圖書分類號：密 級：畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )雙擺臂履帶式搜索機器人行走機構(gòu)的設(shè)計The Design Of Walking Mechanism Of The Double Pendulum Arm Crawler Search Robot 學(xué) 生 姓 名班 級學(xué) 院 名 稱專 業(yè) 名 稱指 導(dǎo) 教 師年 5 月 22 日學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明： 所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用或參考的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標注。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。論文作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)協(xié)議書本人完全了解關(guān)于收集、保存、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：本校學(xué)生在學(xué)習(xí)期間所完成的學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸所擁有。有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學(xué)位論文的紙本復(fù)印件和電子文檔拷貝，允許論文被查閱和借閱。可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容提交至各類數(shù)據(jù)庫進行發(fā)布和檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘要災(zāi)難應(yīng)急搜索和救援機器人（Search And Rescue Robot）是自然災(zāi)害、事故等突發(fā)事件發(fā)生時，進入現(xiàn)場執(zhí)行搜救探測任務(wù)的機器人。這種機器人可以遠程操控或采用自主的方式深入到復(fù)雜、危險、不確定的災(zāi)害現(xiàn)場，探測未知環(huán)境信息，搜索和營救被困者。搜救機器人是機器人技術(shù)向?qū)嵱没l(fā)展的一個重要分支和新的研究領(lǐng)域，具有重要的社會價值。本論文的目的是設(shè)計結(jié)構(gòu)新穎、具有獨創(chuàng)性的可攜帶、抗一定沖擊的履帶移動機器人，以適應(yīng)在惡劣環(huán)境和復(fù)雜路況下工作。通過在傳動系統(tǒng)上加載各種感知系統(tǒng)，以此實現(xiàn)搜救機器人不同的使用功能，本研究意義在于為設(shè)計的搜救機器人提供一個基礎(chǔ)的傳動機構(gòu)，以便于開發(fā)出更多使用功能的搜救機器人。本研究所設(shè)計的搜救機器人移動方案是履帶式驅(qū)動結(jié)構(gòu)。搜救機器人的運動平臺應(yīng)盡可能適應(yīng)多種復(fù)雜的井下地形條件，如廢墟、泥地、沙地、臺階、陡坡、壕溝等，即具有較強的地形適應(yīng)能力；除此之外，還要具有一定的運動速度和良好的運動學(xué)穩(wěn)定性，盡可能減少傾覆或翻滾的可能。設(shè)計的機器人移動機構(gòu)主要由四部分組成：主動輪減速驅(qū)動機構(gòu)、擺臂減速轉(zhuǎn)動機構(gòu)、自適應(yīng)路面執(zhí)行機構(gòu)、履帶及履帶輪運動機構(gòu)。本論文對上述各部分方案分別進行論證、結(jié)構(gòu)設(shè)計計算.關(guān)鍵詞 搜救機器人； 傳動系統(tǒng)； 履帶式AbstractDisaster emergency Search And Rescue Robot (the Search And Rescue Robot) is a natural disasters, accidents And other emergencies occur, instead of Search And Rescue personnel to enter the scene Search And Rescue mission to the mobile Robot. This kind of robot can be remotely operated or adopt the way of independent into complex, danger, uncertainty at the scene of the disaster, detecting unknown environmental information, search and rescue trapped persons. Search and rescue robot is an important branch of robot technology in practical development and the new research field, has important social value. The purpose of this thesis research work is to design new structure, ingenious portable, impact resistance to certain of the tracked mobile robot, in order to adapt to work under bad environment and complex road conditions. By loading it on mobile system perception system, to implement