履带式机器人结构设计 【带图纸】

履带式机器人机构设计摘 要在微小型履带机器人方面美国走在了世界的前列，代表机器人有Packbot机器人，Talon机器人，NUGV等。 我国微小型机器人的研究和开发晚于西方的一些发达国家，我国是从20世纪80年代开始机器人领域的研究的。其中具有代表性的有中国科学院研制的复合移动机器人“灵晰-B”型排爆机器人，“龙卫士Dragon Guard X3B 反恐机器人”，“JW-901 排爆机器人”等。此设计的目的设计结构新颖，能实现过坑、越障等动作。通过在机器人机架上加装其他功能的模块来实现不同的使用功能，本研究的意义是为机器人提供一个动力输出平台，为开发各种功能的机器人提供基础平台。此设计移动方案的选择是采用了履带式驱动结构。结构整体使用模块化设计，以便后续拆卸维修，可以适应于各种复杂的路面，并可主动控制前后两侧摇臂的转动来调节机器人的运动姿态，从而达到辅助过坑、越障等动作。经过合理的设计后机器人将具有很好的环境适应能力、机动能力并能承受一定的掉落冲击，此设计的移动机构主要由四部分组成：主动轮减速机构、翼板转动机构、自适应路面执行机构、履带及履带轮运动机构。关键词：履带机器人;履带移动机构;模块化设计 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 robots 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 录摘 要21 引言52 履带机器人的现状及发展63 履带机器人的运动特性94 本研究采用的行走机构124.1 行走机构的选择124.2 履带机器人的功能、性能指标与设计134.3 主要机构的工作原理145 机器人越障分析155.1 跨越台阶155.2 跨越沟槽165.3 斜坡运动分析176 机器人移动平台主履带电机的选择196.1 机器人在平直的路上行驶196.2 机器人在30坡上匀速行驶206.3 机器人的多姿态越阶217 移动机构的分析及其选择237.1 典型移动机构分析237.2 本研究采用的移动机构278 履带部分设计288.1 履带的选择288.2 确定主从动轮直径318.5 功率验算388.6 同步带的物理机械性能388.7 履带主从动轮设计398.8 副履带部分设计429履带翼板部分设计479.1 履带翼板的作用479.2 履带翼板设计4710 计算履带装置的重心及其各部件重心4910.1 主履带的重心计算4910.2 副履带的重心计算5410.3 主履带及其摇臂也就是副履带总部分的重心计算55总 结56致 谢57参考文献571 引言 随着社会的发展，我们面临的自身能力、能量的局限越来越多，所以我们创造了各种类型的机器人来辅助或代替我们完成任务。履带式机器人包括侦察机器人、巡逻机器人、爆炸处理机器人、步兵支援机器人以及复杂环境下搜救机器人等，用来代替我们进入危险环境下完成一些如侦查、搜集资料、救援等工作，从而减少了我们工作的危险系数，在我们未来的生活与工作中起到非常重要的作用。民用履带式机器人被广泛用于工业生产等各种服务领域，如生产线传输、清扫、导盲和搜救复杂环境下的资料等各个方面。但我国对机器人研究起步较晚，大多数尚处于某个单项研究阶段，主要的研究项目有：清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定，还有上海交通大学的地面移动消防机器人已投入使用。北京理工大学、南京理工大学等单位承担的总装项目“地面军用机器人技术”研究是以卡车、面包车作为平台的，是大型智能作战平台。中国科学院沈阳自动化研究所的AGC和防爆机器人，中国科学院自动化自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统，哈尔滨工业大学于1996年研制成功的导游机器人等。2 履带机器人的现状及发展20世纪60年代到70年代，想到工业机器人印入脑海的便是自动机械手。机器人移动功能的大力研究和开发是20世纪80年代以后才开始，现在作为移动机器人而研制的移动机械类型已远远超过了机械手。尤其是履带式机器人，不仅是生物体中没见过的移动形态，而且能够在复杂的环境下行进。履带式机器人因采用履带式传动而得名。其最大特征是将圆状的循环轨道履带套在若干车轮上，使车轮不与地面直接接触，利用履带缓冲地面带来的冲击，使机器人能够适应各种路面状况。目前六履带摆臂式搜救机器人还是局限于单个或两个自由度。其主要由机械本体、控制系统、导航系统等部分组成。