移动机械手的结构设计及分析-含动画仿真-履带式移动机器人【三维proe】【8张CAD图纸+说明书资料完整】

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危险物品的专用器材 避免不必要的人员 伤亡 它可用于多种复杂地形进行移动 此设计的移动机械手可实现回转 上下移动 夹持并且能过坑 越障等动作 此设计移动方案的选择是采用了履带式驱动结构 而手臂部分则采用关节式机构 结构整体使用模块化设计 以便后续拆卸维修 可以适应于各种复杂的路面 并可主 动控制两侧摇臂的转动来调节机器人的运动姿态 从而达到辅助过坑 越障等动作 经过合理的设计后机器人将具有很好的环境适应能力 机动能力并能承受一定的掉落 冲击 此设计的移动机构主要由四部分组成 电机的选择 主履带设计 副履带设计 臂部及手腕设计 本文首先根据课题所给的技术参数和功能要求提出移动机械手车体结构方案 并 对方案进行分析 接着 对主要技术参数进行了计算选择 然后 对各主要零部件进 行了设计与校核 最后 通过 AutoCAD 制图软件绘制了移动机械手车体结构装配图及 主要零部件图 关键词 移动机械手 手臂 手腕 同步带 IV 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 1 第一章 绪论 1 1 研究背景及意义 机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一 人类对于机器入的研究由来已久 但 直到上世纪 50 60 年代 随着机构理论和数控伺服技术的发展才真正进入实用化 上 世纪 70 年代后 计算机技术 控靠 q 技术 传感技术和人工智能技术迅速发展 机器 人技术也随之进入高速发展阶段 并发展成为集机械 电子 控制和计算机技术的一 项综合技术 在历史上 所有的高新技术首先被考虑用于军事用途 机器入也不例外 未来战 争将是建立在高科技条件下的 高度信息化的全方位立体化的战争 各种具有巨大杀 伤力的先进武器的广泛使用 将使未来的战场环境异常复杂 信息瞬息万变 士兵的 生命无时不刻受到来自天空 地面 水下各种先进武器的威胁 完全依赖士兵作战能 力的战争模式正越来越受到挑战 在军用机器人领域 移动机械手是较早投入实战的 军用机器人之 日静 移动机械手在 些发达国家的军队已得到广泛使用 英国早 在 60 年代就研制了 手推车 移动机械手用于英阿马岛战争的爆炸物清理 其改进型的 土拨鼠及野牛两种遥控电动移动机械手被英国争家工程兵在波黑及科索沃用于探测及 处理爆炸物 德国 MV494 型遥控移动机械手也曾装备了其驻索马晕的维和部队 1 31 在近年来美国发动的几次局部战争中 基于 零伤亡 的作战思想 美军开始在 战场上大量使用移动机械手替代士兵执行移动任务 其 Talon 移动机器入 2000 年就参 与波斯尼亚地区的军事行动 随后又参与 2002 年初的阿富汗行动以及 2003 年的伊拉 克战争 执行的主要任务是爆炸物检测及其处理 阿富汗和伊拉克战争中共执行 20000 项任务 在战争中有效地降低了已方的伤亡 H 此外 由于政治 经济 民族 宗教等关系的错综复杂 国际和地区恐怖主义在 世界各国有泛滥的趋势 在公共场所安放爆炸物以产生恐慌 爆炸恐怖犯罪 即是其集中 表现形式 相对于其他形式的恶性犯罪 恐怖爆炸由于其危害面广 社会和政治负面 影响面大 日益成为令当今世界各国政府头疼的问题 据美国官方统计 1968 年国际 上的恐怖主义事件仅有 120 起 面 1984 年增至 652 起 1983 年的 500 起恐怖活动中 有 262 起是爆炸事件 pl 尤其是最近几年 随着国际形势的动荡 恐怖爆炸事件更是 此起彼伏 接连不断 除了传统的恐怖活动热点地区 例如中东 阿富汗等地区外 美国 英国 西班牙 日本 俄罗斯 印度尼西亚 乌兹别克斯坦 马来西亚和泰国 菲律宾也接连发生恐怖爆炸事件 影响较大的有俄军医院爆炸案 西班牙马德里爆炸 案 印尼巴厘岛爆炸案 伦敦连环爆炸寨等 就连以往很少有恐怖活动波硕十论文小 型捧爆机器人总体设计的研究及的国家和地区 近年来也接连发生恐怖爆炸事件 而 且 随着时间的推移 这些活动还愈演愈烈 作为应对 反恐移动已经成为世界各国 2 政府最为关注的问题之一 目前在世界范围内 移动机械手已经成为反恐作战的重要 装备之一 移动机械手是目前较具研究价值的机器人产品 在反恐领域可用来执行诸如反恐 移动的任务 战场上移动机械手则用以执行诸如排除爆炸物 战场信息收集的任务 稍加改造 即可加装单兵武器用于武装巡逻 战斗值勤等高危险任务 目前国内已经 着力于移动机械手的研发 但距离军事用途还有相当的距离 基于军用机器人产品系 列化 通用性的需要 本文对基于小型移动平台基础上 兼具摊爆和作战功能的机器 人进行总体设计的研究 1 2 国内外研究及发展现状 20 世纪 60 年代到 70 年代 想到工业机器人印入脑海的便是自动机械手 机器人 移动功能的大力研究和开发是 20 