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摘要：
隨著我國(guó)改革開放的不斷開展，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用都得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展，機(jī)器人已成為制造加工行業(yè)必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，機(jī)器人可以分為關(guān)節(jié)機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人兩種，關(guān)節(jié)機(jī)器人通常情況下是固定不動(dòng)的，所以其工作范圍非常局限，而移動(dòng)機(jī)器人恰恰克服了這一技術(shù)難題，隨時(shí)隨地的移動(dòng)大大的增加了機(jī)器人的使用區(qū)間，使得機(jī)器人能夠更加方便快捷的完成各項(xiàng)任務(wù)。
移動(dòng)機(jī)器人相比普通關(guān)節(jié)機(jī)器人增加了移動(dòng)機(jī)構(gòu)，移動(dòng)的方式多種多樣，有腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)等等，選擇何種移動(dòng)方式?jīng)Q定了移動(dòng)機(jī)器人的工作性質(zhì)和內(nèi)容。本篇論文中提出了一種結(jié)構(gòu)巧妙、機(jī)動(dòng)性好、穩(wěn)定性能高的多功能履帶式機(jī)器人設(shè)計(jì)方案，本方案對(duì)履帶式機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行深入分析研究，其工作原理是：利用履帶式機(jī)器人的雙節(jié)雙履帶進(jìn)行支撐機(jī)器人本體進(jìn)行移動(dòng)，通過調(diào)整兩節(jié)履帶的角度來翻越障礙，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自由移動(dòng)的目的。多功能履帶式機(jī)器人作為一種新型的移動(dòng)機(jī)器人，對(duì)此進(jìn)一步的研究也是不能忽視的。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人；移動(dòng)機(jī)器人；履帶式機(jī)器人
Abstract
With the continuous development of China's reform and opening up, China's economic construction and technology applications have been high-speed and stable development, the robot has become a manufacturing and processing industry essential essential equipment, robots can be divided into joint robot and mobile robot two, joint robot Usually the case is fixed, so its working range is very limited, and mobile robots just to overcome this technical problems, anytime, anywhere the mobile greatly increased the use of the robot range, making the robot can more quickly and easily complete the task.
Compared with the common robot, the mobile robot has increased the movement mechanism, the movement way is varied, the leg movement mechanism, the wheel movement mechanism, the crawler movement mechanism and so on. What kind of movement mode is selected determines the working nature of the mobile robot and content. This paper presents a multi-functional crawler robot design scheme with clever structure, good mobility and high stability. The scheme is based on the deep analysis of the crawler robot technology. The working principle is that the use of the double- Section of the double track to support the robot body to move, by adjusting the angle of the two tracks to cross the obstacles, and ultimately achieve the purpose of free movement of the robot. Multi-function crawler robot as a new type of mobile robot, this further study can not be ignored.
Keywords: robot，Mobile robots, Crawler robots
目 錄
Abstract IV
目 錄 V
第一章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況 1
1.3 Solidwork軟件的介紹 2
1.4 有限元分析的介紹 3
1.5 課題研究的意義及目的 4
第二章 多功能履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì) 5
2.1 多功能履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求 5
2.2 多功能履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)概述 5
2.2.1多功能履帶式機(jī)器人與其他類型移動(dòng)機(jī)器人原理的對(duì)比 5
2.2.2多功能履帶式機(jī)器人與其他類型移動(dòng)機(jī)器人特點(diǎn)的對(duì)比 8
2.2.3 多功能履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù) 8
2.3 多功能履帶式機(jī)器人的具體設(shè)計(jì) 8
2.3.1 機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
2.3.1.1行走電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與選型 9
2.3.1.2減速器齒輪的設(shè)計(jì) 12
2.3.1.3齒輪齒數(shù)的選擇 13
2.3.1.4直齒圓柱齒輪靜力及接觸分析的理論計(jì)算 14
2.3.1.5直齒輪靜力及接觸的有限元分析 17
2.3.1.6鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 19
2.3.2機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
2.3.2.1機(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與選型 21
2.3.2.2機(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 23
第三章 總結(jié)與展望 24
參考文獻(xiàn) 24
IV
第一章 緒論
1.1 引言
隨著我國(guó)改革開放的不斷開展，我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和技術(shù)應(yīng)用都得到了高速穩(wěn)定的發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用的地方變得越來越多，從單一的生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展到各行各業(yè)，甚至延伸到排爆等危險(xiǎn)的具體工作?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都開始了對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)研發(fā)和設(shè)計(jì)，而移動(dòng)機(jī)器人選擇何種移動(dòng)方式是其設(shè)計(jì)時(shí)最重要的考慮點(diǎn)之一。移動(dòng)機(jī)器人按其移動(dòng)結(jié)構(gòu)可以分為腿式，輪式和履帶式三大類，這三類各有其優(yōu)缺點(diǎn)。
