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煤礦救援機(jī)器人是一種能夠在煤礦井下災(zāi)害環(huán)境遙控或自主導(dǎo)航工作的機(jī)器人，能代替煤礦的搜救隊(duì)員深入井下,搶救礦難后被困礦工，并以這種方式減少甚至避免救護(hù)隊(duì)員的傷亡.同時(shí)在煤礦爆炸事故后的探測(cè)救援過(guò)程中,救護(hù)人員在井下高溫環(huán)境下負(fù)重作業(yè),其體力以及氧氣消耗都很大。救援機(jī)器人主要作用是代替救護(hù)人員搬運(yùn)、轉(zhuǎn)移傷員和遇難者至安全區(qū)域，而且救援機(jī)器人需要攜帶必要的救護(hù)設(shè)備和儀器,因此救援機(jī)器人應(yīng)該具有足夠大的尺寸和動(dòng)力以及良好的續(xù)航能力。首先，本文在滿足上述要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了煤礦救援機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械部分.在綜合比較后選擇輪式的行走機(jī)構(gòu)。同時(shí)考慮到救援機(jī)器人的特殊工作環(huán)境，通過(guò)鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)了各輪的同步移動(dòng)，克服了輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)跨溝能力差及易打滑等缺點(diǎn)。參照PACKBOT機(jī)器人增加擺臂,機(jī)器人伸出擺臂有利于越障.其次,詳細(xì)設(shè)計(jì)了煤礦救災(zāi)機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件電路，包括數(shù)據(jù)采集單元電路、運(yùn)動(dòng)控制單元電路、編碼器解析單元電路等.

關(guān)鍵字：輪式;同步移動(dòng)；擺臂；數(shù)據(jù)采集；運(yùn)動(dòng)控制

ABSTRACT

Coalminerescuerobotisonekindofrobotsusedinundergrounddestroyedcoalmine.Itcanrescuetrappedminersintheundergroundinsteadofminerescueteamafterminedisaster。Itwillavoidcasualtiesofminerescueteaminthisway。Atthesametimeaftertheexplosionandtherescueprocessofdetectioninthecoalmine,minerescueteaminundergroundloadoperationunderhightemperatureenvironment,andtheirphysicalaswellasconsumptionofoxygenishuge。Amajorroleinthecoalminerescuerobotistoreplacetheminerescueteamtotransport,andtransferthewoundedandthevictimstoasafearea。Rescuerobotshadtocarrythenecessaryequipmentandapparatus，sotherescuerobotshouldhavesufficientsizeandpowerandgoodendurancecapacity。Firstofall,onthebasisoftheserequirements，Idesignedthemechanicalpartsofthecoalrescuerobot。Incomparison，Ichoosethewheelbody。Atthesametime,Itakethespecialworkingenvironmentforthecoalminerescuerobotintoaccount,soItrytoachieveall-roundmobilesynchronizationthroughthechaindrive.AnditcanovercometheshortcomingsofWheeledMobileinstitutionssuchasthecross-channelcapabilitiesandeasytospin。InrefertoPACKBOTrobot，Idesignthearmfortherobot,soitcanacrossthebarriersmoreeasily。Secondly，hardwarecircuitofrobotcontrolsystemisdesignedindetail,suchasdataacquisitionunitcircuit,motioncontrolunitcircuit；encoderanalyzingunitcircuitandsoon。

Keyword：Wheeled；Syncmobile；Arm；DataAcquisition；MotionControl畢業(yè)論文（設(shè)計(jì))誠(chéng)信聲明

本人聲明:所呈交的畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨(dú)立完成，真實(shí)可靠，不包含他人成果及已獲得或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。

論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：日期：年月日

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本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和電子版,允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱.本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)）。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）或與該論文(設(shè)計(jì)）直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，單位署名為。

