消防機器人的設(shè)計說明書
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消防機器人的設(shè)計
摘 要
本次設(shè)計的是一款履帶式消防機器人基礎(chǔ)級載體，設(shè)計內(nèi)容包括設(shè)計行走底盤和四自由度手臂以及對機器人的局部受力情況作了具體的分析。試制整體機器人結(jié)構(gòu)。在設(shè)計試制過程中，不斷的觀察分析其他機器人的結(jié)構(gòu)，吸取前人經(jīng)驗，進行方案比較選定。
本次設(shè)計的重點在于機器人的試制研究工作，由于機器人整體的設(shè)計難度較大，材料和機構(gòu)精度要求較高，本試制產(chǎn)品還不能作為成熟產(chǎn)品進行加制造，只能做為指導(dǎo)性樣機以供參考。
消防機器人現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到應(yīng)用狀態(tài)，一臺德國產(chǎn)的消防機器人售家為170萬人民幣。上海、成都、武漢等幾個大城市都已經(jīng)裝備消防機器人。
關(guān)鍵字：機器人；履帶底盤；機械臂；控制電路；
Abstract
What this design was a section of marching fire robot foundation level carrier, the design content walks the chassis including the design and the four degrees-of-freedom arms as well as has made the concrete analysis to robot's partial stress situation. Trial manufacturing overall robot structure. In the design trial manufacturing process, the unceasing observation analyzes other robot's structure, absorbs the predecessor to experience, carries on the plan quite to designate. And goes down to the factory to process one to carry on the study, brings to completion the processing technique of manufacture, avoids stepping onto only pauses the written design to be separated from the actual manufacture the tortuous path.
This graduation project's key point lies in robot's trial manufacturing research work, because the robot whole's design difficulty is big, the material and the organization accuracy requirement is high, this trial manufacturing product has not been able to take the mature product to carry on adds the manufacture, can only do for the guidance prototype supplies the reference.
Key words: Robot; Caterpillar band chassis; Mechanical arm; Control circuit;
第一章 緒 論
1.1 項目概述
本文介紹的是一種履帶式消防機器人設(shè)計, 結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、性能可靠、成本低廉。履帶式行走機構(gòu), 使機器人具有更出色的越障能力。兩條履帶均設(shè)置有正反轉(zhuǎn)，且可無級調(diào)速，使機器人行走、轉(zhuǎn)彎更加靈活。整機共七個自由度，可實現(xiàn)物體的夾持、搬運、碼放。在消防領(lǐng)域，此機器人可在加裝聲像傳輸設(shè)備等輔助設(shè)備的情況下，完成火場偵察、勘測、救援、滅火等任務(wù)。此設(shè)計為實物制造設(shè)計，在加工能力有限的情況下，如何選選擇更為合理可行的設(shè)計方案和加工方法來避開技術(shù)瓶頸，且相對提高精度成為匠心之處。論文在這方面具有一定意義。
1.2 目的及意義
本題目研制開發(fā)一種制造簡單，使用方便的消防機器人。
常言道水火無情，這其中道出了水火對人類的威脅及人們對水火的無奈。提起火災(zāi)，人們會聯(lián)想起一起起悲劇。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，僅1995年一年我國就發(fā)生火災(zāi)38000起，死亡2233人，受傷3770人，直接經(jīng)濟損失10.8億多元。1997年發(fā)生火災(zāi)14萬余起，死亡2722人，傷4930人，造成財產(chǎn)損失15.4億元。多么觸目驚心的數(shù)字啊！
