2017毕业论文-履带式多功能移动工作台设计.doc

I 摘要摘要 本文结合当前机器人技术的发展，设计了这种能搭载有多种特殊装置的履 带式多功能移动工作台。可搭载侦察、探测、机械臂和轻武器等子系统，用来 执行部分消防、防暴、侦察、探测、灭火等危险作业。 本论文主要设计履带式多功能移动机器人的移动平台。通过各类型装置的 分析，确定工作台机构的结构模型，并对其进行机械结构设计。论文以各种不 同形式的移动机器人为例综述了国内外移动机器人的研究和发展现状，阐述了 研究移动机器人的意义和目的。针对地盘箱体、传动机构、支架、履带、轮系 进行了优化设计。 关键词：履带 机器人 平台 II Abstract In this paper,the development of the current robot technology is designed to carry such a variety of special track-type multi-functional mobile devices table. Can be equipped with surveillance, detection, robotic arm and light weapons, and other subsystems, toperform part of the fire, riot, reconnaissance, detection, fire fighting and other dangerous operations. Track this paper multi-function mobile robot designed for mobile platforms. Through analysis of various types of devices to determine the table structure model of organization, and its mechanical design. Papers in various forms of mobile robot mobile robot as an example at home and abroad reviewed the research and development status, the study describes the meaning and purpose of mobile robot. Box for the site, transmission, frame, track, gear optimized design. Keywords: track;robot;platform III 目目 录录 摘要 I ABSTRACTII 第 1 章 绪论1 1.1 引言1 1.2 研究意义和目的1 1.3 国内外发展现状2 1.4 课题背景来源6 1.5 论文组织结构和主要解决问题6 第 2 章 移动工作台总体设计7 2.1 平台的移动方式选择7 2.2 驱动系统选择9 2.3 底盘选择10 2.4 传动机构选择11 2.5 小结11 第 3 章 移动平台机械设计12 3.1 地盘箱体设计12 3.2 支架设计13 3.3 履带选择及优化13 3.4 轮系设计14 3.4.1 主动轮设计14 3.4.2 从动轮设计15 3.5 小结16 第 4 章 总结17 参考文献18 致谢19 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 引言引言 机器人是现代科学技术发展的必然产物，因为人们总是设法让机器人来代 替人的繁重工作从而发明了各种各样的机器，而机器发展的最高形式必然是机 器人。