摘 要在微小型履帶機(jī)器人方面美國走在了世界的前列，代表機(jī)器人有Packbot機(jī)器人，Talon 機(jī)器人，NUGV 等。 我國微小型機(jī)器人的研究和開發(fā)晚于西方的一些發(fā)達(dá)國家，我國是從20世紀(jì) 80年代開始機(jī)器人領(lǐng)域的研究的。其中具有代表性的有中國科學(xué)院研制的復(fù)合移動機(jī)器人“靈晰-B”型排爆機(jī)器人，“龍衛(wèi)士 Dragon Guard X3B 反恐機(jī)器人”，“JW-901 排爆機(jī)器人”等。此設(shè)計(jì)的目的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎，能實(shí)現(xiàn)過坑、越障等動作。通過在機(jī)器人機(jī)架上加裝其他功能的模塊來實(shí)現(xiàn)不同的使用功能，本研究的意義是為機(jī)器人提供一個(gè)動力輸出平臺，為開發(fā)各種功能的機(jī)器人提供基礎(chǔ)平臺。此設(shè)計(jì)移動方案的選擇是采用了履帶式驅(qū)動結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)整體使用模塊化設(shè)計(jì)，以便后續(xù)拆卸維修，可以適應(yīng)于各種復(fù)雜的路面，并可主動控制前后兩側(cè)搖臂的轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動姿態(tài)，從而達(dá)到輔助過坑、越障等動作。經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)后機(jī)器人將具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力、機(jī)動能力并能承受一定的掉落沖擊，此設(shè)計(jì)的移動機(jī)構(gòu)主要由四部分組成：主動輪減速機(jī)構(gòu)、翼板轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、自適應(yīng)路面執(zhí)行機(jī)構(gòu)、履帶及履帶輪運(yùn)動機(jī)構(gòu)。關(guān)鍵詞：履帶機(jī)器人;履帶移動機(jī)構(gòu);模塊化設(shè)計(jì)履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2AbstractIn terms of micro small crawler robots walk in the forefront of the world in the United States, on behalf of the robot has disposal robot, Talon robot, NUGV, etc.Miniature robot research and development in our country later than some developed western countries, our country from the 1980 s began to research in the field of robot. One of the typical composite mobile robot developed by the Chinese academy of sciences \“norm of spirit - B\“ type eod robots, \“Dragon Guard Dragon Guard X3B anti-terrorism robot\“, \“JW - 901 eod robot\“, etc.The design is novel, the purpose of this design can achieve pit, surmounting obstacles. Through in the robot arm with other function modules to realize different use function, the significance of this study is to provide a power output for robot platform, provides the basis for the development of all sorts of function of robot platform.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. After reasonable design robots will have good environmental adaptability, mobility and can absorb a certain amount of drop impact, this design of the mobile mechanism is mainly composed of four parts: the driving wheel deceleration institutions, wing rotating mechanism, adaptive pavement actuators, track and track wheel motion mechanism.Keywords: tracked robot; tracked mobile mechanism;the modular design履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)3目 錄摘 要 21 引言 52 履帶機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展 63 履帶機(jī)器人的運(yùn)動特性 