蛇形搜救機器人的原理機構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD+SOLIDWORKS】

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The research purpose of this paper is to design novel, original, portable resistance to impact of intelligent mobile robot. Key Words: Snake search and rescue robot; 3 d simulation; The wheel moving 2 引言 蛇形搜救機器人是一種高冗余度移動機器人，具有多于確定機器人空間位置和姿態(tài)所需 的自由度使得它可以摹仿生物蛇的無肢運動。蛇形機器人可適應(yīng)各種復(fù)雜地形的行走,其性 能優(yōu)于傳統(tǒng)的行走機構(gòu),在許多領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用景。如在有輻射、有粉塵、有毒及 戰(zhàn)場環(huán)境執(zhí)行偵察任務(wù);在地震、塌方及火災(zāi)后的廢墟中找尋傷員；在狹小和危險條件下探 測和疏通管道；為人們在實驗室里研究數(shù)學(xué)、力學(xué)、控制理論和人工智能等提供實驗平臺等 等。在 21 世紀(jì)的今天，隨著自然災(zāi)害、恐怖活動和各種突然 事故發(fā)生的越來越多，在災(zāi)難救援中，救援人員用較短的時間在廢墟中尋找幸存者的幾 率比較小，在這種緊急而危險的情況下，救援機器人可以為救援人員提供有效的幫助。因此， 將具有自主智能的救援機器人用于危險而復(fù)雜的環(huán)境中搜索和營救幸存者是非常實用的。 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展煤炭的消耗越來越大，而我國的煤炭事業(yè)大多數(shù)為礦工開采，所以 存在的不安全因素很多，瓦斯煤塵和火災(zāi)等災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，災(zāi)害事故嚴(yán)重傷害礦工和造 成重大經(jīng)濟損失。因此開發(fā)具有智能的救援機器人是非常具有現(xiàn)實意義的。目前，救災(zāi)方式 只是根據(jù)事故的類型確定救災(zāi)的方案，一般救護人員無法進入危險區(qū)域，只能通過提升絞車、 移動式風(fēng)車等設(shè)備清除垃圾，向井下通風(fēng)，然后再搜救遇險礦工。 這種方式危險性大，傷 亡人數(shù)多，救災(zāi)周期長，往往效率低。 隨著科技的發(fā)展，機器人將被應(yīng)用到煤礦救災(zāi)領(lǐng)域。 一、緒論 11 背景及意義 隨著科學(xué)的日益進步和人們生活水平的不斷提高，機器人作為 20 世紀(jì)人類的偉大發(fā)明 之一，已經(jīng)逐步地進入了生產(chǎn)和生活領(lǐng)域：工業(yè)生產(chǎn)中的用力進行超精密加工的并聯(lián)機器人， 海洋勘探領(lǐng)域中的水下機器人，太空探索領(lǐng)域中的行星探測器如美國的火星車，流水線上代 替人工的工業(yè)機器人，類人機器人和仿生機器人。這些機器人的出現(xiàn)并逐步應(yīng)用，使我們能 強烈地感受到機器人應(yīng)用范圍之廣，影響程度之深。 在 21 世紀(jì)的今天，隨著自然災(zāi)害、恐怖活動和各種突然事故發(fā)生的越來越多，在災(zāi) 難救援中，救援人員用較短的時間在廢墟中尋找幸存者的幾率比較小，在這種緊急而危險的 情況下，救援機器人可以為救援人員提供有效的幫助。因此，將具有自主智能的救援機器人 用于危險而復(fù)雜的環(huán)境中搜索和營救幸存者是非常實用的。 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展煤炭的消耗越來越大，而我國的煤炭事業(yè)大多數(shù)為礦工開采，所以 存在的不安全因素很多，瓦斯煤塵和火災(zāi)等災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，災(zāi)害事故嚴(yán)重傷害礦工和造 成重大經(jīng)濟損失。因此開發(fā)具有智能的救援機器人是非常具有現(xiàn)實意義的。目前，救災(zāi)方式 只是根據(jù)事故的類型確定救災(zāi)的方案，一般救護人員無法進入危險區(qū)域，只能通過提升絞車、 移動式風(fēng)車等設(shè)備清除垃圾，向井下通風(fēng)，然后再搜救遇險礦工。 這種方式危險性大，傷 3 亡人數(shù)多，救災(zāi)周期長，往往效率低。 隨著科技的發(fā)展，機器人將被應(yīng)用到煤礦救災(zāi)領(lǐng)域。 機器人的研究領(lǐng)域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點作業(yè)中走出來，向著非結(jié)構(gòu)環(huán)境 下的自主作業(yè)方向發(fā)展。傳統(tǒng)的設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足機器人在非結(jié)構(gòu)化的、未知環(huán)境下作 業(yè)的要求，要解決的主要問題之一就是能實現(xiàn)新的運動方式。