[發明專利]井下探測機器人轉向機構

在審

• 申請號: 201410090953.1
• 申請日: 2014-03-13
• 公開（公告）號: CN104908810A
• 公開（公告）日: 2015-09-16
• 發明（設計）人: 曲芳;郝帥;寧姍
• 申請（專利權）人: 黑龍江科技學院
• 主分類號: B62D11/08
• 分類號: B62D11/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本設計涉及一種井下探測機器人轉向機構，具體涉及一種可變履帶式井下探測機器人轉向機構。

背景技術

近年來，關注煤礦安全生產成為了煤礦產業加速發展的重中之重，礦井發生瓦斯爆炸事故后，引起了頂板冒落、片幫、設備錯亂翻倒，導致災區現場結構復雜，形成非結構化的極端地形，這一地形給機器人的行走帶來較大困難。針對這一問題，已設計出一種可變履帶式井下探測機器人，該機器人在攀越井下障礙和特殊地形的過程中優勢明顯，具有較強的對復雜地形的適應能力和爬坡越障能力，能夠順利攀越連續臺階、圓臺地形、矩形凸臺、梯形凸臺、斜坡地形和溝道地形等，在井下搶險、探測領域可以廣泛推廣應用。但仍存在履帶式機器人常見的缺點，如履帶速度差，重力引起飄移，井下臺階與機器人履帶干涉，重心倒立擺，轉彎速度慢，轉彎半徑大，轉彎效果差等問題。因此，要使可變履帶式機器人能夠克服煤礦井下復雜地形環境，還需進一步加強機器人轉向機構的設計與研究，切實做好設計、改進與完善工作，為我省的煤礦井下探測工作提供有效依據，在資源節約型和環境友好型的社會發展過程中具有廣闊的應用前景和重大的現實意義。

發明內容

本設計要解決的問題是針對上述不足，在汽車轉向系統的基礎上加以改進，設計出一種適用于可變履帶式井下探測機器人的轉向機構，并以齒輪齒條式轉向結構的設計為中心，其設計過程包括：

(1)驅動電機的選用；

(2)齒輪與齒條的合理匹配；

(3)梯形結構橫拉桿的設計。

在考慮上述要求和相關因素的基礎上，采用直流伺服電機驅動，電機型號JSF42-3-30-AS-1000，額定功率32w，額定轉速3000r/min，經過2級齒輪減速，減速比為1:6。減速后，電機輸出轉速降至500r/min。由此計算出的電機轉矩為0.1Nm。由電機的旋轉帶動傳動機構的齒輪齒條轉向軸轉向，齒輪齒數11，齒條齒數31，模數均為2.5，壓力角20°，螺旋角12°，齒輪變位系數0.65，齒條變位系數0。并通過轉向節帶動轉向齒輪軸旋轉，轉向齒輪軸與轉向齒條嚙合，從而促使轉向齒條產生相對運動實現轉向。同時，轉向器結構簡單緊湊，軸向尺寸1281mm，尺寸短且零件數目少的優點又能增加助力，從而實現了機器人轉向的穩定性和靈敏性，滿足強度要求，增加設計的安全性。

首先，利用CAD軟件建立轉向機構的傳動示意圖如圖1所示。圖1中1為HH型雙筒式車體減震器；2為齒輪齒條式傳動機構，齒條齒數Z=31，齒輪齒數Z=14；3為JSF型直流伺服驅動電機；4為傳動齒輪軸；5為梯形結構橫拉桿；6為轉向機構驅動輪；7為轉型機構導向輪。

再利用Solidworks軟件，建立可變履帶式機器人轉向機構各零件模型，再將各零部件裝配起來，組成可變履帶式井下探測機器人，再建立井下虛擬地形的模型圖，并將機器人與井下地形裝配起來。

??該可變履帶式機器人的轉向機構對地形的適應能力強，且機構設計緊湊，結構獨特新穎，使用簡單方便，有效克服了可變履帶式機器人轉彎速度慢，轉彎半徑大，轉彎效果差的缺陷。在井下災區現場轉彎時，機器人的驅動改由轉向機構的驅動輪驅動，且可變履帶部分驅動電機開啟，實現兩條履帶的速度不同，有助于機器人順利實現轉向運動，提高機器人整體機構的穩定性和可靠性。

再將利用Solidworks建立的精確三維模型圖導入到ADAMS軟件中，考察可變履帶式機器人轉向機構轉向過程的可靠性與可行性。現假設機器人原地轉向90°，轉向前在均勻、水平的硬質地面勻速行駛，其行駛速度為0.5m/s，應用ADAMS/View約束庫中的運動副來約束仿真模型中各部件的運動。轉向時在2個驅動輪上施加運動約束，其約束函數為STEP(time,?t₀,?y₀,?t₁,?y₁)函數。其中，t₀、t₁為時間值，y₀、y₁為速度值。機器人模型采用單側前輪獨立驅動，對其中一輪的轉速施加約束，約束函數為：STEP(time,?0,?0,?2,?0)+STEP(time,?2,?0,?4,?-30d)；另一輪制動，轉速約為0。