94 本研究采用的行走機(jī)構(gòu) 124.1 行走機(jī)構(gòu)的選擇 .124.2 履帶機(jī)器人的功能、性能指標(biāo)與設(shè)計(jì) .134.3 主要機(jī)構(gòu)的工作原理 .145 機(jī)器 人越障分析 155.1 跨越臺階 .155.2 跨越溝槽 .165.3 斜坡運(yùn)動分析 .176 機(jī)器人移動平臺主履帶電機(jī)的選擇 196.1 機(jī)器人在平直的路上行駛 .196.2 機(jī)器人在 30°坡上勻速行駛 206.3 機(jī)器人的多姿態(tài)越階 .217 移動機(jī)構(gòu)的分析及其選擇 237.1 典型移動機(jī)構(gòu)分析 .237.2 本研究采用的移動機(jī)構(gòu) .278 履帶部分設(shè)計(jì) 288.1 履帶的選擇 .288.2 確定主從動輪直徑 .318.5 功率驗(yàn)算 .388.6 同步帶的物理機(jī)械性能 .388.7 履帶主從動輪設(shè)計(jì) .398.8 副履帶部分設(shè)計(jì) .429 履帶翼板部分設(shè)計(jì) .479.1 履帶翼板的作用 .479.2 履帶翼板設(shè)計(jì) .4710 計(jì)算履帶裝置的重心及其各部件重心 4910.1 主履帶的重心計(jì)算 .4910.2 副履帶的重心計(jì)算 .54履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)410.3 主履帶及其搖臂也就是副履帶總部分的重心計(jì)算 .55總 結(jié) 56致 謝 57參考文獻(xiàn) 571 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(jī)器人來輔助或代替我們完成任務(wù)。履帶式機(jī)器人包括偵察機(jī)器人、巡邏機(jī)器人、爆炸處理機(jī)器人、步兵支援機(jī)器人以及復(fù)雜環(huán)境下搜救機(jī)器人等，用來代替我們進(jìn)入危險(xiǎn)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(xiǎn)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(jī)器人被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)等各種服務(wù)領(lǐng)域，如生產(chǎn)線傳輸、清掃、導(dǎo)盲和搜救復(fù)雜環(huán)境下的資料等各個(gè)方面。但我國對機(jī)器人研究起步較晚，大多數(shù)尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段，主要的研究項(xiàng)目有：清華大學(xué)智能移動機(jī)器人于 1994年通過鑒定，還有上海交通大學(xué)的地面移動消防機(jī)器人已投入使用。北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)等單位承擔(dān)的總裝項(xiàng)目“地面軍用機(jī)器人技術(shù)”研究是以卡車、面包車作為平臺的，是大型智能作戰(zhàn)平臺。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的 AGC和防爆機(jī)器人，中國科學(xué)院自動化自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 1996年研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人等。履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)52 履帶機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展20世紀(jì) 60年代到 70年代，想到工業(yè)機(jī)器人印入腦海的便是自動機(jī)械手。機(jī)器人移動功能的大力研究和開發(fā)是 20世紀(jì) 80年代以后才開始，現(xiàn)在作為移動機(jī)器人而研制的移動機(jī)械類型已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了機(jī)械手。尤其是履帶式機(jī)器人，不僅是生物體中沒見過的移動形態(tài)，而且能夠在復(fù)雜的環(huán)境下行進(jìn)。履帶式機(jī)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(jī)器人能夠適應(yīng)各種路面狀況。目前六履帶擺臂式搜救機(jī)器人還是局限于單個(gè)或兩個(gè)自由度。其主要由機(jī)械本體、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)等部分組成。六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的研究涉及以下幾個(gè)方面，首先是移動方式的選擇，對于履帶式移動機(jī)器人，可以是兩履帶式、四履帶式、六履帶式等。其次，考慮驅(qū)動器的控制，以使機(jī)器人達(dá)到期望的功能。再者，必須考慮導(dǎo)航或路徑規(guī)劃，如傳感信息融合，特征提取，避碰以及環(huán)境映射。最后，考慮擺臂角的原理，這方面需要重點(diǎn)考慮，通過控制搖臂的角度來改變自身高度以達(dá)到越障過坑功能是這種機(jī)器人的最大特點(diǎn)。對于這些問題可歸結(jié)為：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)建模、導(dǎo)航與定位、多傳感器信息融合等。