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1、近年来随着计算机技术蓬勃发展，计算和数据传送速度大幅度提高。以此硬 件为基础，许多智能算法得以在短时间内实现，智能机器人正变得越来越聪明。 随着现实生活中对机器人技术应用的发展，使得机器人成为战胜自然和虚拟障碍 的必需品。在很多危险场所，如战场、核生化灾害地、恐怖爆炸地等需要愈来愈 多的移动机器人搭载机械手等设备代替人去执行任务。众所周知机器人自主爬楼 梯是移动机器人完成危险环境探查、侦察、救灾等任务需要具备的基本智能行为 之一。目前，主要有腿式、履带式、轮式爬楼车移动机器人，腿式的如四足和六足 机器人，尽管这些机器人能够爬楼梯和穿越障碍，但由于腿部的运动，它们不能 在平坦的表面上平滑运动；履
2、带式移动机器人以其强大的地形适应性而倍受青 睐，其所受的摩擦力均匀分布在履带上，而轮式小车的摩擦力只是集中在轮胎与 地面的接触面上，就抓地力而言它们是一样的，但在小车转弯或者爬坡时，履带 式小车所受的摩擦力分布不会像轮式小车那样发生剧变，所以就表现出更好的操 控性，但是转弯时，履带的磨损、履带开模难度大等都成为其应用的瓶颈；轮式 移动机器人克服了履带式的这些缺点，在满足一定地形适应性的前提下，可以充 分发挥移动机器人移动灵活、控制简单等优点。一般来说，轮式移动机器人对地 形的适应性大小与轮子的数量成正比，但随着轮子数量的增加，又带来了机器人 体积庞大、重量重等缺点。爬楼轮式行驶系统均采用各轮独
3、立驱动，自主工作的 方式，同时各轮均采用弹性悬挂方式，故工作起来方便灵巧，同心性和转向性均较 好。刚性轮具有较高的机械可靠性,较好的转向性和环境适应性，但其行驶稳定性 和耐磨损性均较差。充气轮虽然具有较好的行驶稳定性和越障能力，但其环境适 应能力差，故不能应用到爬楼车中。金属弹性轮的爬坡性能、耐磨损性、环境适 应性以及机械可靠性、越障能力均较好，但其转向性能较差。椭圆轮、半球轮和 无毂轮的爬坡和越障性能及耐磨损性能均较好，但其行驶稳定性较差，机械可靠 性最低。综合各方面的优缺点，轮式机器人是比较合理的。该爬楼车辆包括：传动系统、行驶系统和转向系统三大系统。本课题着重进 行行驶系统的结构设计，课
4、题内容包括行驶系统机构设计、三角轮系参数设计。1爬楼车设计方案说明本课题拟开发一种采用三角轮系做为行驶系统的爬楼车辆。该车辆在行驶过 程中，在遇到台阶和斜坡等特殊路面时，可通过三角轮系的翻转实现爬楼越障功 能。该车辆包括：传动系统、行驶系统和转向系统三大系统。该爬楼车辆可实现自动跨越障碍和爬楼梯功能，平整路面最大行驶速 15Km/h,可爬楼梯高度为100200mm，楼梯宽度为200300mm，最大爬行坡度为 40。传动系统采用电机驱动，可双向行驶，可手动控制和自动控制，要求传动 系统运行平稳、噪音小、安全可靠。行驶系统采用三角轮系方式，在平整路面行 驶时，每组轮系中有两个轮着地；在爬楼梯上爬行
5、时，通过三角轮系的翻滚实现 爬楼功能。转向系统采用电机驱动，要求转变半径尽可能小。2爬楼车的工作原理与特点该爬楼车辆包括：传动系统、行驶系统和转向系统三大系统。此三大系统共 同构成爬楼车的机械装置部分，各个系统都由相应的电机来驱动。行驶系统是靠电机带动一个一级圆锥齿轮传动和两个一级圆柱齿轮传动来 实现减速和增大扭矩，并带动整个主轴转动来实现三角轮系的翻转，三角轮系的 翻转也就实现了爬楼功能。具体是三角轮系中的三个轮子通过支架连接在一起， 主轴转动时，爬楼车依靠三角轮系中的三个轮子依次与台阶相啮合，从而达到上 下楼梯的功能。转向系统，为了实现在较小的空间内实现转弯半径最小的要求，本次设计采 用了
