毕业设计（论文）-地下综合管廊挂轨式巡检机器人设计-STM32单片机控制

I摘要全套图纸加V信153893706或扣3346389411地下综合管廊是在地下建造一个大范围的隧道空间，将电力、通信、供水等工程管线集中在一块，进行统一规划，统一管理，是一种新型的城市化基础设施，具有很大的工程意义。本文通过设计的一种挂轨式巡检机器人，能够解决综合管廊内人工巡检效果、效率、安全性等不足的问题。主要研究内容如下：行走驱动部的设计，包括行走轨道的选型、轮轨接触方式的选择、轨道的受力分析、行走轮的选型设计、转弯导向装置的设计、转弯可行性的分析以及动力传动部分选择设计。一维旋转云台和的云台相机升降机构的设计，包括相机Z轴的旋转受力分析、云台升降过程中的受力分析、蜗轮蜗杆同步带传动设计以及云台和升降机构的安装形式。巡检机器人主体的设计，包括行走驱动单元的机架设计、主体外壳的密封设计以及蓄电池、主控制板、传感器的摆放和安装位置的设计。利用三维软件对所设计的地下综合管廊挂轨式巡检机器人机械结构进行了三维建模，并对模型进行材料的选择和质量设定，利用soildworks仿真结果分析出巡检机器人零部件的受力情况。各传感器模块的选型；对于温度参量，基于PT100铂电阻，在满足一定精度的情况下，完成了传感信号生成放大电路的设计。巡检机器人总体控制方案设计，包括电池电量分析，主控制芯片、蓄电池电源等模块的选型，根据地下综合管廊巡检要求，给出巡检程序流程框图，实现了较为可靠的控制系统设计。该论文有图73幅，表16个，参考文献50篇。关键词：地下综合管廊；挂轨；巡检机器人；云台；STM32；传感器AbstractUndergroundcomprehensivepipelinegalleryisanewtypeofurbanizationinfrastructure,whichconstructsalarge-scaletunnelspaceunderground,concentratespower,communication,watersupplyandotherengineeringpipelinestogether,carriesoutunifiedplanningandmanagement,andhasgreatengineeringsignificance.Inthispaper,arail-mountedinspectionrobotisdesigned,whichcansolvetheshortcomingsofartificialinspectioneffect,efficiencyandsafetyinthecomprehensivepipegallery.Themainresearchcontentsareasfollows:Thedesignofthedrivingpartincludestheselectionofthetravelingtrack,thecontactmodebetweenwheelandrail,theforceanalysisofthetrack,theselectionofthetravelingwheel,thedesignoftheturningsteeringdevice,thefeasibilityanalysisofturningandtheselectiondesignofthepowertransmissionpart.Thedesignofliftingmechanismofone-dimensionalrotatingplatformandplatformcameraincludesrotatingforceanalysisofZaxisofcamera,forceanalysisduringliftingprocessofplatform,designofwormgearandwormsynchronousbelttransmission,andinstallationformofplatformandliftingmechanism.Thedesignofthemainbodyoftheinspectionrobotincludestheframedesignofthewalkingdrivingunit,thesealingdesignofthemainbodyshell,andtheplacementandinstallationpositiondesignofthestoragebattery,themaincontrolboard,thesensor.Themechanicalstructureofthetrack-mountedpatrolrobotforundergroundpipelinegalleryismodeledbythree-dimensionalsoftware,andthematerialselectionandqualitysettingofthemodelaremade.Theforceofthepartsofthepatrolrobotisanalyzedbyusingthesimulationresultsofsoildworks.Theoverallcontrolschemedesignofinspectionrobotincludesbatterypoweranalysis,selectionofmaincontrolchipandbatterypowermodule.Accordingtotheinspectionrequirementsofundergroundcomprehensivepipelinegallery,theflowchartofinspectionprocedureisgiven,andamorereliablecontrolsystemdesignisrealized.Keywords:Undergroundcomprehensivepipegallery;Railhanging;PatrolRobot;Cloudplatform;STM32;Sensor目录TOC\o"1-2"\h\u摘要 =1\*ROMANI目录 III1绪论 11.1引言 11.2课题研究的背景与意义 11.3巡检机器人行走方式的选择 21.4国内外研究状况 31.5研究的主要内容 62地下综合管廊挂轨式巡检机器人总体方案设计 72.1设计要求 72.2总体方案设计 83巡检机器人行走驱动部机械设计 113.1轨道的选型及校核 113.2轨道轮的选型 123.3爬坡性能分析 133.4齿轮组的选型及校核 153.5巡检机器人过弯规划 183.6导向装置的选型 193.7轴的设计与校核 223.8键连接的选择及校核 294一维旋转云台机械设计 314.1.