論文(設(shè)計(jì)）作者簽名：日期:年月日指導(dǎo)教師簽名：日期:年月日目錄TOC\o"1-3"\h\z\uHYPERLINK\l"_Toc233435484"1緒論 PAGEREF_Toc233435484\h1HYPERLINK\l”_Toc233435485”1。1引言 PAGEREF_Toc233435485\h1HYPERLINK\l"_Toc233435486”1。2設(shè)計(jì)背景、意義 PAGEREF_Toc233435486\h1HYPERLINK\l”_Toc233435487”1。2.1設(shè)計(jì)的背景和意義 PAGEREF_Toc233435487\h1HYPERLINK\l”_Toc233435488”1。3設(shè)計(jì)基礎(chǔ) PAGEREF_Toc233435488\h3HYPERLINK\l”_Toc233435489"1。4國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀 PAGEREF_Toc233435489\h4HYPERLINK\l"_Toc233435490"1.5本章小結(jié) PAGEREF_Toc233435490\h5HYPERLINK\l”_Toc233435491"2行走機(jī)構(gòu)方案確定 PAGEREF_Toc233435491\h6HYPERLINK\l"_Toc233435492”2。1煤礦災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)特征 PAGEREF_Toc233435492\h6HYPERLINK\l”_Toc233435493”2。2礦井災(zāi)害的非結(jié)構(gòu)環(huán)境特征 PAGEREF_Toc233435493\h7HYPERLINK\l"_Toc233435494"2.3行走機(jī)構(gòu)方案選擇與確定 PAGEREF_Toc233435494\h7HYPERLINK\l"_Toc233435495”2.3。1輪式機(jī)器人 PAGEREF_Toc233435495\h7HYPERLINK\l”_Toc233435496”2.3。2履帶式機(jī)器人 PAGEREF_Toc233435496\h8HYPERLINK\l"_Toc233435497”2.3.3腿式機(jī)器人 PAGEREF_Toc233435497\h9HYPERLINK\l”_Toc233435498”2。3.4其它形式機(jī)器人 PAGEREF_Toc233435498\h9HYPERLINK\l"_Toc233435499"2.4行走方案的確定 PAGEREF_Toc233435499\h11HYPERLINK\l"_Toc233435500”2。5本章小結(jié) PAGEREF_Toc233435500\h11HYPERLINK\l”_Toc233435501"3機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435501\h13HYPERLINK\l”_Toc233435502”3.1機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)總體方案 PAGEREF_Toc233435502\h13HYPERLINK\l”_Toc233435503"3.1。1主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435503\h14HYPERLINK\l"_Toc233435504”3。1。2擺臂方案設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435504\h14HYPERLINK\l”_Toc233435505”3。2機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)具體設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435505\h15HYPERLINK\l”_Toc233435506”3。2.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435506\h15HYPERLINK\l”_Toc233435507"3.2。2擺臂方案的具體設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435507\h38HYPERLINK\l"_Toc233435508"3.3本章小結(jié) PAGEREF_Toc233435508\h42HYPERLINK\l"_Toc233435509”4電氣系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435509\h43HYPERLINK\l"_Toc233435510"4。1數(shù)據(jù)采集單元電路 PAGEREF_Toc233435510\h43HYPERLINK\l"_Toc233435511"4.1。1A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435511\h43HYPERLINK\l"_Toc233435512"4.1.2高速光耦電路設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435512\h45HYPERLINK\l”_Toc233435513”4。1.3串行通信電路設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435513\h46HYPERLINK\l"_Toc233435514”4。1.4單片機(jī)程序設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435514\h47HYPERLINK\l"_Toc233435515"4。2運(yùn)動(dòng)控制單元電路 PAGEREF_Toc233435515\h48HYPERLINK\l”_Toc233435516"4.2。1后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF_Toc233435516\h48HYPERLINK\l"_Toc233435517"4。2。2擺臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 PAGEREF_Toc233435517\h49HYPERLINK\l”_Toc233435518”4。2.3串行通信電路設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435518\h50HYPERLINK\l"_Toc233435519"4。2。4單片機(jī)程序設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435519\h51HYPERLINK\l”_Toc233435520"4。3編碼器解析單元電路 PAGEREF_Toc233435520\h55HYPERLINK\l"_Toc233435521"4。3。1電路設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435521\h55HYPERLINK\l"_Toc233435522”4。3。2單片機(jī)程序設(shè)計(jì) PAGEREF_Toc233435522\h56HYPERLINK\l”_Toc233435523"4.4本章小結(jié) PAGEREF_Toc233435523\h57HYPERLINK\l"_Toc233435524"5結(jié)論 PAGEREF_Toc233435524\h58HYPERLINK\l”_Toc233435525”參考文獻(xiàn): PAGEREF_Toc233435525\h59HYPERLINK\l”_Toc233435526”翻譯部分： PAGEREF_Toc233435526\h61HYPERLINK\l”_Toc233435527”英語(yǔ)原文 PAGEREF_Toc233435527\h61HYPERLINK\l”_Toc233435528"中文翻譯 PAGEREF_Toc233435528\h68HYPERLINK\l"_Toc233435529"致謝 PAGEREF_Toc233435529\h721緒論1.1引言第一代工業(yè)機(jī)器人(1956年)問(wèn)世至今已整整60年了.機(jī)器人日益成為傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)學(xué)和近代電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的主要結(jié)合點(diǎn),也成為二十一世紀(jì)高科技發(fā)展的一個(gè)重要內(nèi)容.現(xiàn)在，一般說(shuō)來(lái)，國(guó)際上對(duì)機(jī)器人的概念，人們都可以接受這種說(shuō)法，即機(jī)器人是靠自身動(dòng)力和控制能力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的一種機(jī)器。聯(lián)合國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國(guó)機(jī)器人協(xié)會(huì)給機(jī)器人下的定義：一種可編程和多功能的，用來(lái)搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī);或是為了執(zhí)行不同的任務(wù)而具有可改變和克編程動(dòng)作的專門系統(tǒng)。在機(jī)器人發(fā)展的歷史上，存在著兩條不同的技術(shù)路線:一條是日本和瑞典所走的“需求牽引，技術(shù)驅(qū)動(dòng)”的路線，把美國(guó)開(kāi)拓的機(jī)器人，結(jié)合工業(yè)發(fā)展的需求,開(kāi)發(fā)出一系列特定應(yīng)用的機(jī)器人，如弧焊、點(diǎn)焊、噴漆、裝配、刷膠、建筑等，從而形成了龐大的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)；另一條路線是把機(jī)器人作為研究人工智能的載體，看成計(jì)算機(jī)科學(xué)的一部分,即從單純技術(shù)上模仿人的某些功能出發(fā)，研究智能機(jī)器人,如美國(guó)、英國(guó)相當(dāng)一部分大學(xué)及研究經(jīng)濟(jì)界研究所所做的，由于人工智能和其他智能技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)落后于人們對(duì)它的期望，致使絕大部分研究成果始終走不出實(shí)驗(yàn)室.因此，被譽(yù)為“中國(guó)機(jī)器人之父”的蔣新松院士曾提出“我們必須對(duì)需要與可能二者作認(rèn)真的研究，按‘需求牽引，技術(shù)導(dǎo)向’的原則，才能得出正確的研究方向，制定出一個(gè)可行的技術(shù)路線。1。2設(shè)計(jì)背景、意義1.2.1設(shè)計(jì)的背景和意義我國(guó)是一個(gè)產(chǎn)煤大國(guó)，是一個(gè)嚴(yán)重依賴煤炭能源的國(guó)家，但也是礦難多發(fā)國(guó)。煤炭行業(yè)作為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)主要傳統(tǒng)行業(yè)之一,年產(chǎn)量約占世界35％，但中國(guó)礦難的死亡人數(shù)卻占世界的80％。最讓人痛心的乃是中國(guó)煤礦百萬(wàn)死亡率是美國(guó)的100倍、南非的30倍！挺拿最近在國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局網(wǎng)站上公布一些數(shù)字來(lái)看，可以說(shuō)觸目驚心：2008年9月4日遼寧阜新市河西鎮(zhèn)八礦發(fā)生瓦斯爆炸27人遇難；2008年9月20日，黑龍江省鶴崗市興山區(qū)富華煤礦發(fā)生井下火災(zāi)事故，312009年2月22日山西焦煤集團(tuán)屯蘭礦“2.22”瓦斯事故共78名礦工遇難……我國(guó)煤礦事故發(fā)生的原因極為復(fù)雜，是偶然性和必然性的結(jié)合.由于大多數(shù)為井工開(kāi)采，不安全因素很多,瓦斯煤塵和火災(zāi)等災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，災(zāi)害事故危害嚴(yán)重，傷害人員多,中斷生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，損毀井巷工程或生產(chǎn)設(shè)備。各類災(zāi)害事故還存在突發(fā)性、災(zāi)難性、破壞性和繼發(fā)性等特點(diǎn)。目前,救災(zāi)方式只是根據(jù)事故的類型確定救災(zāi)的方案，一般救護(hù)人員無(wú)法進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，只能通過(guò)采用提升絞車清除垃圾、移動(dòng)式風(fēng)車向井下通風(fēng)，然后再搜救遇險(xiǎn)礦工。這種方式危性大，傷亡人數(shù)多,救災(zāi)周期長(zhǎng)，往往效率低，因此,研究救災(zāi)新裝備是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。從煤礦救災(zāi)的“需求牽引”上分析，如果能使用救災(zāi)機(jī)器人代替或輔助救護(hù)人員進(jìn)行井下災(zāi)害救助不失為一種提高礦井救災(zāi)效率的有力途徑。這是由于在井下發(fā)生災(zāi)害時(shí)，受高溫、煙霧、有害氣體和缺氧等影響，救護(hù)人員很難接近或到達(dá)災(zāi)害的現(xiàn)場(chǎng),而機(jī)器人卻有可能進(jìn)入或比救護(hù)人員更接近災(zāi)區(qū)。另外，機(jī)器人先于救護(hù)人員對(duì)災(zāi)區(qū)進(jìn)行探測(cè)，對(duì)救災(zāi)人員的生命也多了一份保障。在很多條件下，機(jī)器人進(jìn)入災(zāi)區(qū)的時(shí)間都將比救災(zāi)隊(duì)員所需要的更短。從煤礦救災(zāi)的“技術(shù)導(dǎo)向"上分析,將具有一定智能扽救災(zāi)機(jī)器人用于危險(xiǎn)和復(fù)雜的災(zāi)難環(huán)境“搜索和營(yíng)救”幸存者,是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)新興而富有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。世界上許多國(guó)家都在研制軍用機(jī)器人、掃雷機(jī)器人、排爆機(jī)器人和消防機(jī)器人等危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人.救災(zāi)機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)新興發(fā)展領(lǐng)域，屬于危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人的一個(gè)分支，具有危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)。救災(zāi)機(jī)器人利用自身的優(yōu)點(diǎn),能迅速找到井下遇險(xiǎn)礦工的位置，降低事危害性，對(duì)提高救災(zāi)效率具有重大意義，具體表現(xiàn)為：⑴機(jī)器人具有靈活性好、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的特點(diǎn),有較好的爬坡和越障能力，能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)各種各樣的地理環(huán)境。⑵機(jī)器人的探測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，能迅速找到井下遇難礦工的位置。機(jī)器人利用傳感器通過(guò)探測(cè)井下遇難礦工的呻吟聲、體溫的變化及心臟跳動(dòng)的頻率的信息能找到他們的位置.其次，機(jī)器人的視頻探測(cè)器（CCD攝像頭)具有信息直觀、能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助控制等特點(diǎn)，可以將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的圖像返回到救災(zāi)中心,為進(jìn)一步控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向，制定下一步救災(zāi)的方案提供決策依據(jù)。最后,機(jī)器人還能進(jìn)入井下區(qū)域，監(jiān)測(cè)事故現(xiàn)場(chǎng)（如溫度、瓦斯以及有害氣體的濃度）的變化，防止事故的二次發(fā)生。⑶機(jī)器人具有為井下遇難礦工投放小包食品、藥物和通訊裝置等輔助功能，可以有效減少遇難礦工的傷亡人數(shù)。綜上所述，煤礦救災(zāi)機(jī)器人的研制，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)，建立特種危險(xiǎn)環(huán)境下的工業(yè)救災(zāi)具有十分重要的意義.同時(shí)，救災(zāi)機(jī)器人又是機(jī)器人研究的熱門領(lǐng)域，但目前國(guó)內(nèi)外研制救災(zāi)機(jī)器人大都集中在地面火災(zāi)和地震等自然災(zāi)害的救災(zāi)，而對(duì)礦井地下救災(zāi)機(jī)器人的研制基本屬于空白。研制救災(zāi)機(jī)器人已成為了我國(guó)煤礦生產(chǎn)的迫切需要.對(duì)于礦井內(nèi)的搜救機(jī)器人的研制，技術(shù)上有很多難題需要解決，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有現(xiàn)成的具解決方案，這也正是我們需要研究的意義所在。1.3設(shè)計(jì)基礎(chǔ)在本設(shè)計(jì)之前，已經(jīng)有許多研究人員和研究公司對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了許多方面的工作。這些都是非常有價(jià)值的參考資料。我們?cè)囼?yàn)室已制作出包括“CUMT-1”型雙履帶式機(jī)器人等五臺(tái)樣機(jī)，如圖1—1,并進(jìn)行了多次室內(nèi)、室外和模擬環(huán)境的試驗(yàn)，積累了許多寶貴的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，這些也是非常有價(jià)值的參考資料.