the search and rescue robot different use function, and significance of this study is to search and rescue robot provides a foundation to the design of the transmission mechanism, so that to develop more function of search and rescue robot. This design institute of search and rescue robot moving plan is crawler drive structure. Search and rescue robot motion platform should as far as possible to adapt to a variety of complex downhole terrain conditions, such as debris, mud, sand, steps, steep slope, trenches, etc., which has strong adaptability to terrain; In addition, will also have a certain velocity and good kinematic stability, minimize capsized or roll. Design of robot mobile mechanism is mainly composed of four parts: the driving wheel deceleration driving mechanism, wing rotating mechanism, adaptive road, track and track wheel actuator motion mechanism. This paper on the package the parts for argumentation, structural design, calculation.Keywords Search and rescue robot The transmission system caterpillar 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )I目 錄摘要 IAbstract .II1 緒論 .11.1 課題研究背景及意義 .11.1.1 課題研究背景 .11.1.2 課題研究意義 .11.2 國內(nèi)外的研究概況 .21.2.1 國外研究概況 .21.2.2 國內(nèi)研究概況 .32 機器人總體結(jié)構(gòu)及運動參數(shù)設(shè)計 .42.1 機器人移動機構(gòu)分析 42.2 機器人移動機構(gòu)性能比較 52.3 論文采用的行走機構(gòu) 52.4 機器人性能指標與設(shè)計 62.5 機器人運動分析 72.5.1 機器人跨越臺階 72.5.2 機器人跨越溝槽 82.5.3 機器人斜坡運動分析 83 電動機的選擇 103.1 基于平地的最大速度的電機功率計算 103.2 爬坡最大坡度的驅(qū)動電機功率計算 114 減速器設(shè)計 .124.1 一級圓柱齒輪減速器的計算 .124.1.1 齒輪材料和熱處理的選擇 .124.1.2 齒輪幾何尺寸的設(shè)計計算 .124.1.3 齒輪彎曲強度校核 144.1.4 齒輪幾何尺寸的確定 144.1.5 軸的材料和熱處理的選擇 154.1.6 軸幾何尺寸的設(shè)計計算 154.1.7 圓柱齒輪減速器三維圖 174.2 蝸桿減速器的計算 184.2.1 蝸桿的型號和材料 .184.2.2 按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計 .184.2.3 蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 .20畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )II4.2.4 蝸桿軸的設(shè)計 214.2.5 蝸輪軸的設(shè)計 265 移動機構(gòu)履帶及翼板部分設(shè)計 275.1 履帶的選擇 275.1.1 確定帶的型號和節(jié)距 .285.1.2 確定主從動輪直徑 295.1.3 確定節(jié)線長度和帶寬 295.2 翼板部分設(shè)計 .306 機器人擺臂的設(shè)計 .317 機器人感知系統(tǒng) .32結(jié)論 .33致謝 .34參考文獻 .35附錄 .36附錄 1 .36附錄 2 .37畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )11 緒論1.1 課題研究背景及意義1.1.1 課題研究背景20 世紀 80 年代 開始出現(xiàn)對應(yīng)急災(zāi)難搜索和救援機器人的研究。在經(jīng)過 1995 年的美國俄克拉荷馬州爆炸案以及日本神戶大地震，搜救機器人逐漸被作為機器人學(xué)的人道主義應(yīng)用研究被重視起來.我國是世界上災(zāi)害、事故發(fā)生次數(shù)最多的國家之一，地震、火災(zāi)、塌方、以及各類人為事故，給人民生命財產(chǎn)安全造成極大的危害。災(zāi)害發(fā)生后，如何及時有效的發(fā)現(xiàn)被困幸存者并實施快速的救援是災(zāi)后應(yīng)急救援的頭等大事。當災(zāi)難或事故發(fā)生后，現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜惡劣，充滿未知和不確定性的因素，嚴重威脅搜救人員的生命安全，給搜救工作的部署和實施帶來嚴峻考驗。一般而言在災(zāi)難發(fā)生后的 48 小時是實施營救的最佳時間，一旦超過 48 小時被困者生還的可能性就變得很小。