而具有智能特性的自主式移动机器人以其在工业、农业、国防、医疗、 服务等行业中的广泛应用，成为了当前机器人研究领域的热点。 移动机器人的研究涉及很多方面。首先，要考虑机器人的移动方式，可以 是轮式、履带式、腿式、爬行式，对于水下作业的机器人则指的是推进器需要 根据机器人要实现的不同功用和所处的各种环境选择合适的移动方式。其次， 必须考虑机器人驱动器的控制，以使机器人实现行进、转向、爬坡、越障等预 期功能。第三，必须考虑机器人的导航或路径规划，对于后者还要考虑传感融 合、特征提取、避障及环境映射等。因此，移动机器人是一个集环境感知、动 态决策与规划、行为控制与执行等多功能与一体的综合系统。 随着智能移动机器人的应用领域不断扩大，机器人要完成的任务也越来越 复杂。尽管对智能移动机器人的研究已经取得令人鼓舞的可喜成果，但随着机 器人研究的不断深入，智能移动机器人研究领域还存在许多的挑战性课题有待 我们解决。 1.2 研究意义和目的研究意义和目的 移动机器人技术的研究属于多学科相互交叉，相互渗透的前沿课题，对它 的研究具有很大的理论价值和广阔的应用前景。在工业机器人问世 40 多年后的 今天，机器人己被人们看作为一种生产工具，同时随着科学技术的迅速发展和 人们生活水平的提高，机器人的功能己不再是只能从事某项简单的操作，而是 可以承担多种任务;机器人的工作环境也不再是固定在工厂和车间现场，而是开 始走向海洋、太空和户外，有些甚至已经进入医院、家庭和娱乐场所。具有智 能特性的自主式移动机器人正在向非制造业方向扩展，这些非制造业包括航天、 海洋、军事、建筑、医疗护理、服务、农林、办公自动化和灾害救护等，如飞 行机器人、海难救援机器人、化肥和农药喷撒空中机器人、护理机器人等。 智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器人，是机构学、自动控制、 计算机、人工智能、光电技术、传感技术、通讯技术、仿真技术等多种学科和 技术的综合成果。智能机器人作为新一代生产和服务工具，在制造领域和非制 造领域占有广泛、重要的位置，对人类开辟新的产业，提高生产与生活水平具 有十分现实的意义。 移动机器人是智能机器人中智能最高的机器人，它可以在动态坏境中无须 人工干预便自主完成从起点到终点的行驶任务。近十年来，移动机器人的研究 2 十分活跃，其得到快速开发的原因主要有两个方面：其一，移动机器人有广泛 的应用范围，包括制造系统、服务行业、国防、航天及其它社会应用方面。其 最成功的应用是作为自动化生产系统中的物料搬运装置，用以完成机床之间、 机床与自动仓库之间的工件传送，以及机床与工具库间的工具传送。由于移动 机器人运动灵活，因而大大增加了生产系统的柔性和自动化程度。星际探索和 海洋开发也是促使移动机器人发展的重要因素。早在六十年代，美国 MIT 就开 始研究火星探索用移动机器人，以便在火星上软着陆后进行移动收集数据。海 洋开发方面，移动机器人的作用是资源调查、石油矿藏开采、沉船打捞等。现 在，移动机器人的研究开发除上述应用外，还涉及许多其它应用领域。如在采 矿业中进行隧道的掘进和矿藏的开采，在医疗中对病人进行护理，在农业中实 施化肥和农药的喷洒，在军事上用于探测侦察、爆炸物处理，特别是在一些具 有危险性的操作中，例如，核电厂的废料搬运、有毒的化工场地作业。最近几 年，移动机器人技术也应用到了智能交通系统中。其二，与任何一门现代技术 分支一样，移动机器人研究的兴起一方面是社会生产发展的需要，另一方面也 是相关技术领域交叉发展的结果。其中一个最直接的因素是计算机技术的发展。 计算机信息处理、存储能力的大幅提高，为移动机器人运行更复杂的实时控制 算法创造了条件。