圖1。1雙履帶機(jī)器人“CUMT—1在CUMT—1試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)人員發(fā)現(xiàn)該機(jī)器人存在以下不足：⑴在翻越垂直障礙和溝槽的過(guò)程中，機(jī)器人存在卡鏈、托扣等現(xiàn)象，傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性不高.機(jī)器人越障后,履帶無(wú)緩沖，著地時(shí)沖擊大,對(duì)內(nèi)部控制電路和傳動(dòng)系統(tǒng)都具有破壞性。⑵機(jī)器人越障時(shí)，整體穩(wěn)定性不高，車體擺動(dòng)較大，對(duì)圖像采集非常不利。同時(shí),機(jī)器人的越障性能也有待提高。⑶機(jī)器人的續(xù)航能力差，CUMT-1型在額定功率狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)間不超過(guò)2.5小時(shí)。⑷整體的密封性設(shè)計(jì)欠缺.在試驗(yàn)中這些缺點(diǎn)非常突出，并直接影響了機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性.1。4國(guó)內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀對(duì)于礦井救災(zāi)機(jī)器人的研究工作，美國(guó)起步較早，已有多家高?；蜓芯繖C(jī)構(gòu)研發(fā)了針對(duì)不同用途的礦井救災(zāi)機(jī)器人.如美國(guó)智能系統(tǒng)和機(jī)器人中心開(kāi)發(fā)RATLER礦井探索機(jī)器人，用于災(zāi)難后的現(xiàn)場(chǎng)偵查工作，采用電傳遙控方式，有主動(dòng)紅外攝像機(jī)、無(wú)線射頻信號(hào)收發(fā)器、陀螺儀和危險(xiǎn)氣體傳感器等裝備。無(wú)線遙控距離（直線距離）約76ｍ。這種機(jī)器人已經(jīng)形成系列化，除了礦井方面的應(yīng)用,還有軍事方面的應(yīng)用。美國(guó)南佛羅里達(dá)大學(xué)研制的Ｓｉｍｂｏｔ礦井搜索機(jī)器人，這種機(jī)器人小巧靈活，攜帶數(shù)字低照度攝像機(jī)和基本氣體監(jiān)視組件，可以通過(guò)一個(gè)鉆出的小洞鉆進(jìn)礦井，越過(guò)碎石和爛泥,并使用其攜帶的傳感器發(fā)現(xiàn)受害礦工，探測(cè)氧氣、甲烷氣體含量，生成礦井地圖。另外,卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)器人研究中心也開(kāi)發(fā)了２款全自主礦井探測(cè)機(jī)器人Ｇｒｏｕｎｄｈｏｇ和Ｆｅｒｒｅｔ。Ｇｒｏｕｎｄｈｏｇ主要用于探測(cè)井下環(huán)境，精確繪制井下立體地圖。機(jī)械結(jié)構(gòu)采用四輪導(dǎo)向、液壓驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)彎,最高速度可達(dá)１９ｋｍ／ｈ.裝備有激光測(cè)距傳感器、夜視攝像機(jī)、氣體探測(cè)傳感器、ｓｉｎｋａｇｅ傳感器、陀螺儀等，能夠?qū)ΦV井下的環(huán)境進(jìn)行綜合性測(cè)量,建立礦井立體模型。機(jī)器人雪貂用于礦井鉆孔探測(cè)，裝備有長(zhǎng)距離低反射率三維激光掃描儀、嵌入式微處理器、磁指南針、傾角傳感器、活動(dòng)云臺(tái)攝像機(jī)、照明燈、接近傳感器等設(shè)備.能夠完成三維激光掃描地圖生成,地圖核對(duì),可通過(guò)性分析等任務(wù)，一次充電可連續(xù)工作４ｈ.由Ｒｅｍｏｔｅｃ公司制造的Ｖ２煤礦救援機(jī)器人,大約５０英寸高，１２００英磅重，使用防爆電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)橡皮履帶.安裝有導(dǎo)航和監(jiān)控?cái)z像機(jī)、燈、氣體傳感器和一個(gè)機(jī)器臂，具有夜視能力和２路語(yǔ)音通訊功能.可在５０００英尺以外的安全位置遠(yuǎn)程遙控，使用光纖通訊傳送礦井環(huán)境信息,操縱者能夠看到實(shí)時(shí)視頻信息和易燃的有毒氣體的濃度。國(guó)內(nèi)研究礦井救災(zāi)機(jī)器人的工作相對(duì)較晚，研究機(jī)構(gòu)也相對(duì)較少，目前報(bào)道的只有中國(guó)礦業(yè)大學(xué)。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)可靠性工程與救災(zāi)機(jī)器人研究所于２００６年６月成功研制了我國(guó)第。臺(tái)用于煤礦救援的CUMT-1型礦井搜救機(jī)器人，該機(jī)器人裝備有低照度攝像機(jī)、氣體傳感器和溫度計(jì)等設(shè)備.能夠探測(cè)災(zāi)害環(huán)境，實(shí)時(shí)傳回災(zāi)區(qū)的瓦斯、ＣＯ、粉塵濃度和溫度以及高分辨率的現(xiàn)場(chǎng)圖像等信息；具有雙向語(yǔ)音對(duì)講功能，能夠使救災(zāi)指揮人員與受害者進(jìn)行快速聯(lián)絡(luò)，指揮受傷人員選擇最佳的逃生路線;具有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊功能；同時(shí)還攜帶有食品、水、藥品、救護(hù)工具等救助物資，使受害者能夠積極開(kāi)展自救。上述礦井搜救機(jī)器人代表了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展水平，但它們離實(shí)際應(yīng)用的要求還有很大距離。例如RATLER礦井探索機(jī)器人的通訊方式單一，通訊距離短；機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，其原型設(shè)計(jì)是基于野外全地形運(yùn)動(dòng)車輛的使用要求,沒(méi)有按照適合于礦井環(huán)境來(lái)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，底盤較低，越障性能一般。由于采用輪式差速轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎半徑大，轉(zhuǎn)向不靈活，結(jié)構(gòu)不太適合于巷道等狹窄空間且沒(méi)有任何自主避障方面的設(shè)計(jì)。Ｓｉｍｂｏｔ是一種體積非常小的機(jī)器人，這就決定了它不可能擁有較遠(yuǎn)的控制范圍，只能在較近的范圍內(nèi)進(jìn)行有線控制,攜帶的傳感器數(shù)量也很有限,必須由搜索隊(duì)員攜帶下井,使用方式非常有限。Groundhog機(jī)器人的自主性和移動(dòng)性都非常強(qiáng),但它是為了探測(cè)正常礦井地形而設(shè)計(jì)的試驗(yàn)平臺(tái)，攜帶有非常多的儀器設(shè)備，由于美國(guó)的礦井巷道比較寬敞，道路平坦,瓦斯含量少，條件比較優(yōu)越,所以其設(shè)計(jì)的體積巨大，并不適合用作煤礦搜救，曾經(jīng)陷入泥漿地，被用線纜拉了出來(lái)。Ｖ２機(jī)器人是比較成熟的一款礦井救災(zāi)機(jī)器人,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很好，但體積略顯巨大，而且也沒(méi)有自主避障功能，僅僅是遙控而已，并且只有光纖一種通訊方式，其可靠性也有待提高.CUMT-1型礦井搜救機(jī)器人同樣存在通訊、避障和機(jī)械可靠性等方面的技術(shù)問(wèn)題。1。5本章小結(jié)本章從機(jī)器人的發(fā)展史出發(fā)并結(jié)合我國(guó)煤炭生產(chǎn)的安全現(xiàn)狀引出我國(guó)目前發(fā)展煤礦救災(zāi)機(jī)器人的可行性及緊迫性。并簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外煤礦救災(zāi)機(jī)器人研究和應(yīng)用的現(xiàn)狀。

