基于solidworks的多节履带煤矿救援机器人设计(二维CAD图纸+三维模型+说明书)
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目 录目 录II摘要3Abstract4第一章 绪论51.1 课题研究背景及意义51.2移动机器人的发展概况61.2.1 国外研究现状61.2.2 国内研究现状101.3 发展趋势11第二章 多功能履带式机器人的设计132.1 多功能履带式机器人的设计要求132.2 多功能履带式机器人的设计概述142.2.1多功能履带式机器人与其他类型移动机器人原理的对比142.2.2 履带式移动机构特点152.2.2多功能履带式机器人与其他类型移动机器人特点的对比172.2.3 多功能履带式机器人的设计参数18第三章 多功能履带式机器人的设计193.1 多功能履带式机器人的具体设计193.1.1 机器人底座结构设计193.1.2机械手臂结构设计354 机器人静力学分析384.1 履带与地面摩擦阻力分析382.2 履带侧面推土阻力分析39总结1参考文献2致谢341摘要为了能够在煤矿灾害特别是瓦斯煤尘爆炸事故发生后,快速的转移和抢救受伤人员。设计一种履带式救援机器人,可以适应各种复杂环境。首先设计了各种救援机器人行走装置的优缺点,得出多节履带式机器人可在更加复杂的环境中行走,其次分析了多节履带在各种路况下行走的通过性。接着对行走电机进行选型计算,并对履带及履带轮进行相应的计算,得出最终的履带行走结构。最终设计出了一种新颖、轻便、抗冲击的履带式移动机器人,该机器人能够在恶劣的环境和复杂的道路条件下工作。经过合理的结构布置和设计,机器人具有良好的环境适应性、机动性和抗一定高度的跌落冲击能力。关键词:救援机器人;多节履带式;行走机构AbstractIn order to quickly transfer and rescue the injured after coal mine disasters, especially gas and coal dust explosion accidents. A crawler rescue robot is designed, which can adapt to various complex environments. Firstly, the advantages and disadvantages of various walking devices of rescue robots are designed. It is concluded that multi-segment tracked robots can walk in more complex environments. Secondly, the trafficability of multi-segment tracked robots in various road conditions is analyzed. Then the type selection calculation of the walking motor is carried out, and the corresponding calculation of the crawler and the crawler wheel is carried out, and the final crawler walking structure is obtained. Finally, a novel, portable and impact-resistant tracked mobile robot is designed, which can work in harsh environment and complex road conditions. After reasonable structure layout and design, the robot has good environmental adaptability, maneuverability and anti-drop impact ability at a certain height.Keywords: Rescue robot; multi-segment crawler; walking mechanism第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义中国是世界上灾害事故发生最多的国家之一。地震、火灾、山体滑坡和各种人为事故,对人民的生命财产造成了重大损害。灾后如何及时有效地发现受困幸存者,实施快速救援,是灾后应急救援的重中之重。然而,复杂危险的灾后环境往往给救援工作带来困难。危险物品、火灾、易燃易爆气体、结构不稳定等危险因素往往威胁救援队伍成员的生命,阻碍救援工作的快速发展。如何在尽量减少人员伤亡的前提下,快速有效地开展搜救工作一直是我们研究的重点。本文提出的便携式矿用救灾机器人是一种重量轻、单救援人员携带方便、多运动姿态、抗坠落能力强的履带式微型机器人系统。