基于solidworks的多節(jié)履帶煤礦救援機器人設計（二維CAD圖紙+三維模型+說明書）
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目 錄
目 錄 II
摘要 3
Abstract 4
第一章 緒論 5
1.1 課題研究背景及意義 5
1.2移動機器人的發(fā)展概況 6
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 6
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 10
1.3 發(fā)展趨勢 11
第二章 多功能履帶式機器人的設計 13
2.1 多功能履帶式機器人的設計要求 13
2.2 多功能履帶式機器人的設計概述 14
2.2.1多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人原理的對比 14
2.2.2 履帶式移動機構特點 15
2.2.2多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人特點的對比 17
2.2.3 多功能履帶式機器人的設計參數(shù) 18
第三章 多功能履帶式機器人的設計 19
3.1 多功能履帶式機器人的具體設計 19
3.1.1 機器人底座結構設計 19
3.1.2機械手臂結構設計 35
4 機器人靜力學分析 38
4.1 履帶與地面摩擦阻力分析 38
2.2 履帶側面推土阻力分析 39
總結 1
參考文獻 2
致謝 3
41
摘要
為了能夠在煤礦災害特別是瓦斯煤塵爆炸事故發(fā)生后，快速的轉移和搶救受傷人員。設計一種履帶式救援機器人，可以適應各種復雜環(huán)境。首先設計了各種救援機器人行走裝置的優(yōu)缺點，得出多節(jié)履帶式機器人可在更加復雜的環(huán)境中行走，其次分析了多節(jié)履帶在各種路況下行走的通過性。接著對行走電機進行選型計算，并對履帶及履帶輪進行相應的計算，得出最終的履帶行走結構。最終設計出了一種新穎、輕便、抗沖擊的履帶式移動機器人，該機器人能夠在惡劣的環(huán)境和復雜的道路條件下工作。經(jīng)過合理的結構布置和設計，機器人具有良好的環(huán)境適應性、機動性和抗一定高度的跌落沖擊能力。
關鍵詞：救援機器人；多節(jié)履帶式；行走機構
Abstract
In order to quickly transfer and rescue the injured after coal mine disasters, especially gas and coal dust explosion accidents. A crawler rescue robot is designed, which can adapt to various complex environments. Firstly, the advantages and disadvantages of various walking devices of rescue robots are designed. It is concluded that multi-segment tracked robots can walk in more complex environments. Secondly, the trafficability of multi-segment tracked robots in various road conditions is analyzed. Then the type selection calculation of the walking motor is carried out, and the corresponding calculation of the crawler and the crawler wheel is carried out, and the final crawler walking structure is obtained. Finally, a novel, portable and impact-resistant tracked mobile robot is designed, which can work in harsh environment and complex road conditions. After reasonable structure layout and design, the robot has good environmental adaptability, maneuverability and anti-drop impact ability at a certain height.
Keywords: Rescue robot; multi-segment crawler; walking mechanism
第一章 緒論
1.1 課題研究背景及意義
中國是世界上災害事故發(fā)生最多的國家之一。地震、火災、山體滑坡和各種人為事故，對人民的生命財產(chǎn)造成了重大損害。災后如何及時有效地發(fā)現(xiàn)受困幸存者，實施快速救援，是災后應急救援的重中之重。
然而，復雜危險的災后環(huán)境往往給救援工作帶來困難。危險物品、火災、易燃易爆氣體、結構不穩(wěn)定等危險因素往往威脅救援隊伍成員的生命，阻礙救援工作的快速發(fā)展。如何在盡量減少人員傷亡的前提下，快速有效地開展搜救工作一直是我們研究的重點。