摄像机的选择 314.2Z轴旋转的受力分析 324.3云台传动部件设计 344.4云台电机和连接件的选型 395升降机构机械设计 415.1升降行程的确定 415.2升降导轨的选择 425.3滚珠丝杠的设计计算 445.4丝杠步进电机和联轴器的选型 485.5箱体设计和机械部分总装 506系统硬件选型 526.1系统功能设计 526.2控制芯片选择和介绍 536.3蓄电池计算选型 547系统信号调理及控制电路设计 567.1STM32最小系统模块 567.2电机驱动模块 587.3传感器模块 637.4信号灯、蜂鸣器的选型 687.5无线收发模块 697.6SD卡存储模块 707.7摄像头信号传输开关 717.8电源转换模块 728系统软件设计 748.1巡检模式启动流程框图 748.2巡检模式流程框图 758.3巡检模式结束流程框图 769可行性分析 779.1技术性分析 779.2经济性分析 789.3环境可行性分析 7810结论 7911不足与展望 80参考文献 81ContentsTOC\o"1-2"\h\uAbstract IIContents Ⅳ1Introduction 11.1Introduction 11.2TheBackgroundandSignificanceofSubjectResearch 11.3SelectionofPatrolModeforPatrolRobot 21.4ResearchStatusatHomeandAbroad 31.5TheMainContentoftheResearch 62OverallSchemeDesignofTrack-mountedPatrolRobotforUndergroundIntegratedPipelineGallery 72.1DesignRequirements 72.2DesignofOverallScheme 83MechanicalDesignofTravelDriveUnitofPatrolRobot 113.1TrackSelectionandVerification 113.2SelectionofTrackWheel 123.3AnalysisofClimbingAbility 133.4SelectionandVerificationofGearSets 153.5OverturningPlanningofPatrolRobot 183.6SelectionofGuidingDevice 193.7ShaftDesignandVerification 223.8SelectionandVerificationofKeyConnections 294Mechanicaldesignofone-dimensionalrotatingplatform 314.1.SelectionofCamera 314.2ForceAnalysisofZ-axisRotation 324.3DesignofTransmissionComponentsofYuntai 344.4SelectionofMotorandConnectorforYuntaiStation 395MechanicalDesignofLiftingMechanism 415.1DeterminationofLiftingstroke 415.2Selectionofliftingguide 425.3Designandcalculationofballscrew 445.4SelectionofSteppingMotorandCouplingforLeadScrew 485.5Boxdesignandmechanicalassembly 506SystemHardwareSelection 526.1SystemFunctionDesign 526.2SelectionandIntroductionofControlChips 536.3CalculationandSelectionofBatteries 547DesignofSystemSignalAcquisitionandControlCircuit 567.1STM32MinimumSystemModule 567.2MotorDriveModule 587.3Sensormodule 637.4SelectionofSignalLampandBuzzer 687.5Wirelesstransceivermodule 697.6SDCardStorageModule 707.7CameraSignalTransferSwitch 717.8PowerConversionModule 728SystemSoftwareDesign 748.1Flowchartofpatrolmodestartup 748.2Flowchartofpatrolmode 758.3Flowchartforendofpatrolmode 769feasibilityanalysis 779.1Technicalanalysis 779.2Economicanalysis 789.3EnvironmentalFeasibilityAnalysis 7810conclusion 7911DeficienciesandProspects 80References 81Translation 831绪论1绪论1Introduction1.1引言（Introduction）综合管廊，就是地下城市管道综合走廊（如图1-1[17]）。是在地下建造一个大范围的隧道空间，将通信、电力、供暖、供水和排水、天然气、市政以及其他各种工程管道集中在一块，有相应负责检修的、起吊的地方和全线的监控系统，方便城市实行统一的设计规划、统一的布局管理。自2018年以来，中国综合管道走廊的建设进入有序推进阶段，制定切实可行的施工方案，有序推进综合管道走廊建设已成为各城市公共设施改造的重要一环。眼下，地下综合管廊越来越普及化，已成为我国公共设施改造的趋势和动向，可以预见，在不久的将来，地下综合管廊会成为我国城市建设必备基础，为城市整体规划提供极大的便利。