下 面 是 各 國 研 發(fā) 的 一 些 履 帶 式 可 變 形 機(jī) 器 人 ：（ 1） 美 國 的 拆 彈 專 家 ：如 圖 2-1、 2-2、 2-3、 2-4 所 示 ， 這 是 美 國 iRobot 的 一 種 較 小型 “PackBot”機(jī) 器 人 ， 現(xiàn) 服 役 于 美 國 軍 隊(duì) ， 它 搭 配 了 一 個(gè) 爆 炸 物 感應(yīng) 系 統(tǒng) ， 能 有 效 地 探 測 炸 彈 。圖 2-3 這 種 iRobot SUGV 的 機(jī) 器 人 是 一 種 小 型 地 面 探 測 車 ， 重 量僅 為 30 磅 。圖 2-4 是 iRobot 生 產(chǎn) 的 “Warrior”機(jī) 器 人 配 備 了 兩 個(gè) 全 自 動 、自 動 裝 彈 、 可 遙 控 的 12 桿 機(jī) 搶 ， 重 量 為 250 磅 。履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)6圖 2-1 RackBot準(zhǔn)備展開 圖 2-2 RackBot伸 展 情 況圖 2-3 SUGV 機(jī) 器 人 圖 2-4 Warrior 機(jī) 器 人（ 2） 德 國 telemax 防 爆 機(jī) 器 人 ： 僅在一兩年前，德國公司出品了一款防爆機(jī)器人，現(xiàn)在 2006年的新一代機(jī)器人已經(jīng)上市了，其結(jié)構(gòu)比以前的更加輕便，體積更小。這款機(jī)器人依靠一個(gè)靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機(jī)器人一樣的功能。履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)7圖 2-5 telemax 行 走 姿 勢 圖 2-6 最 緊 湊 姿 勢通 過 對 國 內(nèi) 外 六 履 帶 擺 臂 式 搜 救 機(jī) 器 人 的 分 析 ， 可 以 看 出 六 履 帶擺 臂 式 搜 救 機(jī) 器 人 今 后 的 發(fā) 展 有 以 下 幾 個(gè) 方 面 的 趨 勢 ：（ 1） 結(jié) 構(gòu) 上 ， 趨 向 小 型 、 微 型 。（ 2） 運(yùn) 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 。履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)83 履帶機(jī)器人的運(yùn)動特性（ 1） 平 面 運(yùn) 動 及 轉(zhuǎn) 彎平 面 運(yùn) 動 及 轉(zhuǎn) 彎 是 最 基 本 的 運(yùn) 動 方 式 ， 當(dāng) 兩 側(cè) 的 履 帶 同 向 等 速 運(yùn)動 時(shí) ， 則 表 現(xiàn) 為 直 線 行 走 ， 當(dāng) 兩 側(cè) 履 帶 反 向 等 速 運(yùn) 動 可 實(shí) 現(xiàn) 原 地 零 半徑 回 轉(zhuǎn) ， 而 不 同 速 度 同 向 運(yùn) 動 可 實(shí) 現(xiàn) 任 意 半 徑 轉(zhuǎn) 向 。圖 3-7（ a） 、 圖 3-7（ b） 為 四 擺 臂 履 帶 單 元 同 時(shí) 著 地 ， 使 機(jī) 器人 與 地 面 的 接 觸 面 積 增 大 ， 可 以 使 機(jī) 器 人 適 應(yīng) 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(dāng) 遇 到 小 坡 度 的 斜 坡時(shí) ， 可 直 接 爬 坡 而 不 必 采 取 其 他 動 作 ， 從 而 可 減 少 對 驅(qū) 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(shí) 現(xiàn) 機(jī) 器 人 小空 間 轉(zhuǎn) 向 運(yùn) 動 。圖 3-1（f）機(jī) 器 人 爬 坡 時(shí) ， 姿 態(tài) 可 以 轉(zhuǎn) 變 成 圖 3-1（ g） 。 當(dāng) 坡 度 較 大 時(shí) ，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(jī) 器 人重 心 位 于 穩(wěn) 定 狀 態(tài) ， 從 而 保 證 機(jī) 器 人 順 利 爬 坡 。履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)9圖 3-1（ g） 圖 3-1（ h） 圖 3-1（ i）（ 2） 自 撐 起 及 涉 水機(jī) 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(yùn) 動 中 被 損 壞 ， 機(jī) 器 人 可 以 通 過 4 個(gè) 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(shí) 可 使 機(jī) 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(nèi) 自 由 轉(zhuǎn)變 ， 從 而 使 機(jī) 器 人 完 成 涉 水 的 動 作 。（ 3） 越 障機(jī) 器 人 利 用 擺 臂 前 攻 角 進(jìn) 行 越 障 ， 由 于 機(jī) 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(jī)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(shí) 后 擺 臂 向 下 擺 動 以 使 車 體 抬 高 ， 當(dāng) 擺 到 與 地 面 垂 直 時(shí) 后擺 臂 停 止 擺 動 。 