探测机器人行走机构设计

图书分类号：密 级： 毕业设计(论文)探测机器人行走机构设计DETECTING ROBOT WALKING MECHANISM DESIGN学生姓名学院名称专业名称指导教师 学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权协议书本人完全了解关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归所拥有。有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日摘要这次的毕业设计主要是讲述了探测机器人行走机构的设计，主要包括探测机器人的部件结构设计、整体机构设计、控制电路设计和控制件的设计。在这次设计中，由于机器人结构的复杂性和对机器人了解范围的局限性，遇到了非常艰巨的困难，所以参考了前人的设计理论和经验，再次基础上又增加了自己的东西，可以保证设计的精确性。但是，在这次设计中还有很多不合理的地方。由于缺少设计经验和在学校所学知识的局限性，所以本次设计内容还比较稚嫩，还有许多地方有待于进一步的完善和提高。所以本次设计还不能作为探测机器人行走机构设计的标准，只是机器人设计的一个理论方案，还望看过这次设计的专业人员给予批评指正。关键词 探测机器人；行走机构；控制电路AbstractThe graduate project is mainly about detecting robot walking mechanism design,including design exploration robot components,the overall structural design,control circuit design and control parts of the design.In this design,because of the complexity of the robot to understand the scope and limitations of the robot structure,difficulties encountered very difficult,so the reference to the previous design theory and experience,on this basis,they added their own thing.It ensures design accuray.However,in this design,there are many unreasonable.Due to the lack of experience in the design and the limits of knowledge in school,so this design content is still relatively immature,and there are many places to be future improved and enhanced.Therefore,this design can not be used as detection robot walking mechanism design criteria,only a theoretical program robot design,but also look seen this design professionals give criticism.Keywords detection robot travel agencies and a control circuit全套图纸 外文文献扣扣 1411494633目录摘要IAbstractII1 绪论11.1 设计产品概况11.2 设计目的和意义21.3 国内外发展状况21.4 研究内容52 设计方案的选择52.1 行走机构方案的选择52.2 机器人手臂机构设计方案62.2.1 蠕动式机器人手臂72.2.2 沿X、Y、Z坐标轴直线运动的机器人手臂72.2.3 仿人类手臂式的机器人手臂82.3 摆臂翼板的设计82.3.1 注意事项82.3.2 参数计算93 整体结构设计93.1 探测机器人行走机构的力学原理93.2 机器人电动机的选择103.3 机器人参数计算和强度校核113.3.1 齿轮传动的参数计算和强度校核113.3.2 蜗杆传动时参数计算和强度校核134 控制电路设计和选择184.1 控制电路的设计184.2 电路开关的选用204.3 控制器的设计20结论22致谢24参考文献251 绪论1.1 设计产品概况探测机器人是一种应用十分广泛的机器人，在许多人力所不及的情况下经常使用，如在对月球的研究和探测中，在反恐现场的人质解救中，在对火灾、地震等现场的勘察中都起到十分关键的作用。本次我设计的是履带式的探测机器人，由于履带式的探测机器人具有结构简单、设计方便等特点，所以应用最为广泛。而且它的行走能力强，行走稳定性高，具有良好的转向功能，是在对月球探测所首选的机器人。履带式探测机器人的发展前景十分良好，是一款既经济又使用的机器人，所以对履带式探测机器人行走机构的设计是一项意义非凡的设计，对我国经济的发展具有十分重要的推动作用。