另外计算机科学出现了一系列诸如人工智能、专家系统等新 兴技术分支学科，这些学科为移动机器人未知或动态环境的实时导航开辟了道 路。移动机器人技术已成为众多高新技术的产物，同时也为其它技术的发展提 供了丰富的研究素材和应用场所。 从阿波罗登月计划中的月球车到美国 NASA 行星漫游计划中的六轮采样车， 从西方各国正在加紧研制的战场巡逻机器人、侦察车到新近研制的管道清洗检 测机器人和智能服务机器人，都有力地显示出移动机器人正在成为智能机器人 发展的方向。不同于传统的机器人手臂，移动机器人具有其特殊的机构模型和 应用性，是一个集多种功能于一体的综合系统。移动机器人的研究提出了许多 新颖的、挑战性的理论与工程技术课题，引起了越来越多的专家学者和工程技 术人员的兴趣。智能移动机器人的发展极大的扩展了人类对周围环境空间的认 识范围，也为机器人技术与人工智能的发展提供了一个极好的研究平台。智能 移动机器人正在走进我们的日常工作和生活。 1.3 国内外发展现状国内外发展现状 国外在移动机器人方面的研究起步较早，初期的研究主要从学术角度研究 室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。虽然由于 80 年 代对机器人的智能行为期望过高而导致室外移动机器人的研究未达到预期的效 果，但却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经 验，同时也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发。 3 图 1-1 金字塔漫游者 图 1-2 火星探测漫游者“勇气号” 进入 90 年代，随着技术的进步，移动机器人开始在更现实的基础上开拓各 个应用领域，向实用化进军。例如 2002 年 IRobot 研制的金字塔探测机器人 “金字塔漫游者” ，身长 30 厘米，宽 12 厘米，高度可在 9 至 28 厘米之间调节。 机器人身带 5 件法宝:超声波传感器、地面探测雷达系统、力度测量仪、高分辨 率光纤镜头和导电传感器，具备世界上最小的地面探测雷达系统，可以穿透厚 超过 90 厘米的混凝土。美国在 2003 年发射的两辆火星探测车“勇气”号和 “机遇”号分别于 2004 年 l 月 3 号和 24 号在火星的不同区域安全着陆，并完 成了 90 个火星日的科研工作。拿“勇气”号探测车来说，就是一个具有手臂的 移动机器人。他的大脑是一台高速计算机，车体靠自身具有的六个轮了在火星 地面运动，视觉系统采用一对全景照相机来拍摄火星表面和天空的全景试图， 4 也用于形成着陆点附近的地形图、搜索感兴趣的岩石和土壤，来完成寻找火星 远古时期存在液态水的证据的工作;另外分别于车体前端和后端安装了两组相同 的避危摄像机，由一组立体影像的黑白摄影机所构成的，所拍摄的影像除了用 于障碍物侦测之外还用于探测车的路径规划上。最先进的要数探测车上的机械 手臂，手臂末端装备了各种工具，有显微镜成像仪、三种质谱仪和两种分光计， 一套岩石研磨和样本采集土具以及三个磁铁阵列，所有设备主要是用来寻找火 星上是否曾经有液态水的证据。 西班牙罗斯罗卡公司研制的“罗德”轮式机器人。该机器人可用于清理 雷场和处理炸药等危险物品。如图 1.3 所示，该车长 1.4m、宽 0.67m、高 0.8m、重 350kg、(6X6)驱动、动力装置为 1 台电动机，车上供电蓄电池可使用 2h，车速（前进或后退)可在 0-6.5km/h 之间连续变化。车上装有活动操作臂， 有 6 个自由度，固定在机器人车的旋转塔上。操作臂不伸长时可吊重 80kg，伸 直时最长为 1.5m，此时可吊重 16kg。