履带机器人驱动机构及关节机构设计说明书

导读:湖南科技大学本科生毕业设计(论文),第三章履带搜救机器人的总体结构方案设计,3.1井下复杂环境对救灾机器人的要求,搜救机器人需要满足井下工作环境的特殊要求,复杂的路况要求井下机器人要有较强的越障、避障能力和行驶功能恢复能力,搜救机器人需要进行矿用隔爆兼本安型设计,厢体要进行密封、防水设计,机器人只有自带光源,井下的特殊环境要求所设计的搜救机器人形体较小,3.2典型移动机构方案论证分析,便携式机

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湖南科技大学本科生毕业设计(论文)

第二章 绪 论

第三章 履带搜救机器人的总体结构方案设计

3.1 井下复杂环境对救灾机器人的要求

井下环境和气候与地面不同,井下环境恶劣,特别是事故刚刚发生后的井下条件更为恶劣。搜救机器人需要满足井下工作环境的特殊要求,具备快速搜寻并且准确定位井下失踪人员的功能,还要有简单的急救功能。

井下地形矿山井下地形复杂,环境恶劣。巷道路面多积水,有矿车铁轨、水沟、风管、线缆等障碍物;支巷道路面窄而不平,多有坡度;工作面处的路面坡度大,有碎煤、支撑、滑道等障碍。灾害发生后,脱落的顶板、岩石、煤块等形成新的障碍物。复杂的路况要求井下机器人要有较强的越障、避障能力和行驶功能恢复能力。

井下气候灾害后,井下通风系统常受到破坏,使井下气候发生明显的变化,常见瓦斯和粉尘浓度增大,灾变区域的温度、湿度增加,风量减少。所以二次瓦斯爆炸的危险

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也常常是影响救护队员及时下井救护的一个主要因素。为了在高瓦斯下安全工作,搜救机器人需要进行矿用隔爆兼本安型设计;元件在井下温度变化范围内应能可靠地工作;为了防止煤尘和积水进入车体内部和运动副,厢体要进行密封、防水设计。

光照与烟雾井下无自然光,机器人只有自带光源。事故后,往往烟雾充斥巷道和工作面,能见度低,对照明产生一定影响。

能源使用井下专用蓄电池供电。

因此,井下的特殊环境要求所设计的搜救机器人形体较小,载荷较大,运动灵活,具有通过狭小空间、碎煤和岩石区的能力,能够实现较大弧度的转动,较强的越障、爬坡能力,以及防爆、防水、耐高温、视觉防尘等功能。

3.2 典型移动机构方案论证分析

便携式机器人按移动方式分主要有轮式、履带式、腿足式三种,另外还有步进移动式、蠕动式、混合移动式、蛇行移动式等。 3.2.1 轮式移动机构特点

轮式移动机构在救灾机器人中是最为普通的运动方式,轮式机器人移动机构普遍具有结构简单、运动速度快、能源利用率高的、机动性好强的特点,同时具有自重轻、不损坏路面、作业循环时间短和工作效率高等优势。控制的角度看,编程简单并有较高的可靠性,每个轮子都可以独立驱动。与履带式移动机器人相比,当跨越不平坦地形时,轮式机器人有着固有的不足,限制了其运动能力,其稳定性和对环境的适应性完全依赖于环境本身的状况,对于进入复杂的环境完成既定任务存在严重的困难。轮式移动机构按轮的数量可分为2轮、3轮、4轮、6轮、8轮。该结构存在着一定的局限性,只能在相对平坦、表面较硬的路面上行驶,如遇到软性地面(如沼泽、草地、雪地、沙地等)容易打滑、沉陷,但可根据具体地面环境采用一些预防措施来缓解该类情况的出现,如采用不同种类的款式轮胎以提高其越野能力,象沙漠车辆、山地车辆等,其各种结构如图2-1所示。

