多功能履带式机器人设计

摘要：
随着我国改革开放的不断开展，我国经济建设和技术应用都得到了高速稳定的发展，机器人已成为制造加工行业必不可少的关键设备，机器人可以分为关节机器人和移动机器人两种，关节机器人通常情况下是固定不动的，所以其工作范围非常局限，而移动机器人恰恰克服了这一技术难题，随时随地的移动大大的增加了机器人的使用区间，使得机器人能够更加方便快捷的完成各项任务。

移动机器人相比普通关节机器人增加了移动机构，移动的方式多种多样，有腿式移动机构，轮式移动机构，履带式移动机构等等，选择何种移动方式决定了移动机器人的工作性质和内容。

本篇论文中提出了一种结构巧妙、机动性好、稳定性能高的多功能履带式机器人设计方案，本方案对履带式机器人技术进行深入分析研究，其工作原理是：利用履带式机器人的双节双履带进行支撑机器人本体进行移动，通过调整两节履带的角度来翻越障碍，最终实现机器人自由移动的目的。

多功能履带式机器人作为一种新型的移动机器人，对此进一步的研究也是不能忽视的。

关键词：机器人；移动机器人；履带式机器人
Abstract
With the continuous development of China's reform and opening up, China's economic construction and technology applications have been high-speed and stable development, the robot has become a manufacturing and processing industry essential essential equipment, robots can be divided into joint robot and mobile robot two, joint robot Usually the case is fixed, so its working range is very limited, and mobile robots just to overcome this technical problems, anytime, anywhere the mobile greatly increased the use of the robot range, making the robot can more quickly and easily complete the task.
Compared with the common robot, the mobile robot has increased the movement mechanism, the movement way is varied, the leg movement mechanism, the wheel movement mechanism, the crawler movement mechanism and so on. What kind of movement mode is selected determines the working nature of the mobile robot and content. This paper presents a multi-functional crawler robot design scheme with clever structure, good mobility and high stability. The scheme is based on the deep analysis of the crawler robot technology. The working principle is that the use of the double- Section of the double track to support the robot body to move, by adjusting the angle of the two tracks to cross the obstacles, and ultimately achieve the purpose of free movement of the robot. Multi-function crawler robot as a new type of mobile robot, this further study can not be ignored.
Keywords: robot，Mobile robots, Crawler robots
目录
Abstract (II)
目录 (III)
第一章绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2移动机器人的发展概况 (1)
1.3 Solidwork软件的介绍 (2)
1.4 有限元分析的介绍 (3)
1.5 课题研究的意义及目的 (4)
第二章多功能履带式机器人的设计 (5)
2.1 多功能履带式机器人的设计要求 (5)
2.2多功能履带式机器人的设计概述 (5)
2.2.1多功能履带式机器人与其他类型移动机器人原理的对比 (5)
2.2.2多功能履带式机器人与其他类型移动机器人特点的对比 (8)
2.2.3 多功能履带式机器人的设计参数 (8)
2.3多功能履带式机器人的具体设计 (8)
2.3.1 机器人底座结构设计 (9)
2.3.1.1行走电动机的设计与选型 (9)
2.3.1.2减速器齿轮的设计 (12)
2.3.1.3齿轮齿数的选择 (13)
2.3.1.4直齿圆柱齿轮静力及接触分析的理论计算 (14)
2.3.1.5直齿轮静力及接触的有限元分析 (17)
2.3.1.6链传动的设计 (19)
2.3.2机械手臂结构设计 (21)
2.3.2.1机械手臂转动电机的设计与选型 (21)
2.3.2.2机械手臂转动结构的设计 (23)
第三章总结与展望 (24)
参考文献 (24)
第一章绪论
1.1 引言
随着我国改革开放的不断开展，我国经济建设和技术应用都得到了高速稳定的发展，机器人应用的地方变得越来越多，从单一的生产制造业发展到各行各业，甚至延伸到排爆等危险的具体工作。

现在国内外都开始了对移动机器人的系统研发和设计，而移动机器人选择何种移动方式是其设计时最重要的考虑点之一。

移动机器人按其移动结构可以分为腿式，轮式和履带式三大类，这三类各有其优缺点。

随着移动机器人行业技术的发展，腿式机器人由于其结构和操作过于复杂，且应用的场地通常有特殊要求，因此并没有得到广泛的使用。

而目前市场上的移动机器人主流仍是轮式机器人，我们常见的轮式机器人多像AGV小车的结构形式，该机器人移动结构简单，适用于平坦的地面，行走过程相对稳定，但是同样存在着许多缺陷，最大的问题是轮式机器人对行走地面要求比较高，在松软或者是泥泞的道路上行走时极容易打滑；且移动转向的时候需要整个机器人本体转动，转弯半径较大，占用的行走空间较多。

