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1、摘 要灾害发生之后为了能够尽快地搜救被困人员，人们开发了各种各样的灾害生命搜索定位设备，搜救机器人就是其中的一种。搜救机器人的应用涉及到搜救策略和搜救机器人本体技术开发两个问题，这两个方面的不断研究将共同推动搜救机器人的应用和发展。搜救机器人使用策略的首要问题就是如何选用搜救机器人的问题。当前世界各国正在开发了各式各样的灾害搜救机器人，然而到目前为止这些机器人系统还没有一套明确统一的描述标准和评价办法，这给如何选择使用合适的机器人参与具体的救援行动带来了很大的困难。煤矿搜救机器人本身的研究和开发，也是当前煤矿救援研究的重点方向之一。本文详细介绍了履带式复杂地形机器人平台结构的组成。首先对履带机
2、器人移动平台的总体结构进行设计，从而设计了移动平台的驱动系统结构，同时考虑了机器人移动平台的通用性，设计了回转平台结构和升降机构，以便机器人能够适应不同的环境的工作。本文还对驱动系统中间传动机构进行了设计计算和校核。从机器人的行走条件入手，建立其运动模型，对机器人行走系的运动学与动力学进行分析，对运行及越障过程和抗倾覆能力进行分析研究。通过分析计算本设计能够满足设计要求，为下一步深入研究奠定了基础。关键词 救援 机器人 履带 传动机构 AbstractIn order to search and rescue victims in time after a disaster, people h
3、ave developed kinds of search and rescue equipments, the search and rescue robot is one of them. Its apply of search and rescue robots (SARR), we need to research two problems, one is the rescue strategy, and the other is the development of SARR. They promote the applications and development of SARR
4、 together. The most important issue of the strategy to use of search and rescue robot is how to choose the search and rescue robots. By far, kinds of search and rescue robots have been developed by different countries, but there is not a uniform and definite description standard of them,this makes i
5、t difficult to select and uce appropriate robot for undertaking the concrete tasks. The research and development of the Mine rescue robot is also one of the focuses of the study Of the current Coal mine rescue .This thesis described constitute of crawler complex terrain robot platforms structure. Fi
6、rst this thesis designed the overall structure of mobile platform of robot, further the driven part of the structure of mobile platform. Taking into the mobile robot platform interoperability, designed a rotating platform and organization of ascend and descend to the robot can adapt to the environme