當(dāng) 主 履 帶 爬 到 障 礙 物 上 面 時(shí) ， 前 擺 臂 向 前 向 下 擺 動 支起 車 體 ， 機(jī) 器 人 繼 續(xù) 前 進(jìn) ， 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(shí) 后 擺 臂 向 后 向 上 擺 動 與 車體 成 一 后 攻 角 為 止 ， 此 時(shí) 機(jī) 器 人 已 越 上 臺 階 。 整 個(gè) 過 程 中 ， 履 帶 始 終向 前 爬 行 。履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)10圖 3-2 救 災(zāi) 機(jī) 器 人 越 障 過 程履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)114 本研究采用的行走機(jī)構(gòu)4.1 行走機(jī)構(gòu)的選擇本文履帶機(jī)器人移動系統(tǒng)采用的是履腿式復(fù)合結(jié)構(gòu)，總體設(shè)計(jì)方案如圖2-4所示。機(jī)器人的車體的履帶作為履帶式移動機(jī)構(gòu)，與前臂和后臂轉(zhuǎn)動相協(xié)調(diào)，增加了機(jī)器人運(yùn)動靈活性。機(jī)器人前臂和后臂各有一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)前臂和后臂的靈活轉(zhuǎn)動，在機(jī)器人爬坡和越障時(shí)發(fā)揮更大作用。機(jī)器人前臂和后臂協(xié)調(diào)作用，穩(wěn)定性將更好。機(jī)器人車體左右兩邊履帶各有永磁式直流電機(jī)驅(qū)動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，控制前軸和后軸的速度、力矩，可實(shí)現(xiàn)原地 360°轉(zhuǎn)向，前進(jìn)時(shí)的自由轉(zhuǎn)向，隨時(shí)調(diào)解爬坡時(shí)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(jī)器人運(yùn)動的平穩(wěn)。 123456789履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)121.后擺臂及履帶 2.齒輪 3.永磁式直流電機(jī) 4. 減速器 5. 蓄電池 6.微控制器及組件 7.步進(jìn)電機(jī) 8. 主履帶 9.前擺臂及履帶 圖4-1 履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成4.2 履帶機(jī)器人的功能、性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)履帶機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)如下：表 4-1 性能參數(shù)總 體 結(jié) 構(gòu) 六 節(jié) 履 腿 式 結(jié) 構(gòu)自 重 50Kg載 荷 〉 50Kg搭 載 接 口 二 維 隨 動 搭 載 平 臺結(jié) 構(gòu) 尺 寸 1205*624*380平 地 最 大 速 度速 度0.5m/s正 常 速 度 0.3m/s最 大 通 過 坡 度 30°通 過 能 力 能 通 過 復(fù) 雜 行 道續(xù) 航 能 力 4 小 時(shí) 以 上轉(zhuǎn) 向 能 力 自 由 轉(zhuǎn) 向履 帶 高 度 200mm前 臂 履 帶 末 端直 徑80mm后 臂 履 帶 末 端直 徑80mm機(jī)器人車體具體尺寸如圖 4-2：履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)13120569040854850624408圖4-2 機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)尺寸4.3 主要機(jī)構(gòu)的工作原理減 速 傳 動 機(jī) 構(gòu) 是 電 動 機(jī) 通 過 行 星 輪 減 速 器 的 降 速 ， 來 實(shí) 現(xiàn) 增大 轉(zhuǎn) 矩 、 調(diào) 速 ， 通 過 直 齒 輪 改 變 軸 的 方 向 ， 輸 出 后 軸 轉(zhuǎn) 矩 ， 為 機(jī)器 人 提 供 主 要 動 力 。 后 軸 驅(qū) 動 機(jī) 構(gòu) 驅(qū) 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(zhuǎn) 矩 的 傳 遞 方 向 。轉(zhuǎn) 向 機(jī) 構(gòu) 機(jī) 器 人 在 行 駛 過 程 中 ， 經(jīng) 常 需 要 改 變 行 駛 方 向 ， 本機(jī) 構(gòu) 是 通 過 兩 個(gè) 電 機(jī) 的 差 速 比 來 實(shí) 現(xiàn) 的 。動 力 部 分 采 用 電 機(jī) ， 通 過 齒 輪 副 降 速 后 帶 動 低 速 軸 的 轉(zhuǎn) 動 ，軸 與 履 帶 驅(qū) 動 機(jī) 構(gòu) 通 過 導(dǎo) 桿 滑 塊 機(jī) 構(gòu) 連 接 ， 使 履 帶 驅(qū) 動 機(jī) 構(gòu) 各 自繞 前 后 軸 的 中 心 線 轉(zhuǎn) 動 ， 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 器 人 不 同 角 度 的 爬 坡 和 越 障 能 力 。履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)145 機(jī)器人越障分析5.1 跨越臺階 當(dāng)機(jī)器人在爬越臺階時(shí)，機(jī)器人履帶底線與地面之間的夾角將慢慢增大，當(dāng)重心越過臺階的支撐點(diǎn)時(shí)，則完成了爬越臺階的動作。