1 消防機(jī)器人 設(shè)計項目介紹 沈陽理工大學(xué) 2009 摘 要 本次設(shè)計的是一款履帶式消防機(jī)器人 基礎(chǔ)級載體 ，設(shè)計內(nèi)容包括 設(shè)計行走底盤和四自由度手臂以及 對機(jī)器人的 局部受力情況 作了具體的分析 。 試制整體機(jī)器人結(jié)構(gòu)。在設(shè)計試制過程中，不斷的觀察分析其他機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，吸取前人經(jīng)驗，進(jìn)行方案比較選定。 本次設(shè)計的重點(diǎn)在于機(jī)器人的試制研究工作，由于機(jī)器人整體的設(shè)計難度較大，材料和機(jī)構(gòu)精度要求較高，本試制產(chǎn)品還不能作為成熟產(chǎn)品進(jìn)行加制造，只能做為指導(dǎo)性樣機(jī)以供參考。 消防機(jī)器人現(xiàn)在已經(jīng)達(dá)到應(yīng)用狀態(tài)，一臺德 國產(chǎn)的消防機(jī)器人售家為 170 萬人民幣。上海、成都、武漢等幾個大城市都已經(jīng)裝備消防機(jī)器人。 關(guān)鍵字：機(jī)器人；履帶底盤；機(jī)械臂；控制電路； 3 a of as as to s In s to on to to to to on to of to be s in s s is is to to on do 4 第一章 緒 論 項目概述 本文介紹的是一種 履帶式消防機(jī)器人 設(shè)計 , 結(jié)構(gòu)簡單 、制造方便 、性能可靠、成本 低廉 。 履帶式行走 機(jī)構(gòu) , 使機(jī)器人具有更出色的越障能力。兩條履帶均設(shè)置有正反轉(zhuǎn)，且可無級調(diào)速，使機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)彎更加靈活。整機(jī)共七個自由度，可實現(xiàn)物體的夾持、搬運(yùn)、碼放。在消防領(lǐng)域，此機(jī)器人可在加裝聲像傳輸設(shè)備等輔助設(shè)備的情況下，完成火場偵察、勘測、救援、滅火等任務(wù)。此設(shè)計為實物制造設(shè)計，在加工能力有限的情況下，如何選選擇更為合理可行的設(shè)計方案和加工方法來避開技術(shù)瓶頸，且相對提 高精度成為匠心之處。 論文在這方面具有 一定意義。 目的及意義 本題目研制開發(fā)一種制造簡單，使用方便的消防機(jī)器人。 常言道水火無情，這其中道出了水火對人類的威脅及人們對水火的無奈。提起火災(zāi)，人們會聯(lián)想起一起起悲劇。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計，僅 1995 年一年我國就發(fā)生火災(zāi) 38000 起，死亡 2233 人，受傷 3770 人，直接經(jīng)濟(jì)損失 多元。 1997年發(fā)生火災(zāi) 14 萬余起，死亡 2722 人，傷 4930 人，造成財產(chǎn)損失 元。多么觸目驚心的數(shù)字啊！ 近年來，我國石化等基礎(chǔ)工業(yè)有了飛速的發(fā)展，在生產(chǎn)過程中的易燃易 爆和劇毒化學(xué)制品急劇增長，由于設(shè)備和管理方面的原因，導(dǎo)致化學(xué)危險品和放射性物質(zhì)泄漏、燃燒爆炸的事故增多。消防機(jī)器人作為特種消防設(shè)備可代替消防隊員接近火場實施有效的滅火救援、化學(xué)檢驗和火場偵察。它的應(yīng)用將提高消防部隊撲滅特大惡性火災(zāi)的實戰(zhàn)能力，對減少國家財產(chǎn)損失和滅火救援人員的傷亡將產(chǎn)生重要的作用。在深圳清水河火爆炸、南京金陵石化火災(zāi)、北京東方化工廠罐區(qū)火災(zāi)等事件 發(fā)生后，國內(nèi)消防部隊要求研制、配備消防機(jī)器人的呼聲越來越高。消防機(jī)器人的研制 ，對我國 21 世紀(jì)的消防裝備的發(fā)展以及消防部隊的技戰(zhàn)術(shù)的拓展將產(chǎn)生重要的影 響。 5 為了能夠盡快地?fù)錅缁馂?zāi)，防止火災(zāi)的進(jìn)一步蔓延，尋找火災(zāi)根源，采取近距離作戰(zhàn)的滅火方法是提高滅火效能的最佳途徑，但是，兇猛的火災(zāi)往往使勇敢的消防隊員無法靠近。 在化學(xué)災(zāi)害的處置過程中，由于事故現(xiàn)場的情況十分復(fù)雜，泄漏物的毒性、腐蝕性、易燃易爆特性或放射性等物質(zhì)會使消防隊員處于更加危險的境地。 誰能夠幫助我們可愛的消防隊員把滅火、救人和消滅化學(xué)災(zāi)害事故的處置工作做得更好？誰能夠代替他們?nèi)コ惺芩劳龅耐{？答案是：消防機(jī)器人。 