礦井救援機器人行走機構設計1摘 要本次設計的是一款履帶式搜救機器人基礎級載體，設計內容包括設計行走底盤和四自由度手臂以及對機器人的局部受力情況作了具體的分析。設計整體機器人結構。在設計過程中，不斷的觀察分析其他機器人的結構，吸取前人經(jīng)驗，進行方案比較選定。本次畢業(yè)設計的重點在于機器人的研究設計工作，由于機器人整體的設計難度較大，材料和機構精度要求較高，本設計產(chǎn)品還不能作為成熟產(chǎn)品進行加制造，只能形成設計方案。關鍵字：機器人；履帶底盤；機械臂；控制電路礦井救援機器人行走機構設計2AbstractWhat this design was a section of marching fire robot foundation level carrier, the design content walks the chassis including the design and the four degrees-of-freedom arms as well as has made the concrete analysis to robot's partial stress situation. Trial manufacturing overall robot structure. In the design trial manufacturing process, the unceasing observation analyzes other robot's structure, absorbs the predecessor to experience, carries on the plan quite to designate. And goes down to the factory to process one to carry on the study, brings to completion the processing technique of manufacture, avoids stepping onto only pauses the written design to be separated from the actual manufacture the tortuous path.This graduation project's key point lies in robot's trial manufacturing research work, because the robot whole's design difficulty is big, the material and the organization accuracy requirement is high, this trial manufacturing product has not been able to take the mature product to carry on adds the manufacture, can only do for the guidance prototype supplies the reference.Key words: Robot; Caterpillar band chassis; Mechanical arm; Control circuit礦井救援機器人行走機構設計3目 錄摘 要 .1Abstract.2第一章 緒 論 51.1 項目概述 51.2 目的及意義 51.3 國內外發(fā)展概況 61.4 主要研究內容 .10第二章 方案比較與方案選擇 112.1 行走機構方案比較 .112.2 手臂機構方案比較 .122.2.1 蠕動式機械臂 .122.2.2 沿 X、Y、Z 坐標軸直線移動機械臂 .122.2.3 仿人類手臂式機械臂 .132.3 機械手的設計 .132.3.1 機械手主要組成： 132.3.2 手部總體確定： 142.3.3 手指式手部的類型 142.3.4 手部要求： 142.3.5 設計時應注意的問題 14礦井救援機器人行走機構設計42.3.6 手指夾緊力的計算 152.4 驅動力的計算 152.5 手臂的設計 .162.5.1 設計時注意的問題 162.5.2 動力的計算 16第三章 整體機構設計 183.1 爬樓梯的力學原理 .183.2 回轉盤機 .183.2.1 構設計機電動機選擇 .183.3 履帶驅動輪機構設計機電動機選擇 .193.4 部分校核 主要參數(shù)計算方法及強度校核 203.4.1 輪齒傳動 .203.4.2 蝸桿傳動 .233.4.3 螺紋連接 .313.5 本章小結 .37第四章 控制電路及控制器設計 404.1 控制電路設計 .404.2 開關元件選用 424.3 控制器設計 424.4 本章小結 42第五章 設計總結 .44礦井救援機器人行走機構設計5參考文獻 45致 謝 .47礦井救援機器人行走機構設計6第一章 緒 論1.1 項目概述本文介紹的是一種履帶式搜救機器人設計, 結構簡單、制造方便、性能可靠、成本低廉。