履帶機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)【含6張CAD圖紙和說(shuō)明書(shū)】
履帶機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)【含6張CAD圖紙和說(shuō)明書(shū)】,含6張CAD圖紙和說(shuō)明書(shū),履帶,機(jī)器人,行走,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),cad,圖紙,以及,說(shuō)明書(shū),仿單
附件6
中期報(bào)告
學(xué)生姓名
學(xué)號(hào)
指導(dǎo)教師
課題名稱(chēng)
履帶機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
簡(jiǎn)述開(kāi)題以來(lái)所做的具體工作和取得的進(jìn)展或成果：
在學(xué)校圖書(shū)館和網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行資料收集，研究機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的組成，設(shè)計(jì)及其受力分析，設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)和參數(shù)基本確定，完成了一些標(biāo)準(zhǔn)件的選型及大多數(shù)零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算工作，部分零件圖設(shè)計(jì)基本完成，開(kāi)始整理設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，并對(duì)一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核。
存在的具體問(wèn)題與解決方法：
由于專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)不夠深入，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)欠缺，參考資料有限，設(shè)計(jì)主題思想把握不夠，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)器人越障分析有一定難度，以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的減速器，齒輪，電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)問(wèn)題還需加以細(xì)化改正。
將查閱資料的范圍從圖書(shū)館上升到網(wǎng)絡(luò)上，更加細(xì)化資料收集，找更多相關(guān)性設(shè)計(jì)進(jìn)行參考。
下一步工作的主要研究任務(wù)、具體設(shè)想與安排：
完成履帶機(jī)器人的裝配圖及零件圖的繪制，綜合參考資料，并完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
指導(dǎo)教師對(duì)前期工作的評(píng)價(jià)：
指導(dǎo)教師簽名：
年 月 日
注：1、本表可根據(jù)內(nèi)容續(xù)頁(yè)；2、指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)及簽名手寫(xiě)，其他內(nèi)容電子版填寫(xiě)。
附件3
任務(wù)書(shū)
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指導(dǎo)教師姓名
論文（設(shè)計(jì)）題目
履帶機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
下達(dá)任務(wù)日期
任務(wù)起止日期
主要研究?jī)?nèi)容及方法
1、掌握履帶機(jī)器人的原理、結(jié)構(gòu)、性能要求；
2、行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)：主動(dòng)輪減速機(jī)構(gòu)、翼板轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)；
3、履帶機(jī)器人越障、爬坡能力設(shè)計(jì)。
主要任務(wù)及目標(biāo)
1、完成履帶機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，包含主動(dòng)輪減速機(jī)構(gòu)、翼板轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)；
2、用CAD完成履帶機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)整體設(shè)計(jì)圖；
3、完成履帶機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)主要零件圖三張2號(hào)與裝配圖兩張0號(hào)。
主要參考文獻(xiàn)
[1] 吉 洋 霍光青 .履帶式移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備第40卷第10期:7-10
[2]崔政斌 王明明 .履帶式機(jī)器人的選用手冊(cè)第二版[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2010.5-30
[3]毛恩榮 張紅 宋正河 .車(chē)輛人機(jī)工程學(xué)第2版[M].北京理工大學(xué)出版社，2007.53-80
[3]丁玉蘭 .人機(jī)工程學(xué)第三版[M].北京理工大學(xué)出版社，2010.60-73
[4]濮良貴 紀(jì)名剛 .機(jī)械設(shè)計(jì)第八版[M].高等教育出版社，2010.35-41
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[15]徐飛 楊海忠 .主從履帶復(fù)合式越障機(jī)器人軟土行走研究[J].工礦自動(dòng)化2012.25-27
[16]王松濤 朱華 .履帶式煤礦救援機(jī)器人越障能力的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].礦山機(jī)械2012.8-10
進(jìn)度安排
各階段工作任務(wù)
起止日期
查閱文獻(xiàn)，明確思路，完成開(kāi)題
3.05---3.10
確定設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案、完成相關(guān)計(jì)算及總體設(shè)計(jì)
3.11---3.20
行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，越障、爬坡受力分析以及車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)
3.21---4.15
進(jìn)行履帶、齒輪、電機(jī)的選擇
4.16---4.30
撰寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，進(jìn)行零件圖的繪制
5.01---5.20
任務(wù)下達(dá)人簽名
任務(wù)接收人
簽名
教研室指導(dǎo)小組組長(zhǎng)簽名
系部領(lǐng)導(dǎo)小組組長(zhǎng)簽名
注：1、本表可根據(jù)內(nèi)容續(xù)頁(yè)； 2、本表一式兩份，學(xué)生、系部存檔各一份；3、簽名需手寫(xiě)，其他內(nèi)容電子版填寫(xiě)。
題 目:
履帶機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
摘 要
隨著我國(guó)改革開(kāi)放的不斷開(kāi)展，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用都得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展，機(jī)器人已成為各個(gè)行業(yè)必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。移動(dòng)機(jī)器人相比普通關(guān)節(jié)機(jī)器人增加了移動(dòng)機(jī)構(gòu)，移動(dòng)的方式多種多樣，有腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)等等，選擇何種移動(dòng)方式?jīng)Q定了移動(dòng)機(jī)器人的工作性質(zhì)和內(nèi)容。
本篇論文中提出了一種結(jié)構(gòu)巧妙、機(jī)動(dòng)性好、穩(wěn)定性能高的多功能履帶式機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，此設(shè)計(jì)移動(dòng)方案的選擇是采用了履帶式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)整體使用模塊化設(shè)計(jì)，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(dòng)控制前后兩側(cè)搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而達(dá)到輔助過(guò)坑、越障等動(dòng)作。機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由四部分組成：主動(dòng)輪減速機(jī)構(gòu)、翼板轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)。經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)后機(jī)器人將具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力、機(jī)動(dòng)能力并能承受一定的掉落沖擊。
本研究的意義是為機(jī)器人提供一個(gè)動(dòng)力輸出平臺(tái)，主要完成了履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，針對(duì)履帶機(jī)器人中采用的履帶、減速器、電動(dòng)機(jī)等也進(jìn)行了必要的闡析，通過(guò)對(duì)履帶機(jī)器人的相關(guān)性能要求的驗(yàn)算，得出設(shè)計(jì)的結(jié)果基本上能夠符合設(shè)計(jì)要求這一結(jié)果。
關(guān)鍵詞：履帶機(jī)器人;履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu);模塊化設(shè)計(jì)
Abstract
With the continuous development of China's reform and opening up, China's economic construction and technology application have been developed rapidly and steadily, and robots have become an indispensable key equipment in various industries. Compared with the ordinary mobile robot joint robot increased the mobile mechanism, move in different ways, have legs type mobile mechanism, wheeled mobile mechanism, caterpillar mobile mechanism and so on, choose what kind of way to determine the nature of work and contents of the mobile robot.