操作臂顶端装有夹爪，夹紧力可达 30kg，能把物体提升至 2.75m 高。该车采用 100m(或 250m)长的电缆或无线电 装置进行遥控。操作手完成整个操作过程必须借助 1 台黑白或彩色电视显示器， 显示车上 3 个摄像机获得的监视驾驶、操作臂控制和夹爪操作的图像。车上装 有两个卤气探照灯，可在夜间或能见度很低的地区使用。 图 1-3“罗德”轮式机器人 除室外移动机器人外，世界各国在遥控移动机器人、高完整性机器人、生 态机器人学(生物机器人学)、多机器人系统、环境与移动机器人系统的集成等 方面都作了大量的研究。 国内对移动机器人的研究起步虽然较晚，但经过近几十年的发展也取得了 很大进步，但大多数研究尚处于某个单项研究阶段。国内的移动机器人研究主 要经历了算法的研究和仿真、国外机器人平台的引进和自主开发三个阶段。下 面是国内的主要研究成果。 “九五”期间由浙江大学、南京理工大学、国防科大、 5 清华大学、北京理工大学联合研制了 ALVLABH 型陆地移动机器人，并成功完 成了全部实验测试，正常行驶速度为 30.6km/h，同时支持临场感遥控驾驶及战 场侦察等功能。清华 V 型智能车 THMR 一 V 是清华大学智能技术与系统国家 重点实验室在中科院院士张钱教授主持下研制的新一代智能移动机器人，兼有 面向高速公路和一般道路的功能，于 1994 年通过鉴定。车体采用道奇 7 座厢式 车改装，装备有彩色摄像机和激光测距仪组成的道路与障碍物检测系统；由差 分 GPS、磁罗盘和光电码盘组成的组合定位导航系统等。两套计算机系统分别 进行视觉处理，完成信息、融合、路径规划、行为与决策控制等功能。4 台 IPC 工控机分别完成激光测距信息、处理、定位信息处理、通讯管理、驾驶控制等 功能。设计行驶于高速公路车速为 80km/h，一般道路为 20km/h。目前已能够 在校园的非结构化环境下，进行道路跟踪和避障碍自主行驶。清华大学智能车 涉及到五个方面的关键技术:基于地图的全局路径规划技术，基于传感器信息、 的局部路径规划技术，路径规划的仿真技术，传感技术、信息融合技术和智能 移动机器人的设计和实现。DY 一 I 型导游服务机器人是海尔一哈尔滨工业大学 机器人技术公司推出的新一代智能导游机器人，该机器人由伺服驱动系统、多 传感器信息、避障及路径规划系统、语言识别及语言合成系统组成。导游机器 人由蓄电池供电，可连续运行 4h，在一定环境下可自主行走，并可进行避障， 并通过语启系统可以进行人机交互。此外还有香港城市大学智能设计自动化 及制造研究中心的自动导航车和服务机器人、中科院沈阳自动化所研发了具有 自主产权的激光导引 AGV 和用于公安防暴的“灵晰一 B”型移动机器人、中国 科学院自动化所自行设计制造的全方位移动机器人导航系统等。 图 1-4 中国“灵晰B”型排爆机器人 6 1.4 课题背景来源课题背景来源 本课题源于实际工程项目“多功能移动机器人” ，结合当前机器人技术的发 展，设计出一种能搭载有多种特殊装置的移动机器人平台。可搭载侦察、探测、 机械臂和轻武器等子系统，用来执行部分消防、防暴、侦察、探测、灭火等危 险作业，并争取通过几个阶段的设计与试制掌握地面移动平台的机械设计、控 制系统、软件等全方面的技术。本课题正是在此背景下设计了履带式多功能移 动工作台。 1.5 论文组织结构和主要解决问题论文组织结构和主要解决问题 论文以实际工程为背景，结合多功能移动工作台的研究设计过程中的实际 问题，进行分析。 第一章 介绍了课题的研究意义和目的，并简述了国内外移动机器人的发展 现状。 第二章 对多功能移动工作台进行研究，并在对各种类型装置研究的基础上， 确定多功能移动工作台机构的结构原理模型。 第三章 对多功能移动工作台进行机械结构设计。 