履帶式機(jī)器人移動(dòng)底盤的設(shè)計(jì)含8張CAD圖
履帶式機(jī)器人移動(dòng)底盤的設(shè)計(jì)含8張CAD圖,履帶式,機(jī)器人,移動(dòng),挪動(dòng),底盤,設(shè)計(jì),cad
DEVELOPMENTANDMOTIONANALYSISOFMINIATUREWHEEL-TRACK-LEGGEDMOBILEROBOT小型輪履腿復(fù)合式機(jī)器人設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)特性分析段星光 黃強(qiáng) 李科杰(北京理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 北京 100081)摘要:針對(duì)在室內(nèi)外環(huán)境下對(duì)小型移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要求,綜合輪式、履帶式和腿式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),研制開(kāi)發(fā)了一種多運(yùn)動(dòng)模式的小型輪履腿復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人可以進(jìn)行輪式高速運(yùn)動(dòng)、履帶或腿式越障等多種模式的運(yùn)動(dòng)。對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性、越障性能、自動(dòng)復(fù)位功能進(jìn)行了詳細(xì)的分析。采用的嵌入式控制系統(tǒng)保證了機(jī)器人功耗低、可靠性好、實(shí)時(shí)性高的控制要求。試驗(yàn)表明,這種移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活,具有很好的環(huán)境適應(yīng)性和較高的越障能力。關(guān)鍵詞 移動(dòng)機(jī)器人;運(yùn)動(dòng)特性;運(yùn)動(dòng)模式;越障;復(fù)位;0前言移動(dòng)機(jī)器人作為機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支, 在偵察、巡視、警戒、掃雷排險(xiǎn)等危險(xiǎn)與惡劣環(huán)境 中有著廣闊的應(yīng)用前景1。小型地面移動(dòng)機(jī)器人, 以其體積小,成本低,生存能力強(qiáng),運(yùn)動(dòng)靈活等特 點(diǎn),成為研究的又一熱點(diǎn)2。對(duì)于小型地面移動(dòng)機(jī) 器人來(lái)說(shuō),其工作環(huán)境既可能是在城區(qū)和建筑物內(nèi) 的結(jié)構(gòu)化環(huán)境,也有可能是自然環(huán)境下復(fù)雜、未知、 多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境。由于在執(zhí)行某些特定任務(wù)時(shí), 要求移動(dòng)機(jī)器人不是避開(kāi)障礙或復(fù)雜地形,而是要 越過(guò)并適應(yīng)它。所以,越障能力是移動(dòng)機(jī)器人適應(yīng) 各種結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的必要功能。 總的來(lái)看,有三種類型的機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu):輪 式、履帶式和腿式。輪式機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控 制方便、速度高、運(yùn)動(dòng)靈活和能耗低等優(yōu)點(diǎn),但是, 它不適合于跨越像溝壑、臺(tái)階、樓梯等障礙,越障 能力差。履帶式結(jié)構(gòu)的機(jī)器人相比輪式結(jié)構(gòu)的機(jī)器 人有著較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力,在陡峭地形、復(fù)雜環(huán) 境下有著較高的越障能力和良好的環(huán)境適應(yīng)性。但 由于存在較大的摩擦力阻力,特別是在長(zhǎng)距離、高 速度運(yùn)動(dòng)過(guò)程中或者是轉(zhuǎn)彎時(shí),其能耗很高。從理 論上來(lái)講,腿式機(jī)器人是最靈活的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),但是, 腿式機(jī)器人通常具有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)并且控制復(fù) 雜,要想實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高速的行走,還有諸多難題需要解決。以偵察、反恐防暴等危險(xiǎn)作業(yè)為應(yīng)用背景,對(duì)移動(dòng)機(jī)器人提出了許多特殊的要求,如質(zhì)量、體積、速度和能耗等。在此,為機(jī)器人提出以下具體設(shè)計(jì)要求。(l)在遠(yuǎn)距離平坦路面運(yùn)動(dòng)情況下,要求機(jī)器 人具有較高的運(yùn)動(dòng)速度和較低的能耗。以偵察、反恐防暴等危險(xiǎn)作業(yè)為應(yīng)用背景,對(duì) 移動(dòng)機(jī)器人提出了許多特殊的要求,如質(zhì)量、體積、速度和能耗等。在此,為機(jī)器人提出以下具體設(shè)計(jì)要求。(l)在遠(yuǎn)距離平坦路面運(yùn)動(dòng)情況下,要求機(jī)器 人具有較高的運(yùn)動(dòng)速度和較低的能耗。(2)在松軟、沼澤、不平坦地形、陡峭的斜面 等自然環(huán)境中保持基本的穿越能力。(3)能夠越過(guò)臺(tái)階、樓梯等室內(nèi)結(jié)構(gòu)化環(huán)境中 經(jīng)常遇到的障礙。(4)能夠?qū)崿F(xiàn)在狹窄的空間轉(zhuǎn)彎、旋轉(zhuǎn)等功能。 (5)質(zhì)量輕、體積小、運(yùn)動(dòng)靈活。 (6)在車體發(fā)生翻倒時(shí)具有自動(dòng)復(fù)位功能 (7)具有遙控半自主的操作功能,控制系統(tǒng)要 求具有體積小、可靠性高、實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)。近年來(lái),許多研究人員開(kāi)發(fā)了各種類型的移動(dòng) 機(jī)器人。輪式機(jī)器人是研究最多的一種,有四輪、六輪或八輪等多種形式。如E.Nakano等l3研制的四 輪全向移動(dòng)機(jī)器人、星球探測(cè)機(jī)器人Micro一少1、 Roverls等。為提高機(jī)器人的越障能力,研究開(kāi)發(fā)了 各種類型的履帶式機(jī)器人,比如,以室內(nèi)偵察為目的 開(kāi)發(fā)的0.Centa叨reI6和L.Ma側(cè)比es閉,M.H.naniel8 等的用于城區(qū)偵察的小型輕便履帶式機(jī)器人,采用了 兩條主履帶和兩個(gè)同軸關(guān)節(jié)履帶輔助機(jī)器人越障。有的采用兩對(duì)三角形履帶以適應(yīng)障礙地形環(huán)境I9。 在Heliosn也采用了兩對(duì)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的履帶。在足式機(jī)器人研究中出現(xiàn)了兩足、四足、六足等多種機(jī)器人,其中Q.Huang等1,121研究開(kāi)發(fā)了一種雙 足步行機(jī)器人,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定行走、上下樓梯、 轉(zhuǎn)彎等基本運(yùn)動(dòng)。另外,為綜合輪子和履帶各自的 優(yōu)點(diǎn),出現(xiàn)了各種危險(xiǎn)環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái), 如Y Maeda等13的多功能機(jī)器人、Andros系列機(jī)器人以及中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制的 CLIMBER16。通過(guò)對(duì)不同移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性和已有機(jī)器人平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性的綜合析,結(jié)合具體的應(yīng)用要求,這里提出了一種能夠在城區(qū)、建筑物內(nèi)和野外非結(jié)構(gòu)環(huán)境下具備較高環(huán)境適應(yīng)性、具有一定越障能力和自復(fù)位功能的小型輪履腿復(fù)合式移動(dòng)機(jī)器人。該機(jī)器人可以根據(jù)不同的地形條件變換運(yùn)動(dòng)模式。利用輪子實(shí)現(xiàn)高速遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng),利用四條單獨(dú)擺動(dòng)的履帶腿提高其越障能力和環(huán)境適應(yīng)性。系統(tǒng)采用遙控/半自主的工作方式,由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制,使得機(jī)器人工作更具實(shí)用性。嵌入式控系統(tǒng)保證了控制系統(tǒng)質(zhì)量輕,體積小、實(shí)時(shí)性好、可靠性高的要1機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1機(jī)器人總體方案機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)式是由四個(gè)車輪、四個(gè)擺臂和車體構(gòu)成的三節(jié)式復(fù)合結(jié)構(gòu),其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 1 所示 。其中代表機(jī)器人坐標(biāo)系, 為車體長(zhǎng)度 , 為車體寬度 , 分別表示大履帶輪半徑、小履帶輪半徑、和中心距。 圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖機(jī)器人采用對(duì)稱結(jié)構(gòu),由四個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸相同的運(yùn)動(dòng)單元和車體構(gòu)成三節(jié)式結(jié)構(gòu)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元包括一個(gè)履帶腿機(jī)構(gòu)和一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)。車輪驅(qū)動(dòng)采用后輪差速驅(qū)動(dòng),分別由兩個(gè)電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器傳動(dòng)至驅(qū)動(dòng)軸。四條履帶腿均配置在車輪內(nèi)側(cè),不僅能夠?qū)崿F(xiàn)履帶自身的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng),而且能夠繞驅(qū)動(dòng)輪中心軸擺動(dòng)。為增強(qiáng)機(jī)器 人的運(yùn)動(dòng)靈活性,提高機(jī)器人的越障能力,四個(gè)履帶腿的擺動(dòng)范圍設(shè)計(jì)為。中間部分是機(jī)器人車體,可裝載控制系統(tǒng)、電池及其他各種設(shè)備。為保證其能夠進(jìn)入建筑物內(nèi)并能越過(guò)臺(tái)階、爬越樓梯等越障要求,需要對(duì)一般建筑物入口寬度、樓梯的結(jié)構(gòu)尺寸、履帶腿長(zhǎng)度、履帶輪直徑、車體長(zhǎng)度以及整個(gè)機(jī)器 人的總體尺寸等進(jìn)行綜合考慮 ,既要滿足其小型化要求,又要保證其要求的越障能力。這種形式的機(jī)器人具有與一般輪式機(jī)器人相同的轉(zhuǎn)彎、直線行走等功能; 與一般履帶式移動(dòng)機(jī)器人有相同的爬坡、越障等功能。此外四個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)履帶腿, 進(jìn)一步增加 了運(yùn)動(dòng)的靈活性,使得它對(duì)各種地面的通過(guò)能力和越障能力進(jìn)一步提高 。依此方案設(shè)計(jì)的機(jī)器人自由度分配為:兩后輪為2自由度;四個(gè)履帶的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)為 4 自由度;四個(gè)履帶腿繞中心軸的擺動(dòng)為4自由度。這樣總共需要10自由度。