摘要：
随着我国改革开放的不断开展，我国经济建设和技术应用都得到了高速稳定的发展，机器人已成为制造加工行业必不可少的关键设备，机器人可以分为工业机器人和特种机器人两大类，工业机器人通常应用于制造加工行业，实现工业自动化，多为关节机器人和多自由度机器手；而特种机器人则被广泛应用于各行各业，几乎遍布除工业外的其他领域，包括服务机器人、军用机器人、农业机器人等等， 除冰机器人作为特种机器人的一种，它的出现不但代替了电力工人的现场实际作业，提高高压线除冰的工作效率，而且利用除冰机器人可以大量节省人力成本，这就使得除冰机器人的研究工作更加有现实意义。
除冰机器人相比其他特种机器人，结构更加简单，使用起来更加方便。其整体结构分为行走机构和除冰机构两大块，行走机构的方式多种多样，有腿式行走机构，轮式行走机构，选择何种行走方式决定了除冰机器人的工作效率和质量。本篇论文中提出了一种结构巧妙、机动性好、稳定性能高的机械除冰机器人设计方案，本方案对除冰机器人技术进行深入分析研究，其工作原理是：利用行走电动机驱动行走轮转动从而带动整个除冰机器人向前行走，利用除冰电动机带动除冰刀转动实现除冰机器人在高压电线上自动巡线除冰的目的。除冰机器人作为一种新型的特种机器人，对此进一步的研究也是不能忽视的。
关键词：机器人；除冰机器人；除冰刀
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Abstract
With the continuous development of China's reform and opening up, China's economic construction and technology applications have been high-speed and stable development, the robot has become a manufacturing and processing industry essential essential equipment, robots can be divided into industrial robots and special robots two categories, Robots are often used in the manufacturing and processing industry, to achieve industrial automation, mostly joint robots and multi-degree of freedom of the robot; and special robots are widely used in all walks of life, almost all over the industrial areas, including service robots, military robots , Agricultural robots, etc., deicing robot as a special kind of robot, it does not only replace the appearance of the actual work of electric workers to improve the efficiency of high-pressure line de-icing, and the use of de-icing robots can save a lot of human costs, Making the de-icing robot research work more practical significance.
De-icing robot compared to other special robots, the structure is more simple, more convenient to use. Its overall structure is divided into walking and deicing mechanism two blocks, walking a variety of ways, there are leg-like walking institutions, wheeled walking agencies, choose what way to walk the decision of the de-icing robot's work efficiency and quality. In this paper, we propose a deodorant robot design scheme with good structure, good maneuverability and high stability. The scheme is based on the deep analysis of deering robot technology. The working principle is that the traveling motor is used to drive the running wheel Driving the entire de-icing robot to move forward, the use of de-icing motor to promote the removal of the ice knife to achieve de-icing robot in the high-voltage wire automatically patrol line deicing purposes. De-icing robot as a new type of special robot, this further study can not be ignored. Keywords: robot，Deicing robot, In addition to skateboarding
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目 录
Abstract ...................................................................................................................................................... II 目 录 ..................................................................................................................................................... III 第一章 绪论 .............................................................................................................................................. 1 1.1 引言 ................................................................................................................................................... 1 1.2除冰机器人的发展概况 .................................................................................................................... 1 1.3 Solidwork软件的介绍 ....................................................................................................................... 2 1.4 有限元分析的介绍 ........................................................................................................................... 3 1.5 课题研究的意义及目的 ................................................................................................................... 4 第二章