六履带摆臂式搜救机器人的研究涉及以下几个方面，首先是移动方式的选择，对于履带式移动机器人，可以是两履带式、四履带式、六履带式等。其次，考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的功能。再者，必须考虑导航或路径规划，如传感信息融合，特征提取，避碰以及环境映射。最后，考虑摆臂角的原理，这方面需要重点考虑，通过控制摇臂的角度来改变自身高度以达到越障过坑功能是这种机器人的最大特点。对于这些问题可归结为：机械结构设计、控制系统设计、运动学与动力学建模、导航与定位、多传感器信息融合等。下面是各国研发的一些履带式可变形机器人：（1） 美国的拆弹专家：如图2-1、2-2、2-3、2-4所示，这是美国iRobot的一种较小型“PackBot”机器人，现服役于美国军队，它搭配了一个爆炸物感应系统，能有效地探测炸弹。图2-3这种iRobot SUGV的机器人是一种小型地面探测车，重量仅为30磅。图2-4是iRobot生产的“Warrior”机器人配备了两个全自动、自动装弹、可遥控的12杆机抢，重量为250磅。 图2-1 RackBot准备展开 图2-2 RackBot伸展情况图2-3 SUGV机器人 图2-4 Warrior机器人（2） 德国telemax防爆机器人：仅在一两年前，德国公司出品了一款防爆机器人，现在2006年的新一代机器人已经上市了，其结构比以前的更加轻便，体积更小。这款机器人依靠一个灵活的小型系统有了和一些大型机器人一样的功能。 图2-5 telemax行走姿势 图2-6最紧凑姿势通过对国内外六履带摆臂式搜救机器人的分析，可以看出六履带摆臂式搜救机器人今后的发展有以下几个方面的趋势：（1）结构上，趋向小型、微型。（2）运动上，趋向全方位，更灵活，更具自主性。（3）在用途上，趋向于功能多功能化。3 履带机器人的运动特性（1）平面运动及转弯平面运动及转弯是最基本的运动方式，当两侧的履带同向等速运动时，则表现为直线行走，当两侧履带反向等速运动可实现原地零半径回转，而不同速度同向运动可实现任意半径转向。图3-7（a）、图3-7（b）为四摆臂履带单元同时着地，使机器人与地面的接触面积增大，可以使机器人适应松软、泥泞和凹凸不平等各种地形环境； 图3-1（a） 图3-1（b）图3-1（c）、图3-1（d）、图3-1（e）中当遇到小坡度的斜坡时，可直接爬坡而不必采取其他动作，从而可减少对驱动控制系统要求； 图3-1（c） 图3-1（d） 图3-1（e） 图3-1（f） 为四摆臂单元向上摆到中间位置，可实现机器人小空间转向运动。 图3-1（f）机器人爬坡时，姿态可以转变成图3-1（g）。当坡度较大时，则图3-1（h）和图3-1（i）是较好的姿态，这两种方式可使机器人重心位于稳定状态，从而保证机器人顺利爬坡。 图3-1（g） 图3-1（h） 图3-1（i）（2） 自撑起及涉水 机器人的主要控制系统和检测元件则安装在中间箱体中，为了避免在运动中被损坏，机器人可以通过4个摆臂单元向下摆动，抬高中间箱体的高度。且其以各自不同的摆动角度向下摆动时可使机器人变换成各种姿态，从而使中间箱体在允许变化的高度范围内自由转变，从而使机器人完成涉水的动作。 （3） 越障 机器人利用摆臂前攻角进行越障，由于机器人摆臂能把车体抬起，所以可越过高于自身高度的障碍物。图示（a）-（h）表示机器人越过高障碍物的一般过程。履带利用齿形对障碍物的抓爬力来向上攀爬，同时后摆臂向下摆动以使车体抬高，当摆到与地面垂直时后摆臂停止摆动。当主履带爬到障碍物上面时，前摆臂向前向下摆动支起车体，机器人继续前进，直到其重心越过台阶。重心越过台阶后，前摆臂向前向上摆动直到与地面贴合，同时后摆臂向后向上摆动与车体成一后攻角为止，此时机器人已越上台阶。整个过程中，履带始终向前爬行。图3-2救灾机器人越障过程4 本研究采用的行走机构4.1 行走机构的选择本文履带机器人移动系统采用的是履腿式复合结构，总体设计方案如图2-4所示。机器人的车体的履带作为履带式移动机构，与前臂和后臂转动相协调，增加了机器人运动灵活性。机器人前臂和后臂各有一个伺服电机驱动，通过控制系统协调配合，实现前臂和后臂的灵活转动，在机器人爬坡和越障时发挥更大作用。机器人前臂和后臂协调作用，稳定性将更好。机器人车体左右两边履带各有永磁式直流电机驱动，通过控制系统协调配合，控制前轴和后轴的速度、力矩，可实现原地360转向，前进时的自由转向，随时调解爬坡时的力矩大小。在车体主履带前端是惯性轴，与主动轴配合，保证机器人运动的平稳。1. 后摆臂及履带 2.齿轮 3.永磁式直流电机 4. 减速器 5. 蓄电池 6.微控制器及组件 7.