救援機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計-履帶式移動機械手【含6張cad圖紙+文檔全套資料】
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救援機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘要：火災(zāi)的發(fā)生快速而迅猛，很多時候由于空氣中殘留大量易燃易爆氣體，使得救援工作很難開展。全世界很關(guān)注救援機器人的發(fā)展，因為救援機器人體積靈活，可以持續(xù)工作，能夠及時就出遇害人員。文中對救援機器人國內(nèi)外的發(fā)展和研究作了詳細(xì)介紹，強調(diào)了本文使用救援機器人的必要性。
本文通過對救援機器人國內(nèi)外的發(fā)展趨勢和具體應(yīng)用，了解了救援機器人的好處。本文對救援機器人提出了總體的設(shè)計方案和自由度結(jié)構(gòu)的設(shè)計，做出了詳細(xì)的計算。最后設(shè)計行走機構(gòu)和機身設(shè)計。機械臂采用四關(guān)節(jié)機械手。
關(guān)鍵字：救援機器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計；模塊化分析；四關(guān)節(jié)機械手
Rescue Robot of Structure Design
Abstract :The complexity of the work of fire disaster rescue,some time because of residual danger air rescue work has brought great difficulties. Rescue robot with its small size, flexible virtues such as disaster rescue tool assisted and caused widespread concern in the world. This paper analyzes the use of emergency rescue rescue robot's necessity and feasibility, introduced the research history and development situation of domestic and foreign rescue robot.
This paper discusses the development history of the rescue robot, application status at home and abroad, and its great superiority, the robot specific design requirements, the design, overall design and detailed design of each degree of freedom structure calculation; the final design of the walking mechanism and the fuselage design. Manipulator with four joints manipulator.
Keywords: disaster rescue robot；structure design；modularization analize；four joint manipulator；
目 錄
摘要 I
Abstract II
目錄 III
1 緒論 1
1.1 課題研究意義 1
1.2 國內(nèi)外救援機器人研究現(xiàn)狀 1
1.3 救援機器人發(fā)展趨勢 3
2 救援機器人總體方案的確定 4
2.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計 5
2.2 驅(qū)動方式 5
2.3 確定負(fù)載 5
2.4 運動速度 5
3 行走機構(gòu)的設(shè)計 6
3.1 行走機構(gòu)方案的討論 6
3.1.1 行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 6
3.2 大小錐齒輪的設(shè)計和校核 11
3.3 輸出軸的設(shè)計和校核 13
3.4 鍵的校核 19
3.5 雙擺臂的設(shè)計 20
4 機身設(shè)計及大臂的設(shè)計 21
4.1 機身的設(shè)計 21
4.1.1 支撐架的設(shè)計 21
4.1.2 機座的設(shè)計 21
4.1.3 機身箱體材料的選擇 21
