礦井救援機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)含4張CAD圖
礦井救援機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)含4張CAD圖,礦井,救援,救濟(jì),營救,機(jī)器人,行走,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì),cad
摘 要
本次設(shè)計(jì)的是一款履帶式搜救機(jī)器人基礎(chǔ)級(jí)載體，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括設(shè)計(jì)行走底盤和四自由度手臂以及對(duì)機(jī)器人的局部受力情況作了具體的分析。設(shè)計(jì)整體機(jī)器人結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)過程中，不斷的觀察分析其他機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，吸取前人經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行方案比較選定。
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)工作，由于機(jī)器人整體的設(shè)計(jì)難度較大，材料和機(jī)構(gòu)精度要求較高，本設(shè)計(jì)產(chǎn)品還不能作為成熟產(chǎn)品進(jìn)行加制造，只能形成設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵字：機(jī)器人；履帶底盤；機(jī)械臂；控制電路
Abstract
What this design was a section of marching fire robot foundation level carrier, the design content walks the chassis including the design and the four degrees-of-freedom arms as well as has made the concrete analysis to robot's partial stress situation. Trial manufacturing overall robot structure. In the design trial manufacturing process, the unceasing observation analyzes other robot's structure, absorbs the predecessor to experience, carries on the plan quite to designate. And goes down to the factory to process one to carry on the study, brings to completion the processing technique of manufacture, avoids stepping onto only pauses the written design to be separated from the actual manufacture the tortuous path.
This graduation project's key point lies in robot's trial manufacturing research work, because the robot whole's design difficulty is big, the material and the organization accuracy requirement is high, this trial manufacturing product has not been able to take the mature product to carry on adds the manufacture, can only do for the guidance prototype supplies the reference.
Key words: Robot; Caterpillar band chassis; Mechanical arm; Control circuit
目 錄
摘 要 1
Abstract 2
第一章 緒 論 5
1.1 項(xiàng)目概述 5
1.2 目的及意義 5
1.3 國內(nèi)外發(fā)展概況 6
1.4 主要研究內(nèi)容 10
第二章 方案比較與方案選擇 11
2.1 行走機(jī)構(gòu)方案比較 11
2.2 手臂機(jī)構(gòu)方案比較 12
2.2.1 蠕動(dòng)式機(jī)械臂 12
2.2.2 沿X、Y、Z坐標(biāo)軸直線移動(dòng)機(jī)械臂 12
2.2.3 仿人類手臂式機(jī)械臂 13
2.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì) 13
2.3.1 機(jī)械手主要組成： 13
2.3.2 手部總體確定： 14
2.3.3 手指式手部的類型 14
2.3.4 手部要求： 14
2.3.5 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題 14
2.3.6 手指夾緊力的計(jì)算 15
2.4 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 15
2.5 手臂的設(shè)計(jì) 16
2.5.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問題 16
2.5.2 動(dòng)力的計(jì)算 16
第三章 整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
3.1 爬樓梯的力學(xué)原理 18
3.2 回轉(zhuǎn)盤機(jī) 18
3.2.1構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)電動(dòng)機(jī)選擇 18
3.3 履帶驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)電動(dòng)機(jī)選擇 19
3.4部分校核 主要參數(shù)計(jì)算方法及強(qiáng)度校核 20
3.4.1輪齒傳動(dòng) 20
3.4.2蝸桿傳動(dòng) 23
3.4.3螺紋連接 31
3.5本章小結(jié) 37
第四章 控制電路及控制器設(shè)計(jì) 40
4.1控制電路設(shè)計(jì) 40
4.2 開關(guān)元件選用 42
4.3 控制器設(shè)計(jì) 42
4.4 本章小結(jié) 42
第五章 設(shè)計(jì)總結(jié) 44
參考文獻(xiàn) 45
致 謝 47
第一章 緒 論
1.1 項(xiàng)目概述
本文介紹的是一種履帶式搜救機(jī)器人設(shè)計(jì), 結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、性能可靠、成本低廉。履帶式行走機(jī)構(gòu), 使機(jī)器人具有更出色的越障能力。兩條履帶均設(shè)置有正反轉(zhuǎn)，且可無級(jí)調(diào)速，使機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)彎更加靈活。整機(jī)共七個(gè)自由度，可實(shí)現(xiàn)物體的夾持、搬運(yùn)、碼放。在消防領(lǐng)域，此機(jī)器人可在加裝聲像傳輸設(shè)備等輔助設(shè)備的情況下，完成火場偵察、勘測、救援、滅火等任務(wù)。論文在這方面具有一定意義。
1.2 目的及意義
本題目研制開發(fā)一種制造簡單，使用方便的搜救機(jī)器人。
中國是一個(gè)自然災(zāi)害和社會(huì)事故多發(fā)的國家,煤礦事故、泥石流、臺(tái)風(fēng)時(shí)有發(fā)生。這些災(zāi)難發(fā)生后現(xiàn)場環(huán)境具有復(fù)雜性、未知性及潛在的二次傷害(比如煤礦的二次爆炸、建筑物的二次坍塌等)等特點(diǎn),給救援隊(duì)員的生命安全帶來了很大隱患。因此有必要研制一種能在第一時(shí)間代替搜救隊(duì)員深入到這種危險(xiǎn)災(zāi)難環(huán)境并探測現(xiàn)場有用信息的移動(dòng)機(jī)器人,為下一步營救行動(dòng)的計(jì)劃、決策提供可靠依據(jù)。
搜救機(jī)器人往往需要在高溫、強(qiáng)熱輻射、濃煙、地形復(fù)雜、障礙物多、化學(xué)腐蝕、易燃易爆等惡劣環(huán)境中進(jìn)行火場偵察，化學(xué)危險(xiǎn)品探測、滅火、冷卻、洗消、破拆、救人、啟閉閥門、搬移物品、堵漏等作業(yè)，因此，作為某種特定功能的消防機(jī)器人應(yīng)該具備以下某項(xiàng)或幾項(xiàng)行走和自衛(wèi)功能：
a. 登爬坡、登梯及障礙物跨越功能；
b. 耐高溫和抗熱輻射功能；
c. 防雨淋功能；
d. 防爆(隔爆)功能；
e. 防化學(xué)腐蝕功能；
f. 防電磁干擾功能；
g. 遙控功能等。
1.3 國內(nèi)外發(fā)展概況
美國是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，比起號(hào)稱"機(jī)器人王國"的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。綜觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。
由于美國政府從60年代到70年代中的十幾年期間，并沒有把工業(yè)機(jī)器人列入重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目，只是在幾所大學(xué)和少數(shù)公司開展了一些研究工作。對(duì)于企業(yè)來說，在只看到眼前利益，政府又無財(cái)政支持的情況下，寧愿錯(cuò)過良機(jī)，固守在使用剛性自動(dòng)化裝置上，也不愿冒著風(fēng)險(xiǎn)，去應(yīng)用或制造機(jī)器人。加上，當(dāng)時(shí)美國失業(yè)率高達(dá)6．65％，政府擔(dān)心發(fā)展機(jī)器人會(huì)造成更多人失業(yè)，因此不予投資，也不組織研制機(jī)器人，這不能不說是美國政府的戰(zhàn)略決策錯(cuò)誤。70年代后期，美國政府和企業(yè)界雖有所重視，但在技術(shù)路線上仍把重點(diǎn)放在研究機(jī)器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的高級(jí)機(jī)器人的開發(fā)上，致使日本的工業(yè)機(jī)器人后來居上，并在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用上及機(jī)器人制造業(yè)上很快超過了美國，產(chǎn)品在國際市場上形成了較強(qiáng)的競爭力。