近年來，我國石化等基礎(chǔ)工業(yè)有了飛速的發(fā)展，在生產(chǎn)過程中的易燃易爆和劇毒化學(xué)制品急劇增長，由于設(shè)備和管理方面的原因，導(dǎo)致化學(xué)危險品和放射性物質(zhì)泄漏、燃燒爆炸的事故增多。消防機器人作為特種消防設(shè)備可代替消防隊員接近火場實施有效的滅火救援、化學(xué)檢驗和火場偵察。它的應(yīng)用將提高消防部隊撲滅特大惡性火災(zāi)的實戰(zhàn)能力，對減少國家財產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡將產(chǎn)生重要的作用。在深圳清水河火爆炸、南京金陵石化火災(zāi)、北京東方化工廠罐區(qū)火災(zāi)等事件發(fā)生后，國內(nèi)消防部隊要求研制、配備消防機器人的呼聲越來越高。消防機器人的研制，對我國21世紀(jì)的消防裝備的發(fā)展以及消防部隊的技戰(zhàn)術(shù)的拓展將產(chǎn)生重要的影響。
為了能夠盡快地?fù)錅缁馂?zāi)，防止火災(zāi)的進一步蔓延，尋找火災(zāi)根源，采取近距離作戰(zhàn)的滅火方法是提高滅火效能的最佳途徑，但是，兇猛的火災(zāi)往往使勇敢的消防隊員無法靠近。
在化學(xué)災(zāi)害的處置過程中，由于事故現(xiàn)場的情況十分復(fù)雜，泄漏物的毒性、腐蝕性、易燃易爆特性或放射性等物質(zhì)會使消防隊員處于更加危險的境地。
誰能夠幫助我們可愛的消防隊員把滅火、救人和消滅化學(xué)災(zāi)害事故的處置工作做得更好？誰能夠代替他們?nèi)コ惺芩劳龅耐{？答案是：消防機器人。
消防機器人往往需要在高溫、強熱輻射、濃煙、地形復(fù)雜、障礙物多、化學(xué)腐蝕、易燃易爆等惡劣環(huán)境中進行火場偵察，化學(xué)危險品探測、滅火、冷卻、洗消、破拆、救人、啟閉閥門、搬移物品、堵漏等作業(yè)，因此，作為某種特定功能的消防機器人應(yīng)該具備以下某項或幾項行走和自衛(wèi)功能：
a.登爬坡、登梯及障礙物跨越功能； b.耐高溫和抗熱輻射功能； c.防雨淋功能；d.防爆(隔爆)功能； e.防化學(xué)腐蝕功能； f.防電磁干擾功能； g.遙控功能等。
1.3 國內(nèi)外發(fā)展概況
圖1.1救援機器人 圖1.2滅火機器人
最近幾十年中，大量的高層、地下建筑與大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于這些建筑的特殊性，發(fā)生火災(zāi)時，不能快速高效的滅火。為了解決這一問題，盡快救助火災(zāi)中的受害者，最大限度的保證消防人員的安全，消防機器人研究被提到了議事日程。而機器人技術(shù)的發(fā)展也為這一要求的實現(xiàn)提供了技術(shù)上的保證，使得消防機器人應(yīng)運而生。
我國從八十年代末期開始消防機器人的研究，公安部上海消防研究所等單位在消防機器人的研究中取得了大量的成果，"自行式消防炮"已經(jīng)投入市場，"履帶輪式消防滅火偵察機器人"也于2000年6月通過了國家驗收。但是，我國消防機器人的研究還處在初級階段，還有許多有待研究的問題。比如，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，消防人員不可能在短時間內(nèi)到達(dá)高處的火災(zāi)發(fā)生地點，在地下建筑中，由于環(huán)境比較潮濕，煙氣不易擴散，消防人員不容易快速的判定火源位置；而在石化企業(yè)發(fā)生火災(zāi)時，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時極易中毒。研制能夠用于這些場合的偵察滅火機器人，協(xié)助消防人員進行火災(zāi)的定位和滅火，將有極大的社會意義。
不僅在我國，在世界上消防工作也是一個大難題，各國政府都千方百計地將火災(zāi)的損失降到最低點。從二十世紀(jì)八十年代開始，世界許多國家都進行了消防機器人的研究。美國和蘇聯(lián)最早進行消防機器人的研究，而后日本、英國、法國等國家都紛紛開展了消防機器人的研究，目前已有多種不同類型的消防機器人用于各種火災(zāi)場合。
從功能上劃分，目前的消防機器人有下列幾類：滅火機器人、偵察機器人、攀登營救機器人和救護機器人。從控制方式來分，消防機器人可分為遙控消防機器人和自主消防機器人。
1984年11月，在日本東京的一個電纜隧道內(nèi)發(fā)生了一起火災(zāi)，消防隊員不得不在濃煙和高溫的危險環(huán)境下在隧道內(nèi)滅火。這次火災(zāi)之后，東京消防部開始對能在惡劣條件下工作的消防機器人進行研究，目前已有五種用途的消防機器人投入使用。
遙控消防機器人
1986年第一次使用了這種機器人。當(dāng)消防人員難于接近火災(zāi)現(xiàn)場滅火時，或有爆炸危險時，便可使用這種機器人。這種機器人裝有履帶，最大行駛速度可達(dá)10公里/小時，每分鐘能噴出5噸水或3噸泡沫。
噴射滅火機器人
這種機器人于1989年研制成功，屬于遙控消防機器人的一種，用于在狹窄的通道和地下區(qū)域進行滅火。機器人高45厘米，寬74厘米，長120厘米。它由噴氣式發(fā)動機或普通發(fā)動機驅(qū)動行駛。當(dāng)機器人到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場時，為了撲滅火焰，噴嘴將水流轉(zhuǎn)變成高壓水霧噴向火焰。