4.1.4 機身的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝 21
4.2 大臂的設(shè)計 21
4.2.1 大臂的材料選擇 22
4.2.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計 22
4.2.3 大臂電機及減速器選型 22
5 機械手小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 24
5.1 手部的設(shè)計 24
5.2 腕部設(shè)計 24
5.3 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動計算 25
5.4 軸分析及計算 28
5.5 軸承的壽命校核 29
5.6 軸的強度校核 30
總結(jié)與展望 31
參考文獻 32
致謝 34
IV
1 緒論
由于現(xiàn)在的環(huán)境惡化越來越嚴(yán)重，很多災(zāi)害不斷發(fā)生，有些情況是我們無法控制的，因此廣泛的使用救援機器人是必然的趨勢[1]。因為在災(zāi)害發(fā)生之后，災(zāi)害現(xiàn)場的復(fù)雜性和危險性使得救援工作進行緩慢。據(jù)大量數(shù)據(jù)表明，如果在災(zāi)難發(fā)生后的48小時之內(nèi)救不了那些幸存者，他們的死亡率就會急劇上升。而在危險又緊急的情況下，如果救援工作不能及時展開，這無疑是對遇害人員生命的威脅。這種情況下，使用救援機器人進行輔助營救就顯的非常重要[2]。
1.1 課題研究意義
火災(zāi)的發(fā)生往往迅猛，消防員很難進入使得火情得到控制。救援工作受到空間限制、高溫濃煙、危險物質(zhì)的影響，使得遇害人員不能夠及時的得到救助?；馂?zāi)救援機器人應(yīng)該小巧靈活，在救援過程中能夠克服各種障礙，適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境。很快找到幸存者的位置并且可以避免消防人員進入救援現(xiàn)場受到事故二次發(fā)生的傷害[3-4]?；馂?zāi)救援機器人還能克服高溫，濃煙的環(huán)境，持而有序的長時間進行救援，所以研究火災(zāi)救援機器人在救援工作中有著重要的意義。
1.2 國內(nèi)外救援機器人研究現(xiàn)狀
機器人技術(shù)起初是為了進行軍事戰(zhàn)場的戰(zhàn)情偵查和戰(zhàn)場清掃等工作，在上個世界的八十年代以前，就有人已經(jīng)提出將機器人用在救援上面。
自從發(fā)生了美國俄克拉荷馬州的大樓爆炸案和日本神戶—大阪的地震之后，救援機器人的應(yīng)用得到了充分的肯定，各個國家也開始了對救援機器人的研究[5]。機械人技術(shù)的研究，在2001年美國9.11事件中得到了實踐，美國機器人研究中心和相關(guān)的參研單位共同開發(fā)了救援機械人，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.1所示。它們是Ｆoster-Miller公司的SOLEM系統(tǒng)、Tolon系統(tǒng)以及l(fā)nuklun公司的VGTV系統(tǒng)和Microlac系統(tǒng)，機器人在此次救援行動中取得了成功。但是在應(yīng)用的同時也發(fā)現(xiàn)了視野狹窄、控制方式不好等缺點[6]。
圖1.1 救援機器人系統(tǒng)
在9.11事件中，機器人發(fā)揮了重要的作用，同時引發(fā)了對機器人研究的熱潮，在廣大科研人員和高校等相關(guān)單位的共同努力下，取得了大量的研究成果，無論是理論上還是實際應(yīng)用上，都取得了突飛猛進的成果，研制出了各式各樣用于偵查和搜救的救援機器人。
主要典型的有履帶式機器人、蛇形機器人、飛行機器人等幾類[7-8]。
（1）履帶式機器人
履帶式救援機器人是將履帶套在車輪上，從而增大受力面積，使得機器人能夠適應(yīng)各種復(fù)雜地形。復(fù)合式履帶可以調(diào)整爬坡角度和方向，因此具有很好的越野性能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.2所示。
圖1.2 SUGV履帶式機器人
（2） 蛇形（蠕蟲）機器人系統(tǒng)
蛇形機器人主要結(jié)合仿生學(xué)的相關(guān)經(jīng)驗，它通過模仿自然界肢節(jié)動物，例如蛇的運動特點而設(shè)計。其結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。
圖1.3 ACM-R5蛇形機器人
（3） 飛行機器人
飛行機器人由美國在20世紀(jì)30年代率先提出的，俗話說：站的高看的遠(yuǎn)。飛行機器人用于高空作業(yè)，視野更寬闊，觀察范圍更廣[9]。如圖1.4所示。
圖1.4飛行機器人
