大学毕业设计基于慧鱼模型的越障机器人的设计.docx

齐齐哈尔大学毕业设计（论文）摘 要根据实验过程中对六足仿生越障机构及其越障机理的分析，并参考国内外现有机器人的越障机构和越障机理，提出并设计出了一种全新的越障机构和越障机理。在实验室通过慧鱼模型的搭建，对已提出的机理及机构验证，证明了机器人，用提出的越障机理所设计的越障执行机构，在越障的过程中是可行的。并在验证的过程中不断的进行改进和优化，使的机器人的越障能力及可靠性得以进一步提高，形成了现有的越障机器人模型。利用solidworks软件对实物进行建模，并且进行运动仿真，验证结构的可行性，同时应用autocad完成总体装配图。关键字：越障机器人；慧鱼；结构设计；运动模型abstractaccording to the experimental process of hexapod bionic obstacle negotiation mechanism and the analysis of the obstacle negotiation mechanism, and refer to the domestic and foreign existing robot obstacle-navigation institutions and the obstacle-surmounting mechanism, proposed and designed a new obstacle institutions and the obstacle-surmounting mechanism. through fischer model built in the laboratory, the mechanism and institutions have been put forward validation, proved that the robot, the more the obstacle-surmounting mechanism designed by using the proposed actuator, in the process of obstacle is feasible.and during the validation process continuous improvement and optimization, make the robot obstacle-navigation ability, and to further improve the reliability, formed the existing obstacle robot model.using solidworks software for physical modeling and movement simulation, verify the feasibility of the structure, and complete the overall application of autocad.key words: obstacle robot; fischer; structure design; motion model目录摘 要iabstractii第1章 绪 论11.1 前言11.2 选题背景与依据3第2章 机器人整机结构方案的论证及设计52.1 越障机器人功能简介52.2 越障机器人设计方案与创新构思52.3 越障机器人的组成82.3.1执行系统82.3.2传动系统82.3.4检测系统92.4越障机器人的结构分析92.4.1 主要技术参数92.4.2 配重系统10第3章 越障机器人的结构设计113.1 越障机器人的主要参数113.2 越障机器人的动力计算与电机的选择113.2.1 脚部曲柄的力矩的计算113.2.3 脚部驱动电机的选择113.2.3 轮式机构和可分离底盘上下运动的驱动电机的选择133.3 越障机器人的总传动比确定133.4 越障机器人传动部分的详细计算143.4.1 蜗轮蜗杆设计143.4.2 锥齿轮设计183.4.3 圆柱直齿轮设计223.4.4 轴的设计计算28第4章 越障机器人机身的结构设计304.1 越障机器人机身的概述304.2 越障机器人可分离底盘的概述32第5章 越障机器人控制系统的选择345.1 越障机器人控制系统设计要求345.2 