7、nt. And designed and verified the middle spread to move organization of the drive system. Analyzed the kinematics and dynamics of robots walking system. Established its campaign model from running conditions, researched on obstacle-crossing and the capability of anti-overturning. The design would pr
8、ovide base for further researching. Key words SAR Robot Track Transmission 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪 论11.1 研究背景11.2 国内外发展现状21.3 本课题的研究内容51.3.1 本课题的任务要求51.3.2 本课题的研究内容5第2章 移动平台结构设计62.1 移动平台总体结构设计62.1.1 移动方式的选择62.1.2 总体结构方案的确定72.1.3 履带底盘总体基本尺寸的确定102.2 驱动系统结构设计132.3 回转平台的结构设计152.4 剪式升降平台设计16第3章 驱动系统设计计算与校
9、核193.1 中间传动机构设计计算193.1.1 齿轮传动的特点和应用193.1.2 中间级齿轮传动主要参数的确定193.2 驱动轴的校核243.2.1 驱动轴结构设计253.2.2 驱动轮轴受力分析253.2.3 驱动轴强度的校核28第4章 履带机器人的运动学与动力学分析324.1 履带机器人的运动学分析324.1.1 移动平台运动坐标系的建立324.1.2 运动学模型334.1.3 逆运动模型354.2 移动平台动力学分析364.2.1 移动机器人运动机理研究364.2.2 电机的选择374.2.3 移动平台在正常环境下行驶分析384.2.4 机器人爬坡行驶分析394.2.5 机器人越障过
10、程分析404.2.6 机器人越沟槽分析424.2.7 机器人行走抗倾覆状态分析44第5章 经济技术分析45结 论46致 谢47参 考 文 献48附录 150附录 254IV第1章 绪 论1.1 研究背景我国是世界产煤大国,由于作业设备与工艺相对落后,管理水平欠缺等原因,各类矿难事故频繁发生,导致煤矿事故死亡人数居世界首位。近年来由于国内对煤炭需求的不断增加,煤炭企业超负荷运转,导致煤炭生产的安全形势仍有进一步恶化的趋势。死亡率居高不下的原因除了机械化程度低、煤层地质结构复杂、高瓦斯矿井多等原因之外,矿难救援水平落后也是一个不可忽略的重要因素。事故发生后无法迅速准确地得到灾难现场的信息,如瓦斯浓
11、度的高低、灾难现场是否发生火灾、被困或遇难人员的位置以及现场温度、氧气含量、CO等有害气体的含量、现场倒塌状况等。常常会因为井下复杂危险的环境而阻碍救援人员深入井下开展工作，从而延误了救援工作的开展。血的事实告诉我们，没有高效的灾害生命搜索定位装备，没有实用的应急救助设备，在灾害发生之后，我们就无力营救我们被困的矿工，无法为我们的同胞提供应有的帮助。开展应急救灾搜索定位装备是当前函待解决的重大课题，它关系到我们的建设和谐社会主义的理念能否体现，它关系到我们的人权和我们的国际声誉。搜救机器人作为一种高效的搜索定位工具已经开始在灾害救助工作中崭露头角。像煤矿井下这类环境恶劣的情况下，正是搜救机器人
