主方向發(fā)展。由于單個(gè)機(jī)器人的各種功能不完善，所以現(xiàn)在救援機(jī)器人正向群體發(fā)展[10]。
2 救援機(jī)器人總體方案的確定
救援機(jī)器人是為救援而采取先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研制的機(jī)器人，經(jīng)查閱資料可知，主要運(yùn)用的是系統(tǒng)工程學(xué)中具有的學(xué)科分支知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題[11]。根據(jù)系統(tǒng)學(xué)分析，我們要將機(jī)器人的各個(gè)零件設(shè)計(jì)有序合理的組合在一起，使其功能能夠更加完善[12]。
救援機(jī)器人通常包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它包括作為動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)單元，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由各種傳動(dòng)零、部件組成的傳動(dòng)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)，它主要包括具有運(yùn)算、存儲(chǔ)功能的電子控制裝置（計(jì)算機(jī)或其他可編程編輯控制裝置），人—機(jī)接口裝置（鍵盤(pán)、示教盒等），各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設(shè)備的輸入/輸出通訊接口，內(nèi)部和外部傳感器以及其他通用或?qū)Ｓ玫耐鈬O(shè)備。
經(jīng)過(guò)對(duì)救援機(jī)器人相關(guān)資料的查詢和研讀，本文結(jié)合任務(wù)書(shū)要求，設(shè)計(jì)了一種用于火災(zāi)后環(huán)境下的救援機(jī)械人。
（1）首先該機(jī)器人采用履帶式的行走機(jī)構(gòu)，救援機(jī)器人在執(zhí)行救援任務(wù)時(shí)，通過(guò)履帶可以快速行走，并且具有可以爬坡、越溝等特點(diǎn)；
（2）工業(yè)中機(jī)械手具有通用性和靈活性，可以完成材料的傳送。這里也將運(yùn)用機(jī)械手的設(shè)計(jì)來(lái)完成對(duì)幸存者的救援。
（3）由于救援機(jī)器人工作的環(huán)境因素，機(jī)器人必須小巧靈活，拆卸方便，因此對(duì)機(jī)身的設(shè)計(jì)要承載大小臂所有的重量。救援機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)方案如圖2.1所示。
圖2.1 救援機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計(jì)的救援機(jī)器人的工作原理：在火災(zāi)救援環(huán)境中，機(jī)器人可以長(zhǎng)時(shí)間工作。行走機(jī)構(gòu)在伺服電機(jī)、軸、驅(qū)動(dòng)輪以及履帶的聯(lián)合作用力下，使得行走機(jī)構(gòu)開(kāi)始行走。在靠近幸存者的時(shí)候，通過(guò)傳感器將信息傳遞給機(jī)身系統(tǒng)，從而命令機(jī)械手開(kāi)始救援。機(jī)械臂整體機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)身上，在軸與軸承的配合下，使大臂繞著垂直方向和繞基座孔做360°的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；在大臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)軸與軸承的配合下，驅(qū)動(dòng)小臂沿著水平方向做360°的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)小臂對(duì)目標(biāo)的精確定位；在小臂接近目標(biāo)位置之后，將動(dòng)力傳動(dòng)至小臂的兩指手指的上，兩根手指通過(guò)合適的張開(kāi)和閉合來(lái)抓取可疑物，開(kāi)啟閥門(mén)，清除障礙物，同時(shí)還可以支撐起壓在使幸存者身上的重物，幫助幸存者脫離危險(xiǎn)環(huán)境。
2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
機(jī)械手傳動(dòng)裝置中應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和體積小，在傳動(dòng)鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和位置控制精度。在機(jī)械手中常采用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、滾珠絲杠傳動(dòng)、同步齒形帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等，其中齒輪傳動(dòng)使用壽命長(zhǎng)、效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，故本次設(shè)計(jì)選用齒輪傳動(dòng)。
2.2 驅(qū)動(dòng)方式