進(jìn)入80年代之后，美國才感到形勢緊迫，政府和企業(yè)界才對(duì)機(jī)器人真正重視起來，政策上也有所體現(xiàn)，一方面鼓勵(lì)工業(yè)界發(fā)展和應(yīng)用機(jī)器人，另一方面制訂計(jì)劃、提高投資，增加機(jī)器人的研究經(jīng)費(fèi)，把機(jī)器人看成美國再次工業(yè)化的特征，使美國的機(jī)器人迅速發(fā)展。
80年代中后期，隨著各大廠家應(yīng)用機(jī)器人的技術(shù)日臻成熟，第一代機(jī)器人的技術(shù)性能越來越滿足不了實(shí)際需要，美國開始生產(chǎn)帶有視覺、力覺的第二代機(jī)器人，并很快占領(lǐng)了美國60％的機(jī)器人市場。
盡管美國在機(jī)器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應(yīng)用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機(jī)器人技術(shù)在國際上仍一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)。具體表現(xiàn)在：
性能可靠，功能全面，精確度高；
機(jī)器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應(yīng)用廣，水平高居世界之首；
智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用；
高智能、高難度的軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面 。
英國早在1966年，美國Unimation公司的尤尼曼特機(jī)器人和AMF公司的沃莎特蘭機(jī)器人就已經(jīng)率先進(jìn)入英國市場。1967年英國的兩家大機(jī)械公司還特地為美國這兩家機(jī)器人公司在英國推銷機(jī)器人。接著，英國 Hall Automation公司研制出自己的機(jī)器人RAMP。70年代初期，由于英國政府科學(xué)研究委員會(huì)頒布了否定人工智能和機(jī)器人的Lighthall報(bào)告，對(duì)工業(yè)機(jī)器人實(shí)行了限制發(fā)展的嚴(yán)厲措施，因而機(jī)器人工業(yè)一蹶不振，在西歐差不多居于末位。
但是，國際上機(jī)器人蓬勃發(fā)展的形勢很快使英政府意識(shí)到：機(jī)器人技術(shù)的落后，導(dǎo)致其商品在國際市場上的競爭力大為下降。于是，從70年代末開始，英國政府轉(zhuǎn)而采取支持態(tài)度，推行并實(shí)施了一系列支持機(jī)器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機(jī)器人的重要性、在財(cái)政上給購買機(jī)器人企業(yè)以補(bǔ)貼、積極促進(jìn)機(jī)器人研究單位與企業(yè)聯(lián)合等，使英國機(jī)器人開始了在生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用及大力研制的興盛時(shí)期
日本在60年代末正處于經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展時(shí)期，年增長率達(dá)11％。第二次世界大戰(zhàn)后，日本的勞動(dòng)力本來就緊張，而高速度的經(jīng)濟(jì)發(fā)展更加劇了勞動(dòng)力嚴(yán)重不足的困難。為此，日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國Unimation公司引進(jìn)機(jī)器人及其技術(shù)，建立起生產(chǎn)車間，并于1968年試制出第一臺(tái)川崎的“尤尼曼特”機(jī)器人。
正是由于日本當(dāng)時(shí)勞動(dòng)力顯著不足，機(jī)器人在企業(yè)里受到了“救世主”般的歡迎。日本政府一方面在經(jīng)濟(jì)上采取了積極的扶植政策，鼓勵(lì)發(fā)展和推廣應(yīng)用機(jī)器人，從而更進(jìn)一步激發(fā)了企業(yè)家從事機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的積極性。尤其是政府對(duì)中、小企業(yè)的一系列經(jīng)濟(jì)優(yōu)惠政策，如由政府銀行提供優(yōu)惠的低息資金，鼓勵(lì)集資成立“機(jī)器人長期租賃公司”，公司出資購入機(jī)器人后長期租給用戶，使用者每月只需付較低廉的租金，大大減輕了企業(yè)購入機(jī)器人所需的資金負(fù)擔(dān)；政府把由計(jì)算機(jī)控制的示教再現(xiàn)型機(jī)器人作為特別折扣優(yōu)待產(chǎn)品，企業(yè)除享受新設(shè)備通常的40%折扣優(yōu)待外，還可再享受 13％的價(jià)格補(bǔ)貼。另一方面，國家出資對(duì)小企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用機(jī)器人的專門知識(shí)和技術(shù)指導(dǎo)等等。
這一系列扶植政策，使日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來，經(jīng)過短短的十幾年，到80年代中期，已一躍而為“機(jī)器人王國”，其機(jī)器人的產(chǎn)量和安裝的臺(tái)數(shù)在國際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人工業(yè)會(huì)常務(wù)理事米本完二的說法：“日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用期，到80年代進(jìn)人普及提高期。”并正式把1980年定為“產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的普及元年”，開始在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。
日本政府和企業(yè)充分信任機(jī)器人，大膽使用機(jī)器人。機(jī)器人也沒有辜負(fù)人們的期望，它在解決勞動(dòng)力不足、提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本方面，發(fā)揮著越來越顯著的作用，成為日本保持經(jīng)濟(jì)增長速度和產(chǎn)品競爭能力的一支不可缺少的隊(duì)伍。
日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機(jī)器人生產(chǎn)，使日本汽車及電子產(chǎn)品產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大為降低。從而使日本生產(chǎn)的汽車能夠以價(jià)廉的絕對(duì)優(yōu)勢進(jìn)軍號(hào)稱“汽車王國”的美國市場，并且向機(jī)器人誕生國出口日本產(chǎn)的實(shí)用型機(jī)器人。此時(shí)，日本價(jià)廉物美的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國市場……這使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用機(jī)器人，增大了國力，獲得了巨大的好處。
法國不僅在機(jī)器人擁有量上居于世界前列，而且在機(jī)器人應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍上處于世界先進(jìn)水平。這主要?dú)w功于法國政府一開始就比較重視機(jī)器人技術(shù)，特別是把重點(diǎn)放在開展機(jī)器人的應(yīng)用研究上。
法國機(jī)器人的發(fā)展比較順利，主要原因是通過政府大力支持的研究計(jì)劃，建立起一個(gè)完整的科學(xué)技術(shù)體系。即由政府組織一些機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面的研究項(xiàng)目，而由工業(yè)界支持開展應(yīng)用和開發(fā)方面的工作，兩者相輔相成，使機(jī)器人在法國企業(yè)界很快發(fā)展和普及。
德國德國工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。這里所說的德國，主要指的是原聯(lián)邦德國。它比英國和瑞典引進(jìn)機(jī)器人大約晚了五六年。其所以如此，是因?yàn)榈聡臋C(jī)器人工業(yè)一起步，就遇到了國內(nèi)經(jīng)濟(jì)不景氣。但是德國的社會(huì)環(huán)境卻是有利于機(jī)器人工業(yè)發(fā)展的。因?yàn)閼?zhàn)爭，導(dǎo)致勞動(dòng)力短缺，以及國民技術(shù)水平高，都是實(shí)現(xiàn)使用機(jī)器人的有利條件。到了70年代中后期，政府采用行政手段為機(jī)器人的推廣開辟道路；在"改善勞動(dòng)條件計(jì)劃"中規(guī)定，對(duì)于一些有危險(xiǎn)、有毒、有害的工作崗位，必須以機(jī)器人來代替普通人的勞動(dòng)。這個(gè)計(jì)劃為機(jī)器人的應(yīng)用開拓了廣泛的市場，并推動(dòng)了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。日爾曼民族是一個(gè)重實(shí)際的民族，他們始終堅(jiān)持技術(shù)應(yīng)用和社會(huì)需求相結(jié)合的原則。除了像大多數(shù)國家一樣，將機(jī)器人主要應(yīng)用在汽車工業(yè)之外，突出的一點(diǎn)是德國在紡織工業(yè)中用現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)改造原有企業(yè)，報(bào)廢了舊機(jī)器，購買了現(xiàn)代化自動(dòng)設(shè)備、電子計(jì)算機(jī)和機(jī)器人，使紡織工業(yè)成本下降、質(zhì)量提高，產(chǎn)品的花色品種更加適銷對(duì)路。到1984年終于使這一被喻為"快完蛋的行業(yè)"重新振興起來。與此同時(shí)，德國看到了機(jī)器人等先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了1985年以后要向高級(jí)的、帶感覺的智能型機(jī)器人轉(zhuǎn)移的目標(biāo)。經(jīng)過近十年的努力，其智能機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公認(rèn)的領(lǐng)先地位。
