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XXXXX 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 移動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析 系 名 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師姓名 指導(dǎo)教師職稱 年 月 I 目 錄 摘 要 II Abstract III 第一章 緒論 1 1 1 研究背景及意義 1 1 2 國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 2 第二章 總體方案設(shè)計 4 2 1 設(shè)計參數(shù)及功能要求 4 2 1 1 設(shè)計技術(shù)參數(shù) 4 2 1 2 功能要求 4 2 2 方案選定 4 2 2 1 車體方案設(shè)計 4 2 2 2 手臂方案設(shè)計 5 2 3 原理分析分析 5 2 3 1 主要機(jī)構(gòu)工作原理 5 2 3 2 運(yùn)動特性分析 6 2 3 3 手臂原理分析 7 第三章 機(jī)器人運(yùn)動分析及主電機(jī)的選擇 8 3 1 運(yùn)動分析 8 3 1 1 跨越臺階 8 3 1 2 跨越溝槽 9 3 3 3 斜坡運(yùn)動分析 9 3 2 主電機(jī)的選擇 10 第四章 零部件的設(shè)計與選擇 14 4 1 履帶 同步帶 部分設(shè)計 14 4 1 1 同步帶的選擇 14 4 1 2 確定主從動輪直徑 16 4 1 3 確定節(jié)線長度 17 4 1 4 確定最大功率時帶寬 18 II 4 1 5 功率驗算 20 4 1 6 同步帶的物理機(jī)械性能 20 4 1 7 同步帶主從動輪設(shè)計 21 4 2 副履帶 同步帶 部分設(shè)計 23 4 2 1 計算同步帶的帶寬 24 4 2 2 計算 H 帶的基準(zhǔn)額定功率 25 4 2 3 中心距的選擇 25 4 2 4 計算同步帶節(jié)線長度 25 4 2 5 車體副履帶搖臂設(shè)計 26 4 3 機(jī)械手臂部分設(shè)計 26 4 3 1 電機(jī)的選擇 26 4 3 2 大 小臂設(shè)計 28 4 3 3 手爪 手腕設(shè)計 29 第五章 基于 Pro E 的三維設(shè)計 32 5 1 Pro E 三維設(shè)計軟件概述 32 5 2 三維設(shè)計 32 5 2 1 車體 32 5 2 2 主履帶 33 5 2 3 副履帶 33 5 2 4 手臂 手腕 33 5 2 5 三維裝配 34 總 結(jié) 35 參考文獻(xiàn) 36 致 謝 37 III 摘 要 移動機(jī)械手是用于處置或銷毀爆可疑 危險物品的專用器材 避免不必要的人員 傷亡 它可用于多種復(fù)雜地形進(jìn)行移動 此設(shè)計的移動機(jī)械手可實現(xiàn)回轉(zhuǎn) 上下移動 夾持并且能過坑 越障等動作 此設(shè)計移動方案的選擇是采用了履帶式驅(qū)動結(jié)構(gòu) 而手臂部分則采用關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu)整體使用模塊化設(shè)計 以便后續(xù)拆卸維修 可以適應(yīng)于各種復(fù)雜的路面 并可主 動控制兩側(cè)搖臂的轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動姿態(tài) 從而達(dá)到輔助過坑 越障等動作 經(jīng)過合理的設(shè)計后機(jī)器人將具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力 機(jī)動能力并能承受一定的掉落 沖擊 此設(shè)計的移動機(jī)構(gòu)主要由四部分組成 電機(jī)的選擇 主履帶設(shè)計 副履帶設(shè)計 臂部及手腕設(shè)計 本文首先根據(jù)課題所給的技術(shù)參數(shù)和功能要求提出移動機(jī)械手車體結(jié)構(gòu)方案 并 對方案進(jìn)行分析 接著 對主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計算選擇 然后 對各主要零部件進(jìn) 行了設(shè)計與校核 最后 通過 AutoCAD 制圖軟件繪制了移動機(jī)械手車體結(jié)構(gòu)裝配圖及 主要零部件圖 關(guān)鍵詞 移動機(jī)械手 手臂 手腕 同步帶 IV Abstract Mobile robot is used for the disposal or destruction of explosive suspicious special equipment dangerous goods to avoid unnecessary casualties It can be used to move a variety of complex terrain The design of the mobile robot can achieve rotation moving up and down gripping and lead a pit obstacle and other activities Select this design is the use of mobile solutions crawler drive structure and the arm part articulated mechanism is used Modular design of the overall structure for subsequent maintenance of the demolition can be adapted to a variety of complicated road and take the initiative to control the rotation on both sides to adjust the robot arm athletic stance so as to assist the over pit obstacle and other activities After a reasonable design robots will have a good environmental adaptability mobility and can withstand the impact of falling this design is moving mechanism is mainly composed of four parts selection of the motor the main track design deputy track design arm section and wrist design This paper proposes moving mechanical structure handcart scheme according to subjects given technical parameters and functional requirements and program analysis Next the main technical parameters were calculated selection then all the major parts and components for the design and verification and finally through the AutoCAD drawing software to draw a handcart moving mechanical structure and main parts assembly drawing FIG Keywords