畢業(yè)設(shè)計(jì)---六履帶擺臂說(shuō)明書

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)---六履帶擺臂說(shuō)明書</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在對(duì)實(shí)驗(yàn)室原有六履帶擺臂式搜救機(jī)器人結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行詳盡分析和深入解析的基礎(chǔ)上，依據(jù)新型六履帶擺臂式搜救機(jī)器人功能要求、使用條件的具體情況，設(shè)計(jì)了一種越障能力更強(qiáng)、使用功能更全、機(jī)動(dòng)靈活、可靠性高的六履帶擺臂式搜救機(jī)器人，完成了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)改造

2、設(shè)計(jì)及其動(dòng)畫仿真制作，為新型六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。</p><p>　　六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的傳動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)形式十分復(fù)雜，只有通過(guò)對(duì)原有的六履帶擺臂式搜救機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)剖析與測(cè)量，了解其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)特性，并采用功能對(duì)比的方式，才能了解并掌握其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。本文通過(guò)結(jié)構(gòu)仿真、性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等方式，實(shí)現(xiàn)了六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模、性能分析與仿真、場(chǎng)景動(dòng)畫制作與實(shí)現(xiàn)，并對(duì)機(jī)

3、器人本體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)裝置、張緊裝置進(jìn)行了工程設(shè)計(jì)和技術(shù)分析。</p><p>　　首先，以實(shí)驗(yàn)室原有六履帶擺臂式搜救機(jī)器人為改進(jìn)設(shè)計(jì)的藍(lán)本，采用結(jié)構(gòu)對(duì)比、性能分析和機(jī)構(gòu)優(yōu)化等技術(shù)手段，以六履帶擺臂式搜救機(jī)器人傳動(dòng)系、推進(jìn)系、支撐系、調(diào)整系為主線，開展機(jī)器人結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是對(duì)機(jī)器人在不同擺臂時(shí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和作用進(jìn)行了分析，給出了幾種典型的變形擺臂方式，探討了相應(yīng)的使用效果。</p><p

4、>　　其次，使用軟件建模分析方法，研究了六履帶擺臂式搜救機(jī)器人在不同環(huán)境下的機(jī)身姿態(tài)與行進(jìn)步態(tài)，給出了六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果，并提出了步態(tài)規(guī)劃的幾個(gè)原則，設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)定的六履帶擺臂式搜救機(jī)器人運(yùn)行方式，且進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。</p><p>　　以上工作內(nèi)容是六履帶擺臂式搜救機(jī)器人研究的基礎(chǔ)和開端，將對(duì)六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的深入研究產(chǎn)生直接而重要的影響，同時(shí)，為六履帶擺臂式搜救機(jī)器人結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)

5、計(jì)提供了理論依據(jù)，也為六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的研究提供了共性技術(shù)基礎(chǔ)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：六履帶擺臂式搜救機(jī)器人；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；行進(jìn)步態(tài)規(guī)劃；Pro/Engineer造型軟件；實(shí)體造型；動(dòng)畫仿真</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　The original variable structure r

6、obot status and development trend analysis based on, according to requirements and technical indicators used to design a climbing obstacle stronger, more complete, flexible, high reliability, variable structure robot cra

7、wler, to complete the structural transformation of the robot design and animation simulation.</p><p>　　Transmission mode variable structure robot more complex structure, so the robot on the original structur

8、al analysis and measurement to understand their body structure and gait capital in place, compared with simulation and structure of the transmission function of contrast, enabling a crawler the design of variable structu

9、re robot model, and their body structure, drive design, the design of a tension-depth discussions.</p><p>　　First generation of machines to the structure size and simple structure optimization is to select t

10、he parameters of reasonable means, this is one of the key elements to the robot crawler variable structure determination of main drive pulley, for example, introduced a tracked variable structure Optimization of robot sp

11、ecific program, the structure of this variable structure robot design outlined in detail, but also on the different state agencies when DOF is analyzed, and gives the state some typ</p><p>　　First generation

12、 machines to structure size and simple in structure optimization is to select the parameter of the reasonable means, the focus of this article also one of the elements, in order to track Variable Manipulators of the main

13、 drive pulley to identify an example, the Lvdai-type variable structure robot specific program structure optimization, the structure of this variable structure robot design outlined in detail, but also on the different s

14、tate agencies when DOF is analyzed, and give</p><p>　　Second, using the software modeling analysis, this variable structure of the robot at different gait under the fuselage structure, given the track-type v

15、ariable structure structure of the robot gait. Variable structure of the tracked robot gait planning to conduct a study of several proposed gait planning principles, design a stable variable structure robot tracked the s

16、tatic operation mode, and simulation verification.</p><p>　　Key words: Six search and rescue robot crawler rocker Structural Optimization Road gait planning Pro / Engineer modeling software Solid Modeling

17、 Animated Simulation</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>

18、;<b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2六履帶擺臂式搜救機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)2</p><p>　　1.2.1六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)4</p><p>　　1.3課題研究?jī)?nèi)容及意義5</p>&l

19、t;p>　　1.3.1課題研究的主要內(nèi)容5</p><p>　　1.3.2課題研究的目的與意義5</p><p>　　第二章 六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7</p><p>　　2.1六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)概述7</p><p>　　2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)與組成9</p><p>

20、　　2.2.1機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)9</p><p>　　2.2.2六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的組成10</p><p>　　2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)11</p><p>　　2.4履帶式行走方式設(shè)計(jì)12</p><p>　　第三章 機(jī)構(gòu)的選擇與計(jì)算14</p><p><b>　　3.1引言14</b&

21、gt;</p><p>　　3.2材料的選擇14</p><p>　　3.3帶輪裝置的選擇與計(jì)算15</p><p>　　3.4張緊裝置的選擇與計(jì)算18</p><p>　　3.5驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)21</p><p>　　3.5.1 電機(jī)選擇21</p><p>　　3.5.2 驅(qū)動(dòng)安裝位

22、置設(shè)置22</p><p>　　3.6 本章小結(jié)22</p><p>　　第四章 實(shí)體造型及動(dòng)畫制作23</p><p>　　4.1用Pro/E軟件制作實(shí)體模型23</p><p>　　4.2零件的畫法24</p><p>　　4.3 三維動(dòng)畫軟件的選擇27</p><p>　　4

23、.4 六履帶擺臂式搜救機(jī)器人裝配動(dòng)畫的設(shè)計(jì)與制作28</p><p>　　第五章 總結(jié)30</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　致 謝33</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p&

24、gt;<b>　　1.1引言</b></p><p>　　人類在征服自然和推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的過(guò)程中，面臨著自身能力、能量的局限，因而發(fā)明和創(chuàng)造了許多機(jī)器人來(lái)輔助或代替人類完成任務(wù)。機(jī)器人，是這種機(jī)器的最理想形式，也是人類科學(xué)研究中所面臨的最大挑戰(zhàn)之一。</p><p>　　六履帶擺臂式搜救機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要組成部分，它是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與

