213.六履带摆臂式搜救机器人研究与仿真.doc

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1、 毕业设计（论文）六履带摆臂式搜救机器人研究与仿真学 院： 机械与车辆工程学院专 业： 姓 名： 指导老师： 机械工程及自动化xxx 学 号： 职 称： xxxxxx教授中国xxx二一O年五月毕业设计（论文）诚信承诺书本人承诺呈交的毕业设计（论文） 基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计总体设计是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计（论文）使用的数据真实可靠。本人签名： 日期： 年 月 日摘 要在对实验室原有六履带摆臂式搜救机器人结构特点、运动特性进行详尽分析和深入解析的基础上，依据新型六履带摆臂式搜救机器人功能要求、使用条

2、件的具体情况，设计了一种越障能力更强、使用功能更全、机动灵活、可靠性高的六履带摆臂式搜救机器人，完成了机器人的结构改造设计及其动画仿真制作，为新型六履带摆臂式搜救机器人的研制奠定了坚实的技术基础。六履带摆臂式搜救机器人的传动方式、结构形式十分复杂，只有通过对原有的六履带摆臂式搜救机器人进行结构剖析与测量，了解其结构特点与运动特性，并采用功能对比的方式，才能了解并掌握其设计要点。本文通过结构仿真、性能分析和优化设计等方式，实现了六履带摆臂式搜救机器人的结构设计与建模、性能分析与仿真、场景动画制作与实现，并对机器人本体结构、传动装置、张紧装置进行了工程设计和技术分析。首先，以实验室原有六履带摆臂式

3、搜救机器人为改进设计的蓝本，采用结构对比、性能分析和机构优化等技术手段，以六履带摆臂式搜救机器人传动系、推进系、支撑系、调整系为主线，开展机器人结构的改进与优化设计，特别是对机器人在不同摆臂时机构的运动和作用进行了分析，给出了几种典型的变形摆臂方式，探讨了相应的使用效果。其次，使用软件建模分析方法，研究了六履带摆臂式搜救机器人在不同环境下的机身姿态与行进步态，给出了六履带摆臂式搜救机器人的运动分析结果，并提出了步态规划的几个原则，设计了一种稳定的六履带摆臂式搜救机器人运行方式，且进行了仿真验证。以上工作内容是六履带摆臂式搜救机器人研究的基础和开端，将对六履带摆臂式搜救机器人的深入研究产生直接而

4、重要的影响，同时，为六履带摆臂式搜救机器人结构的优化设计提供了理论依据，也为六履带摆臂式搜救机器人的研究提供了共性技术基础。关键词：六履带摆臂式搜救机器人；结构优化设计；行进步态规划；Pro/Engineer造型软件；实体造型；动画仿真ABSTRACTThe original variable structure robot status and development trend analysis based on, according to requirements and technical indicators used to design a climbing obstacle st

5、ronger, more complete, flexible, high reliability, variable structure robot crawler, to complete the structural transformation of the robot design and animation simulation.Transmission mode variable structure robot more complex structure, so the robot on the original structural analysis and measurem

6、ent to understand their body structure and gait capital in place, compared with simulation and structure of the transmission function of contrast, enabling a crawler the design of variable structure robot model, and their body structure, drive design, the design of a tension-depth discussions.First

7、generation of machines to the structure size and simple structure optimization is to select the parameters of reasonable means, this is one of the key elements to the robot crawler variable structure determination of main drive pulley, for example, introduced a tracked variable structure Optimizatio

8、n of robot specific program, the structure of this variable structure robot design outlined in detail, but also on the different state agencies when DOF is analyzed, and gives the state some typical deformation structure.First generation machines to structure size and simple in structure optimizatio

9、n is to select the parameter of the reasonable means, the focus of this article also one of the elements, in order to track Variable Manipulators of the main drive pulley to identify an example, the Lvdai-type variable structure robot specific program structure optimization, the structure of this va

10、riable structure robot design outlined in detail, but also on the different state agencies when DOF is analyzed, and gives the state some typical deformation structure.Second, using the software modeling analysis, this variable structure of the robot at different gait under the fuselage structure, g

11、iven the track-type variable structure structure of the robot gait. Variable structure of the tracked robot gait planning to conduct a study of several proposed gait planning principles, design a stable variable structure robot tracked the static operation mode, and simulation verification.Key words