消防偵察機器人
消防偵察機器人誕生于1991年，用于收集火災(zāi)現(xiàn)場周圍的各種信息，并在有濃煙或有毒氣體的情況下，支援消防人員。機器人有4條履帶，一只操作臂和9種采集數(shù)據(jù)用的采集裝置，包括攝像機、熱分布指示器和氣體濃度測量儀。
攀登營救機器人
攀登營救機器人于1993年第一次使用。當(dāng)高層建筑物的上層突然發(fā)生火災(zāi)時，機器人能夠攀登建筑物的外墻壁去調(diào)查火情，并進行營救和滅火工作。該機器人能沿著從建筑物頂部放下來的鋼絲繩自己用絞車向上提升，然后它可以利用負(fù)壓吸盤在建筑物上自由移動。這種機器人可以爬70米高的建筑物。
救護機器人
救護機器人于1994年第一次投入使用。這種機器人能夠?qū)⑹軅藛T轉(zhuǎn)移到安全地帶。機器人長4米，寬1.74米,高1.89米，重3860公斤。它裝有橡膠履帶，最高速度為4公里/小時。它不僅有信息收集裝置，如電視攝像機、易燃?xì)怏w檢測儀、超聲波探測器等；還有2只機械手，最大抓力為90公斤。機械手可將受傷人員舉起送到救護平臺上，在那里可以為他們提供新鮮空氣。
2000年11月，奧地利雪山纜車在隧道中發(fā)生火災(zāi)，死亡160余人。由于隧道中黑暗、陰冷、濃煙密布，滅火和清理現(xiàn)場工作十分艱難。這再次說明了特種消防設(shè)備的重要。
1.4 主要研究內(nèi)容
本題目主要研究的內(nèi)容是設(shè)計行走底盤和四自由度手臂，本題目研制開發(fā)一種消防機器人基礎(chǔ)級載體。對機器人的局部受力情況作了具體的分析。
第二章 方案比較與方案選擇
2.1 行走機構(gòu)方案比較
機器人在地面上移動的方式通常有三種：車輪式、履帶式和步行式。
步行移動方式是模仿人類或動物的行走機理，用腿腳走路，對環(huán)境適應(yīng)性好。根據(jù)調(diào)查,在地球上近一半的地面不適合于傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛行走， 但是一般多足動物卻能在這些地方行動自如,顯然足式與輪式及履帶式行走方式相比具有獨特的優(yōu)勢. 足式行走對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力,足式運動方式的立足點是離散的點,可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點。但是步行移動方式的智能程度也相對較高。正因如此，步行移動方式在機構(gòu)和控制上是最復(fù)雜的，技術(shù)上也還不成熟，不適于在要求靈活和可靠性高的工作環(huán)境中。
車輪式移動是最常見的一種地面行進方式。車輪式移動的優(yōu)點是：能高速穩(wěn)定的移動，能量利用效率高，機構(gòu)和控制簡單，而且技術(shù)比較成熟。驅(qū)動與轉(zhuǎn)彎機構(gòu)可分以下幾種形式：
1. 驅(qū)動、轉(zhuǎn)向輪一體徑向轉(zhuǎn)向，如同前驅(qū)動式轎車
2. 驅(qū)動輪、轉(zhuǎn)向輪分置，如同后驅(qū)動式卡車
3. 兩側(cè)驅(qū)動輪異速轉(zhuǎn)彎，如同輪椅
前兩種驅(qū)動轉(zhuǎn)彎形式不單要設(shè)計有合理的驅(qū)動機構(gòu)，還要有較好的轉(zhuǎn)向機構(gòu)，增加了自由度的同時又要考慮為這個自由度提供動力單元，以及轉(zhuǎn)向差速系統(tǒng)，使得整機復(fù)雜程度大大提升，機構(gòu)繁瑣，穩(wěn)定性降低。第三種形式僅用一套差速系統(tǒng)和一組跟蹤輪就可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，可是跟蹤輪通常采用萬向輪，無規(guī)則定向，在路面情況復(fù)雜下行駛極其不穩(wěn)定，且在停止和啟動時遵循前一運動狀態(tài)軌跡，缺乏應(yīng)急靈活性。而其車輪式移動共有的缺點就是對路面要求較高，適于平整硬質(zhì)路面。越障性能嚴(yán)重缺失。
履帶式實際是一種自己為自己鋪路的輪式車輛。它是將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸。履帶式的的優(yōu)點是著地面積比車輪式大，所以著地壓強??；另外與路面黏著力強，能吸收較小的凸凹不平，適于松軟不平的地面。因此，履帶式廣泛用在各類建筑機械及軍用車輛上。并且履帶式結(jié)構(gòu)是通過兩條履帶差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。不但可以實現(xiàn)超小半徑轉(zhuǎn)彎，還可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。靈活性極佳。
2.2手臂機構(gòu)方案比較
對于整體行走機器人載具而言，行走機構(gòu)只是用來完成大空間內(nèi)整體移動和工作頭部分在平面內(nèi)大幅度間接調(diào)整。其運動軌跡和幅度難以充分滿足三維空間運動和精度要求。為了能使工作頭部分能夠在三維空間觸及工作點工作面并且能夠精確完成工作任務(wù)引入了連接在行走機構(gòu)與工作頭之間的，較行走機構(gòu)傳動更精準(zhǔn)、運動更平穩(wěn)的機械臂機構(gòu)。機械臂按其運動機理可分為以下三種：
（1） 蠕動式機械臂