25、執(zhí)行等多種功能于一體的綜合智能控制系統(tǒng)。從現(xiàn)實(shí)中，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、和步兵支援機(jī)器人和復(fù)雜環(huán)境下搜救機(jī)器人等，用來(lái)代替深入敵方或危險(xiǎn)的環(huán)境下去偵查或搜集資料、排除爆炸物等工作，能夠在很大程度上減少人員的傷亡，在現(xiàn)代和未來(lái)的戰(zhàn)爭(zhēng)中起到越來(lái)越重要的作用。民用履帶式機(jī)器人被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)以及各種服務(wù)領(lǐng)域，如生產(chǎn)線傳輸、倉(cāng)物物品搬運(yùn)、清掃、割草、室內(nèi)傳送、導(dǎo)盲、導(dǎo)游導(dǎo)購(gòu)、室內(nèi)外清洗和搜救復(fù)雜環(huán)境下的資料等

26、各個(gè)方面。</p><p>　　但國(guó)內(nèi)對(duì)這機(jī)器人研究起步較晚，大多數(shù)研究尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段，主要的研究工作有：清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于1994年通過(guò)鑒定。涉及到五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究（準(zhǔn)結(jié)構(gòu)道路網(wǎng)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、具有障礙物越野環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、自然地形環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃）；基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究;路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究（基于地圖的全局路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬

27、、室外移動(dòng)機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬）；傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究（差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、磁羅盤和光嗎盤定位系統(tǒng)、超聲測(cè)距系統(tǒng)、視覺(jué)處理技術(shù)、信息融合技術(shù)）；智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)（智能移動(dòng)機(jī)器人THMR-Ⅲ的體系結(jié)構(gòu)、高效快速的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)）。上海交通大學(xué)的地面移動(dòng)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)”研究也是以卡車、面包車作

28、為平臺(tái)來(lái)研究的，是大型智能作戰(zhàn)平臺(tái)。香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的AGC和防爆機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化自行設(shè)計(jì)</p><p>　　1.2六履帶擺臂式搜救機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　1.2.1六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的研究現(xiàn)狀</p><p>　　從20世紀(jì)60年代到70年代，迅速普及

29、并實(shí)用化的工業(yè)機(jī)器人給人的印象只是自動(dòng)機(jī)械手。廣泛開展機(jī)器人移動(dòng)功能的研究和開發(fā)是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后的事?，F(xiàn)在作為移動(dòng)機(jī)器人而開發(fā)試制的移動(dòng)機(jī)械種類已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了機(jī)械手。特別是履帶式機(jī)器人，它不僅是生物體中沒(méi)見(jiàn)過(guò)的移動(dòng)形態(tài)，而且能夠在復(fù)雜的底面行進(jìn)。</p><p>　　履帶式機(jī)器人因采用履帶傳動(dòng)方式而得名。履帶傳動(dòng)方式又叫循環(huán)傳動(dòng)方式，其最大特征是將圓狀的循環(huán)軌道履帶卷繞在若干車輪上，使車輪不與地面直接接觸

30、，利用履帶緩沖地面而帶來(lái)的沖擊，使機(jī)器人能夠在各種路面條件下行進(jìn)。</p><p>　　到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。其系統(tǒng)主要由機(jī)器人的機(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(dòng)方式的選擇。對(duì)于履帶式移動(dòng)機(jī)器人，可以是輪履復(fù)合式、兩履帶式、四履帶式等。其次，必須考慮驅(qū)動(dòng)器的控制，以使機(jī)器人達(dá)到期望的目標(biāo)。第三，必須考慮導(dǎo)航或路徑規(guī)劃

31、，如傳感信息融合，特征提取，避碰以及環(huán)境映射。第四，必須考慮擺臂角的原理，這方面需要重點(diǎn)考慮，因?yàn)榭科浔鄣恼{(diào)整來(lái)改變自身高度以越障這種機(jī)器人的最大特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)形式對(duì)機(jī)器人穩(wěn)定性，功能特點(diǎn)都有著極大的決定作用。對(duì)于這些問(wèn)題的研究，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(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模、導(dǎo)航與定位、多傳感器信息融合等。</p><p>　　下圖為美國(guó)及其它國(guó)家在研的各種履帶式可變形機(jī)器人：</p>&l

32、t;p>　?。?） 美國(guó)的拆彈專家：</p><p>　　如圖1-1、1-2、1-3、1-4所示，這是美國(guó)iRobot的一種較小型“PackBot”機(jī)器人，現(xiàn)服役于美國(guó)軍隊(duì)，這個(gè)“PackBot”搭配了一個(gè)爆炸物感應(yīng)系統(tǒng)，有效地探測(cè)炸彈。目前這種測(cè)試系統(tǒng)還處于實(shí)驗(yàn)階段?！癙ackBot”機(jī)器人還以進(jìn)行挖掘和拆彈工作。配備了稱為“explosive ordnance disposal”(eod)和工程師的全套

33、工具，可以對(duì)土壤進(jìn)行挖掘，然后舉起相當(dāng)于自身重量2倍的炸彈。</p><p>　　圖1-3這種iRobot SUGV的機(jī)器人是一種小型地面探測(cè)車，重量?jī)H為30磅。它帶有一個(gè)稱為“tactical head”的頭部，還有一個(gè)相機(jī)、一個(gè)紅外感應(yīng)器和一個(gè)可即時(shí)傳送影像的攝像頭。</p><p>　　圖1-4是iRobot生產(chǎn)的“Warrior”機(jī)器人配備了兩個(gè)全自動(dòng)、自動(dòng)裝彈、可遙控的12桿機(jī)搶

34、，重量為250磅。這種機(jī)槍被稱為“錘子”（Hammer），目前還處于實(shí)驗(yàn)階段。</p><p>　　圖1-1 RackBot準(zhǔn)備展開 圖1-2 RackBot伸展情況</p><p>　　圖1-3 SUGV機(jī)器人 圖1-4 Warrior機(jī)器人</p><p>　?。?） 德

35、國(guó)telemax防爆機(jī)器人：</p><p>　　僅在一兩年前，德國(guó)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。</p><p>　　這款機(jī)器人依靠一個(gè)靈活的小型系統(tǒng)從而有了一些與大型機(jī)器人類似的功能，所以它小得以至于可以在地鐵車廂或者飛行工具里操作，同時(shí)又足夠大得可以直

36、接處理一些在所有現(xiàn)行飛機(jī)的頭頂貯藏室里的可疑項(xiàng)目處理。</p><p>　　圖1-5 telemax</p><p>　　這款產(chǎn)品具有很大的創(chuàng)新價(jià)值，經(jīng)過(guò)數(shù)十年經(jīng)驗(yàn)的累計(jì)取得了變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重大發(fā)展。</p><p>　　圖1-6 telemax行走姿勢(shì) 圖1-7最緊湊姿勢(shì)</p><p>　　它的機(jī)械結(jié)構(gòu)

37、由4個(gè)獨(dú)立履帶齒輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)提供了非凡的移動(dòng)力，它可以爬坡45度，并且可以越障500mm的高度，它做的比其它很多類似機(jī)器人都好，它的可伸展的上臂加上一個(gè)高度可調(diào)的地盤，給予了這款機(jī)器人一個(gè)可達(dá)到的非凡的垂直高度2350mm。它的鉗子可以吊起重達(dá)5Kg的貨物，這就意味著它可以裝配彈道系統(tǒng)和其它工具。 </p><p>　　圖1-8 telemax防爆機(jī)器人