6、独立的转向方式，即通过增加副车架，用电机带动整个传动系统和行驶系统 以及轮系偏转，以达到转弯的目的。具体方案是通过一根有足够强度的轴实现的， 轴的下端与爬楼车的前轴装置的壳体相连，上端与一块转向板通过轴承连接，轴 中间安装一大圆锥齿轮，选一合适电机固定在上端板上面，并通过联轴器使一齿 轮轴与电机相连，同时齿轮轴与大圆锥齿轮以一定的转动比啮合传动，当需要转 弯时，感应系统和控制装置根据实际需要控制转过的角度。传动系统是靠电机带动行星齿轮来实现爬楼车在水平面以及斜坡面环境下 行驶的目的，其中前后轴交叉使用动力装置，也就是前轴的左三角轮系和后轴的 右三角轮系有动力装置，相反另外两个三角轮系仅为从动轮
7、，对爬楼车起支撑的 作用，在行驶时它们是自由的这样既节省了电机数量又减少了爬楼车的重量。该爬楼车有五个特点：1）结构简单，整体尺寸不大且重量较小；2）各个系 统分别由各自独立的电机所驱动，控制灵活方便；3）可安装或装载一定重量的 仪器或实验装置在危险的地方或者人体到不了的地方进行作业或取样；4）采用 三角轮系式系统，使爬楼车能够在多种环境下运动，轻松实现在平地、坡面和台 阶面上的运动；5）该爬楼车采用了独立的转向系统，不但使转向系统简化，并 且转弯半径减小，有利于实现在狭小空间内的转弯3设计方案分析关于行驶系统的设计，如图1所示。具体是电机输出轴通过联轴器接一小圆 锥齿轮410，该小圆锥齿轮与
8、大圆锥齿轮411啮合传动实现减速，该大圆锥齿轮 与三角盘412通过螺钉连接在一起，大圆锥齿轮转动时带动三角圆盘一起转动。 三角圆盘上装有三根轴413,小圆柱齿轮414（3个）、415（3个）分别装在这 三根轴上，齿轮416与爬楼车壳体固定在一起。三角盘转动时，通过轴413带动 小圆柱齿轮414既自转又公转与齿轮416啮合传动，同时也带动小圆柱齿轮415 既自转又公转与齿轮417啮合传动进一步实现减速，齿轮417与主轴329通过圆 锥销固连在一起，齿轮417转动的同时也带动主轴转动，并通过三角轮系图2 的翻转实现爬楼功能。具体是三角轮系中的三个轮子通过支架连接在一起，主轴 转动时，爬楼车依靠三角
9、轮系中的三个轮子依次与台阶相啮合，从而达到上下楼 梯的功能。小圆柱齿轮414、415的大小相同，但齿数和传动比不同，用以增大 主轴所传递的转矩，为三角轮系的翻转提供足够的能量。二为151盘图1翻转机构图2三角轮系4设计计算4.1选择电动机结合该课题的实际情况，需要用一个电机来驱动主轴上的齿轮传动，带动主 轴转动以及三角轮系翻滚从而实现爬楼功能。考虑到爬楼车及载荷的重量(75千克)，三角轮系翻转所需的最大扭矩值已 算出为：T=73.5 N - m则三角轮系翻转爬楼梯时所需消耗的功率为：P=Tn/9.55=73.5X26：9.55=200 W已知爬楼车行驶系统采用一级圆锥齿轮传动和两个一级圆柱齿轮
10、传动，它们 的传动效率分别为：n=0.96，n=0.97，深沟球轴承的效率为：n=0.99，联轴 器的效率为：n=0.98则电动机输出功率为：P广P/(0.96 X0.97X 0.97 X0.98X 0.99)=228.2 W那么，该爬楼车的行驶系统所需的电动机功率为：228.2 W,查机械设计手册，可选择的电动机有:型号输出转矩(N/mm)输出转速(r/min)额定功率(W)额定电压(V)减速比额定转速(r/min)90SZ53297775030811043000110ZYT54297775030822043000选取110ZYT54型号的电机为本爬楼车辆的驱动电机。4.2选择联轴器根据电动