它能适应矿山恶劣的灾后环境,对非结构化地形环境具有良好的适应能力,具有较好的越障能力和一定高度的防坠落能力。机器人可以通过无线电信号远程控制,可以预先加载各种检测设备检测未知环境,并返回井道环境信息,为及时有效的救灾提供决策参考。1.2移动机器人的发展概况1.2.1 国外研究现状目前,美国在救灾机器人研究方面处于世界前列。美国在微型机器人的开发上投入了大量的人力和物力,特别是在新型、高度移动和高度可靠的移动载体的研究上。例如,美国移动机器人程序中的便携式机器人系统。这种机器人主要用于城市作战和搜救。例如,美国智能系统和机器人中心开发的拉特勒探雷机器人用于灾后现场调查。采用电传遥控方式。具有主动红外摄像机、射频信号收发器、陀螺仪和危险气体传感器等设备。无线遥控距离约76米。美国南佛罗里达大学开发的Simbot地雷搜索机器人紧凑灵活。它携带一个数字低照度摄像机和基本的气体监测元件。它可以通过钻取的一个小孔钻入矿井,穿过砾石和泥浆,并使用它携带的传感器找到受伤的矿工,检测氧气和甲烷的含量,并生成矿井地图。下面是美国和其他国家正在开发的各种履带式变形机器人。如图1-1、1-2所示,这是一个小型的iRobot“packbot”机器人,在美国陆军服役。这个“packbot”装备了一个爆炸感测系统来有效地探测炸弹。目前,该测试系统仍处于实验阶段。PackBot机器人也能挖掘和拆卸炸弹。配备了一套完整的工具,称为“爆炸性武器处理”和工程师,土壤可以挖掘,炸弹可以提升两倍于自身重量。图1-2:iRobot SUGV机器人是一个只有30磅重的小型地面漫游车。它有一个被称为战术头的头部,以及一个摄像头、一个红外传感器和一个可以即时传输图像的摄像头。 图1-1 RackBot准备展开 图1-2 SUGV机器人福斯特米勒公司开发了泰龙机器人,该机器人采用卡特彼勒模式,配备了两台普通直流电机。电机通过两条链条带动履带轮转动,实现机器人的运动。此外,在机器人前后履带轮之间还安装了一个小的承载轮,它不仅承担了部分负载,而且在转向时还支撑着机器人。减少了履带与地面的摩擦,提高了机器人的转向能力。泰龙机器人可以执行各种侦察和巡逻任务。机器人外形参数为86.4cm*57.2cm*27.9cm,重约39kg,潜水30.5m,爬坡45度。图1-3 Talon机器人2003年,澳大利亚Simtars煤矿研究人员与美国机器人辅助救援中心合作开发了一种煤矿灾害搜索救援机器人,该机器人在澳大利亚昆士兰一个15米深的地下训练场进行了测试。该机器人是专门为矿山灾害研制的。它的大小就像一个蜜罐。它可以通过地面钻孔进入煤矿,越过障碍物和泥浆,利用传感器搜索被困矿工,检测有毒或易燃气体,并拖动地面供气软管给被困矿工提供新鲜空气和水。机器人像蛇一样钻岩石。一旦它到达地下表面,它就像一个小坦克,寻找被困的矿工。克雷萨希望在机器人上进一步增加新的医疗传感器,以便救援志愿者通过观察、交谈和诊断了解被困矿工的健康状况。因纽顿的UGTV机器人具有独特的轨迹变形能力(如图1-4所示),有助于爬升和扩展机器人的视觉。在“911”事件的搜救任务中发挥了重要作用。加拿大舍布鲁克大学(Sherbrook University)开发的方位机器人(如图1-5所示)使用一个轮子、轨道和腿复合移动机构,每个腿有四个轨道腿模块。当模块与主体连接时,有三个自由度。该机器人具有多种运动功能,越障能力强,行走方便。然而,这种结构非常复杂,只有12台电机难以进行运动控制。本机主要用于室内环境中的反恐、防爆工作。图1-4 UGTV机器人 图1-5 AZIMUT机器人就在一两年前,这家德国公司生产了一种防爆机器人。现在,新一代机器人已于2006年上市。它的结构比以前更轻更小。该机器人依靠一个小型的柔性系统来执行与一些大型机器人相同的功能。该机器人依靠一个小而灵活的系统来实现与大型机器人相似的功能,因此它足够小,可以在地铁车厢或飞行工具中操作,并且足够大,可以直接处理所有现有飞机头顶储藏室中的可疑物品。图1-6 telemax这款产品具有很大的创新价值,经过数十年经验的累计取得了变结构设计领域的重大发展。 图1-7 telemax行走姿势它的机械结构由四个独立的履带齿轮驱动,具有非凡的机动性。它能爬45度,爬500毫米。它比许多其他类似的机器人要好。它的可伸缩上臂加上高度可调的地板,使机器人具有2350毫米的显著垂直高度。它的钳子可以举起5公斤的货物,这意味着它可以装配弹道系统和其他工具。 图1-8 telemax防爆机器人1.2.2 国内研究现状我国的搜救机器人技术起步较晚,但近年来受到越来越多的关注,并取得了一定的效果。沈阳自动化学院、哈尔滨工业大学、国防科技大学、上海交通大学、广东阜威公司等单位设计了自己的搜救机器人系统。2005年,由中国科学院沈阳自动化研究所和日本国际救援系统研究所联合组建的中日救援与安全机器人技术研究中心在沈阳揭幕,标志着我国搜救机器人研究进入了一个更加快速的发展阶段。2006年6月22日,中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所研制的第一台煤矿搜救机器人(样机)在徐州诞生(如图1-9)。该煤矿搜救机器人采用自主避障和遥控制导相结合的行走控制方式。