1.2 设计目的和意义本次的设计题目是探测机器人行走机构设计，其目的一方面是通过本次设计，使用大学时代所学的东西，可以灵活掌握机械原理、机械设计等多门学科，还能灵活应用CAD等绘图软件；另外一方面是了解我国机器人行业的发展状况，通过这次的设计，比较自己的水平和国家设计平均水平的差距，给自己一个合理的定位，为以后的工作做好充足的准备。探测机器人在我国的应用十分广泛，所以本次设计具有十分重要的意义。对月球的探测水平是一种综合国力的体现形式，而在对月球的探测中，大多是采用探测机器人来进行探测，而探测机器人行走性质在探测机器人设计中占有非常大的比重，所以探测机器人行走机构设计对我国的月球探测事业具有十分重要的意义。我国是一个多灾多难的国家，每天都会有许多自然灾害和人力事故的发生，对于某些灾害，在人力解救不方便或存在未知危险的情况下，经常是使用探测机器人来解救。例如在地震事故中，如果楼房倒塌，我们需要去营救，可是在还存在余震和不知道楼房内部具体情况的前提下，不适合搜救员第一时间去搜救，而是利用探测机器人去探测具体情况，然后根据机器人所输出的信息来进行现场勘测，为下一步的营救做准备。在这里，探测机器人发挥了救援工作的准备条件，还能避免不必要的人力物力损失。所以，探测机器人行走机构设计具有十分重要的意义，对我们的生活息息相关。1.3 国内外发展状况机器人是近代工业发展的产物，是出现在第三次工业革命之后，是机械和智能的结合，是现代机械发展的最高水平。机器人的使用越来越得到重视，机器人的使用越来越频繁，它的种类也会越来越多，发展前景一片光明，发展空间也存在很大的空白。从机器人的发展过程来看，机器人技术在不断的完善，机器人的种类越来越复杂，机器人在人们日常生活中扮演越来越多的角色。机器人的发展是经历了一个从无到有的过程，最早提出机器人这一理念的是在美国，也可以说美国是机器人发展的鼻祖，是机器人发展的开创者，世界上最早的一台工业机器人也是由美国的一家研究所研发而成，它的出现标志着世界上的工业发展进入了一个新的发展阶段。在此之前，工业机械的发展都是停留在仿制动物上，而机器人的出现使工业机械发展到了朝着人类“进化”的过程。所以，它的出现是工业机械行业出现飞跃性发展的标志。虽然美国是最早生产出工业机器人的国家，但是到目前为止，世界上工业机器人发展水平最高的是日本，这与美国政府当时对工业机器人发展态度有关。在当时虽然出现了最早的工业机器人，但是它的功能还不完善，只能从事一些简单的工作，所以当时并没有将机器人的发展作为国家重点发展项目，再加上当时美国企业也不重视工业机器人的发展，没有过多的在工业机器人上的投资和研究，“唯利是图”的美国企业觉得在机器人发展上做投资没有太多的利润，可能还会造成一定程度上的亏损，以至于美国当时的工业机器人发展水平进步缓慢，还有可能停止不前。所以，没过多久就被日本的工业机器人发展水平所超越。但是，这并不影响美国机器人发展水平的领先地位。在全世界，美国的工业机器人发展水平位居第二，机器人的生产数量和出口数量位居第二，主要是生产在军事、航空、海洋等高端领域有需求的高端机器人。这主要是由于在20世纪80年代，美国政府看到了全球各个国家工业机器人的发展，意识到工业机器人的发展前景，从而将工业机器人的发展作为国家重点发展项目，将机器人的研发提上了工作日程。国家政府加大了对工业机器人的研究力度，扩大了对工业机器人的投资金额，并且积极鼓励各企业对工业机器人的研究，所以从此以后的十几年里，美国的工业机器人的发展水平得到了显著的提高。不得不承认美国政府的眼光独到，他们能看到机器人的发展前景，并在第一时间里发展工业机器人，舍弃以往在发展工业机器人方面的错误观点，并保证了美国工业机器人发展水平的领先地位。这也是美国科技技术发展水平遥遥领先其他国家的重要原因。美国的机器人朝着高端技术发展，注重对高端技术的研发，所以美国的工业机器人发展技术水平在全国遥遥领先，但是美国的机器人在制造水平上还不完善，以至于美国机器人行业的生产数量和生产水平仅次于日本。美国的工业机器人研发水平在全世界遥遥领先，所以美国的工业机器人具有结构可靠，行走平稳，功能全面等特点，是一个机器人生产和研发大国。日本是到目前为止机器人发展水平最为发达的国家，是工业机器人生产和输出大国，日本有机器人王国之称，由此可见工业机器人在日本工业发展的重要性。日本的工业机器人的发展是在20世纪60年代末，发生在第二次世界大战之后。日本作为第二次世界大战的战败国，在第二次世界大战之后，日本的经济、政治、军事、人际社会都得到了严重的损失，日本国家的各个方面都处于百废俱兴的状态，所以对于工业机器人这个在当时的新兴行业，日本政府是采用支持态度的。在当时工业机器人行业对于美国的经济发展可能是起到缓慢的推动作用或者是起到抑制作用，但是对于当时日本的经济发展绝对是起到推动作用。所以，虽然美国当局对工业机器人采取观望态度，但是当时的日本政府对于工业机器人这个新型行业采取支持的态度，这与当时的日本国家的基本国情所决定的，也是当时日本国摆脱二战战败国所带来的所有悲痛灾难所面临的一次机遇。日本急切地想要掌握工业机器人这一新型行业的技术，来弥补第二次世界大战所带来的损失，解决日本当时经济落后的现状，而当时的美国政府对日本的发展采取扶植的态度，并且美国是第一个提出工业机器人这一理论的国家。