履帶機器人行走機構的設計含開題及5張CAD圖

履帶機器人行走機構的設計含開題及5張CAD圖,履帶,機器人,行走,機構,設計,開題,cad 附件6 中期報告 （學生用表） 系（部）： 專業(yè)： 班級： 學生姓名 學號 指導教師 課題名稱 履帶機器人行走機構的設計 簡述開題以來所做的具體工作和取得的進展或成果： 在學校圖書館和網絡上進行資料收集，研究機器人行走機構的組成，設計及其受力分析，設計的主要結構和參數(shù)基本確定，完成了一些標準件的選型及大多數(shù)零部件的設計計算工作，部分零件圖設計基本完成，開始整理設計說明書，并對一些結構進行校核。 存在的具體問題與解決方法： 由于專業(yè)基礎知識學習不夠深入，設計經驗欠缺，參考資料有限，設計主題思想把握不夠，結構復雜，機器人越障分析有一定難度，以及內部結構中的減速器，齒輪，電動機設計細節(jié)問題還需加以細化改正。 將查閱資料的范圍從圖書館上升到網絡上，更加細化資料收集，找更多相關性設計進行參考。 下一步工作的主要研究任務、具體設想與安排： 完成履帶機器人的裝配圖及零件圖的繪制，綜合參考資料，并完成畢業(yè)設計說明書。 指導教師對前期工作的評價： 指導教師簽名： 年 月 日 注：1、本表可根據(jù)內容續(xù)頁；2、指導教師評價及簽名手寫，其他內容電子版填寫。 附件3 任務書 （指導教師用表） 系（部）： 專業(yè)： 班級： 學生姓名 指導教師姓名 論文（設計）題目 履帶機器人行走機構的設計 下達任務日期 任務起止日期 主要研究內容及方法 1、掌握履帶機器人的原理、結構、性能要求； 2、行走機構的設計：主動輪減速機構、翼板轉動機構、自適應路面執(zhí)行機構、履帶及履帶輪運動機構； 3、履帶機器人越障、爬坡能力設計。 主要任務及目標 1、完成履帶機器人行走機構設計，包含主動輪減速機構、翼板轉動機構、自適應路面執(zhí)行機構、履帶及履帶輪運動機構； 2、用CAD完成履帶機器人行走機構整體設計圖； 3、完成履帶機器人行走機構主要零件圖三張2號與裝配圖兩張0號。 主要參考文獻 [1] 吉 洋 霍光青 .履帶式移動機器人研究現(xiàn)狀[J].林業(yè)機械與木工設備第40卷第10期:7-10 [2]崔政斌 王明明 .履帶式機器人的選用手冊第二版[M].化學工業(yè)出版社，2010.5-30 [3]毛恩榮 張紅 宋正河 .車輛人機工程學第2版[M].北京理工大學出版社，2007.53-80 [3]丁玉蘭 .人機工程學第三版[M].北京理工大學出版社，2010.60-73 [4]濮良貴 紀名剛 .機械設計第八版[M].高等教育出版社，2010.35-41 [ [15]徐飛 楊海忠 .主從履帶復合式越障機器人軟土行走研究[J].工礦自動化2012.25-27 [16]王松濤 朱華 .履帶式煤礦救援機器人越障能力的運動學分析[J].礦山機械2012.8-10 進度安排 各階段工作任務 起止日期 查閱文獻，明確思路，完成開題 3.05---3.10 確定設計方法，設計系統(tǒng)方案、完成相關計算及總體設計 3.11---3.20 行走機構的設計，越障、爬坡受力分析以及車體結構設 3.21---4.15 進行履帶、齒輪、電機的選擇 4.16---4.30 撰寫畢業(yè)設計說明書，進行零件圖的繪制 5.01---5.20 任務下達人簽名 任務接收人 簽名 教研室指導小組組長簽名 系部領導小組組長簽名 注：1、本表可根據(jù)內容續(xù)頁； 2、本表一式兩份，學生、系部存檔各一份；3、簽名需手寫，其他內容電子版填寫。 附件7 工作中期檢查記錄 系（部）： 專業(yè)： 班級： 姓名 學號 指導教師 檢 查 主 要 內 容 畢業(yè)論文（設計）的進度如何，目前已經完成的內容，尚需完成的內容等。 從選題開始，經過了收集資料，編制設計提綱，完成開題報告等論文撰寫過程，現(xiàn)設計初稿基本完成。 首先，分析了國內外機器人行走機構的發(fā)展現(xiàn)狀，綜合了國內外機器人行走方式的選擇，提出了六履帶機器人的設想。然后通過去圖書館收集資料，明確了設計的研究內容和研究方法，完成開題報告，制定出了任務進度時間安排。 目前以完成開題報告，行走機構越障爬坡的受力分析，車體結構的初步設想以及電機、履帶、齒輪的選擇。 畢業(yè)設計說明書的初稿，零件圖、裝配圖的繪制尚未完成，仍需努力。 指導教師是否到位，有無指導記錄，記錄情況如何等。 指導老師每周指導一次，負責認真。 指導記錄明確，實事求是，記錄情況詳細。 存在的問題及擬采取的方法等。 目前設計內容還存在的問題主要是：在選材和進行任務說明時存在較大的問題，零件圖繪制只具備初步模型，尚未成型。 目前通過去圖書館借閱資料，和網上圖書庫進行資料進一步的查詢及分析，完善自己的設計內容。閱讀最近相關設計內容方面的設計論文期刊，提升自己的眼界，為以后的設計步驟做準備。 畢業(yè)論文（設計）工作領導小組意見 組長簽名： 年 月 日 注：1、本表可根據(jù)內容續(xù)頁；2、領導小組意見手寫，其他內容電子版填寫。 附件5 開題報告 （學生用表） 系（部）： 專業(yè)： 班級： 課題名稱 履帶機器人行走機構的設計 指導教師 學生 學號 一、課題的來源及意義 隨著社會的發(fā)展，我們面臨的自身能力、能量的局限越來越多，所以我們創(chuàng)造了各種類型的機器人來輔助或代替我們完成任務。 機器人應用的地方變得越來越多，從單一的生產制造業(yè)發(fā)展到各行各業(yè)，甚至延伸到排爆等危險的具體工作?，F(xiàn)在國內外都開始了對移動機器人的系統(tǒng)研發(fā)和設計，而移動機器人選擇何種移動方式是其設計時最重要的考慮點之一。移動機器人按其移動結構可以分為腿式，輪式和履帶式三大類，這三類各有其優(yōu)缺點。 隨著移動機器人行業(yè)技術的發(fā)展，腿式機器人由于其結構和操作過于復雜，且應用的場地通常有特殊要求，因此并沒有得到廣泛的使用。而目前市場上的移動機器人主流仍是輪式機器人，但是同樣存在著許多缺陷，最大的問題是輪式機器人對行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時極容易打滑；且移動轉向的時候需要整個機器人本體轉動，轉彎半徑較大，占用的行走空間較多。 履帶機器人，主要指搭載履帶底盤機構的機器人，履帶機器人具有牽引力大，不易打滑、越野性能好等優(yōu)點，可以搭載攝像頭、探測器等設備代替人類從事一些危險工作，因此對其進一步的研究是不能忽視的。 履帶機器人的研究給人類的工作帶來了極大的方便，在災難發(fā)生后能極大的投入到搜救中，減少人員傷亡，更好的為社會服務 履帶機器人的研究，很大程度彌補了我們在機器人領域的不足，為后期更好的擴展，奠定了基礎。 二、國內外發(fā)展狀況及研究背景 20世紀60年代到70年代，想到工業(yè)機器人印入腦海的便是自動機械手。機器人移動功能的大力研究和開發(fā)是20世紀80年代以后才開始，現(xiàn)在作為移動機器人而研制的移動機械類型已遠遠超過了機械手。尤其是履帶式機器人，不僅是生物體中沒見過的移動形態(tài)，而且能夠在復雜的環(huán)境下行進。 目前美國的移動機器人的研發(fā)已經取得了突破性的進展，他們成功將該機器人應用到一些危險的環(huán)境中實際作業(yè)，還有部分移動機器人甚至開始在戰(zhàn)爭中嶄露頭角，代表機器人有Packbot機器人，Talon機器人，NUGV等。 我國微小型機器人的研究和開發(fā)晚于西方的一些發(fā)達國家，我國是從20世紀80年代開始機器人領域的研究的。其中具有代表性的有中國科學院研制的復合移動機器人“靈晰-B”型排爆機器人，“龍衛(wèi)士Dragon Guard X3B 反恐機器人”，“JW-901 排爆機器人”等。 