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畢業(yè)設(shè)計(jì)外文翻譯
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)英語論文
院 （系）：機(jī)械與動(dòng)力工程系
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： 機(jī)制班
姓 名：
學(xué) 號(hào)：
年6月10日
中文翻譯：
簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)管道檢測(cè)機(jī)器人
本文介紹了管道檢測(cè)機(jī)器人的原始架構(gòu)。該機(jī)器人由包含兩個(gè)萬向節(jié)鉸接部分。一部分是沿管道平行移動(dòng)的軸車輪盤，而另一部分則是被迫遵循與螺旋運(yùn)動(dòng)有關(guān)的軸線旋轉(zhuǎn)的車輪傾斜管。單臺(tái)電動(dòng)機(jī)被放置在兩個(gè)機(jī)構(gòu)之間產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。所有車輪安裝在懸架上，以適應(yīng)不斷變化的曲線管道。該機(jī)器人有其自己的電池和無線鏈路。四種不同管徑分別為的170，70和40毫米。對(duì)于較小的直徑，電池，無線電接收器，可放置在其他額外的機(jī)構(gòu)中。這種架構(gòu)非常簡(jiǎn)單，其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以被利用來進(jìn)行擦洗或檢驗(yàn)任務(wù)。
關(guān)鍵詞：自主移動(dòng)機(jī)器人，在管道檢測(cè)，螺旋運(yùn)動(dòng)
管道檢測(cè)機(jī)器人已經(jīng)被研究了很長(zhǎng)一段時(shí)間，許多原來的運(yùn)動(dòng)觀念被提出來解決在管道直徑，曲線和能源供應(yīng)變化中有關(guān)的許多技術(shù)困難。雖然一個(gè)詳盡的文獻(xiàn)回顧是不可能的，根據(jù)有限的可用空間，幾大類別，可確定幾大類別：
1對(duì)于小規(guī)模，許多項(xiàng)目遵循蚯蚓原則：中央部分組成軸向移動(dòng)，而兩端連接的設(shè)備具有阻隔管道。這一概念已經(jīng)提出氣動(dòng)版本（如[1]），
但他們需要電力臍帶。對(duì)于較小的直徑（10毫米或更小），根據(jù)尺蠖的原則，或根據(jù)慣性運(yùn)動(dòng)由鋸齒波電壓驅(qū)動(dòng)[2]，或使用與微分摩擦系數(shù)振動(dòng)鰭[3]，則采用壓電驅(qū)動(dòng)。
2對(duì)于各種中型管道，根據(jù)直徑的適應(yīng)性和轉(zhuǎn)彎能力古典機(jī)電系統(tǒng)已提出各種涉及車輪和軌道運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)。
3對(duì)于大型管道，管道爬行走路也已提出[6]。
文中提出的四個(gè)移動(dòng)機(jī)器人屬于第二類，他們的管直徑從40到170mm，該設(shè)計(jì)嘗試使用單一驅(qū)動(dòng)器減少機(jī)器的復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)沿管的的流動(dòng)性，即使我們的研究可看作一個(gè)獨(dú)立努力地結(jié)果。但此螺旋論似乎已經(jīng)被研究過。
體系結(jié)構(gòu)
圖1
該機(jī)器人主要分為兩部分，定子和轉(zhuǎn)子，包括一個(gè)DC連接，馬達(dá)與減速機(jī)，萬向節(jié)。定子配備了一套輪子，有助于運(yùn)動(dòng)平行; 在這種情形下，定子約束沿著管軸，而轉(zhuǎn)子的車輪只能沿著螺旋軌跡，該
機(jī)器人之間的軸向速度和旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系
其中R為管道半徑, a是車輪傾斜角度。定子和轉(zhuǎn)子必須保證穩(wěn)定性，以保證機(jī)器人之間的管道和足夠的接觸力，以適應(yīng)管道直徑的變化和障礙，并允許在彎曲的管道中行駛。對(duì)于更大型的機(jī)器人（D -170），機(jī)器人是硬性連接到電機(jī)軸上來確保穩(wěn)定性。對(duì)于規(guī)模較小的直徑，彎管需要更大程度的自由，需要兩倍的數(shù)量的輪子。
圖2
圖3
直徑70毫米以上的機(jī)器人提供了9個(gè)電池，分布在電機(jī)定子上。試驗(yàn)表明，對(duì)于規(guī)模較小的直徑，這個(gè)配置是不可能的。第一個(gè)由轉(zhuǎn)子組成，第二個(gè)包括電機(jī)和減速器，第三個(gè)是定子車輪與軸，能源供應(yīng)和電信網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)方案進(jìn)行了70mm直徑的調(diào)查。在第一個(gè)中，馬達(dá)和電池安裝在定子上，但卻無法用在第二個(gè)方案中，如果機(jī)器人使用纜索電源。
大 學(xué)
本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）完成情況登記表
姓 名
性 別
男
學(xué) 號(hào)
學(xué) 院
專 業(yè)
農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化
班 級(jí)
論文（設(shè)計(jì)）題目
履帶式機(jī)器人移動(dòng)底盤的設(shè)計(jì)
論文（設(shè)計(jì)）完成提交時(shí)間
論文（設(shè)計(jì)）取得主要成果及學(xué)生的誠信承諾
論文（設(shè)計(jì)）是在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下，由本人獨(dú)立撰寫完成，除文中已標(biāo)注的引用外，本論文（設(shè)計(jì)）不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。本人完全了解本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
學(xué)生（簽名）：
時(shí) 間：
教師指導(dǎo)過程情況記錄
（選題、試驗(yàn)、調(diào)研、資料收集及論文撰寫等過程）
選題符合要求，認(rèn)真指導(dǎo)，定期檢查工作進(jìn)度，多次細(xì)致修改學(xué)生撰寫的論文（設(shè)計(jì)）、圖紙等。重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生正確的思維方法、工作方法和科學(xué)態(tài)度。
指導(dǎo)教師（簽名）：
時(shí) 間：
指導(dǎo)教師對(duì)論文（設(shè)計(jì)）的審查意見
論文格式規(guī)范，邏輯結(jié)構(gòu)合理，內(nèi)容正確，工作態(tài)度端正，無嚴(yán)重抄襲或剽竊現(xiàn)象。達(dá)到本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）要求，同意參加論文（設(shè)計(jì)）答辯。
指導(dǎo)教師（簽名）：
時(shí) 間：
注：本表作為教學(xué)檔案，隨論文由各學(xué)院負(fù)責(zé)保存。
學(xué)位論文,履帶式機(jī)器人移動(dòng)底盤的設(shè)計(jì),設(shè) 計(jì) ： 專 業(yè) ： 農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其制動(dòng)化 指導(dǎo)老師 ： 副教授,履帶機(jī)器人的基本介紹,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。廣泛開展機(jī)器人移動(dòng)功能的研究和開發(fā)是進(jìn)入20世紀(jì)80年代以后的事。現(xiàn)在作為移動(dòng)機(jī)器人而開發(fā)試制的移動(dòng)機(jī)械種類已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了機(jī)械手。特別是履帶式機(jī)器人，它不僅是生物體中沒見過的移動(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的沖擊，使機(jī)器人能夠在各種路面條件下行進(jìn)。,目錄,1.履帶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.履帶機(jī)器人的運(yùn)作原理 3.結(jié)論,1.履帶機(jī)器人的結(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)器人主要性能設(shè)計(jì)參數(shù)如表格：,履帶機(jī)器人的車體尺寸如下圖：,2.