履帶式行走機構, 使機器人具有更出色的越障能力。兩條履帶均設置有正反轉，且可無級調速，使機器人行走、轉彎更加靈活。整機共七個自由度，可實現(xiàn)物體的夾持、搬運、碼放。在消防領域，此機器人可在加裝聲像傳輸設備等輔助設備的情況下，完成火場偵察、勘測、救援、滅火等任務。論文在這方面具有一定意義。1.2 目的及意義本題目研制開發(fā)一種制造簡單，使用方便的搜救機器人。中國是一個自然災害和社會事故多發(fā)的國家,煤礦事故、泥石流、臺風時有發(fā)生。這些災難發(fā)生后現(xiàn)場環(huán)境具有復雜性、未知性及潛在的二次傷害(比如煤礦的二次爆炸、建筑物的二次坍塌等)等特點,給救援隊員的生命安全帶來了很大隱患。因此有必要研制一種能在第一時間代替搜救隊員深入到這種危險災難環(huán)境并探測現(xiàn)場有用信息的移動機器人,為下一步營救行動的計劃、決策提供可靠依據(jù)。 搜救機器人往往需要在高溫、強熱輻射、濃煙、地形復雜、障礙物多、化學腐蝕、易燃易爆等惡劣環(huán)境中進行火場偵察，化學危險品探測、滅火、冷卻、洗消、破拆、救人、啟閉閥門、搬移物品、堵漏等作業(yè)，因此，作為某種特定功能的消防機器人應該具備以下某項或幾項行走和自衛(wèi)功能： a. 登爬坡、登梯及障礙物跨越功能；b. 耐高溫和抗熱輻射功能；c. 防雨淋功能；d. 防爆(隔爆) 功能； e. 防化學腐蝕功能； 礦井救援機器人行走機構設計7f. 防電磁干擾功能；g. 遙控功能等。 1.3 國內外發(fā)展概況美國是機器人的誕生地，早在 1962 年就研制出世界上第一臺工業(yè)機器人，比起號稱“機器人王國 “的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過 30 多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一，基礎雄厚，技術先進。綜觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。由于美國政府從 60 年代到 70 年代中的十幾年期間，并沒有把工業(yè)機器人列入重點發(fā)展項目，只是在幾所大學和少數(shù)公司開展了一些研究工作。對于企業(yè)來說，在只看到眼前利益，政府又無財政支持的情況下，寧愿錯過良機，固守在使用剛性自動化裝置上，也不愿冒著風險，去應用或制造機器人。加上，當時美國失業(yè)率高達 6．65％，政府擔心發(fā)展機器人會造成更多人失業(yè)，因此不予投資，也不組織研制機器人，這不能不說是美國政府的戰(zhàn)略決策錯誤。70 年代后期，美國政府和企業(yè)界雖有所重視，但在技術路線上仍把重點放在研究機器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領域的高級機器人的開發(fā)上，致使日本的工業(yè)機器人后來居上，并在工業(yè)生產(chǎn)的應用上及機器人制造業(yè)上很快超過了美國，產(chǎn)品在國際市場上形成了較強的競爭力。進入 80 年代之后，美國才感到形勢緊迫，政府和企業(yè)界才對機器人真正重視起來，政策上也有所體現(xiàn)，一方面鼓勵工業(yè)界發(fā)展和應用機器人，另一方面制訂計劃、提高投資，增加機器人的研究經(jīng)費，把機器人看成美國再次工業(yè)化的特征，使美國的機器人迅速發(fā)展。80 年代中后期，隨著各大廠家應用機器人的技術日臻成熟，第一代機器人的技術性能越來越滿足不了實際需要，美國開始生產(chǎn)帶有視覺、力覺的第二代機器人，并很快占領了美國 60％的機器人市場。盡管美國在機器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機器人技術在國際上仍一直處于領先地位。其技術全面、先進，礦井救援機器人行走機構設計8適應性也很強。具體表現(xiàn)在：性能可靠，功能全面，精確度高；機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應用廣，水平高居世界之首；智能技術發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應用；高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面 。