【正文】 動(dòng)速度較高。、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)履腿復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)綜合了履帶式和腿式兩種移動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)比較輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)撐面積大、接地比壓小、滾動(dòng)阻尼小、通過(guò)性比較好；(2)越野機(jī)動(dòng)往能好，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(yùn)動(dòng)慣性大，減震功能差，零件易損壞。腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)有：該類機(jī)器人的移動(dòng)速度慢，機(jī)動(dòng)性較差．因此機(jī)器人的負(fù)載不能太重；腿式機(jī)器入對(duì)地面適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)靈活性需要進(jìn)一步提高；腿式機(jī)器人控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，控制方法還有待完善；該機(jī)構(gòu)未進(jìn)入實(shí)用化階段。腿式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡由一系列離散點(diǎn)組成，崎嶇地形可以給這些離散點(diǎn)提供支撐，使機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)；而輪式和履帶式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)規(guī)跡，有些起伏較大的地形則不支持這種連續(xù)運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)而限制了該類機(jī)器人活動(dòng)范圍。圖51輪式移動(dòng)裝置示意圖腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)按輪的數(shù)量可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪?？刂频慕嵌瓤?，編程簡(jiǎn)單并有較高的可靠性，每個(gè)輪子都可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。便攜式機(jī)器人按移動(dòng)方式分主要有輪式、履帶式、腿足式三種，另外還有步進(jìn)移動(dòng)式、蠕動(dòng)式、混合移動(dòng)式、蛇行移動(dòng)式等。5 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)由電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力，需要通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的后輪上，以便驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。取軸端倒角245，各軸間圓角半徑見(jiàn)圖。參照工作要求選擇C136079J，其尺寸為：。半聯(lián)軸器的孔，故取，聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長(zhǎng)度。輸出軸的最小直徑是安裝聯(lián)軸器的直徑，為了使所選的軸直徑與聯(lián)軸器的孔相適應(yīng)，故需同時(shí)選取聯(lián)軸器型號(hào)。1．選擇軸的材料，確定許用應(yīng)力根據(jù)工作條件選擇軸的材料為40Cr鋼，調(diào)質(zhì)處理，由教材表153查得。齒輪副：計(jì)算載荷系數(shù)K：由《機(jī)械零件》查得，根據(jù)v=，對(duì)稱支撐；由《機(jī)械零件》取得，故。由《機(jī)械零件》得齒形系數(shù)：，得齒形修正系數(shù)；許用應(yīng)力的計(jì)算：由《機(jī)械零件》得，安全系數(shù)s=，故。齒輪副：計(jì)算載荷系數(shù)K：式中K載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動(dòng)載系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)；齒間載荷分布系數(shù)。故滿足強(qiáng)度要求。故滿足強(qiáng)度要求。低速級(jí)齒輪強(qiáng)度的驗(yàn)算：由于該行星輪傳動(dòng)具有長(zhǎng)期有效間斷工作的特點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，外輪廓尺寸較小的特點(diǎn)，因此應(yīng)按齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算。齒輪副：計(jì)算載荷系數(shù)K：由《機(jī)械零件》查得，根據(jù)v=，對(duì)稱支撐；由《機(jī)械零件》取得，故。由《機(jī)械零件》得齒形系數(shù)：，得齒形修正系數(shù)；許用應(yīng)力的計(jì)算：由《機(jī)械零件》得，安全系數(shù)s=，故。齒輪副：計(jì)算載荷系數(shù)K：式中K載荷系數(shù)；使用系數(shù)；動(dòng)載系數(shù)；齒間載荷分配系數(shù)；齒間載荷分布系數(shù)。故滿足強(qiáng)度要求。故滿足強(qiáng)度要求。