考慮到機(jī)器人質(zhì)量和空間結(jié)構(gòu)的限制,在不影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能的前提下,將兩個(gè)后履帶的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)與車輪驅(qū)動(dòng)共用2自由度 ,這樣全部機(jī)器人共有8 自由度 。在驅(qū)動(dòng)單元,采用了小體積、輕質(zhì)量、大輸出扭矩的DC電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器輸出至傳動(dòng)軸。由于車體的尺寸限制,特別是在寬度方向的限制,許多移動(dòng)機(jī)器人都采用了蝸輪一蝸桿傳動(dòng)副或圓弧齒輪傳動(dòng)副。這種傳動(dòng)方式在縮小寬度尺寸方面效果明顯,但存在的主要問(wèn)題是傳動(dòng) 效率低、能耗損失大。為此 ,在減速設(shè)計(jì)中采用了與電動(dòng)機(jī)集成的行星齒輪減速器和末級(jí)的圓柱齒輪減速傳動(dòng),其傳動(dòng)效率可 以達(dá)到 95 % 以上。另外,輪式運(yùn)動(dòng)要滿足高速要求,而履帶組擺動(dòng)的主要目的是調(diào)整機(jī)器人越障姿態(tài)或進(jìn)行腿式運(yùn)動(dòng),速度要求較低,所 以,輪子驅(qū)動(dòng)采用了較小的減速比,而履帶腿的擺動(dòng)采用了較大的減速比以提高驅(qū)動(dòng)力矩,滿足支撐車體時(shí)的大扭矩要求 。1.2內(nèi)外軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在機(jī)器人 的四個(gè)輪履腿運(yùn)動(dòng)單元中,除了輪子的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)以外,還有履帶腿繞驅(qū)動(dòng)軸的擺動(dòng)。由于擺動(dòng) 自由度與驅(qū)動(dòng)輪在同一個(gè)中心軸上,所以, 要求在一 個(gè)中心線上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的傳遞。設(shè)計(jì) 中 采用了內(nèi)外軸的結(jié)構(gòu)形式 , 如圖2所示 。圖2 內(nèi)外軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖電動(dòng)機(jī) 1經(jīng)過(guò)與其集成的行星齒輪減速器 1和 末級(jí) 圓柱齒輪減速副將驅(qū)動(dòng)動(dòng)力傳給內(nèi)軸,提供整個(gè)機(jī)器人平臺(tái)的輪式運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線和轉(zhuǎn) 彎等運(yùn)動(dòng)所需動(dòng)力。為實(shí)現(xiàn)履帶腿的同軸傳動(dòng),設(shè)計(jì)了與內(nèi)軸同心的帶凸緣結(jié)構(gòu)外軸, 其同心內(nèi)孔設(shè)計(jì)為內(nèi)軸軸承的外圈,外軸軸承通過(guò)軸承座支撐整個(gè)運(yùn)動(dòng)單元。外軸的運(yùn)動(dòng)通過(guò)凸緣與履帶腿的擺臂相連接以傳遞擺動(dòng)所需動(dòng)力。同樣采用電動(dòng)機(jī)、減速器、末級(jí)圓柱齒輪副構(gòu)成擺臂傳動(dòng)鏈。由于履帶腿的擺動(dòng)速度較低 ,而且在腿式運(yùn)動(dòng)時(shí)要求通過(guò)控制擺臂關(guān)節(jié)角來(lái)抬起車體,需要較大的驅(qū)動(dòng)力矩 , 所以履帶腿驅(qū)動(dòng)需要選擇較大的減速比。在整個(gè)傳動(dòng)中,均采用齒輪傳動(dòng)和滾動(dòng)軸承,減少了傳動(dòng)效率損失和摩擦阻力,提高了驅(qū)動(dòng)效率 。1.3小型化緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為滿足機(jī)器人小型化的設(shè)計(jì)要 求 , 特別是在寬 度 方向(動(dòng)力傳遞方 向)尺寸受 限制的情況下 ,如何設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的空間合理布局是一個(gè)主要考慮 的 問(wèn)題。首先, 在滿足車體速度、驅(qū)動(dòng)力矩要求的前提下,采用了末級(jí)降速齒輪傳動(dòng)。由于需要在同一 個(gè)驅(qū)動(dòng)中心軸上具備車輪旋轉(zhuǎn)和履帶腿機(jī)構(gòu)組的擺動(dòng)兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,所以,通過(guò)這一對(duì)齒輪傳動(dòng)不僅可以錯(cuò)開(kāi)中心位置,滿足傳動(dòng)自由度的要求,而且可以進(jìn)一步提高驅(qū)動(dòng)力矩,減小了電動(dòng)機(jī)軸向受力,同時(shí)滿足車體的橫向尺寸要求。其次,在電動(dòng)機(jī)、減速器和變速齒輪的傳動(dòng)設(shè)計(jì)上,采用了空間緊湊性布局,如圖3所示 。圖3 緊湊型空間布局由于在車體的左 右兩側(cè)通過(guò)支撐板布置 了兩個(gè)運(yùn)動(dòng)單元,也就是說(shuō),左右各需要兩套電動(dòng)機(jī)與減速器驅(qū)動(dòng),如果完全對(duì)稱排列進(jìn)行設(shè)計(jì),則車體總寬度至少要大于電動(dòng)機(jī)與減速器長(zhǎng)度的兩倍,不能滿足車體寬度的要求。為此,將左側(cè)驅(qū)動(dòng)的兩套電動(dòng)機(jī)減速器M1和M2與右側(cè)驅(qū)動(dòng)的兩套 電動(dòng)機(jī)減 速器M3和M4在空間位置交錯(cuò)布局,既減小了軸向尺寸,又提高了車體空間的利用率,使得設(shè)計(jì)更加緊湊,也為控制系統(tǒng)在車體內(nèi)的布置提供了更大的空間,滿足機(jī)器人小型化的要求 。1.4 履帶腿機(jī)構(gòu)每個(gè)履帶腿機(jī)構(gòu)都具有2自由度,即履帶本身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和整個(gè)履帶腿繞驅(qū)動(dòng)軸擺動(dòng)。履帶腿由自由履帶輪、驅(qū)動(dòng)履帶輪和履帶及其支撐張緊機(jī)構(gòu)組成 ,如圖4所示圖4 履帶腿結(jié)構(gòu)大履帶驅(qū)動(dòng)輪經(jīng) 內(nèi)軸傳遞旋轉(zhuǎn)動(dòng)力。通過(guò)履帶 腿支撐桿連接孔與外軸凸緣相連接來(lái)傳遞履帶腿的 擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于履帶傳動(dòng)必 須要有張緊機(jī)構(gòu) , 一般采用支 撐輪和壓緊輪的方式。如果采用這種方式就需要有四套這樣的張緊裝置 , 不僅增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度 , 而且增加了整個(gè)車體 的質(zhì)量,不能滿足輕量化的設(shè) 計(jì)要 求 。 為此 , 在設(shè)計(jì)中采用了簡(jiǎn)潔的螺釘拉緊、端面壓緊的裝置 。 在小履帶輪端的擺臂桿側(cè)面 設(shè)計(jì) 一滑動(dòng)槽 , 內(nèi)嵌滑塊 , 滑塊機(jī)構(gòu)通過(guò)螺釘拉緊履帶 并用四個(gè)鎖緊螺栓來(lái)鎖緊 。 為了滿足輕量化的要求 , 除了在結(jié)構(gòu)上采取相 應(yīng)減重措施外(如減重孔),在滿足受力、摩擦等 的 前提下,在材料上也有選擇的采用了密度較小的非金屬材料 ,如尼龍和聚碳酸醋等。但對(duì)于傳動(dòng)件、摩擦件、主要受力件依然采用金屬材料,以滿足剛度要求。2 嵌入式控制系統(tǒng)機(jī)器人控制主要有遙控、遙控/半自主和自主方式。自主方式是最理想的形式,但目前以遙控/半自 主方式最為實(shí)用。即要求機(jī)器人既可以通過(guò)遙操作端的指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制還可 以實(shí)現(xiàn)局部的自主運(yùn)動(dòng).整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5 所示 。圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.1控制系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人采用遙控/半自主的控制方式,遙 操作端計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線串口 通信模塊發(fā)送任務(wù)指令至遠(yuǎn)程機(jī)器人的上位控制計(jì)算機(jī),然后經(jīng)C A N(controller area network) 總線傳送給下位機(jī),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。下位機(jī)負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的控制指令,并通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換獲得傳感器信息,發(fā)送運(yùn)動(dòng)控制命令給電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器,通過(guò)獲取電動(dòng)機(jī)光電碼盤信號(hào)完成對(duì)電動(dòng)機(jī)的伺服控制。鑒于ARM7芯片作為移動(dòng)機(jī)器人的主處理器在數(shù)據(jù)運(yùn)算和功耗上都具有很大優(yōu)勢(shì),所以選用三星公司ARM7微處理器作為主處理器。ARM7采用SC結(jié)構(gòu),具有3 級(jí)流水線,運(yùn)算速度高達(dá)66MHz,內(nèi)部集成 C A N 總線模塊,功耗是同檔次其他嵌入式處理器中較低的,已被廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系 統(tǒng)中。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制采用了 IT 公司 DSP2812芯片作為主處理器。DSP2812采用哈佛結(jié)構(gòu),流水線操作并有專用的硬件乘法器,處理速度高達(dá)150MHz ,內(nèi)部集成12位A了D 轉(zhuǎn)換模塊 , 正交脈沖 編碼模塊及 C A N 總線模塊,具有處理速度高、芯片功耗極低、實(shí)時(shí)性高的特點(diǎn),在嵌入式電動(dòng)機(jī)控制領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用 。機(jī)器人本體軟件平臺(tái)采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。與其他實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)相比,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔,可移植性好的特點(diǎn)。在嵌入式控制器上運(yùn)行的主要軟件模型是底層的PID伺服控制模型、任務(wù)規(guī)劃模型、遠(yuǎn)程命令交互和通信模型 。在遙操作計(jì)算機(jī)端,為了高效方便地對(duì)機(jī)器 人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制 , 其軟件平臺(tái)必 須具備良好的人機(jī)交 互界面。為此,采用了Windows操作系統(tǒng)。其特點(diǎn)是功能豐富,人機(jī)交互界面有好,操作簡(jiǎn)便,各種軟件資源豐富。2 .2 控制系統(tǒng) 中的通 信結(jié)構(gòu)在移動(dòng)機(jī)器人控制中一個(gè)很重要的問(wèn)題是其通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在遙操作計(jì)算機(jī)、 ARM與DSP之間如何實(shí)現(xiàn)各個(gè)處理器、傳感器、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等信息快速、實(shí)時(shí)、可靠的通信是至關(guān)重要的。為此,采用無(wú)線串口通信模塊傳輸來(lái)自遙操作端的任務(wù)指令,同時(shí)將機(jī)器人自身狀態(tài)和環(huán)境信息傳送給遙操作計(jì)算機(jī)。由于移動(dòng) 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制層的多個(gè)DSP處理器和傳感器采用并行處理結(jié)構(gòu),這樣 A R入1 處理 器 與各運(yùn)動(dòng)控制 D S P 處理器 以及傳感反饋等就共同 構(gòu)成一種 開(kāi)放式 的通信結(jié)構(gòu) , 在此 通信 中采用 了 C A N 總線通信方式 ,即運(yùn)動(dòng)控制的多個(gè) D S P 處理 器和傳感器信息直接通過(guò) C A N 總線與AR M處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。