我们都知道移动结构是移动机器人中极为重要的一个构件，因此在整体设计的时候应该考虑移动结构的适用性，稳定性和可靠性。

为了让移动机器人的各项性能满足其使用要求，我们需要从以下方面要求入手考虑：机动性能好，转弯半径小，翻越障碍能力强，与地面附着力大，稳定可靠性高。

本设计中我们选用履带式作为移动机器人的移动结构，其既具备腿式机器人跨越障碍物行走的优点，又具备轮式机器人移动过程动作稳定、操作简单的优点；履带式机器人能够适用于各种环境下的工作，因此对其进一步的研究是不能忽视的。

1.2移动机器人的发展概况
欧美等国家在移动机器人的技术研究方面一直处于世界的前端，他们单独设立有专门的移动机器人技术研究小组，且都在努力将移动机器人的技术推广到各行各业当中。

目前美国的移动机器人的研发已经取得了突破性的进展，他们成功将该机器人应用到一些危险的环境中实际作业，还有部分移动机器人甚至开始在战争中崭露头角，比如:iRobot公司的Packbot，Battelle公司的ROCOMP, Remotec公司的MINI Andros 等，其中最典型的是:iRobot 公司的Packbot。

iRobot公司在美国的移动机器人研究领域处于领先地位，其研发的单兵便携式遥控地面武器机动平台Packhot被美国军方视为轻型无人侦查、战术用机动平台的模板。

Packbot 为履带式移动机器人，长0.87m，宽0.51m，高0.18m，自重18kg，最大运行速度14km/h，充电一次可以行驶10km，最大涉水深度3m，无线遥控移动，具有自主移动能力，设置有5个载荷设施接口，可任意搭载机械手、小型武器或其他装备，主要用于侦察地形、战术实施，如反地道、近距离干扰等。

Packbot安装有辅助转臂履带，所以翻越障碍的能力极强，可以爬60°坡度的楼梯，有多种越障方式，能越过比自身高度大许多的障碍物，可以从任何颠覆状态恢复到正常行驶状态。

辅助转臂可以拆卸，方便携带使用。

Packbot平台结构稳固，抗冲击能力极强，可经受400G的冲击，从2m高度摔下来也不会损坏，可从窗户或者低空直升机直接抛出。

目前国内对移动机器人的技术研究仍然处于初始阶段，对移动机器人的定位传感器、位置导航、运动控制以及主体结构设计等关键层面的研究还远远落后于其他欧美国家。

不过现在许多国内研究机构也开始努力开展对移动机器人的研究工作，从最基础的主体机械结构设计及运动控制入手。

由于移动机器人在机动性、越障方式等方面与其他机器人有很大不同，因此国内在移动机器人技术研发这条路上还有很长的路程要走。

1.3 Solidwork软件的介绍
SolidWorks为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。

达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet
整合能力的支援服务。

该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的CATIA V5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。

SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。

从1995年推出第一套SolidWorks 三维机械设计软件至今至2010年已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。

1997年，Solidworks被法国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。

SolidWorks的主要模块包括：
（1）零件建模
SolidWorks 提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。