Bobile robot Arm Wrist Belt 1 第一章 緒論 1 1 研究背景及意義 機(jī)器人是二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一 人類對于機(jī)器入的研究由來已久 但 直到上世紀(jì) 50 60 年代 隨著機(jī)構(gòu)理論和數(shù)控伺服技術(shù)的發(fā)展才真正進(jìn)入實用化 上 世紀(jì) 70 年代后 計算機(jī)技術(shù) 控靠 q 技術(shù) 傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展 機(jī)器 人技術(shù)也隨之進(jìn)入高速發(fā)展階段 并發(fā)展成為集機(jī)械 電子 控制和計算機(jī)技術(shù)的一 項綜合技術(shù) 在歷史上 所有的高新技術(shù)首先被考慮用于軍事用途 機(jī)器入也不例外 未來戰(zhàn) 爭將是建立在高科技條件下的 高度信息化的全方位立體化的戰(zhàn)爭 各種具有巨大殺 傷力的先進(jìn)武器的廣泛使用 將使未來的戰(zhàn)場環(huán)境異常復(fù)雜 信息瞬息萬變 士兵的 生命無時不刻受到來自天空 地面 水下各種先進(jìn)武器的威脅 完全依賴士兵作戰(zhàn)能 力的戰(zhàn)爭模式正越來越受到挑戰(zhàn) 在軍用機(jī)器人領(lǐng)域 移動機(jī)械手是較早投入實戰(zhàn)的 軍用機(jī)器人之 日靜 移動機(jī)械手在 些發(fā)達(dá)國家的軍隊已得到廣泛使用 英國早 在 60 年代就研制了 手推車 移動機(jī)械手用于英阿馬島戰(zhàn)爭的爆炸物清理 其改進(jìn)型的 土撥鼠及野牛兩種遙控電動移動機(jī)械手被英國爭家工程兵在波黑及科索沃用于探測及 處理爆炸物 德國 MV494 型遙控移動機(jī)械手也曾裝備了其駐索馬暈的維和部隊 1 31 在近年來美國發(fā)動的幾次局部戰(zhàn)爭中 基于 零傷亡 的作戰(zhàn)思想 美軍開始在 戰(zhàn)場上大量使用移動機(jī)械手替代士兵執(zhí)行移動任務(wù) 其 Talon 移動機(jī)器入 2000 年就參 與波斯尼亞地區(qū)的軍事行動 隨后又參與 2002 年初的阿富汗行動以及 2003 年的伊拉 克戰(zhàn)爭 執(zhí)行的主要任務(wù)是爆炸物檢測及其處理 阿富汗和伊拉克戰(zhàn)爭中共執(zhí)行 20000 項任務(wù) 在戰(zhàn)爭中有效地降低了已方的傷亡 H 此外 由于政治 經(jīng)濟(jì) 民族 宗教等關(guān)系的錯綜復(fù)雜 國際和地區(qū)恐怖主義在 世界各國有泛濫的趨勢 在公共場所安放爆炸物以產(chǎn)生恐慌 爆炸恐怖犯罪 即是其集中 表現(xiàn)形式 相對于其他形式的惡性犯罪 恐怖爆炸由于其危害面廣 社會和政治負(fù)面 影響面大 日益成為令當(dāng)今世界各國政府頭疼的問題 據(jù)美國官方統(tǒng)計 1968 年國際 上的恐怖主義事件僅有 120 起 面 1984 年增至 652 起 1983 年的 500 起恐怖活動中 有 262 起是爆炸事件 pl 尤其是最近幾年 隨著國際形勢的動蕩 恐怖爆炸事件更是 此起彼伏 接連不斷 除了傳統(tǒng)的恐怖活動熱點(diǎn)地區(qū) 例如中東 阿富汗等地區(qū)外 美國 英國 西班牙 日本 俄羅斯 印度尼西亞 烏茲別克斯坦 馬來西亞和泰國 菲律賓也接連發(fā)生恐怖爆炸事件 影響較大的有俄軍醫(yī)院爆炸案 西班牙馬德里爆炸 案 印尼巴厘島爆炸案 倫敦連環(huán)爆炸寨等 就連以往很少有恐怖活動波碩十論文小 型捧爆機(jī)器人總體設(shè)計的研究及的國家和地區(qū) 近年來也接連發(fā)生恐怖爆炸事件 而 且 隨著時間的推移 這些活動還愈演愈烈 作為應(yīng)對 反恐移動已經(jīng)成為世界各國 2 政府最為關(guān)注的問題之一 目前在世界范圍內(nèi) 移動機(jī)械手已經(jīng)成為反恐作戰(zhàn)的重要 裝備之一 移動機(jī)械手是目前較具研究價值的機(jī)器人產(chǎn)品 在反恐領(lǐng)域可用來執(zhí)行諸如反恐 移動的任務(wù) 戰(zhàn)場上移動機(jī)械手則用以執(zhí)行諸如排除爆炸物 戰(zhàn)場信息收集的任務(wù) 稍加改造 即可加裝單兵武器用于武裝巡邏 戰(zhàn)斗值勤等高危險任務(wù) 目前國內(nèi)已經(jīng) 著力于移動機(jī)械手的研發(fā) 但距離軍事用途還有相當(dāng)?shù)木嚯x 基于軍用機(jī)器人產(chǎn)品系 列化 通用性的需要 本文對基于小型移動平臺基礎(chǔ)上 兼具攤爆和作戰(zhàn)功能的機(jī)器 人進(jìn)行總體設(shè)計的研究 1 2 國內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 60 年代到 70 年代 想到工業(yè)機(jī)器人印入腦海的便是自動機(jī)械手 機(jī)器人 移動功能的大力研究和開發(fā)是 20 世紀(jì) 80 年代以后才開始 現(xiàn)在作為移動機(jī)器人而研 制的移動機(jī)械類型已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了機(jī)械手 尤其是移動機(jī)械手 不僅是生物體中沒見過 的移動形態(tài) 而且能夠在復(fù)雜的環(huán)境下行進(jìn) 目前六履帶擺臂式搜救機(jī)器人還是局限于單個或兩個自由度 其主要由機(jī)械本體 控制系統(tǒng) 導(dǎo)航系統(tǒng)等部分組成 六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的研究涉及以下幾個方面 首先是移動方式的選擇 對于移動移動機(jī)器人 可以是兩移動 四移動 六移動等 其次 考慮驅(qū)動器的控制 以使機(jī)器人達(dá)到期望的功能 再者 必須考慮導(dǎo)航或路徑 規(guī)劃 如傳感信息融合 特征提取 避碰以及環(huán)境映射 最后 考慮擺臂角的原理 這方面需要重點(diǎn)考慮 通過控制搖臂的角度來改變自身高度以達(dá)到越障過坑功能是這 種機(jī)器人的最大特點(diǎn) 對于這些問題可歸結(jié)為 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 控制系統(tǒng)設(shè)計 運(yùn)動 學(xué)與動力學(xué)建模 導(dǎo)航與定位 多傳感器信息融合等 下面是各國研發(fā)的一些移動可變形機(jī)器人 1 美國的拆彈專家 如圖 2 1 2 2 2 3 2 4 所示 這是美國 iRobot 的一種較小型 PackBot 機(jī)器人 現(xiàn)服役于美國軍隊 它搭配了一個爆炸物感應(yīng)系統(tǒng) 能有效地探測炸彈 圖 2 3 這種 iRobot SUGV 的機(jī)器人是一種小型地面探測車 重量僅為 30 磅 圖 2 4 是 iRobot 生產(chǎn)的 Warrior 機(jī)器人配備了兩個全自動 自動裝彈 可遙控的 12 桿機(jī)搶 重量為 250 磅 3 圖 2 1 RackBot 準(zhǔn)備展開 圖 2 2 RackBot 伸展情況 圖 2 3 SUGV 機(jī)器人 圖 2 4 Warrior 機(jī)器人 2 德國 telemax 防爆機(jī)器人 僅在一兩年前 德國公司出品了一款防爆機(jī)器人 現(xiàn)在 2006 年的新一代機(jī)器人已經(jīng)上市了 其結(jié)構(gòu)比以前的更加輕便 體積更小 這款 機(jī)器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機(jī)器人一樣的功能 圖 2 5 telemax 行走姿勢 圖 2 6 最緊湊姿勢 通過對國內(nèi)外移動機(jī)械手的分析 可以看出移動機(jī)械手今后的發(fā)展有以下幾個方 