机械除冰机器人的设计 ........................................................................................................... 5
2.1 机械除冰机器人的设计要求 ......................................................................................................... 5 2.2
机械除冰机器人的设计概述 ....................................................................................................... 6
机械除冰机器人与其他类型除冰机器人原理的对比 ...................................................................... 6 2.2.2机械除冰机器人与其他类型除冰机器人特点的对比 ............................................................. 8 机械除冰机器人的设计参数 .............................................................................................................. 8 2.3
机械除冰机器人的具体设计 ....................................................................................................... 8
机器人底座结构设计 .......................................................................................................................... 9 行走电动机的设计与选型 .................................................................................................................. 9 减速器齿轮的设计 ............................................................................................................................ 11 2.3.1.3齿轮齿数的选择 ....................................................................................... 错误!未定义书签。 直齿圆柱齿轮静力及接触分析的理论计算 ....................................................... 错误!未定义书签。 直齿轮静力及接触的有限元分析 ....................................................................... 错误!未定义书签。 链传动的设计 .................................................................................................................................... 14 机械手臂结构设计 ............................................................................................................................ 16 机械手臂转动电机的设计与选型 .................................................................................................... 18 机械手臂转动结构的设计 ................................................................................................................ 25 第三章 总结与展望 .................................................................................................................................. 27 参考文献 .................................................................................................................................................... 27
III
第一章 绪论 1.1 引言
随着我国改革开放的不断开展，我国经济建设和技术应用都得到了高速稳定的发展，机器人应用的地方变得越来越多，从单一的生产制造业发展到各行各业，甚至应用到高压电线除冰的具体工作。现在国内外都开始了对除冰机器人的系统研发和设计，而除冰机器人选择何种除冰方式是其设计时最重要的考虑点之一。除冰机器人按其除冰原理可以分为热力除冰法、化学除冰法、声波除冰法、机械除冰法等等，这些方式各有其优缺点。
目前常见的除冰机器人主流仍是热力除冰机器人，该机器人移动结构简单，适用于高压输电线路的自动除冰，行走过程相对稳定，但是同样存在着许多缺陷，最大的问题是热力除冰机器人的除冰方式热力做功效率低下，经济成本过高，且除冰过程中容易造成电力中断的情况发生。我们都知道除冰结构是除冰机器人中极为重要的一个构件，因此在整体设计的时候应该考虑除冰结构的适用性，稳定性和可靠性。
为了让除冰机器人的各项性能满足其使用要求，我们需要从以下方面要求入手考虑：机动性能好，除冰作业效率高，保证电力输送的稳定，与高压线附着力大，除冰可靠性高。本设计中我们选用纯机械的结构作为除冰机器人的除冰方式，其既具备热力除冰机器人除冰作业效率高的优点，自身又具备结构简单，制造成本低，使用安全稳定的特点。机械除冰机器人除冰过程安全稳定、作业效率高、操作简单的优点；机械除冰机器人能够适用于各种气候环境下的工作，因此对其进一步的研究是不能忽视的。
1.2除冰机器人的发展概况
欧美等国家在除冰机器人的技术研究方面一直处于世界的前端，他们单独设立有专门的除冰机器人技术研究小组，且都在努力将除冰机器人的技术应用于不同气候环境下都能够正常作业。目前国外的除冰机器人研发已经取得了突破性的进展，他们成功将该除冰机器人应用到高压输送线路巡线除冰的实际作业中，还有部分除冰机器人甚至可以能够对高压线路进行简单维护工作，比如: 东京电力公司的OPGW巡线移动机器人，Hibot Expliner机器人，加拿大魁北克水电研究院的HQLineROVer遥控小车， LineROVer除冰机器人，LineScout除冰机器人等，其中最典型的是: 东京电力公司的OPGW巡线移动机器人。
