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机械原理课程设计说明书设计题目：设计者：班级：学号：迁安学院机电系制目录目录1设计题目.................................................................................................................-1-2题目背景.................................................................................................................-2-2.1现状分析.....................................................................................................-2-2.2关键技术.....................................................................................................-2-2.3研究内容及意义.........................................................................................-3-3设计内容·................................................................................................................-4-3.1基本设计方案.............................................................................................-4-3.2结构设计.....................................................................................................-5-3.2.1计家结构.........................................................................................-5-3.2.2身部单元结构设计..........................................................................-6-3.2.3转弯部结构设计.............................................................................-7-3.2.4单元连接结构设计..........................................................................-8-3.2.5运动能力分析..................................................................................-8-3.3探索机器人控制设计...............................................................................-10-3.3.1传感器类型....................................................................................-10-3.3.2探索机器人的机构控制................................................................-10-4结论.......................................................................................................................-12-5方案的不足及改进...............................................................................................-13-6参考文献...............................................................................................................-14-7附录.......................................................................................................................-15-7.1样机3D图.................................................................................................-15-引言-1-1设计题目随着科技的不断发展，为避免人在作业环境十分恶劣的情况下进行工作，迫切需要开发各种不同用途的机器人以取代人类从事的各种有毒、有害及危险环境下的劳动。近年来智能机器人成为国内外研究的热点，如工业机器人、仿生机器人。现在矿井的屡次爆炸、坍塌，地震灾害的降临，房屋倒塌，救援人员无法及时深入到废墟内对受困人员进行搜索和施救。考古挖掘工作中经常出现洞穴狭小，工作人员对墓穴中的情况一无所知，因此工作人员不敢冒然进入。