12、: Six search and rescue robot crawler rocker Structural Optimization Road gait planning Pro / Engineer modeling software Solid Modeling Animated Simulation目 录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1引言11.2六履带摆臂式搜救机器人研究现状及发展趋势21.2.1六履带摆臂式搜救机器人的研究现状21.2.2六履带摆臂式搜救机器人的发展趋势41.3课题研究内容及意义51.3.1课题研究的主要内容51.3.2课题研究的目的与意义5第二章

13、 六履带摆臂式搜救机器人的总体结构设计72.1六履带摆臂式搜救机器人的机械设计概述72.2总体结构设计的依据与组成92.2.1机构设计的依据92.2.2六履带摆臂式搜救机器人的组成102.3传动机构设计112.4履带式行走方式设计12第三章 机构的选择与计算143.1引言143.2材料的选择143.3带轮装置的选择与计算153.4张紧装置的选择与计算183.5驱动装置设计213.5.1 电机选择213.5.2 驱动安装位置设置223.6 本章小结22第四章 实体造型及动画制作234.1用Pro/E软件制作实体模型234.2零件的画法244.3 三维动画软件的选择274.4 六履带摆臂式搜救机器

14、人装配动画的设计与制作28第五章 总结30参考文献31致 谢33第一章 绪论1.1引言人类在征服自然和推动社会进步的过程中，面临着自身能力、能量的局限，因而发明和创造了许多机器人来辅助或代替人类完成任务。机器人，是这种机器的最理想形式，也是人类科学研究中所面临的最大挑战之一。六履带摆臂式搜救机器人是机器人学中的一个重要组成部分，它是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合智能控制系统。从现实中，履带式机器人包括侦察机器人、巡逻机器人、爆炸处理机器人、和步兵支援机器人和复杂环境下搜救机器人等，用来代替深入敌方或危险的环境下去侦查或搜集资料、排除爆炸物等工作，能够在很大

15、程度上减少人员的伤亡，在现代和未来的战争中起到越来越重要的作用。民用履带式机器人被广泛用于工业生产以及各种服务领域，如生产线传输、仓物物品搬运、清扫、割草、室内传送、导盲、导游导购、室内外清洗和搜救复杂环境下的资料等各个方面。但国内对这机器人研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主要的研究工作有：清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。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研究（准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划）；基于传感器信息的局部路径规划技术研究;路径规划的仿真技术研究（基于地图的全局路径规划系统

16、的仿真模拟、室外移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟）；传感技术、信息融合技术研究（差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光吗盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术）；智能移动机器人的设计和实现（智能移动机器人THMR-的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统）。上海交通大学的地面移动消防机器人已投入使用。xxx理工大学、南京理工大学等单位承担的总装项目“地面军用机器人技术”研究也是以卡车、面包车作为平台来研究的，是大型智能作战平台。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。中国科学院沈阳自动化研究所的AGC和防爆机器人

17、。中国科学院自动化自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统。哈尔滨工业大学于1996年研制成功的导游机器人等。1.2六履带摆臂式搜救机器人研究现状及发展趋势1.2.1六履带摆臂式搜救机器人的研究现状从20世纪60年代到70年代，迅速普及并实用化的工业机器人给人的印象只是自动机械手。广泛开展机器人移动功能的研究和开发是进入20世纪80年代以后的事。现在作为移动机器人而开发试制的移动机械种类已远远超过了机械手。特别是履带式机器人，它不仅是生物体中没见过的移动形态，而且能够在复杂的底面行进。履带式机器人因采用履带传动方式而得名。履带传动方式又叫循环传动方式，其最大特征是将圆状的循环轨道履带卷绕

18、在若干车轮上，使车轮不与地面直接接触，利用履带缓冲地面而带来的冲击，使机器人能够在各种路面条件下行进。到目前六履带摆臂式搜救机器人还是局限于单个或两个自由度。其系统主要由机器人的机械本体、控制系统、导航系统等部分组成。六履带摆臂式搜救机器人的研究涉及以下几个方面，首先是移动方式的选择。对于履带式移动机器人，可以是轮履复合式、两履带式、四履带式等。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的目标。第三，必须考虑导航或路径规划，如传感信息融合，特征提取，避碰以及环境映射。第四，必须考虑摆臂角的原理，这方面需要重点考虑，因为靠其臂的调整来改变自身高度以越障这种机器人的最大特点，结构形式对机器人稳