东京电力公司在日本的除冰机器人研究领域处于领先地位，其研发的OPGW巡线移动
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机器人被日本电力行业视为轻型无人作业、自动除冰维护用机动平台的模板。该机器人利用两个行走轮和两个导向轮沿着高压输送线行走，能避开防震锤、螺旋减震器等高压线路上的障碍物。遇到高压线塔时机器人本体采用仿人攀爬的结构原理，先展开弧形手臂，手臂的首端吊住高压线塔两侧的地线，作为着力支撑点，然后整个机器人顺着高压地线滑到线塔的另一端；待机器人导向轮夹紧高压线塔另一端的地线后，将弧形手臂折叠收起，重复上述动作过程，最终实现自动行走的目的。OPGW巡线移动机器人本体顶部还安装有8个摄像头用于实时拍摄高压输送线路上现场情况，辅助完成机器人的巡线检测任务，并通过电晕效应的原理去除高压输送线路上的覆冰。该机器人还可以通过前后导向轮交叉换向实现自动避障的功能。
目前国内对除冰机器人的技术研究仍然处于初始阶段，对除冰机器人的定位传感器、位置导航、运动控制以及除冰结构设计等关键层面的研究还远远落后于其他欧美国家。不过现在许多国内研究机构也开始努力开展对除冰机器人的研究工作，从最基础的行走机械结构设计、除冰方式及运动控制入手。由于除冰机器人在机动性、越障方式等方面与其他特种机器人有很大不同，因此国内在除冰机器人技术研发这条路上还有很长的路程要走。
1.3 Solidwork软件的介绍
SolidWorks为达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的CATIAV5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。
SolidWorks公司成立于1993年，由PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁发起，总部位于马萨诸塞州的康克尔郡（Concord,Massachusetts）内，当初的目标是希望在每一个工程师的桌面上提供一套具有生产力的实体模型设计系统。从1995年推出第一套SolidWorks三维机械设计软件至今至2010年已经拥有位于全球的办事处，并经由300家经销商在全球140个国家进行销售与分销该产品。1997年，Solidworks被法国达索（Dassault Systemes）公司收购，作为达索中端主流市场的主打品牌。 SolidWorks的主要模块包括：
（1）零件建模
SolidWorks 提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、薄壁 特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。通过对特征和草图的动态修
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改，用拖拽的方式实现实时的设计修改。三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管线生成路径。
(2)曲面建模
通过带控制线的扫描、放样、填充以及拖动可控制的相切操作产生复杂的曲面。可以直观地对曲面进行修剪、延伸、倒角和缝合等曲面的操作。
（3）钣金设计
SolidWorks 提供了顶尖的、全相关的钣金设计能力。可以直接使用各种类型的法兰、薄片等特征，正交切除、角处理以及边线切口等钣金操作变得非常容易。 用户化 SolidWorks 的API为用户提供了自由的、开放的、功能完整的开发工具。
开发工具包括Microsoft Visual Basic for Applications (VBA)、Visual C++，以及其他支持OLE的开发程序。
（4）特征识别
FeatureWorks是第一个为CAD用户设计的特征识别软件。与其它CAD系统共享三维模型，充分利用原有的设计数据，更快将向SolidWorks系统过渡，这就是特征识别软件FeatureWorks所带来的好处。
FeatureWorks同SolidWorks 完全集成。当引入其它CAD软件的三维模型时，FeatureWorks能够重新生成新的模型，引进新的设计思路。FeatureWorks对静态的转换文件进行智能化处理，获取有用的信息，减少了重建模型所化的时间。
FeatureWorks最适合识别带有长方形、圆锥形、圆柱形的零件和钣金零件。 FeatureWorks提供了崭新的灵活功能，包括在任何时间按任意顺序交互式操作以及自动进行特征识别。FeatureWorks 提供了在新的特征树内进行再识别和组合多个特征的能力，新增功能还包含识别拔模特征和筋特征的能力。
1.4 有限元分析的介绍
有限元分析是运用电子计算机进行数值模拟的方式，现如今在工程技术领域中的应用十分多，有限元计算答案已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。现在，有限元分析大量应用于解决航空、工业、航天、电子、土木、船舶、能源、化工、核工业、生物、医学及交通运输等众多领域的具体工程问题，尤其是随着计算机技术突飞猛进的高速发展，有限单元法在解决具体问题的规模、区间方面也已经发生了巨大的变革。有限元分析技术可以实现：
（1）找到产品潜在的问题以及先天的缺陷，为我们创造更加品质优异的产品。 （2）对风险进行评估与预测，提高产品和加工生产的可靠性，降低存在的风险。 （3）通过进行对比计算分析，运用改进后的设计方案，降低产品生产加工成本。 （4）缩短产品投向市场的时间。
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（5）降低物理试验次数，对大量实际情况进行快速而有效的模拟实验分析。 有限元分析是R.Courant于1943年首先提出的。从提出有限元分析的概念以来，有限元理论及其特殊的应用得到了高速发展。以往不能解决或能解决但解决精度不高的情况，都得到了更好的解决方法。传统的FEM假设：分析域是无限；材质是同样的，甚至在绝大部分的分析中认为材质是各向同性的；对边界环境简化处理。但实际情况往往是分析区域有限、材质各向异性及边界环境难以确定等因素。为了解决这些问题，美国学者发现用CFEM(Gener-alized Finite Element Method)解决分析区域内含有大量孔洞特性的情况；比利时学者也在之间提出了用HSM解决实际开裂情况。
FEM在国内的应用也十分广。自从我国成功研制了国内第一个通用有限元分析程序系统JIGFEX后，有限元分析涵盖到工程分析的各个领域中，从我国大型的三峡工程到微米级的器件都运用了FEM进行分析，在我国高速经济发展中拥有很大的发展空间。
现在我们在进行大型复杂工程结构中物理场分析时，为了控制并估计偏差，常用后验偏差估计的自适应有限元分析。而基于后处理法的计算偏差，与我们常常使用的传统算法不同，它完美的将网格自适应过程分成均匀化和变密度化两个迭代过程。而均匀化迭代过程中，运用均匀网格尺寸对整体分析区域进行网格划分，便得到一个合适的起始均匀分析网格；而在变密度化迭代过程中只进行网格细化的操作，而且充分运用上一次迭代的答案，在单元所在的曲边三角形区域内部进行局部网格细化工作，保证了全局分析网格尺寸分布的合理性，这样不同尺寸的网格就能够光滑衔接，从而提高网格的整体质量。上述整个方案简单可行，稳定可靠，数次迭代即可快速收敛，生成的网格布局合理，质量水平高。
1.5 课题研究的意义及目的
从目前全球市场需求布局来看，欧、美地区成为功能全、结构简洁、质量好、性能稳定的除冰机器人的主要应用市场；中东、非洲地区由于处于热带地区，不存在高压线路结冰的情况发生；还有以俄罗斯为代表的高寒国家则更喜欢能耐寒，机械结构牢固的除冰机器人以适应当地的地理气候条件；日韩则主要关注产品的品质与安全；目前国内的除冰机器人整体研究状况还是比较良好，已由原来单一的行走除冰功能，不注重外观，逐渐演变成为实际作业使用中的艺术品，以外观精美结构巧妙，操作方便，质量安全稳定等特点成为新的发展方向。为进一步适应各行各业的发展，现如今市场上还出现了集除冰维护于一体的高压巡线机器人。