图1-1地下管廊整体示意图Figure1-1OverallsketchofundergroundpipelineGallery1.2课题研究的背景与意义(TheBackgroundandSignificanceofSubjectResearch)与许多新生事物一样，地下综合管廊的普及性和快速发展也带来了相当多的问题。我国由于地下综合管廊建设起步较晚，存在经验不足、管理不到位等维护问题，当城市遭遇极端天气情况的时候，可能会发生地下综合管廊内积水严重腐蚀管道，造成部分管道泄漏的问题；同时地下综合管廊内部设施价值较高，在监管不到位的情况下，会有不法分子入侵，盗走相关的基础设施，给综合管廊整体的维护带来很大的威胁。这些情况都严重影响了人民群众的安全保障和城市运行的秩序。因此，城市综合管廊的安全巡检是保证综合管廊可靠稳定运行的重要措施。对城市综合管廊的安全巡检，传统的方法是人工巡检法，即由巡检人员进入综合管廊内，拿着手持端的巡检设备配合自身掌握的综合管廊巡检经验，在一些固定的地点展开巡检，但是这样的巡检效果极为一般，在巡检设备的数据基础上含有大量人为的判断，这使得巡检的结果存在准确性低、难以汇总的状况。此外，人工巡检的方法也难以保证巡检信息的及时性，在十几公里长的地下综合管廊内，如果巡检信息存在很大的滞后性，将会使得整个地下综合管廊系统运行艰难，同时由于综合管廊位于地下，内部环境恶劣，温湿度条件差，并且可能含有多种对人体有伤害的工程管线，这对工作人员的安全问题又提出了极大的要求。综上所述，人工巡检已经越来越难以满足大型化地下综合管廊的巡检要求，它的高成本低回报也预示着急需一种全新的自动的巡检方式来代替人工。这些年来，巡检机器人的发展相当迅猛，它将机器人技术、巡检技术与计算机技术相融合，通过搭载摄像头以及各类传感器，能够做到全线巡检，精确测量，图像识别以及快速定位报警等，在高压电厂、电力机房等等工作场所已经有了不小规模的巡检机器人系统。基于此，考虑利用巡检机器人在地下综合管廊内进行巡检，可以及时发现气体泄漏，工程管线腐蚀等，以防止危险事故的发生，这将大大提高地下综合管廊巡检的效率以及信息的及时性，在巡检机器人量化生产后也将大大节省地下管廊系统的巡检成本。因此，为了有效的解决人工巡检的问题，本文将设计一种轨道式智能巡检机器人代替人工进行综合管廊的安全巡检，完成日常工况巡视、状态记录和事故报警等工作[37-38]。1.3巡检机器人行走方式的选择（SelectionofPatrolModeforPatrolRobot）地下管廊内部环境复杂（如图1-2[4]），地面不平、障碍物多，显然不适用轮式行走的机器人，同时，由于地下管廊内部范围较狭窄，工程管线排列具有一定高度，且巡检机器人应有一定的速度要求，履带式机器人一般速度较慢，也难以满足管廊巡检的设计要求。而对于轨道式机器人，可将轨道铺设在地下综合管廊高处，这样既能解决综合管廊地形复杂的问题，又能适应其内部狭长的环境，还保持了较快的运行速度[7]，并且摄像头搭配可旋转的升降平台易于观测各种工程管线，更好地满足巡检要求。因此，本文将设计一种地下综合管廊挂轨式巡检机器人。图1-2地下综合管廊内部实景Figure1-2InsidetheUndergroundPipelineGallery1.4国内外研究状况（ResearchStatusatHomeandAbroad）1.4.1国外发展现状①加拿大魁北克水电研究院Linescout巡线机器人\t"C:/Users/Dell/AppData/Local/Temp/360zip$Temp/360$0/PaperPass-%E6%97%97%E8%88%B0%E7%89%88-%E6%A3%80%E6%B5%8B%E6%8A%A5%E5%91%8A/htmls/detail_report/right"2000年，加拿大魁北克水电研究院在HQLineROVer遥控车基础上设计了输电线路除冰机器人，并增加了高压线检查和维护等功能。之后又通过不断地改造，于08年开发出了一种功能更齐全的巡线机器人（如图1-3[8]）。该机器人具有障碍物穿越和目视检查等功能，但其结构更加复杂。图1-3Linescout巡线机器人Figure1-3LinescoutPatrolRobot②澳大利亚联邦大学步进式悬线行走机器人如图1-4所示的步进式悬线行走机器人在2015年由澳大利亚联邦大学研制出来。该\t"C:/Users/Dell/AppData/Local/Temp/360zip$Temp/360$0/PaperPass-%E6%97%97%E8%88%B0%E7%89%88-%E6%A3%80%E6%B5%8B%E6%8A%A5%E5%91%8A/htmls/detail_report/right"机器人结构对称美观，由丝杠、滑块、同步带、电机等组成，机器人最前端的右足和最末端的左足通过中间的电机和同步带传递同步运动，保证机器人行走的流畅性。而中间两条腿则用作支腿的作用，通过电机、丝杠和滑块连杆机构，使得两条腿始终压紧在电缆线上，保证机器人行走的稳定性。这样\t"C:/Users/Dell/AppData/Local/Temp/360zip$Temp/360$0/PaperPass-%E6%97%97%E8%88%B0%E7%89%88-%E6%A3%80%E6%B5%8B%E6%8A%A5%E5%91%8A/htmls/detail_report/right"机器人行走的时候，两对腿像人一样交互移动，从而带动整体在电缆线上行走。图1-4步进式悬线机器人Figure1-4SteppingCatenaryRobot1.4.2国外发展现状与国外相比，我国对挂轨式巡检机器人的研究起步较晚。20世纪90年代末，我国才开始研究挂轨式巡检机器人。武汉大学、沈阳航空航天大学等单位，先后对挂轨式巡检机器人进行了相关研究。①武汉大学双臂式巡线机器人2011年，武汉大学研究团队开发了一种双臂巡线机器人，如图1-5[24]所示。机器人的两个机械手臂放在高压线上，可以稳定地通过高压线上的防震锤，绝缘体和均压环等障碍物。