控制系统的组成和工作原理345.3越障机器人控制系统的流程图355.3.1 越障机器人的控制系统原理图355.3.2 越障机器人功能模块图35第六章 三维实体设计366.1越障机器人的整体设计模型366.2 越障机器人仿真366.3 机器人部分零件图366.4 装配设计37第七章 模具设计397.1 模具设计397.2 零件分模设计397.3加载模架407.4 冷却系统407.5 顶出系统417.7 边锁组件427.8 支撑柱43第八章 数控加工设计448.1 数控加工技术448.1.1 已知条件：448.1.2 详细加工过程：45（1）进入加工模块45（2）创建程序45（3）创建几何体45（4）创建安全平面46（5）创建工件几何体47结 论66参考文献67致 谢6969第1章 绪 论1.1 前言“robot”这一词最早出现在1920 年捷克作家凯勒尔凯佩克（karel. capek）写的名为“罗莎姆的万能机器人”幻想剧中。但是随着科学与技术的发展，机器人逐渐从科幻电影的幻想角色进人们的日常生活,成为人类生活中必不可缺少的一位伴侣,并慢慢代替部分或将来代替全部人的脑力劳动与体力劳动，成为人类社会生活的一部分。实际上，现代机器人的先祖可以被追溯到两千多年前。我们知道古人进行行军打仗所用的指南车，它实际上就是一种优秀的自动化设备。车箱的内部设置了一整套可以自动离合的齿轮传动机构。当车子行走时偏离了正南方向并向东(左)转弯时，东辕前端就向左移动，而后端则向右(向西)移动，即右侧传动齿轮自动放落，使车轮转动能带动车身上的木人下方大齿轮右转动，来抵消了车辆左转弯时的影响，使木人的手臂仍指于南方。而当车子向西(右)转弯时，则它的左侧传动齿轮放落，使大齿轮左转动，从而抵消车子向右转时影响。当车子向正前方行走时，车轮与车身上的齿轮系是分离的，因此可以使木人手臂所指方向不受车轮的转动的影响。因此，不管车子运动方向是东西南北的不断变化，车上的木人手臂总是将指向南方，起着指导方向作用。其机构如图1-1所示 图 1-1 指南车在上个世纪的60年代左右，微电子技术和计算机技术迅速的发展，使得自动化技术取得了飞跃性的变化。从那时起开始出现了现在人们认为普遍意义上的机器人。经过人们不断的探索和努力，使得机器人在许多领域中取得了非常巨大的成绩，而且机器人的种类也不胜枚举，几乎在各个高精和尖端技术的领域都少不了它们矫健的身影。在机器人的发展期间，机器人成长一共经历了三个阶段。在第一个阶段中，机器人只能按照人们事先编好的程序去工作，它好像只有几只干活儿的手，不懂得怎么处理外界变化的信息。第二个阶段，机器人似乎有了感觉神经，他具有了视觉、触觉、力觉、听觉等这些功能，使得机器人可以根据外界变化的信息做出相应的自我反馈。第三个阶段中，它不仅具有了多种技能，能够感知外面复杂的世界，而且能够不断的自我学习，用自己思维去决策应该做些什么和怎么去做。而在我国当代，机器人的研究和发展起步比较晚。其先后经历了二十世纪70年代萌芽期，80年代的开发研制期和90年代的推广使用化期。1972年，中国科学院沈阳自动化所开始了机器人的研究；1977年，南开大学的研究所研制出我国第一台用于生物试验的微操作机器人控制系统；1985年，我国第一台重达2000公斤水下机器人“海人一号”在我国辽宁旅顺港下潜60米，首潜成功，开创机器人研制的新纪元。随后，我国研制的机器人相继问世；中国科学院沈阳自动化所研制出体重36公斤，身高将近1米的缆浮游作业轻型“金鱼二号”水下机器人；中科院长春光机所发明了“四足遥控仿生载重步行机器人” ；1988年，中国船舶总公司702所研制成功身高为3.1米，体重为650公斤的载人 “水下机器人”；1988年，国防科技大学研制成功六关节平面运动型的“两足步行机器人”；1994年，中科院沈阳自动化所研制成功了我国第一台无缆水下机器人“探索者号”最大潜水的深度1000米。它的研制成功，标志着我国水下机器人研发制造技术已走向成熟；1995年，我国第一台高性能的精密装配智能型机器人“精密一号”在上海交通大学研制成功，它的研制成功标志着我国已经具有开发制造第二代工业机器人的技术水平；1997年，中科院沈阳自动化所研制成功6000米无缆自治水下机器人； 2005年，中科院沈阳自动化所研制成功了星球探测机器人；2006年，又研制成功世界最大的潜深载人潜水器“海极一号”，7000米工作潜深，它可以达到世界99.8%的海底，比世界另外5台同类产品深了500米。 