外文翻译--电力巡检机器人设计WORD+PDF【中英文文献译文】
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中文题目:电力巡检机器人设计外文题目:Electrical inspection robot design毕业设计(论文)共 62 页(其中:外文文献及译文17页) 图纸共4张 完成日期 2015年6月 答辩日期 2015年6月II摘要高压输电线路故障引发停电,给人民生活、工业企业和国家造成了巨大的经济损失。需要及时发现输电线路的隐患和缺陷,并进行修复,防患于未然,必须对输电线进行定期的巡检。巡检机器人是一种近距离巡检线路和修复缺陷的工具。针对巡检机器人作业任务需求和输电线路障碍环境特点,提出了一种新型双臂式巡检机器人机构,在串联关节型手臂机构中增加了并联柔索。建立了巡检机器人的静力学模型和运动学模型, 给出了机器人在线路上静止时力和力矩平衡方程,并仿真分析了典型越障过程中机器人手臂关节的受力状态。根据机器人受力状态的分析结果,计算出各个关节力矩及转速,选出适合的电机及减速器。根据实际需求进行了各个关节的传动系统设计。关键词:巡检机器人;双臂;柔索;越障AbstractThe huge economy loss is brought to the people, enterprise and nation for the power failure. The defections of power line should be found and repaired. The periodical check must be fulfilled in the power transmission line.The inspection robot is a kind of tool used to check and repair the power transmission line in the close distance. Based on the working task requirements of inspection robot and the characteristics of obstacles on high voltage transmission lines, a novel dual-arm inspection robot is designed by adding the parallel flexible cable into the series-joints arm. Established inspection robot statics model and kinematics model, robot is given on static force and moment balance equations .The joints stress states of the robotic arm in representative obstacle-crossing are analyzed by simulation.According to the analysis of the robot mechanical condition, calculate the various joint torque and rotational speed, choose the suitable motor and reducer. According to the actual demand for the various joints of the transmission system design. Keywords: inspection robot; dual-arm; flexible cable; obstacle-crossingI目录前言11 绪论21.1 研究的目的和意义21.2 国内外研究概况21.2.1 国外研究概况21.2.2 国内研究概况31.3 毕业设计主要工作42 巡检机器人机构设计52.1 机器人基本结构52.2 机器人坐标系及相关参数63 巡检机器人力学模型及各关节转矩求解83.1 夹爪受力分析83.2 行走轮在高压线上行走时受力分析93.2.1 机器人处于匀速爬坡状态下的受力分析93.2.2 机器人处于越障前调整质心阶段103.2.3 机器人处于下坡阶段的受力分析113.2.4 机器人处于越障后调整质心阶段123.3 巡检机器人越障阶段受力分析133.3.1 巡检机器人越障阶段划分133.3.2 巡检机器人越障各阶段力学模型143.3.3 机器人越障过程受力仿真分析164 夹爪和行走轮设计194.1 夹爪部分设计194.1.1 夹爪驱动电机选择194.1.2 夹爪部分齿轮设计204.2 行走轮部分设计224.2.1 行走轮驱动电机选取224.2.2 行走轮部分齿轮设计235 手臂部分设计255.1 水平回转关节设计255.1.1 水平回转关节电机选取255.1.2 水平回转关节齿轮设计265.2 腕关节设计275.2.1 腕关节电机选取275.2.2 腕关节齿轮设计285.3 肘关节设计295.3.1 肘关节电机选295.3.2 肘关节齿轮设计315.4 肩关节设计325.4.1 肩关节电机选取325.4.2 肩关节齿轮设计336 箱体部分设计346.1 滚筒部分设计346.1.1 滚筒驱动电机选取346.1.2 滚筒部分齿轮设计356.2 移动台部分设计376.2.1 移动台驱动电机选取376.2.2 移动台部分齿轮设计387 经济性分析418 结论42致谢43参考文献44附录A45附录B54辽宁工程技术大学毕业设计(论文)前言为保证远距离高压电力输电线路的安全稳定,需对线路进行定期的巡检作业。