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)通過減速器的降速，以實(shí)現(xiàn)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?行星輪減速器,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。其基本功用是增扭、降速和改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向，即增大由傳動(dòng)軸或直接從變速器傳來的轉(zhuǎn)矩，并將轉(zhuǎn)矩合理的分配給左右驅(qū)動(dòng)車輪。,后軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),雙電機(jī)差速轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)機(jī)器人在行駛過程中，經(jīng)常需要改變行駛方向，本機(jī)構(gòu)是通過兩個(gè)電機(jī)的差速比來實(shí)現(xiàn)的。,履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)其動(dòng)力部分采用電機(jī)，通過齒輪副降速后帶動(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：,機(jī)器人跨越溝槽：,結(jié)論,本次設(shè)計(jì)過程牽涉到所學(xué)知識(shí)的方方面面，通過自己的設(shè)計(jì)思路， 一方面對(duì)以前所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了溫故，其次也為日后從事工程實(shí)踐工作 奠定了一定的基礎(chǔ)。 設(shè)計(jì)中，我對(duì)履帶機(jī)器人的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、性能要求進(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)行了必要的闡析。而一個(gè)設(shè)計(jì)的好壞與否，在很大程度上取決于這個(gè)設(shè)計(jì)方案選取是否得當(dāng)、相關(guān)參數(shù)的計(jì)算是否準(zhǔn)確等等，諸如這些在本次的設(shè)計(jì)過程中都得到了具體的體現(xiàn)。另外，為確保設(shè)計(jì)出的履帶機(jī)器人能達(dá)到越障過坑等功能，我們勢(shì)必還要對(duì)履帶機(jī)器人的相關(guān)部件進(jìn)行一些必要的校核，以最終確定此設(shè)計(jì)是否可以完成這些功能。 通過對(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)果基本上能夠符合設(shè)計(jì)要求這一結(jié)果。,THE END,,謝謝觀賞,本片仍存在很多不足之處 請(qǐng)老師指正,履帶式機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY
本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）
題目： 履帶式機(jī)器人移動(dòng)底盤設(shè)計(jì)
學(xué) 院： 工學(xué)院
姓 名：
學(xué) 號(hào)：
專 業(yè)： 農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化
年 級(jí)：
指導(dǎo)教師： 職 稱：副教授
年 月
摘 要
在微小型履帶機(jī)器人方面美國走在了世界的前列，代表機(jī)器人有Packbot機(jī)器人，Talon機(jī)器人，NUGV等。
我國微小型機(jī)器人的研究和開發(fā)晚于西方的一些發(fā)達(dá)國家，我國是從20世紀(jì)80年代開始機(jī)器人領(lǐng)域的研究的。其中具有代表性的有中國科學(xué)院研制的復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人“靈晰-B”型排爆機(jī)器人，“龍衛(wèi)士Dragon Guard X3B 反恐機(jī)器人”，“JW-901 排爆機(jī)器人”等。
此設(shè)計(jì)的目的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎，能實(shí)現(xiàn)過坑、越障等動(dòng)作。通過在機(jī)器人機(jī)架上加裝其他功能的模塊來實(shí)現(xiàn)不同的使用功能，本研究的意義是為機(jī)器人提供一個(gè)動(dòng)力輸出平臺(tái)，為開發(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)來調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而達(dá)到輔助過坑、越障等動(dòng)作。經(jīng)過合理的設(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：履帶機(jī)器人;履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu);模塊化設(shè)計(jì)
Abstract
In terms of micro small crawler robots walk in the forefront of the world in the United States, on behalf of the robot has disposal robot, Talon robot, NUGV, etc.
Miniature robot research and development in our country later than some developed western countries, our country from the 1980 s began to research in the field of robot. One of the typical composite mobile robot developed by the Chinese academy of sciences \"norm of spirit - B\" type eod robots, \"Dragon Guard Dragon Guard X3B anti-terrorism robot\", \"JW - 901 eod robot\", etc.
The design is novel, the purpose of this design can achieve pit, surmounting obstacles. Through in the robot arm with other function modules to realize different use function, the significance of this study is to provide a power output for robot platform, provides the basis for the development of all sorts of function of robot platform.
This design is the choice of mobile solutions adopted crawler drive structure. Structure of the overall use of modular design, in order to follow-up maintenance, removal can be adapted to various complicated road, and can turn on either side of the rocker arm before and after active control to regulate the robot's motion, so as to achieve auxiliary pit, surmounting obstacles. After reasonable design robots will have good environmental adaptability, mobility and can absorb a certain amount of drop impact, this design of the mobile mechanism is mainly composed of four parts: the driving wheel deceleration institutions, wing rotating mechanism, adaptive pavement actuators, track and track wheel motion mechanism.