12、的理想工作场合。目前我国搜救机器人水平与国外相关技术差距很大，主要是我国一直以来没有对搜救机器人研究与开发给与足够的重视，人力物力财力投入较少1。而美国、日本以及欧洲发达国家都已经在广泛开展危险场合下的机器人研究和应用工作，政府部门也将危险环境下的搜救机器人研究列为了关键技术加以扶植。国际国内针对于煤矿搜救机器人的研究和应用正处于起步阶段，我国中国矿业大学研制了一台煤矿救援机器人，取得了一定的成绩。本设计主要对井下救援机器人的结构进行设计，然而煤矿搜救机器人的应用研究和开发是一个大的系统，还有很多的工作和任务需要完成，这需要很多人的长时间的工作和努力才能最终实现。1.2 国内外发展现状（1）国
13、外机器人的发展过程及现状救援机器人于20世纪80年代从国外开始起步，并于1995年日本神户一大阪及随后的美国俄克拉马荷州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案发生之后引起了大地震及随后的美国俄克拉马荷州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案发生之后引起了人们的广泛关注。在这一阶段虽然在理论上搜救机器人技术己经日趋成熟，但基本上还停留在实验室阶段，参加实际救援行动较少。2001年美国9.11事件发生之后，美国机器人辅助救援中心应邀参加了灾后救援行动，这是搜救机器人第一次正式参加实际灾害救援行动。USAR、南佛罗里达大学、Foste- Miller公司等几家单位的机器人参与了此次行动并取得了一定程度的成功，同时也暴露出了一些
14、不符合救援任务要求等缺点2。虽然美国、日本等西方发达国家近年来在救援机器人的研究方面做了大量工作,取得了不少的研究成果,但重点放在了地震、火灾等救援机器人的研究工作上。究其原因在于近10 多年来其煤矿安全状况的大大改善3。目前,美、英、德、澳等发达国已基本消灭了矿难重大死亡事故。尽管如此,美国等国家仍然在矿难救援机器人的研究方面投入了不少的精力。图1-1是卡耐基-梅隆大学在美国政府基金资助下于2003年完成的矿难搜救机器人,它是一个完全自主的不需要人工干预的矿难搜救机器人。图1-2是美国劳工部矿业安全与卫生局花巨资购买的用于矿难救援的机器人4。 图1-1 图1-22006年初,美国西弗吉尼亚S
15、ago煤矿发生矿难,造成12名矿工死亡。事故发生后,救援人员使用GPS测定被困矿工的方位,然后从地面上钻了3个深孔,以便给井下输送氧气,同时期望对井下的状况进行检测。救援人员通过深孔向井下派出了一个救援机器人,如图1-3所示,这是搜救机器人被第1次用于矿难的救援,但最终因机器人中途行进过程中陷入泥潭而受阻5。图1-3（2）我国搜救机器人的现状我国的搜救机器人技术起步较晚，但是近年来引起了越来越多的关注并取得了一定的成果，沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学、国防科技大学、上海交通大学、广东富卫公司等机构都设计了自己的搜救机器人系统6。2005年中科院沈阳自动化研究所与日本国际救援系统研究院联合成立
16、的“中日救援与安全机器人技术研究中心“在沈阳揭牌成立，这标志着我国的搜救机器人研究进入了一个更加快速发展的时期。2006年6月22日，由中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所研制的国内首台煤矿搜救机器人(样机图1-4)在徐州诞生。这台煤矿搜救机器人采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式，能在煤矿灾害发生后深入事故现场，探测火灾温度、瓦斯浓度、灾害场景、呼救声讯等信息，并实时回传采集到的信息和图像，为救灾指挥人员提供重要的灾害信息7。图1-4同时，机器人还能携带急救药品、生命维持液、食品和千斤顶、撬棍等自救工具以协助被困人员实施自救和逃生。2006年11月8日，山东省科学院自动化研究所联合图1
17、-4沈阳新松机器人有限公司申报的山东省2006年自主创新重大科技专项井下探险搜救机器人的研究正式通过审批8。该项目将开展适合井下复杂路况和环境的探险搜救机器人的研究，攻克探险搜救机器人瓦斯等气体、环境参数、生命探测等以及防水、防爆和无线通讯等关键技术，建立完善的探险搜救机器人开发和试验环境，完成井下探险机器人和搜救机器人的研制和示范应用。 1.3 本课题的研究内容1.3.1 本课题的任务要求 本设计的任务是研究井下探测救援机器人移动平台的结构设计，其具体性能指标为： 1垂直越障高度为0.3m； 2最大爬坡角度不小于40；3最大进退速度不小于0.5m/s；4最大跨沟槽宽度400mm；5机器人平台