面的趨勢 1 結(jié)構(gòu)上 趨向小型 微型 2 運(yùn)動上 趨向全方位 更靈活 更具自主性 3 在用途上 趨向于功能多功能化 4 第二章 總體方案設(shè)計 2 1 設(shè)計參數(shù)及功能要求 2 1 1 設(shè)計技術(shù)參數(shù) 機(jī)器人行進(jìn)速度 40m min 機(jī)械手抓取質(zhì)量不超過 30kg 機(jī)械手臂可實現(xiàn)回轉(zhuǎn) 上下移動 機(jī)械手爪可實現(xiàn)夾持 2 1 2 功能要求 本次設(shè)計的移動機(jī)械手要求具有以下功能 移動機(jī)械手是移動平臺和操作手的組合體 具有操作和移動的功能 這種機(jī)器人 具有更大更靈活的工作空間 在工業(yè) 農(nóng)業(yè) 公共安全 軍事 服務(wù)等領(lǐng)域有著廣泛 的應(yīng)用前景 本設(shè)計的移動機(jī)器手采用履帶擺臂式移動平臺 其可適應(yīng)復(fù)雜路況 跨 越臺階和越障 操作手采用關(guān)節(jié)式機(jī)械手 其操作空間大 機(jī)械手末端要求具有良好 的夾持能力 2 2 方案選定 2 2 1 車體方案設(shè)計 本次設(shè)計的移動機(jī)械手車體結(jié)構(gòu)采用的是履腿式復(fù)合結(jié)構(gòu) 總體設(shè)計方案如圖 2 1 所示 機(jī)器人的車體的履帶作為移動移動機(jī)構(gòu) 與前臂和后臂轉(zhuǎn)動相協(xié)調(diào) 增加了機(jī) 器人運(yùn)動靈活性 機(jī)器人后輪有一個伺服電機(jī)驅(qū)動 通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合 實現(xiàn)后輪的靈活轉(zhuǎn)動 在機(jī)器人爬坡和越障時發(fā)揮更大作用 機(jī)器人車體左右兩邊履帶各有永磁式直流電機(jī)驅(qū)動 通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合 控 制前軸和后軸的速度 力矩 可實現(xiàn)原地 360 轉(zhuǎn)向 前進(jìn)時的自由轉(zhuǎn)向 隨時調(diào)解爬 坡時的力矩大小 在車體主履帶前端是慣性軸 與主動軸配合 保證機(jī)器人運(yùn)動的平 5 穩(wěn) 圖2 1 移動機(jī)械手車體結(jié)構(gòu)組成 2 2 2 手臂方案設(shè)計 本次設(shè)計的機(jī)械手要求 機(jī)械手臂可實現(xiàn)回轉(zhuǎn) 上下移動 機(jī)械手爪可實現(xiàn)夾持 并且采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu) 因此選定的設(shè)計方案如下 其由兩個電機(jī)驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動 實現(xiàn)機(jī)械手臂上下移動 手臂整體回轉(zhuǎn)有底部回轉(zhuǎn)電機(jī)實現(xiàn) 機(jī)械手爪具有 2 個自由 度 分別是手爪回轉(zhuǎn) 手爪夾持 手爪回轉(zhuǎn)有電機(jī)驅(qū)動 手爪夾持由電磁鐵的正反接 實現(xiàn) 圖 2 2 移動機(jī)械手手臂體結(jié)構(gòu)尺寸 6 2 3 原理分析分析 2 3 1 主要機(jī)構(gòu)工作原理 減速傳動機(jī)構(gòu)是電動機(jī)通過行星輪減速器的降速 來實現(xiàn)增大轉(zhuǎn)矩 調(diào)速 通過 直齒輪改變軸的方向 輸出后軸轉(zhuǎn)矩 為機(jī)器人提供主要動力 后軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動后 軸位于傳動系的末端 其基本功用是增扭 降速和改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)機(jī)器人在行駛過程中 經(jīng)常需要改變行駛方向 本機(jī)構(gòu)是通過兩個電機(jī) 的差速比來實現(xiàn)的 動力部分采用電機(jī) 通過齒輪副降速后帶動低速軸的轉(zhuǎn)動 軸與履帶驅(qū)動機(jī)構(gòu)通 過導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)連接 使履帶驅(qū)動機(jī)構(gòu)各自繞前后軸的中心線轉(zhuǎn)動 實現(xiàn)機(jī)器人不同 角度的爬坡和越障能力 2 3 2 運(yùn)動特性分析 1 平面運(yùn)動及轉(zhuǎn)彎 平面運(yùn)動及轉(zhuǎn)彎是最基本的運(yùn)動方式 當(dāng)兩側(cè)的履帶同向等速運(yùn)動時 則表現(xiàn)為 直線行走 當(dāng)兩側(cè)履帶反向等速運(yùn)動可實現(xiàn)原地零半徑回轉(zhuǎn) 而不同速度同向運(yùn)動可 實現(xiàn)任意半徑轉(zhuǎn)向 圖 2 3 a 圖 2 3 b 為四擺臂履帶單元同時著地 使機(jī)器人與地面的接觸面積 增大 可以使機(jī)器人適應(yīng)松軟 泥濘和凹凸不平等各種地形環(huán)境 圖 2 3 a 圖 2 3 b 圖 2 3 c 圖 2 3 d 圖 2 3 e 中當(dāng)遇到小坡度的斜坡時 可直接爬坡而不 必采取其他動作 從而可減少對驅(qū)動控制系統(tǒng)要求 圖 2 3 c 圖 2 3 d 圖 2 3 e 圖 2 3 f 為四擺臂單元向上擺到中間位置 可實現(xiàn)機(jī)器人小空間轉(zhuǎn)向運(yùn)動 圖 2 3 f 機(jī)器人爬坡時 姿態(tài)可以轉(zhuǎn)變成圖 2 3 g 當(dāng)坡度較大時 則圖 2 3 h 和圖 2 3 i 是較好的姿態(tài) 這兩種方式可使機(jī)器人重心位于穩(wěn)定狀態(tài) 從而保證機(jī)器人順利 爬坡 7 圖 2 3 g 圖 2 3 h 圖 2 3 i 2 自撐起及涉水 機(jī)器人的主要控制系統(tǒng)和檢測元件則安裝在中間箱體中 為了避免在運(yùn)動中被損 壞 機(jī)器人可以通過 4 個擺臂單元向下擺動 抬高中間箱體的高度 且其以各自不同 的擺動角度向下擺動時可使機(jī)器人變換成各種姿態(tài) 從而使中間箱體在允許變化的高 度范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)變 從而使機(jī)器人完成涉水的動作 3 越障 機(jī)器人利用擺臂前攻角進(jìn)行越障 由于機(jī)器人擺臂能把車體抬起 所以可越過高 于自身高度的障礙物 圖 2 4 示 a h 表示機(jī)器人越過高障礙物的一般過程 履 帶利用齒形對障礙物的抓爬力來向上攀爬 同時后擺臂向下擺動以使車體抬高 當(dāng)擺 到與地面垂直時后擺臂停止擺動 當(dāng)主履帶爬到障礙物上面時 前擺臂向前向下擺動 支起車體 機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn) 直到其重心越過臺階 重心越過臺階后 前擺臂向前向 上擺動直到與地面貼合 同時后擺臂向后向上擺動與車體成一后攻角為止 此時機(jī)器 人已越上臺階 整個過程中 履帶始終向前爬行 圖 2 4 救災(zāi)機(jī)器人越障過程 2 3 3 手臂原理分析 其由兩個電機(jī)驅(qū)動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)機(jī)械手臂上下移動 手臂整體回轉(zhuǎn)有底部回轉(zhuǎn)電 機(jī)實現(xiàn) 機(jī)械手爪具有 2 個自由度 分別是手爪回轉(zhuǎn) 手爪夾持 手爪回轉(zhuǎn)有電機(jī)驅(qū) 8 動 手爪夾持由電磁鐵的正反接實現(xiàn) 第三章 機(jī)器人運(yùn)動分析及主電機(jī)的選擇 3 1 運(yùn)動分析 