可深入煤矿灾害发生后的事故现场,探测火灾温度、瓦斯浓度、灾害现场等信息,呼叫救援,实时返回收集到的信息和图像,为救灾指挥人员提供重要的灾害信息。同时,机器人还可以携带急救药品、生命维持液、食物和千斤顶、撬棍等自救工具,帮助被困人员进行自救和逃生。图1-9CUMT-1型矿井搜救机器人1.3 发展趋势 救灾机器人是智能机器人在煤矿领域的新应用。虽然一些关键技术还需要进一步研究,但救灾机器人具有很高的实用价值和广阔的应用前景。随着计算机技术、传感器技术、控制技术和材料技术的发展,特别是网络技术和图像信息处理技术的飞速发展,智能机器人的研究取得了丰硕的成果。但是,由于矿山救灾机器人特殊的工作环境和工作要求的不断改善,矿山救灾机器人技术仍有一些突破。(1)在机械性能上,能适应矿山恶劣的灾后环境,对非结构化地形环境具有良好的适应能力,具有良好的越障能力。(2)新技术、新材料的研发,矿山灾害后的恶劣环境,要求材料具有高强度、耐拉伸、耐压缩、高温阻燃、无火花等特点。(3)良好的导航性能和信息采集能力仍是未来矿山救灾机器人导航技术的主要发展方向。(4)由于矿山救灾机器人单传感器不能满足高精度定位的需要,需要对多传感器的测量信息进行融合,多传感器信息融合技术自然成为发展趋势。(5)多机器人系统是矿山救灾机器人技术发展的主要方向。(6)采用标准化、网络化、模块化技术。机器人装备有通信系统。在与外界交换数据和信息时,采用标准化的接口技术,网络技术可以使机器人更容易操作。同时,机器人通信系统的稳定性、可维护性和兼容性都较好。第二章 多功能履带式机器人的设计现有市场上常见的移动机器人基本上是轮式机器人。其基本工作方式是电机驱动车轮转动,然后车轮将动力传递给整个轮式机器人,实现自由行走的目的。轮式机器人有以下缺点:对地面行走要求高,在松软或泥泞的道路上行走容易打滑;移动和转弯时,机器人的全身需要旋转,转弯半径大,占用的行走空间大;本设计的多功能履带机器人采用履带传动的工作原理及其基础。工作模式为履带机器人在行走电机驱动履带本体旋转时提供动力。关节电机驱动履带机构调整行走角度,使履带机构能自由越过障碍物。这两个移动机器人的工作原理完全不同。它们有不同的结构、不同的实现方式和不同的使用方式。本文采用巧妙的机械传动结构设计了多功能履带式机器人。电机作为机器人行走的源动力,通过一个稳定的减速器和链条传动,将电机的动力传递给四个履带的前后两段。这使机器人能够自由行走。当多功能履带式机器人遇到障碍物时,可以调整间隙。俯仰角使整个运动过程更加稳定。在现有单节双轨机器人理论的基础上,对其结构和运动方式进行了改进。本文设计的多功能履带机器人采用了双段四履带结构。机械结构更加优化,综合材料的选择和结构的简化使移动机器人的使用更加方便和稳定。本文是一种多功能履带机器人的设计。初衷。2.1 多功能履带式机器人的设计要求(1)本设计中的多功能履带式机器人主要在一些人不方便进入的小型场合使用,包括倒塌的建筑物内,灾难现场,危险灾区和坍塌煤矿等。(2)本设计之前综合考虑,该多功能履带式机器人应该具有以下功能:产品加工生产成本低,质量安全稳定,使用寿命长,结构稳固,使用便捷,方便搬运移动;(3)本设计从履带机器人底座结构设计和机械手臂设计两方面着手进行详细的设计分析及计算阐述。2.2 多功能履带式机器人的设计概述2.2.1多功能履带式机器人与其他类型移动机器人原理的对比(1)轮式机器人的工作原理最早的移动机器人应该是轮式机器人。随着各行业移动机器人质量要求的不断提高,轮式机器人也得到了迅速的发展和应用。轮式机器人是以轮式运动为基础的。与腿式、履带式或其他非轮式移动机器人相比,轮式机器人具有速度快、效率高、结构简单、操作方便等优点。与其他移动机器人相比,轮式机器人最大的优点是操作简单,轮式机器人行走区域不需要承担轨道、支撑等固定装置,电路控制方便简单,不易损坏。因此,轮式机器人大多应用于较好的环境,目前已广泛应用于自动化物流系统中。利用其快速、高效的特点,可以有效、经济、方便地管理高物流仓库。轮式机器人的基本工作原理是电机驱动车轮转动,车轮将动力传递给整个轮式机器人,实现自由行走的目的。通过地面控制系统、车辆控制系统、导航制导方式等辅助功能,形成完整的结构体系。随着对轮式机器人的深入研究和分析,轮式机器人的应用范围也在不断扩大。目前广泛应用于工业、军事、交通、电子等领域。具有较强的抗干扰能力和目标识别能力。图1 常见轮式机器人实物图(2)多功能履带式机器人的工作原理2.2.2 履带式移动机构特点履带式移动机构分为l条履带、2条履带(履带可车体左右布置或者车体前后布置)、3条履带、4条履带,6条履带,履带式移动机构与地面较大的接触面积,因此在较大的区域内分布机器人的重量,较大的接触区域使机器人具有较好的驱动牵引力,机动性能好、越野性能强,缺点是结构复杂、重量大、摩擦阻力大,机械效率低,在自身重量比较大的情况下会对路面产生一定的破坏。履带式移动机构比较轮式移动机构有以下几个特点:(1)撑面积大、接地比压小、滚动阻尼小、通过性比较好;(2)越野机动往能好,爬坡越沟等性能均优于轮式结构;(3)履带支撑面上有履齿不打滑,牵引附着性能好;(4)结构较复杂重量大,运动惯性大,减震功能差,零件易损坏。