该双臂巡线机器人还可以通过安装的摄像机实时传输行走在高压线上的图像给地面。图1-5武汉大学双臂式巡线机器人Figure1-5Dual-armLinePatrolRobotofWuhanUniversity②沈阳航空航天大学三臂结构高压线巡检机器人2015年，沈阳航空航天大学团队研制出了一种如图1-6[19]所示高压线巡检机器人。该机器人具备三臂结构，一头均连接到基体上，中间通过复杂的连杆机构实现三个机械臂之间的相对运动，另一头都搭在高压线上，每个机械臂的上部都安装了对应的驱动轮。当需要克服障碍物时，机器人手臂上的两个关节相对旋转，从而实现机器人中间臂和前后臂的不同动作，最终能够越过高压线上的障碍物。图1-6三臂结构高压线巡检机器人Fig1-6Three-armHighVoltageWireInspectionRobot根据上述国内外的巡检机器人的研究状况，目前这块的研究工作主要集中在高压输送电线的巡检上，其巡检过程与地下综合管廊的巡检状况有着很大的区别，主要体现在：（1）高压输送电线巡检机器人有既定轨道，即高压电线，属于柔性轨道。轨道承载重力受一定的限制，巡检时易左右摇摆；而在地下综合管廊巡检时，机器人轨道需要另外布置，一般选择刚性轨道，相应地会增加轨道铺设成本。（2）高压输送电线巡检机器人在高空作业，途中需要越过障碍物；而在地下综合管廊巡检时，由于轨道额外布置，因此悬挂在轨道上的巡检机器人无需越障，仅需要完成直线行走、转弯、爬坡等动作[15][17]。（3）巡检机器人在高压输送电线与地下综合管廊内所监测的传感物理量有较大区别，同时，由于地下管廊内工程管线排列具有一定高度，巡检机器人应搭配可升降的云台[27]，完成全方位的监控[11-12]。1.5研究的主要内容（TheMainContentoftheResearch）本论文的主要研究内容如下:多方文献查阅，在充分了解地下综合管廊内的巡检要求和巡检情况下，提出自己的挂轨式巡检机器人设计方案。完成挂轨式巡检机器人行走驱动部的设计，包括行走轨道的选型、轮轨接触方式的选择、轨道的受力分析、行走轮的选型设计、转弯导向装置的设计、转弯可行性的分析以及动力传动部分选择设计。完成巡检机器人一维旋转云台的设计，包括传动部件布置形式的确定、相机Z轴的旋转受力分析以及蜗轮蜗杆传动、同步带传动设计。完成地下综合管廊挂轨式巡检机器人云台相机升降机构的设计，包括升降行程的确定、、升降过程中的受力分析以及升降机构在本体中的安装形式和摆放位置。完成巡检机器人主体的设计，包括行走驱动单元的机架设计、主体外壳的密封设计[28][40]以及蓄电池、主控制板、传感器的摆放和安装位置的设计。利用三维软件对所设计的地下综合管廊挂轨式巡检机器人大部分结构进行三维建模，并对模型进行材料的选择和质量设定，利用soildworks仿真结果分析巡检机器人零部件的受力情况，为下一步机械部分设计提供基础。完成机械部分设计，并基于三维模型，完成地下综合管廊挂轨式巡检机器人的二维总装配图、驱动行走部装配图、一维旋转云台装配图、升降机构装配图和相关重要零件图的绘制。针对地下综合管廊内部环境参量，对湿度、危险气体等物理量，完成传感器模块选型，包括防撞传感器；对于温度参量，基于PT100铂电阻，在满足一定精度的情况下，完成传感信号生成、放大以及数据采集系统的设计，完成传感器相关的电路图。完成巡检机器人总体控制方案设计，包括主控制芯片、蓄电池电源、电源转换模块、电机驱动芯片、无线收发模块、信号灯报警器等的选型，完成巡检机器人控制系统的电路图。2总体方案设计2地下综合管廊挂轨式巡检机器人总体方案设计2OverallSchemeDesignofTrack-mountedPatrolRobotforUndergroundIntegratedPipelineGallery2.1设计要求(DesignRequirements)按照毕业设计指导书的要求，地下综合管廊全长约拟定断面尺寸为按照毕业设计指导书的要求，所设计的地下综合管廊挂轨式巡检机器人的驱动行走部机械结构应该满足以下几种要求：挂轨式巡检机器人的巡检速度为m/mim；挂轨式巡检机器人能顺利过弯；挂轨式巡检机器人有一定的爬坡能力，爬坡角度25°以下；挂轨式巡检机器人可承受负载为40Kg。按照毕业设计指导书的要求，所设计的地下综合管廊挂轨式巡检机器人的一维旋转云台应该满足以下几个要求：（1）Z方向的行程范围；（2）Z方向的旋转速度为；（3）Z方向速度从静止增加到最大速度的时间是0.2秒。按照毕业设计指导书的要求，所设计的挂轨式巡检机器人的升降机构应该满足以下几个要求：挂轨式巡检机器人的升降机构的升降速度为m/min；挂轨式巡检机器人的升降机构最大位置时，工作人员能正常通过。按照毕业设计指导书的要求，所设计的地下综合管廊挂轨式巡检机器人的控制系统应该满足以下几个要求：（1）巡检机器人能够驱动各部分电机，实现行走、云台旋转和升降功能。（2）巡检机器人能够监测地下综合管廊各环境参量。（3）巡检机器人能够与上位机进行通信，传输回传感器信息，并接收上位机的指令。（4）巡检机器人能够实时监测综合管廊内部景象，并传输给上位机处理。2.2总体方案设计(DesignofOverallScheme)2.2.1挂轨式巡检机器人行走驱动部设计方案21431—驱动轮、2—从动轮、3—传动齿轮组、4—导向装置图2-1挂轨式机器人行走驱动方案图Figure2-1WalkingDriveSchemeofTrack-mountedRobot拟采用H型导轨，轮式驱动，由电机经过减速器带动齿轮，经过齿轮组，将动力传递给同一侧的驱动轮，驱动轮起承载和驱动的作用，同时拟用弹簧张紧机构配合滚轮压紧工字型导轨，滚轮起导向作用，两者配合，可使巡检机器人在导轨上稳定运行（如图2-1）。同时，由于驱动轮均在同一侧，另一侧为从动轮，转弯时很容易实现外圈轮和内圈轮的差速，拟设计的该种机械结构能够满足巡检机器人行走、转弯和爬坡的要求。此外，该行走驱动部的设计考虑到与轨道的安装问题，准备将前后挡板以及底板分别通过螺栓连接，使其具备足够的可安装性。2.2.2挂轨式巡检机器人一维旋转云台设计方案拟采用同步带、蜗轮蜗杆传动，电机驱动力通过同步带传递到蜗杆轴，经过蜗轮蜗杆啮合，将动力传递到蜗轮轴，蜗轮轴与摄像头夹持座刚性连接，考虑封装后的摄像头与夹持座通过顶部和两侧螺钉连接紧固，则电机旋转时可以带动摄像头一起旋转（如图2-2）。采用这种布置形式的好处是整体结构紧凑，而且蜗轮蜗杆的大传动可以使得摄像头小角度连续平稳地旋转，不会出现一顿一顿的情况，充分满足巡检动作要求，同时，由于蜗轮蜗杆的自锁性，可以使得摄像头在任意角度位置停留，无需增加抱死机构。