机械毕业设计（论文）蛇形搜救机器人的原理机构设计【全套图纸三维】.doc

湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题 目： 蛇形搜救机器人的原理机构设计 全套图纸三维，加153893706学 院： 湖南湘潭大学兴湘学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 2014-05-31 目 录摘要1Abstract1 引言2一、绪论2 1.1背景及意义2 1.1 国内外发展趋势及研究状况3二、设计方案52.1 机构设计52.2 驱动设计 .62.2 基本尺寸7三、蛇形机器人的运动分析73.1 蛇形机器人蠕动分析83.2 蛇形机器人蜿蜒运动103.3 蛇形机器人侧向运动113.4 蛇形机器人侧向翻滚12四、蛇形机器人的齿轮设计124.1.1确定转速124.1.2确定齿数124.1.3确定齿轮马达排量124.1.4确定齿轮模数134.1.5 确定齿宽.134.1.6齿轮参数表. .134.2 齿面接触强度校核.154.2.1使用系数Ka的确定.154.2.2 齿轮精度的确定.154.2.3动载系数Kv的确定.16 4.2.4齿向载荷分布系数的确定.164.2.5齿间载荷分配系数的确定.164.2.6弹性系数Ze.164.2.7动载系数K16 4.2.8齿宽系数.174.2.9接触疲劳强度极限. .174.2.10计算循环应力次数.174.2.11接触疲劳寿命系数.174.2.12齿轮的输入功率.164.2.13齿轮传递的转矩.17 4.2.14计算接触疲劳强度.184.3 齿面弯曲强度校核.184.3.1弯曲疲劳强度极限.184.3.2弯曲疲劳寿命系数.184.3.3计算弯曲疲劳许用应力.194.3.4载荷系数.194.3.5齿形系数及应力校正系数.194.3.6 计算齿根危险截面弯曲强度.19五、蛇形机器人电机的选择.20六、蛇形机器人的导航分析21七、工作原理分析21八、主要创新点22九、应用前景分析22致谢23参考文献.24蛇形搜救机器人的原理机构设计摘要：本设计是一种可携带的齿轮式蛇形搜救机器人，它集成了机械工程、电子技术、智能控制、计算机科学等多科领域先进研究成果，在救援中可用于环境勘探、破障、目标指示跟踪，可以为救援人员提供有效的信息以便做出最有效的措施。本论文的研究目的是设计机构新颖、具有独创性、可携带抗冲击的智能移动机器人。关键词：蛇形搜救机器人；三维仿真；轮子移动The Principle of Serpentine Search and Rescue Robot Mechanism DesignAbstract: This design is a kind of portable gear type serpentine, search and rescue robot, it integrates mechanical engineering, electronic technology, intelligent control, computer science, and other areas of the multidisciplinary advanced research achievements, can be used in the environment of exploration in the rescue, to break the barrier, tracking target designation, can provide effective information for rescue workers to make the most effective measures. The research purpose of this paper is to design novel, original, portable resistance to impact of intelligent mobile robot.Key Words: Snake search and rescue robot; 3 d simulation; The wheel moving引言蛇形搜救机器人是一种高冗余度移动机器人，具有多于确定机器人空间位置和姿态所需的自由度使得它可以摹仿生物蛇的无肢运动。