隨著移動(dòng)機(jī)器人行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，腿式機(jī)器人由于其結(jié)構(gòu)和操作過于復(fù)雜，且應(yīng)用的場(chǎng)地通常有特殊要求，因此并沒有得到廣泛的使用。而目前市場(chǎng)上的移動(dòng)機(jī)器人主流仍是輪式機(jī)器人，我們常見的輪式機(jī)器人多像AGV小車的結(jié)構(gòu)形式，該機(jī)器人移動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于平坦的地面，行走過程相對(duì)穩(wěn)定，但是同樣存在著許多缺陷，最大的問題是輪式機(jī)器人對(duì)行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時(shí)極容易打滑；且移動(dòng)轉(zhuǎn)向的時(shí)候需要整個(gè)機(jī)器人本體轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎半徑較大，占用的行走空間較多。我們都知道移動(dòng)結(jié)構(gòu)是移動(dòng)機(jī)器人中極為重要的一個(gè)構(gòu)件，因此在整體設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該考慮移動(dòng)結(jié)構(gòu)的適用性，穩(wěn)定性和可靠性。
為了讓移動(dòng)機(jī)器人的各項(xiàng)性能滿足其使用要求，我們需要從以下方面要求入手考慮：機(jī)動(dòng)性能好，轉(zhuǎn)彎半徑小，翻越障礙能力強(qiáng)，與地面附著力大，穩(wěn)定可靠性高。本設(shè)計(jì)中我們選用履帶式作為移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，其既具備腿式機(jī)器人跨越障礙物行走的優(yōu)點(diǎn)，又具備輪式機(jī)器人移動(dòng)過程動(dòng)作穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)；履帶式機(jī)器人能夠適用于各種環(huán)境下的工作，因此對(duì)其進(jìn)一步的研究是不能忽視的。
1.2移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況
歐美等國(guó)家在移動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)研究方面一直處于世界的前端，他們單獨(dú)設(shè)立有專門的移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研究小組，且都在努力將移動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)推廣到各行各業(yè)當(dāng)中。目前美國(guó)的移動(dòng)機(jī)器人的研發(fā)已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展，他們成功將該機(jī)器人應(yīng)用到一些危險(xiǎn)的環(huán)境中實(shí)際作業(yè)，還有部分移動(dòng)機(jī)器人甚至開始在戰(zhàn)爭(zhēng)中嶄露頭角，比如:iRobot公司的Packbot，Battelle公司的ROCOMP, Remotec公司的MINI Andros 等，其中最典型的是:iRobot公司的Packbot。
iRobot公司在美國(guó)的移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，其研發(fā)的單兵便攜式遙控地面武器機(jī)動(dòng)平臺(tái)Packhot被美國(guó)軍方視為輕型無人偵查、戰(zhàn)術(shù)用機(jī)動(dòng)平臺(tái)的模板。Packbot為履帶式移動(dòng)機(jī)器人，長(zhǎng)0.87m，寬0.51m，高0.18m，自重18kg，最大運(yùn)行速度14km/h，充電一次可以行駛10km，最大涉水深度3m，無線遙控移動(dòng)，具有自主移動(dòng)能力，設(shè)置有5個(gè)載荷設(shè)施接口，可任意搭載機(jī)械手、小型武器或其他裝備，主要用于偵察地形、戰(zhàn)術(shù)實(shí)施，如反地道、近距離干擾等。Packbot安裝有輔助轉(zhuǎn)臂履帶，所以翻越障礙的能力極強(qiáng)，可以爬60°坡度的樓梯，有多種越障方式，能越過比自身高度大許多的障礙物，可以從任何顛覆狀態(tài)恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)。輔助轉(zhuǎn)臂可以拆卸，方便攜帶使用。Packbot平臺(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，抗沖擊能力極強(qiáng)，可經(jīng)受400G的沖擊，從2m高度摔下來也不會(huì)損壞，可從窗戶或者低空直升機(jī)直接拋出。
目前國(guó)內(nèi)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的技術(shù)研究仍然處于初始階段，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的定位傳感器、位置導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)控制以及主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵層面的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他歐美國(guó)家。不過現(xiàn)在許多國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開始努力開展對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究工作，從最基礎(chǔ)的主體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)控制入手。由于移動(dòng)機(jī)器人在機(jī)動(dòng)性、越障方式等方面與其他機(jī)器人有很大不同，因此國(guó)內(nèi)在移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)研發(fā)這條路上還有很長(zhǎng)的路程要走。
1.3 Solidwork軟件的介紹
SolidWorks為達(dá)索系統(tǒng)（Dassault Systemes S.A）下的子公司，專門負(fù)責(zé)研發(fā)與銷售機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的視窗產(chǎn)品。達(dá)索公司是負(fù)責(zé)系統(tǒng)性的軟件供應(yīng)，并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務(wù)。該集團(tuán)提供涵蓋整個(gè)產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等各個(gè)領(lǐng)域中的最佳軟件系統(tǒng)，著名的CATIAV5就出自該公司之手，目前達(dá)索的CAD產(chǎn)品市場(chǎng)占有率居世界前列。
SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技術(shù)副總裁與CV公司的副總裁發(fā)起，總部位于馬薩諸塞州的康克爾郡（Concord,Massachusetts）內(nèi)，當(dāng)初的目標(biāo)是希望在每一個(gè)工程師的桌面上提供一套具有生產(chǎn)力的實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。從1995年推出第一套SolidWorks三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件至今至2010年已經(jīng)擁有位于全球的辦事處，并經(jīng)由300家經(jīng)銷商在全球140個(gè)國(guó)家進(jìn)行銷售與分銷該產(chǎn)品。1997年，Solidworks被法國(guó)達(dá)索（Dassault Systemes）公司收購(gòu)，作為達(dá)索中端主流市場(chǎng)的主打品牌。
SolidWorks的主要模塊包括：
（1）零件建模
SolidWorks 提供了無與倫比的、基于特征的實(shí)體建模功能。通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁 特征、高級(jí)抽殼、特征陣列以及打孔等操作來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。通過對(duì)特征和草圖的動(dòng)態(tài)修改，用拖拽的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的設(shè)計(jì)修改。三維草圖功能為掃描、放樣生成三維草圖路徑，或?yàn)楣艿?、電纜、線和管線生成路徑。
(2)曲面建模
通過帶控制線的掃描、放樣、填充以及拖動(dòng)可控制的相切操作產(chǎn)生復(fù)雜的曲面。可以直觀地對(duì)曲面進(jìn)行修剪、延伸、倒角和縫合等曲面的操作。