This paper puts forward a structure, good maneuverability, high stability performance of multi-function crawler robot design, this design is the choice of mobile solutions adopted crawler drive structure. Structure of the overall use of modular design, in order to follow-up maintenance, removal can be adapted to various complicated road, and can turn on either side of the rocker arm before and after active control to regulate the robot's motion, so as to achieve auxiliary pit, surmounting obstacles. The moving mechanism of the robot consists of four parts: the active wheel deceleration mechanism, the rotating mechanism of the airfoil, the adaptive pavement actuator, the crawler and the crawler wheel movement mechanism. After a reasonable design, the robot will have good environmental adaptability, maneuverability and can withstand certain drop impact.
The significance of this study is to provide a platform for power output for robot, mainly completed the crawler mobile mechanism design, in view of the tracked robot track, speed reducer, motor and so on has made the necessary expatiates, through calculating the related performance requirements of tracked robot, it is concluded that the design result can basically meet the design requirements of the result.
Keywords: tracked robot; tracked mobile mechanism;the modular design
目 錄
第1章 緒 論 1
1.1 引言 1
1.2 履帶機(jī)器人的發(fā)展概況 1
1.3 課題研究的意義及目的 3
第2章 履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3
2.1 履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求 5
2.2 履帶機(jī)器人的設(shè)計(jì)概述 5
2.2.1 多功能履帶式機(jī)器人與其他類(lèi)型移動(dòng)機(jī)器人原理的對(duì)比 5
2.2.2 多功能履帶式機(jī)器人與其他類(lèi)型移動(dòng)機(jī)器人特點(diǎn)的對(duì)比 8
2.2.3 多功能履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù) 9
2.3 履帶機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性 9
2.3.1 平面運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)彎 9
2.3.2 自撐起及涉水 10
2.3.3 越障 10
2.4 履帶機(jī)器人的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和尺寸 11
2.4.1 履帶機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的選擇 11
2.4.2 多功能履帶式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成和尺寸 12
2.4.3 多功能履帶式機(jī)器人主要機(jī)構(gòu)的工作原理 13
2.5 履帶機(jī)器人的越障分析 13
2.5.1 跨越臺(tái)階 13
2.5.2 跨越溝槽 14
2.5.3 斜坡運(yùn)動(dòng)分析 15
2.6 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)主履帶電機(jī)的選擇 16
2.6.1 機(jī)器人在平直的路上行駛 16
2.6.2 機(jī)器人在30°坡上勻速行駛 17
2.6.3 機(jī)器人的多姿態(tài)越階 17
2.7 履帶部分的設(shè)計(jì) 19
2.7.1 履帶的選擇 19
2.7.2 功率的計(jì)算 19
2.7.3 確定帶的型號(hào)和節(jié)距 20
2.7.4 確定從動(dòng)輪的直徑 21
2.7.5 確定節(jié)線(xiàn)長(zhǎng)度 23
2.7.6 確定設(shè)計(jì)功率時(shí)所需的帶寬 24
2.7.7 功率驗(yàn)算 26
2.7.8 同步帶的物理機(jī)械性能 27
2.8 履帶主從動(dòng)輪的設(shè)計(jì) 27
2.8.1 履帶輪材料選擇 27
2.8.2 履帶輪形狀及其主要尺寸的確定 27
2.8.3 履帶輪齒形及齒面寬度的選擇 28
2.8.4 履帶輪所允許的公差 30
2.9 副履帶部分設(shè)計(jì) 31
2.9.1 計(jì)算副履帶的帶寬 31
2.9.2 計(jì)算H帶的基準(zhǔn)額定功率 31
2.9.3 中心距的選擇 32
2.9.4 計(jì)算副履帶節(jié)線(xiàn)長(zhǎng)度 32
2.10 履帶翼板部分設(shè)計(jì) 33
2.10.1 履帶翼板的作用 33
2.10.2 履帶翼板設(shè)計(jì) 33
2.11 主履帶的重心計(jì)算 34
2.11.1 翼板質(zhì)量 34
2.11.2 履帶從動(dòng)輪的質(zhì)量 35
2.11.3 張緊輪、調(diào)節(jié)輪質(zhì)量 35
2.11.4 履帶驅(qū)動(dòng)裝置重心 35
2.12 副履帶的重心計(jì)算 37
2.12.1 主從動(dòng)輪的重心坐標(biāo) 37
2.12.2 翼板2的重心坐標(biāo) 38
2.12.3 副履帶的重心坐標(biāo) 38
2.13 主履帶及其搖臂也就是副履帶總部分的重心計(jì)算 38
第3章 總結(jié) 39
參考文獻(xiàn) 41
致 謝 43
第1章 緒 論
1.1 引言
隨著社會(huì)的發(fā)展，我們面臨的自身能力、能量的局限越來(lái)越多，所以我們創(chuàng)造了各種類(lèi)型的機(jī)器人來(lái)輔助或代替我們完成任務(wù)。
機(jī)器人應(yīng)用的地方變得越來(lái)越多，從單一的生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展到各行各業(yè)，甚至延伸到排爆等危險(xiǎn)的具體工作?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都開(kāi)始了對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)研發(fā)和設(shè)計(jì)，而移動(dòng)機(jī)器人選擇何種移動(dòng)方式是其設(shè)計(jì)時(shí)最重要的考慮點(diǎn)之一。移動(dòng)機(jī)器人按其移動(dòng)結(jié)構(gòu)可以分為腿式，輪式和履帶式三大類(lèi)，這三類(lèi)各有其優(yōu)缺點(diǎn)。
隨著移動(dòng)機(jī)器人行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，腿式機(jī)器人由于其結(jié)構(gòu)和操作過(guò)于復(fù)雜，且應(yīng)用的場(chǎng)地通常有特殊要求，因此并沒(méi)有得到廣泛的使用。而目前市場(chǎng)上的移動(dòng)機(jī)器人主流仍是輪式機(jī)器人，但是同樣存在著許多缺陷，最大的問(wèn)題是輪式機(jī)器人對(duì)行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時(shí)極容易打滑；且移動(dòng)轉(zhuǎn)向的時(shí)候需要整個(gè)機(jī)器人本體轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎半徑較大，占用的行走空間較多。