1.3 救援機器人發(fā)展趨勢
9.11以來救援機器人研究的迅速進展，解決了一系列困擾救援機器人發(fā)展的問題，機器人由半自主向全自主方向發(fā)展。由于單個機器人的各種功能不完善，所以現(xiàn)在救援機器人正向群體發(fā)展[10]。
2 救援機器人總體方案的確定
救援機器人是為救援而采取先進科學(xué)技術(shù)研制的機器人，經(jīng)查閱資料可知，主要運用的是系統(tǒng)工程學(xué)中具有的學(xué)科分支知識來解決問題[11]。根據(jù)系統(tǒng)學(xué)分析，我們要將機器人的各個零件設(shè)計有序合理的組合在一起，使其功能能夠更加完善[12]。
救援機器人通常包括驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。驅(qū)動系統(tǒng)，它包括作為動力源的驅(qū)動器，驅(qū)動單元，伺服驅(qū)動系統(tǒng)由各種傳動零、部件組成的傳動系統(tǒng)。控制系統(tǒng)，它主要包括具有運算、存儲功能的電子控制裝置（計算機或其他可編程編輯控制裝置），人—機接口裝置（鍵盤、示教盒等），各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設(shè)備的輸入/輸出通訊接口，內(nèi)部和外部傳感器以及其他通用或?qū)Ｓ玫耐鈬O(shè)備。
經(jīng)過對救援機器人相關(guān)資料的查詢和研讀，本文結(jié)合任務(wù)書要求，設(shè)計了一種用于火災(zāi)后環(huán)境下的救援機械人。
（1）首先該機器人采用履帶式的行走機構(gòu)，救援機器人在執(zhí)行救援任務(wù)時，通過履帶可以快速行走，并且具有可以爬坡、越溝等特點；
（2）工業(yè)中機械手具有通用性和靈活性，可以完成材料的傳送。這里也將運用機械手的設(shè)計來完成對幸存者的救援。
（3）由于救援機器人工作的環(huán)境因素，機器人必須小巧靈活，拆卸方便，因此對機身的設(shè)計要承載大小臂所有的重量。救援機器人總體結(jié)構(gòu)方案如圖2.1所示。
圖2.1 救援機器人的總體結(jié)構(gòu)
本文設(shè)計的救援機器人的工作原理：在火災(zāi)救援環(huán)境中，機器人可以長時間工作。行走機構(gòu)在伺服電機、軸、驅(qū)動輪以及履帶的聯(lián)合作用力下，使得行走機構(gòu)開始行走。在靠近幸存者的時候，通過傳感器將信息傳遞給機身系統(tǒng)，從而命令機械手開始救援。機械臂整體機構(gòu)安裝在機身上，在軸與軸承的配合下，使大臂繞著垂直方向和繞基座孔做360°的旋轉(zhuǎn)運動；在大臂運動過程中，通過軸與軸承的配合下，驅(qū)動小臂沿著水平方向做360°的旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)小臂對目標(biāo)的精確定位；在小臂接近目標(biāo)位置之后，將動力傳動至小臂的兩指手指的上，兩根手指通過合適的張開和閉合來抓取可疑物，開啟閥門，清除障礙物，同時還可以支撐起壓在使幸存者身上的重物，幫助幸存者脫離危險環(huán)境。
2.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計
機械手傳動裝置中應(yīng)盡可能做到結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動慣量和體積小，在傳動鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高機械手的運動和位置控制精度。在機械手中常采用的機械傳動機構(gòu)有齒輪傳動、滾珠絲杠傳動、同步齒形帶傳動、鏈傳動等，其中齒輪傳動使用壽命長、效率高、傳動比準(zhǔn)確、工作可靠等優(yōu)點，故本次設(shè)計選用齒輪傳動。
2.2 驅(qū)動方式
由于伺服電機具有良好的控制性能，控制靈活性強，可實現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境沒有影響，體積小，效率高，適用于運動控制要求嚴(yán)格的中、小型機械手等特點，故本次設(shè)計采用了伺服電機驅(qū)動。
2.3 確定負(fù)載
經(jīng)查閱資料，目前我國的救援救援機器人負(fù)載能力的范圍很大，最小的額定負(fù)載在5N以下，最大可達9000N。負(fù)載大小的確定主要是考慮沿機械手各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中要包括機械手末端執(zhí)行器的重量、夾持物體的重量，運動的速度等。初次估計本次設(shè)計屬于小負(fù)載[15]。
2.4 運動速度