高速級(jí)齒輪強(qiáng)度的驗(yàn)算由于該行星輪傳動(dòng)具有長(zhǎng)期有效間斷工作的特點(diǎn)，具有結(jié)構(gòu)緊湊，外輪廓尺寸較小的特點(diǎn)，因此應(yīng)按齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算。低速級(jí)與高速級(jí)齒數(shù)相同，故滿足條件。幾何尺寸的計(jì)算高速級(jí)分度圓直徑d 基圓直徑 齒頂圓直徑齒頂高：外嚙合 內(nèi)嚙合 齒根圓直徑齒根高 高速級(jí)太陽(yáng)輪行星輪內(nèi)齒圈模數(shù)m齒數(shù)z2346115分度圓直徑d46齒頂圓直徑d齒根圓直徑d47低速級(jí)分度圓直徑d 基圓直徑 齒頂圓直徑齒頂高： 外嚙合 內(nèi)嚙合 齒根圓直徑齒根高 低速級(jí)太陽(yáng)輪行星輪內(nèi)齒圈模數(shù)m齒數(shù)z2346115分度圓直徑d69齒頂圓直徑d15齒根圓直徑d裝配條件的計(jì)算對(duì)設(shè)計(jì)的齒輪副應(yīng)滿足以下條件的計(jì)算：1鄰接條件在行星輪傳動(dòng)中，為保證兩相鄰行星輪的齒頂不致相碰，相鄰兩行星輪的中心距應(yīng)大于兩齒頂圓半徑之和，由公式驗(yàn)算其鄰接條件（為行星輪的直徑，a為中心距高速級(jí)：＜2=低速級(jí)：＜2=。中心齒輪的名義轉(zhuǎn)矩為Nm，取算式系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)使用手冊(cè)》系數(shù)，查得；取接觸強(qiáng)度計(jì)算的行星齒輪間載荷分布不均勻系數(shù)，由公式可得，查得齒形系數(shù)，齒寬系數(shù)，則所得的模數(shù)m為：取齒輪模數(shù)為=2計(jì)算低速級(jí)得齒輪模數(shù)m取彎曲強(qiáng)度的初算公式，計(jì)算低速級(jí)的齒輪的模數(shù)m為，現(xiàn)已知，中心齒輪的名義轉(zhuǎn)矩，取算式系數(shù)，使用系數(shù)，綜合系數(shù)，取接觸強(qiáng)度計(jì)算的行星齒輪間載荷分布不均勻系數(shù)，由公式可得，查表得齒形系數(shù)，齒寬系數(shù)，則所得的模數(shù)m為：mm取齒輪模數(shù)為mm嚙合參數(shù)計(jì)算高速級(jí)在兩個(gè)嚙合齒輪副中，中，其標(biāo)準(zhǔn)中心距a為mm低速級(jí)在兩個(gè)嚙合齒輪副中中，其標(biāo)準(zhǔn)中心距a為mmmm由此可見(jiàn)，高速級(jí)和低速級(jí)得標(biāo)準(zhǔn)中心距均相等。齒面硬度為5862HRC，查《行星齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)》可知，取，中心齒輪加工精度為6級(jí)，高速級(jí)與低速級(jí)的內(nèi)齒輪均采用42CrMo，這種材料經(jīng)過(guò)正火和調(diào)質(zhì)處理，以獲得相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度和硬度等力學(xué)性能，調(diào)質(zhì)硬度為217259HRC，取，輪和的加工精度為7級(jí)。再考慮到安裝條件為：（整數(shù)）第二級(jí)傳動(dòng)比為6，選擇中心齒數(shù)和行星齒輪數(shù)目與第一級(jí)相同，則。對(duì)內(nèi)齒輪齒數(shù)進(jìn)行圓整后，此時(shí)實(shí)際的P值與給定的P值稍有變化，但是必須控制在其傳動(dòng)比誤差范圍內(nèi)。先考慮到該行星齒輪傳動(dòng)的外廓尺寸，故選取第一級(jí)中心齒輪數(shù)為23和行星齒輪數(shù)為。選用由兩個(gè)2XA型行星齒輪傳動(dòng)串聯(lián)而成的雙級(jí)行星齒輪減速器較為合理，名義傳動(dòng)比可分為進(jìn)行傳動(dòng)。故采用雙級(jí)行星齒輪傳動(dòng)。根據(jù)復(fù)雜路況下搜救機(jī)器人的行駛速度及各項(xiàng)工作要求，綜合各種減速器的特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用二級(jí)減速傳動(dòng)，依傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，又根據(jù)減速箱空間的限制采用二級(jí)行星齒輪減速器。另外行星減速箱，有平齒和斜齒2種，精度和價(jià)格都有不同。但是一般體積較大，傳動(dòng)效率不高，精度不高。但軸向尺寸和重量較大，且中間軸較長(zhǎng)、剛度差，沿齒寬載荷分布不均勻，高速軸的承載能力難以充分利用，適合小型、微型機(jī)械適用。用于載荷比較平衡的場(chǎng)合。展開式齒輪減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但齒輪相對(duì)于軸承的位置不對(duì)稱，因此要求軸有較大的剛度。體積要小，重量要輕。減速器應(yīng)有隔爆防爆的作用；（3）搜救機(jī)器人的行駛路況復(fù)雜，在行駛過(guò)程的啟動(dòng)、停止、前進(jìn)與后退換向頻繁。（1）目前大部分的煤礦都處于深井開采，深度大都為數(shù)百米，甚至上千米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)深于恒溫帶的深度，隨著深度的增加，地溫逐漸升高，造成地下溫度很高。本機(jī)構(gòu)采用二級(jí)減速器，電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器的實(shí)現(xiàn)減速、增大轉(zhuǎn)矩。這樣可以減小電動(dòng)機(jī)功率和電源功率，使移動(dòng)平臺(tái)更加靈 活和便攜，同時(shí)也能使用與絕大多數(shù)場(chǎng)合使用。在查閱了移動(dòng)機(jī)器人使用的各種 場(chǎng)合，對(duì)比發(fā)現(xiàn)本設(shè)計(jì)題目中的機(jī)器人主要以平地運(yùn)動(dòng)為主，因此電動(dòng)機(jī)以平地 運(yùn)動(dòng)為主要計(jì)算參數(shù)。