步进电机 8. 主履带 9.前摆臂及履带 图4-1 履带式机器人结构组成4.2 履带机器人的功能、性能指标与设计履带机器人的主要设计性能参数如下：表4-1 性能参数总体结构六节履腿式结构自重50Kg载荷50Kg搭载接口二维随动搭载平台结构尺寸1205*624*380平地最大速度速度0.5m/s正常速度0.3m/s最大通过坡度30通过能力能通过复杂行道续航能力4小时以上转向能力自由转向履带高度200mm前臂履带末端直径80mm后臂履带末端直径80mm 机器人车体具体尺寸如图4-2：图4-2 机器人车体结构尺寸4.3 主要机构的工作原理减速传动机构是电动机通过行星轮减速器的降速，来实现增大转矩、调速，通过直齿轮改变轴的方向，输出后轴转矩，为机器人提供主要动力。后轴驱动机构驱动后轴位于传动系的末端。其基本功用是增扭、降速和改变转矩的传递方向。转向机构机器人在行驶过程中，经常需要改变行驶方向，本机构是通过两个电机的差速比来实现的。动力部分采用电机，通过齿轮副降速后带动低速轴的转动，轴与履带驱动机构通过导杆滑块机构连接，使履带驱动机构各自绕前后轴的中心线转动，实现机器人不同角度的爬坡和越障能力。5 机器人越障分析5.1 跨越台阶 当机器人在爬越台阶时，机器人履带底线与地面之间的夹角将慢慢增大，当重心越过台阶的支撑点时，则完成了爬越台阶的动作。由运动过程可以看出，图5-1重心的位置处于临界状态，机器人重心只有越过台阶边缘，机器人才能成功的越过障碍。由此可分析出机器人的最大越障高度。图5-1上台阶临界状态示意图由图5-1所示几何关系可得： ( 5-1）变换式（5-1）可得： （5-2） （5-3） 利用式（5-3）求出，代入式（6-2）可算出机器人跨越障碍的高度。机器人加装后臂，可以大幅提高机器人跨越台阶的高度，如图5-2所示，在后臂伺服电机的驱动下，后臂履带抬起，成直立，在机器人跨越的高度又要高出H。所以本次设计履带设计中机器人跨越障碍的最大高度为图5-2上台阶临界状态示意图5.2 跨越沟槽对于小于机器人前后履带轮中心距的沟槽，因机器人重心在机器人车体内，当机器人重心越过下一个沟槽的支撑点时，机器人就越过了沟槽。也可能由于重心未能过去，倾翻在沟槽内。当沟槽大于中心距时，履带式机器人可以看做爬越凸台障碍。履带式移动机器人跨越沟槽时，当重心越过沟槽边缘时，受重力作用，机器人将产生前倾现象，运动不稳定。由机器人质心变化规律可知机器人重心在以r为半径的圆内，由于摆臂展开后机器人履带与地接触长度变大，为了计算最大跨越壕沟宽度，摆臂履带应处于展开状态。机器人前臂和后臂的长度相等。图5-3跨越沟槽示意图机器人在平地图5-3（a）跨越沟槽的宽度： （6-4）5.3 斜坡运动分析机器人在斜坡上运动时，其受力情况如图5-4所示，机器人匀速行驶或静止时，其驱动力： （6-5）图5-4机器人上坡受力示意图最大静摩擦力系数为，最大静摩擦力为： （6-6）当时，机器人能平稳行驶。当时，机器人受重力的影响将沿斜面下滑。已知履带机器人对地面的最大静摩擦系数，则机器人爬越的最大坡度为: （6-7）爬坡时克服摩擦力所需的最大加速度为： （6-8）通过上述分析，可以根据机器人履带与运动面的摩擦系数来确定一些陡坡是否能够安全爬升，并根据坡度和电机的特性，确定其运动过程最大加速及爬升都陡坡的快速性。由以上计算可得：机器人的爬坡角度最大为；垂直越障高度最大为600mm：最大跨沟宽度为400mm。6 机器人移动平台主履带电机的选择对于履带和地面的动摩擦因数，实际上只是表示起动时车轮所处的滑动状态对应的滑动摩擦力，一旦车轮开始转动，面临的滚动摩擦力则总是比滑动摩擦力小得多。则可取大一点。6.1 机器人在平直的路上行驶 履带式机器人在跨越平面的沟槽或在平面移动，假设其速度最大，且匀速前进，则取 履带式机器人共有两个输出轴，每个输出轴前端都有一个电机，对机器人其中一个输出轴分析:图6-1 平直路线分析 又 则在最大的行驶速度下，驱动电机经过减速箱减速后需要提供的极限转速为6.2 机器人在30坡上匀速行驶机器人在最大行驶坡度上匀速行驶，设定行驶速度为,在行驶过程中轮子作纯滚动，不考虑空气阻力的影响，机器人爬坡受力情况如图 图6-2 30坡度分析又，则 则在最大坡度下需提供极限转矩为 6.3 机器人的多姿态越阶对这几种姿态分析，机器人在跨越台阶时直流电机只驱动主履带，机器人在实际跨越台阶过程中速率不大，那么机器人所需提供的输出功率也不大。由以上分析可知，机器人平地直线运动时要求的驱动电机输出转速较大，而爬坡时需要驱动电机的输出转矩较大。因此，在选电机时，应根据平地直线运动所求的最大转速和爬坡运动所求的转矩进行选择。