蛇形搜救机器人的原理机构设计.doc

海量机械毕业设计 请联系海量机械毕业设计 请联系 Q99872184Q99872184 目 录 摘要摘要 1 ABSTRACT 1 引言引言 2 一 绪论一 绪论 2 1 1 背景及意义 2 1 1 国内外发展趋势及研究状况 3 二 设计方案二 设计方案 5 2 1 机构设计 5 2 2 驱动设计 6 2 2 基本尺寸 7 三 蛇形机器人的运动分析三 蛇形机器人的运动分析 7 7 3 1 蛇形机器人蠕动分析 8 3 2 蛇形机器人蜿蜒运动 10 3 3 蛇形机器人侧向运动 11 3 4 蛇形机器人侧向翻滚 12 四 蛇形机器人的齿轮设计四 蛇形机器人的齿轮设计 12 4 1 1 确定转 速 12 4 1 2 确定齿 数 12 4 1 3 确定齿轮马达排 量 12 4 1 4 确定齿轮模 数 13 4 1 5 确定齿宽 13 4 1 6 齿轮参数表 13 4 2 齿面接触强度校核 15 4 2 1 使用系数 Ka 的确 定 15 4 2 2 齿轮精度的确定 15 4 2 3 动载系数 Kv 的确定 16 4 2 4 齿向载荷分布系数的确定 16 4 2 5 齿间载荷分配系数的确定 16 4 2 6 弹性系数 Ze 16 4 2 7 动载系数 K 16 4 2 8 齿宽系数 17 4 2 9 接触疲劳强度极限 17 4 2 10 计算循环应力次 数 17 4 2 11 接触疲劳寿命系 数 17 4 2 12 齿轮的输入功率 16 4 2 13 齿轮传递的转矩 17 4 2 14 计算接触疲劳强度 18 4 3 齿面弯曲强度校核 18 4 3 1 弯曲疲劳强度极限 18 4 3 2 弯曲疲劳寿命系数 18 4 3 3 计算弯曲疲劳许用应力 19 4 3 4 载荷系数 19 4 3 5 齿形系数及应力校正系数 19 4 3 6 计算齿根危险截面弯曲强度 19 五 蛇形机器人电机的选择五 蛇形机器人电机的选择 20 六 蛇形机器人的导航分析六 蛇形机器人的导航分析 21 七 工作原理分析七 工作原理分析 21 八 主要创新点八 主要创新点 22 九 应用前景分析九 应用前景分析 22 致谢致谢 23 参考文献参考文献 24 海量机械毕业设计 请联系海量机械毕业设计 请联系 Q99872184Q99872184 1 蛇形搜救机器人的原理机构设计蛇形搜救机器人的原理机构设计 摘要 本设计是一种可携带的齿轮式蛇形搜救机器人 它集成了机械工程 电子技术 智能控制 计算 机科学等多科领域先进研究成果 在救援中可用于环境勘探 破障 目标指示跟踪 可以为救援人员提 供有效的信息以便做出最有效的措施 本论文的研究目的是设计机构新颖 具有独创性 可携带抗冲击 的智能移动机器人 关键词 蛇形搜救机器人 三维仿真 轮子移动 The Principle of Serpentine Search and Rescue Robot Mechanism Design Abstract This design is a kind of portable gear type serpentine search and rescue robot it integrates mechanical engineering electronic technology intelligent control computer science and other areas of the multidisciplinary advanced research achievements can be used in the environment of exploration in the rescue to break the barrier tracking