履带式行走机器人.doc

1 绪 论1.1机器人发展概况 在工业机器入问世30多年后的今天；机器人己被人们看作是一种生产工具在制造、装配及服务行业，机器入的应用取得了明显的进步由干传感器、控制、驱动及材料等领域的技术进步，通过智能机器人系统首次在制造领域以外的服务行业，开辟了机器人应用的新领域，让机器人作为“人的助手”，使人们的生活质量得以提高目前在许多领域己经进行了很大的努力来开发服务机器入系统，并力争在较大范围内使用它们这些机器人系统尽管有不同的应用领域，但它们所从事的工作仅限于维护保养、修理、运输、清洗、保安、救援及数据采集等方面机器人是一个通用的自动化装置国际标准化组织(1SO)的定义：“机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机，这种操作机具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务”从1954年美国工程师乔治.大卫发表了《适用重复作业的通用性工业机器人》论文开始，到1962年美国联合控制公司推出第一台机器人“尤尼麦特”为止机器人开始在工业生产的各种场合中，起到了置关重要的作用而在所有的机器人研究中，尤使日本的机器人研究最为突出现在国外大多都在致力于直立行走机器人和微型机器人的研究。

特别是注重对于机器人控制和视觉识别方面的研究对于行走机器人而言，最引起大多数科学家注意的是对于视觉识别方面的研究并且也取得了许多可人的成果行走机器人分很多种，不仅有直立式，还有履带式，多支点式等等而这里只谈谈履带式行走机器人履带式行走机器人是一种利用履带进行支撑机器人机体的移动机器人目前我国发展了多履带式机器人，有四条和六条履带的移动机器人他们的优点是转向方便移动稳定的特点，所以适合在恶劣的条件下进行工作1.2 履带式行走机器人概述所谓履带式行走机器人（我们这里指的是普通的履带式行走机器人）利用两条履带进行支撑机体进行移动的机器人它具有运行稳定，转向灵活，能够越过较小的障碍，并且承载重量较大的特点能够在较恶劣的环境下进行工作是一种较稳定的承载载体而且它采用步进电机进行驱动，利用单片机接口，使用C语言编程控制所以在某一方面来说，履带式机器人是笨重机械结构和先进的高级控制语言的结合是高科技的计算机技术和机械的有机结合1.3 履带式行走机器人的结构概述履带式行走机器人包括机械部分和电控部分机械部分主要是链传动和减震的设计及各部件的装配链传动采用套筒滚子链传动减振主要采用圆柱压缩弹簧完成减振电控部分主要是步进电机的选择和51系列单片机的选择及C语言编程。

2 电动机的选择2.1 电机的选择原则 电机是一种执行元件，是在控制装置的控制下，将电能转换为机械能的装置伺服系统中所用的电机主要有步进电动机，直流伺服电动机，交流伺服电动机等为了保证机器人行走的速度和承载的重量以及所要满足的控制要求，满足惯性小，动力大，体积小，质量轻，便于计算机控制，成本低，便于安装和维修的特点，这里选用步进电机 2.2步进电机的工作原理步进电机又称电脉冲马达，是伺服电动机的一种步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生其基本原理作用如下：(1)控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配例如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C－D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A,B,C，D相的通断。

2)控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转3)控制步进电机的速度 如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速 2.3 步进电机的选择结果 选用Y系列笼型三相异步电机，因为这种电机高效，节能，启动转矩高，噪声低，振动小，运行安全可靠安装尺寸和功率等级完全符合国际标准（IEC）由传动所需的动力要求，及电动机的安装尺寸和装配要求选用型号为120BF4-1型的步进电动机额定电压50V静态时电流为6A，步距角3/1.5度空载起动频率为1000PPS空载运行频率1300PPS额定转距3 底 盘 的 设 计3.1底盘设计的方案选择在底盘设计上，第一步是设计传动方式首先考虑的是满足行走机器人的稳定性和保证行走机器人的行走速度为了保证稳定性，我先考虑了几种传动方式，比较了他们传动的稳定性经过综合考虑，我选用了和履带最匹配的链传动为了使履带的运行更加平稳我选用双排链传动因为双排链最低破坏载荷比较大，稳定性也比单排链好在保证行走速度上，也能够更好的匹配一定功率的电动机。

在以上的基础上，为了保证设计的经济性，我选用了在传动链里应用最广泛的套筒滚子链第二步是设计底盘的结构布局在主动轮上，左右分别由两个步进电机控制，在两个电机之间没有任何联系在机体中间装一个支撑，为了承载单片机和控制元件在从动轮上，只装有两个轴承，中间也没有联系（详见图2—1）这主要是为了减轻机器人本身的重量，也为了更好的满足机器人的行走电机履 带 履 带轴承支 撑 架图3—13.2 套筒滚子链的结构设计 普通套筒滚子链是由套筒1，滚子2，销轴3，内链板4，外链板5组成（如图2—2）因为我们是用他来带动履带，所以还需要附板，附板一般都是标准件，所以并不要求设计，只要满足一定的节距和载荷即可 套筒滚子链连接链节形式有两种大节距链一般用开口销，小节距链一般用弹簧卡片我们这里用的是大节距链，所以采用开口销3.3 套筒滚子链传动的设计计算 套筒滚子链轮的结构设计应满足以下基本要求：链轮齿廓形状应保证链条的滚子能顺利地啮入就位和退出啮合，不发生干涉现象；应具有较大的容纳链条的节距增长的能力；应具有合理的作用角，避免链轮齿受载过大；便于滚子啮进时导入和防止振动时脱链，便于制造和测量。