2行走機(jī)構(gòu)方案確定對(duì)于機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)而言，腿式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度過(guò)慢，無(wú)法滿足于救災(zāi)的時(shí)效要求，這里不作討論.而輪式和履帶式各有其憂缺點(diǎn)，本章從分析礦井發(fā)生災(zāi)害后的非結(jié)構(gòu)環(huán)境的特征入手，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)條件和知識(shí)儲(chǔ)備,通過(guò)典型特征分析的方法討論兩者在非結(jié)構(gòu)環(huán)境中的性能。從而得出輪式機(jī)器人相對(duì)于履帶式機(jī)器人在救災(zāi)應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn).2。1煤礦災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)特征煤礦開(kāi)采必須從地面向地下開(kāi)掘一系列井巷（本文不對(duì)露天采礦進(jìn)行分析),其正常生產(chǎn)過(guò)程的自然條件比較復(fù)雜,環(huán)境惡劣.巷道路面多積水，有礦車軌道、水溝、風(fēng)管、線纜等障礙物；支巷道路面窄而不平，多有斜坡；工作面的路面坡度大，有碎煤、支撐、滑道等障礙.災(zāi)害發(fā)生后，脫落的頂板、巖石煤塊等形成新的障礙物。復(fù)雜的路況要求井下機(jī)器人要有較強(qiáng)的越障、避障能力和行駛功能恢復(fù)能力。下面對(duì)礦井主要存在的瓦斯、煤塵、頂板、火、水五大災(zāi)害進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明.⑴瓦斯、礦塵災(zāi)害。根據(jù)瓦斯-粉塵—空氣混合氣體燃燒、爆炸時(shí)的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃皼_擊波的大小，瓦斯爆炸有三種:速燃,火焰?zhèn)鞑ニ俣仍?0m/s以內(nèi)，沖擊波壓力較小.它可以使人燒傷,引起火災(zāi)；爆燃,火焰的傳播速度在音速以內(nèi)，沖擊波壓力較大，對(duì)人和設(shè)備有較強(qiáng)的殺傷力和摧毀作用；爆炸，火焰的傳播速度超過(guò)音速，達(dá)到每秒數(shù)千米，沖擊波壓力達(dá)到數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)大氣壓，對(duì)人和設(shè)備具有強(qiáng)烈的毀滅作用。救護(hù)人員往往由于高溫而無(wú)法接近災(zāi)區(qū).此外，災(zāi)害過(guò)后,井下通風(fēng)系統(tǒng)常受到破壞，使井下氣候發(fā)生明顯的變化,常見(jiàn)瓦斯和粉塵濃度增大,災(zāi)變區(qū)域的溫度、濕度增加,風(fēng)量減少。所以，二次瓦斯爆炸的危險(xiǎn)也常常是影響救護(hù)隊(duì)員及時(shí)下井救護(hù)的一個(gè)主要因素.機(jī)器人的移動(dòng)系統(tǒng)除要能夠適應(yīng)瓦斯和煤塵發(fā)生爆炸后的非結(jié)構(gòu)環(huán)境外，為了防止煤塵和積水進(jìn)入車體內(nèi)部和運(yùn)動(dòng)副，廂體要進(jìn)行密封、防水設(shè)計(jì)。為能在高瓦斯下安全工作，控制系統(tǒng)需要進(jìn)行礦用隔爆或本案型設(shè)計(jì),電子元件在井下溫度變化范圍也應(yīng)能可靠地工作。⑵頂板災(zāi)害。在地下采掘過(guò)程中，由于礦山壓力的作用，頂板會(huì)垮塌.如果頂板管理工作出現(xiàn)漏洞或者地層變動(dòng)等原因，則可能會(huì)發(fā)生頂板事故。⑶火災(zāi).礦井火災(zāi)也是煤礦生產(chǎn)中的主要災(zāi)害之一，一旦發(fā)生礦井火災(zāi),不但會(huì)造成煤炭資源的損失，打亂各項(xiàng)工作的布置，還會(huì)造成瓦斯、煤塵爆炸，使災(zāi)害程度和范圍擴(kuò)大.⑷水災(zāi)。礦區(qū)內(nèi)的大氣降水、地表水、地下水通過(guò)各種通道涌入井下,稱為礦井涌水。當(dāng)?shù)V井涌水量超過(guò)礦井正常的排水能力時(shí),就將發(fā)生水災(zāi).為保證礦井正常建設(shè)與生產(chǎn)，必須采取各種措施防止水進(jìn)入礦井或者將進(jìn)入礦井的水排至地面,但當(dāng)?shù)V井涌水超過(guò)正常排水能力，或在采掘工作時(shí)挖掘工作時(shí)挖透老塘積水或巖溶等地下水時(shí)，就會(huì)造成水害。積水有時(shí)會(huì)突然逼通煤墻傾斜而出，礦工退避不及導(dǎo)致傷亡事故。礦井發(fā)生水災(zāi)后，排水前還要對(duì)水源量進(jìn)行調(diào)查，這些都不可避免地對(duì)救災(zāi)工作造成延誤。由以上簡(jiǎn)要分析可見(jiàn),各類災(zāi)害事故普遍存在突發(fā)性、災(zāi)害性、破壞性和繼發(fā)性的特點(diǎn)，災(zāi)害后的情況各家難以預(yù)料。只能把針對(duì)有限目標(biāo)的實(shí)際應(yīng)用放在首位，機(jī)器人并不是“萬(wàn)能"的.因此，本設(shè)計(jì)的救災(zāi)機(jī)器人把目標(biāo)限定為瓦斯、粉塵爆燃后的輔助救援工作。2。2礦井災(zāi)害的非結(jié)構(gòu)環(huán)境特征非結(jié)構(gòu)環(huán)境是復(fù)雜、未知、多樣的三維地形，包括平坦地面、斜面、障礙、臺(tái)階、溝壕、淺坑等地形。而井下發(fā)生災(zāi)害后，工作環(huán)境會(huì)遭到不同程度的破壞，因此機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)井下環(huán)境的適應(yīng)也可以說(shuō)是對(duì)于非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)。通過(guò)對(duì)這些不同地形的分析，我們發(fā)現(xiàn)各種復(fù)雜地形都是由于少數(shù)幾種基本的地形特征構(gòu)成,我們稱之為“典型地形特征"。常見(jiàn)的典型地形特征有三種,即水平面、傾斜面和垂直面障礙。常見(jiàn)的大多數(shù)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的地形都可以視為這三種地形特征不同形式的組合，如溝壕可視為下垂直障礙和上垂直障礙的組合，階梯可視為連續(xù)垂直障礙的組合。如果移動(dòng)機(jī)器人能夠以某種動(dòng)作或動(dòng)作序列適應(yīng)這幾種典型地形，則可以通過(guò)動(dòng)作序列的有效組合達(dá)到適應(yīng)這幾種典型地形,則可以通過(guò)動(dòng)作序列的有效組合達(dá)到適應(yīng)復(fù)雜三維的目的。2。3行走機(jī)構(gòu)方案選擇與確定2.3。1輪式機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)在相對(duì)平坦的地形中具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，運(yùn)動(dòng)速度迅速、平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)和控制也較簡(jiǎn)單，很多機(jī)器人的行走系統(tǒng)都設(shè)計(jì)成輪式結(jié)構(gòu)。由于輪式移動(dòng)系統(tǒng)比較適合平緩的環(huán)境，大多數(shù)的研究者通過(guò)選擇合適的懸架系統(tǒng)來(lái)使其適應(yīng)凹凸不平的地形。目前出現(xiàn)的機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)有單輪、兩輪、四輪、五輪、六輪以及多輪等幾種形式.下面列舉一些具有代表意義的典型結(jié)構(gòu)。四輪式機(jī)器人:美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL）在非結(jié)構(gòu)環(huán)境特別是行星表面科學(xué)探測(cè)車技術(shù)方面處于領(lǐng)先水平.Nanrover是JPL研制的一種小型四輪可旋轉(zhuǎn)支架式探測(cè)車，四個(gè)輪子通過(guò)擺臂與車體中心的一根軸相連。這是一部非常輕巧的探測(cè)車，其重量?jī)H為1.5kg。NASA的“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)”正在研制另一種四輪機(jī)器人，其前后輪均采用了三維互動(dòng)懸掛結(jié)構(gòu)。日本東芝公司也研制了四輪火星探測(cè)機(jī)器人，四個(gè)輪子均采用獨(dú)立的彈性懸掛系統(tǒng)，其中前輪帶有擺臂,可以引導(dǎo)車身爬上較高的臺(tái)階.五輪、六輪式機(jī)器人：日本NASDA的Micro5是典型的五輪式探測(cè)車。他的四個(gè)輪子是驅(qū)動(dòng)輪，另外一個(gè)中間輪是支撐輪。采用的是“五級(jí)輔助懸掛"行走系統(tǒng).Micro5機(jī)器人系統(tǒng)全重約5kg,整體尺寸為55×53×25cm，越障高度13cm，爬坡能力40°，行走速度1。5cm/s。由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的高機(jī)動(dòng)性越障機(jī)器人行走系統(tǒng)采用六輪形式.行走系統(tǒng)有前部叉式雙擺桿越障機(jī)構(gòu)、車身、平行四邊形支撐機(jī)構(gòu)以及后輪支撐機(jī)構(gòu)組成，外形像個(gè)大蜘蛛。該行走系統(tǒng)可以越過(guò)高于輪子直徑1.5倍的垂直障礙。在攀越單側(cè)小型障礙時(shí)，前后輪可以分別攀越，從而保證了整個(gè)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)越障。在六輪機(jī)器人中，最具代表性的可能要數(shù)NASAyanzhi的火星系列機(jī)器人了。自1989年來(lái)，NASAkaishi研究質(zhì)量在5—50千克之間的Rocky系列微型漫游者.在“索杰納”、“勇氣好”和“機(jī)遇號(hào)"中都采用了同一種類型的機(jī)械結(jié)構(gòu)——“rocker—bogie”。這種結(jié)構(gòu)沒(méi)有涉及軸與彈簧，但可以很好避開(kāi)障礙物?？梢允沽鶄€(gè)輪子都著地，而且還能使機(jī)器人傾斜45°2.3。2履帶式機(jī)器人履帶式行走系統(tǒng)具有較好的越障性能，較強(qiáng)的適應(yīng)和使用壽命。但其往往重量大，且能耗高。日本大阪大學(xué)研制出蛇形履帶機(jī)器人，能在高低不平的廢墟上前進(jìn)，每節(jié)的周圍都布有履帶.美國(guó)iRobot公司研制了“PackBot"系列機(jī)器人，在普通雙履帶底盤的基礎(chǔ)上添置了一對(duì)前擺臂,在一定程度上增加了它的適應(yīng)能力。InuKtun公司研制了機(jī)器人MicroVGTV，機(jī)身履帶可變?yōu)?，采用電纜控制，含有直視的彩色或黑白攝像頭,并帶有微型話筒和揚(yáng)聲器，可以用于與壓在廢墟中的幸存者通話，適用于在小的孔洞和空間中執(zhí)行任務(wù)。北京航天航空大學(xué)機(jī)器人研究所提出的模塊化可重構(gòu)履帶結(jié)構(gòu)是一種新型的非結(jié)構(gòu)環(huán)境移動(dòng)機(jī)器人行走系統(tǒng).2.3。3腿式機(jī)器人腿式行走系統(tǒng)在機(jī)動(dòng)性和能效方面優(yōu)于輪式系統(tǒng)，由于腿式行走系統(tǒng)的落足點(diǎn)時(shí)幾個(gè)離散的位置點(diǎn)，可以越過(guò)更復(fù)雜的障礙,竄過(guò)更崎嶇的地形，具有較強(qiáng)的越野能力.腿式行走系統(tǒng)能夠自主隔振.可以保證傳感器和科學(xué)設(shè)備沿平滑預(yù)定的軌跡運(yùn)行。美國(guó)卡內(nèi)基—梅隆大學(xué)和美國(guó)航空航天局合作開(kāi)發(fā)了Dante系列機(jī)器人。DanteⅡ高3m,寬6m，重770kg,速度1m/min，步長(zhǎng)1。1m，最大可跨越障礙1。27m,最大單步轉(zhuǎn)彎11°.1994年7—8月,DanteⅡ?qū)喟部死灼?45千米的斯帕火山進(jìn)行考察，傳回了數(shù)據(jù)機(jī)圖像。仿生腿式機(jī)器人是腿式機(jī)器人中的重要成員，也是腿式機(jī)器人研究熱點(diǎn),其利用仿生移動(dòng)的原理進(jìn)行行走和越障.諸如美國(guó)軍方研制的四足機(jī)器人有良好的魯班性，即使被踹一腳也不會(huì)摔倒，可以自動(dòng)快速恢復(fù)狀態(tài)，能夠適應(yīng)各種路面。2。3.4其它形式機(jī)器人日本東京工業(yè)大學(xué)研制的可重構(gòu)機(jī)器人“SMCRover”由母機(jī)器人和多個(gè)子機(jī)器人組成。其中母機(jī)器人本身不能移動(dòng)，只有在與子機(jī)器人結(jié)合后成為輪式移動(dòng)機(jī)器人.而子機(jī)器人既可以做母機(jī)器人的單個(gè)輪子，也可以由2個(gè)子機(jī)器人連接在一起，用連接臂做平衡和轉(zhuǎn)向的車體部分從而單獨(dú)做行星探險(xiǎn)機(jī)器人.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的可重構(gòu)星球探測(cè)機(jī)器人也有類似的結(jié)構(gòu)。中科院機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的CLIMBER機(jī)器人采用的也是復(fù)合式行走系統(tǒng)。機(jī)器人由輪、腿、履帶復(fù)合構(gòu)成，具有翻越障礙、樓梯，跨越壕溝，在傾斜面上行走，傾倒自行復(fù)位的功能.機(jī)器人外形尺寸80×72×48cm，輪式移動(dòng)10m/min、履帶移動(dòng)5m/min，最高翻越障礙28cm。其它特殊形式的移動(dòng)機(jī)器人也是各有各的有缺點(diǎn),如單邊輪用一個(gè)輪子代替整個(gè)車體，很好地利用了圓這種幾何結(jié)構(gòu)的地形適應(yīng)能力，避免了車底凈高等護(hù)駕幾何約束對(duì)車輛地形適應(yīng)能力的限制，大大減少體積,增加了機(jī)動(dòng)性和靈活性，但這種機(jī)器人控制復(fù)雜，越障能力低。球形輪在各方向上的截面都是圓,具有很好地地形適應(yīng)能力，但控制也相對(duì)復(fù)雜。綜上所述,國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)了許都種非結(jié)構(gòu)環(huán)境的移動(dòng)機(jī)器人行走系統(tǒng)，輪式、腿式、輪腿式、履帶式和其它復(fù)合形式的機(jī)器人特點(diǎn)如表2-1所列，它們的行走系統(tǒng)對(duì)比如表2—2所列。