target designation can provide effective information for rescue workers to make the most effective measures The research purpose of this paper is to design novel original portable resistance to impact of intelligent mobile robot Key Words Snake search and rescue robot 3 d simulation The wheel moving 2 引言引言 蛇形搜救机器人是一种高冗余度移动机器人 具有多于确定机器人空间位置和姿态所需 的自由度使得它可以摹仿生物蛇的无肢运动 蛇形机器人可适应各种复杂地形的行走 其性 能优于传统的行走机构 在许多领域具有非常广泛的应用景 如在有辐射 有粉尘 有毒及 战场环境执行侦察任务 在地震 塌方及火灾后的废墟中找寻伤员 在狭小和危险条件下探 测和疏通管道 为人们在实验室里研究数学 力学 控制理论和人工智能等提供实验平台等 等 在 21 世纪的今天 随着自然灾害 恐怖活动和各种突然 事故发生的越来越多 在灾难救援中 救援人员用较短的时间在废墟中寻找幸存者的几 率比较小 在这种紧急而危险的情况下 救援机器人可以为救援人员提供有效的帮助 因此 将具有自主智能的救援机器人用于危险而复杂的环境中搜索和营救幸存者是非常实用的 随着经济的快速发展煤炭的消耗越来越大 而我国的煤炭事业大多数为矿工开采 所以 存在的不安全因素很多 瓦斯煤尘和火灾等灾害事故频繁发生 灾害事故严重伤害矿工和造 成重大经济损失 因此开发具有智能的救援机器人是非常具有现实意义的 目前 救灾方式 只是根据事故的类型确定救灾的方案 一般救护人员无法进入危险区域 只能通过提升绞车 移动式风车等设备清除垃圾 向井下通风 然后再搜救遇险矿工 这种方式危险性大 伤 亡人数多 救灾周期长 往往效率低 随着科技的发展 机器人将被应用到煤矿救灾领域 一 绪论一 绪论 1 1 背景及意义背景及意义 随着科学的日益进步和人们生活水平的不断提高 机器人作为 20 世纪人类的伟大发明 之一 已经逐步地进入了生产和生活领域 工业生产中的用力进行超精密加工的并联机器人 海洋勘探领域中的水下机器人 太空探索领域中的行星探测器如美国的火星车 流水线上代 替人工的工业机器人 类人机器人和仿生机器人 这些机器人的出现并逐步应用 使我们能 强烈地感受到机器人应用范围之广 影响程度之深 在 21 世纪的今天 随着自然灾害 恐怖活动和各种突然事故发生的越来越多 在灾 难救援中 救援人员用较短的时间在废墟中寻找幸存者的几率比较小 在这种紧急而危险的 情况下 救援机器人可以为救援人员提供有效的帮助 因此 将具有自主智能的救援机器人 用于危险而复杂的环境中搜索和营救幸存者是非常实用的 随着经济的快速发展煤炭的消耗越来越大 而我国的煤炭事业大多数为矿工开采 所以 存在的不安全因素很多 瓦斯煤尘和火灾等灾害事故频繁发生 灾害事故严重伤害矿工和造 成重大经济损失 因此开发具有智能的救援机器人是非常具有现实意义的 目前 救灾方式 只是根据事故的类型确定救灾的方案 一般救护人员无法进入危险区域 只能通过提升绞车 移动式风车等设备清除垃圾 向井下通风 然后再搜救遇险矿工 这种方式危险性大 伤 3 亡人数多 救灾周期长 往往效率低 随着科技的发展 机器人将被应用到煤矿救灾领域 机器人的研究领域已经从结构环境下的定点作业中走出来 向着非结构环境 下的自主作业方向发展 传统的设计方法已经不能满足机器人在非结构化的 未知环境下作 业的要求 要解决的主要问题之一就是能实现新的运动方式 