有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動(dòng)力，而我國勞動(dòng)力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會(huì)主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。
我國已在“七五”計(jì)劃中把機(jī)器人列人國家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個(gè)機(jī)器人研究示范工程，全面展開了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。目前，示教再現(xiàn)型機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運(yùn)行。1986年3月開始的國家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容。就目前來看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國國情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。
1.4 主要研究內(nèi)容
本題目主要研究的內(nèi)容是設(shè)計(jì)行走底盤和四自由度手臂，本題目研制開發(fā)一種消防機(jī)器人基礎(chǔ)級(jí)載體。對(duì)機(jī)器人的局部受力情況作了具體的分析。
第二章 方案比較與方案選擇
2.1 行走機(jī)構(gòu)方案比較
機(jī)器人在地面上移動(dòng)的方式通常有三種：車輪式、履帶式和步行式。
步行移動(dòng)方式是模仿人類或動(dòng)物的行走機(jī)理，用腿腳走路，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好。根據(jù)調(diào)查,在地球上近一半的地面不適合于傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛行走， 但是一般多足動(dòng)物卻能在這些地方行動(dòng)自如,顯然足式與輪式及履帶式行走方式相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢. 足式行走對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力,足式運(yùn)動(dòng)方式的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn),可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)。但是步行移動(dòng)方式的智能程度也相對(duì)較高。正因如此，步行移動(dòng)方式在機(jī)構(gòu)和控制上是最復(fù)雜的，技術(shù)上也還不成熟，不適于在要求靈活和可靠性高的工作環(huán)境中。
車輪式移動(dòng)是最常見的一種地面行進(jìn)方式。車輪式移動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是：能高速穩(wěn)定的移動(dòng)，能量利用效率高，機(jī)構(gòu)和控制簡單，而且技術(shù)比較成熟。驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)可分以下幾種形式：
1. 驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)向輪一體徑向轉(zhuǎn)向，如同前驅(qū)動(dòng)式轎車
2. 驅(qū)動(dòng)輪、轉(zhuǎn)向輪分置，如同后驅(qū)動(dòng)式卡車
3. 兩側(cè)驅(qū)動(dòng)輪異速轉(zhuǎn)彎，如同輪椅
前兩種驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)彎形式不單要設(shè)計(jì)有合理的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，還要有較好的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，增加了自由度的同時(shí)又要考慮為這個(gè)自由度提供動(dòng)力單元，以及轉(zhuǎn)向差速系統(tǒng)，使得整機(jī)復(fù)雜程度大大提升，機(jī)構(gòu)繁瑣，穩(wěn)定性降低。第三種形式僅用一套差速系統(tǒng)和一組跟蹤輪就可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，可是跟蹤輪通常采用萬向輪，無規(guī)則定向，在路面情況復(fù)雜下行駛極其不穩(wěn)定，且在停止和啟動(dòng)時(shí)遵循前一運(yùn)動(dòng)狀態(tài)軌跡，缺乏應(yīng)急靈活性。而其車輪式移動(dòng)共有的缺點(diǎn)就是對(duì)路面要求較高，適于平整硬質(zhì)路面。越障性能嚴(yán)重缺失。
履帶式實(shí)際是一種自己為自己鋪路的輪式車輛。它是將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸。履帶式的的優(yōu)點(diǎn)是著地面積比車輪式大，所以著地壓強(qiáng)?。涣硗馀c路面黏著力強(qiáng)，能吸收較小的凸凹不平，適于松軟不平的地面。因此，履帶式廣泛用在各類建筑機(jī)械及軍用車輛上。并且履帶式結(jié)構(gòu)是通過兩條履帶差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。不但可以實(shí)現(xiàn)超小半徑轉(zhuǎn)彎，還可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。靈活性極佳。
2.2 手臂機(jī)構(gòu)方案比較
對(duì)于整體行走機(jī)器人載具而言，行走機(jī)構(gòu)只是用來完成大空間內(nèi)整體移動(dòng)和工作頭部分在平面內(nèi)大幅度間接調(diào)整。其運(yùn)動(dòng)軌跡和幅度難以充分滿足三維空間運(yùn)動(dòng)和精度要求。為了能使工作頭部分能夠在三維空間觸及工作點(diǎn)工作面并且能夠精確完成工作任務(wù)引入了連接在行走機(jī)構(gòu)與工作頭之間的，較行走機(jī)構(gòu)傳動(dòng)更精準(zhǔn)、運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)。機(jī)械臂按其運(yùn)動(dòng)機(jī)理可分為以下三種：
2.2.1 蠕動(dòng)式機(jī)械臂
這種機(jī)械臂源自仿生學(xué)中對(duì)蟲子蠕動(dòng)的模仿。通過沿徑向布置的很多個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)工作頭空間內(nèi)多組相鄰圓心圓截面上各點(diǎn)工作。這種機(jī)械臂絕對(duì)是各種機(jī)械臂中自由度最高的一類。但因其要求每個(gè)旋，扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)都要求有獨(dú)立動(dòng)力，且聯(lián)動(dòng)的位移是由多個(gè)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)非等值分擔(dān)，這就對(duì)動(dòng)力部分、傳動(dòng)精度、控制精度提出了極高要求。不但設(shè)計(jì)制造極其困難，通過使用機(jī)械控制簡單電路控制是極難完成的控制的。
所以只出現(xiàn)在高端機(jī)器人領(lǐng)域具處于設(shè)計(jì)試制階段。對(duì)于基礎(chǔ)層次機(jī)械設(shè)計(jì)制造這相當(dāng)于不可完成的任務(wù)。
2.2.2 沿X、Y、Z坐標(biāo)軸直線移動(dòng)機(jī)械臂
在三維立體空間內(nèi)分別沿X、Y、Z軸做直線運(yùn)動(dòng)就可以到達(dá)一個(gè)立方體內(nèi)的各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行工作，這是一種撒網(wǎng)式的搜羅。在三軸分動(dòng)時(shí)工作頭位移軌跡是沿空間內(nèi)沿X、Y、Z方向線段的連接，當(dāng)三軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，工作頭運(yùn)動(dòng)軌跡便是空間內(nèi)的一條曲線。完成工作動(dòng)作直接快捷，且只有三個(gè)軸線位移，整機(jī)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠，精度頗高。所以多用于機(jī)床加工中心等機(jī)械上，但其機(jī)體必須含有沿X、Y、Z軸方向，長度至少等于三軸位移長度一半的三個(gè)相連的空間垂直架體。
這種就有相對(duì)較大的非工作狀態(tài)機(jī)構(gòu)所占空間和整體體積，但對(duì)于行走式機(jī)器人載具而言，對(duì)體積和自重的限制是極其嚴(yán)格的，要求盡量減小自身負(fù)載體積，以適應(yīng)工作環(huán)境。
2.2.3 仿人類手臂式機(jī)械臂