消防機(jī)器人往往需要在高溫、強(qiáng)熱輻射、濃煙、地形復(fù)雜、障礙物多、化學(xué)腐蝕、易燃 易爆等惡劣環(huán)境中進(jìn)行火場偵察，化學(xué)危險品探測、滅火、冷卻、洗消、破拆、救人、啟閉閥門、搬移物品、堵漏等作業(yè)，因此，作為某種特定功能的消防機(jī)器人應(yīng)該具備以下某項或幾項行走和自衛(wèi)功能： 梯及障礙物跨越功能； 隔爆 )功能； 國內(nèi)外發(fā)展概況 圖 圖 器人 最近幾十年中，大量的高層、地下建筑與大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于這些建筑的特殊性，發(fā)生火災(zāi)時，不能快速高效的滅火。為了解決這一問題，盡快救助火災(zāi)中的受害者，最大限度的保證消防人員的安全，消防機(jī)器人研究被提到了議事日程。而機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展也為這一要求的實現(xiàn)提供了技術(shù)上的保證，使 6 得消防機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。 我國從八十年代末期開始消防機(jī)器人的研究，公安部上海消防研究所等單位在消防機(jī)器人的研究中取得了大量的成果， 自行式消防炮 已經(jīng)投 入市場， 履帶輪式消防滅火偵察機(jī)器人 也于 2000年 6月通過了國家驗收。但是，我國消防機(jī)器人的研究還處在初級階段，還有許多有待研究的問題。比如，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，消防人員不可能在短時間內(nèi)到達(dá)高處的火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，在地下建筑中，由于環(huán)境比較潮濕，煙氣不易擴(kuò)散，消防人員不容易快速的判定火源位置；而在石化企業(yè)發(fā)生火災(zāi)時，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時極易中毒。研制能夠用于這些場合的偵察滅火機(jī)器人，協(xié)助消防人員進(jìn)行火災(zāi)的定位和滅火，將有極大的社會意義。 不僅在我國，在世界上消防工作也是一個大難題，各國政府都千 方百計地將火災(zāi)的損失降到最低點(diǎn)。 從二十世紀(jì)八十年代開始，世界許多國家都進(jìn)行了消防機(jī)器人的研究。美國和蘇聯(lián)最早進(jìn)行消防機(jī)器人的研究，而后日本、英國、法國等國家都紛紛開展了消防機(jī)器人的研究，目前已有多種不同類型的消防機(jī)器人用于各種火災(zāi)場合。 從功能上劃分，目前的消防機(jī)器人有下列幾類：滅火機(jī)器人、偵察機(jī)器人、攀登營救機(jī)器人和救護(hù)機(jī)器人。從控制方式來分，消防機(jī)器人可分為遙控消防機(jī)器人和自主消防機(jī)器人。 1984年 11月，在日本東京的一個電纜隧道內(nèi)發(fā)生了一起火災(zāi)，消防隊員不得不在濃煙和高溫的危險環(huán)境下在隧道內(nèi)滅火。這 次火災(zāi)之后，東京消防部開始對能在惡劣條件下工作的消防機(jī)器人進(jìn)行研究，目前已有五種用途的消防機(jī)器人投入使用。 遙控消防機(jī)器人 1986年第一次使用了這種機(jī)器人。當(dāng)消防人員難于接近火災(zāi)現(xiàn)場滅火時，或有爆炸危險時，便可使用這種機(jī)器人。這種機(jī)器人裝有履帶，最大行駛速度可達(dá)10公里 /小時，每分鐘能噴出 5噸水或 3噸泡沫。 噴射滅火機(jī)器人 這種機(jī)器人于 1989年研制成功，屬于遙控消防機(jī)器人的一種，用于在狹窄的通道和地下區(qū)域進(jìn)行滅火。機(jī)器人高 45厘米，寬 74厘米，長 120厘米。它由噴氣式發(fā)動機(jī)或普通發(fā)動機(jī)驅(qū)動行駛。 當(dāng)機(jī)器人到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場時，為了撲滅火焰，噴 7 嘴將水流轉(zhuǎn)變成高壓水霧噴向火焰。 消防偵察機(jī)器人 消防偵察機(jī)器人誕生于 1991年，用于收集火災(zāi)現(xiàn)場周圍的各種信息，并在有濃煙或有毒氣體的情況下，支援消防人員。機(jī)器人有 4條履帶，一只操作臂和 9種采集數(shù)據(jù)用的采集裝置，包括攝像機(jī)、熱分布指示器和氣體濃度測量儀。 攀登營救機(jī)器人 攀登營救機(jī)器人于 1993年第一次使用。當(dāng)高層建筑物的上層突然發(fā)生火災(zāi)時，機(jī)器人能夠攀登建筑物的外墻壁去調(diào)查火情，并進(jìn)行營救和滅火工作。該機(jī)器人能沿著從建筑物頂部放下來的鋼絲繩自己用絞車向 上提升，然后它可以利用負(fù)壓吸盤在建筑物上自由移動。這種機(jī)器人可以爬 70米高的建筑物。 救護(hù)機(jī)器人 救護(hù)機(jī)器人于 1994年第一次投入使用。這種機(jī)器人能夠?qū)⑹軅藛T轉(zhuǎn)移到安全地帶。機(jī)器人長 4米，寬 高 3860公斤。它裝有橡膠履帶，最高速度為 4公里 /小時。