移動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析【說(shuō)明書(shū)+CAD+PROE+仿真】
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)
移動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析
系 名：
專業(yè)班級(jí)：
學(xué)生姓名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師姓名：
指導(dǎo)教師職稱：
年 月
目 錄
摘 要 II
Abstract III
第一章 緒論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀 2
第二章 總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1設(shè)計(jì)參數(shù)及功能要求 4
2.1.1設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) 4
2.1.2功能要求 4
2.2方案選定 4
2.2.1車(chē)體方案設(shè)計(jì) 4
2.2.2手臂方案設(shè)計(jì) 5
2.3原理分析分析 5
2.3.1主要機(jī)構(gòu)工作原理 5
2.3.2運(yùn)動(dòng)特性分析 6
2.3.3手臂原理分析 7
第三章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析及主電機(jī)的選擇 8
3.1運(yùn)動(dòng)分析 8
3.1.1跨越臺(tái)階 8
3.1.2 跨越溝槽 9
3.3.3 斜坡運(yùn)動(dòng)分析 9
3.2主電機(jī)的選擇 10
第四章 零部件的設(shè)計(jì)與選擇 14
4.1履帶（同步帶）部分設(shè)計(jì) 14
4.1.1同步帶的選擇 14
4.1.2確定主從動(dòng)輪直徑 16
4.1.3確定節(jié)線長(zhǎng)度 17
4.1.4確定最大功率時(shí)帶寬 18
4.1.5功率驗(yàn)算 20
4.1.6同步帶的物理機(jī)械性能 20
4.1.7同步帶主從動(dòng)輪設(shè)計(jì) 21
4.2副履帶（同步帶）部分設(shè)計(jì) 23
4.2.1計(jì)算同步帶的帶寬 24
4.2.2計(jì)算H帶的基準(zhǔn)額定功率 25
4.2.3中心距的選擇 25
4.2.4計(jì)算同步帶節(jié)線長(zhǎng)度 25
4.2.5車(chē)體副履帶搖臂設(shè)計(jì) 26
4.3機(jī)械手臂部分設(shè)計(jì) 26
4.3.1電機(jī)的選擇 26
4.3.2大、小臂設(shè)計(jì) 28
4.3.3手爪、手腕設(shè)計(jì) 29
第五章 基于Pro/E的三維設(shè)計(jì) 32
5.1 Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件概述 32
5.2三維設(shè)計(jì) 32
5.2.1車(chē)體 32
5.2.2主履帶 33
5.2.3副履帶 33
5.2.4手臂、手腕 33
5.2.5三維裝配 34
總 結(jié) 35
參考文獻(xiàn) 36
致 謝 37
摘 要
移動(dòng)機(jī)械手是用于處置或銷毀爆可疑、危險(xiǎn)物品的專用器材，避免不必要的人員傷亡。它可用于多種復(fù)雜地形進(jìn)行移動(dòng)。此設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、上下移動(dòng)，夾持并且能過(guò)坑、越障等動(dòng)作。
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)，而手臂部分則采用關(guān)節(jié)式機(jī)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：電機(jī)的選擇、主履帶設(shè)計(jì)、副履帶設(shè)計(jì)、臂部及手腕設(shè)計(jì)。
本文首先根據(jù)課題所給的技術(shù)參數(shù)和功能要求提出移動(dòng)機(jī)械手車(chē)體結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)方案進(jìn)行分析。接著，對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算選擇；然后，對(duì)各主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核；最后，通過(guò)AutoCAD制圖軟件繪制了移動(dòng)機(jī)械手車(chē)體結(jié)構(gòu)裝配圖及主要零部件圖。
關(guān)鍵詞：移動(dòng)機(jī)械手；手臂；手腕；同步帶
Abstract
Mobile robot is used for the disposal or destruction of explosive suspicious, special equipment, dangerous goods, to avoid unnecessary casualties. It can be used to move a variety of complex terrain. The design of the mobile robot can achieve rotation, moving up and down, gripping and lead a pit, obstacle and other activities.
Select this design is the use of mobile solutions crawler drive structure, and the arm part articulated mechanism is used. Modular design of the overall structure for subsequent maintenance of the demolition, can be adapted to a variety of complicated road, and take the initiative to control the rotation on both sides to adjust the robot arm athletic stance, so as to assist the over pit, obstacle and other activities. After a reasonable design robots will have a good environmental adaptability, mobility and can withstand the impact of falling, this design is moving mechanism is mainly composed of four parts: selection of the motor, the main track design, deputy track design, arm section and wrist design.
