四履带搜救机器人机械结构设计行星减速器设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 摘 要 自然灾害 ，尤其是煤矿瓦斯煤尘爆炸事故发生后 ,矿井环境十分复杂 ,井下人员面临极其危险的状况 ,需尽快地转移与救护；而搜救工作异常困难和危险 ,往往在救援工作中造成救护人员的伤亡。研发代替或部分代替救护人员及时、快速深入矿井灾区进行环境探测和搜救工作的救灾机器人具有极其重要的意义。 本论文研究工作的目的是设计结构新颖、具有独立可操作性的、抗击一定冲击和越障能力的履带式移动机器人， 以适应在 复杂 环境和 崎岖 路况下工作 。 本研究意义在于为 后续设计 的搜救机器人提供一个基础的动力平台，以 便于能够开发出更多使用功能的搜救机器人 ，特别是提供一个坚实的移动平台，搭载一些搜救设备，为井上人员提供救援信息，设计合理救援方案，缩短救援时间，减少伤亡 。 本 设计的搜救机器人 移动方案是履带式驱动结构。 该 方案采用模块化设计，便于拆卸维修，可以分段自适应复杂路面，并可主动控制两侧翼板模块的转动来调节机器人姿态变化，辅助爬坡、越障和跨沟；机器人经过合理的结构布局和设计后具有良好的环境适应能力、机动能力并能抵抗一定高度的掉落冲击。 所设计的机器人 移动 机构主要由四部分组成： 主动轮减速驱动机构、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 。 对此设计作部件的设计，以及强度校核，最后形成设计理念。 关键字 ： 搜救机器人；复合移动机构；模块化设计； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 is it is to as as in by of or of to of of is of an of to of to to to in of a in to be to of to a in to We is to to of to 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 to to to a of of We of 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目录 前 言 . 6 1 绪 论 . 8 题研究背景及意义 . 8 题研究背景 . 8 题研究意义 . 9 内外的研究概况 . 11 外研究现状 . 11 内研究现状 . 13 展趋势 . 14 2 搜救机器人的总体结 构方案设计 . 18 下复杂环境对救灾机器人的要求 . 18 型移动机构方案论证分析 . 错误 !未定义书签。 式移动机构 特点 . 错误 !未定义书签。 式移动机构特点 . 错误 !未定义书签。 带式移动机构特点 . 错误 !未定义书签。 、腿式移动机构特点 . 错误 !未定义书签。 、履、腿式移动机构性能比较 错误 !未定义书签。 究设计采用的行走机构 . 错误 !未定义书签。 灾机器人性能指标与设计 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 3 搜救机器人运动参数设计计算 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 救机器人跨越台阶 . 错误 !未定义书签。 救机器人跨越沟槽 . 错误 !未定义书签。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 . 错误 !未定义书签。 章小结 . 错误 !未定义书签。 4驱动电机的选则 . 错误 !未定义书签。 于平地的最大速度的电机功率计算 错误 !未定义书签。 坡最大坡度的驱动电机功率计算 错误 !未定义书签。 章小结 . 错误 !未定义书签。 5 驱动轮减速器设计 . 错误 !未定义书签。 . 错误 !未定义书签。 速器应满足的要求 . 错误 !未定义书签。 