它不僅有信息收集裝置，如電視攝像機(jī)、易燃?xì)怏w檢測儀、超聲波探測器等；還有 2只機(jī)械手，最大抓力為 90公斤。機(jī)械手可將受傷人員舉起送到救護(hù)平臺上，在那里可以為他們提供新鮮空氣。 2000年 11月，奧地利雪山纜車在隧道中發(fā)生火災(zāi)，死 亡 160余人。由于隧道中黑暗、陰冷、濃煙密布，滅火和清理現(xiàn)場工作十分艱難。這再次說明了特種消防設(shè)備的重要。 主要研究內(nèi)容 本題目主要研究的內(nèi)容是設(shè)計行走底盤和四自由度手臂，本題目研制開發(fā)一種消防機(jī)器人基礎(chǔ)級載體。 對機(jī)器人的 局部受力情況 作了具體的分析 。 8 第二章 方案比較與方案選擇 行走機(jī)構(gòu)方案比較 機(jī)器人在地面上移動的方式通常有三種：車輪式、履帶式和步行式。 步行移動方式 是 模仿人類或動物的行走機(jī)理，用腿腳走路，對環(huán)境適應(yīng)性好 。根據(jù)調(diào)查 ,在地球上近一半的地面不適合于傳統(tǒng)的輪式或履 帶式車輛行走 ， 但是一般多足動物卻能在這些地方行動自如 ,顯然足式與輪式及履帶式行走方式相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢 . 足式行走對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力 ,足式運(yùn)動方式的立足點(diǎn)是離散的點(diǎn) ,可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn) 。但是步行移動方式的 智能程度也相對較高。正因如此，步行移動方式在機(jī)構(gòu)和控制上是最復(fù)雜的，技術(shù)上也還不成熟，不適于在要求靈活和可靠性高的 工作環(huán)境中 。 車輪式移動是最常見的一種地面行進(jìn)方式。車輪式移動的優(yōu)點(diǎn)是：能高速穩(wěn)定的移動，能量利用效率高，機(jī)構(gòu)和控制簡單，而且技術(shù)比較成 熟。 驅(qū)動與轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)可分以下幾種形式： 1. 驅(qū)動、轉(zhuǎn)向輪一體徑向轉(zhuǎn)向，如同前驅(qū)動式轎車 2. 驅(qū)動輪、轉(zhuǎn)向輪分置，如同后驅(qū)動式卡車 3. 兩側(cè)驅(qū)動輪異速轉(zhuǎn)彎，如同輪椅 前兩種驅(qū)動轉(zhuǎn)彎形式不單要設(shè)計有合理的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，還要有較好的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，增加了自由度的同時又要考慮為這個自由度提供動力單元，以及轉(zhuǎn)向差速系統(tǒng)，使得整機(jī)復(fù)雜程度大大提升，機(jī)構(gòu)繁瑣，穩(wěn)定性降低。第三種形式僅用一套差速系 9 統(tǒng)和一組跟蹤輪就可實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，可是跟蹤輪通常采用萬向輪，無規(guī)則定向，在路面情況復(fù)雜下行駛極其不穩(wěn)定，且在停止和啟動時遵循前一運(yùn)動狀態(tài)軌跡，缺乏應(yīng)急靈活性。 而其車輪式移動共有的 缺點(diǎn) 就 是對路面要求較高，適于平整硬質(zhì)路面。 越障性能嚴(yán)重缺失。 履帶式實際是一種自己為自己鋪路的輪式車輛。它是將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車輪不直接與地面接觸。履帶式的的優(yōu)點(diǎn)是著地面積比車輪式大，所以著地壓強(qiáng)小；另外與路面黏著力強(qiáng)，能吸收較小的凸凹不平，適于松軟不平的地面。因此，履帶式廣泛用在各類建筑機(jī)械及軍用車輛上。 并且履帶式結(jié)構(gòu)是通過兩條履帶差速實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。不但可以實現(xiàn)超小半徑轉(zhuǎn)彎，還可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎。靈活性極佳。 10 臂機(jī)構(gòu)方 案比較 對于整體行走機(jī)器人載具而言，行走機(jī)構(gòu)只是用來完成大空間內(nèi)整體移動和工作頭部分在平面內(nèi)大幅度間接調(diào)整。其運(yùn)動軌跡和幅度難以充分滿足三維空間運(yùn)動和精度要求。為了能使工作頭部分能夠在三維空間觸及工作點(diǎn)工作面并且能夠精確完成工作任務(wù)引入了連接在行走機(jī)構(gòu)與工作頭之間的，較行走機(jī)構(gòu)傳動更精準(zhǔn)、運(yùn)動更平穩(wěn)的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)。