Keywords: tracked robot; tracked mobile mechanism;the modular design
目 錄
摘 要 2
1 引言 5
2 履帶機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展 6
3 履帶機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性 9
4 本研究采用的行走機(jī)構(gòu) 12
4.1 行走機(jī)構(gòu)的選擇 12
4.2 履帶機(jī)器人的功能、性能指標(biāo)與設(shè)計(jì) 13
4.3 主要機(jī)構(gòu)的工作原理 14
5 機(jī)器人越障分析 15
5.1 跨越臺(tái)階 15
5.2 跨越溝槽 16
5.3 斜坡運(yùn)動(dòng)分析 17
6 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)主履帶電機(jī)的選擇 19
6.1 機(jī)器人在平直的路上行駛 19
6.2 機(jī)器人在30°坡上勻速行駛 20
6.3 機(jī)器人的多姿態(tài)越階 21
7 移動(dòng)機(jī)構(gòu)的分析及其選擇 23
7.1 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析 23
7.2 本研究采用的移動(dòng)機(jī)構(gòu) 27
8 履帶部分設(shè)計(jì) 28
8.1 履帶的選擇 28
8.2 確定主從動(dòng)輪直徑 31
8.5 功率驗(yàn)算 38
8.6 同步帶的物理機(jī)械性能 38
8.7 履帶主從動(dòng)輪設(shè)計(jì) 39
8.8 副履帶部分設(shè)計(jì) 42
9履帶翼板部分設(shè)計(jì) 47
9.1 履帶翼板的作用 47
9.2 履帶翼板設(shè)計(jì) 47
10 計(jì)算履帶裝置的重心及其各部件重心 49
10.1 主履帶的重心計(jì)算 49
10.2 副履帶的重心計(jì)算 54
10.3 主履帶及其搖臂也就是副履帶總部分的重心計(jì)算 55
總 結(jié) 56
致 謝 57
參考文獻(xiàn) 57
1 引言
隨著社會(huì)的發(fā)展，我們面臨的自身能力、能量的局限越來越多，所以我們創(chuàng)造了各種類型的機(jī)器人來輔助或代替我們完成任務(wù)。
履帶式機(jī)器人包括偵察機(jī)器人、巡邏機(jī)器人、爆炸處理機(jī)器人、步兵支援機(jī)器人以及復(fù)雜環(huán)境下搜救機(jī)器人等，用來代替我們進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境下完成一些如偵查、搜集資料、救援等工作，從而減少了我們工作的危險(xiǎn)系數(shù)，在我們未來的生活與工作中起到非常重要的作用。民用履帶式機(jī)器人被廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)等各種服務(wù)領(lǐng)域，如生產(chǎn)線傳輸、清掃、導(dǎo)盲和搜救復(fù)雜環(huán)境下的資料等各個(gè)方面。
但我國對(duì)機(jī)器人研究起步較晚，大多數(shù)尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段，主要的研究項(xiàng)目有：清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于1994年通過鑒定，還有上海交通大學(xué)的地面移動(dòng)消防機(jī)器人已投入使用。北京理工大學(xué)、南京理工大學(xué)等單位承擔(dān)的總裝項(xiàng)目“地面軍用機(jī)器人技術(shù)”研究是以卡車、面包車作為平臺(tái)的，是大型智能作戰(zhàn)平臺(tái)。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所的AGC和防爆機(jī)器人，中國科學(xué)院自動(dòng)化自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)于1996年研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人等。
2 履帶機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展
20世紀(jì)60年代到70年代，想到工業(yè)機(jī)器人印入腦海的便是自動(dòng)機(jī)械手。機(jī)器人移動(dòng)功能的大力研究和開發(fā)是20世紀(jì)80年代以后才開始，現(xiàn)在作為移動(dòng)機(jī)器人而研制的移動(dòng)機(jī)械類型已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了機(jī)械手。尤其是履帶式機(jī)器人，不僅是生物體中沒見過的移動(dòng)形態(tài)，而且能夠在復(fù)雜的環(huán)境下行進(jìn)。
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，通過控制搖臂的角度來改變自身高度以達(dá)到越障過坑功能是這種機(jī)器人的最大特點(diǎn)。對(duì)于這些問題可歸結(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。
下面是各國研發(fā)的一些履帶式可變形機(jī)器人：
（1） 美國的拆彈專家：
如圖2-1、2-2、2-3、2-4所示，這是美國iRobot的一種較小型“PackBot”機(jī)器人，現(xiàn)服役于美國軍隊(duì)，它搭配了一個(gè)爆炸物感應(yīng)系統(tǒng)，能有效地探測(cè)炸彈。
圖2-3這種iRobot SUGV的機(jī)器人是一種小型地面探測(cè)車，重量?jī)H為30磅。
圖2-4是iRobot生產(chǎn)的“Warrior”機(jī)器人配備了兩個(gè)全自動(dòng)、自動(dòng)裝彈、可遙控的12桿機(jī)搶，重量為250磅。
圖2-1 RackBot準(zhǔn)備展開 圖2-2 RackBot伸展情況
圖2-3 SUGV機(jī)器人 圖2-4 Warrior機(jī)器人
（2） 德國telemax防爆機(jī)器人：僅在一兩年前，德國公司出品了一款防爆機(jī)器人，現(xiàn)在2006年的新一代機(jī)器人已經(jīng)上市了，其結(jié)構(gòu)比以前的更加輕便，體積更小。這款機(jī)器人依靠一個(gè)靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機(jī)器人一樣的功能。
圖2-5 telemax行走姿勢(shì) 圖2-6最緊湊姿勢(shì)
通過對(duì)國內(nèi)外六履帶擺臂式搜救機(jī)器人的分析，可以看出六履帶擺臂式搜救機(jī)器人今后的發(fā)展有以下幾個(gè)方面的趨勢(shì)：
（1）結(jié)構(gòu)上，趨向小型、微型。
（2）運(yùn)動(dòng)上，趨向全方位，更靈活，更具自主性。（3）在用途上，趨向于功能多功能化。
3 履帶機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)特性
（1）平面運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)彎
平面運(yùn)動(dòng)及轉(zhuǎn)彎是最基本的運(yùn)動(dòng)方式，當(dāng)兩側(cè)的履帶同向等速運(yùn)動(dòng)時(shí)，則表現(xiàn)為直線行走，當(dāng)兩側(cè)履帶反向等速運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)原地零半徑回轉(zhuǎn)，而不同速度同向運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)任意半徑轉(zhuǎn)向。
圖3-7（a）、圖3-7（b）為四擺臂履帶單元同時(shí)著地，使機(jī)器人與地面的接觸面積增大，可以使機(jī)器人適應(yīng)松軟、泥濘和凹凸不平等各種地形環(huán)境；
圖3-1（a） 圖3-1（b）
圖3-1（c）、圖3-1（d）、圖3-1（e）中當(dāng)遇到小坡度的斜坡時(shí)，可直接爬坡而不必采取其他動(dòng)作，從而可減少對(duì)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)要求；
