畢業(yè)設計（論文）-移動機械手的結構設計及分析

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1、 XXXXX 畢 業(yè) 設 計 (論 文) 移動機械手的結構設計及分析 系 名： 專業(yè)班級： 學生姓名： 學 號： 指導教師姓名： 指導教師職稱： 年

2、 月 目 錄 摘 要 II Abstract III 第一章 緒論 1 1.1研究背景及意義 1 1.2國內外研究及發(fā)展現狀 2 第二章 總體方案設計 4 2.1設計參數及功能要求 4 2.1.1設計技術參數 4 2.1.2功能要求 4 2.2方案選定 4 2.2.1車體方案設計 4 2.2.2手臂方案設計 5 2.3原理分析分析 5 2.3.1主要機構工作原理 5 2.3.2運動特性分析 6 2.3.3手臂原理分析 7 第三章 機器人運動分析及主電機的選擇 8 3.1運動分析 8 3.1.1跨越臺階 8 3.1.2 跨越溝槽 9

3、3.3.3 斜坡運動分析 9 3.2主電機的選擇 10 第四章 零部件的設計與選擇 14 4.1履帶（同步帶）部分設計 14 4.1.1同步帶的選擇 14 4.1.2確定主從動輪直徑 16 4.1.3確定節(jié)線長度 17 4.1.4確定最大功率時帶寬 18 4.1.5功率驗算 20 4.1.6同步帶的物理機械性能 20 4.1.7同步帶主從動輪設計 21 4.2副履帶（同步帶）部分設計 23 4.2.1計算同步帶的帶寬 24 4.2.2計算H帶的基準額定功率 25 4.2.3中心距的選擇 25 4.2.4計算同步帶節(jié)線長度 25 4.2.5車體副履帶搖臂設計 26

4、 4.3機械手臂部分設計 26 4.3.1電機的選擇 26 4.3.2大、小臂設計 28 4.3.3手爪、手腕設計 29 第五章 基于Pro/E的三維設計 32 5.1 Pro/E三維設計軟件概述 32 5.2三維設計 32 5.2.1車體 32 5.2.2主履帶 33 5.2.3副履帶 33 5.2.4手臂、手腕 33 5.2.5三維裝配 34 總 結 35 參考文獻 36 致 謝 37 摘 要 移動機械手是用于處置或銷毀爆可疑、危險物品的專用器材，避免不必要的人員傷亡。它可用于多種復雜地形進行移動。此設計的移動機械手可實現回轉、上

5、下移動，夾持并且能過坑、越障等動作。 此設計移動方案的選擇是采用了履帶式驅動結構，而手臂部分則采用關節(jié)式機構。結構整體使用模塊化設計，以便后續(xù)拆卸維修，可以適應于各種復雜的路面，并可主動控制兩側搖臂的轉動來調節(jié)機器人的運動姿態(tài)，從而達到輔助過坑、越障等動作。經過合理的設計后機器人將具有很好的環(huán)境適應能力、機動能力并能承受一定的掉落沖擊，此設計的移動機構主要由四部分組成：電機的選擇、主履帶設計、副履帶設計、臂部及手腕設計。 本文首先根據課題所給的技術參數和功能要求提出移動機械手車體結構方案，并對方案進行分析。接著，對主要技術參數進行了計算選擇；然后，對各主要零部件進行了設計與校核；最后，通過

6、AutoCAD制圖軟件繪制了移動機械手車體結構裝配圖及主要零部件圖。 關鍵詞：移動機械手；手臂；手腕；同步帶 全套圖紙加扣 3346389411或3012250582 Abstract Mobile robot is used for the disposal or destruction of explosive suspicious, special equipment, dangerous goods, to avoid unnecessary casualties. It can be used t

7、o move a variety of complex terrain. The design of the mobile robot can achieve rotation, moving up and down, gripping and lead a pit, obstacle and other activities. Select this design is the use of mobile solutions crawler drive structure, and the arm part articulated mechanism is used. Modular de

8、sign of the overall structure for subsequent maintenance of the demolition, can be adapted to a variety of complicated road, and take the initiative to control the rotation on both sides to adjust the robot arm athletic stance, so as to assist the over pit, obstacle and other activities. After a rea

9、sonable design robots will have a good environmental adaptability, mobility and can withstand the impact of falling, this design is moving mechanism is mainly composed of four parts: selection of the motor, the main track design, deputy track design, arm section and wrist design. This paper propose

10、s moving mechanical structure handcart scheme according to subjects given technical parameters and functional requirements, and program analysis. Next, the main technical parameters were calculated selection; then, all the major parts and components for the design and verification; and finally, thro

11、ugh the AutoCAD drawing software to draw a handcart moving mechanical structure and main parts assembly drawing FIG. Keywords: Bobile robot; Arm; Wrist; Belt 38 第一章 緒論 1.1研究背景及意義 機器人是二十世紀人類最偉大的發(fā)明之一。人類對于機器入的研究由來已久，但直到上世紀50、60年代，隨著機構理論和數控伺服技術的發(fā)展才真正進入實用化。上世紀70年代后，計算機技