機械手操作機手臂的各個動作的最大行程確定后，按照循環(huán)時間安排確定每個動作的時間，就能進一步確定各動作的運動速度，用m/s表示，各動作的時間分配要考慮多方面的因素。
3 行走機構(gòu)的設(shè)計
3.1 行走機構(gòu)方案的討論
根據(jù)國內(nèi)外的救援機器人的行走機構(gòu)大致可分蠕動移動方式、履帶移動方式、滾輪式移動方式等幾種方式。
其各有優(yōu)缺點。以下分別介紹。
（1）蠕動移動式的優(yōu)點是適應(yīng)微小管徑。缺點是控制復(fù)雜且移動速度慢。
（2）履帶移動式的優(yōu)點是適應(yīng)性強，越障力好。缺點是轉(zhuǎn)彎半徑大，要保持履帶的張緊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
（3）滾輪移動式優(yōu)點是運動速度快。缺點是在只適應(yīng)于平坦道路，復(fù)雜路面下容易打滑，不易行走。
通過對上述的幾種行走機構(gòu)方式進行討論，結(jié)合火災(zāi)后救援機器人的使用環(huán)境的特殊性，本文最后選取為履帶式行走機構(gòu)。如圖3.1所示。
圖3.1 履帶式行走機構(gòu)簡圖
3.1.1 行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計
（1）履帶的外形尺寸
首先，確定履帶的寬度。由于救援機器人要進入到成人無法進入的狹小空間里，所以履帶的寬度較小，那么它的工作所提供的驅(qū)動力就會減小；而其寬度太大時，所受到的阻力就會很大。通過作圖的方法，取履帶的寬度為：=115mm。
其次，確定履帶的長度。履帶的長度越長其轉(zhuǎn)彎的靈活性就會受到影響。所以，履帶的長度不能太長。所以其長度L為：L=588mm。
（2）確定行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)
由于外形尺寸的限制，電機內(nèi)置在履帶組中，同時采用錐齒輪來換向，最后驅(qū)動履帶輪。其結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：
1—軸01，2—電機，3—小錐齒輪，4—驅(qū)動帶輪，5—軸02
6—直齒輪01，7—直齒輪02，8—軸03，9—大錐齒輪，10—從動帶輪
圖3.2 行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖
（3）確定行走機構(gòu)中的履帶輪和同步帶
采用同步帶的結(jié)構(gòu)來設(shè)計履帶。以下是同步帶傳動的優(yōu)點：
①適用于兩軸中心距較大傳動，承載能力較大。
②帶具有良好的彈性，可以緩沖、吸振，傳動平穩(wěn)，噪聲小。
③結(jié)構(gòu)簡單，制造和維護較為方便，價格低廉。
（1）首先，確定同步帶的主要參數(shù)：
齒形：梯形
齒距制式：模數(shù)制
節(jié)距：
（2）設(shè)計帶輪：
初選帶輪的齒數(shù)：；
選擇切削帶輪齒形的刀具類型—切出直線齒廓的特別刀具；
節(jié)距: ；
節(jié)圓直徑:；
模數(shù)：；
齒側(cè)間隙：；
名義徑向間隙：；
徑向間隙：；
外圓直徑：；
外圓齒距：；
外圓齒槽寬：；
齒槽角：
齒槽深：；
齒槽底寬：；
齒根圓角半徑：； ；
（3）設(shè)計履帶：
由于采用同步帶的結(jié)構(gòu)來設(shè)計履帶，同時履帶用于特殊的工作環(huán)境，所以不能完全采用同步帶的參數(shù)，根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計履帶。
節(jié)距：；
齒形角：；
齒根厚： mm；
齒高：mm；
帶高： mm；
齒頂厚：mm；
節(jié)頂距：mm ；
帶寬：；
④確定大小錐齒輪參數(shù)
整個行走裝置里，錐齒輪的主要作用----換向，傳遞動力。同時考慮到其完全在行走裝置內(nèi)部，尺寸受到限制。根據(jù)以上的因素，設(shè)計大小錐齒輪的具體參數(shù)。
根據(jù)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，采用軸交角。齒輪類型為：直齒錐齒輪、齒形制為GB/T 12369—1990,齒形角為20°、齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)。
大錐齒輪的次數(shù);小錐齒輪的次數(shù)。大小錐齒輪的具體參數(shù)分別如下。
大錐齒輪：
法向模數(shù)：；
齒數(shù)： ；
法向齒形角：
分度圓直徑：
分度圓錐角：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：=71.347mm
錐距：
齒頂角：
齒根角：
頂圓錐角：
根圓錐角：
齒寬：
小錐齒輪：
