主動適形越障機器人的設(shè)計與特性分析【含3張CAD圖帶開題報告+外文翻譯】
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I主動適形越障機器人的設(shè)計與特性分析摘要主動適形越障機器人是一種能夠變換自身姿態(tài)從而通過不同類型障礙的機器人，被人們廣泛應(yīng)用于危險作業(yè)領(lǐng)域，能夠代替人們進入到不能進入的地方、者環(huán)境搜救、幫助特警反恐、排爆等作業(yè)，減少或者避免了對救援人員不必要的損傷。因此，主動適形越障機器人的研究具有有很重大的意義。首先，本論文通過查閱國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和主動適形越障機器人的需求分析，分析比較現(xiàn)有主動適形越障機構(gòu)的優(yōu)缺點，設(shè)計出一種具有合理尺寸、結(jié)構(gòu)簡單、實用性強以及良好越障能力的主從復(fù)合式越障機構(gòu)。首先，針對主動適形越障機器人進行總體機構(gòu)設(shè)計、傳動機構(gòu)設(shè)計、主要零部件設(shè)計，并針對各結(jié)構(gòu)主要參數(shù)設(shè)計進行尺寸計算和驗證。其次，采用 Creo2.0 軟件進行主動適形越障機器人的三維建模和仿真分析。關(guān)鍵詞：履帶式；越障機器人；Creo2.0 IIAbstractActive conformal obstacle-obscuring robot is a kind of robot, which is widely used in dangerous operation fields that can change its posture to pass through different types of obstacles. Moreover, It also can replace people into inaccessible places, environmental search and rescue, special police against terrorism, expel explosives as well. Such operations reduce or avoid unnecessary damage to prevent workers from dangers. Therefore, the research of active conformal obstacle-obscuring robots is worthy to be implemented. First of all, this paper not only discusses the research status at home and abroad and shows analysis of active conformal obstacle-obscuring robots, but also analyzes and compares the advantages and disadvantages of existing active conformal obstacle-obscuring mechanisms. At the same time, it designs a reasonable size, simple structure and strong practicality. A master-slave compound obstacle-surpassing organization with good obstacle avoidance capabilities. Above all, the overall mechanism design, transmission mechanism design, and main component design for the active conformal obstacle-obstrusive robot are carried out. Besides, the size calculations and verifications are performed for the design of the main parameters of each structure. Next, the three-dimensional modeling and simulation analysis of the active conformal obstacle-obstacle robot is implemented with Creo2.0 software.IIIKeywords: crawler; Obstacle robot; Creo2.0目錄第 1 章 緒論 ....................................................................11.1 研究目的與意義 .........................................................11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .........................................................11.2.1 國內(nèi)發(fā)展概況 ....................................................11.2.2 國外發(fā)展概況 ....................................................21.3 本輪文研究內(nèi)容 .........................................................31.4 論文的組織結(jié)構(gòu) .........................................................3第 2 章 自主適形越障機構(gòu)方案的確定 ...............................................5IV2.1 幾種常見的越障機構(gòu)分析 .................................................52.1.1 輪式越障機構(gòu) ....................................................52.1.2 