英國早在 1966 年，美國 Unimation 公司的尤尼曼特機器人和 AMF 公司的沃莎特蘭機器人就已經(jīng)率先進入英國市場。1967 年英國的兩家大機械公司還特地為美國這兩家機器人公司在英國推銷機器人。接著，英國 Hall Automation 公司研制出自己的機器人 RAMP。70 年代初期，由于英國政府科學研究委員會頒布了否定人工智能和機器人的 Lighthall 報告，對工業(yè)機器人實行了限制發(fā)展的嚴厲措施，因而機器人工業(yè)一蹶不振，在西歐差不多居于末位。 但是，國際上機器人蓬勃發(fā)展的形勢很快使英政府意識到：機器人技術的落后，導致其商品在國際市場上的競爭力大為下降。于是，從 70 年代末開始，英國政府轉而采取支持態(tài)度，推行并實施了一系列支持機器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機器人的重要性、在財政上給購買機器人企業(yè)以補貼、積極促進機器人研究單位與企業(yè)聯(lián)合等，使英國機器人開始了在生產(chǎn)領域廣泛應用及大力研制的興盛時期日本在 60 年代末正處于經(jīng)濟高度發(fā)展時期，年增長率達 11％。第二次世界大戰(zhàn)后，日本的勞動力本來就緊張，而高速度的經(jīng)濟發(fā)展更加劇了勞動力嚴重不足的困難。為此，日本在 1967 年由川崎重工業(yè)公司從美國 Unimation 公司引進機器人及其技術，建立起生產(chǎn)車間，并于 1968 年試制出第一臺川崎的“尤尼曼特” 機器人。正是由于日本當時勞動力顯著不足，機器人在企業(yè)里受到了“救世主” 般的歡迎。日本政府一方面在經(jīng)濟上采取了積極的扶植政策，鼓勵發(fā)展和推廣應用機器人，從而更進一步激發(fā)了企業(yè)家從事機器人產(chǎn)業(yè)的積極性。尤其是政府對中、小企業(yè)的一系列經(jīng)濟優(yōu)惠政策，如由政府銀行提供優(yōu)惠的低息資金，鼓勵集資成立“機器人長礦井救援機器人行走機構設計9期租賃公司” ，公司出資購入機器人后長期租給用戶，使用者每月只需付較低廉的租金，大大減輕了企業(yè)購入機器人所需的資金負擔；政府把由計算機控制的示教再現(xiàn)型機器人作為特別折扣優(yōu)待產(chǎn)品，企業(yè)除享受新設備通常的 40%折扣優(yōu)待外，還可再享受 13％的價格補貼。另一方面，國家出資對小企業(yè)進行應用機器人的專門知識和技術指導等等。這一系列扶植政策，使日本機器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來，經(jīng)過短短的十幾年，到80 年代中期，已一躍而為“機器人王國” ，其機器人的產(chǎn)量和安裝的臺數(shù)在國際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機器人工業(yè)會常務理事米本完二的說法：“日本機器人的發(fā)展經(jīng)過了 60 年代的搖籃期，70 年代的實用期，到 80 年代進人普及提高期。 ”并正式把 1980 年定為“ 產(chǎn)業(yè)機器人的普及元年 ”，開始在各個領域內廣泛推廣使用機器人。日本政府和企業(yè)充分信任機器人，大膽使用機器人。機器人也沒有辜負人們的期望，它在解決勞動力不足、提高生產(chǎn)率、改進產(chǎn)品質量和降低生產(chǎn)成本方面，發(fā)揮著越來越顯著的作用，成為日本保持經(jīng)濟增長速度和產(chǎn)品競爭能力的一支不可缺少的隊伍。日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機器人生產(chǎn)，使日本汽車及電子產(chǎn)品產(chǎn)量猛增，質量日益提高，而制造成本則大為降低。從而使日本生產(chǎn)的汽車能夠以價廉的絕對優(yōu)勢進軍號稱“ 汽車王國”的美國市場，并且向機器人誕生國出口日本產(chǎn)的實用型機器人。此時，日本價廉物美的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國市場……這使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用機器人，增大了國力，獲得了巨大的好處。法國不僅在機器人擁有量上居于世界前列，而且在機器人應用水平和應用范圍上處于世界先進水平。這主要歸功于法國政府一開始就比較重視機器人技術，特別是把重點放在開展機器人的應用研究上。