从我国近代机器人发展史中，可以看出我国的机器人研究，有了长足发展，其中有的方面已经达到了世界先进的水平。但是与一些先进的国家相比，还是恨大的距离。因此从总体上看，我国机器人研究工作仍然任重而道远。而对于机器人的分类，目前还没有统一的分类方法，从不同的角度去看机器人，就会有不同的机器人分类方法。在我国，机器人研究专家从应用环境方面出发，将机器人分为了两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓的工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除面向工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类生活的各种先进机器人，包括：水下机器人、服务机器人、军用机器人、娱乐机器人、机器人化机器、农业机器人等。而在特种机器人当中，有些分支发展的很快，有了独立的成体系的趋势，如水下机器人、服务机器人、微操作机器人、军用机器人等。目前，国际上的机器人学者，有些也是从机器人的应用环境出发将机器人也分为了两类：制造环境中的工业机器人和非制造环境中的仿人与服务型机器人，这和我国的分类大体上是一致的。1.2 选题背景与依据机器人技术与控制系统作为人类20世纪最伟大的发明之一，自它60年代问世以来，经历了40多年的发展并取得了实质性的进步和成果。在传统的制造生产领域中，工业机器人经历了诞生、成长、成熟期后，已成为了制造业不可缺少的自动化核心装备，目前在世界上约有近百万台的工业机器人正在各种生产现场忙碌工作。在非制造领域中，特种机器人作为机器人大家族中的后起之秀，由于他的用途十分广泛，近几年来其发展十分的迅速，军用机器人、医疗机器人、水下机器人、服务机器人、娱乐机器人等有着各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正迅速向实用化方向迈进。机器人技术是现代各科学与各技术的综合和交叉的体现，先进的机器人的发展代表着一个国家的综合科技实力和技术水平，目前许多的先进工业国家都已将机器人技术列入了本国的21世纪高技术发展计划，机器人的发展将进一步呈现出两个突出的特点：一个是在横向上，机器人的应用领域在不断扩大，正从传统的制造向人类工作和生活的各种社会领域扩展，机器人的种类日趋增多；另一方面为纵向上的，随着机器人的需求范围扩大，机器人本身的结构和形态发展呈现出多样化，高端的系统中呈现出明显的仿生和智能特征，其性能也在不断的提高，功能也在不断的扩展和完善，因此各种机器人系统将逐步向更高的智能化和与人类社会更密切的融合方向发展。而在此背景下，特种机器人相比工业机器人，其具有品种繁多、适应面更广的特点，这种特点跟符合机器人的发展方向：机器人与人类社会更密切的融合。特种机器人在此状况下，在我们不久的社会生活中，可能随处看到特种机器人在天空、地上、水下为人类的生活方便快捷和美好，而忙碌的工作着。在将来的100年里，科学与技术水平的不断发展将会使得机器人的技术提升到一个更高水平。机器人将成为人类聪明伶俐和多才多艺的亲密伙伴，更加广泛地参加人类各方面生产活动和社会日常生活。1） 机器人将更加地广泛地代替人从事各种生产作业（1） 机器人将从目前已广泛地应用到与机械制造、汽车、电子工业及塑料制等生产领域扩展到采矿、核能、石油、冶金、化学、航天、航空、建筑、船舶、纺织、医药、制衣、生化、食品等工业领域，进而应用到非工业领域中，如林业、农业、畜牧业和养殖业等方面。 （2）机器人也将成为人们社会日常生产活动的“主劳力”，人类从此将从重复单调的、繁重的、危险和有害健康的生产劳动当中解放出来，从而有更多的时间去研究、学习和创造。2）机器人将成为人类开发与探索海洋、宇宙和地下未知世界最有力的工具（1）将人类送入太空进行宇宙探索是非常昂贵和危险的，在这种情况下，机器人将代替人从事太空探索和空间作业。现在，航天飞机已经能够将舱外作业机器人带人太空并进行太空作业，火星探测车已经被送到火星的表面上，并成功地完成了一系列预定的探测任务。（2）地底和水下作业对于人们来说是一项非常危险的作业，这也是人类未解决难题，地下和水下机器人将解决这个问题，用于水下作业与救生、海底的探索与开发、地底和海洋和地下资源的利用等。