（3）鈑金設(shè)計(jì)
SolidWorks 提供了頂尖的、全相關(guān)的鈑金設(shè)計(jì)能力。可以直接使用各種類型的法蘭、薄片等特征，正交切除、角處理以及邊線切口等鈑金操作變得非常容易?！∮脩艋olidWorks 的API為用戶提供了自由的、開放的、功能完整的開發(fā)工具。
開發(fā)工具包括Microsoft Visual Basic for Applications (VBA)、Visual C++，以及其他支持OLE的開發(fā)程序。
（4）特征識(shí)別
FeatureWorks是第一個(gè)為CAD用戶設(shè)計(jì)的特征識(shí)別軟件。與其它CAD系統(tǒng)共享三維模型，充分利用原有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，更快將向SolidWorks系統(tǒng)過渡，這就是特征識(shí)別軟件FeatureWorks所帶來的好處。
FeatureWorks同SolidWorks 完全集成。當(dāng)引入其它CAD軟件的三維模型時(shí)，F(xiàn)eatureWorks能夠重新生成新的模型，引進(jìn)新的設(shè)計(jì)思路。FeatureWorks對(duì)靜態(tài)的轉(zhuǎn)換文件進(jìn)行智能化處理，獲取有用的信息，減少了重建模型所化的時(shí)間。
FeatureWorks最適合識(shí)別帶有長(zhǎng)方形、圓錐形、圓柱形的零件和鈑金零件。
FeatureWorks提供了嶄新的靈活功能，包括在任何時(shí)間按任意順序交互式操作以及自動(dòng)進(jìn)行特征識(shí)別。FeatureWorks 提供了在新的特征樹內(nèi)進(jìn)行再識(shí)別和組合多個(gè)特征的能力，新增功能還包含識(shí)別拔模特征和筋特征的能力。
1.4 有限元分析的介紹
有限元分析是運(yùn)用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬的方式，現(xiàn)如今在工程技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分多，有限元計(jì)算答案已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)。現(xiàn)在，有限元分析大量應(yīng)用于解決航空、工業(yè)、航天、電子、土木、船舶、能源、化工、核工業(yè)、生物、醫(yī)學(xué)及交通運(yùn)輸?shù)缺姸囝I(lǐng)域的具體工程問題，尤其是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的高速發(fā)展，有限單元法在解決具體問題的規(guī)模、區(qū)間方面也已經(jīng)發(fā)生了巨大的變革。有限元分析技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)：
（1）找到產(chǎn)品潛在的問題以及先天的缺陷，為我們創(chuàng)造更加品質(zhì)優(yōu)異的產(chǎn)品。
（2）對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估與預(yù)測(cè)，提高產(chǎn)品和加工生產(chǎn)的可靠性，降低存在的風(fēng)險(xiǎn)。
（3）通過進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析，運(yùn)用改進(jìn)后的設(shè)計(jì)方案，降低產(chǎn)品生產(chǎn)加工成本。
（4）縮短產(chǎn)品投向市場(chǎng)的時(shí)間。
（5）降低物理試驗(yàn)次數(shù)，對(duì)大量實(shí)際情況進(jìn)行快速而有效的模擬實(shí)驗(yàn)分析。
有限元分析是R.Courant于1943年首先提出的。從提出有限元分析的概念以來，有限元理論及其特殊的應(yīng)用得到了高速發(fā)展。以往不能解決或能解決但解決精度不高的情況，都得到了更好的解決方法。傳統(tǒng)的FEM假設(shè)：分析域是無限；材質(zhì)是同樣的，甚至在絕大部分的分析中認(rèn)為材質(zhì)是各向同性的；對(duì)邊界環(huán)境簡(jiǎn)化處理。但實(shí)際情況往往是分析區(qū)域有限、材質(zhì)各向異性及邊界環(huán)境難以確定等因素。為了解決這些問題，美國(guó)學(xué)者發(fā)現(xiàn)用CFEM(Gener-alized Finite Element Method)解決分析區(qū)域內(nèi)含有大量孔洞特性的情況；比利時(shí)學(xué)者也在之間提出了用HSM解決實(shí)際開裂情況。
FEM在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也十分廣。自從我國(guó)成功研制了國(guó)內(nèi)第一個(gè)通用有限元分析程序系統(tǒng)JIGFEX后，有限元分析涵蓋到工程分析的各個(gè)領(lǐng)域中，從我國(guó)大型的三峽工程到微米級(jí)的器件都運(yùn)用了FEM進(jìn)行分析，在我國(guó)高速經(jīng)濟(jì)發(fā)展中擁有很大的發(fā)展空間。
現(xiàn)在我們?cè)谶M(jìn)行大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)中物理場(chǎng)分析時(shí)，為了控制并估計(jì)偏差，常用后驗(yàn)偏差估計(jì)的自適應(yīng)有限元分析。而基于后處理法的計(jì)算偏差，與我們常常使用的傳統(tǒng)算法不同，它完美的將網(wǎng)格自適應(yīng)過程分成均勻化和變密度化兩個(gè)迭代過程。而均勻化迭代過程中，運(yùn)用均勻網(wǎng)格尺寸對(duì)整體分析區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，便得到一個(gè)合適的起始均勻分析網(wǎng)格；而在變密度化迭代過程中只進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化的操作，而且充分運(yùn)用上一次迭代的答案，在單元所在的曲邊三角形區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行局部網(wǎng)格細(xì)化工作，保證了全局分析網(wǎng)格尺寸分布的合理性，這樣不同尺寸的網(wǎng)格就能夠光滑銜接，從而提高網(wǎng)格的整體質(zhì)量。上述整個(gè)方案簡(jiǎn)單可行，穩(wěn)定可靠，數(shù)次迭代即可快速收斂，生成的網(wǎng)格布局合理，質(zhì)量水平高。
1.5 課題研究的意義及目的
從目前全球市場(chǎng)需求布局來看，歐、美地區(qū)成為功能全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、質(zhì)量好、性能穩(wěn)定的移動(dòng)機(jī)器人的主要銷售市場(chǎng)；中東、非洲地區(qū)主要選擇老款式、簡(jiǎn)單實(shí)用價(jià)格便宜的移動(dòng)機(jī)器人；還有以俄羅斯為代表的高寒國(guó)家則更喜歡能耐寒，機(jī)械結(jié)構(gòu)牢固的移動(dòng)機(jī)器人以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐牡乩須夂驐l件；日韓則主要關(guān)注產(chǎn)品的品質(zhì)與安全；目前國(guó)內(nèi)的移動(dòng)機(jī)器人整體研究狀況還是比較良好，已由原來單一的移動(dòng)功能，不注重外觀，逐漸演變成為實(shí)際使用中的藝術(shù)品，以外觀精美結(jié)構(gòu)巧妙，操作方便，質(zhì)量安全穩(wěn)定等特點(diǎn)成為新的發(fā)展方向。為進(jìn)一步適應(yīng)各行各業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)如今市場(chǎng)上還出現(xiàn)了移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人。
第二章 多功能履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)
現(xiàn)有市場(chǎng)上常見的移動(dòng)機(jī)器人基本上都是輪式機(jī)器人，其基本工作方式為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，輪子再將動(dòng)力傳遞給整個(gè)輪式機(jī)器人達(dá)到讓其自由行走的目的。輪式機(jī)器人主要有以下幾個(gè)方面的缺點(diǎn)：對(duì)行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時(shí)極容易打滑；且移動(dòng)轉(zhuǎn)向的時(shí)候需要整個(gè)機(jī)器人本體轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎半徑較大，占用的行走空間較多；而本設(shè)計(jì)中的多功能履帶式機(jī)器人采用履帶驅(qū)動(dòng)的工作原理，其基本工作方式為行走電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)履帶本體轉(zhuǎn)動(dòng)提供履帶式機(jī)器人行走的動(dòng)力，關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)履帶本體調(diào)整其行走角度，讓機(jī)器人本體能夠自如的翻越障礙。