履帶式越障機構(gòu) ..................................................62.1.3 腿式越障機構(gòu) ....................................................72.2 越障機構(gòu)的分析比較與選擇 ...............................................82.3 越障機構(gòu)的確定 .........................................................82.3.1 幾種常見障礙物的分析 ............................................82.3.2 機構(gòu)的確定 ......................................................92.4 本章小結(jié) ..............................................................10第 3 章 主動適形越障機器人的設(shè)計 ................................................113.1 越障機器人總體機構(gòu)的設(shè)計 ..............................................113.2 傳動機構(gòu)的設(shè)計 ........................................................123.3 主要零部件的選擇設(shè)計 ..................................................123.3.1 軸承的選用 .....................................................123.3.2 步進電機的選用 .................................................143.3.3 軸的設(shè)計 .......................................................153.3.4 軸承座的設(shè)計 ...................................................173.3.5 齒輪的設(shè)計選用 .................................................173.4 本章小結(jié) ..............................................................22第 4 章 主動適形越障機器人的設(shè)計驗證 ............................................234.1 齒輪的三維建模 ........................................................234.2 軸的三維建模 ..........................................................264.3 軸承座的三維建模 ......................................................27V4.4 固定套的三維建模 ......................................................284.5 車輪的三維建模 ........................................................294.6 主動適形越障機器人的尺寸裝配驗證 ......................................314.7 本章小結(jié) ..............................................................35第 5 章 總結(jié) ...................................................................36參考文獻 .......................................................................37致 謝 .........................................................................38附錄 外文翻譯 ..................................................................391第 1 章 緒論1.1 研究目的與意義世界各國都在發(fā)展搜索救援機器人、排爆機器人、反恐機器人等危險作業(yè)機器人，這些機器人都有一個重要的性能要求 ，那就是要滿足能夠規(guī)避各種環(huán)境中的障礙物，這也是越障機器人發(fā)展的一個熱門方向。我們國家疆域遼闊，同時地質(zhì)災(zāi)害也頻發(fā)，如礦難、地震、洪水、泥石流等，這些災(zāi)害發(fā)生后的搜救工作及其復(fù)雜，一般援助人員不能進入危險區(qū)域，只能通過清除廢棄物來搜救被困人員，如果區(qū)域內(nèi)有危險氣體，救援人員還不能進去搜救，而且救援人員的施救時間極其有限（僅有 48 小時），如果不能及時發(fā)現(xiàn)有生人員的信息，將會造成很大的生命財產(chǎn)損失，這對救援工作人員來說是一個極大的挑戰(zhàn)，這時候使用自主越障機器人來進行搜救，很好的解決了這一問題，大大提高了對被困人員的搜救效率，盡可能減少了對搜救人員的傷害。從此可以看出對主動適形越障機器人的研究有很重大的意義。本論文討論的越障機器人是一種能夠根據(jù)障礙物,主動適形越障的機器人，相比以往的越障機器人，最大的特點是能適從各種復(fù)雜的環(huán)境特征，不在是某種單一環(huán)境先下使用的機器人，大大提高了工作效率，解除了對某種環(huán)境的限制，可以在各種危險、空間狹小、環(huán)境惡劣等人類無法到達(dá)或不便到達(dá)的地方進行勘測和工作。主動適形越障機器人可以說是具有一定思維的智能機器人,對人類未來智能化的發(fā)展有著重大的影響，因此可以看出，對主動適形越障機器人的研究有著很重要的意義。