傳統(tǒng)的輪式移動機器人的運動 平滑,效率高,但需要相對光滑的地面,不能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境。同樣使用履帶，可以改進移 動機構(gòu)適應(yīng)地面的能力，但它卻無法充分實現(xiàn)運動的靈活性。步行機器人有著諸如運動的速 度慢和穩(wěn)定性差等弊端，這就促使人們?nèi)ミM一步尋找靈活的運動模式。而自然界的蛇的運動 是一種“無肢運動”,它不需要輪子和腿。蛇由于在結(jié)構(gòu)上無肢，可以爬樹、游水、鉆洞、 繞過障礙物、穿越沙漠，在平坦的地面爬行更是能達到行動如飛。蛇的身體，雖然只不過象 一條繩子，但具有多種運動變化方式，功能強大：在前行的時候可以當(dāng)“腿腳” ，在攀爬的 時候可以當(dāng)“手臂” ，而在攫取東西的時候又可以當(dāng)“手指” 。 蛇形機器人模擬自然界蛇的無肢結(jié)構(gòu)，具有多關(guān)節(jié)、多自由度，多冗余自由度的特點， 可以有多種運動模式，良好的地面適應(yīng)性和運動穩(wěn)定性，在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景： 如在有輻射、有毒等危險環(huán)境下的偵察和搜索；在地震、塌方及火災(zāi)后的廢墟中搜尋災(zāi)難幸 存者；在狹小和危險條件下探測和疏通管道；在航空航天領(lǐng)域可用其作為行星表面探測器， 軌道衛(wèi)星的柔性手臂。蛇形機器人具有穩(wěn)定性好、橫截面小、柔性等特點，能在各種粗糙、 陡峭、崎嶇的復(fù)雜地形上行走，并可攀爬障礙物，這是以輪子或腿作為行走工具的機器人難 以做到的。由于其環(huán)境適應(yīng)能力強，因此，在廢墟搜索救援工作中，具有廣闊的應(yīng)用前景。 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展趨勢和研究現(xiàn)狀 在救援機器人的研究方面，美國走在了世界前列，他具有獨立的實驗性無人作業(yè)，加上 近年來災(zāi)難事故的不斷增多，小型智能履帶機器人的研究工作越來越受到現(xiàn)在人的高度重視。 日本大阪大學(xué)研制出蛇形機器人，能在高低不平的模擬廢墟上前進，其頂端帶有 1 部小型監(jiān) 視器，身體部位安裝傳感器，可以在地震后的廢墟里尋找幸存者。 當(dāng)今美國研究的智能機 器人，能適應(yīng)崎嶇不平的地形環(huán)境、爬樓梯，它主要執(zhí)行偵察、尋找幸存者、勘探化學(xué)品泄 漏等任務(wù)。 1995 年日本神戶-大阪地震及其后發(fā)生在美國俄克拉荷馬州的阿爾弗德聯(lián)邦大樓爆炸案， 揭開了救援機器人技術(shù)研究的序幕。2001 年美國的 911 事件，美國機器人輔助救援中心和 其他一些單位的救援機器人參與了救援活動。例如 Foster-Miller 公司的系統(tǒng)（圖 1） 、 Tolon 系統(tǒng)（圖 2）以及 Inuktun 公司的 Vgtv 系統(tǒng)（圖 3、圖 4） ，如下圖所示： 4 圖 1Foster-Miller 公司的系統(tǒng) 圖 2 Tolon 系統(tǒng) 日本的 Hirose 教授首先提出蛇形機器人運動系統(tǒng)，并研制出了第一個蛇形機器人（如 圖 3 顯示）圖 4 為蛛型機器人 “星標(biāo)” 。 圖 3 蛇形機器人 5 圖 4 星標(biāo) 隨著對救援機器人的不斷深入研究，越小而效率高的履帶式救援機器人深受大家的喜愛。 在目前的救援工作中，往往釋放許多的機器人，以擴大搜索范圍，提高工作效率，并且多個 機器人協(xié)同合作，可以提高信息的可靠性和準(zhǔn)確性。各個機器人之間相互交流可以解決諸如 定位、全覆蓋、翻越障礙等單個機器人難以處理的問題。履帶式的機器人撐地面積大、摩擦 大能更好的翻越障礙，所以現(xiàn)在是主流。 而國內(nèi)現(xiàn)在針對救援機器人的研究相對分散，主要集中在警用、民用的便攜式履帶機器 人。雖然我國救援機器人的研究才剛剛起步但進展很快。例如清華大學(xué)精密系及其自動化實 驗室的微小型機器人可以很好的實現(xiàn)目標(biāo)、視覺信息的分析處理。 二、設(shè)計方案 蛇形機器人是將蛇的結(jié)構(gòu)加以簡化，提出了連桿鉸鏈機構(gòu),分析了自然界蛇的典型運動方 式。本設(shè)計包括對蛇形機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，對運動形式進行分析，確定蛇形機器人的控制方 案以及選擇的傳感器，使機器人在復(fù)雜的地面上工作，實現(xiàn)救災(zāi)功能。 2.1 機構(gòu)設(shè)計 從仿生的角度對蛇形機器人的機構(gòu)進行了設(shè)計，并對其運動機理進行了研究，提出一種 新型的可重構(gòu)蛇形機器人機構(gòu)，如圖 1 所示。智能控制單元是由一個控制板和一個舵機組成， 舵機是和舵機架相連接，舵機架和轉(zhuǎn)動框架相互連接。工作時，舵機軸轉(zhuǎn)動，通過連接的圓 形舵帶動轉(zhuǎn)動框架轉(zhuǎn)動。舵機的輸出由活動板傳遞給下一單元。同時，連接板上的連接孔均 勻地分布在同一直徑的圓周上，可保證兩模塊按軸線平行或垂直方式連接，實現(xiàn)了模塊間連 接的通用性，達到機構(gòu)可重構(gòu)的設(shè)計目的。 