這種結(jié)構(gòu)的手臂有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、大臂搖動(dòng)機(jī)構(gòu)、小臂搖動(dòng)機(jī)構(gòu)和手腕機(jī)構(gòu)四部分組成在同一平面內(nèi)三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度被安裝在一個(gè)垂直此平面的旋轉(zhuǎn)盤上，手腕、小臂、大筆的須按轉(zhuǎn)是工作頭觸點(diǎn)在三個(gè)自由度連線平面內(nèi)。形成了一個(gè)平面工作區(qū)域，通過旋轉(zhuǎn)盤的帶動(dòng)，是這個(gè)平面工作區(qū)域繞Z軸須按轉(zhuǎn)，形成了一個(gè)立體工作空間。這種手臂機(jī)構(gòu)在工作中狀態(tài)下可以收縮減小空間，傳動(dòng)距離較短，結(jié)構(gòu)可靠性能好，能夠出色的完成工作空間內(nèi)一點(diǎn)到另一點(diǎn)的最有運(yùn)動(dòng)軌跡位移。
2.3 機(jī)械手的設(shè)計(jì)
機(jī)械手的手部是用來抓持工件（或工具）的部件。手部抓持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到機(jī)械手的工作性能，它是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。
2.3.1 機(jī)械手主要組成：
機(jī)械手主要是由執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)三大部分組成。
執(zhí)行部分
執(zhí)行系統(tǒng)是機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)部分。它包括手、手腕、手臂和機(jī)座等部件。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的動(dòng)力裝置。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，電力驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等方式。
控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是支配執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定程序動(dòng)作得到電氣控制裝置?？刂葡到y(tǒng)所控制的因素包括執(zhí)行系統(tǒng)各部的動(dòng)作、動(dòng)作順序、位置、時(shí)間和速度等。
2.3.2 手部總體確定：
手部是承擔(dān)抓取功能的機(jī)構(gòu)，由手指傳力機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置等組成，是機(jī)械手的重要組成部分之一。根據(jù)被抓起部件的材料，形狀，尺寸以及一些特性的不同，此機(jī)械手部分為手指式。
2.3.3 手指式手部的類型
手指式手部是以手指的張開和閉合來實(shí)現(xiàn)抓持工件。它對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，故應(yīng)用最廣。一般手指式手部具有兩指，三指或者多指，后者應(yīng)用較少。而次此設(shè)計(jì)手指為兩指式手指。
手指式手部按手指的運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型又分為單支點(diǎn)和雙支點(diǎn)兩種?；剞D(zhuǎn)型手部多用于抓持圓柱形工件，平移型用于抓持方形工件。
2.3.4 手部要求：
1) 手指應(yīng)具有足夠的加緊力。在考慮手指的加緊力時(shí)，除考慮工件的重量外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力和震動(dòng)等影響，以保證夾持牢靠。
2) 各構(gòu)件要有足夠的剛度的強(qiáng)度。
3) 構(gòu)件要簡單，修理方便。
4) 應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)緊湊。使之重量輕，動(dòng)作靈活。
2.3.5 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題
１）手指應(yīng)有足夠的夾緊力。為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮被抓持工件的重力外。還應(yīng)考慮工件在傳送過程中所產(chǎn)生的動(dòng)載荷。
２）手指應(yīng)有一定的開閉范圍，其大小不僅與工件尺寸有關(guān)，而且須注意手部接近工件的運(yùn)動(dòng)路線及方位的影響。
３）應(yīng)保證工件在手指內(nèi)準(zhǔn)確定位。
４）結(jié)構(gòu)盡量緊湊、重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
５）根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。
2.3.6 手指夾緊力的計(jì)算
手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算：
Ｎ≥Ｋ1×Ｋ2×Ｋ3×Ｇ kgf （2.1）
式中
Ｋ1—— 安全系數(shù)（通常取1.5－2）
Ｋ2—— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，
可按
Ｋ2＝１＋a/g估算．
a為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程的加速度 m/s
g為重力加速度m/s
Ｋ3——方位系數(shù)
Ｇ——被抓持工件的重量 kg 、
2.4 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
手指夾持工件所需要驅(qū)動(dòng)力的大小，在同一夾緊力的條件下，隨所采用的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的不同而異。但其計(jì)算方法都是按照具體的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行力的分析，根據(jù)力系平衡原理來進(jìn)行的。
P1=N×a/b×sinΨ/sin(Ψ+a)
根據(jù)受力的平衡條件可得驅(qū)動(dòng)力為:
P=2×P1×sina=2Na/b×sinΨ×sina/sin(Ψ+a) （2.2)
2.5 手臂的設(shè)計(jì)
手臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件,其作用是支承手部。手部在空間的活動(dòng)范圍主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)形式。
2.5.1 設(shè)計(jì)時(shí)注意的問題
手臂部的運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)形式對(duì)機(jī)械手的工作性能有著較大的影響。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：
（1）剛度要好 要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸。實(shí)踐證明，空心桿比實(shí)心桿剛度大得多。常用鋼管作臂部和導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板，以保證有足夠的剛度。
（2）偏重力矩要小 偏重力矩是指臂部的總重量對(duì)其支承或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。它對(duì)臂部的升降運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，均將產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使臂部各部分的質(zhì)量分布合理，以減少其偏重力矩。
（3）重量要輕慣量要小 由于機(jī)械手在高速情況下經(jīng)常起停和換向，為了減少在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)所產(chǎn)生的沖擊，必須采取有效的緩沖裝置外，力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以減少慣性力。
（4）導(dǎo)向性要好 為了防止臂部在直線移動(dòng)中沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手部的正確方向和準(zhǔn)確定位，必須有導(dǎo)向裝置。其結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)臂部的安裝形式、抓取重量和運(yùn)動(dòng)行程等因素來確定。
2.5.2 動(dòng)力的計(jì)算
1)手臂水平伸縮時(shí):
P驅(qū)=P摩+P慣(公斤力)
式中 P驅(qū)—驅(qū)動(dòng)力
P摩—摩擦力(包括手臂伸縮導(dǎo)軌間、導(dǎo)向桿間和密封裝置處的摩擦阻力,公斤力)
P慣—手臂在啟動(dòng)過程中的慣性力,其大小可按下式近似計(jì)算:
P慣=G伸×V/g ×t(公斤力)
式中 G伸—隨同手臂伸縮部件總重量(公斤力)
G—重力加速度(m/s)
V—手臂的工作速度(m/s)
T—起動(dòng)過程所用時(shí)間(秒)
2)手臂升降時(shí):
P驅(qū)=P摩+P慣+G升(公斤力)
式中 G升—隨同手臂升降部件總重量(公斤力)
3)手臂水平左右擺動(dòng)時(shí):
M驅(qū)= M摩+M慣(公斤力×米)
式中 M驅(qū)—驅(qū)動(dòng)力矩(公斤力×米)
M摩—摩擦力矩(包括轉(zhuǎn)軸支撐處和密封裝置處的摩擦阻力矩, 公斤力×米)
M慣—手臂在起動(dòng)過程中的慣性力矩.可按下式計(jì)算:
M慣=J×w/t(公斤力×米)
式中 J—隨同手臂擺動(dòng)部件對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
W—手臂擺動(dòng)的角速度（1/秒）
第三章 整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 爬樓梯的力學(xué)原理
基于遙控電動(dòng)小車爬越一定高臺(tái)的原理,對(duì)具有擺臂結(jié)構(gòu)的移動(dòng)車體爬越樓梯進(jìn)行了相關(guān)的力學(xué)分析.