這兩種移動(dòng)機(jī)器人的工作原理截然不同，兩者結(jié)構(gòu)不同、實(shí)現(xiàn)方式不同，使用方法也不相同。本篇論文中的多功能履帶式機(jī)器人設(shè)計(jì)運(yùn)用了巧妙的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，利用電動(dòng)機(jī)作為機(jī)器人行走的源動(dòng)力，再通過穩(wěn)定的減速器和鏈傳動(dòng)將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給前后雙節(jié)四履帶，使得機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自由的行走，且多功能履帶式機(jī)器人在遇到障礙物時(shí)，通過調(diào)整關(guān)節(jié)角度，使得整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程更加平穩(wěn)。我們?cè)诂F(xiàn)有的單節(jié)雙履帶式機(jī)器人的理論基礎(chǔ)上改良結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，本次設(shè)計(jì)的多功能履帶式機(jī)器人采用雙節(jié)四履帶式結(jié)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，綜合材質(zhì)的選擇、結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，讓使用者更加方便穩(wěn)定的使用該移動(dòng)機(jī)器人，這是本篇論文多功能履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)初衷。
2.1 多功能履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求
（1）本設(shè)計(jì)中的多功能履帶式機(jī)器人主要在一些人不方便進(jìn)入的小型場(chǎng)合使用，包括倒塌的建筑物內(nèi)，災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，危險(xiǎn)災(zāi)區(qū)和坍塌煤礦等。
（2）本設(shè)計(jì)之前綜合考慮，該多功能履帶式機(jī)器人應(yīng)該具有以下功能：產(chǎn)品加工生產(chǎn)成本低，質(zhì)量安全穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，使用便捷，方便搬運(yùn)移動(dòng)；
（3）本設(shè)計(jì)從履帶機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械手臂設(shè)計(jì)兩方面著手進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析及計(jì)算闡述。
2.2 多功能履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)概述
2.2.1多功能履帶式機(jī)器人與其他類型移動(dòng)機(jī)器人原理的對(duì)比
（1）輪式機(jī)器人的工作原理
最早出現(xiàn)的移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)當(dāng)是輪式機(jī)器人。隨著各個(gè)行業(yè)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人質(zhì)量要求的不斷提高，輪式機(jī)器人也得到了快速的發(fā)展與運(yùn)用。
輪式機(jī)器人以輪式移動(dòng)為基礎(chǔ)，相對(duì)腿式、履帶式或其它非輪式的移動(dòng)機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)速度快、工作效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作容易等優(yōu)勢(shì)。與其他移動(dòng)機(jī)器人相比，輪式機(jī)器人最大的優(yōu)點(diǎn)便是操作簡(jiǎn)單，其行走區(qū)域不需要假設(shè)軌道、支座架等固定裝置，電路控制方便簡(jiǎn)單，且不易損壞。因此，輪式機(jī)器人大多數(shù)在較好的環(huán)境下使用，如今在自動(dòng)化物流系統(tǒng)中被廣泛使用，利用其快捷性和高效性，實(shí)現(xiàn)高物流倉(cāng)庫(kù)高效、經(jīng)濟(jì)、便捷的無人化管理。
輪式機(jī)器人，其基本工作原理為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)，輪子再將動(dòng)力傳遞給整個(gè)輪式機(jī)器人達(dá)到讓其自由行走的目的。再通過其他輔助功能，如地面控制系統(tǒng)，車載控制系統(tǒng)，導(dǎo)航引導(dǎo)方式等綜合起來形成完整的結(jié)構(gòu)體系。隨著對(duì)輪式機(jī)器人的深入研究分析，輪式機(jī)器人的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大,如今也廣泛運(yùn)用于工業(yè)、軍事、交通運(yùn)輸、電子等領(lǐng)域,，同樣具有很強(qiáng)的抗干擾能力和目標(biāo)識(shí)別能力。
圖1 常見輪式機(jī)器人實(shí)物圖
（2）多功能履帶式機(jī)器人的工作原理
在本世紀(jì)早期，以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源帶動(dòng)的單節(jié)雙履帶式機(jī)器人就已經(jīng)出現(xiàn)了。隨著現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，如今出現(xiàn)了雙節(jié)四履帶式機(jī)器人和多節(jié)多履帶式機(jī)器人等等類型的履帶式機(jī)器人。
本設(shè)計(jì)中的多功能履帶式機(jī)器人采用的仍然是單節(jié)雙履帶機(jī)器人的工作原理，只是在其基礎(chǔ)上額外又增加了單節(jié)雙履帶，共雙節(jié)四履帶，其基本工作方式為行走電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)履帶本體轉(zhuǎn)動(dòng)提供履帶式機(jī)器人行走的動(dòng)力，關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)履帶本體調(diào)整其行走角度，讓機(jī)器人本體能夠自如的翻越障礙。
雙節(jié)四履帶機(jī)器人作為履帶式機(jī)器人的一種，相比單節(jié)雙履帶機(jī)器人翻越障礙物的能力更加，環(huán)境適用性更高，動(dòng)力更強(qiáng)。該多功能履帶式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)主要由兩大部分組成：機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)和機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)，而底座結(jié)構(gòu)包括：行走電動(dòng)機(jī)、關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)，內(nèi)輪組件、車體框架組件、外輪組件、減速器、鏈傳動(dòng)組件等；機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)包括：機(jī)器人大臂，機(jī)器人中臂，機(jī)器人小臂，攝像頭組件，機(jī)器人抓手等；行走電動(dòng)機(jī)提供源動(dòng)力帶動(dòng)履帶自身轉(zhuǎn)動(dòng)行走，關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)履帶本體調(diào)整行走角度，車體框架組件支撐著整個(gè)多功能履帶式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，其承受了多功能履帶式機(jī)器人所有的負(fù)載，車體框架組件的前后分別安裝有兩個(gè)外輪組件和兩個(gè)內(nèi)輪組件，行走電機(jī)和關(guān)節(jié)電機(jī)均通過減速器將動(dòng)力傳遞出去，鏈傳動(dòng)組件負(fù)責(zé)將外輪組件和內(nèi)輪組件連接到一起，機(jī)械手臂的功能在于讓機(jī)器人可以360°無死角的清除路面上的障礙物，通過攝像頭組件可以清楚的觀察到道路環(huán)境中的實(shí)際情況，頂部的機(jī)器人抓手可以完成一些基本功能的抓取和清掃作業(yè)。
圖2 多功能履帶式機(jī)器人三維設(shè)計(jì)圖
2.2.2多功能履帶式機(jī)器人與其他類型移動(dòng)機(jī)器人特點(diǎn)的對(duì)比
