1吨救灾机器人工作装置设计
摘要:本文主要叙述了一吨救灾机器人工作装置的设计计算过程，比较全面地讨论了救灾机器人的手部和腕部、手臂伸缩机构以及上升和回转机构等主要部件的结构设计。紧接着，对工作装置液压油缸进行参数设计和校核，并绘制一吨救灾机器人工作装置零部件图纸。最后，运用Pro/E软件建立工作装置的三维立体模型，并对救灾机器人工作装置整体进行设计，用它对本次设计进行三维立体展示表达。
关键词: 机器人，液压系统， 设计
目录
1 引言 1
1.1 一吨救灾机器人工作装置的基本概念 1
1.2 国内外的发展状况 1
1.2.1 国内研究状况 1
1.2.2 国外研究状况 1
1.3 工作装置的特点、研究意义 2
1.3.1 工作装置的特点 2
1.3.2 工作装置的研究意义 2
2 救灾机器人工作装置的总体结构设计 3
2.1 工作装置的概述 3
2.2 工作装置的连杆系统分析 3
2.3 工作装置的设计指标与结构确定 4
2.4 工作装置的工作过程 6
2.5 工作装置的工作空间确定 6
2.6 工作装置额定负载的确定 6
2.7 工作装置的技术参数列表 7
2.8 本次设计工作装置需要完成的具体任务 7
3 工作装置抓手部份的结构设计 7
3.1 抓手所抓取物体的目标 8
3.2 抓手的设计目标 8
3.3 设计时需要注意的几个问题 9
3.4 抓手具体参数的确定 10
3.4.1 最大抓取重量的计算 10
3.4.2 最大抓取石块长度的计算 10< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 3.4.3 抓手最大抓取石头的宽度 11
3.4.4 抓手抓紧后的最小间隙 11
3.4.5 抓手厚度的确定 11
3.4.6 抓手质量的确定 12
3.5 抓手处液压缸的尺寸设计与校核 13
3.5.1 根据抓手所受的力选择液压缸 13
3.5.2缸筒、活塞杆强度校核 16
3.6 根据抓手转动角度和液压缸的最大有效长度选择铰接点a的位置及活动行程 16
3.7 抓手与手腕铰接处的强度校核 17
4 工作装置手臂处的结构设计 17
4.1 工作装置手臂的作用和组成 17
4.2 设计手臂时应考虑的问题 18
4.3 小臂处液压缸的尺寸设计及校核 19
4.3.1 根据小臂液压缸的受力选择液压缸 19
4.3.2缸筒、活塞杆强度校核 22
4.3.3缸筒、活塞杆稳定性校核 23
4.4 根据小臂液压缸的行程确定手腕C’点的位置 24
4.5根据小臂确定抓手竖直空间的最大行程 24
4.6 小臂与手腕铰接点c的强度校核 26
4.7 大臂处液压缸的尺寸设计及校核 26
4.7.1 根据大臂液压缸的受力选择液压缸 27
4.7.2 缸筒、活塞杆强度校核 30
4.7.3缸筒、活塞杆稳定性校核 30
4.8 根据大臂液压缸的行程确定小臂铰接点B’的位置 32
5 液压缸参数汇总 32
6 Pro/E软件的应用 33
6.1 Pro/E 简介 33
6.2 Pro/E的主要特征 33
6.3 Pro/E设计零件展示 34
6.4 产品设计 36
7 运用PRO/E对手腕的强度进行分析 37
7.1 铰接点C的强度分析 37
7.2 铰接点C前头部的强度分析 39
结论 40
致谢 41
参考文献 42
1 引言
1.1 一吨救灾机器人工作装置的基本概念
救灾机器人的工作装置，隶属于机器人学的范畴，机器人学是近几十年来迅速发展起来的一门综合学科。它集中了机械电子工程、计算机工程、自动控制以及人工智能等多种学科，体现了当代机电一体化的最新发展，是当今科学技术领域最活跃的部分之一，也是我国科学技术界接轨国际高新技术发展的重要课题。
1.2 国内外的发展状况
1.2.1 国内研究状况
我国的机器人工作装置研究相对较晚，先后经历了70年代的萌芽，80年代的发展以及90年代的适用。虽然我国在这方面起步较晚，但却颇受关注。如国家“863”计划支持的地震救援辅助机器人而采取的一系列措施；国内的各所大学、科研机构以及企业近年来开展了广泛的的研究，已取得一系列重要的成果。下面介绍在地震中做出贡献的机器人工作装置。