整個(gè)爬越過程可以分成兩個(gè)階段:第一階段,先將兩側(cè)擺臂搭在臺(tái)階上,然后同時(shí)驅(qū)動(dòng)三臺(tái)電機(jī),使車體在行走機(jī)構(gòu)和擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的共同作用下,順利地爬到第二個(gè)臺(tái)階,此時(shí)車體實(shí)現(xiàn)了地面、第一、二臺(tái)階處的三點(diǎn)接觸;第二個(gè)階段,小車只需在行走機(jī)構(gòu)的作用下如同上坡地一樣緩緩地向上爬.由此可以看出,只要保證行走機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上至少能夠同時(shí)與兩個(gè)臺(tái)階點(diǎn)接觸,就能實(shí)現(xiàn)第二階段運(yùn)行的平穩(wěn)性和可靠性,故在此不再贅述,僅對(duì)第一階段進(jìn)行分析.假設(shè)臺(tái)階是光滑的(這樣便于分析討論),擺臂的重心處于擺臂中心軸線上距大輪點(diǎn)1/3處,整個(gè)車體的重心位于車體幾何中心處.由于擺臂末端的小帶輪呈圓弧形而且它與臺(tái)階之間為線接觸,為避免發(fā)生打滑,應(yīng)至少保證小帶輪的幾何中心處于接觸點(diǎn)的正上方。在爬越高度為H0的臺(tái)階時(shí),即前輪剛離開地面的瞬間,整車和擺臂的受力情況。
3.2 回轉(zhuǎn)盤機(jī)
3.2.1構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)電動(dòng)機(jī)選擇
由于整個(gè)臂部機(jī)構(gòu)和預(yù)設(shè)負(fù)載重量（約9 kg）較大，且重心極限位置旋轉(zhuǎn)半徑（約400mm）較大，所以在轉(zhuǎn)盤設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮機(jī)構(gòu)較大的旋轉(zhuǎn)慣性力。所以選帶傳動(dòng)方式。
帶傳動(dòng)傳動(dòng)平穩(wěn)能緩沖吸振，且可大傳動(dòng)臂設(shè)計(jì)，將從動(dòng)帶輪設(shè)計(jì)較大半徑，以減小傳動(dòng)帶拉力，正符合此機(jī)構(gòu)要求。即
從動(dòng)大帶輪直徑d1為50mm設(shè)計(jì),轉(zhuǎn)速n1應(yīng)盡量小，設(shè)在0.1轉(zhuǎn)/秒
主動(dòng)帶輪選用成套機(jī)構(gòu)，帶輪直徑d0為10mm
則主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)速n0 為
n0 / n1 = d1 / d0
圖３.１ 傳動(dòng)方案簡圖
n0 = n1 * （d1 / d0 ）
= 0.1 * （50 / 10）
= 0.5轉(zhuǎn)/秒
物品清單中，符合此要求的電動(dòng)機(jī)只有一種。
即12ZYJ-60J系列永磁直流減速電機(jī)
轉(zhuǎn)速30轉(zhuǎn)/分鐘
功率10W
驗(yàn)算證明滿足機(jī)構(gòu)力學(xué)要求。
3.3 履帶驅(qū)動(dòng)輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)電動(dòng)機(jī)選擇
驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)減速電機(jī)輸出軸直接安裝鏈輪。鏈輪上加掛自制履帶。設(shè)計(jì)履帶摩擦面到鏈輪回轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)半徑為25mm
設(shè)計(jì)直線行走最大速度為150mm/s
則驅(qū)動(dòng)電功轉(zhuǎn)速為6轉(zhuǎn)/秒
預(yù)設(shè)整機(jī)與負(fù)載總重30 kg最大爬坡角為45°，則履帶最大拉力F為
F = F重 / sinθ
=
= 404.328N
取高整值為430N,兩條履帶驅(qū)動(dòng)，單根受力為
F單 = F / 2
= 430 / 2
= 150N
直線行走最大速度V為150mm/s
單根履帶受力F為150N
則功率為
P = F * V
= = 22.5W
考慮技術(shù)要求及功率損失選用62KTYJ系列單相可逆永磁同步電機(jī)
轉(zhuǎn)速36轉(zhuǎn)/分鐘
功率30W
3.4部分校核 主要參數(shù)計(jì)算方法及強(qiáng)度校核
3.4.1輪齒傳動(dòng)
一. 輪齒的受力分析
1.直齒
將作用在輪齒上的法向力Fn分解為一對(duì)互相垂直的力，即徑向力Fr和圓周力Ft，大小分別為：
（3.1）
方向：Fr指向各自的軸線；Ft在主動(dòng)輪上與轉(zhuǎn)向相反，從動(dòng)軸上與轉(zhuǎn)向相同。
2.斜齒
將作用在輪齒上的法向力Fn分解為三個(gè)互相垂直的力，即徑向力Fr、圓周力Ft和軸向力Fa大小分別為：
（3.2）
方向：Fr指向各自的軸線；Ft在主動(dòng)輪上與轉(zhuǎn)向相反，從動(dòng)軸上與轉(zhuǎn)向相同。
Fa自齒的工作面指向齒體。
二.輪齒的計(jì)算載荷Ftc
Ftc=KFt
1. 齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
1.直齒
強(qiáng)度校核公式：
（3.3）
設(shè)計(jì)公式：
2.斜齒
強(qiáng)度校核公式：
（3.4）
設(shè)計(jì)公式：
（3.5）
※開式齒輪傳動(dòng)m應(yīng)加大10～15％，不需疲勞強(qiáng)度校核。
2. 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
1.直齒
強(qiáng)度校核公式：
（3.6）
設(shè)計(jì)公式：
（3.7）
2.斜齒
強(qiáng)度校核公式：
（3.8）
設(shè)計(jì)公式：
3. 齒輪的許用應(yīng)力
一.接觸疲勞許用應(yīng)力
（3.9）
二.彎曲疲勞許用應(yīng)力
（3.10）
3.4.2蝸桿傳動(dòng)
1. 蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)和幾何尺寸
1. 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的主要參數(shù)
圖3.1 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)
（1）模數(shù)m和壓力角a
蝸桿和蝸輪嚙合的中間平面上，蝸桿的軸面模數(shù)、壓力角應(yīng)與蝸輪的端面模數(shù)、壓力角相等，即
（2）蝸桿的分度圓直徑
蝸桿的分度圓直徑，為模數(shù)，q為蝸桿的直徑系數(shù)，已有標(biāo)準(zhǔn)值,且與模數(shù)相匹配。
（3）蝸桿頭數(shù)