C A N 總線是現(xiàn)場(chǎng)總線的一種方式,是多主方式的串行通信總線 , 是當(dāng)今流行的工業(yè)控 制總線之一。其特點(diǎn)是傳輸速率高??闺姶鸥蓴_性強(qiáng),而且能夠檢測(cè)出傳輸中產(chǎn)生的錯(cuò)誤。由于其良好的工業(yè)性能,己被廣泛應(yīng)用于各類控制系統(tǒng)中 。3 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性3 1 運(yùn)動(dòng)模式及其特性 該移動(dòng)機(jī)器人的輪履腿復(fù)合機(jī)構(gòu)為其提供了多種運(yùn)動(dòng)模式,除了具有一般輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力 外 , 其運(yùn)動(dòng)特性主要體現(xiàn)在越障能力上。由于該機(jī)器人裝有四個(gè)獨(dú)立擺動(dòng)的履帶腿,通過(guò)不同的擺動(dòng)關(guān)節(jié)角控制可以形成不同的機(jī)器人越障姿態(tài)。與同等大小的機(jī)器人相比,其越障運(yùn)動(dòng)更加靈活,越障性能進(jìn)一步提高。 機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)的基本運(yùn)動(dòng)模式及運(yùn)動(dòng)特性 。3.1.1 輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)器人履帶腿上擺,四輪著地,如圖 a6所示。該模式用以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人長(zhǎng)距離快速高效的運(yùn)動(dòng)要求,可以前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎,減小機(jī)器人占地空間 ,減小摩擦 , 提高運(yùn)動(dòng)的靈活性圖6 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式3.1.2腿式運(yùn)動(dòng) 該模式可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的越障 運(yùn)動(dòng),見(jiàn)圖6b,通過(guò)控制履帶腿的關(guān)節(jié)角,控制機(jī) 器人的腿式越障運(yùn)動(dòng),在增加車體凈空高度、提高 非結(jié)構(gòu)環(huán)境下越障能力方面有著明顯效果。3.1.3履帶運(yùn)動(dòng) 該模式以四履帶驅(qū)動(dòng)為基本運(yùn)動(dòng)方式,利用前 后兩對(duì)履帶的擺動(dòng),來(lái)提高機(jī)器人的越障能力,其 越障運(yùn)動(dòng)特性具體表現(xiàn)如下。 (l)四履帶下擺著地,增大了機(jī)器人與地面的 接觸面積,可以使機(jī)器人適應(yīng)松軟、泥濘、沼澤和 凹凸不平等地形條件,見(jiàn)圖7a。 (2)在爬越臺(tái)階時(shí),通過(guò)前履帶腿上擺形成一 個(gè)合適的前攻角,可以方便的越過(guò)臺(tái)階,其攀越高 度超過(guò)輪子直徑的1 .5倍,見(jiàn)圖7b。 (3)通過(guò)四條履帶腿機(jī)器人可以爬越一般的樓 梯,見(jiàn)圖7c,而在結(jié)束下樓梯運(yùn)動(dòng)時(shí),通過(guò)控制后 履帶腿的擺動(dòng)關(guān)節(jié)角形成一個(gè)合適的后攻角,可以 克服下樓梯時(shí)的摔落振動(dòng),見(jiàn)圖7fo另外,由于機(jī) 器人的對(duì)稱結(jié)構(gòu)特點(diǎn),其前后驅(qū)動(dòng)性能相同,所以 在下樓梯時(shí)可以省去在樓梯平臺(tái)處的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng),直 接由后履帶腿變前履帶腿就可以實(shí)現(xiàn)下樓梯的 運(yùn)動(dòng)。 (4)利用四履帶運(yùn)動(dòng)模式爬越斜坡時(shí),由于四 條履帶腿都有驅(qū)動(dòng)力,所以可以爬越更大角度的斜 坡,增大了爬坡能力,見(jiàn)圖7d。 (5)由于各個(gè)履帶腿的擺動(dòng)是相對(duì)獨(dú)立的,所 以,在左右兩側(cè)可以形成不同關(guān)節(jié)角,使得機(jī)器人 可以在斜坡上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定側(cè)向行駛,見(jiàn)圖7e。穩(wěn)定性受到穩(wěn)定邊界(重心到支撐邊界的最小距離) 的影響。該機(jī)器人的多履帶機(jī)構(gòu),可以通過(guò)改變履 帶腿的姿態(tài)達(dá)到改變重心或zMp(零力矩點(diǎn))的位置,以克服固定重心和穩(wěn)定邊界限制。特別是在爬 越樓梯、斜面時(shí),通過(guò)擺臂運(yùn)動(dòng)可以方便的調(diào)整機(jī) 器人重心位置、擴(kuò)大了機(jī)器人接觸區(qū)域,提高在傾 斜障礙物上的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。圖7 機(jī)器人越障特性3.2機(jī)器人自復(fù)位特性由于移動(dòng)機(jī)器人的工作環(huán)境既有可能是在城 區(qū)、建筑物內(nèi)外的結(jié)構(gòu)化環(huán)境,也有可能是自然環(huán) 境下復(fù)雜、未知、多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境,可能會(huì)由于 各種原因使機(jī)器人翻倒而導(dǎo)致機(jī)器人失去運(yùn)動(dòng)功 能。該機(jī)器人可以利用四個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的履帶腿實(shí)現(xiàn) 車體在翻倒時(shí)的復(fù)位。圖8表示了一種機(jī)器人在翻 倒情況下的復(fù)位運(yùn)動(dòng)序列。(l)擺臂L下擺,抬起車體B的一端(左端),使 車體傾斜,由圖8中的位置(a)變?yōu)槲恢脗?。 (2)擺臂R逆時(shí)針擺動(dòng)到圖8c的位置,以便使 支撐區(qū)域靠近機(jī)器人重心。 (3)擺臂L逆時(shí)針擺動(dòng)到車體右側(cè),以便調(diào)整 機(jī)器人重心右移,見(jiàn)圖8d。 (4)通過(guò)擺臂R的擺動(dòng)支撐,逐步使車體B翻 轉(zhuǎn),當(dāng)重心越過(guò)擺臂R的大輪中心時(shí),車體下翻, 使擺臂L與地面接觸,見(jiàn)圖8e。 (5)調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)為初始姿態(tài),完成機(jī)器人復(fù)位運(yùn)動(dòng),見(jiàn)圖8f圖8 機(jī)器人復(fù)位運(yùn)動(dòng)4結(jié)論提出了一種適應(yīng)室內(nèi)外結(jié)構(gòu)、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的 小型輪履復(fù)合型移動(dòng)機(jī)器人,研究了機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),并對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析。目 前,已完成了該機(jī)器人的機(jī)械裝配與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì), 并且進(jìn)行了輪式運(yùn)動(dòng)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)以及 爬越臺(tái)階、斜面、樓梯等越障試驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)性能指標(biāo)如下表所示 。圖9為機(jī)器人在爬越樓梯時(shí)的試驗(yàn)情況。通過(guò)試驗(yàn)可以看出,機(jī)器人具有不同的運(yùn)動(dòng)模式和良好的運(yùn)動(dòng)特性??刂葡到y(tǒng)滿足機(jī)器人對(duì)半自主導(dǎo)航及遙操作的要求??梢詫?shí)現(xiàn)在城區(qū)、建筑物內(nèi)和野外非結(jié)構(gòu)環(huán)境的快速行駛和越障運(yùn)動(dòng)。與同等大小的其他類型機(jī)器人相比,具有質(zhì)量輕、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、越障方式靈活等特點(diǎn)。這種移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)可用于軍事偵察、探測(cè)、警戒、巡邏或公安、武警系統(tǒng)解決突發(fā)事件,有著廣泛的應(yīng)用前景圖9 機(jī)器人爬坡實(shí)驗(yàn)參考文獻(xiàn)1徐國(guó)華,譚民移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì)機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2001(3):7-142李科杰危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略研究機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用,2003(5):14-223NakanoE,KoyachiN.Anadvancedmechanismoftheomni-directionalvehicle(ODV)anditsapplicationtotheworkingwheelchairforthedesiabled.In:Proc.oftheICAR,1983:277-2844YasuharuK,MasayaS,KurodaY,etal.Commanddatacompensationforreal-timetele-drivingsystemonlunarrover:Micro-5.In:Proc.oftheICRA,2001:1394-139955YojiK,TeppeiT,YoshinoriS,etal.Mobilityperformanceevaluationofplanetaryroverwithsimilaritymodelexperiment.In:Proc.ofICRA,2004:2098-21036ClementG,VilledieuE.Mobilerobotforhostileenvironments.In:Proc.ofInternationalTopicalMeetingonRemoteSystemsandRoboticsinHostileEnvironments,1987:270-2777MatthiesL,XiongY,HoggR,etal.Aportable,autonomous,urbanreconnaissancerobot.RoboticsandAutonomousSystems,2002(40):163-1728DanielMH.Multi-sensor,highspeedautonomousstairclimbing.In:Proc.ofConf.IROS,2002:733-74299SchempfH,MutschlerE,PiepgrasC,etal.Pandora:autonomousurbanroboticreconnaissancesystem.In:Proc.ofICRA,1999:2315-232110HiroseS,MiyakeJ,AokiS.Developmentofterrainadaptivequadru-trackvehicleHELIOS-.Jou11HuangQ,KenjiK,KazunitoY,etal.Balancecontrolofabipedrobotcombingoff-linepatternwithreal-timemodification.In:Proc.IEEEInt.Conf.RoboticsandAutomation,2000:3346-335212WangG,HuangQ,GengJH,etal.Cooperationofdynamicpatternsandsensoryreflexforhumanoidwalking.In:Proc.IEEEInt.Conf.RoboticsandAutomation,2003:2472-247713MaedaY,TsutaniS,HagiharaS.Prototypeofmultifunctionalrobotvehicle.In:Proc.ofInt.Conf.onAdvancedRobotics,1985:421-42814MartensJ,NewmanW.Stabilizationofamobilerobotclimbingstairs.In:Proc.ofICRA1994:2501-250715WhiteJR,SunagawaT,NakajimaT.Hazardousdutyrobotsexperiencesandneeds.In:Proc.ofIEEE/RSJInternationalWorkshoponIntelligentRobotsandSystems,1989:262-26716王挺,王越超,趙憶文多機(jī)構(gòu)復(fù)合智能移動(dòng)機(jī)器人的研制機(jī)器人,2004,26(4):289-294畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯,履帶式機(jī)器人移動(dòng)底盤的設(shè)計(jì),答辯人:XX,指導(dǎo)老師:XX,履帶機(jī)器人的介紹,從20世紀(jì)60年代到70年代,迅速普及并實(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(kāi)展機(jī)器人移動(dòng)功能的研究和開(kāi)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(kāi)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)。