本文提出的便攜式礦用救災機器人是一種重量輕、單救援人員攜帶方便、多運動姿態(tài)、抗墜落能力強的履帶式微型機器人系統(tǒng)。它能適應礦山惡劣的災后環(huán)境，對非結構化地形環(huán)境具有良好的適應能力，具有較好的越障能力和一定高度的防墜落能力。機器人可以通過無線電信號遠程控制，可以預先加載各種檢測設備檢測未知環(huán)境，并返回井道環(huán)境信息，為及時有效的救災提供決策參考。
1.2移動機器人的發(fā)展概況
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
目前，美國在救災機器人研究方面處于世界前列。美國在微型機器人的開發(fā)上投入了大量的人力和物力，特別是在新型、高度移動和高度可靠的移動載體的研究上。例如，美國移動機器人程序中的便攜式機器人系統(tǒng)。這種機器人主要用于城市作戰(zhàn)和搜救。例如，美國智能系統(tǒng)和機器人中心開發(fā)的拉特勒探雷機器人用于災后現(xiàn)場調(diào)查。采用電傳遙控方式。具有主動紅外攝像機、射頻信號收發(fā)器、陀螺儀和危險氣體傳感器等設備。無線遙控距離約76米。美國南佛羅里達大學開發(fā)的Simbot地雷搜索機器人緊湊靈活。它攜帶一個數(shù)字低照度攝像機和基本的氣體監(jiān)測元件。它可以通過鉆取的一個小孔鉆入礦井，穿過礫石和泥漿，并使用它攜帶的傳感器找到受傷的礦工，檢測氧氣和甲烷的含量，并生成礦井地圖。
下面是美國和其他國家正在開發(fā)的各種履帶式變形機器人。
如圖1-1、1-2所示，這是一個小型的iRobot“packbot”機器人，在美國陸軍服役。這個“packbot”裝備了一個爆炸感測系統(tǒng)來有效地探測炸彈。目前，該測試系統(tǒng)仍處于實驗階段。PackBot機器人也能挖掘和拆卸炸彈。配備了一套完整的工具，稱為“爆炸性武器處理”和工程師，土壤可以挖掘，炸彈可以提升兩倍于自身重量。
圖1-2：iRobot SUGV機器人是一個只有30磅重的小型地面漫游車。它有一個被稱為戰(zhàn)術頭的頭部，以及一個攝像頭、一個紅外傳感器和一個可以即時傳輸圖像的攝像頭。
圖1-1 RackBot準備展開
圖1-2 SUGV機器人
福斯特米勒公司開發(fā)了泰龍機器人，該機器人采用卡特彼勒模式，配備了兩臺普通直流電機。電機通過兩條鏈條帶動履帶輪轉動，實現(xiàn)機器人的運動。此外，在機器人前后履帶輪之間還安裝了一個小的承載輪，它不僅承擔了部分負載，而且在轉向時還支撐著機器人。減少了履帶與地面的摩擦，提高了機器人的轉向能力。泰龍機器人可以執(zhí)行各種偵察和巡邏任務。機器人外形參數(shù)為86.4cm*57.2cm*27.9cm，重約39kg，潛水30.5m，爬坡45度。
圖1-3 Talon機器人
2003年，澳大利亞Simtars煤礦研究人員與美國機器人輔助救援中心合作開發(fā)了一種煤礦災害搜索救援機器人，該機器人在澳大利亞昆士蘭一個15米深的地下訓練場進行了測試。該機器人是專門為礦山災害研制的。它的大小就像一個蜜罐。它可以通過地面鉆孔進入煤礦，越過障礙物和泥漿，利用傳感器搜索被困礦工，檢測有毒或易燃氣體，并拖動地面供氣軟管給被困礦工提供新鮮空氣和水。機器人像蛇一樣鉆巖石。一旦它到達地下表面，它就像一個小坦克，尋找被困的礦工?？死姿_希望在機器人上進一步增加新的醫(yī)療傳感器，以便救援志愿者通過觀察、交談和診斷了解被困礦工的健康狀況。
因紐頓的UGTV機器人具有獨特的軌跡變形能力（如圖1-4所示），有助于爬升和擴展機器人的視覺。在“911”事件的搜救任務中發(fā)揮了重要作用。加拿大舍布魯克大學（Sherbrook University）開發(fā)的方位機器人（如圖1-5所示）使用一個輪子、軌道和腿復合移動機構，每個腿有四個軌道腿模塊。當模塊與主體連接時，有三個自由度。該機器人具有多種運動功能，越障能力強，行走方便。然而，這種結構非常復雜，只有12臺電機難以進行運動控制。本機主要用于室內(nèi)環(huán)境中的反恐、防爆工作。
圖1-4 UGTV機器人 圖1-5 AZIMUT機器人
就在一兩年前，這家德國公司生產(chǎn)了一種防爆機器人?，F(xiàn)在，新一代機器人已于2006年上市。它的結構比以前更輕更小。該機器人依靠一個小型的柔性系統(tǒng)來執(zhí)行與一些大型機器人相同的功能。
該機器人依靠一個小而靈活的系統(tǒng)來實現(xiàn)與大型機器人相似的功能，因此它足夠小，可以在地鐵車廂或飛行工具中操作，并且足夠大，可以直接處理所有現(xiàn)有飛機頭頂儲藏室中的可疑物品。
圖1-6 telemax
這款產(chǎn)品具有很大的創(chuàng)新價值，經(jīng)過數(shù)十年經(jīng)驗的累計取得了變結構設計領域的重大發(fā)展。
圖1-7 telemax行走姿勢
它的機械結構由四個獨立的履帶齒輪驅動，具有非凡的機動性。它能爬45度，爬500毫米。它比許多其他類似的機器人要好。它的可伸縮上臂加上高度可調(diào)的地板，使機器人具有2350毫米的顯著垂直高度。它的鉗子可以舉起5公斤的貨物，這意味著它可以裝配彈道系統(tǒng)和其他工具。
圖1-8 telemax防爆機器人
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國的搜救機器人技術起步較晚，但近年來受到越來越多的關注，并取得了一定的效果。沈陽自動化學院、哈爾濱工業(yè)大學、國防科技大學、上海交通大學、廣東阜威公司等單位設計了自己的搜救機器人系統(tǒng)。2005年，由中國科學院沈陽自動化研究所和日本國際救援系統(tǒng)研究所聯(lián)合組建的中日救援與安全機器人技術研究中心在沈陽揭幕，標志著我國搜救機器人研究進入了一個更加快速的發(fā)展階段。
