井下探测机器人转向机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本设计涉及一种井下探测机器人转向机构，具体涉及一种可变履带式井下探测机器人转向机构。
【背景技术】
[0002]近年来，关注煤矿安全生产成为了煤矿产业加速发展的重中之重，矿井发生瓦斯爆炸事故后，引起了顶板冒落、片帮、设备错乱翻倒，导致灾区现场结构复杂，形成非结构化的极端地形，这一地形给机器人的行走带来较大困难。针对这一问题，已设计出一种可变履带式井下探测机器人，该机器人在攀越井下障碍和特殊地形的过程中优势明显，具有较强的对复杂地形的适应能力和爬坡越障能力，能够顺利攀越连续台阶、圆台地形、矩形凸台、梯形凸台、斜坡地形和沟道地形等，在井下抢险、探测领域可以广泛推广应用。但仍存在履带式机器人常见的缺点，如履带速度差，重力引起飘移，井下台阶与机器人履带干涉，重心倒立摆，转弯速度慢，转弯半径大，转弯效果差等问题。因此，要使可变履带式机器人能够克服煤矿井下复杂地形环境，还需进一步加强机器人转向机构的设计与研究，切实做好设计、改进与完善工作，为我省的煤矿井下探测工作提供有效依据，在资源节约型和环境友好型的社会发展过程中具有广阔的应用前景和重大的现实意义。
【发明内容】
[0003]本设计要解决的问题是针对上述不足，在汽车转向系统的基础上加以改进，设计出一种适用于可变履带式井下探测机器人的转向机构，并以齿轮齿条式转向结构的设计为中心，其设计过程包括:
(1)驱动电机的选用；
(2)齿轮与齿条的合理匹配；
(3)梯形结构横拉杆的设计。
[0004]在考虑上述要求和相关因素的基础上，采用直流伺服电机驱动，电机型号JSF42-3-30-AS-1000,额定功率32w，额定转速3000r/min，经过2级齿轮减速，减速比为1:6。减速后，电机输出转速降至500r/min。由此计算出的电机转矩为0.1Nm。由电机的旋转带动传动机构的齿轮齿条转向轴转向，齿轮齿数11，齿条齿数31，模数均为2.5，压力角20°，螺旋角12°，齿轮变位系数0.65，齿条变位系数O。并通过转向节带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴与转向齿条啮合，从而促使转向齿条产生相对运动实现转向。同时，转向器结构简单紧凑，轴向尺寸1281mm，尺寸短且零件数目少的优点又能增加助力，从而实现了机器人转向的稳定性和灵敏性，满足强度要求，增加设计的安全性。
[0005]首先，利用CAD软件建立转向机构的传动示意图如图1所示。图1中I为HH型双筒式车体减震器；2为齿轮齿条式传动机构，齿条齿数Z=31，齿轮齿数Z=14 ;3为JSF型直流伺服驱动电机；4为传动齿轮轴；5为梯形结构横拉杆；6为转向机构驱动轮；7为转型机构导向轮。
[0006]再利用Solidworks软件,建立可变履带式机器人转向机构各零件模型,再将各零部件装配起来，组成可变履带式井下探测机器人，再建立井下虚拟地形的模型图，并将机器人与井下地形装配起来。
[0007]该可变履带式机器人的转向机构对地形的适应能力强，且机构设计紧凑，结构独特新颖，使用简单方便，有效克服了可变履带式机器人转弯速度慢，转弯半径大，转弯效果差的缺陷。在井下灾区现场转弯时，机器人的驱动改由转向机构的驱动轮驱动，且可变履带部分驱动电机开启，实现两条履带的速度不同，有助于机器人顺利实现转向运动，提高机器人整体机构的稳定性和可靠性。
[0008]再将利用Solidworks建立的精确三维模型图导入到ADAMS软件中，考察可变履带式机器人转向机构转向过程的可靠性与可行性。现假设机器人原地转向90°，转向前在均匀、水平的硬质地面匀速行驶，其行驶速度为0.5m/s，应用ADAMS/View约束库中的运动副来约束仿真模型中各部件的运动。转向时在2个驱动轮上施加运动约束，其约束函数% STEP (time, t0, y0, t” 7l)函数。其中，tQ、&为时间值，yQ、yi为速度值。机器人模型采用单侧前轮独立驱动，对其中一轮的转速施加约束，约束函数为=STEP (time, O, O, 2，O)+STEP(time, 2，O, 4，_30d);另一轮制动，转速约为 0。