由運(yùn)動過程可以看出，圖 5-1重心的位置處于臨界狀態(tài)，機(jī)器人重心只有越過臺階邊緣，機(jī)器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機(jī)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(guān)系可得：( 5-1）cos()cot/sinxLhR?????變換式（5-1）可得： （5-2） /cosLR???（5-3） 2in/0d?利用式（5-3）求出 ，代入式（6-2）可算出機(jī)器人跨越障礙的高度 。1H機(jī)器人加裝后臂，可以大幅提高機(jī)器人跨越臺階的高度，如圖 5-2所示，在后臂伺服電機(jī)的驅(qū)動下，后臂履帶抬起，成 直立，在機(jī)器人跨越的?90高度又要高出 H。履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)15所以本次設(shè)計(jì)履帶設(shè)計(jì)中機(jī)器人跨越障礙的最大高度為 H1max??圖 5-2上臺階臨界狀態(tài)示意圖5.2 跨越溝槽對于小于機(jī)器人前后履帶輪中心距的溝槽，因機(jī)器人重心在機(jī)器人車體內(nèi)，當(dāng)機(jī)器人重心越過下一個(gè)溝槽的支撐點(diǎn)時(shí)，機(jī)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(nèi)。當(dāng)溝槽大于中心距時(shí)，履帶式機(jī)器人可以看做爬越凸臺障礙。履帶式移動機(jī)器人跨越溝槽時(shí)，當(dāng)重心越過溝槽邊緣時(shí)，受重力作用，機(jī)器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運(yùn)動不穩(wěn)定。由機(jī)器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機(jī)器人重心在以 r為半徑的圓內(nèi)，由于擺臂展開后機(jī)器人履帶與地接觸長度變大，為了計(jì)算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應(yīng)處于展開狀態(tài)。機(jī)器人前臂和后臂的長度相等。履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)16（ a） （ b）（ c）圖 5-3跨越溝槽示意圖機(jī)器人在平地圖 5-3（a）跨越溝槽的寬度 ：1L（6-max1Lr??4）5.3 斜坡運(yùn)動分析機(jī) 器 人 在 斜 坡 上 運(yùn) 動 時(shí) ， 其 受 力 情 況 如 圖 5-4 所 示 ， 機(jī) 器 人 勻速 行 駛 或 靜 止 時(shí) ， 其 驅(qū) 動 力 ： （6-sinFG??5）履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)17圖 5-4機(jī)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：?（6-maxcosFG??6）當(dāng) 時(shí)，機(jī)器人能平穩(wěn)行駛。ax?當(dāng) 時(shí)，機(jī)器人受重力的影響將沿斜面下滑。mF?已知履帶機(jī)器人對地面的最大靜摩擦系數(shù) ，則機(jī)器人爬越的最大?坡度為: （6-7）1axtn()????爬坡時(shí)克服摩擦力所需的最大加速度為：（6-max(cosi)g?8）通過上述分析，可以根據(jù)機(jī)器人履帶與運(yùn)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(jī)的特性，確定其運(yùn)動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。由以上計(jì)算可得：機(jī)器人的爬坡角度最大為 ；垂直越障高度最03履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)18大為600mm：最大跨溝寬度為400mm。6 機(jī)器人移動平臺主履帶電機(jī)的選擇對于履帶和地面的動摩擦因數(shù) ， 實(shí)際上只是表示起動時(shí)車輪所?f處的滑動狀態(tài)對應(yīng)的滑動摩擦力，一旦車輪開始轉(zhuǎn)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(diǎn)。56.0??6.1 機(jī)器人在平直的路上行駛履帶式機(jī)器人在跨越平面的溝槽或在平面移動，假設(shè)其速度最大，且勻速前進(jìn)，則取sm/0.5v?kg0?mR85履帶式機(jī)器人共有兩個(gè)輸出軸，每個(gè)輸出軸前端都有一個(gè)電機(jī)，對機(jī)器人其中一個(gè)輸出軸分析:圖 6-1 平直路線分析履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)192mgN?fRML又 則f?m.135NL在最大的行駛速度下，驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為 in/56.2maxrDn???6.2 機(jī)器人在 30°坡上勻速行駛機(jī)器人在最大行駛坡度上勻速行駛，設(shè)定行駛速度為 , ,在sm/0.1??30?行駛過程中輪子作純滾動，不考慮空氣阻力的影響，機(jī)器人爬坡受力情況如圖圖 6-2 30°坡度分析履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)20203cosN??mgRfML???????in又 ，則?mNL/2.1?in/1.Drn???