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排爆機器人技術參數(shù) 設計技術參數(shù) 運動速度 0 5km h 爬坡能力 30 35 外形尺寸 長 1300mm 寬 680mm 行走性能 可前進 后退 轉彎 定位精度 10mm 對象功能 代替排爆人員搬運 轉移爆炸可疑物品及其它有害危險品 代替排爆人員使用爆炸物銷毀器銷毀炸彈 代替現(xiàn)場安檢人員實地勘察 實時傳輸現(xiàn)場圖像 可配備散彈槍對犯罪分子進行攻擊 可配備探測器材檢查危險場所及危險物品 參考文獻 1 富巍 劉美俊 排爆機器人的研究與開發(fā) M 北京 電子工業(yè)出版社 2 張建民主編 排爆機器人 北京理工大學出版社 1987 年 3 俄 IO M 索爾編 排爆機器人圖冊 機械工業(yè)出版社 1991 年 排爆機器人技術參數(shù) 設計技術參數(shù) 運動速度 0 5km h 爬坡能力 30 35 外形尺寸 長 1300mm 寬 680mm 行走性能 可前進 后退 轉彎 定位精度 10mm 對象功能 代替排爆人員搬運 轉移爆炸可疑物品及其它有害危險品 代替排爆人員使用爆炸物銷毀器銷毀炸彈 代替現(xiàn)場安檢人員實地勘察 實時傳輸現(xiàn)場圖像 可配備散彈槍對犯罪分子進行攻擊 可配備探測器材檢查危險場所及危險物品 參考文獻 1 富巍 劉美俊 排爆機器人的研究與開發(fā) M 北京 電子工業(yè)出版社 2 張建民主編 排爆機器人 北京理工大學出版社 1987 年 3 俄 IO M 索爾編 排爆機器人圖冊 機械工業(yè)出版社 1991 年 2 3 移動車體總體方案設計 根據(jù)行走機構和越障機構的方案設計 設計如圖 2 1 所示的形狀可變履帶 移動車體的外形示意圖 該機器人的主體部分是兩條形狀可變的履帶 分別由 兩個主電動機驅動 當兩條履帶的速度相同時 機器人實現(xiàn)前進或后退移動 當兩條履帶的速度不同時 機器人實現(xiàn)轉向運動 當搖臂桿圍繞支撐桿上的軸 旋轉時 帶動行星輪轉動 從而實現(xiàn)履帶的不同構形 以適應不同的運動和作 業(yè)環(huán)境 圖 2 1 形狀可變履帶移動車體外形示意圖 2 4 履帶變形機構方案設計及驗證 2 4 1 變形機構方案設計 圖 2 2 變形履帶傳動機構示意圖 圖 2 2 所示為變形履帶傳動機構示意圖 驅動電動機通過蝸桿減速器減速 帶動驅動輪運動 通過履帶帶動導向輪和行星輪轉動 這樣機器人就可以向前 或者向后移動 搖臂減速電機通過與電動機同軸的齒輪 1 與齒輪 2 嚙合 帶動 搖臂桿轉動 另一方面齒輪 2 與齒輪 3 嚙合 帶動齒輪 3 和齒輪 4 所在的軸轉 動 再通過齒輪 4 與齒輪 5 嚙合 從而使同步帶輪 1 轉動 通過同步帶帶動同 步帶輪 2 轉動 同步帶輪 2 進一步使安裝行星輪的曲軸回轉 從而使履帶的形 狀改變 因為齒輪 1 3 和 4 齒輪 2 和 5 的齒數(shù)分別相同 因此齒輪 2 和齒輪 5 的 轉速一致 而方向相反 加上同步帶的傳動比為 2 1 使得搖臂減速電機工作 時 搖臂桿轉過的角度是曲軸的絕對轉角的 2 倍 方向相反 這樣使得行星輪 的輪心運動軌跡恰好是一個橢圓 2 4 2 變形機構方案驗證 圖 2 3 為行星輪輪心軌跡計算圖 由圖可以導出該行星輪輪心 P X Y 點 的運動軌跡滿足下式 1r y22 Rx 2 1 顯然 式 2 1 是一個標準橢圓方程 這說明該行走機構的履帶在任何形狀時 都能保持松緊程度不發(fā)生變化 由此證明履帶變形機構的方案是正確可行的 因為變形機構在變形的過程中履帶的長度是相等的 所以履帶在不同的姿 態(tài)下都能保持相同的松緊程度 因此 本機構中不需要再對機器人設計履帶張 緊裝置 圖 2 3 行星履帶輪輪心軌跡計算圖 XXXXX 畢 業(yè) 設 計 論 文 排爆機器人車體結構設計 系 名 專業(yè)班級 學生姓名 學 號 指導教師姓名 指導教師職稱 年 月 I 目 錄 摘 要 III Abstract IV 第一章 緒論 1 1 1 研究背景及意義 1 1 2 國內外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 2 第二章 總體方案設計 4 2 1 設計參數(shù)及功能要求 4 2 1 1 設計技術參數(shù) 4 2 1 2 功能要求 4 2 2 方案選定 4 2 2 1 結構方案設計 4 2 2 2 性能指標參數(shù)選定 5 2 3 原理分析分析 6 2 3 1 主要機構工作原理 6 2 3 2 運動特性分析 6 第三章 機器人運動分析及主電機的選擇 8 3 1 運動分析 8 3 1 1 跨越臺階 8 3 1 2 跨越溝槽 9 3 3 3 斜坡運動分析 10 3 2 主電機的選擇 11 第四章 主要零部件的設計與選擇 14 4 1 履帶 同步帶 部分設計 14 4 1 1 同步帶的選擇 14 4 1 2 確定主從動輪直徑 17 4 1 3 確定節(jié)線長度 18 4 1 4 確定最大功率時帶寬 19 4 1 5 功率驗算 21 II 4 1 6 同步帶的物理機械性能 21 4 1 7 同步帶主從動輪設計 21 4 2 副履帶 同步帶 部分設計 24 4 2 1 計算同步帶的帶寬 25 4 2 2 計算 H 帶的基準額定功率 25 4 2 3 中心距的選擇 26 4 2 4 計算同步帶節(jié)線長度 26 4 3 翼板部分設計 26 4 3 1 翼板的作用 26 4 3 2 翼板設計 27 4 4 車體副履帶支架設計 27 總 結 28 參考文獻 29 致 謝 30 III 摘 要 排爆機器人是排爆人員用于處置或銷毀爆炸可疑物的專用器材 避免不必要的人 員傷亡 它可用于多種復雜地形進行排爆 