世纪 80 年代以后才开始 现在作为移动机器人而研 制的移动机械类型已远远超过了机械手 尤其是移动机械手 不仅是生物体中没见过 的移动形态 而且能够在复杂的环境下行进 目前六履带摆臂式搜救机器人还是局限于单个或两个自由度 其主要由机械本体 控制系统 导航系统等部分组成 六履带摆臂式搜救机器人的研究涉及以下几个方面 首先是移动方式的选择 对于移动移动机器人 可以是两移动 四移动 六移动等 其次 考虑驱动器的控制 以使机器人达到期望的功能 再者 必须考虑导航或路径 规划 如传感信息融合 特征提取 避碰以及环境映射 最后 考虑摆臂角的原理 这方面需要重点考虑 通过控制摇臂的角度来改变自身高度以达到越障过坑功能是这 种机器人的最大特点 对于这些问题可归结为 机械结构设计 控制系统设计 运动 学与动力学建模 导航与定位 多传感器信息融合等 下面是各国研发的一些移动可变形机器人 1 美国的拆弹专家 如图 2 1 2 2 2 3 2 4 所示 这是美国 iRobot 的一种较小型 PackBot 机器人 现服役于美国军队 它搭配了一个爆炸物感应系统 能有效地探测炸弹 图 2 3 这种 iRobot SUGV 的机器人是一种小型地面探测车 重量仅为 30 磅 图 2 4 是 iRobot 生产的 Warrior 机器人配备了两个全自动 自动装弹 可遥控的 12 杆机抢 重量为 250 磅 3 图 2 1 RackBot 准备展开 图 2 2 RackBot 伸展情况 图 2 3 SUGV 机器人 图 2 4 Warrior 机器人 2 德国 telemax 防爆机器人 仅在一两年前 德国公司出品了一款防爆机器人 现在 2006 年的新一代机器人已经上市了 其结构比以前的更加轻便 体积更小 这款 机器人依靠一个灵活的小型系统有了和一些大型机器人一样的功能 图 2 5 telemax 行走姿势 图 2 6 最紧凑姿势 通过对国内外移动机械手的分析 可以看出移动机械手今后的发展有以下几个方 面的趋势 1 结构上 趋向小型 微型 2 运动上 趋向全方位 更灵活 更具自主性 3 在用途上 趋向于功能多功能化 4 第二章 总体方案设计 2 1 设计参数及功能要求 2 1 1 设计技术参数 机器人行进速度 40m min 机械手抓取质量不超过 30kg 机械手臂可实现回转 上下移动 机械手爪可实现夹持 2 1 2 功能要求 本次设计的移动机械手要求具有以下功能 移动机械手是移动平台和操作手的组合体 具有操作和移动的功能 这种机器人 具有更大更灵活的工作空间 在工业 农业 公共安全 军事 服务等领域有着广泛 的应用前景 本设计的移动机器手采用履带摆臂式移动平台 其可适应复杂路况 跨 越台阶和越障 操作手采用关节式机械手 其操作空间大 机械手末端要求具有良好 的夹持能力 2 2 方案选定 2 2 1 车体方案设计 本次设计的移动机械手车体结构采用的是履腿式复合结构 总体设计方案如图 2 1 所示 机器人的车体的履带作为移动移动机构 与前臂和后臂转动相协调 增加了机 器人运动灵活性 机器人后轮有一个伺服电机驱动 通过控制系统协调配合 实现后轮的灵活转动 在机器人爬坡和越障时发挥更大作用 机器人车体左右两边履带各有永磁式直流电机驱动 通过控制系统协调配合 控 制前轴和后轴的速度 力矩 可实现原地 360 转向 前进时的自由转向 随时调解爬 坡时的力矩大小 在车体主履带前端是惯性轴 与主动轴配合 保证机器人运动的平 5 稳 图2 1 移动机械手车体结构组成 2 2 2 手臂方案设计 本次设计的机械手要求 机械手臂可实现回转 上下移动 机械手爪可实现夹持 并且采用关节式结构 因此选定的设计方案如下 其由两个电机驱动关节转动 实现机械手臂上下移动 手臂整体回转有底部回转电机实现 机械手爪具有 2 个自由 度 分别是手爪回转 手爪夹持 手爪回转有电机驱动 手爪夹持由电磁铁的正反接 实现 图 2 2 移动机械手手臂体结构尺寸 6 2 3 原理分析分析 2 3 1 主要机构工作原理 减速传动机构是电动机通过行星轮减速器的降速 来实现增大转矩 调速 通过 直齿轮改变轴的方向 输出后轴转矩 为机器人提供主要动力 后轴驱动机构驱动后 轴位于传动系的末端 其基本功用是增扭 降速和改变转矩的传递方向 转向机构机器人在行驶过程中 经常需要改变行驶方向 本机构是通过两个电机 的差速比来实现的 动力部分采用电机 通过齿轮副降速后带动低速轴的转动 轴与履带驱动机构通 过导杆滑块机构连接 使履带驱动机构各自绕前后轴的中心线转动 实现机器人不同 角度的爬坡和越障能力 2 3 2 运动特性分析 1 平面运动及转弯 平面运动及转弯是最基本的运动方式 当两侧的履带同向等速运动时 则表现为 直线行走 当两侧履带反向等速运动可实现原地零半径回转 而不同速度同向运动可 实现任意半径转向 图 2 3 a 图 2 3 b 为四摆臂履带单元同时着地 使机器人与地面的接触面积 增大 可以使机器人适应松软 泥泞和凹凸不平等各种地形环境 图 2 3 a 图 2 3 b 图 2 3 c 图 