由于伺服電機(jī)具有良好的控制性能，控制靈活性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)速度、位置的精確控制，對(duì)環(huán)境沒(méi)有影響，體積小，效率高，適用于運(yùn)動(dòng)控制要求嚴(yán)格的中、小型機(jī)械手等特點(diǎn)，故本次設(shè)計(jì)采用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
2.3 確定負(fù)載
經(jīng)查閱資料，目前我國(guó)的救援救援機(jī)器人負(fù)載能力的范圍很大，最小的額定負(fù)載在5N以下，最大可達(dá)9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)方向作用于機(jī)械接口處的力和扭矩。其中要包括機(jī)械手末端執(zhí)行器的重量、夾持物體的重量，運(yùn)動(dòng)的速度等。初次估計(jì)本次設(shè)計(jì)屬于小負(fù)載[15]。
2.4 運(yùn)動(dòng)速度
機(jī)械手操作機(jī)手臂的各個(gè)動(dòng)作的最大行程確定后，按照循環(huán)時(shí)間安排確定每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，就能進(jìn)一步確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度，用m/s表示，各動(dòng)作的時(shí)間分配要考慮多方面的因素。
3 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1 行走機(jī)構(gòu)方案的討論
根據(jù)國(guó)內(nèi)外的救援機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)大致可分蠕動(dòng)移動(dòng)方式、履帶移動(dòng)方式、滾輪式移動(dòng)方式等幾種方式。
其各有優(yōu)缺點(diǎn)。以下分別介紹。
（1）蠕動(dòng)移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)微小管徑。缺點(diǎn)是控制復(fù)雜且移動(dòng)速度慢。
（2）履帶移動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，越障力好。缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎半徑大，要保持履帶的張緊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
（3）滾輪移動(dòng)式優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)速度快。缺點(diǎn)是在只適應(yīng)于平坦道路，復(fù)雜路面下容易打滑，不易行走。
通過(guò)對(duì)上述的幾種行走機(jī)構(gòu)方式進(jìn)行討論，結(jié)合火災(zāi)后救援機(jī)器人的使用環(huán)境的特殊性，本文最后選取為履帶式行走機(jī)構(gòu)。如圖3.1所示。
圖3.1 履帶式行走機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖
3.1.1 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（1）履帶的外形尺寸
首先，確定履帶的寬度。由于救援機(jī)器人要進(jìn)入到成人無(wú)法進(jìn)入的狹小空間里，所以履帶的寬度較小，那么它的工作所提供的驅(qū)動(dòng)力就會(huì)減小；而其寬度太大時(shí)，所受到的阻力就會(huì)很大。通過(guò)作圖的方法，取履帶的寬度為：=115mm。
其次，確定履帶的長(zhǎng)度。履帶的長(zhǎng)度越長(zhǎng)其轉(zhuǎn)彎的靈活性就會(huì)受到影響。所以，履帶的長(zhǎng)度不能太長(zhǎng)。所以其長(zhǎng)度L為：L=588mm。
（2）確定行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)
由于外形尺寸的限制，電機(jī)內(nèi)置在履帶組中，同時(shí)采用錐齒輪來(lái)?yè)Q向，最后驅(qū)動(dòng)履帶輪。其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：
1—軸01，2—電機(jī)，3—小錐齒輪，4—驅(qū)動(dòng)帶輪，5—軸02
6—直齒輪01，7—直齒輪02，8—軸03，9—大錐齒輪，10—從動(dòng)帶輪
圖3.2 行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖
（3）確定行走機(jī)構(gòu)中的履帶輪和同步帶
采用同步帶的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)履帶。以下是同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：
①適用于兩軸中心距較大傳動(dòng)，承載能力較大。
②帶具有良好的彈性，可以緩沖、吸振，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小。
③結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和維護(hù)較為方便，價(jià)格低廉。
（1）首先，確定同步帶的主要參數(shù)：