3 1 1 跨越臺階 當(dāng)機(jī)器人在爬越臺階時 機(jī)器人履帶底線與地面之間的夾角將慢慢增大 當(dāng)重心 越過臺階的支撐點(diǎn)時 則完成了爬越臺階的動作 由運(yùn)動過程可以看出 圖 3 1 重心 的位置處于臨界狀態(tài) 機(jī)器人重心只有越過臺階邊緣 機(jī)器人才能成功的越過障礙 由此可分析出機(jī)器人的最大越障高度 圖 3 1 上臺階臨界狀態(tài)示意圖 由圖 3 1 所示幾何關(guān)系可得 5 1 cos cot sinxLhR 變換式 5 1 可得 5 2 cosLR 9 5 3 2cosin cos0hLRd 利用式 5 3 求出 代入式 6 2 可算出機(jī)器人跨越障礙的高度 1H 機(jī)器人加裝后臂 可以大幅提高機(jī)器人跨越臺階的高度 如圖 3 2 所示 在后臂 伺服電機(jī)的驅(qū)動下 后臂履帶抬起 成 直立 在機(jī)器人跨越的高度又要高出 H 90 所以本次設(shè)計履帶設(shè)計中機(jī)器人跨越障礙的最大高度為 1max 圖 3 2 上臺階臨界狀態(tài)示意圖 3 1 2 跨越溝槽 對于小于機(jī)器人前后履帶輪中心距的溝槽 因機(jī)器人重心在機(jī)器人車體內(nèi) 當(dāng)機(jī) 器人重心越過下一個溝槽的支撐點(diǎn)時 機(jī)器人就越過了溝槽 也可能由于重心未能過 去 傾翻在溝槽內(nèi) 當(dāng)溝槽大于中心距時 移動機(jī)械手可以看做爬越凸臺障礙 移動 移動機(jī)器人跨越溝槽時 當(dāng)重心越過溝槽邊緣時 受重力作用 機(jī)器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn) 象 運(yùn)動不穩(wěn)定 由機(jī)器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機(jī)器人重心在以 r 為半徑的圓內(nèi) 由于 擺臂展開后機(jī)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) 機(jī)器人前臂和后臂的長度相等 10 a b c 圖 3 3 跨越溝槽示意圖 機(jī)器人在平地圖 3 3 a 跨越溝槽的寬度 1L 6 4 max1Lr 3 3 3 斜坡運(yùn)動分析 機(jī)器人在斜坡上運(yùn)動時 其受力情況如圖 3 4 所示 機(jī)器人勻速行駛或靜止時 其驅(qū)動力 6 5 sinFG 圖 3 4 機(jī)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 6 6 maxcosFG 當(dāng) 時 機(jī)器人能平穩(wěn)行駛 a 當(dāng) 時 機(jī)器人受重力的影響將沿斜面下滑 mx 已知移動機(jī)械手對地面的最大靜摩擦系數(shù) 則機(jī)器人爬越的最大坡度為 11 6 7 1maxtn 爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為 6 8 ax cosin g 通過上述分析 可以根據(jù)機(jī)器人履帶與運(yùn)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(jī)的特性 確定其運(yùn)動過程最大加速及爬升都陡坡的快 速性 由以上計算可得 機(jī)器人的爬坡角度最大為 垂直越障高度最大為 600mm 03 最大跨溝寬度為 400mm 對于履帶和地面的動摩擦因數(shù) 實際上只是表示起動時車輪所處的滑動狀態(tài)對應(yīng)的滑動 f 摩擦力 一旦車輪開始轉(zhuǎn)動 面臨的滾動摩擦力則總是比滑動摩擦力小得多 則可取 大一點(diǎn) 56 0 3 2 主電機(jī)的選擇 1 機(jī)器人在平直的路上行駛 移動機(jī)械手在跨越平面的溝槽或在平面移動 假設(shè)其速度最大 且勻速前進(jìn) 則 取 sm 39 1v kg50 mR85 移動機(jī)械手共有兩個輸出軸 每個輸出軸前端都有一個電機(jī) 對機(jī)器人其中一個 輸出軸分析 圖 3 5 平直路線分析2mgN fRML 12 又 則Nf m 135ML 在最大的行駛速度下 驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為 in 6 2maxrDn 2 機(jī)器人在 30 坡上勻速行駛 機(jī)器人在最大行駛坡度上勻速行駛 設(shè)定行駛速度為 在行駛過程sm 0 1 30 中輪子作純滾動 不考慮空氣阻力的影響 機(jī)器人爬坡受力情況如圖 圖 3 6 30 坡度分析203cosN mgRfML in 又 則 mNL 2 1 in 1 Drn 則在最大坡度下需提供極限轉(zhuǎn)矩為 mNML 2 1 3 機(jī)器人的多姿態(tài)越階 對這幾種姿態(tài)分析 機(jī)器人在跨越臺階時直流電機(jī)只驅(qū)動主履帶 機(jī)器人在實際 跨越臺階過程中速率不大 那么機(jī)器人所需提供的輸出功率也不大 由以上分析可知 機(jī)器人平地直線運(yùn)動時要求的驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較大 而爬坡 時需要驅(qū)動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較大 因此 在選電機(jī)時 應(yīng)根據(jù)平地直線運(yùn)動所求的最 大轉(zhuǎn)速和爬坡運(yùn)動所求的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行選擇 根據(jù)機(jī)器人爬坡情況的分析 mNMTL 21 in 2rnw Wnw6950P 13 機(jī)器在平面狀況下 mNMTL 135 in 56 2rnw Wnw8096 250P 因而選取 P 80W 作為機(jī)器人的最大輸出功率 根據(jù)計算的移動機(jī)械手的最大輸出功率為 80W 輸出轉(zhuǎn)矩為 22 1N M 輸出轉(zhuǎn)速為 56 2r min 因為直流電機(jī)啟動性能好 過載性能強(qiáng) 可承受頻繁沖擊 制動和反轉(zhuǎn) 允許沖 擊電流可達(dá)額定電流的 3 到 5 倍 另外在使用過程中可攜帶或可移動的蓄電池 干電 池作為供電電源 操作輕巧與方便 根據(jù)直流電機(jī)這些性能 滿足主履帶頻繁受沖擊 制動和反轉(zhuǎn)的要求 滿足機(jī)器人要攜帶移動電池的要求 因而則選擇 90ZY54 型號的 直流永磁電機(jī) 其參數(shù)如下 額定功率 W92 額定轉(zhuǎn)矩 MN 0 6 額定轉(zhuǎn)速 1min r1500 電流 A7 電壓 V 12 允許正反轉(zhuǎn)速差 1i r150 因為 則WP80 92 輸額 6額輸w 因為 則min 150rn 額 in 56 2r 輸 26 7 輸額w 又 3 86 2axTisw 則選取 i 14 第四章 零部件的設(shè)計與選擇 4 1 履帶 同步帶 部分設(shè)計 4 1 1 同步帶的選擇 對于履帶基于標(biāo)準(zhǔn)化的思考 我們選擇了梯形雙面齒同步帶作為設(shè)計履帶 其具 有帶傳動 鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點(diǎn) 由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動和動力 故帶 與帶輪間無相對滑動 能保證準(zhǔn)確的傳動比 同步帶通常以氯丁橡膠為材料 這種帶 薄而且輕 故可用于較高速度 傳動時的線速度可達(dá) 50m s 傳動比可達(dá) 10 效率可 達(dá) 98 傳動噪音比帶傳動 鏈傳動和齒輪傳動小 耐磨性好 不需油潤滑 壽命比 摩擦帶長 因為同步帶傳動具有準(zhǔn)確的傳動比 無滑差 可獲得恒定的速比 傳動平穩(wěn) 能 