38、</p><p>　　1.2.2六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的現(xiàn)狀的分析，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(shì)：</p><p>　?。?）結(jié)構(gòu)上，趨向小型、微型。</p><p>　　（2）運(yùn)動(dòng)上，趨向全方位，更靈活，更具自主性?，F(xiàn)有的履帶移動(dòng)機(jī)器人，局限在

39、一般的地面環(huán)境里，以后會(huì)要求機(jī)器人能在越來(lái)越多的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)多維運(yùn)動(dòng)、過(guò)渡運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)Νh(huán)境進(jìn)行識(shí)別，能適應(yīng)未知環(huán)境。</p><p>　?。?）在用途上，趨向于功能多功能化。比如拓展其應(yīng)用到軍事上，用于軍事偵察，甚至于軍事攻擊。</p><p>　　1.3課題研究?jī)?nèi)容及意義</p><p>　　1.3.1課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　

40、（1）對(duì)現(xiàn)有的六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深層分析。結(jié)合結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)器人的控制進(jìn)行了策略研究，為六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的研制提供一定的理論框架支持。重點(diǎn)從結(jié)構(gòu)上解決驅(qū)動(dòng)、擺臂、履帶張緊等實(shí)際問(wèn)題，提出框架長(zhǎng)度變化的問(wèn)題。</p><p>　?。?）六履帶擺臂式搜救機(jī)器人步態(tài)結(jié)構(gòu)分析與仿真。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的步態(tài)結(jié)構(gòu)分析與仿真的方案進(jìn)行研究與分析。對(duì)系統(tǒng)中的重要及關(guān)鍵零部件進(jìn)行力的校核，從理論上驗(yàn)證二代機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性

41、及可行性。</p><p>　?。?）六履帶擺臂式搜救機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。</p><p>　　（4）運(yùn)用Pro/Engineer軟件和3DSMAX軟件對(duì)六履帶擺臂式搜救機(jī)器人進(jìn)行實(shí)體造型及演示動(dòng)畫的制作。</p><p>　　1.3.2課題研究的目的與意義</p><p>　　研制一種可以在狹小低矮空間機(jī)動(dòng)行駛并具有一定越障能力的六履帶擺臂

42、器人。該機(jī)器人可以通過(guò)改變自身高度以適應(yīng)不同環(huán)境的要求，既可以以較低的整體高度在狹小空間內(nèi)工作，又可以通過(guò)調(diào)整自身高度翻越障礙，從而克服了傳統(tǒng)微小型地面移動(dòng)機(jī)器人環(huán)境適應(yīng)能力差的缺點(diǎn)。</p><p>　　以國(guó)內(nèi)外同類機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究六履帶擺臂式搜救機(jī)器人實(shí)現(xiàn)擺臂的原理與條件，通過(guò)對(duì)比分析，確立六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)目標(biāo)、技術(shù)要求和性能指標(biāo)；在上述工作的基礎(chǔ)上，提出六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)

43、方案，對(duì)機(jī)器人的工作和運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)而根據(jù)機(jī)器人整體的技術(shù)要求和各構(gòu)件間的相互關(guān)系，確定機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸，并使用PRO/E三維設(shè)計(jì)軟件創(chuàng)建六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的實(shí)體模型；最后，根據(jù)分析與仿真結(jié)果，完成機(jī)器人驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和電機(jī)選型，并對(duì)整體方案的演示動(dòng)畫進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作。</p><p>　　根據(jù)現(xiàn)代人類對(duì)復(fù)雜環(huán)境使用機(jī)器人的依賴，設(shè)計(jì)了一種新的運(yùn)行方式，它對(duì)復(fù)雜環(huán)境具有很好的適應(yīng)性，針對(duì)這種探測(cè)機(jī)器

44、人開展的研究為我國(guó)未來(lái)的機(jī)械化搜救機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了必要的理論參考。本課題不僅具有理論價(jià)值，而且具有實(shí)際的應(yīng)用意義。</p><p>　　第二章 六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)概述</p><p>　　機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)具有機(jī)電一體化的特點(diǎn)，它在結(jié)構(gòu)緊湊性、靈巧性以及特殊性方面比一般機(jī)械設(shè)計(jì)有更高的要求。

45、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本課題機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、擺臂角度、驅(qū)動(dòng)方式和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等都會(huì)直接影響變結(jié)構(gòu)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能。然而，六履帶擺臂式搜救機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)除了需要滿足系統(tǒng)的技術(shù)性能外，還需要滿足經(jīng)濟(jì)性要求，即必須在滿足機(jī)器人的預(yù)期技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)，考慮用材合理、制造安裝便捷、價(jià)格低以及可靠性高等問(wèn)題。機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)可以從一下四個(gè)方面考慮：</p><p>　　（1）機(jī)器人的應(yīng)用和可行性</p>

46、<p>　　研究現(xiàn)有同類機(jī)器人的產(chǎn)品性能和特點(diǎn)，進(jìn)行可行性調(diào)查，論證技術(shù)上是否先進(jìn)，是否可行；核算經(jīng)濟(jì)上的成本；明確機(jī)器人應(yīng)用的領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)什么樣的功能。</p><p>　?。?）明確機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　確定工藝過(guò)程、動(dòng)作要求和有關(guān)參數(shù)，并對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境進(jìn)行分析。</p><p>　　明確功能、性能指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)</p>

47、<p>　　了解國(guó)內(nèi)外同類機(jī)器人的水平和研制的技術(shù)難點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有的工作條件和功能要求，明確提出設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有的功能、性能指標(biāo)和技術(shù)參數(shù)。這一步至關(guān)重要，因?yàn)樗械脑O(shè)計(jì)都是圍繞著這個(gè)中心來(lái)設(shè)計(jì)的。</p><p><b>　?。?）方案比較</b></p><p>　　初步提出若干總體設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)工藝生產(chǎn)、技術(shù)和價(jià)值分析選擇最佳方案。</p&g

48、t;<p>　　本文以六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的靈活性和實(shí)用性為目標(biāo)，完成六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真。具體研究?jī)?nèi)容歸納如下：</p><p>　　（1）在對(duì)國(guó)內(nèi)履帶式機(jī)器人研究項(xiàng)目進(jìn)行廣泛調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，了解履帶式機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)機(jī)器人的使用功能和約束條件，確定具體的設(shè)計(jì)目標(biāo)。</p><p>　?。?）采用模擬的方式進(jìn)行

49、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括擺臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)設(shè)計(jì)等，并對(duì)現(xiàn)有的一代機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行深入剖析，實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定樣機(jī)的幾何尺寸，然后根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)建模。</p><p>　?。?）對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究。</p><p>　?。?）造一個(gè)數(shù)字化的樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，完成物理樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)功能，分析機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題和解決的方案，最后運(yùn)用造型軟件進(jìn)一

50、步建模。研究流程如圖2-1所示</p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b></p><p>　　圖2-1 設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　從總體設(shè)計(jì)框圖上可以看出，六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是總體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也可以說(shuō)是所有技術(shù)群體的靈魂。本文的目的就是完