根据机器人爬坡情况的分析，,机器在平面状况下， 因而选取P=80W作为机器人的最大输出功率。 根据计算的履带式机器人的最大输出功率为80W, 输出转矩为22.1N.M, 输出转速为56.2r/min因为直流电机启动性能好，过载性能强，可承受频繁冲击、制动和反转，允许冲击电流可达额定电流的3到5倍。另外在使用过程中可携带或可移动的蓄电池，干电池作为供电电源，操作轻巧与方便。根据直流电机这些性能，满足主履带频繁受冲击，制动和反转的要求，满足机器人要携带移动电池的要求，因而则选择90ZY54型号的直流永磁电机额定功率92额定转矩0.6额定转速1500电流7电压12允许正反转速差150图7-3 直流电机数据因为 则因为, 则又则选取 7 移动机构的分析及其选择由电动机输出的动力，需要通过传动系统传递到机器人移动平台的后轮上，以便驱动机器人运动。可见传动系统是整个移动平台实现是运动功能的纽带和关键。7.1 典型移动机构分析机器人按移动方式分主要有轮式、履带式、腿足式三种，另外还有步进移动式、蠕动式、混合移动式、蛇行移动式等。7.1.1 轮式移动机构特点轮式移动机构是最为普通的运动方式，轮式机器人移动机构普遍具有结构简单、速度快、节能、灵活的特点，同时具有自重轻、不损坏路面、作业循环时间短和效率高等优势。并且编程简单可靠性高，每个轮子都可以独立驱动。与履带式移动机器人相比，当跨越不平坦地形时，轮式机器人则存在明显的不足，其稳定性和对环境的适应性完全依赖于环境本身的状况，对于进入复杂的环境完成既定任务存在严重的困难。轮式移动机构按轮的数量可分为2轮、3轮、4轮、6轮、8轮。该结构有一定的局限性，只能在相对平坦、表面较硬的路面上行驶，如遇到软性地面容易打滑、沉陷，但可根据具体地面环境采用一些预防措施来缓解该类情况的出现，如图7-1所示。图7-1轮式移动装置示意图7.1.2 腿式移动机构特点腿足式移动机构分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移动机构优点有：(1)腿式机器人的地形适应能力强。 (2)腿式机器人的腿部具有多个自由度，运动更具有灵活性，通过调节腿的长度可以控制机器人重心位置，因此不易翻倒，稳定性更高；(3)腿式机器人的身体与地面分离，这种机械结构优点在于机器人身体可以平稳地运动而不必考虑地面的租糙程度和腿的放位置，8腿移动机器人如图7-2所示，特点是稳定性好，越野能力强。腿式移动机构缺点有：该类机器人的移动速度慢，机动性较差负载不能太重；腿式机器入对地面适应性和运动灵活性需要进一步提高；腿式机器人控制系统较为复杂，控制方法还有待完善；该机构未进入实用化阶段。 图7-2八腿机器人图7-3六履机器人7.1.3 履带式移动机构特点履带式移动机构分为l条履带、2条履带(履带可车体左右布置或者车体前后布置)、3条履带、4条履带6条履带，移动方式优点在于机动性能好、越野性能强，缺点是结构复杂、重量大、摩擦阻力大，机械效率低，在自身重量比较大的情况下会对路面产生一定的破坏。履带式移动机构比较轮式移动机构有以下几个特点：(1)撑面积大、接地比压小、滚动阻尼小、通过性比较好；(2)越野机动性能好，爬坡越沟等性能均优于轮式结构；(3)履带支撑面上有履齿不打滑，牵引附着性能好；(4)结构较复杂重量大，运动惯性大，减震功能差，零件易损坏。六履带机器人车体前后各有一对履带鳍，可以辅助翻越障碍，运动十分灵活。7.1.4 履、腿式移动机构特点履腿复合移动机构结合了履带式和腿式两种移动机构的优势，在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。履带移动机构地面适应性能好，在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面，它的活动范围广，性能可靠，使用寿命长，轮式移动机构无法与其比拟，适合作为机器人的推进系统；传统履带移动机构往往是两条履带与车身相对固定，很大程度上限制了机器人地形适应能力，为了解决该问题履式移动系统中引入了关节履带机构，两条履带不再相对车体固定而是能绕车身转动，这样能大大提高机器人的环境适应能力，但履、腿复合机构本身存在着一定的不足如结构复杂、运动控制困难等。7.1.5 轮、履、腿式移动机构性能比较车轮式，履带式、腿足式移动系统性能比较见表7-1示：表7-1典型移动机构的性能对比表移动方式轮式履带式腿式移动速度快较快慢越障能力差一般好复杂程度简单一般复杂能耗量小较小大控制难易易一般复杂7.2 本研究采用的移动机构本研究的的机器人移动机构采用了履带式。