所以日本最早的工业机器人技术是引进美国公司的，并且在美国工业机器人技术顾问的指导下，建立了工业机器人研发事务所和生产车间，并且独立生产出第一台工业机器人，日本工业机器人的发展有了良好的开端。又由于日本政府对工业机器人这一新型行业的发展采取支持态度，积极鼓励更多的研究人员和生产人员从事到这一行业中来，所以后来的工业机器人的发展得到了大大地提高，并且逐渐摆脱了美国工业机器人发展的束缚，自主研发、自主创新，逐渐使日本的工业机器人行业得到提高，代替了美国在全世界工业机器人技术的领先地位，一举成为到目前为止工业机器人发展的龙头。与美国工业机器人发展方向不同的是，日本工业机器人的发展朝着中、低端方向发展，注重工业机器人的制造和使用，日本的工业机器人多是与人们生活息息相关的机器人，可能日本工业机器人的研发技术没有美国的发达，但是，日本生产的工业机器人的市场广阔，前景远大，具有良好的发展前景，是最大的工业机器人生产大国和输出大国。日本政府对工业机器人的支持态度是日本机器人行业发展十分迅速的原因，机器人行业的从业者对工作的认真态度也是日本机器人行业迅速发展的重要原因。虽然美国的扶植使得日本出现了工业机器人行业，但是是他们自己的努力使得日本机器人行业拜托了美国机器人行业发展的束缚，成为新一代的工业机器人领头国家。在世界范围内，除了美国和日本的工业机器人技术外，欧盟的工业机器人发展水平也属于世界前列，首当其冲的应该是德国、英国、法国。其中德国的工业机器人发展技术在世界范围内排行第三，仅次于日本、美国；法国的工业机器人发展水平在世界范围内属于前列；英国的工业机器人也是属于前列。其中英国又与德国和法国的工业机器人发展不同，英国对工业机器人这一新型行业起初是采取抑制态度，反对工业机器人在英国的正常发展，在工业机器人出现前期，在英国的发展出现了停滞不前的状态。由于工业机器人发展水平的落后，英国的综合国力也出现了停滞不前或倒退的状态。当英国政府意识到全世界各个国家的工业机器人技术的发展城市，才开始在英国范围内支持工业机器人的全面发展，并在以后的几十年内，工业机器人的设计生产水平出现了突飞猛进的发展，使英国成为了世界上为数不多的工业机器人发展强国。德国和法国的工业机器人发展状况相似，其中德国的工业机器人发展一直是在朝前发展。第二次工业革命中德国就得到了突飞猛进的发展，是第二次工业革命的受益国。而工业机器人的出现，德国当局敏锐的看出了工业机器人的发展前景，果断采取了支持态度。另一方面，德国在第二次世界大战中失败，对德国造成了严重的损害，需要工业机器人这一新型行业来带动全国经济的发展。所以工业机器人在德国的发展可以说是“一帆风顺”的，工业机器人这一新型行业在德国也得到了完善和提高。所以，工业机器人成就了德国的发展，是德国又一次成为世界上的先进国家；德国也成就了工业机器人，在工业机器人出现的初期，各方面都需要完善和发展，而德国在工业机器人发展方面的贡献是世界瞩目的。工业机器人在法国的发展与在德国的发展类似。工业机器人在我国的发展比在日本、美国、德国、英国、法国的发展都要晚，在我国首次提出发展工业机器人是在20世纪70年代，当时全世界各个国家都在积极发展工业机器人，所以我国也将工业机器人的发展作为国家级重点实验项目，重点发展工业机器人的设计和制造。我国的工业机器人研究水平在世界上还处于低级阶段，工业机器人的设计方案还不成熟，生产制造的技术还比较落后，和其他发达国家还存在很大的差距。我国的第一个工业机器人研究所是在沈阳市，研究所研究工业机器人的研发设计和生产设计。到目前为止，我国主要研究出探测、搬运、搜索等性能的工业机器人，在工业机器人种类上比其他机器人发达国家还比较少，在性能上也比不上工业机器人发达国家，还有待于进一步的发展。工业机器人的发展是建立在机械行业发展的前提上的，我国的机械行业的发展水平在世界范围内还比较低，再加上工业机器人在我国出现的时间短，还没有将工业机器人的发展作为一个正式的学科，从事这一方面的研究人员也比较少，研究者的开发设计水平也比较低。以上的诸多原因造成了我国工业机器人的发展还存在许多的障碍，存在许多方面的问题制约着工业机器人的发展。所以，我国工业机器人的发展还存在着许多问题有待于解决，需要更多的工业机器人从业者从事这方面的研究，需要我们付出更大的努力来发展我国的机械研究生产水平，从而更好地提高工业机器人的发展。对于当代大学生来说，更应该把发展工业机器人作为我们的责任和义务，在大学时代里，应努力学习机械方面的各种知识，更好地掌握工业机器人设计和制造技术，提高我国工业机器人的发展水平，尽量缩短我国工业机器人设计制造水平与其他发达国家的距离，为我国的工业机器人发展做出自己应做的贡献。1.4 研究内容本次设计主要是研究探测机器人行走机构设计，研究探测机器人的行走机构的选择，机器人机构的结构计算和工程材料的校核计算，并且研究探测机器人的控制系统和控制件的选择。并且选择行走机构的结构类型和行走方案。2 设计方案的选择2.1 行走机构方案的选择全世界范围内的探测机器人的种类有很多，它们的行走方式也各不相同，每一台探测机器人都有其独特的行走方案。但是可以将全世界范围内的探测机器人的行走机构进行概括总结，那么它们的行走机构大致上可分为履带式、步行式、车轮式三种。下面就以上三种探测机器人行走方案进行比较。