19、定性，功能特点都有着极大的决定作用。对于这些问题的研究，可归结为：机械结构设计、控制系统设计、运动学与动力学建模、导航与定位、多传感器信息融合等。下图为美国及其它国家在研的各种履带式可变形机器人：（1） 美国的拆弹专家：如图1-1、1-2、1-3、1-4所示，这是美国iRobot的一种较小型“PackBot”机器人，现服役于美国军队，这个“PackBot”搭配了一个爆炸物感应系统，有效地探测炸弹。目前这种测试系统还处于实验阶段。“PackBot”机器人还以进行挖掘和拆弹工作。配备了称为“explosive ordnance disposal”(eod)和工程师的全套工具，可以对土壤进行挖掘，然

20、后举起相当于自身重量2倍的炸弹。图1-3这种iRobot SUGV的机器人是一种小型地面探测车，重量仅为30磅。它带有一个称为“tactical head”的头部，还有一个相机、一个红外感应器和一个可即时传送影像的摄像头。图1-4是iRobot生产的“Warrior”机器人配备了两个全自动、自动装弹、可遥控的12杆机抢，重量为250磅。这种机枪被称为“锤子”（Hammer），目前还处于实验阶段。 图1-1 RackBot准备展开 图1-2 RackBot伸展情况 图1-3 SUGV机器人 图1-4 Warrior机器人（2） 德国telemax防爆机器人：仅在一两年前，德国公司出品了一款防爆机

21、器人，现在2006年的新一代机器人已经上市了，其结构比以前的更加轻便，体积更小。这款机器人依靠一个灵活的小型系统有了和一些大型机器人一样的功能。这款机器人依靠一个灵活的小型系统从而有了一些与大型机器人类似的功能，所以它小得以至于可以在地铁车厢或者飞行工具里操作，同时又足够大得可以直接处理一些在所有现行飞机的头顶贮藏室里的可疑项目处理。图1-5 telemax这款产品具有很大的创新价值，经过数十年经验的累计取得了变结构设计领域的重大发展。 图1-6 telemax行走姿势 图1-7最紧凑姿势它的机械结构由4个独立履带齿轮驱动技术提供了非凡的移动力，它可以爬坡45度，并且可以越障500mm的高度，

22、它做的比其它很多类似机器人都好，它的可伸展的上臂加上一个高度可调的地盘，给予了这款机器人一个可达到的非凡的垂直高度2350mm。它的钳子可以吊起重达5Kg的货物，这就意味着它可以装配弹道系统和其它工具。 图1-8 telemax防爆机器人1.2.2六履带摆臂式搜救机器人的发展趋势通过对国内外六履带摆臂式搜救机器人的现状的分析，可以看出六履带摆臂式搜救机器人今后的发展有以下几个方面的趋势：（1）结构上，趋向小型、微型。（2）运动上，趋向全方位，更灵活，更具自主性。现有的履带移动机器人，局限在一般的地面环境里，以后会要求机器人能在越来越多的环境中实现多维运动、过渡运动，能够对环境进行识别，能适应未

23、知环境。（3）在用途上，趋向于功能多功能化。比如拓展其应用到军事上，用于军事侦察，甚至于军事攻击。1.3课题研究内容及意义1.3.1课题研究的主要内容（1）对现有的六履带摆臂式搜救机器人的结构进行深层分析。结合结构对机器人的控制进行了策略研究，为六履带摆臂式搜救机器人的研制提供一定的理论框架支持。重点从结构上解决驱动、摆臂、履带张紧等实际问题，提出框架长度变化的问题。（2）六履带摆臂式搜救机器人步态结构分析与仿真。对整个系统的步态结构分析与仿真的方案进行研究与分析。对系统中的重要及关键零部件进行力的校核，从理论上验证二代机机构设计的合理性及可行性。（3）六履带摆臂式搜救机器人驱动系统设计。（4

24、）运用Pro/Engineer软件和3DSMAX软件对六履带摆臂式搜救机器人进行实体造型及演示动画的制作。1.3.2课题研究的目的与意义研制一种可以在狭小低矮空间机动行驶并具有一定越障能力的六履带摆臂器人。该机器人可以通过改变自身高度以适应不同环境的要求，既可以以较低的整体高度在狭小空间内工作，又可以通过调整自身高度翻越障碍，从而克服了传统微小型地面移动机器人环境适应能力差的缺点。以国内外同类机器人的结构特点，研究六履带摆臂式搜救机器人实现摆臂的原理与条件，通过对比分析，确立六履带摆臂式搜救机器人的总体设计目标、技术要求和性能指标；在上述工作的基础上，提出六履带摆臂式搜救机器人的总体结构方案，

