毕业设计说明书机器人解救人质Word文档格式.docx

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（3）、履带式

履带式实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。

它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。

履带式的的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；

另外与路面黏着力强，能吸收较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。

它的缺点是由于没有自位轮，没有转向机构，要转弯只能靠左右两个履带的速度差，所以不仅在横向，而且在前进方向也会产生滑动，转弯阻力大，不能准确地确定回转半径等。

因此，履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。

图2-1履带式过桥机构示意图

如图2-1所示，过桥机构由里外均有齿形的同步带（效果近似于履带）带动的摆臂和齿轮齿条伸缩机构构成。

小车开到壕沟前伸出长约240mm左右的下面带车轮的齿条，小车往再前开一段能使齿条带小轮的那端搭到壕沟对岸10mm的距离即可，然后把同步带摆臂向后翻转180度，再启动小车就能完成过沟了。

过沟之后把齿条缩回同步带摆臂摆到原来位置即可。

（4）、架桥式

即采用架桥机构与机器人小车分离的办法。

如图2-1所示，架桥机构行驶由电机驱动，可以直走和转弯。

其底版由上下两块底版组成，其中下底板在过桥时可以完全伸出，伸出后其前轮与上底版前轮之间距离要保证不小于280mm，这样就可以保证整个桥搭在壕沟两端。

这样就完成了搭桥工作，上面的机器人小车就可以从桥上开过去，实现过桥动作。

图2-2架桥式机构原理示意图

综合以上考虑，后两种方案实现较为容易，又由于本机器人是在光滑平整的地面上动作，非常适合车轮运动，因此本设计采用架桥式机构。

2、机器人行驶机构设计方案的拟订

要求机器人行驶时可以实现前进、后退、左转、右转四个动作，实现的方法可以用步行式、履带式以及轮式三种方式。

1、步行式（见上）

2、履带式（见上）

3、车轮式

图2-3车轮行驶机构示意图

如图2-3所示，后面为两个驱动轮，前面为两个支撑轮。

直走时两电机转向相同，转弯时两电机转向相反。

为减轻重量，车轮本身采用铝或尼龙材料。

为保证与地面始终接触并增加与地面的摩擦力，轮缘采用弹性较好的橡胶制造。

车轮式移动是最常见的一种地面行进方式。

车轮式移动的优点是：

适于平整硬质路面，能高速稳定的移动，能量利用效率高，机构和控制简单，转向灵活，而且技术比较成熟。

综合以上几种方案，考虑到行走地面为光滑平整，再者轮式机构实现容易，因此机器人行驶机构我们采用了轮式机构。

3、机器人手臂升降机构设计方案的拟订

由于机器人采用普通直流电机驱动，而普通直流电机一般都具有转矩不大、不能自锁的缺陷，因此必须在电机与手臂之间需增加一个减速增力和实现自锁的装置。

根据机械传动知识可知，蜗轮蜗杆传动就可以实现上述功能。

如图2-12所示，安装时蜗轮和手臂固定在一起，电机与蜗杆固定在小车底盘上，要求蜗轮带动手臂每分转动5转左右并且速度可以调节，由于所需力矩很大，因此这里需选择一个功率较大的电机。

图2-12机器人手臂升降机构示意图

4、机器人驱动设计方案的拟订

机器人驱动系统，按动力源可分为液压驱动、气动驱动和电动驱动三种基本驱动类型。

我们可采用这三种基本驱动类型的一种，或合成式驱动系统。

这三种基本驱动系统的主要特点如下：

（1）、液压驱动

一般说来，液压驱动功率较大，可无级调速，反应灵敏，体积适当，执行机构易实现直接驱动。

但是使用液压系统，必须配备单独的液压站。

另外伸缩用的液压缸不适宜做成3级以上，伸出长度受到很大限制。

（2）、气动驱动:

相对液压系统，气压系统输出功率较小，但完全可以满足本机器人完成动作需要。

但其体积稍大，工作时有噪音，另外必须配备单独的空气压缩机。

（3）、普通电机驱动

根据本次设计要求，机器人驱动电机使用的是低于36伏的安全电压。

为了使机器人结构更加紧凑，输出的力矩达到要求，我们选用的一般是直流微型减速电机。

采用普通电机驱动，控制电路简单，安装方便，反应较液压气动更快，电机价格低廉，因此和其他驱动具有很大优势。

但其还存在转速很高，输出功率转矩小一般较小，寿命短，驱动装置不能自锁等缺陷。

步进电机驱动

图2-10步进电机进给系统示意图

步进电机输出转角大小与输入脉冲数严格成比例，即每输入一个脉冲，电机转子相应转动一步。

若在如图2-10的进给系统里，工作台就移动了一个脉冲当量（一般为1微米）。

步进电机的转速可随输入信号的脉冲频率而变化，可以实现无级调速，且调速范围相当宽。

因此采用步进电机驱动可以获得很好的位置精度（能够自锁）和速度控制性能，故在数控机床中得到广泛应用。

但较普通电机控制来看，低电压步进电机输出转矩一般比较小，控制电路复杂，成本高出很多。

综合比较上述各种驱动的特点，普通电机具有控制方便，成本低廉，并且可以通过各种减速机构来弥补其速度过高、输出转矩过小，不能自锁等缺点。

因此我们最终选用驱动采用普通直流减速电机驱动。

四、设计过程：

1机器人过桥机构的设计

（一）、工作原理

利用过桥机构中下底板的电机的旋转，实现齿轮的转动，进一步推动齿条向前伸长，将下底板推出去，并伸到理想长度，从而完成搭桥的结构，最后让小车从过桥机构上开过。

原理如图3-1：

图3-1过桥机构示意图

（二）、行走部分的设计

1、底板的设计

1）材料的选择

上底板所受的力不是很大，强度要求不高，考虑到机器人的重量要尽可能轻，所以选择铝板作为上底板。

2）结构的设计

机器人在收缩状态时，其长宽高均应≤300mm，展开状态时尺寸不限，所以初设过桥机构的长宽均为280mm，铝板所受的压力不是很大，强度要求不高，选择铝板的厚度为5mm。

2、车轮的设计

上底板要安装四个轮子，分别为驱动轮与前轮。

驱动轮完成的动作是电机带动该轮旋转，不可以变形，质量轻，故选择铝材料，外表面包一橡胶圈以增大摩擦力，使轮子与地面不打滑，同时轮子与电机的固定用紧固螺钉旋紧。

前轮子在行走过程中不起作用，只在搭桥时起支撑作用，小车从上面经过，会使过桥机构往后移动，所以这两个轮子卡在河岸边缘防止过桥机构后移，故材料不限。

但还是要考虑重量问题，选择塑料或者铝为轮子材料。

2）结构尺寸的设计

驱动轮直径大小影响到前进速度，驱动轮的直径要适当大，又考虑到总高≤300mm，根据过桥机构上小车的高度，初定轮子的直径D=54mm。

前轮主要起支撑作用，轮子要比驱动轮小，确定D=50mm。

3、电机的选择

1）电机转速的计算

①小车打转时

初定转弯时间为：

t=2s～4s

转弯半径为：

D=240mm

C=лd=240×

3.14=753.6mm

V1′=753.6/2=376.8mm/s

V1″=753.6/4=188.4mm/s

V1=188.4mm/s～376.8mm/s

②驱动轮直走时

t=8s～10s，S=2.5m=2500mm

V2′=2500/8=312.5mm/s

V2″=2500/10=250mm/s

V2=250mm/s～312.5mm/s

轮子D=54mmC=лd=3.14×

54=169.56mm

n1′=60×

188.4/169.56=66.67r/min

n1″=60×

376.8/169.56=133.33r/min

n1=66.67r/min～133.33r/min

n2′=60×

250/169.56=88.46r/min

n2″=60×

312.5/169.56=110.58r/min

n2=88.46r/min～110.58r/min

选择电机转速n为88.46r/min～110.58r/min,故选择95r/min的电动机

2）电机功率的计算

初定小车重量为：

G=mg=11×

10=110（N）

小车与地面的摩擦力为：

查《机械手册》的橡胶与地面的摩擦系数µ

=0.4

f=mgµ

=11×

10×

0.4=44N

驱动轮的扭矩为：

T=f.1/2d=44×

1/2×

54=1188N.mm=1.188N.m

驱动电机的功率为:

P=Tn/9550=1.188×

95/9550=0。

0118KW=11.8W

根据电机系列选择P=15W

3）选择电机的型号

根据以上计算结果，我们选择宁波天恒电机厂生产的JH37JB555型直流减速电机。

电机的型号为:

JH37JB555.