表2-1國(guó)內(nèi)外具有代表性的行走系統(tǒng)比較機(jī)器人名稱國(guó)家/單位結(jié)構(gòu)形式行走系統(tǒng)尺寸(m）越障高度（m）爬坡角度越障H與行走系統(tǒng)L比Gyrover美國(guó)/CMU單輪///0.43Scout美國(guó)/明達(dá)蘇達(dá)雙輪///0.46Nomand美國(guó)NASA、CMU四輪輪徑0.7110.5/0.7Micro5日本五輪輪徑0。10。1340度1。3Rocker美國(guó)/NASA六輪輪徑0。220.3335度1.5Daedalus美國(guó)/CMU四足高1.5—2。5130×40度0。4—0。67Ambler美國(guó)/CMU六足高4.161.9/0.46DanteⅡ美國(guó)/NASA、CMU八足高3,寬3。61.27/0．43模塊重構(gòu)履帶機(jī)器人北航履帶0.3×0.1×0.110。260度1。82CLIMBER中科院復(fù)合0。78×0。64×0。440.43/1表2—2各類行走系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)比較移動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)輪式高速、高效越障能力較差腿式地形適應(yīng)能力強(qiáng)速度低,效率低、控制復(fù)雜履帶式地形適應(yīng)能力強(qiáng)重量達(dá),能耗大輪腿/復(fù)合式高速高效，地形適應(yīng)能力強(qiáng)控制比較復(fù)雜2.4行走方案的確定根據(jù)以上的定性分析，本文選用輪式作為驅(qū)動(dòng)單元。但對(duì)于非結(jié)構(gòu)環(huán)境，普通輪式機(jī)器人仍需要進(jìn)行改進(jìn)以提高其適應(yīng)性。除越障性能需要提高外,另一個(gè)原因是機(jī)器人在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境地形虛假的性能除了取決于其在典型地形特征下的性能以及典型地形特征的組合參數(shù)以外，還受機(jī)器人對(duì)典型地形特征之間過(guò)渡得適應(yīng)性的影響。因此,本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路集中在對(duì)普通輪式構(gòu)型進(jìn)行改進(jìn).設(shè)想在輪式機(jī)器人前面加一對(duì)擺臂,這樣在較為平坦的地段可以把擺臂收起來(lái)變形為輪式，快速推進(jìn)，節(jié)省探測(cè)時(shí)間;也可以發(fā)揮擺臂能夠適應(yīng)各種障礙的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的地形及變形情況如圖2—1

圖2—1機(jī)器人地形適應(yīng)示意圖2。5本章小結(jié)本章從對(duì)井下工況條件分析得出應(yīng)以典型地形特征為越障對(duì)象，結(jié)合目前的研究基礎(chǔ)以及現(xiàn)有的技術(shù)條件，通過(guò)對(duì)輪式、履帶式機(jī)器人和其它形式的機(jī)器人的定性分析,確定煤礦救災(zāi)機(jī)器人采用輪式作為驅(qū)動(dòng)模塊.同時(shí)考慮到輪式行走機(jī)構(gòu)的特點(diǎn),給其加上擺臂使得輪式行走機(jī)構(gòu)的越障能力提高。

3機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)3。1機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)總體方案機(jī)器人采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，擺臂運(yùn)動(dòng)單元不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車輪自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而且能夠繞主動(dòng)輪中心擺動(dòng),車輪之間為機(jī)器人的主體部分，可裝載控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊及其他各種設(shè)備。為保證機(jī)器人在礦井內(nèi)部的良好通過(guò)性,對(duì)擺臂的長(zhǎng)度、驅(qū)動(dòng)輪直徑、車體長(zhǎng)度以及機(jī)器人的整體尺寸等進(jìn)行綜合考慮。同時(shí)在煤礦煤塵爆炸事故后的探測(cè)營(yíng)救過(guò)程中，救護(hù)人員在井下高溫環(huán)境下負(fù)重作業(yè)，其體力以及氧氣消耗都很大。營(yíng)救機(jī)器人主要作用是代替救護(hù)人員搬運(yùn)、轉(zhuǎn)移傷員和遇難者至安全區(qū)域,而且營(yíng)救機(jī)器人需要攜帶必要的救護(hù)設(shè)備和儀器,因此營(yíng)救機(jī)器人應(yīng)該具有足夠大的尺寸和動(dòng)力以及良好的續(xù)航能力.依此方案設(shè)計(jì)的機(jī)器人分配為：兩邊的主轉(zhuǎn)動(dòng)輪為2自由度;兩條擺臂車輪轉(zhuǎn)動(dòng)為2自由度；兩擺臂各自的擺動(dòng)為2自由度。這樣機(jī)器人總共需要6自由度，需要6個(gè)電機(jī)，由于機(jī)器人尺寸、總質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)功率以及防爆要求等限制，必需在不影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力的前提下，盡可能的減少電動(dòng)機(jī)的數(shù)量.因此，將主轉(zhuǎn)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)用2個(gè)自由度，把兩個(gè)擺臂連成一體共用1個(gè)自由度，這樣機(jī)器人共有3個(gè)自由度，需要3個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī).機(jī)身結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。

圖3—1機(jī)身總體結(jié)構(gòu)圖3。1。1主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、圓柱齒輪副、星齒輪減速器和鏈傳動(dòng)組成，主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)如圖3-2所示:

圖3—2主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖備注：1驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī),2傳動(dòng)大齒輪，3電機(jī)固定板，4傳動(dòng)小齒輪，5行星減速器，6鏈輪。

主傳動(dòng)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)1經(jīng)過(guò)圓柱齒輪副2和行星齒輪減速器5將驅(qū)動(dòng)動(dòng)力傳給鏈輪6。然后鏈輪6再把動(dòng)力傳遞給輪邊的鏈輪。

3.1。2擺臂方案設(shè)計(jì)在機(jī)器人的兩個(gè)前臂運(yùn)動(dòng)單元中，除了鏈輪的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)外，還有擺臂的擺動(dòng)。如圖3-3所示：

圖3—3擺臂機(jī)構(gòu)圖備注：1小齒輪，2電機(jī)安裝底座，3電機(jī)，4軸承套，5擺臂，6鏈輪，7大齒輪，8軸承,9傳動(dòng)軸。電機(jī)3經(jīng)過(guò)小齒輪將驅(qū)動(dòng)動(dòng)力傳給大齒輪7,大齒輪7通過(guò)螺栓聯(lián)接將動(dòng)力傳給擺臂,從而實(shí)現(xiàn)擺臂繞從動(dòng)輪中心轉(zhuǎn)動(dòng)。傳動(dòng)軸9與大齒輪7之間有軸承連接兩個(gè)運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，互不干涉。傳動(dòng)軸9把動(dòng)力傳給鏈輪6，鏈輪6與擺臂5的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立.3.2機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)具體設(shè)計(jì)3.2。1主傳動(dòng)系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)⑴主電機(jī)功率估算輪式煤礦救援機(jī)器人設(shè)計(jì)數(shù)據(jù):①車體重量：車體總重310②最高運(yùn)行速度：60m/min③最大爬坡高度:30°④輪與地面的摩擦系數(shù)：0.7⑤機(jī)器人工作阻力:機(jī)器人的受力模型如圖3-4所示.

圖3-4機(jī)器人受力分析模型==3360.7N（3-1)QUOTEnⅠ＝ni0＝1000電機(jī)的最大輸出功率為:（3-2)QUOTEnⅠ＝ni其中為機(jī)器人行走的最大速度.由于左右兩輪各用一個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，所以每個(gè)電機(jī)的最大輸出功率為:（3—3）直流伺服電機(jī)的效率一般為70％—80％,取電機(jī)的效率為80％。一級(jí)行星齒輪減速器的傳動(dòng)效率一般為0.9—0.95，取減速器的效率為93％,則傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率為:(3—4）所以電機(jī)的功率為：（3—5）考慮到電機(jī)的功率儲(chǔ)備和鏈條的摩擦及其他功率消耗，取安全裕量系數(shù)S=1.4，則希望的電機(jī)個(gè)功率為:（3-6）

⑵主電動(dòng)機(jī)的選擇根據(jù)電機(jī)的功率需要選定電動(dòng)機(jī)型號(hào)為360SXP—CM02。繞線盤式電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)及機(jī)組是近年來(lái)發(fā)展來(lái)的新型力能元件。其電樞為無(wú)鐵心盤式結(jié)構(gòu)，具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小、時(shí)間常數(shù)小,無(wú)鐵損、效率高，換向性能好和電刷壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。通常與電磁制動(dòng)器、測(cè)速發(fā)電機(jī)及光編碼器同軸安裝構(gòu)成機(jī)組。可廣泛用于復(fù)印機(jī)、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、電動(dòng)自行車、汽車及機(jī)器人。360SXP—CM02技術(shù)數(shù)據(jù)：

額定功率/kw額定電壓／V額定電流／I輸出轉(zhuǎn)速r/min瞬時(shí)最大轉(zhuǎn)矩N.m4。516532180099.3⑶傳動(dòng)比的分配與各軸傳動(dòng)參數(shù)計(jì)算①傳動(dòng)比的分配

圖3-5主傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖主傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比為：(3-7)根據(jù)兩級(jí)減速的不同特點(diǎn)，將傳動(dòng)比分配如下:直齒圓柱齒輪的傳動(dòng)比行星齒輪減速器的傳動(dòng)比②各軸傳動(dòng)參數(shù)的計(jì)算轉(zhuǎn)速計(jì)算：第Ⅰ軸轉(zhuǎn)速(3—8)QUOTEnⅠ＝ni第Ⅱ軸轉(zhuǎn)速（3-9)QUOTEnⅡ＝nⅠ功率計(jì)算：第Ⅰ軸功率(3-10)QUOTEnⅡ＝nⅠi1=10003.7第Ⅱ軸功率QUOTEPⅡ＝PⅠ?η4?η5=106.72×0.99×各軸扭矩計(jì)算：第Ⅰ軸扭矩（3-12）QUOTETⅠ＝9550?第Ⅱ軸扭矩（3—13）QUOTETⅡ＝9550?PⅡn①選擇齒輪材料，確定許用應(yīng)力由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6。2選小齒輪40Cr調(diào)質(zhì)HBS1=260HBS大齒輪45正火HBS2=260HBS許用接觸應(yīng)力，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式6-6接觸疲勞極限查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖6—4得

