【文章內(nèi)容簡介】 度， 擺臂 履 帶應(yīng)處 于展 開狀態(tài) 。機器人前臂和 后臂的長度相等。 履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 16 （ a ） （ b ）（ c ） 圖 53跨越溝槽示意圖 機器人在平地 圖 53（ a） 跨越 溝槽的寬 度 1L ： max1L L r?? （ 64） 斜坡運動分析 機器人在斜坡上運動時，其受力情況如圖 54 所示，機器人勻速行駛或靜止時，其驅(qū)動力： sinFG?? （ 65） 履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 17 圖 54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： max cosFG??? （ 66） 當 maxFF? 時，機器人能平穩(wěn)行駛。 當 maxFF? 時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。 已知履帶機器人對地面的最大靜摩擦系數(shù) ? ，則機器人爬越的最大坡度為 : 1max tan ( )???? （ 67） 爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為： m a x ( c os sin )ag? ? ??? （ 68） 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。 由以上計算可得： 機器人的爬坡角度最大為 030 ；垂直越障高度最大為 600mm：最大跨溝寬度為 400mm。 履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 18 6 機器人移動平臺主履帶電機的選擇 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。則可取 ? 大一點。 ?? 機器人在平直的路上行駛 履帶式機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，則取 sm/? kgm 50? mmR 85? 履帶式機器人共有兩個輸出軸，每個輸出軸前端都有一個電機，對機器人其中一個輸出軸分析 : 圖 61 平直路線分析 2mgN? fRML ? 履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 19 又 Nf ?? 則 ? 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 m in/5 6. 2m a xm a x rDn ?? ?? 機器人在 30176。坡上勻速行駛 機器人在最大行駛坡度上勻速行駛，設(shè)定行駛速度為 sm/ , ??30? ,在行駛過程中輪子作純滾動，不考慮空氣阻力的影響，機器人爬坡受力情況如圖 圖 62 30176。坡度分析 2 03cosN ?? mg RmgfM L ?????? ??? 2 30sin 又 Nf ?? ，則 mNM L /? 履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 20 m in/ rn ?? ?? 則在最大坡度下需提供極限轉(zhuǎn)矩為 mNM L /? 機器人的多姿態(tài)越階 對這幾種姿態(tài)分析，機器人在跨越臺階時直流電機只驅(qū)動主履帶，機器人在實際跨越臺階過程中速率不大，那么機器人所需提供的輸出功率也不大。 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，而爬坡時需要驅(qū)動電機的輸出轉(zhuǎn)矩較大。因此，在選電機時，應(yīng)根據(jù)平地直線運動所求的最大轉(zhuǎn)速和爬坡運動所求的轉(zhuǎn)矩進行選擇。 根據(jù)機器人爬坡情況的分析， mNMT L .?? , min/ ? WWTn w 269550 ???? 機器在平面狀況下 mNMT L .?? ， min/ ? WWTn w 809550 ???? 因而選取 P=80W 作為機器人的最大輸出功率。 根據(jù) 計算的履帶式機器人的最大輸出功率為 80W, 輸出轉(zhuǎn)矩為, 輸出轉(zhuǎn)速為 因為直流電機啟動性能好，過載性能強，可承受頻繁沖擊、制動和反轉(zhuǎn)，允許沖擊電流可達額定電流的 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 履帶式機器人機構(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 履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 22 7 移動機構(gòu)的分析及其選擇 由電動機輸出的動力，需要通過傳動系統(tǒng)傳遞到機器人移動平臺的后輪上，以便驅(qū)動機器人運動。可見傳動系統(tǒng)是整個移動平臺實現(xiàn)是運動功能的紐帶和關(guān)鍵。 典型移動機構(gòu)分析 機器人按移動方式分主要有輪式、履帶式、腿足式三種，另外還有步進移動式、蠕動式、混合移動式、蛇行移動式等。 輪式移動機構(gòu)特點 輪式移動機構(gòu)是最為普 通的運動方式，輪式機器人移動機構(gòu)普遍具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快、節(jié)能、靈活的特點，同時具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時間短和效率高等優(yōu)勢。并且編程簡單可靠性高，每個輪子都可以獨立驅(qū)動。與履帶式移動機器人相比，當跨越不平坦地形時，輪式機器人則存在明顯的不足，其穩(wěn)定性和對環(huán)境的適應(yīng)性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，對于進入復(fù)雜的環(huán)境完成既定任務(wù)存在嚴重的困難。輪式移動機構(gòu)按輪的數(shù)量可分為 2 輪、 3 輪、 4 輪、 6 輪、 8 輪。該結(jié)構(gòu)有一定的局限性，只能在相對平坦、表面較硬的路面上行駛，如遇到軟性地面容易打滑、沉陷，但可根據(jù)具體地面 環(huán)境采用一些預(yù)防措施來緩解該類情況的出現(xiàn)，如圖 71 所示。 履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 23 圖 71 輪式移動裝置示意圖 腿式移動機構(gòu)特點 腿足式移動機構(gòu)分 2 腿、 4 腿、 6 腿、 8 腿等形式。