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第二章 机械除冰机器人的设计
现有市场上常见的除冰机器人基本上都是热力除冰机器人，其基本工作方式为行走电动机带动行走轮转动，行走轮再将动力传递给整个机器人达到让其在高压输送线路上自由行走的目的。热力除冰机器人主要有以下几个方面的缺点：热力除冰的方式热力损耗大，热力容易扩散，经济成本过高，且除冰过程中容易造成高压线路电力中断的情况发生。而本设计中的机械除冰机器人采用机械结构的除冰方式，其基本工作原理为行走电动机带动行走轮转动提供机械除冰机器人行走的动力，除冰电动机通过齿轮传动将动力传递给除冰刀，实现其能够自动行走去除线路上覆冰的目的。
这两种除冰机器人的工作原理截然不同，两者结构不同、实现方式不同，使用方法也不相同。本篇论文中的机械除冰机器人设计运用了巧妙的机械传动结构，利用行走电动机作为机器人行走的源动力，再通过电机自带的减速器和链传动将行走电动机的动力传递给机器人后端的行走轮，利用除冰电动机作为机器人除冰的原动力，同样通过电机自带的减速器和齿轮传动将除冰电动机的动力传递给机器人前端的除冰刀，最终实现机器人自动行走除冰的目的。且在机械除冰机器人尾部还安装有四个导向轮，通过导向轮将两根高压线夹紧，使得整个机器人在运动过程中更加平稳。我们在现有的热力除冰机器人的行走理论基础上改良结构和除冰方式，本次设计的机械除冰机器人采用后轮驱动，前段除冰的结构方式，机械结构更加优化，综合材质的选择、结构的简化，让操作者在实际使用时更加方便稳定的使用该除冰机器人，这是本论文机械除冰机器人的设计初衷。
2.1 机械除冰机器人的设计要求
（1）本设计中的机械除冰机器人主要应用于不同气候环境下的电力除冰和维护作业，可以大量节省人力财力，提高高压输送线路覆冰的除冰效率。
（2）本设计之前综合考虑，该机械除冰机器人应该具有以下功能：产品制造成本低，质量安全稳定，使用时间长，结构简捷，除冰效率高，方便搬运移动；
（3）本设计从机械除冰机器人行走机构设计和机械除冰机构设计两方面着手进行详细的设计分析及计算阐述。
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2.2 机械除冰机器人的设计概述
机械除冰机器人与热力除冰机器人原理的对比
（1）热力除冰机器人的工作原理
最早出现的除冰机器人应当是热力除冰机器人。随着各个国家电力行业对除冰机器人质量要求的不断提高，热力除冰机器人也得到了快速的发展与运用。
热力除冰机器人以热力除冰方式为基础，相对化学除冰方式、被动除冰方式、声波除冰方式具有具有运动速度快、工作效率高、结构简单、操作容易等优势。与其他除冰机器人相比，热力除冰机器人最大的优点便是热力除冰简单方便，不需要额外增加机械结构，支座架等固定装置，除冰过程控制方便简单，且除冰效果稳定。因此，热力除冰机器人大多数在较好的气候环境下使用。
热力除冰机器人，其基本工作原理为行走电动机带动行走轮转动，行走轮再将动力传递给整个机器人，通过热力除冰装置主动将电力输送线制造短路让高压线升温融冰，实现自动行走除冰的目的。再通过一些其他的辅助功能，如地面控制系统，车载控制系统，引导方式等综合起来形成完整的机器人体系。
图1 常见热力除冰机器人实物图
（2）机械除冰机器人的工作原理
在21世纪初，以电动机作为动力源带动除冰刀转动去除高压输送线覆冰的机器人就已经在国外出现了。随着现代工业应用技术的发展，如今出现了线路巡检和线路维修等等类型的特种机器人。
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本设计中的机械除冰机器人采用的仍然是热力除冰机器人的行走工作原理，在其基础上改进优化了行走方式和除冰方式，行走方式由过去在单根地线上滚动前进改进成横跨于两根地线上直线滚动，除冰方式由过去的热力除冰改进成机械传动除冰刀转动除冰，其基本工作原理为行走电动机带动行走轮转动提供机械除冰机器人行走的动力，除冰电动机通过齿轮传动将动力传递给除冰刀，实现其能够自动行走去除线路上覆冰的目的。
机械除冰机器人作为除冰机器人的一种，相比热力除冰机器人更加节省财力成本，环境适用性更高，机动性更强。该机械除冰机器人的结构主要由两大部分组成：行走机构和除冰机构，而行走机构包括：行走电动机、机器人主支架、行走轮组件，从动轮组件，链传动组件、导向轮组件、电气控制柜，蓄电池等；除冰机构包括：除冰电动机、除冰刀、除冰齿轮传动组件、带传动组件等；行走电动机提供源动力带动整个机器人本体向前行进，除冰电动机带动除冰刀转动除冰，机器人主支架支撑着整个机械除冰机器人的结构，其承受了机械除冰机器人所有的负载，主支架的前后分别安装有从动轮组件和行走轮组件，行走电动机和除冰电动机分别通过链传动组件和齿轮传动组件将动力传递出去，主支架的尾端还安装有导向轮组件用于将两根高压线夹紧，主支架下端固定有电气控制柜，控制柜内部安装有远程控制模块和蓄电池。
图2 机械除冰机器人三维设计图
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机械除冰机器人与热力除冰机器人特点的对比 机械除冰机器人的优点：
（1）.在恶劣环境下也可以作业，越障机动性好；
（2）.具有很好的除冰效果，可以去除大部分常见的厚度的冰层；
（3）.行走轮上加工出滚花槽，增大与高压线的接触面积，不容易打滑，与输送线的附着性好，能够最大程度的发挥行走电动机的效率 热力除冰机器人的缺点：
（1) 对行走的高压线表面要求比较高，在弯曲的输送线上行走时极容易打滑； （2) 热力除冰的方式热力损耗大，热力容易扩散，经济成本过高； （3) 热力除冰过程中容易造成高压线路电力中断的情况发生；
（4) 热力除冰装置复杂，一旦发生故障，非专业人员不容易检查和排除问题。
机械除冰机器人的设计参数 产品类别：双线机械除冰机器人 材质：铝合金
机器人本体重量：40kG 规格(MM)：L638×W380×H600 行进速度：0.4~0.8m/s 行走电机功率：90W 除冰电机功率：200W 续航时间：2H
2.3 机械除冰机器人的具体设计
机械除冰机器人主要从两大方面进行具体设计：包括行走机构设计和除冰机构设计；
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行走机构设计
本设计中的行走机构设计主要包括行走电动机的设计，行走电动机自带减速器的计算选型，链传动组件的设计计算，辅助机构的设计选型。 行走电动机的设计
在本设计中，行走电动机通过链传动组件驱动两个行走轮转动，从而驱动整个机器人本体向前直线行进。
这里我们按机器人本体重量40KG进行行走电动机的设计选型。在本设计中我们设定机械除冰机器人的行进最大牵引线速度V为0.8m/s。
根据公式N = V / πD
式中：N——行走电动机经过传动系统后的转速 V——机械除冰机器人的牵引线速度 D——行走轮的直径
已知行走轮的设计直径为55mm，计算得到行走电机经过传动系统后的转速： N=48*1000/（π*55）≈277.80r/min
取机器人的行走轮与高压输送线之间的滚动摩擦系数为0.2，从三维设计图中计算得出整个机械除冰机器人自重40KG，得到：
除冰机器人在行进过程中与高压线的滚动摩擦力f=0.2*40*10=80N
我们这里的除冰机器人以匀速运动的方式向前行进时作用于行走轮的牵引力F=f=80N 计算可以得到：
行走电机经过传动系统后的输出扭矩M=F*R=80×27.5/1000=2.2N.M 根据公式M=9550×Pw/n
式中：M——行走电动机经过传动系统后的输出扭矩 Pw——机械除冰机器人所需的功率
n——行走电动机经过传动系统后的输出转速 计算得到：
机械除冰机器人所需的功率 Pw=2.2*227.80/9550=0.4083KW≈0.064KW
行走电机所需的功率计算：
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Pm?kPw?