齒形：梯形
齒距制式：模數(shù)制
節(jié)距：
（2）設(shè)計(jì)帶輪：
初選帶輪的齒數(shù)：；
選擇切削帶輪齒形的刀具類型—切出直線齒廓的特別刀具；
節(jié)距: ；
節(jié)圓直徑:；
模數(shù)：；
齒側(cè)間隙：；
名義徑向間隙：；
徑向間隙：；
外圓直徑：；
外圓齒距：；
外圓齒槽寬：；
齒槽角：
齒槽深：；
齒槽底寬：；
齒根圓角半徑：； ；
（3）設(shè)計(jì)履帶：
由于采用同步帶的結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)履帶，同時(shí)履帶用于特殊的工作環(huán)境，所以不能完全采用同步帶的參數(shù)，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)履帶。
節(jié)距：；
齒形角：；
齒根厚： mm；
齒高：mm；
帶高： mm；
齒頂厚：mm；
節(jié)頂距：mm ；
帶寬：；
④確定大小錐齒輪參數(shù)
整個(gè)行走裝置里，錐齒輪的主要作用----換向，傳遞動(dòng)力。同時(shí)考慮到其完全在行走裝置內(nèi)部，尺寸受到限制。根據(jù)以上的因素，設(shè)計(jì)大小錐齒輪的具體參數(shù)。
根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，采用軸交角。齒輪類型為：直齒錐齒輪、齒形制為GB/T 12369—1990,齒形角為20°、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)。
大錐齒輪的次數(shù);小錐齒輪的次數(shù)。大小錐齒輪的具體參數(shù)分別如下。
大錐齒輪：
法向模數(shù)：；
齒數(shù)： ；
法向齒形角：
分度圓直徑：
分度圓錐角：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：=71.347mm
錐距：
齒頂角：
齒根角：
頂圓錐角：
根圓錐角：
齒寬：
小錐齒輪：
法向模數(shù)：；
齒數(shù)：；
法向齒形角：
分度圓直徑：
分度圓錐角：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
錐距：
齒頂角：
齒根角：
頂圓錐角：
根圓錐角：
齒寬：
（5）確定直齒輪的參數(shù)
在整個(gè)行走裝置中，直齒輪的作用，主要是傳遞動(dòng)力。出于對(duì)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和尺寸限制的考慮，才用兩個(gè)完全相同的直齒輪，同時(shí)降低的成本。設(shè)定齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)。齒數(shù)，模數(shù)。其具體參數(shù)如下：
分度圓直徑：
齒頂高：
齒根高：mm
，，，
全齒高：；
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
齒厚：
齒根寬：
中心距：
頂隙：
3.2 大小錐齒輪的設(shè)計(jì)和校核
選擇齒輪的類型,精度等級(jí),材料和齒數(shù)。
選擇直齒圓錐齒輪，8級(jí)精度齒輪，軟齒面。
小齒輪的材料為40Cr，調(diào)制處理，硬度為280HBS；大齒輪的材料為45鋼，調(diào)制處理HBS。
初選小齒輪的齒數(shù)；大齒輪的齒數(shù)為。
按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)軸承布置方式和載荷的沖擊情況，取。
查得小齒輪的接觸疲勞極限為：
大齒輪的接觸疲勞極限為：
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：
計(jì)算小齒輪的分度圓直徑
其中；
按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算：
① 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù)并查取齒形系數(shù)，兩齒輪的分度圓錐角分別為：
當(dāng)量齒數(shù)為：
查得：
由得：小齒輪的彎曲疲勞極限為：
計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力：
大齒輪數(shù)值大，代入計(jì)算
錐距為：
分度圓直徑為：
分度圓錐角為：
，
齒寬：
3.3 輸出軸的設(shè)計(jì)和校核
（1）按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件，初步估計(jì)軸徑：
其中，查得
代入上面得值，計(jì)算可得：
由于軸上有一鍵槽，所以：，取軸的最小直徑為：。
（2）軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3.3所示。
圖3.3 軸的結(jié)構(gòu)示意圖
（3）按彎扭合成強(qiáng)度進(jìn)行強(qiáng)度校核
①做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3.4所示。
軸所受的載荷是從軸上零件傳來(lái)的。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，做出其受力簡(jiǎn)圖如下圖所示：
圖3.4 軸的受力圖
② 校核所需要的基本參數(shù)
計(jì)算齒輪的嚙合力：
A:直齒輪的齒輪嚙合力
齒輪圓周力：
齒輪徑向力：