則在最大坡度下需提供極限轉(zhuǎn)矩為 mNML/2.1?6.3 機(jī)器人的多姿態(tài)越階對這幾種姿態(tài)分析，機(jī)器人在跨越臺階時(shí)直流電機(jī)只驅(qū)動主履帶，機(jī)器人在實(shí)際跨越臺階過程中速率不大，那么機(jī)器人所需提供的輸出功率也不大。由以上分析可知，機(jī)器人平地直線運(yùn)動時(shí)要求的驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較大，而爬坡時(shí)需要驅(qū)動電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較大。因此，在選電機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)平地直線運(yùn)動所求的最大轉(zhuǎn)速和爬坡運(yùn)動所求的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行選擇。根據(jù)機(jī)器人爬坡情況的分析，,mNMTL.21?in/1.2rnw?Wnw6950P?機(jī)器在平面狀況下 ，mNTL.35in/56.2rw?w80.21?因而選取 P=80W作為機(jī)器人的最大輸出功率。根據(jù)計(jì)算的履帶式機(jī)器人的最大輸出功率為 80W, 輸出轉(zhuǎn)矩為22.1N.M, 輸出轉(zhuǎn)速為 56.2r/min因?yàn)橹绷麟姍C(jī)啟動性能好，過載性能強(qiáng)，可承受頻繁沖擊、制動和履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)21反轉(zhuǎn)，允許沖擊電流可達(dá)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(jī)這些性能，滿足主履帶頻繁受沖擊，制動和反轉(zhuǎn)的要求，滿足機(jī)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(jī)額定功率 /W92額定轉(zhuǎn)矩 MN.0.6額定轉(zhuǎn)速 1min/?r1500電流 A7電壓 V/ 12允許正反轉(zhuǎn)速差 1in/?r150圖 7-3 直流電機(jī)數(shù)據(jù)因?yàn)? 則WP80,92?輸額 .6額輸w?因?yàn)?, 則min/150rn?額 in/56.2r?輸 26.7?輸額w又 3.86.2maxTisw則選取 i?履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)227 移動機(jī)構(gòu)的分析及其選擇由 電 動 機(jī) 輸 出 的 動 力 ， 需 要 通 過 傳 動 系 統(tǒng) 傳 遞 到 機(jī) 器 人 移 動 平臺 的 后 輪 上 ， 以 便 驅(qū) 動 機(jī) 器 人 運(yùn) 動 。 可 見 傳 動 系 統(tǒng) 是 整 個(gè) 移 動 平 臺實(shí) 現(xiàn) 是 運(yùn) 動 功 能 的 紐 帶 和 關(guān) 鍵 。7.1 典型移動機(jī)構(gòu)分析機(jī) 器 人 按 移 動 方 式 分 主 要 有 輪 式 、 履 帶 式 、 腿 足 式 三 種 ， 另 外還 有 步 進(jìn) 移 動 式 、 蠕 動 式 、 混 合 移 動 式 、 蛇 行 移 動 式 等 。7.1.1 輪式移動機(jī)構(gòu)特點(diǎn)輪 式 移 動 機(jī) 構(gòu) 是 最 為 普 通 的 運(yùn) 動 方 式 ， 輪 式 機(jī) 器 人 移 動 機(jī) 構(gòu) 普遍 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡 單 、 速 度 快 、 節(jié) 能 、 靈 活 的 特 點(diǎn) ， 同 時(shí) 具 有 自 重 輕 、不 損 壞 路 面 、 作 業(yè) 循 環(huán) 時(shí) 間 短 和 效 率 高 等 優(yōu) 勢 。 并 且 編 程 簡 單 可 靠性 高 ， 每 個(gè) 輪 子 都 可 以 獨(dú) 立 驅(qū) 動 。 與 履 帶 式 移 動 機(jī) 器 人 相 比 ， 當(dāng) 跨越 不 平 坦 地 形 時(shí) ， 輪 式 機(jī) 器 人 則 存 在 明 顯 的 不 足 ， 其 穩(wěn) 定 性 和 對 環(huán)境 的 適 應(yīng) 性 完 全 依 賴 于 環(huán) 境 本 身 的 狀 況 ， 對 于 進(jìn) 入 復(fù) 雜 的 環(huán) 境 完 成既 定 任 務(wù) 存 在 嚴(yán) 重 的 困 難 。 輪 式 移 動 機(jī) 構(gòu) 按 輪 的 數(shù) 量 可 分 為 2 輪 、3 輪 、 4 輪 、 6 輪 、 8 輪 。 該 結(jié) 構(gòu) 有 一 定 的 局 限 性 ， 只 能 在 相 對 平 坦 、表 面 較 硬 的 路 面 上 行 駛 ， 如 遇 到 軟 性 地 面 容 易 打 滑 、 沉 陷 ， 但 可 根據(jù) 具 體 地 面 環(huán) 境 采 用 一 些 預(yù) 防 措 施 來 緩 解 該 類 情 況 的 出 現(xiàn) ， 如 圖7-1 所 示 。履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)23圖 7-1 輪 式 移 動 裝 置 示 意 圖7.1.2 腿式移動機(jī)構(gòu)特點(diǎn)腿 足 式 移 動 機(jī) 構(gòu) 分 2 腿 、 4 腿 、 6 腿 、 8 腿 等 形 式 。 