,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,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)。,履帶機(jī)器人底盤的的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),1,履帶機(jī)器人底盤的運(yùn)作原理,2,結(jié)論,3,履帶機(jī)器人底盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),1.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,履帶機(jī)器人底盤的性能設(shè)計(jì)參數(shù),總體結(jié)構(gòu):六節(jié)履帶式結(jié)構(gòu),自重:50KG,結(jié)構(gòu)尺寸:1205*764*380mm,平地最大速度:0.5m/s,一般速度:0.3m/s,通過(guò)最大坡度:30,續(xù)航能力:4小時(shí),履帶機(jī)器人的運(yùn)作原理,減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器的減速,以增大轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)調(diào)速。減速器是行星輪減速器,電動(dòng)機(jī)安裝在減速器旁,通過(guò)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?jiǎng)恿Α?后軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),后軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)后軸位于傳動(dòng)系的末端。其基本功用增增扭、降速和改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向,即增大由傳動(dòng)軸或者直接從變速器傳來(lái)的轉(zhuǎn)矩,并將轉(zhuǎn)矩合理的分配給左右驅(qū)動(dòng)車輪。,履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其動(dòng)力部分采用電機(jī),通過(guò)齒輪副降速后帶動(dòng)低速軸的轉(zhuǎn)動(dòng),軸與履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)連接,從而使履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各自繞前后軸的中心線轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不同角度的爬坡和越障能力。,履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),機(jī)器人跨越臺(tái)階,總結(jié),本次設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及到所學(xué)知識(shí)的方方面面。通過(guò)本次設(shè)計(jì),對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行了一次溫故,同時(shí)也為日后從事工程實(shí)踐工作打下了一些基礎(chǔ)。 設(shè)計(jì)中,我對(duì)履帶式機(jī)器人底盤的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、性能的要求進(jìn)行了比較詳細(xì)的分析,針對(duì)履帶機(jī)器人中采用的履帶、減速器、電動(dòng)機(jī)等也進(jìn)行必要的闡述。 通過(guò)對(duì)履帶機(jī)器人的相關(guān)性能要求的驗(yàn)算,得出設(shè)計(jì)的結(jié)果基本上符合設(shè)計(jì)要求。,致謝,THANKS!,大學(xué)生活即將結(jié)束,在此,我要感謝所有教導(dǎo)我的老師和陪伴我一齊成長(zhǎng)的同學(xué),他們?cè)谖业拇髮W(xué)生涯給予了很大的幫助。本論文能夠順利完成,要特別感謝我的導(dǎo)師代素梅老師,代老師對(duì)該論文從選題,構(gòu)思到最后定稿的各個(gè)環(huán)節(jié)給予細(xì)心指引與教導(dǎo),使我得以最終完成畢業(yè)論文設(shè)計(jì)! 最后,我要向百忙之中抽時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行審閱,評(píng)議和參與本人論文答辯的各位老師表示感謝!,感謝各位老師的觀看和指正!,履帶式機(jī)器人移動(dòng)底盤的設(shè)計(jì)摘要此設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎,能實(shí)現(xiàn)過(guò)坑、越障等動(dòng)作的機(jī)器人底盤。通過(guò)在機(jī)器人機(jī)架上加裝其他功能的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的使用功能,本設(shè)計(jì)的目的是為機(jī)器人提供一個(gè)動(dòng)力輸出平臺(tái),為開(kāi)發(fā)各種功能的機(jī)器人提供基礎(chǔ)平臺(tái)。此設(shè)計(jì)移動(dòng)方案的選擇是采用了履帶式驅(qū)動(dòng)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(dòng)控制前后兩側(cè)搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),從而達(dá)到輔助過(guò)坑、越障等動(dòng)作。經(jīng)過(guò)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(dòng)能力并能承受一定的掉落沖擊,此設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由四部分組成:主動(dòng)輪減速機(jī)構(gòu)、翼板轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)。關(guān)鍵詞 移動(dòng)式;機(jī)器人;履帶式;底盤;模塊化設(shè)計(jì)AbstractThisdesignisaroboticchassiswithanoveldesignstructurethatenablespitsandobstaclestomove.Throughtheadditionofotherfunctionalmodulestotherobotracktoachievedifferentusagefunctions,thepurposeofthisdesignistoprovideapoweroutputplatformfortherobotandtoprovideabasicplatformforrobotsthatdevelopvariousfunctionsThedesignofthisdesignmobilityschemeistheuseofatrackeddrivestructure.Theentirestructureusesamodulardesignforsubsequentdemolitionandmaintenance,whichcanbeadaptedtovariouscomplexroadsurfaces,andcanactivelycontroltherotationoftherockerarmsonbothsidestoadjustthemovementpostureoftherobottoachieveauxiliaryover-holeandobstacle-overactions.Afterareasonabledesign,therobotwillhavegoodenvironmentaladaptability,mobilityandcanwithstandacertaindropimpact.Thisdesignofthemobilemechanismismainlycomposedoffourparts:theactivewheeldecelerationmechanism,theflaprotationmechanism,adaptiveroadsurfaceActuator,crawlerandtrackwheelmovementagencies.Keywords robot tracked mobile mechanism modular design27目 錄摘要錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。Abstract錯(cuò)誤!未定義書(shū)簽。1 緒論21.1 機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展21.2 履帶式機(jī)器人的概述31.3 本設(shè)計(jì)的目的及意義32 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析及其選擇52.1 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)52.1.1履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)52.1.2輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)52.1.3腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)63 設(shè)計(jì)方案73.1 行走機(jī)構(gòu)的選擇73.2 履帶機(jī)器人功能、性能指標(biāo)與設(shè)計(jì)83.3 主要機(jī)構(gòu)的工作原理94 機(jī)器人移動(dòng)底盤主履帶電機(jī)的選擇104.1 機(jī)器人在平直的路上行駛104.2 機(jī)器人在30坡上勻速行駛104.3 機(jī)器人的多姿態(tài)階躍115 履帶部分設(shè)計(jì)135.1 履帶的選擇135.2 確定主從動(dòng)輪直徑145.3 確定節(jié)線長(zhǎng)度155.4 計(jì)算所需的帶寬165.5 功率驗(yàn)算185.6 履帶主從動(dòng)輪設(shè)計(jì)185.7 副履帶部分設(shè)計(jì)206 履帶翼板部分設(shè)計(jì)236.1 履帶翼板的作用236.2 履帶翼板的設(shè)計(jì)23結(jié)論24致謝25參考文獻(xiàn)261 緒論1.1機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展機(jī)器人是集合了機(jī)械、電子、傳感、控制、人工智能等多個(gè)學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的自動(dòng)化裝備。自1956年機(jī)器人產(chǎn)業(yè)誕生后,經(jīng)過(guò)近60年發(fā)展,機(jī)器人已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在裝備制造、新材料、生物醫(yī)藥、智慧新能源等高新產(chǎn)業(yè)。機(jī)器人與人工智能技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合發(fā)展,推動(dòng)了人類社會(huì)生活方式的變革。