18、和搭载装置总重不超过40kg。1.3.2 本课题的研究内容1机器人移动平台的总体结构设计； 2移动平台驱动系统结构设计； 3回转平台的设计；4升降机构的设计；5移动平台运动与动力学分析。第2章 移动平台结构设计2.1 移动平台总体结构设计2.1.1 移动方式的选择移动平台是移动机器人的重要执行部件，其行走系由驱动装置、传动装置、位置检测元件、传感器等组成。它一方面支承机器人的机身、臂和手部等工作装置，因而必须具有足够的刚度和稳定性；另一方面还要求能够根据作业任务的要求，带动机器人实现在工作空间内运动9。移动平台的作业环境非常复杂，其环境因素主要包括原有的天然环境，以及各种人工干预的环境，称之为
19、非结构化环境。对于移动机器人来说，非结构环境是多样的，一般由平坦的地面、斜坡、障碍、台阶、壕沟、浅坑等地形组成。实质上，最典型的情况是斜坡、向上和向下的台阶，所有的地形可简化为以上三种典型地形的组合，移动机构只要能够通过上述三种地形及其组合，即可通过一系列动作顺序通过各种复杂的环境。移动平台机构按其行走系运动轨迹可分为固定轨迹式和无固定轨迹式。固定轨迹式行走机构主要用于工业机器人，如横梁式机器人。无固定轨迹式行走系按其行走机构的特点分为轮式行走部、履带式行走部和关节式行走部。在行走过程中，前两者与地面连续接触，其形态为运行车式，该机构用得比较多，多用于野外、较大型作业方面，也比较成熟。后者与地
20、面为间断接触，为人类(或动物)的腿脚式，该机构正在发展和完善中10。在本设计中要求机器人对其工作环境的多种地形具有一定的适应能力，并且能够运行稳定，因此综合考虑设计要求选择履带式移动方式。履带移动机构具有以下特点：(1)支承面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，通过性能较好11；(2)越野机动性能好，爬坡、越沟等性能好；(3)履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好有利于发挥较大的牵引力；(4)结构复杂，重量大，运动惯性大，减振差，零件易损坏12。 与轮式机器人相比履带式移动机构能够克服其比压大，越障能力跨沟力差及打滑等缺点，同时又能改善步行移动机构运动不平稳
21、，爬坡能力弱，易倾倒的特点，并且技术成熟，易于控制。2.1.2 总体结构方案的确定 移动平台是整个机器人实现各项任务的载体，在机器人总体结构设计时，要考虑到机器人的整体刚度与强度，考虑机器人的越障性能，要求机器人能够满足工作条件等多方面因素的制约，使机器人满足结构简单，可靠，小型化，轻量化的要求，并且要考虑机器人平台的通用性。在确定行走机构方案的前提下，首先对移动平台的整体结构进行初步设计，移动平台结构简图见图2-1。图2-1 移动平台结构示意图1摆臂 2摆臂驱动电机3摆臂电机4同步带 5电池箱6回转平台 7驱动电机8摆臂导向轮9摆臂驱动轮10支重轮 11驱动轮移动平台是行走机器人的关键部分，
22、其性能直接影响到机器人的整体性能，它一方面要支承机器人的机身和工作台，要求有足够的刚度和稳定性，另一方面要考虑其搭载工作装置的工作空间。因此移动机构在设计上采用整体框架的结构，同时考虑其整体的密封性，在车体内部设置了多个隔离舱室，用以对减速器、电机、控制模块以及电源等的存放。 履带驱动方式为后轮驱动，左右两驱动轮11分别由两个直流无刷减速电机7通过后轮驱动传动机构驱动，传动机构采用齿轮传动。通过控制两驱动电机的转速可以控制履带车前进后退和转弯等。摆臂通过直流无刷电机2驱动，上下摆臂通过摆臂直流无刷电机3得以实现。 移动平台车体主要由以下几部分组成： 1)车体框架 采用框架式车体具有许多优点，它