此設計的排爆機器人能實現(xiàn)過坑 越障等 動作 此設計移動方案的選擇是采用了履帶式驅動結構 結構整體使用模塊化設計 以 便后續(xù)拆卸維修 可以適應于各種復雜的路面 并可主動控制前后兩側搖臂的轉動來 調節(jié)機器人的運動姿態(tài) 從而達到輔助過坑 越障等動作 經(jīng)過合理的設計后機器人 將具有很好的環(huán)境適應能力 機動能力并能承受一定的掉落沖擊 此設計的移動機構 主要由四部分組成 主動輪減速機構 翼板轉動機構 自適應路面執(zhí)行機構 履帶及 履帶輪運動機構 本文首先根據(jù)課題所給的技術參數(shù)和功能要求提出排爆機器人車體結構方案 并 對方案進行分析 接著 對主要技術參數(shù)進行了計算選擇 然后 對各主要零部件進 行了設計與校核 最后 通過 AutoCAD 制圖軟件繪制了排爆機器人車體結構裝配圖及 主要零部件圖 關鍵詞 排爆機器人 越障 同步帶 IV Abstract EOD robot EOD personnel for disposal or destruction of special equipment explosion suspicious objects to avoid unnecessary casualties It can be used for a variety of complex terrain EOD This design can be achieved through the pit EOD robot obstacle and other activities Select this design is the use of mobile solutions crawler drive structure Modular design of the overall structure so that subsequent maintenance of the demolition can be adapted to a variety of complex road and take the initiative to control the rotation of the front and rear sides of the rocker to adjust the robot s motion attitude so as to achieve the secondary over the pit obstacle and other activities After a reasonable design robots will have a good environmental adaptability mobility and can withstand the impact of falling the design of the movement mechanism is mainly composed of four parts the driving wheel gear box wing rotation mechanism adaptive road actuators track and track wheels kinematics This article was first proposed EOD robot body structure of the program according to the given topics technical parameters and functional requirements and program analysis Next the main technical parameters were calculated choice then for the main components were designed and verification and finally through the AutoCAD drawing software to draw the EOD robot body structure and major components assembly diagram chart Keywords EOD robot Obstacle Belt 1 第一章 緒論 1 1研究背景及意義 機器人是二十世紀人類最偉大的發(fā)明之一 人類對于機器入的研究由來已久 但 直到上世紀 50 60 年代 隨著機構理論和數(shù)控伺服技術的發(fā)展才真正進入實用化 上 世紀 70 年代后 計算機技術 控靠 q 技術 傳感技術和人工智能技術迅速發(fā)展 機器 人技術也隨之進入高速發(fā)展階段 并發(fā)展成為集機械 電子 控制和計算機技術的一 項綜合技術 在歷史上 所有的高新技術首先被考慮用于軍事用途 機器入也不例外 未來戰(zhàn) 爭將是建立在高科技條件下的 高度信息化的全方位立體化的戰(zhàn)爭 各種具有巨大殺 傷力的先進武器的廣泛使用 將使未來的戰(zhàn)場環(huán)境異常復雜 信息瞬息萬變 士兵的 生命無時不刻受到來自天空 地面 水下各種先進武器的威脅 完全依賴士兵作戰(zhàn)能 力的戰(zhàn)爭模式正越來越受到挑戰(zhàn) 在軍用機器人領域 排爆機器人是較早投入實戰(zhàn)的 軍用機器人之 日靜 排爆機器人在 些發(fā)達國家的軍隊已得到廣泛使用 英國早 在 60 年代就研制了 手推車 排爆機器人用于英阿馬島戰(zhàn)爭的爆炸物清理 其改進型的 土撥鼠及野牛兩種遙控電動排爆機器人被英國爭家工程兵在波黑及科索沃用于探測及 處理爆炸物 德國 MV494 型遙控排爆機器人也曾裝備了其駐索馬暈的維和部隊 1 31 