所以搜救機器人的研究具有重要的實用價值和社會意義，近年來受到了美、日、澳、中等國家的高度重視1.1.2 課題研究意義搜救機器人第一次大規(guī)模參與到現(xiàn)場救援的應(yīng)用案例發(fā)生在美國911事件后，當時有Talon、Solem、PACKBOT、VGTV、MicroTracs、SPAWARUrbot等六種軍方和研究所的機器人參與了救援工作，如圖1所示。在這次救援任務(wù)中，機器人系統(tǒng)的主要任務(wù)包括:在廢墟中搜索可能有幸存者的空間，并監(jiān)控現(xiàn)場的結(jié)構(gòu)變化，防止發(fā)生倒塌危及現(xiàn)場救援人員。搜救工作主要分為兩個階段，在第一階段的的工作中,機器人并不是過度深入廢墟現(xiàn)場,而是在人不便于接近的地方起到輔助作用。第二階段的工作重點是清理現(xiàn)場建筑殘骸,并為分析世貿(mào)中心塔樓倒塌的原因提供依據(jù)。在這一階段中，隨著操作人員熟練程度的增加以及現(xiàn)場積累的經(jīng)驗，機器人系統(tǒng)的優(yōu)越性逐漸表現(xiàn)出來。機器人通過深入現(xiàn)場近距離偵察、攝像,從而確定殘存墻體的穩(wěn)定性和發(fā)生倒塌的可能性；同時，機器人通過自身攜帶的不同類型探測器,測量一氧化碳、硫化氫、揮發(fā)性有機物的濃度和現(xiàn)場溫度,形成現(xiàn)場環(huán)境危險情況的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過十幾名不同專業(yè)、不同領(lǐng)域的專家進行現(xiàn)場分析，并研究、指導(dǎo)現(xiàn)場的救援工作,大大加快了工作進度,并保證了人員的安全,體現(xiàn)了明顯的優(yōu)勢。同時，在此次救援過程中也發(fā)現(xiàn)了機器人系統(tǒng)的一些問題，如防水能力、耐熱能力、防震及其他抗惡劣環(huán)境能力的不足，以及機器人自身狀態(tài)感知及環(huán)境描述方法的不足?？傊?，這次救援任務(wù)是人類歷史上由救援機器人參與的規(guī)模最大、也是較為成功的一次救援，在這次救援過程中，工程技術(shù)人員和現(xiàn)場專家積累了大量的機器人系統(tǒng)進行災(zāi)難救援工作的寶貴經(jīng)驗，對今后搜救機器人的研究來說是一筆巨大的財富。畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )2圖1-1 參與911救援的機器人1.2 國內(nèi)外的研究概況1.2.1 國外研究概況目前，在救災(zāi)機器人研究方面，美國走在了世界的前列，美國在微小型機器人研制方面投入了大量的人力和物力，特別是新型、高機動、高可靠性移動載體研究方面。如美國移動機器人(TMR)計劃中的便攜式機器人系統(tǒng)(MPRS)．此類機器人被大量應(yīng)用與于城市戰(zhàn)斗和搜救任務(wù)。如美國智能系統(tǒng)和機器人中心開發(fā)的RATLER礦井探索機器人主要用于偵查災(zāi)難后的現(xiàn)場，電傳遙控方式作為主動控制方式，車上帶有紅外攝像機、無線射頻信號收發(fā)器、陀螺儀和危險氣體傳感器等各類裝備。無線遙控距離約76 米。美國南佛羅里達大學(xué)研制的Simbot礦井搜索機器人,小巧靈活，車位上帶有數(shù)字化低照度攝像機及基本氣體監(jiān)視組件，可以通過一個人為鉆出的小洞鉆進礦井，跨過碎石與爛泥地段，并通過車上攜帶的傳感器來發(fā)現(xiàn)受害礦工，探測氣體類如氧氣與甲烷氣體的含量，并生成清晰可見的礦井地圖。畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )31.2.2 國內(nèi)研究概況我國的搜救機器人雖然研究起步較晚，但是最近幾年有了較快的發(fā)展，受到越來越多研究機構(gòu)的關(guān)注。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)、沈陽自動化研究所、廣東衛(wèi)富公司等都研制了各自的搜救機器人系統(tǒng)，中國礦業(yè)大學(xué)與清華大學(xué)等幾家機構(gòu)同時也研制了用于煤礦井下救援的移動機器人。2006年6月22日，由中國礦大可靠性與救災(zāi)機器人研究所研制的國內(nèi)首臺煤礦搜救機器人(樣機)在徐州誕生。這臺煤礦搜救機器人行走控制方式是靠自主避障和遙控引導(dǎo)相結(jié)合，能在煤礦災(zāi)害出現(xiàn)后深入事故現(xiàn)場，探測明火的溫度、瓦斯的濃度、收集災(zāi)害場景狀況、呼救聲訊等信息，并實時傳回采集到的信息和圖像，為救災(zāi)指揮人員提供重要的災(zāi)害信息。同時，機器人還能攜帶急救藥品、生命維持液、食品和千斤頂、撬棍等自救工具，在關(guān)鍵時刻協(xié)助被困人員實施自救。在2010年4月2日王家?guī)X透水事故發(fā)生的過程中，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制的水下機器人被帶到現(xiàn)場，試圖參與透水現(xiàn)場的總體探測任務(wù)，雖然最終沒有采用，但也是一次有益的嘗試，為透水事故探測救援積累了寶貴的經(jīng)驗。畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )42 機器人總體結(jié)構(gòu)及運動參數(shù)設(shè)計2.1 機器人移動機構(gòu)分析運動機構(gòu)作為移動機器人的移動載體，直接影響到機器人的通過性和地形適應(yīng)能力。搜救機器人的運動平臺應(yīng)盡可能適應(yīng)多種復(fù)雜的地形條件，如廢墟、泥地、沙地、臺階、陡坡、壕溝等；除此之外，機器人還要具有一定的運動速度和良好的穩(wěn)定性，最大化減少傾覆或翻滾的可能。目前的搜救機器人運動機構(gòu)種類較多，如輪式、履帶式、蛇形移動機構(gòu)等，不同的運動平臺決定了各自的運動能力。