23、能有效地减轻机器人的总重量，同时还具有相对较强的抗扭转力。框架车体在总体上形成密封形式，有利于车体内部的封闭，其两边为支重轮提供了安装位置，顶部和底板又是机械回转平台及电机的安装平台。 2)行走装置履带机器人移动平台的行走装置由以下几部分组成： (1)驱动轮11 驱动轮主要起向前或向后卷绕履带的作用，同时也承担着机器人的部分重量。当驱动轮前置时，大部分履带在行驶过程中承受较大的牵引力，履带上分支及导向轮承载最大载荷。在行驶过程中，履带将剧烈地伸长，导致在行驶时下部履带处形成所谓的“履带腹部”，机器人在转向行驶过程中，履带更会有脱落的危险13。后驱动方式则可以避免这些问题，并且履带承载分支处于微
24、张紧状态，运行阻力较小。一般车向前运动较多，故采用主动轮后置的方式。(2)导向轮 在履带底盘的前端，起引导履带作用，并且防止其在运行过程中脱落。(3)支重轮10 在履带底盘的底部设计了1对支重轮，用来在机器人运动传递车体的重量给履带，在运行过程中起支承机体，使履带基本保持原有轮廓的作用。(4)摆臂 1 在机器人地盘前端设计了1对摆臂，在机器人垂直越障时起支撑和拉拽作用。(5)履带4 履带在机器人行走过程中起连续铺路的作用，增大机器人与地面的接触面积，减小比压。在本设计中机器人履带采用橡胶同步带。橡胶同步带可以减轻机器人总重，减少磨擦，并且有较好的减振效果。本设计中采用氯丁橡胶，氯丁橡胶有较高的
25、抗变形性和抗撕裂性，有高的耐磨性和较好的弹性，适合于各种地形。 (6)驱动装置 机器人常用的驱动方式有：液压驱动、气动驱动、电动驱动三种基本方式。电动驱动主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。考虑到本设计中机器人的尺寸与重量，本设计采用直流无刷减速电机驱动，因为液压与气动方式对环境要求较高，实现起来较复杂；电机驱动较易实现密封与调速控制；直流无刷减速电机尺寸较小符合本设计的小结构要求。为了降低速度，增加转矩，电机自带减速器的传动比为104:1,再经过中间传动机构减速可以达到设计要求。2.1.3 履带底盘总体基本尺寸的确定1履带机器人整体外形尺寸的确定 移动机器人的设计受到多方面因素的制约
26、，因为机器人在井下工作环境不同，有时会工作在比较窄小的地方，其外形尺寸就会受到限制，不可能特别大，必须满足小型化，轻量化的要求。在本设计中机器人外形尺寸受到最大制约因素就是其转弯半径。因此必须对机器人转弯运动进行分析。 履带机器人的转弯原理与履带车辆转弯原理基本相同，都是通过两个履带之间的速度差来实现的，履带转向运动可以用围绕其转向中心（运动的瞬时中心）来描述。该中心自身还可以根据车辆运动情况，分为曲线运动或原地保持不动。因此履带完成围绕各自瞬时中心而作旋转运动和滑移运动14。在转弯运动时，外侧履带在行驶方向上需要一个牵引力，而内侧履带在转达向范围内有制动作用。转弯时，机器人外侧主动轮的转速大
27、于内侧的主动轮转速。两履带系各按外侧履带半径及内侧履带半径行驶，由此得出了机器人重心的理论转向半径R。定义转向传动比: 在对履带机器人转弯运动分析后，可以看出履带机器人的转弯半径与其结构有很大关系，尤其是两履带中心距。在本设计中对机器人整体尺寸影响最大的是大转弯半径。在大转弯半径时，履带机器人的转向传动比应该大于1。即： 根据设计要求我们可以知道，最小转弯半径不大于0.5m。所以在此取。 同时考虑到机器人原地回转时，机器人所占的空间范围，暂定机器人的全长。 在本设计中只是提供了移动平台的机械结构设计，对于控制部分没有作出设计，可以根据实际工作需要选择放置控制接口的位置，可以用于安装控制元件，实
28、现对机器人的控制。2 履带的选择(1)履带尺寸与结构的确定初步选择梯形齿同步带1800 XHH 100 GB/T 11616-1999,单侧带宽为100mm,带的节距，其结构简图如图2-2示。图2-2示(2)履带强度的校核根据分析可以看出履带上受到的拉力即为机器人克服外阻力的推进力。即： (2-1)式中 机器人行进中的推进力； 机器人行进过程中的外阻力； (2-2)式中 摩擦系数，这里取； 机器人总重；故： 履带受拉截面积为： 则单侧履带受的拉应力为： 根据前文可知，本设计履带材料采用的是氯丁橡胶，因为移动机器人要求结构简单，质量轻小，并且还要适应井下各种不同的环境。采用橡胶履带能够解决金属履