如图7-4所示，这种机构中的移动履带的作用，在复杂环境中起传递动力作用。后移动轮为主动轮，前移动轮为从动轮，二者通过移动履带来传递动力，实现同运动。图7-4轮履复合式移动机构8 履带部分设计8.1 履带的选择对于履带基于标准化的思考，我们选择了梯形双面齿同步带作为设计履带，其具有带传动、链传动和齿轮传动的优点。由于带与带轮是靠啮合传递运动和动力，故带与带轮间无相对滑动，能保证准确的传动比。同步带通常以氯丁橡胶为材料，这种带薄而且轻，故可用于较高速度。传动时的线速度可达50m/s，传动比可达10，效率可达98。传动噪音比带传动、链传动和齿轮传动小，耐磨性好，不需油润滑，寿命比摩擦带长。因为同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大等优点，所以传递功率可以从几瓦到百千瓦。传动效率高，结构紧凑，适宜于多轴传动，无污染，因此可在工作环境较为恶劣的场所下正常工作。从以上对同步带性能的分析中可以得出结论，选用梯形双面齿同步带作为移动装置设计履带能够满足设计性能及工作的环境条件要求。由已知后轴输出功率为(即）；由已知设计装置移动速度，根据公式，可得主动轮转速，预先设计履带主动轮直径=169mm，履带从动轮直径=169mm，由公式，可得=59.71r/min.。故可以得到设计的已知条件如下：传递名义功率.主动轮转速r/min从动轮转速中心距.8.1.1 功率的计算式中K-载荷修正系数（有工作机性能和运转时间查表8-1可以得到）表8-1修正载荷系数K工作机运行时间（小时/日）358101624计算机，医疗机1.01.21.4缝纫机，办公机械1.21.41.6轻传送机，包装机1.31.51.7搅拌机，造纸机1.41.61.8印刷机，圆形带锯1.41.61.88.1.2 确定带的型号和节距由设计功率=0.1377kw和=59.71r/min，考虑到可以用双面交错梯状齿形同步带作为履带使用，由图8-1查得型号选用XH型，对应节距=22.225mm，图8-2为双面交错梯状齿形同步带的结构图，双面齿同步带的节距和齿形等同与单面齿同步带的齿形和节距，图A为DA型双面齿同步带，其两面带齿呈对称排列，图B为DB型双面齿同步带，其两面带齿呈交错位置排列，本装置设计履带选择DB型。XH型同步带=2.794mm，=15.49 图8-1梯形齿同步带，轮选型图图8-2梯形齿形状图本装置选择的梯形BD型XH同步带的具体参数如下表8-2表8-2 梯形齿标准同步带型号以及齿尺寸8.2 确定主从动轮直径 对于梯形标准同步带来说小带轮的齿数是有要求的，能够保证同步带运转是最为基本的，履带选用的XH形同步带一样有齿数最小要求，由表8-3查的 表8-3小带轮的最小齿数小带轮转速XLLHXHXHH9001012142222900-120010121624241200-180012141820261800-36001216202230 由上面得到 可以代入公式 为了增大摩擦力，应考虑增大履带与接触地面的有效接触面积，所以履带离地面的高度不易过大，故取履带主动轮直径=169mm，履带从动轮直径=169mm。查表8-4，选择履带主动轮型号为24XH，履带从动轮型号为24XH，就近圆整带轮直径，查得履带主动轮直径=169.79mm，履带从动轮直径=169.79mm。表8-4XH型同步轮尺寸表（节距=22.225mm）规格齿数节径d外径do档边直径df档边内径db档边厚度h22XH22155.64152.841671384.523XH23162.71159.921741454.524XH24169.79166.991811524.525XH25176.86174.071881594.526XH26183.94181.141951664.527XH27191.01188.222021734.528XH28198.08195.292091804.5 同步带都有自己的极限速度，如果速度过大会使皮带轮机构的不稳定性增强，有较大的波动现象，并且在单位时间的转动次数会增加，不利于带的寿命的提高，所以有同步带的速度校核如下 查表8-5得 表8-5梯形齿同步带极限速度型号MXL,XXL,XL,T2.5，T5，3ML,H,T10，8M,14MXH,XXH,T20，20M模数1,1.5,2,2.53,4，57,1040-5035-4025-308.3 确定节线长度确定中心距，增大中心距，可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命，但是中心距过大，则会加剧带的波动，降低带的传动平稳性，同时增大带传动的整体尺寸，中心距过小，则有相反的利弊，取带传动的中心距为由=169.79mm，=169.79mm.