法國機器人的發(fā)展比較順利，主要原因是通過政府大力支持的研究計劃，建立起一個完整的科學技術體系。即由政府組織一些機器人基礎技術方面的研究項目，而由工業(yè)界支持開展應用和開發(fā)方面的工作，兩者相輔相成，使機器人在法國企業(yè)界很快發(fā)展和普及。德國德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。這里所說的德礦井救援機器人行走機構設計10國，主要指的是原聯(lián)邦德國。它比英國和瑞典引進機器人大約晚了五六年。其所以如此，是因為德國的機器人工業(yè)一起步，就遇到了國內經(jīng)濟不景氣。但是德國的社會環(huán)境卻是有利于機器人工業(yè)發(fā)展的。因為戰(zhàn)爭，導致勞動力短缺，以及國民技術水平高，都是實現(xiàn)使用機器人的有利條件。到了 70 年代中后期，政府采用行政手段為機器人的推廣開辟道路；在“改善勞動條件計劃“ 中規(guī)定，對于一些有危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動。這個計劃為機器人的應用開拓了廣泛的市場，并推動了工業(yè)機器人技術的發(fā)展。日爾曼民族是一個重實際的民族，他們始終堅持技術應用和社會需求相結合的原則。除了像大多數(shù)國家一樣，將機器人主要應用在汽車工業(yè)之外，突出的一點是德國在紡織工業(yè)中用現(xiàn)代化生產(chǎn)技術改造原有企業(yè)，報廢了舊機器，購買了現(xiàn)代化自動設備、電子計算機和機器人，使紡織工業(yè)成本下降、質量提高，產(chǎn)品的花色品種更加適銷對路。到 1984 年終于使這一被喻為“快完蛋的行業(yè) “重新振興起來。與此同時，德國看到了機器人等先進自動化技術對工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了 1985 年以后要向高級的、帶感覺的智能型機器人轉移的目標。經(jīng)過近十年的努力，其智能機器人的研究和應用方面在世界上處于公認的領先地位。有人認為，應用機器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟建設帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領域的發(fā)展做出卓越的貢獻。 我國已在“七五 ”計劃中把機器人列人國家重點科研規(guī)劃內容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎理論與基礎元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)、軍用和特種機器人。目前，示教再現(xiàn)型機器人技術已基本成熟，并在工廠中推廣應用。我國自行生產(chǎn)的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風汽車廠投入運行。1986 年 3 月開始的國家 863 高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機器人的內容。就目前來看，我們應從生產(chǎn)和應用的角度出發(fā)，結合我國國情，加快生產(chǎn)結構簡單、成本低廉的實用型機器人和某些特種機器人。礦井救援機器人行走機構設計111.4 主要研究內容本題目主要研究的內容是設計行走底盤和四自由度手臂，本題目研制開發(fā)一種消防機器人基礎級載體。對機器人的局部受力情況作了具體的分析。 礦井救援機器人行走機構設計12第二章 方案比較與方案選擇2.1 行走機構方案比較機器人在地面上移動的方式通常有三種：車輪式、履帶式和步行式。 步行移動方式是模仿人類或動物的行走機理，用腿腳走路，對環(huán)境適應性好。根據(jù)調查,在地球上近一半的地面不適合于傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛行走， 但是一般多足動物卻能在這些地方行動自如,顯然足式與輪式及履帶式行走方式相比具有獨特的優(yōu)勢. 足式行走對崎嶇路面具有很好的適應能力,足式運動方式的立足點是離散的點,可以在可能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐點。但是步行移動方式的智能程度也相對較高。正因如此，步行移動方式在機構和控制上是最復雜的，技術上也還不成熟，不適于在要求靈活和可靠性高的工作環(huán)境中。 車輪式移動是最常見的一種地面行進方式。車輪式移動的優(yōu)點是：能高速穩(wěn)定的移動，能量利用效率高，機構和控制簡單，而且技術比較成熟。