這種機械臂源自仿生學(xué)中對蟲子蠕動的模仿。通過沿徑向布置的很多個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)的聯(lián)動來實現(xiàn)工作頭空間內(nèi)多組相鄰圓心圓截面上各點工作。這種機械臂絕對是各種機械臂中自由度最高的一類。但因其要求每個旋，扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機構(gòu)都要求有獨立動力，且聯(lián)動的位移是由多個關(guān)節(jié)機構(gòu)非等值分擔(dān)，這就對動力部分、傳動精度、控制精度提出了極高要求。不但設(shè)計制造極其困難，通過使用機械控制簡單電路控制是極難完成的控制的。
所以只出現(xiàn)在高端機器人領(lǐng)域具處于設(shè)計試制階段。對于基礎(chǔ)層次機械設(shè)計制造這相當(dāng)于不可完成的任務(wù)。
（2） 沿X、Y、Z坐標(biāo)軸直線移動機械臂
在三維立體空間內(nèi)分別沿X、Y、Z軸做直線運動就可以到達(dá)一個立方體內(nèi)的各個點進行工作，這是一種撒網(wǎng)式的搜羅。在三軸分動時工作頭位移軌跡是沿空間內(nèi)沿X、Y、Z方向線段的連接，當(dāng)三軸聯(lián)動時，工作頭運動軌跡便是空間內(nèi)的一條曲線。完成工作動作直接快捷，且只有三個軸線位移，整機運動平穩(wěn)可靠，精度頗高。所以多用于機床加工中心等機械上，但其機體必須含有沿X、Y、Z軸方向，長度至少等于三軸位移長度一半的三個相連的空間垂直架體。
這種就有相對較大的非工作狀態(tài)機構(gòu)所占空間和整體體積，但對于行走式機器人載具而言，對體積和自重的限制是極其嚴(yán)格的，要求盡量減小自身負(fù)載體積，以適應(yīng)工作環(huán)境。
（3） 放人類手臂式機械臂
這種結(jié)構(gòu)的手臂有旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、大臂搖動機構(gòu)、小臂搖動機構(gòu)和手腕機構(gòu)四部分組成在同一平面內(nèi)三個旋轉(zhuǎn)自由度被安裝在一個垂直此平面的旋轉(zhuǎn)盤上，手腕、小臂、大筆的須按轉(zhuǎn)是工作頭觸點在三個自由度連線平面內(nèi)。形成了一個平面工作區(qū)域，通過旋轉(zhuǎn)盤的帶動，是這個平面工作區(qū)域繞Z軸須按轉(zhuǎn)，形成了一個立體工作空間。這種手臂機構(gòu)在工作中狀態(tài)下可以收縮減小空間，傳動距離較短，結(jié)構(gòu)可靠性能好，能夠出色的完成工作空間內(nèi)一點到另一點的最有運動軌跡位移。
2.3 消防機器人整體機構(gòu)選定
在本次履帶式消防機器人的設(shè)計中，工作環(huán)境定位在障礙物不明，空間狹小的情況下。且加工能力及工藝有限，機構(gòu)不易過于復(fù)雜。所以行走機構(gòu)選擇履帶式結(jié)構(gòu)是最為合理的。而手臂機構(gòu)選用放人類手臂式機械臂更為合理。
第三章 整體機構(gòu)設(shè)計
3.1 方案確定
3.1.1 確定傳動方案
合理的傳動方案，應(yīng)能滿足工作機的要求、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、加工方便、成本低廉、效率高和使用維護方便等。要同時滿足這些要求，常常是困難的。因此，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，保證重點要求。
當(dāng)采用多級傳動時，應(yīng)合理的選擇傳動零件和它們之間的傳動次序，揚長避短，力求方案合理。常需要考慮以下幾點。
1) 帶傳動為摩擦傳動，傳動平穩(wěn)，能緩沖吸振，噪音小，但傳動比不準(zhǔn)確，傳動相同轉(zhuǎn)矩時，結(jié)構(gòu)尺寸較其他傳動形式大。因此應(yīng)布置在高速級。因為傳遞相同功率，轉(zhuǎn)速愈高，轉(zhuǎn)矩愈小，可使帶傳動的結(jié)構(gòu)緊湊。
2) 鏈傳動靠鏈輪齒嚙合工作，平均傳動比恒定，并能適應(yīng)惡劣的工作條件，但運動不均勻，有沖擊，有沖擊，不適于高速傳動，故應(yīng)布置在多級傳動的低速級。
3) 蝸桿傳動平穩(wěn)，傳動比大，但傳動速率低，適用于中小功率及間歇運動的場合。當(dāng)和齒輪傳動同時應(yīng)用時，應(yīng)布置在高速級，使其工作齒面有較高的 相對滑動速度，利于形成流體動力潤滑油膜，提高效率，延長壽命。
4) 圓錐齒輪傳動用于傳遞相交軸間的運動。由于圓錐齒輪（特別是當(dāng)尺寸較大時）教工比較困難，應(yīng)放在傳動的高速級，并限制其傳動比，以減小器直徑和模數(shù)。
5) 開式齒輪傳動的工作環(huán)境一一般較差，潤滑不良，磨損嚴(yán)重，應(yīng)布置在低速級。
6) 斜齒輪傳動的平穩(wěn)性奇偶直齒輪傳動好，當(dāng)采用雙級齒輪傳動時 高速級常用斜齒輪。
3.1.2 選擇電動機
格局工作負(fù)荷的大小和性質(zhì)、工作機的特性和工作環(huán)境等，選擇電動機的種類、類型和結(jié)構(gòu)形式、功率和轉(zhuǎn)速，確定電動機的型號。
1．選擇電動機的種類、型號和結(jié)構(gòu)形式
根據(jù)電源種類（直流或交流）、工作條件（環(huán)境、溫度、空間位置等）及負(fù)荷性質(zhì)、大小、啟動特性和過載情況等來選擇。
選用要點一：根據(jù)機械負(fù)載特性、生產(chǎn)工藝、電網(wǎng)要求、建設(shè)費用、運行費用等綜合指標(biāo)，合理選擇電動機類型
