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
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1、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
2、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.
3、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
4、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,
5、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 effect
6、ive 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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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,
13、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
14、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。
15、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
16、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
17、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:
18、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
19、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 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
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