12、術、控靠q技術、傳感技術和人工智能技術迅速發(fā)展，機器人技術也隨之進入高速發(fā)展階段，并發(fā)展成為集機械、電子、控制和計算機技術的一項綜合技術。 在歷史上，所有的高新技術首先被考慮用于軍事用途，機器入也不例外。未來戰(zhàn)爭將是建立在高科技條件下的、高度信息化的全方位立體化的戰(zhàn)爭，各種具有巨大殺傷力的先進武器的廣泛使用，將使未來的戰(zhàn)場環(huán)境異常復雜、信息瞬息萬變，士兵的生命無時不刻受到來自天空、地面，水下各種先進武器的威脅，完全依賴士兵作戰(zhàn)能力的戰(zhàn)爭模式正越來越受到挑戰(zhàn)。在軍用機器人領域，移動機械手是較早投入實戰(zhàn)的軍用機器人之～，日靜，移動機械手在～些發(fā)達國家的軍隊已得到廣泛使用。英國早在60年代就研制了

13、“手推車”移動機械手用于英阿馬島戰(zhàn)爭的爆炸物清理，其改進型的土撥鼠及野牛兩種遙控電動移動機械手被英國爭家工程兵在波黑及科索沃用于探測及處理爆炸物，德國MV494型遙控移動機械手也曾裝備了其駐索馬暈的維和部隊1．31。在近年來美國發(fā)動的幾次局部戰(zhàn)爭中，基于“零傷亡”的作戰(zhàn)思想，美軍開始在戰(zhàn)場上大量使用移動機械手替代士兵執(zhí)行移動任務，其Talon移動機器入2000年就參與波斯尼亞地區(qū)的軍事行動，隨后又參與2002年初的阿富汗行動以及2003年的伊拉克戰(zhàn)爭，執(zhí)行的主要任務是爆炸物檢測及其處理，阿富汗和伊拉克戰(zhàn)爭中共執(zhí)行20000項任務，在戰(zhàn)爭中有效地降低了已方的傷亡H。 此外，由于政治、經濟、民族

14、、宗教等關系的錯綜復雜，國際和地區(qū)恐怖主義在世界各國有泛濫的趨勢。在公共場所安放爆炸物以產生恐慌(爆炸恐怖犯罪)即是其集中表現形式。相對于其他形式的惡性犯罪，恐怖爆炸由于其危害面廣、社會和政治負面影響面大，日益成為令當今世界各國政府頭疼的問題。據美國官方統(tǒng)計，1968年國際上的恐怖主義事件僅有120起，面1984年增至652起。1983年的500起恐怖活動中，有262起是爆炸事件pl。尤其是最近幾年，隨著國際形勢的動蕩，恐怖爆炸事件更是此起彼伏，接連不斷。除了傳統(tǒng)的恐怖活動熱點地區(qū)，例如中東、阿富汗等地區(qū)外，美國、英國、西班牙、日本、俄羅斯、印度尼西亞、烏茲別克斯坦、馬來西亞和泰國，菲律賓也接

15、連發(fā)生恐怖爆炸事件，影響較大的有俄軍醫(yī)院爆炸案、西班牙馬德里爆炸案，印尼巴厘島爆炸案、倫敦連環(huán)爆炸寨等。就連以往很少有恐怖活動波碩十論文小型捧爆機器人總體設計的研究及的國家和地區(qū)，．近年來也接連發(fā)生恐怖爆炸事件。而且，隨著時間的推移，這些活動還愈演愈烈。作為應對，反恐移動已經成為世界各國政府最為關注的問題之一。目前在世界范圍內，移動機械手已經成為反恐作戰(zhàn)的重要裝備之一。 移動機械手是目前較具研究價值的機器人產品，在反恐領域可用來執(zhí)行諸如反恐移動的任務，戰(zhàn)場上移動機械手則用以執(zhí)行諸如排除爆炸物、戰(zhàn)場信息收集的任務；稍加改造，即可加裝單兵武器用于武裝巡邏、戰(zhàn)斗值勤等高危險任務。目前國內已經著力于

16、移動機械手的研發(fā)，但距離軍事用途還有相當的距離。基于軍用機器人產品系列化，通用性的需要，本文對基于小型移動平臺基礎上，兼具攤爆和作戰(zhàn)功能的機器人進行總體設計的研究。 1.2國內外研究及發(fā)展現狀 20世紀60年代到70年代，想到工業(yè)機器人印入腦海的便是自動機械手。機器人移動功能的大力研究和開發(fā)是20世紀80年代以后才開始，現在作為移動機器人而研制的移動機械類型已遠遠超過了機械手。尤其是移動機械手，不僅是生物體中沒見過的移動形態(tài)，而且能夠在復雜的環(huán)境下行進。 目前六履帶擺臂式搜救機器人還是局限于單個或兩個自由度。其主要由機械本體、控制系統(tǒng)、導航系統(tǒng)等部分組成。六履帶擺臂式搜救機器人的研究涉及