25、对机器人的工作和运动机理进行详细分析，进而根据机器人整体的技术要求和各构件间的相互关系，确定机器人结构尺寸，并使用PRO/E三维设计软件创建六履带摆臂式搜救机器人的实体模型；最后，根据分析与仿真结果，完成机器人驱动传动系统的设计和电机选型，并对整体方案的演示动画进行设计与制作。 根据现代人类对复杂环境使用机器人的依赖，设计了一种新的运行方式，它对复杂环境具有很好的适应性，针对这种探测机器人开展的研究为我国未来的机械化搜救机器人设计提供了必要的理论参考。本课题不仅具有理论价值，而且具有实际的应用意义。第二章 六履带摆臂式搜救机器人的总体结构设计2.1六履带摆臂式搜救机器人的机械设计概述机器人机械

26、设计具有机电一体化的特点，它在结构紧凑性、灵巧性以及特殊性方面比一般机械设计有更高的要求。结构设计是本课题机器人系统设计的基础，整机机械结构、摆臂角度、驱动方式和传动机构等都会直接影响变结构机器人的运动和动力性能。然而，六履带摆臂式搜救机器人机构设计除了需要满足系统的技术性能外，还需要满足经济性要求，即必须在满足机器人的预期技术指标的同时，考虑用材合理、制造安装便捷、价格低以及可靠性高等问题。机器人的机械设计可以从一下四个方面考虑：（1）机器人的应用和可行性研究现有同类机器人的产品性能和特点，进行可行性调查，论证技术上是否先进，是否可行；核算经济上的成本；明确机器人应用的领域，实现什么样的功能

27、。（2）明确机器人的设计要求确定工艺过程、动作要求和有关参数，并对机器人的工作环境进行分析。（3） 明确功能、性能指标和技术参数了解国内外同类机器人的水平和研制的技术难点，结合现有的工作条件和功能要求，明确提出设计的机器人具有的功能、性能指标和技术参数。这一步至关重要，因为所有的设计都是围绕着这个中心来设计的。（4）方案比较初步提出若干总体设计方案，通过对工艺生产、技术和价值分析选择最佳方案。本文以六履带摆臂式搜救机器人的灵活性和实用性为目标，完成六履带摆臂式搜救机器人的机械结构设计优化，并进行运动学分析与仿真。具体研究内容归纳如下：（1）在对国内履带式机器人研究项目进行广泛调查研究的基础上，

28、了解履带式机器人的研究现状和发展趋势，根据机器人的使用功能和约束条件，确定具体的设计目标。（2）采用模拟的方式进行机械结构的设计，包括摆臂结构设计、驱动及传动设计等，并对现有的一代机基础上进行深入剖析，实现机械结构的优化设计，确定样机的几何尺寸，然后根据设计指标进行机械结构建模。（3）对机械结构设计过程中所涉及的关键技术进行分析研究。（4）造一个数字化的样机进行运动学仿真，完成物理样机的运动功能，分析机械结构设计中存在的问题和解决的方案，最后运用造型软件进一步建模。研究流程如图2-1所示 N Y基本变形原理设计机械结构分析设计开始使用PRO/E软件进行实体模型建立主要力的校核与仿真（选择最优尺

29、寸）其他部件设计选型造型完善及动画制作设计目标（使用功能与技术指标）满足要求结束 图2-1 设计流程图从总体设计框图上可以看出，六履带摆臂式搜救机器人的机构系统设计是总体设计的基础，也可以说是所有技术群体的灵魂。本文的目的就是完成机构系统设计的主要上作，包括了机构设计优化和虚拟样机运动仿真，这些内容直接影响六履带摆臂式搜救机器人的控制系统的设计、影响六履带摆臂式搜救机器人的整体运动、动力性能。其意义在于为六履带摆臂式搜救机器人的摆臂原理和合理结构设计提供理论依据，为六履带摆臂式搜救机器人的研究提供了共性技术基础和途径，也进一步完善了我国六履带摆臂式搜救机器人研究体系。2.2总体结构设计的依据与