2 3 d 图 2 3 e 中当遇到小坡度的斜坡时 可直接爬坡而不 必采取其他动作 从而可减少对驱动控制系统要求 图 2 3 c 图 2 3 d 图 2 3 e 图 2 3 f 为四摆臂单元向上摆到中间位置 可实现机器人小空间转向运动 图 2 3 f 机器人爬坡时 姿态可以转变成图 2 3 g 当坡度较大时 则图 2 3 h 和图 2 3 i 是较好的姿态 这两种方式可使机器人重心位于稳定状态 从而保证机器人顺利 爬坡 7 图 2 3 g 图 2 3 h 图 2 3 i 2 自撑起及涉水 机器人的主要控制系统和检测元件则安装在中间箱体中 为了避免在运动中被损 坏 机器人可以通过 4 个摆臂单元向下摆动 抬高中间箱体的高度 且其以各自不同 的摆动角度向下摆动时可使机器人变换成各种姿态 从而使中间箱体在允许变化的高 度范围内自由转变 从而使机器人完成涉水的动作 3 越障 机器人利用摆臂前攻角进行越障 由于机器人摆臂能把车体抬起 所以可越过高 于自身高度的障碍物 图 2 4 示 a h 表示机器人越过高障碍物的一般过程 履 带利用齿形对障碍物的抓爬力来向上攀爬 同时后摆臂向下摆动以使车体抬高 当摆 到与地面垂直时后摆臂停止摆动 当主履带爬到障碍物上面时 前摆臂向前向下摆动 支起车体 机器人继续前进 直到其重心越过台阶 重心越过台阶后 前摆臂向前向 上摆动直到与地面贴合 同时后摆臂向后向上摆动与车体成一后攻角为止 此时机器 人已越上台阶 整个过程中 履带始终向前爬行 图 2 4 救灾机器人越障过程 2 3 3 手臂原理分析 其由两个电机驱动关节转动实现机械手臂上下移动 手臂整体回转有底部回转电 机实现 机械手爪具有 2 个自由度 分别是手爪回转 手爪夹持 手爪回转有电机驱 8 动 手爪夹持由电磁铁的正反接实现 第三章 机器人运动分析及主电机的选择 3 1 运动分析 3 1 1 跨越台阶 当机器人在爬越台阶时 机器人履带底线与地面之间的夹角将慢慢增大 当重心 越过台阶的支撑点时 则完成了爬越台阶的动作 由运动过程可以看出 图 3 1 重心 的位置处于临界状态 机器人重心只有越过台阶边缘 机器人才能成功的越过障碍 由此可分析出机器人的最大越障高度 图 3 1 上台阶临界状态示意图 由图 3 1 所示几何关系可得 5 1 cos cot sinxLhR 变换式 5 1 可得 5 2 cosLR 9 5 3 2cosin cos0hLRd 利用式 5 3 求出 代入式 6 2 可算出机器人跨越障碍的高度 1H 机器人加装后臂 可以大幅提高机器人跨越台阶的高度 如图 3 2 所示 在后臂 伺服电机的驱动下 后臂履带抬起 成 直立 在机器人跨越的高度又要高出 H 90 所以本次设计履带设计中机器人跨越障碍的最大高度为 1max 图 3 2 上台阶临界状态示意图 3 1 2 跨越沟槽 对于小于机器人前后履带轮中心距的沟槽 因机器人重心在机器人车体内 当机 器人重心越过下一个沟槽的支撑点时 机器人就越过了沟槽 也可能由于重心未能过 去 倾翻在沟槽内 当沟槽大于中心距时 移动机械手可以看做爬越凸台障碍 移动 移动机器人跨越沟槽时 当重心越过沟槽边缘时 受重力作用 机器人将产生前倾现 象 运动不稳定 由机器人质心变化规律可知机器人重心在以 r 为半径的圆内 由于 摆臂展开后机器人履带与地接触长度变大 为了计算最大跨越壕沟宽度 摆臂履带应 处于展开状态 机器人前臂和后臂的长度相等 10 a b c 图 3 3 跨越沟槽示意图 机器人在平地图 3 3 a 跨越沟槽的宽度 1L 6 4 max1Lr 3 3 3 斜坡运动分析 机器人在斜坡上运动时 其受力情况如图 3 4 所示 机器人匀速行驶或静止时 其驱动力 6 5 sinFG 图 3 4 机器人上坡受力示意图 最大静摩擦力系数为 最大静摩擦力为 6 6 maxcosFG 当 时 机器人能平稳行驶 a 当 时 机器人受重力的影响将沿斜面下滑 mx 已知移动机械手对地面的最大静摩擦系数 则机器人爬越的最大坡度为 11 6 7 1maxtn 爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为 6 8 ax cosin g 通过上述分析 可以根据机器人履带与运动面的摩擦系数来确定一些陡坡是否能 够安全爬升 并根据坡度和电机的特性 确定其运动过程最大加速及爬升都陡坡的快 速性 由以上计算可得 机器人的爬坡角度最大为 垂直越障高度最大为 600mm 03 最大跨沟宽度为 400mm 对于履带和地面的动摩擦因数 实际上只是表示起动时车轮所处的滑动状态对应的滑动 f 摩擦力 一旦车轮开始转动 面临的滚动摩擦力则总是比滑动摩擦力小得多 则可取 大一点 56 0 3 2 主电机的选择 1 机器人在平直的路上行驶 移动机械手在跨越平面的沟槽或在平面移动 假设其速度最大 且匀速前进 则 取 sm 39 1v kg50 mR85 移动机械手共有两个输出轴 每个输出轴前端都有一个电机 对机器人其中一个 输出轴分析 图 3 5 平直路线分析2mgN