式中：k——安全系数，考虑超载或功耗波动等影响，取1.2；
Pw——机械除冰机器人所需的功率；
?——传动系统的总传动效率；
Pm——行走电机的功率。
行走电机与行走轮之间通过电机自带的减速器连接，减速器与行走轮之间又通过链传动组件连接，因此查《机械设计手册》得到：
类别 减速器 链传动 传动形式 行星齿轮减速 滚子链 表2.1 各传动部件的传动效率
效率（%） 0.97 0.96 因此可以计算得到从行走电机到履带的总传动效率为
Pm——行走电机实际行走时所需要的输出功率。
由于本设计中整个机器人内部系统选用的电压为直流，行走电机选型采用的是直流无刷电机。作为同步电机的一种，直流无刷电机相对于其它类型的电动机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的优点。根据上面的计算，我们得到机械除冰机器人行走电机实际工作时所需要的输出功率为82W，考虑在行走过程中可能遇到的特殊情况，我们选定行走电机的品牌为上海步科低压直流无刷伺服电机，型号为SMH40S-0010-30AAK-4DKH，其工作额定功率为100W，小惯量DC48V,额定转速n为3000r/min, 额定转矩为0.32N.m，行走电机的具体参数见表2.2；
从上海步科电机的产品手册上查到标准马达规范表，见下表
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表2-2 SMH系列伺服电机技术参数
行走电动机自带减速器的计算选型
已知选定的行走电机型号为SMH40S-0010-30AAK-4DKH，其工作额定功率为100W，额定转速n为3000r/min,且行走轮的转速为277.8r/min，如果我们直接通过减速器减速则减速器总传动比为10.8。如果我们只选用减速器减速，那么传动比i=10.8就必须通过二级减速才可以实现，考虑到机械除冰机器人的设计要求：结构安装简单，自身重量轻，因此减速器的体积也需要尽可能的小，所以本设计中采用行走电机自带减速器的方式先来降低电机自身输出转速，再通过链传动组件将动力传递给行走轮。那么我们可以将总传动比i分别分配到行走电机减速器和链传动组件上。可得
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我们这里设计链传动组件的传动比为0.95，于是计算出行走电机自带减速器的传动比为11.8。
行走电机自带减速器为行走电机与链传动之间的独立的闭式传动装置，它通过降低转速和增大转矩来满足实际工况的需求。减速器的类型有很多，按照传动方式的不同可以分为齿轮减速器，蜗轮蜗杆减速器和行星减速器；按照传动的级数可以分为单级和多级减速器。我们已知本设计中的减速器的减速比为11.8。通常情况下单级齿轮减速器的传动比i≤8—10，且行星减速器的优点是效率和可靠性高，工作寿命长，维护简单；因此选择行星减速器做为本设计中的减速器。
我们这里选用湖北行星传动设备有限公司的精密行星减速机，我们这里选用他们的ZJPX系列的精密行星减速机。
产品型号 额定输出扭矩 ZJPX65 13.5 29 24 15 15 34 34 29 34 29 17 19 44 44 44 44
ZJPX85 39 80 65 37 42 90 90 71 90 71 42 54 110 110 110 110 12
ZJPX115 98 205 137 86 110 230 230 155 230 155 95 142 296 296 296 296 ZJPX142 308 600 425 272 335 675 675 460 675 400 305 422 900 900 900 900 减速比 3 4 5 8 12 16 20 25 32 40 64 60 80 100 120 160 级数 1级 2级 N额 3级
38 44 38 22 故障停止转矩 90 110 90 52 195 296 195 122 585 900 385 395 200 256 320 512 N故 2倍额定输出转矩 表2-2 ZJPX行星减速机技术参数
查减速机的产品手册，我们这里选用2级减速比12的减速机型号ZJPX65。
行走电动机减速器齿轮的有限元分析
分析直齿轮的应力分布图，我们可以得出直齿轮在进入或退出啮合时，因为直齿轮的弹性形变将发生干涉和冲击，直齿轮的齿顶、齿根和端面边缘都会发生应力集中，这些应力集中很容易造成直齿轮失效，因此分析直齿轮受力，避免应力集中可以有效地提高直齿轮的使用时间。
从主动齿轮的接触应力图中可以看出，主动齿轮齿根圆处的应力大小在70MPa 到 100MPa 区间内，齿轮齿形表面的应力分布有逐渐增大的态势，其大小为 140~245MPa，而齿形表面及齿槽表面分布其应力值逐渐降低到35MPa 左右，主动齿轮的最大应力出现在加载的齿形啮合部分的齿顶附近处，大小为316MPa。
图2.4 主动齿轮接触应力分布图
从齿轮副接触应力图中可以看出，从动齿轮的应力分布方式与主动齿轮基本相似。从动
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齿轮的齿根圆处的应力值在 274MPa 到 366MPa 之间的范围，齿形表面的应力分布逐渐加大，附近的应力其值为 457～549MPa，而齿形表面及齿根表面的应力分布，其应力值逐渐降低到91～183MPa 左右，与主动齿轮的应力分布相似，齿形啮合处附近接近齿顶轮廓处的应力较大，从动齿轮该处为最大应力点，而从动齿轮上该位置的应力最大值约为 824MPa。
图2.5齿轮副接触应力分布图
根据以上分析可以得到结论：齿轮运动副中的危险应力集中位置，我们在实际的齿轮生产加工工艺中可以作为技术依照，为了后面使用过程中增加齿轮的耐久性和稳定性，需要在齿轮制造生产和热处理工艺加工的过程中做特殊的表面热处理。 4链传动组件的设计计算
链传动是一种绕性传动，通常由链条和链轮组成，通过链轮的轮齿和链条的链节之间的啮合传递动力。与齿轮传动相比，链传动的制造和安装精度要求较低，成本也较低。特别在长距离传动时，结构比齿轮传动更加有优势。链条按用途不同又可以分为传动链、输送链和起重链。输送链和起重链通常用于重型运输机械和起重机械中。本设计中我们选用的是常用的传动链。传动链又可以分为滚子链和齿形链等类型，本设计中采用的是常规的滚子链，通常用于低速的传动系统中，且最大传动比i=8。