30、组成2.2.1机构设计的依据如果将六履带摆臂式搜救机器人分为行走装置、动力装置和传动装置等部分。那么对其功能要求可以归纳为：（1）具有一定的承载能力，运动灵活。（2）能向前、向后行驶，转弯，有一定的避障、攀登台阶能力。（3）重心要低，以保持车体行驶稳定。具体的性能指标要求如下：表 2-1 变结构机器人设计指标项目指标外形尺寸（ LWH）300mm210mm70mm重量15KG最高速度 （履带式运动）05m +/min爬坡角度25+转臂旋转角度范围90摄像头角度变化范围090能源动力电池供电根据如上要求，初步设计选择如下：（1）机器人可以在复杂的环境中进行搜索，所以为了便于行动，选择了履带式行走

31、方式。（2）为了增加其越障能力，所以将履带式与摆臂式巧妙的结合在一起，转臂的旋转角度设计为0360，车体长度为300mm350mm。（3）在转臂前端装有测量器材.这样也可以增加测量器材高度的调整范围。（4）机器人越宽，行走时稳定性越好，但同时考虑到电机的安装，重量等因素，初步设计宽度为200mm220mm。（5）由于环境的未知性比较大，所以初步设计用全履带，即履带包裹着机体。这样不管在什么情况下，车体以任何方位与地面接触都是履带接触的，这样就可以极大的减少翻车和被异物卡死情况。2.2.2六履带摆臂式搜救机器人的组成六履带摆臂式搜救机器人如图2-2所示，它是由车架4、履带7、驱动链轮6、张紧轮1

32、和张紧机构等零部件组成。图2-2 六履带摆臂式搜救机器人的组成一般的履带式机器人，在其车体左右两侧各设有一套履带驱动装置。在该履带驱动装置中，履带卷绕在两个以上的车轮上，其中用一个车轮来驱动履带，其他的车轮是从动轮、导向轮或承重轮，通常在履带的内侧装有一派凸块或沟槽，以防止车轮与履带脱离。履带是圆形的带状物。用于室外行走的履带是将金属零件连接成链状（见图2-3a）； 图2-3 履带构造示意图a） 链式 b）齿式 c）齿带式用于室内行走的履带则用橡胶抱住金属零件构成履带板，并安装在平整是橡胶带上（见图2-3b），以防止损坏地面；或在内含增强缆绳的橡胶齿形带外侧生成一连串橡胶凸块，再切削加工成齿形

33、（见图2-3c）。在履带式传动机构中，驱动轮必须将足够大的驱动力传递给履带。履带的驱动方法主要有图2-4所示的几种。图2-4a 所示驱动轮为链轮，它的齿与金属履带板的孔互相啮合； 图2-4b所示驱动轮是一种齿形皮带轮，它将安装在平整履带上的宽幅履带板的两端挂在齿轮凸缘上；图2-4c所示驱动轮是带齿车轮，以驱动带齿的履带。图2-4 履带的驱动方式a） 驱动轮为链式 b）驱动轮为齿形 c）驱动轮为带齿车轮由于履带成卷绕状，所以在履带传动机构中不能采用汽车式的转向机构。要改变履带式机器人的行进方向，或者是对某一侧的履带驱动系统进行制动，使左右两侧履带的速度不一样；或者是对某一侧的履带进行反响驱动，使

34、履带与路面之间产生横向滑移，这样就能使履带式机器人原地旋转，而且可以转小弯。但这时旋转车体所需的能耗较大，还有可能损坏路面。 2.3传动机构设计 传动机构用来把驱动器的运动传递到关节和动作部位。机器人中常用的传动机构有齿轮传动、螺旋传动、带传动、链传动、流体传动和连杆机构与凸轮传动。电动机是高转速、低转矩的驱动器，而我们所设计的变结构机器人却要求低转速，高转矩.因此，我们选用了齿轮传动机构来完成速度和力矩的转化与调节.如下图是本文对齿轮的初步设计造型，结合车体的高度，初定传动比为1：3，大轮直径为4560mm。如图2-6所示：传动根据2.3节所述变形原理，由于需要大的传动比和较小的质量和体积，