51、成機(jī)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要上作，包括了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真，這些內(nèi)容直接影響六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、影響六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力性能。其意義在于為六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的擺臂原理和合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，為六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的研究提供了共性技術(shù)基礎(chǔ)和途徑，也進(jìn)一步完善了我國(guó)六履帶擺臂式搜救機(jī)器人研究體系。</p><p>　　2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)與組成</p>

52、;<p>　　2.2.1機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)</p><p>　　如果將六履帶擺臂式搜救機(jī)器人分為行走裝置、動(dòng)力裝置和傳動(dòng)裝置等部分。那么對(duì)其功能要求可以歸納為：</p><p>　?。?）具有一定的承載能力，運(yùn)動(dòng)靈活。</p><p>　　（2）能向前、向后行駛，轉(zhuǎn)彎，有一定的避障、攀登臺(tái)階能力。</p><p>　?。?）重心要低

53、，以保持車體行駛穩(wěn)定。</p><p>　　具體的性能指標(biāo)要求如下：</p><p>　　表 2-1 變結(jié)構(gòu)機(jī)器人設(shè)計(jì)指標(biāo)</p><p>　　根據(jù)如上要求，初步設(shè)計(jì)選擇如下：</p><p>　?。?）機(jī)器人可以在復(fù)雜的環(huán)境中進(jìn)行搜索，所以為了便于行動(dòng)，選擇了履帶式行走方式。</p><p>　　（2）為了增加其

54、越障能力，所以將履帶式與擺臂式巧妙的結(jié)合在一起，轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)為0～360°，車體長(zhǎng)度為300mm～350mm。</p><p>　?。?）在轉(zhuǎn)臂前端裝有測(cè)量器材.這樣也可以增加測(cè)量器材高度的調(diào)整范圍。</p><p>　?。?）機(jī)器人越寬，行走時(shí)穩(wěn)定性越好，但同時(shí)考慮到電機(jī)的安裝，重量等因素，初步設(shè)計(jì)寬度為200mm～220mm。</p><p>　

55、?。?）由于環(huán)境的未知性比較大，所以初步設(shè)計(jì)用全履帶，即履帶包裹著機(jī)體。這樣不管在什么情況下，車體以任何方位與地面接觸都是履帶接觸的，這樣就可以極大的減少翻車和被異物卡死情況。</p><p>　　2.2.2六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的組成</p><p>　　六履帶擺臂式搜救機(jī)器人如圖2-2所示，它是由車架4、履帶7、驅(qū)動(dòng)鏈輪6、張緊輪1和張緊機(jī)構(gòu)等零部件組成。</p><

56、;p>　　圖2-2 六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的組成</p><p>　　一般的履帶式機(jī)器人，在其車體左右兩側(cè)各設(shè)有一套履帶驅(qū)動(dòng)裝置。在該履帶驅(qū)動(dòng)裝置中，履帶卷繞在兩個(gè)以上的車輪上，其中用一個(gè)車輪來(lái)驅(qū)動(dòng)履帶，其他的車輪是從動(dòng)輪、導(dǎo)向輪或承重輪，通常在履帶的內(nèi)側(cè)裝有一派凸塊或溝槽，以防止車輪與履帶脫離。</p><p>　　履帶是圓形的帶狀物。用于室外行走的履帶是將金屬零件連接成鏈狀（見(jiàn)

57、圖2-3a）；</p><p>　　圖2-3 履帶構(gòu)造示意圖</p><p>　　鏈?zhǔn)?b）齒式 c）齒帶式</p><p>　　用于室內(nèi)行走的履帶則用橡膠抱住金屬零件構(gòu)成履帶板，并安裝在平整是橡膠帶上（見(jiàn)圖2-3b），以防止損壞地面；或在內(nèi)含增強(qiáng)纜繩的橡膠齒形帶外側(cè)生成一連串橡膠凸塊，再切削加工成齒形（見(jiàn)圖2-3c）。</p><p>　

58、　在履帶式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)輪必須將足夠大的驅(qū)動(dòng)力傳遞給履帶。履帶的驅(qū)動(dòng)方法主要有圖2-4所示的幾種。圖2-4a 所示驅(qū)動(dòng)輪為鏈輪，它的齒與金屬履帶板的孔互相嚙合； 圖2-4b所示驅(qū)動(dòng)輪是一種齒形皮帶輪，它將安裝在平整履帶上的寬幅履帶板的兩端掛在齒輪凸緣上；圖2-4c所示驅(qū)動(dòng)輪是帶齒車輪，以驅(qū)動(dòng)帶齒的履帶。</p><p>　　圖2-4 履帶的驅(qū)動(dòng)方式</p><p>　　驅(qū)動(dòng)輪為鏈?zhǔn)?/p>

59、 b）驅(qū)動(dòng)輪為齒形 c）驅(qū)動(dòng)輪為帶齒車輪</p><p>　　由于履帶成卷繞狀，所以在履帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中不能采用汽車式的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。要改變履帶式機(jī)器人的行進(jìn)方向，或者是對(duì)某一側(cè)的履帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)，使左右兩側(cè)履帶的速度不一樣；或者是對(duì)某一側(cè)的履帶進(jìn)行反響驅(qū)動(dòng)，使履帶與路面之間產(chǎn)生橫向滑移，這樣就能使履帶式機(jī)器人原地旋轉(zhuǎn)，而且可以轉(zhuǎn)小彎。但這時(shí)旋轉(zhuǎn)車體所需的能耗較大，還有可能損壞路面。 </p

60、><p>　　2.3傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) </p><p>　　傳動(dòng)機(jī)構(gòu)用來(lái)把驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)傳遞到關(guān)節(jié)和動(dòng)作部位。機(jī)器人中常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有齒輪傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)、帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、流體傳動(dòng)和連桿機(jī)構(gòu)與凸輪傳動(dòng)。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)是高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的驅(qū)動(dòng)器，而我們所設(shè)計(jì)的變結(jié)構(gòu)機(jī)器人卻要求低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩.因此，我們選用了齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成速度和力矩的轉(zhuǎn)化與調(diào)節(jié).如下圖是本文對(duì)齒輪

61、的初步設(shè)計(jì)造型，結(jié)合車體的高度，初定傳動(dòng)比為1：3，大輪直徑為45～60mm。如圖2-6所示：</p><p>　　傳動(dòng)根據(jù)2.3節(jié)所述變形原理，由于需要大的傳動(dòng)比和較小的質(zhì)量和體積，所以傳動(dòng)設(shè)計(jì)如圖2-7所示：</p><p>　　電機(jī)經(jīng)過(guò)減速器調(diào)整，經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)，大齒輪與轉(zhuǎn)臂固連。</p><p>　　圖 2-6 軟件中的齒輪裝備圖</p><

62、;p>　　圖2-7 傳動(dòng)設(shè)計(jì)圖</p><p>　　2.4履帶式行走方式設(shè)計(jì)</p><p>　　履帶式行走方式也稱為無(wú)限軌道方式，其最大特征是將圓環(huán)狀的無(wú)限軌道，履帶卷繞在多個(gè)車輪上，使車輪不直接與路面接觸。在野外凹凸不平或松軟路面上上作時(shí)，輪式移動(dòng)就顯得非常吃力，而利用履帶可以增大輪子與路面的接觸面積，緩沖路面狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。軍用機(jī)器人和那些使用場(chǎng)所不固定的機(jī)器人常采