目前采用的巡检方式主要有人工巡检和直升机巡检两种。机器人作为一种新的巡检装备,具有运行费用低等优点,可弥补人工巡检工作效率低等不足,具有较好的市场应用前景。在巡检机器人研究方面,日本和加拿大较为成熟,近年分别推出了各自的新型巡检机器人系统,如加拿大的Linescout以及日本的Expliner。此外,2010年9月在加拿大召开了首届CARPI (Conference on Applied Robotics for the Power Industry),2012年在瑞士召开了第二届会议,该会议现已成为电力机器人领域最具代表性的国际会议。1 绪论1.1 研究的目的和意义我国长距离输送电力的主要方式为高压输电线路输电,输电线路在电力系统中起着极其重要的作用,是国家基础设施建设的“能源”,起着不可或缺的作用。由于输电线路长时间暴露在野外,经受着自然侵害,常常出现各种故障,所以需要对高压线路进行定期的巡检作业,然而当前主要的巡检方式依然通过人工巡检完成。由于人工巡检有其弊端,随着科技的快速发展,电力巡检机器人逐渐进入人们的视野,各大科研院所都在对其进行研究,电力部门迫切将其运用到实际的巡检工作中。1.2 国内外研究概况1.2.1 国外研究概况巡检机器人的研究工作在国外开展的较早,上世纪九十年代,日本东京电力公司Sawada等人开展了巡检机器人的研究工作。该公司研制的机器人可在高压线的地线上行走,如图1-1所示,其依靠导轨翻越输电线塔,如图1-2所示。 图1-1 在地线上行走 图1-2 在翻越铁塔Fig.1-1 Walk on the wire Fig.1-2In the crossing tower加拿大魁北克水电研究院的Serge Montambault等人在21世纪初就开始了LineScout巡检机器人的研制工作。该机器人为四臂结构,如图1-3 (a) 。跨越障碍物时,一侧夹爪夹住高压线,另一侧的夹爪平移过障碍物,如图1-3 (b)所示。非轮两臂上可安装检修装置,如图1-3 (c)所示。非轮侧两臂的另一端可安装检修装置,如图1-3 (d)所示。 (a)机器人停在导线上 (b)机器人在翻越悬垂线夹 (a)Robot park on the wire (b)Robot in crossing hanging clip (c)机器人在安装铜夹子 (d)机器人在紧固防振锤的螺丝(c)Robots in installing copper clamp (d)The robot tighten screw vibration hammer图1-3 加拿大魁北克水电研究院的LineScout巡检机器人Fig.1-3 Of the inspection robot LineScout hydropower institute in Quebec, Canada1.2.2 国内研究概况国内关于电力巡检机器人研究起步较晚,上世纪末,山东大学、沈阳自动化研究所开展了电力巡检机器人的项目研究。武汉大学设计了具有越障功能的摆臂式机器人,如图1-4(a)所示。在一侧手臂的行走轮旁加装了破冰装置,如图1-4(b)所示,采用光伏电池板供电,如图1-4 (c)所示。 (a)机器人样机 (b)机器人在进行破冰 (c)机器人在地线上行走(a)The robot prototype (b)Robots for cleaning the ice (c)The robot walk on the wire图1-4 武汉大学巡检机器人Fig.1-4 Wuhan University,inspection robot沈阳自动化所开发了三臂轮式、两臂回旋式结构的巡检机器人,如图1-5所示。三臂机器人的特点是运行平稳,可跨越较大的障碍物。两臂机器人结构简单灵活性较好。 (a) 三臂轮式机器人 (b)两臂回旋式机器人(a)Three wheeled robot arm (b)Two arms swing type robot图1-5 中国科学院自动化所的巡检机器人Fig.1-5 Institute of Automation of the inspection robot1.3 毕业设计主要工作首先对电力巡检机器人机构进行设计,进而确定机器人的基本结构,分阶段对各关节受力情况建立数学模型进行分析,并结合MATLAB进行越障仿真,分析得出各关节扭矩大小,根据电机样本进行电机选取工作,最后对机器人各关节齿轮进行设计。2 巡检机器人机构设计我国地域辽阔,地形复杂,高压输电线路杆体高度差较大、线路坡度陡,线路巡检的实际需求要求机器人不但具有更强的越障能力,还要具有大角度线路爬坡的能力。