吸振 噪音小 傳動比范圍大等優(yōu)點(diǎn) 所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦 傳動效率 高 結(jié)構(gòu)緊湊 適宜于多軸傳動 無污染 因此可在工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常 工作 從以上對同步帶性能的分析中可以得出結(jié)論 選用梯形雙面齒同步帶作為移動裝 置設(shè)計履帶能夠滿足設(shè)計性能及工作的環(huán)境條件要求 由已知后軸輸出功率為 即 wp81 k081 由已知設(shè)計裝置移動速度 根據(jù)公式 可得主動輪轉(zhuǎn)速smv 5 rnv 2 15 預(yù)先設(shè)計履帶主動輪直徑 169mm 履帶從動輪直徑min 71 592 1rvn d1 169mm 由公式 可得 59 71r min 故可以得到設(shè)計的已知條件如下 d2d1 2n2 傳遞名義功率 wpm8 主動輪轉(zhuǎn)速 r min71 59n 從動輪轉(zhuǎn)速 in 2r 中心距 380 a 1 功率的計算 kwpkmd 137 式中 K 載荷修正系數(shù) 有工作機(jī)性能和運(yùn)轉(zhuǎn)時間查表 8 1 可以得到 表 8 1 修正載荷系數(shù) K 運(yùn)行時間 小時 日 工作機(jī) 3 5 8 10 16 24 計算機(jī) 醫(yī)療機(jī) 1 0 1 2 1 4 縫紉機(jī) 辦公機(jī)械 1 2 1 4 1 6 輕傳送機(jī) 包裝機(jī) 1 3 1 5 1 7 攪拌機(jī) 造紙機(jī) 1 4 1 6 1 8 印刷機(jī) 圓形帶鋸 1 4 1 6 1 8 2 確定帶的型號和節(jié)距 由設(shè)計功率 0 1377kw 和 59 71r min 考慮到可以用雙面交錯梯狀齒形同步Pdn1 帶作為履帶使用 由圖 8 1 查得型號選用 XH 型 對應(yīng)節(jié)距 22 225mm 圖 8 2 為Pb 雙面交錯梯狀齒形同步帶的結(jié)構(gòu)圖 雙面齒同步帶的節(jié)距和齒形等同與單面齒同步帶 的齒形和節(jié)距 圖 A 為 DA 型雙面齒同步帶 其兩面帶齒呈對稱排列 圖 B 為 DB 型 雙面齒同步帶 其兩面帶齒呈交錯位置排列 本裝置設(shè)計履帶選擇 DB 型 XH 同步帶 2 794mm 15 49WT 16 圖 8 1 梯形齒同步帶 輪選型圖 圖 8 2 梯形齒形狀圖 本裝置選擇的梯形 BD 型 XH 同步帶的具體參數(shù)如下表 8 2 表 8 2 梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶型號以及齒尺寸 17 4 1 2 確定主從動輪直徑 對于梯形標(biāo)準(zhǔn)同步帶來說小帶輪的齒數(shù)是有要求的 能夠保證同步帶運(yùn)轉(zhuǎn)是最為 基本的 履帶選用的 XH 形同步帶一樣有齒數(shù)最小要求 由表 8 3 查的min124z 取 表 8 3 小帶輪的最小齒數(shù) 小帶輪轉(zhuǎn)速 1n XL L H XH XHH 900 10 12 14 22 22 900 1200 10 12 16 24 24 1200 1800 12 14 18 20 26 1800 3600 12 16 20 22 30 由上面得到 p2 5b 可以代入公式169 87zd 為了增大摩擦力 應(yīng)考慮增大履帶與接觸地面的有效接觸面積 所以履帶離地面 的高度不易過大 故取履帶主動輪直徑 169mm 履帶從動輪直徑 169mm d1 d2 查表 8 4 選擇履帶主動輪型號為 24XH 履帶從動輪型號為 24XH 就近圓整帶 輪直徑 查得履帶主動輪直徑 169 79mm 履帶從動輪直徑 169 79mm 1 表 8 4XH 型同步輪尺寸表 節(jié)距 22 225mm 規(guī)格 齒數(shù) 節(jié)徑 d 外徑 do 檔邊直 徑 df 檔邊內(nèi) 徑 db 檔邊厚 度 h 22XH 22 155 64 152 84 167 138 4 5 23XH 23 162 71 159 92 174 145 4 5 24XH 24 169 79 166 99 181 152 4 5 25XH 25 176 86 174 07 188 159 4 5 26XH 26 183 94 181 14 195 166 4 5 27XH 27 191 01 188 22 202 173 4 5 28XH 28 198 08 195 29 209 180 4 51d 0 536nv 校 核 同步帶都有自己的極限速度 如果速度過大會使皮帶輪機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定性增強(qiáng) 有 18 較大的波動現(xiàn)象 并且在單位時間的轉(zhuǎn)動次數(shù)會增加 不利于帶的壽命的提高 所以 有同步帶的速度校核如下 查表 8 5 得 maxv25 s maxv 校 核 表 8 5 梯形齒同步帶極限速度 型號 MXL XXL XL T 2 5 T5 3M L H T10 8 M 14M XH XXH T20 20M 模數(shù) 1 1 5 2 2 5 3 4 5 7 10maxV 40 50 35 40 25 30 4 1 3 確定節(jié)線長度 確定中心距 增大中心距 可以增加帶輪的包角 減少單位時間內(nèi)帶的循環(huán)次 數(shù) 有利于提高帶的壽命 但是中心距過大 則會加劇帶的波動 降低帶的傳動平穩(wěn) 性 同時增大帶傳動的整體尺寸 中心距過小 則有相反的利弊 取帶傳動的中心距 為 dda212170 由 169 79mm 169 79mm 代入上式有26 796 30 由于移動機(jī)械手工作的環(huán)境限制 所設(shè)計的尺寸不宜過大 選擇中心距的尺寸偏 小 初選取 380mm a 根據(jù)帶傳動總體尺寸和中心距的要求 帶的節(jié)線長度可由帶圍繞兩帶輪的周長來 計算 根據(jù)下式求得 21210 42addLd 代入 400mm 169 79mm 169 79mm 有a2 1350 79mm d0 根據(jù)表 8 6 就近圓整 1422 40mm 型號為 560XH 同步帶齒數(shù)為 64 Ld0 表 8 6 XH 型同步帶節(jié)線型號 XH 型 節(jié)距 22 225mm 規(guī)格 節(jié)線長 mm 齒數(shù) 19 463XH 1177 93 53 508XH 1289 05 58 560XH 1422 40 64 570XH 1444 63 65 580XH 1466 85 66 630XH 1600 20 72 700XH 1778 00 80 735XH 1866 90 84 752XH 1911 35 86 770XH 1955 80 88 785XH 2008 70 90 4 1 4 確定最大功率時帶寬 1 計算同步帶的基準(zhǔn)額定功率 P0 kw12 vmT 式中 許用工作拉力 查表 8 4 得 4048 90NT0 0 單位長度質(zhì)量 查表 8 7 得 1 484Kg mm 線速度 m sv 表 8 7 七種同步帶型號的主要參數(shù) 帶型 號 節(jié)距 Pb 基準(zhǔn)寬 so拉力 T0 質(zhì)量 G 帶寬 ba MXL 2 03 6 4 3 0 4 8 6 4 XXL 3 175 6 4 31 0 010 3 0 4 8 6 4 XL 5 080 9 5 50 17 0 022 6 4 7 9 9 5 L 9 525 25 4 244 46 0 095 12 7 19 1 25 4 H 12 70 76 2 2100 8 5 0 448 25 4 38 1 50 8 XH 22 225 101 6 4048 9 0 1 484 50 8 76 2 101 6 XXH 31 75 127 0 6398 0 2 473 76 2 101 6 12 20 3 7 0 帶入上式得 kwpo 