多功能履帶式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)：
（1）.在惡劣環(huán)境下也可以作業(yè)，越障機(jī)動(dòng)性好；
（2）.具有很好的自復(fù)位能力，可以從任何顛覆狀態(tài)恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)；
（3）.履帶上的履齒不容易打滑，與地面的附著性好，能夠最大程度的發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的效率
輪式機(jī)器人的缺點(diǎn)：
（1) 對(duì)行走地面要求比較高，在松軟或者是泥濘的道路上行走時(shí)極容易打滑；
（2) 移動(dòng)轉(zhuǎn)向的時(shí)候需要整個(gè)機(jī)器人本體轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)彎半徑較大，占用的行走空間較多
（3) 輪式機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，非專業(yè)人員不容易檢查和排除問題。
2.2.3 多功能履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)參數(shù)
產(chǎn)品類別：雙節(jié)四履帶式移動(dòng)機(jī)器人
材質(zhì)：鋁合金
自身重量：60kG
規(guī)格(MM)：L825×W550×H630
運(yùn)行速度：0.4~0.8m/s
行走電機(jī)功率：200W
關(guān)節(jié)電機(jī)功率：200W
續(xù)航時(shí)間：8H
2.3 多功能履帶式機(jī)器人的具體設(shè)計(jì)
多功能履帶式機(jī)器人主要從兩大方面進(jìn)行具體設(shè)計(jì)：包括機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
（1） 機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)是整個(gè)履帶機(jī)器人的基礎(chǔ)，依靠它履帶式機(jī)器人才能夠在地面上行駛，也能夠攀爬建筑物內(nèi)部的樓梯以及一些更為復(fù)雜的地形。
底座結(jié)構(gòu)包括：行走電動(dòng)機(jī)、關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)，內(nèi)輪組件、車體框架組件、外輪組件、減速器、鏈傳動(dòng)組件等；行走電動(dòng)機(jī)提供源動(dòng)力帶動(dòng)履帶自身轉(zhuǎn)動(dòng)行走，關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)履帶本體調(diào)整行走角度，車體框架組件支撐著整個(gè)多功能履帶式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，其承受了多功能履帶式機(jī)器人所有的負(fù)載，車體框架組件的前后分別安裝有兩個(gè)外輪組件和兩個(gè)內(nèi)輪組件，行走電機(jī)和關(guān)節(jié)電機(jī)均通過減速器將動(dòng)力傳遞出去，鏈傳動(dòng)組件負(fù)責(zé)將外輪組件和內(nèi)輪組件連接到一起。
（2） 機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
整個(gè)機(jī)械手臂安裝在履帶機(jī)器人的上部，通過機(jī)械手臂底座與車體框架組件連接到一起。機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)包括：機(jī)器人大臂，機(jī)器人中臂，機(jī)器人小臂，攝像頭組件，機(jī)器人抓手等，機(jī)械手臂的功能在于讓履帶式機(jī)器人可以360°無死角的清除路面上的障礙物，通過攝像頭組件可以清楚的觀察到道路環(huán)境中的實(shí)際情況，頂部的機(jī)器人抓手可以完成一些基本功能的抓取和清掃作業(yè)。
2.3.1 機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人底座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括行走電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與選型，減速器齒輪的設(shè)計(jì)，鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與選型；
2.3.1.1行走電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與選型
在本設(shè)計(jì)中，鏈傳動(dòng)組件將前后兩個(gè)外輪組件和兩個(gè)內(nèi)輪組件連接起來，相當(dāng)于四個(gè)履帶由兩個(gè)相同的行走電動(dòng)機(jī)兩兩驅(qū)動(dòng)，也就是說一個(gè)行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)一側(cè)的履帶行走。
行走電機(jī)所需的功率計(jì)算：
式中：——安全系數(shù)，考慮超載或功耗波動(dòng)等影響，取1.5；
——多功能履帶式機(jī)器人所需的功率；
——傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)效率；
——行走電機(jī)的功率。
多功能履帶式機(jī)器人所需的功率計(jì)算：
PW=F牽V
式中：F牽——單個(gè)行走電機(jī)作用于單側(cè)履帶式機(jī)器人的牽引力，N；
V——整個(gè)履帶式機(jī)器人的行走速度，m/s。
假設(shè)履帶與地面之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)μ=0.5，已知履帶機(jī)器人自身重量為60KG，且兩個(gè)行走電機(jī)作用于履帶機(jī)器人上的牽引力與摩擦力f相等，則計(jì)算F牽
F牽=f/2=μmg/2=0.5×60 kg×10 N/kg/2=150N
由設(shè)計(jì)參數(shù)可知，整個(gè)履帶機(jī)器人的行走速度V為0.4～0.8m/s，取V最大值為0.8m/s計(jì)算得出
=F牽V=150N×0.8m/s=120W
履帶在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，行走電機(jī)與履帶之間通過減速器連接，減速器與履帶之間又通過鏈傳動(dòng)組件連接，因此查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得到：
類別
傳動(dòng)形式
效率（%）
減速器
直齒圓柱齒輪傳動(dòng)
0.97
鏈傳動(dòng)
滾子鏈
0.96
表2.1 各傳動(dòng)部件的傳動(dòng)效率
因此可以計(jì)算得到從行走電機(jī)到履帶的總傳動(dòng)效率為
=減速器鏈傳動(dòng)=0.97×0.96=0.9312
Pm=kPw=1.5×1200.9312=193.29W
——行走電機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)所需要的輸出功率。
本設(shè)計(jì)中的行走電機(jī)選型采用的是直流無刷電機(jī)。作為同步電機(jī)的一種，直流無刷電機(jī)相對(duì)于其它類型的電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)上面的計(jì)算，我們得到多功能履帶式機(jī)器人行走電機(jī)實(shí)際工作時(shí)所需要的輸出功率為193.29W，考慮在行走過程中可能遇到復(fù)雜地形的情況，我們選定行走電機(jī)的品牌為瑞士maxon直流無刷電機(jī)，型號(hào)為EC-4pole 30，其工作額定功率為200W，額定轉(zhuǎn)速n為16200r/min,行走電機(jī)的具體參數(shù)見表2.2；
表2.2 行走電機(jī)詳細(xì)參數(shù)
由設(shè)計(jì)三維圖可知內(nèi)輪的直徑為220mm，且設(shè)計(jì)要求整個(gè)履帶機(jī)器人的行進(jìn)速度為0.4～0.8m/s，所以履帶行走的最大轉(zhuǎn)速
n=vπd=0.8π×0.22=1.16r/s=69.45r/min
2.3.1.2減速器齒輪的設(shè)計(jì)
已知選定的行走電機(jī)型號(hào)為EC-4pole 30，其工作額定功率為200W，額定轉(zhuǎn)速n為16200r/min,且履帶的轉(zhuǎn)速為69.45r/min，如果我們直接通過減速器減速則減速器總傳動(dòng)比為233。如果我們只選用減速器減速，那么傳動(dòng)比i=233就必須通過很多級(jí)減速才可以實(shí)現(xiàn)，考慮到多功能履帶式機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求：結(jié)構(gòu)安裝簡(jiǎn)單，自身重量輕，因此減速器的體積也需要盡可能的小，所以本設(shè)計(jì)中采用電機(jī)自帶減速器的方式先來降低電機(jī)自身輸出轉(zhuǎn)速。
我們查瑞士maxon直流無刷電機(jī)的產(chǎn)品手冊(cè)，查到行走電機(jī)EC-4pole 30的配套減速器的具體規(guī)格如下表2.3；