圖3-1（c） 圖3-1（d） 圖3-1（e）
圖3-1（f） 為四擺臂單元向上擺到中間位置，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人小空間轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。
圖3-1（f）
機(jī)器人爬坡時(shí)，姿態(tài)可以轉(zhuǎn)變成圖3-1（g）。當(dāng)坡度較大時(shí)，則圖3-1（h）和圖3-1（i）是較好的姿態(tài)，這兩種方式可使機(jī)器人重心位于穩(wěn)定狀態(tài)，從而保證機(jī)器人順利爬坡。
圖3-1（g） 圖3-1（h） 圖3-1（i）
（2） 自撐起及涉水
機(jī)器人的主要控制系統(tǒng)和檢測(cè)元件則安裝在中間箱體中，為了避免在運(yùn)動(dòng)中被損壞，機(jī)器人可以通過4個(gè)擺臂單元向下擺動(dòng)，抬高中間箱體的高度。且其以各自不同的擺動(dòng)角度向下擺動(dòng)時(shí)可使機(jī)器人變換成各種姿態(tài)，從而使中間箱體在允許變化的高度范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)變，從而使機(jī)器人完成涉水的動(dòng)作。
（3） 越障
機(jī)器人利用擺臂前攻角進(jìn)行越障，由于機(jī)器人擺臂能把車體抬起，所以可越過高于自身高度的障礙物。圖示（a）-（h）表示機(jī)器人越過高障礙物的一般過程。履帶利用齒形對(duì)障礙物的抓爬力來向上攀爬，同時(shí)后擺臂向下擺動(dòng)以使車體抬高，當(dāng)擺到與地面垂直時(shí)后擺臂停止擺動(dòng)。當(dāng)主履帶爬到障礙物上面時(shí)，前擺臂向前向下擺動(dòng)支起車體，機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)，直到其重心越過臺(tái)階。重心越過臺(tái)階后，前擺臂向前向上擺動(dòng)直到與地面貼合，同時(shí)后擺臂向后向上擺動(dòng)與車體成一后攻角為止，此時(shí)機(jī)器人已越上臺(tái)階。整個(gè)過程中，履帶始終向前爬行。
圖3-2救災(zāi)機(jī)器人越障過程
4 本研究采用的行走機(jī)構(gòu)
4.1 行走機(jī)構(gòu)的選擇
本文履帶機(jī)器人移動(dòng)系統(tǒng)采用的是履腿式復(fù)合結(jié)構(gòu)，總體設(shè)計(jì)方案如圖2-4所示。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)器人前臂和后臂各有一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)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，穩(wěn)定性將更好。
機(jī)器人車體左右兩邊履帶各有永磁式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，控制前軸和后軸的速度、力矩，可實(shí)現(xiàn)原地360°轉(zhuǎn)向，前進(jìn)時(shí)的自由轉(zhuǎn)向，隨時(shí)調(diào)解爬坡時(shí)的力矩大小。在車體主履帶前端是慣性軸，與主動(dòng)軸配合，保證機(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4-1 履帶式機(jī)器人移動(dòng)底盤組成
4.2 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)
六節(jié)履腿式結(jié)構(gòu)
自重
50Kg
載荷
〉50Kg
搭載接口
二維隨動(dòng)搭載平臺(tái)
結(jié)構(gòu)尺寸
1205*624*380
平地最大速度速度
0.5m/s
正常速度
0.3m/s
最大通過坡度
30°
通過能力
能通過復(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
前臂履帶末端直徑
80mm
后臂履帶末端直徑
80mm
機(jī)器人車體具體尺寸如圖4-2：
圖4-2 機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)尺寸
4.3 主要機(jī)構(gòu)的工作原理
減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是電動(dòng)機(jī)通過行星輪減速器的降速，來實(shí)現(xiàn)增大轉(zhuǎn)矩、調(diào)速，通過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：筝S驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)后軸位于傳動(dòng)系的末端。其基本功用是增扭、降速和改變轉(zhuǎn)矩的傳遞方向。
轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)機(jī)器人在行駛過程中，經(jīng)常需要改變行駛方向，本機(jī)構(gòu)是通過兩個(gè)電機(jī)的差速比來實(shí)現(xiàn)的。
動(dòng)力部分采用電機(jī)，通過齒輪副降速后帶動(dòng)低速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，軸與履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)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)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不同角度的爬坡和越障能力。
5 機(jī)器人越障分析
5.1 跨越臺(tái)階
當(dāng)機(jī)器人在爬越臺(tái)階時(shí)，機(jī)器人履帶底線與地面之間的夾角將慢慢增大，當(dāng)重心越過臺(tái)階的支撐點(diǎn)時(shí)，則完成了爬越臺(tái)階的動(dòng)作。由運(yùn)動(dòng)過程可以看出，圖5-1重心的位置處于臨界狀態(tài)，機(jī)器人重心只有越過臺(tái)階邊緣，機(jī)器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機(jī)器人的最大越障高度。
圖5-1上臺(tái)階臨界狀態(tài)示意圖
由圖5-1所示幾何關(guān)系可得：
( 5-1）
變換式（5-1）可得： （5-2）
（5-3）
利用式（5-3）求出，代入式（6-2）可算出機(jī)器人跨越障礙的高度。
機(jī)器人加裝后臂，可以大幅提高機(jī)器人跨越臺(tái)階的高度，如圖5-2所示，在后臂伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，后臂履帶抬起，成直立，在機(jī)器人跨越的高度又要高出H。
所以本次設(shè)計(jì)履帶設(shè)計(jì)中機(jī)器人跨越障礙的最大高度為
圖5-2上臺(tái)階臨界狀態(tài)示意圖
5.2 跨越溝槽
對(duì)于小于機(jī)器人前后履帶輪中心距的溝槽，因機(jī)器人重心在機(jī)器人車體內(nèi)，當(dāng)機(jī)器人重心越過下一個(gè)溝槽的支撐點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人就越過了溝槽。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內(nèi)。當(dāng)溝槽大于中心距時(shí)，履帶式機(jī)器人可以看做爬越凸臺(tái)障礙。履帶式移動(dòng)機(jī)器人跨越溝槽時(shí)，當(dāng)重心越過溝槽邊緣時(shí)，受重力作用，機(jī)器人將產(chǎn)生前傾現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。由機(jī)器人質(zhì)心變化規(guī)律可知機(jī)器人重心在以r為半徑的圓內(nèi)，由于擺臂展開后機(jī)器人履帶與地接觸長(zhǎng)度變大，為了計(jì)算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應(yīng)處于展開狀態(tài)。機(jī)器人前臂和后臂的長(zhǎng)度相等。
