基于多功能物料运输车机器人设计起升机构结构部分设计

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 35 页1 引言对我们全国所有人来说，说到 5月 12号这一天，大家应该都不会忘记，我国遭遇了特大的自然灾害汶川地震，房屋倒塌，许多人流离失所，那场景触目惊心。根据灾难发生的时间，灾难救援可以分为灾前救援、灾时救援与灾后救援三个阶段 l。而灾害事故具有突发性、灾难性、破坏性等特点，因此三个阶段在灾难发生时通常没有明确的界限，但是各个阶段救援工作都面临着两个问题：环境的复杂性和环境的危险性。它的危害严重，以地震后灾区环境为例，地震后存在易二次倒塌建筑物的现场，施救人员无法深入进行侦察或施救，而人们又急于探知灾难现场的内部险情，但又不敢或无法接近或进入灾难现场，而且灾后灾区物资的匮乏是也是其中一个难题，因此物资的及时运输是灾后救援的一大重要工程。1.1 项目的研究意义在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，灾难经常发生。在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间(约 48小时)用于在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。在这种紧急而危险的环境下，多功能物料运输车可以为救援人员提供帮助。因此，将具有自主智能的在危险和复杂的灾难环境下“搜索和营救”(SAR)幸存者，是起重运输机械学中的一个新兴而富有挑战性的领域 l。我国前段时间遇到的灾难汶川地震，不安全因素很多，房屋倒塌严重，还连带着许多小的余震等，灾害事故危害严重，伤害人员多。各类灾害事故存在突发性、灾难性、破坏性等特点。因此，研究废墟搜救新装备是一项紧迫任务。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，只能通过一些特殊设备进入灾区，然后再搜救遇险灾民。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，物料运输机械将被应用到废墟救灾领域。物料运输车利用自身的优点，能迅速找到遇险灾民的位置，降低事故危害性，对提高救灾效率具有重大意义，具体表现为以下几点 19:第一多功能物料运输车具有灵活性好、机动性强的特点，有较好的爬坡和越障能力，能适应现场各种各样的地理环境。比如，蛇形救灾机器人能适应任何的复杂环境，在矿井下能自由运动；本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 35 页第二当多功能物料运输车顺利的越过障碍后，能迅速将物品运放到指定的位置。以便遇险灾民更好的得到救助；第三多功能物料运输车具有为遇险灾民投放小包食品、药物和通讯装置等辅助功能，并合理分配，能有效地减少遇险灾民的伤亡人数；第四可以连续的执行乏味的搜索救援任务，而不会像人一样感到疲倦；第五不怕火、浓烟等危险和有害条件。世界各国都在不断加大物料运输机械的开发投入和研究力度，及时把微电子技术、自动化技术、人工智能技术、计算机技术、机器人技术以及新材料、新工艺等现代高新技术大量运用于物料运输机械的生产、制造等领域，使物料运输机械的技术含量越来越高，在未来发展方向上呈现出许多新的特点。1.2 国外物料运输机械的发展趋势在国外，物料运输机械的发展迅速，技术日益成熟，并进入实用化阶段，日本、美国、英国等已开始装备使用 7。在灾难现场中，物料运输车应能迅速找到幸存者的位置。 起重运输机械作为后勤装备保障的重要组成部分，其信息化程度如何，将直接影响军需物资在起重、运输等环节的保障效能。为此，世界各国都在现有物料运输机械的基础上，及时将全球定位技术、实时跟踪技术、计算机网络等信息技术用于物料运输机械上。例如，在现代物料运输机械上，通过安装车载接收器、数字化定位跟踪仪、自诊断故障检测仪以及遥感器等信息装置，以实现对物料运输机械在日常作业、调度和管理上的实时、实地的动态控制 11。