通过拉伸、旋转、薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。

通过对特征和草图的动态修
改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。

三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。

(2)曲面建模
通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相切操作产生复杂的曲面。

可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面的操作。

（3）钣金设计
SolidWorks 提供了顶尖的、全相关的钣金设计能力。

可以直接使用各种类型的法兰、薄片等特征，正交切除、角处理以及边线切口等钣金操作变得非常容易。

用户化SolidWorks 的API为用户提供了自由的、开放的、功能完整的开发工具。

开发工具包括Microsoft Visual Basic for Applications (VBA)、Visual C++，以及其他支持OLE的开发程序。

（4）特征识别
FeatureWorks是第一个为CAD用户设计的特征识别软件。

与其它CAD系统共享三维模型，充分利用原有的设计数据，更快将向SolidWorks系统过渡，这就是特征识别软件FeatureWorks所带来的好处。

FeatureWorks同SolidWorks 完全集成。

当引入其它CAD软件的三维模型时，FeatureWorks能够重新生成新的模型，引进新的设计思路。

FeatureWorks对静态的转换文件进行智能化处理，获取有用的信息，减少了重建模型所化的时间。

FeatureWorks最适合识别带有长方形、圆锥形、圆柱形的零件和钣金零件。

FeatureWorks提供了崭新的灵活功能，包括在任何时间按任意顺序交互式操作以及自动进行特征识别。

FeatureWorks 提供了在新的特征树内进行再识别和组合多个特征的能力，新增功能还包含识别拔模特征和筋特征的能力。

1.4 有限元分析的介绍
有限元分析是运用电子计算机进行数值模拟的方式，现如今在工程技术领域中的应用十分多，有限元计算答案已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。

现在，有限元分析大量应用于解决航空、工业、航天、电子、土木、船舶、能源、化工、核工业、生物、医学及交通运输等众多领域的具体工程问题，尤其是随着计算机技术突飞猛进的高速发展，有限单元法在解决具体问题的规模、区间方面也已经发生了巨大的变革。

有限元分析技术可以实现：
（1）找到产品潜在的问题以及先天的缺陷，为我们创造更加品质优异的产品。

（2）对风险进行评估与预测，提高产品和加工生产的可靠性，降低存在的风险。

（3）通过进行对比计算分析，运用改进后的设计方案，降低产品生产加工成本。

（4）缩短产品投向市场的时间。

（5）降低物理试验次数，对大量实际情况进行快速而有效的模拟实验分析。

有限元分析是R.Courant于1943年首先提出的。

从提出有限元分析的概念以来，有限元理论及其特殊的应用得到了高速发展。

以往不能解决或能解决但解决精度不高的情况，都得到了更好的解决方法。

传统的FEM假设：分析域是无限；材质是同样的，甚至在绝大部分的分析中认为材质是各向同性的；对边界环境简化处理。

但实际情况往往是分析区域有限、材质各向异性及边界环境难以确定等因素。

为了解决这些问题，美国学者发现用CFEM(Gener-alized Finite Element Method)解决分析区域内含有大量孔洞特性的情况；比利时学者也在之间提出了用HSM解决实际开裂情况。

FEM在国内的应用也十分广。

自从我国成功研制了国内第一个通用有限元分析程序系统JIGFEX后，有限元分析涵盖到工程分析的各个领域中，从我国大型的三峡工程到微米级的器件都运用了FEM进行分析，在我国高速经济发展中拥有很大的发展空间。

现在我们在进行大型复杂工程结构中物理场分析时，为了控制并估计偏差，常用后验偏差估计的自适应有限元分析。

而基于后处理法的计算偏差，与我们常常使用的传统算法不同，它完美的将网格自适应过程分成均匀化和变密度化两个迭代过程。

而均匀化迭代过程中，运用均匀网格尺寸对整体分析区域进行网格划分，便得到一个合适的起始均匀分析网格；而在变密度化迭代过程中只进行网格细化的操作，而且充分运用上一次迭代的答案，在单元所在的曲边三角形区域内部进行局部网格细化工作，保证了全局分析网格尺寸分布的合理性，这样不同尺寸的网格就能够光滑衔接，从而提高网格的整体质量。

上述整个方案简单可行，稳定可靠，数次迭代即可快速收敛，生成的网格布局合理，质量水平高。

1.5 课题研究的意义及目的
从目前全球市场需求布局来看，欧、美地区成为功能全、结构简洁、质量好、性能稳定的移动机器人的主要销售市场；中东、非洲地区主要选择老款式、简单实用价格便宜的移动机器人；还有以俄罗斯为代表的高寒国家则更喜欢能耐寒，机械结构牢固的移动机器人以适应当地的地理气候条件；日韩则主要关注产品的品质与安全；目前国内的移动机器人整体研究状况还是比较良好，已由原来单一的移动功能，不注重外观，逐渐演变成为实际使用中的艺术品，以外观精美结构巧妙，操作方便，质量安全稳定等特点成为新的发展方向。

为进一步适应各行各业的发展，现如今市场上还出现了移动服务机器人。

第二章多功能履带式机器人的设计
现有市场上常见的移动机器人基本上都是轮式机器人，其基本工作方式为电动机带动轮子转动，轮子再将动力传递给整个轮式机器人达到让其自由行走的目的。