當(dāng)前,我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)進(jìn)入高速增長(zhǎng)期,工業(yè)機(jī)器人連續(xù)五年成為全球第一大應(yīng)用市場(chǎng),服務(wù)機(jī)器人需求潛力巨大,核心零部件國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程不斷加快,創(chuàng)新型企業(yè)大量涌現(xiàn),部分技術(shù)已可形成規(guī)模化產(chǎn)品,并在某些領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)。機(jī)器人行業(yè)不斷發(fā)展,機(jī)器人在生產(chǎn)人們?nèi)粘I钪械膽?yīng)用范圍不斷擴(kuò)展,其種類也逐漸增多。按照不同的分類方法,可以對(duì)機(jī)器人進(jìn)行不同類型的分類,如,根據(jù)其功能可以分為操作機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、信息機(jī)器人、人機(jī)機(jī)器人。按照用途機(jī)器人可分為工業(yè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、軍用機(jī)器人四大類。近十幾年來(lái),我國(guó)有關(guān)部門過(guò)分強(qiáng)調(diào)工業(yè)機(jī)器人的系統(tǒng)研發(fā),而忽視了機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)突破,使得工業(yè)機(jī)器人某些核心技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段,嚴(yán)重制約了我國(guó)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。另外,對(duì)核心元件的過(guò)分依賴和創(chuàng)新能力的缺乏致使機(jī)器人生產(chǎn)的技術(shù)含量難以得到質(zhì)的提升,從而導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人在諸多技術(shù)方面仍然停留在仿制層面。目前,機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在我國(guó)正處于強(qiáng)勁發(fā)展的狀態(tài),各種類型正快速發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人作為制造業(yè)皇冠頂端的明珠,其性能優(yōu)勢(shì)決定了其在工業(yè)生產(chǎn)中的優(yōu)勢(shì)地位。近年來(lái),隨著經(jīng)濟(jì)危機(jī)陰影的消退,工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)需求量不斷上升,市場(chǎng)銷量也保持快速增長(zhǎng)。未來(lái),一方面由于我國(guó)勞動(dòng)力人口不斷減少,對(duì)勞動(dòng)力需要不斷提升,會(huì)增加對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求;另一方面隨著產(chǎn)品加工精度不斷提高等,也會(huì)提升對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求。對(duì)于服務(wù)機(jī)器人,有機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè)未來(lái)服務(wù)機(jī)器人將像家用電器一樣普及,它將大量進(jìn)入人們的生活,走進(jìn)千家萬(wàn)戶3。特別是隨著我國(guó)人口老齡化加速,未來(lái)醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人、陪伴機(jī)器人等的需要有可能會(huì)出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。憑借其重要的戰(zhàn)略意義,未來(lái)軍事機(jī)器人也將越來(lái)越受到重視,其智能化將會(huì)越來(lái)越高。軍事機(jī)器人本身也將會(huì)呈現(xiàn)“兩級(jí)分化”的發(fā)展趨勢(shì)。一方面,為滿足新形勢(shì)下急難險(xiǎn)重任務(wù)的需求,提高工作效率,未來(lái)軍事機(jī)器人將越來(lái)越偏向大型化;另一方面,為提高隱蔽性,方便士兵攜帶,未來(lái)軍事機(jī)器人將越來(lái)越小,呈微型化發(fā)展。履帶式機(jī)器人因采用履帶式傳動(dòng)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(lái)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(dòng)方式的選擇,對(duì)于履帶式移動(dòng)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(dòng)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(guò)控制搖臂的角度來(lái)改變自身高度以達(dá)到越障過(guò)坑功能是這種機(jī)器人的最大特點(diǎn)。對(duì)于這些問(wèn)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(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。1.2履帶式移動(dòng)機(jī)器人的概述隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步,在日常生活的方方面面都越來(lái)越需要移動(dòng)機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人是一種由機(jī)械傳動(dòng)裝置、高精度傳感器以及電機(jī)伺服控制器所構(gòu)成的綜合系統(tǒng) ,能將動(dòng)態(tài)決策與分析、環(huán)境感知與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能集于一體 ,同時(shí)對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng),能夠方便操作具有人工智能的復(fù)雜控制系統(tǒng)。近年來(lái)移動(dòng)機(jī) 器人 的 發(fā) 展有了明顯的進(jìn)步,它的應(yīng)用也涉及 到 人們的各方面,農(nóng)業(yè)、工業(yè)、農(nóng)業(yè) 、 醫(yī)療 、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)中,移動(dòng)機(jī)器人都得到了廣泛的應(yīng)用。民用領(lǐng)域,移動(dòng)機(jī)器人能完成家庭清潔、指路導(dǎo)引、運(yùn)輸貨物、醫(yī)療救援等任務(wù)。軍事領(lǐng)域,移動(dòng)機(jī)器人可以偵 查軍情、排爆反恐、防核掃雷等危險(xiǎn)任務(wù)。因此,移動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)研究己經(jīng)得到全世界的廣泛關(guān)注。履帶式移動(dòng)機(jī)器人是指能夠在各種復(fù)雜環(huán)境或路面中行駛并執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)的履帶式車。它集中了機(jī)械制造技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、和通信技術(shù)等多學(xué)項(xiàng)科的研究成果,是目前科技發(fā)展的前沿領(lǐng)域之一。美、英、德、法、日等發(fā)達(dá)國(guó)家,在履帶式移動(dòng)承載平臺(tái)的研究方面走在世界的前列,典型的有美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)研制的 Crusher大范圍復(fù)雜越 野的無(wú)人機(jī)動(dòng)平臺(tái),德國(guó)的“犀?!?Rhino)履帶式 遙控車,英國(guó)的“地雷探測(cè)、標(biāo)識(shí)和處理計(jì)劃 (MINDER)”等。與世界發(fā)達(dá)國(guó)家相比,我國(guó)在這方面的研究起步較晚,履帶平臺(tái)的技術(shù)含量低、導(dǎo)航定位和傳感等關(guān)鍵技術(shù)相對(duì)落后,在設(shè)計(jì)和制造上還存在差距。1.3 本設(shè)計(jì)的目的和意義機(jī)器人在現(xiàn)代化的生產(chǎn)行業(yè)里面用的頻率越來(lái)越高,不管是生產(chǎn)汽車,還是加工各種電器,現(xiàn)在很多都是由機(jī)器人來(lái)完成。工業(yè)發(fā)展如此迅速,在這樣的大背景下,機(jī)器人的很多要求就變得更多了,精度比之前高很多,復(fù)雜程度也高很多??倳?shū)記在兩院院士大會(huì)中曾提到,“機(jī)器人是制造業(yè)皇冠頂端的明珠”。近年來(lái),機(jī)器人行業(yè)的快速發(fā)展不僅創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,也提高了人們的生活質(zhì)量,促進(jìn)著人類社會(huì)的發(fā)展。目前,在機(jī)械加工與電子電氣等行業(yè)生產(chǎn)中,工業(yè)機(jī)器人的批量使用,使生產(chǎn)流程工序自動(dòng)化、簡(jiǎn)潔化,顯著降低了生產(chǎn)成本,提高了生產(chǎn)利潤(rùn)。同時(shí),作為智能制造的主力軍,工業(yè)機(jī)器人不斷從汽車制造領(lǐng)域向機(jī)械、建材、物流、食品乃至航空、航天、船舶制造等領(lǐng)域滲透,帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。此外,機(jī)器人在醫(yī)療、餐飲服務(wù)等方面的應(yīng)用,也提高了人們的生活質(zhì)量,便捷了人們?nèi)粘5纳a(chǎn)生活。在我國(guó)人口紅利減弱的背景下,隨著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的不斷深入,機(jī)器人應(yīng)用范圍越來(lái)越廣,我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)戰(zhàn)略發(fā)展黃金期。工業(yè)4.0正在加快推進(jìn),在進(jìn)行生產(chǎn)加工的時(shí)候,不管是強(qiáng)度還是精度,自動(dòng)化程度以前相比提高了很多,現(xiàn)在在很多地方都可以看到機(jī)器人加工產(chǎn)品,這一點(diǎn)是其他的加工方式實(shí)現(xiàn)不了的。在進(jìn)行加工生產(chǎn)的時(shí)候,最重要的就是機(jī)器人的質(zhì)量,質(zhì)量好了,加工的產(chǎn)品就好,質(zhì)量差,加工的產(chǎn)品就不行;機(jī)器人底盤對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)間影響很大,產(chǎn)品質(zhì)量還受到加工效率的影響,另外加工出來(lái)的東西是不是滿足要求,可以生產(chǎn)多少,這些都關(guān)系到產(chǎn)品的造價(jià)。移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)主要分移動(dòng)平臺(tái)以及上層搭載兩大部分,由于移動(dòng)平臺(tái)要求具有通用性、越野性,這就要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需要多方面的優(yōu)化,即在滿足越障、渉水、爬樓梯、行進(jìn)速度等規(guī)定動(dòng)作的同時(shí),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、重量?jī)?yōu)化等等。底盤結(jié)構(gòu)是履帶平臺(tái)設(shè)計(jì)中最重要部分之一,直接決定了車輛行駛時(shí)的穩(wěn)定性和越障能力。在分析了國(guó)內(nèi)外移動(dòng)承載平臺(tái)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,參考了各種地面承載平臺(tái)及其底盤機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),研究設(shè)計(jì)了一種小型履帶式移動(dòng)承載平臺(tái)的底盤, 并對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行理論與仿真分析。仿真結(jié)果表明,該履帶底盤具有可靠的承載能力、爬坡性能優(yōu)越等特點(diǎn)。