機(jī)械臂按其運(yùn)動機(jī)理可分為以下三種： （ 1） 蠕動式機(jī)械臂 這種機(jī)械臂源自仿生學(xué)中對蟲子蠕動的模仿。通過沿徑向布置的很多個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)或扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的聯(lián)動來實現(xiàn)工作頭空間內(nèi)多組相鄰圓心圓截面上各點(diǎn)工作。這種 機(jī)械臂絕對是各種機(jī)械臂中自由度最高的一類。但因其要求每個旋，扭轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)都要求有獨(dú)立動力，且聯(lián)動的位移是由多個關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)非等值分擔(dān)，這就對動力部分、傳動精度、控制精度提出了極高要求。不但設(shè)計制造極其困難，通過使用機(jī)械控制簡單電路控制是極難完成的控制的。 所以只出現(xiàn)在高端機(jī)器人領(lǐng)域具處于設(shè)計試制階段。對于基礎(chǔ)層次機(jī)械設(shè)計制造這相當(dāng)于不可完成的任務(wù)。 （ 2） 沿 X、 Y、 Z 坐標(biāo)軸直線移動機(jī)械 臂 11 在三維立體空間內(nèi)分別沿 X、 Y、 Z 軸做直線運(yùn)動就可以到達(dá)一個立方體內(nèi)的各個點(diǎn)進(jìn)行工作，這是一種撒網(wǎng)式的 搜羅。在三軸分動時工作頭位移軌跡是沿空間內(nèi)沿 X、 Y、 Z 方向線段的連接，當(dāng)三軸聯(lián)動時，工作頭運(yùn)動軌跡便是空間內(nèi)的一條曲線。完成工作動作直接快捷，且只有三個軸線位移，整機(jī)運(yùn)動平穩(wěn)可靠，精度頗高。所以多用于機(jī)床加工中心等機(jī)械上，但其機(jī)體必須含有沿 X、 Y、Z 軸方向，長度至少等于三軸位移長度一半的三個相連的空間垂直架體。 這種就有相對較大的非工作狀態(tài)機(jī)構(gòu)所占空間和整體體積，但對于行走式機(jī)器人載具而言，對體積和自重的限制是極其嚴(yán)格的，要求盡量減小自身負(fù)載體積，以適應(yīng)工作環(huán)境。 （ 3） 放人類手臂式機(jī)械 臂 這種結(jié)構(gòu)的手臂有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、大臂搖動機(jī)構(gòu)、小臂搖動機(jī)構(gòu)和手腕機(jī)構(gòu)四部分組成在同一平面內(nèi)三個旋轉(zhuǎn)自由度被安裝在一個垂直此平面的旋轉(zhuǎn)盤上，手腕、小臂、大筆的須按轉(zhuǎn)是工作頭觸點(diǎn)在三個自由度連線平面內(nèi)。形成了一個平面工作區(qū)域，通過旋轉(zhuǎn)盤的帶動，是這個平面工作區(qū)域繞 Z 軸須按轉(zhuǎn)，形成了一個立體工作空間。這種手臂機(jī)構(gòu)在工作中狀態(tài)下可以收縮減小空間，傳動距離較短，結(jié)構(gòu)可靠性能好，能夠出色的完成工作空間內(nèi)一點(diǎn)到另一點(diǎn)的最有運(yùn)動軌跡位移。 12 消防機(jī)器 人整體機(jī)構(gòu)選定 在本次履帶式消防機(jī)器人的設(shè)計中，工作環(huán)境定位在障礙物不明，空間狹小的情況下。且加工能力及工藝有限，機(jī)構(gòu)不易過于復(fù)雜。所以行走機(jī)構(gòu)選擇履帶式結(jié)構(gòu)是最為合理的。而手臂機(jī)構(gòu)選用 放人類手臂式機(jī)械臂更為合理。 13 第三章 整體機(jī)構(gòu)設(shè)計 方案 確定 確定傳動方案 合理的傳動方案，應(yīng)能滿足工作機(jī)的要求、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、加工方便、成本低廉、效率高和使用維護(hù)方便等。要同時滿足這些要求，常常是困難的。因此，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，保證重點(diǎn)要求。 當(dāng)采用多級傳動時，應(yīng)合理的 選擇傳動零件和它們之間的傳動次序，揚(yáng)長避短，力求方案合理。常需要考慮以下幾點(diǎn)。 1) 帶傳動為摩擦傳動，傳動平穩(wěn)，能緩沖吸振，噪音小，但傳動比不準(zhǔn)確，傳動相同轉(zhuǎn)矩時，結(jié)構(gòu)尺寸較其他傳動形式大。因此應(yīng)布置在高速級。因為傳遞相同功率，轉(zhuǎn)速愈高，轉(zhuǎn)矩愈小，可使帶傳動的結(jié)構(gòu)緊湊。 2) 鏈傳動靠鏈輪齒嚙合工作，平均傳動比恒定，并能適應(yīng)惡劣的工作條件，但運(yùn)動不均勻，有沖擊，有沖擊，不適于高速傳動，故應(yīng)布置在多級傳動的低速級。 