6 圖 1 蛇形機器人的連接結(jié)構(gòu) 蛇形機器人的運動單元主要有兩種組合形式，方案一是單元間的舵機架與轉(zhuǎn)動框架平行連接，實現(xiàn) 兩個單元的轉(zhuǎn)動軸為平行關(guān)系，如圖 2 所示，單元組可進行二維空間的運動。 圖 2 蛇形機器人的連接方式一 2.2 驅(qū)動設(shè)計 蛇形機器人采用的齒輪式驅(qū)動裝置，每個關(guān)節(jié)安裝 3 個齒輪，通過伺服電動機的驅(qū)動圓錐齒輪可以使 其運行 ，如下圖設(shè)計 7 2.3 基本尺寸 蛇形機器人總長度為 70 cm，重約 2.5kg -5kg，機構(gòu)的主體材料是鋁合金，在下表面是 摩擦系數(shù)比較大的附加材料，主要是為了增加機構(gòu)和地面之間的摩擦力。機構(gòu)的各部分的參 數(shù)如下表所示。 舵機 扭力 3.5kg.c m 重量 36g 工作電 流 280m A 速度 0.5 sec/60 degree 工作電 壓 4.86.0 V 尺寸 40.8*20.1*36. 5 電池 1 品牌 GE POWE R 重量 71g 標(biāo)稱電 壓 11.1V 標(biāo)稱容量 860mah 放大倍 率 持續(xù) 20C 尺寸 56*31*22mm 電池 2 品牌 GE POWE R 重量 33g 標(biāo)稱電 壓:7.4V 標(biāo)稱容量: 500mAh 放電倍 率:持續(xù) 20C 尺寸 55*31*11mm 舵機 架 材料 鋁合金 重量 20.83g 尺寸 56*50*66mm 轉(zhuǎn)動 框架 材料 鋁合金 重量 48.21g 尺寸 64*25*42mm 蛇形機器人總共有 10 個關(guān)節(jié)，其中包括一個頭和一個尾。在頭部安裝了兩只眼睛,利用螺釘連接。眼 睛不只為裝飾,將其做成兩個部件的裝配結(jié)構(gòu),眼球內(nèi)裝有傳感器,實現(xiàn)智能控制。尾部是整個機器人的供電 中心,需要安裝一塊 6V 的電池 ,為了使其在運動中穩(wěn)定且不發(fā)生松動或滑落現(xiàn)象,采用雙側(cè)卡槽的安裝方式,底 部加上限位螺釘。 三、蛇形機器人的運動分析 理論直線運動速度1m/min。能夠爬30 度斜坡，并能夠越過10cm 左右的臺階，可以實 現(xiàn)避障功能。在倒塌的建筑物中，有很多碎石，紡織物，而且有些地方是干的，有些地方由 8 于水管的破裂變得泥濘，因此要求蛇形機器人有多種運動方式，適應(yīng)不同的環(huán)境。本課題研 究的蛇形機器人可以實現(xiàn)四種運動： 蜿蜒運動：用于在較平坦的地面上運動。 伸縮運動：用于通過狹窄的通道 側(cè)向移動：用于在碎石中運動 翻滾運動：用于自身姿態(tài)調(diào)整及越障 3.1 蛇形機器人蠕動分析 蛇形機器人的蠕動過程首先將機器蛇簡化為 N 節(jié)長度為 l 的平面連桿系統(tǒng)初始狀態(tài)時蛇 形機器人為一條直線如圖 4 所示。 圖4 蠕動過程的運動波形 運動開始時 P0 P1 和P 1P2 運動。點P 0沿著x軸前進，其他點 P i 2 固定不動。與此同 時桿件P 0 P1與x軸之間的夾角a從0到達給定的角度 0 a 當(dāng)該階段結(jié)束時桿P0 P1與x 軸之間 的夾角為a0。圖3中階段c 此時除了P1點外其他點均位于x 軸上下一階段P 0 P1 P 1 P2 和P2 P3 為動桿點P0 和Pi ，其中 i 3 均保持不動夾角 a 從a0 變?yōu)?與此同時P2P 3與x 軸的夾 角b 從0變?yōu)?a0 見圖3-1 中d 當(dāng)這一階段結(jié)束時系統(tǒng)處于狀態(tài) P1P2 和P 2 P 3與x 軸之間成 等腰三角形除了點P2 外其他點均位于x 軸上重復(fù)這個過程直到蛇形機器人到達狀態(tài)f 最后 9 恢復(fù)到直線狀態(tài)g在一個運動周期內(nèi)整個系統(tǒng)沿x 軸的位移StepL 相當(dāng)于點P0 從狀態(tài)a 到狀 態(tài)b 的位移設(shè)每一節(jié)長為l 有 021cosStepLl 從圖4可知在波形傳遞階段動點為P i 和Pi 1 (1i N 1) 其他點靜止不動比如運動波 形從狀態(tài)c 到狀態(tài) e 只有點 P1 和P2 在動因此可以將 P i1P i ，P iP i1 ，P i1P i2和P i1P i2 簡化成如圖5所示的四連桿機構(gòu)。 圖5 蛇形機器人運動模型 在波形轉(zhuǎn)換過程中 ， P1 i 和P2 i 之間的距離d 不變即d0 l 2l cosa，圖中q i表示組i 成運動波形的連桿與水平地面的夾角，fi 表示相鄰連桿間的夾角，順時針為負逆時針為正。 根據(jù)圖5 所示在連桿 ， 存在如下矢量關(guān)系1i12i 即 124iiiledle 將其在 x，y 軸上分解得 124coscosiniinlll 消去 得到：222cosi0ABC 式中 2211cosAlldldiniB2211cscosCldlllPi+2Pi+1 + Pi+1Pi = Pi+2Pi-1 Pi-1Pi+ 10 根據(jù)上面的公式可以解得： 222arctnBNAC 這里 N 代表符號系數(shù)，通過上面的公式可以得到轉(zhuǎn)角 4214siniarctocslld 3.2 蛇形機器人蜿蜒運動 蛇形機器人蜿蜒運動曲線的方程為 0cosxdiny 其中 ；s 表示從起始點到當(dāng)前點的弧長；a 表示曲線的擺動幅度；b 表示cosab 單元長度內(nèi)包括的波形周期數(shù)；c 波形的偏移角 下面我們將給出由n 桿組成的近似的蜿蜒運動曲線并用x(s) 和y(s) 表示假設(shè)每個連桿的 長度為1/ n 那么曲線上的第n 1 點可近似表示為 ， 于是x (s i)和y (si) 可近似表示為1isn11cosiiikiikkbcanyn 用 表示第i 桿沿逆時針方向與x axis 軸間的絕對角度為1sico/tanii aibcyxn 于是 表示為i cos/iaibic 上式是由n 桿組成的近似蜿蜒運動的角度函數(shù)假如蛇形機器人的角度變化函數(shù)為 smtin 那么此時蛇形機器人相鄰連桿之間的相對角度變化函數(shù)為 1 12si/i2i ti 由蜿蜒運動曲線的定義及對n 桿組成的近似蜿蜒運動的分析我們完全可以將蜿蜒運動的 11 蛇形機器人相鄰連桿之間的角度函數(shù)定義為 sini 式中 為運動波形的最大擺動幅度； 為蛇形機器人相鄰兩關(guān)節(jié)的相位差； 為運動運動波 形的角度偏移值； 表示波形傳播速度。那么此時在參考坐標(biāo)系(x o y) 中蛇形機器人的角 度變化函數(shù)可表示為 1cos2i ii 式中 12sin/ 3.3 蛇形機器人側(cè)向運動 蛇形機器人在側(cè)向蜿蜒運動過程中，部分機體與地面接觸、作為靜態(tài)接觸點，部分機體 抬起實現(xiàn)空間側(cè)移，如此反復(fù)，實現(xiàn)側(cè)向前進。由于運動過程中，機體是由上向下與地面接 觸的，所受的摩擦阻力較小，而幾機體與地面有多個接觸點，因此適合沙漠、軟土等低剪切 運動環(huán)境。在松軟和溫度較高的沙漠環(huán)境中，如果蛇形機器人采用平面蜿蜒運動進行連續(xù)作 業(yè)，將消耗大量的摩擦功，導(dǎo)致蛇體的摩擦變形、受熱損壞。而如果采用側(cè)向蜿蜒運動，由 于其滑動摩擦阻力小，且部分機體與地面接觸，可以克服平面蜿蜒運動所帶來的缺點，提高 運動的效率。 側(cè)向是蛇形機器人可實現(xiàn)純側(cè)向位移的一種運動方式, 它也是通過控制它的Z 軸和X 軸 的轉(zhuǎn)角變化(正弦) 而實現(xiàn)的, 與側(cè)向蜿蜒運動不同之處是每個運動波內(nèi)的各個關(guān)節(jié)之間相 差為零. 兩個異相波有一個相位差為DU.其運動表達式為 00sinsiiconi lni lkKL 兩個波形曲線的相差和波的傳播方向決定側(cè)向運動的姿態(tài)和方向, 實驗表明, 要達到較好的運動效果, 兩個波之間的相差也應(yīng)為P 2. 通過控制運動波的幅值不同可以實現(xiàn)各種形式的側(cè)向移動. 當(dāng)所選的幅 值較小時, 蛇形機器人頭部和尾部與腹部交替與地面接觸, 3.4 蛇形機器人側(cè)向翻滾 側(cè)向翻滾運動是一種自然界中生物蛇沒有的特殊運動方式，是蛇體繞其體軸回轉(zhuǎn)的一種 運動模式，是通過機體在兩個互相垂直的平面內(nèi)形成兩個弧形曲線的相互作用實現(xiàn)的。不同 平面內(nèi)兩相鄰模塊的相互作用，產(chǎn)生了繞體軸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動力矩。通過調(diào)整弧形曲線的弧度， 12 它可以實現(xiàn)與地面全接觸的純側(cè)向滾動或部分關(guān)節(jié)與地面脫離的空間滾動形蛇形機器人的翻 滾運動用于自身姿態(tài)調(diào)整及越障，形機器人側(cè)向滾動也可以看作是相互垂直的兩個平面內(nèi)波 的共同作用實現(xiàn)的，與側(cè)向蜿蜒運動不同之處在于，每個運動平面內(nèi)的各關(guān)節(jié)變化的相位差 為零，即兩個平面內(nèi)的波不再是Serpenoid曲線，而是圓弧狀，翻滾運動的控制方程為： 0 00 0sinsiiconni nni kKLs 四、蛇形機器人齒輪的計算 4.1 齒輪參數(shù)的確定 4.1.1 確定轉(zhuǎn)速 齒輪馬達雖然屬于高轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩的液壓原件，但轉(zhuǎn)速過高由于離心力的作用，高轉(zhuǎn)速液 體不能充滿整個齒間，以至流量減小并引起氣蝕，增大噪聲和磨損，對高粘性液體的輸送影 響更大，本設(shè)計采用最常用的 45 /s 工業(yè)齒輪油，節(jié)圓極限轉(zhuǎn)速可按表 1 選取。2m 表 2-1 工業(yè)齒輪油粘度與節(jié)圓極限速度關(guān)系 工業(yè)齒輪油粘度 s/212 45 76 152 300 520 760 節(jié)圓極限速度 Vmax5 4 3.7 3 2.2 1.6 1.25 根據(jù)表格數(shù)據(jù)，由插補法可得液體粘度為 45 /s 時所對應(yīng)的線速度 V=4m/s。2m 節(jié)圓線速度 （式 2-1）601VnD 式中：D節(jié)圓直徑（mm）其值為 81mm 有上式可知： (r/min)10604n93.8D 其最大轉(zhuǎn)速為 943.6 r/min，結(jié)合該設(shè)計取其轉(zhuǎn)速 n=900 r/min 4.1.2 確定齒數(shù) 齒數(shù)的確定，應(yīng)根據(jù)齒輪馬達的設(shè)計要求從流量、壓力脈動、機械效率等各方面綜合考 慮。從馬達的流量方面來看，在齒輪分度圓不變的情況下，齒數(shù)越少，模數(shù)越大，泵的流量 就越大。從馬達的性能抗，齒數(shù)減少后，對改善困油及提高機械效率有利，但使馬達的流量 及壓力脈動增加。為減少轉(zhuǎn)矩的脈動，齒輪馬達的齒數(shù)相對于齒輪泵的齒數(shù)較多。結(jié)合齒輪 馬達的發(fā)展現(xiàn)狀及其綜合性能選其齒數(shù) Z=18. 