表2.3 行走電機(jī)減速器詳細(xì)參數(shù)
我們這里選擇配套的減速器為行星輪減速器，型號(hào)為GP-42C，我們已知行走電機(jī)的輸出軸直徑為5mm，小于減速器最大允許電機(jī)軸徑8mm，滿足要求，并根據(jù)總傳動(dòng)比i=233，我們選擇減速器的編號(hào)為203129，減速比為156:1，精確減速比為156。
那么我們可以將總傳動(dòng)比i分別分配到行走電機(jī)減速器，齒輪減速器和鏈傳動(dòng)減速器上?？傻?
i=i電機(jī)i齒輪i鏈輪
我們這里設(shè)計(jì)齒輪的傳動(dòng)比為1：1，也是說齒輪副兩個(gè)嚙合齒輪齒數(shù)相等，于是計(jì)算出鏈輪的傳動(dòng)比為1.5:1。
齒輪減速器為行走電機(jī)與鏈傳動(dòng)之間的獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置，它通過降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩來滿足實(shí)際工況的需求。減速器的類型有很多，按照傳動(dòng)方式的不同可以分為齒輪減速器，蝸輪蝸桿減速器和行星減速器；按照傳動(dòng)的級(jí)數(shù)可以分為單級(jí)和多級(jí)減速器。我們已知本設(shè)計(jì)中的齒輪減速器的減速比為1。通常情況下單級(jí)齒輪減速器的傳動(dòng)比i≤8—10，且齒輪減速器的優(yōu)點(diǎn)是效率和可靠性高，工作壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單；這里齒輪可以選擇直齒、斜齒和人字齒。由于本設(shè)計(jì)中的履帶轉(zhuǎn)動(dòng)的工作轉(zhuǎn)矩較大，因此選擇單級(jí)直齒圓柱齒輪做為本設(shè)計(jì)中的齒輪減速器。
2.3.1.3齒輪齒數(shù)的選擇
在設(shè)計(jì)時(shí)保證直齒輪傳動(dòng)的中心距不變的條件下，增加齒數(shù)，不僅可以增大齒輪嚙合的重合度、保證傳動(dòng)的平穩(wěn)性，而且可以減小齒輪模數(shù)，降低齒高，減少加工的切削量。為了提高傳動(dòng)的穩(wěn)定性，減少傳動(dòng)過程中的沖擊振動(dòng)，降低磨損失效。
根據(jù)齒輪副的工作環(huán)境選擇不同的齒輪齒數(shù)，閉式齒輪傳動(dòng)一般轉(zhuǎn)速較高，為了提高傳動(dòng)的穩(wěn)定性，減小沖擊振動(dòng)，通常選擇齒數(shù)多一點(diǎn)的齒輪，小齒輪的齒數(shù)可取為Z1=20~40，而開式（半開式）齒輪傳動(dòng)，由于輪齒的磨損失效為主要因素，因此小齒輪的齒數(shù)通常選用不多，一般可以小齒輪的齒數(shù)Z1=17—20，且為了防止齒輪嚙合時(shí)發(fā)生根切，應(yīng)取Z1≥17。本設(shè)計(jì)中的齒輪副的工作環(huán)境為封閉的減速箱內(nèi)，且齒輪傳動(dòng)的轉(zhuǎn)速較高，因此選定小齒輪的齒數(shù)Z1為30。
主動(dòng)齒輪齒數(shù)確定后，按傳動(dòng)比i=Z2/Z1可以計(jì)算出從動(dòng)齒輪齒數(shù)Z2也為30。直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的基本參數(shù)見表2—1所示：
表 2-1
名稱
主動(dòng)齒輪
從動(dòng)齒輪
齒數(shù)
30
30
變位量系數(shù)
0
0
齒頂高系數(shù)
1
1
頂隙系數(shù)
0.25
0.25
刀具模數(shù)
1.5
1.5
刀具壓力角
20
20
齒寬
8
7
2.3.1.4直齒圓柱齒輪靜力及接觸分析的理論計(jì)算
對(duì)直齒圓柱齒輪分別進(jìn)行接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度的校核，確定斜齒輪副能否滿足實(shí)際工況下的需求。
直齒圓柱齒輪材質(zhì)選用Q235A，齒輪表面做調(diào)質(zhì)熱處理，齒輪副的參數(shù)如表2-2所示。
表2-2斜齒輪副參數(shù)
齒 輪
模數(shù)(m)
齒數(shù)(z)
轉(zhuǎn)速(n)
分度圓直徑（mm）
功率(p)
主動(dòng)齒輪
1.5
30
104r/min
45
200W
從動(dòng)齒輪
1.5
30
104r/min
45
（1）齒輪接觸疲勞強(qiáng)度校核
1）計(jì)算主動(dòng)齒輪名義轉(zhuǎn)矩
T1=9.55×106×P1/n1=9.55×103×0.2/104=18.36N.M
取直齒輪材料接觸疲勞極限應(yīng)力。
2）計(jì)算主動(dòng)齒輪的的圓周力
Ft=2×T1/d1=2×18.36/0.045=816N
3）許用接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
主動(dòng)齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
N1=60njLh=60×104×10×10×250=1.56×108
從動(dòng)齒輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
N2=60njLh=60×104×10×10×250=1.56×108
取安全系數(shù)
取
則許用接觸疲勞強(qiáng)度為：
4）直齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核：
取齒寬系數(shù)
則齒寬為 b=ψdd1=0.6×45=27
齒輪傳動(dòng)比 u=Z2/Z1=30/30=1
齒輪重合度
εα=[1.88-3.2×(1/z1+1/Z2）]cosβ=1.566
取重合度系數(shù)
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
彈性系數(shù)
載荷系數(shù) K=2.669
直齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核：
σH=ZEZHZε[（K Ft/bd1）*（u+1）/u]0.5
=189.8×2.5×0.95×[（2.669×816/27/45）×（1+1）/1]0.5=842.15MPa
得到結(jié)果：＜＜
（2）直齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度校核
1）確定載荷系數(shù)：
取 動(dòng)載荷系數(shù)
取齒間載荷分配系數(shù)
取
則
2）確定齒形參數(shù)
取從動(dòng)齒輪齒形系數(shù) 應(yīng)力修正系數(shù)
主動(dòng)齒輪齒形系數(shù) 應(yīng)力修正系數(shù)
重合度系數(shù)
3）確定直齒輪彎曲疲勞許用應(yīng)力
斜齒輪彎曲疲勞許用應(yīng)力為
根據(jù)齒輪材料取彎曲疲勞極限應(yīng)為，
取彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)：，
取應(yīng)力修正系數(shù)
取彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)
則彎曲疲勞許用應(yīng)力：
4）校核齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度：
按主動(dòng)齒輪校核齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度：
σF2=kFtYFa2YSa2Yε/bm=2.87×816×2.75×1.6×0.95/3/48=67.98MPa
經(jīng)過上面對(duì)直齒輪副的強(qiáng)度校核計(jì)算得到以下結(jié)果：
齒輪接觸疲勞和彎曲疲勞強(qiáng)度為：
σH=ZEZHZε[（K Ft/bd1）*（u+1）/u]0.5
=189.8×2.5×0.95×[（2.669×816/27/45）×（1+1）/1]0.5=842.15MPa
σF2=kFtYFa2YSa2Yε/bm=2.87×816×2.75×1.6×0.95/3/48=67.98MPa
對(duì)疲勞強(qiáng)度進(jìn)行比較：
＜＜
＜＜
經(jīng)過對(duì)比我們可以得到結(jié)論：直齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度和彎曲疲勞強(qiáng)度都滿足實(shí)際強(qiáng)度要求。
2.3.1.5直齒輪靜力及接觸的有限元分析
分析直齒輪的應(yīng)力分布圖，我們可以得出直齒輪在進(jìn)入或退出嚙合時(shí)，因?yàn)橹饼X輪的彈性形變將發(fā)生干涉和沖擊，直齒輪的齒頂、齒根和端面邊緣都會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中，這些應(yīng)力集中很容易造成直齒輪失效，因此分析直齒輪受力，避免應(yīng)力集中可以有效地提高直齒輪的使用時(shí)間。
從主動(dòng)齒輪的接觸應(yīng)力圖中可以看出，主動(dòng)齒輪齒根圓處的應(yīng)力大小在70MPa 到 100MPa 區(qū)間內(nèi)，齒輪齒形表面的應(yīng)力分布有逐漸增大的態(tài)勢(shì)，其大小為 140~245MPa，而齒形表面及齒槽表面分布其應(yīng)力值逐漸降低到35MPa 左右，主動(dòng)齒輪的最大應(yīng)力出現(xiàn)在加載的齒形嚙合部分的齒頂附近處，大小為316MPa。