17、以下幾個方面，首先是移動方式的選擇，對于移動移動機器人，可以是兩移動、四移動、六移動等。其次，考慮驅動器的控制，以使機器人達到期望的功能。再者，必須考慮導航或路徑規(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，這方面需要重點考慮，通過控制搖臂的角度來改變自身高度以達到越障過坑功能是這種機器人的最大特點。對于這些問題可歸結為：機械結構設計、控制系統(tǒng)設計、運動學與動力學建模、導航與定位、多傳感器信息融合等。 下面是各國研發(fā)的一些移動可變形機器人： （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”機器

18、人，現服役于美國軍隊，它搭配了一個爆炸物感應系統(tǒng)，能有效地探測炸彈。 圖2-3這種iRobot SUGV的機器人是一種小型地面探測車，重量僅為30磅。 圖2-4是iRobot生產的“Warrior”機器人配備了兩個全自動、自動裝彈、可遙控的12桿機搶，重量為250磅。 圖2-1 RackBot準備展開 圖2-2 RackBot伸展情況 圖2-3 SUGV機器人 圖2-4 Warrior機器人 （2） 德國telemax防爆機器人：僅在一兩年前，德國公司出品了一款防爆機器人，現在2006年的新一代機器人已經上市了，其結構比以前的更加

19、輕便，體積更小。這款機器人依靠一個靈活的小型系統(tǒng)有了和一些大型機器人一樣的功能。 圖2-5 telemax行走姿勢 圖2-6最緊湊姿勢 通過對國內外移動機械手的分析，可以看出移動機械手今后的發(fā)展有以下幾個方面的趨勢： （1）結構上，趨向小型、微型。 （2）運動上，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。 第二章 總體方案設計 2.1設計參數及功能要求 2.1.1設計技術參數 機器人行進速度：40m/min 機械手抓取質量不超過：30kg 機械手臂可實現回轉、上下移動，機械手爪可實

20、現夾持 2.1.2功能要求 本次設計的移動機械手要求具有以下功能： 移動機械手是移動平臺和操作手的組合體，具有操作和移動的功能。這種機器人具有更大更靈活的工作空間，在工業(yè)、農業(yè)、公共安全、軍事、服務等領域有著廣泛的應用前景。本設計的移動機器手采用履帶擺臂式移動平臺，其可適應復雜路況、跨越臺階和越障。操作手采用關節(jié)式機械手，其操作空間大，機械手末端要求具有良好的夾持能力。 2.2方案選定 2.2.1車體方案設計 本次設計的移動機械手車體結構采用的是履腿式復合結構，總體設計方案如圖2-1所示。機器人的車體的履帶作為移動移動機構，與前臂和后臂轉動相協(xié)調，增加了機器人運動靈活性。 機器人

21、后輪有一個伺服電機驅動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調配合，實現后輪的靈活轉動，在機器人爬坡和越障時發(fā)揮更大作用。 機器人車體左右兩邊履帶各有永磁式直流電機驅動，通過控制系統(tǒng)協(xié)調配合，控制前軸和后軸的速度、力矩，可實現原地360°轉向，前進時的自由轉向，隨時調解爬坡時的力矩大小。在車體主履帶前端是慣性軸，與主動軸配合，保證機器人運動的平穩(wěn)。 圖2-1 移動機械手車體結構組成 2.2.2手臂方案設計 本次設計的機械手要求：機械手臂可實現回轉、上下移動，機械手爪可實現夾持 ，并且采用關節(jié)式結構，因此選定的設計方案如下：其由兩個電機驅動關節(jié)轉動實現機械手臂上下移動，手臂整體回轉有底部回轉電機實現；機

22、械手爪具有2個自由度，分別是手爪回轉，手爪夾持；手爪回轉有電機驅動，手爪夾持由電磁鐵的正反接實現。 圖2-2 移動機械手手臂體結構尺寸 2.3原理分析分析 2.3.1主要機構工作原理 減速傳動機構是電動機通過行星輪減速器的降速，來實現增大轉矩、調速，通過直齒輪改變軸的方向，輸出后軸轉矩，為機器人提供主要動力。后軸驅動機構驅動后軸位于傳動系的末端。其基本功用是增扭、降速和改變轉矩的傳遞方向。 轉向機構機器人在行駛過程中，經常需要改變行駛方向，本機構是通過兩個電機的差速比來實現的。 動力部分采用電機，通過齒輪副降速后帶動低速軸的轉動，軸與履帶驅動機構通過導桿滑塊機構連接，使履帶驅動

23、機構各自繞前后軸的中心線轉動，實現機器人不同角度的爬坡和越障能力。 2.3.2運動特性分析 （1）平面運動及轉彎 平面運動及轉彎是最基本的運動方式，當兩側的履帶同向等速運動時，則表現為直線行走，當兩側履帶反向等速運動可實現原地零半徑回轉，而不同速度同向運動可實現任意半徑轉向。 圖2-3（a）、圖2-3（b）為四擺臂履帶單元同時著地，使機器人與地面的接觸面積增大，可以使機器人適應松軟、泥濘和凹凸不平等各種地形環(huán)境； 圖2-3（a） 圖2-3（b） 圖2-3（c）、圖2-3（d）、圖2-3（e）中當遇到小坡度的斜坡時，可直接爬坡而不必采取