(1) 電動(dòng)機(jī)尺寸與參數(shù)如圖331所示：圖331 電動(dòng)機(jī)尺寸(2) 電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)如下表31所示：表31電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)產(chǎn)品型號(hào)電壓額定電流轉(zhuǎn)速輸出功率效率MaxonEc4524V1800r/min150W79% 小結(jié)本章對(duì)多感官移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)做了計(jì)算校核及選型。 綜合分析礦井下的復(fù)雜環(huán)境和機(jī)器人的工作狀況，并結(jié)合各種電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)用范圍，本設(shè)計(jì)救災(zāi)機(jī)器人選用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。根據(jù)最大爬坡要求，初步確定驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)減速器后的功率為：=則所需電機(jī)的輸出功率為：=電動(dòng)機(jī)是動(dòng)力的直接輸出者，其選擇的合適與否直接關(guān)系著機(jī)器人能否平穩(wěn)運(yùn)行、爬坡、載重等一系列的動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。聯(lián)立上式得： ML=MLRfR+N2L1mgL3cos300 =(f+mgsin300)R =(50+50) =.，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器后所需提供的轉(zhuǎn)速為：n==由以上分析可知，機(jī)器人平地直線運(yùn)動(dòng)時(shí)要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較大，而爬坡時(shí)的要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩較大。移動(dòng)機(jī)器人爬坡受力情況如下圖所示。假設(shè)移動(dòng)機(jī)器人在最大指標(biāo)300的斜坡上勻速行駛。如下圖所示： 根據(jù)理論力學(xué)平面交匯力系平衡條件和合力矩定理： 則，移動(dòng)機(jī)器人平地直線運(yùn)動(dòng)的平衡方程為： ML/Rf=0 N1+N2mg=0 MLRMLfR+N2l1mgL3=0可以得出。總體布局如圖24所示。 小結(jié)綜上所述，搜救機(jī)器人平臺(tái)包括了平臺(tái)底盤，傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。圖23 2KH型行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)a、b：太陽(yáng)輪；e：行星輪；H：轉(zhuǎn)臂行星減速機(jī)其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長(zhǎng)，額定輸出扭矩可以做的很大。行星減速器采用2KH型行星齒輪傳動(dòng)。圖22搜救機(jī)器人平臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)布局為了節(jié)省空間，本題目中的傳動(dòng)系統(tǒng)采用了行星減速器設(shè)計(jì)。這樣可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的快速轉(zhuǎn)向和原地零半徑回轉(zhuǎn)。反之，前輪為驅(qū)動(dòng)輪時(shí)，履帶的上分支及導(dǎo)向輪承載最大載荷，履帶承載分支部分長(zhǎng)度處于壓縮彎折狀態(tài)，運(yùn)行阻力較大，（b）圖。履帶兩端的導(dǎo)向輪哪一個(gè)用來(lái)驅(qū)動(dòng)更為合適與履帶機(jī)構(gòu)的形狀有關(guān)。移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的選擇關(guān)系到機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)。綜上所述，搜救機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)選用無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，具體由電動(dòng)機(jī)、減速箱組成。但是傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、散熱性能差，它必須有炭刷和換向器，炭刷易產(chǎn)生電火花會(huì)引起電磁干擾，它和換向器易損壞，降低了電機(jī)的穩(wěn)定性和壽命。交流電機(jī)(AC)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)便宜、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，一些工業(yè)機(jī)器人就使用交流供電，但是交流電機(jī)控制特性較差，要實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速必須做到頻率無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，雖然在現(xiàn)代控制理論發(fā)展到今天和產(chǎn)生了矢量控制技術(shù)以及脈寬調(diào)(PWM)技術(shù)的條件下交流電機(jī)變頻調(diào)速己成為現(xiàn)實(shí)，但是交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)還是比較復(fù)雜。