2006年6月22日，中國礦業(yè)大學可靠性與救災機器人研究所研制的第一臺煤礦搜救機器人（樣機）在徐州誕生（如圖1-9）。該煤礦搜救機器人采用自主避障和遙控制導相結合的行走控制方式?？缮钊朊旱V災害發(fā)生后的事故現(xiàn)場，探測火災溫度、瓦斯?jié)舛取暮ΜF(xiàn)場等信息，呼叫救援，實時返回收集到的信息和圖像，為救災指揮人員提供重要的災害信息。同時，機器人還可以攜帶急救藥品、生命維持液、食物和千斤頂、撬棍等自救工具，幫助被困人員進行自救和逃生。
圖1-9CUMT-1型礦井搜救機器人
1.3 發(fā)展趨勢
救災機器人是智能機器人在煤礦領域的新應用。雖然一些關鍵技術還需要進一步研究，但救災機器人具有很高的實用價值和廣闊的應用前景。隨著計算機技術、傳感器技術、控制技術和材料技術的發(fā)展，特別是網(wǎng)絡技術和圖像信息處理技術的飛速發(fā)展，智能機器人的研究取得了豐碩的成果。但是，由于礦山救災機器人特殊的工作環(huán)境和工作要求的不斷改善，礦山救災機器人技術仍有一些突破。
（1）在機械性能上，能適應礦山惡劣的災后環(huán)境，對非結構化地形環(huán)境具有良好的適應能力，具有良好的越障能力。
（2）新技術、新材料的研發(fā)，礦山災害后的惡劣環(huán)境，要求材料具有高強度、耐拉伸、耐壓縮、高溫阻燃、無火花等特點。
（3）良好的導航性能和信息采集能力仍是未來礦山救災機器人導航技術的主要發(fā)展方向。
（4）由于礦山救災機器人單傳感器不能滿足高精度定位的需要，需要對多傳感器的測量信息進行融合，多傳感器信息融合技術自然成為發(fā)展趨勢。
（5）多機器人系統(tǒng)是礦山救災機器人技術發(fā)展的主要方向。
（6）采用標準化、網(wǎng)絡化、模塊化技術。
機器人裝備有通信系統(tǒng)。在與外界交換數(shù)據(jù)和信息時，采用標準化的接口技術，網(wǎng)絡技術可以使機器人更容易操作。同時，機器人通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護性和兼容性都較好。
第二章 多功能履帶式機器人的設計
現(xiàn)有市場上常見的移動機器人基本上是輪式機器人。其基本工作方式是電機驅動車輪轉動，然后車輪將動力傳遞給整個輪式機器人，實現(xiàn)自由行走的目的。輪式機器人有以下缺點：對地面行走要求高，在松軟或泥濘的道路上行走容易打滑；移動和轉彎時，機器人的全身需要旋轉，轉彎半徑大，占用的行走空間大；本設計的多功能履帶機器人采用履帶傳動的工作原理及其基礎。工作模式為履帶機器人在行走電機驅動履帶本體旋轉時提供動力。關節(jié)電機驅動履帶機構調(diào)整行走角度，使履帶機構能自由越過障礙物。
這兩個移動機器人的工作原理完全不同。它們有不同的結構、不同的實現(xiàn)方式和不同的使用方式。本文采用巧妙的機械傳動結構設計了多功能履帶式機器人。電機作為機器人行走的源動力，通過一個穩(wěn)定的減速器和鏈條傳動，將電機的動力傳遞給四個履帶的前后兩段。這使機器人能夠自由行走。當多功能履帶式機器人遇到障礙物時，可以調(diào)整間隙。俯仰角使整個運動過程更加穩(wěn)定。在現(xiàn)有單節(jié)雙軌機器人理論的基礎上，對其結構和運動方式進行了改進。本文設計的多功能履帶機器人采用了雙段四履帶結構。機械結構更加優(yōu)化，綜合材料的選擇和結構的簡化使移動機器人的使用更加方便和穩(wěn)定。本文是一種多功能履帶機器人的設計。初衷。
2.1 多功能履帶式機器人的設計要求
（1）本設計中的多功能履帶式機器人主要在一些人不方便進入的小型場合使用，包括倒塌的建筑物內(nèi)，災難現(xiàn)場，危險災區(qū)和坍塌煤礦等。
（2）本設計之前綜合考慮，該多功能履帶式機器人應該具有以下功能：產(chǎn)品加工生產(chǎn)成本低，質量安全穩(wěn)定，使用壽命長，結構穩(wěn)固，使用便捷，方便搬運移動；
（3）本設計從履帶機器人底座結構設計和機械手臂設計兩方面著手進行詳細的設計分析及計算闡述。
2.2 多功能履帶式機器人的設計概述
2.2.1多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人原理的對比
（1）輪式機器人的工作原理
最早的移動機器人應該是輪式機器人。隨著各行業(yè)移動機器人質量要求的不斷提高，輪式機器人也得到了迅速的發(fā)展和應用。
輪式機器人是以輪式運動為基礎的。與腿式、履帶式或其他非輪式移動機器人相比，輪式機器人具有速度快、效率高、結構簡單、操作方便等優(yōu)點。與其他移動機器人相比，輪式機器人最大的優(yōu)點是操作簡單，輪式機器人行走區(qū)域不需要承擔軌道、支撐等固定裝置，電路控制方便簡單，不易損壞。因此，輪式機器人大多應用于較好的環(huán)境，目前已廣泛應用于自動化物流系統(tǒng)中。利用其快速、高效的特點，可以有效、經(jīng)濟、方便地管理高物流倉庫。
輪式機器人的基本工作原理是電機驅動車輪轉動，車輪將動力傳遞給整個輪式機器人，實現(xiàn)自由行走的目的。通過地面控制系統(tǒng)、車輛控制系統(tǒng)、導航制導方式等輔助功能，形成完整的結構體系。隨著對輪式機器人的深入研究和分析，輪式機器人的應用范圍也在不斷擴大。目前廣泛應用于工業(yè)、軍事、交通、電子等領域。具有較強的抗干擾能力和目標識別能力。
圖1 常見輪式機器人實物圖