接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)假設(shè)清車機(jī)每年工作300天,預(yù)期壽命10年應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式6-7(3—14）(3—15)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖6-5得接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)則

所以許用彎曲應(yīng)力由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式6-12（3-16）彎曲疲勞極限查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖6-7得

彎曲強(qiáng)度壽命系數(shù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖6—8得彎曲強(qiáng)度尺寸系數(shù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖6-9（設(shè)模數(shù)m小于5mm）得彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)則②齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算確定齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)，按估取圓周速度，參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6.7、6.8選?、蚬罱M8級(jí).小輪大端分度圓直徑，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式6—5得(3—17）齒寬系數(shù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6.9,按齒輪相對(duì)軸承為非對(duì)稱布置小輪齒數(shù)選=27大論齒數(shù)齒數(shù)比傳動(dòng)比誤差小輪轉(zhuǎn)矩N·㎜載荷系數(shù)(3—18）—使用系數(shù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6。3得—?jiǎng)虞d系數(shù)由推薦值1.05~1。4得—齒間載荷分布系數(shù)由推薦值1。0～1。2得—齒向載荷分布系數(shù)由推薦值1。0~1.2得載荷系數(shù)材料彈性系數(shù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6。4得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖6-3得重合度系數(shù)由推薦值0.85~0.92得故齒輪模數(shù)m按《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6.6圓整m=2小輪大端分度圓直徑圓周速度標(biāo)準(zhǔn)中心距齒寬b大輪齒寬小輪齒寬

③齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式6-10(3—19）齒形系數(shù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6.5得小輪大輪應(yīng)力修正系數(shù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表6.5得，小輪： 大輪：重合度

重合度系數(shù)

故， 齒根彎曲強(qiáng)度滿足。④齒輪其它主要尺寸計(jì)算大輪大端分度圓直徑根圓直徑

頂圓直徑

⑸2K-H型行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算①齒輪的設(shè)計(jì)1）基本參數(shù)選擇QUOTEnⅡ＝n太陽(yáng)輪和行星輪材料為20CrNiMoA,表面滲碳淬火處理，表面硬度為57~61HRC.試驗(yàn)齒輪齒面接觸疲勞極限試驗(yàn)齒輪齒根彎曲疲勞極限太陽(yáng)輪行星輪（對(duì)稱載荷)齒形為漸開(kāi)線直齒。最終加工為磨齒,精度為6級(jí)。內(nèi)齒圈材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度為262~302HBS試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限齒形的最終加工為插齒，精度為7級(jí)。傳動(dòng)比行星輪數(shù)目

載荷不均衡系數(shù)低速級(jí)采用太陽(yáng)輪浮動(dòng)的均載機(jī)構(gòu),查表7—3，取2）配齒計(jì)算用比例法配齒,由傳動(dòng)比條件、同心條件和裝配條件，聯(lián)立得：

，帶入上式得

，實(shí)際傳動(dòng)比3）、齒輪模數(shù)及中心距首先計(jì)算太陽(yáng)輪分度圓直徑(3-20)式中u——齒數(shù)比為：—-使用系數(shù)為1。1-—算式系數(shù)為768——綜合系數(shù)為2.0——太陽(yáng)輪單個(gè)齒傳遞的轉(zhuǎn)矩

其中——齒寬系數(shù)暫取：

代入模數(shù)取中心距齒寬4)、幾何尺寸計(jì)算分度圓齒頂圓齒根圓基圓直徑其中，齒頂高系數(shù)太陽(yáng)輪、行星輪內(nèi)齒輪頂隙系數(shù):太陽(yáng)輪、行星輪：內(nèi)齒輪:代入上組公式計(jì)算：太陽(yáng)輪 行星輪

內(nèi)齒輪

5)、嚙合要素驗(yàn)算a—g傳動(dòng)端面重合度(3-21)式中、分別表示太陽(yáng)輪和行星輪的齒頂圓的壓力角，為嚙合角

g-b傳動(dòng)端面重合度

式中、分別表示內(nèi)齒輪和行星輪的齒頂圓的壓力角，為嚙合角

6）、齒輪強(qiáng)度驗(yàn)算a-g傳動(dòng)，a）太陽(yáng)輪強(qiáng)度計(jì)算：確定計(jì)算負(fù)荷名義轉(zhuǎn)矩：名義圓周力:QUOTE2000×420.7101b）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)==600r/min=QUOTEnai160r/min=—=600—60=540r/min式中,——太陽(yáng)輪相對(duì)于行星架的轉(zhuǎn)速(r/min）；T—-壽命期內(nèi)要求傳動(dòng)的總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間(h）,壽命10年,每天工作8hc）確定強(qiáng)度計(jì)算中的各種系數(shù)使用系數(shù)，根據(jù)對(duì)使用負(fù)荷的實(shí)測(cè)與分析，取=1。25動(dòng)負(fù)荷系數(shù)因=18〈50，可根據(jù)圓周速度v=πdnaH60=QUOTE3.1416×90×24由圖5-1查得（6級(jí)精度）：=1.05齒向載荷分布系數(shù)、得(3-22)(3-23)式中，—-計(jì)算接觸強(qiáng)度時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)初期（未經(jīng)跑合)的齒向載荷分布系數(shù)，由圖5-2查得=1.11（=0.75）——計(jì)算接觸強(qiáng)度時(shí)的跑合影響系數(shù)，由圖5—5查得=0.65（v=0。94m/s,〉450）—-計(jì)算彎曲強(qiáng)度時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)初期(未經(jīng)跑合）的齒向載荷分布系數(shù)，由圖5—4查得=1。15(b/m=13.5）-—計(jì)算彎曲強(qiáng)度時(shí)的跑合影響系數(shù)，由圖5—5查得=0.9(v=1.02m/s，>450)--與均載系數(shù)有關(guān)的系數(shù),=0.7——與均載系數(shù)有關(guān)的系數(shù)，=0.85則=1+（1。15—1）×0.65×0。7=1.05=1+(1.15—1)×0.85×0。85=1。11d）齒間載荷分布系數(shù)及因，精度6級(jí)，硬齒面直齒輪由表5—9查得==1.2e)節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)可查圖5—13=2.26f)載荷作用齒頂時(shí)的齒形系數(shù)根據(jù)由表5—8和圖5-11d查得g）載荷作用齒頂時(shí)的應(yīng)力修正系數(shù)由表5—11和圖5-20a查得

h）重合度系數(shù)、QUOTEQUOTEi）螺旋角系數(shù)、因=0，=得=1=1-得=1g)彈性系數(shù)=189。87）、齒數(shù)比uQUOTE8)、計(jì)算接觸應(yīng)力的基本值=(3—24)

9）、接觸應(yīng)力=（3-25）=10)、彎曲應(yīng)力的基本值=(3-26)QUOTE

11）、齒根彎曲應(yīng)力=（3—27）QUOTE12)、確定計(jì)算許用接觸應(yīng)力時(shí)的各種系數(shù)a）壽命系數(shù)因，由圖5—19得b）潤(rùn)滑系數(shù)由圖5—14取=1.03c）速度系數(shù)因v=1.02m/s和由圖5-15得=0。95d)粗糙度系數(shù)因〉1200MPa和齒面=1。66=9.6由圖5—16查得=0。9e)工作硬化系數(shù)因大小齒輪均為硬齒面，且齒面=9。6〉6由圖5—17查得=1。0f)尺寸系數(shù)由圖5—18查得=1。013）、許用接觸應(yīng)力（3-28）==1280.49MPa接觸強(qiáng)度安全系數(shù)

14)、確定計(jì)算許用彎曲應(yīng)力時(shí)的各種系數(shù)a)實(shí)驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)=2。0b)壽命系數(shù)因查圖5—25得=0。80c)相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)由,由圖5—22查得=0.96d）齒根表面狀況系數(shù)=0。925e)尺寸系數(shù)可查圖5-24=1f）許用彎曲應(yīng)力(3—29）=QUOTE15)、彎曲強(qiáng)度俺去系數(shù)

行星輪強(qiáng)度計(jì)算a）確定計(jì)算負(fù)荷名義轉(zhuǎn)矩名義圓周力QUOTE2000×420.7101b)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)==QUOTEnai160r/min

=—=-75-60=-135r/min式中-—太陽(yáng)輪相對(duì)于行星架的轉(zhuǎn)速（r/min)；T--壽命期內(nèi)要求傳動(dòng)的總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間(h),壽命10年,每天工作8h

c)確定強(qiáng)度計(jì)算中的各種系數(shù)使用系數(shù)根據(jù)對(duì)使用負(fù)荷的實(shí)測(cè)與分析，取=1。25動(dòng)負(fù)荷系數(shù)可根據(jù)圓周速度v=πdnaH60=QUOTE3.1416×90×24由圖5—1查得（6級(jí)精度）:=1。05d)齒向載荷分布系數(shù)、得（3-30）(3—31）式中—-計(jì)算接觸強(qiáng)度時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)初期（未經(jīng)跑合)的齒向載荷分布系數(shù)，由圖5-2查得=1.11(=0。75）——計(jì)算接觸強(qiáng)度時(shí)的跑合影響系數(shù),由圖5-5查得=0.68（v=1.02m/s，>450)——計(jì)算彎曲強(qiáng)度時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)初期(未經(jīng)跑合）的齒向載荷分布系數(shù)，由圖5-4查得=1。15（b/m=13.5）——計(jì)算彎曲強(qiáng)度時(shí)的跑合影響系數(shù)，由圖5—5查得=0.90(v=1.02m/s,〉450）——與均載系數(shù)有關(guān)的系數(shù)，=0。7——與均載系數(shù)有關(guān)的系數(shù)，=0。85則=1+（1.11-1)0.680.7=1。05=1+（1.15-1)0.900。85=1。11e)齒間載荷分布系數(shù)及因，精度6級(jí)，硬齒面直齒輪由表5—9查得==1.2f)節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)可查5—13

g）載荷作用齒頂時(shí)的齒形系數(shù)由表5-8和圖5-11d查得h)載荷作用齒頂時(shí)的應(yīng)力修正系數(shù)由表5-11和圖5-20a查得i)重合度系數(shù)、QUOTEQUOTEj）螺旋角系數(shù)、因=0，=得=1=1—得=1k）彈性系數(shù)=189.816）、齒數(shù)比uQUOTE17）、計(jì)算接觸應(yīng)力的基本值=（3-32）18)、接觸應(yīng)力=（3-33）=19）、彎曲應(yīng)力的基本值=(3-34）QUOTE