This paper proposes moving mechanical structure handcart scheme according to subjects given technical parameters and functional requirements, and program analysis. Next, the main technical parameters were calculated selection; then, all the major parts and components for the design and verification; and finally, through the AutoCAD drawing software to draw a handcart moving mechanical structure and main parts assembly drawing FIG.
Keywords: Bobile robot; Arm; Wrist; Belt
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第一章 緒論
1.1研究背景及意義
機(jī)器人是二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。人類對(duì)于機(jī)器入的研究由來(lái)已久，但直到上世紀(jì)50、60年代，隨著機(jī)構(gòu)理論和數(shù)控伺服技術(shù)的發(fā)展才真正進(jìn)入實(shí)用化。上世紀(jì)70年代后，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控靠q技術(shù)、傳感技術(shù)和人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也隨之進(jìn)入高速發(fā)展階段，并發(fā)展成為集機(jī)械、電子、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的一項(xiàng)綜合技術(shù)。
在歷史上，所有的高新技術(shù)首先被考慮用于軍事用途，機(jī)器入也不例外。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)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(zhēng)，各種具有巨大殺傷力的先進(jìn)武器的廣泛使用，將使未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境異常復(fù)雜、信息瞬息萬(wàn)變，士兵的生命無(wú)時(shí)不刻受到來(lái)自天空、地面，水下各種先進(jìn)武器的威脅，完全依賴士兵作戰(zhàn)能力的戰(zhàn)爭(zhēng)模式正越來(lái)越受到挑戰(zhàn)。在軍用機(jī)器人領(lǐng)域，移動(dòng)機(jī)械手是較早投入實(shí)戰(zhàn)的軍用機(jī)器人之～，日靜，移動(dòng)機(jī)械手在～些發(fā)達(dá)國(guó)家的軍隊(duì)已得到廣泛使用。英國(guó)早在60年代就研制了“手推車(chē)”移動(dòng)機(jī)械手用于英阿馬島戰(zhàn)爭(zhēng)的爆炸物清理，其改進(jìn)型的土撥鼠及野牛兩種遙控電動(dòng)移動(dòng)機(jī)械手被英國(guó)爭(zhēng)家工程兵在波黑及科索沃用于探測(cè)及處理爆炸物，德國(guó)MV494型遙控移動(dòng)機(jī)械手也曾裝備了其駐索馬暈的維和部隊(duì)1．31。在近年來(lái)美國(guó)發(fā)動(dòng)的幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，基于“零傷亡”的作戰(zhàn)思想，美軍開(kāi)始在戰(zhàn)場(chǎng)上大量使用移動(dòng)機(jī)械手替代士兵執(zhí)行移動(dòng)任務(wù)，其Talon移動(dòng)機(jī)器入2000年就參與波斯尼亞地區(qū)的軍事行動(dòng)，隨后又參與2002年初的阿富汗行動(dòng)以及2003年的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)，執(zhí)行的主要任務(wù)是爆炸物檢測(cè)及其處理，阿富汗和伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中共執(zhí)行20000項(xiàng)任務(wù)，在戰(zhàn)爭(zhēng)中有效地降低了已方的傷亡H。
此外，由于政治、經(jīng)濟(jì)、民族、宗教等關(guān)系的錯(cuò)綜復(fù)雜，國(guó)際和地區(qū)恐怖主義在世界各國(guó)有泛濫的趨勢(shì)。在公共場(chǎng)所安放爆炸物以產(chǎn)生恐慌(爆炸恐怖犯罪)即是其集中表現(xiàn)形式。相對(duì)于其他形式的惡性犯罪，恐怖爆炸由于其危害面廣、社會(huì)和政治負(fù)面影響面大，日益成為令當(dāng)今世界各國(guó)政府頭疼的問(wèn)題。據(jù)美國(guó)官方統(tǒng)計(jì)，1968年國(guó)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(dòng)中，有262起是爆炸事件pl。尤其是最近幾年，隨著國(guó)際形勢(shì)的動(dòng)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(dòng)熱點(diǎn)地區(qū)，例如中東、阿富汗等地區(qū)外，美國(guó)、英國(guó)、西班牙、日本、俄羅斯、印度尼西亞、烏茲別克斯坦、馬來(lái)西亞和泰國(guó)，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(dòng)波碩十論文小型捧爆機(jī)器人總體設(shè)計(jì)的研究及的國(guó)家和地區(qū)，．近年來(lái)也接連發(fā)生恐怖爆炸事件。而且，隨著時(shí)間的推移，這些活動(dòng)還愈演愈烈。作為應(yīng)對(duì)，反恐移動(dòng)已經(jīng)成為世界各國(guó)政府最為關(guān)注的問(wèn)題之一。目前在世界范圍內(nèi)，移動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)成為反恐作戰(zhàn)的重要裝備之一。
移動(dòng)機(jī)械手是目前較具研究?jī)r(jià)值的機(jī)器人產(chǎn)品，在反恐領(lǐng)域可用來(lái)執(zhí)行諸如反恐移動(dòng)的任務(wù)，戰(zhàn)場(chǎng)上移動(dòng)機(jī)械手則用以執(zhí)行諸如排除爆炸物、戰(zhàn)場(chǎng)信息收集的任務(wù)；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(xiǎn)任務(wù)。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)著力于移動(dòng)機(jī)械手的研發(fā)，但距離軍事用途還有相當(dāng)?shù)木嚯x?；谲娪脵C(jī)器人產(chǎn)品系列化，通用性的需要，本文對(duì)基于小型移動(dòng)平臺(tái)基礎(chǔ)上，兼具攤爆和作戰(zhàn)功能的機(jī)器人進(jìn)行總體設(shè)計(jì)的研究。