滚子链在传递较大功率时，可采用双排链或者多排链。多排链的承载能力和排数成正比，但受到装配精度的制约，多排链承受的载荷不容易分布均匀，因此链条的排数也不宜过多。
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（1） 链轮设计与计算
小链轮的齿数少一点可以减小链轮的外廓尺寸，但齿数过少时也会增加动力传递过程中的不均匀性和动态载荷；链条和链轮在啮合时链节间的相对转角增大使得链传动的圆周力增大，导致链传动整体的磨损。因此小链轮的齿数Z1也不宜过小，通常情况下链轮的最少齿数Zmin=9。一般Z1≥16，对于高速传动或是承受较大冲击载荷的链传动Z1不少于25。同样小链轮的齿数Z1也不宜取得过大，在传动比一定时，Z1大，Z2也相应增大，会导致传动结构的总体尺寸增大，并且容易导致链条跳链和脱链的情况发生，也会影响链条的使用寿命。本设计中小链轮的转速不高，因此选定小链轮的齿数Z1=20，根据以上计算得到链传动组件的传动比为0.95，可得到：
Z2=Z1×i=20×0.95=19
链轮的节距P越大，承载能力也越高，但是P越大也意味着链轮的总体尺寸越大，反而振动、冲击和噪声也会越严重。为了使整个链传动结构紧凑，当速度高，功率大时，应尽量选用小节距的多排链，本设计中采用单排链的链轮传动。 （2） 链传动的计算
根据链传动的工作环境，小链轮齿数和链条排数，将链传动所传递的功率修正为当量的单排链的计算功率
式中：
——工况系数，查《机械设计手册》表9-6工况系数取1.0；
——小链轮齿数系数，查《机械设计手册》图9-13小链轮齿数系数取1.65； ——排链系数，单排链时取
=1.0，双排链时取
=1.75，三排链时取
=2.5；
P——传递的功率，KW。
计算得到
根据计算得到的排链的计算功率
和小链轮的转速n1=250r/min由《机械设计手册》图
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9-11得到链条型号为35B，链轮的型号为35B，再根据《机械设计手册》表9-1确定链条的节距P=9.525mm。链条具体尺寸见图2.6；
图2.6 链条具体尺寸图
链条的链速V决定了链传动的润滑方式，链条平均链速
查《机械设计手册》图9-14选择定期人工润滑的方式。 （3） 链传动的张紧
链传动张紧的目的在于，为了避免在链条的松边垂度过大时产生链传动啮合不良和链条的振动现象，同时也增加链条和链轮的啮合包角。张紧的方式有很多，当小链轮与大链轮之间的中心距可调时，可以通过调节中心距来控制链条的张紧程度。但是当中心距不可调时，我们只有通过增加张紧轮的方式实现链条的张紧。本设计中由于在行走电机固定板上开有长条孔，因此可以通过调整行走电机的位置来调节小链轮与大链轮之间的中心距，最终实现整个链条的张紧。 5辅助机构的设计选型
辅助机构主要由行走轮、蓄电池和PBS防撞传感器组成。 （1）行走轮的设计选型
根据GB/T 2900.50-2008，高压输送线通常指输送10KV（含10KV）以上电压的输电线路。 中国国内高压输电线路的电压等级一般分为：35KV、110KV、220KV、330KV、500KV、750KV等。其中110KV、330KV多用于北方地区。一般称220千伏以下的输电电压叫做高压输电，330到750千伏的输电电压叫做超高压输电，1000千伏以上的输电电压叫做特高压输电。
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高压输电在城市一般采用带绝缘层的电缆地下传输，在野外常采用铁塔承载的架空线方式传输。
高压输送线以线本体内的铝芯的横截面面积来分类，常见的有120mm2，240mm2，300mm2三种。本设计中选240mm2的作为高压输送线的铝芯的横截面面积，通过计算得到铝芯的直径为17.48mm，再考虑到高压线体外面包裹的绝缘层，因此本设计中选定架在高空的高压输送线体的直径为20mm。
行走轮材质： 主体铝合金，轮面聚氨脂，聚氨酯表面做滚花槽 行走轮直径：55MM 轮宽：32MM
（2）蓄电池的设计选型
蓄电池的型号为DC48V 75AH，品牌为霍克，蓄电池的外形尺寸为L350×W210×H210（mm）(长×宽×高)，蓄电池安装固定在电气控制柜的内部。 （3） 障碍物传感器的设计选型
防撞传感器选用的是PBS防撞传感器，型号为PBS-03JN-CE，通过专用软件向计算机内部导入数据，这些数据决定了防撞传感器的整个检测范围。障碍物传感器参数如下表：
供电电压 供电电流 激光光源 监测对象和范围 2种扫描模式 输出 输入（1-4） 监测区域设置 发射停
24VDC（18-30VDC） <250mA (<100mA, 照明关闭），除I/O端子电流和冲流（500mA） 红外线LED 300×300mm白纸（与传感器发射表面平行）； 0.2 to 3m×2m（原点是扫描中心位置），扫描角度180° 每个区域可单独设置输出 光电耦合/NPN开集电极输出（30VDC <50mA）；1,2,3：OFF=探测到物体；故障输出：ON=正常工作 光电耦合输入（共阳极，每个输入电流>4mA），可用于设置监测区域 监测区域转换：：通过[输入1, 2, 3, 4]来设定区域； [输入1, 2, 3, 4]同时为ON； 17
止： 输出响应时间 输入响应时间 指示灯 连接线长 环境照明 环境温湿度 振动 冲击 防护等级 寿命 材料 重量
<180msec (扫描速度 1 rev./100m sec)； 周期：1个扫描时间（100msec） 电源（绿）：故障时闪烁；输出1,2,3（黄）：灯亮表示监测到物体 1m 卤素/汞灯：<10,000lx, 日光灯：<6,000lx -10 to +50 degrees C, < 85%RH（无凝露） 双振幅1.5mm 10 to 55Hz, 每轴2个小时 490m/s2, 10次, X, Y, Z方向 IP64(IEC 标准) 5 years（电动机寿命） 前面： Polycarbonate, 后面：ABS 约500g 2.3.2除冰机构设计
本设计中的行走机构设计主要包括除冰电动机的设计，除冰刀的设计，除冰齿轮传动组件的设计计算，带传动组件。 除冰电动机的设计