另外，为了在恶劣的灾区无法到达的地区救援时，欧美等发达国家开始在一些物料运输机械上加装自动探测器和一些智能型处理设备，并将红外技术、遥感技术、机器人技术、雷达技术进行综合集成，使物料运输机械在进行救援作业时一方面具有一定的自动判断、侦察和识别能力；另一方面还能自动生成作业方案和自动修改作业参数，所有作业程序都是自动完成的。例如，美、英等国相继开发和研制出的智能型物料运输机械，一旦在物料运输作业过程中遇到危险物、爆炸物时，则会通过无线电控制技术，指令机器人对物料运输机械进行各类作业。这些对灾后救援工作找到幸存者非常有利。1.3 未来物料运输机械的发展趋势灾害事故的突发性、骤然性、不确定性等因素增多，这些都对物料运输机械的性能提出了更高的要求，尤其是速度性能已成为当今世界各国普遍追寻的目标。目本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 35 页前，无论是桥、门式起重机，还是轮式物料运输机械，如各种军用搬运机械、装载机或挖掘机，在追求作业稳定性能的同时，也更关注起重、运输作业的速度性能。例如军用装载机和挖掘机，其机动速度由原来不足 45 kmh，现已普遍提高到 60 kmh70 kmh，有的甚至更高。如澳大利亚产的 ADI型多功能起重车，最高时速可达 100 kmh；长距离行驶速度平均在 80km/h。这种高速化的设备，一方面能够满足部队快速编队行进的需要，另一方面还能满足在现代战争中大量军需物资补给、消耗的需要 12。除了这些，物料运输车还应具备多功能化，例如，由澳大利亚研制生产的 ADI型多功能起重车，除了装有前置装货机和助耕机外，还可选装夯土机、大地螺丝钻、岩石破碎机、绞盘以及雪犁等工作装置，以完成各种军事野外工程和后勤保障任务。美国山猫公司生产的多功能物料搬运车，除了能够在仓库、码头、岸滩等不同场地作业外，还能通过更换属具的方式，实现起重、运输、堆码垛、装卸载以及高空作业等多种功能。再如，由法国曼尼妥公司为北约部队设计生产的多功能悬臂式维修起重机，既能在军港码头进行高、低空维修作业，也能在机动港和岸滩展开作业。另外，统一起重运输机械底盘，做到一种底盘多种车型则是多功能化的另一种发展模式。如美军的装甲型起重运输机械，大多采用主战坦克的底盘；车身则采用抗打击能力极强的防护材料，以实现起重运输机械在各种复杂战场环境下的保障能力和战场的生存能力。这些朝着多功能化方向发展的军用起重运输机械，其作业适应能力和范围都将得到大幅度的提高 18。1.4 设计产品的目的我们都知道灾后道路毁坏，普通车辆难以进行正常运输，空投物资虽然能够及时准确的进行物资补给，但是代价高昂。因此能不能有这样一种运输车？它既能在崎岖的地形上正常运行，越过重重障碍物，而且又能方便快捷的将物资运送到需要的地区，以解燃眉之急。因此本文设计了一款多功能物料运输车，多功能物料运输车的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，它们不但能够帮助工作人员执行救援工作，而且能够代替工作人员执行搜救任务，在灾难救援中起着重要的作用，其中我们设计的这款多功能物料运输车是根据目前市场上的履带式起重机进行改进的，我们都知道起重机是能在一定的范围内垂直提升和水平搬运重物的多动作起重机械，又称为吊车，我们都知道吊车主要用是来吊运成件物品的，在配备适当吊具后也可吊运散状物料和液态物料，因此我们设计的这款多功能物料运输本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 35 页车将不仅仅在救灾上起到很大的作用 15，或许将来可以替代起重机进行作业，因此结合以上所述，我们知道该产品在灾害时非常实用，面对受灾人员，竭力救援，而且该产品容易推广使用，具有很好的市场前景！而我在本次设计中主要负责的就是多功能物料运输车的起升机构部分，往下会加以具体说明。2 总体方案设计2.1 模型实物图分析多功能物料运输车的功能结构，根据它的工作原理，来设计它的结构。