在近年來美國發(fā)動的幾次局部戰(zhàn)爭中 基于 零傷亡 的作戰(zhàn)思想 美軍開始在 戰(zhàn)場上大量使用排爆機器人替代士兵執(zhí)行排爆任務 其 Talon 排爆機器入 2000 年就參 與波斯尼亞地區(qū)的軍事行動 隨后又參與 2002 年初的阿富汗行動以及 2003 年的伊拉 克戰(zhàn)爭 執(zhí)行的主要任務是爆炸物檢測及其處理 阿富汗和伊拉克戰(zhàn)爭中共執(zhí)行 20000 項任務 在戰(zhàn)爭中有效地降低了已方的傷亡 H 此外 由于政治 經(jīng)濟 民族 宗教等關系的錯綜復雜 國際和地區(qū)恐怖主義在 世界各國有泛濫的趨勢 在公共場所安放爆炸物以產生恐慌 爆炸恐怖犯罪 即是其集中 表現(xiàn)形式 相對于其他形式的惡性犯罪 恐怖爆炸由于其危害面廣 社會和政治負面 影響面大 日益成為令當今世界各國政府頭疼的問題 據(jù)美國官方統(tǒng)計 1968 年國際 上的恐怖主義事件僅有 120 起 面 1984 年增至 652 起 1983 年的 500 起恐怖活動中 有 262 起是爆炸事件 pl 尤其是最近幾年 隨著國際形勢的動蕩 恐怖爆炸事件更是 此起彼伏 接連不斷 除了傳統(tǒng)的恐怖活動熱點地區(qū) 例如中東 阿富汗等地區(qū)外 美國 英國 西班牙 日本 俄羅斯 印度尼西亞 烏茲別克斯坦 馬來西亞和泰國 菲律賓也接連發(fā)生恐怖爆炸事件 影響較大的有俄軍醫(yī)院爆炸案 西班牙馬德里爆炸 案 印尼巴厘島爆炸案 倫敦連環(huán)爆炸寨等 就連以往很少有恐怖活動波碩十論文小 型捧爆機器人總體設計的研究及的國家和地區(qū) 近年來也接連發(fā)生恐怖爆炸事件 而 且 隨著時間的推移 這些活動還愈演愈烈 作為應對 反恐排爆已經(jīng)成為世界各國 2 政府最為關注的問題之一 目前在世界范圍內 排爆機器人已經(jīng)成為反恐作戰(zhàn)的重要 裝備之一 排爆機器人是目前較具研究價值的機器人產品 在反恐領域可用來執(zhí)行諸如反恐 排爆的任務 戰(zhàn)場上排爆機器人則用以執(zhí)行諸如排除爆炸物 戰(zhàn)場信息收集的任務 稍加改造 即可加裝單兵武器用于武裝巡邏 戰(zhàn)斗值勤等高危險任務 目前國內已經(jīng) 著力于排爆機器人的研發(fā) 但距離軍事用途還有相當?shù)木嚯x 基于軍用機器人產品系 列化 通用性的需要 本文對基于小型移動平臺基礎上 兼具攤爆和作戰(zhàn)功能的機器 人進行總體設計的研究 1 2國內外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 20 世紀 60 年代到 70 年代 想到工業(yè)機器人印入腦海的便是自動機械手 機器人 移動功能的大力研究和開發(fā)是 20 世紀 80 年代以后才開始 現(xiàn)在作為移動機器人而研 制的移動機械類型已遠遠超過了機械手 尤其是排爆機器人 不僅是生物體中沒見過 的移動形態(tài) 而且能夠在復雜的環(huán)境下行進 目前六履帶擺臂式搜救機器人還是局限于單個或兩個自由度 其主要由機械本體 控制系統(tǒng) 導航系統(tǒng)等部分組成 六履帶擺臂式搜救機器人的研究涉及以下幾個方面 首先是移動方式的選擇 對于排爆移動機器人 可以是兩排爆 四排爆 六排爆等 其次 考慮驅動器的控制 以使機器人達到期望的功能 再者 必須考慮導航或路徑 規(guī)劃 如傳感信息融合 特征提取 避碰以及環(huán)境映射 最后 考慮擺臂角的原理 這方面需要重點考慮 通過控制搖臂的角度來改變自身高度以達到越障過坑功能是這 種機器人的最大特點 對于這些問題可歸結為 機械結構設計 控制系統(tǒng)設計 運動 學與動力學建模 導航與定位 多傳感器信息融合等 下面是各國研發(fā)的一些排爆可變形機器人 1 美國的拆彈專家 如圖 2 1 2 2 2 3 2 4 所示 這是美國 iRobot 的一種較小型 PackBot 機器人 現(xiàn)服役于美國軍隊 它搭配了一個爆炸物感應系統(tǒng) 能有效地探測炸彈 圖 2 3 這種 iRobot SUGV 的機器人是一種小型地面探測車 重量僅為 30 磅 圖 2 4 是 iRobot 生產的 Warrior 機器人配備了兩個全自動 自動裝彈 可遙控的 12 桿機搶 重量為 250 磅 3 圖 2 1 RackBot 準備展開 圖 2 2 RackBot 伸展情況 圖 2 3 SUGV 機器人 圖 2 4 Warrior 機器人 2 德國 telemax 防爆機器人 僅在一兩年前 德國公司出品了一款防爆機器人 現(xiàn)在 2006 年的新一代機器人已經(jīng)上市了 其結構比以前的更加輕便 體積更小 這款 機器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機器人一樣的功能 圖 2 5 telemax 行走姿勢 圖 2 6 最緊湊姿勢 通過對國內外排爆機器人的分析 可以看出排爆機器人今后的發(fā)展有以下幾個方 面的趨勢 1 結構上 趨向小型 微型 2 運動上 趨向全方位 更靈活 更具自主性 3 在用途上 趨向于功能多功能化 4 第二章 總體方案設計 2 1設計參數(shù)及功能要求 2 1 1設計技術參數(shù) 運動速度 0 5km h 爬坡能力 30 35 外形尺寸 長 1300mm 寬 680mm 行走性能 可前進 后退 轉彎 定位精度 10mm 2 1 2功能要求 本次設計的排爆機器人要求具有以下功能 1 代替排爆人員搬運 轉移爆炸可疑物品及其它有害危險品 2 代替排爆人員使用爆炸物銷毀器銷毀炸彈 3 代替現(xiàn)場安檢人員實地勘察 實時傳輸現(xiàn)場圖像 4 可配備散彈槍對犯罪分子進行攻擊 5 