利用除冰电动机作为机器人除冰的原动力，通过电机自带的减速器和齿轮传动将除冰电动机的动力传递给机器人前端的除冰刀。本设计中除冰电动机选用的品牌和型号与行走电机一致，且与之配套的电机上的减速器也一致。 2除冰刀的设计
本设计中的除冰刀结构巧妙，工作效率高，使用起来简单方便，其结构为两部分组成，底部为齿轮结构，用于与除冰齿轮啮合，将除冰电动机的动力传递给除冰刀；上部为除冰
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刀部分，内部加工有类似“毛肚”的齿形结构，能够很好的高效稳定的去除高压输送线上的覆冰。
图2.6 除冰刀三维设计图
3除冰齿轮传动组件的设计计算
在设计时保证除冰齿轮传动的中心距不变的条件下，增加齿数，不仅可以增大齿轮啮合的重合度、保证传动的平稳性，而且可以减小齿轮模数，降低齿高，减少加工的切削量。为了提高传动的稳定性，减少传动过程中的冲击振动，降低磨损失效。
根据齿轮副的工作环境选择不同的齿轮齿数，闭式齿轮传动一般转速较高，为了提高传动的稳定性，减小冲击振动，通常选择齿数多一点的齿轮，小齿轮的齿数可取为Z1=20~40，而开式（半开式）齿轮传动，由于轮齿的磨损失效为主要因素，因此小齿轮的齿数通常选用不多，一般可以小齿轮的齿数Z1=17—20，且为了防止齿轮啮合时发生根切，应取Z1≥17。本设计中除冰齿轮传动的工作环境恶劣，齿轮齿形会磨损严重，因此选定除冰齿轮的齿数Z1为18。
除冰齿轮齿数确定后，按传动比i=Z2/Z1可以计算出除冰刀齿数Z2为48。除冰齿轮传动的基本参数见表2—1所示：
表 2-1
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名称 齿数 变位量系数 齿顶高系数 顶隙系数 刀具模数 刀具压力角 齿宽 除冰齿轮 30 0 1 0.25 1.5 20 8 除冰刀 30 0 1 0.25 1.5 20 7 轮静力及接触分析的理论计算
对直齿圆柱齿轮分别进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的校核，确定斜齿轮副能否满足实际工况下的需求。
直齿圆柱齿轮材质选用Q235A，齿轮表面做调质热处理，齿轮副的参数如表2-2所示。
表2-2斜齿轮副参数
齿 轮 模数(m) 齿数(z) 转速(n) 分度圆直径（mm） 功率(p) 45 45 200W 主动齿轮 从动齿轮 1.5 1.5 30 30 104r/min 104r/min （1）齿轮接触疲劳强度校核 1）计算主动齿轮名义转矩 T1=9.55×106×P1/n1=9.55×103×
取直齿轮材料接触疲劳极限应力?Hlim1??Hlim2?900MPa。 2）计算主动齿轮的的圆周力 Ft=2×T1/d1=2×18.36/0.045=816N 3）许用接触疲劳强度计算 主动齿轮应力循环次数：
N1=60njLh=60×104×10×10×250=1.56×108 从动齿轮应力循环次数：
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N2=60njLh=60×104×10×10×250=1.56×108 取安全系数SH?1 取ZN1?0.95 ZH2?0.98 则许用接触疲劳强度为：
??H1??900?0.95?855MPa
1??H2??900?0.98?882MPa
14）直齿轮齿面接触疲劳强度校核： 取齿宽系数 ?d?0.6 则齿宽为 b=ψdd1=0.6×45=27 齿轮传动比 u=Z2/Z1=30/30=1 齿轮重合度
εα=[1.88-3.2×(1/z1+1/Z2）]cosβ=1.566 取重合度系数 Z??0.95 节点区域系数 ZH?2.5 弹性系数 ZE?189.8 载荷系数 K=2.669 直齿面接触疲劳强度校核：
σH=ZEZHZε[（K Ft/bd1）*（u+1）/u]0.5
=189.8×2.5×0.95×[（2.669×816/27/45）×（1+1）/1]0.5=842.15MPa 得到结果：?H＜?H1＜?H2 （2）直齿轮弯曲疲劳强度校核
1）确定载荷系数：
取 KA?1.75 动载荷系数 KV?1.17
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取齿间载荷分配系数 KF??KH??1.0 取 KH??1.15 KF??1.4
则K?KAKVKF?KF??1.17?1.75?1?1.4?2.87 2）确定齿形参数
取从动齿轮齿形系数 YF?2?2.75 应力修正系数 YS?2?1.6 主动齿轮齿形系数 YF?1?2.28 应力修正系数YS?1?1.73 重合度系数Y??0.95
3）确定直齿轮弯曲疲劳许用应力 斜齿轮弯曲疲劳许用应力为??F???FlimYNYstSFmin
根据齿轮材料取弯曲疲劳极限应为?Flim1?400MPa，?Flim2?400MPa 取弯曲疲劳强度计算的寿命系数：YN1?0.86，YN2?0.9 取应力修正系数Ys??2 取弯曲疲劳强度安全系数SF?2 则弯曲疲劳许用应力：
??F1???Flim1YN1YSTSFmin?400?2?0.86?344MPa
2400?2?0.9?360MPa
2??F2???Flim2YN2YSTSFmin4）校核齿轮弯曲疲劳强度：
?YS?1YF?1??F1??2.28?1.73?0.0147
2682.75?1.6?0.0203 216YS?2YF?2??F2?? 按主动齿轮校核齿轮弯曲疲劳强度：
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σF2=kFtYFa2YSa2Yε/bm=2.87×816×2.75×1.6×0.95/3/48=67.98MPa 经过上面对直齿轮副的强度校核计算得到以下结果： 齿轮接触疲劳和弯曲疲劳强度为：
σH=ZEZHZε[（K Ft/bd1）*（u+1）/u]0.5
=189.8×2.5×0.95×[（2.669×816/27/45）×（1+1）/1]0.5=842.15MPa σF2=kFtYFa2YSa2Yε/bm=2.87×816×2.75×1.6×0.95/3/48=67.98MPa 对疲劳强度进行比较：
?H＜?H1＜?H2
?F2＜??F1?＜??F2?