24、其他動作，從而可減少對驅動控制系統(tǒng)要求； 圖2-3（c） 圖2-3（d） 圖2-3（e） 圖2-3（f） 為四擺臂單元向上擺到中間位置，可實現機器人小空間轉向運動。 圖2-3（f） 機器人爬坡時，姿態(tài)可以轉變成圖2-3（g）。當坡度較大時，則圖2-3（h）和圖2-3（i）是較好的姿態(tài)，這兩種方式可使機器人重心位于穩(wěn)定狀態(tài)，從而保證機器人順利爬坡。 圖2-3（g） 圖2-3（h） 圖2-3（i） （2）自撐起及涉水 機器人的主要控制系統(tǒng)和檢測元件則安裝在中間箱體中，為了避免在運動中被損壞，機器人可以通過4個

25、擺臂單元向下擺動，抬高中間箱體的高度。且其以各自不同的擺動角度向下擺動時可使機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自由轉變，從而使機器人完成涉水的動作。 （3）越障 機器人利用擺臂前攻角進行越障，由于機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2-4示（a）-（h）表示機器人越過高障礙物的一般過程。履帶利用齒形對障礙物的抓爬力來向上攀爬，同時后擺臂向下擺動以使車體抬高，當擺到與地面垂直時后擺臂停止擺動。當主履帶爬到障礙物上面時，前擺臂向前向下擺動支起車體，機器人繼續(xù)前進，直到其重心越過臺階。重心越過臺階后，前擺臂向前向上擺動直到與地面貼合，同時后擺臂向后向

26、上擺動與車體成一后攻角為止，此時機器人已越上臺階。整個過程中，履帶始終向前爬行。 圖2-4 救災機器人越障過程 2.3.3手臂原理分析 其由兩個電機驅動關節(jié)轉動實現機械手臂上下移動，手臂整體回轉有底部回轉電機實現；機械手爪具有2個自由度，分別是手爪回轉，手爪夾持；手爪回轉有電機驅動，手爪夾持由電磁鐵的正反接實現。 第三章 機器人運動分析及主電機的選擇 3.1運動分析 3.1.1跨越臺階 當機器人在爬越臺階時，機器人履帶底線與地面之間的夾角將慢慢增大，當重心越過臺階的支撐點時，則完成了爬越臺階的動作。由運動過程可以看出，圖3-1重心的位置處于臨界狀態(tài)，機器人重心只有越過臺

27、階邊緣，機器人才能成功的越過障礙。由此可分析出機器人的最大越障高度。 圖3-1上臺階臨界狀態(tài)示意圖 由圖3-1所示幾何關系可得： ( 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）可算出機器人跨越障礙的高度。 機器人加裝后臂，可以大幅提高機器人跨越臺階的高度，如圖3-2所示，在后臂伺服電機的驅動下，后臂履帶抬起，成直立，在機器人跨越的高度又要高出H。 所以本次設計履帶設計中機器人跨越障礙

28、的最大高度為 圖3-2上臺階臨界狀態(tài)示意圖 3.1.2 跨越溝槽 對于小于機器人前后履帶輪中心距的溝槽，因機器人重心在機器人車體內，當機器人重心越過下一個溝槽的支撐點時，機器人就越過了溝槽。也可能由于重心未能過去，傾翻在溝槽內。當溝槽大于中心距時，移動機械手可以看做爬越凸臺障礙。移動移動機器人跨越溝槽時，當重心越過溝槽邊緣時，受重力作用，機器人將產生前傾現象，運動不穩(wěn)定。由機器人質心變化規(guī)律可知機器人重心在以r為半徑的圓內，由于擺臂展開后機器人履帶與地接觸長度變大，為了計算最大跨越壕溝寬度，擺臂履帶應處于展開狀態(tài)。機器人前臂和后臂的長度相等。 圖3-3跨越溝槽示意圖 機器人在

29、平地圖3-3（a）跨越溝槽的寬度： （6-4） 3.3.3 斜坡運動分析 機器人在斜坡上運動時，其受力情況如圖3-4所示，機器人勻速行駛或靜止時，其驅動力： （6-5） 圖3-4機器人上坡受力示意圖 最大靜摩擦力系數為，最大靜摩擦力為： （6-6） 當時，機器人能平穩(wěn)行駛。 當時，機器人受重力的影響將沿斜面下滑。 已知移動機械手對地面的最大靜摩擦系數，則機器人爬越的最

30、大坡度為: （6-7） 爬坡時克服摩擦力所需的最大加速度為： （6-8） 通過上述分析，可以根據機器人履帶與運動面的摩擦系數來確定一些陡坡是否能夠安全爬升，并根據坡度和電機的特性，確定其運動過程最大加速及爬升都陡坡的快速性。 由以上計算可得：機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。 對于履帶和地面的動摩擦因數，實際上只是表示起動時車輪所處的滑動狀態(tài)對應的滑動摩擦力，一旦車輪開始轉動，面臨的滾動摩擦力則總是比滑