35、所以传动设计如图2-7所示：电机经过减速器调整，经过齿轮传动，大齿轮与转臂固连。 图 2-6 软件中的齿轮装备图 图2-7 传动设计图2.4履带式行走方式设计履带式行走方式也称为无限轨道方式，其最大特征是将圆环状的无限轨道，履带卷绕在多个车轮上，使车轮不直接与路面接触。在野外凹凸不平或松软路面上上作时，轮式移动就显得非常吃力，而利用履带可以增大轮子与路面的接触面积，缓冲路面状态，实现机器人的平稳运动。军用机器人和那些使用场所不固定的机器人常采用这种移动方式。下表为其它行走方式与履带式的特点对比：表2-2 个行走方式特点移动方式车轮式履带式脚足式原理配置多个轮子，每个轮子用电机驱动电机驱动两个无

36、轨道履带通过多个脚反复吸附与脱落移动特点移动速度快，便于控制，着地面积小，维持一定的摩擦力比较空难着地面积大，对壁面适应性强，携载能力强，体积较大，不易转弯间歇式移动，移动速度慢，携载能力较强 履带式行走方式还有如下特点：（1）支承面积大，接地比压小。路面粘着力强，越野机动性好。（2）履带支承面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大牵引力。（3）用两个电机驱动两条履带从而实现了原地转弯，利用履带可以缓冲路面状态。（4）比较稳定，容易爬坡，履带本身给车轮起铺路的作用。通过对上述移动机器人各种移动机构进行分析，并针对本课题对机器人机动性、可控性和稳定性的要求，我们设计了类似于同步带的行

37、走履带，履带内齿面为同步带标准齿形，外齿面（着地面）采用矩形截面齿形，以提高其攀越障碍的能力。工作时，带齿与带轮的齿槽相啮合，是一种啮合运动，因而具有带传动的优点，如耐屈挠性能、伸长率小、强力高等。从攀越障碍、防止打滑以及履带式独特的转弯方式角度分析， 驱动轮位于机体后部，其齿形为标准同步带轮齿形，带挡边，以限制履带横向移动。转臂前端的转臂轮以及诱导轮在结构上与驱动轮完全一致。机体前部的底轮为带挡边的光轮，直径与驱动轮相同。综合底盘离地高度和机器人整体高度，初步设计驱动轮直径为60mm。如图2-7所示：图2-7 行走方式图第三章 机构的选择与计算3.1引言稳态下研究的机器人运动学分析只限于静态

38、位置问题的讨论，未涉及机器人的运动的力，速度，加速度等动态过程。实际上，机器人是一个复杂的动力学系统，机器人系统在外载荷和关节驱动力矩的作用下将取得静力平衡，在驱动力的作用下将发生运动变化。机器人的动态特性不仅与运动学因素有关，还与机器人结构形式、质量分布、执行机构的位置、传动装置等对动力学产生重要影响的因素有关。机器人动力学主要研究机器人运动和受力之间的关系，目的是对机器人进行控制、优化设计和仿真。机器人动力学主要解决动力学正解和逆解两类：动力学正解是根据各连接位置的驱动力，求解机器人的运动（位移、速度、加速度），主要用于机器人仿真；动力学逆解是已知机器人关节位移、速度、加速度，求解所需要关

39、节力或力矩。机器人是一个非线性的复杂动力学系统。动力学问题的求解比较困难，而且需要较长的运算时间，因此，简化解过程，最大限度的减少工业机器人动力学在线计算的时间是很有必要的。由上一章的分析及有关数据，本章对其中几个主要结构进行详细计算。3.2材料的选择选择机器人本体材料应从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制作要求。机器人本体用来支承、连接，固定机器人的各部分，当然也包括机器人的运动部分，这一点与一般机械结构特性相同。机器人本体所用的材料也是结构材料，但另一方面，机器人本体又不单是固定构件，比如机器人转臂是运动的，机器人整体也是运动的。所以，机器人运动部分材料质量应轻。精密机器人对于机器

40、人的刚度有一定的要求，即对材料的刚度要求。刚度设计时要考虑静刚度和动刚度，既要考虑振动问题。从材料角度来看，控制振动涉及减轻重量和抑制振动两方面，其本质就是材料内部的能量损耗和刚度问题，它与材料的抗振性紧紧相关。另外人们对于现代机器人的外观更加要求美感，所以机器人材料又应具备柔软和外表美观的特点。总之，正确选用结构件材料不仅可以降低机器人的成本价格，更重要的是可以适应机器人的工速滑，高载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学特性要求。随着材料工业的发展，新材料的出现给机器人的发展提供了宽广的空间。与一般机械设备相比，机器人结构的运动学特性十分重要，这是材料选择的出发点。材料选择的基本要求是：（1