可配備探測器材檢查危險場所及危險物品 2 2方案選定 2 2 1結構方案設計 本次設計的排爆機器人車體結構采用的是履腿式復合結構 總體設計方案如圖 2 1 所示 機器人的車體的履帶作為排爆移動機構 與前臂和后臂轉動相協(xié)調 增加了機 器人運動靈活性 機器人前臂和后臂各有一個伺服電機驅動 通過控制系統(tǒng)協(xié)調配合 實現(xiàn)前臂和 后臂的靈活轉動 在機器人爬坡和越障時發(fā)揮更大作用 機器人前臂和后臂協(xié)調作用 穩(wěn)定性將更好 機器人車體左右兩邊履帶各有永磁式直流電機驅動 通過控制系統(tǒng)協(xié)調配合 控 制前軸和后軸的速度 力矩 可實現(xiàn)原地 360 轉向 前進時的自由轉向 隨時調解爬 5 坡時的力矩大小 在車體主履帶前端是慣性軸 與主動軸配合 保證機器人運動的平 穩(wěn) 123456789 1 后擺臂及履帶 2 齒輪 3 永磁式直流電機 4 減速器 5 蓄電池 6 微控制器及組件 7 步進電機 8 主履帶 9 前擺臂及履帶 圖2 1 排爆機器人結構組成 2 2 2性能指標參數(shù)選定 選定排爆機器人的主要設計性能參數(shù)如下 表 4 1 性能參數(shù) 總 體 結 構 六 節(jié) 履 腿 式 結 構 自 重 50Kg 載 荷 50Kg 搭 載 接 口 二 維 隨 動 搭 載 平 臺 結 構 尺 寸 1205 624 380 運 動 速 度 5km h 最 大 通 過 坡 度 30 通 過 能 力 能 通 過 復 雜 行 道 續(xù) 航 能 力 4 小 時 以 上 轉 向 能 力 自 由 轉 向 履 帶 高 度 200mm 前 臂 履 帶 末 端 直 徑 80mm 6 后 臂 履 帶 末 端 直 徑 80mm 機器人車體總體尺寸如圖 2 2 1205694054850624 0408 圖 2 2 機器人車體結構尺寸 2 3原理分析分析 2 3 1主要機構工作原理 減速傳動機構是電動機通過行星輪減速器的降速 來實現(xiàn)增大轉矩 調速 通過 直齒輪改變軸的方向 輸出后軸轉矩 為機器人提供主要動力 后軸驅動機構驅動后 軸位于傳動系的末端 其基本功用是增扭 降速和改變轉矩的傳遞方向 轉向機構機器人在行駛過程中 經(jīng)常需要改變行駛方向 本機構是通過兩個電機 的差速比來實現(xiàn)的 動力部分采用電機 通過齒輪副降速后帶動低速軸的轉動 軸與履帶驅動機構通 過導桿滑塊機構連接 使履帶驅動機構各自繞前后軸的中心線轉動 實現(xiàn)機器人不同 角度的爬坡和越障能力 2 3 2運動特性分析 1 平面運動及轉彎 平面運動及轉彎是最基本的運動方式 當兩側的履帶同向等速運動時 則表現(xiàn)為 直線行走 當兩側履帶反向等速運動可實現(xiàn)原地零半徑回轉 而不同速度同向運動可 實現(xiàn)任意半徑轉向 7 圖 2 3 a 圖 2 3 b 為四擺臂履帶單元同時著地 使機器人與地面的接觸面積 增大 可以使機器人適應松軟 泥濘和凹凸不平等各種地形環(huán)境 圖 2 3 a 圖 2 3 b 圖 2 3 c 圖 2 3 d 圖 2 3 e 中當遇到小坡度的斜坡時 可直接爬坡而不 必采取其他動作 從而可減少對驅動控制系統(tǒng)要求 圖 2 3 c 圖 2 3 d 圖 2 3 e 圖 2 3 f 為四擺臂單元向上擺到中間位置 可實現(xiàn)機器人小空間轉向運動 圖 2 3 f 機器人爬坡時 姿態(tài)可以轉變成圖 2 3 g 當坡度較大時 則圖 2 3 h 和圖 2 3 i 是較好的姿態(tài) 這兩種方式可使機器人重心位于穩(wěn)定狀態(tài) 從而保證機器人順利 爬坡 圖 2 3 g 圖 2 3 h 圖 2 3 i 2 自撐起及涉水 機器人的主要控制系統(tǒng)和檢測元件則安裝在中間箱體中 為了避免在運動中被損 壞 機器人可以通過 4 個擺臂單元向下擺動 抬高中間箱體的高度 且其以各自不同 的擺動角度向下擺動時可使機器人變換成各種姿態(tài) 從而使中間箱體在允許變化的高 度范圍內自由轉變 從而使機器人完成涉水的動作 3 越障 機器人利用擺臂前攻角進行越障 由于機器人擺臂能把車體抬起 所以可越過高 于自身高度的障礙物 圖 2 4 示 a h 表示機器人越過高障礙物的一般過程 履 帶利用齒形對障礙物的抓爬力來向上攀爬 同時后擺臂向下擺動以使車體抬高 當擺 到與地面垂直時后擺臂停止擺動 當主履帶爬到障礙物上面時 前擺臂向前向下擺動 支起車體 機器人繼續(xù)前進 直到其重心越過臺階 重心越過臺階后 前擺臂向前向 上擺動直到與地面貼合 同時后擺臂向后向上擺動與車體成一后攻角為止 此時機器 人已越上臺階 整個過程中 履帶始終向前爬行 8 圖 2 4 救災機器人越障過程 第三章 機器人運動分析及主電機的選擇 3 1運動分析 3 1 1跨越臺階 當機器人在爬越臺階時 機器人履帶底線與地面之間的夾角將慢慢增大 當重心 越過臺階的支撐點時 則完成了爬越臺階的動作 由運動過程可以看出 圖 3 1 重心 的位置處于臨界狀態(tài) 機器人重心只有越過臺階邊緣 機器人才能成功的越過障礙 由此可分析出機器人的最大越障高度 9 圖 3 1 上臺階臨界狀態(tài)示意圖 由圖 3 1 所示幾何關系可得 5 1 cos cot sinxLhR 變換式 5 1 可得 5 2 cosLR 5 3 2csin cs0d 利用式 5 3 求出 代入式 6 2 可算出機器人跨越障礙的高度 1H 機器人加裝后臂 可以大幅提高機器人跨越臺階的高度 如圖 3 2 所示 在后臂 伺服電機的驅動下 后臂履帶抬起 成 直立 在機器人跨越的高度又要高出 H 90 所以本次設計履帶設計中機器人跨越障礙的最大高度為 1max 圖 3 2 上臺階臨界狀態(tài)示意圖 3 1 2 跨越溝槽 