4.1.3 確定齒輪馬達排量 無線傳輸模塊 上位單片機 串行異步通訊 下 位 單 片 機 執(zhí) 行 單 元 電 機 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 下 位 單 片 機 執(zhí) 行 單 元 電 機 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 下 位 單 片 機 執(zhí) 行 單 元 電 機 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 下 位 單 片 機 執(zhí) 行 單 元 電 機 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 下 位 單 片 機 執(zhí) 行 單 元 電 機 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 下 位 單 片 機 執(zhí) 行 單 元 電 機 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 下 位 單 片 機 執(zhí) 行 單 元 電 機 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 下 位 單 片 機 執(zhí) 行 單 元 電 機 驅(qū) 動 系 統(tǒng) 13 有能量守恒定理可知： 2 MmPqT （式 2-2） 式中：由于該設(shè)計的齒輪馬達的回油壓力為大氣壓所以 MP= i=10Mpa 理論轉(zhuǎn)矩 M=100Nm,故其機械效率 Mm=1 所以有上式可得： 21062.8MmTqP ml/r 4.1.4 確定齒輪模數(shù) 對于低壓齒輪馬達來說，確定模數(shù)主要不是從強度方面著眼，而是從馬達的流量、壓力 脈動、噪聲以及結(jié)構(gòu)尺寸大小等方面。因為齒輪的齒數(shù)為 18 不會發(fā)生根切現(xiàn)象，所以在這 里不考慮修正，以下關(guān)于齒輪參數(shù)的計算均按標(biāo)準(zhǔn)齒輪參數(shù)經(jīng)行。 理論排量近似公式 （式 2-3）3210BZmq 齒寬公式 (式 2-4）B)86( 由（1） （2）可知： （2-5）30BZq 當(dāng) 時， m=4.56 當(dāng) 時， m=4.118 取 m=4.535106.129.2qBZm 6.47 取 B=30mm 4.1.5 確定齒寬 有 2.1.4 可知齒輪馬達的齒寬 B： B=30mm 4.1.6 齒輪參數(shù)表 此設(shè)計的齒輪馬達的材料 選為 ，調(diào)質(zhì)后表面淬火。其齒輪的有關(guān)參數(shù)如下表所示：rC40 14 表 2-2 液壓齒輪組參數(shù) 名稱 代號 計算公式 理論中心距 0A04.518fADmz 實際中心距 f 齒頂圓直徑 eD24.518290eZm 基圓直徑 j coscos76.jnmz 齒側(cè)間隙 nc0.1.4.54536n 嚙合角 20 齒頂高 ah*14.5mah 齒根高 f ).6fc（ 全齒高 h*(2.2012a 齒根圓直徑 iD9059.7ieDhm 頂隙 c*.4cm 徑向間隙 m00 3.821.5 eiA 齒頂壓力角 eo25.30cos218arcs csarneie ZR 分度圓弧齒厚 fs 4.1scs07nfm 齒厚 3.157.62sm 齒輪嚙合的重疊系數(shù) 53.1208 tgttgZe 15 公法線長度 L mznL49.231805.51. 取側(cè)隙 nC 分度園直徑 mm 因該齒輪馬達所用的兩個齒輪等大，固傳動比所以 218Zi 4.2 齒面接觸強度校核 齒輪馬達在入口高壓液體的壓力下，由于液壓力的作用下齒輪相互嚙合向相反的方向轉(zhuǎn) 動。齒輪之間相互嚙合故需對其進行校核。 4.2.1 使用系數(shù) 的確定AK 使用系數(shù)表示齒輪的工作環(huán)境（主要是振動情況）對其造成的影響，使用系數(shù) 的確AK 定如下： 表 2-4 使用系數(shù) AK 工作機工作特性 原動機工作特性 均勻平穩(wěn) 輕微轉(zhuǎn)動 中等振動 強烈振動 均勻平穩(wěn) 1.00 1.25 1.50 1.75 輕微振動 1.10 1.35 1.60 1.85 中等振動 1.25 1.50 1.75 2.0 強烈振動 1.50 1.75 2.0 2.25 或大更 齒輪液壓裝置一般屬于輕微振動的執(zhí)行元件所以按上表中可查得 可取為 1.35。AK 4.2.2 齒輪精度的確定 表 2-5 各種機器所用齒輪傳動的精度等級范圍 機 器 名 稱 精 度 等 級 機 器 名 稱 精 度 等 級 汽輪機 3 - 6 拖拉機 6 - 8 金屬切削機床 3 - 8 通用減速器 6 - 8 16 航空發(fā)動機 4 - 8 鍛壓機床 6 - 9 輕型汽車 5 - 8 起重機 7 - 10 載重汽車 7 - 9 農(nóng)業(yè)機械 8 - 11 齒輪馬達為精一般的執(zhí)行元件其振動輕微及速度一般故此處取其精度為 7。 4.2.3 動載系數(shù) 的確定VK 動載系數(shù)表示由于齒輪制造及裝配誤差造成的不定常傳動引起的動載荷或沖擊造成的影 響。動載系數(shù)的實用值應(yīng)按實踐要求確定，考慮到以上確定的精度和輪齒速度，偏于安全考 慮，參考下圖此設(shè)計中 取為 1.1。