選用要點二：根據(jù)機械負(fù)載要求的過載能力、啟動轉(zhuǎn)矩、工作制及工況條件，合理選擇電動機的功率，是功率匹配合理，并且有適當(dāng)?shù)膫溆霉β?，力求運行安全、可靠而經(jīng)濟
選用要點三：根據(jù)使用場所的環(huán)境，選擇電動機的防護等級和結(jié)構(gòu)型式
選用要點四：根據(jù)生產(chǎn)機械的最高機械轉(zhuǎn)速和傳動調(diào)速系統(tǒng)的要求，選電動機的轉(zhuǎn)速
選用要點五：根據(jù)使用環(huán)境的溫度，維護檢修方比那、安全可靠的要求，選擇電動機的絕緣等級和安裝方法
選用要點六：根據(jù)電網(wǎng)電壓、頻率，選擇電動機的額定電壓、評論
總結(jié)：在選用電動機的時候，要努力執(zhí)行國家技術(shù)經(jīng)濟政策
2．選擇電動機的功率（容量）
電動機功率選擇是否合適，對電動機的工作和經(jīng)濟性都有影響。功率國小不能保證工作機的正常工作，或使電動機因超載而過早損壞；若功率選的過大，電動機的價格高，能力不能充分發(fā)揮，經(jīng)常不在滿載下運轉(zhuǎn)，效率和功率因數(shù)都較低，造成浪費。
選擇時應(yīng)保證
Ｐ0≥Ｐr
式中Ｐ0——電動機額定功率，kW;
Ｐr——工作機所需電動機功率，kW。
所需電動機功率由下式計算
Ｐr=PW/η
3.1.3 機體框架材料的選擇
這是一次履帶式消防機器人的試制工作。主要目的是驗證設(shè)計理念和機構(gòu)特性。由于產(chǎn)品要求運動靈活，且承重較輕。所以選擇合金鋁作為框架材料，合金鋁的強度剛度雖較鋼差，但其密度小，在適當(dāng)加大板材厚度的情況下，強度滿足此次設(shè)計要求，且大大降低了總體質(zhì)量。
基本外形尺寸初步確定
考慮到試制的實際情況，和滿足基本功能要求，設(shè)計底盤尺寸為600*500*100(單位mm)臂部結(jié)構(gòu)各節(jié)長度尺寸分別為大臂350mm，小臂300mm，手腕60mm。預(yù)計整機重量與負(fù)重總和不超過30kg，腕部重量0.5kg，小臂重量2.5kg，大臂重量3kg，設(shè)計首部負(fù)重3kg。
3.1.4 傳動機構(gòu)選定
中心轉(zhuǎn)盤選用帶傳動
大臂傳動選用絞盤鋼絲牽引
小臂選用絲杠傳動帶動鋼絲繩牽引
手腕原理與小臂相同。
3.1.5 電動機類型確定
在本次設(shè)計試制中,由于加工能力有限,選用減速電動機可以省去減速器選用或設(shè)計制造,且可得到更高的運動精度.而且在實驗室物品清單中，有一定數(shù)量的不同型號減速電動機，所以電動機類型初定為24V減速電動機。型號根據(jù)各機構(gòu)具體功率和轉(zhuǎn)速要求來確定。
3.2 大臂機構(gòu)設(shè)計及電動機選擇
設(shè)計大臂擺動幅度為水平面角30°到90°。大臂上鋼絲繩牽引點距旋轉(zhuǎn)軸距離L1為260mm,絞盤直徑為20mm，絞盤軸心距大臂旋轉(zhuǎn)軸心距離L2為75 mm 偏心距e忽略，絞盤上由于圈放鋼絲繩產(chǎn)生的鋼絲繩軸偏移和絞盤半徑增減忽略。
在兩極限位絞盤處鋼絲繩長度分別為L3和L3’
L32 = L12 + L22
代入數(shù)值
L1 = 260mm
L2 =75mm
L3 ≈270mm
L3’2 = L12 + L22-2cosθL1*L2
代入數(shù)值
L1 =26O mm
L2 =75mm
θ =150°
得L3’≈475mm
鋼絲繩收放長度ΔL3為
ΔL3 = L3’- L3 =475-270=205 mm
絞盤轉(zhuǎn)數(shù)N為
N=ΔL3/C =ΔL3/(л*d)
絞盤直徑d為20mm
代入數(shù)值
N =205/(3.14*20)≈3.3轉(zhuǎn)
設(shè)計中，大臂為大長度末端旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，動作要求相對緩慢。為盡量滿足合理性要求，初步設(shè)定絞盤旋轉(zhuǎn)時間為15 秒
則上級傳動機構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速n為
n = N/t=0.22 r/s
受力情況
假設(shè)整個臂部系統(tǒng)加上負(fù)載的重力全部作用于鋼絲繩交接點垂直向下
當(dāng)θ角最大時，鋼絲繩拉力最大
預(yù)設(shè)負(fù)載m物 =3㎏
手腕質(zhì)量m1 = 0.5㎏
小臂質(zhì)量m2 = 2.5㎏
大臂質(zhì)量m3 = 3㎏
m總 = m物 + m1 + m2 + m3 = 3 + 0.5 + 2.5 + 3 = 9㎏
F重 = m總*g
F重 = 9 * 10 = 90N
在y足夠列平衡方程
Fsinθ= Gcos30°
L2/sinθ= L1/ sin150°
聯(lián)立求解
F = (90*0.866)/ sinθ
sinθ = (75* sin150°)/350
= 75/700
則
F = (90*0.866)/(75/700) = 727.44N
轉(zhuǎn)速n = 0.22 r/s
絞盤直徑d為20mm
鋼絲繩拉力F = 727.44N
功率P為
P = F * V
= 727.44 * ( 0.22 * 3.14 * 20 * 0.001 )
≈1.005W
考慮技術(shù)要求及功率損失選用37ZYJ-DP系列永磁直流減速電機