驅動與轉彎機構可分以下幾種形式：1. 驅動、轉向輪一體徑向轉向，如同前驅動式轎車2. 驅動輪、轉向輪分置，如同后驅動式卡車3. 兩側驅動輪異速轉彎，如同輪椅前兩種驅動轉彎形式不單要設計有合理的驅動機構，還要有較好的轉向機構，增加了自由度的同時又要考慮為這個自由度提供動力單元，以及轉向差速系統(tǒng)，使得整機復雜程度大大提升，機構繁瑣，穩(wěn)定性降低。第三種形式僅用一套差速系統(tǒng)和一組跟蹤輪就可實現(xiàn)轉向，可是跟蹤輪通常采用萬向輪，無規(guī)則定向，在路面情況復雜下行駛極其不穩(wěn)定，且在停止和啟動時遵循前一運動狀態(tài)軌跡，缺乏應急靈活性。而其車輪式移動共有的缺點就是對路面要求較高，適于平整硬質路面。越障性能嚴重缺失。履帶式實際是一種自己為自己鋪路的輪式車輛。它是將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸。履帶式的的優(yōu)點是著地面積比車輪式大，礦井救援機器人行走機構設計13所以著地壓強小；另外與路面黏著力強，能吸收較小的凸凹不平，適于松軟不平的地面。因此，履帶式廣泛用在各類建筑機械及軍用車輛上。并且履帶式結構是通過兩條履帶差速實現(xiàn)轉彎。不但可以實現(xiàn)超小半徑轉彎，還可以實現(xiàn)原地轉彎。靈活性極佳。2.2 手臂機構方案比較對于整體行走機器人載具而言，行走機構只是用來完成大空間內整體移動和工作頭部分在平面內大幅度間接調整。其運動軌跡和幅度難以充分滿足三維空間運動和精度要求。為了能使工作頭部分能夠在三維空間觸及工作點工作面并且能夠精確完成工作任務引入了連接在行走機構與工作頭之間的，較行走機構傳動更精準、運動更平穩(wěn)的機械臂機構。機械臂按其運動機理可分為以下三種：2.2.1 蠕動式機械臂這種機械臂源自仿生學中對蟲子蠕動的模仿。通過沿徑向布置的很多個旋轉關節(jié)或扭轉關節(jié)機構的聯(lián)動來實現(xiàn)工作頭空間內多組相鄰圓心圓截面上各點工作。這種機械臂絕對是各種機械臂中自由度最高的一類。但因其要求每個旋，扭轉關節(jié)機構都要求有獨立動力，且聯(lián)動的位移是由多個關節(jié)機構非等值分擔，這就對動力部分、傳動精度、控制精度提出了極高要求。不但設計制造極其困難，通過使用機械控制簡單電路控制是極難完成的控制的。所以只出現(xiàn)在高端機器人領域具處于設計試制階段。對于基礎層次機械設計制造這相當于不可完成的任務。2.2.2 沿 X、Y、Z 坐標軸直線移動機械臂在三維立體空間內分別沿 X、Y、Z 軸做直線運動就可以到達一個立方體內的各個點進行工作，這是一種撒網(wǎng)式的搜羅。在三軸分動時工作頭位移軌跡是沿空間內沿 X、Y、Z 方向線段的連接，當三軸聯(lián)動時，工作頭運動軌跡便是空間內的一條曲線。完成工作動作直接快捷，且只有三個軸線位移，整機運動平穩(wěn)可靠，精度礦井救援機器人行走機構設計14頗高。所以多用于機床加工中心等機械上，但其機體必須含有沿 X、Y 、Z 軸方向，長度至少等于三軸位移長度一半的三個相連的空間垂直架體。這種就有相對較大的非工作狀態(tài)機構所占空間和整體體積，但對于行走式機器人載具而言，對體積和自重的限制是極其嚴格的，要求盡量減小自身負載體積，以適應工作環(huán)境。2.2.3 仿人類手臂式機械臂這種結構的手臂有旋轉機構、大臂搖動機構、小臂搖動機構和手腕機構四部分組成在同一平面內三個旋轉自由度被安裝在一個垂直此平面的旋轉盤上，手腕、小臂、大筆的須按轉是工作頭觸點在三個自由度連線平面內。形成了一個平面工作區(qū)域，通過旋轉盤的帶動，是這個平面工作區(qū)域繞 Z 軸須按轉，形成了一個立體工作空間。這種手臂機構在工作中狀態(tài)下可以收縮減小空間，傳動距離較短，結構可靠性能好，能夠出色的完成工作空間內一點到另一點的最有運動軌跡位移。2.3 機械手的設計機械手的手部是用來抓持工件（或工具）的部件。手部抓持工件的迅速、準確和牢靠程度都將直接影響到機械手的工作性能，它是機械手的關鍵部件之一。2.3.1 機械手主要組成：機械手主要是由執(zhí)行系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)三大部分組成。執(zhí)行部分執(zhí)行系統(tǒng)是機械手的機械傳動結構部分。它包括手、手腕、手臂和機座等部件。驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)是驅動執(zhí)行系統(tǒng)的動力裝置。驅動系統(tǒng)有液壓驅動，氣壓驅動，電力礦井救援機器人行走機構設計15驅動和機械驅動等方式?？