蛇形机器人可适应各种复杂地形的行走,其性能优于传统的行走机构,在许多领域具有非常广泛的应用景。如在有辐射、有粉尘、有毒及战场环境执行侦察任务;在地震、塌方及火灾后的废墟中找寻伤员；在狭小和危险条件下探测和疏通管道；为人们在实验室里研究数学、力学、控制理论和人工智能等提供实验平台等等。在21世纪的今天，随着自然灾害、恐怖活动和各种突然事故发生的越来越多，在灾难救援中，救援人员用较短的时间在废墟中寻找幸存者的几率比较小，在这种紧急而危险的情况下，救援机器人可以为救援人员提供有效的帮助。因此，将具有自主智能的救援机器人用于危险而复杂的环境中搜索和营救幸存者是非常实用的。随着经济的快速发展煤炭的消耗越来越大，而我国的煤炭事业大多数为矿工开采，所以存在的不安全因素很多，瓦斯煤尘和火灾等灾害事故频繁发生，灾害事故严重伤害矿工和造成重大经济损失。因此开发具有智能的救援机器人是非常具有现实意义的。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，只能通过提升绞车、移动式风车等设备清除垃圾，向井下通风，然后再搜救遇险矿工。 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，机器人将被应用到煤矿救灾领域。一、绪论11背景及意义随着科学的日益进步和人们生活水平的不断提高，机器人作为20 世纪人类的伟大发明之一，已经逐步地进入了生产和生活领域：工业生产中的用力进行超精密加工的并联机器人，海洋勘探领域中的水下机器人，太空探索领域中的行星探测器如美国的火星车，流水线上代替人工的工业机器人，类人机器人和仿生机器人。这些机器人的出现并逐步应用，使我们能强烈地感受到机器人应用范围之广，影响程度之深。 在21世纪的今天，随着自然灾害、恐怖活动和各种突然事故发生的越来越多，在灾难救援中，救援人员用较短的时间在废墟中寻找幸存者的几率比较小，在这种紧急而危险的情况下，救援机器人可以为救援人员提供有效的帮助。因此，将具有自主智能的救援机器人用于危险而复杂的环境中搜索和营救幸存者是非常实用的。随着经济的快速发展煤炭的消耗越来越大，而我国的煤炭事业大多数为矿工开采，所以存在的不安全因素很多，瓦斯煤尘和火灾等灾害事故频繁发生，灾害事故严重伤害矿工和造成重大经济损失。因此开发具有智能的救援机器人是非常具有现实意义的。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，只能通过提升绞车、移动式风车等设备清除垃圾，向井下通风，然后再搜救遇险矿工。 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，机器人将被应用到煤矿救灾领域。 机器人的研究领域已经从结构环境下的定点作业中走出来，向着非结构环境下的自主作业方向发展。传统的设计方法已经不能满足机器人在非结构化的、未知环境下作业的要求，要解决的主要问题之一就是能实现新的运动方式。传统的轮式移动机器人的运动平滑,效率高,但需要相对光滑的地面,不能够适应恶劣的环境。同样使用履带，可以改进移动机构适应地面的能力，但它却无法充分实现运动的灵活性。步行机器人有着诸如运动的速度慢和稳定性差等弊端，这就促使人们去进一步寻找灵活的运动模式。而自然界的蛇的运动是一种“无肢运动”,它不需要轮子和腿。蛇由于在结构上无肢，可以爬树、游水、钻洞、绕过障碍物、穿越沙漠，在平坦的地面爬行更是能达到行动如飞。蛇的身体，虽然只不过象一条绳子，但具有多种运动变化方式，功能强大：在前行的时候可以当“腿脚”，在攀爬的时候可以当“手臂”，而在攫取东西的时候又可以当“手指”。 