速器方案分析 . 错误 !未定义书签。 速器的设计计算 . 错误 !未定义书签。 速器的传动方案分析 . 错误 !未定义书签。 齿计算 . 错误 !未定义书签。 步计算齿轮的主要参数 . 错误 !未定义书签。 配条件的计算 . 24 速级齿轮强度的验算 . 25 的设计及校核 . 33 章小结 . 37 6 移动机构履带及翼板部分设计 . 38 定带的型号和节距 . 39 定主从动轮直径 . 40 板部分设计 . 40 臂作用概述 . 41 致 谢 . 45 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 前 言 在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的 70%左右，预计到 2050年还将占 50%以上，因此，在未来相当长的时间内，煤炭仍然是我国的主要能源，由于我国矿井自然条件差，加上技术和管理等诸多方面不到位，以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长 ， 使得我国煤矿矿井灾害事故频繁发生，人员伤亡十分惨重。据统计， 2006年我国矿难死亡 1517人，百万吨死亡率为 2007年全国矿难死亡 1600人 ，2008年全国煤矿发生伤亡事故 1341 起，死亡 1389人，百万吨死亡率约为 中一次死亡 3 9人的重大事故 110起，死亡 886人。 2009年全国安全生产数据显示 2009全国共发生一次死亡 10 人以上的特大事故 61起 ： 死亡 717人 ， 其中煤矿企业特大事故共发生18起 ,死亡 330人，死亡人数仍高居各类安全事故之首。 2010年全国煤矿安全生产形势依然严峻，目前我国煤矿事故死亡人数远远超过世界其他产煤国家煤矿死亡人数的总和，约占世界矿难人数的80%，百万吨死亡率是美国的 100倍、南非 的 30倍。每年上百次的事故发生，成千人的矿工死亡，煤矿安全形势已经十分严峻。 矿井瓦斯爆炸一旦发生，因受高温、烟雾、有害气体和缺氧等影响，以及存在发生二次灾害的可能，救护人员无法知道能否进入或无法直接进入灾害现场执行营救任务，上述事故中的伤亡人员有相当一部分是救护人员，如陕西黄陵矿业公司一号煤矿发生特大瓦斯爆炸事故， 2名救护队员在井下不慎滑倒，将呼吸机鼻夹摔脱落，导致一氧化碳中毒死亡； 2005年渑池县赵沟八矿井下突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立即赶到现场 救灾 ，在救买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 火过程中，突发瓦斯爆炸， 4名救护队员殉职 ； 2006年六枝工矿集团公司救护大队的救护队员在井下实施封闭火区措施时，火区发生瓦斯爆炸，造成 8名救护队员死亡。 由此可见研发代替或部分代替救护人员的救灾机器人及时、快速深入矿井灾区进行环境探测和搜救工作具有极其重要的意义。在救援初期，其主要作用是代替矿山救护人员进入灾区，进行环境探测，并将采集的数据发送至救援指挥中心，这些环境信息主要包括瓦斯、 气的浓度、环境温度、湿度与粉尘情况以及灾区的通风状况的参数，还应包括生命和图像等信息，为救灾决策提供重要参考。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 绪 论 题研究背景及意义 题研究背景 地震、火灾、矿难等灾难发生后 ,在废墟中搜寻幸存者 ,给予必要的医疗救助 ,并尽快救被困者是救援人员面临的紧迫任务。实际经验表明 ,超过 48 小时后被困在废墟中的幸存者存活的概率变得越来越低。由于灾难现场情况复杂 ,在救援人员自身安全得不到保证的情况下是很难进入现场开展救援工作的 ,此外 ,废墟中形成的狭小空间使搜救人员甚至搜救犬也无法进入。灾难搜救机器人可以很好地解决上述问题。机器人可以在灾难发生后第一时间进入灾难现场寻 找幸存者 ,对被困人员提供基本的医疗救助服务 ,进入救援人员无法进入的现场搜集有关信息并反馈给救援指挥中心等。