B: 錐齒輪的齒輪嚙合力
齒輪圓周力：
齒輪徑向力：
齒輪軸向力：
求水平面的支反力和做出彎矩圖:
其受力分析圖如下圖所示:
對(duì)A點(diǎn)求矩：
則有：
=372.848 N
對(duì)B點(diǎn)求矩：
則有：
=
= -144.216 N
根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，畫(huà)出彎矩圖，如圖3.5所示。
`
圖3.5 彎矩圖
求垂直面內(nèi)的支反力，并作出彎矩圖
受力分析如圖3.6所示。
圖3.6 受力示意圖
對(duì)A點(diǎn)求矩：
則有：（其中）
= -8.590 N
對(duì)D點(diǎn)求矩：
則有：
= -8.590 N
= -38.423 N
做出對(duì)應(yīng)彎矩圖
求支反力
=149.246 N
彎矩圖如圖3.7所示。
圖3.7 彎矩圖
合成彎矩圖
合成彎矩圖如圖3.8所示。
圖3.8 合成彎矩圖
根據(jù)已知條件，做出扭矩圖，如圖3.9所示。
圖3.9 扭矩圖
校核危險(xiǎn)截面
綜上所知，C面為危險(xiǎn)截面：
(其中，由于扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，所以取，T=36100)
= ，軸滿足要求。
3.4 鍵的校核
強(qiáng)度校核要根據(jù)工作表面所受的擠壓應(yīng)力計(jì)算。
在輸出軸上的鍵其結(jié)構(gòu)尺寸最小，受力較大。在這里就只校核該鍵，其余可以不予與校核。
普通平鍵的強(qiáng)度條件：
其中:T -傳遞扭矩： ；
-鍵與輪轂鍵槽的接觸高度：
-鍵的工作長(zhǎng)度，圓頭平鍵為：
-軸的直徑
由于鍵的材料為45，同時(shí)其載荷性質(zhì)為輕微沖擊，查機(jī)械設(shè)計(jì)（P-106）表6-2可得：
所以 ，鍵滿足要求。
3.5 雙擺臂的設(shè)計(jì)
雙擺臂的作用就是為了機(jī)器人在越障是起到支撐和輔助的功效，使機(jī)器人能夠更好的適應(yīng)崎嶇的環(huán)境。
擺臂的主體是一塊鋼板，能夠支撐起前導(dǎo)輪，使之可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。安裝在短軸上，通過(guò)螺母螺栓與翼板相連。同時(shí)可以支撐起車體，輔助車體越過(guò)障礙。例如爬樓梯，機(jī)器人借助擺臂的初始擺角，在履帶機(jī)構(gòu)的驅(qū)使下，使其主履帶前段搭在臺(tái)階上，繼續(xù)移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)擺臂逆時(shí)針擺動(dòng)，當(dāng)重心超過(guò)臺(tái)階邊緣時(shí)，旋轉(zhuǎn)擺臂關(guān)節(jié)，機(jī)器人在自身重力的影響下，車體下移，順利爬上臺(tái)階。如圖3.10所示：
圖3.10 機(jī)器人爬樓梯分析圖
4 機(jī)身設(shè)計(jì)及大臂的設(shè)計(jì)
4.1 機(jī)身的設(shè)計(jì)
主要包括支撐架的設(shè)計(jì)、機(jī)座的設(shè)計(jì)、機(jī)身箱體材料的選取以及機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝等幾大類問(wèn)題。
4.1.1 支撐架的設(shè)計(jì)
支撐架主要承載大小臂上所有零件的重量，左端設(shè)計(jì)大臂平衡彈簧的固定連接孔，右端設(shè)計(jì)大臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)支撐架。考慮機(jī)身回轉(zhuǎn)時(shí)的偏心力，合理設(shè)計(jì)支撐架與回轉(zhuǎn)軸的連接，采用柱銷式連接，兩邊用螺釘緊固。同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)支撐圓盤(pán)加以固定，使其轉(zhuǎn)動(dòng)更加平衡。為了減輕自重，選用ZL401材料。
4.1.2 機(jī)座的設(shè)計(jì)
機(jī)座在中間軸對(duì)應(yīng)的位置處加工一個(gè)軸承固定座，其他無(wú)特殊要求。
機(jī)身系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)計(jì)主要是對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的各部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算與校核。
4.1.3 機(jī)身箱體材料的選擇
因?yàn)榛铱阼T鐵凝固是收縮量小，抗震性好。機(jī)身箱體可選用灰口鑄鐵HT250制造。能夠提高機(jī)身自身的穩(wěn)定性，并且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
4.1.4 機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝
由于整個(gè)箱體的結(jié)構(gòu)尺寸由內(nèi)部各零件配合情況決定，其形狀較為復(fù)雜，故采用鑄造的方法制造箱體，為了內(nèi)部各零件的配合及方便安裝，在頂部與右側(cè)開(kāi)蓋。由于是臥式放置電機(jī)，考慮電機(jī)的質(zhì)量，在左側(cè)用托板托住電機(jī)。將電機(jī)的伸出軸用聯(lián)軸器與錐齒輪軸連接，通過(guò)與輸入軸的錐齒輪端嚙合滿足改變傳動(dòng)方向的要求。輸入，中間，輸出三根軸垂直放置并實(shí)現(xiàn)二級(jí)減速傳動(dòng)。由于齒輪懸置，需用圓螺母及止動(dòng)墊圈定位與放松。底座出于穩(wěn)定的考慮設(shè)計(jì)為圓形，可用沉頭螺釘與行走機(jī)構(gòu)連接。