腿式移動機構(gòu)優(yōu)點有： (1)腿式機器人的地形適應(yīng)能力強。 (2)腿式機器人的腿部具有多個自由度，運動更具有靈活性，通過調(diào)節(jié)腿的長度可以控制機器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高； (3)腿式機器人的身體與地面分離，這種機械結(jié)構(gòu)優(yōu)點在于機器人身體可以平穩(wěn)地運動而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置， 8 腿移動機器人如圖 72 所示，特點是穩(wěn)定性 好，越野能力強。 腿式移動機構(gòu)缺點有： 該類機器人的移動速度慢，機動性較差．負載不能太重； 腿式機器入對地面適應(yīng)性和運動靈活性需要進一步提高； 腿式機器人控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，控制方法還有待完善； 該機構(gòu)未進入實用化階段。 履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 24 圖 72 八腿機器人 圖 73 六履機器人 履帶式移動機構(gòu)特點 履帶式移動機構(gòu)分為 l 條履帶、 2 條履帶 (履帶可車體左右布置或者車體前后布置 )、 3 條履帶、 4 條履帶． 6 條履帶，移動方式優(yōu)點在于機動性能好、越野性能強，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、摩擦阻力大，機械效率低，在自身重量比較 大的情況下會對路面產(chǎn)生一定的破壞。履帶式移動機構(gòu)比較輪式移動機構(gòu)有以下幾個特點： (1)撐面積大、接地比壓小、滾動阻尼小、通過性比較好； (2)越野機動性能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)； (3)履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好； (4)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜重量大，運動慣性大，減震功能差，零件易損壞。 六履帶機器人車體前后各有一對履帶鰭，可以輔助翻越障礙，履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 25 運動十分靈活。 履、腿式移動機構(gòu)特點 履腿復(fù)合移動機構(gòu)結(jié)合了履帶式和腿式兩種移動機構(gòu)的優(yōu)勢，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動機 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，輪式移動機構(gòu)無法與其比擬，適合作為機器人的推進系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動機構(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，這樣能大大提高機器人的環(huán)境適應(yīng)能力，但履、腿復(fù)合機構(gòu)本身存在著一定的不足如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運動控制困難等。 輪、履、腿式移動機構(gòu)性能比較 車輪式，履帶式、腿足式移動系統(tǒng)性能比較見表 71 示 ： 表 71 典型移動機構(gòu)的性能對比表 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 履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 26 本研究采用的移動機構(gòu) 本研究的的機器人移動機構(gòu)采用了履帶式。如圖 74 所示，這種機構(gòu)中的移動履帶的作用，在復(fù)雜環(huán)境中起傳遞動力作用。后移動輪為主動輪，前移動輪為從動輪，二者通過移動履帶來傳遞動力，實現(xiàn)同運動。 圖 74 輪履復(fù)合式移動機構(gòu) 履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 27 8 履帶部分設(shè)計 履帶的選擇 對 于履帶基于標準化的思考，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。由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準確的傳動比。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 50m/s，傳動比可達 10，效率可達 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，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 wp 81? (即 kwp ? ）； 由已知設(shè)計裝置移動速度 smv /? ，根據(jù)公式 rnv π2? ，可得主動輪轉(zhuǎn)速 m in/?? ? ，預(yù)先設(shè)計履帶主動輪直徑 d1 =169mm，履帶從動輪直徑 d2 =169mm，由公式 ddnn1221? ，可得 n2 =。故可以得到設(shè)計的已知條件如下： 履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 28 傳遞名義功率 wppm 81?? . 主動輪轉(zhuǎn)速 ?n r/min 從動輪轉(zhuǎn)速 min/ rn ? 中心距 380?a . 功率的計算 kwpkp md 1 3 7 ????? 式中 K載荷修正系數(shù)（有工作機性能和運轉(zhuǎn)時間查表 81可以得到） 表 81 修正載荷系數(shù) K 工作機 運行時間（小時 /日） 3~5 8~10 16~24 計算機，醫(yī)療機 縫紉機，辦公機械 輕傳送機，包裝機 攪拌機，造紙機 印刷機，圓形帶鋸 確定帶的型號和節(jié)距 由設(shè)計功率 Pd = 和 n1 =，考慮到可以用雙面交錯履帶式機器人機構(gòu)設(shè)計 29 梯狀齒形同步帶作為履帶使用，由圖 81 查得型號選用 XH 型，對應(yīng)節(jié)距 Pb =，圖 82 為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