履帶式機器人因采用履帶式傳動而得名。其最大特征是將圓狀的循環(huán)軌道履帶套在若干車輪上，使車輪不與地面直接接觸，利用履帶緩沖地面帶來的沖擊，使機器人能夠適應各種路面狀況。 通過對國內外履帶擺臂式搜救機器人的分析，可以看出履帶擺臂式搜救機器人今后的發(fā)展有以下幾個方面的趨勢： （1）結構上，趨向小型、微型。 （2）運動上，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。 三、研究目標及內容 本研究的意義是為機器人提供一個動力輸出平臺，為開發(fā)各種功能的機器人提供基礎平臺。 此設計移動方案的選擇是采用了履帶式驅動結構。結構整體使用模塊化設計，以便后續(xù)拆卸維修，可以適應于各種復雜的路面，并可主動控制前后兩側搖臂的轉動來調節(jié)機器人的運動姿態(tài)，從而達到輔助過坑、越障等動作。經過合理的設計后機器人將具有很好的環(huán)境適應能力、機動能力并能承受一定的掉落沖擊，此設計的移動機構主要由四部分組成：主動輪減速機構、翼板轉動機構、自適應路面執(zhí)行機構、履帶及履帶輪運動機構。 此設計的目的設計結構新穎，能實現(xiàn)過坑、越障等動作。通過在機器人機架上加裝其他功能的模塊來實現(xiàn)不同的使用功能。 （1）本設計中的多功能履帶式機器人主要在一些人不方便進入的小型場合使用，包括倒塌的建筑物內，災難現(xiàn)場，危險災區(qū)和坍塌煤礦等。 （2）本設計之前綜合考慮，該多功能履帶式機器人應該具有以下功能：產品加工生產成本低，質量安全穩(wěn)定，使用壽命長，結構穩(wěn)固，使用便捷，方便搬運移動； （3）本設計從履帶機器人底座結構設計進行詳細的設計分析及計算闡述。 （4）對履帶機器人越障、爬坡進行受力分析 （5）進行履帶機器人CAD草圖繪制，設計說明書 在設計的過程中涉及大學四年所學的知識，明確了自己的設計思路，邊設計一點點撿回以前的知識，在學習的過程中再慢慢改善自己的設計思路。 設計中，我對履帶機器人的工作原理、基本結構、性能要求進行了比較 詳細的分析，針對履帶機器人中采用的履帶、減速器、電動機等也進行了必要的闡析。另外，為確保設計出的履帶機器人能達到越障過坑等功能，我們勢必還要對履帶機器人的相關部件進行一些必要的校核，以最終確定此設計是否可以完成這些功能。 四、本課題研究方法及進度安排 通過科學家的研究和探索,目前已經形成了一些履帶式移動機器人在機械結構設計、穩(wěn)定性分析和控制方法方面的理論,這些理論運用到實踐中后,機器人的性能有所改進,但是它們還需要進一步地完善和發(fā)展,以更好地指導實踐。 查閱相關文獻資料，進行資料收集，進行對比，總結出設計最優(yōu)方案。 進度安排： 3月05日---3月10日，收集相關資料，明確目標和研究方法，完成開題報告。 3月11日---3月20日，按確定的設計方法，進度規(guī)劃，系統(tǒng)的進行分析、計算及總體設計。 3月21日---4月15日，進行行走機構的選擇，越障、爬坡受力分析以及車體結構設計。 4月16日---4月30日，進行履帶、齒輪、電機的選擇。 5月02日---5月18日，畢業(yè)設計初稿，進行零件圖的繪制。 5月19日---5月26日，畢業(yè)設計終稿，修改完善畢業(yè)設計論文及零件圖。 五、研究方案（或實驗方案）的可行性分析和已具備的研究條件（或實驗條件） 通過分析現(xiàn)有腿式機器人、輪式機器人，履帶機器人的現(xiàn)有研究，發(fā)現(xiàn)履帶機器人的研究任重而道遠，多功能履帶式機器人設計運用了巧妙的機械傳動結構，利用電動機作為機器人行走的源動力，再通過穩(wěn)定的減速器和鏈傳動將電動機的動力傳遞給履帶，使得機器人可以實現(xiàn)自由的行走，且多功能履帶式機器人在遇到障礙物時，通過調整關節(jié)角度，使得整個運動過程更加平穩(wěn)。我們在現(xiàn)有的單節(jié)雙履帶式機器人的理論基礎上改良結構和運動方式，本次設計的多功能履帶式機器人采用雙節(jié)六履帶式結構，機械結構更加優(yōu)化，綜合材質的選擇、結構的簡化，讓使用者更加方便穩(wěn)定的使用該移動機器人。 六、參考文獻 [1] 吉 洋 霍光青 .履帶式移動機器人研究現(xiàn)狀[J].林業(yè)機械與木工設備第40卷第10期:7-10 [2]崔政斌 王明明 .履帶式機器人的選用手冊第二版[M].化學工業(yè)出版社，2010.5-30 [3]毛恩榮 張紅 宋正河 .車輛人機工程學第2版[M].北京理工大學出版社，2007.53-80 [3]丁玉蘭 .人機工程學第三版[M].北京理工大學出版社，2010.60-73 [4]濮良貴 紀名剛 .機械設計第八版[M].高等教育出版社，2010.35-41 [5]柴鵬飛 王晨光 .機械設計課程設計指導書[M].機械工業(yè)出版社，2009.82-101 [6]吳宗澤 羅圣國 .機械設計課程設計手冊第3版[M].高等教育出版社，2010.16-23 [7]劉朝儒 吳志軍 高政一 .機械制圖第五版[M].高等教育出版社，2006.33-45 [9]高英武 高午 辛繼紅 .履帶式機器人的研制[J].農機化研究 2002年11月 第4期:15-20 [10]符春生 張克義.機械制圖[M].北京航空航天大學出版社，2010.23-60 [11]鄭文緯 吳克堅 .機械原理第七版[M].高等教育出版社，2009.35-40 [12]洪鐘德主編 .簡明機械設計手冊[M].同濟大學出版社，2002.65-71 [13]丁玉蘭 .人機工程學第三版[M].北京理工大學出版社，2010.83-86 [14]殷春武 .主從履帶式機器人越障研究[J].計算機工程2012第38卷第23期:204-207 [15]徐飛 楊海忠 .主從履帶復合式越障機器人軟土行走研究[J].工礦自動化2012.25-27 [16]王松濤 朱華 .履帶式煤礦救援機器人越障能力的運動學分析[J].礦山機械2012.8-10 [17]葛兆斌 孫潔 劉成業(yè)等 .履帶機器人行走系統(tǒng)的結構分析[J].機械制造2009年第47卷第540期:37-38 指導教師意見： 指導教師簽名： 年 月 日 注：1、本表可根據(jù)內容續(xù)頁；2、指導教師意見及簽名手寫，其他內容電子版填寫。 附件4 指導記錄 （指導教師用表） 系（部）： 專業(yè)： 班級： 姓名 學號 指導教師 職稱/學位 畢業(yè)設計題目 履帶機器人行走機構的設計 日 期 指導內容 存在問題 指導 學時數(shù) 2018．03．05 首次小組指導，課題下達，指導老師根據(jù)實際情況安排畢業(yè)設計課題的分配，并詳細介紹了設計中的注意事項，布置了開題報告 不確定自己的實際情況，不好定題。 2學時 2018．03．09 指導老師檢查每個同學的開題報告，指出各個同學的不足，提出修改意見。 沒有找到足夠的參考資料，不足以定題。 2學時 2018．03．16 指導老師再此檢查開題報告，確定無誤以后，開始講解設計章節(jié)安排，布置下一階段的任務。 找不到足夠的參考文獻。 2學時 2018．03．20 聽取各個同學對自己課題設計思路的闡述，老師指出其中的不足之處并對每個同學的課題的重點進行詳細解釋. 找不到設計的重點和方向。 2學時 2018．03．23 對各個同學目前主要設計的東西進行分析，讓同學們有了清晰的思路。 車體參數(shù)從在問題。 2學時 2018．03．30 檢查已經計算的部分，督促同學盡快完成計算，指導老師對每個同學遇到的問題進行耐心的回答，并對結構設計計算提出了一些建議。 設計出來的行走機構越障越階分析有問題。 