63、用這種移動(dòng)方式。</p><p>　　下表為其它行走方式與履帶式的特點(diǎn)對(duì)比：</p><p>　　表2-2 個(gè)行走方式特點(diǎn)</p><p>　　履帶式行走方式還有如下特點(diǎn)：</p><p>　?。?）支承面積大，接地比壓小。路面粘著力強(qiáng)，越野機(jī)動(dòng)性好。</p><p>　?。?）履帶支承面上有履齒，不易打滑，牽引附著

64、性能好，有利于發(fā)揮較大牽引力。</p><p>　　（3）用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩條履帶從而實(shí)現(xiàn)了原地轉(zhuǎn)彎，利用履帶可以緩沖路面狀態(tài)。</p><p>　?。?）比較穩(wěn)定，容易爬坡，履帶本身給車輪起鋪路的作用。</p><p>　　通過(guò)對(duì)上述移動(dòng)機(jī)器人各種移動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，并針對(duì)本課題對(duì)機(jī)器人機(jī)動(dòng)性、可控性和穩(wěn)定性的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了類似于同步帶的行走履帶，履帶內(nèi)齒面為同步帶

65、標(biāo)準(zhǔn)齒形，外齒面（著地面）采用矩形截面齒形，以提高其攀越障礙的能力。工作時(shí)，帶齒與帶輪的齒槽相嚙合，是一種嚙合運(yùn)動(dòng)，因而具有帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，如耐屈撓性能、伸長(zhǎng)率小、強(qiáng)力高等。</p><p>　　從攀越障礙、防止打滑以及履帶式獨(dú)特的轉(zhuǎn)彎方式角度分析， 驅(qū)動(dòng)輪位于機(jī)體后部，其齒形為標(biāo)準(zhǔn)同步帶輪齒形，帶擋邊，以限制履帶橫向移動(dòng)。轉(zhuǎn)臂前端的轉(zhuǎn)臂輪以及誘導(dǎo)輪在結(jié)構(gòu)上與驅(qū)動(dòng)輪完全一致。機(jī)體前部的底輪為帶擋邊的光輪，直徑與驅(qū)動(dòng)

66、輪相同。綜合底盤離地高度和機(jī)器人整體高度，初步設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)輪直徑為60mm。</p><p><b>　　如圖2-7所示：</b></p><p>　　圖2-7 行走方式圖</p><p>　　第三章 機(jī)構(gòu)的選擇與計(jì)算</p><p><b>　　3.1引言</b></p><p

67、>　　穩(wěn)態(tài)下研究的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析只限于靜態(tài)位置問(wèn)題的討論，未涉及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的力，速度，加速度等動(dòng)態(tài)過(guò)程。實(shí)際上，機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，機(jī)器人系統(tǒng)在外載荷和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的作用下將取得靜力平衡，在驅(qū)動(dòng)力的作用下將發(fā)生運(yùn)動(dòng)變化。機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性不僅與運(yùn)動(dòng)學(xué)因素有關(guān)，還與機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置、傳動(dòng)裝置等對(duì)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生重要影響的因素有關(guān)。</p><p>　　機(jī)器人動(dòng)力學(xué)主要研究機(jī)器人運(yùn)

68、動(dòng)和受力之間的關(guān)系，目的是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制、優(yōu)化設(shè)計(jì)和仿真。機(jī)器人動(dòng)力學(xué)主要解決動(dòng)力學(xué)正解和逆解兩類：動(dòng)力學(xué)正解是根據(jù)各連接位置的驅(qū)動(dòng)力，求解機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)（位移、速度、加速度），主要用于機(jī)器人仿真；動(dòng)力學(xué)逆解是已知機(jī)器人關(guān)節(jié)位移、速度、加速度，求解所需要關(guān)節(jié)力或力矩。</p><p>　　機(jī)器人是一個(gè)非線性的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的求解比較困難，而且需要較長(zhǎng)的運(yùn)算時(shí)間，因此，簡(jiǎn)化解過(guò)程，最大限度的減少工業(yè)機(jī)器

69、人動(dòng)力學(xué)在線計(jì)算的時(shí)間是很有必要的。</p><p>　　由上一章的分析及有關(guān)數(shù)據(jù)，本章對(duì)其中幾個(gè)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。</p><p><b>　　3.2材料的選擇</b></p><p>　　選擇機(jī)器人本體材料應(yīng)從機(jī)器人的性能要求出發(fā)，滿足機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作要求。機(jī)器人本體用來(lái)支承、連接，固定機(jī)器人的各部分，當(dāng)然也包括機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)部分，這一

70、點(diǎn)與一般機(jī)械結(jié)構(gòu)特性相同。機(jī)器人本體所用的材料也是結(jié)構(gòu)材料，但另一方面，機(jī)器人本體又不單是固定構(gòu)件，比如機(jī)器人轉(zhuǎn)臂是運(yùn)動(dòng)的，機(jī)器人整體也是運(yùn)動(dòng)的。所以，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)部分材料質(zhì)量應(yīng)輕。</p><p>　　精密機(jī)器人對(duì)于機(jī)器人的剛度有一定的要求，即對(duì)材料的剛度要求。剛度設(shè)計(jì)時(shí)要考慮靜剛度和動(dòng)剛度，既要考慮振動(dòng)問(wèn)題。從材料角度來(lái)看，控制振動(dòng)涉及減輕重量和抑制振動(dòng)兩方面，其本質(zhì)就是材料內(nèi)部的能量損耗和剛度問(wèn)題，它與材料的

71、抗振性緊緊相關(guān)。另外人們對(duì)于現(xiàn)代機(jī)器人的外觀更加要求美感，所以機(jī)器人材料又應(yīng)具備柔軟和外表美觀的特點(diǎn)。</p><p>　　總之，正確選用結(jié)構(gòu)件材料不僅可以降低機(jī)器人的成本價(jià)格，更重要的是可以適應(yīng)機(jī)器人的工速滑，高載荷化及高精度化，滿足其靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性要求。隨著材料工業(yè)的發(fā)展，新材料的出現(xiàn)給機(jī)器人的發(fā)展提供了寬廣的空間。</p><p>　　與一般機(jī)械設(shè)備相比，機(jī)器人結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性十

72、分重要，這是材料選擇的出發(fā)點(diǎn)。材料選擇的基本要求是：</p><p><b>　　（1）強(qiáng)度高 </b></p><p>　　機(jī)器人轉(zhuǎn)臂是直接受力的構(gòu)件，高強(qiáng)度材料不僅能滿足機(jī)器人轉(zhuǎn)臂的強(qiáng)度條件，而且可望減少轉(zhuǎn)臂界面尺寸，減輕重量.</p><p><b>　?。?）彈性模量大 </b></p><p&

73、gt;　　由材料力學(xué)的知識(shí)可知，構(gòu)件剛度(或變形量) 與材料的彈性模量E 、G有關(guān)。彈性模量越大，變形量越小，剛度越大。不同材料的彈性模量差別很大。</p><p><b>　?。?）重量輕 </b></p><p>　　機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)變形中所需要的驅(qū)動(dòng)力矩直接和轉(zhuǎn)臂重量相關(guān)，所以它影響著電機(jī)的選擇。因此我們應(yīng)該選擇高彈性模量低密度的材料。</p><