（2）多功能履帶式機器人的工作原理
2.2.2 履帶式移動機構特點
履帶式移動機構分為l條履帶、2條履帶(履帶可車體左右布置或者車體前后布置)、3條履帶、4條履帶，6條履帶，履帶式移動機構與地面較大的接觸面積，因此在較大的區(qū)域內(nèi)分布機器人的重量，較大的接觸區(qū)域使機器人具有較好的驅動牽引力，機動性能好、越野性能強，缺點是結構復雜、重量大、摩擦阻力大，機械效率低，在自身重量比較大的情況下會對路面產(chǎn)生一定的破壞。履帶式移動機構比較輪式移動機構有以下幾個特點：
(1)撐面積大、接地比壓小、滾動阻尼小、通過性比較好；
(2)越野機動往能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結構；
(3)履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好；
(4)結構較復雜重量大，運動慣性大，減震功能差，零件易損壞。
圖2-3為一部分履帶式移動機構的簡圖
圖2-3 履帶式移動裝置示意圖
通過分析比較，最終選擇了第五種履帶移動方案，雙節(jié)四履帶方式。
本設計的多功能履帶式機器人仍采用單段和雙軌機器人的工作原理，但在此基礎上增加了附加單段、雙軌和四軌。多功能履帶式機器人的基本工作方式為履帶式機器人在行走電機驅動履帶式機構旋轉時提供動力。關節(jié)馬達帶動履帶式車身調(diào)整行走角度，使機器移動。機器人的身體可以自由地越過障礙物。
作為一種履帶機器人，兩段式四履帶機器人比單段式兩履帶機器人具有更大的越障能力、更高的環(huán)境適用性和更強的動力。多功能履帶機器人的結構主要由兩部分組成：機器人底座結構和機械臂結構，底座結構包括：行走電機、關節(jié)電機、內(nèi)輪組件、車體框架組件、外輪組件、減速器、鏈條驅動組件等。包括：機器人臂、機器人臂、機器人臂、攝像頭等部件、機器人抓取等，行走電機提供動力驅動軌道自身旋轉行走，關節(jié)電機驅動軌道本體調(diào)整行走角度。車身骨架部分支撐著多功能履帶機器人的整體結構，承受著多功能履帶機器人的全部載荷。車身骨架部件的前部和后部分別安裝有兩個外輪部件和兩個內(nèi)部部件。車輪總成、行走電機、關節(jié)電機均通過減速器傳遞動力。鏈條傳動部件負責連接外輪總成和內(nèi)輪總成。機械臂的作用是使機器人能夠在360度無死角的情況下清除道路上的障礙物。通過攝像頭組件可以清楚地觀察到道路環(huán)境中的實際情況，頂部的機器人可以抓住手。為了完成抓取操作的一些基本功能。
圖2 多功能履帶式機器人三維設計圖
2.2.2多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人特點的對比
多功能履帶式機器人的優(yōu)點：
（1）在惡劣環(huán)境下也可以作業(yè)，越障機動性好；
（2）具有很好的自復位能力，可以從任何顛覆狀態(tài)恢復到正常行駛狀態(tài)；
（3）履帶上的履齒不容易打滑，與地面的附著性好，能夠最大程度的發(fā)揮電動機的效率
輪式機器人的缺點：
（1) 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極容易打滑；
（2) 移動轉向的時候需要整個機器人本體轉動，轉彎半徑較大，占用的行走空間較多
（3) 輪式機器人傳動系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，非專業(yè)人員不容易檢查和排除問題。
2.2.3 多功能履帶式機器人的設計參數(shù)
產(chǎn)品類別：雙節(jié)四履帶式移動機器人
材質：鋁合金
自身重量：60kG
規(guī)格(MM)：L825×W550×H630
運行速度：0.4~0.8m/s
行走電機功率：200W
關節(jié)電機功率：200W
續(xù)航時間：8H
第三章 多功能履帶式機器人的設計
3.1 多功能履帶式機器人的具體設計
多功能履帶機器人主要從機座結構設計和機械臂結構設計兩個方面進行設計。
機器人的基礎結構是整個履帶機器人的基礎。被跟蹤的機器人可以在地面上行走，爬上建筑內(nèi)部的樓梯，以及一些更復雜的地形。
底座結構包括：行走電機、關節(jié)電機、內(nèi)輪組件、體框組件、外輪組件、減速器、鏈條驅動組件等，行走電機提供源動力驅動軌道自身旋轉行走，關節(jié)電機驅動軌道本體調(diào)整行走角度，體框組件支撐多功能履帶機器人的結構，具有多功能。履帶機器人車架前后各安裝有兩個外輪組件和兩個內(nèi)輪組件。行走電機和關節(jié)電機通過減速器傳遞動力。鏈條驅動部件負責將外輪部件與內(nèi)輪部件連接起來。
整個機械臂安裝在被跟蹤機器人的上部，通過機械臂的底座與車身骨架組件連接。機器人臂的結構包括：機器人臂、機器人臂、機器人臂、攝像頭組件、機器人抓取等，機器人臂的功能是使被跟蹤的機器人能夠360度無死角地清除道路上的障礙物。通過攝像機組件，可以清楚地觀察到道路環(huán)境中的實際情況。機器人在頂部的抓取可以完成一些基本的任務。功能捕獲和清潔操作。
3.1.1 機器人底座結構設計
本設計中的機器人底座結構設計主要包括行走電動機的設計與選型，減速器齒輪的設計，鏈傳動的設計與選型；
3.1.1.1行走電動機的設計與選型
在本設計中，鏈條傳動部件連接前后兩個外輪部件和兩個內(nèi)輪部件，相當于由兩個相同的行走電機驅動的四個履帶，即一個行走電機驅動履帶的一側。
行走電機所需的功率計算：
式中：k——安全系數(shù)，考慮超載或功耗波動等影響，取1.5；
——多功能履帶式機器人所需的功率；