法向模數(shù)：；
齒數(shù)：；
法向齒形角：
分度圓直徑：
分度圓錐角：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
錐距：
齒頂角：
齒根角：
頂圓錐角：
根圓錐角：
齒寬：
（5）確定直齒輪的參數(shù)
在整個行走裝置中，直齒輪的作用，主要是傳遞動力。出于對行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)和尺寸限制的考慮，才用兩個完全相同的直齒輪，同時降低的成本。設(shè)定齒頂高系數(shù)、頂隙系數(shù)。齒數(shù)，模數(shù)。其具體參數(shù)如下：
分度圓直徑：
齒頂高：
齒根高：mm
，，，
全齒高：；
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
齒厚：
齒根寬：
中心距：
頂隙：
3.2 大小錐齒輪的設(shè)計和校核
選擇齒輪的類型,精度等級,材料和齒數(shù)。
選擇直齒圓錐齒輪，8級精度齒輪，軟齒面。
小齒輪的材料為40Cr，調(diào)制處理，硬度為280HBS；大齒輪的材料為45鋼，調(diào)制處理HBS。
初選小齒輪的齒數(shù)；大齒輪的齒數(shù)為。
按齒面接觸疲勞強度設(shè)計計算
根據(jù)軸承布置方式和載荷的沖擊情況，取。
查得小齒輪的接觸疲勞極限為：
大齒輪的接觸疲勞極限為：
計算接觸疲勞許用應(yīng)力：
計算小齒輪的分度圓直徑
其中；
按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計計算：
① 計算當(dāng)量齒數(shù)并查取齒形系數(shù)，兩齒輪的分度圓錐角分別為：
當(dāng)量齒數(shù)為：
查得：
由得：小齒輪的彎曲疲勞極限為：
計算彎曲疲勞許用應(yīng)力：
大齒輪數(shù)值大，代入計算
錐距為：
分度圓直徑為：
分度圓錐角為：
，
齒寬：
3.3 輸出軸的設(shè)計和校核
（1）按扭轉(zhuǎn)強度條件，初步估計軸徑：
其中，查得
代入上面得值，計算可得：
由于軸上有一鍵槽，所以：，取軸的最小直徑為：。
（2）軸的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3.3所示。
圖3.3 軸的結(jié)構(gòu)示意圖
（3）按彎扭合成強度進行強度校核
①做出軸的計算簡圖如圖3.4所示。
軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸，做出其受力簡圖如下圖所示：
圖3.4 軸的受力圖
② 校核所需要的基本參數(shù)
計算齒輪的嚙合力：
A:直齒輪的齒輪嚙合力
齒輪圓周力：
齒輪徑向力：
B: 錐齒輪的齒輪嚙合力
齒輪圓周力：
齒輪徑向力：
齒輪軸向力：
求水平面的支反力和做出彎矩圖:
其受力分析圖如下圖所示:
對A點求矩：
則有：
=372.848 N
對B點求矩：
則有：
=
= -144.216 N
根據(jù)上面的計算結(jié)果，畫出彎矩圖，如圖3.5所示。
`
圖3.5 彎矩圖
求垂直面內(nèi)的支反力，并作出彎矩圖
受力分析如圖3.6所示。
圖3.6 受力示意圖
對A點求矩：
則有：（其中）
= -8.590 N
對D點求矩：
則有：
= -8.590 N
= -38.423 N
做出對應(yīng)彎矩圖
求支反力
=149.246 N
彎矩圖如圖3.7所示。
圖3.7 彎矩圖
合成彎矩圖
合成彎矩圖如圖3.8所示。
圖3.8 合成彎矩圖
根據(jù)已知條件，做出扭矩圖，如圖3.9所示。
圖3.9 扭矩圖
校核危險截面
綜上所知，C面為危險截面：
(其中，由于扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，所以取，T=36100)
= ，軸滿足要求。
3.4 鍵的校核
強度校核要根據(jù)工作表面所受的擠壓應(yīng)力計算。
在輸出軸上的鍵其結(jié)構(gòu)尺寸最小，受力較大。在這里就只校核該鍵，其余可以不予與校核。
普通平鍵的強度條件：
其中:T -傳遞扭矩： ；
-鍵與輪轂鍵槽的接觸高度：
-鍵的工作長度，圓頭平鍵為：
-軸的直徑
由于鍵的材料為45，同時其載荷性質(zhì)為輕微沖擊，查機械設(shè)計（P-106）表6-2可得：
所以 ，鍵滿足要求。
3.5 雙擺臂的設(shè)計
雙擺臂的作用就是為了機器人在越障是起到支撐和輔助的功效，使機器人能夠更好的適應(yīng)崎嶇的環(huán)境。
擺臂的主體是一塊鋼板，能夠支撐起前導(dǎo)輪，使之可以自由轉(zhuǎn)動。安裝在短軸上，通過螺母螺栓與翼板相連。同時可以支撐起車體，輔助車體越過障礙。例如爬樓梯，機器人借助擺臂的初始擺角，在履帶機構(gòu)的驅(qū)使下，使其主履帶前段搭在臺階上，繼續(xù)移動，驅(qū)動擺臂逆時針擺動，當(dāng)重心超過臺階邊緣時，旋轉(zhuǎn)擺臂關(guān)節(jié)，機器人在自身重力的影響下，車體下移，順利爬上臺階。如圖3.10所示：