轮式机器人主要有以下几个方面的缺点：对行走地面要求比较高，在松软或者是泥泞的道路上行走时极容易打滑；且移动转向的时候需要整个机器人本体转动，转弯半径较大，占用的行走空间较多；而本设计中的多功能履带式机器人采用履带驱动的工作原理，其基本工作方式为行走电动机带动履带本体转动提供履带式机器人行走的动力，关节电动机带动履带本体调整其行走角度，让机器人本体能够自如的翻越障碍。

这两种移动机器人的工作原理截然不同，两者结构不同、实现方式不同，使用方法也不相同。

本篇论文中的多功能履带式机器人设计运用了巧妙的机械传动结构，利用电动机作为机器人行走的源动力，再通过稳定的减速器和链传动将电动机的动力传递给前后双节四履带，使得机器人可以实现自由的行走，且多功能履带式机器人在遇到障碍物时，通过调整关节角度，使得整个运动过程更加平稳。

我们在现有的单节双履带式机器人的理论基础上改良结构和运动方式，本次设计的多功能履带式机器人采用双节四履带式结构，机械结构更加优化，综合材质的选择、结构的简化，让使用者更加方便稳定的使用该移动机器人，这是本篇论文多功能履带式机器人的设计初衷。

2.1 多功能履带式机器人的设计要求
（1）本设计中的多功能履带式机器人主要在一些人不方便进入的小型场合使用，包括倒塌的建筑物内，灾难现场，危险灾区和坍塌煤矿等。

（2）本设计之前综合考虑，该多功能履带式机器人应该具有以下功能：产品加工生产成本低，质量安全稳定，使用寿命长，结构稳固，使用便捷，方便搬运移动；
（3）本设计从履带机器人底座结构设计和机械手臂设计两方面着手进行详细的设计分
析及计算阐述。

2.2多功能履带式机器人的设计概述
2.2.1多功能履带式机器人与其他类型移动机器人原理的对比
（1）轮式机器人的工作原理
最早出现的移动机器人应当是轮式机器人。

随着各个行业对移动机器人质量要求的不断提高，轮式机器人也得到了快速的发展与运用。

轮式机器人以轮式移动为基础，相对腿式、履带式或其它非轮式的移动机器人具有运动速度快、工作效率高、结构简单、操作容易等优势。

与其他移动机器人相比，轮式机器人最大的优点便是操作简单，其行走区域不需要假设轨道、支座架等固定装置，电路控制方便简单，且不易损坏。

因此，轮式机器人大多数在较好的环境下使用，如今在自动化物流系统中被广泛使用，利用其快捷性和高效性，实现高物流仓库高效、经济、便捷的无人化管理。

轮式机器人，其基本工作原理为电动机带动轮子转动，轮子再将动力传递给整个轮式机器人达到让其自由行走的目的。

再通过其他辅助功能，如地面控制系统，车载控制系统，导航引导方式等综合起来形成完整的结构体系。

随着对轮式机器人的深入研究分析，轮式机器人的应用范围也在不断扩大,如今也广泛运用于工业、军事、交通运输、电子等领域,，同样具有很强的抗干扰能力和目标识别能力。

图1 常见轮式机器人实物图
（2）多功能履带式机器人的工作原理
在本世纪早期，以电动机作为动力源带动的单节双履带式机器人就已经出现了。

随着现代工业应用技术的发展，如今出现了双节四履带式机器人和多节多履带式机器人等等类型的履带式机器人。

本设计中的多功能履带式机器人采用的仍然是单节双履带机器人的工作原理，只是在其基础上额外又增加了单节双履带，共双节四履带，其基本工作方式为行走电动机带动履带本体转动提供履带式机器人行走的动力，关节电动机带动履带本体调整其行走角度，让机器人本体能够自如的翻越障碍。

双节四履带机器人作为履带式机器人的一种，相比单节双履带机器人翻越障碍物的能力更加，环境适用性更高，动力更强。

该多功能履带式机器人的结构主要由两大部分组成：机器人底座结构和机械手臂结构，而底座结构包括：行走电动机、关节电动机，内轮组件、车体框架组件、外轮组件、减速器、链传动组件等；机械手臂结构包括：机器人大臂，机器人中臂，机器人小臂，摄像头组件，机器人抓手等；行走电动机提供源动力带动履带自身转动行走，关节电动机带动履带本体调整行走角度，车体框架组件支撑着整个多功能履带式机器人的结构，其承受了多功能履带式机器人所有的负载，车体框架组件的前后分别安装有两个外轮组件和两个内轮组件，行走电机和关节电机均通过减速器将动力传递出去，链传动组件负责将外轮组件和内轮组件连接到一起，机械手臂的功能在于让机器人可以360°无死角的清除路面上的障碍物，通过摄像头组件可以清楚的观察到道路环境中的实际情况，顶部的机器人抓手可以完成一些基本功能的抓取和清扫作业。