電動(dòng)機(jī)的性能直接決定著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能，它的選擇成為設(shè)計(jì)多功能特殊移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此本搜救機(jī)器人平臺(tái)采用電動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，并將蓄電池作為電動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)的動(dòng)力能源。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有傳動(dòng)平穩(wěn)、靈活、速度快、控制簡(jiǎn)單精確、無(wú)污染、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)管路系統(tǒng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，選擇最佳的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是設(shè)計(jì)搜救機(jī)器人的關(guān)鍵。雙節(jié)履帶設(shè)計(jì)是目前出現(xiàn)的眾多復(fù)合履帶式結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人中的一種。履帶式移動(dòng)機(jī)器人適合在未加工的天然路面上行走，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。移動(dòng)平臺(tái)的底盤是搜救機(jī)器人的基礎(chǔ)，機(jī)器人的各種傳感器、控制器、驅(qū)動(dòng)器以及搭載平臺(tái)都需要以移動(dòng)平臺(tái)為載體，同時(shí)移動(dòng)平臺(tái)還要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的基本功能——移動(dòng)。2移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)的搜救機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)包括移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)。表11多感官移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)要求總體結(jié)構(gòu)雙節(jié)履帶式結(jié)構(gòu)自重50Kg載荷50Kg搭載接口二維隨動(dòng)搭載平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸760*500*160平地最大速度1m/s正常速度最大通過(guò)坡度30176。由此想到用行星輪減速器，將其裝在驅(qū)動(dòng)輪中，這種結(jié)構(gòu)可以增大減速比，提高驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)減小了減速器所占的空間，而且機(jī)構(gòu)緊湊。遇到此問(wèn)題后查閱了《汽車構(gòu)造》一書，其中減速器一章介紹了輪邊減速器。降低了移動(dòng)機(jī)器人的重心，保證了其行進(jìn)中的穩(wěn)定性。綜上所述，搜救機(jī)器人要完成既定任務(wù)應(yīng)具體有以下幾方面需求：l)移動(dòng)靈活敏捷；2)較強(qiáng)的越障、避障能力；3)適應(yīng)性能較強(qiáng)。移動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本課題主要解決的問(wèn)題。機(jī)器人裝備有通信系統(tǒng)，在與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)化接口技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可使機(jī)器人更具備操控性，同時(shí)機(jī)器人通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可維護(hù)性、兼容性也更好。多機(jī)器人系統(tǒng)是礦井救災(zāi)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的主要方向。優(yōu)良的導(dǎo)航性能、信息采集能力仍是今后礦井救災(zāi)機(jī)器人導(dǎo)航技術(shù)的主要發(fā)展方向。但是，由于礦井救災(zāi)機(jī)器人特殊的工作環(huán)境和工作要求的不斷提高，礦井救災(zāi)機(jī)器人技術(shù)方面還需要有所突破：機(jī)械性能方面，能夠適應(yīng)礦井惡劣的災(zāi)后環(huán)境，對(duì)非結(jié)構(gòu)的地形環(huán)境具有良好的自適應(yīng)能力，具備較好的越障能力。救災(zāi)機(jī)器人是智能化機(jī)器人在煤礦領(lǐng)域的全新應(yīng)用，盡管某些關(guān)鍵技術(shù)仍需要進(jìn)一步研究，但救災(zāi)機(jī)器人具有高度的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)論研發(fā)哪一種用途的救災(zāi)機(jī)器人都應(yīng)包括如下研究?jī)?nèi)容：(1)機(jī)構(gòu)部分：搭建一個(gè)機(jī)動(dòng)性和地面適應(yīng)性好、越障能力強(qiáng)、