2學時 2018．04．06 本次指導過程主要針對的是各個設計中的計算，強調要嚴格按照國家標準進行計算，對計算結果嚴格檢查，不能出現(xiàn)差錯，否則無法進行下一步的工作。 受力分析不完全，存在漏算的受力分析。 2學時 2018．04．13 本次主要檢查結構設計部分，對有問題的地方進行指導糾正，然后對同學們的疑惑進行答疑。 對一些標準零件的型號和規(guī)格不清楚。 2學時 2018．04．20 對已經繪制的零件圖進行了查閱，并指出錯誤。 履帶行走機構繪制錯誤。 2學時 2018．04．25 對已繪制的零件圖進行了進一步的查閱，并催促同學們進行總裝圖的繪制。 對大體結構不清楚。 2學時 2018．04．28 對繪制裝配圖的進度進行了檢查，并催促同學們完成裝配圖。 基本完成所有零件圖和裝配圖的繪制，但是還有一些細節(jié)問題需要優(yōu)化。 2學時 2018．05．04 本次指導老師檢查了裝配體，給出了一定的指導意見，對圖中出現(xiàn)的問題進行仔細的講解。 零件圖中的一些細節(jié)問題還需要進一步的優(yōu)化。 2學時 2018．05．11 本次指導時，在檢查三維圖的同時，建議制作三維運動仿真，還提到了說明書的重要性，催促我們盡快完成說明書。 說明書內摘要部分需要修改，同時還有格式部分也需要修改。 2學時 2018．05．18 本次檢查指導時，基本已經完成了老師對其中的格式字體部分進行檢查，進一步加強了格式的重要性。 對說明書內一些細節(jié)性的格式還需要修改比如：行間距。 2學時 2018．05．22 打印初稿，并交給老師查閱，老師指出問題，進行指導。 參考文獻的選擇 2學時 2018．05．25 整理資料，進行最后的檢查，準備答辯。 2學時 注：本表可續(xù)頁，由指導教師根據(jù)畢業(yè)設計指導工作方案和實際指導情況填寫（可電子版填寫）。 履帶機器人行走機構的設計 摘　要 隨著我國改革開放的不斷開展，我國經濟建設和技術應用都得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展，機器人已成為各個行業(yè)必不可少的關鍵設備。移動機器人相比普通關節(jié)機器人增加了移動機構，移動的方式多種多樣，有腿式移動機構，輪式移動機構，履帶式移動機構等等，選擇何種移動方式決定了移動機器人的工作性質和內容。 本篇論文中提出了一種結構巧妙、機動性好、穩(wěn)定性能高的多功能履帶式機器人設計方案，此設計移動方案的選擇是采用了履帶式驅動結構。結構整體使用模塊化設計，以便后續(xù)拆卸維修，可以適應于各種復雜的路面，并可主動控制前后兩側搖臂的轉動來調節(jié)機器人的運動姿態(tài)，從而達到輔助過坑、越障等動作。機器人的移動機構主要由四部分組成：主動輪減速機構、翼板轉動機構、自適應路面執(zhí)行機構、履帶及履帶輪運動機構。經過合理的設計后機器人將具有很好的環(huán)境適應能力、機動能力并能承受一定的掉落沖擊。 本研究的意義是為機器人提供一個動力輸出平臺，主要完成了履帶移動機構的設計，針對履帶機器人中采用的履帶、減速器、電動機等也進行了必要的闡析，通過對履帶機器人的相關性能要求的驗算，得出設計的結果基本上能夠符合設計要求這一結果。 關鍵詞：履帶機器人;履帶移動機構;模塊化設計 Abstract With the continuous development of China's reform and opening up, China's economic construction and technology application have been developed rapidly and steadily, and robots have become an indispensable key equipment in various industries. Compared with the ordinary mobile robot joint robot increased the mobile mechanism, move in different ways, have legs type mobile mechanism, wheeled mobile mechanism, caterpillar mobile mechanism and so on, choose what kind of way to determine the nature of work and contents of the mobile robot. This paper puts forward a structure, good maneuverability, high stability performance of multi-function crawler robot design, this design is the choice of mobile solutions adopted crawler drive structure. Structure of the overall use of modular design, in order to follow-up maintenance, removal can be adapted to various complicated road, and can turn on either side of the rocker arm before and after active control to regulate the robot's motion, so as to achieve auxiliary pit, surmounting obstacles. The moving mechanism of the robot consists of four parts: the active wheel deceleration mechanism, the rotating mechanism of the airfoil, the adaptive pavement actuator, the crawler and the crawler wheel movement mechanism. After a reasonable design, the robot will have good environmental adaptability, maneuverability and can withstand certain drop impact. The significance of this study is to provide a platform for power output for robot, mainly completed the crawler mobile mechanism design, in view of the tracked robot track, speed reducer, motor and so on has made the necessary expatiates, through calculating the related performance requirements of tracked robot, it is concluded that the design result can basically meet the design requirements of the result. Keywords: tracked robot; tracked mobile mechanism;the modular