1.2國(guó)內(nèi)外研究及發(fā)展現(xiàn)狀
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)械類型已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了機(jī)械手。尤其是移動(dòng)機(jī)械手，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)。
目前六履帶擺臂式搜救機(jī)器人還是局限于單個(gè)或兩個(gè)自由度。其主要由機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等部分組成。六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的研究涉及以下幾個(gè)方面，首先是移動(dòng)方式的選擇，對(duì)于移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人，可以是兩移動(dòng)、四移動(dòng)、六移動(dòng)等。其次，考慮驅(qū)動(dòng)器的控制，以使機(jī)器人達(dá)到期望的功能。再者，必須考慮導(dǎo)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(diǎn)考慮，通過(guò)控制搖臂的角度來(lái)改變自身高度以達(dá)到越障過(guò)坑功能是這種機(jī)器人的最大特點(diǎn)。對(duì)于這些問(wèn)題可歸結(jié)為：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模、導(dǎo)航與定位、多傳感器信息融合等。
下面是各國(guó)研發(fā)的一些移動(dòng)可變形機(jī)器人：
（1） 美國(guó)的拆彈專家：
如圖2-1、2-2、2-3、2-4所示，這是美國(guó)iRobot的一種較小型“PackBot”機(jī)器人，現(xiàn)服役于美國(guó)軍隊(duì)，它搭配了一個(gè)爆炸物感應(yīng)系統(tǒng)，能有效地探測(cè)炸彈。
圖2-3這種iRobot SUGV的機(jī)器人是一種小型地面探測(cè)車(chē)，重量?jī)H為30磅。
圖2-4是iRobot生產(chǎn)的“Warrior”機(jī)器人配備了兩個(gè)全自動(dòng)、自動(dòng)裝彈、可遙控的12桿機(jī)搶，重量為250磅。
圖2-1 RackBot準(zhǔn)備展開(kāi) 圖2-2 RackBot伸展情況
圖2-3 SUGV機(jī)器人 圖2-4 Warrior機(jī)器人
（2） 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2-5 telemax行走姿勢(shì) 圖2-6最緊湊姿勢(shì)
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外移動(dòng)機(jī)械手的分析，可以看出移動(dòng)機(jī)械手今后的發(fā)展有以下幾個(gè)方面的趨勢(shì)：
（1）結(jié)構(gòu)上，趨向小型、微型。
（2）運(yùn)動(dòng)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。
第二章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)參數(shù)及功能要求
2.1.1設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)
機(jī)器人行進(jìn)速度：40m/min
機(jī)械手抓取質(zhì)量不超過(guò)：30kg
機(jī)械手臂可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、上下移動(dòng)，機(jī)械手爪可實(shí)現(xiàn)夾持
2.1.2功能要求
本次設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)械手要求具有以下功能：
移動(dòng)機(jī)械手是移動(dòng)平臺(tái)和操作手的組合體，具有操作和移動(dòng)的功能。這種機(jī)器人具有更大更靈活的工作空間，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、公共安全、軍事、服務(wù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器手采用履帶擺臂式移動(dòng)平臺(tái)，其可適應(yīng)復(fù)雜路況、跨越臺(tái)階和越障。操作手采用關(guān)節(jié)式機(jī)械手，其操作空間大，機(jī)械手末端要求具有良好的夾持能力。
2.2方案選定
2.2.1車(chē)體方案設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)械手車(chē)體結(jié)構(gòu)采用的是履腿式復(fù)合結(jié)構(gòu)，總體設(shè)計(jì)方案如圖2-1所示。機(jī)器人的車(chē)體的履帶作為移動(dòng)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)器人后輪有一個(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)后輪的靈活轉(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2-1 移動(dòng)機(jī)械手車(chē)體結(jié)構(gòu)組成
2.2.2手臂方案設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手要求：機(jī)械手臂可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)、上下移動(dòng)，機(jī)械手爪可實(shí)現(xiàn)夾持
，并且采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，因此選定的設(shè)計(jì)方案如下：其由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂上下移動(dòng)，手臂整體回轉(zhuǎn)有底部回轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)；機(jī)械手爪具有2個(gè)自由度，分別是手爪回轉(zhuǎn)，手爪夾持；手爪回轉(zhuǎn)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手爪夾持由電磁鐵的正反接實(shí)現(xiàn)。