轉(zhuǎn)速13轉(zhuǎn)/分鐘
功率1.5W
3.3小臂機構(gòu)設(shè)計機電動機選擇
小臂轉(zhuǎn)動要求在大臂兩個極限位置時分別垂直向上、垂直向下
小臂相對大臂的實際轉(zhuǎn)角為θ=180°-30°=150°
驅(qū)動小臂旋轉(zhuǎn)的鏈輪直徑d=35mm
在旋轉(zhuǎn)150°情況下，鏈輪直徑上任一點的線位移S為
S=（θ/360°）*C
=（θ/360°）лd
= (150/360)*3.14*35
= 45.7966mm
取整46mm
所以選用絲桿導(dǎo)程即為S1=S=46mm
出于實際情況考慮選用M5通絲代替絲桿
M5通絲螺距P為
P=0.75mm
則絲桿旋轉(zhuǎn)一周，軸向傳遞位移為0.75mm
總位移46mm，則需旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)
N=S總/P = 46/0.75 = 61.33轉(zhuǎn)
取整為61轉(zhuǎn)
設(shè)計小臂運動全程所用時間t在8秒左右，則絲桿轉(zhuǎn)速應(yīng)為
n=N/t=61/8=7.625轉(zhuǎn)/秒
取整為8轉(zhuǎn)/秒
受力情況
預(yù)設(shè)手腕重量m1為0.5㎏，小臂重量m2為2.5㎏，負(fù)載m物為3㎏。
整體作用重心在距小臂重心鉸支點250mm處
F重=m總g
=(m物+m1+m2)g
=(3+0.5-2.5)*10
=60N
當(dāng)臂水平放置時傳動機構(gòu)受到拉力最大
列方程得
2*F*R = Y*250
則
F = Y*250/R
= 60*250/(35/2）
≈857N
鏈輪直徑上任一點的線位移S為46mm
絲杠轉(zhuǎn)數(shù)N為61轉(zhuǎn)
絲桿轉(zhuǎn)速n為8轉(zhuǎn)/秒
所受拉力F為857N
功率P為
P = F * V
= F * ( S / N ) * n
= 857 * （46 * 0.001 /61 ）* 8
≈5.170W
選用此型傳動系統(tǒng)完全符合要求
考慮技術(shù)要求及功率損失選用27ZYJ-Z30系列永磁直流減速電機
轉(zhuǎn)速8轉(zhuǎn)/秒
功率7W
3.4手腕機構(gòu)設(shè)計機電動機選擇
手腕部傳動機構(gòu)采用了與小臂完全相同的設(shè)計。
考慮技術(shù)要求及功率損失選用27ZYJ-Z29系列永磁直流減速電機
轉(zhuǎn)速8轉(zhuǎn)/秒
功率6W
3.5回轉(zhuǎn)盤機構(gòu)設(shè)計機電動機選擇
由于整個臂部機構(gòu)和預(yù)設(shè)負(fù)載重量（約為9 kg）較大，且重心極限位置旋轉(zhuǎn)半徑（約為400mm）較大，所以在轉(zhuǎn)盤設(shè)計時必須考慮機構(gòu)較大的旋轉(zhuǎn)慣性力。所以選帶傳動方式。
帶傳動傳動平穩(wěn)能緩沖吸振，且可大傳動臂設(shè)計，將從動帶輪設(shè)計較大半徑，以減小傳動帶拉力，正符合此機構(gòu)要求。
從動大帶輪直徑d1為50mm設(shè)計,轉(zhuǎn)速n1應(yīng)盡量小，設(shè)在0.1轉(zhuǎn)/秒
主動帶輪選用成套機構(gòu)，帶輪直徑d0為10mm
則主動帶輪轉(zhuǎn)速n0 為
n0 / n1 = d1 / d0
即
n0 = n1 * （d1 / d0 ）
= 0.1 * （50 / 10）
= 0.5轉(zhuǎn)/秒
物品清單中，符合此要求的電動機只有一種。
即12ZYJ-60J系列永磁直流減速電機
轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/分鐘
功率10W
驗算證明滿足機構(gòu)力學(xué)要求。
3.6履帶驅(qū)動輪機構(gòu)設(shè)計機電動機選擇
驅(qū)動輪設(shè)計減速電機輸出軸直接安裝鏈輪。鏈輪上加掛自制履帶。設(shè)計履帶摩擦面到鏈輪回轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)半徑為25mm
設(shè)計直線行走最大速度為150mm/s
則驅(qū)動電功轉(zhuǎn)速為6轉(zhuǎn)/秒
預(yù)設(shè)整機與負(fù)載總重30 kg最大爬坡角為45°，則履帶最大拉力F為
F = F重 / sinθ
= 30 * 10 / 0.707
= 404.328N
取高整值為430N,兩條履帶驅(qū)動，單根受力為
F單 = F / 2
= 430 / 2
= 150N
直線行走最大速度V為150mm/s
單根履帶受力F為150N
則功率為
P = F * V
= 150 * 150 * 0.001
= 22.5W
考慮技術(shù)要求及功率損失選用62KTYJ系列單相可逆永磁同步電機
轉(zhuǎn)速36轉(zhuǎn)/分鐘
功率30W
3.7 部分校核
采用鉸制孔用螺栓鏈接，
各螺栓的工作剪力與其中心到地板旋轉(zhuǎn)中心的連線垂直。根據(jù)地板的力矩平衡條件得：
Fs1r1 + Fs2r2 + … + Fszrz = T
根據(jù)螺栓變形協(xié)調(diào)條件：個螺栓的剪切變形與其中心到地板旋轉(zhuǎn)中心的距離成正比，即
Fs1/r1 = Fs2/r2 = … = Fsz/rz = Fsmax/rmax
聯(lián)立可解得受力最大螺栓所受的工作剪力