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國內(nèi)發(fā)展概況國內(nèi)對越障機器人的研究起步較晚，因為我國的科技發(fā)展起步較遲，制造工藝和技術(shù)水平落后，制造的越障車很不理想，后來經(jīng)過 30 年的探索，我國越障車取得了很大的進展，逐步趕上了發(fā)達(dá)國家的水平。典型的為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研究2設(shè)計的仿地形越障機車，針對已有的越障車在丘陵山區(qū)作業(yè)時表現(xiàn)的地面適應(yīng)能力差，車輪極易打滑，附著力不足等問題，從而采用了底盤多自由度變形的方法，設(shè)計出具有 8 輪驅(qū)動全地形仿地形越障車，該越障車采用地面仿形原理，其底盤自由度為 5 個，在崎嶇地形作業(yè)時能夠根據(jù)地形變化而改變自身形態(tài)，實時適應(yīng)復(fù)雜的地形環(huán)境。該越障車能夠很好保證車輪與地面附著能力，改善了一般越障車地形適應(yīng)力、車輪易打滑等問題，很具有實用意義。由北京航空航天大學(xué)的一種可變車輪直徑的月球探測車,由裝在輪轂內(nèi)的電動機控制車輪收縮和張開,其車輪直徑變化大小為 200-390 mm[1]。月球探測車的車輪直徑可以依據(jù)所通過的路面狀況由車載系統(tǒng)控制張開或收縮,具有機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、越障能力優(yōu)越和地形適應(yīng)性強等特點。由北京航空航天大學(xué)大學(xué)研發(fā)的另外一種模塊化可重組履帶機構(gòu)，其目的在于解決履帶越障車的通用性、地形適應(yīng)性、便攜和微小化問題,得到一個幾者之間兼顧的最佳解決方案。模塊化履帶機構(gòu)的運動性較為穩(wěn)定其中三節(jié)穩(wěn)定性最好,而且比較靈活,越障能力也比較強,控制協(xié)調(diào)也較簡單,因此具有較強的實用性。目前，國內(nèi)對越障機器人的研究已經(jīng)有了很大成果，已經(jīng)能夠適應(yīng)各種地形，穩(wěn)定性越來越高，結(jié)構(gòu)也越來越科學(xué)合理。圖 1.1 8 輪驅(qū)動全地形越障車1.2.2 國外發(fā)展概況目前國外越障機器人技術(shù)的發(fā)展迅速并日趨成熟，并已進入實用階段，其中日本和美國較為突出。日本研制的一種蛇形機器人，能夠穿過狹小空間，能夠在地形復(fù)雜的廢墟上前行，其前部裝有一部采集攝像頭，身體各部分都裝有不同傳感器，其主要被用于地震和恐怖襲擊后的探測和救援工作。由日本東京電子信息大學(xué)研制的 HANZO 機器人，克服了傳統(tǒng)輪系越障高度不能高于其輪徑的致命缺點，其設(shè)計了自動變臂功能。該機器人采用無線控制，具有五種不同變臂方式，能夠很強的適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，其系統(tǒng)應(yīng)用 PID 調(diào)節(jié)，相比以往的越障機器人它有更3多的自由度和很強的越障能力。由日本研發(fā)的另外一種輪腿混合式越障機器人能夠?qū)崿F(xiàn)輪徑大小可變以增強其越障功能，克服了傳統(tǒng)輪腿模式的缺點，同時具有輪系和腿系兩種運動結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的工作環(huán)境，還可以在其結(jié)構(gòu)上安裝一些傳感器用于搜索和排爆。InuKtun 公司研發(fā)了了機器人MicroVGTV，其機身可變換形位，控制采用電纜，并裝有直視的彩色攝像頭、微型話筒和揚聲器等，它可以穿越地形復(fù)雜的廢墟向受困者發(fā)出雙路音頻，可用于與壓在廢墟中的幸存者溝通，其適用于在小的孔洞和空間中執(zhí)行任務(wù)?？梢钥闯鑫覈脑秸蠙C器人和發(fā)達(dá)國家相比還有相當(dāng)大的差距，國外的越障機器人有著很高的自由度和較強的環(huán)境適應(yīng)性，并且進入實用化階段。而我國的越障機器人自由度和穩(wěn)定性比較差，還沒有進入實用化階段，還在探索研究階段，這是由于我國科學(xué)技術(shù)起步晚，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國家，但總的來說我們的越障機器人發(fā)展還是很迅速的。我們堅信在科技創(chuàng)新的推動下，我國的越障機器人必將取得更大的進展。圖 1.2 輪退式越障機器人1.3 本輪文研究內(nèi)容本論文的主要內(nèi)容是研究設(shè)計一種主動適形越障機器人的機構(gòu)。主要任務(wù)是：1）查閱了解國內(nèi)外越障機器人發(fā)展的現(xiàn)狀；2）設(shè)計越障機器人越障機構(gòu)，設(shè)計選擇合理的零部件參數(shù)；3）用 Creo2.0 對設(shè)計的越障機構(gòu)和零部件參數(shù)三維建模驗證。41.4 論文的組織結(jié)構(gòu)本論文組織結(jié)構(gòu)如下：第 1 章，國內(nèi)外發(fā)展概況第 2 章，首先對 3 種越障機構(gòu)的簡單介紹，然后對他們進行比較分析，闡述這 3 種的優(yōu)缺點，最后確定自己的越障機構(gòu)設(shè)計方案。第 3 章，對主動適形越障機器人的總體設(shè)計，確定車體的大小尺寸。第 4 章，對主動適形越障機器人繪制三維圖并驗證方案的可行性。第 5 章，對論文進行總結(jié)和展望。5第 2 章 自主適形越障機構(gòu)方案的確定2.1 幾種常見的越障機構(gòu)分析2.1.1 輪式越障機構(gòu)輪式越障機構(gòu)其運行速度快，效率高，適用于平緩的地帶。其缺點是越障能力較差、地形適應(yīng)能力差、轉(zhuǎn)彎效率差、易打滑，不夠平穩(wěn)。到現(xiàn)在為止采用輪式越障的有單輪、雙輪、四輪、五輪、六輪等幾種形式的越障車 [2]。下面列舉了3 種比較典型的輪式越障機構(gòu)的越障車。在 2008 年北京國際車展上，成立了個特別展臺。該展臺展示了湖南大學(xué)自主研發(fā)的四輪三軸月球車，這款四輪月球車具有六輪系統(tǒng)的基本駕駛能力，并且在攀登、坡度、轉(zhuǎn)向和越障方面表現(xiàn)出色。四輪機構(gòu)設(shè)計的最大特點是，任何一個輪子懸空，其他三個車輪可以形成一個穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，月球車的四個輪子安裝在可以前后擺動的四個“腿”上 [3]。在一6般路面上，自適應(yīng)性好，四輪著地良好，運動快速穩(wěn)定。