近年来 ,为了满足救援工作的需要 ,国内外很多研究机构开展了大量的研究工作 ,可在灾难现场废墟中狭小空间内搜寻的各类机器人如可变形多态机器人、蛇形机器人等相继被开发出来。本文在介绍国内外灾难搜救机器人最新研究成果及近年来灾难现场的实际使用情况的基础上 ,根据现场使用的经验教训提出了灾难救援机器人需要解决的一些关键技术问题 ，指出了灾难救援机器人的发展趋势。 本文提出的便携式救灾机器人是一种质量轻，易于 单个救援人员背负，具有多种运动姿态和抗摔能力，采用履带方式行进的微小型机器人系统。 能够适应矿井恶劣的灾后环境，对非结构的地形环境具有良好的自适应能力，具备较好的越障能力 和一定高买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 度的抗摔能力。机器人可通过无线电信号进行远程控制，并能够加载各种侦测设备对未知环境进行先期探测 并回传井巷环境信息 ，为及时有效的救灾提供决策参考。 题研究意义 我国煤炭资源丰富，是世界上最大的煤炭生产国和消费国。在我国的能源工业中，煤炭占我国一次能源生产和消费结构中的一半以上 ，在未来相当长的时间内，煤炭仍然是我国的主要能 源，由于我国矿井自然条件差，加上技术和管理等诸多方面不到位，以及近年来国家对煤炭资源需求量的不断增长，使得我国煤矿矿井灾害事故频繁发生，人员伤亡十分惨重。据统计， 2006年我国矿难死亡 1517人，百万吨死亡率为 2007年全国矿难死亡 1600人，百万吨死亡率为 2008年全国煤矿发生伤亡事故 1341 起，死亡 1389人，百万吨死亡率约为 中一次死亡 3 9人的重大事故 110起，死亡 886人。 2009年全国安全生产数据显示 2009全国共发生一次死亡 10 人以上的特大事故 61起 ： 死亡 717人 ， 其中煤矿企业特大事故共发生 18起 ,死亡 330 人，死亡人数仍高居各类安全事故之首。 2010年全国煤矿安全生产形势依然严峻，目前我国煤矿事故死亡人数远远超过世界其他产煤国家煤矿死亡人数的总和，约占世界矿难人数的 80%，百万吨死亡率是美国的 100倍、南非的 30 倍。每年上百次的事故发生，成千人的矿工死亡，煤矿安全形势已经十分严峻。 煤矿作为最复杂、最危险的工作环境之一，在发生安全事故之后，常常会因为井下复杂危险的环境而阻碍救援人员深入井下开展工作。但煤矿安全形式十分严峻，瓦斯爆炸等煤矿事故频发，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 造成了重大的 人员伤亡，产生了不良的社会影响。煤矿灾害尤其是瓦斯煤尘爆炸事故发生后， 因受高温、烟雾、有害气体和缺氧等影响，以及存在发生二次灾害的可能， 矿井环境十分复杂。 救护人员无法知道能否进入或无法直接进入灾害现场执行营救任务，上述事故中的伤亡人员有相当一部分是救护人员，如陕西黄陵矿业公司一号煤矿发生特大瓦斯爆炸事故， 2名救护队员在井下不慎滑倒，将呼吸机鼻夹摔脱落，导致一氧化碳中毒死亡； 2005年渑池县赵沟八矿井下突然起火，三门峡市矿山救护队接报后立即赶到现场 搜救 ，在救火过程中，突发瓦斯爆炸， 4名救护队员殉职； 2006 年六枝工矿集团公司救护大队的救护队员在井下实施封闭火区措施时，火区发生瓦斯爆炸，造成 8名救护队员死亡。 井下因灾受伤人员面临极其危险的状况，需尽快地转移与救护；而救援工作异常困难和危险，往往在救援工作中造成救护人员的伤亡。 由此可见研发代替或部分代替救护人员的救灾机器人及时、快速深入矿井灾区进行环境探测和搜救工作具有极其重要的意义。在救援初期，其主要作用是代替矿山救护人员进入灾区，进行环境探测，并将采集的数据发送至救援指挥中心，这些环境信息主要包括瓦斯、 气的浓度、环境温度、湿度与粉尘情况以及灾区的通 风状况的参数，还应包括生命和图像等信息，为救灾决策提供重要参考。