圖5-3跨越溝槽示意圖
機(jī)器人在平地圖5-3（a）跨越溝槽的寬度：
（6-4）
5.3 斜坡運(yùn)動(dòng)分析
機(jī)器人在斜坡上運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受力情況如圖5-4所示，機(jī)器人勻速行駛或靜止時(shí)，其驅(qū)動(dòng)力： （6-5）
圖5-4機(jī)器人上坡受力示意圖
最大靜摩擦力系數(shù)為，最大靜摩擦力為：
（6-6）
當(dāng)時(shí)，機(jī)器人能平穩(wěn)行駛。
當(dāng)時(shí)，機(jī)器人受重力的影響將沿斜面下滑。
已知履帶機(jī)器人對(duì)地面的最大靜摩擦系數(shù)，則機(jī)器人爬越的最大坡度為: （6-7）
爬坡時(shí)克服摩擦力所需的最大加速度為：
（6-8）
通過上述分析，可以根據(jù)機(jī)器人履帶與運(yùn)動(dòng)面的摩擦系數(shù)來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據(jù)坡度和電機(jī)的特性，確定其運(yùn)動(dòng)過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。
由以上計(jì)算可得：機(jī)器人的爬坡角度最大為；垂直越障高度最大為600mm：最大跨溝寬度為400mm。
6 機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)主履帶電機(jī)的選擇
對(duì)于履帶和地面的動(dòng)摩擦因數(shù)，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)的滑動(dòng)摩擦力，一旦車輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)，面臨的滾動(dòng)摩擦力則總是比滑動(dòng)摩擦力小得多。則可取大一點(diǎn)。
6.1 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6-1 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)過減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn)速為
6.2 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6-2 30°坡度分析
又，則
則在最大坡度下需提供極限轉(zhuǎn)矩為
6.3 機(jī)器人的多姿態(tài)越階
對(duì)這幾種姿態(tài)分析，機(jī)器人在跨越臺(tái)階時(shí)直流電機(jī)只驅(qū)動(dòng)主履帶，機(jī)器人在實(shí)際跨越臺(tái)階過程中速率不大，那么機(jī)器人所需提供的輸出功率也不大。
由以上分析可知，機(jī)器人平地直線運(yùn)動(dòng)時(shí)要求的驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較大，而爬坡時(shí)需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩較大。因此，在選電機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)平地直線運(yùn)動(dòng)所求的最大轉(zhuǎn)速和爬坡運(yùn)動(dòng)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)
額定功率
92
額定轉(zhuǎn)矩
0.6
額定轉(zhuǎn)速
1500
電流
7
電壓
12
允許正反轉(zhuǎn)速差
150
圖7-3 直流電機(jī)數(shù)據(jù)
因?yàn)? 則
因?yàn)? 則
又
則選取
7 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)?？梢妭鲃?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。
7.1 典型移動(dòng)機(jī)構(gòu)分析
機(jī)器人按移動(dòng)方式分主要有輪式、履帶式、腿足式三種，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。
7.1.1 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)
輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)是最為普通的運(yùn)動(dòng)方式，輪式機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)普遍具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、節(jié)能、靈活的特點(diǎn)，同時(shí)具有自重輕、不損壞路面、作業(yè)循環(huán)時(shí)間短和效率高等優(yōu)勢(shì)。并且編程簡(jiǎn)單可靠性高，每個(gè)輪子都可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。與履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比，當(dāng)跨越不平坦地形時(shí)，輪式機(jī)器人則存在明顯的不足，其穩(wěn)定性和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性完全依賴于環(huán)境本身的狀況，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。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)按輪的數(shù)量可分為2輪、3輪、4輪、6輪、8輪。該結(jié)構(gòu)有一定的局限性，只能在相對(duì)平坦、表面較硬的路面上行駛，如遇到軟性地面容易打滑、沉陷，但可根據(jù)具體地面環(huán)境采用一些預(yù)防措施來緩解該類情況的出現(xiàn)，如圖7-1所示。
圖7-1輪式移動(dòng)裝置示意圖
7.1.2 腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)
腿足式移動(dòng)機(jī)構(gòu)分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)有：
(1)腿式機(jī)器人的地形適應(yīng)能力強(qiáng)。
(2)腿式機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度，運(yùn)動(dòng)更具有靈活性，通過調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)度可以控制機(jī)器人重心位置，因此不易翻倒，穩(wěn)定性更高；
(3)腿式機(jī)器人的身體與地面分離，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)器人身體可以平穩(wěn)地運(yùn)動(dòng)而不必考慮地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移動(dòng)機(jī)器人如圖7-2所示，特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，越野能力強(qiáng)。
腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)缺點(diǎn)有：
該類機(jī)器人的移動(dòng)速度慢，機(jī)動(dòng)性較差．負(fù)載不能太重；
腿式機(jī)器入對(duì)地面適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)靈活性需要進(jìn)一步提高；
腿式機(jī)器人控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，控制方法還有待完善；
該機(jī)構(gòu)未進(jìn)入實(shí)用化階段。
圖7-2八腿機(jī)器人
圖7-3六履機(jī)器人