fRML 12 又 则Nf m 135ML 在最大的行驶速度下 驱动电机经过减速箱减速后需要提供的极限转速为 in 6 2maxrDn 2 机器人在 30 坡上匀速行驶 机器人在最大行驶坡度上匀速行驶 设定行驶速度为 在行驶过程sm 0 1 30 中轮子作纯滚动 不考虑空气阻力的影响 机器人爬坡受力情况如图 图 3 6 30 坡度分析203cosN mgRfML in 又 则 mNL 2 1 in 1 Drn 则在最大坡度下需提供极限转矩为 mNML 2 1 3 机器人的多姿态越阶 对这几种姿态分析 机器人在跨越台阶时直流电机只驱动主履带 机器人在实际 跨越台阶过程中速率不大 那么机器人所需提供的输出功率也不大 由以上分析可知 机器人平地直线运动时要求的驱动电机输出转速较大 而爬坡 时需要驱动电机的输出转矩较大 因此 在选电机时 应根据平地直线运动所求的最 大转速和爬坡运动所求的转矩进行选择 根据机器人爬坡情况的分析 mNMTL 21 in 2rnw Wnw6950P 13 机器在平面状况下 mNMTL 135 in 56 2rnw Wnw8096 250P 因而选取 P 80W 作为机器人的最大输出功率 根据计算的移动机械手的最大输出功率为 80W 输出转矩为 22 1N M 输出转速为 56 2r min 因为直流电机启动性能好 过载性能强 可承受频繁冲击 制动和反转 允许冲 击电流可达额定电流的 3 到 5 倍 另外在使用过程中可携带或可移动的蓄电池 干电 池作为供电电源 操作轻巧与方便 根据直流电机这些性能 满足主履带频繁受冲击 制动和反转的要求 满足机器人要携带移动电池的要求 因而则选择 90ZY54 型号的 直流永磁电机 其参数如下 额定功率 W92 额定转矩 MN 0 6 额定转速 1min r1500 电流 A7 电压 V 12 允许正反转速差 1i r150 因为 则WP80 92 输额 6额输w 因为 则min 150rn 额 in 56 2r 输 26 7 输额w 又 3 86 2axTisw 则选取 i 14 第四章 零部件的设计与选择 4 1 履带 同步带 部分设计 4 1 1 同步带的选择 对于履带基于标准化的思考 我们选择了梯形双面齿同步带作为设计履带 其具 有带传动 链传动和齿轮传动的优点 由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力 故带 与带轮间无相对滑动 能保证准确的传动比 同步带通常以氯丁橡胶为材料 这种带 薄而且轻 故可用于较高速度 传动时的线速度可达 50m s 传动比可达 10 效率可 达 98 传动噪音比带传动 链传动和齿轮传动小 耐磨性好 不需油润滑 寿命比 摩擦带长 因为同步带传动具有准确的传动比 无滑差 可获得恒定的速比 传动平稳 能 吸振 噪音小 传动比范围大等优点 所以传递功率可以从几瓦到百千瓦 传动效率 高 结构紧凑 适宜于多轴传动 无污染 因此可在工作环境较为恶劣的场所下正常 工作 从以上对同步带性能的分析中可以得出结论 选用梯形双面齿同步带作为移动装 置设计履带能够满足设计性能及工作的环境条件要求 由已知后轴输出功率为 即 wp81 k081 由已知设计装置移动速度 根据公式 可得主动轮转速smv 5 rnv 2 15 预先设计履带主动轮直径 169mm 履带从动轮直径min 71 592 1rvn d1 169mm 由公式 可得 59 71r min 故可以得到设计的已知条件如下 d2d1 2n2 传递名义功率 wpm8 主动轮转速 r min71 59n 从动轮转速 in 2r 中心距 380 a 1 功率的计算 kwpkmd 137 式中 K 载荷修正系数 有工作机性能和运转时间查表 8 1 可以得到 表 8 1 修正载荷系数 K 运行时间 小时 日 工作机 3 5 8 10 16 24 计算机 医疗机 1 0 1 2 1 4 缝纫机 办公机械 1 2 1 4 1 6 轻传送机 包装机 1 3 1 5 1 7 搅拌机 造纸机 1 4 1 6 1 8 印刷机 圆形带锯 1 4 1 6 1 8 2 确定带的型号和节距 由设计功率 0 1377kw 和 59 71r min 考虑到可以用双面交错梯状齿形同步Pdn1 带作为履带使用 由图 8 1 查得型号选用 XH 型 对应节距 22 225mm 图 8 2 为Pb 双面交错梯状齿形同步带的结构图 双面齿同步带的节距和齿形等同与单面齿同步带 的齿形和节距 图 A 为 DA 型双面齿同步带 其两面带齿呈对称排列 图 B 为 DB 型 双面齿同步带 其两面带齿呈交错位置排列 本装置设计履带选择 DB 型 XH 同步带 2 794mm 15 49WT 16 图 8 1 梯形齿同步带 轮选型图 图 8 2 梯形齿形状图 本装置选择的梯形 BD 型 XH 同步带的具体参数如下表 8 2 表 8 2 梯形齿标准同步带型号以及齿尺寸 17 4 1 2 确定主从动轮直径 对于梯形标准同步带来说小带轮的齿数是有要求的 