腿 式 移 動機(jī) 構(gòu) 優(yōu) 點(diǎn) 有 ：(1)腿 式 機(jī) 器 人 的 地 形 適 應(yīng) 能 力 強(qiáng) 。(2)腿 式 機(jī) 器 人 的 腿 部 具 有 多 個(gè) 自 由 度 ， 運(yùn) 動 更 具 有 靈 活 性 ，通 過 調(diào) 節(jié) 腿 的 長 度 可 以 控 制 機(jī) 器 人 重 心 位 置 ， 因 此 不 易 翻 倒 ， 穩(wěn) 定性 更 高 ；(3)腿 式 機(jī) 器 人 的 身 體 與 地 面 分 離 ， 這 種 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 點(diǎn) 在 于 機(jī)器 人 身 體 可 以 平 穩(wěn) 地 運(yùn) 動 而 不 必 考 慮 地 面 的 租 糙 程 度 和 腿 的 放 位 置 ，8 腿 移 動 機(jī) 器 人 如 圖 7-2 所 示 ， 特 點(diǎn) 是 穩(wěn) 定 性 好 ， 越 野 能 力 強(qiáng) 。腿 式 移 動 機(jī) 構(gòu) 缺 點(diǎn) 有 ：該 類 機(jī) 器 人 的 移 動 速 度 慢 ， 機(jī) 動 性 較 差 ． 負(fù) 載 不 能 太 重 ；腿 式 機(jī) 器 入 對 地 面 適 應(yīng) 性 和 運(yùn) 動 靈 活 性 需 要 進(jìn) 一 步 提 高 ；腿 式 機(jī) 器 人 控 制 系 統(tǒng) 較 為 復(fù) 雜 ， 控 制 方 法 還 有 待 完 善 ；該 機(jī) 構(gòu) 未 進(jìn) 入 實(shí) 用 化 階 段 。履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)24圖 7-2 八 腿 機(jī) 器 人圖 7-3 六 履 機(jī) 器 人7.1.3 履帶式移動機(jī)構(gòu)特點(diǎn)履 帶 式 移 動 機(jī) 構(gòu) 分 為 l 條 履 帶 、 2 條 履 帶 (履 帶 可 車 體 左 右 布置 或 者 車 體 前 后 布 置 )、 3 條 履 帶 、 4 條 履 帶 ． 6 條 履 帶 ， 移 動 方式 優(yōu) 點(diǎn) 在 于 機(jī) 動 性 能 好 、 越 野 性 能 強(qiáng) ， 缺 點(diǎn) 是 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 、 重 量 大 、摩 擦 阻 力 大 ， 機(jī) 械 效 率 低 ， 在 自 身 重 量 比 較 大 的 情 況 下 會 對 路 面 產(chǎn)生 一 定 的 破 壞 。 履 帶 式 移 動 機(jī) 構(gòu) 比 較 輪 式 移 動 機(jī) 構(gòu) 有 以 下 幾 個(gè) 特 點(diǎn) ：(1)撐 面 積 大 、 接 地 比 壓 小 、 滾 動 阻 尼 小 、 通 過 性 比 較 好 ；(2)越 野 機(jī) 動 性 能 好 ， 爬 坡 越 溝 等 性 能 均 優(yōu) 于 輪 式 結(jié) 構(gòu) ；(3)履 帶 支 撐 面 上 有 履 齒 不 打 滑 ， 牽 引 附 著 性 能 好 ；(4)結(jié) 構(gòu) 較 復(fù) 雜 重 量 大 ， 運(yùn) 動 慣 性 大 ， 減 震 功 能 差 ， 零 件 易 損壞 。六 履 帶 機(jī) 器 人 車 體 前 后 各 有 一 對 履 帶 鰭 ， 可 以 輔 助 翻 越 障 礙 ，履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)25運(yùn) 動 十 分 靈 活 。7.1.4 履、腿式移動機(jī)構(gòu)特點(diǎn)履 腿 復(fù) 合 移 動 機(jī) 構(gòu) 結(jié) 合 了 履 帶 式 和 腿 式 兩 種 移 動 機(jī) 構(gòu) 的 優(yōu) 勢 ，在 地 面 適 應(yīng) 性 能 、 越 障 性 能 方 面 有 良 好 表 現(xiàn) 。 履 帶 移 動 機(jī) 構(gòu) 地 面 適應(yīng) 性 能 好 ， 在 復(fù) 雜 的 野 外 環(huán) 境 中 能 通 過 各 種 崎 嶇 路 面 ， 它 的 活 動 范圍 廣 ， 性 能 可 靠 ， 使 用 壽 命 長 ， 輪 式 移 動 機(jī) 構(gòu) 無 法 與 其 比 擬 ， 適 合作 為 機(jī) 器 人 的 推 進(jìn) 系 統(tǒng) ； 傳 統(tǒng) 履 帶 移 動 機(jī) 構(gòu) 往 往 是 兩 條 履 帶 與 車 身相 對 固 定 ， 很 大 程 度 上 限 制 了 機(jī) 器 人 地 形 適 應(yīng) 能 力 ， 為 了 解 決 該 問題 履 式 移 動 系 統(tǒng) 中 引 入 了 關(guān) 節(jié) 履 帶 機(jī) 構(gòu) ， 兩 條 履 帶 不 再 相 對 車 體 固定 而 是 能 繞 車 身 轉(zhuǎn) 動 ， 這 樣 能 大 大 提 高 機(jī) 器 人 的 環(huán) 境 適 應(yīng) 能 力 ， 但履 、 腿 復(fù) 合 機(jī) 構(gòu) 本 身 存 在 著 一 定 的 不 足 如 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 、 運(yùn) 動 控 制 困 難等 。7.1.5 輪、履、腿式移動機(jī)構(gòu)性能比較車 輪 式 ， 履 帶 式 、 腿 足 式 移 動 系 統(tǒng) 性 能 比 較 見 表 7-1 示 ：表 7-1 典 型 移 動 機(jī) 構(gòu) 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(fù) 雜 程 度 簡 單 一 般 復(fù) 雜能 耗 量 小 較 小 大控 制 難 易 易 一 般 復(fù) 雜履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)267.2 本研究采用的移動機(jī)構(gòu)本 研 究 的 的 機(jī) 器 人 移 動 機(jī) 構(gòu) 采 用 了 履 帶 式 。 