輪式機器人速度快、效率高，但越障能力較差，復(fù)雜地形適應(yīng)能力有限；履帶式越障能力強，但速度較慢、運動效率較低；蛇形機器人可以鉆進狹小的空間，利用頭部安裝的攝像頭傳回圖像信息，但也存在速度慢、機構(gòu)復(fù)雜等缺點；足式機器人，如四足、六足等具有適應(yīng)地形能力強的特點,能越過大的壕溝和臺階,但目前大部分足式機構(gòu)存在速度慢、效率較低的特點;輪腿復(fù)合式機器人具有履帶機器人的地形適應(yīng)能力和輪式機器人的運動速度，但也存在結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜體積較為龐大等缺點;此外受到自然界生物的啟發(fā)，各種特殊的仿生機構(gòu)機器人也展現(xiàn)了美好的前景。綜合各種復(fù)雜的地形環(huán)境和事故發(fā)生后可能存在的實際情況，采用具有較強地形適應(yīng)能力的帶輔助臂的復(fù)合履帶方式是一種相對理想的運動機構(gòu)，該方式在具有較強地形適應(yīng)能力，可以保持較小的體積，能夠穿過相對狹窄的空間。除了上述需要考慮的因素之外，運動平臺的設(shè)計必須可靠，以應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境。比如搜救機器人設(shè)計時必須重點考慮考慮現(xiàn)在的爆炸，積水，高溫等情況。而且履帶機器人發(fā)生履帶出軌脫落也將導(dǎo)致機器人寸步難行，這也是一大難題。除了靈活的運動能力和可靠性設(shè)計外，搜救機器人還應(yīng)考慮便攜性。為了應(yīng)對突發(fā)的礦難事故，提高搜救效率，搜救機器人應(yīng)該具有較強的機動能力，須在第一時間投放現(xiàn)場。并具有快速轉(zhuǎn)移能力，可攜帶性較高，在搜索完一個目標地點，能盡快到下一搜救地點。最后機器人體積不能過于龐大，更高的能耗和較差的平臺通過能力會給運輸過程和救援工作帶來困難。畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )52.2 機器人移動機構(gòu)性能比較表 2.1 機器人移動機構(gòu)性能比較2.3 行走機構(gòu)的設(shè)計本文的履帶機器人移動系統(tǒng)采用的是履、輪復(fù)合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)最大優(yōu)點在于在傳統(tǒng)履帶移動機構(gòu)的基礎(chǔ)上增加了可轉(zhuǎn)動得擺臂機構(gòu)，機器人的越障、爬坡性能以及環(huán)境適應(yīng)能力得到了較大的提升。機器人能根據(jù)地形條件的復(fù)雜程度，通過主動調(diào)節(jié)兩側(cè)履帶與車身約束關(guān)系來選擇自適應(yīng)環(huán)境或者是主動適應(yīng)環(huán)境。自適應(yīng)環(huán)境可以提高機器人運動穩(wěn)定性能、平順性能；主動適應(yīng)環(huán)境可以提高機器人通過性能，機器人設(shè)計方案如下圖2所示。圖2-1 便攜式履帶機器人結(jié)構(gòu)組成1.后輪驅(qū)動電機及組件 2.擺臂電機及組件 3.主履帶 4.擺臂履帶 5.齒輪移動方式輪式 履帶式 腿式移動速度快 較快 慢越障能力差 一般 好復(fù)雜程度簡單 一般 復(fù)雜能耗量 小 較小 大控制難易 易 一般 復(fù)雜畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )62.4 機器人性能指標與設(shè)計在地面移動機器人家族中，履帶機器人具有很強的地形適應(yīng)性，能夠適應(yīng)惡劣的路面條件，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但普通的履帶移動移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，運動慣性大，減震性能差，零件易損壞。為克服普通履帶式移動機構(gòu)的缺點，給煤礦井下搜救機器人履帶式移動機構(gòu)加裝前擺。機器人加裝前擺臂的優(yōu)點：機器人重心將前移，實現(xiàn)機器人爬坡和越障的功能，穩(wěn)定性將更好；實現(xiàn)機器人傾翻后自復(fù)位.總體設(shè)計方案如圖 2.2 所示。采用后輪驅(qū)動，差速轉(zhuǎn)向，可實現(xiàn)原地 360°轉(zhuǎn)向。擺臂電動機驅(qū)動擺臂可在 360°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，提高機器人跨越溝槽和爬越臺階的越障的能力和翻轉(zhuǎn)后自復(fù)位的功能。搜救機器人性能參數(shù)如下： L1=600mm,L2=350mm,R=80mm,r=40mm,B(車體寬度)=500mm，車體高 300mm。車體質(zhì)量為 50kg,擺臂質(zhì)量不超過 5kg,機器人做直線運動最大速度等于 1m/s,自備電源運行時間大于等于 4 小時。最大越障高度 H=300mm，跨越最大溝壑寬度 C=500mm。如圖 3：圖 2-2 機器人設(shè)計草圖2.5 機器人運動分析2.5.1 機器人跨越臺階（1）越障機理分析當機器人在爬越臺階時，機器人履帶底線與地面之間的夾角將隨時間而逐漸增加，其重心越過臺階的支撐點時，機器人就跨過了臺階完成爬越動作。（2）越障過程分析搜救機器人爬越臺階的過程如圖 4 所示，機器人借助擺臂的初始擺角，在履帶機構(gòu)畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )7的驅(qū)使下，使其主履帶前端搭靠在臺階的支撐點上，機器人繼續(xù)移動，驅(qū)動擺臂逆時針擺動，當機器人重心越過臺階邊緣時，旋轉(zhuǎn)擺臂關(guān)節(jié)，機器人在自身重力影響下，車體下移，機器人成功地爬越臺階。