能够保证同步带运转是最为 基本的 履带选用的 XH 形同步带一样有齿数最小要求 由表 8 3 查的min124z 取 表 8 3 小带轮的最小齿数 小带轮转速 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 为了增大摩擦力 应考虑增大履带与接触地面的有效接触面积 所以履带离地面 的高度不易过大 故取履带主动轮直径 169mm 履带从动轮直径 169mm d1 d2 查表 8 4 选择履带主动轮型号为 24XH 履带从动轮型号为 24XH 就近圆整带 轮直径 查得履带主动轮直径 169 79mm 履带从动轮直径 169 79mm 1 表 8 4XH 型同步轮尺寸表 节距 22 225mm 规格 齿数 节径 d 外径 do 档边直 径 df 档边内 径 db 档边厚 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 同步带都有自己的极限速度 如果速度过大会使皮带轮机构的不稳定性增强 有 18 较大的波动现象 并且在单位时间的转动次数会增加 不利于带的寿命的提高 所以 有同步带的速度校核如下 查表 8 5 得 maxv25 s maxv 校 核 表 8 5 梯形齿同步带极限速度 型号 MXL XXL XL T 2 5 T5 3M L H T10 8 M 14M XH XXH T20 20M 模数 1 1 5 2 2 5 3 4 5 7 10maxV 40 50 35 40 25 30 4 1 3 确定节线长度 确定中心距 增大中心距 可以增加带轮的包角 减少单位时间内带的循环次 数 有利于提高带的寿命 但是中心距过大 则会加剧带的波动 降低带的传动平稳 性 同时增大带传动的整体尺寸 中心距过小 则有相反的利弊 取带传动的中心距 为 dda212170 由 169 79mm 169 79mm 代入上式有26 796 30 由于移动机械手工作的环境限制 所设计的尺寸不宜过大 选择中心距的尺寸偏 小 初选取 380mm a 根据带传动总体尺寸和中心距的要求 带的节线长度可由带围绕两带轮的周长来 计算 根据下式求得 21210 42addLd 代入 400mm 169 79mm 169 79mm 有a2 1350 79mm d0 根据表 8 6 就近圆整 1422 40mm 型号为 560XH 同步带齿数为 64 Ld0 表 8 6 XH 型同步带节线型号 XH 型 节距 22 225mm 规格 节线长 mm 齿数 19 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 确定最大功率时带宽 1 计算同步带的基准额定功率 P0 kw12 vmT 式中 许用工作拉力 查表 8 4 得 4048 90NT0 0 单位长度质量 查表 8 7 得 1 484Kg mm 线速度 m sv 表 8 7 七种同步带型号的主要参数 带型 号 节距 Pb 基准宽 so拉力 T0 质量 G 带宽 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 2 473 76 2 101 6 12 20 3 7 0 带入上式得 kwpo 024 510 48 92 2 计算主动轮啮合齿数 Zm 小带轮的啮合齿数为 121bmpzzenta 6 3 确定实际所需带宽 s14 00pKbzds 其中 为啮合系数由表 8 8 查的zk 1z 表 8 8 啮合数系数 mz6 5 4zK 1 0 8 0 6 式中 带所传递的功率 2 024kwP0P0 本履带选用为 XH 带 可以由表 8 9 查的基准带宽 如下 mbs6 10 表 8 9 周节制梯形齿同步带的宽度 型号 MXL XXL XL L H XH XXH 基准宽度 mm 6 4 6 4 9 5 25 4 76 2 101 6 127 许用拉力 T 27 31 50 17 244 46 2100 85 4048 90 6398 03 带的质量 m 0 007 0 01 0 022 0 095 0 448 1 484 2 473 21 所以 mpKbzds 4 720 136 04 14 0 以上公式算得带宽为 72 44mm 所以以此选取标准带宽 表 8 10 查的 将其取为标准值 ms2 7 8 10 周节制梯形同步带的宽度与高度 公称高度 标准宽度 型号 mm in mm in 代号 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 功率验算 额定功率大于设计功率 则带的传动能力已足够 所选参数合理 dop 同时得到作用在轴上的力 NvpFdr275410 4 1 6 同步带的物理机械性能 本移动机械手选用 XH 带 其物理机械如下 表 8 11 同步带的物理机械性能 梯形齿 项目 XH L H XH XXH 拉伸强度 mN 80 120 270 380 450 参考力 N 60 90 220 300 