design 目　錄 第1章 緒 論 1 1.1 引言 1 1.2 履帶機器人的發(fā)展概況 1 1.3 課題研究的意義及目的 3 第2章 履帶機器人的結構設計 3 2.1 履帶式機器人的設計要求 5 2.2 履帶機器人的設計概述 5 2.2.1 多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人原理的對比 5 2.2.2 多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人特點的對比 8 2.2.3 多功能履帶式機器人的設計參數(shù) 9 2.3 履帶機器人的運動特性 9 2.3.1 平面運動及轉彎 9 2.3.2 自撐起及涉水 10 2.3.3 越障 10 2.4 履帶機器人的設計結構和尺寸 11 2.4.1 履帶機器人行走機構的選擇 11 2.4.2 多功能履帶式機器人的結構組成和尺寸 12 2.4.3 多功能履帶式機器人主要機構的工作原理 13 2.5 履帶機器人的越障分析 13 2.5.1 跨越臺階 13 2.5.2 跨越溝槽 14 2.5.3 斜坡運動分析 15 2.6 機器人移動平臺主履帶電機的選擇 16 2.6.1 機器人在平直的路上行駛 16 2.6.2 機器人在30°坡上勻速行駛 17 2.6.3 機器人的多姿態(tài)越階 17 2.7 履帶部分的設計 19 2.7.1 履帶的選擇 19 2.7.2 功率的計算 19 2.7.3 確定帶的型號和節(jié)距 20 2.7.4 確定從動輪的直徑 21 2.7.5 確定節(jié)線長度 23 2.7.6 確定設計功率時所需的帶寬 24 2.7.7 功率驗算 26 2.7.8 同步帶的物理機械性能 27 2.8 履帶主從動輪的設計 27 2.8.1 履帶輪材料選擇 27 2.8.2 履帶輪形狀及其主要尺寸的確定 27 2.8.3 履帶輪齒形及齒面寬度的選擇 28 2.8.4 履帶輪所允許的公差 30 2.9 副履帶部分設計 31 2.9.1 計算副履帶的帶寬 31 2.9.2 計算H帶的基準額定功率 31 2.9.3 中心距的選擇 32 2.9.4 計算副履帶節(jié)線長度 32 2.10 履帶翼板部分設計 33 2.10.1 履帶翼板的作用 33 2.10.2 履帶翼板設計 33 2.11 主履帶的重心計算 34 2.11.1 翼板質量 34 2.11.2 履帶從動輪的質量 35 2.11.3 張緊輪、調節(jié)輪質量 35 2.11.4 履帶驅動裝置重心 35 2.12 副履帶的重心計算 37 2.12.1 主從動輪的重心坐標 37 2.12.2 翼板2的重心坐標 38 2.12.3 副履帶的重心坐標 38 2.13 主履帶及其搖臂也就是副履帶總部分的重心計算 38 第3章 總結 39 參考文獻 41 致　謝 43  第1章 緒 論 1.1 引言 隨著社會的發(fā)展，我們面臨的自身能力、能量的局限越來越多，所以我們創(chuàng)造了各種類型的機器人來輔助或代替我們完成任務。 機器人應用的地方變得越來越多，從單一的生產制造業(yè)發(fā)展到各行各業(yè)，甚至延伸到排爆等危險的具體工作?，F(xiàn)在國內外都開始了對移動機器人的系統(tǒng)研發(fā)和設計，而移動機器人選擇何種移動方式是其設計時最重要的考慮點之一。移動機器人按其移動結構可以分為腿式，輪式和履帶式三大類，這三類各有其優(yōu)缺點。 隨著移動機器人行業(yè)技術的發(fā)展，腿式機器人由于其結構和操作過于復雜，且應用的場地通常有特殊要求，因此并沒有得到廣泛的使用。而目前市場上的移動機器人主流仍是輪式機器人，但是同樣存在著許多缺陷，最大的問題是輪式機器人對行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時極容易打滑；且移動轉向的時候需要整個機器人本體轉動，轉彎半徑較大，占用的行走空間較多。 履帶機器人，主要指搭載履帶底盤機構的機器人，履帶機器人具有牽引力大，不易打滑、越野性能好等優(yōu)點，可以搭載攝像頭、探測器等設備代替人類從事一些危險工作，因此對其進一步的研究是不能忽視的。 1.2 履帶機器人的發(fā)展概況 20世紀60年代到70年代，想到工業(yè)機器人印入腦海的便是自動機械手。機器人移動功能的大力研究和開發(fā)是20世紀80年代以后才開始，現(xiàn)在作為移動機器人而研制的移動機械類型已遠遠超過了機械手。尤其是履帶式機器人，不僅是生物體中沒見過的移動形態(tài)，而且能夠在復雜的環(huán)境下行進。 履帶式機器人包括偵察機器人、巡邏機器人、爆炸處理機器人、步兵支援機器人以及復雜環(huán)境下搜救機器人等，用來代替我們進入危險環(huán)境下完成一些如偵查、搜集資料、救援等工作，從而減少了我們工作的危險系數(shù)，在我們未來的生活與工作中起到非常重要的作用。民用履帶式機器人被廣泛用于工業(yè)生產等各種服務領域，如生產線傳輸、清掃、導盲和搜救復雜環(huán)境下的資料等各個方面。 目前美國的移動機器人的研發(fā)已經取得了突破性的進展，他們成功將該機器人應用到一些危險的環(huán)境中實際作業(yè)，還有部分移動機器人甚至開始在戰(zhàn)爭中嶄露頭角，代表機器人有Packbot機器人，Talon機器人，NUGV等。 圖1-1 RackBot準備展開 圖1-2 RackBot伸展情況 圖1-3 SUGV機器人 圖1-4 Warrior機器人 德國telemax防爆機器人：僅在一兩年前，德國公司出品了一款防爆機器人，現(xiàn)在2006年的新一代機器人已經上市了，其結構比以前的更加輕便，體積更小。這款機器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機器人一樣的功能。 圖1-5 telemax行走姿勢 圖1-6最緊湊姿勢 我國微小型機器人的研究和開發(fā)晚于西方的一些發(fā)達國家，我國是從20世紀80年代開始機器人領域的研究的。其中具有代表性的有中國科學院研制的復合移動機器人“靈晰-B”型排爆機器人，“龍衛(wèi)士Dragon Guard X3B 反恐機器人”，“JW-901 排爆機器人”等。 1.3 課題研究的意義及目的 本研究的意義是為機器人提供一個動力輸出平臺，為開發(fā)各種功能的機器人提供基礎平臺。此設計移動方案的選擇是采用了履帶式驅動結構。結構整體使用模塊化設計，以便后續(xù)拆卸維修，可以適應于各種復雜的路面，并可主動控制前后兩側搖臂的轉動來調節(jié)機器人的運動姿態(tài)，從而達到輔助過坑、越障等動作。經過合理的設計后機器人將具有很好的環(huán)境適應能力、機動能力并能承受一定的掉落沖擊，此設計的移動機構主要由四部分組成：主動輪減速機構、翼板轉動機構、自適應路面執(zhí)行機構、履帶及履帶輪運動機構。 此設計的目的設計結構新穎，能實現(xiàn)過坑、越障等動作。通過在機器人機架上加裝其他功能的模塊來實現(xiàn)不同的使用功能。  第2章 履帶機器人的結構設計 現(xiàn)有市場上常見的移動機器人基本上都是輪式機器人，其基本工作方式為電動機帶動輪子轉動，輪子再將動力傳遞給整個輪式機器人達到讓其自由行走的目的。輪式機器人主要有以下幾個方面的缺點：對行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時極容易打滑；且移動轉向的時候需要整個機器人本體轉動，轉彎半徑較大，占用的行走空間較多；而本設計中的多功能履帶式機器人采用履帶驅動的工作原理，其基本工作方式為行走電動機帶動履帶本體轉動提供履帶式機器人行走的動力，關節(jié)電動機帶動履帶本體調整其行走角度，讓機器人本體能夠自如的翻越障礙。 