圖 2-3 機器人爬越臺階過程由運動過程可以看出，機器人在越障第三階段圖 2-3（C）重心的位置處于臨界狀態(tài)，機器人重心只有越過臺階邊緣，機器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機器人的最大越障高度。圖 2-4 機器人上臺階臨界狀態(tài)示意圖由圖 2.4 所示幾何關(guān)系可得：式（2.1）cos()cot/sinxLhR?????變換式（1）可得： 式（2.2） in/式（2.3） 20d??利用式（2.3）求出 ，代入式（2.2）可算出機器人跨越障礙的最大高度 Hmax 為600mm。2.5.2 機器人跨越溝槽（1）越障機理分析畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )8對于小于機器人前后履帶輪中心距地溝槽，因機器人重心在機器人車體內(nèi)，當機器人重心越過下一個溝槽的支撐點時，機器人就越過溝槽完成了整個跨越動作。也可能由于重心未過去，翻倒在溝槽內(nèi)。當溝槽大于中心距時，履帶式機器人的運動可以看做是爬越凸臺障礙。（2）越障分析履帶式移動機器人跨越溝槽時，機器人重心不斷向前移動，當重心越過溝槽邊緣時，受重力作用，機器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運動不穩(wěn)定。由機器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機器人重心在以 r 為半徑的圓內(nèi)，由于擺臂展開后機器人履帶與地接觸長度變大，為了計算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應(yīng)處于展開狀態(tài)。圖 2-5 跨越溝槽示意圖機器人在平地圖 2-5（a）跨越溝槽的寬度 ： 式（2.4）1Lmax1r??在角度為 的斜坡圖 2-5(b)上跨越溝槽的寬度?： 式（2.5）1ax1tnh??2.5.3 機器人斜坡運動分析機 器 人 在 斜 坡 上 運 動 時 ， 起 受 力 情 況 如 圖 7 所 示 ， 機 器 人 勻 速 行 駛 或 靜 止 時 ，其 驅(qū) 動 力 ： 式（2.6）sinFG??圖 2-6 機器人上坡受力示意圖最大靜摩擦力系數(shù)為 ，最大靜摩擦力為： 式（2.7）?maxcosFG???當 時，機器人能平穩(wěn)行駛。maxF?當 時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。?已知煤礦井下機器人在井下地面最大靜摩擦系數(shù) ，則機器人爬越的最大坡度為: 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )9式（2.8）1maxtn()????爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為：式（2.9）max(cosin)g???通過上述分析，可以根據(jù)機器人履帶與運動面的摩擦系數(shù)來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機的特性，確定其運動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )103 電動機的選擇3.1 基于平地的最大速度的電機功率計算假設(shè)機器人以最大速度 勻速前進，輪子作瞬時純滾動，前進時不考慮空氣阻力sm1的影響。如下圖所示：圖 3-1 平地直線運動受力圖根據(jù)理論力學(xué)平面交匯力系平衡條件和合力矩定理：式（3.1）??0F式（3.2）??1IniOM則，移動機器人平地直線運動的平衡方程為：式（3.3）?? 0,0, 3122 ??????mgLNfRFmgNYfXLRO則， 式（3.4）fLR5.31??可以得出，機器人兩側(cè)電機經(jīng)減速器后在最大速度下需要提供的極限扭矩為11.76Nm。在最大的行駛速度下，驅(qū)動電機經(jīng)過減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為： min43.19maxrDvn???3.2 爬坡最大坡度的驅(qū)動電機功率計算相對于平地行駛過程，爬坡能力對于機器人的驅(qū)動能力是一個重要的衡量標準，所以在進行驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計時，爬坡指標的計算也應(yīng)作為選擇電機的必須依據(jù)。假設(shè)移動機器人在最大指標上勻速行駛，速度為 0.1 。在行駛過程中輪子作純滾sm動，不考慮空氣阻力的影響。機器人爬坡受力情況如圖：畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )11圖 3-2 機器人爬坡受力圖爬坡的平衡方程為：?? 03cos,003cosin, 1221 ????????mgLNfRMFmgNYfXLRL解之得：M =43.12Nm,可以得出機器人兩側(cè)電機經(jīng)減速器減速后在最大坡度下爬坡需L要提供的極限扭矩為 21.56Nm.在 0.1 的速度爬坡時，驅(qū)動電機經(jīng)過減速器后所需提供的轉(zhuǎn)速為：smn= =11.94?Dvinr由以上分析可知，機器人平地直線運動時要求的驅(qū)動電機輸出轉(zhuǎn)速較大，而爬坡時的要求的驅(qū)動電機輸出扭矩較大。因此在選電機型時，應(yīng)根據(jù)平地直線運動要求轉(zhuǎn)速和爬坡要求扭矩進行選擇。根據(jù)最大爬坡要求，初步確定驅(qū)動電機經(jīng)減速器后的功率為： =53.8W則所需電機的輸出功率為： =88.19W?outinP?則可選擇如下表 3.1 電機：表 3-1 電動機性能參數(shù) 產(chǎn)品型號 電壓 額定電流 空載轉(zhuǎn)速 輸出功率 效率越速 1016 24V 6.5A 3000r/min 250W 80%30nMKPL??畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )124 減速器設(shè)計 移動減速傳動機構(gòu)是完成機器人前進、后退、轉(zhuǎn)向等各種運動的關(guān)鍵部件，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換，將動力機的轉(zhuǎn)速減低到所需的轉(zhuǎn)速，同時扭矩達增大到所需的扭矩。本機構(gòu)采用二級減速器，電動機通過減速器的實現(xiàn)減速、增大轉(zhuǎn)矩。電動機安裝在減速器前端，通過錐齒輪改變軸的方向，輸出履帶驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩，為復(fù)雜狀況下救災(zāi)機器人提供主要動力。4.1 一級圓柱齒輪減速器的計算4.1.1 齒輪材料和熱處理的選擇小齒輪選用 45 號鋼，調(diào)質(zhì)處理，HB＝236大齒輪選用 45 號鋼，正火處理，HB＝1904.1.2 齒輪幾何尺寸的設(shè)計計算1.按照接觸強度初步設(shè)計齒輪主要尺寸由《機械零件設(shè)計手冊》查得,SHlim = 1aHaHMPP530,5802lim1lim????,2lim?FFF S2.489.17/.4/1n?由《機械零件設(shè)計手冊》查得 ZN1 = ZN2 = 1 YN1 = YN2 = 1.1由 （1） 小齒輪的轉(zhuǎn)矩 IT)(42.3791.97/.50/95011 mNnPT ????（2） 選載荷系數(shù) K查《機械原理與機械零件》教材中表得，取 K＝1.1（3） 計算尺數(shù)比 ???aHNPS50lim1 ????aM31li22??aFNPSY24.5lim11 ????a0.li22畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )13=4.025?（4） 選擇齒寬系數(shù) d?根據(jù)齒輪為軟齒輪在兩軸承間為對稱布置。查《機械原理與機械零件》教材中表得，取 ＝1d計算小齒輪分度圓直徑 1≥ 766 766=761duKTHdI23][)(???1= 44.714( mm)（5）確定齒輪模數(shù) mm =(0.007～0.02)a = (0.007～0.02)×185.871取 m=2（6）確定齒輪的齒數(shù) 和1Z2z取 Z 1 = 25取 Z 2 = 1006.924.052????（7）實際齒數(shù)比 '齒數(shù)比相對誤差 Δ /[ ]=2.19/204=0.01071YF2FY?計算大齒輪齒根彎曲應(yīng)力為??1)(952.40FMPa???齒輪的彎曲強度足夠4.1.4 齒輪幾何尺寸的確定齒頂圓直徑 由《機械零件設(shè)計手冊》得 h *a =1 c* = 0.25ad齒距 P = 2×3.14=6.28(mm)齒根高 ??)(5.2mcaf ???齒頂高 1ha?齒根圓直徑 fd??smndv /189.1063.478.3106?????)(54)14(211Zaa ???????9629622 ma ??366.741.02211 ??ZmBYKT畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )154.1.5 軸的材料和熱處理的選擇由《機械零件設(shè)計手冊》中的圖表查得選 45 號鋼，調(diào)質(zhì)處理，HB217～255=650MPa =360MPa =280MPab?s?1??4.1.6 軸幾何尺寸的設(shè)計計算1. 按照扭轉(zhuǎn)強度初步設(shè)計軸的最小直徑從動軸 =c =115 =29.352d23nP587.193考慮鍵槽 =29.35×1.05=30.822選取標準直徑 =32d??m2.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)軸上零件的定位、裝拆方便的需要，同時考慮到強度的原則，主動軸和從動軸均設(shè)計為階梯軸。3.軸的強度校核從動軸的強度校核圓周力 = =2000×158.872/192=1654.92tF20dT徑向力 = tan=1654.92×tan20°=602.34rt由于為直齒輪，軸向力 =0aFL=110mm= =0.5 =0.5×1654.92=827.46HARBt )(N=0.5 L=827.46×110×0.5/1000=51.72CMm?= =0.5 =0.5×602.34 =301.17VrF?=0.5 L=501.17×110×0.5/1000=36.4A )(轉(zhuǎn)矩 T=158.872 )(mN?)(1875.21922 mhdff ????43481ff畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )16校核= = =55.04CM22VCH?228.17.5?)(mN?= = =118.42e??aTM??2287.156.04.5??)(mN?由圖表查得， =55MPa??b1??d≥10 =10 =29.21(mm)be13.0?5*.04283考慮鍵槽 d=29.21mm 45mmL=110mm= =0.5 =0.5×1654.92=827.46HARBtF)(N=0.5 L=827.46×110×0.5/1000=51.72CMm?= =0.5 =0.5×602.34 =301.17Vr ?=0.5 L=501.17×110×0.5/1000=36.4A )(轉(zhuǎn)矩 T=158.872 )(mN?校核= = =55.04CM22VCH?228.17.5?)(N?= = =118.42e??aTM??2287.156.04.5??)(mN?