4.2 大臂的設(shè)計(jì)
臂部部件是關(guān)節(jié)機(jī)械手的主要部件之一。它主要的作用是支撐手部，帶動(dòng)手部完成各種動(dòng)作，靈活的將手部送到空間的任意一點(diǎn)。增減臂部自由度可以實(shí)現(xiàn)手部的姿態(tài)(方位)關(guān)節(jié)姿態(tài)的改變。因此，機(jī)械手導(dǎo)向桿采用無(wú)縫鋼管材料來(lái)提高臂部結(jié)構(gòu)的剛度，增強(qiáng)承載能力。同時(shí)要合理的控制手臂運(yùn)動(dòng)的速度，減少?zèng)_擊。還需在手臂上安裝定位和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的位置精度高。
4.2.1 大臂的材料選擇
本文機(jī)械臂殼體采用鑄造鋁合金。一方面使機(jī)械臂受到載荷時(shí)，不會(huì)變形或者斷裂，另一方面可減小機(jī)械臂的重量，減小了對(duì)機(jī)身的載荷。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注出鑄件的“最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類和鑄件的大小，見(jiàn)表4.1所示：
鑄件尺寸
鑄鋼
灰鑄鐵
球墨鑄鐵
可鍛鑄鐵
鋁合金
銅合金
＜200×200
200×200～500×500
＞500×500
5～8
10～12
15～20
3～5
4～10
10～15
4～6
8～12
12～20
3～5
6～8
—
3～3.5
4～6
—
3～5
6～8
—
表4.1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計(jì)（mm）
4.2.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強(qiáng)度大。
4.2.3 大臂電機(jī)及減速器選型
假設(shè)小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的重量：,，則：
大臂速度為10r/min ，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的轉(zhuǎn)矩可表示如下：
式中：T-旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)轉(zhuǎn)矩；
J-轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
-角加速度
使機(jī)械手大臂從到所需的時(shí)間為：則：
若考慮繞機(jī)械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可假定為10N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：
選擇諧波減速器：
⑴型號(hào)：XB3-50-120 （XB3型扁平式諧波減速器）
額定輸出轉(zhuǎn)矩：20
減速比：
設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)輸出力矩為：
選擇BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)
型號(hào)：55BF003
靜轉(zhuǎn)矩：0.686
步距角：1.5°
5 機(jī)械手小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5.1 手部的設(shè)計(jì)
機(jī)械手在救援過(guò)程中主要的作用是抓取可疑物，開(kāi)啟閥門(mén)。本文采用兩根手指式的張開(kāi)和閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)物體的抓持。在設(shè)計(jì)時(shí)手指要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有足夠的張緊力和剛度。
手指張緊力的計(jì)算：
N≥K1*K2*K3*G
式中：K1－安全系數(shù)
K2－工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響
K3－方位系數(shù)
G－被抓持物體的重量
5.2 腕部設(shè)計(jì)
腕部能夠連接機(jī)器人的臂部和手部，支撐并且改變手部的姿態(tài)。
腕部設(shè)計(jì)的要求有：結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕；動(dòng)作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；所用材料強(qiáng)度、剛度高；與臂部及手部的連接部位的結(jié)構(gòu)合理，傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置的合理布局及安裝等。