图2-3为一部分履带式移动机构的简图图2-3 履带式移动装置示意图通过分析比较,最终选择了第五种履带移动方案,双节四履带方式。本设计的多功能履带式机器人仍采用单段和双轨机器人的工作原理,但在此基础上增加了附加单段、双轨和四轨。多功能履带式机器人的基本工作方式为履带式机器人在行走电机驱动履带式机构旋转时提供动力。关节马达带动履带式车身调整行走角度,使机器移动。机器人的身体可以自由地越过障碍物。作为一种履带机器人,两段式四履带机器人比单段式两履带机器人具有更大的越障能力、更高的环境适用性和更强的动力。多功能履带机器人的结构主要由两部分组成:机器人底座结构和机械臂结构,底座结构包括:行走电机、关节电机、内轮组件、车体框架组件、外轮组件、减速器、链条驱动组件等。包括:机器人臂、机器人臂、机器人臂、摄像头等部件、机器人抓取等,行走电机提供动力驱动轨道自身旋转行走,关节电机驱动轨道本体调整行走角度。车身骨架部分支撑着多功能履带机器人的整体结构,承受着多功能履带机器人的全部载荷。车身骨架部件的前部和后部分别安装有两个外轮部件和两个内部部件。车轮总成、行走电机、关节电机均通过减速器传递动力。链条传动部件负责连接外轮总成和内轮总成。机械臂的作用是使机器人能够在360度无死角的情况下清除道路上的障碍物。通过摄像头组件可以清楚地观察到道路环境中的实际情况,顶部的机器人可以抓住手。为了完成抓取操作的一些基本功能。图2 多功能履带式机器人三维设计图2.2.2多功能履带式机器人与其他类型移动机器人特点的对比多功能履带式机器人的优点:(1)在恶劣环境下也可以作业,越障机动性好;(2)具有很好的自复位能力,可以从任何颠覆状态恢复到正常行驶状态;(3)履带上的履齿不容易打滑,与地面的附着性好,能够最大程度的发挥电动机的效率轮式机器人的缺点:(1) 对行走地面要求比较高,在松软或者是泥泞的道路上行走时极容易打滑;(2) 移动转向的时候需要整个机器人本体转动,转弯半径较大,占用的行走空间较多(3) 轮式机器人传动系统一旦发生故障,非专业人员不容易检查和排除问题。2.2.3 多功能履带式机器人的设计参数产品类别:双节四履带式移动机器人材质:铝合金自身重量:60kG规格(MM):L825W550H630运行速度:0.40.8m/s行走电机功率:200W关节电机功率:200W续航时间:8H第三章 多功能履带式机器人的设计3.1 多功能履带式机器人的具体设计多功能履带机器人主要从机座结构设计和机械臂结构设计两个方面进行设计。机器人的基础结构是整个履带机器人的基础。被跟踪的机器人可以在地面上行走,爬上建筑内部的楼梯,以及一些更复杂的地形。底座结构包括:行走电机、关节电机、内轮组件、体框组件、外轮组件、减速器、链条驱动组件等,行走电机提供源动力驱动轨道自身旋转行走,关节电机驱动轨道本体调整行走角度,体框组件支撑多功能履带机器人的结构,具有多功能。履带机器人车架前后各安装有两个外轮组件和两个内轮组件。行走电机和关节电机通过减速器传递动力。链条驱动部件负责将外轮部件与内轮部件连接起来。整个机械臂安装在被跟踪机器人的上部,通过机械臂的底座与车身骨架组件连接。机器人臂的结构包括:机器人臂、机器人臂、机器人臂、摄像头组件、机器人抓取等,机器人臂的功能是使被跟踪的机器人能够360度无死角地清除道路上的障碍物。通过摄像机组件,可以清楚地观察到道路环境中的实际情况。机器人在顶部的抓取可以完成一些基本的任务。功能捕获和清洁操作。3.1.1 机器人底座结构设计本设计中的机器人底座结构设计主要包括行走电动机的设计与选型,减速器齿轮的设计,链传动的设计与选型;3.1.1.1行走电动机的设计与选型在本设计中,链条传动部件连接前后两个外轮部件和两个内轮部件,相当于由两个相同的行走电机驱动的四个履带,即一个行走电机驱动履带的一侧。行走电机所需的功率计算:式中:k安全系数,考虑超载或功耗波动等影响,取1.5; 多功能履带式机器人所需的功率; 传动装置的总传动效率;行走电机的功率。多功能履带式机器人所需的功率计算:式中:单个行走电机作用于单侧履带式机器人的牵引力,N; V整个履带式机器人的行走速度,m/s。假设履带与地面之间的滚动摩擦系数=0.5,已知履带机器人自身重量为60KG,且两个行走电机作用于履带机器人上的牵引力与摩擦力f相等,则计算=f/2=mg/2=0.560 kg10 N/kg/2=150N由设计参数可知,整个履带机器人的行走速度V为0.40.8m/s,取V最大值为0.8m/s计算得出=V=150N0.8m/s=120W履带在转动的过程中,行走电机与履带之间通过减速器连接,减速器与履带之间又通过链传动组件连接,因此查机械设计手册得到:类别传动形式效率(%)减速器直齿圆柱齿轮传动0.97链传动滚子链0.96表2.1 各传动部件的传动效率因此可以计算得到从行走电机到履带的总传动效率为行走电机实际作业时所需要的输出功率。本设计采用无刷直流电机作为步进电机的选型依据。直流无刷电动机作为一种同步电动机,具有响应速度快、起动转矩大、从零转速到额定转速的优点,与其它类型电动机相比,具有额定转矩大的优点。