从使用范围上来看，以上三种类型的方案都在全世界得到广泛的应用，从使用数量上比较并没有明显的区别，唯一的不同点是这三种行走机构方案的使用场合不同，每一种行走机构方案都有自己的特点，都有自己特定的使用场合。例如，对于步行式的行走机构方案的探测机器人，它的行走稳定性不好，尤其是对于探测机器人来说，探测机器人的行走路线都比较复杂，对行走道路具有十分大的未知性，而且对于探测机器人来说，步行式的行走机构对于崎岖道路的行走稳定性极低，即使采用多足行走，也只是暂时提高在崎岖道路的行走稳定性。对于步行式行走机构方案的探测机器人，它的智能控制性要求比较高，既要控制好行走路线，又要控制行走时的稳定性，而且我国对于在智能控制性能要求比较高的工业机器人方面的设计技术还不完全成熟，还存在很多地方的空白。所以，对于本次设计不采用步行式的行走机构方案。对于车轮式行走机构方案的探测机器人来说，这一种行走机构方案在我国应用极为广泛，而且研究和生产出许多车轮式行走机构的成功案例，我国对于车轮式行走机构方案的技术水平已经比较成熟，在车轮式的设计中还有比较多的经验可以借鉴，所以在车轮式的行走机构设计方案的可实行性比步行式的行走机构方案要高。但是车轮式的行走机构设计方案又有自己的特点，比如说车轮式的行走机构方案的行走稳定性高，对于崎岖道路的适应性比步行式行走机构的要高，可以使用在探测机器人中。但是对于车轮式的行走机构来说，它的结构没有得到完全的统一。有的结构是保证了行走的稳定性和越野能力，但是与此同时加大了其整体结构的复杂性，加大了其结构设计的难度；有的是在结构上简单，行驶速度和转弯性能都比较良好，但是这种设计方案只能是在平整道路上行驶，降低了机器人对崎岖道路上行驶的能力，行驶稳定性也随之降低。所以还没有设计出既结构简单又行走能力强的行走机构方案，对于车轮式的行走机构方案，在探测机器人设计中不予采纳。对于履带式的行走机构来说，它的设计理念是根据坦克的行走机构延伸出来的，由此可以看出，履带式的行走机构方案的行走稳定性比前两种都要强，在崎岖道路上行走的适应性强，适合越野行走。可以将结构简单但行走稳定性差的车轮式行走机构方案变成履带式行走机构方案，这样既保证了行走的稳定性又可以降低行走机构的复杂程度。综上可知，对于探测机器人行走机构方案的选择，可根据各种行走机构方案的特点，比较各方案的优点和缺点，选择一种比较适用于探测机器人的行走方案。对于本次设计的行走机构设计方案，根据它们的特点和我国机器人发展的现状，我选用履带式的探测机器人行走机构方案。2.2 机器人手臂机构设计方案对于一个完整的探测机器人来说，它的机器人手臂机构是机器人的不可或缺的重要机构之一，没有了机器人手臂机构，那么机器人许多的功能都无法实现。与机器人的行走机构相比，行走机构的目的是使探测机器人接近工作点，而机器人手臂的目的是使工作头部分更加靠近工作点，并在工作点处进行加工处理。所以机器人手臂的工作就是使工作头的自由运动，实现工作头和工件工作点的位置移动。由此可以看出，机器人手臂的运动精度要高于机器人行走机构的运动精度，机器人手臂的运动是距离短、精度高的运动。所以机器人手臂的加工设计要更加准确，保证机器人手臂的运动误差。根据世界范围内的机器人设计水平和我国机器人发展现状，我国的工业机器人手臂的设计方案大体上可以分为三种，即蠕动式机器人手臂、沿X、Y、Z坐标轴直线移动的机器人手臂、仿人类手臂式的机器人手臂。下面就以上三种工业机器人手臂的类型进行分析比较。2.2.1 蠕动式机器人手臂蠕动式机器人手臂在我国还没有得到广泛应有，原因是因为这是一种高端型机器人手臂，它的设计结构复杂，机器人手臂的运动精度高，是一种存在于高端技术行业的专业机器人。主要应用于航空、军事、海洋勘测等领域，是一种专业性强、灵敏度高的机器人手臂。所以，对于这种机器人手臂的研究呢，需要专业知识水平高、操作技术熟练的专业人才来研究，对于我们这种专业知识水平不是很高的学生，不适合研究蠕动式机器人手臂，也不可能做出深刻的研究。蠕动式机器人手臂的工作原理是：根据机器人手臂的多个关节的联合作用来控制机器人工作头在工作点圆心空间内实现各种工作。所以，要想设计出蠕动式机器人手臂，必须实现对各个关节的联合控制，加强各个关节的运动精度和受力分析，把握住各个支点的位置关系，从而得出想要的工作头运动轨迹。所以，对于蠕动式机器人手臂来说，需要良好的智能控制系统，设计出运动精度高的传动系统，从而加大了设计难度和制造难度，不仅加大了工作量，而且不必要的加大了工作难度。对于本次探测机器人的机器人手臂设计，不宜采用蠕动式机器人手臂。2.2.2 沿X、Y、Z坐标轴直线运动的机器人手臂我国在沿X、Y、Z坐标轴直线运动的机器人手臂上的应用可以说十分广泛，它的工作原理与数控机床的工作原理十分类似，都是在选定工作原点的情况下，控制工作头在沿三个坐标轴上的移动来，实现工作头在整个运动立体空间上的移动。对于沿X、Y、Z坐标轴直线移动的机器人手臂的设计，需要控制好工作头在三个坐标轴上的运动衔接，可以说工作头的运动轨迹是在三个坐标轴上运动的叠加，这样可以使得运动的精度更加可靠，运动的平稳性和可靠性都得到大大地提高，实现了运动的合理性和有效性。但是，沿X、Y、Z坐标轴直线运动的机器人手臂的工作也存在许多的缺点，比如说，要想实现工作头在X、Y、Z三个坐标轴上直线移动，就必须将设计的空间包含所有的工作头涉及的工作点，并且还有保留一定的剩余空间，保证工作头在工作空间里的自由移动。