本次設(shè)計(jì)要求腕部實(shí)現(xiàn)俯仰和偏轉(zhuǎn)，即BB型手腕，如圖5.1所示。為減輕整個(gè)小臂的自重，采取腕部步進(jìn)電機(jī)后置遠(yuǎn)距離間接驅(qū)動(dòng)，將其裝在大臂的底部，固定在機(jī)身圓盤(pán)上，再通過(guò)兩條鏈傳動(dòng)，一條鏈直接帶動(dòng)腕部的擺動(dòng)，另一條鏈傳動(dòng)帶輪帶動(dòng)錐齒輪軸通過(guò)一級(jí)錐齒輪的傳遞帶動(dòng)腕部的轉(zhuǎn)動(dòng)，雖然在腕擺時(shí)會(huì)產(chǎn)生手腕的附加轉(zhuǎn)動(dòng)，但是可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制干涉。
圖5.1 BB型手腕示意圖
該機(jī)器人在救援過(guò)程中有時(shí)需伸入狹窄的空間進(jìn)行作業(yè)，所以為了滿足手腕部分結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、動(dòng)作靈活等要求將其外形和尺寸設(shè)計(jì)成如圖5.2所示。
圖5.2 手腕外形尺寸示意圖
5.3 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)計(jì)算
手腕的偏轉(zhuǎn)是通過(guò)后置于大臂底部一側(cè)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩級(jí)帶輪鏈條傳動(dòng)，再經(jīng)過(guò)錐齒輪嚙合傳動(dòng)改變方向來(lái)實(shí)現(xiàn)偏置的。手腕的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自步進(jìn)電機(jī)，首先要計(jì)算手腕偏轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩，再計(jì)算電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，確定步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)，從而計(jì)算設(shè)計(jì)鏈傳動(dòng)以及錐齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)參數(shù)及相關(guān)尺寸。
a) 選擇步進(jìn)電機(jī)
手腕偏轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服摩擦阻力矩、工件負(fù)載阻力矩和腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩。
根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式[15]：
式中：
—手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩（N·m）；
—摩擦阻力矩（N·m）；
—負(fù)載阻力矩（N·m）；
—手腕偏轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)慣性阻力矩（N·m）；
—工件負(fù)載對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；
—手腕部分對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；
—手腕偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；
—手腕質(zhì)量（kg）；
—負(fù)載質(zhì)量（kg）；
—啟動(dòng)時(shí)間（s）；
—手腕部分材料密度（）；
—手腕部分外徑和內(nèi)徑（m）；
—手腕的長(zhǎng)度（m）；
—手腕偏轉(zhuǎn)末端的線速度（m/s）。
根據(jù)已知條件：，，，，，，手腕部分采用的材料假定為鑄鋼，密度。
將數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：
因?yàn)橥蟛總鲃?dòng)是通過(guò)兩級(jí)帶輪和一級(jí)錐齒輪實(shí)現(xiàn)的。
彈性聯(lián)軸器傳動(dòng)效率；
滾子鏈傳動(dòng)效率；
滾動(dòng)軸承傳動(dòng)效率（一對(duì)）；
錐齒輪傳動(dòng)效率；
計(jì)算得傳動(dòng)的裝置的總效率。
電機(jī)在工作中實(shí)際要求轉(zhuǎn)矩
根據(jù)計(jì)算得出的手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩，結(jié)合北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的90系列的五相混合型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線[16]，如圖5.3和圖5.4所示,選擇90BYG5200B-SAKRML-0301型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。
圖5.3 90BYG步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)
圖5.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線
5.4 軸分析及計(jì)算
軸的受力模型簡(jiǎn)化及受力計(jì)算
圖5.5 受力模型
受力分析知：
5.5 軸承的壽命校核
鑒于調(diào)整間隙的方便,軸承均采用正裝[17].預(yù)設(shè)軸承壽命為3年即12480h.