根据上面的计算,我们得到多功能履带式机器人行走电机实际工作时所需要的输出功率为193.3W,考虑在行走过程中可能遇到复杂地形的情况,我们选定行走电机的品牌为瑞士maxon直流无刷电机,型号为EC-4pole 30,其工作额定功率为200W,额定转速n为16200r/min,行走电机的具体参数见表2.2;表2.2 行走电机详细参数由设计三维图可知内轮的直径为220mm,且设计要求整个履带机器人的行进速度为0.40.8m/s,所以履带行走的最大转速:3.1.1.2减速器齿轮的设计已知选定的行走电机型号为EC-4pole 30,其工作额定功率为200W,额定转速n为16200r/min,且履带的转速为69.45r/min,如果我们直接通过减速器减速则减速器总传动比为233。如果我们只选用减速器减速,那么传动比i=233就必须通过很多级减速才可以实现,考虑到多功能履带机器人的设计要求:结构和安装简单,重量轻,因此减速器的体积也需要尽可能小,因此在本设计中,采用电机自驱动减速器来降低电机本身的输出速度。我们查瑞士maxon直流无刷电机的产品手册,查到行走电机EC-4pole 30的配套减速器的具体规格如下表2.3;表2.3 行走电机减速器详细参数我们这里选择配套的减速器为行星轮减速器,型号为GP-42C,我们已知行走电机的输出轴直径为5mm,小于减速器最大允许电机轴径8mm,满足要求,并根据总传动比i=233,我们选择减速器的编号为203129,减速比为156:1,精确减速比为156。那么我们可以将总传动比i分别分配到行走电机减速器,齿轮减速器和链传动减速器上。可得:我们这里设计齿轮的传动比为1:1,也是说齿轮副两个啮合齿轮齿数相等,于是计算出链轮的传动比为1.5:1。齿轮减速器是步进电机与链条传动之间独立的封闭传动装置。通过减速、增大扭矩,满足实际工况的要求。减速器有多种类型,根据不同的传动方式可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星减速器;根据传动系列可分为单级和多级减速器。我们知道,在本设计中,减速器的减速比为1。一般来说,单级齿轮减速器传动比小于8-10,其优点是效率高、可靠性高、使用寿命长、维护简单。在这里,齿轮可以选择直齿、斜齿和人字齿。由于本设计中履带转动工作扭矩大,故本设计选用单级直齿轮作为减速器。3.1.1.3齿轮齿数的选择在设计中正齿轮传动中心距不变的情况下,增加齿数不仅可以提高齿轮啮合的接触程度,保证传动的稳定性,而且可以降低齿轮模数,降低齿高,减少切削量。为了提高变速器的稳定性,减少变速器在运行过程中的冲击振动,减少磨损失效。根据齿轮副的工作环境,齿数不同,闭式齿轮传动的速度一般较高。为了提高传动的稳定性,减少冲击振动,通常选用齿数较多的齿轮。小齿轮的齿数可以是z1=2040,而小齿轮的齿数通常选为开式齿轮传动。由于轮齿的磨损失效是主要因素,所以小齿轮的齿数通常不多。一般情况下,小齿轮齿数z1=17-20,为防止齿轮啮合时咬边,z1应大于17。在本设计中,齿轮副的工作环境封闭在减速器内,并且齿轮传动速度高,所以小齿轮齿数z1取30。主动齿轮齿数确定后,按传动比i=Z2/Z1可以计算出从动齿轮齿数Z2也为30。直齿圆柱齿轮传动的基本参数见表3-1所示:表 3-1名称主动齿轮从动齿轮齿数3030变位量系数00齿顶高系数11顶隙系数0.250.25刀具模数1.51.5刀具压力角2020齿宽873.1.1.4直齿圆柱齿轮静力及接触分析的理论计算对直齿圆柱齿轮分别进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的校核,确定斜齿轮副能否满足实际工况下的需求。直齿圆柱齿轮材质选用Q235A,齿轮表面做调质热处理,齿轮副的参数如表3-2所示。表3-2斜齿轮副参数齿 轮模数(m)齿数(z)转速(n)分度圆直径(mm)功率(p)主动齿轮1.530104r/min45200W从动齿轮1.530104r/min45(1)齿轮接触疲劳强度校核1)计算主动齿轮名义转矩T1=9.55106P1/n1=9.551030.2/104=18.36N.M取直齿轮材料接触疲劳极限应力。2)计算主动齿轮的的圆周力Ft=2T1/d1=218.36/0.045=816N3)许用接触疲劳强度计算主动齿轮应力循环次数:N1=60njLh=601041010250=1.56108从动齿轮应力循环次数:N2=60njLh=601041010250=1.56108取安全系数取 则许用接触疲劳强度为:4)直齿轮齿面接触疲劳强度校核:取齿宽系数 则齿宽为 b=dd1=0.645=27齿轮传动比 u=Z2/Z1=30/30=1齿轮重合度=1.88-3.2(1/z1+1/Z2)cos=1.566取重合度系数 节点区域系数 弹性系数 载荷系数 K=2.669直齿面接触疲劳强度校核:H=ZEZHZ(K Ft/bd1)*(u+1)/u0.5=189.82.50.95(2.669816/27/45)(1+1)/10.5=842.15MPa得到结果: (2)直齿轮弯曲疲劳强度校核1)确定载荷系数:取 动载荷系数 取齿间载荷分配系数 取 则2)确定齿形参数取从动齿轮齿形系数 应力修正系数 主动齿轮齿形系数 应力修正系数重合度系数3)确定直齿轮弯曲疲劳许用应力 