3) 蝸桿傳動平穩(wěn)，傳動比大，但傳動速率低，適用于中小功率及間歇運(yùn)動的場合。當(dāng)和齒輪傳動同時應(yīng)用時，應(yīng)布置在高 速級，使其工作齒面有較高的 相對滑動速度，利于形成流體動力潤滑油膜，提高效率，延長壽命。 4) 圓錐齒輪傳動用于傳遞相交軸間的運(yùn)動。由于圓錐齒輪（特別是當(dāng)尺寸較大時）教工比較困難，應(yīng)放在傳動的高速級，并限制其傳動比，以減小器直徑和模數(shù)。 5) 開式齒輪傳動的工作環(huán)境一一般較差，潤滑不良，磨損嚴(yán)重，應(yīng)布置在低速級。 6) 斜齒輪傳動的平穩(wěn)性奇偶直齒輪傳動好，當(dāng)采用雙級齒輪傳動時 高速級常用斜齒輪。 選擇電動機(jī) 格局工作負(fù)荷的大小和性質(zhì)、工作機(jī)的特性和工作環(huán)境等，選擇電動機(jī)的種 14 類、類型和結(jié)構(gòu)形式、功率和轉(zhuǎn)速，確定 電動機(jī)的型號。 1 選擇電動機(jī)的種類、型號和結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)電源種類（直流或交流）、工作條件（環(huán)境、溫度、空間位置等）及負(fù)荷性質(zhì)、大小、啟動特性和過載情況等來選擇。 選用要點(diǎn)一：根據(jù)機(jī)械負(fù)載特性、生產(chǎn)工藝、電網(wǎng)要求、建設(shè)費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用等綜合指標(biāo)，合理選擇電動機(jī)類型 選用要點(diǎn)二：根據(jù)機(jī)械負(fù)載要求的過載能力、啟動轉(zhuǎn)矩、工作制及工況條件，合理選擇電動機(jī)的功率，是功率匹配合理，并且有適當(dāng)?shù)膫溆霉β?，力求運(yùn)行安全、可靠而經(jīng)濟(jì) 選用要點(diǎn)三：根據(jù)使用場所的環(huán)境，選擇電動機(jī)的防護(hù)等級和結(jié)構(gòu)型式 選用要點(diǎn)四：根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最 高機(jī)械轉(zhuǎn)速和傳動調(diào)速系統(tǒng)的要求，選電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 選用要點(diǎn)五：根據(jù)使用環(huán)境的溫度，維護(hù)檢修方比那、安全可靠的要求，選擇電動機(jī)的絕緣等級和安裝方法 選用要點(diǎn)六：根據(jù)電網(wǎng)電壓、頻率，選擇電動機(jī)的額定電壓、評論 總結(jié)：在選用電動機(jī)的時候，要努力執(zhí)行國家技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策 2 選擇電動機(jī)的功率（容量） 電動機(jī)功率選擇是否合適，對電動機(jī)的工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。功率國小不能保證工作機(jī)的正常工作，或使電動機(jī)因超載而過早損壞；若功率選的過大，電動機(jī)的價格高，能力不能充分發(fā)揮，經(jīng)常不在滿載下運(yùn)轉(zhuǎn)，效率和功率因數(shù)都較低，造成浪費(fèi)。 選 擇時應(yīng)保證 0 r 式中 0 電動機(jī)額定功率， r 工作機(jī)所需電動機(jī)功率， 所需電動機(jī)功率由下式計算 r= 機(jī)體框架材料的選擇 這是一次履帶式消防機(jī)器人的試制工作。主要目的是驗證設(shè)計理念和機(jī)構(gòu)特性。由于產(chǎn)品要求運(yùn)動靈活，且承重較輕。所以選擇合金鋁作為框架材料，合金 15 鋁的強(qiáng)度剛度雖較鋼差，但其密度小，在適當(dāng)加大板材厚度的情況下，強(qiáng)度滿足此次設(shè)計要求，且大大降低了總體質(zhì)量。 基本外形尺寸初步確 定 考慮到試制的實際情況，和滿足基本功能要求，設(shè)計底盤尺寸為600*500*100(單位 部結(jié)構(gòu)各節(jié)長度尺寸分別為大臂 350臂 300腕 60計整機(jī)重量與負(fù)重總和不超過 30部重量 臂重量 3計首部負(fù)重 3 傳動機(jī)構(gòu)選定 中心轉(zhuǎn)盤選用帶傳動 大臂傳動選用絞盤鋼絲牽引 小臂選用絲杠傳動帶動鋼絲繩牽引 手腕原理與小臂相同。 電動機(jī)類型確定 在本次設(shè)計試制中 ,由于加工能力有限 ,選用減速電動機(jī)可以省去減速器選用或設(shè) 計制造 ,且可得到更高的運(yùn)動精度 一定數(shù)量的不同型號減速電動機(jī)，所以電動機(jī)類型初定為 24V 減速電動機(jī)。型號根據(jù)各機(jī)構(gòu)具體功率和轉(zhuǎn)速要求來確定。 