當(dāng)遇到障礙物如階梯或溝渠時，其可以調(diào)整姿態(tài)并將重心調(diào)整到其余三個中的任何一個，以實現(xiàn)重心向上，向下，向前，向后和向左移動以完成障礙越過。四輪月球車結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，能耗低，重量輕。日本國家宇航研究所開發(fā)了一種四輪驅(qū)動的微型典型五輪越野車，其中間輪用于支撐，它使用“五級輔助懸掛”旅行系統(tǒng)。 Micro5 障礙物機器人的整體重量約為 5kg，整體尺寸為 54x52x24cm，跨越障礙高度13cm，爬坡能力 40 度，步行速度 1.5cm / s。日本國家宇航研究所開發(fā)了一種四輪驅(qū)動的微型典型五輪越野車，其中間輪用于支撐，它使用“五級輔助懸掛”旅行系統(tǒng)。 Micro5 障礙物機器人的整體重量約為 5kg，整體尺寸為 54x52x24cm，跨越障礙高度 13cm，爬坡能力 40 度，步行速度 1.5cm / s。中國軍械工程學(xué)院研制的六輪驅(qū)動車輛障礙物具有十分重要的意義，其整體結(jié)構(gòu)包括前驅(qū)轉(zhuǎn)向機構(gòu)、前輪、后輪在組內(nèi)和車架上，前輪安裝在前輪轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，轉(zhuǎn)向機構(gòu)與車架前部固定連接，組中的后輪與車架連接。其優(yōu)點是：六輪驅(qū)動車輛障礙物，確保車輪行駛阻力大，效率高，不增加方向盤直徑和底盤高度，大大提高障礙物性能，特別是對于高垂直障礙物攀爬附著能力，后車輪在遇到障礙時可以適應(yīng)障礙，具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。圖 2.1 四輪三軸月球車 圖 2.2 五輪式越障車7圖 2.3 六輪式越障車2.1.2 履帶式越障機構(gòu)履帶式越障機構(gòu)因其一般比較沉重，行駛不易打滑，所以其在凹凸不平、松軟的地方行駛非常的穩(wěn)定，適應(yīng)環(huán)境能力較強，其越障能力也非常的好。但其重量大、能耗較高、速度相對較低。 由哈爾濱龍海特機器人科技有限公司研制的履帶式排爆機器人，履帶式底盤具備較強的越野能力和地形通過能力，其包括了越野環(huán)境戈壁、草地、坡道等場景及常見的樓梯、瓦礫堆，其低速穩(wěn)健行駛的行駛能力很突出，被用于公安武警部門偵查、排爆、礦業(yè)等領(lǐng)域救援、搬運、勘測等任務(wù)。圖 2.4 履帶式排爆機器人2.1.3 腿式越障機構(gòu)腿式越障機構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性強，能跨越較為復(fù)雜的障礙，有著較為強悍的越野8能力，因其有著良好的自由度，動作靈活，但其運行速度較為緩慢，而且控制起來非常的復(fù)雜。由美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)和美國航天航空局聯(lián)合研制了 DanteII，其高 4 米，重 660kg，速度 1.2m/min，步長 1.1m，最大可跨越障礙 1.2m，最大單步轉(zhuǎn)彎 12 度。其仿生的設(shè)計，用仿生運動的原理走路和越過障礙物。我國對腿式越障機構(gòu)也有許多研究，這里就不一一闡述。圖 2.5 腿式越障機器人2.2 越障機構(gòu)的分析比較與選擇2.1 已經(jīng)介紹了目前常用的三種越障機構(gòu)方式，下面進一步的分析和比較優(yōu)缺點 [4]。表 2.1 越障機構(gòu)分析越障方式 優(yōu)點 缺點輪式 速度快、效率高 越障能力差履帶式 地形適應(yīng)性較強、越障能力較強 速度較慢、重量大、功耗高9腿式 地形適應(yīng)性極強、越障能力強 速度低、效率低、控制復(fù)雜從以上表格中可以清楚的看到各個越障機構(gòu)的優(yōu)缺點，先分析一下對越障機器人的技術(shù)要求：（1）效率高、結(jié)構(gòu)簡單；（2）重量輕、功耗低；（3）越障能力好，環(huán)境適應(yīng)性胡搜。綜合考慮了各個越障機構(gòu)的特點以及對越障機器人的技術(shù)要求，決定采用履帶式越障機構(gòu)，原因有如下 2 點：（1）采用履帶式越障機構(gòu)，因為其有較強的越障能力和環(huán)境適應(yīng)性；（2）履帶式機構(gòu)結(jié)構(gòu)相對簡單，控制方便。并將其改進為主從復(fù)合履帶式機構(gòu)，前端為從動履帶，后端為驅(qū)動履帶，下面確定具體的越障機構(gòu)設(shè)計。2.3 越障機構(gòu)的確定2.3.1 幾種常見障礙物的分析1. 高臺階從日常生活中我們可以了解到臺階的高度一般在 5cm-10cm 左右，要想越過這些臺階，越障機器人的前端必須能夠夠到到臺階的頂端形成支點，再通過調(diào)整姿態(tài)從而跨越障礙，如圖 2.6 所示。圖 2.6 翻越臺階示意圖2.斜坡10斜坡的坡度一般從 ，要想翻越斜坡，越障機器人一個是要有足夠的動?30~5力，一個是履帶具有很好的附著力，這樣越障機器人才能翻越斜坡，如圖 2.7 所示。圖 2.7 翻越斜坡示意圖3.坑洼地帶越障機器人想要通過坑洼地帶必須有支點能跨越到坑洼的另一邊，如圖 2.8所示。圖 2.8 跨越坑洼地帶4.水平路面在水平路面行駛時，為了減少摩擦，將部分履帶收起，從而也減小了功耗，如圖 2.9 所示。11圖 2.9 水平路面行駛示意圖2.3.2 機構(gòu)的確定根據(jù) 2.3.1 的分析，初步確定了如圖 2.9 的設(shè)計方案，該越障機構(gòu)具有很好的越障能力，結(jié)構(gòu)也非常的簡單。其前從動履帶可以通過調(diào)角桿上下調(diào)整角度，為越障機器人提供越障的支點，后端驅(qū)動履帶作為驅(qū)動并且?guī)忧岸藦膭勇膸н\動。圖 2.9 越障機構(gòu)的設(shè)計2.4 本章小結(jié)本章對幾種常見越障機構(gòu)的分析和比較，，簡單明了的介紹了各個越障機構(gòu)的優(yōu)缺點，還分析了幾種常見的障礙物，最終確定了越障方案，選擇履帶主從復(fù)合式的越障方案，這種越障方式越障能力強，而且結(jié)構(gòu)簡單，很具有實用性，下12一步就應(yīng)該確定具體的機構(gòu)設(shè)計和參數(shù)計算。第 3 章 主動適形越障機器人的設(shè)計3.1 越障機器人總體機構(gòu)的設(shè)計結(jié)合第 2 章的分析，設(shè)計出了圖 3.1 的越障機器人總體方案，其采用帶傳動的方式。