圖3.10 機器人爬樓梯分析圖
4 機身設(shè)計及大臂的設(shè)計
4.1 機身的設(shè)計
主要包括支撐架的設(shè)計、機座的設(shè)計、機身箱體材料的選取以及機身的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝等幾大類問題。
4.1.1 支撐架的設(shè)計
支撐架主要承載大小臂上所有零件的重量，左端設(shè)計大臂平衡彈簧的固定連接孔，右端設(shè)計大臂驅(qū)動電機支撐架?？紤]機身回轉(zhuǎn)時的偏心力，合理設(shè)計支撐架與回轉(zhuǎn)軸的連接，采用柱銷式連接，兩邊用螺釘緊固。同時設(shè)計一個支撐圓盤加以固定，使其轉(zhuǎn)動更加平衡。為了減輕自重，選用ZL401材料。
4.1.2 機座的設(shè)計
機座在中間軸對應(yīng)的位置處加工一個軸承固定座，其他無特殊要求。
機身系統(tǒng)的內(nèi)部設(shè)計主要是對傳動系統(tǒng)的各部件進行設(shè)計計算與校核。
4.1.3 機身箱體材料的選擇
因為灰口鑄鐵凝固是收縮量小，抗震性好。機身箱體可選用灰口鑄鐵HT250制造。能夠提高機身自身的穩(wěn)定性，并且經(jīng)濟實惠。
4.1.4 機身的結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝
由于整個箱體的結(jié)構(gòu)尺寸由內(nèi)部各零件配合情況決定，其形狀較為復(fù)雜，故采用鑄造的方法制造箱體，為了內(nèi)部各零件的配合及方便安裝，在頂部與右側(cè)開蓋。由于是臥式放置電機，考慮電機的質(zhì)量，在左側(cè)用托板托住電機。將電機的伸出軸用聯(lián)軸器與錐齒輪軸連接，通過與輸入軸的錐齒輪端嚙合滿足改變傳動方向的要求。輸入，中間，輸出三根軸垂直放置并實現(xiàn)二級減速傳動。由于齒輪懸置，需用圓螺母及止動墊圈定位與放松。底座出于穩(wěn)定的考慮設(shè)計為圓形，可用沉頭螺釘與行走機構(gòu)連接。
4.2 大臂的設(shè)計
臂部部件是關(guān)節(jié)機械手的主要部件之一。它主要的作用是支撐手部，帶動手部完成各種動作，靈活的將手部送到空間的任意一點。增減臂部自由度可以實現(xiàn)手部的姿態(tài)(方位)關(guān)節(jié)姿態(tài)的改變。因此，機械手導(dǎo)向桿采用無縫鋼管材料來提高臂部結(jié)構(gòu)的剛度，增強承載能力。同時要合理的控制手臂運動的速度，減少沖擊。還需在手臂上安裝定位和檢測機構(gòu)，使機械手運動的位置精度高。
4.2.1 大臂的材料選擇
本文機械臂殼體采用鑄造鋁合金。一方面使機械臂受到載荷時，不會變形或者斷裂，另一方面可減小機械臂的重量，減小了對機身的載荷。最小壁厚：每種鑄造合金都有其適宜的壁厚，不同鑄造合金所能澆注出鑄件的“最小壁厚”也不相同，主要取決于合金的種類和鑄件的大小，見表4.1所示：
鑄件尺寸
鑄鋼
灰鑄鐵
球墨鑄鐵
可鍛鑄鐵
鋁合金
銅合金
＜200×200
200×200～500×500
＞500×500
5～8
10～12
15～20
3～5
4～10
10～15
4～6
8～12
12～20
3～5
6～8
—
3～3.5
4～6
—
3～5
6～8
—
表4.1 砂型鑄造鑄件最小壁厚計（mm）
4.2.2 大臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計
大臂殼體采用鑄鋁，方形結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，強度大。
4.2.3 大臂電機及減速器選型
假設(shè)小臂及腕部繞第二關(guān)節(jié)軸的重量：,，則：
大臂速度為10r/min ，則旋轉(zhuǎn)開始時的轉(zhuǎn)矩可表示如下：
式中：T-旋轉(zhuǎn)開始時轉(zhuǎn)矩；
J-轉(zhuǎn)動慣量。
-角加速度
使機械手大臂從到所需的時間為：則：
若考慮繞機械手手臂的各部分重心軸的轉(zhuǎn)動慣量及摩擦力矩，則旋轉(zhuǎn)開始時的啟動轉(zhuǎn)矩可假定為10N.m，取安全系數(shù)為2，則諧波減速器所需輸出的最小轉(zhuǎn)矩為：
選擇諧波減速器：
⑴型號：XB3-50-120 （XB3型扁平式諧波減速器）
額定輸出轉(zhuǎn)矩：20
減速比：
設(shè)諧波減速器的的傳遞效率為：，步進電機應(yīng)輸出力矩為：
選擇BF反應(yīng)式步進電機
型號：55BF003
靜轉(zhuǎn)矩：0.686
步距角：1.5°