7.1.3 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，移動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)在于機(jī)動(dòng)性能好、越野性能強(qiáng)，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量大、摩擦阻力大，機(jī)械效率低，在自身重量比較大的情況下會(huì)對(duì)路面產(chǎn)生一定的破壞。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)比較輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
(1)撐面積大、接地比壓小、滾動(dòng)阻尼小、通過性比較好；
(2)越野機(jī)動(dòng)性能好，爬坡越溝等性能均優(yōu)于輪式結(jié)構(gòu)；
(3)履帶支撐面上有履齒不打滑，牽引附著性能好；
(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。
六履帶機(jī)器人車體前后各有一對(duì)履帶鰭，可以輔助翻越障礙，運(yùn)動(dòng)十分靈活。
7.1.4 履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)
履腿復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)合了履帶式和腿式兩種移動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，在地面適應(yīng)性能、越障性能方面有良好表現(xiàn)。履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)地面適應(yīng)性能好，在復(fù)雜的野外環(huán)境中能通過各種崎嶇路面，它的活動(dòng)范圍廣，性能可靠，使用壽命長(zhǎng)，輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無法與其比擬，適合作為機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)；傳統(tǒng)履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)往往是兩條履帶與車身相對(duì)固定，很大程度上限制了機(jī)器人地形適應(yīng)能力，為了解決該問題履式移動(dòng)系統(tǒng)中引入了關(guān)節(jié)履帶機(jī)構(gòu)，兩條履帶不再相對(duì)車體固定而是能繞車身轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣能大大提高機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，但履、腿復(fù)合機(jī)構(gòu)本身存在著一定的不足如結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)控制困難等。
7.1.5 輪、履、腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)性能比較
車輪式，履帶式、腿足式移動(dòng)系統(tǒng)性能比較見表7-1示：
表7-1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
7.2 本研究采用的移動(dòng)機(jī)構(gòu)
本研究的的機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用了履帶式。如圖7-4所示，這種機(jī)構(gòu)中的移動(dòng)履帶的作用，在復(fù)雜環(huán)境中起傳遞動(dòng)力作用。后移動(dòng)輪為主動(dòng)輪，前移動(dòng)輪為從動(dòng)輪，二者通過移動(dòng)履帶來傳遞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)同運(yùn)動(dòng)。
圖7-4輪履復(fù)合式移動(dòng)機(jī)構(gòu)
8 履帶部分設(shè)計(jì)
8.1 履帶的選擇
對(duì)于履帶基于標(biāo)準(zhǔn)化的思考，我們選擇了梯形雙面齒同步帶作為設(shè)計(jì)履帶，其具有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪間無相對(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)的線速度可達(dá)50m/s，傳動(dòng)比可達(dá)10，效率可達(dá)98％。傳動(dòng)噪音比帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)小，耐磨性好，不需油潤(rùn)滑，壽命比摩擦帶長(zhǎng)。
因?yàn)橥綆鲃?dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動(dòng)比范圍大等優(yōu)點(diǎn)，所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦。傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，無污染，因此可在工作環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所下正常工作。
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.
8.1.1 功率的計(jì)算
式中K--載荷修正系數(shù)（有工作機(jī)性能和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間查表8-1可以得到）
表8-1修正載荷系數(shù)K
工作機(jī)
運(yùn)行時(shí)間（小時(shí)/日）
3~5
8~10
16~24
計(jì)算機(jī)，醫(yī)療機(jī)
1.0
1.2
1.4
縫紉機(jī)，辦公機(jī)械
1.2
1.4
1.6
輕傳送機(jī)，包裝機(jī)
1.3
1.5
1.7
攪拌機(jī)，造紙機(jī)
1.4
1.6
1.8
印刷機(jī)，圓形帶鋸
1.4
1.6
1.8
8.1.2 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，由圖8-1查得型號(hào)選用XH型，對(duì)應(yīng)節(jié)距=22.225mm，圖8-2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。XH型同步帶=2.794mm，=15.49
圖8-1梯形齒同步帶，輪選型圖
圖8-2梯形齒形狀圖
本裝置選擇的梯形BD型XH同步帶的具體參數(shù)如下表8-2
表8-2 梯形齒標(biāo)準(zhǔn)同步帶型號(hào)以及齒尺寸
8.2 確定主從動(dòng)輪直徑
對(duì)于梯形標(biāo)準(zhǔn)同步帶來說小帶輪的齒數(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8-3查的
表8-3小帶輪的最小齒數(shù)
小帶輪轉(zhuǎn)速
XL
L
H
XH
XHH
<900
10
12
14
22
22
900-1200
10
12
16
24
24
1200-1800
12
14
18
20
26
1800-3600
12
16
20
22
30
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大，故取履帶主動(dòng)輪直徑=169mm，履帶從動(dòng)輪直徑=169mm。
查表8-4，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8-4XH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h
22XH
22
155.64
152.84
167
138
4.5
23XH
23
162.71
159.92
174
145
4.5
24XH
24
169.79
166.99
181
152
4.5
25XH
25
176.86
174.07
188
159
4.5
26XH
26
183.94
181.14
195
166
4.5
27XH
27
191.01
188.22
202
173
4.5
28XH
28
198.08
195.29
209
180