利用慧鱼模型组合包来组建多功能物料运输车的模型，如下图 1 所示就是慧鱼模型组建的多功能物料运输车的模型。图 1 多功能物料运输车模型2.2 多功能物料运输车救援工作的优点我们的多功能物料运输车救援工作中所具有的优势：(1)具有灵活性好、机动性强的特点，有较好的爬坡和越障能力，能适应现场各种各样的地理环境；(2)能迅速将物品运放到指定的位置；(3)具有投放食品、药物等功能，并合理分配；(4)可以连续执行乏味的搜索救援任务, 而不会像人一样感到疲倦；(5)不怕火、浓烟等危险和有害条件 6。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 35 页2.3 多功能物料运输车的功能与实用性能指标2.3.1 功能分析目前我们现实生活中的履带式起重机只能进行挖土、夯土打桩等多种作业。但因行走速度缓慢，功能单一等特点都被局限了。它的转移工地需要其他车辆协助。我们设计的多功能运输车采用了特殊设计，首先它利用履带式结构作为车子前进的主导力，通过电机的驱动使履带稳定运行前进，履带式运动系统在碎石堆上可以快速前进, 遇到小的坡度和凹凸地时也可以轻松翻越, 在遇到不能通过的障碍时还可以在很狭小的范围内完成转弯等动作。运输车采用这种运动形式。与其他运动形式相比, 履带式运动系统具有较快的速度和较大的转距，它的技术比较成熟。我们的储运结构则设计巧妙，底板利用蜗杆铰链机构合理结合在一起，它就是利用蜗杆传动实现底板的伸出缩进，储运门则是通过铰链机构平面与底板栓连在一起，实现底板伸出门开，底板缩回门关上。就不需要用到救援人员亲自去开门卸货，安全又方便。说到起落架机构也很巧妙，同样采用涡杆传动，同样的一个结构实现了不同的作用，靠电机的驱动使螺杆来回移动带动了轮子的收起和放下，让它在工作的时候撑在高的地方抬起前车身，利于越障，而在不工作的时候就自动收起。车顶的起重机结构则用处不小，它利用涡轮杆的啮合传动来控制吊钩的吊速，它主要考虑的是结构紧凑及运行平稳在它正上方装有 2只照明灯以便工作环境的需要，使之更符合救援的需要。这个起吊机构属于起重机械的一种，属于循环、间歇运动式的性质。它的一个工作循环包括取物装置从取物地把物品提起，然后水平移动到指定地点降下物品，接着进行反向运动，使取物装置返回原位，以便进行下一次循环。2.3.2 实用性能指标我们的多功能救援车实用性还是很高的。该机构基本实现越障功能，在救援地方的环境比我们想象的要复杂，底座的履带能够越过 30mm以下垂直障碍（形状不规则的石头） ；因助力机构的关系，能够越过高于 30mm50mm 的障碍；系统估计越障时间需 10秒左右，运输机构额定承载 1500g的重量；起重机构额定承吊 1500g的重物。样机的整体三维效果图如图 2 所示。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 35 页图 2 样机的整体三维效果图2.4 底盘运动机构的设计底盘的主要功能为支撑、固定和连接其它四个功能装置，是多功能物料运与输车的移动及支撑部分，在底部采用两个红色 9V 大功率驱动电机通过小齿轮与大齿轮之间的啮合来实现左右链带的传动。采用履带式的机构设计是为了更好的满足在震后灾区复杂的路面，因为它的履带表面接触面积大，自然受到的压强就会减小。用轮子就容易沉受不住压力，导致爆胎。而大电机可以实现有级调速，通过调节电机的快慢来实现转弯，底盘采用钢轴能很好的支撑起整个车身，这样转弯的时候强度就有足够的保障，不会出现驱动轴产生疲劳强度出现轴弯曲的现象。