對于小于機器人前后履帶輪中心距的溝槽 因機器人重心在機器人車體內 當機 10 器人重心越過下一個溝槽的支撐點時 機器人就越過了溝槽 也可能由于重心未能過 去 傾翻在溝槽內 當溝槽大于中心距時 排爆機器人可以看做爬越凸臺障礙 排爆 移動機器人跨越溝槽時 當重心越過溝槽邊緣時 受重力作用 機器人將產生前傾現(xiàn) 象 運動不穩(wěn)定 由機器人質心變化規(guī)律可知機器人重心在以 r 為半徑的圓內 由于 擺臂展開后機器人履帶與地接觸長度變大 為了計算最大跨越壕溝寬度 擺臂履帶應 處于展開狀態(tài) 機器人前臂和后臂的長度相等 a b c 圖 3 3 跨越溝槽示意圖 機器人在平地圖 3 3 a 跨越溝槽的寬度 1L 6 4 max1Lr 3 3 3 斜坡運動分析 機器人在斜坡上運動時 其受力情況如圖 3 4 所示 機器人勻速行駛或靜止時 其驅動力 6 5 sinFG 圖 3 4 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 11 6 6 maxcosFG 當 時 機器人能平穩(wěn)行駛 a 當 時 機器人受重力的影響將沿斜面下滑 mx 已知排爆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 6 7 1axtn 爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為 6 8 max cosin g 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 垂直越障高度最大為 600mm 03 最大跨溝寬度為 400mm 對于履帶和地面的動摩擦因數(shù) 實際上只是表示起動時車輪所處的滑動狀態(tài)對應的滑動 f 摩擦力 一旦車輪開始轉動 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 56 0 3 2主電機的選擇 1 機器人在平直的路上行駛 排爆機器人在跨越平面的溝槽或在平面移動 假設其速度最大 且勻速前進 則 取 sm 39 1v kg50 mR85 排爆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 12 圖 3 5 平直路線分析2mgN fRML 又 則 m 135NL 在最大的行駛速度下 驅動電機經(jīng)過減速箱減速后需要提供的極限轉速為 in 6 2maxrDn 2 機器人在 30 坡上勻速行駛 機器人在最大行駛坡度上勻速行駛 設定行駛速度為 在行駛過程sm 0 1 30 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 3 6 30 坡度分析203cosN mgRfML in 又 則 mNL 2 1 in 1 Drn 則在最大坡度下需提供極限轉矩為 mNML 2 1 3 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動電機輸出轉速較大 而爬坡 時需要驅動電機的輸出轉矩較大 因此 在選電機時 應根據(jù)平地直線運動所求的最 13 大轉速和爬坡運動所求的轉矩進行選擇 根據(jù)機器人爬坡情況的分析 mNMTL 21 in 2rnw Wnw6950P 機器在平面狀況下 mNTL 135in 56 2rw w80 2 因而選取 P 80W 作為機器人的最大輸出功率 根據(jù)計算的排爆機器人的最大輸出功率為 80W 輸出轉矩為 22 1N M 輸出轉速為 56 2r min 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 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 其參數(shù)如下 額定功率 W92 額定轉矩 MN 0 6 額定轉速 1min r1500 電流 A7 電壓 V 12 允許正反轉速差 1i r150 因為 則WP80 92 輸額 6額輸w 因為 則min 150rn 額 in 56 2r 輸 26 7 輸額w 又 3 86 2axTisw 則選取 i 14 第四章 主要零部件的設計與選擇 4 1履帶 同步帶 部分設計 4 1 1同步帶的選擇 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 15 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 結構緊湊 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論 選用梯形雙面齒同步帶作為移動裝 置設計履帶能夠滿足設計性能及工作的環(huán)境條件要求 由已知后軸輸出功率為 即 wp81 k081 由已知設計裝置移動速度 根據(jù)公式 可得主動輪轉速smv 5 rnv 2 預先設計履帶主動輪直徑 169mm 履帶從動輪直徑in 71 592 1rvn d1 169mm 由公式 可得 59 71r min 故可以得到設計的已知條件如下 d2d1 2n2 傳遞名義功率 wpm8 主動輪轉速 r min71 59n 從動輪轉速 in 2r 中心距 380 a 1 功率的計算 kwpkmd 137 式中 K 載荷修正系數(shù) 有工作機性能和運轉時間查表 8 1 可以得到 表 8 1 修正載荷系數(shù) K 運行時間 小時 日 工作機 3 5 8 10 16 24 計算機 醫(yī)療機 1 0 1 2 1 4 縫紉機 辦公機械 1 2 1 4 1 6 輕傳送機 包裝機 1 3 1 5 1 7 攪拌機 造紙機 1 4 1 6 1 8 印刷機 