这样就加大了设计机器人手臂的设计空间，也加大了设计时的工件材料和重量。这样不利于机器人的正常行走，为机器人的设计加大了难度。2.2.3 仿人类手臂式的机器人手臂仿人类手臂式的机器人手臂是在全世界中应用最为广泛的一种机器人手臂，在我国也得到了广泛的应用，我国的设计制造技术也得到了广泛发展，使其技术得到了成熟。仿人类手臂式的机器人手臂是一种根据人类的手臂而演化出的机器人手臂，这种机器人手臂不同于蠕动式机器人手臂的结构复杂、设计难度高，也不同于沿X、Y、Z坐标轴直线运动的机器人手臂的使用空间的过大，过多的浪费使用空间，方人类手臂式的机器人手臂有自己的特点。仿人类手臂式的机器人手臂的功能是使工作点实现伸缩、旋转、摆动等功能，所以在仿人类机器人手臂中包括手臂旋转机构、手臂摆动机构。在结构上来看，比蠕动式机器人手臂较为简单。并且机器人结构中有旋转机构，可以实现机器人手臂的旋转，不像沿X、Y、Z坐标轴直线移动的机器人手臂，智能做直线运动，从而加大了运动的空间。所以，综合以上的三种机器人手臂的设计方案，他们各自有自己的使用范围和特点，在不同的使用场合应合理的选择自己机器人手臂的设计方案。2.3 摆臂翼板的设计上面我们介绍了机械手手臂的设计方案，介绍了机械手手臂的设计类型。以下我们主要介绍机器人摆臂翼板的主要设计，包括机器人摆臂翼板的参数设计、动力输出设计、设计方案设计、设计时问题防御设计等。下面对主要的几个方面进行重要分析。2.3.1 注意事项机器人摆臂翼板的设计对整个机器人性能有着重要的影响，一个机器人摆臂翼板的好坏，直接影响机器人传动的效果和性能，所以在对机器人摆臂翼板的设计过程中，要保证机器人摆臂翼板的良好性能，从而设计出符合我们实际要求的机器人。下面对几个具有代表性的设计要求进行具体的阐述和分析。1、良好的刚度 机器人摆臂翼板的刚度是否良好，将直接影响机器人的使用性能。良好的设计刚度可以使机器人摆臂翼板满足机器人的使用性能。但是也要考虑我国机械制造的水平，不能凭空想象设计的刚度，不宜过大或过小。多大的刚度可能对机器人手臂的影响不大，但是在制造过程中对人力物力的消耗太大，不利于大批量的设计制造。过小的设计刚度可能不符合设计的要求，不能保证机械手的工作条件。2、较轻的质量 机器人摆臂翼板的工作条件复杂多样，可能会在十分严峻的条件下工作，例如在高速下工作。在这种情况下对机器人摆臂翼板的质量有十分苛刻的要求，不能过大。过大的质量在高速运动或旋转时，会产生过大的转动惯量，是机器人摆臂翼板不能正常的停止运动，可能会造成一定的人员伤亡。而且过大的重量还会浪费不必要的能源。3、良好的导向性 机器人摆臂翼板的工作是为机械手的工作服务的，将直接为机械手的抓取工作提供各种条件。机械手的抓取工作需要良好的方向性和准确的位置关系，这就需要机器人摆臂翼板具有良好的导向性。良好的导向性将使机械手和抓取的工件有良好的定位，不会产生相对位置的错位，直接保证机械手的抓取要求。4、良好的强度 机械手抓取物件的质量可能会很重，对机器人摆臂翼板的要求会十分高，如果强度不够强，可能会导致机械手抓取不到物件。所以，要保证好机器人摆臂翼板的良好强度。2.3.2 参数计算机器人摆臂翼板的设计时，要对机器人摆臂翼板的受力进行受力分析，求出相应的尺寸计算要求。下面讨论机器人摆臂翼板在摆动时的受力分析。机器人摆臂翼板在摆动时的受力分析可根据下面的公式进行计算M驱=M摩+M惯式中M驱表示驱动力矩 M摩表示摩擦力矩 M惯表示惯性力矩3 整体结构设计3.1 探测机器人行走机构的力学原理探测机器人在行走过程中可能会遇到高低不平地面的情况，这就需要探测机器人的行走机构具有良好的爬行能力，在爬行过程中可能还要碰到各种可能的情况。下面对爬行机构的力学原理进行受力分析。在整个探测机器人行走在崎岖不平道路过程中，可以将行走过程分为两部分。一部分是在下坡阶段，在这一阶段时，要保证机器人的稳定性，所以不用有加大的速度；另一部分是在上坡阶段，这是也要减少机器人的速度，一保证机器人获得加大的驱动力。在这两个阶段，机器人的摆臂在摆臂过程中，摆臂的重心应在大链轮三分之一出的下方，所以要保证重心的下降，以保证机器人行走的稳定性。要保证机器人行走时的不打滑，要使机器人的重心在小带轮的几何中心的下方。在机器人行走时，机器人的整体车型的受力情况即是在前轮离开地面时。3.2 机器人电动机的选择机器人电动机的选择是根据机器人和机器人的负载之和的重量选择的，机器人重量的大小主要是有机器人的负载所决定的。在机器人设计中，一定要考虑机器人的转动惯量，较大的质量就获得较大的转动惯量。机器人电动机的选择还必须考虑机器人的传动方式，考虑机器人传动时机器人功率的利用率，要尽量提高机器人功率的利用率，这样对机器人电动机的选择也有帮助。考虑到机器人设计时机器人和机器人负载重量之和对电动机的影响，所以要选择传动平稳的传动方式。假设机器人和机器人负载的重量为9kg，具有较大的转动惯量，可能造成机器人行走时的震动。而带传动时传动平稳，可以减少机器人的震动。所以首次选择带传动方式。机器人带传动时的传动方案简图如下：图3.1 传动方案简图根据机器人带传动的结构简图可以得出，在带传动过程中机器人主动轮和从动轮的传动比为 n0/n1=d1/d0 式（3.1）由式（3.1）得 n0=0.5rad/s由机器人带传动主动轮的转速的计算数据可以推断出，机器人电动机的选择种类只有一种12ZYJ-60J的永磁直流减速电机。