圖2-2 移動(dòng)機(jī)械手手臂體結(jié)構(gòu)尺寸
2.3原理分析分析
2.3.1主要機(jī)構(gòu)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?。后軸驅(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)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。
2.3.2運(yùn)動(dòng)特性分析
（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2-3（a）、圖2-3（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2-3（a） 圖2-3（b）
圖2-3（c）、圖2-3（d）、圖2-3（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(shí)現(xiàn)機(jī)器人小空間轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。
圖2-3（f）
機(jī)器人爬坡時(shí)，姿態(tài)可以轉(zhuǎn)變成圖2-3（g）。當(dāng)坡度較大時(shí)，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(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2-3（g） 圖2-3（h） 圖2-3（i）
（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。
（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2-4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2-4 救災(zāi)機(jī)器人越障過(guò)程
2.3.3手臂原理分析
其由兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂上下移動(dòng)，手臂整體回轉(zhuǎn)有底部回轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)；機(jī)械手爪具有2個(gè)自由度，分別是手爪回轉(zhuǎn)，手爪夾持；手爪回轉(zhuǎn)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，手爪夾持由電磁鐵的正反接實(shí)現(xiàn)。
第三章 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析及主電機(jī)的選擇
3.1運(yùn)動(dòng)分析
3.1.1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3-1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3-1上臺(tái)階臨界狀態(tài)示意圖
由圖3-1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（6-2）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3-2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
圖3-2上臺(tái)階臨界狀態(tài)示意圖
3.1.2 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)，移動(dòng)機(jī)械手可以看做爬越凸臺(tái)障礙。移動(dòng)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。
圖3-3跨越溝槽示意圖
機(jī)器人在平地圖3-3（a）跨越溝槽的寬度：
（6-4）
3.3.3 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3-4所示，機(jī)器人勻速行駛或靜止時(shí)，其驅(qū)動(dòng)力： （6-5）
圖3-4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：
（6-6）
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。
已知移動(dòng)機(jī)械手對(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: （6-7）
爬坡時(shí)克服摩擦力所需的最大加速度為：
（6-8）
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。
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)。
3.2主電機(jī)的選擇
（1）機(jī)器人在平直的路上行駛
移動(dòng)機(jī)械手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
移動(dòng)機(jī)械手共有兩個(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3-5 平直路線分析
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）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3-6 30°坡度分析
又，則
則在最大坡度下需提供極限轉(zhuǎn)矩為
（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)算的移動(dòng)機(jī)械手的最大輸出功率為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，滿足主履帶頻繁受沖擊，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的要求，滿足機(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)，其參數(shù)如下：
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
第四章 零部件的設(shè)計(jì)與選擇
4.1履帶（同步帶）部分設(shè)計(jì)
4.1.1同步帶的選擇
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.