传统的轮式移动机器人的运动 平滑 效率高 但需要相对光滑的地面 不能够适应恶劣的环境 同样使用履带 可以改进移 动机构适应地面的能力 但它却无法充分实现运动的灵活性 步行机器人有着诸如运动的速 度慢和稳定性差等弊端 这就促使人们去进一步寻找灵活的运动模式 而自然界的蛇的运动 是一种 无肢运动 它不需要轮子和腿 蛇由于在结构上无肢 可以爬树 游水 钻洞 绕过障碍物 穿越沙漠 在平坦的地面爬行更是能达到行动如飞 蛇的身体 虽然只不过象 一条绳子 但具有多种运动变化方式 功能强大 在前行的时候可以当 腿脚 在攀爬的 时候可以当 手臂 而在攫取东西的时候又可以当 手指 蛇形机器人模拟自然界蛇的无肢结构 具有多关节 多自由度 多冗余自由度的特点 可以有多种运动模式 良好的地面适应性和运动稳定性 在许多领域具有广泛的应用前景 如在有辐射 有毒等危险环境下的侦察和搜索 在地震 塌方及火灾后的废墟中搜寻灾难幸 存者 在狭小和危险条件下探测和疏通管道 在航空航天领域可用其作为行星表面探测器 轨道卫星的柔性手臂 蛇形机器人具有稳定性好 横截面小 柔性等特点 能在各种粗糙 陡峭 崎岖的复杂地形上行走 并可攀爬障碍物 这是以轮子或腿作为行走工具的机器人难 以做到的 由于其环境适应能力强 因此 在废墟搜索救援工作中 具有广阔的应用前景 1 21 2 国内外的发展趋势和研究现状国内外的发展趋势和研究现状 在救援机器人的研究方面 美国走在了世界前列 他具有独立的实验性无人作业 加上 近年来灾难事故的不断增多 小型智能履带机器人的研究工作越来越受到现在人的高度重视 日本大阪大学研制出蛇形机器人 能在高低不平的模拟废墟上前进 其顶端带有 1 部小型监 视器 身体部位安装传感器 可以在地震后的废墟里寻找幸存者 当今美国研究的智能机 器人 能适应崎岖不平的地形环境 爬楼梯 它主要执行侦察 寻找幸存者 勘探化学品泄 漏等任务 1995 年日本神户 大阪地震及其后发生在美国俄克拉荷马州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案 揭开了救援机器人技术研究的序幕 2001 年美国的 911 事件 美国机器人辅助救援中心和 其他一些单位的救援机器人参与了救援活动 例如 Foster Miller 公司的系统 图 1 Tolon 系统 图 2 以及 Inuktun 公司的 Vgtv 系统 图 3 图 4 如下图所示 4 图 1Foster Miller 公司的系统 图 2 Tolon 系统 日本的 Hirose 教授首先提出蛇形机器人运动系统 并研制出了第一个蛇形机器人 如 图 3 显示 图 4 为蛛型机器人 星标 图 3 蛇形机器人 5 图 4 星标 随着对救援机器人的不断深入研究 越小而效率高的履带式救援机器人深受大家的喜爱 在目前的救援工作中 往往释放许多的机器人 以扩大搜索范围 提高工作效率 并且多个 机器人协同合作 可以提高信息的可靠性和准确性 各个机器人之间相互交流可以解决诸如 定位 全覆盖 翻越障碍等单个机器人难以处理的问题 履带式的机器人撑地面积大 摩擦 大能更好的翻越障碍 所以现在是主流 而国内现在针对救援机器人的研究相对分散 主要集中在警用 民用的便携式履带机器 人 虽然我国救援机器人的研究才刚刚起步但进展很快 例如清华大学精密系及其自动化实 验室的微小型机器人可以很好的实现目标 视觉信息的分析处理 二 设计方案二 设计方案 蛇形机器人是将蛇的结构加以简化 提出了连杆铰链机构 分析了自然界蛇的典型运动方 式 本设计包括对蛇形机器人的结构设计 对运动形式进行分析 确定蛇形机器人的控制方 案以及选择的传感器 使机器人在复杂的地面上工作 实现救灾功能 2 12 1 机构设计机构设计 