蛇形机器人模拟自然界蛇的无肢结构，具有多关节、多自由度，多冗余自由度的特点，可以有多种运动模式，良好的地面适应性和运动稳定性，在许多领域具有广泛的应用前景：如在有辐射、有毒等危险环境下的侦察和搜索；在地震、塌方及火灾后的废墟中搜寻灾难幸存者；在狭小和危险条件下探测和疏通管道；在航空航天领域可用其作为行星表面探测器，轨道卫星的柔性手臂。蛇形机器人具有稳定性好、横截面小、柔性等特点，能在各种粗糙、陡峭、崎岖的复杂地形上行走，并可攀爬障碍物，这是以轮子或腿作为行走工具的机器人难以做到的。由于其环境适应能力强，因此，在废墟搜索救援工作中，具有广阔的应用前景。1.2 国内外的发展趋势和研究现状在救援机器人的研究方面，美国走在了世界前列，他具有独立的实验性无人作业，加上近年来灾难事故的不断增多，小型智能履带机器人的研究工作越来越受到现在人的高度重视。日本大阪大学研制出蛇形机器人，能在高低不平的模拟废墟上前进，其顶端带有1部小型监视器，身体部位安装传感器，可以在地震后的废墟里寻找幸存者。 当今美国研究的智能机器人，能适应崎岖不平的地形环境、爬楼梯，它主要执行侦察、寻找幸存者、勘探化学品泄漏等任务。1995年日本神户-大阪地震及其后发生在美国俄克拉荷马州的阿尔弗德联邦大楼爆炸案，揭开了救援机器人技术研究的序幕。2001年美国的911事件，美国机器人辅助救援中心和其他一些单位的救援机器人参与了救援活动。例如Foster-Miller公司的系统（图1）、Tolon系统（图2）以及Inuktun公司的Vgtv系统（图3、图4），如下图所示：图1Foster-Miller公司的系统图2 Tolon系统日本的Hirose教授首先提出蛇形机器人运动系统，并研制出了第一个蛇形机器人（如图3显示）图4为蛛型机器人“星标”。图3蛇形机器人图4 星标随着对救援机器人的不断深入研究，越小而效率高的履带式救援机器人深受大家的喜爱。在目前的救援工作中，往往释放许多的机器人，以扩大搜索范围，提高工作效率，并且多个机器人协同合作，可以提高信息的可靠性和准确性。各个机器人之间相互交流可以解决诸如定位、全覆盖、翻越障碍等单个机器人难以处理的问题。履带式的机器人撑地面积大、摩擦大能更好的翻越障碍，所以现在是主流。而国内现在针对救援机器人的研究相对分散，主要集中在警用、民用的便携式履带机器人。虽然我国救援机器人的研究才刚刚起步但进展很快。例如清华大学精密系及其自动化实验室的微小型机器人可以很好的实现目标、视觉信息的分析处理。二、设计方案蛇形机器人是将蛇的结构加以简化，提出了连杆铰链机构,分析了自然界蛇的典型运动方式。本设计包括对蛇形机器人的结构设计，对运动形式进行分析，确定蛇形机器人的控制方案以及选择的传感器，使机器人在复杂的地面上工作，实现救灾功能。2.1 机构设计从仿生的角度对蛇形机器人的机构进行了设计，并对其运动机理进行了研究，提出一种新型的可重构蛇形机器人机构，如图1所示。智能控制单元是由一个控制板和一个舵机组成，舵机是和舵机架相连接，舵机架和转动框架相互连接。工作时，舵机轴转动，通过连接的圆形舵带动转动框架转动。舵机的输出由活动板传递给下一单元。同时，连接板上的连接孔均匀地分布在同一直径的圆周上，可保证两模块按轴线平行或垂直方式连接，实现了模块间连接的通用性，达到机构可重构的设计目的。图1 蛇形机器人的连接结构蛇形机器人的运动单元主要有两种组合形式，方案一是单元间的舵机架与转动框架平行连接，实现两个单元的转动轴为平行关系，如图2所示，单元组可进行二维空间的运动。图2 蛇形机器人的连接方式一 2.2驱动设计 蛇形机器人采用的齿轮式驱动装置，每个关节安装3个齿轮，通过伺服电动机的驱动圆锥齿轮可以使其运行 ，如下图设计2.3 基本尺寸蛇形机器人总长度为70 cm，重约2.5kg -5kg，机构的主体材料是铝合金，在下表面是摩擦系数比较大的附加材料，主要是为了增加机构和地面之间的摩擦力。机构的各部分的参数如下表所示。