12ZYJ-60J的直流减速电动机的转速为30rad/s，功率为10W。3.3 机器人参数计算和强度校核机器人设计中，要考虑机器人的尺寸计算，保证机器人的设计零件符合国家标准，一些事标准件的零件可根据机械设计手册查找出相应的尺寸，并且符合相应的配合关系。这样接需要设计出机器人零件的尺寸。在机械设计中还需要考虑到设计零件的强度校核，保证机器人在行走和抓取零件时正确工作，不会产生因机器人零件的强度不够造成零件的过度磨损，这样会造成机器人的使用寿命的严重下降或根本不能使用。因此，机器人的参数计算和强度校核在设计过程中属于检测阶段，检测零件的结构和强度，是机器人设计过程中的不可或缺的一部分。下面对一些重要的设计零件进行简要分析。3.3.1 齿轮传动的参数计算和强度校核1、直齿轮的受力分析在直齿轮传动中，直齿轮的受力是从动轮在主动轮的作用下传动，而主动轮在从动轮的作用下阻止传动，主动轮收到了阻力，而从动轮受到了推动力。在直齿轮传动中，可以将从动轮的受力分成几个部分，可以分为圆周力Ft1和径向力Fr1。在将合力进行受力分析时的受力分解，圆周力和径向力存在一定的关系。下面对圆周力和径向力进行分析，与直齿轮的设计有关。 式（3.2） 式（3.3）上式中表示了直齿圆柱齿轮中圆周力、径向力和法向力之间的关系。2、斜齿圆柱齿轮的受力分析在斜齿圆柱齿轮传动中，主动轮和从动轮之间的关系和直齿圆柱齿轮之间的关系一样，都是主动轮带动从动轮传动，主动轮收到从动轮的阻力，从动轮受到主动轮的推力。他们之间唯一的不同点是在对法向力进行分解时，在斜齿圆柱齿轮传动中分解为三个力，分别为圆周力Ft、径向力Fr和轴向力Fa。在这三个分力中，也存在着一定的大小关系，他们之间的关系与斜齿圆柱齿轮的制造有关。下面对这三种关系进行分析。 式（3.4） 式（3.5） 式（3.6）以上三个公式讲述了斜齿圆柱齿轮三个分力之间的关系，可以根据斜齿圆柱齿轮三个分力之间的关系，对齿轮进行校核。3、直齿轮的强度校核直齿圆柱齿轮传动时，直齿轮之间收到了磨损而造成齿轮之间的强度减弱，对齿轮的传动和强度计算性能造成了损失。对齿轮的强度校核，可以根据以下的公式进行强度计算和判断直齿轮是否符合传动条件。 式（3.7）根据上式计算可以得到 式（3.8）以上是直齿圆柱齿轮的强度校核公式，可以根据上面两个公式判断直齿轮的设计强度是否符合直齿圆柱齿轮传动是否符合强度要求。4、斜齿轮的强度校核斜齿圆柱齿轮传动时，斜齿轮的强度校核也与直齿轮传动相似，它的强度与斜齿轮传动时的载荷和磨损情况有关。对于斜齿圆柱齿轮的强度校核，可以根据以下的公式进行判断，判断斜齿轮传动的强度是否满足传动条件。 式（3.9）根据上式计算可以得出 式（3.10）以上是斜齿圆柱齿轮的强度校核计算公式，可以根据上面两个公式来判断斜齿轮的设计强度是否符合斜齿轮传动时的强度要求。5、直齿轮齿面的疲劳强度计算在直齿圆柱齿轮中，由于直齿轮的接触和相对的滑动，对直齿轮的齿面造成了一定量的磨损，这样会使齿轮的接触强度造成相应的下降。所以一定要保证齿轮有一定量的疲劳磨损强度空间，保证齿轮的接触疲劳强度。下面根据直齿轮齿面接触疲劳强度的计算公式校核齿轮的疲劳强度。齿轮齿面的接触强度计算公式 式（3.11）根据上式的公式计算出 式（3.12） 式（3.13）6、斜齿轮齿面的疲劳强度计算在斜齿圆柱齿轮传动中，也与直齿圆柱齿轮传动时的情况类似，需要存在一定的疲劳磨损空间，以保证齿轮在一定的磨损量时还可以保证齿轮的传动性能，这样就需要对齿轮的接触疲劳强度进行计算。根据下面公式进行疲劳强度的计算。 式（3.14）对上式进行计算得出 式（3.15） 式（3.16）7、齿轮传动时的许用应力齿轮在传动过程中，齿轮的失效形式主要有轮齿折断、齿面磨损、齿面点蚀、齿面胶合和塑性变形等。在设计一般使用的齿轮传动时，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度计算和保证齿面接触疲劳强度计算两种准则。所以，在计算许用应力时，一般考虑接触疲劳许用应力和弯曲疲劳许用应力。下面介绍接触疲劳许用应力和弯曲疲劳许用应力的计算方法。接触疲劳许用应力的计算公式 式（3.17）弯曲疲劳许用应力的计算公式 式（3.18）3.3.2 蜗杆传动时参数计算和强度校核蜗杆传动可以看做为一个特殊的齿轮传动，它的传动比比齿轮传动时的要大得多，而且蜗杆传动时的传动平稳性比齿轮传动时差得多，产生严重的噪音。所以在蜗杆传动时，更要保证传动时的参数计算和强度校核。下面对蜗杆传动时的参数计算和强度校核进行重点分析。1、蜗杆传动时的参数计算在蜗轮传动中，要对蜗轮的结构尺寸进行规范设计，保证蜗轮的尺寸符合我国的国家标准，不能凭空的胡乱设计。因此，对蜗轮传动时对蜗轮的基本尺寸要进行标准化处理。1) 传动时的模数和压力角在蜗杆传动时，要想保证蜗轮和蜗杆的配合传动，就必须要保证蜗轮和蜗杆的模数和压力角都各自对应相等，即 式（3.19） 式（3.20）图3.2蜗杆传动示意图2） 蜗杆分度圆直径在蜗杆传动中，为了保证蜗杆与涡轮的正确啮合，常用语蜗杆具有相同尺寸的蜗杆滚刀来加工与其配对的蜗轮。为了限制蜗轮滚刀的数目和滚刀的标准化，对蜗杆进行了标准化的计算。