3)机器人将在外来战争中发挥重要作用（1）军用机器人它可以是一个武器系统，如自主式地面车辆、机器人坦克、扫雷机器人等，也可以是武器装备上的一个装置或系统，如军用飞机的“副驾驶员”系统、武器装备的自动故障诊断与排除系统、舰船作战管理系统、坦克炮装弹机器人系统等。（2）将来还可能出现机器人化部队或兵团，在未来的战争将出现机器人对机器人的战斗。综上所述，作为在非制造环境下工作的特种机器人，由于适应面更广、智能化和自动化更高，而且对工作环境的适应能力更强，系统操作功能更加复杂来满足特殊要求等特性，因此其在未来发展前景是不可估量，市场价值巨大，在不久的将来一定会看到向苹果一样的公司引领全球，让人们在日常生活中更为依赖。第2章 机器人整机结构方案的论证及设计2.1 越障机器人功能简介随着对移动机器人的研究发展和移动机器人技术的不对完善，移动机器人的应用也越来越广，品种分化也越来越细，这使得机器人在不断地深入人们生活的各个方面。而对于无人化复杂的环境考察及探索的机器人也在不断的前进完善中。为了提高地面机器人的快速响应能力和复杂地形环境的适应能力，设计了一种具有良好机动性能和高通过性的移动越障执行机构，这种移动越障机构，主要仿照人的脚部前进过程中行进的一系列动作，然后通过双曲柄连杆机构得以实现设计要求，而且这种机构对地面的适应能力能力很强。而且可以平稳地运动不考虑与地面接触处的粗糙度，因此其有明显的优势，同时也丰富了机器人的运动越障机构的种类。同时，为了提高机器人运动过程中的平稳性，在机器人的前后脚的中间腹部下增加6个小腿，其可以在机器人运动过程中为机器人的越障助力，虽然机器人的以上越障执行机构在崎岖不平的环境下是高校的，而在平坦地地形却显的笨重繁琐和效率低下，因此在机器人的腹部中间增加两对轮子，通过电机进行驱动，来完成在平坦地面的行进。这样使得机器人在崎岖不平的环境和光滑平坦的环境中行进都具有很高的效率，使得其快速响应能力和复杂地形环境的适应能力提高。2.2 越障机器人设计方案与创新构思目前移动机器人移动机构主要有履带、轮式、腿式以及由上述单一移动机构形式组合派生形成的复合移动机构等形式，这些移动机构各有优缺点。轮式或履带式移动机器人具有运行效率高的优点，但地面适应能力较差，一般只能运行在较平坦的地面上。而腿式机器人运行效率低，行动比较缓慢，但机器人运动时只需要离散的点接触地面，对地面的适应能力强，其腿式移动机构具有高通过性，行走的过程当中，其身体与地面是分离的，它的这种机械结构优点在于，机器人的身体可以在任何方向上平稳地运动而不用考虑与他接触地面的粗糙程度和腿的放置位置的不平，因此这种机械结构有很优势明显。而对与目前的状况来说，虽然这种腿式机器人的研究应用平台有许多，但其中的很多平台还是达不到最简单的生物速度和其具有的稳定性，因此腿式机器人发展还处于刚起步的阶段 ，不过腿式机器人可以肯定的是，在生物学和机器人学领域的科学家们共同合作研究和探索下，目前已经形成了一系列关于腿式机器人在控制算法、稳定性分析和机械结构设计方面的完整理论，这些比较完整的理论运用到实践中后，机器人的性能在一定的程度上是有所改进，但它们还需要科研人员进一步地发展和完善，以便更好地指导实践。在此状况下，通过对现有的各种机器人的越障机理和越障机构的收集和分析，总结出了移动机器人在复杂地形运动中各式各样的障碍物，一般地可以将这些障碍可以抽象地概括为楼梯、壕沟、凸台、台阶、斜坡等5种类型，其余的地形可以理论地认为是这5种类型的不同组合其中台阶式的障碍是最为典型，许多的文献都把爬越垂直障碍的最大高度作为机器人越障性能的最为重要的指标。根据以上的分析结果，提出了一种全新的越障机理并设计出了相应的越障执行机构。其在崎岖环境下行进的具体步态分析如下：将运动行走越障部分置于前端o1o2处和后端o1o2处，前端和后端的运动状态相同，其结构草图如图2-1所示。而三个助力部件，置于机器人的腹下中间，其在行走的过程中助力和支撑，使机器人在行走越障的过程中，能够更加稳健。现对机器人前后端的行走越障部件，在行走过程中的四个特殊位置进行说明，如下：（1）曲柄1与曲柄2运动到水平位置时，如图2-1所示。此时脚面几乎与地面平行，而与脚和上部摇杆通过铰链连接的一段长度较短的摇杆，相当于人的脚裸，使机器人在行走的过程中，脚部运动到接近地面时，让脚面最大限度地与地面相接触。