31、動摩擦力小得多。則可取大一點。 3.2主電機的選擇 （1）機器人在平直的路上行駛 移動機械手在跨越平面的溝槽或在平面移動，假設其速度最大，且勻速前進，則取 移動機械手共有兩個輸出軸，每個輸出軸前端都有一個電機，對機器人其中一個輸出軸分析: 圖3-5 平直路線分析 又 則 在最大的行駛速度下，驅動電機經過減速箱減速后需要提供的極限轉速為 （2）機器人在30°坡上勻速行駛 機器人在最大行駛坡度上勻速行駛，設定行駛速度為,,在行駛過程中輪子作純滾動，不考慮空氣阻力的影響，機器人爬坡受力情況如圖 圖3-6 30°坡度分析 又，則

32、 則在最大坡度下需提供極限轉矩為 （3）機器人的多姿態(tài)越階 對這幾種姿態(tài)分析，機器人在跨越臺階時直流電機只驅動主履帶，機器人在實際跨越臺階過程中速率不大，那么機器人所需提供的輸出功率也不大。 由以上分析可知，機器人平地直線運動時要求的驅動電機輸出轉速較大，而爬坡時需要驅動電機的輸出轉矩較大。因此，在選電機時，應根據平地直線運動所求的最大轉速和爬坡運動所求的轉矩進行選擇。 根據機器人爬坡情況的分析， , 機器在平面狀況下， 因而選取P=80W作為機器人的最大輸出功率。 根據計算的移動機械手的最大輸出功率為80W,輸出轉矩為22.1N.M,輸出轉速為56.2r

33、/min。 因為直流電機啟動性能好，過載性能強，可承受頻繁沖擊、制動和反轉，允許沖擊電流可達額定電流的3到5倍。另外在使用過程中可攜帶或可移動的蓄電池，干電池作為供電電源，操作輕巧與方便。根據直流電機這些性能，滿足主履帶頻繁受沖擊，制動和反轉的要求，滿足機器人要攜帶移動電池的要求，因而則選擇90ZY54型號的直流永磁電機，其參數如下： 額定功率 92 額定轉矩 0.6 額定轉速 1500 電流 7 電壓 12 允許正反轉速差 150 因為 則 因為, 則 又 則選取

34、 第四章 零部件的設計與選擇 4.1履帶（同步帶）部分設計 4.1.1同步帶的選擇 對于履帶基于標準化的思考，我們選擇了梯形雙面齒同步帶作為設計履帶，其具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準確的傳動比。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。傳動時的線速度可達50m/s，傳動比可達10，效率可達98％。傳動噪音比帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動小，耐磨性好，不需油潤滑，壽命比摩擦帶長。 因為同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，可獲得恒定的速比，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大等優(yōu)點，所以傳遞功率可

35、以從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，結構緊湊，適宜于多軸傳動，無污染，因此可在工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。 從以上對同步帶性能的分析中可以得出結論，選用梯形雙面齒同步帶作為移動裝置設計履帶能夠滿足設計性能及工作的環(huán)境條件要求。 由已知后軸輸出功率為(即）； 由已知設計裝置移動速度，根據公式，可得主動輪轉速，預先設計履帶主動輪直徑=169mm，履帶從動輪直徑=169mm，由公式，可得=59.71r/min.。故可以得到設計的已知條件如下： 傳遞名義功率. 主動輪轉速r/min 從動輪轉速 中心距. （1）功率的計算 式中K--載荷修正系數（有工作機性能和運轉時間查表8-1可

36、以得到） 表8-1修正載荷系數K 工作機 運行時間（小時/日） 3~5 8~10 16~24 計算機，醫(yī)療機 1.0 1.2 1.4 縫紉機，辦公機械 1.2 1.4 1.6 輕傳送機，包裝機 1.3 1.5 1.7 攪拌機，造紙機 1.4 1.6 1.8 印刷機，圓形帶鋸 1.4 1.6 1.8 （2）確定帶的型號和節(jié)距 由設計功率=0.1377kw和=59.71r/min，考慮到可以用雙面交錯梯狀齒形同步帶作為履帶使用，由圖8-1查得型號選用XH型，對應節(jié)距=22.225mm，圖8-2為雙面交錯梯狀齒形同步帶的結構圖，雙面齒同步帶的節(jié)

37、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，其兩面帶齒呈對稱排列，圖B為DB型雙面齒同步帶，其兩面帶齒呈交錯位置排列，本裝置設計履帶選擇DB型XH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同步帶的具體參數如下表8-2 表8-2 梯形齒標準同步帶型號以及齒尺寸 4.1.2確定主從動輪直徑 對于梯形標準同步帶來說小帶輪的齒數是有要求的，能夠保證同步帶運轉是最為基本的，履帶選用的XH形同步帶一樣有齒數最小要求，由表8-3查的 表8-3小帶輪的最小齒數 小帶輪轉速

38、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，故取履帶主動輪直徑=169mm，履帶從動輪直徑=169mm。 查表8-4，選擇履帶主動輪型號為24XH，履帶從動輪型號為24XH，就近圓整帶輪直徑，查得履帶主動輪直徑=169.79mm，履帶從動輪直徑=16