312541—驱动电机、2—同步带、3—蜗轮、4—蜗杆、5—摄像头夹持座图2-2挂轨式机器人旋转云台方案图Figure2-2SolutionofRotatingCloudTableforTrack-mountedRobot2.2.3挂轨式巡检机器人云台升降设计方案132541—电机、2—丝杠、3—导轨、4—丝杠螺母和螺母座、5—升降平台图2-3挂轨式机器人云台升降方案图Figure2-3Rail-mountedRobotCloudTableLiftingPlan拟采用滚珠丝杠，垂直布置于机器人本体后箱板上，通过电机带动丝杠轴旋转，其上螺母和螺母座上下进给带动升降平台，在两边导套副的导向作用下，使得整个平台稳定地上下移动。考虑该升降机构在机器人本体中的固定形式，通过螺钉将一个U型板固定在后箱板上，U型板伸出的两端分别固定电机和丝杠轴的固定侧轴承座，丝杠轴的支持侧轴承座则通过螺钉固定在底部箱板上，然后两侧的导轨座都由螺钉固定在后箱板上，这样整个升降机构都在机器人本体中平稳地固定住。考虑到升降平台的安装问题，升降平台不能做成一体的形式，否则无法穿过机器人本体的下箱板，因此考虑将其做成上下连接式，下面方形平台上焊接两个实心圆柱，并在顶部开有螺纹槽，然后上面的平台在与两边导轨以及中间丝杠螺母和螺母座螺钉连接的基础上，再与实心圆柱通过螺钉连接，以此完成升降平台的安装。此外，对应于平台升降时电机没有及时停机的情况，会对整个箱体特别是两边导轨支座造成剧烈的冲击，因此还需考虑在导轨上下极限位置分别上加一个限位开关，这样当升降平台到达极限位置时触碰限位开关使电机立即停机，以此来保证整个升降系统的安全性[27]。2.2.4挂轨式巡检机器人控制系统设计方案如图2-4，拟采用主控制器STM32控制各电机驱动器，进而控制巡检机器人在轨道上行走、转弯和爬坡以及相机云台水平垂直旋转和云台升降，同时，由主控制器接收传感器组信号，控制器中按一定算法进行传感参量分析，判断管道是否有异常，进而采取相应措施。而后将监测的传感数据传回远程上位机[14];此外，高清摄像机和红外成像仪实时图像，通过无线传输至上位机（配有视频采集卡）。上位机人机界面显示各环境参量以及管廊环境图像，并按一定算法进行图像识别[30]，从而判断是否发生火情或者有入侵者，再由远程上位机经主控制器STM32发出指令，控制巡检机器人立即报警。图2-4挂轨式机器人控制系统方案图Figure2-4SchemesofTrack-mountedRobotControlSyst3行走驱动部设计3巡检机器人行走驱动部机械设计3MechanicalDesignofTravelDriveUnitofPatrolRobot3.1轨道的选型及校核（TrackSelectionandVerification）按任务书设计要求，巡检机器人负载为，相对较小，根据初选轨道为最小的型钢，型号，其部分参数如下表：表3-1型钢参数表Table3-1SectionSteelParameterTable型号尺寸/mm理论重量/(kg/m)Ix/cm4WX/cm3HBt1t2rHW100100681017.238376.5符号意义：—高度；—宽度—腹板厚度；—翼缘厚度—圆角半径；—截面数—惯性矩；—工字钢跨度图3-1HW型钢截面图Figure3-1HWsectiondiagram初选H型钢横梁跨度为米，即每米存在一个顶梁与地下管廊顶部连接，下面对该型钢轨道进行强度和挠度校核（）巡检机器人在工字钢横梁中点时，工字钢所受弯矩和挠度最大，因此该工况简图如图3-2，其中为巡检机器人重力，为工字钢轨道自重。图3-2HW型钢受力图Figure3-2StressDiagramofHWSectionSteel①H型钢内力计算集中力：（3-1）集中力产生的最大弯矩：（3-2）自重产生的最大弯矩：（3-3）最大弯矩值：（3-4）②强度验算（3-5）故HW型钢强度满足要求。③挠度验算（3-6）根据,故H型钢挠度满足要求。因此，综上所述，选定100×100HW型钢，跨度为10米。3.2轨道轮的选型（SelectionofTrackWheel）根据所选型槽钢特征，行走轮在其上行走方式如图3-3所示。为避免行走轮与H型钢上翼缘接触摩擦，影响巡检机器人正常行走，行走轮直径；为使行走轮与H型钢下翼缘接触平稳，接触面应避开圆弧区，则行走轮宽度图3-3行走轮轨道示意图Figure3-3TrackDiagramofWalkingWheel因此，对于巡检机器人行走轮，考虑其长期工作的耐磨性要求，考虑选用3寸大小的尼龙轮，D=75mm，b=33mm。在承载力方面，对比市场上多个公司生产的3寸尼龙轮，单轮的承载能力均为90公斤以上，而本课题拟采用四轮行走方式，显然承载力远远满足要求。3.3爬坡性能分析（AnalysisofClimbingAbility）预估巡检机器人单次巡检时间为2小时，考虑到机器人的行走速度会对传感信号的采集造成较大的影响，因此为了机器人能够正常巡检，需限制机器人的行走速度不能过快，要让传感器组能够有效地检测到地下综合管廊内的环境参量，并在发现问题时快速响应。那么初步设定巡检速度，则（3-7）可见，巡检速度为的巡检机器人已经能满足2公里长的综合管廊巡检要求，而按设计任务书，综合管廊全长十公里左右，则可令几台巡检机器人配合使用，以期满足巡检要求。根据巡检机器人的行走速度为0.3m/s，结合行走驱动轮的有效直径75mm，可推导出电机相应的输出速度为（3-8）该转速对应于电机额定转速较慢，但由于步进电机转速本身也较低，则所选减速器减速比不宜过大，这里考虑选用减速器比为1:6的减速器。按照毕业设计指导书要求，巡检机器人能够在小于25°的坡上行走，则下面取坡度25°对机器人的爬坡性能作如下分析。使巡检机器人行走在25°的H型钢上，其靠电机驱动带来的轮与轨道的摩擦力克服重力分力作用，因此为了保证轮子能够紧紧压住轨道，爬坡时无打滑现象，其驱动轮在斜坡上可以承受的最大静摩擦力必须能够抵抗机器人沿斜坡向下的重力分量影响。即图3-4主动轮受力示意图Figure3-4ForceDiagramofDriveWheel（3-9）得到，主动轮材料为尼龙，查机械设计手册可得，尼龙轮与轨道H型钢Q235的静摩擦系数为0.5，故在电机驱动力矩合适的情况下，尼龙轮可以带着机器人行走于25°的斜坡，避免轮子打滑的现象。此外，若对尼龙轮表面进行纹路加工处理，可提高静摩擦系数，使得巡检机器人爬坡能力增强。