利用一下公式进行蜗杆直径计算。 式（3.21）3） 蜗杆头数的设计我国对于蜗杆头数的设计进行了规定，常用的蜗杆头数为1、2、4、6。这是由于蜗杆头数的提高，可以提高传动的效率，但是随着蜗杆头数的提高，对蜗杆的制造加工带来了较大的困难，所以蜗杆头数不宜过大或过小。4） 导程角蜗杆传动时的导程角的计算，可以根据以下公式进行计算 式（3.22）5） 传动比和齿数比传动比和齿数比的计算公式可以根据以下公式计算 式（3.23） 式（3.24）在蜗杆为主动时 式（3.25）6） 蜗轮齿数为了避免用蜗轮滚刀切制蜗轮时产生根切现象，理论上要保证,但是当z30时，可以始终保持两对以上的齿啮合，所以规定z要大于28。7） 蜗轮传动时的标准中心距根据公式可以计算出标准中心距的具体数值 式（3.26）2、蜗杆传动时的几何尺寸计算在蜗杆传动的几何尺寸计算时，主要是根据以下几个计算公式来计算普通圆柱蜗杆传动基本几何尺寸的计算关系。如下：计算蜗杆传动时中心距 式（3.27）蜗轮变为系数 式（3.28）蜗杆分度圆直径 式（3.29）渐开线蜗杆基圆直径 式（3.30）3、普通圆柱蜗杆的传动承载能力计算1）蜗杆传动的失效形式与齿轮传动时相类似，蜗杆传动时有自己特定的失效形式。它的主要失效形式有点蚀、齿根折断、齿面胶合和过度磨损等。由于材料和结构上的原因，蜗杆的螺旋齿部分的强度高于蜗轮齿轮的强度，所以失效形式主要发生在蜗轮轮齿上。由于蜗杆与蜗轮齿面间有较大的相对滑动，从而增加了产生胶合和磨损失效的可能性，因此蜗杆传动时，因齿面胶合而失效的可能性比较大。因此，蜗杆传动时的承载能力往往受到抗胶合能力的限制。从上述蜗杆传动时的失效形式可知，蜗杆、蜗轮的材料不仅需要具有足够的强度，更需要具有良好的磨合和耐磨性。所以在蜗轮和蜗杆的设计制造中，对材料进行淬火渗碳来提高表面硬度，增加耐磨性。而且对材料也要进行精心选择。2）蜗杆传动时的受力分析蜗杆传动时的受力分析与斜齿圆柱齿轮传动时相类似。在进行蜗杆传动时的受力分析时，通常不考虑摩擦力的影响。图33为蜗杆传动的受力分析上图所示的是优选蜗杆为主动件，蜗杆螺旋面上的受力分析。设Fn为集中作用在节点P处的法向载荷，它作用于法向界面Pabc内。Fn可以分解为三个相互垂直的分力，分别为圆周力、径向力、轴向力。在确定各力的方向时，尤其需要注意轴向力方向的确定。因为轴向力的方向是由螺旋线的旋向和蜗杆的转向来决定的。由上图所示，该蜗杆的旋向为右旋，蜗杆齿的右旋为工作面，故蜗杆所受的轴向力必然指向左端。如果蜗杆的旋向为左旋，则蜗杆齿的左侧为工作面，故此时的蜗杆轴向力指向右侧。至于蜗杆所受圆周力的方向，总是与它的转向相反，径向力的方向总是指向轴心。对各力的大小可以按照下列各式计算，各力的单位均为N。 式（3.31） 式（3.32） 式（3.33） 式（3.34）式中 T1、T2分别为蜗杆即蜗轮上的公称转矩，单位N.mm d1、d2分别为蜗杆及蜗轮的分度圆直径，单位mm4、蜗杆传动强度计算1）蜗杆齿面接触疲劳强度计算蜗轮齿面接触疲劳强度计算得原始公式来源于赫兹公式。即 式（3.35）式中 表示啮合齿面上的法向载荷 表示接触线总长 表示载荷系数 表示材料的弹性影响系数将上式的公式进行换算化简，得到蜗轮齿面接触疲劳强度计算公式为 式（3.36）式中 K表示载荷系数，。其中Ka为使用系数，K为齿向载荷分布系数，Kv为动载荷系数。2）蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算蜗轮轮齿因弯曲强度不足而失效的情况，多是发生在蜗轮齿数较多或开始传动中。在计算蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算时，通常把蜗轮近似的当作斜齿圆柱齿轮来考虑，因此可以根据斜齿圆柱齿轮的齿根弯曲疲劳强度计算公式来计算。下面介绍蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算公式 式（3.37）上式中 b2表示蜗轮轮齿弧长 表示法面模数 表示齿根应力矫正系数 表示弯曲疲劳强度的重合度系数 表示螺旋角影响系数将上式化简得到蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算公式，即 式（3.38）式中 表示蜗轮齿根弯曲应力 表示蜗轮齿形系数，可以由蜗轮的当量齿数和蜗轮的变形系数查表得出 表示蜗轮的许用弯曲应力这一部分是本次设计的重点，是本次设计是否合理和整体结构是否合理的关键。通过以上的设计计算，可任意计算出机器人行走机构设计的零件结构和整体结构，还可以判断出机器人行走机构的行走能力和各个零件的使用能力和寿命。在本次设计过程中，就需要通过计算来判断机器人零件设计的是否合理，零件的设计方法是否符合国家的设计标准，是否符合零件的使用条件和使用氛围。4 控制电路设计和选择4.1 控制电路的设计在对于机器人行走的控制电路设计中，控制方案的设计有机器人的主要功能有关，也与机器人的结构设计有关。机器人的控制电路主要是服务于机器人行走机构的设计，所以机器人的结构与机器人控制电路的设计息息相关，对机器人控制电路的设计有着至关重要的作用。在我国，对于机器人的控制电路设计只要是采用电气控制技术和无线变成控制技术。