代入上式有由于履带机器人工作的环境限制，所设计的尺寸不宜过大，选择中心距的尺寸偏小，初选取=380mm。根据带传动总体尺寸和中心距的要求，带的节线长度可由带围绕两带轮的周长来计算，根据下式求得：代入=400mm，=169.79mm，=169.79mm有1350.79mm，根据表8-6就近圆整=1422.40mm型号为560XH，同步带齿数为64。表8-6 XH型同步带节线型号XH型（节距=22.225mm）规格节线长mm 齿数463XH1177.9353508XH1289.0558560XH1422.4064570XH1444.6365580XH1466.8566630XH1600.2072700XH1778.0080735XH1866.9084752XH1911.3586770XH1955.8088785XH2008.70908.4 确定设计功率为时所需的带宽8.4.1 计算同步带的基准额定功率kw 式中许用工作拉力，查表8-4得=4048.90N单位长度质量，查表8-7得=1.484Kg/m线速度m/s表8-7七种同步带型号的主要参数带型号节距基准宽拉力质量G带宽MXL2.036.43.0，4.8，6.4XXL3.1756.4310.0103.0，4.8，6.4XL5.0809.550.170.0226.4，7.9，9.5L9.52525.4244.460.09512.7，19.1，25.4H12.7076.22100.850.44825.4，38.1，50.8XH22.225101.64048.901.48450.8，76.2，101.6XXH31.75127.06398.032.47376.2，101.6，127.0 带入上式得 8.4.2 计算主动轮啮合齿数小带轮的啮合齿数为8.4.3 确定实际所需带宽其中为啮合系数由表8-8查的=1表8-8啮合齿数系数5410.80.6式中带所传递的功率=2.024kw本履带选用为XH带，可以由表8-9查的基准带宽如下表8-9周节制梯形齿同步带的宽度型号MXLXXLXLLHXHXXH基准宽度mm6.46.49.525.476.2101.6127许用拉力T273150.17244.462100.854048.906398.03带的质量m0.0070.010.0220.0950.4481.4842.473所以以上公式算得带宽为72.44mm，所以以此选取标准带宽，表8-10查的 将其取为标准值8-10周节制梯形同步带的宽度与高度型号公称高度标准宽度mminmmin代号H4.30.1750.8220076.23300XH11.20.4476.23300101.64400XXH15.70.62101.644001275500XXL1.52_4.8-4.86.4-6.48.5 功率验算,额定功率大于设计功率，则带的传动能力已足够，所选参数合理。同时得到作用在轴上的力 8.6 同步带的物理机械性能 本履带式机器人选用XH带，其物理机械如下表8-11同步带的物理机械性能项目梯形齿XHLHXHXXH拉伸强度80120270380450参考力伸长率参考力N6090220300360伸长40硬度755包布粘合强度56.581012芯绳粘合强度2003806008001500齿体剪切强度50607075908.7 履带主从动轮设计8.7.1 履带轮材料选择为了减轻履带驱动装置的重量，我们选择硬铝合金作为履带主、从动轮的材料，硬铝合金具有密度小，质量低，强度高，硬度高，耐热性好的优点，能够满足设计性能要求。8.7.2 履带轮形状及主要尺寸的确定履带和带轮的啮合方式见图8-3所示，图中为同步带轮节圆或同步带节线上测得相邻两齿的距离即节距。XH型节距=22.225mm，为同步带轮的节圆直径，主动轮节圆型号为24XH，=169.79mm，从动轮节圆型号为24XH，=169.79mm.为同步带轮实际外圆直径，主动轮=166.99mm，从动轮=166.99mm。图8-3同步带轮外径径节示意图同步带分为AS型，BS型，AF型，BF型，WS型，其中AF型和BF型为双边档边，由于本设计采用的是电动机、减速器动力总成放在翼板内，直接通过锥齿轮传递用后驱动轮轮轴。所以，主动轮选择两个单边单圈，从动轮选择一个无挡圈，选WS型同步带轮。主动轮24XH，齿数24，径节=169.79mm，外径=166.99mm主动轮初选两个双边挡圈的带轮，用于设计中将其组合。