舵机扭力 3.5kg.cm重量 36g工作电流280mA速度 0.5 sec/60 degree工作电压 4.86.0V尺寸 40.8*20.1*36.5电池 1品牌 GE POWER重量71g标称电压 11.1V标称容量860mah放大倍率持续20C尺寸 56*31*22mm电池 2品牌 GE POWER重量33g标称电压:7.4V标称容量:500mAh放电倍率:持续20C尺寸 55*31*11mm舵机架材料 铝合金重量 20.83g尺寸 56*50*66mm转动框架材料 铝合金重量 48.21g尺寸 64*25*42mm蛇形机器人总共有10个关节，其中包括一个头和一个尾。在头部安装了两只眼睛,利用螺钉连接。眼睛不只为装饰,将其做成两个部件的装配结构,眼球内装有传感器,实现智能控制。尾部是整个机器人的供电中心,需要安装一块6V 的电池,为了使其在运动中稳定且不发生松动或滑落现象,采用双侧卡槽的安装方式,底部加上限位螺钉。三、蛇形机器人的运动分析 理论直线运动速度1m/min。能够爬30度斜坡，并能够越过10cm 左右的台阶，可以实现避障功能。在倒塌的建筑物中，有很多碎石，纺织物，而且有些地方是干的，有些地方由于水管的破裂变得泥泞，因此要求蛇形机器人有多种运动方式，适应不同的环境。本课题研究的蛇形机器人可以实现四种运动：蜿蜒运动：用于在较平坦的地面上运动。伸缩运动：用于通过狭窄的通道侧向移动：用于在碎石中运动翻滚运动：用于自身姿态调整及越障3.1 蛇形机器人蠕动分析蛇形机器人的蠕动过程首先将机器蛇简化为N节长度为l的平面连杆系统初始状态时蛇形机器人为一条直线如图4所示。图4 蠕动过程的运动波形运动开始时 P0 P1 和P1P2 运动。点P0沿着x轴前进，其他点 P i ³ 2 固定不动。与此同时杆件P0 P1与x轴之间的夹角a从0° 到达给定的角度0 a 当该阶段结束时杆P0 P1与x轴之间的夹角为a0。图3中阶段c 此时除了P1点外其他点均位于x 轴上下一阶段P0 P1 P 1 P2 和P2 P3 为动杆点P0 和Pi ，其中i ³ 3 均保持不动夹角a 从a0 变为0° 与此同时P2P3与x 轴的夹角b 从0° 变为a0 见图3-1 中d 当这一阶段结束时系统处于状态P1P2 和P2 P 3与x 轴之间成等腰三角形除了点P2 外其他点均位于x 轴上重复这个过程直到蛇形机器人到达状态f 最后恢复到直线状态g在一个运动周期内整个系统沿x 轴的位移StepL相当于点P0 从状态a 到状态b 的位移设每一节长为l 有从图4可知在波形传递阶段动点为P i 和Pi + 1 (1£ i £ N -1) 其他点静止不动比如运动波形从状态c 到状态e 只有点P1 和P2 在动因此可以将P i-1P i ，PiP i+1 ，P i+1P i+2和P i-1P i+2 简化成如图5所示的四连杆机构。图5 蛇形机器人运动模型在波形转换过程中，P1 - i 和P2 + i 之间的距离d 不变即d0 = l + 2l cosa，图中qi表示组成运动波形的连杆与水平地面的夹角，fi 表示相邻连杆间的夹角，顺时针为负逆时针为正。根据图5 所示在连杆，存在如下矢量关系Pi+2Pi+1+Pi+1Pi=Pi+2Pi-1Pi-1Pi+即将其在x，y轴上分解得消去得到：式中根据上面的公式可以解得：这里 N代表符号系数，通过上面的公式可以得到转角3.2 蛇形机器人蜿蜒运动蛇形机器人蜿蜒运动曲线的方程为其中；s表示从起始点到当前点的弧长；a表示曲线的摆动幅度；b表示单元长度内包括的波形周期数；c波形的偏移角下面我们将给出由n 杆组成的近似的蜿蜒运动曲线并用x(s) 和y(s) 表示假设每个连杆的长度为1/ n 那么曲线上的第n +1 点可近似表示为， 于是x (si)和y (si) 可近似表示为用表示第i杆沿逆时针方向与x - axis 轴间的绝对角度为于是表示为上式是由n 杆组成的近似蜿蜒运动的角度函数假如蛇形机器人的角度变化函数为那么此时蛇形机器人相邻连杆之间的相对角度变化函数为由蜿蜒运动曲线的定义及对n 杆组成的近似蜿蜒运动的分析我们完全可以将蜿蜒运动的蛇形机器人相邻连杆之间的角度函数定义为式中为运动波形的最大摆动幅度；为蛇形机器人相邻两关节的相位差；为运动运动波形的角度偏移值；表示波形传播速度。