履帶機(jī)器人，主要指搭載履帶底盤(pán)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人，履帶機(jī)器人具有牽引力大，不易打滑、越野性能好等優(yōu)點(diǎn)，可以搭載攝像頭、探測(cè)器等設(shè)備代替人類(lèi)從事一些危險(xiǎn)工作，因此對(duì)其進(jìn)一步的研究是不能忽視的。
1.2 履帶機(jī)器人的發(fā)展概況
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(dòng)機(jī)械手。機(jī)器人移動(dòng)功能的大力研究和開(kāi)發(fā)是20世紀(jì)80年代以后才開(kāi)始，現(xiàn)在作為移動(dòng)機(jī)器人而研制的移動(dòng)機(jī)械類(lèi)型已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了機(jī)械手。尤其是履帶式機(jī)器人，不僅是生物體中沒(méi)見(jiàn)過(guò)的移動(dòng)形態(tài)，而且能夠在復(fù)雜的環(huán)境下行進(jìn)。
履帶式機(jī)器人包括偵察機(jī)器人、巡邏機(jī)器人、爆炸處理機(jī)器人、步兵支援機(jī)器人以及復(fù)雜環(huán)境下搜救機(jī)器人等，用來(lái)代替我們進(jìn)入危險(xiǎn)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(xiǎn)系數(shù)，在我們未來(lái)的生活與工作中起到非常重要的作用。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(xiàn)傳輸、清掃、導(dǎo)盲和搜救復(fù)雜環(huán)境下的資料等各個(gè)方面。
目前美國(guó)的移動(dòng)機(jī)器人的研發(fā)已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，他們成功將該機(jī)器人應(yīng)用到一些危險(xiǎn)的環(huán)境中實(shí)際作業(yè)，還有部分移動(dòng)機(jī)器人甚至開(kāi)始在戰(zhàn)爭(zhēng)中嶄露頭角，代表機(jī)器人有Packbot機(jī)器人，Talon機(jī)器人，NUGV等。
圖1-1 RackBot準(zhǔn)備展開(kāi) 圖1-2 RackBot伸展情況
圖1-3 SUGV機(jī)器人 圖1-4 Warrior機(jī)器人
德國(guó)telemax防爆機(jī)器人：僅在一兩年前，德國(guó)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(gè)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1-5 telemax行走姿勢(shì) 圖1-6最緊湊姿勢(shì)
我國(guó)微小型機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)晚于西方的一些發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始機(jī)器人領(lǐng)域的研究的。其中具有代表性的有中國(guó)科學(xué)院研制的復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人“靈晰-B”型排爆機(jī)器人，“龍衛(wèi)士Dragon Guard X3B 反恐機(jī)器人”，“JW-901 排爆機(jī)器人”等。
1.3 課題研究的意義及目的
本研究的意義是為機(jī)器人提供一個(gè)動(dòng)力輸出平臺(tái)，為開(kāi)發(fā)各種功能的機(jī)器人提供基礎(chǔ)平臺(tái)。此設(shè)計(jì)移動(dòng)方案的選擇是采用了履帶式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)整體使用模塊化設(shè)計(jì)，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(dòng)控制前后兩側(cè)搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而達(dá)到輔助過(guò)坑、越障等動(dòng)作。經(jīng)過(guò)合理的設(shè)計(jì)后機(jī)器人將具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力、機(jī)動(dòng)能力并能承受一定的掉落沖擊，此設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由四部分組成：主動(dòng)輪減速機(jī)構(gòu)、翼板轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)。
此設(shè)計(jì)的目的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎，能實(shí)現(xiàn)過(guò)坑、越障等動(dòng)作。通過(guò)在機(jī)器人機(jī)架上加裝其他功能的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的使用功能。
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第2章 履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
現(xiàn)有市場(chǎng)上常見(jiàn)的移動(dòng)機(jī)器人基本上都是輪式機(jī)器人，其基本工作方式為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，輪子再將動(dòng)力傳遞給整個(gè)輪式機(jī)器人達(dá)到讓其自由行走的目的。輪式機(jī)器人主要有以下幾個(gè)方面的缺點(diǎn)：對(duì)行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時(shí)極容易打滑；且移動(dòng)轉(zhuǎn)向的時(shí)候需要整個(gè)機(jī)器人本體轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎半徑較大，占用的行走空間較多；而本設(shè)計(jì)中的多功能履帶式機(jī)器人采用履帶驅(qū)動(dòng)的工作原理，其基本工作方式為行走電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)履帶本體轉(zhuǎn)動(dòng)提供履帶式機(jī)器人行走的動(dòng)力，關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)履帶本體調(diào)整其行走角度，讓機(jī)器人本體能夠自如的翻越障礙。
這兩種移動(dòng)機(jī)器人的工作原理截然不同，兩者結(jié)構(gòu)不同、實(shí)現(xiàn)方式不同，使用方法也不相同。本篇論文中的多功能履帶式機(jī)器人設(shè)計(jì)運(yùn)用了巧妙的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，利用電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人行走的源動(dòng)力，再通過(guò)穩(wěn)定的減速器和鏈傳動(dòng)將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給履帶，使得機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自由的行走，且多功能履帶式機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)，通過(guò)調(diào)整關(guān)節(jié)角度，使得整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程更加平穩(wěn)。我們?cè)诂F(xiàn)有的單節(jié)雙履帶式機(jī)器人的理論基礎(chǔ)上改良結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，本次設(shè)計(jì)的多功能履帶式機(jī)器人采用雙節(jié)六履帶式結(jié)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，綜合材質(zhì)的選擇、結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，讓使用者更加方便穩(wěn)定的使用該移動(dòng)機(jī)器人，這是本篇論文多功能履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)初衷。
2.1 履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求