16 大臂機(jī)構(gòu)設(shè)計及電動機(jī)選擇 設(shè)計大臂擺動幅度為水平面角 30到 90。大臂上鋼絲繩牽引點(diǎn)距旋轉(zhuǎn)軸距離 60盤直徑為 20盤軸心距大臂旋轉(zhuǎn)軸心距離 5 心距 e 忽略，絞盤上由于圈放鋼絲繩產(chǎn)生的鋼絲繩軸偏移和絞盤半徑增減忽略。 在兩極限位絞盤處鋼絲繩長度分別為 入數(shù)值 2602 =753 2703 2 = 1*入數(shù)值 26O 2 =75 =150 得 47517 鋼絲繩收放長度 - 47505 盤轉(zhuǎn)數(shù) N 為 N= = *d) 絞盤直徑 d 為 20入數(shù)值 N =205/(0) 設(shè)計中，大臂為大長度末端旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，動作要求相對緩慢。為盡量滿足合理性要求，初步設(shè)定絞 盤旋轉(zhuǎn)時間為 15 秒 則上級傳動機(jī)構(gòu)輸出轉(zhuǎn)速 n 為 n = N/t=r/s 受力情況 假設(shè)整個臂部系統(tǒng)加上負(fù)載的重力全部作用于鋼絲繩交接點(diǎn)垂直向下 當(dāng)角最大時，鋼絲繩拉力最大 預(yù)設(shè)負(fù)載 m 物 =3 手腕質(zhì)量 小臂質(zhì)量 大臂質(zhì)量 3 m 總 = m 物 + 3 + 3 = 9 18 F 重 = m 總 *g F 重 = 9 * 10 = 90N 在 y 足夠列平衡方程 L2/ 聯(lián)立求解 F = (90* = (75* )/350 = 75/700 則 F = (90*(75/700) = 速 n = r/s 絞盤直徑 d 為 20絲繩拉力 F = 率 P 為 P = F * V = ( 20 * 慮技術(shù)要求及功率損失 選用 37列永磁直流減速電機(jī) 轉(zhuǎn)速 13 轉(zhuǎn) /分鐘 功率 臂機(jī)構(gòu)設(shè)計機(jī)電動機(jī)選擇 小臂轉(zhuǎn)動要求在大臂兩個極限位置時分別垂直向上、垂直向下 小臂相對大臂的實際轉(zhuǎn)角為 =180 =150 驅(qū)動小臂旋轉(zhuǎn)的鏈輪直徑 d=35旋轉(zhuǎn) 150情況下，鏈輪直徑上任一點(diǎn)的線位移 S 為 19 S=（ /360） *C =（ /360） d = (150/360)*5 = 整 46以選用絲桿 導(dǎo)程即為 =46于實際情況考慮選用 絲代替絲桿 絲螺距 P 為 P=絲桿旋轉(zhuǎn)一周，軸向傳遞位移為 位移 46需旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù) N=S 總 /P = 46/ 取整為 61 轉(zhuǎn) 設(shè)計小臂運(yùn)動全程所用時間 t 在 8 秒左右，則絲桿轉(zhuǎn)速應(yīng)為 n=N/t=61/8= /秒 取整為 8 轉(zhuǎn) /秒 受力情況 預(yù)設(shè)手腕重量 ，小臂重量 ，負(fù)載 m 物為 3 。 整體作用重心在距小臂重心鉸支點(diǎn) 250 20 F 重 =m 總 g =(m 物 +m1+m2)g =(3+10 =60N 當(dāng)臂水平放置時傳動機(jī)構(gòu)受到拉力最大 列方程得 2*F*R = Y*250 則 F = Y*250/R = 60*250/(35/2） 857N 鏈輪直徑上任一點(diǎn)的線位移 S 為 46杠轉(zhuǎn)數(shù) N 為 61 轉(zhuǎn) 絲桿轉(zhuǎn)速 n 為 8 轉(zhuǎn) /秒 所受拉力 F 為 857N 功率 P 為 P = F * V = F * ( S / N ) * n = 857 * （ 46 * 61 ） * 8 用此型傳動系統(tǒng)完全符合要求 考慮技術(shù)要求及功率損失選用 27列永磁直流減速電機(jī) 轉(zhuǎn)速 8 轉(zhuǎn) /秒 功率 7W 腕機(jī)構(gòu)設(shè)計機(jī)電動機(jī)選擇 手腕部傳動機(jī)構(gòu)采用了與小臂完全相同的設(shè)計。 考慮技術(shù)要求及功率損失選用 27列永磁直流減速電機(jī) 轉(zhuǎn)速 8 轉(zhuǎn) /秒 21 功率 6W 轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)設(shè)計機(jī)電動機(jī)選擇 由于整個臂部機(jī)構(gòu)和預(yù)設(shè)負(fù)載重量（約為 9 大，且重心極限位置旋轉(zhuǎn)半徑（約為 400大，所以在轉(zhuǎn)盤設(shè)計時必須考慮 機(jī)構(gòu)較大的旋轉(zhuǎn)慣性力。所以選帶傳動方式。 帶傳動傳動平穩(wěn)能緩沖吸振，且可大傳動臂設(shè)計，將從動帶輪設(shè)計較大半徑，以減小傳動帶拉力，正符合此機(jī)構(gòu)要求。 