8.7.3 履带轮齿形及齿面宽度的选择根据图8-4可以查得XH型梯形双面齿同步带轮齿形尺寸如下图8-4齿形尺寸节距=22.225mm，齿槽=mm，齿深=7.14mm，槽角=，倒角=，=，=3.048mm，根据表8-12可以查出以上数据。表8-12梯形双面齿同步轮齿形尺寸型号节距MXL2.0320.840.050.69200.350.130.508XL5.0801.320.051.65250.410.640.508L9.5253.050.102.67201.191.170.762H12.74.190.133.05201.601.61.372XH22.2257.900.157.14201.982.392.794XXH31.75012.170.1810.31203.963.183.048根据前面确定的宽度为76.2，及所选择的无档边带轮查表8-13可得到梯形双面齿同步带轮齿面宽度=83.8。表8-13同步带轮齿面宽度尺寸参考表型号同步带宽度齿轮面宽度代号带宽双面档边带轮单面档边带轮无档边带轮XH20050.856.662.259.630076.283.889.886.9400101.6110.7116.7113.78.7.4 履带轮所允许的公差两轮所允许的公差如表8-14所示表8-14允许公差表项目小轮大轮外径偏差+0.150+0.150任意两相邻点节距偏差90度弧内的累积0.030.150.030.15外圆径向圆跳动0.130.15外圆端面圆跳动0.190.26轮齿与轴线平行度齿顶圆柱面的圆柱度0.090.11轴孔直径偏差H7或H8H7或H8外圆及两齿侧表面粗糙度3.23.28.8 副履带部分设计因为同步带传动具有准确的传动比，无滑差，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大等优点，所以传递功率可以从几瓦到百千瓦。传动效率高，结构紧凑，适宜于多轴传动，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。从以上对同步带性能的分析看出其性能的优越性，因此选用梯形双面齿同步带作为移动装置副履带能够满足设计性能及工作的环境条件要求。副履带的设计是依照主履带的设计进行的，具有异曲同工之妙。而副履带相对了主履带来说，它是辅助作用，帮助移动平台具有更出色的越野性能，更擅长于攀爬和越沟。自然它的环境不如主履带恶劣，并且所承受的载荷也比较轻一些，所以我给予选择H带。其设计方法参照主履带如下: 介于副履带的主动轮的直径选择应与主履带的从动轮的相当，则参照表8-15选择副履带主动轮直径。 根据任务推出副履带从动轮直径 副履带主动轮齿数 副履带从动轮齿数 表8-15标准同步带的直径8.8.1 计算副履带的带宽 根据前面的表8-7查得到：H带 选择标准带由表8-9差查得H带 8.8.2 计算H带的基准额定功率 计算所选用型号同步带的基准额定功率 其中 得出 而由 反推得到设计功率为8.8.3 中心距的选择则确定中心距8.8.4 计算副履带节线长度 根据带传动总体尺寸和中心距的要求，带的节线长度可由带围绕两带轮的周长来计算，根据下式求得： 代入数据根据表8-16可选带长为8-16周节制梯形齿同步带节线长度及齿数长度代号基本尺寸极限偏差LHXHXXH345876.300.6692-360914.40-72-367933.4598-390990.6010478-4201066.800.7611284-9履带翼板部分设计9.1 履带翼板的作用履带翼板是整个履带驱动装置中的基础部分，主要起支撑张紧作用，履带从动轮，张紧轮和过度轮分别安装在翼板上。翼板的材料应满足质量轻，高强度，高硬度，易加工的优点，综合选择，所以翼板的材料选择硬铝合金。9.2 履带翼板设计翼板的主要尺寸见图9-1所示，履带主动轮，从动轮，张紧轮和调节轮在翼板上的位置见图9-1上部的一个圆孔和下部的两个圆孔所示，张紧轮翼板设计厚度为18mm。图9-1翼板主要尺寸10 计算履带装置的重心及其各部件重心10.1 主履带的重心计算10.1.1 翼板质量由图9-1翼板主要尺寸，翼板的设计厚度为18mm，可参考图10-1翼板三维效果图，可以求出翼板的体积，翼板材料为硬质合金，密度为2.7求翼板体积由于翼板外形较为复杂，直接求其体积较为复杂，可用ProE建立翼板模型见图10-2，用其质量特性测得翼板的体积。图 10-1翼板的三维效果图图10-2 求解翼板体积10.1.2 履带从动轮质量由前面选择的履带从动轮型号为24XH，径圆直径=169.8mm，则=84.9mm，从动轮通过圆柱滚子轴承与翼板连接，选择圆柱滚子轴承外径D=90mm，轮宽履带从动轮材料选择硬质合金，其密度2.7。 