39、9.79mm。 表8-4XH型同步輪尺寸表（節(jié)距=22.225mm） 規(guī)格 齒數 節(jié)徑d 外徑do 檔邊直徑df 檔邊內徑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

40、 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，如果速度過大會使皮帶輪機構的不穩(wěn)定性增強，有較大的波動現象，并且在單位時間的轉動次數會增加，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 MXL,XXL,XL,T2.5，T5，3M L,H,T10，8M,14M XH,XXH, T20，20M 模數 1,1.5, 2,2.5 3,4， 5 7,10 40-50 35-40 25-

41、30 4.1.3確定節(jié)線長度 確定中心距，增大中心距，可以增加帶輪的包角，減少單位時間內帶的循環(huán)次數，有利于提高帶的壽命，但是中心距過大，則會加劇帶的波動，降低帶的傳動平穩(wěn)性，同時增大帶傳動的整體尺寸，中心距過小，則有相反的利弊，取帶傳動的中心距為 由=169.79mm，=169.79mm.代入上式有 由于移動機械手工作的環(huán)境限制，所設計的尺寸不宜過大，選擇中心距的尺寸偏小，初選取=380mm。 根據帶傳動總體尺寸和中心距的要求，帶的節(jié)線長度可由帶圍繞兩帶輪的周長來計算，根據下式求得： 代入=400mm，=169.79mm，=169.79mm有 1350.79mm，

42、 根據表8-6就近圓整=1422.40mm型號為560XH，同步帶齒數為64。 表8-6 XH型同步帶節(jié)線型號 XH型（節(jié)距=22.225mm） 規(guī)格 節(jié)線長mm 齒數 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 20

43、08.70 90 4.1.4確定最大功率時帶寬 （1）計算同步帶的基準額定功率 kw 式中許用工作拉力，查表8-4得=4048.90N 單位長度質量，查表8-7得=1.484Kg/m 線速度m/s 表8-7七種同步帶型號的主要參數 帶型號 節(jié)距 基準寬 拉力 質量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

44、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 （2）計算主動輪嚙合齒數 小帶輪的嚙合齒數為 （3）確定實際所需帶寬 其中為嚙合系數由表8-8查的 =1 表8-8嚙合數系數 5 4 1 0.8 0.6 式中帶所傳遞的功率=2.024kw 本履帶選

45、用為XH帶，可以由表8-9查的基準帶寬 如下 表8-9周節(jié)制梯形齒同步帶的寬度 型號 MXL XXL XL L H XH XXH 基準寬度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，所以以此選取標準帶寬，表8-10查的 將其取為標準值 8-10周節(jié)制梯形同步帶

46、的寬度與高度 型號 公稱高度 標準寬度 mm in mm in 代號 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 4.1.5功率驗算 ,額定功率大于設計功率，則帶的傳動能力已足夠，所選參數合理。 同時得到作用在軸上的力 4.1.6同步帶的物理機械性能 本移動機械手選

47、用XH帶，其物理機械如下 表8-11同步帶的物理機械性能 項目 梯形齒 XH L H XH XXH 拉伸強度 80 120 270 380 450 參考力 伸長率 參考力N 60 90 220 300 360 伸長 40 硬度 755 包布粘合強度 5 6.5 8 10 12 芯繩粘合強度 200 380 600 800 1500 齒體剪切強度 50 60 70 75 90 4.1.7同步帶主從動輪設計 （1）帶輪材料選擇 為了減輕履帶驅動裝置的重量，我們選擇硬鋁合金作為履帶主、從動輪的材料，硬鋁合金

48、具有密度小，質量低，強度高，硬度高，耐熱性好的優(yōu)點，能夠滿足設計性能要求。 （2）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，主動輪節(jié)圓型號為24XH，=169.79mm，從動輪節(jié)圓型號為24XH，=169.79mm.為同步帶輪實際外圓直徑，主動輪=166.99mm，從動輪=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，由于本設計采用的是電動機、減速器動力總成放在搖臂內，

49、直接通過錐齒輪傳遞用后驅動輪輪軸。所以，主動輪選擇兩個單邊單圈，從動輪選擇一個無擋圈，選WS型同步帶輪。 主動輪24XH，齒數24，徑節(jié)=169.79mm，外徑=166.99mm 主動輪初選兩個雙邊擋圈的帶輪，用于設計中將其組合。 （3）履帶輪齒形及齒面寬度的選擇 根據圖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，根據表8-12可以查出以上數據。 表8-12梯形雙面齒同步輪齒形尺寸 型號 節(jié)距 MXL 2.032 0.840

50、.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 根據前面確定的寬度為76.2，

51、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 同步帶寬度 齒輪面寬度 代號 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 （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 項目 小輪 大輪 外徑偏差 +0.15 0 +0.15 0 任意兩相鄰點 節(jié)距

52、偏差 90度弧內的累積 0.03 0.15 0.03 0.15 外圓徑向圓跳動 0.13 0.15 外圓端面圓跳動 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 外圓及兩齒側表面粗糙度 3.2 3.2 4.2副履帶（同步帶）部分設計 因為同步帶傳動具有準確的傳動比，無滑差，傳動平穩(wěn)，能吸振，噪音小，傳動比范圍大等優(yōu)點，所以傳遞功率可以從幾瓦到百千瓦。傳動效率高，結構緊湊，適宜于多軸傳動，無污染，因此可在不允許有污染和工作環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作。 從以上對同步帶性能