蝸桿頭數(shù)通常取為1、2、4、6，也可根據(jù)要求的傳動(dòng)比和效率來選定。
（4）導(dǎo)程角
（3.11）
（5）傳動(dòng)比i和齒數(shù)比u
傳動(dòng)比，齒數(shù)比，（、為蝸桿和蝸輪的轉(zhuǎn)速，單位為r/min，為蝸輪的齒數(shù)）
當(dāng)蝸桿主動(dòng)時(shí)，有
（6）蝸輪齒數(shù)
蝸輪齒數(shù)主要根據(jù)傳動(dòng)比來確定，通常規(guī)定大于28，一般不大于80。
（7）蝸桿傳動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)中心距
（3.12）
變位蝸桿的中心距為
（3.13）
2. 蝸桿傳動(dòng)的幾何尺寸計(jì)算
普通圓柱蝸桿傳動(dòng)主要參數(shù)的基本公式
中心距
（標(biāo)準(zhǔn)傳動(dòng)中心距）
（變位后實(shí)際中心距）
蝸桿軸向齒距
蝸桿導(dǎo)程
蝸桿分度圓直徑
蝸桿導(dǎo)程角
=
蝸輪變位系數(shù)
（為變位后齒輪的實(shí)際齒數(shù)）
如圖3.2 所示
圖3.2 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的基本幾何尺寸
3. 普通圓柱蝸桿承載能力的計(jì)算
1. 蝸桿傳動(dòng)的失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
蝸桿傳動(dòng)的失效形式有點(diǎn)蝕、齒根折斷、齒面膠合及過度磨損等。由于蝸桿螺旋齒部分的強(qiáng)度總是高于蝸輪輪齒的強(qiáng)度，所以失效經(jīng)常發(fā)生在蝸輪輪齒上。因此，一般只對(duì)蝸輪輪齒進(jìn)行承載能力計(jì)算。
在開式傳動(dòng)中，以保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度作為開式傳動(dòng)的主要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。
在閉式傳動(dòng)中，通常是按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，而按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。另外，閉式蝸桿傳動(dòng)散熱較為困難，還應(yīng)作熱平衡核算。
蝸桿一般是用碳鋼或合金鋼制成。常用的蝸輪材料為鑄造錫青銅、鑄造鋁鐵青銅及灰鑄鐵等。
2. 蝸桿傳動(dòng)的受力分析
Fn是垂直指向節(jié)點(diǎn)P的正壓力，可分解為圓周力Ft、徑向力Fr和軸向力Fa，三力互相垂直。在蝸輪、蝸桿間，F(xiàn)a1與Fa2、Fr1與Fr2和Ft1與Ft2三對(duì)力大小相等、方向相反。
在進(jìn)行蝸桿傳動(dòng)的受力分析時(shí)，首先判別蝸桿的螺旋方向是右旋還是左旋，其次按左、右手法則確定作用于蝸桿上軸向力Ft1的方向，這樣就可以定出作用于蝸輪上的圓周力Ft2的方向和蝸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
圖3.3 蝸桿傳動(dòng)的受力分析
各力計(jì)算公式為
(3.14)
(3.15)
4. 蝸桿傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算
（1）蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
在蝸桿傳動(dòng)時(shí)，蝸桿傳動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算即為蝸輪齒的強(qiáng)度計(jì)算。因蝸輪的齒形比較復(fù)雜，精確計(jì)算比較困難，故常把蝸輪近似地看成斜齒圓柱齒輪計(jì)算，其齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式為
(3.16)
設(shè)計(jì)公式為
式中：——蝸輪的齒形系數(shù)；
——螺旋角影響系數(shù)；
K——載荷系數(shù)，。
（2）蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算
蝸輪齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算也和斜齒圓柱齒輪相似，其公式為
(3.17)
(3.18)
式中：——材料的彈性影響系數(shù)，；
——蝸桿傳動(dòng)的接觸線長度和曲率半徑對(duì)接觸強(qiáng)度的影響系數(shù)，簡稱接觸
系數(shù)。
5. 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的效率、潤滑和熱平衡計(jì)算
1. 蝸桿傳動(dòng)的效率
閉式蝸桿傳動(dòng)總效率為
式中、、分別為嚙合摩擦損耗、軸承摩擦損耗及濺油損耗時(shí)的效率?？傂手饕Q于。當(dāng)蝸桿主動(dòng)時(shí)，則
(3.19)
式中：——普通圓柱蝸桿分度圓柱上的導(dǎo)程角；
——當(dāng)量摩擦角，，其值可根據(jù)滑動(dòng)速度選取。
由圖3.4得（單位為m/s）
式中：——蝸桿分度圓的圓周速度，單位為m/s；
d1——蝸桿分度圓直徑，單位為mm；
n1——蝸桿的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。
一般取，則總效率P為
圖3.4 蝸桿傳動(dòng)的滑動(dòng)速度
2、蝸桿傳動(dòng)的潤滑
當(dāng)潤滑不當(dāng)時(shí)，會(huì)顯著降低蝸桿傳動(dòng)的效率，并會(huì)產(chǎn)生磨損和膠合破壞，所以常采用礦物油進(jìn)行良好的潤滑，為了提高抗膠合能力，還常在潤滑油中加入添加劑。
若采用噴油潤滑，噴油嘴要對(duì)準(zhǔn)蝸桿嚙入端，當(dāng)蝸桿正轉(zhuǎn)時(shí)，兩邊都要裝噴油嘴，并且還要控制油壓。
對(duì)于蝸桿下置式或蝸桿側(cè)置式的傳動(dòng)，浸油深度應(yīng)為蝸桿的一個(gè)齒高；當(dāng)為蝸桿上置式時(shí)，浸油深度約為蝸輪外徑的1/3。
3、蝸桿傳動(dòng)的熱平衡計(jì)算
蝸桿傳動(dòng)工作時(shí)發(fā)熱量大，如果不及時(shí)散去產(chǎn)生的熱量，會(huì)使?jié)櫥拖♂?，從而增大摩擦損失，甚至發(fā)生膠合。所以很有必要進(jìn)行熱平衡計(jì)算。
產(chǎn)生的熱流量（單位為1W=1J/S）為
式中P為蝸桿傳遞的功率，單位為kW。
從箱體外壁散發(fā)到周圍空氣中去的熱流量為，有熱平衡條件=可得工作條件
下的油溫
式中：——箱體的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；
S——表面面積，單位為mm；
——油的工作溫度，一般限制在；
——周圍空氣的溫度，常溫情況可取為20；
在80或有效的散熱面積不足時(shí)，則必須采取措施，以提高散熱能力。通常采?。?