（1）本設(shè)計(jì)中的多功能履帶式機(jī)器人主要在一些人不方便進(jìn)入的小型場(chǎng)合使用，包括倒塌的建筑物內(nèi)，災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，危險(xiǎn)災(zāi)區(qū)和坍塌煤礦等。
（2）本設(shè)計(jì)之前綜合考慮，該多功能履帶式機(jī)器人應(yīng)該具有以下功能：產(chǎn)品加工生產(chǎn)成本低，質(zhì)量安全穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，使用便捷，方便搬運(yùn)移動(dòng)。
（3）本設(shè)計(jì)從履帶機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析及計(jì)算闡述。
2.2 履帶機(jī)器人的設(shè)計(jì)概述
2.2.1 多功能履帶式機(jī)器人與其他類(lèi)型移動(dòng)機(jī)器人原理的對(duì)比
（1）輪式機(jī)器人的工作原理
最早出現(xiàn)的移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)當(dāng)是輪式機(jī)器人。隨著各個(gè)行業(yè)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)量要求的不斷提高，輪式機(jī)器人也得到了快速的發(fā)展與運(yùn)用。
輪式機(jī)器人以輪式移動(dòng)為基礎(chǔ)，相對(duì)腿式、履帶式或其它非輪式的移動(dòng)機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)速度快、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易等優(yōu)勢(shì)。與其他移動(dòng)機(jī)器人相比，輪式機(jī)器人最大的優(yōu)點(diǎn)便是操作簡(jiǎn)單，其行走區(qū)域不需要假設(shè)軌道、支座架等固定裝置，電路控制方便簡(jiǎn)單，且不易損壞。因此，輪式機(jī)器人大多數(shù)在較好的環(huán)境下使用，如今在自動(dòng)化物流系統(tǒng)中被廣泛使用，利用其快捷性和高效性，實(shí)現(xiàn)高物流倉(cāng)庫(kù)高效、經(jīng)濟(jì)、便捷的無(wú)人化管理。
輪式機(jī)器人，其基本工作原理為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，輪子再將動(dòng)力傳遞給整個(gè)輪式機(jī)器人達(dá)到讓其自由行走的目的。再通過(guò)其他輔助功能，如地面控制系統(tǒng)，車(chē)載控制系統(tǒng)，導(dǎo)航引導(dǎo)方式等綜合起來(lái)形成完整的結(jié)構(gòu)體系。隨著對(duì)輪式機(jī)器人的深入研究分析，輪式機(jī)器人的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大,如今也廣泛運(yùn)用于工業(yè)、軍事、交通運(yùn)輸、電子等領(lǐng)域,，同樣具有很強(qiáng)的抗干擾能力和目標(biāo)識(shí)別能力。
圖2-1 常見(jiàn)輪式機(jī)器人實(shí)物圖
（2）腿式機(jī)器人的工作原理：
腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有：
(a)腿式機(jī)器人的地形適應(yīng)能力強(qiáng)。
(b)腿式機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)更具有靈活性，通過(guò)調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)度可以控制機(jī)器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高。
(c)腿式機(jī)器人的身體與地面分離，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)器人身體可以平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移動(dòng)機(jī)器人如圖7-2所示，特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，越野能力強(qiáng)。
腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)有：
該類(lèi)機(jī)器人的移動(dòng)速度慢，機(jī)動(dòng)性較差．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。
圖2-2八腿機(jī)器人
（3）履帶式機(jī)器人的工作原理
在本世紀(jì)早期，以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源帶動(dòng)的單節(jié)雙履帶式機(jī)器人就已經(jīng)出現(xiàn)了。隨著現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，如今出現(xiàn)了雙節(jié)四履帶式機(jī)器人和多節(jié)多履帶式機(jī)器人等等類(lèi)型的履帶式機(jī)器人。
機(jī)器人的車(chē)體的履帶作為履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，與前臂和后臂轉(zhuǎn)動(dòng)相協(xié)調(diào)，增加了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性。
機(jī)器人前臂和后臂各有一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)前臂和后臂的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，在機(jī)器人爬坡和越障時(shí)發(fā)揮更大作用。機(jī)器人前臂和后臂協(xié)調(diào)作用，穩(wěn)定性將更好。
機(jī)器人車(chē)體左右兩邊履帶各有永磁式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)向，前進(jìn)時(shí)的自由轉(zhuǎn)向，隨時(shí)調(diào)解爬坡時(shí)的力矩大小。在車(chē)體主履帶前端是慣性軸，與主動(dòng)軸配合，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)。
圖2-3六履機(jī)器人
2.2.2 多功能履帶式機(jī)器人與其他類(lèi)型移動(dòng)機(jī)器人特點(diǎn)的對(duì)比
多功能履帶式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)：
（1）在惡劣環(huán)境下也可以作業(yè)，越障機(jī)動(dòng)性好；
（2）具有很好的自復(fù)位能力，可以從任何顛覆狀態(tài)恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)；
（3）履帶上的履齒不容易打滑，與地面的附著性好，能夠最大程度的發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的效率
輪式機(jī)器人的缺點(diǎn)：
（1）對(duì)行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時(shí)極容易打滑；
（2）移動(dòng)轉(zhuǎn)向的時(shí)候需要整個(gè)機(jī)器人本體轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎半徑較大，占用的行走空間較多
（3）輪式機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，非專(zhuān)業(yè)人員不容易檢查和排除問(wèn)題。
表2-2典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能對(duì)比表
移動(dòng)方式
輪式
履帶式
腿式
移動(dòng)速度
快
較快
慢
越障能力
差
一般
好
復(fù)雜程度
簡(jiǎn)單
一般
復(fù)雜
能耗量
小
較小
大
控制難易
易
一般
復(fù)雜
2.2.3 多功能履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)
總體結(jié)構(gòu)
六節(jié)履腿式結(jié)構(gòu)
最大通過(guò)坡度
30°
自重
50Kg
通過(guò)能力
能通過(guò)復(fù)雜行道
載荷
〉50Kg
續(xù)航能力
5小時(shí)以上
搭載接口
二維隨動(dòng)搭載平臺(tái)
轉(zhuǎn)向能力
自由轉(zhuǎn)向