1 與 15 采用帶連接，6 與 7 采用帶連接，16 與 18 采用帶連接，8 與 9采用帶連接。16 和 15、7 和 8 是連在一起的，他們以軸承的形式連在軸上作從動，驅(qū)動輪為 1 和 6，驅(qū)動輪采用左右分開，這樣可以實現(xiàn)差動轉(zhuǎn)向。越障機器人通過調(diào)角桿來調(diào)整前從動履帶，從而形成支點跨越各個障礙。13備注：1.車輪 1 ， 2.軸 1， 3.電機 1， 4. 電機 2， 5.軸 2， 6.車輪 2， 7.車輪 5， 8.車輪6， 9.車輪 7， 10. 電機 3， 11.軸 3， 12.齒輪 2， 13.齒輪 1， 14.軸承座， 15.車輪 4， 16.車輪 3， 17.調(diào)角桿， 18.車輪 8；圖 3.1 總體結(jié)構(gòu)方案3.2 傳動機構(gòu)的設(shè)計系統(tǒng)傳動機構(gòu)是由步進電動機 1、2、3，傳動軸 1、2、3，齒輪 1、齒輪 2 構(gòu)成 [5]，參見圖 3.1。步進電機 1、2 作為驅(qū)動電機，分別與軸 1 和軸 2 相連，他們兩個保持同步，分別驅(qū)動車輪 1 與車輪 2 的轉(zhuǎn)動，從而帶動后端帶的轉(zhuǎn)動，因為車輪 3 和車輪4、車輪 5 和車輪 6 分別連在一起，他們以軸承形式安裝在軸上，從而也帶動了前端從履帶的轉(zhuǎn)動。步進電機 3 通過齒輪 1 驅(qū)動齒輪 2，從而調(diào)整調(diào)角桿的角度，從而形成支點，以適應(yīng)不同的障礙。143.3 主要零部件的選擇設(shè)計3.3.1 軸承的選用考慮到軸承不易制作，在實際中可以使用標(biāo)準(zhǔn)件用于越障機器人。軸承在選用時應(yīng)盡量選用摩擦系數(shù)小的，以減少對能量的損耗。由表格 3.1，可知深溝球軸承的摩擦系數(shù)適合，所以車輪均采用深溝球軸承。軸承的選用標(biāo)準(zhǔn)參考《簡明機械設(shè)計手冊》同濟大學(xué)出版社第 252 頁常用滾動軸承的基本尺與數(shù)據(jù) [6]，選用合適的深溝球軸承 C6201，最小直徑為 12mm，最大外徑為 32mm 厚度為10mm。表 3.1 摩擦系數(shù)表對軸承的校核 與計算如下：1) 計算各軸承所受徑向力圖 3-7 軸承的受力分析軸承類型 摩擦系數(shù)深溝球軸承 0.002角接觸球軸承 0.003調(diào)心球軸承 0.003圓柱滾子軸承 0.002圓錐滾子軸承 0.008調(diào)心滾子軸承 0.004推力球軸承 0.00315NFp725? NLavr 40142507211 ??????Fvrpvr 31512??NLtHr 2960421??Fr319??Hrvrr 519240211 ???Nrrr 483622??式中：——— 與軸承 1 的間距；1LrF———兩作用點之間的距離。22) 計算各軸承所受的軸向力NYFrd162.5921???，NFda6715201 ???Fda152?3) 軸承的校核針對接觸疲勞壽命和靜強度進行分析通常應(yīng)用于軸承校核，本文也從這兩個方面進行計算。由于工作過程中難免存在震動和沖擊，軸承的當(dāng)量動載荷計算式為：Fr??=??Yrd.4852?16其中：Fr、P 、f 分別表示的是軸承徑向載荷、軸承的當(dāng)量動載荷、動載荷系數(shù)， =1.0 的情況是在平穩(wěn)或小沖擊時取得。軸承的使用壽命計算：?? ???=10660??[????]3上式中：n、 、P、C 分別表示軸承轉(zhuǎn)速、軸承的壽命、軸承的當(dāng)量動載荷、???軸承的基本額定動載荷。分別帶入 和 ，計算得：1P2，小 時59.4871?hL小 時56.8972?hL查表 [12]得，在機械類型為：每日 8h 工作機械（利用率較高），所以， 和1hL都比正常時間高，故軸承全都滿足設(shè)計需要和安全要求。2h3.3.2 步進電機的選用越障機器人采用步進電機驅(qū)動，根據(jù)選擇的軸承，可以初步將車輪的尺寸確定，其尺寸為內(nèi)徑為 d=32mm，外徑為 D=50mm，寬度為 h=30mm，對整個越障機器人的質(zhì)量估算 [7]，有:公式 (3-1)???hd41vm2）（車 輪 ??D為車輪材料(硬質(zhì)塑料 pvc）的密度， ；? 33/108.mkg??帶入以上數(shù)據(jù)通過公式計算得： ，小車總共有 8 個輪子，則4車 輪。kg32.084.??總m越障機器人底座板設(shè)計為 240mm×200mm×10mm，軸承座可以看成是80mm×60mm×10mm，前車軸為底面圓半徑為 6mm，高為 320mm，后車軸底面圓半徑為 6mm，高為 150mm，這些部件都采用輕質(zhì)鋁合金， ，3705cm/g8.2?鋁?則這些部件總質(zhì)量為： 公式（3-m8?????后 車 軸前 車 軸軸 承 座底 座 板mM2）將以上數(shù)據(jù)帶入公式中可得， 。通過這些數(shù)據(jù)的計算，越障機器kg6.2?人總體的質(zhì)量估算為 ，接下來選取步進電機。通過查取車輪材料的摩擦kg41系數(shù)，其動摩擦系數(shù) u=0.4,則轉(zhuǎn)矩:17公式 (3-3)mNDumgTf ?????4.025.894.02該越障機器人采用左右后輪兩個電機分別驅(qū)動，則每個電機至少提供的扭矩為：公式 (3-4)mNTf ??2.04根據(jù)需要提供的最小扭矩，通過查機械設(shè)計手冊 [8]，選擇如下的表 3.2 的步進電機，這樣就有了足夠的驅(qū)動力。 表 3.2 步進電機參數(shù)電機型號 類型 電流 輸出力矩 重量 驅(qū)動器57BYG250B 兩相 3A 1.2N.M 0.65kg TB66003.3.3 軸的設(shè)計越障機器人的設(shè)計方案中包括三根軸，后車輪軸軸 1、軸 2、前軸 3，依據(jù)3.3.1 選用的軸承，這 3 根軸的最大直徑應(yīng)該為 12mm，材料都選用 45 鋼 [9]。因為越障機器人的這幾根軸承受的扭矩的較小，45 鋼的強度已經(jīng)完全夠用，不再對軸的強度進行校核。軸與車輪的裝配采用過盈配合，因為塑料 pvc 具有一定的塑性，裝配起來較為輕松，軸和軸承裝配為過盈配合，采用熱處理的方式。軸 1、軸 2 的尺寸見圖 3.3：圖 3.3 軸 1 設(shè)計18軸 3 的尺寸見圖 3.4：圖 3.4 軸 3 的設(shè)計對軸承校核如下，受力分析:計算齒輪傳動作用在軸上的壓軸力NFKep72405.1689???———有效圓周力，N；e———壓軸力系數(shù)，對于垂直傳動。