4.5
同步帶都有自己的極限速度，如果速度過大會(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8-5得
表8-5梯形齒同步帶極限速度
型號(hào)
MXL,XXL,XL,T2.5，T5，3M
L,H,T10，8M,14M
XH,XXH,
T20，20M
模數(shù)
1,1.5,
2,2.5
3,4，
5
7,10
40-50
35-40
25-30
8.3 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)帶的循環(huán)次數(shù)，有利于提高帶的壽命，但是中心距過大，則會(huì)加劇帶的波動(dòng)，降低帶的傳動(dòng)平穩(wěn)性，同時(shí)增大帶傳動(dòng)的整體尺寸，中心距過小，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
由于履帶機(jī)器人工作的環(huán)境限制，所設(shè)計(jì)的尺寸不宜過大，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)來計(jì)算，根據(jù)下式求得：
代入=400mm，=169.79mm，=169.79mm有
1350.79mm，
根據(jù)表8-6就近圓整=1422.40mm型號(hào)為560XH，同步帶齒數(shù)為64。
表8-6 XH型同步帶節(jié)線型號(hào)
XH型（節(jié)距=22.225mm）
規(guī)格
節(jié)線長(zhǎng)mm
齒數(shù)
463XH
1177.93
53
508XH
1289.05
58
560XH
1422.40
64
570XH
1444.63
65
580XH
1466.85
66
630XH
1600.20
72
700XH
1778.00
80
735XH
1866.90
84
752XH
1911.35
86
770XH
1955.80
88
785XH
2008.70
90
8.4 確定設(shè)計(jì)功率為時(shí)所需的帶寬
8.4.1 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8-4得=4048.90N
單位長(zhǎng)度質(zhì)量，查表8-7得=1.484Kg/m
線速度m/s
表8-7七種同步帶型號(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
MXL
2.03
6.4
3.0，4.8，6.4
XXL
3.175
6.4
31
0.010
3.0，4.8，6.4
XL
5.080
9.5
50.17
0.022
6.4，7.9，9.5
L
9.525
25.4
244.46
0.095
12.7，19.1，25.4
H
12.70
76.2
2100.85
0.448
25.4，38.1，50.8
XH
22.225
101.6
4048.90
1.484
50.8，76.2，101.6
XXH
31.75
127.0
6398.03
2.473
76.2，101.6，127.0
帶入上式得
8.4.2 計(jì)算主動(dòng)輪嚙合齒數(shù)
小帶輪的嚙合齒數(shù)為
8.4.3 確定實(shí)際所需帶寬
其中為嚙合系數(shù)由表8-8查的
=1
表8-8嚙合齒數(shù)系數(shù)
5
4
1
0.8
0.6
式中帶所傳遞的功率=2.024kw
本履帶選用為XH帶，可以由表8-9查的基準(zhǔn)帶寬
如下
表8-9周節(jié)制梯形齒同步帶的寬度
型號(hào)
MXL
XXL
XL
L
H
XH
XXH
基準(zhǔn)寬度mm
6.4
6.4
9.5
25.4
76.2
101.6
127
許用拉力T
27
31
50.17
244.46
2100.85
4048.90
6398.03
帶的質(zhì)量m
0.007
0.01
0.022
0.095
0.448
1.484
2.473
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，表8-10查的
將其取為標(biāo)準(zhǔn)值
8-10周節(jié)制梯形同步帶的寬度與高度
型號(hào)
公稱高度
標(biāo)準(zhǔn)寬度
mm
in
mm
in
代號(hào)
H
4.3
0.17
50.8
2
200
76.2
3
300
XH
11.2
0.44
76.2
3
300
101.6
4
400
XXH
15.7
0.62
101.6
4
400
127
5
500
XXL
1.52
__
4.8
--
4.8
6.4
--
6.4
8.5 功率驗(yàn)算
,額定功率大于設(shè)計(jì)功率，則帶的傳動(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
8.6 同步帶的物理機(jī)械性能
本履帶式機(jī)器人選用XH帶，其物理機(jī)械如下
表8-11同步帶的物理機(jī)械性能
項(xiàng)目
梯形齒
XH
L
H
XH
XXH
拉伸強(qiáng)度
80
120
270
380
450
參考力
伸長(zhǎng)率
參考力N
60
90
220
300
360
伸長(zhǎng)
40
硬度
755
包布粘合強(qiáng)度
5
6.5
8
10
12
芯繩粘合強(qiáng)度
200
380
600
800
1500
齒體剪切強(qiáng)度
50
60
70
75
90
8.7 履帶主從動(dòng)輪設(shè)計(jì)
8.7.1 履帶輪材料選擇
為了減輕履帶驅(qū)動(dòng)裝置的重量，我們選擇硬鋁合金作為履帶主、從動(dòng)輪的材料，硬鋁合金具有密度小，質(zhì)量低，強(qiáng)度高，硬度高，耐熱性好的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足設(shè)計(jì)性能要求。
8.7.2 履帶輪形狀及主要尺寸的確定
履帶和帶輪的嚙合方式見圖8-3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8-3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。
8.7.3 履帶輪齒形及齒面寬度的選擇
根據(jù)圖8-4可以查得XH型梯形雙面齒同步帶輪齒形尺寸如下
圖8-4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8-12可以查出以上數(shù)據(jù)。
表8-12梯形雙面齒同步輪齒形尺寸
型號(hào)
節(jié)距
MXL
2.032
0.840.05
0.69
20
0.35
0.13
0.508
XL
5.080
1.320.05
1.65
25
0.41
0.64
0.508
L
9.525
3.050.10
2.67
20
1.19
1.17
0.762
H
12.7
4.190.13
3.05
20
1.60
1.6
1.372
XH
22.225
7.900.15
7.14
20
1.98
2.39
2.794
XXH
31.750
12.170.18
10.31
20
3.96
3.18
3.048
根據(jù)前面確定的寬度為76.2，及所選擇的無檔邊帶輪查表8-13可得到梯形雙面齒同步帶輪齒面寬度=83.8。
表8-13同步帶輪齒面寬度尺寸參考表
型號(hào)
同步帶寬度
齒輪面寬度
代號(hào)
帶寬
雙面檔邊帶輪
單面檔邊帶輪
無檔邊帶輪
XH
200
50.8
56.6
62.2
59.6
300
76.2
83.8
89.8
86.9
400
101.6
110.7
116.7
113.7
8.7.4 履帶輪所允許的公差
兩輪所允許的公差如表8-14所示
表8-14允許公差表
項(xiàng)目
小輪
大輪
外徑偏差
+0.15
0
+0.15
0
任意兩相鄰點(diǎn)
節(jié)距
偏差
90度弧內(nèi)的累積
0.03
0.15
0.03
0.15
外圓徑向圓跳動(dòng)
0.13
0.15
外圓端面圓跳動(dòng)
0.19
0.26
輪齒與軸線平行度
齒頂圓柱面的圓柱度
0.09
0.11
軸孔直徑偏差
H7或H8
H7或H8
外圓及兩齒側(cè)表面粗糙度
3.2
3.2
8.8 副履帶部分設(shè)計(jì)
因?yàn)橥綆鲃?dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，無滑差，傳動(dòng)平穩(wěn)，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。傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，適宜于多軸傳動(dòng)，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)所下正常工作。