41、）强度高 机器人转臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人转臂的强度条件，而且可望减少转臂界面尺寸，减轻重量.（2）弹性模量大 由材料力学的知识可知，构件刚度(或变形量) 与材料的弹性模量E 、G有关。弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料的弹性模量差别很大。（3）重量轻 机器人转动变形中所需要的驱动力矩直接和转臂重量相关，所以它影响着电机的选择。因此我们应该选择高弹性模量低密度的材料。阻尼大选择机器人的材料不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人转臂经过运动后，要求能平稳的停下来。可是在终止运动瞬间构件会产生惯性力和惯性力矩，构建自身又具有弹性，因而会产生残余振

42、动。从提高定位精度和传动平衡性考虑，希望采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。（4）材料经济性 材料价格是机器人成本价格的重要组成部分。本文所选择的铝合金材料重量轻，价格适中，虽然弹性模量不太大，但是材料密度小，铝的密度约为2.7103kg/m3。故E/P之比可与钢材相比.总的来说铝合金材料有一下优点： 铝比重小，重量轻，可以用来代替钢铁。它不仅能使设备重量减轻很多，而且强度高，不怕腐蚀，因而用途广泛。铝的强度不算低，当加入少量铜、锰、硅、镁等元素形成合金后，其强度又显著提高，经过一定的处理，甚至超过了一些钢的强度，但重量却比钢轻很多。铝的导电性能也很好，虽比铜要差却好于铁，但它的

43、质量只有铜的2/3倍，并且铝导线散热快，能通过较大电流而不会被烧坏。再加上价格便宜。铝的导热性能好，几乎是铁的4倍，散热性能好。铝容易加工成型，可压成薄板或拉成细丝。铝容易与氧发生反应而在表面生成一层坚韧的氧化膜。这层膜性质稳定，有较强的抗腐蚀能力，因而防腐能力强。铝是非磁性金属，可防止复杂环境中的很多磁干扰。3.3带轮装置的选择与计算现以主传带为例介绍带传动的选择过程：由上诉资料可以得到要求传递功率为11w，车的行驶速度为5000mm/min，其传动比i=1，中心距a为280mm左右，带轮的初定直径为96mm左右。(1)由车的速度可知带轮的转速(2)确定计算功率Pd=KAP，由表6-10（在

44、带传动和链传动设计手册中，本例下同），查得工况系数KA=2.1，所以（3）选择同步带的节距pb有带轮的转速及计算功率pb=23.1w同时考虑到带要做为与外界接触的主传动，按图6-3选用H型同步带，即节距pb=12.70mm。（4）确定带轮的齿数和节圆直径按又由上述材料得知其带轮要大小要在96左右，故由表6-11差得同步带的的齿数z=24，则带轮的的节圆直径验算其线速度由表6-9差得H型同步带允许的线速度vmax=40m/s，合格。（5）确定同步带的节长、齿数及传动中心距按上诉要求的中心距，求得同步带的节长近似值由标准同步带节线长度系列（见表6-3）查得H行中和最相近的同步带标准节长，同步带的节

45、距代号为345，同步带齿数。（6）计算左右在带轮轴上的力表3-1 周节制同步带带轮的尺寸和公差 mm计算项目计算结果齿形齿槽角节距Pb节圆直径d齿顶圆直径d0齿顶圆齿距p0齿槽深hg齿根圆直径d1齿根圆齿槽底宽bw齿根圆角半径rb齿顶圆角半径rt直线梯形查表6-22，pb=12.70mm。节距代号H(为节顶距)，考虑到公差(由表6-22、表6-29差得)查表6-22，d1= d0-2 hg=88.176查表6-22，查表6-22，取rb=1.60查表6-22，节距的极限偏差任意两个相邻齿之间查表6-29，为带轮900圆弧内的累积查表6-29，为齿顶圆的径向跳动齿顶圆的端面跳动齿顶圆的圆柱度公差带轮的齿向与带轮轴线的平行度公差查表6-29，为0.13查表6-29，为为0.001bf为0.001bf3.4张紧装置的选择与计算带轮传动选好后就要进行张紧设计，现取其中一边带来算，让其平均分在两个支架上，则边支架要加的张紧力为668N上边安装4个弹簧，则每个弹簧所承担的力F=83.5N。（1）选择材料和确定许可应力 根据弹簧所受载荷特性及要求，在表2-61（由弹簧