Fp， ， P=60W ，05.1?pKNPe690??sm087.??對軸進行受力分析圖 3-2 軸垂直面受力19圖 3-3 軸水平面受力分析由前面可知， ，NFp724?e6901) 水平面支反力的計算， 0??BCHABeL42???HCF， NFC329?NCe361?2) 垂直面支反力的計算， 0??VCABpL0420724???VCF， NFVC345?NFVpB39?3) 矩計算軸的彎mLMVCAVI ??210456NFHHI ??398VBAV ?702mLHH???2036122211 98??VMNH ????1064750222220危險截面通常是承受扭矩的截面和最大轉(zhuǎn)矩的，因此必需對該截面進行校核。有的時候也對其他危險截面，如彎矩不是最大的但軸徑較小的截面，進行強度的校核。取 ； （實心圓軸）。7.0???MPadTMc 1314.0)627(2951.)(332 ?????因 45 鋼的 ，所以 A 處軸徑安全。Pa8][??3.3.4 軸承座的設(shè)計根據(jù)選的軸承和軸的設(shè)計，設(shè)計出了如圖 3.5 的軸承座，其厚度為 10mm，銷釘孔的直徑為 ，軸承和軸承座裝配為過盈配合，采用熱處理的方式。5?圖 3.5 軸承座3.3.5 齒輪的設(shè)計選用 根據(jù)設(shè)計需要，設(shè)計齒輪 1 與齒輪 2 的傳動比 i=2，選用直齒圓柱齒輪，材料為鍛鋼。當(dāng)齒輪傳遞動力時，模數(shù)需要大于等于 2，如果只是傳動的話，可以選擇較小的，所以根據(jù)《機械原理》第 202 頁標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)表（圖 3.3）確定齒輪 1、齒輪 2 的模數(shù)都為 2[10]。調(diào)角桿的齒輪轉(zhuǎn)動精度要求高，所以齒數(shù)越多越好，標(biāo)準(zhǔn)齒輪不發(fā)生根切的最少齒數(shù)為 17，所以我們選用齒輪 1 齒數(shù)為 20，齒輪 2 齒數(shù)為40。21齒輪 1 和齒輪 2 的總齒數(shù)為 60,壓力角采用標(biāo)準(zhǔn)值為 。o20??表 3.3 標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)系列表（GB/T 1357-2008)根據(jù)《機械原理》第 202-203 頁 [10]齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計可計算出齒輪 1、齒輪 2 的參數(shù)如下：國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1356-2001 中規(guī)定 ，)1(ha*齒 定 高 系 數(shù)?已知 m=2 ，則： （ 頂 隙 系 數(shù) ）0.25c*?齒輪 1： =20，直徑 =m =40mm； 公式（3-5）齒頂圓直徑 =44mm； 公式（3-mhzdaa)2+(=*16）齒根圓直徑 =35mm； 公式（3-czaf )(1???7）齒頂高 =2mm； 公式（3-mha*8）齒根高 =2.5mm； 公式（3-caf)+(=*9） 齒輪 2： =40，直徑 =m =80mm齒頂圓直徑 =82mm ；hzdaa)2(*??齒根圓直徑 =75mm；caf2??齒頂高 =2mm；ha*=齒根高 =2.5mmmcf)+(1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10第一系列 12 16 20 25 32 40 501.125 1.375 1.75 2.25 2.75 3.5 4.5 5.5 6.5 7 9第二系列 11 14 18 22 28 35 4522齒寬的確定：由公式 得： 公式（3-)10~5(?mb?10）齒輪 1 齒寬： =6×2=12mm)6(1m齒輪 2 與齒輪 1 的中心距 a=m(z1+z2)/2=60mm 公式（3-11）對于一般的嚙合齒輪，為了防止大小齒輪因裝配誤差產(chǎn)生軸向錯位時從而導(dǎo)致嚙合齒寬的減小而增大輪齒的載荷，在設(shè)計上應(yīng)該讓主動輪比從動輪齒寬大（3～5mm）。所以齒輪 2 的齒寬為 =10mm。2b選取完成后對其兩個齒輪校核，兩個齒輪的才材料都為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度 ；240?HB選取兩個齒輪的齒數(shù)： ，傳動比為 2；40,21?Z由齒面接觸疲勞強度設(shè)計，試計算：；3211 )(HEdtt ZuTk?????確定上式內(nèi)的各參數(shù)：選取載荷系數(shù) ；3.1?tk齒輪 1 傳遞的轉(zhuǎn)矩 mNnPT ????86.13426095/95011齒寬系數(shù)為 1，區(qū)域系數(shù) ZH= 2.5，由表 [10]10-6 查得使用該材料的彈性影響系數(shù)為 ZE=189.8MPa， ；??d由 [10]圖 10-25D 查得齒輪 1 的接觸疲勞極限 =600MPa，齒輪 2 的接觸疲1limH勞極限 =600MPa。2limH計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：= =1160NjLnh?)10382(4??82.23其中 、J 、 分別表示齒輪的轉(zhuǎn)速（單位為 r/min）、齒輪轉(zhuǎn)一周相同齒1nhL面嚙合過的次數(shù)、齒輪的工作壽命（單位為 h）。8120./??iN接觸疲勞壽命系數(shù) ， ；9.1HK95.2HN選取整個裝置的失效率是 1%，穩(wěn)定系數(shù) S=1，，MPasHN54069.0][1lim1 ????sKHN23.][2li2所以接觸疲勞許用應(yīng)力為：MPaH523][??齒輪 1 轉(zhuǎn)速的計算：齒輪 1 的轉(zhuǎn)速就是電機的轉(zhuǎn)動速度，機動門要求速率較低，在這里我們?nèi)‰姍C主軸的速度為 42r/min 。由上面分析可以得到分度圓的直徑32112. ???????????HEdtt ZuTkd?= 3253189104.. ??????=32.44計算圓周速度 V：106??ndt?24= 10642.3??=0.071m/s計算齒寬 b mdt 4.32.1????計算齒寬與齒高之比 ：h模數(shù) mzdmtt 62.104.31?ht 5.3.52.??89.634b計算載荷系數(shù)：由上面計算得 V = 0.071m/s ，7 級精度，由查 [11]圖 10-8 得： ；05.1?vk直齒輪，假設(shè) 。