刂葡到y(tǒng)控制系統(tǒng)是支配執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定程序動作得到電氣控制裝置?？刂葡到y(tǒng)所控制的因素包括執(zhí)行系統(tǒng)各部的動作、動作順序、位置、時間和速度等。2.3.2 手部總體確定：手部是承擔抓取功能的機構，由手指傳力機構和驅動裝置等組成，是機械手的重要組成部分之一。根據(jù)被抓起部件的材料，形狀，尺寸以及一些特性的不同，此機械手部分為手指式。2.3.3 手指式手部的類型手指式手部是以手指的張開和閉合來實現(xiàn)抓持工件。它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，故應用最廣。一般手指式手部具有兩指，三指或者多指，后者應用較少。而次此設計手指為兩指式手指。手指式手部按手指的運動形式可分為回轉型和平移型。回轉型又分為單支點和雙支點兩種?；剞D型手部多用于抓持圓柱形工件，平移型用于抓持方形工件。2.3.4 手部要求：1) 手指應具有足夠的加緊力。在考慮手指的加緊力時，除考慮工件的重量外，還應考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力和震動等影響，以保證夾持牢靠。2) 各構件要有足夠的剛度的強度。3) 構件要簡單，修理方便。4) 應盡可能結構緊湊。使之重量輕，動作靈活。2.3.5 設計時應注意的問題１）手指應有足夠的夾緊力。為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮被抓持工件的礦井救援機器人行走機構設計16重力外。還應考慮工件在傳送過程中所產(chǎn)生的動載荷。２）手指應有一定的開閉范圍，其大小不僅與工件尺寸有關，而且須注意手部接近工件的運動路線及方位的影響。３）應保證工件在手指內準確定位。４）結構盡量緊湊、重量輕，以利于腕部和臂部的結構設計。５）根據(jù)應用條件考慮通用性。2.3.6 手指夾緊力的計算手指對工件的夾緊力可按下式計算：Ｎ≥Ｋ1×Ｋ2× Ｋ3×Ｇ kgf （2.1）式中Ｋ1—— 安全系數(shù)（通常取 1.5－2）Ｋ2—— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按Ｋ2＝１＋a/g 估算．a(chǎn) 為機械手在搬運工件過程的加速度 m/s 2g 為重力加速度 m/s 2Ｋ3——方位系數(shù)Ｇ——被抓持工件的重量 kg 、2.4 驅動力的計算手指夾持工件所需要驅動力的大小，在同一夾緊力的條件下，隨所采用的傳動結構的不同而異。但其計算方法都是按照具體的傳動機構進行力的分析，根據(jù)力系平衡原理來進行的。P1=N×a/b×sinΨ/sin(Ψ+a) 礦井救援機器人行走機構設計17根據(jù)受力的平衡條件可得驅動力為:P=2×P1×sina=2Na/b×sinΨ×sina/sin(Ψ+a) （2.2)2.5 手臂的設計手臂部是機械手的主要執(zhí)行部件,其作用是支承手部。手部在空間的活動范圍主要取決于臂部的運動形式。2.5.1 設計時注意的問題手臂部的運動和結構形式對機械手的工作性能有著較大的影響。設計時應注意下列幾點：（1）剛度要好 要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸。實踐證明，空心桿比實心桿剛度大得多。常用鋼管作臂部和導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板，以保證有足夠的剛度。（2）偏重力矩要小 偏重力矩是指臂部的總重量對其支承或回轉軸所產(chǎn)生的力矩。它對臂部的升降運動和轉動，均將產(chǎn)生影響，設計時應使臂部各部分的質量分布合理，以減少其偏重力矩。（3）重量要輕慣量要小 由于機械手在高速情況下經(jīng)常起停和換向，為了減少在運動狀態(tài)變化時所產(chǎn)生的沖擊，必須采取有效的緩沖裝置外，力求結構緊湊，重量輕，以減少慣性力。（4）導向性要好 為了防止臂部在直線移動中沿運動軸線發(fā)生相對轉動，以保證手部的正確方向和準確定位，必須有導向裝置。其結構應根據(jù)臂部的安裝形式、抓取重量和運動行程等因素來確定。