這兩種移動機器人的工作原理截然不同，兩者結構不同、實現(xiàn)方式不同，使用方法也不相同。本篇論文中的多功能履帶式機器人設計運用了巧妙的機械傳動結構，利用電動機作為機器人行走的源動力，再通過穩(wěn)定的減速器和鏈傳動將電動機的動力傳遞給履帶，使得機器人可以實現(xiàn)自由的行走，且多功能履帶式機器人在遇到障礙物時，通過調整關節(jié)角度，使得整個運動過程更加平穩(wěn)。我們在現(xiàn)有的單節(jié)雙履帶式機器人的理論基礎上改良結構和運動方式，本次設計的多功能履帶式機器人采用雙節(jié)六履帶式結構，機械結構更加優(yōu)化，綜合材質的選擇、結構的簡化，讓使用者更加方便穩(wěn)定的使用該移動機器人，這是本篇論文多功能履帶式機器人的設計初衷。 2.1 履帶式機器人的設計要求 （1）本設計中的多功能履帶式機器人主要在一些人不方便進入的小型場合使用，包括倒塌的建筑物內，災難現(xiàn)場，危險災區(qū)和坍塌煤礦等。 （2）本設計之前綜合考慮，該多功能履帶式機器人應該具有以下功能：產品加工生產成本低，質量安全穩(wěn)定，使用壽命長，結構穩(wěn)固，使用便捷，方便搬運移動。 （3）本設計從履帶機器人底座結構設計進行詳細的設計分析及計算闡述。 2.2 履帶機器人的設計概述 2.2.1 多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人原理的對比 （1）輪式機器人的工作原理 最早出現(xiàn)的移動機器人應當是輪式機器人。隨著各個行業(yè)對移動機器人質量要求的不斷提高，輪式機器人也得到了快速的發(fā)展與運用。 輪式機器人以輪式移動為基礎，相對腿式、履帶式或其它非輪式的移動機器人具有運動速度快、工作效率高、結構簡單、操作容易等優(yōu)勢。與其他移動機器人相比，輪式機器人最大的優(yōu)點便是操作簡單，其行走區(qū)域不需要假設軌道、支座架等固定裝置，電路控制方便簡單，且不易損壞。因此，輪式機器人大多數(shù)在較好的環(huán)境下使用，如今在自動化物流系統(tǒng)中被廣泛使用，利用其快捷性和高效性，實現(xiàn)高物流倉庫高效、經濟、便捷的無人化管理。 輪式機器人，其基本工作原理為電動機帶動輪子轉動，輪子再將動力傳遞給整個輪式機器人達到讓其自由行走的目的。再通過其他輔助功能，如地面控制系統(tǒng)，車載控制系統(tǒng)，導航引導方式等綜合起來形成完整的結構體系。隨著對輪式機器人的深入研究分析，輪式機器人的應用范圍也在不斷擴大,如今也廣泛運用于工業(yè)、軍事、交通運輸、電子等領域,，同樣具有很強的抗干擾能力和目標識別能力。 圖2-1 常見輪式機器人實物圖 （2）腿式機器人的工作原理： 腿足式移動機構分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移動機構優(yōu)點有： (a)腿式機器人的地形適應能力強。 (b)腿式機器人的腿部具有多個自由度，運動更具有靈活性，通過調節(jié)腿的長度可以控制機器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高。 (c)腿式機器人的身體與地面分離，這種機械結構優(yōu)點在于機器人身體可以平穩(wěn)地運動而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移動機器人如圖7-2所示，特點是穩(wěn)定性好，越野能力強。 腿式移動機構缺點有： 該類機器人的移動速度慢，機動性較差．負載不能太重； 腿式機器入對地面適應性和運動靈活性需要進一步提高； 腿式機器人控制系統(tǒng)較為復雜，控制方法還有待完善； 該機構未進入實用化階段。 圖2-2八腿機器人 （3）履帶式機器人的工作原理 在本世紀早期，以電動機作為動力源帶動的單節(jié)雙履帶式機器人就已經出現(xiàn)了。隨著現(xiàn)代工業(yè)應用技術的發(fā)展，如今出現(xiàn)了雙節(jié)四履帶式機器人和多節(jié)多履帶式機器人等等類型的履帶式機器人。 機器人的車體的履帶作為履帶式移動機構，與前臂和后臂轉動相協(xié)調，增加了機器人運動靈活性。 機器人前臂和后臂各有一個伺服電機驅動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調配合，實現(xiàn)前臂和后臂的靈活轉動，在機器人爬坡和越障時發(fā)揮更大作用。機器人前臂和后臂協(xié)調作用，穩(wěn)定性將更好。 機器人車體左右兩邊履帶各有永磁式直流電機驅動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調配合，控制前軸和后軸的速度、力矩，可實現(xiàn)原地360°轉向，前進時的自由轉向，隨時調解爬坡時的力矩大小。在車體主履帶前端是慣性軸，與主動軸配合，保證機器人運動的平穩(wěn)。 圖2-3六履機器人 2.2.2 多功能履帶式機器人與其他類型移動機器人特點的對比 多功能履帶式機器人的優(yōu)點： （1）在惡劣環(huán)境下也可以作業(yè)，越障機動性好； （2）具有很好的自復位能力，可以從任何顛覆狀態(tài)恢復到正常行駛狀態(tài)； （3）履帶上的履齒不容易打滑，與地面的附著性好，能夠最大程度的發(fā)揮電動機的效率 輪式機器人的缺點： （1）對行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時極容易打滑； （2）移動轉向的時候需要整個機器人本體轉動，轉彎半徑較大，占用的行走空間較多 （3）輪式機器人傳動系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，非專業(yè)人員不容易檢查和排除問題。 表2-2典型移動機構的性能對比表 移動方式 輪式 履帶式 腿式 移動速度 快 較快 慢 越障能力 差 一般 好 復雜程度 簡單 一般 復雜 能耗量 小 較小 大 控制難易 易 一般 復雜 2.2.3 多功能履帶式機器人的設計參數(shù) 總體結構 六節(jié)履腿式結構 最大通過坡度 30° 自重 50Kg 通過能力 能通過復雜行道 載荷 〉50Kg 續(xù)航能力 5小時以上 搭載接口 二維隨動搭載平臺 轉向能力 自由轉向 結構尺寸 1205*624*380 履帶高度 200mm 平地最大速度度速度 0.5m/s 前臂履帶末 80mm 正常速度 0.3m/s 后臂履帶末 80mm 圖2-3履帶式機器人的設計參數(shù) 2.3 履帶機器人的運動特性 2.3.1 平面運動及轉彎 平面運動及轉彎是最基本的運動方式，當兩側的履帶同向等速運動時，則表現(xiàn)為直線行走，當兩側履帶反向等速運動可實現(xiàn)原地零半徑回轉，而不同速度同向運動可實現(xiàn)任意半徑轉向。 圖3-1（a）、圖3-1（b）為四擺臂履帶單元同時著地，使機器人與地面的接觸面積增大，可以使機器人適應松軟、泥濘和凹凸不平等各種地形環(huán)境； 圖3-1（a） 圖3-1（b） 圖3-1（c）、圖3-1（d）、圖3-1（e）中當遇到小坡度的斜坡時，可直接爬坡而不必采取其他動作，從而可減少對驅動控制系統(tǒng)要求； 圖3-1（c） 圖3-1（d） 圖3-1（e） 圖3-1（f）為四擺臂單元向上擺到中間位置，可實現(xiàn)機器人小空間轉向運動。 圖3-1（f） 機器人爬坡時，姿態(tài)可以轉變成圖3-1（g）。