10.1.3 张紧轮，调节轮质量由于梯形双面齿同步带在工作一定时间后会发生松弛，为了防止同步带轮因同步带松弛而发生打滑现象，可以通过调节张紧轮的高度使履带继续保持张紧。当履带驱动装置工作时，由于梯形双面齿同步带具有弹性，履带转动与路面接触难以形成有效的摩擦力，在履带主动轮和履带从动轮之间增加两个调节轮，可以有效地增加履带与路面的接触面积，从而增大履带的摩擦力，提高履带驱动装置工作效率。设计张紧轮和调节轮，在满足性能要求的前提下，为了减轻重量，张紧轮和调节轮的材料选用硬铝合金。 10.1.4 求履带驱动装置重心对于整个履带驱动装置，求解其重心比较复杂，通过分析可以看出履带驱动装置是由三个简单形状的部分组成的，故可以用重心分割法首先分别求出简单形状的重心，再通过公式算出履带驱动装置的重心位置。根据图10-1翼板的设计重心在其中心线，翼板材料均匀，故可以设其中心在其对称中心线上。张紧轮在翼板的中心面上，两个调节轮相对于翼板中心面对称，故在求这三个轮的重心时，可以把它们看成等边三角形模型。履带从动轮为对称轮，其重心必在其几何中心上。重心分割法原理：设物体由若干部分组成，其第部分的重为，重心为，则由公式，可得物体的重心为 （10-1）如果物体是均质的，由上式可得 （10-2）式中为物体的体积。对履带驱动机构建立直角坐标系如下图10-3所示，坐标原点O与翼板对称中心重合，翼板方向，从动轮中心轴线方，与，方向垂直，符合左手定则。图10-3重心坐标图（1）翼板质量及重心位置： （2）履带主动轮和从动轮质量及重心位置： （3）张紧轮，调节轮质量及重心位置： 由于把三个轮看成等腰三角形的模型，其重心位置在 中心线上。 张紧轮的质量 拖轮的质量 张紧轮和拖轮的重心的计算为 主履带张紧轮和拖轮的重心位置 0,0,-24.18mm( 4 )组成主履带的重心计算 由以上的数据综合计算主履带重心坐标对于z轴：综上所述可以得到主履带重心坐标为 0,0，-3.1410.2 副履带的重心计算10.2.1 主从动轮的重心坐标 根据副履带的主动轮设计内容计算主动轮的体积 主动轮的质量 从动轮的体积计算 从动轮的质量计算 副履带主从动轮形成的整体的重心为 10.2.2 翼板2的重心坐标 对于翼板2的体积的计算如下 翼板2的质量计算10.2.3 副履带的重心坐标 对于x轴 对于y轴 综上所述副履带的重心坐标为82.68,237.84,010.3 主履带及其摇臂也就是副履带总部分的重心计算 很显然主履带的重量为 副履带的重量为 重心的坐标计算为 履带及其摇臂部分重心坐标21.397,61.552，-2.52总 结在设计的过程中涉及到大学四年所学的知识，首先明确了自己的设计思路， 然后边设计一点点捡回以前的知识，在学习的过程中再慢慢改善自己的设计思路。设计中，我对履带机器人的工作原理、基本结构、性能要求进行了比较 详细的分析，针对履带机器人中采用的履带、减速器、电动机等也进行了必要的阐析。另外，为确保设计出的履带机器人能达到越障过坑等功能，我们势必还要对履带机器人的相关部件进行一些必要的校核，以最终确定此设计是否可以完成这些功能。通过对履带机器人的相关性能要求的验算，得出设计的结果基本上能够符合设计要求这一结果。致 谢参考文献1 郑文伟，吴克坚.机械原理（第七版）.北京：高等教育出版社.20112 濮良贵,纪名刚.机械设计（第八版）. 北京：高等教育出版社.20123 涂建平，徐雪红，夏忠义秸秆还田机刀片及刀片优化排列的研究农机化研究，2003，(2)：1021043 王大康，卢颂峰.机械设计课程设计. 北京工业大学出版社.20004 吴宗泽.机械设计实用手册.化学工业出版社.19995 李艳.多功能玉米秸秆还田机的研制.山东农业大学硕士论文.20076 姬江涛，李庆军，蔡苇甩刀布置对茎杆切碎还田机振动得影响分析J农机化研究，2003，(2)：63647 刘世祥.秸秆粉碎还田机的正确使用及操作要点.现代化农业2012年第11期：53-548 陈小兵，陈巧敏.我国机械化秸秆还田技术现状及发展趋势J农业机械，2000，(4)：14159 张银霞,曾宪阳. 秸秆粉碎灭茬还田机的试验研究.河南农业大学学报2002年6月第二期10 王勇,周鲁进.玉米秸秆粉碎还田技术 .现代农业科技2009 年第20 期11 李宝筏 .农业机械学. 中国农业出版社 .200312 沈再春 .农产品加工机械与设备 . 中国农业出版社 . 201313 李艳等 .新型玉米灭茬旋耕机的设计.农机化研究.2007.657