2.5.2 動力的計算1)手臂水平伸縮時:P 驅=P 摩 +P 慣(公斤力)礦井救援機器人行走機構設計18式中 P 驅— 驅動力P 摩— 摩擦力( 包括手臂伸縮導軌間、導向桿間和密封裝置處的摩擦阻力,公斤力)P 慣— 手臂在啟動過程中的慣性力 ,其大小可按下式近似計算:P 慣=G 伸×V/g ×t(公斤力)式中 G 伸—隨同手臂伸縮部件總重量(公斤力)G—重力加速度(m/s )2V—手臂的工作速度( m/s)T—起動過程所用時間(秒)2)手臂升降時:P 驅=P 摩+P 慣+G 升( 公斤力)式中 G 升—隨同手臂升降部件總重量(公斤力)3)手臂水平左右擺動時:M 驅= M 摩+M 慣(公斤力× 米)式中 M 驅—驅動力矩(公斤力×米)M 摩—摩擦力矩(包括轉軸支撐處和密封裝置處的摩擦阻力矩 , 公斤力×米)M 慣—手臂在起動過程中的慣性力矩.可按下式計算 :M 慣=J×w/t(公斤力×米)式中 J—隨同手臂擺動部件對轉軸的轉動慣量W—手臂擺動的角速度（ 1/秒）第三章 整體機構設計3.1 爬樓梯的力學原理基于遙控電動小車爬越一定高臺的原理,對具有擺臂結構的移動車體爬越樓梯礦井救援機器人行走機構設計19進行了相關的力學分析.整個爬越過程可以分成兩個階段:第一階段,先將兩側擺臂搭在臺階上 ,然后同時驅動三臺電機,使車體在行走機構和擺動機構的共同作用下,順利地爬到第二個臺階,此時車體實現(xiàn)了地面、第一、二臺階處的三點接觸; 第二個階段,小車只需在行走機構的作用下如同上坡地一樣緩緩地向上爬.由此可以看出,只要保證行走機構在結構設計上至少能夠同時與兩個臺階點接觸,就能實現(xiàn)第二階段運行的平穩(wěn)性和可靠性,故在此不再贅述,僅對第一階段進行分析.假設臺階是光滑的(這樣便于分析討論),擺臂的重心處于擺臂中心軸線上距大輪點1/3處,整個車體的重心位于車體幾何中心處 .由于擺臂末端的小帶輪呈圓弧形而且它與臺階之間為線接觸,為避免發(fā)生打滑,應至少保證小帶輪的幾何中心處于接觸點的正上方。在爬越高度為H0 的臺階時,即前輪剛離開地面的瞬間,整車和擺臂的受力情況。3.2 回轉盤機3.2.1 構設計機電動機選擇由于整個臂部機構和預設負載重量（約 9 kg）較大，且重心極限位置旋轉半徑（約 400mm）較大，所以在轉盤設計時必須考慮機構較大的旋轉慣性力。所以選帶傳動方式。帶傳動傳動平穩(wěn)能緩沖吸振，且可大傳動臂設計，將從動帶輪設計較大半徑，以減小傳動帶拉力，正符合此機構要求。即從動大帶輪直徑 d1 為 50mm 設計,轉速 n1 應盡量小，設在 0.1 轉/秒主動帶輪選用成套機構，帶輪直徑 d0 為 10mm則主動帶輪轉速 n0 為礦井救援機器人行走機構設計20n0 / n1 = d1 / d0圖３.１ 傳動方案簡圖n0 = n1 * （d1 / d0 ）= 0.1 * （50 / 10）= 0.5 轉/秒物品清單中，符合此要求的電動機只有一種。即 12ZYJ-60J 系列永磁直流減速電機轉速 30 轉/分鐘功率 10W驗算證明滿足機構力學要求。3.3 履帶驅動輪機構設計機電動機選擇 驅動輪設計減速電機輸出軸直接安裝鏈輪。鏈輪上加掛自制履帶。設計履帶摩擦面到鏈輪回轉中心的旋轉半徑為 25mm設計直線行走最大速度為 150mm/s則驅動電功轉速為 6 轉/秒預設整機與負載總重 30 kg 最大爬坡角為 45°，則履帶最大拉力 F 為F = F 重 / sinθ= 70.13?= 404.328N取高整值為 430N,兩條履帶驅動，單根受力為F 單 = F / 2 = 430 / 2= 150N直線行走最大速度 V 為 150mm/s礦井救援機器人行走機構設計21單根履帶受力 F 為 150N則功率為P = F * V= 01.51?= 22.5W考慮技術要求及功率損失選用 62KTYJ 系列單相可逆永磁同步電機轉速 36 轉/分鐘功率 30W3.4 部分校核 主要參數(shù)計算方法及強度校核3.4.1 輪齒傳動一. 輪齒的受力分析1.直齒將作用在輪齒上的法向力 Fn 分解為一對互相垂直的力，即徑向力 Fr 和圓周力 Ft，大小分別為： 12dTFgattr?（3.1）方向：Fr 指向各自的軸線；Ft 在主動輪上與轉向相反，從動軸上與轉向相同。2.斜齒將作用在輪齒上的法向力 Fn 分解為三個互相垂直的力，即徑向力 Fr、圓周力Ft 和軸向力 Fa 大小分別為：礦井救援機器人行走機構設計2212cosdTFtgatnr??（3.2） ?tgra方向：Fr 指向各自的軸線；Ft 在主動輪上與轉向相反，從動軸上與轉向相同。Fa 自齒的工作面指向齒體。二.輪齒的計算載荷 FtcFtc=KFt1. 齒輪彎曲疲勞強度計算1.直齒強度校核公式： FsFdsFdsFF YmZKTYTYmbdKTaaa ][2223111 ??? ??? ???（3.3）設計公式： 321][???sFdYZKTma?2.斜齒強度校核公式：礦井救援機器人行走機構設計23FsFdadpsFaF YmZKTYmbdKTa][22][ 31211 ??? ?? ???（3.4）設計公式： 3213][cospsFdaYZKTma?????