第四章 总结 7 第第 2 章章 移动工作台总体设计移动工作台总体设计 2.1 平台的移动方式选择平台的移动方式选择 移动平台是移动机器人的基础，机器人的各种传感器、控制器、驱动器以 及搭载平台都需要以移动平台为载体。作为载体，多功能移动机器人首要功能 便是移动，因此确定其行走机构很重要。 机器人的移动方式多种多样，主要的移动机构有：轮式、履带式、腿式以 及各种复合式结构。 轮式移动机器人具有结构简单、控制方便、速度快、运动灵活和能耗低等 优点。美国的“阿波罗”15、16、17 号和前苏联的“月球”17、21 号探测器探 月过程中所使用的月球探测车均是轮式移动机构。但是，轮式移动机构只适用 于相对平坦的地形，对于跨越像沟壑、台阶、楼梯等障碍则不够灵活，越障能 力差。 腿式移动机器人在其机动性和能效方面都优于轮式移动机器人，因腿式移 动机构的落足点是几个离散的位置点，所以它可以跨过较大的障碍，还可以通 过软松地面。另外，腿式移动机构可以自主隔振，可以保证传感器和科学设备 沿平滑预定的轨迹运动。但是，腿式移动机器人通常具有复杂的机械结构并且 控制复杂，要想实现稳定高速的行走，还有诸多难题需要解决。 履带式移动机器人适合在未加工的天然路面上行走，履带本身起着给车轮 连续铺路的作用。履带式移动机构和轮式、腿式移动机构相比，具有如下特点: 1)支撑面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动 阻力小，通过性能较好； 2)越野机动性好，爬坡、越沟等性能均优于轮式移动机构； 3)履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引 力； 4)结构复杂，重量大，运动惯性大，减震性能差，零件易损坏。 目前，还出现一些复合式结构的移动机器人，如轮履复合式、轮履腿复合 式、 腿轮复合式等，这些结构结合了各种移动方式的优点，能够满足机器人的不同 需求。 8 图 2.1 履带式移动平台机构图 将履带式结构应用于小型地面移动机器人这一领域，是目前移动机器人， 尤其是武装、排爆、特殊地形使用的移动机器人发展的主流方向之一。履带式 移动平台的驱动轮分布主要有后轮驱动和前轮驱动两种。履带两端的导向轮哪 一个用来驱动更为合适与履带机构的形状有关。 图 2.2 常见履带形状 对于图 2-2（b）中的履带机构，前轮或后轮驱动均可。如图 2-2（a）的履 带机构，以驱动在后方比较有利，这时履带上的分支受力较小，导向轮受力也 较小，履带承载分支处于微张紧状态，运行阻力较小，如图 2-3（b） 。反之前轮 驱动时，履带上分支及导向轮承载最大载荷，履带承载分支部分长度处于压缩 弯折状态，运行阻力较大，如图 2-3（a） 。 图 2-3 前后轮驱动比较 多功能特殊移动机器人将后轮作为驱动轮，前轮作为导向轮。这样机器人 9 一前导轮受力较小，底部的履带处于微张状态，运行的阻力较小，此外在遇到 障碍物时，此设计更有利于机器人爬越障碍物。移动机器人使用两台电机分别 对两个后轮进行驱动，通过控制电机的转速实现移动机器人的差速转向。这样 可以实现机器人的快速转向和原地零半径回转。 图 2-4 移动平台总体布局简图 综上所述，多功能特殊移动机器人采用履带式移动机构，便于在野外非结 构化环境中作业，差动式的转向机制使得机器人转向灵活、快速。整体结构设 计赋有创新思想，车体前进与后退运动方式一样，这样使得控制一致、方便， 适应能力增强，机动转弯能力强。 2.2 驱动系统选择驱动系统选择 驱动系统是整个工作台的动力来源，选择最佳的驱动系统是设计工作台的 关键。现今的驱动方式主要有气动驱动、液压驱动和电动驱动三种。 