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图2-1 轮式移动装置示意图

3.2.2 腿式移动机构特点

腿足式移动机构分2腿、4腿、6腿、8腿等形式。腿式移动机构优点有: (1)腿式机器人的地形适应能力强。腿式机器人运动轨迹由一系列离散点组成,崎岖地形可以给这些离散点提供支撑,使机器人平稳运动;而轮式和履带式机器人的运动是连续规迹,有些起伏较大的地形则不支持这种连续运动轨迹,进而限制了该类机器人活动范围。

(2)腿式机器人的腿部具有多个自由度,运动更具有灵活性,通过调节腿的长度可以控制机器人重心位置,因此不易翻倒,稳定性更高;

(3)腿式机器人的身体与地面分离,这种机械结构优点在于机器人身体可以平稳地运动而不必考虑地面的租糙程度和腿的放位置,8腿移动机器人如图2-2所示,特点是稳定性好,越野能力强。

腿式移动机构缺点有:

该类机器人的移动速度慢,机动性较差.因此机器人的负载不能太重; 腿式机器入对地面适应性和运动灵活性需要进一步提高; 腿式机器人控制系统较为复杂,控制方法还有待完善; 该机构未进入实用化阶段。

图2-2八腿机器人

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3.2.3 履带式移动机构特点

履带式移动机构分为l条履带、2条履带(履带可车体左右布置或者车体前后布置)、3条履带、4条履带,6条履带,履带式移动机构与地面较大的接触面积,因此在较大的区域内分布机器人的重量,较大的接触区域使机器人具有较好的驱动牵引力,机动性能好、越野性能强,缺点是结构复杂、重量大、摩擦阻力大,机械效率低,在自身重量比较大的情况下会对路面产生一定的破坏。履带式移动机构比较轮式移动机构有以下几个特点:

(1)撑面积大、接地比压小、滚动阻尼小、通过性比较好; (2)越野机动往能好,爬坡越沟等性能均优于轮式结构; (3)履带支撑面上有履齿不打滑,牵引附着性能好;

(4)结构较复杂重量大,运动惯性大,减震功能差,零件易损坏。 图2-3为一部分履带式移动机构的简图

图2-3 履带式移动装置示意图

3.2.4 履、腿式移动机构特点

履腿复合移动机构综合了履带式和腿式两种移动机构的优势,在地面适应性能、越障性能方面有良好表现。履带移动机构地面适应性能好,在复杂的野外环境中能通过各种崎岖路面,它的活动范围广,性能可靠,使用寿命长,轮式移动机构无法与其比拟,适合作为机器人的推进系统;传统履带移动机构往往是两条履带与车身相对固定,很大程度上限制了机器人地形适应能力(此时机器人履带高度和长度直接决定了机器人越障、跨沟等性能),为了解决该问题履式移动系统中引入了关节履带机构,两条履带不再相对车体固定而是能绕车身转动,这样能大大提高机器人的环境适应能力,但履、腿复合机构本身存在着一定的不足如结构复杂、运动控制困难等。

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3.2.5 轮、履、腿式移动机构性能比较

车轮式,履带式、腿足式移动系统性能比较见表2-1所示。

表2-1典型移动机构的性能对比

移动方式 移动速度 越障能力 复杂程度 能耗量 控制难易

轮式 快 差 简单 小 易

履带式 较快 一般 一般 较小 一般

腿式 慢 好 复杂 大 复杂

3.3 本研究采用的行走机构

本文提出来的便携式履带机器人移动系统采用的是履、腿(轮)复合结构,该结构最大优点在于在传统履带移动机构的基础上增加了转动关节,加强了机器人越障、爬坡性能并提高了环境适应能力。

机器人能根据地形条件的复杂程度,通过主动调节两侧履带与车身约束关系来选择自适应环境或者是主动适应环境。自适应环境可以提高机器人运动稳定性能、平顺性能;主动适应环境可以提高机器人通过性能,机器人设计方案如下图2-4所示。

图 2-4 便携式履带机器人结构组成

1.后轮驱动电机及组件 2.摆臂电机及组件 3.主履带 4.摆臂履带 5.齿轮

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