[0009]根据上面所建模型和约束条件，对机器人行走机构模型进行仿真分析，仿真时间为50s，并通过软件内置的PLOT绘图模块，在ADAMS后处理模块ADAMS/Postprocessor中观察仿真过程，绘出了机器人转向机构驱动轮与制动轮在竖直方向上的驱动转矩和角速度随时间变化的曲线，如图2、图3所示。其中，图2为可变履带机器人转向机构驱动轮与制动轮转向运动时，在竖直方向上的驱动转矩曲线。图3为可变履带式机器人转向机构驱动轮与制动轮转向运动时，在竖直方向上的角速度曲线。
[0010]由图2可以看出，实线为机器人转向机构制动轮的驱动转矩，虚线为驱动轮的驱动转矩，它们由于在转向过程中所起的作用不同，产生了不同幅度的变化。开始的一段时间转矩都趋于平稳，由于制动轮静止，其受力基本为地面反作用力，两轮转矩值相差不大。随着转向阻力的增大，制动轮与地面之间接触处的反作用力产生反复变化，制动轮转矩随之产生较大波动。
[0011]由图3可以看出，虚线为机器人转向机构驱动轮的角速度，实线为制动轮的角速度，由模型转向机构驱动轮与制动轮角速度的变化可以看出转向过程中两车轮的运动情况，即一侧运动，一侧制动，从而实现了转向。
【附图说明】
[0012]图1所示为本设计井下探测机器人转向机构的传动示意图，图1中I为HH型双筒式车体减震器；2为齿轮齿条传动机构，齿条齿数Z=31，齿轮齿数Z=14 ;3为JSF型直流伺服驱动电机；4为传动齿轮轴；5为梯形结构横拉杆；6为转向机构驱动轮；7为转向机构制动轮；图2所示为机器人转向机构驱动转矩图；图3所示为机器人转向机构角速度图。
【具体实施方式】
[0013]设计过程包括:
(I)驱动电机的选用； (2)齿轮与齿条的合理匹配；
(3)梯形结构横拉杆的设计。
[0014]在考虑上述要求和相关因素的基础上，采用直流伺服电机驱动，电机型号JSF42-3-30-AS-1000，如图1中的3所示。电机额定功率32w，额定转速3000r/min，经过2级齿轮减速，减速比为1:6。减速后，电机输出转速降至500r/min。由此计算出的电机转矩为0.1Nm。由电机的旋转带动传动机构的齿轮齿条转向轴转向，齿轮齿数11，齿条齿数31,模数均为2.5，压力角20°，螺旋角12°，齿轮变位系数0.65，齿条变位系数O。并通过转向节带动转向齿轮轴旋转，转向齿轮轴与转向齿条啮合，从而促使转向齿条产生相对运动实现转向。同时，转向器结构简单紧凑，轴向尺寸1281mm，尺寸短且零件数目少的优点又能增加助力，从而实现了机器人转向的稳定性和灵敏性，满足强度要求，增加设计的安全性。
【主权项】
1.一种可变履带式井下探测机器人转向机构，其驱动电机的技术特征在于:驱动电机的选用，采用直流伺服电机驱动，电机型号JSF42-3-30-AS-1000，额定功率32w，额定转速3000r/min，经过2级齿轮减速，减速比为1:6，减速后，电机输出转速降至500r/min。2.根据权利要求1所述的机器人转向机构，其技术特征在于:齿轮与齿条的合理匹配，由电机的旋转带动传动机构的齿轮齿条转向轴转向，齿轮齿数11，齿条齿数31,模数均为2.5，压力角20°，螺旋角12°，齿轮变位系数0.65，齿条变位系数O。3.根据权利要求2所述的机器人转向机构，其技术特征在于:梯形结构横拉杆的设计。
【专利摘要】本发明涉及一种机器人转向机构，具体涉及一种可变履带式井下探测机器人转向机构，属于机械设计领域。近年来，关注煤矿安全生产成为了煤矿产业加速发展的重中之重，矿井发生事故后，现场结构变得复杂，形成非结构化的极端地形，给探测工作带来困难。针对这一问题，设计一种可变履带式井下探测机器人，该机器人在攀越井下障碍的过程中优势明显，但在试验中发现其存在履带机器人常有的缺陷，如履带转弯速度慢，转弯半径大等问题。因此，要使可变履带式井下探测机器人能够克服井下灾区现场复杂环境，还需进一步加强机器人转向机构的研究，在汽车的转向系统上加以改进，研究出一种适用于履带机器人的转向机构，为矿井安全生产工作提供有益参考。
【IPC分类】B62D11/08
【公开号】CN104908810
【申请号】CN201410090953
【发明人】曲芳, 郝帅, 宁姗
【申请人】黑龙江科技学院
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2014年3月13日