5 機械手小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計
5.1 手部的設(shè)計
機械手在救援過程中主要的作用是抓取可疑物，開啟閥門。本文采用兩根手指式的張開和閉合來實現(xiàn)物體的抓持。在設(shè)計時手指要結(jié)構(gòu)簡單，有足夠的張緊力和剛度。
手指張緊力的計算：
N≥K1*K2*K3*G
式中：K1－安全系數(shù)
K2－工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響
K3－方位系數(shù)
G－被抓持物體的重量
5.2 腕部設(shè)計
腕部能夠連接機器人的臂部和手部，支撐并且改變手部的姿態(tài)。
腕部設(shè)計的要求有：結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕；動作靈活、平穩(wěn)，定位精度高；所用材料強度、剛度高；與臂部及手部的連接部位的結(jié)構(gòu)合理，傳感器和驅(qū)動裝置的合理布局及安裝等。
本次設(shè)計要求腕部實現(xiàn)俯仰和偏轉(zhuǎn)，即BB型手腕，如圖5.1所示。為減輕整個小臂的自重，采取腕部步進電機后置遠(yuǎn)距離間接驅(qū)動，將其裝在大臂的底部，固定在機身圓盤上，再通過兩條鏈傳動，一條鏈直接帶動腕部的擺動，另一條鏈傳動帶輪帶動錐齒輪軸通過一級錐齒輪的傳遞帶動腕部的轉(zhuǎn)動，雖然在腕擺時會產(chǎn)生手腕的附加轉(zhuǎn)動，但是可以通過控制步進電機來控制干涉。
圖5.1 BB型手腕示意圖
該機器人在救援過程中有時需伸入狹窄的空間進行作業(yè)，所以為了滿足手腕部分結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、動作靈活等要求將其外形和尺寸設(shè)計成如圖5.2所示。
圖5.2 手腕外形尺寸示意圖
5.3 手腕偏轉(zhuǎn)驅(qū)動計算
手腕的偏轉(zhuǎn)是通過后置于大臂底部一側(cè)的步進電機驅(qū)動，兩級帶輪鏈條傳動，再經(jīng)過錐齒輪嚙合傳動改變方向來實現(xiàn)偏置的。手腕的驅(qū)動力來自步進電機，首先要計算手腕偏轉(zhuǎn)所需要的轉(zhuǎn)矩，再計算電機的輸出轉(zhuǎn)矩，確定步進電機的型號，從而計算設(shè)計鏈傳動以及錐齒輪傳動的傳動參數(shù)及相關(guān)尺寸。
a) 選擇步進電機
手腕偏轉(zhuǎn)時，需要克服摩擦阻力矩、工件負(fù)載阻力矩和腕部啟動時的慣性力矩。
根據(jù)轉(zhuǎn)矩的計算公式[15]：
式中：
—手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩（N·m）；
—摩擦阻力矩（N·m）；
—負(fù)載阻力矩（N·m）；
—手腕偏轉(zhuǎn)啟動時慣性阻力矩（N·m）；
—工件負(fù)載對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（）；
—手腕部分對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（）；
—手腕偏轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；
—手腕質(zhì)量（kg）；
—負(fù)載質(zhì)量（kg）；
—啟動時間（s）；
—手腕部分材料密度（）；
—手腕部分外徑和內(nèi)徑（m）；
—手腕的長度（m）；
—手腕偏轉(zhuǎn)末端的線速度（m/s）。
根據(jù)已知條件：，，，，，，手腕部分采用的材料假定為鑄鋼，密度。
將數(shù)據(jù)代入計算得：
因為腕部傳動是通過兩級帶輪和一級錐齒輪實現(xiàn)的。
彈性聯(lián)軸器傳動效率；
滾子鏈傳動效率；
滾動軸承傳動效率（一對）；
錐齒輪傳動效率；
計算得傳動的裝置的總效率。
電機在工作中實際要求轉(zhuǎn)矩
根據(jù)計算得出的手腕偏轉(zhuǎn)所需力矩，結(jié)合北京和利時電機技術(shù)有限公司生產(chǎn)的90系列的五相混合型步進電機的技術(shù)數(shù)據(jù)和矩頻特性曲線[16]，如圖5.3和圖5.4所示,選擇90BYG5200B-SAKRML-0301型號的步進電機。
圖5.3 90BYG步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)
圖5.4 90BYG5200B-SAKRML-0301型步進電機矩頻特性曲線
5.4 軸分析及計算
軸的受力模型簡化及受力計算
圖5.5 受力模型
受力分析知：
5.5 軸承的壽命校核
鑒于調(diào)整間隙的方便,軸承均采用正裝[17].預(yù)設(shè)軸承壽命為3年即12480h.