V 圖 2-1 動載荷系數(shù) 值 VK 4.2.4 齒向載荷分布系數(shù) HK、 F的確定 齒向載荷分布系數(shù)是由于齒輪作不對稱配置、軸的扭轉(zhuǎn)變形、軸承、支座的變形以及制 造、裝配的誤差等影響齒向載荷分布而添加的系數(shù)，根據(jù)機械設(shè)計 ，此設(shè)計齒輪 對稱配置由插入法可得 =1.100 。由 b/h=30/10.125=2.963, =1.12 查機械設(shè)計H HK 圖 10-13 可得 FK=1.3 4.2.5 齒間載荷分配系數(shù)的確定 一對相互嚙合的齒輪當(dāng)在嚙合區(qū)有兩對或以上齒同時工作時，載荷應(yīng)分配在這兩對或多 對齒上。但載荷的分配并不平均，因此引進齒間載荷分配系數(shù) 以解決齒間載荷分配不均HK 的問題。對直齒輪及修形齒輪，取 1HK。 4.2.6 彈性系數(shù) EZ 此設(shè)計中齒輪材料選為 45 剛（其含碳量為 0.37%-0.44%，鍛鋼含碳量在 0.15%-0.6%） ， 調(diào)質(zhì)后表面淬火，由機械設(shè)計 表 10-6 可取。201P （式 2-6）)(8.92aEMZ 4.2.7 動載系數(shù) tK 17 1.35.21.63tAVHK （式 2-7） 4.2.8 齒寬系數(shù) d d1b30.78 （式 2-8） 4.29 接觸疲勞強度極限 由機械設(shè)計圖 10-21 按齒面硬度差得齒輪的接觸疲勞強度極限 。MPa920Hlim 如下圖： 圖 2-2 齒輪接觸疲勞極限 Hlim 4.2.10 計算循環(huán)應(yīng)力次數(shù) 循環(huán)應(yīng)力次數(shù) 9hN60 njL901283012.50h（ ） （式 2-9） 其中：n 為齒輪的轉(zhuǎn)速（單位是 r/min） ；j 為齒輪每轉(zhuǎn)一圈，同一齒面嚙合次數(shù)； 為hL 齒輪的工作壽命（單位為 h）令該設(shè)計馬達的壽命為 10 年。 2.2.11 接觸疲勞壽命系數(shù) 由機械設(shè)計圖 10-19 取接觸疲勞壽命系數(shù) HNK0.95 如下圖： 圖 2-3 彎曲疲勞壽命系數(shù) 18 4.2.12 齒輪的輸入功率 設(shè)齒輪馬達功率為 ，流量為 Q，工作壓力為 P，則wP63310/01/609.42qnkw （式 2-10） 所以每個齒輪的功率為 1 4.72Wk （式 2-11） 4.2.13 齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 由已知可得該設(shè)計的齒輪轉(zhuǎn)矩為：T=100000 Nm 4.2.14 計算接觸疲勞強度 載荷系數(shù) 1.632tAVHK 徑向力 t12T0F49.Nd8 （式 2-12） 因為齒數(shù)比 u=1 = 872.3MPa （式 2-13）u1bdKF2.5ZtEHH 所以齒輪的劫持疲勞強度滿足要求。 4.3 齒面彎曲強度校核 4.3.1 彎曲疲勞強度極限 由機械設(shè)計圖 10-20c 查得齒輪的彎曲疲勞強度極限 。630MPaFE 4.3.2 彎曲疲勞壽命系數(shù) 由機械設(shè)計圖 10-18 取彎曲疲勞壽命系數(shù): 0.85KFN 如下圖： 19 圖 2-4 彎曲疲勞強度壽命系數(shù) FNK 4.3.3 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.3 則： （式 2-14）MPa124.36085S KFENF 4.3.4 載荷系數(shù) 1.5.31.905AVF 4.3.5 齒形系數(shù)及應(yīng)力校正系數(shù) 由機械設(shè)計表 105 查取齒形系數(shù) FaY2.9 應(yīng)力校正系數(shù) SaY1.3。 4.3.6 計算齒根危險截面彎曲強度 tSaFF FKY1.93046.1.5317.2MPabm （式 2-15） 所以，按齒面接觸疲勞強度校核，所選齒輪參數(shù)符合要求，按齒根彎曲疲勞強度校核亦 符合。此齒輪的設(shè)計符合強度要求。 電機選型 五、蛇形機器人電機的選擇 1、電機類型選擇 20 多功能爬樓梯裝置的驅(qū)動機構(gòu)電機是整個系統(tǒng)的核心，它在一定程度上決定了裝置 使用的安全性、可靠性。平地驅(qū)動采用兩個小功率電機驅(qū)動，爬樓動作由另兩個大功率電機 驅(qū)動。整個系統(tǒng)以蓄電池作為供電能源，可供選擇的電機有步進電機、直流電機和無刷直流 電機 14。 (l)步進電機 步進電機具有轉(zhuǎn)矩大、慣性小、響應(yīng)頻率高等優(yōu)點，能夠快速起動與停止。它通常不需 要反饋就能對位移或速度進行精確控制，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。但是步進電機能耗 太大，速度也不高，且存在一個固有缺點，即在低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大，不利于整個裝置 的穩(wěn)定。 (2)直流電機 直流電機具有良好的起動、制動和調(diào)速特性，具有很寬的調(diào)速范圍，且易于平滑調(diào)節(jié)。 它具有控制特性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，滿足裝置對突發(fā)情況做出反應(yīng)的靈敏性要求；而且 低速時平穩(wěn)性好，滿足了裝置在爬樓運動時低速穩(wěn)定性的要求;起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強， 可以滿足裝置爬坡、翻越臺階的性能要求。