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 内 外的研究 概 况 外研究现状 目前，在救灾机器人研究方面，美国走在了世界的前列，美国在微小型机器人研制方面投入了大量的人力和物力，特别是新型、高机动、高可靠性移动载体研究方面。如美国移动机器人 (划中的便携式机器人系统 (该类机器人主要用于城市战斗与搜救。 如美国智能系统和机器人中心开发的 用电传遥控方式，有主动红外摄像机、无线射频信号收发器、陀螺仪和 危险气体传感器等装备。无线遥控距离约 76 米。美国南佛罗里达大学研制的 小巧灵活，携带数字低照度摄像机和基本气体监视组件，可以通过一个钻出的小洞钻进矿井，越过碎石和烂泥，并使用其携带的传感器发现受害矿工，探测氧气、甲烷气体含量，生成矿井地图 。 近十年来 ,美国、日本等西方发达国家在地震、火灾等救援机器人的研究方面做了大量的工作，研究出了各种可用于灾难现场救援的机器人。 （ 1） 履带式机搜救机器人 履带式机器人是为了满足军事侦察、拆除危险物等作业的需要，在传统的轮式移动机器人的基础上发 展起来的。图 1 给出了目前国际上几家著名机器人公司的典型产品，他们主要是为了满足军事需要而开发的，体积普遍偏大，不太适合在倒塌的建筑物废墟中狭小空间内搜寻幸存者。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 a b c（ a） 司的 器人（ b） 司的 器人 （ c） 器人 图 1器人公司给出的典型产品 （ 2） 形状可变履带机器人 所谓形状可变履带机器人，是指该机器 人所用履带的构形可以根据地形条件和作业要求进行适当变化。图 2所示为一种形状可变履带机器人的外形示意图。该机器人的主体部分是两条形状可变的履带，分别由两个主电动机驱动。当两条履带的速度相同时，机器人实现前进或后退移动；当两条履带的速度不同时，机器人实现转向运动。当主臂杆绕履带架上的轴旋转时，带动行星轮转动，从而实现履带的不同构形，以适应不同的运动和作业环境 图 1买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 为了能进入狭小空间展开搜救工作，要求机器人的体积要尽可能小，但体积小了搜索视野就 会受到限制，为了解决这已矛盾，近年来在传统牵引式多态搜救机器人。图 3为美国 列机器人， 器人有一对鳍形前肢，这对鳍形前肢可以帮助崎岖的地面上导航，也可以升高感知平台以便更好地观察。图 1加拿大 司 态搜救机器人，他可以根据搜索通道的大小及搜寻范围的远近灵活地调整形状和尺寸。 (a)正常状态 （ b）直立状态 图 1国 司 态搜救机器人 （ a）平躺状态 （ b）半直立状态 （ c）直立状态 内研究现状 我国的搜救机器人技术起步较晚，但是近年来引起了越来越多的关注并取得了一定的成果，沈阳自动化研究所、哈尔滨工业买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 大学、国防科技大学、上海交通大学、广东富卫公司等机构都设计了自己的搜救机器人系统。 2005 年中科院沈阳自动化研究所与日本国际救援系统研究院联合成立的中日救援与安全机器人技术研究中心，在沈阳揭牌成立，这标志着我国的搜救 机器人研究进入了一个更加快速发展的时期。 2006年 6月 22日，由中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所研制的国内首台煤矿搜救机器人 (样机 )在徐州诞生（如图 1这台煤矿搜救机器人采用自主避障和遥控引导相结合的行走控制方式，能在煤矿灾害发生后深入事故现场，探测火灾温度、瓦斯浓度、灾害场景、呼救声讯等信息，并实时回传采集到的信息和图像，为救灾指挥人员提供重要的灾害信息。同时，机器人还能携带急救药品、生命维持液、食品和千斤顶、撬棍等自救工具以协助被困人员实施自救和逃生。 图 1器人 展趋势 机器人主要有机械机构，动力装置，驱动装置，传感装置，分析处理装置，以及视频搜集信息等装置组成。