（1）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8-1可以得到）
表8-1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）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8-1查得型號(hào)選用XH型，對(duì)應(yīng)節(jié)距=22.225mm，圖8-2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同步帶：
=2.794mm，=15.49
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(biāo)準(zhǔn)同步帶型號(hào)以及齒尺寸
4.1.2確定主從動(dòng)輪直徑
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8-3查的
表8-3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8-4，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(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8-5得
表8-5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
4.1.3確定節(jié)線長(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
由于移動(dòng)機(jī)械手工作的環(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：
代入=400mm，=169.79mm，=169.79mm有
1350.79mm，
根據(jù)表8-6就近圓整=1422.40mm型號(hào)為560XH，同步帶齒數(shù)為64。
表8-6 XH型同步帶節(jié)線型號(hào)
XH型（節(jié)距=22.225mm）
規(guī)格
節(jié)線長(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
4.1.4確定最大功率時(shí)帶寬
（1）計(jì)算同步帶的基準(zhǔn)額定功率
kw
式中許用工作拉力，查表8-4得=4048.90N
單位長(zhǎng)度質(zhì)量，查表8-7得=1.484Kg/m
線速度m/s
表8-7七種同步帶型號(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
（2）計(jì)算主動(dòng)輪嚙合齒數(shù)
小帶輪的嚙合齒數(shù)為
（3）確定實(shí)際所需帶寬
其中為嚙合系數(shù)由表8-8查的
=1
表8-8嚙合數(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8-9查的基準(zhǔn)帶寬
如下
表8-9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8-10查的
將其取為標(biāo)準(zhǔn)值
8-10周節(jié)制梯形同步帶的寬度與高度
型號(hào)
公稱高度
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
4.1.5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
4.1.6同步帶的物理機(jī)械性能
本移動(dòng)機(jī)械手選用XH帶，其物理機(jī)械如下
表8-11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
4.1.7同步帶主從動(dòng)輪設(shè)計(jì)
（1）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)，能夠滿足設(shè)計(jì)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(jiàn)圖8-3所示，圖中為同步帶輪節(jié)圓或同步帶節(jié)線上測(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8-3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(shè)計(jì)采用的是電動(dòng)機(jī)、減速器動(dòng)力總成放在搖臂內(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。
（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=，倒角=，=，=3.048mm，根據(jù)表8-12可以查出以上數(shù)據(jù)。
表8-12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8-13可得到梯形雙面齒同步帶輪齒面寬度=83.8。
表8-13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
（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(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
4.2副履帶（同步帶）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)，則參照表8-15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)
表8-15標(biāo)準(zhǔn)同步帶的直徑
4.2.1計(jì)算同步帶的帶寬
根據(jù)前面的表8-7查得到：
H帶
選擇標(biāo)準(zhǔn)帶由表8-9差查得
H帶
4.2.2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
4.2.3中心距的選擇
則確定中心距
4.2.4計(jì)算同步帶節(jié)線長(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：
代入數(shù)據(jù)
根據(jù)表8-16可選帶長(zhǎng)為
8-16周節(jié)制梯形齒同步帶節(jié)線長(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
--
--
4.2.5車(chē)體副履帶搖臂設(shè)計(jì)
車(chē)體副履帶搖臂如下圖示：
4.3機(jī)械手臂部分設(shè)計(jì)
4.3.1電機(jī)的選擇
本機(jī)械手臂有四個(gè)電機(jī)，分別是手臂回轉(zhuǎn)電機(jī)，大小臂關(guān)節(jié)電機(jī)、手腕回轉(zhuǎn)電機(jī)，此處以手臂回轉(zhuǎn)電機(jī)為例進(jìn)行選擇計(jì)算，其他電機(jī)的選擇類似。
現(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)(vR)、永磁式步進(jìn)電機(jī)(PM)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為7.50或150；反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為0.750或1.50，但有一定的噪聲和振動(dòng)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。
