【正文】 環(huán)境下完成一些如偵查、搜集資料、救援等工作，從而減少了我們工作的危險系數(shù)，在我們未來的生活與工作中起到非常重要的作用。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：主動輪減速機(jī)構(gòu)、翼板轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)路面執(zhí)行機(jī)構(gòu)、履帶及履帶輪運(yùn)動機(jī)構(gòu)。畢業(yè)設(shè)計說明書論文 36296518 原創(chuàng)通過答辯 摘 要 在微小型履帶機(jī)器人方面美國走在了世界的前列，代表機(jī)器人有Packbot 機(jī)器人， Talon 機(jī)器人， NUGV 等。 關(guān)鍵詞： 履帶機(jī)器人 。民用履帶式機(jī)器人被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)等各種服務(wù)領(lǐng)域，如生產(chǎn)線傳輸、清掃、導(dǎo)盲和搜救復(fù)雜環(huán)境下的資料等各個方面。其最大特征是將圓狀的循環(huán)軌道履帶套在若干車輪上，使車輪不與地面直接接觸，利用履帶緩沖地面帶來的沖擊，使機(jī)器人能夠適應(yīng)各種路面狀況。 下面是各國研發(fā)的一些履帶式可變形機(jī)器人： （ 1） 美國的 拆彈專家 ： 如圖 2 2 2 24 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。 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 8 3 履帶機(jī)器人的運(yùn)動特性 （ 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。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。 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 360176。 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。 當(dāng)溝槽 大于中心距 時 ，履 帶 式機(jī)器人可以看做爬越凸臺障 礙 。 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 18 6 機(jī)器人移動平臺主履帶電機(jī)的選擇 對于履帶和地面的動摩擦因數(shù) ? ， f 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。 根據(jù) 計算的履帶式機(jī)器人的最大輸出功率為 80W, 輸出轉(zhuǎn)矩為, 輸出轉(zhuǎn)速為 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。輪式移動機(jī)構(gòu)按輪的數(shù)量可分為 2 輪、 3 輪、 4 輪、 6 輪、 8 輪。 六履帶機(jī)器人車體前后各有一對履帶鰭，可以輔助翻越障礙，履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 25 運(yùn)動十分靈活。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。 XH 型同步帶 W= ， T = 圖 81 梯形齒同步帶，輪選型圖 圖 82 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 82 表 82 梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶型號以及齒尺寸 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 30 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83查的 min1222 24z zz? ??取 ： 表 83 小帶輪的最小齒數(shù) 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 31 小帶輪轉(zhuǎn)速 1n XL L H XH XHH 1n 900 10 12 14 22 22 9001200 10 12 16 24 24 12001800 12 14 18 20 26 18003600 12 16 20 22 30 由上面得到 p ? 可以代入公式 11 7bzpd ??? 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d1 =169mm，履帶從動輪直徑 d2 =169mm。 圖 83 同步帶輪外徑徑節(jié)示意圖 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 39 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翼板內(nèi)，直接通過錐齒輪傳遞用后驅(qū)動輪輪軸。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。 圖 101 翼板的三維效果圖 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 49 圖 102 求解翼板體積 KgVG 9 4 4 ????? ? 履帶從動輪質(zhì)量 由 前 面 選 擇 的 履 帶 從 動 輪 型 號 為 24XH ， 徑 圓 直 徑d2 =，則 R2 =，從動輪通過圓柱滾子軸承與翼板連接，選擇圓柱滾子軸承外徑 D=90mm，輪寬履帶從動輪材料選擇硬質(zhì)合金，其密度 3cmg/ 。 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 51 重心分割法原理：設(shè)物體由若干部分組成，其第 i 部分的重為Pi ，重心為 ),( zyx iii ，則由公式?????? ??? FzFzFyFyFxFx iiiciiiciiic ,，可得物體的重心為 ?????? ??? P zPzP yPyP xPx i iici iici iic , （ 101） 如果物體是均質(zhì)的，由上式可得 Vz d vVy d vVx d v vcvcvc zyx ??? ??? , （ 102） 式中 V為物體的體積。3 ??? 副履帶的重心坐標(biāo) 對于 x軸 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 54 ?? ????? ?? P xPx i ii副 ?副x 對于 y軸 ???