53、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裝置副履帶能夠滿足設計性能及工作的環(huán)境條件要求。副履帶的設計是依照主履帶的設計進行的，具有異曲同工之妙。 而副履帶相對了主履帶來說，它是輔助作用，幫助移動平臺具有更出色的越野性能，更擅長于攀爬和越溝。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。其設計方法參照主履帶如下: 介于副履帶的主動輪的直徑選擇應與主履帶的從動輪的相當，則參照表8-15選擇副履帶主動輪直徑。 根據任務推出 副履帶從動輪直徑 副履帶主動輪齒數 副履帶從動輪齒數 表8-15標準同步帶的直徑 4.2.1計算同步帶

54、的帶寬 根據前面的表8-7查得到： H帶 選擇標準帶由表8-9差查得 H帶 4.2.2計算H帶的基準額定功率 計算所選用型號同步帶的基準額定功率 其中 得出 而由 反推得到設計功率為 4.2.3中心距的選擇 則確定中心距 4.2.4計算同步帶節(jié)線長度 根據帶傳動總體尺寸和中心距的要求，帶的節(jié)線長度可由帶圍繞兩帶輪的周長來計算，根據下式求得： 代入數據 根據表8-16可選帶長為 8-16周節(jié)制梯形齒同步帶節(jié)線長度及齒數 長度代號 基本尺寸 極限偏差 L H XH XXH 345 876.

55、30 0.66 92 -- -- -- 360 914.40 -- 72 -- -- 367 933.45 98 -- -- --- 390 990.60 104 78 -- -- 420 1066.80 0.76 112 84 -- -- 4.2.5車體副履帶搖臂設計 車體副履帶搖臂如下圖示： 4.3機械手臂部分設計 4.3.1電機的選擇 本機械手臂有四個電機，分別是手臂回轉電機，大小臂關節(jié)電機、手腕回轉電機，此處以手臂回轉電機為例進行選擇計算，其他電機的選擇類似。 現在比較常用的步進電機包括反應式步進電機(vR)、

56、永磁式步進電機(PM)等。永磁式步進電機一般為兩相，轉矩和體積較小，步進角一般為7.50或150；反應式步進電機一般為三相，可實現大轉矩輸出，步進角一般為0.750或1.50，但有一定的噪聲和振動。反應式步進電機的轉子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵磁繞組，利用磁導的變化產生轉矩。 綜合考慮技術難度、精度和資金等因素，結合所改造機床的負載較小，負載變化不大又是經濟簡易型的自動控制設備，故采用反應式步進電機作為砂輪座磨削進給的驅動源。 (1)旋轉力的計算 旋臂式機械手夾持工件時，很明顯承受著一定的旋臂力矩。由文獻1查得旋轉力的計算公式為： 一旋轉阻抗力(N)，根據相關經驗數據，取其值為

57、1989.9。 由文獻1查得： 取，則 (N) ，則 (N) (2)步進電機的選用 步進電機總的位移量是嚴格等于輸入的指令脈沖數，或其平均轉速嚴格正比于輸入指令脈沖的頻率，因此能實現精確定位、精確位移。而且同時可在其工作頻段內，從一種運動狀態(tài)穩(wěn)定地轉換到另一種運動狀態(tài)。步進電機有下列工作特點： ①變扭矩傳動，扭矩受脈沖頻率的限制。頻率高，扭矩則小。能雙向轉動，有適量的阻尼。 ②只要避開步進電機本身的低頻振蕩區(qū)，就可能獲得平穩(wěn)的低速進給。 ③改變指令脈沖頻率就能使步進電機變速，從而改變進給速度，可省去一部分機械變速機構，機械結構簡單，壽命長。 ④進給速度變化范圍寬，從每

58、秒幾個脈沖到幾千個脈沖。即能使進給系統(tǒng)正調整時實現快速運動，又能保證由粗加工到精加工的各項要求。 ⑤快速響應性很強，只要有脈沖輸入或停止輸入，步進電機就立即轉動或停轉。 ⑥不通電時無定位力矩，轉子能自由轉動，每步有振蕩和過沖，但在使用中失步和過沖完全在零件的尺寸誤差之內，對加工精度影響甚小。 (3)脈沖當量和步距角 脈沖當量小可提高加工精度，但使系統(tǒng)復雜。一般加工精度的自動控制機床，脈沖當量可選為0．01mm／step，初步確定步距角=0．75／step。 (4)步進電機轉軸上啟動力矩的計算 由文獻9查得啟動力矩的計算公式為： 式中： 一電機啟動力矩 ——旋轉進給抗力(N