360参考力 伸长率 伸长 40 硬度 75 5 包布粘合强度 5 6 5 8 10 12 芯绳粘合强度 200 380 600 800 1500 齿体剪切强度 mN50 60 70 75 90 22 4 1 7 同步带主从动轮设计 1 带轮材料选择 为了减轻履带驱动装置的重量 我们选择硬铝合金作为履带主 从动轮的材料 硬铝合金具有密度小 质量低 强度高 硬度高 耐热性好的优点 能够满足设计性 能要求 2 带轮形状及主要尺寸的确定 履带和带轮的啮合方式见图 8 3 所示 图中 为同步带轮节圆或同步带节线上测Pb 得相邻两齿的距离即节距 XH 型节距 22 225mm 为同步带轮的节圆直径 主bd 动轮节圆型号为 24XH 169 79mm 从动轮节圆型号为 24XH 169 79mm d1 2 为同步带轮实际外圆直径 主动轮 166 99mm 从动轮 166 99mm d0 1oo 图 8 3 同步带轮外径径节示意图 同步带分为 AS 型 BS 型 AF 型 BF 型 WS 型 其中 AF 型和 BF 型为双边档 边 由于本设计采用的是电动机 减速器动力总成放在摇臂内 直接通过锥齿轮传递 用后驱动轮轮轴 所以 主动轮选择两个单边单圈 从动轮选择一个无挡圈 选 WS 型同步带轮 主动轮 24XH 齿数 24 径节 169 79mm 外径 166 99mmd1d1o 主动轮初选两个双边挡圈的带轮 用于设计中将其组合 3 履带轮齿形及齿面宽度的选择 根据图 8 4 可以查得 XH 型梯形双面齿同步带轮齿形尺寸如下 23 图 8 4 齿形尺寸 节距 22 225mm 齿槽 mm 齿深 7 14mm 槽角 Pbbw15097 hg 51 倒角 3 048mm 根据表 8 12 可以查出以上数据 20rt 392 r 81 2 表 8 12 梯形双面齿同步轮齿形尺寸 型号 节距 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 根据前面确定的宽度为 76 2 及所选择的无档边带轮查表 8 13 可得到梯形双面齿 同步带轮齿面宽度 83 8 b 表 8 13 同步带轮齿面宽度尺寸参考表 同步带宽度 齿轮面宽度 型号 代号 带宽 双面档边带 轮 单面档边带 轮 无档边带 轮 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 24 4 履带轮所允许的公差 两轮所允许的公差如表 8 14 所示 表 8 14 允许公差表 项目 小轮 大轮 外径偏差 0 15 0 0 15 0 任意两相邻点 节距 偏差 90 度弧内的累积 0 03 0 15 0 03 0 15 外圆径向圆跳动 2t0 13 0 15 外圆端面圆跳动 10 19 0 26 轮齿与轴线平行度 3t 齿顶圆柱面的圆柱度 4 0 09 0 11 轴孔直径偏差 1dH7 或 H8 H7 或 H8 外圆及两齿侧表面粗糙度 aR3 2 m 3 2 4 2 副履带 同步带 部分设计 因为同步带传动具有准确的传动比 无滑差 传动平稳 能吸振 噪音小 传动 比范围大等优点 所以传递功率可以从几瓦到百千瓦 传动效率高 结构紧凑 适宜 于多轴传动 无污染 因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作 从以上对同步带性能的分析看出其性能的优越性 因此选用梯形双面齿同步带作 为移动装置副履带能够满足设计性能及工作的环境条件要求 副履带的设计是依照主 履带的设计进行的 具有异曲同工之妙 而副履带相对了主履带来说 它是辅助作用 帮助移动平台具有更出色的越野性 能 更擅长于攀爬和越沟 自然它的环境不如主履带恶劣 并且所承受的载荷也比较 轻一些 所以我给予选择 H 带 其设计方法参照主履带如下 介于副履带的主动轮的直径选择应与主履带的从动轮的相当 则参照表 8 15 选择 副履带主动轮直径 mdt7 16 25 根据任务 推出 21 tdi 副履带从动轮直径 85 012 ttd 副履带主动轮齿数 41tz 副履带从动轮齿数 20t 表 8 15 标准同步带的直径 4 2 1 计算同步带的带宽 根据前面的表 8 7 查得到 H 带 2 76 sotb 选择标准带由表 8 9 差查得 H 带 8 50st 4 2 2 计算 H 带的基准额定功率 计算所选用型号同步带的基准额定功率 P010 2vmTatt 26 其中 48 0521 mTat 得出 kwpot 而由 14 670otdsot pb 反推得到设计功率为 kwpd3 4 2 3 中心距的选择 2 7 0211dtttdta 5 485 69o 则确定中心距 0 4 2 4 计算同步带节线长度 根据带传动总体尺寸和中心距的要求 带的节线长度可由带围绕两带轮的周长 来计算 根据下式求得 21210 42dadLttdtttda 代入数据 28045 71685 0716280 dot4 9tL 根据表 8 16 可选带长为60 T783tz 8 16 