机器人的设计重量为40kg，则机器人在H型钢上行走，驱动轮不发生打滑的时可以提供的最大牵引力（3-10）则机器人在H型钢上驱动轮可以传递的最大转矩为（3-11）根据上式要求减速器输出轴最大转矩结合市场上常见的步进电机减速器，选择PX57N006S0行星直角减速器，减速比为1:6，其部分参数如下表：表3-2行星减速器参数表Table3-2Planetaryreducerparametertable型号减速比效率最大输出转矩最大输入转速出轴轴径PX57N006S01:690%15Nm14mm机器人在H型钢上行走驱动轮可以传递的最大功率为（3-12）式中：nr/由于行星减速器的传动效率η为90%，则相应步进电机的输出功率是（3-13）步进电机的输出转矩为（3-14）由上式可得巡检机器人的电机输出转矩应大于1.4Nm结合市场上常见的步进电机，选择57BYG250C型步进电机，其部分参数如下表：表3-357步进电机参数表Table3-357StepperMotorParametersTable型号步距角输出扭矩额定电流出轴方式电机长度质量57BYG250C1.8°1.8Nm3A双伸出轴76MM1.4kg考虑到巡检机器人报警时快速制动，准确停车的要求，以及上坡时巡检出问题，在斜坡稳住停机的情况，选用57步进电机配套的电磁制动器TQMB-1T，部分参数如下表：表3-4电磁制动器参数表Table3-4ElectromagneticBrakeParametersTable型号额定电压制动转矩外径轴孔方形底座工作方式TQMB-1T24V1.5N58mm8mm57*57mm失电制动巡检机器人在25°斜坡上制动时需要克服的转矩为（3-15）经过减速器，电机轴上需要克服的转矩为（3-16）因此，该型号电磁减速器满足巡检机器人斜坡停机的要求。3.4齿轮组的选型及校核（SelectionandVerificationofGearSets）为了使机器人结构紧凑，且转弯时容易实现外圈轮和内圈轮的差速，考虑采用齿轮组传动，将电机侧驱动力经过中间齿轮传递给两个主动轮齿轮，实现两个主动轮的同步驱动，其传动示意图如下：图3-5齿轮组传动示意图Figure3-5GearSetDriveDiagram图中，两个主动轮齿轮和电机驱动齿轮完全相同，三个齿轮围绕中间大齿轮正120°布置，显然电机驱动齿轮侧转速与主动轮转速完全相同，根据功率守恒，电机驱动齿轮侧转矩为最大，因此设计齿轮时仅以电机驱动齿轮和中间大齿轮传动为例，相应地主动轮齿轮必定满足设计要求。现给出齿轮设计要求：齿数比u=2,工作寿命10年（每年工作360天），每天工作。3.4.1选精度等级、材料及齿数（1）选择小齿轮材料为，齿面硬度，大齿轮材料为（调质），齿面硬度为。（2）选用7级精度。（3）选小齿轮齿数z1=25，大齿轮齿数z2=25×2=50，取z2=51。（4）直齿圆柱齿轮传动，压力角。3.4.2按齿面接触疲劳强度设计（1）试算小齿轮分度圆直径，即（3-17）1）确定公式中的各参数值。①试选载荷系数KHt=1.3②小齿轮传递的转矩T1=7.35N/m③小齿轮看作悬臂布置，选取齿宽系数φd=0.5④由图查取区域系数ZH=2.4⑤查表得材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa1/2⑥计算重合度系数则重合度系数为（3-18）⑦计算接触疲劳许用应力[H]查表得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为Hlim1=600MPa、Hlim2=550MPa。计算小齿轮应力循环次数：（3-19）（中间大齿轮有三处啮合点）大齿轮应力循环次数：（3-20）查取接触疲劳寿命系数:取失效概率为1%,安全系数S=1,得:（3-21）（3-22）取和中的较小者作为该齿轮副的接触疲劳许用应力，即试算小齿轮分度圆直径（3-23）（2）调整小齿轮分度圆直径1）在计算实际负载系数前的数据准备①圆周速度v（3-24）②齿宽b（3-25）2）计算实际载荷系数KH①由表查得使用系数KA=1。②根据v=0.694m/s、7级精度，由图查得动载系数KV=1.05。③齿轮的圆周力（3-26）（3-27）查表得齿间载荷分配系数KHα=1.5。④由表用插值法查得7级精度、小齿轮悬臂布置时，KH=1.184。则载荷系数为：（3-28）3）可得按实际负载系数算得分度圆直径（3-29）及相应的齿轮模数模数取为标准值m=2mm。3.4.3几何尺寸计算（1）计算分度圆直径（3-30）（2）计算中心距（3-31）（3）计算齿轮宽度，取b2=20mm、b1=25mm（3-32）3.4.4按齿根弯曲疲劳强度校核齿根弯曲疲劳强度条件（3-33）查表得小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为这里为了节省篇幅，仅给出计算验算大小齿轮齿根疲劳弯曲疲劳极限（3-34）（3-35）齿根弯曲疲劳强度校核满足要求，并且大齿轮抵抗弯曲疲劳破坏的能力要大于小齿轮。3.4.5主要设计结论齿数z1=20、z2=41，模数m=2mm，压力角=20°，中心距a=61mm，齿宽b1=25mm、b2=203.5巡检机器人过弯规划（OverturningPlanningofPatrolRobot）过弯能力是衡量机器人性能的重要指标之一，能够稳定地通过弯道，巡检机器人就能在地下综合管廊复杂的轨道空间内进行最大范围的巡检。挂轨式巡检机器人运行于弯道时，依靠导向轮和弹簧张紧装置调整机器人行走驱动机构的中心线（如图3.4.1），即使得巡检机器人的中心线与过弯轨道的中心线不一致，这种不一致程度越大，主动轮与钢轨之间的磨损程度也就越大。因此，为了克服这个缺点，应限制机器人过弯时导轨的曲率半径不得过小。同时，由于机器人行走驱动机构中心线的偏移，使得内侧行走轮越来越靠近H型钢中心腹板，因此，内侧行走轮与H型钢中心腹板的间隙对机器人过弯半径起到决定性作用[35]。、图3-6过弯偏移示意图Figure3-6Overbendmigrationdiagram图中,—前后车轮轴的固定轴距，单位—机器人中心线向外侧的偏移量，单位—轨道曲率半径，单位—轨道轨距，单位由图3-6可推出，则（3-36）观察上式发现，弯道曲率半径的大小与偏移量大小成反比，与车轮轴固定轴距成正比，与实际情况相符。如前述，为使行走轮与H型钢下翼缘接触平稳，接触面应避开圆弧区，则行走轮可占范围,又行走轮宽度，则内侧行走轮可偏移量。根据，代入，前后车轮轴距即为驱动轮两齿轮中心距，可得。考虑到转弯时主动轮与钢轨之间的磨损，轨道曲率半径相比于巡检机器人最小转弯半径应留有较大余量，因此该巡检机器人的最小转弯半径。3.6导向装置的选型（SelectionofGuidingDevice）3.6.1导向轮选择巡检机器人巡检过程中，导向轮通过弹簧预紧力始终压紧导轨，起到导向作用（如图3-7）。