从仿生的角度对蛇形机器人的机构进行了设计 并对其运动机理进行了研究 提出一种 新型的可重构蛇形机器人机构 如图 1 所示 智能控制单元是由一个控制板和一个舵机组成 舵机是和舵机架相连接 舵机架和转动框架相互连接 工作时 舵机轴转动 通过连接的圆 形舵带动转动框架转动 舵机的输出由活动板传递给下一单元 同时 连接板上的连接孔均 匀地分布在同一直径的圆周上 可保证两模块按轴线平行或垂直方式连接 实现了模块间连 接的通用性 达到机构可重构的设计目的 6 图 1 蛇形机器人的连接结构 蛇形机器人的运动单元主要有两种组合形式 方案一是单元间的舵机架与转动框架平行连接 实现 两个单元的转动轴为平行关系 如图 2 所示 单元组可进行二维空间的运动 图 2 蛇形机器人的连接方式一 2 2 驱动设计驱动设计 蛇形机器人采用的齿轮式驱动装置 每个关节安装 3 个齿轮 通过伺服电动机的驱动圆锥齿轮可以使 其运行 如下图设计 7 2 32 3 基本尺寸基本尺寸 蛇形机器人总长度为 70 cm 重约 2 5kg 5kg 机构的主体材料是铝合金 在下表面是 摩擦系数比较大的附加材料 主要是为了增加机构和地面之间的摩擦力 机构的各部分的参 数如下表所示 舵机扭力 3 5kg c m 重量 36g 工作电 流 280m A 速度 0 5 sec 60 degree 工作电 压 4 8 6 0 V 尺寸 40 8 20 1 36 5 电池 1 品牌 GE POWE R 重量 71g 标称电 压 11 1V 标称容量 860mah 放大倍 率 持续 20C 尺寸 56 31 22mm 电池 2 品牌 GE POWE R 重量 33g 标称电 压 7 4V 标称容量 500mAh 放电倍 率 持续 20C 尺寸 55 31 11mm 舵机 架 材料 铝合金 重量 20 83g 尺寸 56 50 66mm 转动 框架 材料 铝合金 重量 48 21g 尺寸 64 25 42mm 蛇形机器人总共有 10 个关节 其中包括一个头和一个尾 在头部安装了两只眼睛 利用螺钉连接 眼 睛不只为装饰 将其做成两个部件的装配结构 眼球内装有传感器 实现智能控制 尾部是整个机器人的供电 中心 需要安装一块 6V 的电池 为了使其在运动中稳定且不发生松动或滑落现象 采用双侧卡槽的安装方式 底 部加上限位螺钉 三 蛇形机器人的运动分析三 蛇形机器人的运动分析 此处删减 NNNNNNNNNNNNNNNN 字 8 需要整套设计请联系 q 99872184 径向力 t 1 2T2 100000 F2469 1N d81 式 2 12 因为齿数比 u 1 872 3MPa 式 2 13 u 1u bd KF 2 5Z 1 t EH H 所以齿轮的劫持疲劳强度满足要求 4 34 3 齿面弯曲强度校核齿面弯曲强度校核 4 3 14 3 1 弯曲疲劳强度极限弯曲疲劳强度极限 由 机械设计 图 10 20c 查得齿轮的弯曲疲劳强度极限 630MPa FE 4 3 24 3 2 弯曲疲劳寿命系数弯曲疲劳寿命系数 由 机械设计 图 10 18 取弯曲疲劳寿命系数 0 85KFN 如下图 图 2 4 弯曲疲劳强度寿命系数 FN K 4 3 34 3 3 计算弯曲疲劳许用应力计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S 1 3 则 9 式 2 14 MPa124 1 3 6300 85 S K FEFN F 4 3 44 3 4 载荷系数载荷系数 1 35 1 1 1 3 11 9305 AVFF KK K KK 4 3 54 3 5 齿形系数及应力校正系数齿形系数及应力校正系数 由 机械设计 表 10 5 查取齿形系数 Fa Y2 91 应力校正系数 Sa Y1 53 