——傳動裝置的總傳動效率；
——行走電機的功率。
多功能履帶式機器人所需的功率計算：
式中：——單個行走電機作用于單側履帶式機器人的牽引力，N；
V——整個履帶式機器人的行走速度，m/s。
假設履帶與地面之間的滾動摩擦系數(shù)μ=0.5，已知履帶機器人自身重量為60KG，且兩個行走電機作用于履帶機器人上的牽引力與摩擦力f相等，則計算
=f/2=μmg/2=0.5×60 kg×10 N/kg/2=150N
由設計參數(shù)可知，整個履帶機器人的行走速度V為0.4～0.8m/s，取V最大值為0.8m/s計算得出
=V=150N×0.8m/s=120W
履帶在轉動的過程中，行走電機與履帶之間通過減速器連接，減速器與履帶之間又通過鏈傳動組件連接，因此查《機械設計手冊》得到：
類別
傳動形式
效率（%）
減速器
直齒圓柱齒輪傳動
0.97
鏈傳動
滾子鏈
0.96
表2.1 各傳動部件的傳動效率
因此可以計算得到從行走電機到履帶的總傳動效率為
——行走電機實際作業(yè)時所需要的輸出功率。
本設計采用無刷直流電機作為步進電機的選型依據(jù)。直流無刷電動機作為一種同步電動機，具有響應速度快、起動轉矩大、從零轉速到額定轉速的優(yōu)點，與其它類型電動機相比，具有額定轉矩大的優(yōu)點。根據(jù)上面的計算，我們得到多功能履帶式機器人行走電機實際工作時所需要的輸出功率為193.3W，考慮在行走過程中可能遇到復雜地形的情況，我們選定行走電機的品牌為瑞士maxon直流無刷電機，型號為EC-4pole 30，其工作額定功率為200W，額定轉速n為16200r/min，行走電機的具體參數(shù)見表2.2；
表2.2 行走電機詳細參數(shù)
由設計三維圖可知內(nèi)輪的直徑為220mm，且設計要求整個履帶機器人的行進速度為0.4～0.8m/s，所以履帶行走的最大轉速：
3.1.1.2減速器齒輪的設計
已知選定的行走電機型號為EC-4pole 30，其工作額定功率為200W，額定轉速n為16200r/min，且履帶的轉速為69.45r/min，如果我們直接通過減速器減速則減速器總傳動比為233。如果我們只選用減速器減速，那么傳動比i=233就必須通過很多級減速才可以實現(xiàn)，考慮到多功能履帶機器人的設計要求：結構和安裝簡單，重量輕，因此減速器的體積也需要盡可能小，因此在本設計中，采用電機自驅動減速器來降低電機本身的輸出速度。
我們查瑞士maxon直流無刷電機的產(chǎn)品手冊，查到行走電機EC-4pole 30的配套減速器的具體規(guī)格如下表2.3；
表2.3 行走電機減速器詳細參數(shù)
我們這里選擇配套的減速器為行星輪減速器，型號為GP-42C，我們已知行走電機的輸出軸直徑為5mm，小于減速器最大允許電機軸徑8mm，滿足要求，并根據(jù)總傳動比i=233，我們選擇減速器的編號為203129，減速比為156:1，精確減速比為156。
那么我們可以將總傳動比i分別分配到行走電機減速器，齒輪減速器和鏈傳動減速器上?？傻茫?
我們這里設計齒輪的傳動比為1：1，也是說齒輪副兩個嚙合齒輪齒數(shù)相等，于是計算出鏈輪的傳動比為1.5:1。
齒輪減速器是步進電機與鏈條傳動之間獨立的封閉傳動裝置。通過減速、增大扭矩，滿足實際工況的要求。減速器有多種類型，根據(jù)不同的傳動方式可分為齒輪減速器、蝸桿減速器和行星減速器；根據(jù)傳動系列可分為單級和多級減速器。我們知道，在本設計中，減速器的減速比為1。一般來說，單級齒輪減速器傳動比小于8-10，其優(yōu)點是效率高、可靠性高、使用壽命長、維護簡單。在這里，齒輪可以選擇直齒、斜齒和人字齒。由于本設計中履帶轉動工作扭矩大，故本設計選用單級直齒輪作為減速器。
3.1.1.3齒輪齒數(shù)的選擇
在設計中正齒輪傳動中心距不變的情況下，增加齒數(shù)不僅可以提高齒輪嚙合的接觸程度，保證傳動的穩(wěn)定性，而且可以降低齒輪模數(shù)，降低齒高，減少切削量。為了提高變速器的穩(wěn)定性，減少變速器在運行過程中的沖擊振動，減少磨損失效。
根據(jù)齒輪副的工作環(huán)境，齒數(shù)不同，閉式齒輪傳動的速度一般較高。為了提高傳動的穩(wěn)定性，減少沖擊振動，通常選用齒數(shù)較多的齒輪。小齒輪的齒數(shù)可以是z1=20~40，而小齒輪的齒數(shù)通常選為開式齒輪傳動。由于輪齒的磨損失效是主要因素，所以小齒輪的齒數(shù)通常不多。一般情況下，小齒輪齒數(shù)z1=17-20，為防止齒輪嚙合時咬邊，z1應大于17。在本設計中，齒輪副的工作環(huán)境封閉在減速器內(nèi)，并且齒輪傳動速度高，所以小齒輪齒數(shù)z1取30。
主動齒輪齒數(shù)確定后，按傳動比i=Z2/Z1可以計算出從動齒輪齒數(shù)Z2也為30。直齒圓柱齒輪傳動的基本參數(shù)見表3-1所示：
表 3-1
名稱
主動齒輪
從動齒輪
齒數(shù)
30
30
變位量系數(shù)
0
0
齒頂高系數(shù)
1
1
頂隙系數(shù)
0.25
0.25
刀具模數(shù)
1.5
1.5
刀具壓力角
20
20
齒寬
8
7
3.1.1.4直齒圓柱齒輪靜力及接觸分析的理論計算
對直齒圓柱齒輪分別進行接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度的校核，確定斜齒輪副能否滿足實際工況下的需求。
直齒圓柱齒輪材質選用Q235A，齒輪表面做調(diào)質熱處理，齒輪副的參數(shù)如表3-2所示。
表3-2斜齒輪副參數(shù)
齒 輪
模數(shù)(m)
齒數(shù)(z)
轉速(n)