其底座效果图如图 3 所示：图 3 三维底盘效果图本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 35 页2.5 动力机构的设计动力结构采用自带蓄电池和减速箱的驱动电机，驱动电机图如图 4所示，其主要参数为下表 1所示：表 1 驱动电机的主要参数型号 齿轮轴 圆轴主要参数 60YR06GV22 60YR06DV22输出功率 KW 1.5电压 V 直流 9V电流 A 0.11、0.1额定转速 r/min 600、750起动转矩 mN19、20额定转矩 25、20运行电容 0.7 F/50V图 4 驱动电机图底部的动力机构采用 9V红色交流电机，它的结构小巧，动力强劲满足了我们带有运输救灾物资的动力，装在底座下面结构紧凑，匀称满足了动力的要求.2.6 传动机构设计多功能物料运输车的传动机构有多处，链传动是主要的动力执行机构，它是一种挠性机构，由链条和链轮（大齿轮和小齿轮）组成通过链轮轮齿与链条链节的啮合来传递运动和动力，它与摩擦型的带传动相比，链传动无弹性滑动和整体打滑现象，它能保持准确的平均传动比，传动效率高，而且它的制造与安装精度要求较低，成本也低，其主要特点低速重载，适应恶劣环境满足了我们的救灾需求。该传动机本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 35 页构主要将动力传给多功能物料运输车的执行机构，由履带围绕在多个齿轮轴上组成履带轮，采样履带传动机构可以实现越障，爬坡的功能，采用履带行走，就像给多功能物料运输车铺了一道无限延长的轨道一样，使它能够平稳、迅速、安全地通过各种复杂路况。由于接地面积大，所以增大了多功能物料运输车在松软、泥泞路面上的通过能力，增大接触面积，降低了下陷量。由于履带板上有花纹并能安装履刺，所以在雨、雪、冰或上坡等路面上能牢牢地抓住地面，不会滑转。除了底盘上的履带传动机构，还有是起吊装置处的蜗轮蜗杆传动机构是利用蜗轮蜗杆传动带动转盘使起重机吊钩实行 360 度的转动，以达到搬运货物的效果 13。具体如图 5 所示：图 5 履带传动机构图2.7 蜗轮蜗杆传动机构我们的起重机旋转机构采用了蜗轮蜗杆来实现转动工作。这种传递方式在我们的现实生活中使用是十分广泛。它的传动是通过两轴间的传递运动和动力的一种结构，两轴线之间的角度一般为 90度，蜗杆在每旋转一周，蜗轮只转过一个齿距，就是说它有很大的传动比，同时蜗轮蜗杆在啮合时冲击载荷小，传动平稳，噪声小，符合钢丝绳慢慢滑动。这些优点满足了我们带有一定高度的起重机的安全工作 3。2.7.1 蜗轮蜗杆传动机构的种类根据蜗杆形状的不同，蜗杆传动可以分为圆柱蜗杆传动，环面蜗杆传动和锥蜗杆传动等。我们在这里采用的是圆柱蜗杆传动，而圆柱蜗杆传动又包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动两类 10。2.7.2 蜗轮蜗杆传动机构的区别圆弧圆柱蜗杆传动和普通圆柱蜗杆传动相似，只是齿廓形状有所区别。圆弧圆柱蜗杆的螺旋面是用刃边为凸圆弧形的刀具切制的，而蜗轮是用范程法制制造的。在中间平面上，蜗杆的轮廓为凹弧形，而与之相配合的轮廓为凸弧形。所以，圆弧本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 35 页圆柱蜗杆传动时一种凹弧齿廓相啮合的传动，也是一种线接触的啮合传动。其主要特点为：效率高，一般可达 90%以上；承载能力高，一般可较普通圆柱蜗杆传动高出50%150%；体积小，质量小；结构紧凑。这种传动已广泛用到冶金、矿山、化工、建筑、起重等机械设备的减速机构中 10。2.7.3 采用圆弧圆柱蜗杆传动的优点圆弧圆柱蜗杆传动和其他蜗杆传动一样，可以实现交错轴之间的传动，蜗杆能安装在蜗轮的上、下方或侧面。它的主要特点有：(1)传动比范围大，可实现 1:100的大传动比传动；(2)蜗杆与蜗轮的齿廓呈凸凹啮合，接触线与相对滑动速度方向间的夹角大，有利于润滑 10%20%；(3)当蜗杆主动时，啮合效率可达 95%以上，比普通圆柱蜗杆传动的啮合效率提高 10%20%；(4)传动的中心距难以调整，对中心距误差的敏感性较强。在这我们选择圆弧圆柱蜗杆传动，而且圆弧圆柱蜗杆传动是一种新型的蜗杆传动。实践证明，这种蜗杆传动比普通圆柱蜗杆传动的承载能力大，传动效率高，使用寿命长，因此圆弧圆柱蜗杆传动有逐渐代替普通圆柱蜗杆传动的趋势 10。2.8 多功能物料运输车执行机构的设计多功能物料运输车执行机构由越障机构、运输机构、起重机构、助力传动机构和运输传送机构五大