当前国内外研究的巡检机器人结构基本分为两种2-7,一是双臂机器人2-5,二是三臂机器人6-8。双臂机器人在越障阶段要求以单臂悬挂,两只手臂相互交替跨越障碍物,单臂悬挂状态的存在导致机器人的手臂需要承担机器人的整体重量,这使机器人手臂设计产生很大难度。三臂机器人在越障阶段要求两臂支撑,从而具有良好的稳定性,但此类机器人结构较为复杂、回转性能较差。本文所研究的是一种新型双臂式巡检机器人,借鉴人类手臂攀爬越障原理,采用仿人双臂结构,并在手臂的腕关节和箱体间加入了一条柔索。2.1 机器人基本结构此种安装柔索的新型双臂式巡检机器人,由于采用了仿人双臂结构,使机器人的越障能力得到了很大的提升。在机器人手臂的腕关节和箱体之间加入柔索,构成了回转关节和柔索并联的复合结构,这种复合结构能够显著地减小手臂各关节的转矩,此种巡检机器人的结构形式如图2-1所示。机器人每只手臂包括四个关节,分别为水平回转关节、肘关节、腕关节和肩关节,以及一条用于连接腕关节和箱体的柔索。在机器人越障过程中,依靠手臂的肘关节、腕关节和肩关节来调节行走轮的位置;依靠水平回转关节来调节箱体和行走轮的姿态;机器人的整体重量主要由腕关节和箱体之间的柔索承担;驱动滚筒可以沿箱体移动,达到调节柔索位置和长度的作用。图2-1 带柔索双臂式巡检机器人模型Fig.2-1 With a flexible arms patrol robot model2.2 机器人坐标系及相关参数为了实现机器人的越障功能,需要根据高压输电线路障碍物的类型和尺寸,确定机器人各部分的尺寸参数;为了便于进行机器人的受力分析,需要确定各关节的坐标系以及各关节的运动参数。巡检机器人的尺寸参数、运动参数如图2-2所示。图2-2 机器人参数Fig.2-2 The robot parameters图2-2中标注的各参数含义如下:O1、O2、O3、O4和O1、O2、O3、O4为机器人双臂各关节的位置;A、B、C、D和A、B、C、D为机器人双臂各部分的质心;D0为机器人肩关节与柔索驱动滚筒间的最小距离;l1、l2、l3分别为机器人双臂各段的长度;H1为机器人腕关节相对于肩关节的高度;l0为机器人箱体长度的一半;H0为机器人肩关节的高度;d、d为机器人越障过程中左、右臂驱动滚筒移动距离;1、2、3、4和1、2、3、4为机器人越障过程中左、右臂各关节的转角。此外,机器人各部分的质量为:M0机器人箱体质量;M1机器人左臂质量;M2机器人右臂质量:M3机器人轮臂质量;M4机器人柔索驱动滚筒质量。机器人各部分的尺寸和重量见表2-1。表2-1 机器人各部分尺寸及重量Tab.2-1 The robot size and weight of each part尺寸(mm)30030030024025030050重量(kg)1511213 巡检机器人力学模型及各关节转矩求解3.1 夹爪受力分析输电线路与水平方向夹角呈50度时,新型双臂巡检机器人在巡检过程中遇到障碍物时,依靠质心调节装置,使机器的质量集中在一只手臂上,另一只手臂伸出进行障碍物跨越,此时会出现机器人单臂挂线的情况。由于驱动轮的滚动摩阻非常小,机器人主要依靠夹抓提供的夹紧力,使机器人在高压线上稳定停住,保证越障过程中的安全。在夹爪上覆盖一层橡胶材料,从而增大夹爪与高压线间的摩擦力。由于机器人的质心始终与高压线在竖直平面内,计算时可以不计沿高压线轴向的转动以及其它次要因素。机器人单臂挂线时的受力分析如图3-1所示。图3-1 单臂挂线时的受力分析Fig.3-1 Single arm hanging line of force analysis图3-1中, FF为手爪承受的机器人的整体重力, NB为驱动轮与高压线之间的正压力, FB为夹爪的夹紧力, fB为夹爪与高压线之间的摩擦力。由静平衡方程,得&fB=FB&2fBmgsin取机器人质量m=50kg,爬坡角度=50,夹爪与高压线接触的摩擦系数=0.6,代入数据FBmgsin2=319.3N单臂的加紧装置由两个夹抓组成,即每只夹抓至少要提供159.67N的夹紧力。夹抓的受力分析如图3-2所示图3-2 夹爪受力分析Fig.3-2 Grip force analysis取L=30mm,=60,则单个夹抓需要输出的扭矩为T=FBL2sin=319.3302sin60=5530.4mNm3.2 行走轮在高压线上行走时受力分析机器人在高压线上行走时,依靠安装在夹爪部分上的行走驱动电机的正反转来驱使行走轮的前进和后退,根据巡检机器人在高压线上的巡检及越障过程,选取几个主要环节,来求解机器人工作时驱动轮所需要的扭矩。3.2.1 机器人处于匀速爬坡状态下的受力分析图3-3机器人上坡路段匀速行走Fig.3-3 The robot walking uphill road at a constant speed图3-4 机器人爬坡时的受力分析Fig.3-4 Force analysis when robot climbing图3-4中,FF、FB分别为前后行走轮所承受的机器人的重力,NF、NB为高压线对前后轮的正压力,fFs、fBs为高压线对前后驱动轮的摩擦力,MFs、MBs为高压线对前后臂驱动轮的滚动摩阻力偶,MF、MB为前后臂驱动电机的驱动扭矩。