井下探測(cè)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本設(shè)計(jì)涉及一種井下探測(cè)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，具體涉及一種可變履帶式井下探測(cè)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，關(guān)注煤礦安全生產(chǎn)成為了煤礦產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展的重中之重，礦井發(fā)生瓦斯爆炸事故后，引起了頂板冒落、片幫、設(shè)備錯(cuò)亂翻倒，導(dǎo)致災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形成非結(jié)構(gòu)化的極端地形，這一地形給機(jī)器人的行走帶來(lái)較大困難。針對(duì)這一問(wèn)題，已設(shè)計(jì)出一種可變履帶式井下探測(cè)機(jī)器人，該機(jī)器人在攀越井下障礙和特殊地形的過(guò)程中優(yōu)勢(shì)明顯，具有較強(qiáng)的對(duì)復(fù)雜地形的適應(yīng)能力和爬坡越障能力，能夠順利攀越連續(xù)臺(tái)階、圓臺(tái)地形、矩形凸臺(tái)、梯形凸臺(tái)、斜坡地形和溝道地形等，在井下?lián)岆U(xiǎn)、探測(cè)領(lǐng)域可以廣泛推廣應(yīng)用。但仍存在履帶式機(jī)器人常見(jiàn)的缺點(diǎn)，如履帶速度差，重力引起飄移，井下臺(tái)階與機(jī)器人履帶干涉，重心倒立擺，轉(zhuǎn)彎速度慢，轉(zhuǎn)彎半徑大，轉(zhuǎn)彎效果差等問(wèn)題。因此，要使可變履帶式機(jī)器人能夠克服煤礦井下復(fù)雜地形環(huán)境，還需進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究，切實(shí)做好設(shè)計(jì)、改進(jìn)與完善工作，為我省的煤礦井下探測(cè)工作提供有效依據(jù)，在資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的社會(huì)發(fā)展過(guò)程中具有廣闊的應(yīng)用前景和重大的現(xiàn)實(shí)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本設(shè)計(jì)要解決的問(wèn)題是針對(duì)上述不足，在汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一種適用于可變履帶式井下探測(cè)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并以齒輪齒條式轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)為中心，其設(shè)計(jì)過(guò)程包括:
(1)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用；
(2)齒輪與齒條的合理匹配；
(3)梯形結(jié)構(gòu)橫拉桿的設(shè)計(jì)。
[0004]在考慮上述要求和相關(guān)因素的基礎(chǔ)上，采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)型號(hào)JSF42-3-30-AS-1000,額定功率32w，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，經(jīng)過(guò)2級(jí)齒輪減速，減速比為1:6。減速后，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速降至500r/min。由此計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)矩為0.1Nm。由電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪齒條轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向，齒輪齒數(shù)11，齒條齒數(shù)31，模數(shù)均為2.5，壓力角20°，螺旋角12°，齒輪變位系數(shù)0.65，齒條變位系數(shù)O。并通過(guò)轉(zhuǎn)向節(jié)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向齒輪軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向齒輪軸與轉(zhuǎn)向齒條嚙合，從而促使轉(zhuǎn)向齒條產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。同時(shí)，轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，軸向尺寸1281mm，尺寸短且零件數(shù)目少的優(yōu)點(diǎn)又能增加助力，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和靈敏性，滿足強(qiáng)度要求，增加設(shè)計(jì)的安全性。
[0005]首先，利用CAD軟件建立轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖如圖1所示。圖1中I為HH型雙筒式車體減震器；2為齒輪齒條式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，齒條齒數(shù)Z=31，齒輪齒數(shù)Z=14 ;3為JSF型直流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)；4為傳動(dòng)齒輪軸；5為梯形結(jié)構(gòu)橫拉桿；6為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪；7為轉(zhuǎn)型機(jī)構(gòu)導(dǎo)向輪。
[0006]再利用Solidworks軟件,建立可變履帶式機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)各零件模型,再將各零部件裝配起來(lái)，組成可變履帶式井下探測(cè)機(jī)器人，再建立井下虛擬地形的模型圖，并將機(jī)器人與井下地形裝配起來(lái)。
[0007]該可變履帶式機(jī)器人的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)對(duì)地形的適應(yīng)能力強(qiáng)，且機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，結(jié)構(gòu)獨(dú)特新穎，使用簡(jiǎn)單方便，有效克服了可變履帶式機(jī)器人轉(zhuǎn)彎速度慢，轉(zhuǎn)彎半徑大，轉(zhuǎn)彎效果差的缺陷。在井下災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)改由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，且可變履帶部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)兩條履帶的速度不同，有助于機(jī)器人順利實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。
[0008]再將利用Solidworks建立的精確三維模型圖導(dǎo)入到ADAMS軟件中，考察可變履帶式機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向過(guò)程的可靠性與可行性?，F(xiàn)假設(shè)機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向90°，轉(zhuǎn)向前在均勻、水平的硬質(zhì)地面勻速行駛，其行駛速度為0.5m/s，應(yīng)用ADAMS/View約束庫(kù)中的運(yùn)動(dòng)副來(lái)約束仿真模型中各部件的運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)向時(shí)在2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪上施加運(yùn)動(dòng)約束，其約束函數(shù)% STEP (time, t0, y0, t” 7l)函數(shù)。其中，tQ、&為時(shí)間值，yQ、yi為速度值。機(jī)器人模型采用單側(cè)前輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，對(duì)其中一輪的轉(zhuǎn)速施加約束，約束函數(shù)為=STEP (time, O, O, 2，O)+STEP(time, 2，O, 4，_30d);另一輪制動(dòng)，轉(zhuǎn)速約為 0。
[0009]根據(jù)上面所建模型和約束條件，對(duì)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行仿真分析，仿真時(shí)間為50s，并通過(guò)軟件內(nèi)置的PLOT繪圖模塊，在ADAMS后處理模塊ADAMS/Postprocessor中觀察仿真過(guò)程，繪出了機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪與制動(dòng)輪在豎直方向上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和角速度隨時(shí)間變化的曲線，如圖2、圖3所示。其中，圖2為可變履帶機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪與制動(dòng)輪轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，在豎直方向上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩曲線。圖3為可變履帶式機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪與制動(dòng)輪轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，在豎直方向上的角速度曲線。