经过对比我们可以得到结论：直齿轮的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度都满足实际强度要求。
（1）动力辊筒传动方式的设计
动力输送中货物可以按规定的速度精确，平稳，可靠地输送，根据传动方式的不同，分为“带传动”和“链传动”两大类。两种传动方式各自的特点如下：
带传动：运行平稳，噪音小，对环境污染少，允许高速运行，但不能在有油污的地方工作。
链传动：承载能力大，布置方便，对环境适应性强，可在经常接触油、水及温度较高的地方工作，但在多尘环境中工作室链条容易磨损，高速运行时噪音较大。
由于本设计中的货物最大重量只有35KG，且运用于高速自动分拣系统，因此在本设计中我们选择使用带传动的方式。
带传动又可以分为两种方式：“O”带传动和多楔带传动。
“O”带传动：它是最传统也是最常见的带传动方式，在箱式输送中应用范围极为广泛，具有高速、静音等特点，根据传动结构的不同，又分为单槽和双槽两种（多槽是在双槽基础上的衍生设计）。缺点是传动负载较低，使用寿命相对较短。
多楔带传动：符合ISO9982的PJ型多楔带，间距2.34mm，越来越多地运用于各类辊筒输送线中，它的输送能力强，是传统“O”带的3倍以上，同时兼具“O”带传动所固有的高速、静音等特点。 综上所述我们不难发现，多楔带传动的输送能力更强，效果更好，因此在本设计中我们选择使用多楔带传动的带传动方式。
（2）多楔带的设计选型及安装方法
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只有弹性纤维芯的多楔带才能应用在辊筒输送中，因为纤维芯的柔性能够克服机架的开孔误差，并且也能够运用在转弯输送中。
可根据输送负载的大小选择2沟道或3沟道的多楔带，即使使用2沟道多楔带，它在带动20支被动辊筒的情况下单元输送能力也能够达到50KG；
辊筒中心距有严格的限制，建议辊筒间距和之匹配的多楔带型号见下表2-4：
表2-4 辊筒中心距常用规格表
根据前面的计算我们得到辊筒与辊筒之间的中心距为150mm，且货物最大重量只有35KG，因此我们这里选择的多楔带的规格为2PJ435。
在安装多楔带时应使用适合的装配工具安装辊筒，避免由于安装的不善导致多楔带遭到破坏，正确的安装步骤见下图2-9，
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机械手臂转动结构的设计
因为本设计中的履带机器人适用于一些人不方便进入的小型场合使用，包括倒塌的建筑物内，灾难现场，危险灾区和坍塌煤矿等，我们这里以倒塌的建筑物为例分析，而建筑物内最常见的攀爬的障碍物就是楼梯，这里选择楼梯作为本设计中机械手臂尺寸的设计参考。已知楼梯一节台阶的内空宽为215mm，且内空高为200mm，楼梯一层总高2600mm，总宽950mm，因此，为了保证机械除冰机器人能够自由的翻越楼梯，设计机械手臂的宽度不能超过950mm，展开长度不能超过2600mm。本设计中机器人大臂总长度为400mm，机器人中臂总长度为400mm，机器人小臂总长度为150mm，机器人抓手总长度180mm，因此整个机器人手臂完全展开总长度为1130mm，小于2600mm，整个机械除冰机器人总高度为630mm，总长度为825mm，总宽度为550mm，均小于一层楼梯的内空长宽高，均符合人机工程学的要求作业要求尺寸。楼梯的具体尺寸见下图2.7。
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图2.7 楼梯的具体尺寸参数
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第三章 总结与展望
自选题后，我就开始积极地查阅相关资料，为本次的毕业设计做准备。本次设计经过大
量的数据计算，选择了最优的外形尺寸结构，体现出设计的最初宗旨，即便携、稳定。 上述工作完成之后，通过计算机AutoCAD和Solidwork软件的学习运用，对机械除冰机器人的总体装配图、零件实体图、零件的二维图等进行了绘制，在绘制的过程中对履带机器人的装配又有了进一步的理解，补充并修改了计算部分中的遗漏与错误之处。 在整个设计过程中，查阅大量有关资料，与同学交流，并向老师请教，使自己学到了很多未曾接触的知识，并对学过的知识加以巩固。本次设计，能够参考的相关实例少之甚少，整个设计过程就是创造过程。论文开始阶段，毫无头绪，看着别人忙着写论文，内心百般焦急，却不知从何开始，于是我尝试结合所学知识与相关书籍，艰难的前进，最终顺利完成此项设计。这其中经历了不少辛劳，但天道酬勤，我迎来的还是丰收的季节！深知此次的设计成果并非是最好的，但是设计过程中我掌握到的知识是我这次毕业设计中的最大收获，而这些收获将会对我无论是现在还是以后参加工作都会有很大的帮助。
由于我的知识范围有限，本次设计肯定还有很多不足之处，望老师能够批评指正，多给一些意见和建议。
参考文献
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[14]唐经世《工程机械》中国铁道出版社 “橡胶履 带的结构分析及改进措施”。
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机械高压线除冰机器人设计