机器人在进行巡检作业时,由于速度不大,而且行走轮质量相比于机器人质量比较小,因此可以忽略由于速度引起的阻尼力以及行走轮的惯性力。机器人该状态的运动模型如下: &NF=FFcos&NB=FBcos&MFs=NF&MBs=NB&fFs=FFsin&fBs=FBsin&MF-MFs-fFsr=0&MB-MBs-fBsr=0(3-1)求解上式,得到前后轮的驱动力矩为:MF=FFrsin+cosMB=FBrsin+cos(3-2)此处,取机器人的质量为50kg,令FF=FB=250N,高压线与水平面的夹角取=50,滚动摩阻系数取=0.8,驱动轮与高压线的接触半径取r=25mm,带入上式,计算得到MF=MB=4916mNm3.2.2 机器人处于越障前调整质心阶段机器人在越障之前,需要左臂调整质心,使机器人的质心移动到左手臂下,随着行走轮和滚筒的右移,左臂逐渐承担了机器人除右臂轮爪关节外的全部重量。图3-5 机器人调节质心Fig.3-5 The robot adjust the center of mass此时机器人运动学模型同公式3-1和3-2,左手臂的受力状态同图3-4,随着质心的调节,左手臂逐渐承受了机器人的全部重量,因此,计算时取FF=0N,FB=500N,其他同上一阶段,求解得MF=0mNm,MB=9832mNm3.2.3 机器人处于下坡阶段的受力分析图3-6 机器人下坡路段匀速行走Fig.3-6 The robot walking downhill at a constant speed机器人处于下坡路阶段匀速行走时,依靠夹爪驱动轮提供制动转矩,受力分析如下图图3-7 机器人下坡时的受力分析Fig.3-7 Force analysis when robot go downhill图中的参数同第一阶段,由图3-7,建立机器人下坡时的运动模型,&NF=FFcos&NB=FBcos&MFs=NF&MBs=NB&fFs=FFsin&fBs=FBsin&MF+MFs-fFsr=0&MB+MBs-fBsr=0(3-3)由上式得到,MF=FFrsin-cosMB=FBrsin-cos(3-4)代入第一阶段中的变量取值,求得,MF=MB=4916mNm3.2.4 机器人处于越障后调整质心阶段图3-8 机器人越障后调整质心Fig.3-8 The robot adjust the center of mass after obstacle-navigation机器人双臂都越过障碍后,质心仍在右臂下,需要使右臂的行走轮和滚筒向右移动,逐渐将质心调整到双臂之间,机器人的姿态也调整到越障前。这一阶段机器人手臂的受力状态同图3-7,运动学模型同公式3-3和公式3-4,质心调节的前期,右臂承担了机器人的全部重量,因此,计算时取FF=500N,FB=0N,其它参数变量同第三阶段,代入公式求解得MF=9318mNm,MB=0mNm通过对机器人四个过程的静力学分析,并相互比较得出,机器人在高压线上行走时驱动电机所需提供的转矩至少为9832mNm。3.3 巡检机器人越障阶段受力分析3.3.1 巡检机器人越障阶段划分巡检机器人采用的是仿人双臂结构,越障过程较为灵活,当其跨越不同尺寸的障碍物时,越障过程虽有不同,但双臂各关节和柔索的受力状态基本相同,现以巡检机器人跨越较小的障碍物为例,其越障程如图3-9所示。根据图3-9所示的巡检机器人越障过程,可将其越障过程划分为以下几个主要阶段:第一阶段:机器人正常行走姿态如图3-9(a)所示,当机器人遇到障碍物时,其右臂行走轮锁紧,左臂行走轮与左臂柔索的驱动滚筒一起向右移动,使机器人质心逐渐调整到左臂行走轮下方,如图3-9(b)。第二阶段:当机器人将质心调整到左臂行走轮下方后,其右臂抬起、进行伸出跨越障碍物动作,并依靠调整左臂柔索的驱动滚筒位置,尽可能使机器人的质心位于其左臂行走轮的下方,如图3-9(c)所示。第三阶段:当其右臂越过障碍物并挂线后,右臂行走轮锁紧,使左臂柔索驱动滚筒左移,将机器人质心调整到双臂对称线位置,如图3-9(d)所示。第四阶段:其右臂柔索驱动滚筒左移,将机器人的质心调整到右臂行走轮的下方,如图3-9(e)所示。第五阶段:机器人左臂行走轮松开,其左臂抬起、进行收回跨越障碍物动作,并调整右臂柔索驱动滚筒位置,使机器人的质心始终位于右臂行走轮的下方,如图3-9(f)所示。第六阶段:左臂行走轮越障后锁紧,右臂行走轮及右臂柔索驱动滚筒右移,将调整机器人质心至双臂对称线位置,如图3-9(a)所示,完成整个越障过程。图3-9 机器人越障过程Fig.3-9 Robot obstacle-navigation process3.3.2 巡检机器人越障各阶段力学模型由图3-9所示的巡检机器人越障过程可得出,因为在机器人手臂的腕关节与箱体之间安装了柔索,机器人在调整质心的过程中,机器人的重量主要由柔索承受,各关节所承受的转矩可大幅减小。此外,巡检机器人在正常的行走过程中,机器人的全部重量由柔索承担,手臂上的各关节可处于松弛状态。下面详细分析在机器人越障的各个阶段,双臂各关节以及柔索的受力情况。