但是傳統(tǒng)的直流電機均采用換相器和電刷以機械 方法進行換相，因而存在相對的機械摩擦，由此帶來噪聲、火花、無線電干擾以及壽命短等 問題，需要經(jīng)常維護。 (3)無刷直流電機 針對傳統(tǒng)直流電機的上述弊病，無刷直流電機采用電子換相電路取代了機械換相裝置， 不僅繼承了直流電機的優(yōu)點，且具有無噪音、免維護、可靠性高的優(yōu)越特性。 因此我們選用無刷直流電機作為裝置的驅(qū)動電機，前輪驅(qū)動和后輪轉(zhuǎn)向各采用兩個普通 的無刷直流電機驅(qū)動。 2、電機型號選擇 由上可知，本設(shè)計采用普通無刷直流電機作為動力源,機器人最大載重為 20KG，平地最 大速度為 1.5km/h，車體及電池重量大約為 15KG。 （1） 驅(qū)動電機選型 功率計算： 120159.8042/14.06PFmgkgmsW 根據(jù)以上計算及各個參數(shù)，本設(shè)計選擇濟南科亞電子科技有限公司生產(chǎn)的 ZW57BL90- 230 型直流無刷電機作為驅(qū)動電機，ZW57BL90-230 型直流無刷電機參數(shù)如表 3.3 所示。 表 3.3 ZW57BL90-230 型直流無刷電機參數(shù) 型號 額定功率 額定電壓 最大轉(zhuǎn)矩 ZW57BL90-230 180W 24V 2Nm （2） 轉(zhuǎn)向電機選型 轉(zhuǎn)向電機只負責(zé)車體轉(zhuǎn)向故不需太大的功率，因此本設(shè)計選擇濟南科亞電子科技有限 公司生產(chǎn)的 ZW57BL52-225 型直流無刷電機作為轉(zhuǎn)向電機，ZW57BL52-225 型直流無刷電機參 21 數(shù)如表 3.4 所示。 表 3.4 ZW57BL52-225 型直流無刷電機參數(shù) 型號 額定功率 額定電壓 最大轉(zhuǎn)矩 ZW57BL52-225 45W 24V 0.5Nm 六、蛇形機器人的導(dǎo)航分析 機器人導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)包括機器人定位與地圖構(gòu)建機器人路徑規(guī)劃機器人體系結(jié)構(gòu)傳感器 數(shù)據(jù)融合傳感器的導(dǎo)航方式是移動機器人導(dǎo)航發(fā)展的必然趨勢這種多傳感器的信息融合。對 于救災(zāi)的蛇形機器人的研究領(lǐng)域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點作業(yè)中走出來向著非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的 自主作業(yè)，未知環(huán)境中的蛇形機器人運動規(guī)劃面臨兩個主要問題蛇形機器人的導(dǎo)航和路徑規(guī) 劃解決辦法是采用傳感器和空間構(gòu)形法 在蛇形機器人都安裝了一些非視覺傳感器如超聲傳感器紅外傳感器接觸傳感器等 ，利用這些傳感器 可以實現(xiàn)機器人導(dǎo)航。超聲數(shù)據(jù)與圖像數(shù)據(jù)結(jié)合通過事先訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測障礙物的可能位置從而 使得機器人能夠在動態(tài)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中實現(xiàn)自主導(dǎo)航，技術(shù)充分利用了多個傳感器的資源通過對這些傳 感器及其觀測信息的合理支配和利用把多個傳感器在空間或時間上的冗余或互補信息根據(jù)一定的準(zhǔn)則進 行組合從而獲得對被測對象的一致性解釋或描述因此它不但能夠提高導(dǎo)航精度同時也使整個導(dǎo)航系統(tǒng)具 有了較高的魯棒性。 七、工作原理分析 蛇形機器人的工作原理是靠機器人與地面之間的摩擦來實現(xiàn)機器人的運動。我們所設(shè)計的機器人不 僅可以在廢墟中尋找生命，還可以用于星球探測等地形很復(fù)雜的場所。這里所設(shè)計的機器人具有自我分 析的能力，根據(jù)傳感器獲得的地面信息能夠進行自我分析，然后采用最適合的運動方式進行運動，所以 蛇形機器人可以在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中進行工作。 八、主要創(chuàng)新點 （1）本作品中所設(shè)計的機器人是按照自然界中蛇的行走方式進行的設(shè)計，所以是一個仿 生機器人。 （2）蛇行機器人的每個運動單元可以實現(xiàn)機構(gòu)的重組。 （3）所制造的蛇形機器人的每個單元均為一個萬向鉸，而一個整體的蛇形機器人是由 4 個這樣的單元體組成，所以蛇行機器人的每個關(guān)節(jié)可以實現(xiàn)在空間的三維運動。 （4）多種爬行方式，仿照自然界中的蛇形機器人，可以實現(xiàn)蛇的四種動作。在有模才的 地面實現(xiàn)波形運動，在沒有摩擦的地面實現(xiàn)滾動，這樣既可以節(jié)省動力還可以提高機器人的 行走速度在非機構(gòu)環(huán)境下運動 （5）現(xiàn)在制作出的很多機器人都是在結(jié)構(gòu)環(huán)境中實現(xiàn)運動，這樣的機器人不需要有模式識別和分析 系統(tǒng)，我們所制造的蛇形機器人因為主要用到廢墟中尋找活得生命，所以要求機器人對環(huán)境的適應(yīng)能力 特別強，我們所設(shè)計的機器人主要就是注重這方面的研究，可以實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下的工作。 