綜合考慮技術(shù)難度、精度和資金等因素，結(jié)合所改造機(jī)床的負(fù)載較小，負(fù)載變化不大又是經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)易型的自動(dòng)控制設(shè)備，故采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)作為砂輪座磨削進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)源。
(1)旋轉(zhuǎn)力的計(jì)算
旋臂式機(jī)械手夾持工件時(shí)，很明顯承受著一定的旋臂力矩。由文獻(xiàn)1查得旋轉(zhuǎn)力的計(jì)算公式為：
一旋轉(zhuǎn)阻抗力(N)，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取其值為1989.9。
由文獻(xiàn)1查得：
取，則 (N)
，則 (N)
(2)步進(jìn)電機(jī)的選用
步進(jìn)電機(jī)總的位移量是嚴(yán)格等于輸入的指令脈沖數(shù)，或其平均轉(zhuǎn)速嚴(yán)格正比于輸入指令脈沖的頻率，因此能實(shí)現(xiàn)精確定位、精確位移。而且同時(shí)可在其工作頻段內(nèi)，從一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定地轉(zhuǎn)換到另一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)有下列工作特點(diǎn)：
①變扭矩傳動(dòng)，扭矩受脈沖頻率的限制。頻率高，扭矩則小。能雙向轉(zhuǎn)動(dòng)，有適量的阻尼。
②只要避開(kāi)步進(jìn)電機(jī)本身的低頻振蕩區(qū)，就可能獲得平穩(wěn)的低速進(jìn)給。
③改變指令脈沖頻率就能使步進(jìn)電機(jī)變速，從而改變進(jìn)給速度，可省去一部分機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)。
④進(jìn)給速度變化范圍寬，從每秒幾個(gè)脈沖到幾千個(gè)脈沖。即能使進(jìn)給系統(tǒng)正調(diào)整時(shí)實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)，又能保證由粗加工到精加工的各項(xiàng)要求。
⑤快速響應(yīng)性很強(qiáng)，只要有脈沖輸入或停止輸入，步進(jìn)電機(jī)就立即轉(zhuǎn)動(dòng)或停轉(zhuǎn)。
⑥不通電時(shí)無(wú)定位力矩，轉(zhuǎn)子能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，每步有振蕩和過(guò)沖，但在使用中失步和過(guò)沖完全在零件的尺寸誤差之內(nèi)，對(duì)加工精度影響甚小。
(3)脈沖當(dāng)量和步距角
脈沖當(dāng)量小可提高加工精度，但使系統(tǒng)復(fù)雜。一般加工精度的自動(dòng)控制機(jī)床，脈沖當(dāng)量可選為0．01mm／step，初步確定步距角=0．75／step。
(4)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動(dòng)力矩的計(jì)算
由文獻(xiàn)9查得啟動(dòng)力矩的計(jì)算公式為：
式中：
一電機(jī)啟動(dòng)力矩
——旋轉(zhuǎn)進(jìn)給抗力(N)，= =1989．9(N)
一垂直分力，==795．9(N)
——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，選用淬火鋼滾動(dòng)導(dǎo)軌，取=0．01
G-機(jī)器重量(N)，按圖紙粗估G=480N
——總機(jī)械效率，取=0．85
則
(5)確定步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩和最高工作頻率
為滿足最小步距要求，電機(jī)選用三相六拍工作方式，由文獻(xiàn)9查得：
=0．866 (3—6)
則步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：
=180／0.866=207．8(Ncm)
最高工作頻率為：
(7)步進(jìn)電機(jī)的選擇
查表選用110BF003型步進(jìn)電機(jī)，其參數(shù)如下：步距角，選用三相六拍工作時(shí)取，最大靜轉(zhuǎn)距800N·cm，最高空載啟動(dòng)頻率1500Step／s，運(yùn)行頻率7000 Step／s，相數(shù)3，電壓80V，相電流6A，滿足需要。
4.3.2大、小臂設(shè)計(jì)
（1）負(fù)載分析
負(fù)載R是指工作機(jī)構(gòu)在滿負(fù)荷情況下，即：
式中：-工作機(jī)構(gòu)的荷重及自重對(duì)手臂產(chǎn)生的作用力；
-工作機(jī)構(gòu)在滿載啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦力；
-工作機(jī)構(gòu)滿載啟動(dòng)時(shí)的慣性力。
(1)的確定
① 工件的質(zhì)量m
=5.9 (kg)
②夾持器的質(zhì)量 15kg(已知)
③伸縮臂的質(zhì)量 50kg(估計(jì))
④其他部件的質(zhì)量 15kg(估計(jì))
工作機(jī)構(gòu)荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N)
取Ri=860N
(2) 的確定 Rm= (N)
(3) 的確定 Rg=(N)
式中：為啟動(dòng)時(shí)間，其加速時(shí)間約為0.1～0.5s
=0.1s , =0.2s
總負(fù)載 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N)
取實(shí)際負(fù)載為 =1200
根據(jù)負(fù)載分析計(jì)算得到大小臂結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：
4.3.3手爪、手腕設(shè)計(jì)
（1）腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算
腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服的阻力有：
1）腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩
式中 ，—軸承處支反力（N），可由靜力平衡方程求得;
,—軸承的直徑（m）；
—軸承的摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承=0.01-0.02；對(duì)于滑動(dòng)軸承=0.1。
為簡(jiǎn)化計(jì)算，取，如圖4-2所示，其中，為工件重量，為手部重量，為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重量。
圖4-2 腕部受力簡(jiǎn)圖
2）克服由于工件重心偏置所需的力矩
式中 e—工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離，已知e=10mm.