(1)第一阶段力学模型机器人从图3-9(a)的状态移动至图3-9(b)的状态过程中,机器人的质心始终位于左、右两臂柔索之间,机器人的重量由左、右两臂柔索拉力共同承担,机器人左、右两臂各关节转矩均为零,因此手臂各关节及柔索的受力方程为:&Fs+Fs=G&Fs2l0-2D0-d=Gl0+xm-D0+d&T1=T2=T3=0&T1=T2=T3=0(3-5)式中:xm为机器人的质心位置G为机器人的重量Fs、Fs分别为左、右臂的柔索拉力T1、T2、T3分别为左臂肩关节、肘关节和腕关节的转矩T1、T2、T3分别为右臂肩关节、肘关节和腕关节的转矩(2)第二阶段力学模型机器人从图3-9(b)的状态移动到图3-9(c)的状态过程中,机器人为保持平衡,机器人的质心位于左臂行走轮下方,左臂腕关节转矩配合左臂柔索拉力共同平衡机器人的重量,而右臂柔索处于松驰状态,拉力为零,左臂肩关节和肘关节转矩都为零。右臂在越障的过程中,右臂的各关节处都产生转矩,各关节转矩达到最大时是在右臂越过障碍后行走轮将要挂线的时候。根据机器人的整体结构参数和越障状态,列出手臂各关节及柔索的受力方程为:&Fs=G+T3D0+d&Fs=0&T1=0&T2=0&T3=Gl0+xm-D0+d&T1=M3gl1cos1+l2cos1+2+l32cos1+2-3+& M2gl1cos1+l22cos1+2+M1gl12cos1&T2=M3gl2cos1+2+l32cos1+2-3+& M2gl22cos1+2&T3=M3gl32cos1+2-3& (3-6)(3)第三阶段力学模型机器人从图3-9(c)的状态移动到图3-9(d)的状态的过程中,机器人的质心处于左、右两臂柔索之间,机器人的重量全部由左、右两臂柔索拉力承担,因此机器人左、右两臂各关节处于松弛状态,与第一阶段所不;一样的是左、右两臂柔索都为倾斜方向,水平方向受力处于平衡状态,手臂各关节及柔索的受力方程为:&Fscos4=Fscos4&Fssin4+Fssin4=G&T1=T2=T3=0&T1=T2=T3=0(3-7)(4)第四阶段力学模型机器人从图3-9(d)的状态移动到图3-9(e)的状态的过程,与第三阶段状态运动对称,所以手臂受力情况与第三阶段对称。机器人的整体重量由左、右两臂柔索拉力共同承担,左、右两臂各关节转矩均为零,在第三阶段机器人重量主要由左臂柔索承担,而在第四阶段机器人重量主要由右臂柔索承担,手臂各关节及柔索的受力方程为:&Fscos4=Fscos4&Fssin4+Fssin4=G&T1=T2=T3=0&T1=T2=T3=0(3-8)(5)第五阶段力学模型机器人从图3-9(e)的状态移动到图3-9(f)的状态的过程,与第2阶段运动对称,机器人的质心尽可能处于右臂行走轮下方,为使机器人保持平衡,右臂腕关节转矩配合右臂柔索拉力共同平衡机器人的重量,而左臂柔索处于松驰状态,其拉力为零,右臂肘关节和肩关节转矩都为零。左臂在进行收回越障的过程中,各关节转矩在左臂行走轮刚离线时达到最大。根据机器人的整体结构参数和越障状态,列出手臂各关节及柔索的受力方程为:&Fs=0&Fs=G+T3D0+d&T1=M3gl1cos1+l2cos1-2+l32cos1-2+3+M2gl1cos1+l22cos1-2+M1gl12cos1&T2=M3gl2cos1-2+l32cos1-2+3M2gl22cos1-2&T3=M3gl32cos1-2+3&T1=0&T2=0&T3=Gl0-D0-xm-d&(3-9)(6)第六阶段力学模型机器人从图3-9(f)所示状态移动到图3-9(a)所示状态过程,与第一阶段运动对称,机器人的质心位于左、右两臂柔索之间,机器人的重量由左、右两臂柔索拉力共同承担,左、右两臂的腕关节、肘关节和肩关节转矩都为零,手臂各关节及柔索的受力方程为:&Fs+Fs=G&Fs2l0-2D0-d=Gl0-D0-xm-d&T1=T2=T3=0&T1=T2=T3=0(3-10)3.3.3 机器人越障过程受力仿真分析设定机器人的一次越障循环时间是320s,其中第一阶段时间为60s、第二阶段时间为40s、第三阶段时间为60s、第四阶段时间为60s、第五阶段时间为40s、第六阶段时间为60s。依据式3-5至式3-10的受力方程和表2-1机器人的尺寸参数及质量,以时间t为变量,运用Matlab进行机器人的仿真越障,可知左右臂柔索拉力曲线和各关节转矩曲线如图3-10所示。左臂柔索拉力曲线右臂柔索拉力曲线左臂肘关节转矩曲线左臂腕关节转矩曲线左臂肩关节转矩曲线右臂肩关节转矩曲线右臂肘关节转矩曲线右臂腕关节转矩曲线图3-10 机器人越障仿真曲线Fig.3-10 Robot obstacle-navigation simulation curve由图3-10所示的机器人越障过程受力仿真曲线可得:Fs+Fs=G(1)机器人在线上行走阶段,机器人整体重量由左右两臂柔索共同承担,此时左右两柔索拉力相等且为100N,在机器人第一阶段越障时,随着左臂柔索驱动滚筒和行走轮向右移动,左臂柔索所受拉力Fs慢慢变大,而右臂柔索所受拉力Fs慢慢变小。当机器人的质心移动至左臂行走轮下方时,左臂柔索所受拉力Fs变大到200N,从而承受机器人的整体重量,而右臂柔索所受拉力Fs逐渐变小到0N,此时右臂准备进行越障阶段。此阶段左、右两臂的肩关节、肘关节和腕关节的转矩T1、T2、T3和T1、T2、T3都为0Nm。