气动驱动系统以压缩空气为动力源，具有起源方便，系统结构简单，运动 快速灵活，不污染环境，以及维修方便、价格便宜，适合在恶劣环境下工作的 特点。但是由于气体具有可压缩性，气动驱动系统的平稳性差，高速是要设缓 冲或制动装置，低速时不易控制，速度、位置控制难以达到精确值，一般不能 用于伺服系统。 液压驱动系统是较早被采用的驱动方式，它具有重量轻、惯量小、传动平 10 稳、控制环节简单等特点。但是液压驱动系统的液压油容易泄漏，影响工作性 能和污染环境，它需要单独的油源，所占空间较大，主要适用于中大型机械。 电动驱动系统具有传动平稳、灵活、速度快、控制简单精确、无污染、效 率高、结构简单、无管路系统、维护方便等特点。 采用电机驱动是现代机器的技术发展趋势之一，负荷 1000N 以内的中小型 机器，现以绝大部分采用了电动驱动系统。在参考了国内外大量移动工作台实 例后，多功能移动平台采用电动驱动方式进行驱动，并将蓄电池作为电动机的 动力源。 在确定了驱动方式后，需要选择合适的电动机。电动机的性能直接决定着 驱动系统的性能，它的选择成为设计多功能特殊移动机器人驱动系统的基础。 电动机按照工作电源分类可分为交流电机(AC)和直流电机(DC)两种。 交流电机(AC)具有结构简单、造价便宜、维护方便等优点，一些工业机器 人就使用交流供电，但是交流电机控制特性较差，要实现无级调速必须做到频 率无级调节，虽然在现代控制理论发展到今天和产生了矢量控制技术以及脉宽 调(PWM)技术的条件下交流电机变频调速己成为现实，但是交流电机的调速系 统还是比较复杂。 直流电机(Dc)的激励电流和电枢电流二者的大小及方向可以独立地分别控 制，从而使转速在很宽的范围内可以得到精确的调节，具有良好的控制性能和 调速性能。但是传统的有刷直流电机体积较大，结构复杂、散热性能差，它必 须有炭刷和换向器，炭刷易产生电火花会引起电磁干扰，它和换向器易损坏， 降低了电机的稳定性和寿命。无刷直流电机由电子换向器取代了普通有刷直流 电机炭刷和换向器的机械换向，消除了机械换向带来的诸多限制，它既保持着 有刷直流电机的优秀控制性和调速性，又具有可靠性高、结构简单、寿命长、 体积小、噪声低、损耗低、无干扰性、过载能力大等优点，是交流电机与直流 电机优点的结合，广泛用于机械、交通运输等领域。 综上所述，多功能特殊移动机器人移动平台选用无刷直流电机进行驱动， 具体由电动机、减速箱、数字伺服驱动器和光电编码器组成。两台电动机分别 驱动两个驱动轮为机器人运行提供动力，数字伺服驱动器对电动机的转速和转 向进行控制，并通过光电编码器对电机转速和位置的反馈进行不断调整，它们 共同组成一个闭环系统，控制机器人完成前进、后退和转向等动作。 11 图 2-5 驱动闭环系统 2.3 底盘选择底盘选择 多功能移动平台的的底盘是各种机械结构的载体，它承载着其它机械结构 和搭载元件的部分重量，同时也是其它元件的定位基准。这就要求平台的底盘 有一定的强度、刚度和较高的可靠性。因此，底盘各轴孔、定位面应该具有较 高的精度，以保证其它元件的准确定位。由于，移动平台用于户外作业，它应 该还具备防尘功能，所以还要充分考虑底盘的密封性。 本设计采用箱体式结构，箱体式底盘的结构强度和刚度较高，降低了底盘 在压力下变形的可能性；它的装配面是一次成型，提高了轮系的定位精度，易 于保证每侧履带轮安装在同一平面内，最大限度的提高了履带的传动效率；同 时，箱体式结构的密封性较强，具有较好的防尘防雨功能。 2.4 传动机构选择传动机构选择 当电动机的性能完全适合工作机的工况要求时，可以进行直接连接。当电 动机的转矩、转速、运动形式和输出轴的几何位置不适合工作机的需要时，则 必须采用工作装置。 常见的定传动比传动机构有：齿轮传动、带传动、链传动、蜗杆传动等。 当主、从动轴平行时，可选用带、链或圆柱齿轮传动。