圖2.4 主動(dòng)齒輪接觸應(yīng)力分布圖
從齒輪副接觸應(yīng)力圖中可以看出，從動(dòng)齒輪的應(yīng)力分布方式與主動(dòng)齒輪基本相似。從動(dòng)齒輪的齒根圓處的應(yīng)力值在 274MPa 到 366MPa 之間的范圍，齒形表面的應(yīng)力分布逐漸加大，附近的應(yīng)力其值為 457～549MPa，而齒形表面及齒根表面的應(yīng)力分布，其應(yīng)力值逐漸降低到91～183MPa 左右，與主動(dòng)齒輪的應(yīng)力分布相似，齒形嚙合處附近接近齒頂輪廓處的應(yīng)力較大，從動(dòng)齒輪該處為最大應(yīng)力點(diǎn)，而從動(dòng)齒輪上該位置的應(yīng)力最大值約為 824MPa。
圖2.5齒輪副接觸應(yīng)力分布圖
根據(jù)以上分析可以得到結(jié)論：齒輪運(yùn)動(dòng)副中的危險(xiǎn)應(yīng)力集中位置，我們?cè)趯?shí)際的齒輪生產(chǎn)加工工藝中可以作為技術(shù)依照，為了后面使用過程中增加齒輪的耐久性和穩(wěn)定性，需要在齒輪制造生產(chǎn)和熱處理工藝加工的過程中做特殊的表面熱處理。
2.3.1.6鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
鏈傳動(dòng)是一種繞性傳動(dòng)，通常由鏈條和鏈輪組成，通過鏈輪的輪齒和鏈條的鏈節(jié)之間的嚙合傳遞動(dòng)力。與齒輪傳動(dòng)相比，鏈傳動(dòng)的制造和安裝精度要求較低，成本也較低。特別在長(zhǎng)距離傳動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)比齒輪傳動(dòng)更加有優(yōu)勢(shì)。鏈條按用途不同又可以分為傳動(dòng)鏈、輸送鏈和起重鏈。輸送鏈和起重鏈通常用于重型運(yùn)輸機(jī)械和起重機(jī)械中。本設(shè)計(jì)中我們選用的是常用的傳動(dòng)鏈。傳動(dòng)鏈又可以分為滾子鏈和齒形鏈等類型，本設(shè)計(jì)中采用的是常規(guī)的滾子鏈，通常用于低速的傳動(dòng)系統(tǒng)中，且最大傳動(dòng)比i=8。
滾子鏈在傳遞較大功率時(shí)，可采用雙排鏈或者多排鏈。多排鏈的承載能力和排數(shù)成正比，但受到裝配精度的制約，多排鏈承受的載荷不容易分布均勻，因此鏈條的排數(shù)也不宜過多。
（1） 鏈輪設(shè)計(jì)與計(jì)算
小鏈輪的齒數(shù)少一點(diǎn)可以減小鏈輪的外廓尺寸，但齒數(shù)過少時(shí)也會(huì)增加動(dòng)力傳遞過程中的不均勻性和動(dòng)態(tài)載荷；鏈條和鏈輪在嚙合時(shí)鏈節(jié)間的相對(duì)轉(zhuǎn)角增大使得鏈傳動(dòng)的圓周力增大，導(dǎo)致鏈傳動(dòng)整體的磨損。因此小鏈輪的齒數(shù)Z1也不宜過小，通常情況下鏈輪的最少齒數(shù)Zmin=9。一般Z1≥16，對(duì)于高速傳動(dòng)或是承受較大沖擊載荷的鏈傳動(dòng)Z1不少于25。同樣小鏈輪的齒數(shù)Z1也不宜取得過大，在傳動(dòng)比一定時(shí)，Z1大，Z2也相應(yīng)增大，會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的總體尺寸增大，并且容易導(dǎo)致鏈條跳鏈和脫鏈的情況發(fā)生，也會(huì)影響鏈條的使用壽命。本設(shè)計(jì)中選定小鏈輪的齒數(shù)Z1=16，根據(jù)以上計(jì)算鏈輪的傳動(dòng)比為1.5:1，可得到：
Z2=Z1×i=16×1.5=24
鏈輪的節(jié)距P越大，承載能力也越高，但是P越大也意味著鏈輪的總體尺寸越大，反而振動(dòng)、沖擊和噪聲也會(huì)越嚴(yán)重。為了使整個(gè)鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊，當(dāng)速度高，功率大時(shí)，應(yīng)盡量選用小節(jié)距的多排鏈，本設(shè)計(jì)中采用雙排鏈的鏈輪傳動(dòng)。
（2） 鏈傳動(dòng)的計(jì)算
根據(jù)鏈傳動(dòng)的工作環(huán)境，小鏈輪齒數(shù)和鏈條排數(shù)，將鏈傳動(dòng)所傳遞的功率修正為當(dāng)量的雙排鏈的計(jì)算功率
Pca=KAKZKPP
式中：KA——工況系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表9-6工況系數(shù)取1.0；
Kz——小鏈輪齒數(shù)系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖9-13小鏈輪齒數(shù)系數(shù)取1.65；
KP——排鏈系數(shù)，雙排鏈時(shí)取KP=1.75，三排鏈時(shí)取KP=2.5；
P——傳遞的功率，KW。
計(jì)算得到
Pca=1.0×1.651.75×0.2=0.19KW
根據(jù)計(jì)算得到的排鏈的計(jì)算功率Pca和小鏈輪的轉(zhuǎn)速n1=104r/min由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖9-11得到鏈條型號(hào)為25B，鏈輪的型號(hào)為25B，再根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表9-1確定鏈條的節(jié)距P=6.35mm。鏈條具體尺寸見圖2.6；
圖2.6 鏈條具體尺寸圖
鏈條的鏈速V決定了鏈傳動(dòng)的潤(rùn)滑方式，鏈條平均鏈速
V=Z1n1p60×1000=Z2n2p60×1000=16×104×20060×1000=5.5m/s
查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖9-14選擇定期人工潤(rùn)滑的方式。
（3） 鏈傳動(dòng)的張緊
鏈傳動(dòng)張緊的目的在于，為了避免在鏈條的松邊垂度過大時(shí)產(chǎn)生鏈傳動(dòng)嚙合不良和鏈條的振動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)也增加鏈條和鏈輪的嚙合包角。張緊的方式有很多，當(dāng)小鏈輪與大鏈輪之間的中心距可調(diào)時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)中心距來控制鏈條的張緊程度。但是當(dāng)中心距不可調(diào)時(shí)，我們只有通過增加張緊輪的方式實(shí)現(xiàn)鏈條的張緊。張緊輪可以是鏈輪，也可以是滾輪。且設(shè)計(jì)張緊輪時(shí)應(yīng)該使其直徑盡量與小鏈輪的直徑相接近。本設(shè)計(jì)中小鏈輪的齒數(shù)為16，因此設(shè)計(jì)張緊鏈輪的齒數(shù)為11，型號(hào)為25B。
2.3.1.7 傳動(dòng)主軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
1）計(jì)算傳動(dòng)主軸的圓周力
Ft=2T2/d=2×27.59×1000/20=2759N
計(jì)算軸的徑向力
Fr= Fttan20°=2759×0.364=1004N
2）選定傳動(dòng)主軸的材質(zhì)且計(jì)算其最小直徑
選定傳動(dòng)主軸的材料為45鋼，表面做調(diào)質(zhì)處理，硬度220~250HRC
計(jì)算傳動(dòng)主軸的最小直徑：
dmin=A3Pn2=8×320069.23=11.39mm
傳動(dòng)主軸的第一個(gè)臺(tái)階用于安裝履帶組件，且第一段直徑與履帶輪上花鍵的孔徑相配合，配合公差為H7/g6。
公稱轉(zhuǎn)矩Tn /(N·m): 1000
許用轉(zhuǎn)速[n] /(r/min): 10001~78000
軸孔直徑d1、d2、dz /mm: 12
軸孔長(zhǎng)度|L /mm: 48
容許偏心范圍(mm): 0.02~0.2
容許偏角（deg）: 1
因此，取軸段1的直徑d1=12mm，軸端1的長(zhǎng)度L1=112.7mm。
3）傳動(dòng)主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
a)按軸向定位要求
軸的第一個(gè)臺(tái)階用于履帶組件的軸向卡位，且設(shè)計(jì)臺(tái)階高度h=4 （），因此軸的第二個(gè)臺(tái)階直徑d2=20mm，根據(jù)傳動(dòng)主軸上安裝履帶組件的長(zhǎng)度為138.8mm，因此取L2=138.8mm。
b)齒輪在軸上安裝時(shí)的定位方式
齒輪和傳動(dòng)主軸之間通過A型平鍵鏈接，平鍵的尺寸為
寬為5mm
長(zhǎng)度取12mm
R=2.5
c)確定傳動(dòng)主軸上圓角和倒角尺寸
R=0.5，圖標(biāo)注所示
軸端倒角取0.5×45°
4）傳動(dòng)主軸的強(qiáng)度校核
對(duì)于6301型深溝球軸承，確定軸承的支點(diǎn)位置，取值為。
Ft=2T2/d=2×294×1000/20=29400N
Fr= Fttan20°=29400×0.364=10700N
根據(jù)裝配圖所示高速軸軸承跨距以及和齒輪支點(diǎn)跨距如圖所示
水平面：
RH2=476Ft604=218534 N
RH2=476Ft604=218534 N
彎矩MH=RH1×AC=58765×476=28×106
垂直面：
同理得