(2)在机器人越障的第二个阶段,机器人伸出右臂进行跨障,此时肩关节、肘关节和腕关节的转矩T1、T2、T3从0Nm慢慢变至最大,随着机器人右臂行走轮越障挂线后,T1、T2、T3慢慢变至0Nm,此时肩关节扭矩T1,肘关节扭矩T2,肩关节扭矩T3变化范围分别为016Nm,-77Nm,02Nm。当机器人伸出右臂时,机器人的整体重量由其左臂柔索承担,柔索拉力Fs为225N,此时右臂处于松弛状态,右臂柔索拉力Fs为0N。由于机器人在运动过程中质心在不断变化,为保持机器人的平衡,在不断调节左臂柔索位置的同时,左臂腕关节施加转矩T3来配合左臂柔索拉力Fs。这一过程,左臂柔索拉力Fs和左臂腕关节T3出现波动,变化范围分别是222.5225N,01Nm。此阶段左臂肩关节和肘关节都为放松状态,其转矩T1和T2都为0Nm。(3)在机器人越障的第三个阶段,机器人的整体重量由左臂柔索单独承担逐渐变化为左右两臂柔索共同承担,左臂柔索驱动滚筒向左移动,机器人的质心也随之左移,左臂柔索受力Fs慢慢变小,右臂柔索受力Fs慢慢变大。随着左臂柔索驱动滚筒回到原来位置,机器人的质心也逐渐移动到两臂的对称位置,此时两臂柔索拉力相等,Fs=Fs=105N。此阶段两臂柔索处于倾斜状态,使得两臂柔索拉力之和稍微大于机器人整体重量。此时,机器人的重量由左右臂柔索承担,使得左右臂的肩关节、肘关节和腕关节转矩T1、T2、T3和T1、T2、T3都为0Nm。(4)在机器人越障的第四阶段,随着右臂柔索滚筒向左移动,机器人的整体重量逐渐由左右臂的柔索承受,机器人的质心向右移动,左臂柔索受力从105N变小为0N,右臂受力由105N变大为200N。左右臂的肩关节、肘关节和腕关节转矩都为0Nm。(5)在机器人越障的第五阶段,其左臂收回跨障,其肩关节、肘关节和腕关节转矩T1、T2、T3从0Nm慢慢变到最大,行走轮脱线;左臂行走轮越障挂线后,T1、T2、T3慢慢变小到0Nm,肩关节、肘关节、腕关节的变化范围分别是016Nm、-77Nm、02Nm。此时左臂柔索处于松驰状态,左臂柔索拉力Fs为0N,机器人的整体重量由其右臂柔索承担,Fs为225N。由于机器人在运动过程中质心在不断变化,为保持机器人的平衡,在不断调节右臂柔索位置的同时,右臂腕关节施加转矩T3来配合右臂柔索拉力Fs。这一过程,右臂柔索拉力Fs和右臂腕关节T3出现波动,变化范围分别是222.5225N,01Nm。此阶段右臂肩关节和肘关节都为放松状态,其转矩T1和T2都为0Nm。(6)在机器人越障的第六阶段,机器人的整体重量由右臂柔索承受,机器人的质心位于右臂行走轮下方,右臂柔索驱动滚筒向右移动,机器人慢慢恢复到最初始正常行走状态,右臂柔索承受的拉力Fs从200N慢慢变小到100N,左臂柔索承受拉力Fs从0N慢慢变大到100N。机器人的整体重量由左右臂柔索承受,所以左右臂肩关节,肘关节,腕关节转矩T1、T2、T3和T1、T2、T3都为0Nm。从六个阶段的仿真结果可知,机器人越障过程中,行走轮脱线,挂线都有发生,致使机器人的重量发生变化。在越障过程中,机器人的整体重量主要由左右臂的柔索承受,柔索拉力变化较为平稳,柔索最大拉力约为225N,左右臂的肩关节、肘关节、肩关节主要承受手臂伸展时自身的重量,转矩都较小,肩关节最大转矩约为16Nm、肘关节最大转矩约为7Nm、腕关节最大转矩约为2Nm。4 夹爪和行走轮设计4.1 夹爪部分设计4.1.1 夹爪驱动电机选择设定设夹抓的开闭速度为15/s则计算得夹抓的转速n1=2=1560360=2.5r/min则夹爪所需有效功率为9-10pw=n1M9.55=2.55530.410-39.55=1.45W传动装置总效率=123445 其中 齿轮传动效率1=0.96 电机效率2=0.8 滑动轴承效率3=0.97 蜗轮蜗杆效率4=0.75 电机减速器效率5=0.7则传动总效率=0.960.80.9740.750.7=0.357所需电机功率pr=pw=41.450.357=16.24W查询faulhaber电机产品样本可选取faulhaber的2642-012CXR直流微电机,满载转速n=6000r/min,额定功率22.1W,最大功效2=0.76,额定转矩M2=28mNm总传动比i=i1i2i3=nn1=60002.5=2400式中i1齿轮传动比 i2蜗轮蜗杆传动比 i3电机减速箱传动比选取行星减速箱26/1系列,减速比选取i3=66:1,减速器效率5=0.7,含电机长度86.4mm,电机直径24mm蜗轮头数为2,即Z1=2 拟定i2=20i1=ii2i3=24002066=1.81取i1=i4i5=1811=187711校核电机电机所需提供扭矩M1M1=M123445i代入数据得M1=45530.40.960.760.9740.750.72400=27.18mNmM1M24.1.2 夹爪部分齿轮设计(1)圆柱齿轮设计已设定a1=25mm