面对这些情况设计一种能完成多种地形的探测、能够代替工作人员执行搜救任务的新型机器人，在灾难救援中起着越来越重要的作用。将仿生机器人技术引入到这些工作当中是一个新的挑战。机器人能通过狭小的空间，并能在其中运动自如，传送数据准确，控制方便等方面综合考虑是研究此类机器人的首要方向。项目研究背景-2-2题目背景2.1现状分析将机器人技术、营救行动技术、传感器技术、灾难学等多学科知识有机融合，研制与开发用于搜寻、营救、探险等工作的机器人，是机器人学研究中一个富有挑战性的新领域。2.2关键技术综合世界各国对救援机器人技术研究和实际应用，用作探索的机器人关键性能在于运动能力、感知能力、通讯能力和作业能力等几个方面。环境对机器人的运动能力要求较高，机器人移动方式十分重要。现有的移动机器人有轮式、履带式和腿式等移动方式。地形狭小空间里，受环境空间的限制，探索机器人物理结构必须要小；但是它又必须要越过位于机器人路径上的障碍物，它的重心不能太高，在越障碍物时又不能失去牵引力；另一方面，行进过程或翻越障碍物过程中，可能出现翻滚现象，它必须具有自我调整能力。毛毛虫形结构是满足上述要求的有效结构之一。该机构具有结构重复，冗余度大的特点，它还具有一定的故障容错能力。探索机器人的作业能力是指机器人方便于操作人员的使用和机器人本身具有一定的作业功能两个方面。一方面机器人本身必须可控和便于控制，要求机器人质量轻，方便携带。机器人的作业功能主要包括勘探、搜寻和救助三个方面。其中勘探功能帮助操作人员确定险情的位置，利用机器人进行采样、记录数据，记录下所有有关地形的三维地理信息和物理信息，由救援指挥官或相关的工作人员来确定工作区对工作人员来讲是否安全，最小化救援队伍的危险性；搜寻功能用于一些人不能够接近的洞穴进行搜寻和辨识遇难者；探索功能中机器人提供一系列的服务，包括必要设备的携带、遇难者急需物质的供应、工作人员和被困的遇难者保持联系等，必要时还需要完成对接近受害人过程的路径进行规划，对受害人进行自主的或遥测的急救，对考古工作中样品自动带回等。项目研究背景-3-2.3研究内容及意义通过查阅资料了解到国内外有关探索机器人研究成果还真不少，但该领域仍处于研究探索阶段，真正实际应用的并不多。项目旨在研究一种可以在复杂地形内探索受困者，考古探险机器人，它可在废墟的狭窄空间内实现完成前进、后退、转弯和越障等动作，以探测和定位受困人员并引导救援，并可携带一定的物品，可以自行取样。项目重点对机器人的结构组成、运动机理、控制设计进行研究。面临极其危险和恶劣的地形环境，机器人的参与可以有效地提高救援的效率和减少施救人员的伤亡，它们不但能够帮助工作人员执行救援工作，而且能够代替工作人员执行搜救任务，在灾难救援中起着越来越重要的作用。探索机器人可以代替和协助救助人员执行探索作业。实际上，这种机器人不仅用于抗震救灾，矿井坍塌、矿难、考古活动中，也可用于军事领域地下埋伏。探索机器人结构设计—基本设计方案-4-3设计内容·3.1基本设计方案项目旨在研究一种可以进入复杂地形内探索并施以救援、取样的机器人。为了实现该目的，首先从机器人的结构及运动、控制与通讯、能源与驱动、作业能力几个方面进行分析，确定探索机器人基本设计方案。探索机器人结构设计—结构设计-5-3.2结构设计探索机器人由头部、身部和转弯部三部分构成，总体结构见附件样机效果图。其结构设计包括头部结构设计、身部单元结构设计、转弯连接部分设计。3.2.1计家结构头部位于机器人的最前端，摄像头和照明灯必需安装在头部。由于毛毛虫形机器人不具备手爪，头部须具有清理通道的功能。在此，头部前端设计成可张合的分瓣式头锥，摄像头和照明灯安装在头锥内。闭合的头锥（图3-1a）便于穿越狭小空间，还可保护摄像头；头锥张开时（图3-1b）可扩张通道、增大摄像头视野，同时还起聚光的作用；头锥张合动作还可以用于抓放物体，相当于动物的嘴巴。头锥的张合由曲柄摇杆机构、滑块机构组成（图3-2为结构简图）。当电机转动角时，电机带动摇杆转动，连杆推动滑块移动，从而使头锥张开（虚线为完成动作时的运动轨迹）。电机反转角头锥完成闭合动作。图3-1a图3-1b锥瓣摄像机及照明系统探索机器人结构设计—结构设计-6-3.2.2身部单元结构设计身部单元结构主要是完成机器人的移动，身部由一个控制单元和若干个运送单元，每个身体单元均有自己的能源和驱动器，在程序控制下，各单元间协调动作完成前进、后退动作。机器人采用四面履带爬行运动方式（如图3-3身部单元整体结构）。机器人体积狭小需要采用一个电机完成四面履带的运动。经过分析采用了涡轮蜗杆传动（如图3-4），由电机带动蜗杆转动，蜗杆带动4个涡轮运动，涡轮带动齿轮运动从而把一个转动力传到四个方向转动，带动履带运动。图3-2结构简图图3-3身部单元整体结构摇杆连杆锥瓣滑块探索机器人结构设计—结构设计-7-3.2.3转弯部结构设计转弯部分体现探索机器人的灵活性，是连接头部与身部，身部与身部的关节。主要完成上下左右四个方向2个自由度的转弯动作，采用了类似柔性结构，当转弯时遇到较大的阻力柔性结构可以起缓解作用，同时保护也起了保护电机作用。控制由四个电机带动，电机的旋转来动弹簧上的绳索带动弹簧的完成伸缩运动从而实现四个方向的转弯（如图3-5）。四根弹簧中的两侧弹簧收缩量不同时，机器人将转弯运动；上下弹簧收缩量不同时，机器人将抬头或低头运动。图3-4传动结构蜗杆电机齿轮涡轮图3-5转弯部分结构弹簧牵引绳弹带轮探索机器人结构设计—结构设计-8-3.2.4单元连接结构设计头部、身部和转弯部各单元间用螺纹连接，各单元中电路电极，传输传感器信号和控制信号线采用公头、母头插座连接。该结构便于现场各单元的组合与拆装。3.2.5运动能力分析从机器人的运动形式分析机器人的运动能力。机器人四个面同时具有运动爬行的能力，转弯部实现2个自由度的转动，所以机器人能够穿越崎岖地形，例如碎片或杂乱的混凝土楼板。机器人可以翻越障碍物如图3-6（机器人有七节组成每节长度为165mm，转弯部长为5