分度圓直徑（mm）
功率(p)
主動齒輪
1.5
30
104r/min
45
200W
從動齒輪
1.5
30
104r/min
45
（1）齒輪接觸疲勞強度校核
1）計算主動齒輪名義轉矩
T1=9.55×106×P1/n1=9.55×103×0.2/104=18.36N.M
取直齒輪材料接觸疲勞極限應力。
2）計算主動齒輪的的圓周力
Ft=2×T1/d1=2×18.36/0.045=816N
3）許用接觸疲勞強度計算
主動齒輪應力循環(huán)次數(shù)：
N1=60njLh=60×104×10×10×250=1.56×108
從動齒輪應力循環(huán)次數(shù)：
N2=60njLh=60×104×10×10×250=1.56×108
取安全系數(shù)
取
則許用接觸疲勞強度為：
4）直齒輪齒面接觸疲勞強度校核：
取齒寬系數(shù)
則齒寬為 b=ψdd1=0.6×45=27
齒輪傳動比 u=Z2/Z1=30/30=1
齒輪重合度
εα=[1.88-3.2×(1/z1+1/Z2）]cosβ=1.566
取重合度系數(shù)
節(jié)點區(qū)域系數(shù)
彈性系數(shù)
載荷系數(shù) K=2.669
直齒面接觸疲勞強度校核：
σH=ZEZHZε[（K Ft/bd1）*（u+1）/u]0.5
=189.8×2.5×0.95×[（2.669×816/27/45）×（1+1）/1]0.5=842.15MPa
得到結果：＜＜
（2）直齒輪彎曲疲勞強度校核
1）確定載荷系數(shù)：
取 動載荷系數(shù)
取齒間載荷分配系數(shù)
取
則
2）確定齒形參數(shù)
取從動齒輪齒形系數(shù) 應力修正系數(shù)
主動齒輪齒形系數(shù) 應力修正系數(shù)
重合度系數(shù)
3）確定直齒輪彎曲疲勞許用應力
斜齒輪彎曲疲勞許用應力為
根據(jù)齒輪材料取彎曲疲勞極限應為，
取彎曲疲勞強度計算的壽命系數(shù)：，
取應力修正系數(shù)
取彎曲疲勞強度安全系數(shù)
則彎曲疲勞許用應力：
4）校核齒輪彎曲疲勞強度：
按主動齒輪校核齒輪彎曲疲勞強度：
σF2=kFtYFa2YSa2Yε/bm=2.87×816×2.75×1.6×0.95/3/48=67.98MPa
經(jīng)過上面對直齒輪副的強度校核計算得到以下結果：
齒輪接觸疲勞和彎曲疲勞強度為：
σH=ZEZHZε[（K Ft/bd1）*（u+1）/u]0.5
=189.8×2.5×0.95×[（2.669×816/27/45）×（1+1）/1]0.5=842.15MPa
σF2=kFtYFa2YSa2Yε/bm=2.87×816×2.75×1.6×0.95/3/48=67.98MPa
對疲勞強度進行比較：
＜＜
＜＜
經(jīng)過對比我們可以得到結論：直齒輪的接觸疲勞強度和彎曲疲勞強度都滿足實際強度要求。
3.1.1.6鏈傳動的設計
鏈條傳動是一種纏繞式傳動，通常由鏈條和鏈輪組成。它通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來傳遞動力。與齒輪傳動相比，鏈條傳動的制造和安裝精度較低，成本較低。特別是在長距離傳動中，這種結構比齒輪傳動具有更多的優(yōu)點。鏈條按用途可分為傳動鏈、輸送鏈和提升鏈。輸送鏈和提升鏈通常用于重型運輸機械和提升機械。在本設計中，我們選擇了常用的傳動鏈。傳動鏈可分為滾子鏈和齒鏈。本設計采用傳統(tǒng)的滾子鏈，通常用于低速傳動系統(tǒng)，最大傳動比為i=8。
滾子鏈傳動功率大時可采用雙排或多排鏈條。多排鏈條的承載能力與排數(shù)成正比，但由于裝配精度的限制，多排鏈條的載荷不易均勻分布，因此鏈條排數(shù)不宜過大。
（1） 鏈輪設計與計算
小鏈輪的齒數(shù)少一點可以減小鏈輪的外廓尺寸，但齒數(shù)過少時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鏈節(jié)間的相對轉角增大使得鏈傳動的圓周力增大，導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，Z1大，Z2也相應增大，會導致傳動結構的總體尺寸增大，并且容易導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。本設計中選定小鏈輪的齒數(shù)Z1=16，根據(jù)以上計算鏈輪的傳動比為1.5:1，可得到：
Z2=Z1×i=16×1.5=24
鏈輪節(jié)距P越大，承載能力越高。但P值越大，鏈輪的總尺寸就越大。反之，振動、沖擊和噪聲越嚴重。為了使整個鏈條傳動結構緊湊，當轉速高、功率大時，應盡量選用節(jié)距小的多排鏈條。本設計采用雙列鏈輪傳動。
（2） 鏈傳動的計算
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量的雙排鏈的計算功率：
式中：——工況系數(shù)，查《機械設計手冊》表9-6工況系數(shù)取1.0；
——小鏈輪齒數(shù)系數(shù)，查《機械設計手冊》圖9-13小鏈輪齒數(shù)系數(shù)取1.65；
——排鏈系數(shù)，雙排鏈時取=1.75，三排鏈時取=2.5；
——傳遞的功率，KW。
計算得到
根據(jù)計算得到的排鏈的計算功率和小鏈輪的轉速n1=104r/min由《機械設計手冊》圖9-11得到鏈條型號為25B，鏈輪的型號為25B，再根據(jù)《機械設計手冊》表9-1確定鏈條的節(jié)距P=6.35mm。鏈條具體尺寸見圖3.6；
圖3.6 鏈條具體尺寸圖