i4=18/7求齿轮模数m19-12m1=0.0070.02a=0.1750.5mm取m1=0.5mm则齿数Z1=2a1m1i4+1=2250.518/7+1=28Z2=i4Z1=18728=72齿轮分度圆直径d1=m1Z1=0.528=14mmd2=m1Z2=0.572=36mm齿轮齿顶圆直径da1=d1+2ha*m1=14+210.5=15mmda2=d2+2ha*m1=36+210.5=37mm齿轮齿根圆直径df1=d1-2ha*+c*m1=14-21.0+0.250.5=12.75mmdf2=d2-2ha*+c*m1=36-21.0+0.250.5=34.75mm齿宽取b1=8mm b2=7.6mm(2)夹爪部分蜗轮蜗杆设计已设定蜗杆分度圆 d3=8mm 传动比i2=20取 Z3=2 m2=0.5mm 则Z4=i2Z3=202=40 蜗杆齿顶圆直径da3=d3+2ha*m2=8+210.5=9mm蜗轮齿根圆直径df3=d3-2ha*m2+c=8-21.00.5+0.1=6.8mm蜗杆顶隙 c=c*m2=0.1mm c*=0.2蜗轮分度圆直径d4=m2Z4=0.540=20mm蜗轮喉圆直径da4=d4+2ha4=20+20.5=21mm蜗轮齿根圆直径df4=d4-2hf4=20-20.6=18.8mm蜗轮齿顶高ha4=m2ha*+x2=0.51+0=0.5mm蜗轮齿根高hf4=m2ha*-x2+c*=0.51-0+0.2=0.6mm蜗轮齿宽b40.7da3=6.3mm取b4=6mm齿顶圆弧面半径ra=d32-m2=4-0.5=3.5mm齿顶圆弧面半径rf=d32+1.2m2=4+1.20.5=4.6mm蜗轮外径DHZ3=2时 DHda4+1.5m2=21+1.50.5=21.75mm取DH=21.75mm 蜗杆螺纹部分长度L11+0.06Z4m2=11+0.06400.5=6.7mm取L=15mm蜗轮蜗杆中心距a2=d3+d42=14mm4.2 行走轮部分设计4.2.1 行走轮驱动电机选取与高压线相接触的行走轮d=50mm,行走速度v=0.175m/s则行走轮转速n1=vd=0.17510350=1.12r/s机器人在线行走时驱动电机所需提供的转矩至少为M=9832mNm行走轮所需有效功率为pw=n1M9.55=1.1260983210-39.55=69.2W传动装置总效率=1234 其中 齿轮传动效率1=0.96 电机效率2=0.8 滑动轴承效率3=0.94 电机减速箱效率4=0.7则传动总效率=0.960.80.940.7=0.504所需电机功率pr=pw=69.20.504=137.3W查询faulhaber电机产品样本可选取faulhaber的3890-036CR直流微电机,满载转速n=5350r/min,额定功率401W,最大功效2=0.87,额定转矩M2=224mNm总传动比i=i1i2=nn1=53501.1260=78.9式中i1齿轮传动比 i2电机减速箱传动比选取行星减速箱38A系列,减速比选取i2=20:1,减速箱效率4=0.94,含电机长度90.0mm,电机直径38mm则i1=ii2=78.920=3.95 取i1=4校核电机电机所需提供扭矩M1M1=M1234i=98320.960.870.940.9478.9=168.9mNmM1M24.2.2 行走轮部分齿轮设计已设定a=22.5mm i1=4求齿轮模数mm=0.0070.02a=0.15750.45mm取m=0.5mm则齿数Z1=2ami1-1=222.50.54-1=30Z2=i1Z1=430=120齿轮分度圆直径d1=mZ1=0.530=15mmd2=mZ2=0.5120=60mm齿轮齿顶圆直径da1=d1+2ha*m=15+210.5=16mmda2=d2-2ha*m=60-210.5=59mm齿轮齿根圆直径df1=d1-2ha*+c*m=15-21.0+0.250.5=13.75mmdf2=d2+2ha*+c*m=60+21.0+0.250.5=61.25mm齿宽取b1=10mm b2=10mm5 手臂部分设计5.1 水平回转关节设计5.1.1 水平回转关节电机选取设定回转角速度=2s则回转关节转速为n1=2602=13r/min回转关节所需力矩为圆锥滚子轴承摩擦力矩Mf=d2F式中 Mf-摩擦力矩mNm-摩擦系数0.002-0.005 取=0.003 d-轴承内径 F-外载荷 即Mf=d2F=d2G=0.003172 200=5.1mNm回转关节所需功率为pw=nMf9.55=1/35.110-39.55=1.710-4W传动装置总效率=12324 其中 齿轮传动效率1=0.96 电机效率2=0.8 滚动轴承效率3=0.95 电机减速箱效率4=0.7则传动总效率=0.960.80.9520.7=0.485所需电机功率pr=pw=1.710-40.485=3.5110-4W查询faulhaber电机产品样本可选取faulhaber的1624-003S直流微电机,满载转速n=10000r/min,额定功率1.36W,最大功效2=0.78,额定转矩M2=1.5mNm选取行星减速箱15A系列,减速比选取i=10486:1,减速箱效率4=0.49,含电机长度55.9mm,电机直径16mm。