由圖表查得， =55MPa??b1??d≥10 =10 =29.21(mm)be13.0?5*.04283考慮鍵槽 d=29.21mm 45mm則強度足夠畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )174.1.7 減速器三維圖圖 4-1 減速器三維圖4.2 蝸桿減速器的計算4.2.1 蝸桿的型號和材料GB/T10065-1998 推薦采用阿基米德（ZA 蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ZK 蝸桿） 。本設(shè)計采用阿基米德型圓柱蝸桿（ZA 型） 。蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此，蝸桿的材料選用 45 鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為 45～55HRC，以提高表面耐磨性，選用錫磷青銅 ZCuSn10P1，采用金屬模鑄造。畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )184.2.2 按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計蝸桿副采用閉式傳動，多因齒面脫離危險合或點蝕而失效。因此，在進行承載能力計算時，先按齒面接觸疲勞強度進行校核。按蝸輪接觸疲勞強度條件設(shè)計計算的公式為：式 (4.1)??322???????HEZKTa??式中 ——蝸桿副的傳動中心距，單位為 mm；aK——載荷系數(shù)；T2——作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 T2，單位為 N·mm；——彈性影響系數(shù)，單位為 MP1/2；EZ——接觸系數(shù)；?——許用接觸應(yīng)力，單位為 MPa。[]H?從式（4.1）算出蝸桿副的中心距 之后，根據(jù)已知的傳動比 i=48,從附錄 1 中選擇一a個合適的中心距 值，以及相應(yīng)的蝸桿、蝸輪參數(shù)。a（1） 確定作用在蝸桿上的轉(zhuǎn)矩 T2設(shè)蝸桿頭數(shù) Z1=1，蝸桿的傳動效率取 η=0.8。由電動機的額定功率 P1=90W，可以算得蝸輪傳遞的功率 P2=P1·η，再由蝸輪的輪轉(zhuǎn)速 n2=30r/min求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩：T2=9.55P2/n2=9.55P1η/n2=9.55×80×0.8/30N·m≈20.373N·m=20373N·mm（2） 確定載荷系數(shù) K載荷系數(shù) K=KAKβKv。其中 KA 為使用系數(shù)，由附錄 2 查得，由于工作載荷不均勻，起動時沖擊較大，因此取 KA=1.15；K β為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在起動和停止時有變化，故取 Kβ=1.15；K v 為動載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)速不高、沖擊不大，可取 Kv=1.05。剛載荷系數(shù)：K=KAKβKv=1.15×1.15×1.05≈1.39（3） 確定彈性影響系數(shù) ZE鑄錫磷青銅蝸輪與蝸桿相配時,從有關(guān)手冊查得彈性影響系數(shù) ZE=160MPa1/2。（4） 確定接觸系數(shù) ?先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 d1 和傳動中心距 的比值 d1/ =0.35，從附錄 3 中可查得接觸a系數(shù) =2.9。Z?（5） 確定許用接觸應(yīng)力 []H?畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )19根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅 ZCuSn10P1、金屬模鑄造蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，可從附錄 4 中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力 ＇=268MPa 。已知蝸桿為單頭，蝸[]H?輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時每個輪齒嚙合的次數(shù) J=1；蝸輪轉(zhuǎn)速 n2=30r/min;蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60Jn2Lh=60×1×30×10000=1.8×107壽命系數(shù)：KHN= =0.92987/N10許用應(yīng)力：=KHN ′=0.929×268MPa=249MPa[]H?[]（6） 計算中心距將以上各參數(shù)代入式（4.1） ，求得中心距：≥ mm=46.2mma3 2.9/4)(160721.9??查附錄 1，取中心距 =50mm，已知蝸桿頭數(shù) Z1=1，設(shè)模數(shù) m=1.6mm，得蝸桿分度圓直徑 d1=20mm。為時 d1/ =0.4，由附錄 3 得接觸系數(shù) Z′ρ=2.74。因為 Z′ρ＜Z ρ，所以上述計算結(jié)果可用。4.2.3 蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸由蝸桿和蝸輪的基本尺寸和主要參數(shù)，算得蝸桿和蝸輪的主要幾何尺寸后，即可繪制蝸桿副的工作圖。（1） 蝸桿參數(shù)與尺寸頭數(shù) Z1=1，模數(shù) m=4mm，軸向齒距 Pa=πm=12.56mm，軸向齒厚Sa=0.5πm=6.28mm，分度圓直徑 d1=40mm，直徑系數(shù) q=d1/m=10，分度圓導(dǎo)程角γ=arctan(z1/q)=5o42′38″。