鏈條的鏈速V決定了鏈傳動的潤滑方式，鏈條平均鏈速
查《機械設計手冊》圖9-14選擇定期人工潤滑的方式。
（3） 鏈傳動的張緊
鏈條傳動張力的目的是避免鏈條下垂過大時鏈條傳動的嚙合和振動不良，增加鏈條和鏈輪的嚙合包絡角。緊張有很多種方式。當小鏈輪與大鏈輪的中心距可調(diào)時，可通過調(diào)整中心距來控制鏈條的張緊度。但當中心距不可調(diào)時，只能通過增加張緊輪來實現(xiàn)鏈條的張緊。張緊輪可以是鏈輪或滾柱。設計張緊輪時，張緊輪的直徑應盡可能接近小鏈輪的直徑。本設計中小鏈輪的齒數(shù)為16，因此設計張緊鏈輪的齒數(shù)為11，型號為25B。
3.1.1.7 傳動主軸的設計與計算
1）計算傳動主軸的圓周力
Ft=2T2/d=2×27.59×1000/20=2759N
計算軸的徑向力
Fr= Fttan20°=2759×0.364=1004N
2）選定傳動主軸的材質且計算其最小直徑
選定傳動主軸的材料為45鋼，表面做調(diào)質處理，硬度220~250HRC
計算傳動主軸的最小直徑：
傳動主軸的第一個臺階用于安裝履帶組件，且第一段直徑與履帶輪上花鍵的孔徑相配合，配合公差為H7/g6。
公稱轉矩Tn /(N·m): 1000
許用轉速[n] /(r/min): 10001~78000
軸孔直徑、、/mm: 12
軸孔長度|L /mm: 48
容許偏心范圍(mm): 0.02~0.2
容許偏角（deg）：1
因此，取軸段1的直徑d1=12mm，軸端1的長度L1=112.7mm。
3）傳動主軸的結構設計
a)按軸向定位要求
軸的第一個臺階用于履帶組件的軸向卡位，且設計臺階高度h=4（），因此軸的第二個臺階直徑d2=20mm，根據(jù)傳動主軸上安裝履帶組件的長度為138.8mm，因此取L2=138.8mm。
b)齒輪在軸上安裝時的定位方式
齒輪和傳動主軸之間通過A型平鍵鏈接，平鍵的尺寸為
寬為5mm
長度取12mm
R=2.5
c)確定傳動主軸上圓角和倒角尺寸
R=0.5，圖標注所示
軸端倒角取0.5×45°
4）傳動主軸的強度校核
對于6301型深溝球軸承，確定軸承的支點位置，取值為。
Ft=2T2/d=2×294×1000/20=29400N
Fr= Fttan20°=29400×0.364=10700N
根據(jù)裝配圖所示高速軸軸承跨距以及和齒輪支點跨距如圖所示
水平面：
RH2=476Ft604=218534 N
RH2=476Ft604=218534 N
彎矩MH=RH1×AC=58765×476=28×106
垂直面：
同理得
RV1=21390 N RV2=616.3 N
彎矩:
Mv=Rv1×AC=10×106
合成彎矩：
M=MH2+MV2=280×106N?MM
扭矩：
軸的彎矩校核公式：，
式中， a----折合系數(shù)，取0.6；
選定軸的材料為45鋼，軸表面做調(diào)質處理，硬度220~250HRC
查得45鋼許用應力
計算得到軸的應力大小為
，因此本設計中的傳動主軸滿足實際使用要求。
3.1.2機械手臂結構設計
整個機械臂安裝在被跟蹤機器人的上部，通過機械臂的底座與車身骨架組件連接。機器人臂的結構包括：機器人臂、機器人臂、機器人臂、攝像頭組件、機器人抓取等，機器人臂的功能是使被跟蹤的機器人能夠360度無死角地清除道路上的障礙物。通過攝像機組件，可以清楚地觀察到道路環(huán)境中的實際情況。機器人在頂部的抓取可以完成一些基本的任務。功能捕獲和清潔操作。
3.1.2.1機械手臂轉動電機的設計與選型
在本設計中，機械臂旋轉結構的旋轉電機采用電機與螺桿一體化的標準產(chǎn)品，俗稱電動缸。電動缸將伺服電機與螺桿結構相結合，將旋轉運動轉化為直線運動，同時將伺服電機的最佳優(yōu)點：精確速度控制、精確旋轉控制、精確扭矩控制轉化為精確速度控制、精確位置控制和精確推力控制；從節(jié)省空間的角度來看，機械臂之間，如機械臂和機械臂之間，機械臂與機械臂之間的方向是平行的，因此氣缸的安裝方向與機械臂的安裝方向是平行的。這意味著圓柱體的直線運動軸的方向與機械臂關節(jié)的中心軸的方向垂直。
氣缸的優(yōu)點是：閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制，直線運動精度可達0.01mm；可實現(xiàn)精確的推力控制，產(chǎn)品中可添加壓力傳感器，直線運動控制精度可達1%。與PLC等控制系統(tǒng)的連接非常方便、簡單，易于實現(xiàn)高精度的運動控制。噪音低、節(jié)能、清潔、剛性高、抗沖擊、壽命長、操作維護簡單。氣缸在惡劣環(huán)境下無故障，防護等級達到IP66。長期工作，實現(xiàn)高強度、高速度、高精度定位、運動平穩(wěn)、低噪音。可廣泛應用于造紙、化工、汽車、電子、機械自動化、焊接等行業(yè)。
液壓缸可以完全取代工業(yè)上的液壓缸和液壓缸，實現(xiàn)更環(huán)保、更節(jié)能、更清潔的優(yōu)點，并與PLC等控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)高精度的運動控制。
配置靈活：可提供非常靈活的安裝配置，全系列安裝部件：安裝前法蘭、后法蘭、側法蘭、尾部鉸鏈、耳軸安裝、轉向模塊等，可與伺服電機直線安裝或并聯(lián)安裝；可增加各種附件：限位開關。行星減速器，預緊螺母；驅動可選擇交流制動功率；機床，直流電機，步進電機，伺服電機。
本設計中采用德國FESTO品牌的電缸，型號為EPCO-25-300-3P-A-ST-E，馬達類型為ST步進馬達ST，產(chǎn)品型號為EPCO O系列，規(guī)格25，行程300mm，絲桿螺距3P3mm，測量單位為E編碼器，位置感測為A用于接近式感測，直線運動的重復精度可以達到±0.02mm。