當坡度較大時，則圖3-1（h）和圖3-1（i）是較好的姿態(tài)，這兩種方式可使機器人重心位于穩(wěn)定狀態(tài)，從而保證機器人順利爬坡。 圖3-1（g） 圖3-1（h） 圖3-1（i） 2.3.2 自撐起及涉水 機器人的主要控制系統(tǒng)和檢測元件則安裝在中間箱體中，為了避免在運動中被損壞，機器人可以通過4個擺臂單元向下擺動，抬高中間箱體的高度。且其以各自不同的擺動角度向下擺動時可使機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自由轉變，從而使機器人完成涉水的動作。 2.3.3 越障 機器人利用擺臂前攻角進行越障，由于機器人擺臂能把車體抬起，所以可越過高于自身高度的障礙物。圖示（a）-（h）表示機器人越過高障礙物的一般過程。履帶利用齒形對障礙物的抓爬力來向上攀爬，同時后擺臂向下擺動以使車體抬高，當擺到與地面垂直時后擺臂停止擺動。當主履帶爬到障礙物上面時，前擺臂向前向下擺動支起車體，機器人繼續(xù)前進，直到其重心越過臺階。重心越過臺階后，前擺臂向前向上擺動直到與地面貼合，同時后擺臂向后向上擺動與車體成一后攻角為止，此時機器人已越上臺階。整個過程中，履帶始終向前爬行。 圖3-2救災機器人越障過程 2.4 履帶機器人的設計結構和尺寸 2.4.1 履帶機器人行走機構的選擇 本文履帶機器人移動系統(tǒng)采用的是履腿式復合結構，總體設計方案如圖2-4所示。機器人的車體的履帶作為履帶式移動機構，與前臂和后臂轉動相協(xié)調，增加了機器人運動靈活性。 機器人前臂和后臂各有一個伺服電機驅動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調配合，實現(xiàn)前臂和后臂的靈活轉動，在機器人爬坡和越障時發(fā)揮更大作用。機器人前臂和后臂協(xié)調作用，穩(wěn)定性將更好。 機器人車體左右兩邊履帶各有永磁式直流電機驅動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調配合，控制前軸和后軸的速度、力矩，可實現(xiàn)原地360°轉向，前進時的自由轉向，隨時調解爬坡時的力矩大小。在車體主履帶前端是慣性軸，與主動軸配合，保證機器人運動的平穩(wěn)。 2.4.2 多功能履帶式機器人的結構組成和尺寸 圖4-1多功能履帶式機器人的設計結構 1.后擺臂及履帶 2.齒輪 3.永磁式直流電機 4. 減速器 5. 蓄電池 6.微控制器及組件 7.步進電機 8. 主履帶 9.前擺臂及履帶 圖4-2機器人車體具體尺寸 2.4.3 多功能履帶式機器人主要機構的工作原理 減速傳動機構是電動機通過行星輪減速器的降速，來實現(xiàn)增大轉矩、調速，通過直齒輪改變軸的方向，輸出后軸轉矩，為機器人提供主要動力。后軸驅動機構驅動后軸位于傳動系的末端。其基本功用是增扭、降速和改變轉矩的傳遞方向。 轉向機構是機器人在行駛過程中，經常需要改變行駛方向，本機構是通過兩個電機的差速比來實現(xiàn)的。 動力部分采用電機，通過齒輪副降速后帶動低速軸的轉動，軸與履帶驅動機構通過導桿滑塊機構連接，使履帶驅動機構各自繞前后軸的中心線轉動，實現(xiàn)機器人不同角度的爬坡和越障能力。 2.5 履帶機器人的越障分析 2.5.1 跨越臺階 當機器人在爬越臺階時，機器人履帶底線與地面之間的夾角將慢慢增大，當重心越過臺階的支撐點時，則完成了爬越臺階的動作。由運動過程可以看出，圖5-1重心的位置處于臨界狀態(tài)，機器人重心只有越過臺階邊緣，機器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機器人的最大越障高度。 圖5-1上臺階臨界狀態(tài)示意圖 由圖5-1所示幾何關系可得： （5-1） 變換式（5-1）可得： （5-2） （5-3） 利用式（5-3）求出，代入式（5-2）可算出機器人跨越障礙的高度。 機器人加裝后臂，可以大幅提高機器人跨越臺階的高度，如圖5-2所示，在后臂伺服電機的驅動下，后臂履帶抬起，成直立，在機器人跨越的高度又要高出H。 所以本次設計履帶設計中機器人跨越障礙的最大高度為： H=600mm 圖5-2上臺階臨界狀態(tài)示意圖 2.5.2 跨越溝槽 對于小于機器人前后履帶輪中心距的溝槽，因機器人重心在機器人車體內，當機器人重心越過下一個溝槽的支撐點時，機器人就越過了溝槽。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內。當溝槽大于中心距時，履帶式機器人可以看做爬越凸臺障礙。履帶式移動機器人跨越溝槽時，當重心越過溝槽邊緣時，受重力作用，機器人將產生前傾現(xiàn)象，運動不穩(wěn)定。由機器人質心變化規(guī)律可知機器人重心在以r為半徑的圓內，由于擺臂展開后機器人履帶與地接觸長度變大，為了計算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應處于展開狀態(tài)。機器人前臂和后臂的長度相等。 機器人在平地圖5-3（a）跨越溝槽的寬度： （5-4） 圖5-3跨越溝槽示意圖 2.5.3 斜坡運動分析 機器人在斜坡上運動時，其受力情況如圖5-4所示，機器人勻速行駛或靜止時，其驅動力： （5-5） 圖5-4機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： （5-6） 當時，機器人能平穩(wěn)行駛。 當時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。 已知履帶機器人對地面的最大靜摩擦系數(shù)，則機器人爬越的最大坡度為: 爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為： （5-7） 通過上述分析，可以根據(jù)機器人履帶與運動面的摩擦系數(shù)來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機的特性，確定其運動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。 由以上計算可得：機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。 2.6 機器人移動平臺主履帶電機的選擇 對于履帶和地面的動摩擦因數(shù)，實際上只是表示起動時車輪所處的滑動狀態(tài)對應的滑動摩擦力，一旦車輪開始轉動，面臨的滾動摩擦力則總是比滑動摩擦力小得多。則可取大一點。 2.6.1 機器人在平直的路上行駛 履帶式機器人在跨越平面的溝槽或在平面移動，假設其速度最大，且勻速前進，則取 履帶式機器人共有兩個輸出軸，每個輸出軸前端都有一個電機，對機器人其中一個輸出軸分析: 圖6-1 平直路線分析 （6-1） （6-2） 又 則 在最大的行駛速度下，驅動電機經過減速箱減速后需要提供的極限轉速為： 2.6.2 機器人在30°坡上勻速行駛 機器人在最大行駛坡度上勻速行駛，設定行駛速度為,,在行駛過程中輪子作純滾動，不考慮空氣阻力的影響，機器人爬坡受力情況如圖 圖6-2 30°坡度分析 （6-3） （6-4） 又，則 則在最大坡度下需提供極限轉矩為 2.6.3 機器人的多姿態(tài)越階 對這幾種姿態(tài)分析，機器人在跨越臺階時直流電機只驅動主履帶，機器人在實際跨越臺階過程中速率不大，那么機器人所需提供的輸出功率也不大。 由以上分析可知，機器人平地直線運動時要求的驅動電機輸出轉速較大，而爬坡時需要驅動電機的輸出轉矩較大。因此，在選電機時，應根據(jù)平地直線運動所求的最大轉速和爬坡運動所求的轉矩進行選擇。 根據(jù)機器人爬坡情況的分析： , 機器在平面狀況下， 因而選取P=80W作為機器人的最大輸出功率。 