（3.5）※開式齒輪傳動 m 應加大 10～15％，不需疲勞強度校核。2. 齒面接觸疲勞強度計算1.直齒強度校核公式：HHKubdTZ][)1(2?????（3.6）設計公式：3123211)][()2dHKHdTuZuaT????????（3.7）2.斜齒強度校核公式：礦井救援機器人行走機構設計24HpHKubdTZ][)1(2?????（3.8）設計公式： 3 123 211)][()2dHKHd TuZuaT?????????3. 齒輪的許用應力一.接觸疲勞許用應力NHZSmin][??（3.9）二.彎曲疲勞許用應力SrNFYmin][??（3.10）3.4.2 蝸桿傳動1. 蝸桿傳動的參數(shù)和幾何尺寸1. 普通圓柱蝸桿傳動的主要參數(shù)礦井救援機器人行走機構設計25圖 3.1 普通圓柱蝸桿傳動（1）模數(shù) m 和壓力角 a蝸桿和蝸輪嚙合的中間平面上，蝸桿的軸面模數(shù)、壓力角應與蝸輪的端面模數(shù)、壓力角相等，即 21a??（2）蝸桿的分度圓直徑 1d蝸桿的分度圓直徑 mq??， 為模數(shù)，q 為蝸桿的直徑系數(shù)，已有標準值,且與模數(shù)相匹配。（3）蝸桿頭數(shù) 1z蝸桿頭數(shù) 通常取為 1、2、4、6，也可根據(jù)要求的傳動比和效率來選定。（4）導程角mdq1?礦井救援機器人行走機構設計26qzdmPzaZ11tan????（3.11）（5）傳動比 i 和齒數(shù)比 u傳動比 21ni?，齒數(shù)比 21z?， （ n、 2為蝸桿和蝸輪的轉速，單位為r/min， z為蝸輪的齒數(shù)）當蝸桿主動時，有 uzni?21（6）蝸輪齒數(shù)蝸輪齒數(shù)主要根據(jù)傳動比來確定，通常規(guī)定 大于 28，一般不大于 80。（7）蝸桿傳動的標準中心距mzqda???21（3.12）變位蝸桿的中心距為21xda???（3.13）2. 蝸桿傳動的幾何尺寸計算普通圓柱蝸桿傳動主要參數(shù)的基本公式中心距mzqda???21（標準傳動中心距）x?（變位后實際中心距）蝸桿軸向齒距礦井救援機器人行走機構設計27mP???蝸桿導程 1zz蝸桿分度圓直徑 mqd??1蝸桿導程角 ?tan=?qzd1蝸輪變位系數(shù) 2zx???（ 為變位后齒輪的實際齒數(shù)）如圖 3.2 所示圖 3.2 普通圓柱蝸桿傳動的基本幾何尺寸3. 普通圓柱蝸桿承載能力的計算1. 蝸桿傳動的失效形式和設計準則蝸桿傳動的失效形式有點蝕、齒根折斷、齒面膠合及過度磨損等。由于蝸桿螺旋齒部分的強度總是高于蝸輪輪齒的強度，所以失效經(jīng)常發(fā)生在蝸輪輪齒上。因此，一般只對蝸輪輪齒進行承載能力計算。礦井救援機器人行走機構設計28在開式傳動中，以保證齒根彎曲疲勞強度作為開式傳動的主要設計準則。在閉式傳動中，通常是按齒面接觸疲勞強度進行設計，而按齒根彎曲疲勞強度進行校核。另外，閉式蝸桿傳動散熱較為困難，還應作熱平衡核算。蝸桿一般是用碳鋼或合金鋼制成。常用的蝸輪材料為鑄造錫青銅、鑄造鋁鐵青銅及灰鑄鐵等。2. 蝸桿傳動的受力分析Fn 是垂直指向節(jié)點 P 的正壓力，可分解為圓周力 Ft、徑向力 Fr 和軸向力Fa，三力互相垂直。在蝸輪、蝸桿間，F(xiàn)a1 與 Fa2、Fr1 與 Fr2 和 Ft1 與 Ft2 三對力大小相等、方向相反。在進行蝸桿傳動的受力分析時，首先判別蝸桿的螺旋方向是右旋還是左旋，其次按左、右手法則確定作用于蝸桿上軸向力 Ft1 的方向，這樣就可以定出作用于蝸輪上的圓周力 Ft2 的方向和蝸輪的轉動方向。礦井救援機器人行走機構設計29圖 3.3 蝸桿傳動的受力分析各力計算公式為121dTFa??(3.14)21ta(3.15)?tan21rF? ????coscoscos21 nntnan dTF?4. 蝸桿傳動的強度計算礦井救援機器人行走機構設計30（1）蝸輪齒根彎曲疲勞強度計算在蝸桿傳動時，蝸桿傳動強度計算即為蝸輪齒的強度計算。因蝸輪的齒形比較復雜，精確計算比較困難，故常把蝸輪近似地看成斜齒圓柱齒輪計算，其齒根彎曲疲勞強度計算公式為][1532FPFaFmdYKT????(3.16)設計公式為 ][15322FPazYTd??式中： 2FaY——蝸輪的齒形系數(shù)； P——螺旋角影響系數(shù)；K——載荷系數(shù)， vAK??。（2）蝸輪齒面接觸疲勞強度計算蝸輪齒面接觸強度計算也和斜齒圓柱齒輪相似，其公式為HpKHaTZ][32????(3.17)322)][(Hp?(3.18)式中： KZ——材料的彈性影響系數(shù)， Ma；p——蝸桿傳動的接觸線長度和曲率半徑對接觸強度的影響系數(shù)，簡稱接觸系數(shù)。5. 普通圓柱蝸桿傳動的效率、潤滑和熱平衡計算