图 2-1 脚部运动位置一（2）曲柄1和曲柄2继续转动，a端被逐渐提起，进行越障跨碍，而b端逐渐下降，到曲柄转动到如图2-2位置时，a端 处于整个运动周期的最高处，其高度也为最大越障高度，由曲柄1和曲柄2的长度来决定。图 2-2 脚部运动位置二（3）两曲柄继续转动，a端下降，b端上升，在a端下降的过程中，由曲柄通过摇杆给a端一个向后的分力（相当于人的脚尖向后蹬），a端下降到最低时，如图2-3和图2-4所示。 图 2-3 脚部运动位置三图 2-4 脚部运动位置四（1）（2）（3）所说明的完成一次防生越障运动，而机器人的另一侧运动与这一侧运动落后半个周期。两侧协同进行仿生越障运动。在行走的过程中，通过调节两侧轴的转速，机器人可以向左或向右转动。而通过控制两轴的转速差大小，来调节机器人转动的灵活度。其在平坦光滑的环境下行进的运动执行部分分析设计：以上的设计虽然在崎岖的环境下是高效的，但将机器人置于平坦的环境下，却显的笨重繁琐。在上文提到的各种运动执行机构中，只有轮式机构满足与在崎岖环境下运动执行机构的运动协调关系，因为其结构简单，方便安装于机器人的机身和对机身的改进与装配，还保持了机器人的结构紧凑，简化设计的繁琐，将其设为首选方案。轮式机构的固定采用与机身可分离式底盘，通过螺旋传动使底盘上下运动。当机器人在平坦光滑的环境下行进时，通过电机驱动螺旋传动，使底盘向下运动，同时机器人的前后脚运动到水平位置，这样就可以使底盘相当于机器人的机身向下运动很小一段距离，就可以与地面接触行进。当机器人处于崎岖不平的环境时，螺旋传动使机器人的分离底盘向上运动紧切机身，前后轮与地面分离，而前后脚进行行走越障。这样保证了机器人在不同的环境下运动高效性。在一定的条件下，上述在不同地形下的运动执行机构与可以协调运动进行越障，进一步提高机器人的越障能力。其控制流程图如下：运动执行机构传动机构电机控制信号手柄遥控发射器各个信号接收器手柄图 2-5 越障机器人的控制原理2.3 越障机器人的组成2.3.1执行系统越障机器人在崎岖的环境子下其执行系统是前后脚及腹下的6只小脚；在平坦光滑的环境下其执行系统是固定于腹下的可分离底盘上的轮子；在一定的条件下，与可以是以上两种运动执行系统的组合。2.3.2传动系统传动系统为执行系统各部件传动动力，并驱动其运动的装置，以实现各种预定的运动。目前常用的传动方式有：齿轮传动、蜗轮蜗杆传动、皮带轮传动、螺旋传动以及谐波减速传动等。谐波齿轮传动具有结构紧凑、体积小、效率高、能获得大的传动比等优点，但是它存在传动比不能太小且扭转刚度比较低的缺点。蜗轮蜗杆机构常用于要求传动过程中要求机构自锁且有大的传动比的场合，这种传动方式安全性能高，但同样存在效率较低，而且齿侧有间隙。皮带轮传动其可以实现过载时的保护，可是它存在弹性滑动，和链传动一样，在使用一段时间后容易松弛，并在传动运转过程中还产生动载荷，因此它常用于传动精度要求不是很高的场合中。螺旋传动是将回转运动转化为直线运动的非常重要传动方式，有滚动螺旋传动和滑动螺旋传动。滑动螺旋传动是一系列连续的面接触，传动过程中不会产生冲击，传动平稳、无噪声、能够自锁，且螺旋升角较小但螺纹工艺性较差和强度比较低。滚动螺旋传动的效率一般在90以上，它不能够自锁，具有传动的可逆性。但其结构复杂，成本高，制造精度要求高，抗冲击性能差等缺点不予考虑。齿轮传动具有结构紧凑、效率高的优点，适用于中等减速比传动。为了减少传动链中元件的数目，经过考虑使用齿轮传动和蜗轮蜗杆机构传动比较合适，并由两个小功率直流马达带动。机器人运动执行机构的精度要求不是很高，在满足性能要求的基础上应考虑到经济性要求。因此，机器人平坦光滑环境中行走部分采用直齿锥齿轮传动，由一个power motor 9v / 8:1; 1 a max马达带动。与机身连接的可分离底盘的上下运动采用滑动螺旋传动，并有一个power motor 9v / 8:1; 1 a max马达带动。2.3.3控制系统 控制系统是通过一系列的机构和电路对驱动系统进行控制，使执行系统按照设计规定的要求进行预定的工作，当发生故障或错误，通过控制系统对驱动系统进行控制调节纠正，使得机器人能够正常的工作。2.3.4检测系统检测系统的作用是通过各种传感装置检、测装置检测执行运动机构的运动情况，根据运动执行机构的运动需要反馈给控制系统，并与设计要求进行比较，以保证机器人运动符合设计者的设计要求。2.4越障机器人的结构分析越障机器人的脚步具有五个自由度，有两个控制轴，分别采用直流伺服电动机进行控制。