[0010]由圖2可以看出，實(shí)線為機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)制動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，虛線為驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它們由于在轉(zhuǎn)向過(guò)程中所起的作用不同，產(chǎn)生了不同幅度的變化。開(kāi)始的一段時(shí)間轉(zhuǎn)矩都趨于平穩(wěn)，由于制動(dòng)輪靜止，其受力基本為地面反作用力，兩輪轉(zhuǎn)矩值相差不大。隨著轉(zhuǎn)向阻力的增大，制動(dòng)輪與地面之間接觸處的反作用力產(chǎn)生反復(fù)變化，制動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩隨之產(chǎn)生較大波動(dòng)。
[0011]由圖3可以看出，虛線為機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪的角速度，實(shí)線為制動(dòng)輪的角速度，由模型轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪與制動(dòng)輪角速度的變化可以看出轉(zhuǎn)向過(guò)程中兩車輪的運(yùn)動(dòng)情況，即一側(cè)運(yùn)動(dòng)，一側(cè)制動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1所示為本設(shè)計(jì)井下探測(cè)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，圖1中I為HH型雙筒式車體減震器；2為齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，齒條齒數(shù)Z=31，齒輪齒數(shù)Z=14 ;3為JSF型直流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)；4為傳動(dòng)齒輪軸；5為梯形結(jié)構(gòu)橫拉桿；6為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪；7為轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)制動(dòng)輪；圖2所示為機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩圖；圖3所示為機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)角速度圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]設(shè)計(jì)過(guò)程包括:
(I)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用； (2)齒輪與齒條的合理匹配；
(3)梯形結(jié)構(gòu)橫拉桿的設(shè)計(jì)。
[0014]在考慮上述要求和相關(guān)因素的基礎(chǔ)上，采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)型號(hào)JSF42-3-30-AS-1000，如圖1中的3所示。電機(jī)額定功率32w，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，經(jīng)過(guò)2級(jí)齒輪減速，減速比為1:6。減速后，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速降至500r/min。由此計(jì)算出的電機(jī)轉(zhuǎn)矩為0.1Nm。由電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪齒條轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向，齒輪齒數(shù)11，齒條齒數(shù)31,模數(shù)均為2.5，壓力角20°，螺旋角12°，齒輪變位系數(shù)0.65，齒條變位系數(shù)O。并通過(guò)轉(zhuǎn)向節(jié)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向齒輪軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向齒輪軸與轉(zhuǎn)向齒條嚙合，從而促使轉(zhuǎn)向齒條產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。同時(shí)，轉(zhuǎn)向器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，軸向尺寸1281mm，尺寸短且零件數(shù)目少的優(yōu)點(diǎn)又能增加助力，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性和靈敏性，滿足強(qiáng)度要求，增加設(shè)計(jì)的安全性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種可變履帶式井下探測(cè)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的技術(shù)特征在于:驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用，采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)型號(hào)JSF42-3-30-AS-1000，額定功率32w，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，經(jīng)過(guò)2級(jí)齒輪減速，減速比為1:6，減速后，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速降至500r/min。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其技術(shù)特征在于:齒輪與齒條的合理匹配，由電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪齒條轉(zhuǎn)向軸轉(zhuǎn)向，齒輪齒數(shù)11，齒條齒數(shù)31,模數(shù)均為2.5，壓力角20°，螺旋角12°，齒輪變位系數(shù)0.65，齒條變位系數(shù)O。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，其技術(shù)特征在于:梯形結(jié)構(gòu)橫拉桿的設(shè)計(jì)。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，具體涉及一種可變履帶式井下探測(cè)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，屬于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域。近年來(lái)，關(guān)注煤礦安全生產(chǎn)成為了煤礦產(chǎn)業(yè)加速發(fā)展的重中之重，礦井發(fā)生事故后，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，形成非結(jié)構(gòu)化的極端地形，給探測(cè)工作帶來(lái)困難。針對(duì)這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種可變履帶式井下探測(cè)機(jī)器人，該機(jī)器人在攀越井下障礙的過(guò)程中優(yōu)勢(shì)明顯，但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)其存在履帶機(jī)器人常有的缺陷，如履帶轉(zhuǎn)彎速度慢，轉(zhuǎn)彎半徑大等問(wèn)題。因此，要使可變履帶式井下探測(cè)機(jī)器人能夠克服井下災(zāi)區(qū)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境，還需進(jìn)一步加強(qiáng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的研究，在汽車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)上加以改進(jìn)，研究出一種適用于履帶機(jī)器人的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，為礦井安全生產(chǎn)工作提供有益參考。
【IPC分類】B62D11/08
【公開(kāi)號(hào)】CN104908810
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410090953
【發(fā)明人】曲芳, 郝帥, 寧姍
【申請(qǐng)人】黑龍江科技學(xué)院
【公開(kāi)日】2015年9月16日
【申請(qǐng)日】2014年3月13日