履帶式移動機器人底盤機械結構設計

摘 要：隨著社會科學技術的飛速發展，在世界各國的生活和工業生產中，機器人技術被廣泛應用在各種場合。由于履帶式機器人能夠適應更為復雜的地理環境，承載能力更好，因此這種類型機器人被廣泛使用。本課題主要完成了履帶式移動機器人底盤機械結構設計。其目的在于提供一種能夠更小型，負載能力更強，更適合惡劣環境的履帶式移動機器人，實現履帶式移動機器人在技術和工藝上的突破。

關鍵詞：履帶式移動機器人；結構設計；翻越

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 16-0000-01

移動機器人越來越廣泛的被應用在社會的各個方面，但其仍然存在著體積龐大、承載能力比較差、對環境的適應力弱等缺點，在其實際應用中會大大影響使用的范圍，而且直接影響測量結果等等。因此，研究設計一種自主裝卸運輸的粉狀物料機器人尤為重要。

一、履帶式移動機器人底盤機械結構設計總體方案確定

（一）履帶式移動機器人底盤設計指標。為了實現在復雜環境下作業，履帶式移動機器人涉及得滿足以下指標：

移動速度：0.01-0.5m/s 電源：電池供電 負重：≥20kg

（二）履帶式移動機器人運動機構的比較。1.坦克履帶式機械機構。一般來說，大家認為前導輪中心線與水平面的高度也就是翻越障礙物的最大高度值，這就夠需要左右兩套電機驅動，機械結構較為簡單，但其翻越障礙能力決定于前導輪中心線的高度，但是，假如想要機器人翻越更高的目標障礙，則需要增加水平面到前導輪的高度，因此整個機器的整體高度就會變得很大，不利于穿過諸如管道等類似的狹小的區域。一般的中型機器人采用這種結構，如防暴，消防和救援機器人等。2.前輪帶擺臂機械機構。前擺臂驅動輪與履帶的主驅動輪有重疊結構，并且擺臂關節與水平面的夾角可以調整，因此可以在不增加機械整體高度的前提下提升爬升高度，只要提高前導輪的高度，使之具備相同的越障能力。這種結構既的驅動方式可以采用兩個電機分別進行控制，也可以采用一個電機通過傳動結構來帶動整體車身進行行走。

二、機械部分主要構件設計計算

（一）電機的類型及參數核算。機器人的驅動方式大致分為三類：電機、液壓和氣動驅動。根據計算機器人在平地運動式的伺服電機的最大負載力矩為0.099Nm，電機最大轉速為4180r/min，電機所需的功率p=70W。機器人在30度斜坡上運動時，電機所受的最大負載力矩為0.16-0.19（由于摩擦系數不同），電機所需的功率在113w-134w之間。

（二）同步帶的設計。同步帶主要有梯形和圓形同步帶兩種，此次機器人設計采用梯形雙面齒同步帶，我在此設計基礎上設計了兩種同步帶，一種是安裝在前擺臂上的同步帶，另一種是安裝在前后驅動輪上的同步帶。

由1.2的計算結果得到的點擊的最大功率為P=134w，電機的額定轉速為4920r/min；減速比為60：1，通過減速箱，最終得到的實際輸出轉速為70.3r/min，也就是主動輪的轉速。考慮到設計箱體的尺寸等因素，同步帶的中心距為520mm，主動輪節圓直徑為DP=160mm，DP1=80mm，查閱機械設計手冊知，選定H型梯形齒同步帶，代號為DA 850 H200 GB/T96標準節距為Pb=12.7mm，帶寬51mm（有擋圈），擺臂履帶代號為DA850H050 GB/T96，標準節為Pb=10.8，帶寬為36mm（有擋圈），根據以上已知量，可以得出其他的設計量，結果如下：

主行走帶帶齒輪數： Z1=Z2= =40

主行走帶齒輪嚙合齒數：ZM= =18

主行走帶的帶速： V= =0.48m/s

作用在軸上的載荷： FZ= =140N

（三）主動軸的可靠性分析。在本次履帶式機器人設計中，主動軸和從動軸是最為重要的零部件。對于履帶式機器人主動軸的可靠性分析，首先得從主動軸的危險截面開始驗證，并計算所受到的合成彎矩值，以此來確定軸的直徑和材料。當擺臂的擺臂角度變化時會影響彎矩值，設α為擺臂輪軸軸線與水平方向的夾角，則α范圍在[0°，30°]之間（不考慮α為負值情況），擺角的變化就會使軸向彎矩變化，進而影響總彎矩。根據計算結果設計滿足條件的主動軸，在危險截面處直徑取d=13mm。

（四）機器人底盤的質心位置。在整個履帶式移動機器人結構的設計過程中，特別是在履帶式機器人翻越障礙時，整個機構的質心位置是一個很重要的因素。因此，要先計算出機器人底盤的質心位置。對于一個不規則的剛性機構的重心位置求解方法主要是采用分割法將剛性機構分割成一個個部分，然后分別求出這些各個小部分的重心位置，以及重力的作用情況，然后再通過合力矩定理，就能將重心的位置求出。

（五）直齒輪校核。箱體內的齒輪可以選擇相同的齒輪，現根據齒輪齒條的計算選擇齒輪大小。參見《機械設計（第八版）》。設傳動比u=1.5。根據計算在傳動比1.5的齒輪傳動下，在轉速不變的情況下，可以增加電機的扭矩，增加傳遞到輪子上的力。

三、軸承的選擇

深溝球軸承的內外圈滾道一般都呈圓弧狀深溝，溝道半徑一般都略大于球半徑。主要用于承受徑向載荷，也可承受一定的軸向載荷。與尺寸相同的其他類型軸承比較，深溝球軸承存在摩擦系數小，振動與噪聲也比較較低等優點，是用戶選型時首選的軸承類型。但是，該類深溝球軸承不耐沖擊，所以不太適應承受較重載荷。廣泛應用于電機、化工、農業機械、紡織機械等諸多工業領域。

四、其他零件的選擇與設計

（一）側面板的設計。在本次設計中要用到一些非標準件，主要是進行主要是進行安裝于定位用。側面板主要是將主動軸進行定位，將電機進行安裝固定裝，根據實際主動軸的距離為520mm，故將側面板的尺寸為700*187*16mm，在板上打孔進行安裝零件。

（二）軸承基座。軸承基座主要是用來將電機固定，不能使其在空中懸著，基座的壁厚可以不用太厚，在6mm左右就可以，利用電機減速器上的螺絲孔來將其固定，尺寸在80*57的L型鐵板。

參考文獻：

[1]羅均，謝少榮，翟宇毅.特種機器人[M].北京：化學工業出版社，2006.

[2]陳淑艷，陳文家.履帶式移動機器人研究綜述.機電工程，2007（12）：109-112.