74、p>　　阻尼大選擇機(jī)器人的材料不僅要求剛度大，重量輕，而且希望材料的阻尼盡可能大。機(jī)器人轉(zhuǎn)臂經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)后，要求能平穩(wěn)的停下來(lái)?？墒窃诮K止運(yùn)動(dòng)瞬間構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生慣性力和慣性力矩，構(gòu)建自身又具有彈性，因而會(huì)產(chǎn)生殘余振動(dòng)。從提高定位精度和傳動(dòng)平衡性考慮，希望采用大阻尼材料或采取增加構(gòu)件阻尼的措施來(lái)吸收能量。</p><p><b>　?。?）材料經(jīng)濟(jì)性 </b></p><p&

75、gt;　　材料價(jià)格是機(jī)器人成本價(jià)格的重要組成部分。</p><p>　　本文所選擇的鋁合金材料重量輕，價(jià)格適中，雖然彈性模量不太大，但是材料密度小，鋁的密度約為2.7×103kg/m3。故E/P之比可與鋼材相比.總的來(lái)說(shuō)鋁合金材料有一下優(yōu)點(diǎn)： </p><p>　　鋁比重小，重量輕，可以用來(lái)代替鋼鐵。它不僅能使設(shè)備重量減輕很多，而且強(qiáng)度高，不怕腐蝕，因而用途廣泛。鋁的強(qiáng)度不算低，

76、當(dāng)加入少量銅、錳、硅、鎂等元素形成合金后，其強(qiáng)度又顯著提高，經(jīng)過(guò)一定的處理，甚至超過(guò)了一些鋼的強(qiáng)度，但重量卻比鋼輕很多。鋁的導(dǎo)電性能也很好，雖比銅要差卻好于鐵，但它的質(zhì)量只有銅的2/3倍，并且鋁導(dǎo)線散熱快，能通過(guò)較大電流而不會(huì)被燒壞。再加上價(jià)格便宜。鋁的導(dǎo)熱性能好，幾乎是鐵的4倍，散熱性能好。鋁容易加工成型，可壓成薄板或拉成細(xì)絲。鋁容易與氧發(fā)生反應(yīng)而在表面生成一層堅(jiān)韌的氧化膜。這層膜性質(zhì)穩(wěn)定，有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，因而防腐能力強(qiáng)。鋁是非磁

77、性金屬，可防止復(fù)雜環(huán)境中的很多磁干擾。</p><p>　　3.3帶輪裝置的選擇與計(jì)算</p><p>　　現(xiàn)以主傳帶為例介紹帶傳動(dòng)的選擇過(guò)程：由上訴資料可以得到要求傳遞功率為11w，車的行駛速度為5000mm/min，其傳動(dòng)比i=1，中心距a為280mm左右，帶輪的初定直徑為96mm左右。</p><p>　　(1)由車的速度可知帶輪的轉(zhuǎn)速</p>

78、<p>　　(2)確定計(jì)算功率Pd=KAP，由表6-10（在《帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》中，本例下同），查得工況系數(shù)KA=2.1，所以</p><p>　?。?）選擇同步帶的節(jié)距pb</p><p>　　有帶輪的轉(zhuǎn)速 及計(jì)算功率pb=23.1w同時(shí)考慮到帶要做為與外界接觸的主傳動(dòng)，按圖6-3選用H型同步帶，即節(jié)距pb=12.70mm。</p><p>　?。?/p>

79、4）確定帶輪的齒數(shù)和節(jié)圓直徑</p><p>　　按 又由上述材料得知其帶輪要大小要在96左右，故由表6-11差得同步帶的的齒數(shù)z=24，則帶輪的的節(jié)圓直徑</p><p><b>　　驗(yàn)算其線速度</b></p><p>　　由表6-9差得H型同步帶允許的線速度vmax=40m/s，合格。</p><p>　?。?）確

80、定同步帶的節(jié)長(zhǎng)、齒數(shù)及傳動(dòng)中心距</p><p>　　按上訴要求的中心距 ，求得同步帶的節(jié)長(zhǎng)近似值</p><p>　　由標(biāo)準(zhǔn)同步帶節(jié)線長(zhǎng)度系列（見(jiàn)表6-3）查得H行中和 最相近的同步帶標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長(zhǎng) ，同步帶的節(jié)距代號(hào)為345，同步帶齒數(shù) 。</p><p>　?。?）計(jì)算左右在帶輪軸上的力</p><p>　　表3-1 周節(jié)制同步帶帶輪的尺寸和

81、公差 mm</p><p>　　3.4張緊裝置的選擇與計(jì)算</p><p>　　帶輪傳動(dòng)選好后就要進(jìn)行張緊設(shè)計(jì)，現(xiàn)取其中一邊帶來(lái)算，讓其平均分在兩個(gè)支架上，則邊支架要加的張緊力為668N上邊安裝4個(gè)彈簧，則每個(gè)彈簧所承擔(dān)的力F=83.5N。</p><p>　　（1）選擇材料和確定許可應(yīng)力 根據(jù)彈簧所受載荷特性及要求，在表2-61（由《彈簧手冊(cè)》中取用，本節(jié)未特

82、殊說(shuō)的均是這樣）選用B組不銹鋼彈簧鋼絲。許用應(yīng)力 。材料的抗拉強(qiáng)度 與鋼絲直徑d有關(guān)，先假設(shè)鋼絲直徑d=1~3mm，其對(duì)應(yīng)的 。根據(jù)表2-2得切變模量G=71.5x103MPa。取試驗(yàn)切應(yīng)力 。</p><p>　?。?）選擇旋繞比 根據(jù)表10-4初步選旋繞比C=6。</p><p>　　（3）計(jì)算鋼絲直徑 根據(jù)式（10-18）可得計(jì)算鋼絲直徑為</p><p>

83、;　　由于所受載荷的確定性因素多，所以取曲度系數(shù)K=1.25。</p><p>　　鋼絲直徑在假設(shè)范圍內(nèi)，根據(jù)表10-2選取d=1.6mm。</p><p><b>　?。?）彈簧的中徑</b></p><p>　　按表10-3取系列值D=10mm。</p><p>　?。?）計(jì)算彈簧圈數(shù) 根據(jù)表10-13得</

84、p><p>　　查表10-5系列值，取n=7。</p><p>　　兩端各取承載圈一圈，則彈簧總?cè)?shù)：</p><p>　　（6）計(jì)算試驗(yàn)載荷 根據(jù)式（10-3），得試驗(yàn)載荷：</p><p>　?。?）自由高度 為了增加其受力均勻性，采用YI型端部結(jié)構(gòu)兩端并緊并磨平，按表10-6可知其自由高度：</p><p>　　

85、取 ，按式（10-11）初估節(jié)距：</p><p>　　代入上式得自由高度：</p><p>　　按表10-7系列值，取 。</p><p>　?。?）彈簧的節(jié)距 根據(jù)表10-8，可得節(jié)距：</p><p>　　（9）彈簧的螺旋角 按式（10-9）可得螺旋角：</p><p>　　此值符合一般要求 。</p&