mNbKFA/10/?由 [11]表 10—3 查得 ；由表 [11]10-2 查得使用系數(shù) ；由表2.??Hk AK[11]10-4 運用插值求得 7 級精度、齒輪 1 選擇支承非對稱放置 ；415.??H，，由查表 [11]10-3 得到。21.4?hb415.??HK故載荷系數(shù) 按實際的載荷系數(shù)7829.145.20.1?????HVAK校正所算得的分度圓直徑，由式（10—10a）得 mkdt 35..178294.31??25計算模數(shù) ： m，這里取zd7.120341?2?m由式（10—5）得彎曲強度的設(shè)計公式為312????????FsdYzKTm??確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值：由 [11]圖 10—20c 查得齒輪 1 的彎曲疲勞強度極限 ；齒輪 2 的MPaFE501??；MPaFE3801??由 [11]圖 10—18 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) ，9.1FNK9.2FN計算彎曲疲勞許應(yīng)力：取彎曲疲勞安全系數(shù) S = 1.4，有式（10—12）得：??MPaKFENF 4.321.509121 ????SFENF 86.574.122計算載荷系數(shù) K701.352.10??????FVA查取齒形系數(shù)，由 [11]表 10—5 查得 ， ；41.2?FaY28.?FaY查取應(yīng)力校正系數(shù)，由 [12]表 10—5 查得 ， ；68.1?Sa 76.12?SaY26計算齒輪 1，齒輪 2 的 并加以比較][FSY??，??015.4.326812??FSaY?7.86.572?FSa由計算結(jié)果可以看出，齒輪 2 的數(shù)值較大。設(shè)計計算 65.1057.2946.01.37123 4????m通過校核結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，齒輪表面的接觸疲勞超過了齒根的彎曲強度的模數(shù)。因為承載能力決定了齒輪模數(shù)，而承載能力又被齒面接觸強度決定，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，因此可以取有齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)m=2，齒輪的設(shè)計參數(shù)可以滿足強度需求。3.4 本章小結(jié)本章主要介紹了越障機器人的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)和主要零部件的選用設(shè)計，通過查閱資料、參數(shù)計算和畫 CAD 圖設(shè)計，設(shè)計出主動適形越障機器人，下一步對已設(shè)計好的參數(shù)和零件進行驗證，通過繪圖驗證從而確定方案的可行性。27第 4 章 主動適形越障機器人的設(shè)計驗證當(dāng)越障機器人的主要部件尺寸參數(shù)確定后,開始用 SolidWorks2012 與 Creo2.0三維設(shè)計軟件對越障機器人主要零部件進行 1：1 三維建模驗證，驗證其尺寸合理性。當(dāng)零部件三維建模驗證完成后，對越障機器人進行裝配，再次驗證尺寸設(shè)計合理性。4.1 齒輪的三維建模SolidWorks2012 有著強大的標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計庫，在齒輪、軸承、螺釘、釘銷等標(biāo)準(zhǔn)件尺寸參數(shù)確定的情況下，利用 SolidWorks2012 的標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計庫可以很快的完成標(biāo)準(zhǔn)零件的建模，只用在相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件之間輸入尺寸參數(shù)，SolidWorks2012 就會生成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)零件 [11]。28首先啟動 SolidWorks2012 界面，單擊菜單選項【新建 】（見圖 4-1）圖 4-1 新建零件界面圖然后單擊【零件】，確定。再打開標(biāo)準(zhǔn)齒輪生成插件齒輪設(shè)計 GearTrax2012,參見圖 4-2。29圖 4-2 GearTrax2012 界面在節(jié)距數(shù)據(jù)中選取模數(shù)節(jié)距，模數(shù)選取為 2，大齒輪齒數(shù)中輸入 40，小齒輪齒數(shù)中輸入 20，齒面寬度中輸入 7mm，然后單擊創(chuàng)建，系統(tǒng)就會自動生成如下，見圖 4-3：圖 4.3 齒輪 2 的初步建立在單擊齒輪的一個面，單擊右鍵選擇【正視于】，再在功能菜單欄中選擇【草圖】，在齒輪面中心繪制一個直徑 12mm 的圓，用于軸承的配合孔。在該圓周圍繪制 3 個直徑 5mm 的圓，作為定位孔，如圖 4-4。30圖 4.4 齒輪 2 的三維建模通過相同的方式可以得到齒輪 1，如圖 4.5。31圖 4.5 齒輪 1 的建模4.2 軸 的三維建模Creo2.0 相對與 solidworks 在繪制簡單三維圖方面有著更簡潔的操作，所以越障機器人的三維建模我們使用 Creo2.0.所選用的前車軸（參見圖 4.6）、后車軸（參見圖 4.7）、參照設(shè)計的尺寸，分別進行【拉伸】建模，得到的建模圖形如下：4.6 前車軸32圖 4.7 后車軸4.3 軸承座的三維建模軸承座起到固定和支撐軸承的作用，確定了車輪尺寸、軸的長度及軸承標(biāo)準(zhǔn)之后，軸承座的尺寸高低對越障機器人的的運動不影響，為了方便越障機器人的三維建模設(shè)計，所以 9 個軸承基臺規(guī)格尺寸要一致，厚度為 10mm。軸承座的草圖如圖 4.8，然后對其拉伸，設(shè)置寬度為 10mm，然后再進行孔選項，最后得到了圖 4.9。334.8 軸承座草繪圖圖 4.9 軸承座的三維建模4.4 固定套的三維建模為了齒輪與軸、車輪與軸更好的固定連接，我們設(shè)計了如下的固定套，因為齒輪 1 和齒輪 2 的大小不同，其固定套的大小也不同。后車輪與軸也采用固定套的連接。我們以大齒輪和軸的連接為例，對其進行草繪（圖 4.10），然后添加中心線旋轉(zhuǎn)，完成后對其進行孔選項和陣列，完成后如圖 4.11。 