29、带摩擦容易产生火花问题；氯丁橡胶具有高抗撕裂性和耐磨性；有较高的耐热性和耐寒性；还具有较好的耐酸碱腐蚀性，可以达到设计要求。氯丁橡胶的抗拉强度为21MPa15。 故可以满足强度要求。 对于采用履带式移动机构，承载能力是其重要指标，履带的承载能力主要有两个指标表示，即平均比压和最大比压。这里主要对平均比压进行计算。履带的平均比压用表示。 式中机器人总重； 履带接地长；单侧履带宽； 许用比压为。根据计算满足许用比压要求。移动平台从结构上满足承载的要求。3. 主动轮的选择 主动轮为动力的最后的输出装置。动力源通过传动部件将动力传递到驱动轮上，由驱动轮卷绕履带带动整个移动平台前进。驱动轮的大小与结构对
30、移动平台的支承与越障都有着很大的影响因素。根据同步带选择驱动轮20 XXH 100 GB/T 11361，这种结构有利于驱动轮的支承作用，也有利于驱动轮卷绕履带，并且能保持履带在运行过程中的稳定性，防止履带在冲击或转弯时从主动轮上脱落。驱动轮的结构如图2-3示。图2-3 驱动轮结构图2.2 驱动系统结构设计驱动机构主要是由电机，中间传动机构及驱动轮组成，其作用就是动力从电机传递给驱动轮，从而带动整个机器人的运行。其结构如图2-4示。直流无刷减速电机9驱动小齿轮11转动，然后带动大齿轮8转动，再通过电磁离合器将动力传递给驱动轴2，进而驱动驱动轮1转动。为了避免在电机失电以后无法拖动机器人行走，在
31、传动部分选用了一型号为DLY0-2.5A的牙嵌式电磁离合器，在磁轭5与衔铁6的相对端面，各装有牙部经渗碳和高频淬火的细三角牙，激磁线圈13置于磁轭内。联接环7和衔铁6以内外齿轮形式相啮合，在衔铁滑动时起导向作用。联接环周向分布三个螺栓10与大齿轮相联。离合器断电时，压缩弹簧7使衔铁复位，衔铁与磁轭的细牙分开，使驱动电机与驱动轴相脱离，在失电时可以保证机器人被拖动。两履带受直流无刷电机的驱动，当两直流电机以同速驱动时，履带车直线前进或后退，当改变其中一侧电机的转速时，可以实现机器人的转向，当两侧电机转速相同方向相反时可实现机器人绕其中轴线原地旋转。图2-4 驱动系统结构图1驱动轮 2驱动轴 3键
32、 4箱体 5磁轭 6衔铁 7联接环8大齿轮 9直流减速电机 10螺栓 11小齿轮 12压缩弹簧13线圈 14滑环 15键 16深沟球轴承2.3 回转平台的结构设计 本设计目的是为了设计一个通用的机器人移动平台，使其能够适应井下多样的环境，进行搜救工作。为了达到这一要求，在机器人的框架顶端设计一旋转平台，可以根据具体工作的需要搭载不同的工作装置。旋转平台可以360旋转，在周向可以使机器人选一个有利的角度进行工作。其驱动电机及传动机构安装在移动平台的框架内，对其驱动部分有密封和保护作用。其结构图如图2-5示：图2-5 旋转平台结构图1回转平台 2密封圈 3推力球轴承 4角接触球轴承5套筒6箱盖 7
33、蜗轮 8套筒 9键 10轴 11蜗杆回转平台传动机构采用了一级蜗轮蜗杆传动，动力由直流无刷电机通过蜗杆11与蜗轮7传递给轴10，从而带动旋转平台旋转。平台及搭载装置的重量由推力球轴承3卸荷在移动平台的框架顶端，两个面对面放置的角接触球轴承4以承受蜗轮蜗杆啮合时轴受的径向载荷。选用蜗轮蜗杆传动是因为蜗轮蜗杆传动传动比大，传动平稳，节省空间且具有良好的自锁性。在本设计中所选用蜗轮蜗杆传动的减速比为1：82，选用的直流无刷电机为BL3056，其电源电压为24 V，功率为28.86w，转矩为0.166N.m，动力通过电机，再经过蜗轮蜗杆传动增大转矩，可以驱动平台转动。在平台转动到指定工作位置后，蜗轮蜗
34、杆的自锁作用可以使平台稳定在工作位置进行工作。选用直流无刷电机为机器人节省了空间，以满足设计要求。2.4 剪式升降平台设计 工作时为了突破机器人自身高度的限制，在回转平台上设计了升降平台。目前国内的升降机构方式主要有剪叉式、动臂折叠式、桅柱式和直升式等，并且其驱动部分基本都是采用液压装置进行驱动。液压驱动的特点是单位面积作用力大、驱动平稳，同时采用液压驱动最大的优点是液压油缸的放置容易，因而能方便地实现较大的升降范围。但是采用液压系统控制系统比较复杂，体积和重量也较大，因此在应用时也受到限制。本设计中机器人本身体积较小，为了满足机器人小型化，轻量化要求，不适合采用液压驱动装置。综合考虑各方面因