024 510 48 92 2 計算主動輪嚙合齒數(shù) Zm 小帶輪的嚙合齒數(shù)為 121bmpzzenta 6 3 確定實際所需帶寬 s14 00pKbzds 其中 為嚙合系數(shù)由表 8 8 查的zk 1z 表 8 8 嚙合數(shù)系數(shù) mz6 5 4zK 1 0 8 0 6 式中 帶所傳遞的功率 2 024kwP0P0 本履帶選用為 XH 帶 可以由表 8 9 查的基準(zhǔn)帶寬 如下 mbs6 10 表 8 9 周節(jié)制梯形齒同步帶的寬度 型號 MXL XXL XL L H XH XXH 基準(zhǔn)寬度 mm 6 4 6 4 9 5 25 4 76 2 101 6 127 許用拉力 T 27 31 50 17 244 46 2100 85 4048 90 6398 03 帶的質(zhì)量 m 0 007 0 01 0 022 0 095 0 448 1 484 2 473 21 所以 mpKbzds 4 720 136 04 14 0 以上公式算得帶寬為 72 44mm 所以以此選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬 表 8 10 查的 將其取為標(biāo)準(zhǔn)值 ms2 7 8 10 周節(jié)制梯形同步帶的寬度與高度 公稱高度 標(biāo)準(zhǔn)寬度 型號 mm in mm in 代號 50 8 2 200 H 4 3 0 17 76 2 3 300 76 2 3 300 XH 11 2 0 44 101 6 4 400 101 6 4 400 XXH 15 7 0 62 127 5 500 4 8 4 8 XXL 1 52 6 4 6 4 4 1 5 功率驗算 額定功率大于設(shè)計功率 則帶的傳動能力已足夠 所選參數(shù)合理 dop 同時得到作用在軸上的力 NvpFdr275410 4 1 6 同步帶的物理機(jī)械性能 本移動機(jī)械手選用 XH 帶 其物理機(jī)械如下 表 8 11 同步帶的物理機(jī)械性能 梯形齒 項目 XH L H XH XXH 拉伸強(qiáng)度 mN 80 120 270 380 450 參考力 N 60 90 220 300 360參考力 伸長率 伸長 40 硬度 75 5 包布粘合強(qiáng)度 5 6 5 8 10 12 芯繩粘合強(qiáng)度 200 380 600 800 1500 齒體剪切強(qiáng)度 mN50 60 70 75 90 22 4 1 7 同步帶主從動輪設(shè)計 1 帶輪材料選擇 為了減輕履帶驅(qū)動裝置的重量 我們選擇硬鋁合金作為履帶主 從動輪的材料 硬鋁合金具有密度小 質(zhì)量低 強(qiáng)度高 硬度高 耐熱性好的優(yōu)點(diǎn) 能夠滿足設(shè)計性 能要求 2 帶輪形狀及主要尺寸的確定 履帶和帶輪的嚙合方式見圖 8 3 所示 圖中 為同步帶輪節(jié)圓或同步帶節(jié)線上測Pb 得相鄰兩齒的距離即節(jié)距 XH 型節(jié)距 22 225mm 為同步帶輪的節(jié)圓直徑 主bd 動輪節(jié)圓型號為 24XH 169 79mm 從動輪節(jié)圓型號為 24XH 169 79mm d1 2 為同步帶輪實際外圓直徑 主動輪 166 99mm 從動輪 166 99mm d0 1oo 圖 8 3 同步帶輪外徑徑節(jié)示意圖 同步帶分為 AS 型 BS 型 AF 型 BF 型 WS 型 其中 AF 型和 BF 型為雙邊檔 邊 由于本設(shè)計采用的是電動機(jī) 減速器動力總成放在搖臂內(nèi) 直接通過錐齒輪傳遞 用后驅(qū)動輪輪軸 所以 主動輪選擇兩個單邊單圈 從動輪選擇一個無擋圈 選 WS 型同步帶輪 主動輪 24XH 齒數(shù) 24 徑節(jié) 169 79mm 外徑 166 99mmd1d1o 主動輪初選兩個雙邊擋圈的帶輪 用于設(shè)計中將其組合 3 履帶輪齒形及齒面寬度的選擇 根據(jù)圖 8 4 可以查得 XH 型梯形雙面齒同步帶輪齒形尺寸如下 23 圖 8 4 齒形尺寸 節(jié)距 22 225mm 齒槽 mm 齒深 7 14mm 槽角 Pbbw15097 hg 51 倒角 3 048mm 根據(jù)表 8 12 可以查出以上數(shù)據(jù) 20rt 392 r 81 2 表 8 12 梯形雙面齒同步輪齒形尺寸 型號 節(jié)距 PbWhg rbt 2 MXL 2 032 0 84 0 05 0 69 20 0 35 0 13 0 508 XL 5 080 1 32 0 05 1 65 25 0 41 0 64 0 508 L 9 525 3 05 0 10 2 67 20 1 19 1 17 0 762 H 12 7 4 19 0 13 3 05 20 1 60 1 6 1 372 XH 22 225 7 90 0 15 7 14 20 1 98 2 39 2 794 XXH 31 750 12 17 0 18 10 31 20 3 96 3 18 3 048 根據(jù)前面確定的寬度為 76 2 及所選擇的無檔邊帶輪查表 8 13 可得到梯形雙面齒 同步帶輪齒面寬度 83 8 b 表 8 13 同步帶輪齒面寬度尺寸參考表 同步帶寬度 齒輪面寬度 型號 代號 帶寬 雙面檔邊帶 輪 單面檔邊帶 輪 無檔邊帶 輪 200 50 8 56 6 62 2 59 6 300 76 2 83 8 89 8 86 9 XH 400 101 6 110 7 116 7 113 7 24 4 履帶輪所允許的公差 兩輪所允許的公差如表 8 14 所示 表 8 14 允許公差表 項目 小輪 大輪 外徑偏差 0 15 0 0 15 0 任意兩相鄰點(diǎn) 節(jié)距 偏差 90 度弧內(nèi)的累積 0 03 0 15 0 03 0 15 外圓徑向圓跳動 2t0 13 0 15 外圓端面圓跳動 10 19 0 26 輪齒與軸線平行度 3t 齒頂圓柱面的圓柱度 4 0 09 0 11 軸孔直徑偏差 1dH7 或 H8 H7 或 H8 外圓及兩齒側(cè)表面粗糙度 aR3 2 m 3 2 4 2 副履帶 同步帶 部分設(shè)計 因為同步帶傳動具有準(zhǔn)確的傳動比 無滑差 傳動平穩(wěn) 能吸振 噪音小 傳動 比范圍大等優(yōu)點(diǎn) 所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦 傳動效率高 結(jié)構(gòu)緊湊 適宜 于多軸傳動 無污染 因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作 從以上對同步帶性能的分析看出其性能的優(yōu)越性 因此選用梯形雙面齒同步帶作 為移動裝置副履帶能夠滿足設(shè)計性能及工作的環(huán)境條件要求 副履帶的設(shè)計是依照主 履帶的設(shè)計進(jìn)行的 具有異曲同工之妙 而副履帶相對了主履帶來說 它是輔助作用 幫助移動平臺具有更出色的越野性 能 更擅長于攀爬和越溝 自然它的環(huán)境不如主履帶惡劣 并且所承受的載荷也比較 輕一些 所以我給予選擇 H 帶 其設(shè)計方法參照主履帶如下 介于副履帶的主動輪的直徑選擇應(yīng)與主履帶的從動輪的相當(dāng) 則參照表 8 15 選擇 副履帶主動輪直徑 mdt7 16 25 根據(jù)任務(wù) 推出 21 tdi 副履帶從動輪直徑 85 012 ttd 副履帶主動輪齒數(shù) 41tz 副履帶從動輪齒數(shù) 20t 表 8 15 標(biāo)準(zhǔn)同步帶的直徑 4 2 1 計算同步帶的帶寬 根據(jù)前面的表 8 7 查得到 H 帶 2 76 sotb 選擇標(biāo)準(zhǔn)帶由表 8 9 差查得 H 帶 8 50st 4 2 2 計算 H 帶的基準(zhǔn)額定功率 計算所選用型號同步帶的基準(zhǔn)額定功率 P010 2vmTatt 26 其中 48 0521 mTat 得出 kwpot 而由 14 670otdsot pb 反推得到設(shè)計功率為 kwpd3 