主、从动轴间距很 大，或主动轴需同时驱动多根距离较大的平行轴时，则可选用带或链传动；同 时要求同步时，则可选用链或同步齿轮带传动。要求两轴在同一轴线上，可采 用二级、多级齿轮传动或行星齿轮传动。两轴相交时可采用圆锥或圆锥摩擦轮 传动。两轴交错时，可采用蜗杆传动或螺旋齿轮传动。在后两种情况，也可采 用平行带传动。 本次设计中，在主动轮的传动中应用齿轮传动，在支架的控制中应用了带 传动。 2.5 小结小结 综上所述，履带式多功能移动工作台是一个包括驱动系统、移动系统、传 动机构、底盘的综合系统，每个系统之间既相互联系又相互制约。总体设计的 目的就是为了使各个子系统合理布局，使整台机器人尽量紧凑可靠、操作简单、 12 运动灵活。 13 第第 3 章章 移动平台机械设计移动平台机械设计 3.1 地盘箱体设计地盘箱体设计 在设计过程种，应该根据机器人底盘的功能要求确定其结构、尺寸、材料、 加工方式等。第二章中已经选择了履带式多功能移动工作台选用箱体式的底盘 结构。 图 3-2 履带式多功能移动工作台底盘箱体模型 底盘采用铸造成型，避免了过去使用若干铸件、锻件、机加件、钣金件等 通过焊接、铆接、螺纹连接等组合而成的形式。这样既这样既提高了箱体的底 盘的可靠性和整体性能，又降低了制造成本，提高了整体密闭性。 ZL101A 合金由于其良好的铸造性能、较高的致密性而成为制造整体、薄 壁、复杂铸件比较理想的铸造铝合金，在国内外有广泛的应用49。机器人箱 体采用 zLI0IA 铝合金材料，在保证了箱体强度的同时，又降低了箱体的质量。 移动工作台箱体尺寸的确定受到很多方面因素的制约。根据工作台转向动 力学分析，转向的难易程度与工作台宽度 B 和长度 L 之比有关，工作台宽度 B 越大，转向就越容易;相反，工作台长度 L 越长，转向则越困难。在箱体的设计 中，通常可以依靠减小 L、增大 B 来提高工作台的转向灵活性。事实上，L 不 14 能太小，它受到走行轮半径的限制，即 L)ZR，否则走行轮将无法安装;B 也不 能太大，如果 B 太大，对于一些狭窄的通道，移动工作台将无法通过，而且还 增大了工作台的体积。在综合考虑了工作台内部空间需求和工作台转向性能指 标要求后，履带式多功能移动工作台的箱体尺寸确定为 500mm *400mm*120mm。 在细节设计方面，箱体的侧面为轮系的装配面，精度应该适度提高。为避 免精加工整个平面，增加制造成本，在轴孔周围设计了凸台结构，这样只需加 工凸台平面就可满足装配精度要求。为了便于加工，将三个凸台设计为同一高 度，这样只需通过一次装夹，就能够完成三个凸台面的加工，避免了因多次装 夹造成的误差，最大程度满足了尺寸链要求，同时这样的设计简化了轮系尺寸 链的计算，只需将所有轮子设计为相同宽度，即可满足履带装配要求，方便了 轮系和履带的装配，并简化了加工步骤。 由于履带式多功能移动工作台上部要增设搭载平台，主要搭载一些发射性 装置，为了避免发射装置尾部喷射物对履带造成影响，工作台箱体上增设了保 护履带的挡板装置。 3.2 支架设计支架设计 由于支架是调节机器人上坡、爬楼梯等操作的重要导航工具。其结构和精 度相对要求较高。 图 3-1 直接三维设计 同样，支架也采用铸件，由于其中套筒的表面要绕箱体旋转，因此，表面 精度要求较高，需进行精加工。保证其有较高的同轴度。套筒上面有安装齿轮， 这里设计了一个键槽和一个阶梯轴形式。 3.3 履带选择及优化履带选择及优化 首先考虑使用坦克式金属材料履带，金属材料履带的耐磨性较好，强度较 15 大，可以很好的适应野外环境作业。但是坦克式履带结构比较复杂，质量较大， 价格也比较昂贵，考虑到移动机器人的成本、质量等问题，舍弃了这种设计。 