在进入转弯轨道时，轨道内侧弹簧进一步压缩，导向轮紧紧压住导轨；轨道外侧弹簧有一定伸长（即减少原有的预紧压缩量），导向轮依然对导轨有一定压紧作用，这样通过导向轮配合弹簧不断调整车体角度，使机器人顺利过弯。图3-7导向装置示意图Figure3-7DrawingofGuidingDevice由于机器人巡检过程中，导向轮始终与轨道下翼缘两侧接触摩擦，从而对导向轮材料有较高的耐磨要求，并且导向轮材料应偏软，有弹性，防止对H型钢下翼缘造成破坏，此外导向轮长度应大于轨道下翼缘t2=8mm。因此，考虑选用规格20×30（直径高度）的聚氨酯PU导轮，该导轮内孔为6mm，其内部有两个滚动轴承，在机器人巡检过程中，导向轮会带着轴承始终绕着导轮轴旋转前进。3.6.2弹簧部件分析及选型（1）弹簧受力分析机器人巡检过程中，导向装置弹簧始终受力压缩，直线行走时，弹簧受一预紧力，转弯时，内侧弹簧进一步压紧导轨，外侧弹簧有放松的趋势，但仍对导轨有压紧力。现对这些情况下弹簧受力大小作如下分析：转弯时，内侧弹簧受到离心力Fa,且该离心力与弹簧预紧力方向相同，为求得弹簧极限受力情况，设此时巡检机器人速度仍为0.3m/s，导轨曲率半径为400mm，则（3-37）同样地，转弯时，外侧弹簧受到离心力Fb,且该离心力与弹簧预紧力方向相反，此时巡检机器人速度为0.3m/s，考虑到导轨宽度，导轨曲率半径为500mm。（3-38）为保证转弯时外侧弹簧仍对导轨有一定压紧力，则要求弹簧预紧力，取。因此,弹簧最大工作载荷；最小工作载荷。弹簧设计计算弹簧类型：圆柱螺旋压缩弹簧最小工作载荷：最大工作载荷：弹簧外径D2：工作行程：（等于行走轮最大偏移量的两倍）弹簧类别：Ⅱ类载荷（）端部结构：端部磨平、并紧，两端支撑圈各一圈弹簧材料：碳素弹簧钢丝B级①参数计算初算弹簧刚度：（3-39）工作极限载荷：因是Ⅱ类载荷：故（3-40）根据Pj与D2从表3-5中选择弹簧材料直径d及弹簧中径D与有关参数表3-5弹簧相关参数表Table3-5SpringRelatedParametersTable材料直径弹簧中径工作极限载荷单圈变形量单圈刚度0.8mm7mm24.74N2.098mm11.8N/mm有效圈数n：（3-41）参照表取标准值n=6总圈数n1：弹簧刚度P’：（3-42）工作极限载荷下的变形量Fj：（3-43）节距t：（3-44）自由高度H0：（3-45）取标准值H0=20mm弹簧外径D2：（3-46）弹簧内径D1：（3-47）螺旋角α：（3-48）展开长度L：（3-49）②验算参数最小载荷时的高度H1：（3-50）最大载荷时的高度H2：（3-51）预压缩时的高度H3：（3-52）极限载荷时的高度Hj：（3-53）实际工作行程h：（3-54）工作区范围：（3-55）高径比：,不必进行稳定性验算。导杆选择根据所选弹簧内径，查表得弹簧导杆直径应比内径小因此选择弹簧导杆直径。弹簧导杆一端焊接在箱体上，另一端套在导向装置上，弹簧压缩时，导向装置随着导杆在箱体的铜套上滑动，因此弹簧导杆长度应略大于弹簧最小载荷时的高度H1[38]。铜套选择铜套——主要用于低速、重载的场合，具有润滑效果，韧性好，抗冲击力强，在运转过程中不会拉伤轴。根据所选弹簧导杆直径d=5mm，因此选择自润滑石墨铜套LM5，（内径*外径*长度）尺寸为5*10*5。铜套的固定方式一般是用台钳压入固定座内，为方便压入，可在固定座内径端部进行倒角处理，此外，为防止铜套脱落、旋转，一般在铜套外径涂抹粘接剂或者使用止转螺丝，这里由于负载较小，考虑涂抹粘接剂并压入铜套为宜。图3-9铜套实物图Figure3-9Physicaldrawingsofcoppersets3.7轴的设计与校核（ShaftDesignandVerification）3.7.1转接轴（输入齿轮轴）的设计（1）输入齿轮轴上的功率、转速（2）确定轴的最小直径所选轴的材料为40Cr，进行调质处理，查表取，得：（3-56）转接轴最小轴径用于安装主动小齿轮，但由于存在键槽，考虑将最小轴径增大5%，，取（3）转接轴的结构设计转接轴是连接减速器输出轴和驱动小齿轮的部件，考虑到与减速器输出轴的连接，在转接轴前端开有带键槽的圆孔，两者通过键连接固定；考虑到与驱动小齿轮的连接，在转接轴后端轴上开有键槽，两者同样通过键连接固定，转接轴具体结构设计如图3-10。图3-10转接轴的结构设计图Figure3-10Structuraldesignoftheadaptershaft（4）转接轴的受力分析图8.转接轴结构图④转接轴的受力分析和校核图3-11转接轴的计算简图Figure3-11:Computationalsketchofadaptershaft由图3-11所示，主动小齿轮齿宽中点距转接轴左支点的距离为（3-56）根据转接轴的安装形式可得，转接轴受力情况可看作悬臂梁，则在其受力支点处会受到水平面和垂直面的支反力以及两个平面上的弯矩。转接轴水平面上的支反力：（3-57）转接轴垂直面上的支反力：（3-58）转接轴截面A处的水平弯矩：（3-59）转接轴截面A处的垂直弯矩：（3-60）转接轴截面A处的合成弯矩：（3-61）以上已经算出了转接轴支点处的受力情况，下面对其进行校核。由于转接轴上还同时受到扭矩的作用，因此采用弯扭组合强度来校核轴。这里取轴上承受最大弯矩和转矩的截面（即危险截面A）的强度进行校核，巡检机器人来回巡检，转接轴正反转，取，则有：（3-62）可见设计的转接轴远远满足强度要求，并留有很大的裕度，能够弥补计算截面抗弯系数时忽略键槽带来的轴强度降低的影响。3.7.2中间齿轮轴的设计由于中间齿轮轴上动力是经过输入小齿轮与中间大齿轮啮合传动而来，则不计效率损失，其输入功率与转接轴上保持一致，转速由齿数比决定。（1）中间大齿轮上的受力分析中间大齿轮分别与驱动小齿轮、两个主动轮齿轮三处啮合，下面计算大齿轮在这三处的受力。1）大齿轮与驱动小齿轮的啮合，已知中间大齿轮的分度圆直径为，齿轮所受转矩，则（3-63）（3-64）2）大齿轮与两个主动轮齿轮啮合，齿轮所受转矩和力（3-65）（3-66）（3-67）3）将大齿轮所受的六个力分解到水平和垂直方向，则（3）确定轴的最小直径所选轴的材料为40Cr，进行调质处理，查表取，得：（3-68）该齿轮轴最小轴径用于安装中间大齿轮，由于存在键槽，考虑将最小轴径增大5%，，取（4）轴的结构设计图图3-12中间齿轮轴结构图Fig.3-12IntermediateGearShaftStructuralDiagram根据轴向定位来确定中间齿轮轴的各段直径和长度1）段为中间大齿轮安装轴段，根据最小轴径要求取，大齿轮右边用轴端挡圈定位，内径为12.4mm，则2）大齿轮左侧采用套筒定位，取,则,考虑大齿轮与小齿轮的啮合传动，暂取。