圓形帶鋸 1 4 1 6 1 8 2 確定帶的型號和節(jié)距 由設計功率 0 1377kw 和 59 71r min 考慮到可以用雙面交錯梯狀齒形同步Pdn1 帶作為履帶使用 由圖 8 1 查得型號選用 XH 型 對應節(jié)距 22 225mm 圖 8 2 為Pb 16 雙面交錯梯狀齒形同步帶的結構圖 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 其兩面帶齒呈對稱排列 圖 B 為 DB 型 雙面齒同步帶 其兩面帶齒呈交錯位置排列 本裝置設計履帶選擇 DB 型 XH 同步帶 2 794mm 15 49WT 圖 8 1 梯形齒同步帶 輪選型圖 圖 8 2 梯形齒形狀圖 本裝置選擇的梯形 BD 型 XH 同步帶的具體參數(shù)如下表 8 2 表 8 2 梯形齒標準同步帶型號以及齒尺寸 17 4 1 2確定主從動輪直徑 對于梯形標準同步帶來說小帶輪的齒數(shù)是有要求的 能夠保證同步帶運轉是最為 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 8 3 查的min124z 取 表 8 3 小帶輪的最小齒數(shù) 小帶輪轉速 1n 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 p2 5b 可以代入公式169 87zd 為了增大摩擦力 應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 的高度不易過大 故取履帶主動輪直徑 169mm 履帶從動輪直徑 169mm d1 d2 18 查表 8 4 選擇履帶主動輪型號為 24XH 履帶從動輪型號為 24XH 就近圓整帶 輪直徑 查得履帶主動輪直徑 169 79mm 履帶從動輪直徑 169 79mm d1 d2 表 8 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 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 51d 0 536nv 校 核 同步帶都有自己的極限速度 如果速度過大會使皮帶輪機構的不穩(wěn)定性增強 有 較大的波動現(xiàn)象 并且在單位時間的轉動次數(shù)會增加 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 8 5 得 maxv25 s maxv 校 核 表 8 5 梯形齒同步帶極限速度 型號 MXL XXL XL T 2 5 T5 3M L H T10 8 M 14M XH XXH T20 20M 模數(shù) 1 1 5 2 2 5 3 4 5 7 10maxV 40 50 35 40 25 30 4 1 3確定節(jié)線長度 確定中心距 增大中心距 可以增加帶輪的包角 減少單位時間內帶的循環(huán)次 數(shù) 有利于提高帶的壽命 但是中心距過大 則會加劇帶的波動 降低帶的傳動平穩(wěn) 性 同時增大帶傳動的整體尺寸 中心距過小 則有相反的利弊 取帶傳動的中心距 為 dda212170 19 由 169 79mm 169 79mm 代入上式有d1d216 7906 237 a 由于排爆機器人工作的環(huán)境限制 所設計的尺寸不宜過大 選擇中心距的尺寸偏 小 初選取 380mm 根據(jù)帶傳動總體尺寸和中心距的要求 帶的節(jié)線長度可由帶圍繞兩帶輪的周長來 計算 根據(jù)下式求得 21210 42addLda 代入 400mm 169 79mm 169 79mm 有2 1350 79mm d0 根據(jù)表 8 6 就近圓整 1422 40mm 型號為 560XH 同步帶齒數(shù)為 64 Ld0 表 8 6 XH 型同步帶節(jié)線型號 XH 型 節(jié)距 22 225mm 規(guī)格 節(jié)線長 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 4 1 4確定最大功率時帶寬 1 計算同步帶的基準額定功率 P0 kw12 vmT 式中 許用工作拉力 查表 8 4 得 4048 90NT0 0 20 單位長度質量 查表 8 7 得 1 484Kg mmm 線速度 m sv 表 8 7 七種同步帶型號的主要參數(shù) 帶型 號 節(jié)距 Pb 基準寬 so拉力 T0 質量 G 帶寬 ba 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 8 5 0 448 25 4 38 1 50 8 XH 22 225 101 6 4048 9 0 1 484 50 8 76 2 101 6 XXH 31 75 127 0 6398 0 3 2 473 76 2 101 6 12 7 0 帶入上式得 kwpo 024 510 48 92 2 計算主動輪嚙合齒數(shù) Zm 小帶輪的嚙合齒數(shù)為 121bmpzzenta 6 3 確定實際所需帶寬 s14 00pKbzds 其中 為嚙合系數(shù)由表 8 8 查的zk 1z 表 8 8 嚙合數(shù)系數(shù) 21 mz6 5 4zK 1 0 8 0 6 式中 帶所傳遞的功率 2 024kwP0P0 本履帶選用為 XH 帶 可以由表 8 9 查的基準帶寬 如下 mbs6 10 表 8 9 周節(jié)制梯形齒同步帶的寬度 型號 MXL XXL XL L H XH XXH 基準寬度 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 帶的質量 m 0 007 0 01 0 022 0 