2.4.1 主要技术参数表2-1 主要参数项目 技术参数脚步结构型式 双曲柄连杆机构自由度数 5个驱动方式 直流伺服电动机驱动直行机构 轮式机构驱动方式 直流伺服电动机驱动 操作方式 手柄遥控（1） 脚步采用空间多铰链式结构，结构简单紧凑，而且方便安装与调整；（2） 电动机通过齿轮将动力输出到轴，而轴将动力传动到涡轮带动脚步的两个曲柄转动；轴平行于轴，其上的元件种类、数量、布置与轴相同，其也是由伺服电动机驱动；轴通过直齿锥齿轮带动轮式机构转动；轴带动滑动螺旋副；（3） 为了减小径向尺寸和影响旋转精度相关元件的影响，都采用滑动轴承；（4） 对细长管轴，采用多处支撑，提高其刚度，减小传动元件的的载荷的不均匀分配，提高其旋转精度；（5） 对大质量零件均采用铝材，如机器人的机身和可分离底盘均采用高强度铸铝材料，从而大大减轻整机重量。表2-2 传动关系轴号 传动级数 第一级 第二级 2 直齿圆柱齿轮(i1) 蜗轮蜗杆(z1/z2) 2 直齿圆柱齿轮(i1) 蜗轮蜗杆(z1/z2) 2 直齿圆锥此轮 直齿圆锥此轮 1 滑动螺旋传动 2.4.2 配重系统由于自重和运动过程中机身经常的左右摆动，为使机器人接近静平衡，将驱动轴和轴的两个伺服电动机组件采用一前一后斜对角布置，驱动轴和轴的两个伺服电动机组件布置在机器人机身的正中间。这样可以使机器人的重心大致落在机身的几何中心，从而使得机器人在运动和静止状态能够比较平稳。第3章 越障机器人的结构设计3.1 越障机器人的主要参数（1） 机器人的高度在150mm250mm之间；（2） 越障能力30mm；（3） 水平行走速度40mm/s；（4） 最大重量1.5kg；3.2 越障机器人的动力计算与电机的选择3.2.1 脚部曲柄的力矩的计算机器人机身最大重量设计1.5kg左右，当机器人的前部的一只脚前端提到最高处，一只脚落到最低处时，机器人后部的脚与对角处前部的脚状态相同。落到最低处的脚前端的曲柄所需的转矩最大，因为此时这两只脚几乎要支起机器人的全部重量。因此安此时的状态来计算曲柄所需的力矩，来满足设计要求。 (3-1)式中 g 机器人工作时的重量（kg） k1 安全系数，取1 l 曲柄的长度g 重力加速度，去10n/kgk2 机器人与地面接触支点的最少时的数量安设计要求可得m=1.5kg*10n/kg/2*0.03m=0.225 nm 3.2.3 脚部驱动电机的选择 机器人在行进越障的过程中，只有脚前端的曲柄受力最大，后端的曲柄几乎在空转，只起到提脚的作用，因此在计算所需电机功率的过程中忽略后脚转动所分配的功率。其计算如下：蜗轮蜗杆传动效率10.45 齿轮的传动效率20.99总传动效率120.990.450.892电机功率计算公式如下：p=2*4*m/ (3-2)=2*3.14*4*0.225 nm/0.892=6.33w查机械设计手册，得电动机机的技术数据如下:表3-1 电动机的技术数据名称 数据型号: 40zyw2额定电压/v: 24额定转速/(r/min): 3500额定转矩/(mnm): 20输出功率/w: 7.1额定电流/a: 0.66质量/g: 100尺寸/l: 72尺寸/b: 4尺寸/d: 40尺寸/: 4尺寸/e: 12尺寸/m: 30尺寸/n: 19尺寸/s: m3尺寸/f: 5尺寸/j: 4 图3-1电动机结构图3.2.3 轮式机构和可分离底盘上下运动的驱动电机的选择轮式机构只在平坦光滑的环境中行进，其所需功率很小，可分离底盘的上下运动所需的功率也极小。而在实验室，进行机器人组装时，相同的机构所需的电动机，驱动机构运动玩去可以，因此电机选用慧鱼系统的power motor 9v / 8:1; 1 a max。而且其速度可以从18用电脑可以控制，简化传动系统的结构，如图: 图3-2 直流伺服电动机3.3 越障机器人的总传动比确定直齿圆柱齿轮副的传动比为 = 1锥齿轮副的传动比为=1.5锥齿轮副的传动比为 =1.5蜗轮蜗杆的传动比为 3.4 越障机器人传动部分的详细计算3.4.1 蜗轮蜗杆设计 (3-3)，由于工作载荷比较稳定，但有微弱的冲击，额定寿命 。3.4.1.1 选择蜗杆传动类型根据gb/t 100851988标准系列，采用渐开线蜗杆（zi）。3.4.1.2 选择材料由于蜗杆的传动功率不大，故蜗杆采用45#钢；但要求效率高，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面采用淬火处理工艺，硬度达45-55hrc。