如 圖 7-4 所 示 ，這 種 機(jī) 構(gòu) 中 的 移 動 履 帶 的 作 用 ， 在 復(fù) 雜 環(huán) 境 中 起 傳 遞 動 力 作 用 。 后移 動 輪 為 主 動 輪 ， 前 移 動 輪 為 從 動 輪 ， 二 者 通 過 移 動 履 帶 來 傳 遞 動力 ， 實(shí) 現(xiàn) 同 運(yùn) 動 。圖 7-4 輪 履 復(fù) 合 式 移 動 機(jī) 構(gòu)履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)278 履帶部分設(shè)計(jì)8.1 履帶的選擇對 于 履 帶 基 于 標(biāo) 準(zhǔn) 化 的 思 考 ， 我 們 選 擇 了 梯 形 雙 面 齒 同 步 帶 作為 設(shè) 計(jì) 履 帶 ， 其 具 有 帶 傳 動 、 鏈 傳 動 和 齒 輪 傳 動 的 優(yōu) 點(diǎn) 。 由 于 帶 與帶 輪 是 靠 嚙 合 傳 遞 運(yùn) 動 和 動 力 ， 故 帶 與 帶 輪 間 無 相 對 滑 動 ， 能 保 證準(zhǔn) 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(shí) 的 線 速 度 可 達(dá) 50m/s， 傳 動 比 可 達(dá)10， 效 率 可 達(dá) 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(zhǔn) 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(diǎn) ， 所 以 傳 遞功 率 可 以 從 幾 瓦 到 百 千 瓦 。 傳 動 效 率 高 ， 結(jié) 構(gòu) 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(jié) 論 ， 選 用 梯 形 雙 面 齒同 步 帶 作 為 移 動 裝 置 設(shè) 計(jì) 履 帶 能 夠 滿 足 設(shè) 計(jì) 性 能 及 工 作 的 環(huán) 境 條 件要 求 。由已知后軸輸出功率為 (即 ） ；wp81?k081.由已知設(shè)計(jì)裝置移動速度 ，根據(jù)公式 ，可得主動輪smv/5. rnvπ2?轉(zhuǎn)速 ，預(yù)先設(shè)計(jì)履帶主動輪直徑 =169mm，履帶in/7.592/1rvn?? d1從動輪直徑 =169mm， 由 公 式 ， 可 得 =59.71r/min.。 故 可dd12?2以 得 到 設(shè) 計(jì) 的 已 知 條 件 如 下 ：傳 遞 名 義 功 率 .wpm8履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)28主 動 輪 轉(zhuǎn) 速 r/min71.59?n從 動 輪 轉(zhuǎn) 速 2中 心 距 .380a8.1.1 功率的計(jì)算 kwpkmd 137????式 中 K--載 荷 修 正 系 數(shù) （ 有 工 作 機(jī) 性 能 和 運(yùn) 轉(zhuǎn) 時(shí) 間 查 表 8-1可 以 得 到 ）表 8-1 修 正 載 荷 系 數(shù) K運(yùn) 行 時(shí) 間 （ 小 時(shí) /日 ）工 作 機(jī)3~5 8~10 16~24計(jì) 算 機(jī) ， 醫(yī) 療機(jī) 1.0 1.2 1.4縫 紉 機(jī) ， 辦 公機(jī) 械 1.2 1.4 1.6輕 傳 送 機(jī) ， 包裝 機(jī) 1.3 1.5 1.7攪 拌 機(jī) ， 造 紙機(jī) 1.4 1.6 1.8印 刷 機(jī) ， 圓 形帶 鋸 1.4 1.6 1.88.1.2 確定帶的型號和節(jié)距由 設(shè) 計(jì) 功 率 =0.1377kw 和 =59.71r/min， 考 慮 到 可 以 用 雙 面 交 錯(cuò)Pdn1梯 狀 齒 形 同 步 帶 作 為 履 帶 使 用 ， 由 圖 8-1 查 得 型 號 選 用 XH 型 ， 對應(yīng) 節(jié) 距 =22.225mm， 圖 8-2 為 雙 面 交 錯(cuò) 梯 狀 齒 形 同 步 帶 的 結(jié) 構(gòu) 圖 ，b履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)29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(cuò) 位 置 排 列 ， 本 裝 置 設(shè) 計(jì) 履 帶 選 擇 DB型 。 XH 型 同 步 帶 =2.794mm， =15.49 WT圖 8-1 梯 形 齒 同 步 帶 ， 輪 選 型 圖圖 8-2 梯 形 齒 形 狀 圖本 裝 置 選 擇 的 梯 形 BD 型 XH 同 步 帶 的 具 體 參 數(shù) 如 下 表 8-2表 8-2 梯 形 齒 標(biāo) 準(zhǔn) 同 步 帶 型 號 以 及 齒 尺 寸履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)308.2 確定主從動輪直徑對于梯形標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)轉(zhuǎn)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 8-3查的min124z?取 ：表 8-3 小 帶 輪 的 最 小 齒 數(shù)