取齒頂高系數(shù) ha*=1，徑向間隙系數(shù) c*=0.2，則齒頂圓直徑da1=d1+2ha*m=40mm+2×1×4mm=48mm齒根圓直徑df1=d1-2m(ha*+c*)=[40-2×4×(1+0.2)]mm=30.4mm。（2） 蝸輪參數(shù)與尺寸齒數(shù) Z2=31，模數(shù) m=4mm，分度圓直徑 d2=mZ2=4*31mm=124mm，變位系數(shù)x2=[ -(d1+d2)/2]/m=[80-(40+124)/2]/4=-1a蝸輪喉圓直徑da2=d2+2m(ha*+x2)=[124+2×4×(1+1)]mm=140mm畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )20蝸輪齒根圓直徑df2=d2-2m(ha*-x2+ c*)=[124-2×4×(1-1+0.2)]mm=122.4mm蝸輪咽喉母圓半徑rg2= -da2/2=(80-140/2)mm=10mm（3） 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度即檢驗下式是否成立：=（1.53KT 2/d1d2m）×Y Fa2Yβ≦ 式(4.2)F?[]F?式中 ——蝸輪齒根彎曲應(yīng)力，單位為 MPa；F?YFa2——蝸輪齒形系數(shù)；Yβ——螺旋角影響系數(shù)；——蝸輪的許用彎曲應(yīng)力，單位為 MPa。[]F由蝸桿頭數(shù) Z1=1，傳動比 i=31，可以算出蝸輪齒數(shù) Z2=iZ1=31。則蝸輪的當量齒數(shù)Zv2=Z2/cos3γ=48.46根據(jù)蝸輪變位系數(shù) x2=1 和當量齒數(shù) ZV2=48.46，得齒形系數(shù)：YFa2=1.95螺旋角影響系數(shù)：Yβ=1-γ/140°=0.967根據(jù)蝸輪的材料和制造方法，可得蝸輪基本許用彎曲應(yīng)力：＇=56MPa[]F?蝸輪的壽命系數(shù)：KFN= = =0.72596/N1097610/.8?蝸輪的許用彎曲應(yīng)力：= ＇K FN=56×0.725MPa=40.6MPa[]F?將以上參數(shù)代入（4.2） ，得蝸輪齒根彎曲應(yīng)力：= ×1.95×0.967MPa≈33.2MPaF6.1872039.51?可見 ＜ ,蝸輪齒根的彎曲強度滿足要求。F?[]4.2.4 蝸桿軸的設(shè)計1. 蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力考慮軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩，為普通用途中小功率減速傳動裝置。選用 45 號鋼，正火處理， 。??MPab60??畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )212. 按扭轉(zhuǎn)強度初步估算軸的最小直徑221()[]caMaTW??????式（4.3）扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取 6.0?抗彎截面系數(shù) 31.0d取 md6in?3 確定各軸段的直徑和長度根據(jù)各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀，直徑和長度。圖4-2 軸的形狀，直徑和長度L1為與軸承配合的軸段，查軸承寬度為12mm，端蓋寬度為10mm，則L 1=22mm。L2尺寸長度與刀架體的設(shè)計有關(guān)，蝸桿端面到刀架端面距離為65mm，故L 2=43mm。L3為蝸桿部分長度 ，圓整 取30mm。mz92.1)06.1(23???3LL4取55mm， 為（12+8）mm，通過聯(lián)軸器與電動機相連長度為50mm，故L 5=30mm。5L6取40mm兩軸承的中心跨度為128mm，軸的總長為220mm。同時軸承各段直徑d 1=32mm,d2=35mm,d3=50mm,d4=35mm,d5=32mm,d1=28mm畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )224.蝸桿軸的校核作用在蝸桿軸上的圓周力圖 4.3 軸向受力分析其中 ，md281?則徑向力切向力NFFrnBH 434 102.6cos109.3cos107.6cos30cs ????????????nrV 3479in76in9ii ???求水平方向上的支承反力mNNnPT .106.2.4675109950 51 ????dFt 63 2.27.?tr 34109.tan109.an?????NFtn 47.2cos./??畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )23圖 4-4 水平方向支承力 0)(212???LFAHBNAH344.585.901???)(108.4FBC求水平彎矩,并繪制彎矩圖 mLMAHB ???????3331 59.105.294.5水 平 彎 矩 圖圖 4-5 水平彎矩圖求垂直方向的支承反力式y(tǒng)FyFyZYXpKvfaCF81.9?切（4.4） 查表得， ， ， ，142?yFC73.0yFX67.0yFY0?yF其中 ， ，map6rf/6. min/1v NKfayyyZp 3658.428.98.9 6773. ??切畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )24切圖 4-6 垂直方向支承反力 0)(2132 ????LFLFAVBV切 NAV 33 19.85.945.06107. ???? )(086.2063.3FBCV ??切求垂直方向彎矩，繪制彎矩圖 mLFMAVB ?????1.5.29410. 331 NC ??463切 垂 直 彎 矩 圖圖 4-7 垂直彎矩圖求合成彎矩圖，按最不利的情況考慮 mNMBVHB ????????? 322322 1069.1.586)09.1(mNCV4