4 2 3 中心距的選擇 2 7 0211dtttdta 5 485 69o 則確定中心距 0 4 2 4 計算同步帶節(jié)線長度 根據(jù)帶傳動總體尺寸和中心距的要求 帶的節(jié)線長度可由帶圍繞兩帶輪的周長 來計算 根據(jù)下式求得 21210 42dadLttdtttda 代入數(shù)據(jù) 28045 71685 0716280 dot4 9tL 根據(jù)表 8 16 可選帶長為60 T783tz 8 16 周節(jié)制梯形齒同步帶節(jié)線長度及齒數(shù) 長度代 號 基本尺 寸 極限偏 差 L H XH XXH 27 345 876 30 92 360 914 40 72 367 933 45 98 390 990 60 0 66 104 78 420 1066 80 0 76 112 84 4 2 5 車體副履帶搖臂設(shè)計 車體副履帶搖臂如下圖示 4 3 機(jī)械手臂部分設(shè)計 4 3 1 電機(jī)的選擇 本機(jī)械手臂有四個電機(jī) 分別是手臂回轉(zhuǎn)電機(jī) 大小臂關(guān)節(jié)電機(jī) 手腕回轉(zhuǎn)電機(jī) 此處以手臂回轉(zhuǎn)電機(jī)為例進(jìn)行選擇計算 其他電機(jī)的選擇類似 現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) vR 永磁式步進(jìn)電機(jī) PM 等 永 磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相 轉(zhuǎn)矩和體積較小 步進(jìn)角一般為 7 50 或 150 反應(yīng)式步進(jìn) 電機(jī)一般為三相 可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出 步進(jìn)角一般為 0 750 或 1 50 但有一定的噪聲和 振動 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成 定子上有多相勵磁繞組 利用磁 導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 綜合考慮技術(shù)難度 精度和資金等因素 結(jié)合所改造機(jī)床的負(fù)載較小 負(fù)載變化 不大又是經(jīng)濟(jì)簡易型的自動控制設(shè)備 故采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)作為砂輪座磨削進(jìn)給的 驅(qū)動源 1 旋轉(zhuǎn)力的計算 旋臂式機(jī)械手夾持工件時 很明顯承受著一定的旋臂力矩 由文獻(xiàn) 1 查得旋轉(zhuǎn)力 的計算公式為 28 一旋轉(zhuǎn)阻抗力 N 根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù) 取其值為 1989 9 YP 由文獻(xiàn) 1 查得 ZX 2 0 YP36 取 則 N ZY5 2 9 75 2185 Y 則 N X10 4 1 0 ZX 2 步進(jìn)電機(jī)的選用 步進(jìn)電機(jī)總的位移量是嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù) 或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于輸 入指令脈沖的頻率 因此能實現(xiàn)精確定位 精確位移 而且同時可在其工作頻段內(nèi) 從一種運(yùn)動狀態(tài)穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換到另一種運(yùn)動狀態(tài) 步進(jìn)電機(jī)有下列工作特點(diǎn) 變扭矩傳動 扭矩受脈沖頻率的限制 頻率高 扭矩則小 能雙向轉(zhuǎn)動 有適 量的阻尼 只要避開步進(jìn)電機(jī)本身的低頻振蕩區(qū) 就可能獲得平穩(wěn)的低速進(jìn)給 改變指令脈沖頻率就能使步進(jìn)電機(jī)變速 從而改變進(jìn)給速度 可省去一部分機(jī) 械變速機(jī)構(gòu) 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單 壽命長 進(jìn)給速度變化范圍寬 從每秒幾個脈沖到幾千個脈沖 即能使進(jìn)給系統(tǒng)正調(diào)整 時實現(xiàn)快速運(yùn)動 又能保證由粗加工到精加工的各項要求 快速響應(yīng)性很強(qiáng) 只要有脈沖輸入或停止輸入 步進(jìn)電機(jī)就立即轉(zhuǎn)動或停轉(zhuǎn) 不通電時無定位力矩 轉(zhuǎn)子能自由轉(zhuǎn)動 每步有振蕩和過沖 但在使用中失步 和過沖完全在零件的尺寸誤差之內(nèi) 對加工精度影響甚小 3 脈沖當(dāng)量和步距角 脈沖當(dāng)量小可提高加工精度 但使系統(tǒng)復(fù)雜 一般加工精度的自動控制機(jī)床 脈 沖當(dāng)量 可選為 0 01mm step 初步確定步距角 0 75 step P b o 4 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動力矩的計算 由文獻(xiàn) 9 查得啟動力矩的計算公式為 2 36bZSpqFGT 式中 一電機(jī)啟動力矩q 旋轉(zhuǎn)進(jìn)給抗力 N 1989 9 N SFSFYP 29 一垂直分力 795 9 N ZFZXP15 0 導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 選用淬火鋼滾動導(dǎo)軌 取 0 01 G 機(jī)器重量 N 按圖紙粗估 G 480N 總機(jī)械效率 取 0 85 則 18085 0714 32 9 9 0 6 NcmTq 5 確定步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 和最高工作頻率jmT 為滿足最小步距要求 電機(jī)選用三相六拍工作方式 由文獻(xiàn) 9 查得 0 866 3 6 jmqT PVf 601ax 則步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為 180 0 866 207 8 Ncm 8 qjmT 最高工作頻率為 3 201 6401max HzVfp 7 步進(jìn)電機(jī)的選擇 查表選用 110BF003 型步進(jìn)電機(jī) 其參數(shù)如下 步距角 選用三相六拍 5 1 70 工作時取 最大靜轉(zhuǎn)距 800N cm 最高空載啟動頻率 1500Step s 運(yùn)行頻 75 0 b 率 7000 Step s 相數(shù) 3 電壓 80V 相電流 6A 滿足需要 4 3 2 大 小臂設(shè)計 1 負(fù)載分析 負(fù)載 R 是指工作機(jī)構(gòu)在滿負(fù)荷情況下 即 img 式中 i 工作機(jī)構(gòu)的荷重及自重對手臂產(chǎn)生的作用力 工作機(jī)構(gòu)在滿載啟動時的靜摩擦力 gR 工作機(jī)構(gòu)滿載啟動時的慣性力 1 i的確定 30 工件的質(zhì)量 m2vrh 20 87 85314 5 5 9 kg 夾持器的質(zhì)量 15kg 已知 伸縮臂的質(zhì)量 50kg 估計 其他部件的質(zhì)量 15kg 估計 工作機(jī)構(gòu)荷重 Ri 5 9 15 50 15 10 859 N 取 Ri 860N 2 mR的確定 Rm 172 086 Ri N 3 g的確定 Rg tg VG N 式中 t 為啟動時間 其加速時間約為 0 1 0 5st 0 1s 0 2s 總負(fù)載 R Ri Rg Rm 860 172 172 1204 N 取實際負(fù)載為 R 1200 N 