斜齿轮弯曲疲劳许用应力为 根据齿轮材料取弯曲疲劳极限应为, 取弯曲疲劳强度计算的寿命系数:, 取应力修正系数 取弯曲疲劳强度安全系数 则弯曲疲劳许用应力:4)校核齿轮弯曲疲劳强度: 按主动齿轮校核齿轮弯曲疲劳强度:F2=kFtYFa2YSa2Y/bm=2.878162.751.60.95/3/48=67.98MPa经过上面对直齿轮副的强度校核计算得到以下结果:齿轮接触疲劳和弯曲疲劳强度为:H=ZEZHZ(K Ft/bd1)*(u+1)/u0.5=189.82.50.95(2.669816/27/45)(1+1)/10.5=842.15MPaF2=kFtYFa2YSa2Y/bm=2.878162.751.60.95/3/48=67.98MPa对疲劳强度进行比较:经过对比我们可以得到结论:直齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度都满足实际强度要求。3.1.1.6链传动的设计链条传动是一种缠绕式传动,通常由链条和链轮组成。它通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递动力。与齿轮传动相比,链条传动的制造和安装精度较低,成本较低。特别是在长距离传动中,这种结构比齿轮传动具有更多的优点。链条按用途可分为传动链、输送链和提升链。输送链和提升链通常用于重型运输机械和提升机械。在本设计中,我们选择了常用的传动链。传动链可分为滚子链和齿链。本设计采用传统的滚子链,通常用于低速传动系统,最大传动比为i=8。滚子链传动功率大时可采用双排或多排链条。多排链条的承载能力与排数成正比,但由于装配精度的限制,多排链条的载荷不易均匀分布,因此链条排数不宜过大。(1) 链轮设计与计算小链轮的齿数少一点可以减小链轮的外廓尺寸,但齿数过少时也会增加动力传递过程中的不均匀性和动态载荷;链条和链轮在啮合时链节间的相对转角增大使得链传动的圆周力增大,导致链传动整体的磨损。因此小链轮的齿数Z1也不宜过小,通常情况下链轮的最少齿数Zmin=9。一般Z116,对于高速传动或是承受较大冲击载荷的链传动Z1不少于25。同样小链轮的齿数Z1也不宜取得过大,在传动比一定时,Z1大,Z2也相应增大,会导致传动结构的总体尺寸增大,并且容易导致链条跳链和脱链的情况发生,也会影响链条的使用寿命。本设计中选定小链轮的齿数Z1=16,根据以上计算链轮的传动比为1.5:1,可得到:Z2=Z1i=161.5=24链轮节距P越大,承载能力越高。但P值越大,链轮的总尺寸就越大。反之,振动、冲击和噪声越严重。为了使整个链条传动结构紧凑,当转速高、功率大时,应尽量选用节距小的多排链条。本设计采用双列链轮传动。(2) 链传动的计算根据链传动的工作环境,小链轮齿数和链条排数,将链传动所传递的功率修正为当量的双排链的计算功率:式中:工况系数,查机械设计手册表9-6工况系数取1.0;小链轮齿数系数,查机械设计手册图9-13小链轮齿数系数取1.65;排链系数,双排链时取=1.75,三排链时取=2.5;传递的功率,KW。计算得到根据计算得到的排链的计算功率和小链轮的转速n1=104r/min由机械设计手册图9-11得到链条型号为25B,链轮的型号为25B,再根据机械设计手册表9-1确定链条的节距P=6.35mm。链条具体尺寸见图3.6;图3.6 链条具体尺寸图链条的链速V决定了链传动的润滑方式,链条平均链速查机械设计手册图9-14选择定期人工润滑的方式。(3) 链传动的张紧链条传动张力的目的是避免链条下垂过大时链条传动的啮合和振动不良,增加链条和链轮的啮合包络角。紧张有很多种方式。当小链轮与大链轮的中心距可调时,可通过调整中心距来控制链条的张紧度。但当中心距不可调时,只能通过增加张紧轮来实现链条的张紧。张紧轮可以是链轮或滚柱。设计张紧轮时,张紧轮的直径应尽可能接近小链轮的直径。本设计中小链轮的齿数为16,因此设计张紧链轮的齿数为11,型号为25B。3.1.1.7 传动主轴的设计与计算1)计算传动主轴的圆周力 Ft=2T2/d=227.591000/20=2759N计算轴的径向力Fr= Fttan20=27590.364=1004N2)选定传动主轴的材质且计算其最小直径 选定传动主轴的材料为45钢,表面做调质处理,硬度220250HRC 计算传动主轴的最小直径:传动主轴的第一个台阶用于安装履带组件,且第一段直径与履带轮上花键的孔径相配合,配合公差为H7/g6。公称转矩Tn /(Nm): 1000许用转速n /(r/min): 1000178000轴孔直径、/mm: 12轴孔长度|L /mm: 48容许偏心范围(mm): 0.020.2容许偏角(deg):1因此,取轴段1的直径d1=12mm,轴端1的长度L1=112.7mm。3)传动主轴的结构设计 a)按轴向定位要求轴的第一个台阶用于履带组件的轴向卡位,且设计台阶高度h=4(),因此轴的第二个台阶直径d2=20mm,根据传动主轴上安装履带组件的长度为138.8mm,因此取L2=138.8mm。b)齿轮在轴上安装时的定位方式齿轮和传动主轴之间通过A型平键链接,平键的尺寸为宽为5mm长度取12mmR=2.5c)确定传动主轴上圆角和倒角尺寸R=0.5,图标注所示轴端倒角取0.5454)传动主轴的强度校核对于6301型深沟球轴承,确定轴承的支点位置,取值为。