結(jié)構(gòu)尺寸
1205*624*380
履帶高度
200mm
平地最大速度度速度
0.5m/s
前臂履帶末
80mm
正常速度
0.3m/s
后臂履帶末
80mm
圖2-3履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)
2.3 履帶機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性
2.3.1 平面運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)彎
平面運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)彎是最基本的運(yùn)動(dòng)方式，當(dāng)兩側(cè)的履帶同向等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，則表現(xiàn)為直線(xiàn)行走，當(dāng)兩側(cè)履帶反向等速運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)原地零半徑回轉(zhuǎn)，而不同速度同向運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)任意半徑轉(zhuǎn)向。
圖3-1（a）、圖3-1（b）為四擺臂履帶單元同時(shí)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3-1（a） 圖3-1（b）
圖3-1（c）、圖3-1（d）、圖3-1（e）中當(dāng)遇到小坡度的斜坡時(shí)，可直接爬坡而不必采取其他動(dòng)作，從而可減少對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)要求；
圖3-1（c） 圖3-1（d） 圖3-1（e）
圖3-1（f）為四擺臂單元向上擺到中間位置，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人小空間轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。
圖3-1（f）
機(jī)器人爬坡時(shí)，姿態(tài)可以轉(zhuǎn)變成圖3-1（g）。當(dāng)坡度較大時(shí)，則圖3-1（h）和圖3-1（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。
圖3-1（g） 圖3-1（h） 圖3-1（i）
2.3.2 自撐起及涉水
機(jī)器人的主要控制系統(tǒng)和檢測(cè)元件則安裝在中間箱體中，為了避免在運(yùn)動(dòng)中被損壞，機(jī)器人可以通過(guò)4個(gè)擺臂單元向下擺動(dòng)，抬高中間箱體的高度。且其以各自不同的擺動(dòng)角度向下擺動(dòng)時(shí)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(dòng)作。
2.3.3 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(chē)體抬起，所以可越過(guò)高于自身高度的障礙物。圖示（a）-（h）表示機(jī)器人越過(guò)高障礙物的一般過(guò)程。履帶利用齒形對(duì)障礙物的抓爬力來(lái)向上攀爬，同時(shí)后擺臂向下擺動(dòng)以使車(chē)體抬高，當(dāng)擺到與地面垂直時(shí)后擺臂停止擺動(dòng)。當(dāng)主履帶爬到障礙物上面時(shí)，前擺臂向前向下擺動(dòng)支起車(chē)體，機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)，直到其重心越過(guò)臺(tái)階。重心越過(guò)臺(tái)階后，前擺臂向前向上擺動(dòng)直到與地面貼合，同時(shí)后擺臂向后向上擺動(dòng)與車(chē)體成一后攻角為止，此時(shí)機(jī)器人已越上臺(tái)階。整個(gè)過(guò)程中，履帶始終向前爬行。
圖3-2救災(zāi)機(jī)器人越障過(guò)程
2.4 履帶機(jī)器人的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和尺寸
2.4.1 履帶機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的選擇
本文履帶機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)采用的是履腿式復(fù)合結(jié)構(gòu)，總體設(shè)計(jì)方案如圖2-4所示。機(jī)器人的車(chē)體的履帶作為履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，與前臂和后臂轉(zhuǎn)動(dòng)相協(xié)調(diào)，增加了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性。
機(jī)器人前臂和后臂各有一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)前臂和后臂的靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，在機(jī)器人爬坡和越障時(shí)發(fā)揮更大作用。機(jī)器人前臂和后臂協(xié)調(diào)作用，穩(wěn)定性將更好。
機(jī)器人車(chē)體左右兩邊履帶各有永磁式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)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(shí)現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)向，前進(jìn)時(shí)的自由轉(zhuǎn)向，隨時(shí)調(diào)解爬坡時(shí)的力矩大小。在車(chē)體主履帶前端是慣性軸，與主動(dòng)軸配合，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)。
2.4.2 多功能履帶式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成和尺寸
圖4-1多功能履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
1.后擺臂及履帶 2.齒輪 3.永磁式直流電機(jī) 4. 減速器 5. 蓄電池 6.微控制器及組件 7.步進(jìn)電機(jī) 8. 主履帶 9.前擺臂及履帶
圖4-2機(jī)器人車(chē)體具體尺寸
2.4.3 多功能履帶式機(jī)器人主要機(jī)構(gòu)的工作原理
減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是電動(dòng)機(jī)通過(guò)行星輪減速器的降速，來(lái)實(shí)現(xiàn)增大轉(zhuǎn)矩、調(diào)速，通過(guò)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?jiǎng)恿Α：筝S驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)后軸位于傳動(dòng)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)是機(jī)器人在行駛過(guò)程中，經(jīng)常需要改變行駛方向，本機(jī)構(gòu)是通過(guò)兩個(gè)電機(jī)的差速比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
動(dòng)力部分采用電機(jī)，通過(guò)齒輪副降速后帶動(dòng)低速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，軸與履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)連接，使履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各自繞前后軸的中心線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不同角度的爬坡和越障能力。
2.5 履帶機(jī)器人的越障分析
2.5.1 跨越臺(tái)階
當(dāng)機(jī)器人在爬越臺(tái)階時(shí)，機(jī)器人履帶底線(xiàn)與地面之間的夾角將慢慢增大，當(dāng)重心越過(guò)臺(tái)階的支撐點(diǎn)時(shí)，則完成了爬越臺(tái)階的動(dòng)作。由運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以看出，圖5-1重心的位置處于臨界狀態(tài)，機(jī)器人重心只有越過(guò)臺(tái)階邊緣，機(jī)器人才能成功的越過(guò)障礙。由此可分析出機(jī)器人的最大越障高度。
圖5-1上臺(tái)階臨界狀態(tài)示意圖