86、gt;<p>　　（10）彈簧的穩(wěn)定性驗(yàn)算 采用兩端固定支撐。其高徑比：</p><p>　　按表9-3可知 ,滿足穩(wěn)定性要求。</p><p>　?。?1）彈簧材料展開長(zhǎng)度 根據(jù)式（10-13）可得材料展開長(zhǎng)度：</p><p>　　（12）彈簧的實(shí)際性能參數(shù) 根據(jù)表10-13可知彈簧剛度：</p><p>　　對(duì)應(yīng)于變

87、形f=10mm的彈簧載荷：</p><p><b>　　彈簧的試驗(yàn)變形：</b></p><p>　　其他參數(shù)見(jiàn)表3-2（本文中）。</p><p>　　表3-2 設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)</p><p><b>　　3.5驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.5.1 電機(jī)選擇&

88、lt;/p><p>　　目前，電動(dòng)機(jī)尤其是伺服電機(jī)己成為最常用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器，它的控制性能好，適合于高精度機(jī)器人，而且有較高的柔性和可靠性。伺服電機(jī)包括了帶有反饋的直流電機(jī)、交流電機(jī)、無(wú)刷電機(jī)等。 </p><p>　?。?）影響電機(jī)選擇的因素</p><p>　　變結(jié)構(gòu)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇至關(guān)重要，它與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能、控制硬件的配置、電源能量消耗、控制的難易程

89、度都有很大關(guān)系。首先必須考慮電機(jī)能夠提供負(fù)載所需的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，從偏于安全的意義上來(lái)講，就是要求電機(jī)能夠克服峰值負(fù)載所需的功率。還有其它方面的因素需要考慮，其中影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)的主要因素有以下幾點(diǎn)：</p><p>　?、僦亓亢腕w積因素 設(shè)計(jì)之初，機(jī)器人總體的重量往往是給定的，而在機(jī)器人結(jié)構(gòu)中，電機(jī)及其附件又是重量最大的一部分，選擇體積小、重量輕的電機(jī)，能夠有效地達(dá)到減輕重量的目的。</p><

90、;p>　?、隍?qū)動(dòng)功率因素 機(jī)器人在不同地貌環(huán)境中行走時(shí)，各變形的姿態(tài)不同，各關(guān)節(jié)所需的驅(qū)動(dòng)力矩大小也各不相同，電機(jī)的確定必須綜合考慮傳動(dòng)系統(tǒng)中的效率、安全系數(shù)以及所需的最大驅(qū)動(dòng)力矩要求。</p><p>　?、坜D(zhuǎn)動(dòng)速度的要求 變結(jié)構(gòu)機(jī)器人的行走速度比較慢，所有關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度都是從高速轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)軸徑上減速得到的，因此電機(jī)必須有足夠的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍。</p><p>　?。?）本設(shè)計(jì)電

91、機(jī)選型</p><p>　　因此，針對(duì)課題的要求，我們選擇直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。直流電機(jī)實(shí)際上是機(jī)器人平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)，有著極寬的功率調(diào)節(jié)范圍、適用性好，具有很高的性價(jià)比，是一種最為通用的電機(jī)。到目前為止，直流電機(jī)仍是輸出功率最強(qiáng)勁的電機(jī)。數(shù)年來(lái)，很多深入的研究使得直流電機(jī)變得更快、更強(qiáng)、更高效。本設(shè)計(jì)中用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度調(diào)整，可以停在任意角度(±90°)，一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)臂的角度調(diào)整，也

92、可以停在0～90°之間的任意角度。所以機(jī)器人的位置、行駛速度都需要精確控制，又考慮到機(jī)器人只能帶36V的直流電機(jī)(安全考慮)，所以決定選用高精密的直流伺服電機(jī)。又因?yàn)樵隍?qū)動(dòng)力矩一定的情況下驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的體積越小越好，所以通常選用無(wú)刷電機(jī)。但是綜合考慮了關(guān)于現(xiàn)有型號(hào)、需求以及價(jià)格等方面因素，我們沒(méi)有選用無(wú)刷電機(jī)而選擇了石墨電機(jī)。</p><p>　　本履帶式變結(jié)構(gòu)機(jī)器人采用石墨直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器。石墨是非

93、金屬，但具有灰黑色的金屬光澤，是電的良導(dǎo)體。</p><p>　　3.5.2 驅(qū)動(dòng)安裝位置設(shè)置</p><p>　　驅(qū)動(dòng)裝置可以前置，也可以后置。驅(qū)動(dòng)裝置后置呈現(xiàn)出行駛技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，驅(qū)動(dòng)裝置前置時(shí)，大部分履帶在行駛時(shí)承受較大的牽引力。履帶劇烈伸長(zhǎng)，特別在使用預(yù)扭力履帶時(shí)，在拉伸方向有更大的彈性。在行駛時(shí)就導(dǎo)致前下部履帶處形成所謂的“履帶腹部”，在轉(zhuǎn)向行駛時(shí)履帶有脫落的危險(xiǎn)。因此，我們將驅(qū)動(dòng)

94、裝置后置。</p><p>　　六履帶擺臂式搜救機(jī)器人兩側(cè)采有獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，依靠左右輪的差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。機(jī)器人總共有8個(gè)電機(jī)，擺臂控制電機(jī)4個(gè)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)2個(gè)，攝像頭角度調(diào)整和調(diào)焦控制電機(jī)2個(gè)。這8個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)整體裝載在機(jī)器人的靠后部位，從而在一定程度上保證了變形過(guò)程的平衡性和穩(wěn)定性，從控制的簡(jiǎn)單性靈活性考慮，我們采用每個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式。下面是8個(gè)電機(jī)的型號(hào)參數(shù)：</p><p><

95、b>　　表4-1 電機(jī)型號(hào)</b></p><p><b>　　3.6 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對(duì)所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化的選擇及計(jì)算。首先，選擇總體結(jié)構(gòu)中最重要的部件和最危險(xiǎn)的零件，校核了其強(qiáng)度的要求。其次，定義了材料，重力之后，針對(duì)驅(qū)動(dòng)力要求進(jìn)行了仿真分析。最后，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)所設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行修改，以達(dá)到性能的要求。<

96、/p><p>　　第四章 實(shí)體造型及動(dòng)畫制作</p><p>　　4.1用Pro/E軟件制作實(shí)體模型</p><p>　　Pro/Engineer軟件具有強(qiáng)大的實(shí)體造型功能，首先通過(guò)草繪畫出零件的平面圖，再通過(guò)拉伸，旋轉(zhuǎn)，倒角等工能就能完成基本零件的實(shí)際尺寸造型。在裝配模式下可以以預(yù)期方式完成各零件間的實(shí)際連接，Pro/Engineer軟件會(huì)根據(jù)選擇的連接方式自動(dòng)生成

97、運(yùn)動(dòng)約束。圖4-1、4-2、4-3、4-4、4-5為變結(jié)構(gòu)機(jī)器人五個(gè)典型位置的造型。</p><p>　　圖4-1 平開式 圖4-2 內(nèi)縮式</p><p>　　圖4-3 抬臂式 圖4-4 站立式</p><p>&l