副y 綜上所述副履帶的重心坐標(biāo)為 {,0} 主履帶及其搖臂也就是副履帶總部分的重心計算 很顯然主履帶的重量為 1 5 2 ?????aG 副履帶的重量為 ?bG 重心的坐標(biāo)計算為 ??? ??? ?? P xPxiiiz ???? ?? P yPyiiiz? ? ?????? ?? P zPziiiz 履帶及其搖臂部分重心坐標(biāo) {,， } 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 55 總 結(jié) 在設(shè)計的過程中涉及到大學(xué)四年所學(xué)的知識 ， 首先明確了自己的設(shè)計思路 ， 然后邊設(shè)計一點點撿回以前的 知識 ， 在學(xué)習(xí)的過程中再慢慢改善自己的設(shè)計思路。另外，為確保設(shè)計出的 履帶機(jī)器人能達(dá)到越障過坑等功能 ，我們勢必還要對 履帶機(jī)器人 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 。 圖 103 重心坐標(biāo)圖 （ 1）翼板質(zhì)量及重心位置： KgG ? 0x1? 0y1? 0z1? )(mm （ 2）履帶主動輪和從動輪質(zhì)量及重心位置： ?G 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 52 02?x 02?y 0z2? )(mm （ 3）張緊輪，調(diào)節(jié)輪質(zhì)量及重心位置： 由于把三個輪看成等腰三角形的模型，其重心位置在 中心線上。 當(dāng)履帶驅(qū)動裝置工作時，由于梯形雙面齒同步帶具有彈性，履帶轉(zhuǎn)動與路面接觸難以形成有效的摩擦力，在履帶 主動輪和履帶從動輪之間增加 兩個調(diào)節(jié)輪，可以有效地增加履帶與路面的接觸面積，從而增大履帶的摩擦力，提高履帶驅(qū)動裝置工作效率。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。 主動輪 24XH，齒數(shù) 24，徑節(jié) d1 =，外徑 d1o = 主動輪初選兩個雙邊擋圈的帶輪，用于設(shè)計中將其組合。 表 84XH 型同步輪尺寸表（節(jié)距 =） 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 4 4 167 138 23XH 23 1 2 174 145 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 32 24XH 24 9 9 181 152 25XH 25 6 7 188 159 26XH 26 4 4 195 166 27XH 27 1 2 202 173 28XH 28 8 9 209 180 11d= 360 100 0nv ? ??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 85 得 maxv 25 /ms? maxvv ?校 核 表 85梯形齒同步帶極限速度 型號 MXL,XXL,XL,T， T5， 3M L,H,T10，8M,14M XH,XXH, T20， 20M 模數(shù) 1, 2, 3,4， 5 7,10 maxV 4050 3540 2530 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 33 確定節(jié)線長度 確定中心距 a，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 )()(. dddd dddd a 2121 270 ???? 由 d1 =， d2 = 0 ?? a 由于履帶機(jī)器人工作的環(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 a=380mm。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。履帶移動機(jī) 構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面，它的活動范圍廣，性能可靠，使用壽命長，輪式移動機(jī)構(gòu)無法與其比擬，適合作為機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動機(jī)構(gòu)往往是兩條履帶與車身相對固定，很大程度上限制了機(jī)器人地形適應(yīng)能力，為了解決該問題履式移動系統(tǒng)中引入了關(guān)節(jié)履帶機(jī)構(gòu)，兩條履帶不再相對車體固定而是能繞車身轉(zhuǎn)動，這樣能大大提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，但履、腿復(fù)合機(jī)構(gòu)本身存在著一定的不足如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動控制困難等。 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 23 圖 71 輪式移動裝置示意圖 腿式移動機(jī)構(gòu)特點 腿足式移動機(jī)構(gòu)分 2 腿、 4 腿、 6 腿、 8 腿等形式。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) 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 21 額定功率 /W 92 額定轉(zhuǎn)矩 MN./ 額定轉(zhuǎn)速 1min./ ?r 1500 電流 /A 7 電壓 V/ 12 允許正反轉(zhuǎn)速差 1min/ ?r 150 圖 73 直流電機(jī)數(shù)據(jù) 因為 WPWP 80,92 ?? 輸額 則 6??額輸PPw? 因為 min/1500 rn ?額 , min/ ?輸 則 ??輸額nnw 又 3 6. 8 2. 1m a x ??? TTi sw 則選取 36i ?w 履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計 22 7 移動機(jī)構(gòu)的分析及其選擇 由電動機(jī)輸出的動力，需要通過傳動系統(tǒng)傳遞到機(jī)器人移動平臺的后輪上，以便驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動。 ?? 機(jī)器人在平直的路上行駛 履帶式機(jī)器人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/? kgm 50? mmR 85? 履帶式機(jī)器人共有兩個輸出軸，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