Ft=2T2/d=22941000/20=29400N Fr= Fttan20=294000.364=10700N根据装配图所示高速轴轴承跨距以及和齿轮支点跨距如图所示水平面:RH2=476Ft604=218534 NRH2=476Ft604=218534 N弯矩MH=RH1AC=58765476=28106垂直面:同理得 RV1=21390 N RV2=616.3 N弯矩:Mv=Rv1AC=10106合成弯矩:M=MH2+MV2=280106NMM 扭矩:轴的弯矩校核公式:,式中, a-折合系数,取0.6; 选定轴的材料为45钢,轴表面做调质处理,硬度220250HRC查得45钢许用应力计算得到轴的应力大小为 ,因此本设计中的传动主轴满足实际使用要求。3.1.2机械手臂结构设计整个机械臂安装在被跟踪机器人的上部,通过机械臂的底座与车身骨架组件连接。机器人臂的结构包括:机器人臂、机器人臂、机器人臂、摄像头组件、机器人抓取等,机器人臂的功能是使被跟踪的机器人能够360度无死角地清除道路上的障碍物。通过摄像机组件,可以清楚地观察到道路环境中的实际情况。机器人在顶部的抓取可以完成一些基本的任务。功能捕获和清洁操作。3.1.2.1机械手臂转动电机的设计与选型在本设计中,机械臂旋转结构的旋转电机采用电机与螺杆一体化的标准产品,俗称电动缸。电动缸将伺服电机与螺杆结构相结合,将旋转运动转化为直线运动,同时将伺服电机的最佳优点:精确速度控制、精确旋转控制、精确扭矩控制转化为精确速度控制、精确位置控制和精确推力控制;从节省空间的角度来看,机械臂之间,如机械臂和机械臂之间,机械臂与机械臂之间的方向是平行的,因此气缸的安装方向与机械臂的安装方向是平行的。这意味着圆柱体的直线运动轴的方向与机械臂关节的中心轴的方向垂直。气缸的优点是:闭环伺服系统控制,直线运动精度可达0.01mm;可实现精确的推力控制,产品中可添加压力传感器,直线运动控制精度可达1%。与PLC等控制系统的连接非常方便、简单,易于实现高精度的运动控制。噪音低、节能、清洁、刚性高、抗冲击、寿命长、操作维护简单。气缸在恶劣环境下无故障,防护等级达到IP66。长期工作,实现高强度、高速度、高精度定位、运动平稳、低噪音。可广泛应用于造纸、化工、汽车、电子、机械自动化、焊接等行业。液压缸可以完全取代工业上的液压缸和液压缸,实现更环保、更节能、更清洁的优点,并与PLC等控制系统连接,实现高精度的运动控制。配置灵活:可提供非常灵活的安装配置,全系列安装部件:安装前法兰、后法兰、侧法兰、尾部铰链、耳轴安装、转向模块等,可与伺服电机直线安装或并联安装;可增加各种附件:限位开关。行星减速器,预紧螺母;驱动可选择交流制动功率;机床,直流电机,步进电机,伺服电机。本设计中采用德国FESTO品牌的电缸,型号为EPCO-25-300-3P-A-ST-E,马达类型为ST步进马达ST,产品型号为EPCO O系列,规格25,行程300mm,丝杆螺距3P3mm,测量单位为E编码器,位置感测为A用于接近式感测,直线运动的重复精度可以达到0.02mm。本设计中正是利用了电缸运动的高精度性能实现了整个机器手准确无误的抓取目标物。机器人关节电缸的三维图见图3.6所示:图3.6机器人关节电缸三维结构图3.1.2.2机械手臂转动结构的设计由于本设计的履带机器人适用于一些人不方便进入的小型场合,包括倒塌的建筑物、灾区、危险的灾区和倒塌的煤矿,因此我们以倒塌的建筑物为例,建筑物内最常见的攀爬障碍是楼梯。在此,本设计选择楼梯作为机械臂尺寸的设计参考。楼梯踏步的内部空间宽度为215mm,内部空间高度为200 mm。楼梯地面的总高度为2600毫米,总宽度为950毫米。因此,为了保证多功能履带机器人能自由穿越楼梯,设计的机械臂宽度不应超过950mm,展开长度不应超过2600mm。在本设计中,机器人臂总长为400 mm,机器人臂总长为400 mm,机器人臂总长为150 mm,机器人抓取总长为180 mm。因此,整个机器人手臂的总长度为1130 mm,小于2600 mm。多功能履带机器人总高度630mm,总长度825 mm,总宽度550 mm,小于楼梯内部空间。长、宽、高符合人体工程学要求。4 机器人静力学分析4.1 履带与地面摩擦阻力分析 以一条履带作为分析对象,将履带实际接地面速度瞬心为原点,建立如图3 所示的坐标系,取履带接地面一微元,则有微量摩擦力 (其中i=1、2,分别代表内、外侧履带) 作用,方向与该点绝对速度相反,有式中:为接地比压函数。图4-1 履带接地面受力图在X轴和Y轴方向的分量为:由此可得地面对履带的转向阻力 (绕履带速度瞬心O)为:其中i=1,2。当i=1时为内侧履带,此时的x、y的积分上下限分别为、。当i=2时为外侧履带,此时的x、y 的积分上下限分别为、。所以,履带接地面与履带间摩擦引起的总的转向阻力为:2.2 履带侧面推土阻力分析若忽略侧面刮起土堆的质量,履带侧面的受力如图4-2所示。其中,Q为下部土壤对楔形土的反作用力,为单位面积上的内聚力,W为单位面积土壤重量,为单位长度推土阻力,为板壁摩擦角,为破坏面角度,为土壤内摩角。