35、素，本设计中采用剪叉式机械升降机构。在本设计中两侧对称剪叉都是一端固定，一端可以在导轨上移动。驱动方式采用直流无刷电机9驱动丝杠5转动带动螺母副在丝杠上平移，从而带动移动端销轴上的小轮6在上下导轨的滚动，将两侧剪叉撑起来实现升降运动。本设计中所选用直流无刷电机为BL2628+IG32，电机电源为24V，功率为13.4w，转矩为0.06N.m，减速器减速比为1：71，再经过中间传动机构可以实现平台的升降运动。下导轨和丝杠轴承座及电机固定在回转平台上。其结构图如图2-6示。本设计方案有以下优点：1)丝杠螺母副的螺纹升角小其摩擦角，具有自锁功能，因而控制简单、安全性较好，同时丝杠螺母副生产成本较低，
36、有利于降低整体成本。图2-6 剪式升降平台结构图1升降平台 2上导轨 3剪叉杆4下导轨5丝杠轴 6小轮7螺母副 8齿轮9直流无刷电机 10回转平台2)采用剪叉式升降机构。剪叉式升降机构是一种单自由度对称结构，具有放大的平行位移的特点，在较小的驱动行程下可获得较大的起升高度，且结构简单，稳定性较好，因此在升降机构中得到较广泛的应用16。通常在升降平台中常采用多级剪叉式机构，这样可以获得较大的升降空间，在本次设计中采用三级剪叉，经过计算，本设计中三级剪叉最高可以达到300mm的升降高度，可以满足一般的需要。另外采用本结构，还可以根据工作空间需要可以增加剪叉级数。但是为保证机器人运行及工作时的稳定性
37、，剪叉级数也不易过高，避免发生倾覆和失稳的情况。设计升降平台目的也是为了满足机器人通用性的要求，使机器人能够完成不同的工作。第3章 驱动系统设计计算与校核3.1 中间传动机构设计计算为了增大转矩、降低转速，在电机与驱动轴之间增加了一级中间传动机构。由于整体结构的限制中间传动机构选用齿轮传动，通过它来降低转速、提高转矩，也使得整体结构尺寸达到最优。3.1.1 齿轮传动的特点和应用 齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，型式很多，应用广泛。在本设计中考虑到机器人移动平台的结构要求，采用一级齿轮传动。齿轮传动的主要特点有： 1)效率高 在常用的机械传动中，以齿轮传动效率最高，一级齿轮传动效率可高达9
38、9,这在机器人传动中具有很大的经济意义。 2)结构紧凑 在同样的使用条件下，齿轮传动所需要的空间尺寸一般较小，这也满足了机器人小量化的要求。 3)工作可靠、寿命长 设计制造正确合理、使用维护良好的齿轮传动，工作十分可靠，寿命可达一二十年，这也是其它机械传动所不能比拟的。这在机器人传动过程也很重要，能够保证机器人在工作过程中稳定可靠运行。 4)传动比稳定 传动比稳定往往是传动性能的基本要求。齿轮传动获得广泛应用，也就是由于具有这一特点。机器人在行走工作过程中，需要有稳定的转矩，齿轮传动能够满足要求。3.1.2 中间级齿轮传动主要参数的确定 履带机器人在电机与主动轮之间增加一级齿轮传动，目的是为了
39、满足机器人在运行过程中的转矩要求。在确定中间传动机构主要参数时，计算过程采用的是参考资料机械设计第七版的公式，在本节以下计算过程中所有计算公式均出自该参考资料。其主要参数确定如下：1.选定齿轮类型、材料及齿数 根据参考资料表10-1选择小齿轮材料为40Cr调质处理，硬度为280HBS，大齿轮材料为45号钢调质处理，硬度为240HBS，二者材料硬度差为40HBS。 初定中间传动机构传动比，所选电机额定转速为，减速器减速比为104，经减速后输出转速为，经中间传动后能够满足要求。 选定小齿轮齿数为，大齿轮齿数 。2.按齿面接触强度设计 由设计计算公式(10-9a)进行试算，即： （3-1）2）确定公
40、式内各计算数值 (1)试选载荷系数(2)计算小齿轮传递的转矩 (3)由表10-7选取齿宽系数(4)由表10-6查得材料的弹性影响系数(5)由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限为：，大齿轮的疲劳接触强度极限(6)由式（10-13）计算应力循环次数(7)由图10-19查得接触疲劳寿命系数；(8)计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数，由式(10-12)得： 2)将以下各值代入式（3-1）计算(1)试算小齿轮分度圆直径，代入中较小的值 (2)计算圆周速度(3)计算齿宽(4)计算齿宽与齿高之比 模数 齿高 (5)计算载荷系数根据，由图10-8查得动载系数；直齿轮，假设，查表10