蜗轮采用zcusn10p1，金属模铸造。为了节约稀少贵重的有色金属，只有齿圈用青铜制造，轮芯部用灰铸铁ht100制造。按gb10089-88标准精度7，表面粗糙度ra1.6 um。3.4.1.3 按齿面的接触疲劳强度设计根据开式蜗杆传动设计准则，首先按齿面的接触疲劳强度进行设计，然后再进行校核齿根弯曲疲劳强度。由式（11-12），传动中心距： (3-4)（1）确定作用在蜗轮上的转矩t2 按z1=1，估取效率，则 （2）确定载荷系数k因工作载荷较为稳定，故取载荷分布不均系数；由表11-5选取使用系数；由于转速不高，冲击不大，可取动载荷系数；则 (3-5)（3）确定弹性影响系数ze因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故（4）确定接触系数先假设蜗杆的分度圆直径d1和传动中心距a的比值为，从图11-18中可查得。（5）确定许用接触应力根据蜗轮的材料为铸锡磷青铜，蜗杆螺旋齿面硬度45 hrc，金属模铸造，可从表11-7中查得蜗轮的基本许用应力。应力循环次数 (3-6)寿命系数 (3-7)则 (3-8)（6）计算中心距 取中心距a=40 mm ，因i=29 ，故从表11-2中取模数m=2 ，蜗杆分度圆直径d1= 22.4 mm。这时，从图11-18中可查得接触系数,因为 ,因此以上计算结果可用。3.4.1.4 蜗杆与蜗轮的几何尺寸与主要参数（1）蜗杆轴向齿距 mm，直径系数q=11.2,；齿顶圆直径 mm齿根圆直径 mm；分度圆导程角；蜗杆轴向齿厚 mm。 （2）蜗轮蜗轮齿数；变位系数；验算传动比，这时传动比误差为，这是允许的。蜗轮分度圆直径 mm (3-9)蜗轮喉圆直径 mm (3-10)蜗轮齿根圆直径 mm (3-11)蜗轮咽喉母圆半径 mm (3-12)3.4.1.5 校核齿根弯曲疲劳强度 (3-13)当量齿数 (3-14)根据，从图11-19中可查得齿形系数。螺旋角系数 (3-15)许用弯曲应力 (3-16)从表11-8中查得由zcusn10p1制造的蜗轮的基本许用应力 mpa。寿命系数 (3-17) mpa mpa弯曲强度是满足的。3.4.1.6 验算效率 (3-18)已知；与相对滑动速度v有关。 m/s (3-19) 从表11-8中用插值法查得；代入式中得，大于原估计值，因此数据可用，无需校验。3.4.1.7 表面粗糙度和精度等级公差的确定 考虑到所设计的涡轮蜗杆传动是动力传动，属于通用机械减速器，从gb/t 100891988蜗杆、蜗轮精度中选择8级精度，侧隙种类为f，标注为8f gb/t 100891988。然后由相关手册查得要求的公差项目及表面粗糙度，此处从略。3.4.2 锥齿轮设计已知输入功率（略大于小齿轮实际的功率），小齿轮的转速为，大齿轮的转速为，传动比，工作寿命16年（设每日工作15h，每年工作300天）啮合平稳，转向改变。3.4.2.1 选定齿轮类型、材料及齿数、精度等级（1）按传动方案，选用直齿圆锥齿轮传动，齿形制,齿形角，齿顶高系数，顶隙系数，螺旋角，不变位；（2）、动作为一般工作形式，速度不高，故选用8级精度；（3）、材料选择，小齿轮材料为40cr（调质），硬度为280hbs，大齿轮材料为45#钢（调质），硬度为240hbs，二者材料硬度相差40hbs；（4）、选择齿轮齿数。3.4.2.2 按齿面接触疲劳强度设计公式： (3-20)（1）、确定公式内各变量的值1）查得材料弹性影响系数。2）按齿面的硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度极限。3）计算齿轮的应力循环次数 小齿轮循环次数： (3-21) 大齿轮循环次数： (3-22)4）查得接触疲劳寿命系数 5）计算接触疲劳许用应力 (3-23) (3-24)6）试选，查得所以， (3-25)7) (3-26)8）取齿宽半径系数（2）、计算1) 试算小齿轮的分度圆直径，带入中的较小值得2) 计算圆周速度v3) 计算载荷系数根据，8级精度，查得，所以 。4) 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径： (3-27)5) 技术模数 (3-28)3.4.2.3 按齿根弯曲疲劳强度设计公式：m (3-29)（1）、确定公式内的各计算值1) 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度。