根據(jù)計算的履帶式機器人的最大輸出功率為80W, 輸出轉矩為22.1N.M, 輸出轉速為56.2r/min。 因為直流電機啟動性能好，過載性能強，可承受頻繁沖擊、制動和反轉，允許沖擊電流可達額定電流的3到5倍。另外在使用過程中可攜帶或可移動的蓄電池，干電池作為供電電源，操作輕巧與方便。根據(jù)直流電機這些性能，滿足主履帶頻繁受沖擊，制動和反轉的要求，滿足機器人要攜帶移動電池的要求，因而則選擇90ZY54型號的直流永磁電機。 表6-1 直流電機數(shù)據(jù) 額定功率 92 額定轉矩 0.6 額定轉速 1500 電流 7 電壓 12 允許正反轉速差 150 因為 則 因為, 則 又 則選取 2.7 履帶部分的設計 2.7.1 履帶的選擇 對于履帶基于標準化的思考，我們選擇了梯形雙面齒同步帶作為設計履帶，其具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準確的傳動比。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。傳動時的線速度可達50m/s，傳動比可達10，效率可達98％。傳動噪音比帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨性好，不需油潤滑，壽命比摩擦帶長。 因為同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大等優(yōu)點，所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，結構緊湊，適宜于多軸傳動，無污染，因此可在工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。 從以上對同步帶性能的分析中可以得出結論，選用梯形雙面齒同步帶作為移動裝置設計履帶能夠滿足設計性能及工作的環(huán)境條件要求。 由已知后軸輸出功率為(即）； 由已知設計裝置移動速度，根據(jù)公式，可得主動輪轉速，預先設計履帶主動輪直徑=169mm，履帶從動輪直徑=169mm，由公式，可得=59.71r/min.。故可以得到設計的已知條件如下： 傳遞名義功率. 主動輪轉速r/min 從動輪轉速 中心距. 2.7.2 功率的計算 式中K--載荷修正系數(shù)（有工作機性能和運轉時間查表7-1可以得到） 表7-1修正載荷系數(shù)K 工作機 運行時間（小時/日） 3~5 8~10 16~24 計算機，醫(yī)療機 1.0 1.2 1.4 縫紉機，辦公機械 1.2 1.4 1.6 輕傳送機，包裝機 1.3 1.5 1.7 攪拌機，造紙機 1.4 1.6 1.8 印刷機，圓形帶鋸 1.4 1.6 1.8 2.7.3 確定帶的型號和節(jié)距 由設計功率=0.1377kw和=59.71r/min，考慮到可以用雙面交錯梯狀齒形同步帶作為履帶使用，由圖7-1查得型號選用XH型，對應節(jié)距=22.225mm，圖7-2為雙面交錯梯狀齒形同步帶的結構圖，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，其兩面帶齒呈對稱排列，圖B為DB型雙面齒同步帶，其兩面帶齒呈交錯位置排列，本裝置設計履帶選擇DB型。XH型同步帶=2.794mm，=15.49 圖7-1梯形齒同步帶，輪選型圖 圖7-2梯形齒形狀圖 表7-2梯形齒標準同步帶型號及其尺寸 槽型 MXL XXL XL L H XH XXH 齒數(shù) 10-23 ≥24 ≥10 ≥10 ≥10 14-19 ＞19 ≥18 ≥18 節(jié)距 ±0.003 2.032 3.175 5.080 5.525 12.700 22.225 31.750 齒半角 A±0.12 28 20 25 25 20 20 20 20 齒高 0.64 0.84 1.40 2.13 2.59 6.88 10.29 齒頂厚 0.61 0.67 0.96 1.27 3.10 4.24 7.59 11.61 齒頂圓角半徑±0.03 0.30 0.30 0.61 0.86 1.47 2.01 2.69 齒根圓角半徑±0.03 0.23 0.28 0.61 0.53 1.04 1.42 1.93 2.82 兩倍節(jié)極距2a 0.508 0.508 0.508 0.762 1.372 2.794 3.048 2.7.4 確定從動輪的直徑 對于梯形標準同步帶來說小帶輪的齒數(shù)是有要求的，能夠保證同步帶運轉是最為基本的，履帶選用的XH形同步帶一樣有齒數(shù)最小要求，由表7-3查得 表7-3小帶輪的最小齒數(shù) 小帶輪轉速 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大，故取履帶主動輪直徑=169mm，履帶從動輪直徑=169mm。 查表7-4，選擇履帶主動輪型號為24XH，履帶從動輪型號為24XH，就近圓整帶輪直徑，查得履帶主動輪直徑=169.79mm，履帶從動輪直徑=169.79mm。 表7-4XH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，如果速度過大會使皮帶輪機構的不穩(wěn)定性增強，有較大的波動現(xiàn)象，并且在單位時間的轉動次數(shù)會增加，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7-5得 表7-5梯形齒同步帶極限速度 型號 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 2.7.5 確定節(jié)線長度 確定中心距，增大中心距，可以增加帶輪的包角，減少單位時間內帶的循環(huán)次數(shù)，有利于提高帶的壽命，但是中心距過大，則會加劇帶的波動，降低帶的傳動平穩(wěn)性，同時增大帶傳動的整體尺寸，中心距過小，則有相反的利弊，取帶傳動的中心距為： 由=169.79mm，=169.79mm.代入上式有： 由于履帶機器人工作的環(huán)境限制，所設計的尺寸不宜過大，選擇中心距的尺寸偏小，初選取=380mm。 根據(jù)帶傳動總體尺寸和中心距的要求，帶的節(jié)線長度可由帶圍繞兩帶輪的周長來計算，根據(jù)下式求得： （7-1） 代入=400mm，=169.79mm，=169.79mm有 1350.79mm 根據(jù)表7-6就近圓整=1422.40mm型號為560XH，同步帶齒數(shù)為64。 表7-6 XH型同步帶節(jié)線型號 XH型（節(jié)距=22.225mm） 規(guī)格 節(jié)線長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 2.7.6 確定設計功率時所需的帶寬 a.計算同步帶的基準額定功率 kw （7-2） 式中許用工作拉力，查表7-4得=4048.90N 單位長度質量，查表7-7得=1.484Kg/m 表7-7七種同步帶型號的主要參數(shù) 帶型號 節(jié)距 基準寬 拉力 質量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： b.計算主動輪嚙合齒數(shù) 小帶輪的嚙合齒數(shù)為： c.