国家“十二五”科技支持计划的重点项目“龙虾”救援机器人是当今世界上最大的抢险救援机器人。它的工作装置是两个手臂，每只臂都有7个自由度，员工可控制手臂自由升降，且还能模仿人的双臂进行有效的协调及配合作业，还能实现轮、履两用驱动行驶。拥有电、油“双动力”交替驱动，可双臂同时作业，轮履复合行进，其双臂末端的抓手可根据作业或救援现场的需要快速更换具有不同作业功能的工作装置，实现快速装卸、拆解、抢险救援等作业。
1.2.2 国外研究状况
近年来，特别是“9.11”事件发生以后，世界上许多国家都开始从国家安全战略的角度研发出各种适用于灾难救援机器人、反恐防爆机器人的优秀工作装置，并用于防灾与救援。目前世面上已有多种具有不同功能的消防机器人用于救灾现场。
日本作为一个地震灾难频发的国家，十分重视救灾机器人工作装置的研制，其科研水平一直处于世界领先地位。菊池制作根据日本消防厅的要求所研发的救灾机器人RoboCue能进入救援队员不能进入的地方，比如火势凶猛的房屋、弥散毒气的现场或爆炸地点来寻找受害人。它的两个手臂配备有红外照相机、超声波传感器，并随身携带着一个氧气罐，其中的2个手臂不仅可以识别受伤者，还可以将伤员运送到一张类似雪橇板的床上，撤回到安全地带。
美国在911事件发生后，对研发救灾机器人的工作装置更加重视。其中，极具代表意义的是由Irobot公司研发的小型便携带式机器人Packbot 系列和“Warrior（战士）”机器人等均得到了救援部门较好的评价。“Warrior”可远距离通过遥控元件遥控动作，前后长90cm，左右宽80cm，上下高53cm，质量为250kg，机械手臂前段装有刷子。在福岛核电泄漏事件中，3号机组所在建筑物的1层具有放射线，且放射线量最高时可达620mSv/h，操作人员不能进入，而“Warrior”却可将爆炸后产生的沉积小石子和沙土清除干净，并搬走倒塌的架子。在美国，多个大学的研究中心、国家科研机构和公司也同时对救灾机器人进行了研究。南佛罗里达大学灾难救援机器人研究中心研制出了救援机器人Bujold，，该机器人的底部安装有医学传感器，并采用可变形履带驱动，具有较高的运动和探测能力，同时该机器人还可以在灾难现场获取幸存者的生理信息和周围环境状况并将其传送到外界。
1 引言 1
1.1 一吨救灾机器人工作装置的基本概念 1
1.2 国内外的发展状况 1
1.2.1 国内研究状况 1
1.2.2 国外研究状况 1
1.3 工作装置的特点、研究意义 2
1.3.1 工作装置的特点 2
1.3.2 工作装置的研究意义 2
2 救灾机器人工作装置的总体结构设计 3
2.1 工作装置的概述 3
2.2 工作装置的连杆系统分析 3
2.3 工作装置的设计指标与结构确定 4
2.4 工作装置的工作过程 6
2.5 工作装置的工作空间确定 6
2.6 工作装置额定负载的确定 6
2.7 工作装置的技术参数列表 7
2.8 本次设计工作装置需要完成的具体任务 7
3 工作装置抓手部份的结构设计 7
3.1 抓手所抓取物体的目标 8
3.2 抓手的设计目标 8
3.3 设计时需要注意的几个问题 9
3.4 抓手具体参数的确定 10
3.4.1 最大抓取重量的计算 10
3.4.2 最大抓取石块长度的计算 10< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
br /> 3.4.3 抓手最大抓取石头的宽度 11
3.4.4 抓手抓紧后的最小间隙 11
3.4.5 抓手厚度的确定 11
3.4.6 抓手质量的确定 12
3.5 抓手处液压缸的尺寸设计与校核 13
3.5.1 根据抓手所受的力选择液压缸 13
3.5.2缸筒、活塞杆强度校核 16
3.6 根据抓手转动角度和液压缸的最大有效长度选择铰接点a的位置及活动行程 16
3.7 抓手与手腕铰接处的强度校核 17
4 工作装置手臂处的结构设计 17
4.1 工作装置手臂的作用和组成 17
4.2 设计手臂时应考虑的问题 18
4.3 小臂处液压缸的尺寸设计及校核 19
4.3.1 根据小臂液压缸的受力选择液压缸 19
4.3.2缸筒、活塞杆强度校核 22