從動大帶輪直徑 50計 ,轉(zhuǎn)速 盡量小，設(shè)在 /秒 主動帶輪選用成套機(jī)構(gòu)，帶輪直徑 10主動帶輪轉(zhuǎn)速 （ = （ 50 / 10） = /秒 物品清單中，符合此要求的電動機(jī)只有一種。 即 12列永磁直流減速電機(jī) 轉(zhuǎn)速 30 轉(zhuǎn) /分鐘 功率 10W 驗算證明滿足機(jī)構(gòu)力學(xué)要求。 22 帶驅(qū)動輪機(jī)構(gòu)設(shè)計機(jī)電動機(jī)選擇 驅(qū)動輪設(shè)計減速電機(jī)輸出軸直接安裝鏈輪。鏈輪上加掛自制履帶。設(shè)計履帶摩擦面到鏈輪回轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)半徑為 25計直線行走最大速度為 150mm/s 則驅(qū)動電功轉(zhuǎn)速為 6 轉(zhuǎn) /秒 預(yù)設(shè)整機(jī)與負(fù)載總重 30 大爬坡角為 45，則履帶最大拉力 F 為 F = F 重 / = 30 * 10 / 高整值為 430N,兩條 履帶驅(qū)動，單根受力為 F 單 = F / 2 = 430 / 2 = 150N 直線行走最大速度 V 為 150mm/s 單根履帶受力 F 為 150N 則功率為 P = F * V = 150 * 150 * 慮技術(shù)要求及功率損失選用 62列單相可逆永磁同步電機(jī) 23 轉(zhuǎn)速 36 轉(zhuǎn) /分鐘 功率 30W 分校核 采用鉸制孔用螺栓鏈接， 各螺栓的工作剪力與其中心到地板旋轉(zhuǎn)中心的連線垂直。根據(jù)地板的力矩平衡條件得： + + + = T 根據(jù)螺栓變形協(xié)調(diào)條件：個螺栓的剪切變形與其中心到地板旋轉(zhuǎn)中心的距離成正比，即 = = = 聯(lián)立可解得受力最大螺栓所受的工作剪力 + += z 2 i=1 式中 受力最大螺栓中心至底板旋轉(zhuǎn)中心的距離。 受翻轉(zhuǎn)力矩的螺栓組聯(lián)接 設(shè)作用在對稱軸線上的個螺栓的工作載荷為 i=1,2,， z/2） （它的反作用力作用在底板），根據(jù)力矩平衡條件得： 2( + + + ) = z/2 2 M i=1 24 根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件：各螺栓的拉伸變形量與螺栓軸線到底板對稱軸線的距離成正比，即 1 = 2 = = 立得 z/2 2 i=1 式中 螺栓所受的最大工作載荷， N 對 稱軸線左側(cè)個螺栓軸線到對稱軸線的距離， 的最大值， 為了防止接合面受壓最大處被壓碎或受力最小處出現(xiàn)間隙，應(yīng)使受載后地基接合面擠壓應(yīng)力的最大值部超過底板與地基兩者中最弱材料的需用之，最小值不小于零。即 P + P P + 0 式中 P 接合面在受載前由于預(yù)緊力而差速的擠壓應(yīng)力， P= A 接合面的有效面積， 由于加載而在地基接合面上差速是附加擠壓應(yīng)力的最大值， L+M/W; 通過使用校核原理進(jìn)行校核，以及試制、實驗結(jié)果表明，機(jī)構(gòu)設(shè)計是滿足強(qiáng)度要求的。 25 章小結(jié) 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計除了應(yīng)滿足產(chǎn)品使用性能外，還應(yīng)滿足制造工藝要求，否則就有可能影響產(chǎn)品生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本，嚴(yán)重時甚至無法生產(chǎn)。一個工藝性評價低劣的產(chǎn)品，在激烈競爭的市場經(jīng)濟(jì)環(huán)境中是站不住腳的。一個好的產(chǎn)品設(shè)計必須同時是一個好的工藝師。 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的工藝性評價實際是評價所設(shè)計的產(chǎn)品在滿足使用要求的 前提下，制造、維修可行性和經(jīng)濟(jì)性。這里所說的經(jīng)濟(jì)性是一個含意寬廣的術(shù)語，它應(yīng)是材料消耗要少、制造勞動要少、生產(chǎn)效率要高和生產(chǎn)成本要低的綜合。 評價機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的機(jī)械加工工藝性可以從以下幾個方面進(jìn)行評價 : 2. 零件結(jié)構(gòu)要素必須符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 3. 盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件和普通件 4. 在滿足產(chǎn)品使用性能的條件下，零件圖上標(biāo)注的尺寸精度等級好表面粗糙度要求應(yīng)取經(jīng)濟(jì)值 5. 盡量選用切削加工性好的材料 6. 有便于裝夾的定位基準(zhǔn)和夾緊表面 7. 保證能以較高的生產(chǎn)率加工 8. 