RV1=21390 N RV2=616.3 N
彎矩:Mv=Rv1×AC=10×106
合成彎矩：M=MH2+MV2=280×106N?MM
扭矩
軸的彎矩校核公式：，
式中， a--------折合系數(shù)，取0.6；
選定軸的材料為45鋼，軸表面做調(diào)質(zhì)處理，硬度220~250HRC
查得45鋼許用應(yīng)力
計(jì)算得到軸的應(yīng)力大小為
，因此本設(shè)計(jì)中的傳動(dòng)主軸滿足實(shí)際使用要求。
2.3.2機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
整個(gè)機(jī)械手臂安裝在履帶機(jī)器人的上部，通過機(jī)械手臂底座與車體框架組件連接到一起。機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)包括：機(jī)器人大臂，機(jī)器人中臂，機(jī)器人小臂，攝像頭組件，機(jī)器人抓手等，機(jī)械手臂的功能在于讓履帶式機(jī)器人可以360°無死角的清除路面上的障礙物，通過攝像頭組件可以清楚的觀察到道路環(huán)境中的實(shí)際情況，頂部的機(jī)器人抓手可以完成一些基本功能的抓取和清掃作業(yè)。
2.3.2.1機(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與選型
本設(shè)計(jì)中機(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)選用電機(jī)和絲桿集成化的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，俗稱電缸。電缸將伺服電機(jī)結(jié)合絲桿的結(jié)構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將伺服電機(jī)最佳優(yōu)點(diǎn)-精確轉(zhuǎn)速控制，精確轉(zhuǎn)數(shù)控制，精確扭矩控制轉(zhuǎn)變成精確速度控制，精確位置控制，精確推力控制；且從節(jié)省空間的角度考慮，機(jī)械手臂之間，如機(jī)器人大臂與機(jī)器人中臂，機(jī)器人中臂與機(jī)器人小臂，兩兩之間的方向是平行的，因此選擇電缸的安裝方向與機(jī)械手臂的方向平行的。這意味著電缸的直線運(yùn)動(dòng)軸的方向與機(jī)械手臂關(guān)節(jié)的中心軸方向是垂直的。
電缸的優(yōu)點(diǎn)有：采用閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制，直線運(yùn)動(dòng)精度可以達(dá)到0.01mm；可以實(shí)現(xiàn)精密控制推力，并在產(chǎn)品上增加壓力傳感器，其直線運(yùn)動(dòng)控制精度可達(dá)1%；與PLC等控制系統(tǒng)連接非常方便簡(jiǎn)單，很容易實(shí)現(xiàn)高精密運(yùn)動(dòng)控制。噪音低，節(jié)能，干凈，高剛性，抗沖擊力，超長(zhǎng)壽命，操作維護(hù)簡(jiǎn)單。電缸可以在惡劣環(huán)境下無故障，防護(hù)等級(jí)可以達(dá)到IP66。長(zhǎng)期工作，并且實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度，高速度，高精度定位，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，低噪音。所以可以廣泛的應(yīng)用在造紙行業(yè)，化工行業(yè)，汽車行業(yè)，電子行業(yè)，機(jī)械自動(dòng)化行業(yè)，焊接行業(yè)等。
電缸在工業(yè)上可以完全替代液壓缸和氣缸，并且實(shí)現(xiàn)環(huán)境更環(huán)保，更節(jié)能，更干凈的優(yōu)點(diǎn)，與PLC等控制系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)高精密運(yùn)動(dòng)控制。
配置靈活性：可以提供非常靈活的安裝配置，全系列的安裝組件：安裝前法蘭，后法蘭，側(cè)面法蘭，尾部鉸接，耳軸安裝，導(dǎo)向模塊等；可以與伺服電機(jī)直線安裝，或者平行安裝；可以增加各式附件：限位開關(guān)，行星減速機(jī)，預(yù)緊螺母等；驅(qū)動(dòng)可以選擇交流制動(dòng)電機(jī)，直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)。
本設(shè)計(jì)中采用德國(guó)FESTO品牌的電缸，型號(hào)為EPCO-25-300-3P-A-ST-E，馬達(dá)類型為ST步進(jìn)馬達(dá)ST，產(chǎn)品型號(hào)為EPCO O系列，規(guī)格25，行程300mm，絲桿螺距3P3mm，測(cè)量單位為E編碼器，位置感測(cè)為A用于接近式感測(cè)，直線運(yùn)動(dòng)的重復(fù)精度可以達(dá)到±0.02mm。
本設(shè)計(jì)中正是利用了電缸運(yùn)動(dòng)的高精度性能實(shí)現(xiàn)了整個(gè)機(jī)器手準(zhǔn)確無誤的抓取目標(biāo)物。
機(jī)器人關(guān)節(jié)電缸的三維圖見圖2.6所示：
圖2.6機(jī)器人關(guān)節(jié)電缸三維結(jié)構(gòu)圖
2.3.2.2機(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中的履帶機(jī)器人適用于一些人不方便進(jìn)入的小型場(chǎng)合使用，包括倒塌的建筑物內(nèi)，災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，危險(xiǎn)災(zāi)區(qū)和坍塌煤礦等，我們這里以倒塌的建筑物為例分析，而建筑物內(nèi)最常見的攀爬的障礙物就是樓梯，這里選擇樓梯作為本設(shè)計(jì)中機(jī)械手臂尺寸的設(shè)計(jì)參考。已知樓梯一節(jié)臺(tái)階的內(nèi)空寬為215mm，且內(nèi)空高為200mm，樓梯一層總高2600mm，總寬950mm，因此，為了保證多功能履帶式機(jī)器人能夠自由的翻越樓梯，設(shè)計(jì)機(jī)械手臂的寬度不能超過950mm，展開長(zhǎng)度不能超過2600mm。本設(shè)計(jì)中機(jī)器人大臂總長(zhǎng)度為400mm，機(jī)器人中臂總長(zhǎng)度為400mm，機(jī)器人小臂總長(zhǎng)度為150mm，機(jī)器人抓手總長(zhǎng)度180mm，因此整個(gè)機(jī)器人手臂完全展開總長(zhǎng)度為1130mm，小于2600mm，整個(gè)多功能履帶式機(jī)器人總高度為630mm，總長(zhǎng)度為825mm，總寬度為550mm，均小于一層樓梯的內(nèi)空長(zhǎng)寬高，均符合人機(jī)工程學(xué)的要求作業(yè)要求尺寸。樓梯的具體尺寸見下圖2.7。
圖2.7 樓梯的具體尺寸參數(shù)
第三章 總結(jié)與展望
自選題后，我就開始積極地查閱相關(guān)資料，為本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。本次設(shè)計(jì)經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)計(jì)算，選擇了最優(yōu)的外形尺寸結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出設(shè)計(jì)的最初宗旨，即便攜、穩(wěn)定。
上述工作完成之后，通過計(jì)算機(jī)AutoCAD和Solidwork軟件的學(xué)習(xí)運(yùn)用，對(duì)多功能履帶式機(jī)器人的總體裝配圖、零件實(shí)體圖、零件的二維圖等進(jìn)行了繪制，在繪制的過程中對(duì)履帶機(jī)器人的裝配又有了進(jìn)一步的理解，補(bǔ)充并修改了計(jì)算部分中的遺漏與錯(cuò)誤之處。
在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流，并向老師請(qǐng)教，使自己學(xué)到了很多未曾接觸的知識(shí)，并對(duì)學(xué)過的知識(shí)加以鞏固。本次設(shè)計(jì)，能夠參考的相關(guān)實(shí)例少之甚少，整個(gè)設(shè)計(jì)過程就是創(chuàng)造過程。論文開始階段，毫無頭緒，看著別人忙著寫論文，內(nèi)心百般焦急，卻不知從何開始，于是我嘗試結(jié)合所學(xué)知識(shí)與相關(guān)書籍，艱難的前進(jìn)，最終順利完成此項(xiàng)設(shè)計(jì)。這其中經(jīng)歷了不少辛勞，但天道酬勤，我迎來的還是豐收的季節(jié)！深知此次的設(shè)計(jì)成果并非是最好的，但是設(shè)計(jì)過程中我掌握到的知識(shí)是我這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中的最大收獲，而這些收獲將會(huì)對(duì)我無論是現(xiàn)在還是以后參加工作都會(huì)有很大的幫助。
由于我的知識(shí)范圍有限，本次設(shè)計(jì)肯定還有很多不足之處，望老師能夠批評(píng)指正，多給一些意見和建議。
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