Fsmax=Trmax/r1^2+r2^2+……+rz^2=Trmax/
z
2∑ri^2
i=1
式中 rmax——受力最大螺栓中心至底板旋轉(zhuǎn)中心的距離。
受翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組聯(lián)接
設(shè)作用在對稱軸線上的個螺栓的工作載荷為 Fi（i=1,2,……，z/2） （它的反作用力作用在底板），根據(jù)力矩平衡條件得：
2( F1L1 + F2L2 + …… + Fz/2Lz/2) =
z/2
2∑FiLi = M
i=1
根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件：各螺栓的拉伸變形量與螺栓軸線到底板對稱軸線的距離成正比，即
F1/L1 = F2/L2 = …… = Fmax/Lmax
聯(lián)立得
Fmax = MLmax/
z/2
2∑Li^2
i=1
式中 Fmax——螺栓所受的最大工作載荷，N
Li——對稱軸線左側(cè)個螺栓軸線到對稱軸線的距離，mm
Lmax——Li中的最大值，mm。
為了防止接合面受壓最大處被壓碎或受力最小處出現(xiàn)間隙，應(yīng)使受載后地基接合面擠壓應(yīng)力的最大值部超過底板與地基兩者中最弱材料的需用之，最小值不小于零。即
δPmax =δP + δPmax≤[δP]
δPmin =δP + δPmax > 0
式中 δP——接合面在受載前由于預(yù)緊力而差速的擠壓應(yīng)力，δP=zQp/A
A——接合面的有效面積，mm2
δPmax——由于加載而在地基接合面上差速是附加擠壓應(yīng)力的最大值，δPmax=(CF/CL+CF)*M/W;
通過使用校核原理進行校核，以及試制、實驗結(jié)果表明，機構(gòu)設(shè)計是滿足強度要求的。
3.8 本章小結(jié)
機械產(chǎn)品設(shè)計除了應(yīng)滿足產(chǎn)品使用性能外，還應(yīng)滿足制造工藝要求，否則就有可能影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本，嚴(yán)重時甚至無法生產(chǎn)。一個工藝性評價低劣的產(chǎn)品，在激烈競爭的市場經(jīng)濟環(huán)境中是站不住腳的。一個好的產(chǎn)品設(shè)計必須同時是一個好的工藝師。
機械產(chǎn)品設(shè)計的工藝性評價實際是評價所設(shè)計的產(chǎn)品在滿足使用要求的前提下，制造、維修可行性和經(jīng)濟性。這里所說的經(jīng)濟性是一個含意寬廣的術(shù)語，它應(yīng)是材料消耗要少、制造勞動要少、生產(chǎn)效率要高和生產(chǎn)成本要低的綜合。
評價機械產(chǎn)品設(shè)計的機械加工工藝性可以從以下幾個方面進行評價:
2. 零件結(jié)構(gòu)要素必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定
3. 盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件和普通件
4. 在滿足產(chǎn)品使用性能的條件下，零件圖上標(biāo)注的尺寸精度等級好表面粗糙度要求應(yīng)取經(jīng)濟值
5. 盡量選用切削加工性好的材料
6. 有便于裝夾的定位基準(zhǔn)和夾緊表面
7. 保證能以較高的生產(chǎn)率加工
8. 保證刀具正常工作
9. 加工時工件應(yīng)有足夠的剛性
機械產(chǎn)品設(shè)計的裝配工藝性評價
1. 機器結(jié)構(gòu)應(yīng)能劃分成幾個獨立的裝配單元
2. 盡量減少裝配過程中的修配勞動量和機械加工勞動量
3. 機器結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝配和拆卸
機械產(chǎn)品設(shè)計的最初環(huán)節(jié)，是先要針對該產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思。這種針對主要功能的原理性設(shè)計，可以簡稱為“功能原理設(shè)計”。
功能原理設(shè)計的重點在于提出創(chuàng)新構(gòu)思，是思維盡量“發(fā)散”，力求提出較多的解法供比較選優(yōu)。對構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝等則不一定要有成熟的考慮，因此常只需用簡圖或示意圖來表示所構(gòu)思的內(nèi)容。
功能原理設(shè)計是對產(chǎn)品的成敗起決定性作用的工作。
結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則
1. 明確
2. 簡單
在機構(gòu)設(shè)計中，在同樣可以完成功能的條件下，應(yīng)優(yōu)先選擇結(jié)構(gòu)較簡單的方案。機構(gòu)簡單體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)中包含的零件數(shù)量較少，零部件的種類較少，零件的形狀簡單。
結(jié)構(gòu)簡單通常有利于加工和裝配，有利于縮短制造周期，有利于降低制造與運行成本；簡單的結(jié)構(gòu)還有利于提高裝置的可靠性，有利于提高工作精度。
3. 安全可靠