图4-2 履带侧面受力图根据Bekker推荐的载荷沉陷量的关系可以推出式:式中: z为沉陷量,kc、k是土壤内聚及摩擦变形模量,n是变形指数。履带两侧任一单位长度上的推土阻力RB可从力的平衡式中得到:式中: s为土壤容重。由于MTi只是的函数,MTi的最小值对应着一定的值,在此值下,地面被破坏,故侧面推土阻力产生的转向阻力矩为:忽略履带内部摩擦阻力等因素,因此地面引起的总转向阻力矩M为:总结本次设计是对一个多节履带煤矿救援机器人进行设计,使其结构能够满足绝大多数实际使用要求。然后利用三维软件对其结构进行三维实体模型的建模处理,让他的结构可以进行直观表达出来。通过对本设计的结构进行分析设计,使其自由度能够符合实际应用,并对该设计的动力传递进行针对性设计。并对该产品的具体使用范围做了说明,对其重要部件传动结构进行设计,同时完成必要的校核,保证该设计使用的安全性和可靠性。本次设计完成对多节履带煤矿救援机器人的设计,让我更加深入的了解了多节履带煤矿救援机器人,通过整个设计过程,让我将所学的各种知识进行一个融合,进行综合使用的锻炼。同时设计需要绘制图纸,锻炼了我图纸设计和三维实体建模的水平。通过学习已让我看到国内外这方面设计的差距,让我有动力去提升自身素质,为祖国的机械制造业添砖加瓦。此次设计虽初步完成多节履带煤矿救援机器人整体设计方案,但是不足之处依然,像此机构的实际生产简单与否,工作运动合理与否都有待验证,设计精度也欠考虑,后续再有此类设计的人员,可进行完善,让此类设计更加能够符合实际的应用需求,提高质量,实现真正的中国制造、中国创造。参考文献1崔政斌 王明明 履带式机器人的选用手册第二版 化学工业出版社,20102毛恩荣 张红 宋正河 车辆人机工程学第2版 北京理工大学出版社,20073丁玉兰 人机工程学第三版 北京理工大学出版社,20104濮良贵 纪名刚 机械设计第八版 高等教育出版社,20105柴鹏飞 王晨光 机械设计课程设计指导书机械工业出版社,20096吴宗泽 罗圣国 机械设计课程设计手册第3版 高等教育出版社,20107刘朝儒 吴志军 高政一 机械制图第五版 高等教育出版社,20069高英武 高午 辛继红 汤兴初履带式机器人的研制 农机化研究 2002年11月第4期10贺光谊 唐之清画法几何及机械制图 重庆大学出版社,199411郑文纬 吴克坚机械原理第七版 高等教育出版社,200912 李科杰危险作业机器人发展战略研究J机器人技术及应用2003(5):14-2213 李东晓. 机器人技术在煤矿自动化中的应用 .煤炭科学技术.200714 钱善华 王勇等. 机器人研究的现状及煤矿搜救的应用. 机器人,2006(5).15 李克杰. 危险作业机器人发展研究.机器人技术与应用, 2003(5)16 段星光,李科杰. 小型轮履腿复合机器人设计及运动特性分析.机械工程学报,2005(8):108-113.17 朱华 葛世荣等. 煤矿搜救机器人应用探讨. 煤矿机械,200918 朱华. 机器人研究现状. 徐州工程学院学报,2007(6).19 张福学.机器人技术及其应用M.北京:电子工业出版社,2000. 609 - 610.20 林柏泉,常建华,翟成.我国煤矿安全现状及应当采取的对策分析J,中国安全科学学报, 2006(5):42-461.21 苏学成,樊炳辉,李贻斌等. 试论煤矿机器人的研究与开发J. 机器人,1995(3) .22 Y. Crausaz, B. Merminod, M. Wiesendanger, R. Siegwart, M.Lauria, R. Piguet, Vhicule pour terrain accident, European Patent Application No 00810054.7 (2000).23 Packbot, iRobot Corporation, Available from: .致谢毕业设计完成在即,感慨颇多。感谢学校为我提供优质资源,为我提供各种机会机遇,能够让我在这里提升进步。感谢各位老师的辛勤传授,为我解惑答疑,学到了许多知识。谢谢指导老师提供给我的指导和帮助,您展现出来他那种对待工作高度严谨认真的精神让我折服,也感谢机械制图、机械设计原理、人机工程学、机械设计、标准化工程、互换性与测量技术、三维建模、机械制造技术等学科的任课老师,各位老师提供给我基础课程的辅导,为我本次毕业设计的完成也起到了重要的作用,感谢各位老师的辛勤付出。在完成本次毕业设计的过程中,各位同学也对我支持和提供帮助,再次感谢大家。 本次毕业设计中,也暴露出一些问题,许多方面并没有根据设想完成,究其原因,还是自身能力不足,许多方面的知识储备不够,还有待补充,使得本次设计也留下了遗憾。值得肯定的是,本次设计启发了我固有的思维模式,动手实践能力得到了明显的提高,所学知识也得到了进一步的巩固,为今后学习工作也打下了基础。再次感谢各位大学老师的教导与帮助,您们是我人生路上的贵人,您们的倾囊相授让我终生受用,我会永远铭记恩情,谢谢您们!感谢母校!3
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