2移動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析及其選擇由電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力,需要通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞到機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的后輪上,以便驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)??梢?jiàn)傳動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)是運(yùn)動(dòng)功能的紐帶和關(guān)鍵。2.1典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)履帶式、輪式、腿足式三種是機(jī)器人的三種主要移動(dòng)方式。另外還有步進(jìn)移動(dòng)式、蠕動(dòng)式、混合移動(dòng)式、蛇行移動(dòng)式等。2.1.1 履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)履帶式移動(dòng)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,機(jī)動(dòng)性能好、越野性能強(qiáng)是履帶移動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)重量大、復(fù)雜、機(jī)械效率低,摩擦阻力大,在自重比較大的情況下會(huì)對(duì)路面造成一定程度的破壞。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)和輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)相比有以下幾個(gè)特點(diǎn):(1)越野機(jī)動(dòng)性能好,爬坡越障等性能均好于輪式結(jié)構(gòu);(2)支撐面積大、接地比壓小、滾動(dòng)阻尼小、通過(guò)性比較好;(3)履帶支撐面上有履齒,不打滑,附著牽引性能好;(4)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜重量大,運(yùn)動(dòng)慣性大,減震功能差,零件易損壞。(5)六履帶移動(dòng)機(jī)器人車體前后各有一對(duì)履帶鰭,可以輔助越障,運(yùn)動(dòng)性能十分好。圖2-1六履機(jī)器人底盤2.1.2輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)是最普通的運(yùn)動(dòng)方式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、節(jié)能、靈活是輪式機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)普遍的特點(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、編程簡(jiǎn)單可靠性高,每個(gè)輪子都可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)跨越不平坦地形時(shí),與履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比,輪式機(jī)器人則有著明顯的不足,其穩(wěn)定性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性則完全依賴于環(huán)境本身,對(duì)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。按輪的數(shù)量輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。此種結(jié)構(gòu)有著一定的局限性,只能在相對(duì)平坦、表面較硬的路面上行駛,如遇到軟性地面環(huán)境,容易打滑、沉陷,但也可以根據(jù)具體地面環(huán)境采取一些預(yù)防措施來(lái)緩解此類情況的出現(xiàn)。2.1.3腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式有2腿、4腿、6腿、8腿等。腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有:(1)對(duì)地形有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。 (2)機(jī)器人的腿部有多個(gè)自由度,運(yùn)動(dòng)更具有靈活性。機(jī)器人重心位置可以通過(guò)調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)度來(lái)控制,因而不易翻倒,有更好的穩(wěn)定性;(3)腿式機(jī)器人的身體與地面分離,該機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)器人身體可以平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)而不必考慮腿的所放位置和地面的租糙程度,8腿移動(dòng)機(jī)器人如圖7-2所示,特點(diǎn)是越野能力強(qiáng),穩(wěn)定性好。腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)有:1.此類型機(jī)器人機(jī)動(dòng)性較差,移動(dòng)速度慢,負(fù)載較??;2.需要進(jìn)一步提高腿式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性和對(duì)地面適應(yīng)性;3.控制系統(tǒng)較為復(fù)雜,需要完善控制方法;4.尚未進(jìn)入實(shí)用化階段。車輪式,履帶式、腿足式移動(dòng)系統(tǒng)性能比較見(jiàn)表2-1示:表2-1典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能對(duì)比表移動(dòng)方式輪式履帶式腿式移動(dòng)速度快較快慢越障能力差一般好復(fù)雜程度簡(jiǎn)單一般復(fù)雜能耗量小較小大控制難易易一般復(fù)雜3 設(shè)計(jì)方案3.1 行走機(jī)構(gòu)的選擇本文履帶機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)采用的是履帶式結(jié)構(gòu),總體設(shè)計(jì)思路如圖4-1所示。圖 3-1 機(jī)器人的車體的履帶作為履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu),與前臂和后臂轉(zhuǎn)動(dòng)相協(xié)調(diào),增加了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性。機(jī)器人的前臂和后臂各由一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),和控制系統(tǒng)相互配合,完成前臂和后臂的靈活轉(zhuǎn)動(dòng),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,將獲得更好的穩(wěn)定性。永磁式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人車體左右兩邊履帶,與控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合,實(shí)現(xiàn)對(duì)前軸和后軸的速度、力矩的控制,能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)時(shí)的自由轉(zhuǎn)向, 360原地轉(zhuǎn)向,隨時(shí)調(diào)整爬坡時(shí)的力矩大小。慣性軸位于車體主履帶前端,配合主動(dòng)軸,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)。1. 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3-2 履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成3.2 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)六履腿式結(jié)構(gòu)自重50KG載荷50KG結(jié)構(gòu)尺寸1205*624*380搭載接口二維隨動(dòng)搭載平臺(tái)平地最大速度0.5 m/s正常速度0.3m/s最大通過(guò)坡度30通過(guò)能力能通過(guò)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前壁履帶末端直徑80mm后壁履帶末端直徑80mm 機(jī)器人車體具體尺寸如圖3-3:圖3-3 機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)尺寸3.3 主要機(jī)構(gòu)的工作原理轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu):在行駛過(guò)程中,機(jī)器人需要經(jīng)常改變行駛方向,通過(guò)兩個(gè)電機(jī)的差速比來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向。減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu):通過(guò)行星輪減速器的降速,減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)增大轉(zhuǎn)矩、調(diào)速,軸的方向通過(guò)直齒輪改變,輸出后軸轉(zhuǎn)矩,為機(jī)器人提供主要?jiǎng)恿?。后軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)后軸位于傳動(dòng)系的末端。實(shí)現(xiàn)增扭、降速和改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向等的基本功能。動(dòng)力部分采用電機(jī),低速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)由齒輪副降速后帶動(dòng),通過(guò)導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)對(duì)軸與履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接,使履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)各自繞前后軸的中心線轉(zhuǎn)動(dòng),使機(jī)器人能在不同角度完成爬坡和越障。4 機(jī)器人移動(dòng)底盤主履帶電機(jī)的選擇動(dòng)摩擦因數(shù),摩擦力實(shí)際上只是表示起動(dòng)時(shí)車輪所處的滑動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的摩擦力,車輪一旦開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng),所受的滾動(dòng)摩擦力總是要小于滑動(dòng)摩擦力。因此可取大一點(diǎn)。4.1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(dòng),假設(shè)其速度最大,且勻速前進(jìn),則取 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(duì)機(jī)器人其中一個(gè)輸出軸分析:圖4-1 平直路線分析 又 則在最大的行駛速度下,驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過(guò)減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為4.2 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,在行駛過(guò)程中輪子作純滾動(dòng),不考慮空氣阻力的影響,機(jī)器人爬坡受力情況如圖 圖4-2 30坡度分析又,則 則在最大坡度下需提供極限轉(zhuǎn)矩為 4.3 機(jī)器人的多姿態(tài)越階通過(guò)對(duì)上述幾種姿勢(shì)分析,在跨越臺(tái)階時(shí),機(jī)器人的直流電機(jī)只驅(qū)動(dòng)主履帶,在實(shí)際跨越臺(tái)階過(guò)程中,機(jī)器人的速率不大,因此機(jī)器人所需要提供的輸出功率也不大。由上述分析可知,在平面做直線運(yùn)動(dòng)時(shí),機(jī)器人所要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速較大,需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩則在爬坡時(shí)較大。