34圖 4.10 固定套草圖圖 4.11 固定套的三維建模4.5 車輪的三維建模根據(jù)設(shè)計前車輪與后車輪是不一樣的，因此我們分開建立三維立體圖。我們先對前車輪進行三維建模，對其進行草繪（圖 4.12），然后對其旋轉(zhuǎn)，完成后在執(zhí)行草繪命令，選擇拉伸，最終得到圖 4.13。35圖 4.12 前車輪草繪圖圖 4.13 前車輪三維建模后車輪的三維建模跟上邊一樣，這里就不再講述，建模完成后如圖 4.14。36圖 4.14 后車輪的三維建模4.6 主動適形越障機器人的尺寸裝配驗證在 Creo2.0 的界面下，裝配具有很好操作性，具有操作簡單、易學(xué)、易用，方便靈活的特點。在完成約束下，能根據(jù)用戶的設(shè)計樣式進行裝配，完成越障機器人的三維建模 [12]。在建立了越障機器人的主要零部件模型后，開始進入裝配環(huán)節(jié)。打開Creo2.0 界面，單擊新建，類型選擇裝配（圖 4.15），按照由下到上，先左后右的原則裝配。裝配我們分部進行，主要分為齒輪 2 與前車軸的裝配、后車輪與后車軸的裝配、齒輪 1 與電機的裝配、軸承座與軸承的裝配，最后再與底座裝配，完成越障機器人的總裝配。37圖 4.15 裝配界面開始裝配，開始齒輪 2 與前車軸的裝配，選取齒輪 2 零件，然后選取固定套零件，選取這兩個的中心線，約束選為重合，選擇齒輪與固定套連接孔的中心線，約束選為重合，這時 6 個連接孔都能重合對齊，選取兩個相對面重合，再用銷釘連接，說明齒輪 2 與固定套連接孔的設(shè)計尺寸定位是正確的。選取軸零件的中心線與齒輪的孔中心線，約束為重合，再選取軸上連接孔的中心線與固定套連接孔中心線，約束選為重合，這時齒輪 2 與前車軸裝配到一起，說明前車軸與齒輪 2的裝配尺寸是正確的，用銷釘連接，如圖 4.16 所示。圖 4.16 前車軸與齒輪 2 的裝配38通過齒輪 2 與前車軸的裝配，說明了軸與齒輪的裝配尺寸設(shè)計是合理的。進行后車輪與后車軸的裝配，選擇車輪固定套與后車輪的中心線，約束選為重合，選擇固定套與車輪連接孔的中心線，約束為重合，這時 6 個孔能完全重合，說明后車輪與固定套的配合尺寸是合理的。選取后車軸與后車輪的中心線，約束為重合，選取定位孔的中心線重合，這時后車輪與后車軸完全配合，說明后車軸與后車輪的裝配尺寸設(shè)計是合理的，裝配完成后如圖 4.17 所示。圖 4.17 后車輪與后車軸的裝配通過后車輪與后車軸的裝配，說明了后車輪與后車軸的裝配尺寸設(shè)計是合理的。軸承座與軸承的裝配，先選取中心線進行重合約束，在進行面重合約束，說明軸承座的尺寸設(shè)計是合理的，能與標(biāo)準(zhǔn)的軸承完全配合，裝配完成后如圖4.18。39圖 4.18 軸承座與軸承的裝配通過軸承座與軸承的裝配說明了軸承座的尺寸設(shè)計是合理的。進行電機軸與齒輪 1 的裝配，選取齒輪 1 零件，然后選取固定套零件，選取這兩個的中心線，約束選為重合，選擇齒輪 1 與固定套連接孔的中心線，約束選為重合，這時 6 個連接孔都能重合對齊，選取兩個相對面重合，再用銷釘連接，說明齒輪 1 與固定套連接孔的設(shè)計尺寸定位是正確的。選取電機軸零件的中心線與齒輪 1 的孔中心線，約束為重合，再選取軸上連接孔的中心線與固定套連接孔中心線，約束選為重合，這時齒輪 1 與電機軸緊密裝配到一起，說明后車軸與齒輪 1 的裝配尺寸是正確的，用銷釘連接，裝配完成后如圖 4.19。圖 4.19 齒輪 1 與電機軸的裝配40通過對齒輪 1 與電機軸的裝配，說明電機軸和固定套的尺寸設(shè)計是合理的。從動輪與調(diào)角桿的裝配，選取調(diào)角桿的車軸中線與從動輪中心線，約束選為重合，再選取從動輪車輪面與調(diào)角板間距約束，這時從動輪與軸緊密裝配到一起，說明調(diào)角板的尺寸設(shè)計是合理的，裝配完成后如圖 4.20。圖 4.20 調(diào)角桿與從動履帶輪的裝配通過調(diào)角桿與車輪的裝配說明調(diào)角桿的尺寸設(shè)計是合理的。圖 4.21 前車輪與軸承的裝配主要分部件裝配好后，進行主動適形越障機器人的總裝配，現(xiàn)將底座與軸承41座裝配好，然后分別插入各組裝好的部件，完成總裝配，如圖 4.22。圖 4.22 主動適形越障機器人的三維模型圖通過對主動適形越障機器人三維建模，對其各零部件的裝配組合，其各零部件的三維模型可以按設(shè)計要尺寸裝配到一起，證明了其各零部件的設(shè)計尺寸參數(shù)是合理的，所以整個越障機器人的設(shè)計方案是可行的。4.7 本章小結(jié)本章通過對越障機器人各主要零部件的尺寸驗證，及總裝配的驗證，證明對越障機器人的設(shè)計方案和設(shè)計尺寸參數(shù)是可行的。42第 5 章 總結(jié)本論文通過查閱分析越障機器人的現(xiàn)階段的發(fā)展?fàn)顩r，對比國內(nèi)外越障機器人的發(fā)展情況，了解了越障機器人各個越障方案的優(yōu)缺點，總結(jié)對比了各個越障方案。從國內(nèi)外對越障機器人的發(fā)展力度可以看出，越障機器人對未來的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用?？偨Y(jié)本論文，本論文的主要研究內(nèi)容有：(1)系統(tǒng)地回顧了大學(xué)本專業(yè)所學(xué)的知識，結(jié)合自己所學(xué)的知識設(shè)計出了越障機器人，對以后的工作學(xué)習(xí)打下了基礎(chǔ)。(2)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了 Creo2.0 和 Solidwork 三維建模軟件的使用，為下一步的深入學(xué)習(xí)奠定了堅實的基礎(chǔ)?，F(xiàn)如今越許多障機器人已經(jīng)應(yīng)用到現(xiàn)實生活當(dāng)中，為人們帶來了極大的方便，但是越障機器人還有很多不足的地方等待改進。伴隨著國內(nèi)外對越障機器人的進一步設(shè)計優(yōu)化改進，相信越障機器人會有更進一步的發(fā)展。43參考文獻[1] 鄧宗全，高海波，王少純.行星輪式月球車的越障能力分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2004,30(3):197-201.[2] 陳世榮,汪義平.輪式機器人越臺階控制與仿真[J].機械設(shè)計，2007,24(1):13-15.[3] 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