由圖5-1所示幾何關(guān)系可得：
（5-1）
變換式（5-1）可得：
（5-2）
（5-3）
利用式（5-3）求出，代入式（5-2）可算出機(jī)器人跨越障礙的高度。
機(jī)器人加裝后臂，可以大幅提高機(jī)器人跨越臺(tái)階的高度，如圖5-2所示，在后臂伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)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。
所以本次設(shè)計(jì)履帶設(shè)計(jì)中機(jī)器人跨越障礙的最大高度為：
H=600mm
圖5-2上臺(tái)階臨界狀態(tài)示意圖
2.5.2 跨越溝槽
對(duì)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(chē)體內(nèi)，當(dāng)機(jī)器人重心越過(guò)下一個(gè)溝槽的支撐點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人就越過(guò)了溝槽。也可能由于重心未能過(guò)去，傾翻在溝槽內(nèi)。當(dāng)溝槽大于中心距時(shí)，履帶式機(jī)器人可以看做爬越凸臺(tái)障礙。履帶式移動(dòng)機(jī)器人跨越溝槽時(shí)，當(dāng)重心越過(guò)溝槽邊緣時(shí)，受重力作用，機(jī)器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)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(kāi)后機(jī)器人履帶與地接觸長(zhǎng)度變大，為了計(jì)算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應(yīng)處于展開(kāi)狀態(tài)。機(jī)器人前臂和后臂的長(zhǎng)度相等。
機(jī)器人在平地圖5-3（a）跨越溝槽的寬度：
（5-4）
圖5-3跨越溝槽示意圖
2.5.3 斜坡運(yùn)動(dòng)分析
機(jī)器人在斜坡上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受力情況如圖5-4所示，機(jī)器人勻速行駛或靜止時(shí)，其驅(qū)動(dòng)力：
（5-5）
圖5-4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：
（5-6）
當(dāng)時(shí)，機(jī)器人能平穩(wěn)行駛。
當(dāng)時(shí)，機(jī)器人受重力的影響將沿斜面下滑。
已知履帶機(jī)器人對(duì)地面的最大靜摩擦系數(shù)，則機(jī)器人爬越的最大坡度為:
爬坡時(shí)克服摩擦力所需的最大加速度為：
（5-7）
通過(guò)上述分析，可以根據(jù)機(jī)器人履帶與運(yùn)動(dòng)面的摩擦系數(shù)來(lái)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(dòng)過(guò)程最大加速及爬升都陡坡的快速性。
由以上計(jì)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：最大跨溝寬度為400mm。
2.6 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)主履帶電機(jī)的選擇
對(duì)于履帶和地面的動(dòng)摩擦因數(shù)，實(shí)際上只是表示起動(dòng)時(shí)車(chē)輪所處的滑動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的滑動(dòng)摩擦力，一旦車(chē)輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，面臨的滾動(dòng)摩擦力則總是比滑動(dòng)摩擦力小得多。則可取大一點(diǎn)。
2.6.1 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(dòng)，假設(shè)其速度最大，且勻速前進(jìn)，則取
履帶式機(jī)器人共有兩個(gè)輸出軸，每個(gè)輸出軸前端都有一個(gè)電機(jī)，對(duì)機(jī)器人其中一個(gè)輸出軸分析:
圖6-1 平直路線(xiàn)分析
（6-1）
（6-2）
又 則
在最大的行駛速度下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為：
2.6.2 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(guò)程中輪子作純滾動(dòng)，不考慮空氣阻力的影響，機(jī)器人爬坡受力情況如圖
圖6-2 30°坡度分析
（6-3）
（6-4）
又，則
則在最大坡度下需提供極限轉(zhuǎn)矩為
2.6.3 機(jī)器人的多姿態(tài)越階
對(duì)這幾種姿態(tài)分析，機(jī)器人在跨越臺(tái)階時(shí)直流電機(jī)只驅(qū)動(dòng)主履帶，機(jī)器人在實(shí)際跨越臺(tái)階過(guò)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(xiàn)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)需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較大。因此，在選電機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)平地直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)所求的最大轉(zhuǎn)速和爬坡運(yùn)動(dòng)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：
,
機(jī)器在平面狀況下，
因而選取P=80W作為機(jī)器人的最大輸出功率。
根據(jù)計(jì)算的履帶式機(jī)器人的最大輸出功率為80W, 輸出轉(zhuǎn)矩為22.1N.M, 輸出轉(zhuǎn)速為56.2r/min。
因?yàn)橹绷麟姍C(jī)啟動(dòng)性能好，過(guò)載性能強(qiáng)，可承受頻繁沖擊、制動(dòng)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(guò)程中可攜帶或可移動(dòng)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(mǎn)足主履帶頻繁受沖擊，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的要求，滿(mǎn)足機(jī)器人要攜帶移動(dòng)電池的要求，因而則選擇90ZY54型號(hào)的直流永磁電機(jī)。
表6-1 直流電機(jī)數(shù)據(jù)
額定功率
92
額定轉(zhuǎn)矩
0.6
額定轉(zhuǎn)速
1500
電流
7
電壓
12
允許正反轉(zhuǎn)速差
150
因?yàn)? 則
因?yàn)? 則
又
則選取
2.7 履帶部分的設(shè)計(jì)
2.7.1 履帶的選擇
對(duì)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(jì)履帶，其具有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)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(dòng)時(shí)的線(xiàn)速度可達(dá)50m/s，傳動(dòng)比可達(dá)10，效率可達(dá)98％。傳動(dòng)噪音比帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)小，耐磨性好，不需油潤(rùn)滑，壽命比摩擦帶長(zhǎng)。
因?yàn)橥綆鲃?dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無(wú)滑差，可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)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(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，無(wú)污染，因此可在工作環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所下正常工作。
從以上對(duì)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(dòng)裝置設(shè)計(jì)履帶能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)性能及工作的環(huán)境條件要求。