3）段为轴的支撑段，取，考虑到大小齿轮均为直齿圆柱齿轮，该处轴承仅受径向力，根据查找相关轴承手册，选择深沟球轴承6002型，其外径，宽度，安装尺寸，。(由于右侧深沟球轴承2没有端盖密封，因此右侧选用6002-LS一端带密封圈型深沟球轴承)根据轴承安装尺寸，在装上外径为17.4mm的轴用套筒来定位轴承1右端，同时通过轴承座内部凸台定位轴承1左端。考虑轴承2的定位，其右端同样由轴承座内部凸台定位，左端由轴用挡圈定位，内径为14.3mm，最后由端盖密封。（3-69）（5）轴的受力分析和校核由图3-12所示，中间大齿轮齿宽中点距齿轮轴右支点的距离为（3-70）齿轮轴左右支点之间的距离为（3-71）根据中间齿轮轴的安装形式，齿轮轴的受力可看作简支梁，则在其两个受力支点处会受到水平面和垂直面的支反力。齿轮轴水平面支反力（见图3-13-b）：（3-72）（3-73）齿轮轴垂直面支反力（见图3-13-d）：（3-74）（3-75）齿轮轴截面B处的水平弯矩：（3-76）齿轮轴截面B处的垂直弯矩：（3-77）齿轮轴截面B处的合成弯矩：（3-78）按以上弯矩值分别作齿轮轴水平面弯矩图（图3-13-c）和垂直面弯矩图（图3-13-e）以及合成弯矩图（图3-13-f）。以上已经算出中间齿轮轴支点处的受力情况，下面对其进行校核。由于中间齿轮轴上没有受到扭矩的作用，因此仅采用弯矩强度来校核轴。这里取轴上承受最大弯矩和转矩的截面（即危险截面B）的强度进行校核，则有：（3-79）可见设计的中间齿轮轴满足强度要求，并拥有一定的裕度，够弥补计算截面抗弯系数时忽略键槽带来的轴强度降低的影响。轴的弯矩受力图如下：图3-13中间齿轮轴弯矩受力图Fig.3-13MediumGearShaftBendingMomentForceDiagram3.7.3主动齿轮轴的设计（1）输入齿轮轴上的功率、转速（2）确定轴的最小直径所选轴的材料为40Cr，进行调质处理，查表取A0=103，得：（3-80）主动齿轮轴最小轴径是安装输入驱动小齿轮的轴径，由于存在两个键槽，考虑将最小轴径增大10%，，取（3）主动齿轮轴的结构设计图图3-14主动齿轮轴结构图Fig.3-14StructuralChartofActiveGearShaft根据轴向定位来确定主动齿轮轴的各段直径和长度1）段为主动小齿轮安装轴段，根据最小轴径要求取，小齿轮右边用轴端挡圈定位，内径为9.6mm，则2）小齿轮左侧采用套筒定位，取,则,考虑大齿轮与小齿轮的啮合传动，暂取。3）段为轴的支撑段，取，考虑到大小齿轮均为直齿圆柱齿轮，该处轴承仅受径向力，根据查找相关轴承手册，选择一端带密封圈的深沟球轴承6001-LS型，其外径，宽度，安装尺寸，。)根据轴承安装尺寸，在装上外径为14.4mm的轴用套筒来定位轴承1右端，同时通过轴承座内部凸台定位轴承1左端。考虑轴承2的定位，其右端同样由轴承座内部凸台定位，左端由轴肩定位，取，。4）段为法兰盘安装轴段，根据最小轴径要求取，法兰盘左边用轴端挡圈定位，内径为9.6mm，则⑤轴的受力分析和校核同上，篇幅较长，此处不再给出完整过程，经校核驱动齿轮轴强度满足要求，且有较大裕量。3.7.4从动轮轴的设计a.从动轮轴结构图b.从动轮结构图图3-15从动轮轴相关结构图Figure3-15RelevantStructuralDiagramofDrivingWheelShaft此处从动轮轴设计过程不再赘述，（如图3-15-a）轴上一对深沟球轴承型号为6001-LS，内侧轴承通过轴肩、从动轮内部凸台定位，外侧轴承通过从动轮内部凸台定位（如图3-15-b）以及轴端挡圈定位,轴末端车有螺纹，通过螺母旋合压紧挡板的力来防止整个轴的窜动。机器人巡检过程中，从动轮会随着主动轮的前进，带动其内部轴承一起绕着从动轮轴旋转，从而完成整个巡检机器人的前进动作。3.8键连接的选择及校核（SelectionandVerificationofKeyConnections）3.8.1联轴器与转接轴上键的选择与校核（1）选择单圆头普通平键根据轴径,选择。（2）键的强度校核验算其挤压强度，查表得普通平键连接的强度条件为其中键的工作长度则符合强度要求。3.8.2转接轴与小齿轮连接键的选择与校核（1）选择单圆头普通平键根据轴径,选择。（2）键的强度校核键的工作长度则符合强度要求。3.8.3中间轴与大齿轮连接键的选择与校核（1）选择单圆头普通平键根据轴径,选择。（2）键的强度校核键的工作长度则符合强度要求。3.8.4驱动轴与小齿轮连接键的选择与校核（1）选择单圆头普通平键根据轴径,选择。（2）键的强度校核键的工作长度则符合强度要求。3.8.5驱动轴与法兰盘连接键的选择与校核（1）选择单圆头普通平键根据轴径,选择。（2）键的强度校核键的工作长度则符合强度要求。4一维旋转云台机械设计4一维旋转云台机械设计4Mechanicaldesignofone-dimensionalrotatingplatform4.1.摄像机的选择（SelectionofCamera）根据地下综合管廊巡检要求，本文选用DS-27CN3007一体化数字摄像机和FLIRA615红外热像仪搭配使用（封装后质量约为5kg，如图4-1），其中DS-27CN3007一体化数字摄像机视距角为65.1°，FLIRA615红外热像仪（广角型）视距角为80°。在巡检机器人巡检过程中，数字摄像机可以实时监控管廊内部景象，红外热像仪可以测量工程管线的温差以评估管线正常与否，有助于提前发现问题，两种摄像头搭配使用可以有效地防止人员入侵，管线安全问题的发生。图4-1数字摄像机和红外成像仪Figure4-1DigitalCameraandInfraredImager4.2Z轴旋转的受力分析（ForceAnalysisofZ-axisRotation）4.2.1云台的设计参数和技术指标根据设计任务书要求，设计的一维旋转数控云台，采用吊装式，使之实现数控化的具体要求如下：1、Z方向的行程范围。2、Z方向的旋转速度为。3、Z方向速度从静止提高到最大速度的时间为0.2秒。4.2.2绕Z轴（水平）方向的转动受力分析计算负载转矩式中：——云台水平方向的转矩；——云台水平传动的惯性力矩；—