a）加散熱片以增大散熱面積；
b）在蝸桿軸端加裝風(fēng)扇以加速空氣的流通；
c）在傳動(dòng)箱內(nèi)裝循環(huán)冷卻管路；
d）在箱體油地內(nèi)加裝蛇形散熱管，利用循環(huán)水進(jìn)行冷卻。
3.4.3螺紋連接
1. 螺紋參數(shù)
大徑d；小徑d1；中徑d2；螺距t；導(dǎo)程s；螺旋線數(shù)n；螺紋升角φ；牙型角α。
2. 分類
按旋向：左旋；右旋。
按母體：圓柱螺紋；圓錐螺紋。
按螺旋線的頭數(shù)：單頭；多頭。
按牙型：三角形；梯形；矩形；鋸齒形。
3. 螺旋副的受力分析、效率和自鎖
一.牙型角α=0時(shí)
1.受力分析
螺母和螺桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可用滑塊在斜面上運(yùn)動(dòng)分析，擰緊螺母時(shí)，即滑塊沿斜面勻速向上移動(dòng)。此時(shí)，作用在滑塊上的力有：
外載荷Q、由擰緊力矩T引起的水平力P、斜面對(duì)滑塊的法向反力N、滑塊運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力fN，現(xiàn)將法向反力N和摩擦阻力fN合成一總的反力R，則作用在滑塊上的Q、P、R平衡，由力的封閉三角形知，
P=Qtg（φ+ρ）
(3.20)
2.傳動(dòng)效率η
3.自鎖
當(dāng)外力矩撤掉以后，作用在滑塊上的力Q沿斜面和與斜面垂直的面的兩個(gè)分力F1=Qsinφ，F(xiàn)2=Qcosφ，若滑塊不下滑，則必須滿足F1≤F2f，即
Qsinφ≤ fQcosφ
tgφ≤f=tgρ
∴φ≤ρ
二.牙型角α≠0時(shí)
牙型角α=0時(shí)，滑塊法向反力N=Q；
牙型角α≠0時(shí)，滑塊法向反力；
∴牙型角α=0時(shí)摩擦力F=Qf；
牙型角α≠0時(shí)摩擦力 f=Qfv
∴牙型角α≠0螺旋副的受力可以看作是摩擦系數(shù)為當(dāng)量摩擦系數(shù)fv的矩形螺紋，從而使問題簡化。因此，牙型角α≠0時(shí)螺旋副的力、效率及自鎖條件為：
P=Qtg（φ+ρv）
η=
φ≤ρv
2. 螺栓連接的基本類型及螺紋連接件
一.螺紋連接的基本類型
1.螺栓連接：普通螺栓連接和鉸制孔螺栓連接。
2.雙頭螺柱連接
3.螺釘連接
4.緊定螺釘連接
二.螺紋連接件
1.螺栓
2.雙頭螺柱
3.緊定螺釘
4.螺母
5.墊圈
3. 螺紋連接的擰緊和防松
一.螺紋連接的擰緊
螺紋連接擰緊的力矩
式中：
T1——螺紋力矩
T2——螺母和被連接件支承表面的摩擦力矩
Kt——擰緊力矩系數(shù)，在（0.1～0.3）之間
F′——預(yù)緊力
二.螺紋連接的防松
4. 螺紋連接的受力分析
螺栓連接的特點(diǎn):成組使用,而且組中螺栓通常是同材料、同直徑、同長度.
受力分析的目的:找出螺栓連接中受力最大的螺栓。
一.受軸向力Q作用的螺栓組連接
若螺栓組中螺栓的個(gè)數(shù)為Z，則單個(gè)螺栓受到的軸向外載荷F為： F =
二.受橫向力R作用的螺栓組連接
1.普通螺栓連接
F′=
2.鉸制孔螺栓連接
三.受旋轉(zhuǎn)力矩T作用的螺栓組連接
1.普通螺栓連接
F′=
2.鉸制孔螺栓連接
四.受轉(zhuǎn)翻（傾覆）力矩M作用的螺栓組連接
(3.21)
5. 螺栓連接的強(qiáng)度計(jì)算
目的:校核螺栓強(qiáng)度,選擇螺栓尺寸。
一.受拉螺栓連接
(一).松螺栓連接
定義：裝配時(shí)螺栓不用擰緊，在承受外載荷之前螺栓不受力。
若螺栓連接受軸向外載荷F作用時(shí)，螺栓受拉，此時(shí)，螺栓的強(qiáng)度條件和設(shè)計(jì)公式與材料力學(xué)受拉件相同，即
強(qiáng)度條件：
設(shè)計(jì)公式： （3.22）
(二).緊螺栓連接
定義：螺栓連接在裝配時(shí)已經(jīng)擰緊，所以，在外載荷作用之前，螺栓已受到預(yù)緊力F′的拉伸和擰緊力矩T的扭轉(zhuǎn)，即作用在螺栓上的應(yīng)力有F′引起的拉應(yīng)力和T引起的剪應(yīng)力，螺栓在承受外載荷之前已處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)。
1.螺栓僅受預(yù)緊力F′的連接
按照材料力學(xué)的第四強(qiáng)度理論，將作用在螺栓上的拉應(yīng)力σ和剪應(yīng)力τ合成，且?guī)毽?0.5σ，則
即：
強(qiáng)度條件
設(shè)計(jì)公式
2.緊螺栓受軸向外載荷作用
此時(shí)，由變形協(xié)調(diào)條件可知，作用在單個(gè)螺栓上總的軸向載荷F∑為：
F∑=F1+F殘
∴ 強(qiáng)度條件
設(shè)計(jì)公式
式中，當(dāng)外載荷為一集中力F時(shí)，，Z為螺栓組中螺栓的個(gè)數(shù)；當(dāng)外載荷為一傾翻力矩M時(shí)，，F(xiàn)殘見表14-8。
3.緊螺栓受橫向外載荷作用
a.普通螺栓連接
強(qiáng)度條件： (3.23)
設(shè)計(jì)公式：
式中，當(dāng)外載荷為一集中力R時(shí)，F(xiàn)′=，當(dāng)外載荷為一旋轉(zhuǎn)力矩時(shí)， F′=
b.鉸制孔螺栓連接
強(qiáng)度條件：
式中，當(dāng)外載荷為一集中力時(shí)，；當(dāng)外載荷為一旋轉(zhuǎn)力矩T時(shí)
※ 設(shè)計(jì)時(shí)的簡便方法：
令則
設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)AS數(shù)值查表可確定螺栓尺寸。
3.5本章小結(jié)
機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)除了應(yīng)滿足產(chǎn)品使用性能外，還應(yīng)滿足制造工藝要求，否則就有可能影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本，嚴(yán)重時(shí)甚至無法生產(chǎn)。一個(gè)工藝性評(píng)價(jià)低劣的產(chǎn)品，在激烈競爭的市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境中是站不住腳的。一個(gè)好的產(chǎn)品設(shè)計(jì)必須同時(shí)是一個(gè)好的工藝師。
機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工藝性評(píng)價(jià)實(shí)際是評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品在滿足使用要求的前提下，制造、維修可行性和經(jīng)濟(jì)性。這里所說的經(jīng)濟(jì)性是一個(gè)含意寬廣的術(shù)語，它應(yīng)是材料消耗要少、制造勞動(dòng)要少、生產(chǎn)效率要高和生產(chǎn)成本要低的綜合。
評(píng)價(jià)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的機(jī)械加工工藝性可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià):
1. 零件結(jié)構(gòu)要素必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定
2. 盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件和普通件
3. 在滿足產(chǎn)品使用性能的條件下，零件圖上標(biāo)注的尺寸精度等級(jí)好表面粗糙度要求應(yīng)取經(jīng)濟(jì)值
4. 盡量選用切削加工性好的材料
5. 有便于裝夾的定位基準(zhǔn)和夾緊表面
6. 保證能以較高的生產(chǎn)率加工
7. 保證刀具正常工作
8. 加工時(shí)工件應(yīng)有足夠的剛性
機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的裝配工藝性評(píng)價(jià)
1. 機(jī)器結(jié)構(gòu)應(yīng)能劃分成幾個(gè)獨(dú)立的裝配單元