則
3）克服啟動(dòng)慣性所需的力矩
啟動(dòng)過(guò)程近似等加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度及啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)過(guò)的角度按下式計(jì)算：
式中 —工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
—手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
—手腕回轉(zhuǎn)過(guò)程的角速度；
—啟動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間，一般取0.05-0.3s,此處取0.1s.。
手抓、手抓驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，高為200mm，直徑90mm，其重力估算：
,取98N.
等效圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，已知圓柱體工件，
要求工件在0.5s內(nèi)旋轉(zhuǎn)90度, 取平均角速度，即=，
代入得：
解可得： =0.8083
根據(jù)上上述結(jié)算得到手腕的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖示：
第五章 基于Pro/E的三維設(shè)計(jì)
5.1 Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件概述
Pro/Engineer操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。
Pro/Engineer和WildFire是PTC官方使用的軟件名稱，但在中國(guó)用戶所使用的名稱中，并存著多個(gè)說(shuō)法，比如ProE、Pro/E、破衣、野火等等都是指Pro/Engineer軟件，proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0、creo1.0\creo2.0等等都是指軟件的版本。
Pro/E第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決特征的相關(guān)性問(wèn)題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程集成到一起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。它不但可以應(yīng)用于工作站，而且也可以應(yīng)用到單機(jī)上。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。
5.2三維設(shè)計(jì)
5.2.1車(chē)體
車(chē)體如下圖示：
圖5-1車(chē)體
5.2.2主履帶
通過(guò)對(duì)各組成零件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)后裝配得到主履帶設(shè)計(jì)結(jié)果如下圖示：
圖5-2主履帶
5.2.3副履帶
通過(guò)對(duì)各組成零件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)后裝配得到副履帶設(shè)計(jì)結(jié)果如下圖示：
圖5-3副履帶
5.2.4手臂、手腕
通過(guò)對(duì)各組成零件進(jìn)行三維設(shè)計(jì)后裝配得到手臂、手腕設(shè)計(jì)結(jié)果如下圖示：
圖5-4 手臂、手腕
5.2.5三維裝配
圖5-5 移動(dòng)機(jī)械手裝配
總 結(jié)
移動(dòng)機(jī)械手是一種極具研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景的軍用地面移動(dòng)機(jī)器人，在未來(lái)的戰(zhàn)場(chǎng)上將扮演越來(lái)越重要的角色，本論文對(duì)具有移動(dòng)功能的化移動(dòng)機(jī)器入進(jìn)行了總體技術(shù)的研究，并主要對(duì)其車(chē)體結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和論證，本論文完成的主要工作如下：
（1）通過(guò)功能和設(shè)計(jì)任務(wù)的分析，確立了移動(dòng)機(jī)械手總體功能構(gòu)架，初步制定了小型移動(dòng)機(jī)械手的總體組成和性能指標(biāo)。
（2）在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下，移動(dòng)平臺(tái)是小型移動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形運(yùn)動(dòng)的功能載體，本文采用了后輪驅(qū)動(dòng)的履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，并具有可獨(dú)立控制的前擺，具
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