设计要求转速为0.5ｍ/ｓ，所以为低速链传动设计，低速链传动一般按静强度计算设计时，因为结构允许，所以尽量采用了较大的链轮直径来降低链条拉力电动机为Y112M-4三相异步电动机,功率P=4KW,转速ｎ=1500ｒｐｍ,工作载荷平稳稍有冲击.希望中心距ａ≤800ｍｍ链轮中心线为水平线. 选择链轮齿数和确定链节距和链排数 履带链传动为等直径主从动轮，所以它的传动比为1由链轮的大致尺寸，选用齿数为48 由于机器人为轻载，最低破坏载荷很小，所以选用节距为12.70ｍｍ在《机械零件设计手册》中的表3.6—3中查的载荷系数=1.3，由表3.6——4查得链轮齿数系数= 2.70，由《机械零件设计手册》表3.6——5查得传动比系数 = 0.82，又《机械零件设计手册》表 3.6——6 查得中心距系数=1.18（因为链轮的中心距为较大值，而且中主动轮为等直径，所以中心距选为 ）因为我们用的是双排链，所以又《机械零件设计手册》表3.6——7可查得链的多排系数=1.7根据以上系数，由公式可算出工作条件下单排链传递的功率=3.69根据P0和n1的关系查《机械零件设计手册》表3.6——4所需节距为12.70 ,链条型号为T127(合乎条件)。

确定中心距和链节数以及链作用在轴上的力初定中心距由可得出中心距为800 （大约为63 ）由计算可得链节数=174节所以由可计算出实际中心距=800 由轴上压力系数=1.2，可通过公式= =*其中=4 ，=0.5 可算出=10.4 3.3.1 确定链轮尺寸 节圆直径其中查《机械零件设计手册》表3.6——11可求为0.06540所以计算结果为194.19 顶圆直径其中也由查《机械零件设计手册》表3.6——11得15.2571所以计算结果为200.62根圆直径其中所以根圆直径为185.68最大齿根距离其中=0.99949所以结果为185.57齿侧轮缘最大直径=180.26这里需要圆整，所以取齿侧轮缘最大直径为1803.3 链传动链轮的齿型设计轴面齿形圆弧半径=15.318倒圆深度= 163.5mm 圆角半径=1.0，齿宽==6.825如上图）3.5 主动链轮键连接尺寸选择 轴直径为40 可有《设计手册》查得键宽 键槽深 ，齿轮键槽 如图3—4所示 图3——43.6附板的设计 附板由节距P的要求所定由于附板要承载履带板的重量，所以要有一定强度和硬度，在国际标准的附板规定里，我选12A翼板高11.91孔直径为5.1的附板，作为本次设计的附板，这样不仅可以节省多余的人力，也可以给方便的拆卸和维修。

3.7 联轴器的选择 联轴器是连接从动轴和主动轴之间的连接元件常用的联轴器多以标准化或规格化了一般有以下几种：1）弹性柱销联轴器 它有容易制造，维护方便，结构简单，寿命较长， 允许有较大的轴向窜动，能缓冲减震但不适于扭矩变化较大，冲记载荷较强烈，安装精度低的传动轴系2）弹性柱销齿式联轴器 具有制造容易，维护，更换方便，结构简单具有一定的补偿轴位移的功能不宜于用于减震效果较高和对噪音需要严加控制的部位3）弹性套柱销联轴器 弹性较好能缓冲减震，不须润滑但是寿命较低，需要橡胶材料，加工要求较高4）刚性（凸缘）联轴器 构造简单，成本低，能传递大的扭矩等等.在选择时，首先由工作条件，再按转矩，轴径和转速，由《机械设计手册》中的各种数据，可选择刚性固定联轴器中的平键套筒联轴器并且要求满足手册中规定的尺寸要求和技术要求 3.8 轴的设计 在这次设计里，由于行走机器人的速度不高，所以对轴的要求不像其他轴要求的那样严格因为它不是承载重量的主要部件，它主要是满足传动要求和速度要求轴的结构设计为了满足主动轴上各零件的安装尺寸及定位，以及机械设计中对轴定位轴肩和非定位轴肩的高度要求，我设计了如图所示尺寸的轴。

为了定位链轮，在轴端，采用螺纹轴端利用紧定螺母进行紧定 轴的强度计算 轴的材料选用45#钢，所以它的许用切应力为24~45Mpa按照扭转强度计算 30Mpa其中 P=4Kw ，n=24r/min，d=30mm满足扭转要求3.9 减速齿轮的设计 为了保证电机传动的精度，满足运动的可靠性，在电机和两轮之间采用了一个一级开式齿轮减速装置齿轮各参数确定此装置小齿轮采用齿轮轴的形式，与联轴器相连，另一端采用铸造齿轮采用直齿圆柱齿轮传动，由于行走机器人为作速度不高的传动，所以采用7级精度，（GB10095-88）；由机械设计手册中可知小齿轮选用40Cr（调质），硬度为280HBS，大齿轮采用45钢（调质）硬度为240HBS选择小齿轮齿数为=20，大齿轮齿数1.7*20=34齿轮尺寸设计 （一）按齿面接触强度设计：由公式1）确定公式内各计算数值 试选载荷系数=1.3；计算小齿轮传递的扭矩。