根據(jù)負(fù)載分析計算得到大小臂結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示 4 3 3 手爪 手腕設(shè)計 1 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算 腕部回轉(zhuǎn)時 需要克服的阻力有 31 1 腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩 M摩12 RfMFD 摩 式中 1 2 軸承處支反力 N 可由靜力平衡方程求得 軸承的直徑 m f 軸承的摩擦系數(shù) 對于滾動軸承 f 0 01 0 02 對于滑動軸承f 0 1 為簡化計算 取 0 1M 摩 總 阻 力 矩 如圖 4 2 所示 其中 1G為工件重量 2為手 部重量 3G為手腕轉(zhuǎn)動件重量 圖 4 2 腕部受力簡圖 2 克服由于工件重心偏置所需的力矩 M偏1 MGe偏 式中 e 工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離 m 已知 e 10mm 則 139 801 294N 偏 3 克服啟動慣性所需的力矩 M慣 啟動過程近似等加速運(yùn)動 根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度 及啟動過程轉(zhuǎn)過的角度 啟 按 下式計算 Mt 慣 工 件 啟 J 32 式中 工 件J 工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 2 Nms 手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 手腕回轉(zhuǎn)過程的角速度 1 s t啟 啟動過程所需的時間 一般取 0 05 0 3s 此處取 0 1s 手抓 手抓驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體 高為 200mm 直 徑 90mm 其重力估算 230 45 7809 87 26GKgmNg 取 98N 等效圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量 22211 045 198GJMRg 工件的轉(zhuǎn)動慣量 已知圓柱體工件 l 22 3 3 03711mJl 工 件 要求工件在 0 5s 內(nèi)旋轉(zhuǎn) 90 度 取平均角速度 即 代入得 0 1 37 0 435 1MNmt 慣 工 件 啟 J 29 MNm 總 阻 力 矩 摩 偏 慣 總 阻 力 矩 解可得 總 阻 力 矩 0 8083 根據(jù)上上述結(jié)算得到手腕的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示 33 第五章 基于 Pro E 的三維設(shè)計 5 1 Pro E 三維設(shè)計軟件概述 Pro Engineer 操作軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司 PTC 旗下的 CAD CAM CAE 一體化 的三維軟件 Pro Engineer 軟件以參數(shù)化著稱 是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者 在目前的 三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位 Pro Engineer 作為當(dāng)今世界機(jī)械 CAD CAE CAM 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣 是現(xiàn)今主流的 CAD CAM CAE 軟件之一 特 別是在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域占據(jù)重要位置 Pro Engineer 和 WildFire 是 PTC 官方使用的軟件名稱 但在中國用戶所使用的名 稱中 并存著多個說法 比如 ProE Pro E 破衣 野火等等都是指 Pro Engineer 軟件 proe2001 proe2 0 proe3 0 proe4 0 proe5 0 creo1 0 creo2 0 等等都是指軟件的版本 Pro E 第一個提出了參數(shù)化設(shè)計的概念 并且采用了單一數(shù)據(jù)庫來解決特征的相關(guān) 性問題 另外 它采用模塊化方式 用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇 而不必安裝 所有模塊 Pro E 的基于特征方式 能夠?qū)⒃O(shè)計至生產(chǎn)全過程集成到一起 實現(xiàn)并行工 程設(shè)計 它不但可以應(yīng)用于工作站 而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上 Pro E 采用了模塊方式 可以分別進(jìn)行草圖繪制 零件制作 裝配設(shè)計 鈑金設(shè)計 加工處理等 保證用戶可 以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用 5 2 三維設(shè)計 34 5 2 1 車體 車體如下圖示 圖 5 1 車體 5 2 2 主履帶 通過對各組成零件進(jìn)行三維設(shè)計后裝配得到主履帶設(shè)計結(jié)果如下圖示 圖 5 2 主履帶 5 2 3 副履帶 通過對各組成零件進(jìn)行三維設(shè)計后裝配得到副履帶設(shè)計結(jié)果如下圖示 圖 5 3 副履帶 35 5 2 4 手臂 手腕 通過對各組成零件進(jìn)行三維設(shè)計后裝配得到手臂 手腕設(shè)計結(jié)果如下圖示 圖 5 4 手臂 手腕 5 2 5 三維裝配 圖 5 5 移動機(jī)械手裝配 36 總 結(jié) 移動機(jī)械手是一種極具研究價值和應(yīng)用前景的軍用地面移動機(jī)器人 在未來的戰(zhàn) 場上將扮演越來越重要的角色 本論文對具有移動功能的化移動機(jī)器入進(jìn)行了總體技 術(shù)的研究 并主要對其車體結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計和論證 本論文完成的主要工 作如下 1 通過功能和設(shè)計任務(wù)的分析 確立了移動機(jī)械手總體功能構(gòu)架 初步制定了 小型移動機(jī)械手的總體組成和性能指標(biāo) 2 在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下 移動平臺是小型移動機(jī)械手實現(xiàn)復(fù)雜地形運(yùn)動的功能載體 本文采用了后輪驅(qū)動的履帶式移動機(jī)構(gòu) 并具有可獨(dú)立控制的前擺 具有較強(qiáng)的地形 適應(yīng)能力 本文對其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計 特別對其越障運(yùn)動進(jìn)行了分析 設(shè)計中 我對移動機(jī)械手的工作原理 基本結(jié)構(gòu) 性能要求進(jìn)行了比較詳細(xì)的分 析 針對移動機(jī)械手中采用的履帶 減速器 電動機(jī)等也進(jìn)行了必要的闡析 另外 為確保設(shè)計出的移動機(jī)械手能達(dá)到越障過坑等功能 我們勢必還要對移動機(jī)械手的相 關(guān)部件進(jìn)行一些必要的校核 以最終確定此設(shè)計是否可以完成這些功能 對于本文研究的小型移動機(jī)械手 是一個復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng) 在總體設(shè)計中 由 于能力和精力有限 研究內(nèi)容還是很初步的 由于本人水平和能力有限 文中難免存 在有疏漏和不妥之處 敬