【文章內(nèi)容簡介】 要進行改進以提高其適應(yīng)性。除越障性能需要提高外，另一個原因是機器人在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境地形虛假的性能除了取決于其在典型地形特征下的性能以及典型地形特征的組合參數(shù)以外，還受機器人對典型地形特征之間過渡得適應(yīng)性的影響。因此，本文所設(shè)計的機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計思路集中在對普通輪式構(gòu)型進行改進。 設(shè)想在輪式機器人前面加一對擺臂,這樣在較為平坦的地段可以把擺臂收起來變形為輪式,快速推進,節(jié)省探測時間；也可以發(fā)揮擺臂能夠適應(yīng)各種障礙的優(yōu)點。對非結(jié)構(gòu)環(huán)境的地形及變形情況如圖21 圖21 機器人地形適應(yīng)示意圖 本章小結(jié)本章從對井下工況條件分析得出應(yīng)以典型地形特征為越障對象，結(jié)合目前的研究基礎(chǔ)以及現(xiàn)有的技術(shù)條件，通過對輪式、履帶式機器人和其它形式的機器人的定性分析，確定煤礦救災(zāi)機器人采用輪式作為驅(qū)動模塊。同時考慮到輪式行走機構(gòu)的特點，給其加上擺臂使得輪式行走機構(gòu)的越障能力提高。 3機器人行走機構(gòu)的機械設(shè)計 機器人行走機構(gòu)總體方案機器人采用對稱結(jié)構(gòu)，擺臂運動單元不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車輪自身的旋轉(zhuǎn)運動，而且能夠繞主動輪中心擺動，車輪之間為機器人的主體部分，可裝載控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊及其他各種設(shè)備。為保證機器人在礦井內(nèi)部的良好通過性，對擺臂的長度、驅(qū)動輪直徑、車體長度以及機器人的整體尺寸等進行綜合考慮。同時在煤礦煤塵爆炸事故后的探測營救過程中，救護人員在井下高溫環(huán)境下負重作業(yè)，其體力以及氧氣消耗都很大。營救機器人主要作用是代替救護人員搬運、轉(zhuǎn)移傷員和遇難者至安全區(qū)域，而且營救機器人需要攜帶必要的救護設(shè)備和儀器，因此營救機器人應(yīng)該具有足夠大的尺寸和動力以及良好的續(xù)航能力。依此方案設(shè)計的機器人分配為：兩邊的主轉(zhuǎn)動輪為2自由度；兩條擺臂車輪轉(zhuǎn)動為2自由度；兩擺臂各自的擺動為2自由度。這樣機器人總共需要6自由度，需要6個電機，由于機器人尺寸、總質(zhì)量、驅(qū)動功率以及防爆要求等限制，必需在不影響機器人運動能力的前提下，盡可能的減少電動機的數(shù)量。因此，將主轉(zhuǎn)動輪的驅(qū)動用2個自由度，把兩個擺臂連成一體共用1個自由度，這樣機器人共有3個自由度，需要3個驅(qū)動電動機。機身結(jié)構(gòu)如圖31所示。 圖31 機身總體結(jié)構(gòu)圖 主傳動系統(tǒng)設(shè)計主傳動機構(gòu)是由驅(qū)動電機、圓柱齒輪副、星齒輪減速器和鏈傳動組成，主傳動機構(gòu)系統(tǒng)如圖32所示：圖 32 主傳動機構(gòu)圖備注：1驅(qū)動電動機，2傳動大齒輪，3電機固定板，4傳動小齒輪，5行星減速器，6鏈輪。 主傳動系統(tǒng)中驅(qū)動電機1經(jīng)過圓柱齒輪副2和行星齒輪減速器5將驅(qū)動動力傳給鏈輪6。然后鏈輪6再把動力傳遞給輪邊的鏈輪。 擺臂方案設(shè)計在機器人的兩個前臂運動單元中，除了鏈輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動外，還有擺臂的擺動。如圖33所示： 圖33 擺臂機構(gòu)圖備注：1小齒輪，2電機安裝底座，3電機，4軸承套，5擺臂，6鏈輪，7大齒輪，8軸承，9傳動軸。 電機3經(jīng)過小齒輪將驅(qū)動動力傳給大齒輪7，大齒輪7通過螺栓聯(lián)接將動力傳給擺臂，從而實現(xiàn)擺臂繞從動輪中心轉(zhuǎn)動。