11、机的输出轴轴径是22mm,以及电机轴和齿轮轴在工作中不能发生相对位移，所以选择凸缘联轴器。YL3凸缘联轴器30014GB5843-86JB 28 x 13主动端：J型孔轴，A型键槽，d = 30mm,L = 14mm从动端：J型轴孔，B型键槽，d = 28mm,L = 13mm4.3关于减速装置(圆锥一圆柱齿轮减速)电机的输出转速为750r/min，根据经验爬楼车每爬一阶楼梯需要0.75s，且 三角轮系转速为26 r/min，则减速比为：i = 75 / 26 = 28.85多级传动中，总传动比应为：i = i i i查机械设计手册，并根据各级传动机构的传动比应尽量在推荐范围内，选择 和分配各
12、级传动比：选择锥齿轮传动比i3, 一级圆柱齿轮传动比为七二3.2,二级级圆柱齿轮 传动比为i3=3。4.3.1锥齿轮的设计计算(此计算过程中所查的表出自机械设计(邱宣怀)第 四版)1.选定齿轮材料直齿锥齿轮加工多为刨齿，且该锥齿轮传动为闭式传动，不宜采用硬齿面。小齿轮选用40Cr，调质处理，硬度为260HBS,zi =24，z2 =72选8级精度% =1.0K =1.14z1cos 612409525.26（表 12.19）zz 2V2 cos6272032225r 11 1.88 - 3.2 + zV 1zV 2 Jcos P（式 12.6）r 11、1.88-3.2 + 1.7425.26
13、 225 JZ8-（孚CT =0.87（式 12.10）Z =0.878大齿轮选用45钢，调质处理，硬度为230HBS。2.齿面接触强度计算齿数z和精度等级：取 z =24，z =i z =3X24=72 121估计v w 1m/s，由表12.6使用寿命：由表 12.9 Ka =1.0动载系数：由图12.9七二1.14齿间载荷分配系数：由表 12.10，估计 KAF /bV100N/ mmc u3cos 6 = . = , 0.951v u2 +1如 32 +1c 11 一一一cos 6 0.32K h =1.32KHa Z?=标二1.328K =1.8齿向载荷分配系数：由表12.20及注3,
14、 取K广1.8载荷系数K:K = KA 七 Kh % =1X1.14X1.32X1.8=2.86转矩： t = 9.55 x 106 = 9.55 x 106 x 0308 ini750=3921.87 N mm弹性系数：由表 12.12 J = 189.8 MPai/2节点区域系数：由图 12.16Z, = 2.5接触疲劳极限：由图 12.17c bhl. 1 =710 MPa,q h. 2=680 MPa接触最小安全系数：由表 12.14Sh . = 1.05接触寿命系数：由图 12.18Zn1 = Z 2 = 1.0许用接触应力卜h :b = Qh =冬=676 MPa （式 12.11） h 1S1.05H minb =bHiim2ZN2 = 680x1 = 648 MPaH 2S1.05H min小齿轮大端分度圆直径d:1取气=0.3K =2.86T =3921.87 N mm 1 h = 189.8 MPa/Z = 2.5b h . 1 =710 MPab h. 2=680 MPaS min=L05Zn1 = z 2 = 1.0b H =676 MPaq=648 MPaQ d =0.34.7KT（Z Z Z ）2气（1-0u件J（式 12.39）4.7 x 2.86 x 3921.87 （189.8 x 2.5 x