095 0 448 1 484 2 473 所以 mpKbzds 4 720 136 04 14 0 以上公式算得帶寬為 72 44mm 所以以此選取標準帶寬 表 8 10 查的 將其取為標準值 ms2 7 8 10 周節(jié)制梯形同步帶的寬度與高度 公稱高度 標準寬度 型號 mm in mm in 代號 50 8 2 200 H 4 3 0 17 76 2 3 300 76 2 3 300 XH 11 2 0 44 101 6 4 400 101 6 4 400 XXH 15 7 0 62 127 5 500 4 8 4 8 XXL 1 52 6 4 6 4 4 1 5功率驗算 額定功率大于設計功率 則帶的傳動能力已足夠 所選參數(shù)合理 dop 22 同時得到作用在軸上的力 NvpFdr275410 4 1 6同步帶的物理機械性能 本排爆機器人選用 XH 帶 其物理機械如下 表 8 11 同步帶的物理機械性能 梯形齒 項目 XH L H XH XXH 拉伸強度 mN 80 120 270 380 450 參考力 N 60 90 220 300 360參考力 伸長率 伸長 40 硬度 75 5 包布粘合強度 5 6 5 8 10 12 芯繩粘合強度 200 380 600 800 1500 齒體剪切強度 mN50 60 70 75 90 4 1 7同步帶主從動輪設計 1 帶輪材料選擇 為了減輕履帶驅動裝置的重量 我們選擇硬鋁合金作為履帶主 從動輪的材料 硬鋁合金具有密度小 質量低 強度高 硬度高 耐熱性好的優(yōu)點 能夠滿足設計性 能要求 2 帶輪形狀及主要尺寸的確定 履帶和帶輪的嚙合方式見圖 8 3 所示 圖中 為同步帶輪節(jié)圓或同步帶節(jié)線上測Pb 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bd 動輪節(jié)圓型號為 24XH 169 79mm 從動輪節(jié)圓型號為 24XH 169 79mm d1 2 為同步帶輪實際外圓直徑 主動輪 166 99mm 從動輪 166 99mm d0 1oo 23 圖 8 3 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 由于本設計采用的是電動機 減速器動力總成放在翼板內 直接通過錐齒輪傳遞 用后驅動輪輪軸 所以 主動輪選擇兩個單邊單圈 從動輪選擇一個無擋圈 選 WS 型同步帶輪 主動輪 24XH 齒數(shù) 24 徑節(jié) 169 79mm 外徑 166 99mmd1d1o 主動輪初選兩個雙邊擋圈的帶輪 用于設計中將其組合 3 履帶輪齒形及齒面寬度的選擇 根據(jù)圖 8 4 可以查得 XH 型梯形雙面齒同步帶輪齒形尺寸如下 圖 8 4 齒形尺寸 節(jié)距 22 225mm 齒槽 mm 齒深 7 14mm 槽角 Pbbw15097 hg 51 倒角 3 048mm 根據(jù)表 8 12 可以查出以上數(shù)據(jù) 20rt 392 r 81 2 表 8 12 梯形雙面齒同步輪齒形尺寸 型號 節(jié)距 PbWhg rbt 2 MXL 2 032 0 84 0 05 0 69 20 0 35 0 13 0 508 XL 5 080 1 32 0 05 1 65 25 0 41 0 64 0 508 L 9 525 3 05 0 10 2 67 20 1 19 1 17 0 762 H 12 7 4 19 0 13 3 05 20 1 60 1 6 1 372 XH 22 225 7 90 0 15 7 14 20 1 98 2 39 2 794 XXH 31 750 12 17 0 18 10 31 20 3 96 3 18 3 048 根據(jù)前面確定的寬度為 76 2 及所選擇的無檔邊帶輪查表 8 13 可得到梯形雙面齒 24 同步帶輪齒面寬度 83 8 b 表 8 13 同步帶輪齒面寬度尺寸參考表 同步帶寬度 齒輪面寬度 型號 代號 帶寬 雙面檔邊帶 輪 單面檔邊帶 輪 無檔邊帶 輪 200 50 8 56 6 62 2 59 6 300 76 2 83 8 89 8 86 9 XH 400 101 6 110 7 116 7 113 7 4 履帶輪所允許的公差 兩輪所允許的公差如表 8 14 所示 表 8 14 允許公差表 項目 小輪 大輪 外徑偏差 0 15 0 0 15 0 任意兩相鄰點 節(jié)距 偏差 90 度弧內的累積 0 03 0 15 0 03 0 15 外圓徑向圓跳動 2t0 13 0 15 外圓端面圓跳動 10 19 0 26 輪齒與軸線平行度 3t 齒頂圓柱面的圓柱度 4 0 09 0 11 軸孔直徑偏差 1dH7 或 H8 H7 或 H8 外圓及兩齒側表面粗糙度 aR3 2 m 3 2 4 2副履帶 同步帶 部分設計 因為同步帶傳動具有準確的傳動比 無滑差 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 結構緊湊 適宜 于多軸傳動 無污染 因此可在不允許有污染和工作環(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看出其性能的優(yōu)越性 因此選用梯形雙面齒同步帶作 25 為移動裝置副履帶能夠滿足設計性能及工作的環(huán)境條件要求 副履帶的設計是依照主 履帶的設計進行的 具有異曲同工之妙 而副履帶相對了主履帶來說 它是輔助作用 幫助移動平臺具有更出色的越野性 能 更擅長于攀爬和越溝 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 其設計方法參照主履帶如下 介于副履帶的主動輪的直徑選擇應與主履帶的從動輪的相當 則參照表 8 15 