这是因为电气控制技术的应用领域十分广泛，在我国的这种控制技术已经十分完善。而且到目前为止电气控制系统已经应用十分广泛，已成为现代工业自动化的重要手段。对于无线编程控制系统来说，这样的控制技术使得对机器人的控制更加完善，更加趋向于自动化。在我们这次的机器人行走机构设计中，由于我们所学知识的有限性和对所学知识掌握的不彻底性，还有我们缺乏对机器人的设计经验，所以我们只能设计出机构相对简单的机器人，对于这样的机器人的控制电路，建议采用简单的设计方案。所以对于我们这一次的控制电路的设计，主要采用控制开关、变阻器等控制元件，利用他们的组合来组成机器人的控制电路。这次电路控制的设计方案如下所示图4.1 基本控制电路图上图所示为机器人的控制电路图，图中的电动机都含有正转、反转和停机三种自然状态。这种设计方案有许多的优点，途中的每一个电动机都可以单独的行动，任何一个电动机停止工作，并不影响整个电路的正常工作，保证了整个电路的独立性和完整性，这是本次设计的第一个优点。第二个优点是本次设计中采用了中间断开的双向出点多级开关。这种开关的主要作用是为了避免电机的同时供电，采用这样的开关，就只能是一种供电状态，或者是正向电流提供电动机的电流输送，或者是反向电流提供电动机的电流输送。这样就很好的避免了两种电流同时供电的尴尬。图4.2 指示电路的控制电路上图所示的为在原来的基础上又加了指示器，唯一的改变是在电动机上并联了发光二极管，主要是利用二极管的单向导电性和发光二极管的发光作用，来判断电动机的电流方向。这种电路的好处是不用再刻意的判断电动机的电流方向，可以再实际工作中直接看出电动机的流向。4.2 电路开关的选用对于整个电路控制设计来说，电路开关的设计显得不是那么重要，只是对整个电路的电流方向和通断进行控制。但是对于实际的操作中，开关起到至关重要的作用。有时一个电路开关的选择错误，可能会导致整个机器人行走机构的瘫痪，或者导致整个机器人因电流的原因而烧坏，更有甚者会危及我们的生命健康。由此可以看出，机器人电路开关的选择，也是控制电路设计的不可或缺的一部分。对于一个电路开关的选用，一定要根据开关自身的特性来选择。电路开关自身的性质，决定着电路开关在电路中起到了什么样的作用，例如中间断开的双向触点多极开关的自身特性，决定着这种开关可以实现只有一种方向的电流走向。另外在电路开关的选择中，还要考虑开关的安装性。例如即使一种电路开关符合设计电路总线的电流走向，但是在实际中电路开关不能再实际中进行安装，或者安装的稳定性降低，这样就会造成安全隐患，这种电路开关在电路设计中也不能使用。所以，实际的电路开关在设计中药考虑多方面的因素。在本次设计中对电路开关的选择是总开关选用XN-19的型号，变阻器的型号选用SA-198型的变阻器。4.3 控制器的设计在机器人行走机构设计中，控制器的设计也是整体设计的一个重要组成部分。例如对接触器、继电器和低压开关电器的选择，它们在整个电路中的作用，决定着继电器的设计在整个电路设计中的地位。所以在继电器的设计中，也要根据实际情况具体的选择出于设计内容相关的控制器。例如，对于接触器的选择可以根据接触器所适用的电流环境，将接触器认为直流接触器和交流接触器，还可以根据接触器的相关技术参数对接触器进行选择，其中主要包括接触器的极数、电流种类、额定功率、额定工作电流、线圈额定电压等。对于继电器的选择也可以根据相似的选择依据来原则继电器的种类。结论在这次探测机器人行走机构设计中，我收获到了许多的新鲜东西，也积累了一定的设计经验。在这次设计过程中，主要解决了一下的几个问题，并到了一定的成果。1、在本次毕业设计开始之前，我查阅了大量的书籍，对探测机器人的发展程度和我国探测机器人的发展水平与机器人发展发达的国家之间的差距，寻找出我国机器人设计制造行业的弱点。因为这次是第一次设计关于机器人行业的有关设计，所以本次设计就尽量回避我国设计上的弱点，为更好地设计出完美的产品做提前的准备。2、设计过程中，考虑到探测机器人的工作环境一般都是在未知领域，存在一定的隐患，这样就需要设计出行走结构稳定的行走方案。考虑到以往机器人行走机构的设计，选择出履带式的行走机构设计方案。在这里，通过对各种行走方式的比较，让我更加了解了机器人各种行走机构自己独特的特点。3、在对机器人整体结构上的分析计算时，我参考了学校里发的西北工业大学编著的机械设计书，借鉴了书本中第十章齿轮传动、第十一章蜗杆传动的内容。在这次毕业设计中，齿轮传动和蜗杆传动中的基本尺寸、强度计算、强度校核等方面的设计都是在参考了机械设计书上的内容完成的，具有十分高的可靠性。另外，在参考机械设计课本时，有另外复习了一遍机械设计，将里面的知识又得到了进一步的深入研究，对以前一些不太了解或者理解不清楚的内容又有了进一步的理解。特别是对于齿轮、蜗轮传动时的受力分析和各种疲劳强度计算得公式的理解，以前的我只是单纯的记住了各个公式的计算方法，并不知道公式的由来在，这次设计过程中认真探索了公式的由来和推导。这是在本次设计中的有一个收获。在这次的设计过程中，唯一的创新性论点就是在对于探测机器人的智能控制上。对于机器人的控制设计一般是采用无线编程控制。而这次的控制设计是在无线编程控制的基础上，又增加了电气控制和PLC上面的内容，虽然增加的内容不多，但在理论研究上是一个创新型进步。通过这次的设计研究，我对于机器人行业有了新的认识，对于机器人的设计不再