從以上對(duì)同步帶性能的分析看出其性能的優(yōu)越性，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。副履帶的設(shè)計(jì)是依照主履帶的設(shè)計(jì)進(jìn)行的，具有異曲同工之妙。
而副履帶相對(duì)了主履帶來說，它是輔助作用，幫助移動(dòng)平臺(tái)具有更出色的越野性能，更擅長(zhǎng)于攀爬和越溝。自然它的環(huán)境不如主履帶惡劣，并且所承受的載荷也比較輕一些，所以我給予選擇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)，則參照表8-15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)
表8-15標(biāo)準(zhǔn)同步帶的直徑
8.8.1 計(jì)算副履帶的帶寬
根據(jù)前面的表8-7查得到：
H帶
選擇標(biāo)準(zhǔn)帶由表8-9差查得
H帶
8.8.2 計(jì)算H帶的基準(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
8.8.3 中心距的選擇
則確定中心距
8.8.4 計(jì)算副履帶節(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
8-16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
L
H
XH
XXH
345
876.30
0.66
92
--
--
--
360
914.40
--
72
--
--
367
933.45
98
--
--
---
390
990.60
104
78
--
--
420
1066.80
0.76
112
84
--
--
9履帶翼板部分設(shè)計(jì)
9.1 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。
9.2 履帶翼板設(shè)計(jì)
翼板的主要尺寸見圖9-1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圖9-1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9-1翼板主要尺寸
10 計(jì)算履帶裝置的重心及其各部件重心
10.1 主履帶的重心計(jì)算
10.1.1 翼板質(zhì)量
由圖9-1翼板主要尺寸，翼板的設(shè)計(jì)厚度為18mm，可參考圖10-1翼板三維效果圖，可以求出翼板的體積，翼板材料為硬質(zhì)合金，密度為2.7
求翼板體積
由于翼板外形較為復(fù)雜，直接求其體積較為復(fù)雜，可用ProE建立翼板模型見圖10-2，用其質(zhì)量特性測(cè)得翼板的體積。
圖 10-1翼板的三維效果圖
圖10-2 求解翼板體積
10.1.2 履帶從動(dòng)輪質(zhì)量
由前面選擇的履帶從動(dòng)輪型號(hào)為24XH，徑圓直徑=169.8mm，則=84.9mm，從動(dòng)輪通過圓柱滾子軸承與翼板連接，選擇圓柱滾子軸承外徑D=90mm，輪寬履帶從動(dòng)輪材料選擇硬質(zhì)合金，其密度2.7。
10.1.3 張緊輪，調(diào)節(jié)輪質(zhì)量
由于梯形雙面齒同步帶在工作一定時(shí)間后會(huì)發(fā)生松弛，為了防止同步帶輪因同步帶松弛而發(fā)生打滑現(xiàn)象，可以通過調(diào)節(jié)張緊輪的高度使履帶繼續(xù)保持張緊。
當(dāng)履帶驅(qū)動(dòng)裝置工作時(shí)，由于梯形雙面齒同步帶具有彈性，履帶轉(zhuǎn)動(dòng)與路面接觸難以形成有效的摩擦力，在履帶主動(dòng)輪和履帶從動(dòng)輪之間增加兩個(gè)調(diào)節(jié)輪，可以有效地增加履帶與路面的接觸面積，從而增大履帶的摩擦力，提高履帶驅(qū)動(dòng)裝置工作效率。
設(shè)計(jì)張緊輪和調(diào)節(jié)輪，在滿足性能要求的前提下，為了減輕重量，張緊輪和調(diào)節(jié)輪的材料選用硬鋁合金。
10.1.4 求履帶驅(qū)動(dòng)裝置重心
對(duì)于整個(gè)履帶驅(qū)動(dòng)裝置，求解其重心比較復(fù)雜，通過分析可以看出履帶驅(qū)動(dòng)裝置是由三個(gè)簡(jiǎn)單形狀的部分組成的，故可以用重心分割法首先分別求出簡(jiǎn)單形狀的重心，再通過公式算出履帶驅(qū)動(dòng)裝置的重心位置。
根據(jù)圖10-1翼板的設(shè)計(jì)重心在其中心線，翼板材料均勻，故可以設(shè)其中心在其對(duì)稱中心線上。
張緊輪在翼板的中心面上，兩個(gè)調(diào)節(jié)輪相對(duì)于翼板中心面對(duì)稱，故在求這三個(gè)輪的重心時(shí)，可以把它們看成等邊三角形模型。
履帶從動(dòng)輪為對(duì)稱輪，其重心必在其幾何中心上。
重心分割法原理：設(shè)物體由若干部分組成，其第部分的重為，重心為，則由公式，可得物體的重心為
（10-1）
如果物體是均質(zhì)的，由上式可得
（10-2）
式中為物體的體積。
對(duì)履帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)建立直角坐標(biāo)系如下圖10-3所示，坐標(biāo)原點(diǎn)O與翼板對(duì)稱中心重合，翼板方向，從動(dòng)輪中心軸線方，與，方向垂直，符合左手定則。
圖10-3重心坐標(biāo)圖
（1）翼板質(zhì)量及重心位置：
（2）履帶主動(dòng)輪和從動(dòng)輪質(zhì)量及重心位置：
（3）張緊輪，調(diào)節(jié)輪質(zhì)量及重心位置：
由于把三個(gè)輪看成等腰三角形的模型，其重心位置在 中心線上。
張緊輪的質(zhì)量
拖輪的質(zhì)量
張緊輪和拖輪的重心的計(jì)算為
主履帶張緊輪和拖輪的重心位置 {0,0,-24.18}mm
( 4 )組成主履帶的重心計(jì)算
由以上的數(shù)據(jù)綜合計(jì)算主履帶重心坐標(biāo)
對(duì)于z軸：
綜上所述可以得到主履帶重心坐標(biāo)為 {0,0，-3.14}
10.2 副履帶的重心計(jì)算
10.2.1 主從動(dòng)輪的重心坐標(biāo)
根據(jù)副履帶的主動(dòng)輪設(shè)計(jì)內(nèi)容計(jì)算主動(dòng)輪的體積
主動(dòng)輪的質(zhì)量
從動(dòng)輪的體積計(jì)算
從動(dòng)輪的質(zhì)量計(jì)算
副履帶主從動(dòng)輪形成的整體的重心為
10.2.2 翼板2的重心坐標(biāo)
對(duì)于翼板2的體積的計(jì)算如下
翼板2的質(zhì)量計(jì)算
10.2.3 副履帶的重心坐標(biāo)
對(duì)于x軸
對(duì)于y軸
綜上所述副履帶的重心坐標(biāo)為{82.68,237.84,0}
10.3 主履帶及其搖臂也就是副履帶總部分的重心計(jì)算
很顯然主履帶的重量為
副履帶的重量為
重心的坐標(biāo)計(jì)算為
履帶及其搖臂部分重心坐標(biāo){21.397,61.552，-2.52}
總 結(jié)
在設(shè)計(jì)的過程中涉及到大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)，首先明確了自己的設(shè)計(jì)思路， 然后邊設(shè)計(jì)一點(diǎn)點(diǎn)撿回以前的知識(shí)，在學(xué)習(xí)的過程中再慢慢改善自己的設(shè)計(jì)思路。
設(shè)計(jì)中，我對(duì)履帶機(jī)器人的工作原理、基本結(jié)構(gòu)、性能要求進(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)行了必要的闡析。另外，為確保設(shè)計(jì)出的履帶機(jī)器人能達(dá)到越障過坑等功能，我們勢(shì)必還要對(duì)履帶機(jī)器人的相關(guān)部件進(jìn)行一些必要的校核，以最終確定此設(shè)計(jì)是否可以完成這些功能。
通過對(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)果基本上能夠符合設(shè)計(jì)要求這一結(jié)果。
致 謝
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