所以,在選擇電機(jī)時(shí),應(yīng)該由平地直線運(yùn)動(dòng)所求的最大轉(zhuǎn)速和爬坡所求的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行選擇。根據(jù)機(jī)器人爬坡情況的分析,,機(jī)器在平面狀況下, 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(dòng)性能好,過(guò)載性能強(qiáng),可承受頻繁沖擊、制動(dòng)和反轉(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(guò)程中可攜帶或可移動(dòng)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(dòng)和反轉(zhuǎn)的要求,滿足機(jī)器人要攜帶移動(dòng)電池的要求,因而則選擇90ZY54型號(hào)的直流永磁電機(jī)表4-1 直流電機(jī)數(shù)據(jù)額定功率/W額定轉(zhuǎn)矩/N.M額定轉(zhuǎn)速/r.min電流/A電壓/V允許正反轉(zhuǎn)差速/r/min920.61500712150因?yàn)?則因?yàn)? 則又則選取 5 履帶部分設(shè)計(jì)5.1 履帶的選擇基于履帶標(biāo)準(zhǔn)化的思考,選擇梯形雙面齒同步帶作為設(shè)計(jì)履帶,其兼具帶鏈傳動(dòng)、傳動(dòng)、和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)閹л喤c帶之間是通過(guò)嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的,因此帶輪與帶之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng),能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)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(dòng)時(shí)的傳動(dòng)比可達(dá)10,線速度可達(dá)50m/s,傳動(dòng)效率可達(dá)98。傳動(dòng)噪聲比帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)小,耐磨性好,不需油潤(rùn)滑,使用壽命也比摩擦帶長(zhǎng)。準(zhǔn)確的傳動(dòng)比,無(wú)滑差,可獲得恒定的速比,傳動(dòng)平穩(wěn),能吸振,噪音小,傳動(dòng)比范圍大是同步帶傳動(dòng)具有的優(yōu)點(diǎn),所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦值不等。傳動(dòng)效率高,結(jié)構(gòu)緊湊,適宜于多軸傳動(dòng),無(wú)污染,在比較惡劣的環(huán)境下可以正常工作。從以上對(duì)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(dòng)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);由已知設(shè)計(jì)裝置移動(dòng)速度,根據(jù)公式,可得主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速,預(yù)先設(shè)計(jì)履帶主動(dòng)輪直徑=169mm,履帶從動(dòng)輪直徑=169mm,由公式,可得=59.71r/min.。故可以得到設(shè)計(jì)的已知條件如下:傳遞名義功率.主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速r/min從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速中心距.5.1.1 功率的計(jì)算式中K-載荷修正系數(shù)(由工作機(jī)性能和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間查相關(guān)數(shù)據(jù)可以得到為1.7)5.1.2確定帶的型號(hào)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)梯狀齒形同步帶作為履帶使用,由相關(guān)資料查得選用XH型,對(duì)應(yīng)節(jié)距=22.225mm,圖5-1為雙面交錯(cuò)梯狀齒形同步帶的結(jié)構(gòu)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(duì)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。 圖5-1梯形齒形狀圖5.2 確定主從動(dòng)輪直徑 對(duì)于梯形標(biāo)準(zhǔn)同步帶來(lái)說(shuō)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5-1查得 表5-1小帶輪的最小齒數(shù)小帶輪轉(zhuǎn)速XLLHXHXHH9001012142222900-120010121624241200-180012141820261800-36001216202230 由上面得到 可以代入公式 為了增大摩擦力,應(yīng)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(guò)大,故取履帶主動(dòng)輪直徑=169mm,履帶從動(dòng)輪直徑=169mm。查表5-2,選擇履帶主動(dòng)輪型號(hào)為24XH,履帶從動(dòng)輪型號(hào)為24XH,就近圓整帶輪直徑,查得履帶主動(dòng)輪直徑=169.79mm,履帶從動(dòng)輪直徑=169.79mm。表5-2XH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(nèi)徑db檔邊厚度h22XH22155.64152.841671384.523XH23162.71159.921741454.524XH24169.79166.991811524.525XH25176.86174.071881594.526XH26183.94181.141951664.527XH27191.01188.222021734.528XH28198.08195.292091804.5 同步帶都有自己的極限速度,如果速度過(guò)大會(huì)使皮帶輪機(jī)構(gòu)的不穩(wěn)定性增強(qiáng),有較大的波動(dòng)現(xiàn)象,并且在單位時(shí)間的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)會(huì)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5-1得 表5-3梯形齒同步帶極限速度型號(hào)MXL,XXL,XL,T2.5,T5,3ML,H,T10,8M,14MXH,XXH,T20,20M模數(shù)1,1.5,2,2.53,4,57,1040-5035-4025-305.3確定節(jié)線長(zhǎng)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(shí)間內(nèi)履帶的循環(huán)次數(shù),可以提高帶的使用壽命,但是過(guò)大的中心距,則會(huì)導(dǎo)致帶的波動(dòng),降低帶的傳動(dòng)穩(wěn)定性。如果增大帶傳動(dòng)的整體尺寸,中心距太小,則有相反的利弊,取帶傳動(dòng)的中心距為由=169.79mm,=169.79mm.代入上式有由于環(huán)境對(duì)履帶機(jī)器人工作的限制,所尺寸設(shè)計(jì)不宜太大,選擇中心距的尺寸偏小,初選取=380mm。根據(jù)帶傳動(dòng)總體尺寸和中心距的要求,帶的節(jié)線長(zhǎng)度可由帶圍繞兩帶輪的周長(zhǎng)來(lái)計(jì)算,由下式可得:代入=400mm,=169.79mm,=169.79mm有1350.79mm,根據(jù)表5-4就近圓整=1422.40mm型號(hào)為560XH,同步帶齒數(shù)為64。表5-4 XH型同步帶節(jié)線型號(hào)(節(jié)距=22.225mm)規(guī)格節(jié)線長(zhǎng)mm 齒數(shù)463XH1177.9353508XH1289.0558560XH1422.4064570XH1444.6365580XH1466.8566630XH1600.2072700XH1778.0080735XH1866.9084752XH1911.3586770XH1955.8088785XH2008.70905.4計(jì)算所需的帶寬5.4.1計(jì)算同步帶的基準(zhǔn)額定功率kw 式中許用工作拉力,查表5-2得=4048.90N單位長(zhǎng)度質(zhì)量,查表5-5得=1.484Kg/m線速度m/s表5-5七種同步帶型號(hào)的主要參數(shù)帶型號(hào)節(jié)距基準(zhǔn)寬拉力質(zhì)量G帶寬MXL2.036.43.0,4.8,6.4XXL3.1756.4310.0103.0,4.8,6.4XL5.0809.550.170.0226.4,7.9,9.5L9.52525.4244.460.09512.7,19.1,25.4H12.7076.22100.850.44825.4,38.1,50.8XH22.225101.64048.901.48450.8,76.2,101.6XXH31.75127.06398.032.47376.2,101.6,127.0 帶入上式得 5.4.2算主動(dòng)輪嚙合齒數(shù)小帶輪的嚙合齒數(shù)為5.4.3定實(shí)際所需帶寬其中為嚙合系數(shù),查表5-6數(shù)據(jù)可得=1表5-6嚙合齒數(shù)系數(shù)5410.80.6上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(zhǔn)帶寬如下表5-7周節(jié)制梯形齒同步帶的寬度型號(hào)MXLXXLXLLHXHXXH基準(zhǔn)寬度mm6.46.49.525.476.2101.6127許用拉力T273150.17244.462100.854048.906398.03帶的質(zhì)量m0.0070.010.0220.0950.4481.4842.473所以以上公式算得帶寬為72.44mm,所以以此選取標(biāo)準(zhǔn)帶寬,取標(biāo)準(zhǔn)值5.5功率驗(yàn)算 ,額定功率大于設(shè)計(jì)功率,說(shuō)明帶的傳動(dòng)能力已足夠,所選參數(shù)合理。同時(shí)得到作用在軸上的力 5.6履帶主從動(dòng)輪設(shè)計(jì)5.6.1履帶輪材料選擇為了減輕履帶驅(qū)動(dòng)裝置的重量,選擇硬鋁合金作為履帶主、從動(dòng)輪的材料,密度小,質(zhì)量低,強(qiáng)度高,硬度高,耐熱性好是硬鋁合金的優(yōu)點(diǎn),能夠滿足設(shè)計(jì)性能要求。5.6.2及主要尺寸的確定履帶和帶輪的嚙合方式見(jiàn)圖5-2所示,圖中為同步帶輪節(jié)圓或同步帶節(jié)線上測(cè)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(dòng)輪節(jié)圓型號(hào)為24XH,=169.79mm,從動(dòng)輪節(jié)圓型號(hào)為24XH,=169.79mm.為同步帶輪實(shí)際外圓直徑,主動(dòng)輪=166.99mm,從動(dòng)輪=166.99mm。圖5-2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(shè)計(jì)采用的是電動(dòng)機(jī)、減速器動(dòng)力總成放在翼板內(nèi),直接通過(guò)錐齒輪傳遞用后驅(qū)動(dòng)輪輪軸。所以,主動(dòng)輪選擇兩個(gè)單邊單圈,從動(dòng)輪選擇一個(gè)無(wú)擋圈,選WS型同步帶輪。主動(dòng)輪24XH,齒數(shù)24,徑節(jié)=169.79mm,外徑=166.99mm主動(dòng)輪初選兩個(gè)雙邊擋圈的帶輪,用于設(shè)計(jì)中將其組合。5.6.3齒面寬度的選擇根據(jù)圖5-3可以查得XH型梯形雙面齒同步帶輪齒形尺寸如下圖5-3齒形尺寸節(jié)距=22.225mm,齒槽=mm,齒深=7.14mm,槽角=,倒角=,=,=3.048mm,根據(jù)表5-8可以查出以上數(shù)據(jù)。表5-8梯形雙面齒同步輪齒形尺寸型號(hào)節(jié)距MXL2.0320.840.050.69200.350.130.508XL5.0801.320.051.65250.410.640.508L9.5253.050.102.67201.191.170.762H12.74.190.133.05201.601.61.372XH22.2257.900.157.14201.982.392.794XXH31.75012.170.1810.31203.963.183.048根據(jù)前面確定的寬度為76.2,及所選擇的無(wú)檔邊帶輪查相關(guān)參數(shù)可得到梯形雙面齒同步帶輪齒面寬度=83.8。