41、-3查得；由表10-2查得使用系数；由表10-4查得小齿轮作悬臂时 由，查图10-13得；故载荷系数 (6) 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，由式(10-10a)得 (7) 计算模数3.按齿根弯曲强度设计 由式(10-5)得弯曲强度的设计公式为 （3-2）1)确定公式内的各计算数值(1)由图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限；(2)由图10-18查得弯曲疲劳寿命系数，；(3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数，由式(10-12)得 (4)计算载荷系数(5)查取齿形系数由表10-5查得；。(6)查取应力校正系数由表10-5查得；。 (7)计算大小齿轮的并
42、加以比较大齿轮的数值大。2)设计计算对比计算结果，由按齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而由齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，因此可取由弯曲强度算得的模数，并就近圆整为标准值，按接触强度算得的分度圆直径，算出小齿轮齿数 大齿轮齿数 这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。4几何尺寸计算1)计算分度圆直径 2)计算中心距3)计算齿轮宽度 考虑到本设计中所用齿轮受载荷不大，受载不频繁，故取两齿轮齿宽都取18mm。3.2 驱动轴的校核 轴是组成
43、机器的主要零件之一，一切作回转运动的传动零件如齿轮、蜗轮等，都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递，因此轴的结构、强度与刚度都对机器的整个性能有很大的影响。3.2.1 驱动轴结构设计 为了方便计算，将其轴上传动部分简化为直接齿轮传动。驱动轮轴结构简化图如图3-1示，根据轴的受力，选取深沟球轴承61805,为了对驱动轮进行轴向固定在其一端设计一轴肩，装驱动轮处直径为，轴肩直径为。图3-1 驱轮结构简化图3.2.2 驱动轮轴受力分析参考材料力学计算轴上受力如图3-2(a)示，(1)齿轮上力的计算由上述计算知，轴上所传递的转矩，所以，齿轮的圆周力 齿轮的径向力 (2)求轴上支反力 其受力如图3-2
44、(b)示 a在水平平面内的支反力 由得图3-2 轴的载荷分布图由得b在垂直平面内的支反力其受力如图3-2(d)示由得 c由于轮子端力的作用，在支点A、B处的支反力 其受力如图3-2(f)示由得(3)作弯矩和扭矩图a齿轮的作用力在水平平面的弯矩图, 其弯矩如图3-2(c)示齿轮的作用力在垂直平面的弯矩图,其弯矩如图3-2(e)示 由于齿轮作用力在截面作出的最大合成弯矩 由于作用而作出的弯矩图, 其弯矩如图3-2(g)示 b作扭矩图 其扭矩如图3-2示3.2.3 驱动轴强度的校核(1)确定危险截面 根据轴的结构尺寸及弯矩图、扭矩图可以看出，截面处弯矩较大，且有轴承配合引起的应力集中，故截面为危险截面。(2)安全系数校核计算由机械设计手册（第4卷）表261-1可知，45钢的主要机械性能参数如表3-1中所示。 轴的疲劳强度是根据长期作用在轴上的最大变载荷进行校核计算。疲劳强度校核判断根据为。当该式不能满足时，应通过采用热处理、表面强化处理等工艺措施或改进轴的结构以降低应力集中。由机械设计手册（第4卷）式（263-1）可得轴危险截面安全系数S的校核计算公式为： （3-3）表3-1 45调质钢的主要机械性能参数抗拉强度屈服强度弯曲疲极限扭转疲劳极限许用静应力许用疲劳应力650MPa360 MPa270 MPa155 MPa2