22 九、應(yīng)用前景分析 蛇形機器人具有運動穩(wěn)定性好、適應(yīng)地形能力強、可靠性和維護性高等特點CAN總線 的高度實時性、可靠性、擴充性和多主工作方式，為蛇形機器人的分布式控制提供了硬件條 件，基于CAN總線的蛇形機器人控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對蛇形機器人的各個關(guān)節(jié)的有效控制，實現(xiàn) 了蛇形機器人的各種運動，提高了蛇形機器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴展性，具有重要科研 意義和實用價值。 23 致謝 隨著畢業(yè)日子的逼近，畢業(yè)設(shè)計也接近尾聲。在指導(dǎo)老師的帶領(lǐng)下，經(jīng)過幾周的奮戰(zhàn)我 終于順利完成了畢業(yè)設(shè)計。在沒有做畢業(yè)設(shè)計以前覺得畢業(yè)設(shè)計只是對這幾年所學(xué)知識的單 純總結(jié)，但是通過這次做畢業(yè)設(shè)計我發(fā)現(xiàn)自己的看法有點太片面。畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所 學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次畢業(yè)設(shè)計使我明白了原來只 是還比較欠缺，自己要學(xué)的東西還很多。以前老是覺得自己什么都會，什么都懂，有點眼高 手低。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我才明白學(xué)習(xí)是一個長期積累的過程，在以后的工作和生活中都 應(yīng)該不斷地學(xué)習(xí)，努力提高自己的知識和綜合素質(zhì)。在這次畢業(yè)設(shè)計過程中也使我們同學(xué)間 的關(guān)系更進一步，同學(xué)之間互相幫助，互相學(xué)習(xí)。 我的心得也就這么多了，總之，不管學(xué)會的還是學(xué)不會的的確覺得困難比較多，真是萬 事開頭難，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負的感覺。此外，還得出一個結(jié)論： 知識必須通過應(yīng)用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學(xué)會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回 事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學(xué)會了。 在此要感謝我的指導(dǎo)老師李明富對我悉心的指導(dǎo)，感謝老師給我的幫助。其次要非常 感謝我的輔導(dǎo)老師，在畢業(yè)設(shè)計期間給了我大力的幫助和支持，對很多問題給與了細心的講 解，并幫助我梳理思路，使設(shè)計能夠如此順利地進行下來。在設(shè)計過程中，我通過查閱大量 有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗和自學(xué)，并向老師請教等方式，使自己學(xué)到了不少知識，也經(jīng)歷 了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個設(shè)計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能 力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。 由于水平有限，本設(shè)計存在一些不成熟和欠妥之處。懇請各位老師、同學(xué)批評指正，以 便走上工作崗位后進一步改正、提高自己。 24 參考文獻 1 吳奇峰,劉冬雪,任家權(quán). 遙控起動在叉車上的應(yīng)用J. 叉車技術(shù), 2010,(02) . 2 尹曉霞,楊欣. 紅外線遙控電冰箱故障實驗臺的設(shè)計J. 裝備制造技術(shù), 2010,(01) . 3 祁亨年，基于雙目立體視覺的排爆機器人自動目標(biāo)抓取J. 廣西師范大學(xué)學(xué)報, 2008,(03) . 4 安定，移動 X 線機遙控曝光系統(tǒng)的設(shè)計J. 黑龍江科技信息, 2008,(34) . 5 上官望義，輪式移動機器人移動性能研究及樣機設(shè)計開發(fā)D. 西安理工大學(xué), 2009 . 6喬風(fēng)斌，楊汝清.六輪移動機器人爬樓梯能力分析.機器人，2004，26(4)：301305. 7蘇和平，王人成. 爬樓梯輪椅的研究進展.中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2005，20(5)：366367. 8王德新，王付銳，董二寶，等.自主越障機器人在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的越障控制研究.制造 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