59、)，= =1989．9(N) 一垂直分力，==795．9(N) ——導軌摩擦系數，選用淬火鋼滾動導軌，取=0．01 G-機器重量(N)，按圖紙粗估G=480N ——總機械效率，取=0．85 則 (5)確定步進電機最大靜轉矩和最高工作頻率 為滿足最小步距要求，電機選用三相六拍工作方式，由文獻9查得： =0．866 (3—6) 則步進電機最大靜轉矩為： =180／0.866=207．8(Ncm) 最高工作頻率為： (7)步進電機的選擇 查表選用110BF003型步進電機，其參數如下：步距角，選用三相六拍工作時取，最大靜轉距800N·cm，最高空載啟動頻

60、率1500Step／s，運行頻率7000 Step／s，相數3，電壓80V，相電流6A，滿足需要。 4.3.2大、小臂設計 （1）負載分析 負載R是指工作機構在滿負荷情況下，即： 式中：-工作機構的荷重及自重對手臂產生的作用力； -工作機構在滿載啟動時的靜摩擦力； -工作機構滿載啟動時的慣性力。 (1)的確定 ① 工件的質量m =5.9 (kg) ②夾持器的質量 15kg(已知) ③伸縮臂的質量 50kg(估計) ④其他部件的質量 15kg(估計) 工作機構荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=85

61、9(N) 取Ri=860N (2) 的確定 Rm= (N) (3) 的確定 Rg=(N) 式中：為啟動時間，其加速時間約為0.1～0.5s =0.1s , =0.2s 總負載 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N) 取實際負載為 =1200 根據負載分析計算得到大小臂結構尺寸如下圖示： 4.3.3手爪、手腕設計 （1）腕部回轉力矩的計算 腕部回轉時，需

62、要克服的阻力有： 1）腕部回轉支承處的摩擦力矩 式中 ，—軸承處支反力（N），可由靜力平衡方程求得; ,—軸承的直徑（m）； —軸承的摩擦系數，對于滾動軸承=0.01-0.02；對于滑動軸承=0.1。 為簡化計算，取，如圖4-2所示，其中，為工件重量，為手部重量，為手腕轉動件重量。 圖4-2 腕部受力簡圖 2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 式中 e—工件重心到手腕回轉軸線的垂直距離，已知e=10mm. 則 3）克服啟動慣性所需的力矩 啟動過程近似等加速運動，根據手腕回轉的角速度及啟動過程轉過的角度按下式計算： 式中

63、—工件對手腕回轉軸線的轉動慣量； —手腕回轉部分對腕部回轉軸線的轉動慣量； —手腕回轉過程的角速度； —啟動過程所需的時間，一般取0.05-0.3s,此處取0.1s.。 手抓、手抓驅動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，高為200mm，直徑90mm，其重力估算： ,取98N. 等效圓柱體的轉動慣量： 工件的轉動慣量，已知圓柱體工件， 要求工件在0.5s內旋轉90度, 取平均角速度，即=， 代入得： 解可得： =0.8083 根據上上述結算得到手腕的結構

64、尺寸如下圖示： 第五章 基于Pro/E的三維設計 5.1 Pro/E三維設計軟件概述 Pro/Engineer操作軟件是美國參數技術公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數化著稱，是參數化技術的最早應用者，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國內產品設計領域占據重要位置。 Pro/Engineer和WildFire是PTC官方使用的軟件名稱，但在中國用戶所使用的名稱中，并存著

65、多個說法，比如ProE、Pro/E、破衣、野火等等都是指Pro/Engineer軟件，proe2001、proe2.0、proe3.0、proe4.0、proe5.0、creo1.0\creo2.0等等都是指軟件的版本。 Pro/E第一個提出了參數化設計的概念，并且采用了單一數據庫來解決特征的相關性問題。另外，它采用模塊化方式，用戶可以根據自身的需要進行選擇，而不必安裝所有模塊。Pro/E的基于特征方式，能夠將設計至生產全過程集成到一起，實現并行工程設計。它不但可以應用于工作站，而且也可以應用到單機上。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進行草圖繪制、零件制作、裝配設計、鈑金設計、加工處理等，

66、保證用戶可以按照自己的需要進行選擇使用。 5.2三維設計 5.2.1車體 車體如下圖示： 圖5-1車體 5.2.2主履帶 通過對各組成零件進行三維設計后裝配得到主履帶設計結果如下圖示： 圖5-2主履帶 5.2.3副履帶 通過對各組成零件進行三維設計后裝配得到副履帶設計結果如下圖示： 圖5-3副履帶 5.2.4手臂、手腕 通過對各組成零件進行三維設計后裝配得到手臂、手腕設計結果如下圖示： 圖5-4 手臂、手腕 5.2.5三維裝配 圖5-5 移動機械手裝配 總 結 移動機械手是一種極具研究價值和應用前景的軍用地面移動機器人，在未來的戰(zhàn)場上將扮演越來越重要的角色，本論文對具有移動功能的化移動機器入進行了總體技術的研究，并主要對其車體結構部分進行了詳細的設計和論證，本論文完成的主要工作如下： （1）通過功能和設計任務的分析，確立了移動機械手總體功能構架，初步制定了小型移動機械手的總體組成和性能指標。 （2）在非結構環(huán)境下，移動平臺是小型移動機械手實現復雜地形運動的功能載體，本