周节制梯形齿同步带节线长度及齿数 长度代 号 基本尺 寸 极限偏 差 L H XH XXH 27 345 876 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 2 5 车体副履带摇臂设计 车体副履带摇臂如下图示 4 3 机械手臂部分设计 4 3 1 电机的选择 本机械手臂有四个电机 分别是手臂回转电机 大小臂关节电机 手腕回转电机 此处以手臂回转电机为例进行选择计算 其他电机的选择类似 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机 vR 永磁式步进电机 PM 等 永 磁式步进电机一般为两相 转矩和体积较小 步进角一般为 7 50 或 150 反应式步进 电机一般为三相 可实现大转矩输出 步进角一般为 0 750 或 1 50 但有一定的噪声和 振动 反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成 定子上有多相励磁绕组 利用磁 导的变化产生转矩 综合考虑技术难度 精度和资金等因素 结合所改造机床的负载较小 负载变化 不大又是经济简易型的自动控制设备 故采用反应式步进电机作为砂轮座磨削进给的 驱动源 1 旋转力的计算 旋臂式机械手夹持工件时 很明显承受着一定的旋臂力矩 由文献 1 查得旋转力 的计算公式为 28 一旋转阻抗力 N 根据相关经验数据 取其值为 1989 9 YP 由文献 1 查得 ZX 2 0 YP36 取 则 N ZY5 2 9 75 2185 Y 则 N X10 4 1 0 ZX 2 步进电机的选用 步进电机总的位移量是严格等于输入的指令脉冲数 或其平均转速严格正比于输 入指令脉冲的频率 因此能实现精确定位 精确位移 而且同时可在其工作频段内 从一种运动状态稳定地转换到另一种运动状态 步进电机有下列工作特点 变扭矩传动 扭矩受脉冲频率的限制 频率高 扭矩则小 能双向转动 有适 量的阻尼 只要避开步进电机本身的低频振荡区 就可能获得平稳的低速进给 改变指令脉冲频率就能使步进电机变速 从而改变进给速度 可省去一部分机 械变速机构 机械结构简单 寿命长 进给速度变化范围宽 从每秒几个脉冲到几千个脉冲 即能使进给系统正调整 时实现快速运动 又能保证由粗加工到精加工的各项要求 快速响应性很强 只要有脉冲输入或停止输入 步进电机就立即转动或停转 不通电时无定位力矩 转子能自由转动 每步有振荡和过冲 但在使用中失步 和过冲完全在零件的尺寸误差之内 对加工精度影响甚小 3 脉冲当量和步距角 脉冲当量小可提高加工精度 但使系统复杂 一般加工精度的自动控制机床 脉 冲当量 可选为 0 01mm step 初步确定步距角 0 75 step P b o 4 步进电机转轴上启动力矩的计算 由文献 9 查得启动力矩的计算公式为 2 36bZSpqFGT 式中 一电机启动力矩q 旋转进给抗力 N 1989 9 N SFSFYP 29 一垂直分力 795 9 N ZFZXP15 0 导轨摩擦系数 选用淬火钢滚动导轨 取 0 01 G 机器重量 N 按图纸粗估 G 480N 总机械效率 取 0 85 则 18085 0714 32 9 9 0 6 NcmTq 5 确定步进电机最大静转矩 和最高工作频率jmT 为满足最小步距要求 电机选用三相六拍工作方式 由文献 9 查得 0 866 3 6 jmqT PVf 601ax 则步进电机最大静转矩为 180 0 866 207 8 Ncm 8 qjmT 最高工作频率为 3 201 6401max HzVfp 7 步进电机的选择 查表选用 110BF003 型步进电机 其参数如下 步距角 选用三相六拍 5 1 70 工作时取 最大静转距 800N cm 最高空载启动频率 1500Step s 运行频 75 0 b 率 7000 Step s 相数 3 电压 80V 相电流 6A 满足需要 4 3 2 大 小臂设计 1 负载分析 负载 R 是指工作机构在满负荷情况下 即 img 式中 i 工作机构的荷重及自重对手臂产生的作用力 工作机构在满载启动时的静摩擦力 gR 工作机构满载启动时的惯性力 1 i的确定 30 工件的质量 m2vrh 20 87 85314 5 5 9 kg 夹持器的质量 15kg 已知 伸缩臂的质量 50kg 估计 其他部件的质量 15kg 估计 工作机构荷重 Ri 5 9 15 50 15 10 859 N 取 Ri 860N 2 mR的确定 Rm 172 086 Ri N 3 g的确定 Rg tg VG N 式中 t 为启动时间 其加速时间约为 0 1 0 5st 0 1s 0 2s 总负载 R Ri Rg Rm 860 172 172 1204 N 取实际负载为 R 1200 N 根据负载分析计算得到大小臂结构尺寸如下图示 4 3 3 手爪 手腕设计 1 腕部回转力矩的计算 腕部回转时 需要克服的阻力有 31 1 腕部回转支承处的摩擦力矩 M摩12 RfMFD 