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 而如今其发展的搜救机器人，主要是为了适应复杂的地理环境，高危险的环境，机器人参与救援的力度加大，主要是考虑到人员的安全，但是机器人自理能力还是有待提高，特别是自动移动系统，能够自主处理前进路上的障碍，而且适应能力还必须很强。 现在发展的机器人，有四足式的，有轮式的，有履带式的，四足的运动及适应能力好，但是面临的问题是重心问题，就是对自动调节重心要求高，随之就带来相应的设计问题，要安装 许多的传感装置，增加了自身的设计重量和体积，对救援来说是一种负担，但是卡伊考虑用在火灾救援现场，他 对地面状况要求不高，所以比较好，能很好地适应环境。 轮式的只能适应较平坦的救援，即在障碍物较少的巷道或者露天的有毒气体弥漫的场合，搜救效果好，而且保障人员的安全，关键是轮式的对泥泞的路面适应能力不强是一种缺憾，导致他不能广泛用在火灾现场，哪里有复杂状况。 履带式的是一种比较好的设计思路，他兼备了前边两种的优点，还有自身的优点，特别是越障能力是比较占优势，对复杂的矿下环境能够快速找到搜救的人员，但是他自身也有一 定的发展问题。 首先，越障时候容易诱发意外。 由于机器人需要人来操控，当遇到特别复杂的路况的时候，认得判断来解决，而实际上，机器人可能做不到理想的效果，甚至可能救援失败，甚至影响救援。 因此这就要求在传感方面，精度设计要求高，同时，对携带的视频设备要求较高，这样才能提供出来较准确的判断，为下一买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 步指导做准备。 另外，两条履带之间间距的设计要合理，机身与地面高度的设计，都事关机器人在搜救过程能否顺利进行的关键问题，是否能够按理想中完成任务，以及其越障的机动性，这才是关键的问题，救援也有时间的要求。 其次，机器人 的智能化。 智能机器人是具有思维、感知和行动功智能机器人是具有思维、感知和行动功学、人工智能，微电子学，光学， 传感技术、材料科学仿生学等学科的综合成果。智能机器人可获取、处理和识别多种信息，建立并实时修正环境模型， 自主地完成较为复杂的操作任务，因此，比一般的工业机器人具有更大的灵活性、机动性和更广泛的应用领域。 20 世 纪电子计算机的发明，使人类的脑力劳动自动化成为可能， 60 年代智能机器人的出现开辟了智能生产自动化的新纪元。机器和生产系统的智能化，用机器人代替人完成各种任务， 这是人类智慧发展和机器 进化的飞跃。智能机器人作为新一代的生产工具，在制造领域中应用，能排腺人为的不可控因素， 实现高节奏、高效和高质量生产，并是未来智能生产系统 (如 重要组成部分。在非制造领域，如核工业、水下、空间、建筑、采掘、教灾、排险和作战等方面，可代替人完成人所不适或力所不及的各种工作，在原予能、水下和外层空间可开辟新的产业。 目前， 我国和许多国家都把智能机器人列为迎接未来挑战的高技术课题，并制订发展规划，拨出巨款给予支持。因此， 21 世纪 智能机器人技术将会有突破性的进展。 救灾机器人是智能化机器 人在煤矿领域的全新应用，尽管某买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 些关键技术仍需要进一步研究，但救灾机器人具有高度的实用价值和广泛的应用前景。随着计算机技术、传感技术、控制技术、材料技术的发展，特别是网络技术和图像信息处理技术的迅猛发展，智能机器人的研究已取得了丰硕的研究成果。但是，由于矿井救灾机器人特殊的工作环境和工作要求的不断提高，矿井救灾机器人技术方面还需要有所突破： (1)机械性能方面， 能够适应矿井恶劣的灾后环境，对非结构的地形环境具有良好的自适应能力，具备较好的越障能力。 (2)新技术和新材料的研发，矿井灾后 恶劣 的环境要求用 高强度、抗拉抗压、 抗高温阻燃、不产生电火花 的材料。 (3)优良的导航性能、信息采集能力仍是今后矿井救灾机器人导航技术的主要发展方向。 (4)由于矿井中救灾机器人单一的传感器无法满足高精度定位需要，因此需要融合多个传感器测量信息，多传感器信息融合技术也就自然成为发展趋势。 (5)多机器人系统是矿井救灾机器人技术发展的主要方向。 (6)采用标准化、网络化、模块化技术。 机器人装备有通信系统，在与外界进行数据信息交换时，采用标准化接口技术，网络技术可使机器人更具备操控性，同时机器人通信系统的稳定性、可维护性、兼容性也更好。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 搜救机器人 的总体结构 方案设计 下复杂环境对救灾机器人的要求 在矿井下，周围环境跟地面明显不同，对机器人的要求也就十分高，因此机器人设计方案要适应环境的变化。 井下环境和气候与地面不同，井下环境恶劣，特别是事故刚刚发生后的井下条件更为恶劣。搜救机器人需要满足井下工作环境的特殊要求，具备快速搜寻并且准确定位井下失踪人员的功能，还要有简单的急救功能。 （ 1） 井下地形矿山井下地形复杂，环境恶劣。巷道路面多积水，有矿车铁轨、水沟 、风管、线缆等障碍物；支巷道路面窄而不平，多有坡度；工作面处的路面坡度大，有碎煤、支撑、滑道等障碍。灾害发生后，脱落的顶板、岩石、煤块等形成新的障碍物。复杂的路况要求井下机器人要有较强的越障、避障能力和行驶功能恢复能力。 （ 2） 井下气候灾害后，井下通风系统常受到破坏，使井下气候发生明显的变化，常见瓦斯和粉尘浓度增大，灾变区域的温度、湿度增加，风量减少。所以二次瓦斯爆炸的危险也常常是影响救护队员及时下井救护的一个主要因素。为了在高瓦斯下安全工作，搜救机器人需要进行矿用隔爆兼本安型设计；元件在井下温度变化范围内应能可 靠地工作；为了防止煤尘和积水进入车体内部和运动副，厢体要进行密封、防水设计。 （ 3） 光照与烟雾井下无自然光，机器人只有自带光源。事故后，往往烟雾充斥巷道和工作面，能见度低，对照明产生一定影买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 响。 （ 4） 能源使用井下专用蓄电池供电。 因此 .整设计请加扣扣 :2215891151 齿轮材料和热处理的选择：中心齿轮 1A 和中心齿轮 2A ，以及行星齿轮 1C 和 2C 均采用 20碳后淬火，淬透性不错，耐低温冲击，能够满足要求。齿面硬度为 58行星齿轮传动设计可知，取 00 ，2340 ，中心 齿轮加工精度为 6级，高速级与低速级的内齿轮均采用 42种材料 经过正火和调质处理，以获得相当的强度和硬度等力学性能 ；调质硬度 为 217 10 ，260 ，轮 1B 和 2B 的加工精度 为 7级。 高速齿轮的模数 m 按弯曲强度的初算公式，为 3 1 现已知 171 40 。中心齿轮 1a 的名义转矩 为111 9549 18003 取 算 式 系 查机械设计使用手册系数 1查得 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 取接触强度计算的行星齿轮间载荷分布不均匀系数 2.1公式可得 1 得齿形系数 Y ,齿宽系数8.0d ，则所得 的模数 m 为： 1 m 取齿轮模数为 低速级得齿轮模数 m 取弯曲强度的初算公式，计算低速级的齿轮的模数 m 为 3，现已知 172 10 ， 中 心 齿 轮 义 转 矩 2 ，取算式系数 使用系数1综合系数 取接触强度计算的行星齿轮 间载荷分布不均匀系数 2.1公式可得 ，查表得齿形系数 Y ，齿宽系数 8.0d，则所得的模数 m 为： 2 m 取齿轮模数为 啮合参数计算 : 高速级： 在两个啮合齿轮副中 1a 1b ，其标准中心距 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 1111 21 1111 低速级： 在两个啮合齿轮副中 中，其标准中心距 21 2222 21 2222 由此可见，高速级和低速级得标准中心距均相等。因此次行星齿轮传动满足非变位的同心条件，但是在行星轮传动中，采用高度可以