本設(shè)計實體制造性設(shè)計，這就要求在設(shè)計中更要聯(lián)系實際，進行設(shè)計制造。本次設(shè)計正是本著這樣的原則進行的。同時實際操作給了我成功。
第四章 控制電路及控制器設(shè)計
4.1控制電路設(shè)計
控制電路的設(shè)計，取決于機器人的控制機理。大部分的機器人采用無線可編程控制。這樣的控制形式使機器人更加智能化。通過利用紅外線電磁波等無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，機器人的工作空間大小擴展，而且通過編程器的使用，使機器人有了一定的工作自主能力。但是這樣控制電路過于精密復(fù)雜。
在本次設(shè)計中，主要任務(wù)是機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造。對于這種簡單機器人載具的設(shè)計試制工作，控制電路不宜過于復(fù)雜，所以選擇了簡單的開關(guān)控制和變阻器調(diào)速。在這個電路中每個電動機都必須有三個狀態(tài)，即正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停機。且在正反轉(zhuǎn)時均可調(diào)速。它們都是獨立工作，且可同時運轉(zhuǎn)，這就要求每個直流電機都必須配備一套獨立的換向開關(guān)和調(diào)速變阻器。在工作過程中想要避免同一電機正反轉(zhuǎn)電流同時供電，如果采用兩個單獨開關(guān)，在手動控制過程中，難免會出現(xiàn)一種工作狀態(tài)并未逝電，就啟動了另一種工作狀態(tài)，這樣就相當(dāng)于電源反接，避免此種情況的發(fā)生更好實現(xiàn)控制器的人性化設(shè)計，電路中運用了中間斷開的雙向觸點多極開關(guān)，在總電路中設(shè)置總開關(guān)，是整個電路的啟停更方便，處理緊急情況時關(guān)閉所有電動機電源更快捷?？傠娐泛透鱾€電機分電路中可以并聯(lián)入小燈泡，以起到電源指示作用。
基本控制電路圖
在各個電動機上并聯(lián)入兩組發(fā)光二極管與適值電阻的串聯(lián)電路（兩組串聯(lián)電路中發(fā)光二極管分別采用正接與反接），利用發(fā)光二極管的單向?qū)ㄌ匦裕瑏碇甘倦妱訖C的正反轉(zhuǎn)。
加裝指示電路的控制電路
4.2 開關(guān)元件選用
電路中的主要負(fù)載部分及電源電動機已經(jīng)確定，下面對開關(guān)、變阻器選用指示電路部分的發(fā)光二極管電阻進行選擇。
開關(guān)、變阻器這類元器件都有外露的受控部分，必須考慮手動的合理性和開關(guān)自身的可安裝性，由于在我們現(xiàn)有加工能力條件下鉆圓孔最為容易實現(xiàn)。所以均選用螺紋緊定式元件。換向開關(guān)選用ds037-01d 三位兩通按鈕，總開關(guān)選用XN-19按鈕，變阻器選用 SA-198旋鈕式變阻器，發(fā)光二極管選用圓柱頭發(fā)光二極管。
4.3 控制器設(shè)計
控制器設(shè)計上，為使整個控制過程更加自如方便可靠，更加人性化，所以采用了與整個機械機構(gòu)同形式布局的方法，開關(guān)起停形式與機器人各機構(gòu)運動方向相同，使得控制更加得心應(yīng)手。
4.4 本章小結(jié)
在現(xiàn)代化的生產(chǎn)中，生產(chǎn)機械的自動化成都反映了工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的水平?，F(xiàn)代化的生產(chǎn)設(shè)備與系統(tǒng)已不再是傳統(tǒng)意義上的單純的機械系統(tǒng)，而是機電一體化的綜合系統(tǒng)，電氣傳動與控制系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代生產(chǎn)機械的重要組成部分。機與電、傳動與控制已經(jīng)成為不可分割的整體。
所謂電氣傳動，是指以電動機為原動機驅(qū)動生產(chǎn)機械的系統(tǒng)的總稱，它的目的是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，實現(xiàn)生產(chǎn)機械的啟動、停止以及速度調(diào)節(jié)，完成各種生產(chǎn)工藝要求，保證生產(chǎn)過程的正常進行。
在現(xiàn)代工業(yè)中，為了實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化要求，機電傳動不僅包括拖動生產(chǎn)機械的電動機，而且包含控制電動機的一整套控制系統(tǒng)，也就是說，現(xiàn)代機電傳動是和由各種控制元件組成的自動控制系統(tǒng)緊密聯(lián)系在一起的。
雖然在本次設(shè)計中最終選用了24V直流電動機，采用換向開關(guān)控制，但在試制過程中進行了使用單片機驅(qū)動步進電機實現(xiàn)智能控制的探索。進行了單片機控制電路的試制。雖未完全成功，但是獲得了一定既定成果，拓展了知識面。為最終的設(shè)計和試制奠定了堅實基礎(chǔ)。
直流電動機的控制雖然相對簡單，但要求與總體設(shè)計效果相匹配。工作過程安全可靠。如果需要對控制系統(tǒng)加以自動化改進，可以在接頭部分方便的加入智能模塊。也可添加外掛型附屬設(shè)備。
本次設(shè)計取得成功。
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