由已知后軸輸出功率為(即）；
由已知設(shè)計(jì)裝置移動(dòng)速度，根據(jù)公式，可得主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，預(yù)先設(shè)計(jì)履帶主動(dòng)輪直徑=169mm，履帶從動(dòng)輪直徑=169mm，由公式，可得=59.71r/min.。故可以得到設(shè)計(jì)的已知條件如下：
傳遞名義功率.
主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速r/min
從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速
中心距.
2.7.2 功率的計(jì)算
式中K--載荷修正系數(shù)（有工作機(jī)性能和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間查表7-1可以得到）
表7-1修正載荷系數(shù)K
工作機(jī)
運(yùn)行時(shí)間（小時(shí)/日）
3~5
8~10
16~24
計(jì)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
2.7.3 確定帶的型號(hào)和節(jié)距
由設(shè)計(jì)功率=0.1377kw和=59.71r/min，考慮到可以用雙面交錯(cuò)梯狀齒形同步帶作為履帶使用，由圖7-1查得型號(hào)選用XH型，對(duì)應(yīng)節(jié)距=22.225mm，圖7-2為雙面交錯(cuò)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(duì)稱(chēng)排列，圖B為DB型雙面齒同步帶，其兩面帶齒呈交錯(cuò)位置排列，本裝置設(shè)計(jì)履帶選擇DB型。XH型同步帶=2.794mm，=15.49
圖7-1梯形齒同步帶，輪選型圖
圖7-2梯形齒形狀圖
表7-2梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶型號(hào)及其尺寸
槽型
MXL
XXL
XL
L
H
XH
XXH
齒數(shù)
10-23
≥24
≥10
≥10
≥10
14-19
＞19
≥18
≥18
節(jié)距
±0.003
2.032
3.175
5.080
5.525
12.700
22.225
31.750
齒半角
A±0.12
28
20
25
25
20
20
20
20
齒高
0.64
0.84
1.40
2.13
2.59
6.88
10.29
齒頂厚
0.61
0.67
0.96
1.27
3.10
4.24
7.59
11.61
齒頂圓角半徑±0.03
0.30
0.30
0.61
0.86
1.47
2.01
2.69
齒根圓角半徑±0.03
0.23
0.28
0.61
0.53
1.04
1.42
1.93
2.82
兩倍節(jié)極距2a
0.508
0.508
0.508
0.762
1.372
2.794
3.048
2.7.4 確定從動(dòng)輪的直徑
對(duì)于梯形標(biāo)準(zhǔn)同步帶來(lái)說(shuō)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7-3查得
表7-3小帶輪的最小齒數(shù)
小帶輪轉(zhuǎn)速
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 可以代入公式:
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(guò)大，故取履帶主動(dòng)輪直徑=169mm，履帶從動(dòng)輪直徑=169mm。
查表7-4，選擇履帶主動(dòng)輪型號(hào)為24XH，履帶從動(dòng)輪型號(hào)為24XH，就近圓整帶輪直徑，查得履帶主動(dòng)輪直徑=169.79mm，履帶從動(dòng)輪直徑=169.79mm。
表7-4XH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
4.5
同步帶都有自己的極限速度，如果速度過(guò)大會(huì)使皮帶輪機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定性增強(qiáng)，有較大的波動(dòng)現(xiàn)象，并且在單位時(shí)間的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)會(huì)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7-5得
表7-5梯形齒同步帶極限速度
型號(hào)
MXL,XXL,XL,T2.5，T5，3M
L,H,T10，8M,14M
XH,XXH,
T20，20M
模數(shù)
1,1.5,
2,2.5
3,4，
5
7,10
40-50
35-40
25-30
2.7.5 確定節(jié)線(xiàn)長(zhǎng)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(shí)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(guò)大，則會(huì)加劇帶的波動(dòng)，降低帶的傳動(dòng)平穩(wěn)性，同時(shí)增大帶傳動(dòng)的整體尺寸，中心距過(guò)小，則有相反的利弊，取帶傳動(dòng)的中心距為：
由=169.79mm，=169.79mm.代入上式有：
由于履帶機(jī)器人工作的環(huán)境限制，所設(shè)計(jì)的尺寸不宜過(guò)大，選擇中心距的尺寸偏小，初選取=380mm。
根據(jù)帶傳動(dòng)總體尺寸和中心距的要求，帶的節(jié)線(xiàn)長(zhǎng)度可由帶圍繞兩帶輪的周長(zhǎng)來(lái)計(jì)算，根據(jù)下式求得：
（7-1）
代入=400mm，=169.79mm，=169.79mm有
1350.79mm
根據(jù)表7-6就近圓整=1422.40mm型號(hào)為560XH，同步帶齒數(shù)為64。
表7-6 XH型同步帶節(jié)線(xiàn)型號(hào)
XH型（節(jié)距=22.225mm）
規(guī)格
節(jié)線(xiàn)長(zhǎng)mm
齒數(shù)
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
2.7.6 確定設(shè)計(jì)功率時(shí)所需的帶寬
a.計(jì)算同步帶的基準(zhǔn)額定功率
kw （7-2）
式中許用工作拉力，查表7-4得=4048.90N
單位長(zhǎng)度質(zhì)量，查表7-7得=1.484Kg/m
表7-7七種同步帶型號(hào)的主要參數(shù)
帶型號(hào)
節(jié)距
基準(zhǔn)寬
拉力
質(zhì)量G
帶寬
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
2100.85
0.448
25.4，38.1，50.8
XH
22.225
101.6
4048.90
1.484
50.8，76.2，101.6
XXH
31.75
127.0
6398.03
2.473
76.2，101.6，127.0
帶入上式得：
b.計(jì)算主動(dòng)輪嚙合齒數(shù)
小帶輪的嚙合齒數(shù)為：
c.確定實(shí)際所需帶寬
其中為嚙合系數(shù)由表7-8查的
=1
表7-8嚙合齒數(shù)系數(shù)
5
4
1
0.8
0.6
式中帶所傳遞的功率=2.024kw
本履帶選用為XH帶，可以由表7-9查的基準(zhǔn)帶寬如下:
表7-9周節(jié)制梯形齒同步帶的寬度
型號(hào)
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
所以
以上公式算得帶寬為72.44mm，所以以此選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬，表7-10查的
將其取為標(biāo)準(zhǔn)值
7-10周節(jié)制梯形同步帶的寬度與高度
型號(hào)
公稱(chēng)高度
標(biāo)準(zhǔn)寬度
mm
in
mm
in
代號(hào)
H
4.3
0.17
50.8
2
200
76.2
3
300
XH
11.2
0.44
76.2
3
300
101.6
4
400
XXH
15.7
0.62
101.6
4
400
127
5
500
XXL
1.52
__
4.8
--
4.8
6.4
--
6.4
2.7.7 功率驗(yàn)算
,額定功率大于設(shè)計(jì)功率，則帶的傳動(dòng)能力已足夠，所選參數(shù)合理，
同時(shí)得到作用在軸上的力
2.7.8 同步帶的物理機(jī)械性能
本履帶式機(jī)器人選用XH帶，其物理機(jī)械如下：
表7-11同步帶的物理機(jī)械性能
項(xiàng)目
梯形齒
XH
L
H
XH
XXH
拉伸強(qiáng)度
80
120
270
380
450
參考力
伸長(zhǎng)率
參考力N
60
90
220
300
360
伸長(zhǎng)
40
硬度
755