其主要参数:

V=268.47mm/sP=15Wn=95r/min

4、伸缩部分的结构设计

1）伸缩底板

伸缩底板材料：

下底板所受的力不是很大，强度要求不高，考虑到过桥机构的重量要尽可能轻，所以选择铝板作为下底板。

2）齿轮

①材料选择

齿轮的材料为45钢

②结构尺寸的设计

、模数的确定

模数m=1.5

、齿数的确定

齿数Z=11。

、几何尺寸计算

分度圆直径为：

d=mZ=11×

1.5=16.5mm。

齿顶圆直径为：

da=m（Z+2）=1.5（11+2）=19mm。

齿根圆直径为：

df=m（Z-2.5）=1.5（11-2.5）=12mm

宽度为B=10mm。

、齿轮的结构示意图如图3-2

图3-2过桥机构齿轮结构示意图

3）齿条的设计

齿条材料的选择

齿条的材料为45钢

结构尺寸的设计

模数为m=1.5mm

宽度为B=10mm

总长为L=230mm

有效长度为L1=210mm，

厚度为t=4mm。

4）电机的选择

电机转速的确定

预设底板推出的时间为t=2s～5s

底板的推出的有效长度为L1=210mm

底板的推出速度V=210/2～210/5=105～42mm/s

m=1.5Z=11d=1.5×

11=16.5mm

n=60×

42/16.5～60×

105/16.5=162.72r/min～42r/min

确定电机的转速n=160r/min

电机功率的确定

考虑到底板伸出只克服两侧导向板的摩擦力和底板下两只轮子的滚动摩擦力，选择P=4W的电机。

电机型号的确定

电机的型号为

电机的有关参数

n=160r/minP=4WU=12V

5）轮子的设计

材料的确定

如图3-2，（6）和（18）两个轮子在行走过程中只起支撑作用，在搭桥时起支撑作用，小车从上面经过，会使过桥机构往后移动，所以这两个轮子卡在河岸边缘防止过桥机构后移，故材料不限。

但还是要考虑重量问题，选择尼龙材料。

下底板的轮子主要起转弯作用，根据驱动轮的尺寸，轮子安装高度为40mm的滚动轮。

过桥机构零部件的安装图如下。

图3-3

图3-4过桥机构底盘示意图

1、4轮子2、3轮子电机5转动轴6、18轮子7、17轴承座8、9铝板10车轮支座11、6小轮子12齿轮13齿条14电机支座15齿轮齿条电机

2小车行走机构设计计算与分析

（一）、小车底板的设计

1、材料的选用

小车所受力不大，强度要求不高，故选择铝板作为小车的底板。

2、结构的设计

设计要求机器人小车的长、宽、高≤300mm，过桥机构安装平台的长、宽为280mm。

再考虑小车其他零件的尺寸，确定小车底板的长、宽均为240mm，采用4mm的厚度。

（二）、小车行走的实现方式

1、小车直走

小车驱动轮同时正转，或者同时逆转时，小车则直行。

2、小车转弯

小车的两个驱动轮其中有一个轮子正转，另一个逆转就可以实现小车的转弯。

通过小车两个驱动轮转向的不同来实现小车左转弯和右转弯的动作。

（三）、行走机构电机的计算与选择

1、电机的转速计算与选择

1）驱动轮打转时

t=2s～4s

D=200mm

L=πD=200×

3.14=628mm

V1′=628/2=314mm/s

V1″=628/4=164.5mm/s

V1=164.5mm/s～314mm/s

2）驱动轮直走时

t=3s～5sS=2m=2000mm

V2′=2000/5=400mm/s

V2″=2000/9=222.2mm/s

V2=222.2mm/s～400mm/s

轮子D=49mm，C=πD=3.14×

49=153.86mm

164.5/153.86=64.15r/min

314/153.86=122.45r/min

n1=64.15r/min～122.45r/min

222.2/153.86=86.65r/min

400/153.86=155.99r/min

n2=86.65r/min～155.99r/min

因此，选择电机转速n要在86.65r/min～155.99r/min。

2、选择电机的功率

G=mg=8.7×

10=87N

查《机械手册》的橡胶与地面的摩擦系数μ=0.65

f=mgμ=8.7×

0.65=56.55N

T=f.1/2d=56.55×

49=1385N.m=1.385N.mm

P=Tn/9550=1.385×

95/9550=13.78W

3、选择电机的型号

选择型号为JH37JB555型的电动机。

其主要参数为:

U=24VP=15Wn=95r/min

（四）、轮子的设计

1、轮子的材料选用

小车上共安装了四个轮子，分别为驱动轮与前轮。

电机带动驱动轮旋转，所以材料要不变形，质量轻，选择铝材料，外圈分别套了橡圈以增大与地面的摩擦力，不打滑、前进速度尽可能快。

同时轮子与电机的固定用紧固螺钉旋紧，前轮和驱动轮的结构相同。

2、结构尺寸设计

根据总高度≤300mm，减去过桥机构的高度后，初定小车四个轮子的直径为；

D=49mm。

（五）、前轮心轴设计

轴的受力小，材料采用45号钢。

两个轮子用一根轴固定在轴承上，由驱动轮带动两个前轮同时转动，轴长初定为210mm，直径为6mm光轴。

（六）、前轮心轴轴承座结构设计

轴承座的受力小，考虑重量问题，采用铝材料。

两个前轮分别装于心轴两端通过轴承座固定在机器人的底板上，与过桥平台机构的前轮固定一样，采用相同结构，示意图如图3-5。

图3-5前轮心轴轴承座结构图

（七）、电机的安装支座

电机安装支座的受力小，考虑重量问题，采用铝材料。

电机安装支座通过两个φ3的两个孔与电机固定，另两个φ3的孔用于跟底板的固定，结构示意图如图3-6。

图3-6底盘驱动电机安装支座结构图

（八）、小车底板的安装图

示意图如图3-7所示。

图3-7底盘安装示意图

3手臂上下摆动的设计计算与分析

（一）、手臂上下摆动原理图如图3-8

图3-8手臂上下摆动原理图

（二）、蜗轮的设计

1、材料选择

齿轮的材料为45钢

2、结构尺寸的设计

1）、模数的确定

初定模数m=1.5

2）、齿数的确定

初定齿数Z=35。

3）、几何尺寸计算

d=mZ=1.5×

35=52.5mm。

da=m（Z+2）=1.5（35+2）=55.5mm。

df=m（Z-2.5）=1.5（35-2.5）=48.75mm

宽度为B=8mm。

（三）、蜗杆的设计

1、蜗杆材料的选择

蜗杆的材料为45钢

2、结构尺寸的确定

1）、蜗杆的头数确定

头数Z=1

2）、蜗杆模数的确定

3）、蜗杆系数的确定

查《机械零件手册》得蜗杆直径系数q=8，径向间隙系数C*=0.2

4）、几何尺寸的确定

d=mq==1.5×

8=12mm。

da=m（q+2ha*）=1.5（8+2×

1）=15mm。

df=m（q-2ha*-2C*）=1.5（8-2×

1-2×

0.245）=8.265mm

总长L≥（11+0.06Z）m·

2=（11+0.06×

35）×

1.5×

2=39.3mm

故选择L=40mm。

（四）、电机的选择

P1为拉伸绳子的电机重量

P2为摇摆手爪的电机重量

G为手臂的自重

G1为手爪的重量

G2为人质的重量

1、电机转速的选择

传动比i=Z2/Z1=35/1=35

因为手臂抬高和下降速度不宜过大，速度太大，手臂在下降过程中由于惯性，会出现急降现象，蜗轮与蜗杆之间存在着较大的传动间隙，初设蜗轮n=3r/min，

所以

电机n=35×

3=105r/min

选择电机转速为95r/min。

2、电机功率的选择

对支点N的力矩平衡方程式得：

P1·

L4+M-P2·

L1-G（G1+G2）·

（L1+L2+L3）=0

0.8×

0.07+M-0.9×

0.16-4.5×

0.33-（0.7+0.539）×

（0.4+0.17+0.16）=0

M=2.45N·

m

i=35

T2=iT1η

T1=T2/iη=M/iη=2.45/35×

0.5=0.14

P=T1n/9550=0.14×

95/9550=0.0139KW=13.9W

根据电机手册选择电机的功率为15W。

3、电机的型号

电机的型号为：

JH37JB555

电机的有关参数：

n=95r/minP=15WU=24V

四、机器人的创新与特色

1、过桥机构与小车分离技术

本项目包括上下两部分，下部分为过桥机构，上部分为小车部分。

在机器人通过壕沟后，过桥机构与小车分离

2、伸缩臂自锁技术

我们利用蜗轮蜗杆传动具有自锁特性很好地解决了使用一般直流减速微型电机直接带动手臂，由于电机一般没有自锁功能，因此手臂不可避免地出现自动下垂现象。

五、结束语

在本课件的研制中，有些数据要很多次的计算才