4 3 64 3 6 计算齿根危险截面弯曲强度计算齿根危险截面弯曲强度 tSaFa FF KFY Y1 9305 2469 1 2 91 1 53 157 2MPa bm30 4 5 式 2 15 所以 按齿面接触疲劳强度校核 所选齿轮参数符合要求 按齿根弯曲疲劳强度校核亦 符合 此齿轮的设计符合强度要求 电机选型 五 蛇形机器人电机的选择五 蛇形机器人电机的选择 1 1 电机类型选择 电机类型选择 多功能爬楼梯装置的驱动机构 电机是整个系统的核心 它在一定程度上决定了装置 使用的安全性 可靠性 平地驱动采用两个小功率电机驱动 爬楼动作由另两个大功率电机 驱动 整个系统以蓄电池作为供电能源 可供选择的电机有步进电机 直流电机和无刷直流 电机 14 l l 步进电机步进电机 步进电机具有转矩大 惯性小 响应频率高等优点 能够快速起动与停止 它通常不需 要反馈就能对位移或速度进行精确控制 控制系统结构简单 维修方便 但是步进电机能耗 太大 速度也不高 且存在一个固有缺点 即在低速转动时振动和噪声大 不利于整个装置 的稳定 2 2 直流电机直流电机 直流电机具有良好的起动 制动和调速特性 具有很宽的调速范围 且易于平滑调节 它具有控制特性好 响应速度快等优点 满足装置对突发情况做出反应的灵敏性要求 而且 低速时平稳性好 满足了装置在爬楼运动时低速稳定性的要求 起动转矩大 过载能力强 可以满足装置爬坡 翻越台阶的性能要求 但是传统的直流电机均采用换相器和电刷以机械 10 方法进行换相 因而存在相对的机械摩擦 由此带来噪声 火花 无线电干扰以及寿命短等 问题 需要经常维护 3 3 无刷直流电机无刷直流电机 针对传统直流电机的上述弊病 无刷直流电机采用电子换相电路取代了机械换相装置 不仅继承了直流电机的优点 且具有无噪音 免维护 可靠性高的优越特性 因此我们选用无刷直流电机作为装置的驱动电机 前轮驱动和后轮转向各采用两个普通 的无刷直流电机驱动 2 2 电机型号选择 电机型号选择 由上可知 本设计采用普通无刷直流电机作为动力源 机器人最大载重为 20KG 平地最 大速度为 1 5km h 车体及电池重量大约为 15KG 1 1 驱动电机选型驱动电机选型 功率计算 12 20159 8 0 42 144 06PFmmgkgm sW 根据以上计算及各个参数 本设计选择济南科亚电子科技有限公司生产的 ZW57BL90 230 型直流无刷电机作为驱动电机 ZW57BL90 230 型直流无刷电机参数如表 3 3 所示 表 3 3 ZW57BL90 230 型直流无刷电机参数 型号额定功率额定电压最大转矩 ZW57BL90 230180W24V2Nm 2 2 转向电机选型转向电机选型 转向电机只负责车体转向故不需太大的功率 因此本设计选择济南科亚电子科技有限 公司生产的 ZW57BL52 225 型直流无刷电机作为转向电机 ZW57BL52 225 型直流无刷电机参 数如表 3 4 所示 表 3 4 ZW57BL52 225 型直流无刷电机参数 型号额定功率额定电压最大转矩 ZW57BL52 22545W24V0 5Nm 六 蛇形机器人的导航分析六 蛇形机器人的导航分析 机器人导航相关技术包括机器人定位与地图构建机器人路径规划机器人体系结构传感器 数据融合传感器的导航方式是移动机器人导航发展的必然趋势这种多传感器的信息融合 对 于救灾的蛇形机器人的研究领域已经从结构环境下的定点作业中走出来向着非结构环境下的 自主作业 未知环境中的蛇形机器人运动规划面临两个主要问题蛇形机器人的导航和路径规 划解决办法是采用传感器和空间构形法 在蛇形机器人都安装了一些非视觉传感器如超声传感器红外传感器接触传感器等 利用这些传感器 可以实现机器人导航 