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
50
60
70
75
90
2.8 履帶主從動(dòng)輪的設(shè)計(jì)
2.8.1 履帶輪材料選擇
為了減輕履帶驅(qū)動(dòng)裝置的重量，我們選擇硬鋁合金作為履帶主、從動(dòng)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(mǎn)足設(shè)計(jì)性能要求。
2.8.2 履帶輪形狀及其主要尺寸的確定
履帶和帶輪的嚙合方式見(jiàn)圖8-1所示，圖中為同步帶輪節(jié)圓或同步帶節(jié)線(xiàn)上測(cè)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，主動(dòng)輪節(jié)圓型號(hào)為24XH，=169.79mm，從動(dòng)輪節(jié)圓型號(hào)為24XH，=169.79mm.為同步帶輪實(shí)際外圓直徑，主動(dòng)輪=166.99mm，從動(dòng)輪=166.99mm。
圖8-1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(jì)采用的是電動(dòng)機(jī)、減速器動(dòng)力總成放在翼板內(nèi)，直接通過(guò)錐齒輪傳遞用后驅(qū)動(dòng)輪輪軸。所以，主動(dòng)輪選擇兩個(gè)單邊單圈，從動(dòng)輪選擇一個(gè)無(wú)擋圈，選WS型同步帶輪。
主動(dòng)輪24XH，齒數(shù)24，徑節(jié)=169.79mm，外徑=166.99mm
主動(dòng)輪初選兩個(gè)雙邊擋圈的帶輪，用于設(shè)計(jì)中將其組合。
2.8.3 履帶輪齒形及齒面寬度的選擇
根據(jù)圖8-2可以查得XH型梯形雙面齒同步帶輪齒形尺寸如下:
節(jié)距=22.225mm，齒槽=mm，齒深=7.14mm，槽角=，倒角=，=，=3.048mm，根據(jù)表8-3可以查出以上數(shù)據(jù)。
圖8-2齒形尺寸
表8-3梯形雙面齒同步輪齒形尺寸
型號(hào)
節(jié)距
MXL
2.032
0.840.05
0.69
20
0.35
0.13
0.508
XL
5.080
1.320.05
1.65
25
0.41
0.64
0.508
L
9.525
3.050.10
2.67
20
1.19
1.17
0.762
H
12.7
4.190.13
3.05
20
1.60
1.6
1.372
XH
22.225
7.900.15
7.14
20
1.98
2.39
2.794
XXH
31.750
12.170.18
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(wú)檔邊帶輪查表8-4可得到梯形雙面齒同步帶輪齒面寬度=83.8。
表8-4同步帶輪齒面寬度尺寸參考表
型號(hào)
同步帶寬度
齒輪面寬度
代號(hào)
帶寬
雙面檔邊帶輪
單面檔邊帶輪
無(wú)檔邊帶輪
XH
200
50.8
56.6
62.2
59.6
300
76.2
83.8
89.8
86.9
400
101.6
110.7
116.7
113.7
2.8.4 履帶輪所允許的公差
兩輪所允許的公差如表8-5所示
表8-5允許公差表
項(xiàng)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(dòng)
0.13
0.15
外圓端面圓跳動(dòng)
0.19
0.26
輪齒與軸線(xiàn)平行度
齒頂圓柱面的圓柱度
0.09
0.11
軸孔直徑偏差
H7或H8
H7或H8
外圓及兩齒側(cè)表面粗糙度
3.2
3.2
2.9 副履帶部分設(shè)計(jì)
因?yàn)橥綆鲃?dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無(wú)滑差，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)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(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，無(wú)污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所下正常工作。
從以上對(duì)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(dòng)裝置副履帶能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)性能及工作的環(huán)境條件要求。副履帶的設(shè)計(jì)是依照主履帶的設(shè)計(jì)進(jìn)行的，具有異曲同工之妙。
而副履帶相對(duì)了主履帶來(lái)說(shuō)，它是輔助作用，幫助移動(dòng)平臺(tái)具有更出色的越野性能，更擅長(zhǎng)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(jì)方法參照主履帶如下:
介于副履帶的主動(dòng)輪的直徑選擇應(yīng)與主履帶的從動(dòng)輪的相當(dāng)，則選擇副履帶主動(dòng)輪直徑。
根據(jù)任務(wù)推出
副履帶從動(dòng)輪直徑
副履帶主動(dòng)輪齒數(shù)
副履帶從動(dòng)輪齒數(shù)
2.9.1 計(jì)算副履帶的帶寬
根據(jù)前面的表7-7查得到：
H帶
選擇標(biāo)準(zhǔn)帶由表7-9差查得
H帶
2.9.2 計(jì)算H帶的基準(zhǔn)額定功率
計(jì)算所選用型號(hào)同步帶的基準(zhǔn)額定功率:
其中：
得出：
而由：
反推得到設(shè)計(jì)功率為
2.9.3 中心距的選擇
則確定中心距
2.9.4 計(jì)算副履帶節(jié)線(xiàn)長(zhǎng)度
根據(jù)帶傳動(dòng)總體尺寸和中心距的要求，帶的節(jié)線(xiàn)長(zhǎng)度可由帶圍繞兩帶輪的周長(zhǎng)來(lái)計(jì)算，根據(jù)下式求得：
（9-1）
代入數(shù)據(jù)
根據(jù)表9-1可選帶長(zhǎng)為
9-1周節(jié)制梯形齒同步帶節(jié)線(xiàn)長(zhǎng)度及齒數(shù)
長(zhǎng)度代號(hào)
基本尺寸
極限偏差
L
H
XH
XXH
345
876.30
0.66
92
--
--
--
360
914.40
--
72
--
--
367
933.45
98
--
--
---
390
990.60
104
78
--
--
420
1066.80
0.76
112
84
--
--
2.10 履帶翼板部分設(shè)計(jì)
2.10.1 履帶翼板的作用
履帶翼板是整個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)裝置中的基礎(chǔ)部分，主要起支撐張緊作用，履帶從動(dòng)輪，張緊輪和過(guò)度輪分別安裝在翼板上。
翼板的材料應(yīng)滿(mǎn)足質(zhì)量輕，高強(qiáng)度，高硬度，易加工的優(yōu)點(diǎn)，綜合選擇，所以翼板的材料選擇硬鋁合金。
2.10.2 履帶翼板設(shè)計(jì)
翼板的主要尺寸見(jiàn)圖10-1所示，履帶主動(dòng)輪，從動(dòng)輪，張緊輪和調(diào)節(jié)輪在翼板上的位置見(jiàn)圖10-1上部的一個(gè)圓孔和下部的兩個(gè)圓孔所示，張緊輪翼板設(shè)計(jì)厚度為18mm。
圖10-1翼板主要尺寸
2.11 主履帶的重心計(jì)算
2.11.1 翼板質(zhì)量
由圖10-1翼板主要尺寸，翼板的設(shè)計(jì)厚度為18mm，可參考圖11-1翼板三維效果圖，可以求出翼板的體積，翼板材料為硬質(zhì)合金，密度為2.7
求翼板體積
由于翼板外形較為復(fù)雜，直接求其體積較為復(fù)雜，可用Ug建立翼板模型見(jiàn)圖11-2，用其質(zhì)量特性測(cè)得翼板的體積。
圖 11-1翼板的三維效果圖
圖11-2 求解翼板體積
2.11.2 履帶從動(dòng)輪的質(zhì)量
由前面選擇的履帶從動(dòng)輪型號(hào)為24XH，徑圓直徑=169.8mm，則=84.9mm，從動(dòng)輪通過(guò)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(dòng)輪材料選擇硬質(zhì)合金，其密度2.7。
2.11.3 張緊輪、調(diào)節(jié)輪質(zhì)量
由于梯形雙面齒同步帶在工作一定時(shí)間后會(huì)發(fā)生松弛，為了防止同步帶輪因同步帶松弛而發(fā)生打滑現(xiàn)象，可以通過(guò)調(diào)節(jié)張緊輪的高度使履帶繼續(xù)保持張緊。
當(dāng)履帶驅(qū)動(dòng)裝置工作時(shí)，由于梯形雙面齒同步帶具有彈性，履帶轉(zhuǎn)動(dòng)與路面接觸難以形成有效的摩擦力，在履帶主動(dòng)輪和履帶從動(dòng)輪之間增加兩個(gè)調(diào)節(jié)輪，可以有效地增加履帶與路面的接觸面積，從而
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