傳動軸9與大齒輪7之間有軸承連接兩個運動相互獨立，互不干涉。傳動軸9 把動力傳給鏈輪6，鏈輪6與擺臂5的運動相互獨立。 機器人行走機構(gòu)具體設(shè)計 主傳動系統(tǒng)的具體設(shè)計⑴ 主電機功率估算輪式煤礦救援機器人設(shè)計數(shù)據(jù)：①車體重量：車體總重 310Kg②最高運行速度：60m/min③最大爬坡高度：30176。④輪與地面的摩擦系數(shù)：⑤機器人工作阻力：機器人的受力模型如圖34所示。圖34 機器人受力分析模型 == (31)電機的最大輸出功率為： (32)其中為機器人行走的最大速度。由于左右兩輪各用一個電機同時驅(qū)動，所以每個電機的最大輸出功率為： (33)直流伺服電機的效率一般為70%—80%，取電機的效率為80%。—，取減速器的效率為93%，則傳動系統(tǒng)的總效率為： (34)所以電機的功率為： (35)考慮到電機的功率儲備和鏈條的摩擦及其他功率消耗，取安全裕量系數(shù)S=,則希望的電機個功率為： (36)⑵主電動機的選擇 根據(jù)電機的功率需要選定電動機型號為360SXPCM02。繞線盤式電樞直流伺服電動機及機組是近年來發(fā)展來的新型力能元件。其電樞為無鐵心盤式結(jié)構(gòu)，具有轉(zhuǎn)動慣量小、時間常數(shù)小，無鐵損、效率高，換向性能好和電刷壽命長等特點。通常與電磁制動器、測速發(fā)電機及光編碼器同軸安裝構(gòu)成機組?？蓮V泛用于復(fù)印機、計算機外圍設(shè)備、電動自行車、汽車及機器人。360SXPCM02技術(shù)數(shù)據(jù)：額定功率/kw額定電壓／V額定電流／I輸出轉(zhuǎn)速r/min165321800⑶傳動比的分配與各軸傳動參數(shù)計算①傳動比的分配圖35 主傳動系統(tǒng)原理圖主傳動系統(tǒng)的總傳動比為： (37)根據(jù)兩級減速的不同特點，將傳動比分配如下：直齒圓柱齒輪的傳動比 行星齒輪減速器的傳動比 ②各軸傳動參數(shù)的計算轉(zhuǎn)速計算 ：第Ⅰ軸轉(zhuǎn)速 (38)第Ⅱ軸轉(zhuǎn)速 (39)功率計算：第Ⅰ軸功率 (310)第Ⅱ軸功率 (311)各軸扭矩計算：第Ⅰ軸扭矩 (312)第Ⅱ軸扭矩 (313 )⑷ 直齒圓柱齒輪的設(shè)計計算①選擇齒輪材料，確定許用應(yīng)力 由《機械設(shè)計》 小齒輪 40Cr 調(diào)質(zhì) HBS1=260HBS 大齒輪 45 正火 HBS2=260HBS許用接觸應(yīng)力，由《機械設(shè)計》式66 接觸疲勞極限 查《機械設(shè)計》圖64得接觸強度壽命系數(shù) 假設(shè)清車機每年工作300天，預(yù)期壽命10年應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N 由《機械設(shè)計》式67 (314) (315)查《機械設(shè)計》圖65得 接觸強度最小安全系數(shù)則 所以許用彎曲應(yīng)力由《機械設(shè)計》式612 (316)彎曲疲勞極限 查《機械設(shè)計》圖67得彎曲強度壽命系數(shù) 查《機械設(shè)計》圖68得彎曲強度尺寸系數(shù) 查《機械設(shè)計》圖69（設(shè)模數(shù)m小于5mm）得彎曲強度最小安全系數(shù) 則 ②齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算確定齒輪傳動精度等級，按估取圓周速度，參考《機械設(shè)計》、Ⅱ公差組8級。