那么此时在参考坐标系(x' o' y') 中蛇形机器人的角度变化函数可表示为式中3.3 蛇形机器人侧向运动蛇形机器人在侧向蜿蜒运动过程中，部分机体与地面接触、作为静态接触点，部分机体抬起实现空间侧移，如此反复，实现侧向前进。由于运动过程中，机体是由上向下与地面接触的，所受的摩擦阻力较小，而几机体与地面有多个接触点，因此适合沙漠、软土等低剪切运动环境。在松软和温度较高的沙漠环境中，如果蛇形机器人采用平面蜿蜒运动进行连续作业，将消耗大量的摩擦功，导致蛇体的摩擦变形、受热损坏。而如果采用侧向蜿蜒运动，由于其滑动摩擦阻力小，且部分机体与地面接触，可以克服平面蜿蜒运动所带来的缺点，提高运动的效率。侧向是蛇形机器人可实现纯侧向位移的一种运动方式, 它也是通过控制它的Z 轴和X 轴的转角变化(正弦) 而实现的, 与侧向蜿蜒运动不同之处是每个运动波内的各个关节之间相差为零. 两个异相波有一个相位差为DU.其运动表达式为两个波形曲线的相差和波的传播方向决定侧向运动的姿态和方向, 实验表明, 要达到较好的运动效果, 两个波之间的相差也应为±Pö 2. 通过控制运动波的幅值不同可以实现各种形式的侧向移动. 当所选的幅值较小时, 蛇形机器人头部和尾部与腹部交替与地面接触,3.4 蛇形机器人侧向翻滚侧向翻滚运动是一种自然界中生物蛇没有的特殊运动方式，是蛇体绕其体轴回转的一种运动模式，是通过机体在两个互相垂直的平面内形成两个弧形曲线的相互作用实现的。不同平面内两相邻模块的相互作用，产生了绕体轴的回转驱动力矩。通过调整弧形曲线的弧度，它可以实现与地面全接触的纯侧向滚动或部分关节与地面脱离的空间滚动形蛇形机器人的翻滚运动用于自身姿态调整及越障，形机器人侧向滚动也可以看作是相互垂直的两个平面内波的共同作用实现的，与侧向蜿蜒运动不同之处在于，每个运动平面内的各关节变化的相位差为零，即两个平面内的波不再是Serpenoid曲线，而是圆弧状，翻滚运动的控制方程为：无线传输模块上位单片机串行异步通讯下位单片机执行单元电机驱动系统下位单片机执行单元电机驱动系统下位单片机执行单元电机驱动系统下位单片机执行单元电机驱动系统下位单片机执行单元电机驱动系统下位单片机执行单元电机驱动系统下位单片机执行单元电机驱动系统下位单片机执行单元电机驱动系统四、蛇形机器人齿轮的计算4.1齿轮参数的确定 4.1.1确定转速齿轮马达虽然属于高转速低转矩的液压原件，但转速过高由于离心力的作用，高转速液体不能充满整个齿间，以至流量减小并引起气蚀，增大噪声和磨损，对高粘性液体的输送影响更大，本设计采用最常用的45/s工业齿轮油，节圆极限转速可按表1选取。表2-1 工业齿轮油粘度与节圆极限速度关系工业齿轮油粘度124576152300520760节圆极限速度543.732.21.61.25根据表格数据，由插补法可得液体粘度为45/s时所对应的线速度V=4m/s。节圆线速度 （式2-1） 式中：D节圆直径（mm）其值为81mm 有上式可知： (r/min) 其最大转速为943.6 r/min，结合该设计取其转速n=900 r/min4.1.2确定齿数齿数的确定，应根据齿轮马达的设计要求从流量、压力脉动、机械效率等各方面综合考虑。从马达的流量方面来看，在齿轮分度圆不变的情况下，齿数越少，模数越大，泵的流量就越大。从马达的性能抗，齿数减少后，对改善困油及提高机械效率有利，但使马达的流量及压力脉动增加。为减少转矩的脉动，齿轮马达的齿数相对于齿轮泵的齿数较多。结合齿轮马达的发展现状及其综合性能选其齿数Z=18.4.1.3确定齿轮马达排量有能量守恒定理可知： （式2-2）式中：由于该设计的齿轮马达的回油压力为大气压所以=10Mpa 理论转矩=100N·m,故其机械效率=1所以有上式可得：ml/r4.1.4确定齿轮模数对于低压齿轮马达来说，确定模数主要不是从强度方面着眼，而是从马达的流量、压力脉动、噪声以及结构尺寸大小等方面。