图2 多功能履带式机器人三维设计图
2.2.2多功能履带式机器人与其他类型移动机器人特点的对比
多功能履带式机器人的优点：
（1）.在恶劣环境下也可以作业，越障机动性好；
（2）.具有很好的自复位能力，可以从任何颠覆状态恢复到正常行驶状态；
（3）.履带上的履齿不容易打滑，与地面的附着性好，能够最大程度的发挥电动机的效率轮式机器人的缺点：
（1)对行走地面要求比较高，在松软或者是泥泞的道路上行走时极容易打滑；
（2)移动转向的时候需要整个机器人本体转动，转弯半径较大，占用的行走空间较多（3)轮式机器人传动系统一旦发生故障，非专业人员不容易检查和排除问题。

2.2.3 多功能履带式机器人的设计参数
产品类别：双节四履带式移动机器人
材质：铝合金
自身重量：60kG
规格(MM)：L825×W550×H630
运行速度：0.4~0.8m/s
行走电机功率：200W
关节电机功率：200W
续航时间：8H
2.3多功能履带式机器人的具体设计
多功能履带式机器人主要从两大方面进行具体设计：包括机器人底座结构设计和机械手臂结构设计；
（1）机器人底座结构设计
机器人底座结构是整个履带机器人的基础，依靠它履带式机器人才能够在地面上行驶，也
能够攀爬建筑物内部的楼梯以及一些更为复杂的地形。

底座结构包括：行走电动机、关节电动机，内轮组件、车体框架组件、外轮组件、减速器、链传动组件等；行走电动机提供源动力带动履带自身转动行走，关节电动机带动履带本体调整行走角度，车体框架组件支撑着整个多功能履带式机器人的结构，其承受了多功能履带式机器人所有的负载，车体框架组件的前后分别安装有两个外轮组件和两个内轮组件，行走电机和关节电机均通过减速器将动力传递出去，链传动组件负责将外轮组件和内轮组件连接到一起。

（2） 机械手臂结构设计
整个机械手臂安装在履带机器人的上部，通过机械手臂底座与车体框架组件连接到一起。

机械手臂结构包括：机器人大臂，机器人中臂，机器人小臂，摄像头组件，机器人抓手等，机械手臂的功能在于让履带式机器人可以360°无死角的清除路面上的障碍物，通过摄像头组件可以清楚的观察到道路环境中的实际情况，顶部的机器人抓手可以完成一些基本功能的抓取和清扫作业。

2.3.1 机器人底座结构设计
本设计中的机器人底座结构设计主要包括行走电动机的设计与选型，减速器齿轮的设计，链传动的设计与选型；
2.3.1.1行走电动机的设计与选型
在本设计中，链传动组件将前后两个外轮组件和两个内轮组件连接起来，相当于四个履带由两个相同的行走电动机两两驱动，也就是说一个行走电机驱动一侧的履带行走。

行走电机所需的功率计算：
η
w
m P k
P =
式中：k ——安全系数，考虑超载或功耗波动等影响，取1.5；
w P ——多功能履带式机器人所需的功率；
η——传动装置的总传动效率；
m P ——行走电机的功率。

多功能履带式机器人所需的功率计算：
式中：——单个行走电机作用于单侧履带式机器人的牵引力，N ；
V ——整个履带式机器人的行走速度，m/s 。

假设履带与地面之间的滚动摩擦系数μ=0.5，已知履带机器人自身重量为60KG ，且两个行走电
机作用于履带机器人上的牵引力与摩擦力f 相等，则计算
=f/2=μmg/2=0.5×60 kg ×10 N/kg/2=150N
由设计参数可知，整个履带机器人的行走速度V 为0.4～0.8m/s ，取V 最大值为0.8m/s 计算得出w P
w P =
V=150N ×0.8m/s=120W
履带在转动的过程中，行走电机与履带之间通过减速器连接，减速器与履带之间又通过链传动组件连接，因此查《机械设计手册》得到：
类别 传动形式 效率（%）
减速器 直齿圆柱齿轮传动
0.97 链传动
滚子链
0.96
表2.1 各传动部件的传动效率
因此可以计算得到从行走电机到履带的总传动效率为。