2. 盡量減少裝配過程中的修配勞動(dòng)量和機(jī)械加工勞動(dòng)量
3. 機(jī)器結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝配和拆卸
機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初環(huán)節(jié)，是先要針對(duì)該產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思。這種針對(duì)主要功能的原理性設(shè)計(jì)，可以簡稱為“功能原理設(shè)計(jì)”。
功能原理設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于提出創(chuàng)新構(gòu)思，是思維盡量“發(fā)散”，力求提出較多的解法供比較選優(yōu)。對(duì)構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝等則不一定要有成熟的考慮，因此常只需用簡圖或示意圖來表示所構(gòu)思的內(nèi)容。
功能原理設(shè)計(jì)是對(duì)產(chǎn)品的成敗起決定性作用的工作。
第四章 控制電路及控制器設(shè)計(jì)
4.1控制電路設(shè)計(jì)
控制電路的設(shè)計(jì)，取決于機(jī)器人的控制機(jī)理。大部分的機(jī)器人采用無線可編程控制。這樣的控制形式使機(jī)器人更加智能化。通過利用紅外線電磁波等無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，機(jī)器人的工作空間大小擴(kuò)展，而且通過編程器的使用，使機(jī)器人有了一定的工作自主能力。但是這樣控制電路過于精密復(fù)雜。
在本次設(shè)計(jì)中，主要任務(wù)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。對(duì)于這種簡單機(jī)器人載具的設(shè)計(jì)試制工作，控制電路不宜過于復(fù)雜，所以選擇了簡單的開關(guān)控制和變阻器調(diào)速。在這個(gè)電路中每個(gè)電動(dòng)機(jī)都必須有三個(gè)狀態(tài)，即正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停機(jī)。且在正反轉(zhuǎn)時(shí)均可調(diào)速。它們都是獨(dú)立工作，且可同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，這就要求每個(gè)直流電機(jī)都必須配備一套獨(dú)立的換向開關(guān)和調(diào)速變阻器。在工作過程中想要避免同一電機(jī)正反轉(zhuǎn)電流同時(shí)供電，如果采用兩個(gè)單獨(dú)開關(guān)，在手動(dòng)控制過程中，難免會(huì)出現(xiàn)一種工作狀態(tài)并未逝電，就啟動(dòng)了另一種工作狀態(tài)，這樣就相當(dāng)于電源反接，避免此種情況的發(fā)生更好實(shí)現(xiàn)控制器的人性化設(shè)計(jì)，電路中運(yùn)用了中間斷開的雙向觸點(diǎn)多極開關(guān)，在總電路中設(shè)置總開關(guān)，是整個(gè)電路的啟停更方便，處理緊急情況時(shí)關(guān)閉所有電動(dòng)機(jī)電源更快捷?？傠娐泛透鱾€(gè)電機(jī)分電路中可以并聯(lián)入小燈泡，以起到電源指示作用。
圖4.1 基本控制電路圖
在各個(gè)電動(dòng)機(jī)上并聯(lián)入兩組發(fā)光二極管與適值電阻的串聯(lián)電路（兩組串聯(lián)電路中發(fā)光二極管分別采用正接與反接），利用發(fā)光二極管的單向?qū)ㄌ匦裕瑏碇甘倦妱?dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。
圖4.2 加裝指示電路的控制電路
4.2 開關(guān)元件選用
電路中的主要負(fù)載部分及電源電動(dòng)機(jī)已經(jīng)確定，下面對(duì)開關(guān)、變阻器選用指示電路部分的發(fā)光二極管電阻進(jìn)行選擇。
開關(guān)、變阻器這類元器件都有外露的受控部分，必須考慮手動(dòng)的合理性和開關(guān)自身的可安裝性，由于在我們現(xiàn)有加工能力條件下鉆圓孔最為容易實(shí)現(xiàn)。所以均選用螺紋緊定式元件。換向開關(guān)選用ds037-01d 三位兩通按鈕，總開關(guān)選用XN-19按鈕，變阻器選用 SA-198旋鈕式變阻器，發(fā)光二極管選用圓柱頭發(fā)光二極管。
4.3 控制器設(shè)計(jì)
控制器設(shè)計(jì)上，為使整個(gè)控制過程更加自如方便可靠，更加人性化，所以采用了與整個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)同形式布局的方法，開關(guān)起停形式與機(jī)器人各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向相同，使得控制更加得心應(yīng)手。
4.4 本章小結(jié)
在現(xiàn)代化的生產(chǎn)中，生產(chǎn)機(jī)械的自動(dòng)化成都反映了工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的水平?，F(xiàn)代化的生產(chǎn)設(shè)備與系統(tǒng)已不再是傳統(tǒng)意義上的單純的機(jī)械系統(tǒng)，而是機(jī)電一體化的綜合系統(tǒng)，電氣傳動(dòng)與控制系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代生產(chǎn)機(jī)械的重要組成部分。機(jī)與電、傳動(dòng)與控制已經(jīng)成為不可分割的整體。
所謂電氣傳動(dòng)，是指以電動(dòng)機(jī)為原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的系統(tǒng)的總稱，它的目的是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)機(jī)械的啟動(dòng)、停止以及速度調(diào)節(jié)，完成各種生產(chǎn)工藝要求，保證生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行。
在現(xiàn)代工業(yè)中，為了實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化要求，機(jī)電傳動(dòng)不僅包括拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)，而且包含控制電動(dòng)機(jī)的一整套控制系統(tǒng)，也就是說，現(xiàn)代機(jī)電傳動(dòng)是和由各種控制元件組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)緊密聯(lián)系在一起的。
雖然在本次設(shè)計(jì)中最終選用了24V直流電動(dòng)機(jī)，采用換向開關(guān)控制，但在試制過程中進(jìn)行了使用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)智能控制的探索。進(jìn)行了單片機(jī)控制電路的試制。雖未完全成功，但是獲得了一定既定成果，拓展了知識(shí)面。為最終的設(shè)計(jì)和試制奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
直流電動(dòng)機(jī)的控制雖然相對(duì)簡單，但要求與總體設(shè)計(jì)效果相匹配。工作過程安全可靠。如果需要對(duì)控制系統(tǒng)加以自動(dòng)化改
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