保證刀具正常工作 26 9. 加工時工件應(yīng)有足夠的剛性 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的裝配工藝性評價 1. 機(jī)器結(jié)構(gòu)應(yīng)能 劃分成幾個獨(dú)立的裝配單元 2. 盡量減少裝配過程中的修配勞動量和機(jī)械加工勞動量 3. 機(jī)器結(jié)構(gòu)應(yīng)便于裝配和拆卸 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的最初環(huán)節(jié)，是先要針對該產(chǎn)品的主要功能提出一些原理性的構(gòu)思。這種針對主要功能的原理性設(shè)計，可以簡稱為“功能原理設(shè)計”。 功能原理設(shè)計的重點(diǎn)在于提出創(chuàng)新構(gòu)思，是思維盡量“發(fā)散”，力求提出較多的解法供比較選優(yōu)。對構(gòu)件的具體結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝等則不一定要有成熟的考慮，因此常只需用簡圖或示意圖來表示所構(gòu)思的內(nèi)容。 功能原理設(shè)計是對產(chǎn)品的成敗起決定性作用的工作。 結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則 1. 明確 2. 簡單 在機(jī)構(gòu)設(shè)計 中，在同樣可以完成功能的條件下，應(yīng)優(yōu)先選擇結(jié)構(gòu)較簡單的方案。機(jī)構(gòu)簡單體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)中包含的零件數(shù)量較少，零部件的種類較少，零件的形狀簡單。 結(jié)構(gòu)簡單通常有利于加工和裝配，有利于縮短制造周期，有利于降低制造與運(yùn)行成本；簡單的結(jié)構(gòu)還有利于提高裝置的可靠性，有利于提高工作精度。 3. 安全可靠 本設(shè)計實體制造性設(shè)計，這就要求在設(shè)計中更要聯(lián)系實際，進(jìn)行設(shè)計制造。本次設(shè)計正是本著這樣的原則進(jìn)行的。同時實際操作給了我成功。 27 第四章 控制電路及控制器設(shè)計 制電路設(shè)計 控制電路的設(shè)計，取決于機(jī)器人的控制 機(jī)理。大部分的機(jī)器人采用無線可編程控制。這樣的控制形式使機(jī)器人更加智能化。通過利用紅外線電磁波等無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，機(jī)器人的工作空間大小擴(kuò)展，而且通過編程器的使用，使機(jī)器人有了一定的工作自主能力。但是這樣控制電路過于精密復(fù)雜。 在本次設(shè)計中，主要任務(wù)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造。對于這種簡單機(jī)器人載具的設(shè)計試制工作，控制電路不宜過于復(fù)雜，所以選擇了簡單的開關(guān)控制和變阻器調(diào)速。在這個電路中每個電動機(jī)都必須有三個狀態(tài)，即正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停機(jī)。且在正反轉(zhuǎn)時均可調(diào)速。它們都是獨(dú)立工作，且可同時運(yùn)轉(zhuǎn)，這就要求每個直流電機(jī)都必須配 備一套獨(dú)立的換向開關(guān)和調(diào)速變阻器。在工作過程中想要避免同一電機(jī)正反轉(zhuǎn)電流同時供電，如果采用兩個單獨(dú)開關(guān)，在手動控制過程中，難免會出現(xiàn)一種工作狀態(tài)并未逝電，就啟動了另一種工作狀態(tài)，這樣就相當(dāng)于電源反接，避免此種情況的發(fā)生更好實現(xiàn)控制器的人性化設(shè)計，電路中運(yùn)用了中間斷開的雙向觸點(diǎn)多極開關(guān)，在總電路中設(shè)置總開關(guān)，是整個電路的啟停更方便，處理緊急情況時關(guān)閉所有電動機(jī)電源更快捷?？傠娐泛透鱾€電機(jī)分電路中可以并聯(lián)入小燈泡，以起到電源指示作用。 基本控制電路圖 28 在各個電動機(jī)上并聯(lián)入兩組發(fā)光二極管與適值電阻的串聯(lián)電路（ 兩組串聯(lián)電路中發(fā)光二極管分別采用正接與反接），利用發(fā)光二極管的單向?qū)ㄌ匦?，來指示電動機(jī)的正反轉(zhuǎn) 。 加裝指示電路的控制電路 關(guān)元件選用 電路中的主要負(fù)載部分及電源電動機(jī)已經(jīng)確定，下面對開關(guān)、變阻器選用指示電路部分的發(fā)光二極管電阻進(jìn)行選擇。 開關(guān)、變阻器這類元器件都有外露的受控部分，必須考慮手動的合理性和開關(guān)自身的可安裝性，由于在我們現(xiàn)有加工能