校核步驟及計算結(jié)果見下表:
表5.2 軸承壽命校核步驟及計算結(jié)果
計算步驟及內(nèi)容
計算結(jié)果
6014
A端
B端
由手冊查出Cr、C0r及e、Y值
Cr=98.5kN
C0r=86.0kN
e=0.68
計算比值Fa/Fr
FaA /FrA e
確定X、Y值
XA=1 YA =0
查載荷系數(shù)fP
1.2
計算當(dāng)量載荷
P=Fp(XFr+YFa)
PA=5796.24 PB=6759.14
計算軸承壽命
763399h
大于
12480h
由計算結(jié)果可見軸承6014AC、6007均合格，最終選用軸承6014。
5.6 軸的強度校核
經(jīng)分析知C、D兩處為可能的危險截面，現(xiàn)來校核這兩處的強度[18]，校核后圖如圖5.7所示。
合成彎矩：
扭矩T圖：
當(dāng)量彎矩：
校核由手冊查材料45的強度參數(shù)：
C截面當(dāng)量彎曲應(yīng)力：
由計算結(jié)果可見C截面安全。
圖5.7 彎扭組合圖
總結(jié)與展望
本論文設(shè)計的救援機器人是為了能夠適應(yīng)火災(zāi)的救援環(huán)境，對狹小空間里的幸存者實施及時救援的機器人。
（1） 通過對履帶尺寸大小、軸的校核、錐齒輪的設(shè)計、擺臂的設(shè)計，設(shè)計了機器人的行走機構(gòu)，可以使救援機器人具備克服爬樓障礙，靈活轉(zhuǎn)向等功能；
（2） 通過對機身的設(shè)計，將機械臂與行走機構(gòu)緊密的連接起來，實現(xiàn)機械臂與行走機構(gòu)的協(xié)調(diào)配合。
（3） 機械手是救援機械機器人的主要執(zhí)行部位，通過對機械大臂小臂的詳細(xì)設(shè)計和計算，可以使大臂與機身連接起來，同時能夠足夠支撐起小臂，對手腕的運動進行設(shè)計，使手腕可以自由旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)多方位的運動。通過合理的配合，實現(xiàn)對狹小空間幸存者的救援。
由于我對傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等學(xué)科的學(xué)習(xí)能力有限[19]，還有許多問題值得進一步討論和更加深入的研究與展望：
a) 機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題：根據(jù)前人經(jīng)驗設(shè)計，采用模塊化設(shè)計，只是將具有不同功能結(jié)構(gòu)的模塊連接起來，很多零件比實際尺寸大很多。
b) 計算機的有限元的分析沒有做。
c）機械臂自主控制系統(tǒng)的建立有待于進一步研究，以及它的運動控制技術(shù)，路徑規(guī)劃技術(shù)，實時視覺技術(shù)，定位和導(dǎo)航技術(shù)，多傳感集成和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，高性能計算技術(shù)，無線通信與因特網(wǎng)技術(shù)問題也是多個有待研究的方面。
機械手在未來生活中應(yīng)用將會越來越廣。通過對機械手機械臂系統(tǒng)設(shè)計，在整體系統(tǒng)的各各方面積累了比較豐富的設(shè)計經(jīng)驗，相信經(jīng)過不斷的發(fā)展和改進機械手將走向成熟和實用化。
參 考 文 獻
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