確定實際所需帶寬 其中為嚙合系數(shù)由表7-8查的 =1 表7-8嚙合齒數(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7-9查的基準帶寬如下: 表7-9周節(jié)制梯形齒同步帶的寬度 型號 MXL XXL XL L H XH XXH 基準寬度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，所以以此選取標準帶寬，表7-10查的 將其取為標準值 7-10周節(jié)制梯形同步帶的寬度與高度 型號 公稱高度 標準寬度 mm in mm in 代號 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 2.7.7 功率驗算 ,額定功率大于設計功率，則帶的傳動能力已足夠，所選參數(shù)合理， 同時得到作用在軸上的力 2.7.8 同步帶的物理機械性能 本履帶式機器人選用XH帶，其物理機械如下： 表7-11同步帶的物理機械性能 項目 梯形齒 XH L H XH XXH 拉伸強度 80 120 270 380 450 參考力 伸長率 參考力N 60 90 220 300 360 伸長 40 硬度 755 包布粘合強度 5 6.5 8 10 12 芯繩粘合強度 200 380 600 800 1500 齒體剪切強度 50 60 70 75 90 2.8 履帶主從動輪的設計 2.8.1 履帶輪材料選擇 為了減輕履帶驅動裝置的重量，我們選擇硬鋁合金作為履帶主、從動輪的材料，硬鋁合金具有密度小，質量低，強度高，硬度高，耐熱性好的優(yōu)點，能夠滿足設計性能要求。 2.8.2 履帶輪形狀及其主要尺寸的確定 履帶和帶輪的嚙合方式見圖8-1所示，圖中為同步帶輪節(jié)圓或同步帶節(jié)線上測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，主動輪節(jié)圓型號為24XH，=169.79mm，從動輪節(jié)圓型號為24XH，=169.79mm.為同步帶輪實際外圓直徑，主動輪=166.99mm，從動輪=166.99mm。 圖8-1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，由于本設計采用的是電動機、減速器動力總成放在翼板內，直接通過錐齒輪傳遞用后驅動輪輪軸。所以，主動輪選擇兩個單邊單圈，從動輪選擇一個無擋圈，選WS型同步帶輪。 主動輪24XH，齒數(shù)24，徑節(jié)=169.79mm，外徑=166.99mm 主動輪初選兩個雙邊擋圈的帶輪，用于設計中將其組合。 2.8.3 履帶輪齒形及齒面寬度的選擇 根據(jù)圖8-2可以查得XH型梯形雙面齒同步帶輪齒形尺寸如下: 節(jié)距=22.225mm，齒槽=mm，齒深=7.14mm，槽角=，倒角=，=，=3.048mm，根據(jù)表8-3可以查出以上數(shù)據(jù)。 圖8-2齒形尺寸 表8-3梯形雙面齒同步輪齒形尺寸 型號 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，及所選擇的無檔邊帶輪查表8-4可得到梯形雙面齒同步帶輪齒面寬度=83.8。 表8-4同步帶輪齒面寬度尺寸參考表 型號 同步帶寬度 齒輪面寬度 代號 帶寬 雙面檔邊帶輪 單面檔邊帶輪 無檔邊帶輪 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 2.8.4 履帶輪所允許的公差 兩輪所允許的公差如表8-5所示 表8-5允許公差表 項目 小輪 大輪 外徑偏差 +0.15 0 +0.15 0 任意兩相鄰點 節(jié)距 偏差 90度弧內的累積 0.03 0.15 0.03 0.15 外圓徑向圓跳動 0.13 0.15 外圓端面圓跳動 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 外圓及兩齒側表面粗糙度 3.2 3.2 2.9 副履帶部分設計 因為同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大等優(yōu)點，所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，結構緊湊，適宜于多軸傳動，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。 從以上對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裝置副履帶能夠滿足設計性能及工作的環(huán)境條件要求。副履帶的設計是依照主履帶的設計進行的，具有異曲同工之妙。 而副履帶相對了主履帶來說，它是輔助作用，幫助移動平臺具有更出色的越野性能，更擅長于攀爬和越溝。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。其設計方法參照主履帶如下: 介于副履帶的主動輪的直徑選擇應與主履帶的從動輪的相當，則選擇副履帶主動輪直徑。 根據(jù)任務推出 副履帶從動輪直徑 副履帶主動輪齒數(shù) 副履帶從動輪齒數(shù) 2.9.1 計算副履帶的帶寬 根據(jù)前面的表7-7查得到： H帶 選擇標準帶由表7-9差查得 H帶 2.9.2 計算H帶的基準額定功率 計算所選用型號同步帶的基準額定功率: 其中： 得出： 而由： 反推得到設計功率為 2.9.3 中心距的選擇 則確定中心距 2.9.4 計算副履帶節(jié)線長度 根據(jù)帶傳動總體尺寸和中心距的要求，帶的節(jié)線長度可由帶圍繞兩帶輪的周長來計算，根據(jù)下式求得： （9-1） 代入數(shù)據(jù) 根據(jù)表9-1可選帶長為 9-1周節(jié)制梯形齒同步帶節(jié)線長度及齒數(shù) 長度代號 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 -- -- 2.10 履帶翼板部分設計 2.10.1 履帶翼板的作用 履帶翼板是整個履帶驅動裝置中的基礎部分，主要起支撐張緊作用，履帶從動輪，張緊輪和過度輪分別安裝在翼板上。 翼板的材料應滿足質量輕，高強度，高硬度，易加工的優(yōu)點，綜合選擇，所以翼板的材料選擇硬鋁合金。 2.10.2 履帶翼板設計 翼板的主要尺寸見圖10-1所示，履帶主動輪，從動輪，張緊輪和調節(jié)輪在翼板上的位置見圖10-1上部的一個圓孔和下部的兩個圓孔所示，張緊輪翼板設計厚度為18mm。 圖10-1翼板主要尺寸 2.11 主履帶的重心計算 2.11.1 翼板質量 由圖10-1翼板主要尺寸，翼板的設計厚度為18mm，可參考圖11-1翼板三維效果圖，可以求出翼板的體積，翼板材料為硬質合金，密度為2.7 求翼板體積 由于翼板外形較為復雜，直接求其體積較為復雜，可用Ug建立翼板模型見圖11-2，用其質量特性測得翼板的體積。 圖 11-1翼板的三維效果圖 圖11-2 求解翼板體積 2.11.2 履帶從動輪的質量 由前面選擇的履帶從動輪型號為24XH，徑圓直徑=169.8mm，則=84.9mm，從動輪通過圓柱滾子軸承與翼板連接，選擇圓柱滾子軸承外徑D=90mm，輪寬履帶從動輪材料選擇硬質合金，其密度2.7。 2.11.3 張緊輪、調節(jié)輪質量 由于梯形雙面齒同步帶在工作一定時間后會發(fā)生松弛，為了防止同步帶輪因同步帶松弛而發(fā)生打滑現(xiàn)象，可以通過調節(jié)張緊輪的高度使履帶繼續(xù)保持張緊。 當履帶驅動裝置工作時，由于梯形雙面齒同步帶具有彈性，履帶轉動與路面接觸難以形成有效的摩擦力，在履帶主動輪和履帶從動輪之間增加兩個調節(jié)輪，可以有效地增加履帶與路面的接觸面積，從而增大履帶的摩擦力，提高履帶驅動裝置工作效率。 設計張緊輪和調節(jié)輪，在滿足性能要求的前提下，為了減輕重量，張緊輪和調節(jié)輪的材料選用硬