因为齿轮的齿数为18不会发生根切现象，所以在这里不考虑修正，以下关于齿轮参数的计算均按标准齿轮参数经行。理论排量近似公式 （式2-3）齿宽公式 (式2-4）由（1）（2）可知： （2-5）当时， m=4.5 当时， m=4.11取m=4.5 取B=30mm4.1.5确定齿宽 有2.1.4可知齿轮马达的齿宽B： B=30mm4.1.6齿轮参数表 此设计的齿轮马达的材料 选为，调质后表面淬火。其齿轮的有关参数如下表所示：表2-2液压齿轮组参数名称代号计算公式理论中心距实际中心距齿顶圆直径基圆直径齿侧间隙啮合角齿顶高齿根高全齿高齿根圆直径顶隙径向间隙齿顶压力角分度圆弧齿厚齿厚齿轮啮合的重叠系数公法线长度取侧隙 分度园直径 mm 因该齿轮马达所用的两个齿轮等大，固传动比所以4.2齿面接触强度校核齿轮马达在入口高压液体的压力下，由于液压力的作用下齿轮相互啮合向相反的方向转动。齿轮之间相互啮合故需对其进行校核。4.2.1使用系数的确定使用系数表示齿轮的工作环境（主要是振动情况）对其造成的影响，使用系数的确定如下：表2-4 使用系数原动机工作特性工作机工作特性均匀平稳轻微转动中等振动强烈振动均匀平稳1.001.251.501.75轻微振动1.101.351.601.85中等振动1.251.501.752.0强烈振动1.501.752.02.25或大更齿轮液压装置一般属于轻微振动的执行元件所以按上表中可查得可取为1.35。4.2.2齿轮精度的确定表2-5各种机器所用齿轮传动的精度等级范围机 器 名 称精 度 等 级机 器 名 称精 度 等 级汽轮机3 - 6拖拉机6 - 8金属切削机床3 - 8通用减速器6 - 8航空发动机4 - 8锻压机床6 - 9轻型汽车5 - 8起重机7 - 10载重汽车7 - 9农业机械8 - 11齿轮马达为精一般的执行元件其振动轻微及速度一般故此处取其精度为7。4.2.3动载系数的确定动载系数表示由于齿轮制造及装配误差造成的不定常传动引起的动载荷或冲击造成的影响。动载系数的实用值应按实践要求确定，考虑到以上确定的精度和轮齿速度，偏于安全考虑，参考下图此设计中取为1.1。 图2-1 动载荷系数值 4.2.4齿向载荷分布系数、的确定齿向载荷分布系数是由于齿轮作不对称配置、轴的扭转变形、轴承、支座的变形以及制造、装配的误差等影响齿向载荷分布而添加的系数，根据机械设计，此设计齿轮对称配置由插入法可得=1.100 。由b/h=30/10.125=2.963, =1.12 查机械设计图10-13可得=1.34.2.5齿间载荷分配系数的确定一对相互啮合的齿轮当在啮合区有两对或以上齿同时工作时，载荷应分配在这两对或多对齿上。但载荷的分配并不平均，因此引进齿间载荷分配系数以解决齿间载荷分配不均的问题。对直齿轮及修形齿轮，取。4.2.6弹性系数此设计中齿轮材料选为45刚（其含碳量为0.37%-0.44%，锻钢含碳量在0.15%-0.6%），调质后表面淬火，由机械设计表10-6可取。 （式2-6）4.2.7动载系数 （式2-7）4.2.8齿宽系数 （式2-8）4.29接触疲劳强度极限由机械设计图10-21按齿面硬度差得齿轮的接触疲劳强度极限。如下图： 图2-2 齿轮接触疲劳极限 4.2.10计算循环应力次数 循环应力次数 （式2-9） 其中：n为齿轮的转速（单位是r/min）；j为齿轮每转一圈，同一齿面啮合次数；为齿轮的工作寿命（单位为h）令该设计马达的寿命为10年。 2.2.11接触疲劳寿命系数由机械设计图10-19取接触疲劳寿命系数 如下图：图2-3 弯曲疲劳寿命系数4.2.12齿轮的输入功率设齿轮马达功率为，流量为Q，工作压力为P，则 （式2-10）所以每个齿轮的功率为 （式2-11）4.2.13齿轮传递的转矩 由已知可得该设计的齿轮转矩为：T=100000 N·m4.2.14计算接触疲劳强度载荷系数 径向力 （式2-12）因为齿数比u=1 = 872.3MPa < （式2-13）所以齿轮的劫持疲劳强度满足要求。4.3齿面弯曲强度校核4.3.1弯曲疲劳强度极限由机械设计图10-20c查得齿轮的弯曲疲劳强度极限 。