選擇 副履帶主動輪直徑 mdt7 16 根據(jù)任務 推出 2ti 副履帶從動輪直徑 85 012 ttd 副履帶主動輪齒數(shù) 41tz 副履帶從動輪齒數(shù) 20t 表 8 15 標準同步帶的直徑 4 2 1計算同步帶的帶寬 26 根據(jù)前面的表 8 7 查得到 H 帶 2 76 sotb 選擇標準帶由表 8 9 差查得 H 帶 8 50st 4 2 2計算 H帶的基準額定功率 計算所選用型號同步帶的基準額定功率 P010 2vmTatt 其中 48 0521 mTat 得出 kwpot 而由 14 670otdsot pb 反推得到設計功率為 kwpd3 4 2 3中心距的選擇 2 7 0211dtttdta 5 485 69o 則確定中心距 0 4 2 4計算同步帶節(jié)線長度 根據(jù)帶傳動總體尺寸和中心距的要求 帶的節(jié)線長度可由帶圍繞兩帶輪的周長 來計算 根據(jù)下式求得 21210 42dadLttdtttda 代入數(shù)據(jù) 28045 71685 0716280 dot 27 64 9 dotL 根據(jù)表 8 16 可選帶長為0 T783 tz 8 16 周節(jié)制梯形齒同步帶節(jié)線長度及齒數(shù) 長度代 號 基本尺 寸 極限偏 差 L H XH XXH 345 876 30 92 360 914 40 72 367 933 45 98 390 990 60 0 66 104 78 420 1066 80 0 76 112 84 4 3翼板部分設計 4 3 1翼板的作用 履帶翼板是整個履帶驅動裝置中的基礎部分 主要起支撐張緊作用 履帶從動輪 張緊輪和過度輪分別安裝在翼板上 翼板的材料應滿足質量輕 高強度 高硬度 易加工的優(yōu)點 綜合選擇 所以翼 板的材料選擇硬鋁合金 4 3 2翼板設計 翼板的主要尺寸見圖 9 1 所示 履帶主動輪 從動輪 張緊輪和調節(jié)輪在翼板上 的位置見圖 9 1 上部的一個圓孔和下部的兩個圓孔所示 張緊輪翼板設計厚度為 18mm 28 圖 9 1 翼板主要尺寸 4 4車體副履帶支架設計 車體副履帶支架如下圖示 總 結 排爆機器人是一種極具研究價值和應用前景的軍用地面移動機器人 在未來的戰(zhàn) 場上將扮演越來越重要的角色 本論文對具有排爆功能的化排爆機器入進行了總體技 術的研究 并主要對其車體結構部分進行了詳細的設計和論證 本論文完成的主要工 作如下 1 通過功能和設計任務的分析 確立了排爆機器人總體功能構架 初步制定了 小型排爆機器人的總體組成和性能指標 29 2 在非結構環(huán)境下 移動平臺是小型排爆機器人實現(xiàn)復雜地形運動的功能載體 本文采用了后輪驅動的履帶式移動機構 并具有可獨立控制的前擺 具有較強的地形 適應能力 本文對其基本結構參數(shù)進行了設計 特別對其越障運動進行了分析 設計中 我對排爆機器人的工作原理 基本結構 性能要求進行了比較詳細的分 析 針對排爆機器人中采用的履帶 減速器 電動機等也進行了必要的闡析 另外 為確保設計出的排爆機器人能達到越障過坑等功能 我們勢必還要對排爆機器人的相 關部件進行一些必要的校核 以最終確定此設計是否可以完成這些功能 對于本文研究的小型排爆機器人 是一個復雜的機器人系統(tǒng) 在總體設計中 由 于能力和精力有限 研究內容還是很初步的 由于本人水平和能力有限 文中難免存 在有疏漏和不妥之處 敬請老師給予批評和指正 參考文獻 1 蔡自興 劉健勤 面向 21 世紀的智能機器人技術機器人技術與應用 1998 6 2 李貽斌 現(xiàn)代科技革命與機器人的發(fā)展 山東交通學院學報 200210 3 白民 劉遠江 從 2004 中國國際機器人展覽看中國機器人產業(yè)的現(xiàn)狀和未來機器人 技術與應用 2005 30 4 仲崇慧 賈喜花 國外地面無人作戰(zhàn)機器人發(fā)展概況綜述 機器人技術與應用 5 章小兵 宋愛國 地面移動機器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 機器人技術與應用 6 閏清東 魏王勇 馬越 小型無人地面武器機動機器人與發(fā)展趨勢 機器人 2004 26 4 7 李克杰 危險作業(yè)機器人發(fā)展戰(zhàn)略研究 機器人技術與應用 2003 5 8 羅軍 謝少榮 翟宇毅 王琦等 特種機器人 北京 化學工業(yè)出版社 2006 9 喬中蓮 漲治民 坦克履帶的應用及其發(fā)展 裝備與技術 2005 6 10 Research on the Research and Development Conditions of Military Robots Abroad 致 謝 在本文即將結束之際 請允許我對在這四年的大學生活學習中給予我支持和鼓勵 的各位老師和同學致以深深的感謝 首先 我要感謝我的指導老師 感謝他在我的研究和學習過程中給予我的指導和 31 幫助 老師深厚的理論素養(yǎng) 淵博的學識和誨人不倦的精神使我受益非淺 更重要的 是 老師嚴謹?shù)闹螌W風范和對學術問題的概括與抽象能力在潛移默化中影響著我 教 育著我 在大學生活中 老師對我的言傳身教以及給予我許多無私的關心和幫助 所 有這些不僅是我得以順利地完成本文 而且更是使我終身受益 我還要感謝系里的各 位老師 他們?yōu)槲业漠厴I(yè)設計提出諸多良好的建議以及努力方向 使我得以較快地完 成設計 其次 我還要特別感謝我的母校 為我提供了一個先進的學習 工作環(huán)境 能讓 我順利完成自學考試的各個課程 最后 請讓我將這篇學士學位論文獻給我的父母親 感謝他們的養(yǎng)育之恩 感謝 他們使我成為一個對社會有用的人 他們的關懷 支持和鼓勵是我所有信念的力量源 泉