小輪大端分度圓直徑，由《機械設(shè)計》式65得 (317)齒寬系數(shù) 查《機械設(shè)計》，按齒輪相對軸承為非對稱布置 小輪齒數(shù) 選=27大論齒數(shù) 齒數(shù)比 傳動比誤差 小輪轉(zhuǎn)矩 N㎜載荷系數(shù) (318)—使用系數(shù) 查《機械設(shè)計》—動載系數(shù) ~—齒間載荷分布系數(shù) ~—齒向載荷分布系數(shù) ~載荷系數(shù) 材料彈性系數(shù) 查《機械設(shè)計》節(jié)點區(qū)域系數(shù) 查《機械設(shè)計》圖63得重合度系數(shù) ~故 齒輪模數(shù)m 按《機械設(shè)計》=2mm小輪大端分度圓直徑 圓周速度 標準中心距 齒寬b 大輪齒寬 小輪齒寬 ③齒根彎曲疲勞強度校核計算 由《機械設(shè)計》式610 (319)齒形系數(shù) 查《機械設(shè)計》 大輪應(yīng)力修正系數(shù) 查《機械設(shè)計》，小輪： 大輪：重合度 重合度系數(shù)故， 齒根彎曲強度滿足。④齒輪其它主要尺寸計算大輪大端分度圓直徑 根圓直徑 頂圓直徑 ⑸2K—H型行星齒輪傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算①齒輪的設(shè)計 1）基本參數(shù)選擇太陽輪和行星輪 材料為20CrNiMoA，表面滲碳淬火處理，表面硬度為57~61HRC。試驗齒輪齒面接觸疲勞極限 試驗齒輪齒根彎曲疲勞極限 太陽輪 行星輪 (對稱載荷)齒形為漸開線直齒。最終加工為磨齒，精度為6級。內(nèi)齒圈 材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度為262~302HBS 試驗齒輪的接觸疲勞極限 試驗齒輪的彎曲疲勞極限 齒形的最終加工為插齒，精度為7級。傳動比 行星輪數(shù)目 載荷不均衡系數(shù) 低速級采用太陽輪浮動的均載機構(gòu)，查表73，取2) 配齒計算 用比例法配齒，由傳動比條件、同心條件和裝配條件，聯(lián)立得： ，帶入上式得，實際傳動比3)、齒輪模數(shù)及中心距 首先計算太陽輪分度圓直徑 (320)式中 u——齒數(shù)比為： —— ——算式系數(shù)為768 —— ——太陽輪單個齒傳遞的轉(zhuǎn)矩 其中 ——齒寬系數(shù)暫?。? 代入 模數(shù) 取中心距 齒寬 4)、幾何尺寸計算 分度圓 齒頂圓 齒根圓 基圓直徑 其中， 齒頂高系數(shù) 太陽輪、行星輪 內(nèi)齒輪 頂隙系數(shù):太陽輪、行星輪:內(nèi)齒輪: 代入上組公式計算：太陽輪 行星輪 內(nèi)齒輪 5)、嚙合要素驗算ag傳動端面重合度 (321) 式中 、分別表示太陽輪和行星輪的齒頂圓的壓力角，為嚙合角 gb傳動端面重合度式中 、分別表示內(nèi)齒輪和行星輪的齒頂圓的壓力角，為嚙合角6）、齒輪強度驗算ag傳動， a)太陽輪強度計算：確定計算負荷名義轉(zhuǎn)矩： 名義圓周力： b)應(yīng)力循環(huán)次數(shù) = =600r/min = 60r/min ==60060=540r/min式中， ——太陽輪相對于行星架的轉(zhuǎn)速(r/min)。 T——壽命期內(nèi)要求傳動的總運轉(zhuǎn)時間(h),壽命10年，每天工作8h c)確定強度計算中的各種系數(shù)使用系數(shù)，根據(jù)對使用負荷的實測與分析，取=動負荷系數(shù)因=1850，可根據(jù)圓周速度 v=πdnaH60=由圖51查得（6級精度）：=齒向載荷分布系數(shù)、得 (322) (323)式中， ——計算接觸強度時運轉(zhuǎn)初期（未經(jīng)跑合）的齒向載荷分布系數(shù)，由圖52查得=（=）——計算接觸強度時的跑合影響系數(shù)，由圖55查得=(v=, 450)——計算彎曲強度時的運轉(zhuǎn)初期（未經(jīng)跑合）的齒向載荷分布系數(shù)，由圖54查得=（b/m=）——計算彎曲強度時的跑合影響系數(shù)，由圖55查得=(v=, 450) ——與均載系數(shù)有關(guān)的系數(shù)，= ——與均載系數(shù)有關(guān)的系數(shù)，=則 =1+() = =1+() =d)齒間載荷分布系數(shù)及因，精度6級，硬齒面直齒輪由表59查得==e)節(jié)點區(qū)域系數(shù)可查圖513 =f)載荷作用齒頂時的齒形系數(shù)根據(jù) 由表58和圖511d查得 g)載荷作用齒頂時的應(yīng)力修正系數(shù)由