校核步驟及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表:
表5.2 軸承壽命校核步驟及計(jì)算結(jié)果
計(jì)算步驟及內(nèi)容
計(jì)算結(jié)果
6014
A端
B端
由手冊(cè)查出Cr、C0r及e、Y值
Cr=98.5kN
C0r=86.0kN
e=0.68
計(jì)算比值Fa/Fr
FaA /FrA e
確定X、Y值
XA=1 YA =0
查載荷系數(shù)fP
1.2
計(jì)算當(dāng)量載荷
P=Fp(XFr+YFa)
PA=5796.24 PB=6759.14
計(jì)算軸承壽命
763399h
大于
12480h
由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)軸承6014AC、6007均合格，最終選用軸承6014。
5.6 軸的強(qiáng)度校核
經(jīng)分析知C、D兩處為可能的危險(xiǎn)截面，現(xiàn)來(lái)校核這兩處的強(qiáng)度[18]，校核后圖如圖5.7所示。
合成彎矩：
扭矩T圖：
當(dāng)量彎矩：
校核由手冊(cè)查材料45的強(qiáng)度參數(shù)：
C截面當(dāng)量彎曲應(yīng)力：
由計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)C截面安全。
圖5.7 彎扭組合圖
總結(jié)與展望
本論文設(shè)計(jì)的救援機(jī)器人是為了能夠適應(yīng)火災(zāi)的救援環(huán)境，對(duì)狹小空間里的幸存者實(shí)施及時(shí)救援的機(jī)器人。
（1） 通過(guò)對(duì)履帶尺寸大小、軸的校核、錐齒輪的設(shè)計(jì)、擺臂的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，可以使救援機(jī)器人具備克服爬樓障礙，靈活轉(zhuǎn)向等功能；
（2） 通過(guò)對(duì)機(jī)身的設(shè)計(jì)，將機(jī)械臂與行走機(jī)構(gòu)緊密的連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與行走機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合。
（3） 機(jī)械手是救援機(jī)械機(jī)器人的主要執(zhí)行部位，通過(guò)對(duì)機(jī)械大臂小臂的詳細(xì)設(shè)計(jì)和計(jì)算，可以使大臂與機(jī)身連接起來(lái)，同時(shí)能夠足夠支撐起小臂，對(duì)手腕的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使手腕可以自由旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)多方位的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)合理的配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)狹小空間幸存者的救援。
由于我對(duì)傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等學(xué)科的學(xué)習(xí)能力有限[19]，還有許多問(wèn)題值得進(jìn)一步討論和更加深入的研究與展望：
a) 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題：根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，采用模塊化設(shè)計(jì)，只是將具有不同功能結(jié)構(gòu)的模塊連接起來(lái)，很多零件比實(shí)際尺寸大很多。
b) 計(jì)算機(jī)的有限元的分析沒(méi)有做。
c）機(jī)械臂自主控制系統(tǒng)的建立有待于進(jìn)一步研究，以及它的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，路徑規(guī)劃技術(shù)，實(shí)時(shí)視覺(jué)技術(shù)，定位和導(dǎo)航技術(shù)，多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，高性能計(jì)算技術(shù)，無(wú)線通信與因特網(wǎng)技術(shù)問(wèn)題也是多個(gè)有待研究的方面。
機(jī)械手在未來(lái)生活中應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣。通過(guò)對(duì)機(jī)械手機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在整體系統(tǒng)的各各方面積累了比較豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，相信經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和改進(jìn)機(jī)械手將走向成熟和實(shí)用化。
參 考 文 獻(xiàn)
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