本設計中正是利用了電缸運動的高精度性能實現(xiàn)了整個機器手準確無誤的抓取目標物。
機器人關節(jié)電缸的三維圖見圖3.6所示：
圖3.6機器人關節(jié)電缸三維結構圖
3.1.2.2機械手臂轉動結構的設計
由于本設計的履帶機器人適用于一些人不方便進入的小型場合，包括倒塌的建筑物、災區(qū)、危險的災區(qū)和倒塌的煤礦，因此我們以倒塌的建筑物為例，建筑物內(nèi)最常見的攀爬障礙是樓梯。在此，本設計選擇樓梯作為機械臂尺寸的設計參考。樓梯踏步的內(nèi)部空間寬度為215mm，內(nèi)部空間高度為200 mm。樓梯地面的總高度為2600毫米，總寬度為950毫米。因此，為了保證多功能履帶機器人能自由穿越樓梯，設計的機械臂寬度不應超過950mm，展開長度不應超過2600mm。在本設計中，機器人臂總長為400 mm，機器人臂總長為400 mm，機器人臂總長為150 mm，機器人抓取總長為180 mm。因此，整個機器人手臂的總長度為1130 mm，小于2600 mm。多功能履帶機器人總高度630mm，總長度825 mm，總寬度550 mm，小于樓梯內(nèi)部空間。長、寬、高符合人體工程學要求。
4 機器人靜力學分析
4.1 履帶與地面摩擦阻力分析
以一條履帶作為分析對象，將履帶實際接地面速度瞬心為原點，建立如圖3 所示的坐標系，取履帶接地面一微元，則有微量摩擦力 (其中i=1、2，分別代表內(nèi)、外側履帶) 作用，方向與該點絕對速度相反，有
式中：為接地比壓函數(shù)。
圖4-1 履帶接地面受力圖
在X軸和Y軸方向的分量為：
由此可得地面對履帶的轉向阻力 (繞履帶速度瞬心O)為：
其中i=1，2。
當i=1時為內(nèi)側履帶，此時的x、y的積分上下限分別為、。
當i=2時為外側履帶，此時的x、y 的積分上下限分別為、。
所以，履帶接地面與履帶間摩擦引起的總的轉向阻力為：
2.2 履帶側面推土阻力分析
若忽略側面刮起土堆的質量，履帶側面的受力如圖4-2所示。其中，Q為下部土壤對楔形土的反作用力，為單位面積上的內(nèi)聚力，W為單位面積土壤重量，為單位長度推土阻力，為板壁摩擦角，θ為破壞面角度，為土壤內(nèi)摩角。
圖4-2 履帶側面受力圖
根據(jù)Bekker推薦的載荷沉陷量的關系可以推出式：
式中: z為沉陷量，kc、kφ是土壤內(nèi)聚及摩擦變形模量，n是變形指數(shù)。
履帶兩側任一單位長度上的推土阻力RB可從力的平衡式中得到：
式中: γs為土壤容重。
由于MTi只是θ的函數(shù)，MTi的最小值對應著一定的θ值，在此θ值下，地面被破壞，故側面推土阻力產(chǎn)生的轉向阻力矩為：
忽略履帶內(nèi)部摩擦阻力等因素，因此地面引起的總轉向阻力矩M為：
總結
本次設計是對一個多節(jié)履帶煤礦救援機器人進行設計，使其結構能夠滿足絕大多數(shù)實際使用要求。然后利用三維軟件對其結構進行三維實體模型的建模處理，讓他的結構可以進行直觀表達出來。通過對本設計的結構進行分析設計，使其自由度能夠符合實際應用，并對該設計的動力傳遞進行針對性設計。并對該產(chǎn)品的具體使用范圍做了說明，對其重要部件傳動結構進行設計，同時完成必要的校核，保證該設計使用的安全性和可靠性。
本次設計完成對多節(jié)履帶煤礦救援機器人的設計，讓我更加深入的了解了多節(jié)履帶煤礦救援機器人，通過整個設計過程，讓我將所學的各種知識進行一個融合，進行綜合使用的鍛煉。同時設計需要繪制圖紙，鍛煉了我圖紙設計和三維實體建模的水平。通過學習已讓我看到國內(nèi)外這方面設計的差距，讓我有動力去提升自身素質，為祖國的機械制造業(yè)添磚加瓦。
此次設計雖初步完成多節(jié)履帶煤礦救援機器人整體設計方案，但是不足之處依然，像此機構的實際生產(chǎn)簡單與否，工作運動合理與否都有待驗證，設計精度也欠考慮，后續(xù)再有此類設計的人員，可進行完善，讓此類設計更加能夠符合實際的應用需求，提高質量，實現(xiàn)真正的中國制造、中國創(chuàng)造。
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致謝
畢業(yè)設計完成在即，感慨頗多。感謝學校為我提供優(yōu)質資源，為我提供各種機會機遇，能夠讓我在這里提升進步。感謝各位老師的辛勤傳授，為我解惑答疑，學到了許多知識。
謝謝指導老師提供給我的指導和幫助,您展現(xiàn)出來他那種對待工作高度嚴謹認真的精神讓我折服，也感謝《機械制圖》、《機械設計原理》、《人機工程學》、《機械設計》、《標準化工程》、《互換性與測量技術》、《三維建?！?、《機械制造技術》等學科的任課老師，各位老師提供給我基礎課程的輔導，為我本次畢業(yè)設計的完成也起到了重要的作用，感謝各位老師的辛勤付出。
在完成本次畢業(yè)設計的過程中，各位同學也對我支持和提供幫助，再次感謝大家。
本次畢業(yè)設計中，也暴露出一些問題，許多方面并沒有根據(jù)設想完成，究其原因，還是自身能力不足，許多方面的知識儲備不夠，還有待補充，使得本次設計也留下了遺憾。值得肯定的是，本次設計啟發(fā)了我固有的思維模式，動手實踐能力得到了明顯的提高，所學知識也得到了進一步的鞏固，為今后學習工作也打下了基礎。
再次感謝各位大學老師的教導與幫助，您們是我人生路上的貴人，您們的傾囊相授讓我終生受用，我會永遠銘記恩情，謝謝您們！感謝母校！
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