在参考了其它小型地面移动机器人履带设计实例后，选择采用了同步齿形带作 为多功能特殊移动机器人的履带。同步齿形带通常由胶层(背胶)、抗拉体线绳 (骨架)、带齿和齿面包布四部分组成。由于同步带带形很薄，胶层与带齿胶的 性能要求相近，为了生产方便采用同一种材料。胶层材料通常采用橡胶和聚氨 酷两种。橡胶履带具有速度快、抗振动、牵引力大、噪音低、机重轻、不损坏 路面、耐磨损、使用寿命长等特点。但是在机器人使用过程中发现这种材料行 驶阻力过大，尤其在进行转向动作时，机器人驱动电机容易超载。多功能特殊 移动机器人选用了聚氨酷作为履带的胶层材料。聚氨酯弹性体具有使用寿命长、 噪音小、传动效率高、硬度范围宽、力学性能好等特点，它的耐磨性十分优越， 又有非常好的弹性，非常适合做摩擦驱动材料。在生产加工方面，聚氨酯材料 不需要炼胶、压延等设备，工艺简单，成型方便，它通常采用浇注的方法成型 所以不能放置齿面包布。 抗拉体线绳材料选择很多，经常使用的有尼龙、涤纶、芳纶、碳纤维、玻 璃纤维、钢丝等。这些材料都可以满足功能要求。考虑到同步齿形带用作履带 的特殊性，对同步齿形带做了一些改进，履带具体结构见图 3-2。 图 3-2 履带具体结构 3.4 轮系设计轮系设计 3.4.1 主动轮设计主动轮设计 多功能特殊移动机器人主动轮负责将驱动电机的动力通过履带传递给整个 16 车体。它的主要结构包括:主动轴、履带齿轮、履带齿轮挡圈等。具体结构详见 图 3-3。 1、履带齿轮挡圈；2、滚动齿轮；3、履带齿轮衬套；4、主动轴；5、履带齿轮； 6、轴承端盖；7、键 图 3-3 主动轮结构图 履带齿轮是主动轮的重要零件，它与履带配合执行精确的齿轮传动。履带 轮的宽度与履带内齿宽度相同，选用材料为 LY12。使用 LY12 可减轻主动轮的 整体质量，但它的材质较软，耐磨性不强，如果通过键直接与主动轮轴联接， 长期作用易产生磨损。所以，设计使用了履带轮衬套，它的材料为 45 号钢，材 质较硬，满足了耐磨性要求。履带齿轮侧面安装有两个履带轮挡圈，它的直径 与履带齿轮齿顶直径相同，在车体转向产生侧向滑移时，它可以将履带齿轮卡 住防止主动轮产生轴向窜动。履带齿轮挡圈的宽度与履带无齿部分宽度相同， 可以直接压在履带内侧的无齿部分，这样的设计可以保证履带充分压在地面上。 主动轮轴一端与履带齿轮相联，另一端通过键与同步带轮相联，负责将驱动电 机的动力传递给主动轮。 3.4.2 从动轮设计从动轮设计 从动轮由于其运动形式相对简单，这里采用一体结构。轮内齿形宽度与履 带内齿相同，选用材料为 LY12 合金。 17 图 3.4 从动轮三维设计 3.5 小结小结 本章主要对多功能特殊移动机器人车体的底盘箱体、支架、履带、轮系进 行了设计。设计主要从提高机器人车体整体强度、环境适应性角度出发，使得 机器人方便加工、装卸。驱动电机选择方面，要求其输出功率在满足爬越最大 坡度情况下具有一定的余量，以满足机器人越障和转向的需要。多功能移动机 器人移动平台三维设计图如图 3-5 所示。 图 3-5 履带式多功能移动工作台三维设计图 18 第第 4 章章 总结总结 论文针对多功能特殊移动机器人项目要求，在综合了国内外移动机器人结 构设计方案的基础上，设计了一种履带式多功能移动机器人工作平台。课题旨 在设计一种能搭载多种装置的多功能移动机器人，可以搭载机械手、轻武器、 火箭筒、侦查、消防等子系统，执行部分消防、反恐、防暴、侦察、探测、灭 火等危险作业。本文主要对多功能移动工作台进行总体方案设计。 1、底盘设计：设计出一种箱式结构底盘，强度高和稳定性好，满足了机器人 防尘性要求、装配精度要求和内部空间要求； 2、传动机构设计：选用同步齿形带进行传动，主要目的是将传动方向改为平 行轴传动，节省了机器人内部空间； 3、