98、t;b>　　圖4-5 俯臥式</b></p><p>　　以上各種姿勢(shì)都是由擺臂來(lái)完成的動(dòng)作，具有一定的靈活性，其各種姿勢(shì)的主要功能見(jiàn)表4-1：</p><p>　　表4-1 各個(gè)姿態(tài)的功能說(shuō)明</p><p>　　從表4-1可以看出其各個(gè)功能都是有其優(yōu)缺點(diǎn)，故在實(shí)際操作中就要求操作人員對(duì)其各個(gè)功能要交叉使用以使機(jī)器人的功能最大化。</p&g

99、t;<p><b>　　4.2零件的畫法</b></p><p>　　現(xiàn)以彈簧的畫法來(lái)說(shuō)明proe在實(shí)體建模的過(guò)程。其具體畫法如下：</p><p>　?。?）啟動(dòng)Pro/ENGINEER軟件。</p><p>　?。?）單擊菜單命令“文件”-“設(shè)置工作目錄”，系統(tǒng)自動(dòng)打開“選取工作目錄”對(duì)話框。</p><p

100、>　?。?）在對(duì)話框中的“查找范圍”文本框里指定工作目錄為文件夾“**”（可根據(jù)自己的需要而定），然后單擊確定按鈕關(guān)閉對(duì)話框。</p><p>　　（4）單擊窗口上部工具欄中的“創(chuàng)建新對(duì)象”按鈕，打開“新建”對(duì)話框，確認(rèn)“類型”選項(xiàng)為“零件”，“子類型”選項(xiàng)為“實(shí)體”，在“名稱”文本框里輸入“tanhuang”，將其作為零件的文件名，不要勾選“使用缺省模版”選項(xiàng)，然后單擊確定按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)打開“新文件選項(xiàng)”

101、對(duì)話框。</p><p>　　（5）選取“新文件選項(xiàng)”對(duì)話框中的“mmns_part_solid”選項(xiàng)，然后單擊確定按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入草匯環(huán)境界面。</p><p>　?。?）單擊菜單命令“插入”-“螺旋掃描”-“伸出項(xiàng)”，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開如圖4-6所示的菜單管理器和如圖4-7所示的“伸出項(xiàng)：螺旋掃描”對(duì)話框。 </p><p>　　圖 4-6 菜單管理

102、器1 圖 4-7 “伸出項(xiàng)：螺旋掃描”對(duì)話框</p><p>　?。?）選擇“可變的”然后單擊菜單管理器中“完成”選項(xiàng)，菜單管理器會(huì)自動(dòng)更新，如圖4-8所示，并同時(shí)彈出如圖4-9所示的“選取”對(duì)話框。 </p><p>　　圖 4-8 菜單管理2 圖 4-9 選取對(duì)話框 圖 4-10 菜單管理器3&l

103、t;/p><p>　?。?）在窗口左側(cè)的模型樹中單擊基準(zhǔn)平面特征，將其作為草繪平面，菜單管理器自動(dòng)更新，如圖4-10所示。</p><p>　?。?）單擊菜單管理器中的“確定”選項(xiàng)，菜單管理器將會(huì)自動(dòng)更新，如圖4-11所示。</p><p>　　（10）單擊菜單管理器中的“缺省”選項(xiàng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入草圖繪制界面。</p><p>　　（11）利用

104、右側(cè)的繪圖工具畫出如圖4-12所示的草圖。 </p><p>　　圖4-11 菜單管理器4 圖4-12 繪制掃描軌跡 圖4-13 繪制中心線</p><p>　　（12）單擊草繪工具欄中“創(chuàng)建2點(diǎn)線” 按鈕旁邊的下拉箭頭，在彈出的按鈕列表中單擊“創(chuàng)建2點(diǎn)中心線” 按鈕，繪制出圖4-13中鼠標(biāo)光標(biāo)所指的中心線。</p>&l

105、t;p>　?。?3）單擊草繪工具欄中的“繼續(xù)當(dāng)前部分”按鈕，確定當(dāng)前繪制結(jié)果，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)在窗口底部打開“輸入節(jié)距值”文本框。</p><p>　?。?4）在“輸入節(jié)距值”文本框里輸入“0.1”，按“回車”，再次輸入“0.1”，按“回車”系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)彈出“菜單管理器”跟“選取對(duì)話框”。</p><p>　　（15）選擇剛才草繪中的上方一個(gè)點(diǎn)，然后在“輸入節(jié)距值”文本框里輸入“3.2”按“

106、回車”選擇第二點(diǎn)，然后在“輸入節(jié)距值”文本框里輸入“2.76”按“回車”系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入草繪界面。</p><p>　?。?6）單擊草繪工具欄中的“創(chuàng)建圓”按鈕，繪制出如圖4-14所示的圓。</p><p>　　圖4-14 繪制掃描剖面 圖4-15 創(chuàng)建的掃描特征效果</p><p>　?。?7）單擊操控板中的“繼續(xù)當(dāng)前部分”按鈕，然后單擊

107、“伸出項(xiàng)：螺旋掃描”對(duì)話框中的按鈕，確認(rèn)無(wú)誤后再單擊按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成如圖4-15所示的立體效果。</p><p>　　（18）利用“拉伸切除”命令把兩端的尾部切平，最后生成的彈簧如圖4-16所示。</p><p>　　（19）單擊窗口上部工具欄中的“保存活動(dòng)對(duì)象”按鈕，打開“保存對(duì)象”對(duì)話框，單擊其中的確定按鈕，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)以“tanhuang.prt”為文件名保存當(dāng)前文檔。</p

108、><p><b>　　圖4-16 彈簧</b></p><p>　　4.3 三維動(dòng)畫軟件的選擇</p><p>　　3D Studio MAX 是Autodesk公司享譽(yù)世界的一款功能強(qiáng)大三維動(dòng)畫軟件，用戶可以方便地使用該軟件創(chuàng)作出各種逼真的三維模型和三維視頻效果G，可以渲染成為照片級(jí)質(zhì)量的完美作品。它與MAYA等同類的動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件相比有許多獨(dú)特的

109、特點(diǎn)：更為便利的動(dòng)畫制作，更為簡(jiǎn)潔的材質(zhì)動(dòng)畫，豐富方便的造型功能和制作特技動(dòng)畫的功能。它始終以無(wú)與倫比的強(qiáng)大實(shí)力占據(jù)著市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，這與它獨(dú)特而方便的操作界面和強(qiáng)大的功能設(shè)置分不開的。在本次設(shè)計(jì)中采用的3D Studio MAX8.0。它和它的前面版本相比具有了更多的功能，加速了三維動(dòng)畫制作的進(jìn)程。</p><p>　　由于3D Studio MAX8.0軟件在計(jì)算機(jī)三維動(dòng)畫制作方面的強(qiáng)大功能，結(jié)合本次機(jī)器人動(dòng)

110、畫設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在本次的機(jī)器人動(dòng)畫設(shè)計(jì)中采用了3D Studio MAX8.0軟件。下圖4-17是3D Studio MAX8.0的操作界面[10-12]。</p><p>　　圖4-17 3D Studio MAX8.0</p><p>　　4.4 六履帶擺臂式搜救機(jī)器人裝配動(dòng)畫的設(shè)計(jì)與制作</p><p>　?。?）文件格式的轉(zhuǎn)換</p><p