2) 查得弯曲疲劳寿命系数3) 计算弯曲疲劳强度许用应力取弯曲疲劳安全系数s=1.5，则，4) 载荷系数5) 节圆锥角 (3-30) (3-31)6) 当量齿数 (3-32) (3-33)7) 查取齿形系数 8) 查取应力校正系数 9) 计算大小齿轮的 ,并加以比较。 (3-34) (3-35)大齿轮的数值大。（2）、设计计算m综合分析考虑，取 取得，。几何尺寸计算：1）计算大端分度圆直径2）计算节锥顶距 (3-36)3）节圆锥角4）大端齿顶圆直径 (3-37) (3-38)5）齿宽 (3-39)取3.4.3 圆柱直齿轮设计 已知输入功率，两齿轮的转速为，传动比，工作寿命为10年（设每年工作300天，每日工作8小时），机器人脚部的驱动主轴旋转平稳，冲击小。3.4.3.1 选定齿轮类型、材料及齿数、精度等级（1）机器人轴、轴回转运动选用直齿圆柱齿轮传动。（2）、机器人轴、轴旋转为一般工作旋转，速度要求不高，所以选用7级精度。（3）、材料选择，两齿轮材料为40cr（调质），硬度为280hbs。（4）、两齿轮齿数。3.4.3.2 按齿面接触疲劳强度设计公式： (3-40)（1）、确定公式内的各变量值1）试选载荷系数 2）计算齿轮传递的转矩 (3-41)3）选取齿宽系数 4）查得材料弹性影响系数。5）按齿面的硬度查得：齿轮的接触疲劳强度极限 ， 6）计算应力循环次数 (3-42) (3-43)7）查得接触疲劳寿命系数及其它相关系数hlim1=690mpahlim2=690mpas=1zn1= zn2=1.0zlvr1= zlvr2=0.92zx1=zx2=1.0khl1=khl2=0.91.00.921.0=0.8288）计算接触疲劳许用应力 (3-44) (3-45)（2）、计算1）试计算小齿轮的分度圆直径，带入中的较小值得 (3-46) =5.26mm考虑机身结构及其它零件的配置，选中心距a=20mm.2）计算圆周速度v (3-47)3）计算齿宽b (3-48)4）计算齿宽与齿高比 模数： (3-49) 齿高： (3-50) (3-51)5）计算载荷系数根据，8级精度，可查得动载荷系数 ，直齿轮假设 ，查得 由表10-2查得使用系数 由表10-4用插值法查得8级精度，小齿轮轮轴两端支撑为非对称布置时，由，查图10-13得所以。6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径： (3-52)7）计算模数 (3-53)3.4.3.3 按齿根弯曲疲劳强度设计 由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为： m (3-54)（1）、确定公式内的各变量值1）查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限为，大齿轮的弯曲疲劳强度为。2）查得弯曲疲劳寿命系数 3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数s=1.5，则， (3-55) (3-56)4）计算载荷系数 k (3-57)5）查取齿形系数 6）查取应力校正系数 7）计算大、小齿轮的,并加以比较。 (3-58) (3-59)大齿轮的数值大。（2）、设计计算m综合分析考虑，取，得3.4.3.4 确定齿轮的几何尺寸（1）、分度圆直径， (3-60) (3-61)（2）、中心距 (3-62)（3） 齿宽 ， (3-63)取 ，3.4.3.5 验算 (3-64) (3-65)假设成立，计算有效。3.4.4 轴的设计计算3.4.4.1 机身轴设计(1）按齿轮轴设计，轴的材料取40cr，调质处理，查表15-31，取(2）初算轴的最小直径 （366）机身轴为传动轴，最小直径处为退刀槽6mm。因为轴上有键槽，故最小直径加大6%，=1.346mm。考虑到机身结构和配合机构，故取=5mm机身轴工作简图如图(a)所示图a 机身轴首先确定个段直径a段：螺纹=6mm ，退刀槽=5mm由最小直径算出b段：=8mm，根据机身结构和配合机构选的c段：螺纹=6mm ，退刀槽=5mm由最小直径算出然后确定各段距离：a段： =7mm, 考虑螺纹和装配结构b段：=627mm,根据蜗杆间的距