4.3.2弯曲疲劳寿命系数由机械设计图10-18取弯曲疲劳寿命系数: 如下图：图2-4弯曲疲劳强度寿命系数4.3.3计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 S=1.3 则： （式2-14）4.3.4载荷系数 4.3.5齿形系数及应力校正系数由机械设计表105查取齿形系数 应力校正系数。4.3.6计算齿根危险截面弯曲强度 （式2-15）所以，按齿面接触疲劳强度校核，所选齿轮参数符合要求，按齿根弯曲疲劳强度校核亦符合。此齿轮的设计符合强度要求。电机选型五、蛇形机器人电机的选择1、电机类型选择多功能爬楼梯装置的驱动机构电机是整个系统的核心，它在一定程度上决定了装置使用的安全性、可靠性。平地驱动采用两个小功率电机驱动，爬楼动作由另两个大功率电机驱动。整个系统以蓄电池作为供电能源，可供选择的电机有步进电机、直流电机和无刷直流电机14。(l)步进电机步进电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，能够快速起动与停止。它通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制，控制系统结构简单，维修方便。但是步进电机能耗太大，速度也不高，且存在一个固有缺点，即在低速转动时振动和噪声大，不利于整个装置的稳定。(2)直流电机直流电机具有良好的起动、制动和调速特性，具有很宽的调速范围，且易于平滑调节。它具有控制特性好、响应速度快等优点，满足装置对突发情况做出反应的灵敏性要求；而且低速时平稳性好，满足了装置在爬楼运动时低速稳定性的要求;起动转矩大、过载能力强，可以满足装置爬坡、翻越台阶的性能要求。但是传统的直流电机均采用换相器和电刷以机械方法进行换相，因而存在相对的机械摩擦，由此带来噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等问题，需要经常维护。(3)无刷直流电机针对传统直流电机的上述弊病，无刷直流电机采用电子换相电路取代了机械换相装置，不仅继承了直流电机的优点，且具有无噪音、免维护、可靠性高的优越特性。因此我们选用无刷直流电机作为装置的驱动电机，前轮驱动和后轮转向各采用两个普通的无刷直流电机驱动。2、电机型号选择由上可知，本设计采用普通无刷直流电机作为动力源,机器人最大载重为20KG，平地最大速度为1.5km/h，车体及电池重量大约为15KG。（1） 驱动电机选型功率计算：根据以上计算及各个参数，本设计选择济南科亚电子科技有限公司生产的ZW57BL90-230型直流无刷电机作为驱动电机，ZW57BL90-230型直流无刷电机参数如表3.3所示。表3.3 ZW57BL90-230型直流无刷电机参数型号额定功率额定电压最大转矩ZW57BL90-230180W24V2Nm（2） 转向电机选型 转向电机只负责车体转向故不需太大的功率，因此本设计选择济南科亚电子科技有限公司生产的ZW57BL52-225型直流无刷电机作为转向电机，ZW57BL52-225型直流无刷电机参数如表3.4所示。表3.4 ZW57BL52-225型直流无刷电机参数型号额定功率额定电压最大转矩ZW57BL52-22545W24V0.5Nm六、蛇形机器人的导航分析机器人导航相关技术包括机器人定位与地图构建机器人路径规划机器人体系结构传感器数据融合传感器的导航方式是移动机器人导航发展的必然趋势这种多传感器的信息融合。对于救灾的蛇形机器人的研究领域已经从结构环境下的定点作业中走出来向着非结构环境下的自主作业，未知环境中的蛇形机器人运动规划面临两个主要问题蛇形机器人的导航和路径规划解决办法是采用传感器和空间构形法在蛇形机器人都安装了一些非视觉传感器如超声传感器红外传感器接触传感器等 ，利用这些传感器可以实现机器人导航。超声数据与图像数据结合通过事先训练好的神经网络预测障碍物的可能位置从而使得机器人能够在动态非结构化环境中实现自主导航，技术充分利用了多个传感器的资源通过对这些