则电机输出端转速n2=ni=1000010486=0.953r/min取n2=1r/min根据n1=2d1n22d1=13r/min得d1d2=13 得齿轮传动比i1=3校核电机电机所需提供扭矩M1M1=Mf12324i代入数据得M1=5.10.960.780.9520.4910486=1.410-3mNmM1M25.1.2 水平回转关节齿轮设计已设定a=40 i1=3求齿轮模数mm=0.0070.02a=0.280.8取m=0.5则齿数Z1=2ami1+1=2400.53+1=40Z2=i1Z1=340=120齿轮分度圆直径d1=mZ1=0.540=20d2=mZ2=0.5120=60齿轮齿顶圆直径da1=d1+2ha*m=20+210.5=21da2=d2+2ha*m=60+210.5=61齿轮齿根圆直径df1=d1-2ha*+c*m=20-21.0+0.250.5=18.75df2=d2-2ha*+c*m=60-21.0+0.250.5=58.75齿宽取b1=10 b2=125.2 腕关节设计5.2.1 腕关节电机选取设定腕关节驱动齿轮40s转过40则其角速度=4040s=1/s 腕关节驱动齿轮转速为n1=1602=16r/min腕关节驱动齿轮所需有效功率为pw=n1M9.55=1/629.55=0.0349W传动装置总效率=122334 其中 齿轮传动效率1=0.96 电机效率2=0.8 滚动轴承效率3=0.95 电机减速箱效率4=0.7则传动总效率=0.9620.80.9530.7=0.466所需电机功率pr=pw=0.03490.466=0.075W查询faulhaber电机产品样本可选取faulhaber的1624-006S直流微电机,满载转速n=10000r/min,额定功率0.93W,最大功效2=0.71,额定转矩M2=1.5mNm总传动比i=i1i2=nn1=100001/6=60000式中i1齿轮传动比 i2电机减速箱传动比选取行星减速箱15A系列,减速比选取i2=23014:1,减速箱效率4=0.49,含电机长度55.9mm,电机直径16mm则i1=ii2=6000023014=2.6 取i1=2.5确定i1=32i2=53校核电机电机所需提供扭矩M1M1=M122334i代入数据得M1=21030.9620.710.9530.4960000=0.12mNmM1M25.2.2 腕关节齿轮设计已设定a1=25mm i1=3/2 a2=40mm i2=53求齿轮模数mm1=0.0070.02a1=0.1750.5mmm2=0.0070.02a2=0.280.8mm取m=0.5mm则齿数Z1=2a1mi1+1=2250.532+1=40Z2=i1Z1=3240=60Z3=i2Z2=5360=100齿轮分度圆直径d1=mZ1=0.540=20mmd2=mZ2=0.560=30mmd3=mZ3=0.5100=50mm齿轮齿顶圆直径da1=d1+2ha*m=20+210.5=21mmda2=d2+2ha*m=30+210.5=31mmda3=d3+2ha*m=50+210.5=51mm齿轮齿根圆直径df1=d1-2ha*+c*m=20-21.0+0.250.5=18.75mmdf2=d2-2ha*+c*m=30-21.0+0.250.5=28.75mmdf3=d3-2ha*+c*m=50-21.0+0.250.5=48.75mm齿宽取b1=10mm b2=13mm b3=10mm5.3 肘关节设计5.3.1 肘关节电机选取设定肘关节驱动齿轮40s转过90则其角速度为=9040s=49/s 肘关节驱动齿轮转速为n1=4/9602=38r/min肘关节驱动齿轮所需有效功率为pw=n1M9.55=3/879.55=0.275W传动装置总效率=122334 其中 齿轮传动效率1=0.96 电机效率2=0.8 滚动轴承效率3=0.95 电机减速箱效率4=0.7则传动总效率=0.9620.80.9530.7=0.466所需电机功率pr=pw=0.2750.466=0.59W查询faulhaber电机产品样本可选取faulhaber的1524-006SR直流微电机,满载转速n=10000r/min,额定功率1.70W,最大功效2=0.77,额定转矩M2=2.5mNm 总传动比i=i1i2=nn1=100003/8=26667式中i1齿轮传动比 i2电机减速箱传动比选取行星减速箱15A系列,减速比选取i2=10486:1,减速箱效率4=0.49,含电机长度47.9mm,电机直径15mm则i1=ii2=2666710486=2.54 取i1=2.5确定i1=32i2=53校核电机电机所需提供扭矩M1M1=M122334i=71030.9620.770.9530.4926667=0.878mNmM1M25.3.2 肘关节齿轮设计已设定a1=25mm i1=3/2 a2=40mm i2=53求齿轮模数mm1=0.0070.02a1=0.1750.5mmm2=0.0070.02a2=0.280.8mm取m=0.5mm则齿数Z1=2a1mi1+1=2250.532+1=40Z2=i1Z1=3240=60Z3=i2Z2=5360=100齿轮分度圆直径d1=mZ1=0.540=20mmd2=mZ2=0.560=30mmd3=mZ3=0.5100=
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