4.3.3缸筒、活塞杆稳定性校核 23
4.4 根据小臂液压缸的行程确定手腕C’点的位置 24
4.5根据小臂确定抓手竖直空间的最大行程 24
4.6 小臂与手腕铰接点c的强度校核 26
4.7 大臂处液压缸的尺寸设计及校核 26
4.7.1 根据大臂液压缸的受力选择液压缸 27
4.7.2 缸筒、活塞杆强度校核 30
4.7.3缸筒、活塞杆稳定性校核 30
4.8 根据大臂液压缸的行程确定小臂铰接点B’的位置 32
5 液压缸参数汇总 32
6 Pro/E软件的应用 33
6.1 Pro/E 简介 33
6.2 Pro/E的主要特征 33
6.3 Pro/E设计零件展示 34
6.4 产品设计 36
7 运用PRO/E对手腕的强度进行分析 37
7.1 铰接点C的强度分析 37
7.2 铰接点C前头部的强度分析 39
结论 40
致谢 41
参考文献 42
1 引言
1.1 一吨救灾机器人工作装置的基本概念
救灾机器人的工作装置，隶属于机器人学的范畴，机器人学是近几十年来迅速发展起来的一门综合学科。它集中了机械电子工程、计算机工程、自动控制以及人工智能等多种学科，体现了当代机电一体化的最新发展，是当今科学技术领域最活跃的部分之一，也是我国科学技术界接轨国际高新技术发展的重要课题。
1.2 国内外的发展状况
1.2.1 国内研究状况
我国的机器人工作装置研究相对较晚，先后经历了70年代的萌芽，80年代的发展以及90年代的适用。虽然我国在这方面起步较晚，但却颇受关注。如国家“863”计划支持的地震救援辅助机器人而采取的一系列措施；国内的各所大学、科研机构以及企业近年来开展了广泛的的研究，已取得一系列重要的成果。下面介绍在地震中做出贡献的机器人工作装置。
国家“十二五”科技支持计划的重点项目“龙虾”救援机器人是当今世界上最大的抢险救援机器人。它的工作装置是两个手臂，每只臂都有7个自由度，员工可控制手臂自由升降，且还能模仿人的双臂进行有效的协调及配合作业，还能实现轮、履两用驱动行驶。拥有电、油“双动力”交替驱动，可双臂同时作业，轮履复合行进，其双臂末端的抓手可根据作业或救援现场的需要快速更换具有不同作业功能的工作装置，实现快速装卸、拆解、抢险救援等作业。
1.2.2 国外研究状况
近年来，特别是“9.11”事件发生以后，世界上许多国家都开始从国家安全战略的角度研发出各种适用于灾难救援机器人、反恐防爆机器人的优秀工作装置，并用于防灾与救援。目前世面上已有多种具有不同功能的消防机器人用于救灾现场。
日本作为一个地震灾难频发的国家，十分重视救灾机器人工作装置的研制，其科研水平一直处于世界领先地位。菊池制作根据日本消防厅的要求所研发的救灾机器人RoboCue能进入救援队员不能进入的地方，比如火势凶猛的房屋、弥散毒气的现场或爆炸地点来寻找受害人。它的两个手臂配备有红外照相机、超声波传感器，并随身携带着一个氧气罐，其中的2个手臂不仅可以识别受伤者，还可以将伤员运送到一张类似雪橇板的床上，撤回到安全地带。
美国在911事件发生后，对研发救灾机器人的工作装置更加重视。其中，极具代表意义的是由Irobot公司研发的小型便携带式机器人Packbot 系列和“Warrior（战士）”机器人等均得到了救援部门较好的评价。“Warrior”可远距离通过遥控元件遥控动作，前后长90cm，左右宽80cm，上下高53cm，质量为250kg，机械手臂前段装有刷子。在福岛核电泄漏事件中，3号机组所在建筑物的1层具有放射线，且放射线量最高时可达620mSv/h，操作人员不能进入，而“Warrior”却可将爆炸后产生的沉积小石子和沙土清除干净，并搬走倒塌的架子。在美国，多个大学的研究中心、国家科研机构和公司也同时对救灾机器人进行了研究。南佛罗里达大学灾难救援机器人研究中心研制出了救援机器人Bujold，，该机器人的底部安装有医学传感器，并采用可变形履带驱动，具有较高的运动和探测能力，同时该机器人还可以在灾难现场获取幸存者的生理信息和周围环境状况并将其传送到外界。
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