超声数据与图像数据结合通过事先训练好的神经网络预测障碍物的可能位置从而 11 使得机器人能够在动态非结构化环境中实现自主导航 技术充分利用了多个传感器的资源通过对这些传 感器及其观测信息的合理支配和利用把多个传感器在空间或时间上的冗余或互补信息根据一定的准则进 行组合从而获得对被测对象的一致性解释或描述因此它不但能够提高导航精度同时也使整个导航系统具 有了较高的鲁棒性 七 工作原理分析七 工作原理分析 蛇形机器人的工作原理是靠机器人与地面之间的摩擦来实现机器人的运动 我们所设计的机器人不 仅可以在废墟中寻找生命 还可以用于星球探测等地形很复杂的场所 这里所设计的机器人具有自我分 析的能力 根据传感器获得的地面信息能够进行自我分析 然后采用最适合的运动方式进行运动 所以 蛇形机器人可以在非结构环境中进行工作 八 主要创新点八 主要创新点 1 本作品中所设计的机器人是按照自然界中蛇的行走方式进行的设计 所以是一个仿 生机器人 2 蛇行机器人的每个运动单元可以实现机构的重组 3 所制造的蛇形机器人的每个单元均为一个万向铰 而一个整体的蛇形机器人是由 4 个这样的单元体组成 所以蛇行机器人的每个关节可以实现在空间的三维运动 4 多种爬行方式 仿照自然界中的蛇形机器人 可以实现蛇的四种动作 在有模才的 地面实现波形运动 在没有摩擦的地面实现滚动 这样既可以节省动力还可以提高机器人的 行走速度在非机构环境下运动 5 现在制作出的很多机器人都是在结构环境中实现运动 这样的机器人不需要有模式识别和分析 系统 我们所制造的蛇形机器人因为主要用到废墟中寻找活得生命 所以要求机器人对环境的适应能力 特别强 我们所设计的机器人主要就是注重这方面的研究 可以实现在复杂环境下的工作 九 九 应用前景分析应用前景分析 蛇形机器人具有运动稳定性好 适应地形能力强 可靠性和维护性高等特点 CAN总线 的高度实时性 可靠性 扩充性和多主工作方式 为蛇形机器人的分布式控制提供了硬件条 件 基于CAN总线的蛇形机器人控制系统实现了对蛇形机器人的各个关节的有效控制 实现 了蛇形机器人的各种运动 提高了蛇形机器人控制系统的稳定性和可扩展性 具有重要科研 意义和实用价值 12 致谢致谢 随着毕业日子的逼近 毕业设计也接近尾声 在指导老师的带领下 经过几周的奋战我 终于顺利完成了毕业设计 在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年所学知识的单 纯总结 但是通过这次做毕业设计我发现自己的看法有点太片面 毕业设计不仅是对前面所 学知识的一种检验 而且也是对自己能力的一种提高 通过这次毕业设计使我明白了原来只 是还比较欠缺 自己要学的东西还很多 以前老是觉得自己什么都会 什么都懂 有点眼高 手低 通过这次毕业设计 我才明白学习是一个长期积累的过程 在以后的工作和生活中都 应该不断地学习 努力提高自己的知识和综合素质 在这次毕业设计过程中也使我们同学间 的关系更进一步 同学之间互相帮助 互相学习 我的心得也就这么多了 总之 不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多 真是万 事开头难 不知道如何入手 最后终于做完了有种如释重负的感觉 此外 还得出一个结论 知识必须通过应用才能实现其价值 有些东西以为学会了 但真正到用的时候才发现是两回 事 所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了 在此要感谢我的指导老师李明富对我悉心的指导 感谢老师给我的帮助 其次要非常 13 感谢我的辅导老师 在毕业设计期间给了我大力的帮助和支持 对很多问题给与了细心的讲 解 并帮助我梳理思路 使设计能够如此顺利地进行下来 在设计过程中 我通过查阅大量 有关资料