摩 式中 1 2 轴承处支反力 N 可由静力平衡方程求得 轴承的直径 m f 轴承的摩擦系数 对于滚动轴承 f 0 01 0 02 对于滑动轴承f 0 1 为简化计算 取 0 1M 摩 总 阻 力 矩 如图 4 2 所示 其中 1G为工件重量 2为手 部重量 3G为手腕转动件重量 图 4 2 腕部受力简图 2 克服由于工件重心偏置所需的力矩 M偏1 MGe偏 式中 e 工件重心到手腕回转轴线的垂直距离 m 已知 e 10mm 则 139 801 294N 偏 3 克服启动惯性所需的力矩 M惯 启动过程近似等加速运动 根据手腕回转的角速度 及启动过程转过的角度 启 按 下式计算 Mt 惯 工 件 启 J 32 式中 工 件J 工件对手腕回转轴线的转动惯量 2 Nms 手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量 手腕回转过程的角速度 1 s t启 启动过程所需的时间 一般取 0 05 0 3s 此处取 0 1s 手抓 手抓驱动液压缸及回转液压缸转动件等效为一个圆柱体 高为 200mm 直 径 90mm 其重力估算 230 45 7809 87 26GKgmNg 取 98N 等效圆柱体的转动惯量 22211 045 198GJMRg 工件的转动惯量 已知圆柱体工件 l 22 3 3 03711mJl 工 件 要求工件在 0 5s 内旋转 90 度 取平均角速度 即 代入得 0 1 37 0 435 1MNmt 惯 工 件 启 J 29 MNm 总 阻 力 矩 摩 偏 惯 总 阻 力 矩 解可得 总 阻 力 矩 0 8083 根据上上述结算得到手腕的结构尺寸如下图示 33 第五章 基于 Pro E 的三维设计 5 1 Pro E 三维设计软件概述 Pro Engineer 操作软件是美国参数技术公司 PTC 旗下的 CAD CAM CAE 一体化 的三维软件 Pro Engineer 软件以参数化著称 是参数化技术的最早应用者 在目前的 三维造型软件领域中占有着重要地位 Pro Engineer 作为当今世界机械 CAD CAE CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广 是现今主流的 CAD CAM CAE 软件之一 特 别是在国内产品设计领域占据重要位置 Pro Engineer 和 WildFire 是 PTC 官方使用的软件名称 但在中国用户所使用的名 称中 并存着多个说法 比如 ProE Pro E 破衣 野火等等都是指 Pro Engineer 软件 proe2001 proe2 0 proe3 0 proe4 0 proe5 0 creo1 0 creo2 0 等等都是指软件的版本 Pro E 第一个提出了参数化设计的概念 并且采用了单一数据库来解决特征的相关 性问题 另外 它采用模块化方式 用户可以根据自身的需要进行选择 而不必安装 所有模块 Pro E 的基于特征方式 能够将设计至生产全过程集成到一起 实现并行工 程设计 它不但可以应用于工作站 而且也可以应用到单机上 Pro E 采用了模块方式 可以分别进行草图绘制 零件制作 装配设计 钣金设计 加工处理等 保证用户可 以按照自己的需要进行选择使用 5 2 三维设计 34 5 2 1 车体 车体如下图示 图 5 1 车体 5 2 2 主履带 通过对各组成零件进行三维设计后装配得到主履带设计结果如下图示 图 5 2 主履带 5 2 3 副履带 通过对各组成零件进行三维设计后装配得到副履带设计结果如下图示 图 5 3 副履带 35 5 2 4 手臂 手腕 通过对各组成零件进行三维设计后装配得到手臂 手腕设计结果如下图示 图 5 4 手臂 手腕 5 2 5 三维装配 图 5 5 移动机械手装配 36 总 结 移动机械手是一种极具研究价值和应用前景的军用地面移动机器人 在未来的战 场上将扮演越来越重要的角色 本论文对具有移动功能的化移动机器入进行了总体技 术的研究 并主要对其车体结构部分进行了详细的设计和论证 本论文完成的主要工 作如下 1 通过功能和设计任务的分析 确立了移动机械手总体功能构架 初步制定了 小型移动机械手的总体组成和性能指标 2 在非结构环境下 移动平台是小型移动机械手实现复杂地形运动的功能载体 本文采用了后轮驱动的履带式移动机构 并具有可独立控制的前摆 具有较强的地形 适应能力 本文对其基本结构参数进行了设计 特别对其越障运动进行了分析 设计中 我对移动机械手的工作原理 基本结构 性能要求进行了比较详细的分 析 针对移动机械手中采用的履带 减速器 电动机等也进行了必要的阐析 另外 为确保设计出的移动机械手能达到越障过坑等功能 我们势必还要对移动机械手的相 关部件进行一些必要的校核 以最终确定此设计是否可以完成这些功能 对于本文研究的小型移动机械手 是一个复杂的机器人系统 在总体设计中 由 于能力和精力有限 研究内容还是很初步的 由于本人水平和能力有限 文中难免存 在有疏漏和不妥之处 敬