5.6.4兩輪允許的公差兩輪所允許的公差如表5-9所示表5-9允許公差表項(xiàng)目小輪大輪外徑偏差+0.150+0.150外圓徑向圓跳動(dòng)0.130.15外圓端面圓跳動(dòng)0.190.26輪齒與軸線平行度齒頂圓柱面的圓柱度0.090.11軸孔直徑偏差H7或H8H7或H8外圓及兩齒側(cè)表面粗糙度3.23.25.7副履帶部分設(shè)計(jì)因?yàn)橥綆鲃?dòng)具有確定的傳動(dòng)比,傳動(dòng)平穩(wěn),無(wú)滑差,能吸振,噪音小,傳動(dòng)比范圍大等優(yōu)點(diǎn),所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦。結(jié)構(gòu)緊湊,傳動(dòng)效率高,適宜于多軸傳動(dòng)。具有無(wú)污染的特點(diǎn),因此可在工作環(huán)境較為惡劣和不允許有污染的場(chǎng)所下正常工作。其性能的優(yōu)越性從以上對(duì)同步帶性能的分析中可以看出,因此選用梯形雙面齒同步帶作為移動(dòng)裝置副履帶能夠滿足設(shè)計(jì)性能及工作的環(huán)境條件要求。依照主履帶的設(shè)計(jì)對(duì)副履帶進(jìn)行設(shè)計(jì),具有相似之處。而副履帶對(duì)主履帶來(lái)說(shuō),起到輔助作用,能使移動(dòng)平臺(tái)獲得更出色的越野性能,更擅長(zhǎng)于越溝和攀爬。它的工作環(huán)境沒(méi)有主履帶惡劣,并且所承受的載荷也比主履帶小一些,所以我選擇H帶。其設(shè)計(jì)方法參照主履帶如下: 介于副履帶的主動(dòng)輪的直徑選擇應(yīng)與主履帶的從動(dòng)輪的相當(dāng),則參照相關(guān)數(shù)據(jù)可選擇副履帶主動(dòng)輪直徑。 根據(jù)任務(wù)推出副履帶從動(dòng)輪直徑 副履帶主動(dòng)輪齒數(shù) 副履帶從動(dòng)輪齒數(shù) 5.7.1計(jì)算副履帶的帶寬 根據(jù)前面的表5-5查得到:H帶 選擇標(biāo)準(zhǔn)帶由表8-9差查得H帶 5.7.2基準(zhǔn)額定功率 計(jì)算所選用型號(hào)同步帶的基準(zhǔn)額定功率 其中 得出 而由 反推得到設(shè)計(jì)功率為5.7.3中心距的選擇則確定中心距5.7.4帶節(jié)線長(zhǎng)度 根據(jù)帶傳動(dòng)總體尺寸和中心距的要求,帶的節(jié)線長(zhǎng)度可由帶圍繞兩帶輪的周長(zhǎng)來(lái)計(jì)算,根據(jù)下式求得: 代入數(shù)據(jù)根據(jù)表8-16可選帶長(zhǎng)為表5-10周節(jié)制梯形齒同步帶節(jié)線長(zhǎng)度及齒數(shù)長(zhǎng)度代號(hào)基本尺寸極限偏差LHXHXXH345876.300.6692-360914.40-72-367933.4598-390990.6010478-4201066.800.7611284-6 履帶翼板部分設(shè)計(jì)6.1履帶翼板的作用履帶翼板是整個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)裝置中的基礎(chǔ)部分,主要起支撐張緊作用,履帶從動(dòng)輪,張緊輪和過(guò)度輪分別安裝在翼板上。翼板的材料應(yīng)滿足質(zhì)量輕,高強(qiáng)度,高硬度,易加工的優(yōu)點(diǎn),綜合選擇,所以翼板的材料選擇硬鋁合金。6.2 履帶翼板設(shè)計(jì)翼板的主要尺寸見(jiàn)圖6-1所示,履帶主動(dòng)輪,從動(dòng)輪,張緊輪和調(diào)節(jié)輪在翼板上的位置見(jiàn)圖6-1上部的一個(gè)圓孔和下部的兩個(gè)圓孔所示,張緊輪翼板設(shè)計(jì)厚度為18mm。圖6-1翼板主要尺寸 結(jié)論本設(shè)計(jì)移動(dòng)底盤采用履腿式復(fù)合結(jié)構(gòu),前臂和后臂轉(zhuǎn)動(dòng)相協(xié)調(diào),可增加機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性?;诼膸?biāo)準(zhǔn)化的思考,選擇梯形雙面齒同步帶作為設(shè)計(jì)履帶,其兼具帶鏈傳動(dòng)、傳動(dòng)、和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)閹л喤c帶之間是通過(guò)嚙合來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的,因此帶輪與帶之間無(wú)相對(duì)滑動(dòng),能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。選擇90ZY54型直流永磁電機(jī)作為動(dòng)力源。其啟動(dòng)性能好,過(guò)載性能強(qiáng),可承受頻繁沖擊、制動(dòng)和反轉(zhuǎn),允許沖擊電流可達(dá)到額定電流的3到5倍。另外在使用過(guò)程中可攜帶能移動(dòng)的干電池,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(dòng)和反轉(zhuǎn)的要求,滿足機(jī)器人要攜帶移動(dòng)電池的要求。通過(guò)對(duì)履帶式機(jī)器人底盤的相關(guān)性能要求的驗(yàn)算,設(shè)計(jì)成果符合設(shè)計(jì)要求。相信這次設(shè)計(jì)獲得的經(jīng)驗(yàn)和處理問(wèn)題的能力將會(huì)對(duì)日后的學(xué)習(xí)和工作都會(huì)有幫助致謝這里還要特別感謝我的指導(dǎo)老師代素梅老師。在我畢業(yè)論文的寫的過(guò)程中,指導(dǎo)老師給我提供了相當(dāng)大的幫助和指導(dǎo)。從一開(kāi)始選課題再到修正,最后定稿,指導(dǎo)老師的建議是相當(dāng)關(guān)鍵重要的。也要感謝那些曾經(jīng)教導(dǎo)過(guò)我的老師,不光傳授了專業(yè)知識(shí),還讓我懂得了對(duì)待學(xué)習(xí)以及生活的態(tài)度,讓我們受益匪淺。此外,還要感謝朋友以及同學(xué)們?cè)谡撐木帉懼袔Ыo的大力支持和幫忙,給我?guī)?lái)極大的啟發(fā)。也要感謝參考文獻(xiàn)中的作者們,透過(guò)他們的研究文章,使我對(duì)研究課題有了很好的出發(fā)點(diǎn)。最后還要感謝自己的父母,你們是我?jiàn)^斗的動(dòng)力,只要有你們,面對(duì)各種困難,都不會(huì)感到畏懼,不會(huì)退縮。最后對(duì)各位專家、教授還有各位老師對(duì)我畢業(yè)設(shè)計(jì)的評(píng)審和指導(dǎo)表示我最衷心的感謝!謝謝!自己的專業(yè)水平還有限,這次設(shè)計(jì)并不是沒(méi)有漏洞,作為一名機(jī)械專業(yè)的學(xué)生,能把所學(xué)的專業(yè)知識(shí)用來(lái)解決實(shí)際工作中的問(wèn)題才是檢驗(yàn)掌握知識(shí)的最好的途徑。參考文獻(xiàn)1 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第4卷)2版M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,20002 江志.機(jī)器人的歷史.中國(guó)青年科技. 2003(11):36-373 章小兵.宋愛(ài)國(guó).地面移動(dòng)機(jī)器人研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì). 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2005(2):19-234 徐國(guó)華,譚民.移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及其趨勢(shì). 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2001(3):7-145張明路,丁承君,段萍.移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與趨勢(shì).河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 2004(2): 110-1156 吉洋.林用履帶機(jī)器人底盤設(shè)計(jì)與仿真分析D.北京林業(yè)大學(xué),20137 徐少飛.履帶式移動(dòng)機(jī)器人底盤機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)J.消費(fèi)電子,2014(16):2408 樸春日,嚴(yán)國(guó)正,王志武.一種履帶式機(jī)器人設(shè)計(jì)及其越障分析J.現(xiàn)代制造工程,2013(3):24-279 侯憲倫,葛兆斌,李向東,等.履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)J.機(jī)械制造,2009,4710DUCKWORTH D,SHREWSBURY B,MURPHY R Run the Robot Backward C/ / Proceedings of the IEEE International Symposium on Safety,Security,and Rescue Robotics ( SSRR) Linkoping, Sweden: IEEE,2013: 1 611BARTHUBER L,F(xiàn)YRAJ K,F(xiàn)IRSCHING P Test concept for a mobile robot with optimized traction C/ /Proceedings of the 47st International Symposium on Robotics ( ISR) Munich,Germany: IEEE,2016: 1 712LUO Zirong,SHANG Jianzhong,ZHANG Zhixiong A reconfigurable tracked mobile robot based on four-linkage mechanismJ Journal of central south university,2013,20( 1) : 62 7013TLALEN,VILLIERS M D. Kinematics and Dynamics Modelling of a Mecanum Wheeled Mobile Platform C.In Mechatronics and Machine Vision in Practice,15th International Conference,Auckland USA,2008.14GHASEMPOOR A, SEPEHRI N.A Measure of Machine Stability for Moving Base Manipulators C. Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Nagoya, Japan, 199515GIANNI F,ROBERTO G Modelling and simulation of an agricultural tracked vehicleJ Journal of Terramechanics,1999,36( 3) : 139-15816SOLIS J M,LONGORIA R G Modeling track-terrain interaction for transient robotic vehicle maneuversJ Journal of Terramechanics,2008,45( 3) : 65-7817李允旺,葛世榮,朱華四履帶雙擺臂機(jī)器人越障機(jī)理及越障能力J 機(jī)器人,2010,32(2):158-16018于蘇洋,王挺,王志東.采用單節(jié)變形履帶機(jī)構(gòu)的新型輪椅機(jī)器人J. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,49(13):40-47.19李允旺礦井救災(zāi)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)研究徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2010.20程剛非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)越障運(yùn)動(dòng)機(jī)理的研究合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2006.21宋少云,尹芳 ADAMS 在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用M 北京: 國(guó)防工 業(yè)出版社,2015 22 郭衛(wèi)東,李守忠,馬露 ADAMS 2013 應(yīng)用實(shí)例精解教程M 北 京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2015
收藏