20）、齒根彎曲應(yīng)力=（3-35）QUOTE

21)、確定計(jì)算許用接觸應(yīng)力時(shí)的各種系數(shù)a）壽命系數(shù)因，由圖5-19得b）潤(rùn)滑系數(shù)由圖5—14取=1.03c)速度系數(shù)因v=1.02m/s和由圖5—15得=0。95d）粗糙度系數(shù)因〉1200MPa和齒面=1。66=9。6由圖5-16查得=0。9e）工作硬化系數(shù)因大小齒輪均為硬齒面，且齒面=9。6>0.6由圖5-16查得=1.0f）尺寸系數(shù)由圖5—18查得=122)、許用接觸應(yīng)力（3-36)==1608.95MPa接觸強(qiáng)度安全系數(shù)23)、確定計(jì)算許用彎曲應(yīng)力時(shí)的各種系數(shù)a）實(shí)驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)=2。0b)壽命系數(shù)因查圖5—25得=0.95c）相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)由，由圖5-22查得=1.0d)齒根表面狀況系數(shù)=0.925e）尺寸系數(shù)可查5-24=124)、許用彎曲應(yīng)力（3-37）=QUOTE25）、彎曲強(qiáng)度俺去系數(shù)

g—b傳動(dòng)a)內(nèi)齒輪強(qiáng)度計(jì)算確定計(jì)算負(fù)荷名義圓周力QUOTE2000×420.7101b）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)==0r/min=QUOTEnai160r/min=-=60r/min式中,-—太陽(yáng)輪相對(duì)于行星架的轉(zhuǎn)速（r/min)；T--壽命期內(nèi)要求傳動(dòng)的總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間（h）,壽命10年,每天工作8h

c）確定強(qiáng)度計(jì)算中的各種系數(shù)使用系數(shù)根據(jù)對(duì)使用負(fù)荷的實(shí)測(cè)與分析，取=1.25b)動(dòng)負(fù)荷系數(shù)圓周速度v==QUOTE3.1416×90×2460×1000由圖5—1查得（7級(jí)精度）：=1。05c）齒向載荷分布系數(shù)、得(3—38）（3—39)式中-—計(jì)算接觸強(qiáng)度時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)初期（未經(jīng)跑合）的齒向載荷分布系數(shù)，由圖5-2查得=1。10（=0.75)——計(jì)算接觸強(qiáng)度時(shí)的跑合影響系數(shù),由圖5-5查得=0。33（v=1。0m/s,=280)-—計(jì)算彎曲強(qiáng)度時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)初期（未經(jīng)跑合)的齒向載荷分布系數(shù)，由圖5—4查得=1。15（b/m=13。5)——計(jì)算彎曲強(qiáng)度時(shí)的跑合影響系數(shù),由圖5—5查得=0.5（v=1.0m/s，=280)——與均載系數(shù)有關(guān)的系數(shù),=0.7——與均載系數(shù)有關(guān)的系數(shù),=0.85則=1+（1。10-1)0.330。7=1。02=1+（1.12-1)0。500。85=1。05d)齒間載荷分布系數(shù)及因，精度7級(jí)，硬齒面直齒輪由表5-9查得==1.2e）節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)可查5-13f)載荷作用齒頂時(shí)的齒形系數(shù)由表5—8和圖5—11d查得g)載荷作用齒頂時(shí)的應(yīng)力修正系數(shù)由表5-11和圖5-20a查得h)重合度系數(shù)、QUOTEQUOTEi）螺旋角系數(shù)、因=0，=得=1=1—得=1g)彈性系數(shù)=189.826)、齒數(shù)比uQUOTE27)、計(jì)算接觸應(yīng)力的基本值=(3—40)

28）、接觸應(yīng)力=（3—41)=29）、彎曲應(yīng)力的基本值=（3—42）QUOTE

30）、齒根彎曲應(yīng)力=（3—43）QUOTE

31)、確定計(jì)算許用接觸應(yīng)力時(shí)的各種系數(shù)a)壽命系數(shù)因，由圖5—19得b）潤(rùn)滑系數(shù)由圖5—14取=1。04c)速度系數(shù)因v=1.0m/s和由圖5—15得=0.92d)粗糙度系數(shù)由圖5-16查得=0.8e）工作硬化系數(shù)因大小齒輪均為硬齒面，且齒面=9.6〉0。6由圖5-16查得=1。11f)尺寸系數(shù)由圖5—18查得=0.9632）、許用接觸應(yīng)力（3—44)==581.2MPa接觸強(qiáng)度安全系數(shù)

33）、確定計(jì)算許用彎曲應(yīng)力時(shí)的各種系數(shù)a）實(shí)驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)=2.0b)壽命系數(shù)因查圖5—25得=0。9c）相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)由,由圖5—22查得=1。06d）齒根表面狀況系數(shù)=0。925e）尺寸系數(shù)=0。92234）、許用彎曲應(yīng)力(3-45)=QUOTE35）、彎曲強(qiáng)度俺去系數(shù)

②減速器軸的設(shè)計(jì)1）、行星輪軸的設(shè)計(jì)與軸承的選擇軸的最小直徑計(jì)算：在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，每個(gè)行星輪軸承受穩(wěn)定載荷，當(dāng)行星輪相對(duì)于行星架對(duì)稱布置時(shí)，載荷則作用在軸跨距的中間。取行星輪與行星架之間的間隙則跨距長(zhǎng)度，當(dāng)行星輪在轉(zhuǎn)臂中的配合選為時(shí)，就可以把它看成是具有跨距為的雙支點(diǎn)梁,軸沿整個(gè)跨距承受均布載荷危險(xiǎn)截面（在跨度中間）內(nèi)的彎矩：(3—46）行星輪軸采用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)，考慮到可能的沖擊振動(dòng)，取安全系數(shù)，則許用彎曲應(yīng)力：故行星輪直徑：（3—47)取

2）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軸承的選擇

圖3—6行星輪軸在行星輪安裝兩個(gè)軸承，每個(gè)軸承上的徑向載荷

在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中,軸承外圈以轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)?？紤]到行星輪軸的直徑,同時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)的需要選軸承6307其參為：取載荷系數(shù)當(dāng)量動(dòng)載荷軸承的計(jì)算壽命(3-48)三年壽命時(shí)間為軸承壽命合格。軸的具體結(jié)構(gòu)如圖3—6所示.3）、輸出軸的設(shè)計(jì)與軸承的選擇軸的最小直徑計(jì)算：首先計(jì)算減速器的效率和各軸上的扭矩，當(dāng)不考慮軸承損失時(shí)，減速器的效率（3—49)式中(3-50)(外嚙合效率,內(nèi)嚙合效率)考慮到減速器內(nèi)齒輪軸承損失時(shí)，減速器的總效率

式中為每對(duì)軸承的效率，由前面計(jì)算可知主動(dòng)軸上的扭矩

行星齒輪減速器輸出軸上的扭矩(3-51）輸出軸選用45鋼，其許用剪切應(yīng)力即求出輸出軸的最小直徑為：（3—52)取4）、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軸承的選擇

圖3-7輸出軸

由行星輪軸承的計(jì)算可知,軸承軸向載荷的較小，所以軸承的尺寸由結(jié)構(gòu)來(lái)確定。軸的具體結(jié)構(gòu)如圖3-7所示。軸承選擇如下：6310618245）、輸出軸鍵的校核

鍵的型號(hào)為勾頭楔鍵，b=12mmh=8mmmL=60mm

小于。（3—53)鍵的強(qiáng)度滿足條件。6）輸出軸的設(shè)計(jì)與軸承的選擇a)軸的最小直徑計(jì)算輸入軸只承受轉(zhuǎn)矩，輸入軸選用鋼，其許用剪切應(yīng)力，則輸入軸直徑

取b）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與軸承的選擇

圖3—8輸入軸由行星輪軸承的計(jì)算可知,軸承軸向載荷的較小，所以軸承的尺寸由結(jié)構(gòu)來(lái)確定.軸的具體結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。軸承選擇如下:16007c)輸入軸鍵的強(qiáng)度校核鍵的型號(hào)圓頭普通平鍵（A型），b=8,h=7,L=40小于。（3-54)鍵的強(qiáng)度滿足條件。

⑹鏈傳動(dòng)的設(shè)計(jì)①鏈輪的設(shè)計(jì)減速器輸出軸的轉(zhuǎn)速為傳遞的功率為選擇鏈輪齒數(shù)和小鏈輪齒數(shù)大鏈輪齒數(shù)確定鏈節(jié)數(shù)初取中心距，則鏈節(jié)數(shù)為(3—55)

取確定鏈節(jié)距載荷系數(shù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5。4得小鏈輪齒數(shù)系數(shù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5.5，估計(jì)為鏈板疲勞則多排鏈系數(shù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表5.6，得鏈長(zhǎng)系數(shù)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖5-13，得由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式5-9(3-56)根據(jù)小鏈輪轉(zhuǎn)速和，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖5-12,確定鏈條型號(hào)為16A，鏈條長(zhǎng)度確定中心距由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式5-12知，(3-57）

驗(yàn)算鏈速

小于0.6m/s，其主要失效形式是鏈條的靜力拉斷，故應(yīng)進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。計(jì)算壓軸力鏈條工作拉力壓軸力系數(shù)由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式5-138）靜強(qiáng)度校核大于8滿足靜強(qiáng)度條件。②鏈輪的尺寸選用三圓弧一直線齒形，這種齒形與滾子嚙合時(shí)的接觸應(yīng)力小,且作用角隨齒數(shù)增大而增大，嚙合性能好。根據(jù)GB/T1243-1997主要尺寸如下：分度圓直徑:

齒頂圓直徑：齒根圓直徑：

3.2.2擺臂方案的具體設(shè)計(jì)⑴擺臂軸的設(shè)計(jì)

圖3-9擺臂軸①計(jì)算作用在軸上的力對(duì)輪子的支撐力鏈輪的轉(zhuǎn)矩鏈輪的軸壓力

②初步估算州的直徑選取45號(hào)鋼作為軸的材料,調(diào)質(zhì)處理.由式8—2計(jì)算軸的最小直徑并加大3％一考慮鍵槽的影響查表8.6取則。

③軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)a）確定軸的結(jié)構(gòu)方案右端的光軸上安裝兩個(gè)軸承與空心齒輪軸形成相互獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)。左端的軸承考軸肩定位。右端軸承與它之間用定位軸套使軸承右端面得以定位。鏈輪軸承和鏈輪都從軸的右端裝入，鏈輪左側(cè)面靠軸肩定位.左端的鏈輪和支撐軸承從左邊裝入，軸承的有端面靠軸肩定位.鏈輪左右端面均靠定位軸肩定位。軸的結(jié)構(gòu)如圖3—9所示。b）確定各軸端的直徑和長(zhǎng)度第一段根據(jù)圓整（按GB5014-85）,并考慮到鏈輪的安裝和在長(zhǎng)車體寬度上與后輪的統(tǒng)一，取軸的直徑為40mm,長(zhǎng)度為135mm。第二段為了便于軸承拆卸，應(yīng)大于且符合標(biāo)準(zhǔn)軸承內(nèi)徑，同時(shí)考慮定位軸套的定位.查GB/T276-94，暫選深溝球軸承型號(hào)為6210，,其寬度B=20mm。軸承的潤(rùn)滑方式選擇：選擇脂潤(rùn)滑。取，。第三段裝配軸承，與第二段相似,查GB/T276-94,暫選深溝球軸承型號(hào)為6210，，其寬度B=20mm。取，。第四段為了便于裝拆軸承內(nèi)圈，小于。同時(shí)考慮擺臂寬度的需要，取，。第五段這個(gè)軸端安裝鏈輪，為了鏈輪軸向的定位小于,取軸肩高度為5mm，取,。第六段這個(gè)軸端安裝擺臂軸承，為了軸承軸向的定位小于,取軸肩高度為2。5mm,查GB/T276—94，暫選深溝球軸承型號(hào)為6205,,其寬度B=9mm。取，.第七段這個(gè)軸端安裝空心齒輪軸軸承，為了軸承軸向的定位小于，取軸肩高度為2.5mm,查GB/T276—94,暫選深溝球軸承型號(hào)為6004，，其寬度B=12mm.取，。

④繪制軸的彎矩圖和扭矩圖a)求軸承反力H水平面，V垂直面，b）求軸承中點(diǎn)處彎矩H水平面，V垂直面

合成彎矩，，扭矩T

彎矩圖、扭矩圖見(jiàn)圖3—10。

⑤按扭矩合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度當(dāng)量彎矩：取折合系數(shù)，軸承中點(diǎn)處當(dāng)量彎矩

當(dāng)量彎矩圖見(jiàn)圖3-10。軸的材料為45號(hào)鋼,調(diào)質(zhì)處理。由表8。2查得，由表8.9查得材料許用應(yīng)力.由式8—4得軸的計(jì)算應(yīng)力為：(3-58）（3—59)（3-60)該軸滿足強(qiáng)度要求.

圖3-10彎矩圖、扭矩圖、當(dāng)量彎矩圖⑵擺臂前輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擺臂前輪的設(shè)計(jì)中運(yùn)用了兩個(gè)過(guò)盈配合達(dá)到鏈輪與軸承、軸承與軸的連接。具結(jié)構(gòu)如圖3—11所示。

圖3-11擺臂前輪設(shè)計(jì)圖⑶空心齒輪軸的設(shè)計(jì)空心齒輪軸通過(guò)螺栓與擺臂連接，這樣由電動(dòng)機(jī)直接進(jìn)過(guò)齒輪軸后把動(dòng)力傳遞到擺臂。齒輪軸的具體結(jié)構(gòu)如圖3- 12所示。

圖3-12空心齒輪軸3。3本章小結(jié)本章介紹了煤礦救援機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)機(jī)械部分的詳細(xì)設(shè)計(jì)。在對(duì)機(jī)器人的功率估計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的主傳動(dòng)系統(tǒng)、擺臂擺臂傳動(dòng)系統(tǒng)。主傳動(dòng)系統(tǒng)主要是：從電機(jī)進(jìn)過(guò)一級(jí)圓柱齒輪減速再到行星輪減速器后進(jìn)鏈輪傳動(dòng)到達(dá)機(jī)器人的輪子。擺臂傳動(dòng)系統(tǒng)主要是：從電機(jī)進(jìn)過(guò)一圓柱齒輪減速到空心齒輪軸后再到電機(jī)。整個(gè)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠,能過(guò)滿足機(jī)器人的救援的要求。

4電氣系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)煤礦救援機(jī)器人電路系統(tǒng)的硬件是控制的基礎(chǔ)，如同機(jī)器人的神經(jīng)系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集外界環(huán)境和自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制.合理的硬件設(shè)計(jì)可以充分發(fā)揮控制系統(tǒng)的功能，達(dá)到實(shí)時(shí)控制性能好，伺服控制精度高，能夠較好的完成控制任務(wù)。本機(jī)器人控制系統(tǒng)選用PC104嵌入式工控機(jī)為控制核心,并選用PC104的多串口板擴(kuò)充了PC104的串口.自行設(shè)計(jì)的相關(guān)電路作為子模塊通過(guò)RS232串口與PC104嵌入式工控機(jī)相連，來(lái)組合成分布式的機(jī)器人控制系統(tǒng).設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想,自下而上的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行開(kāi)發(fā),系統(tǒng)的各個(gè)子功能模塊分開(kāi)設(shè)計(jì)，以保證系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的可靠性。其中自行設(shè)計(jì)的電路有數(shù)據(jù)采集單元電路、運(yùn)動(dòng)控制單元電路、編碼器解析單元電路,本章將詳細(xì)介紹這三部分的具體電路設(shè)計(jì).

4.1數(shù)據(jù)采集單元電路數(shù)據(jù)采集單元的作用是采集五個(gè)紅外開(kāi)關(guān)、五個(gè)紅外測(cè)距傳感器，并將采集到的數(shù)據(jù)送給PC104進(jìn)行處理。4。1。1A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，各種高精度、低功耗、可編程、低成本的A/D轉(zhuǎn)換器不斷推出，使得單片機(jī)控制系統(tǒng)的電路更加簡(jiǎn)潔，可靠性更高.TLC2543是德州儀器公司生產(chǎn)的12位開(kāi)關(guān)電容型逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有三個(gè)控制輸入端,采用簡(jiǎn)單的3線SPI串行接口可方便地與單片機(jī)進(jìn)行連接,是12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最佳選擇器件之一。TLC2543與外圍電路的連線簡(jiǎn)單，三個(gè)控制輸入端為CS(片選)、輸入/輸出時(shí)鐘（I/OCLOCK)以及串行數(shù)據(jù)輸入端(DATAINPUT）。片內(nèi)的14通道多路器可以選擇11個(gè)輸入中的任何一個(gè)或3個(gè)內(nèi)部自測(cè)試電壓中的一個(gè),采樣保持是自動(dòng)的，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC輸出變高［42]。TLC2543的主要特性如下：11個(gè)模擬輸入通道；66ksps的采樣速率；最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs；SPI串行接口;線性度誤差最大為±1LSB；低供電電流（1mA典型值);掉電模式電流為4μA。TLC2543的引腳功能說(shuō)明如下：AIN0～AIN10:模擬輸入端，由內(nèi)部多路器選擇.對(duì)4.1MHz的I/OCLOCK,驅(qū)動(dòng)源阻抗必須小于或等于50Ω;CS：片選端，CS由高到低變化將復(fù)位內(nèi)部計(jì)數(shù)器，并控制和使能DATAOUT、DATAINPUT和I/OCLOCK。CS由低到高的變化將在一個(gè)設(shè)置時(shí)間內(nèi)禁止DATAINPUT和I/OCLOCK;DATAINPUT：串行數(shù)據(jù)輸入端，串行數(shù)據(jù)以MSB為前導(dǎo)并在I/OCLOCK的前4個(gè)上升沿移入4位地址，用來(lái)選擇下一個(gè)要轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)或測(cè)試電壓,之后I/OCLOCK將余下的幾位依次輸入;DATAOUT：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果三態(tài)輸出端,在CS為高時(shí),該引腳處于高阻狀態(tài)；當(dāng)CS為低時(shí)，該引腳由前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的MSB值置成相應(yīng)的邏輯電平；EOC:轉(zhuǎn)換結(jié)束端。在最后的I/OCLOCK下降沿之后，EOC由高電平變?yōu)榈碗娖讲⒈３值睫D(zhuǎn)換完成及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備傳輸;VCC、GND：電源正端、地；REF＋、REF－：正、負(fù)基準(zhǔn)電壓端。通常REF＋接VCC，REF－接GND。最大輸入電壓范圍取決于兩端電壓差；I/OCLOCK：時(shí)鐘輸入/輸出端。TLC2543每次轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送使用16個(gè)時(shí)鐘周期，且在每次傳送周期之間插入CS的時(shí)序。在TLC2543的CS變低時(shí)開(kāi)始轉(zhuǎn)換和傳送過(guò)程,I/OCLOCK的前8個(gè)上升沿將8個(gè)輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時(shí)它將前一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)的其余11位移出DATAOUT端，在I/OCLOCK下降沿時(shí)數(shù)據(jù)變化.當(dāng)CS為高時(shí)，I/OCLOCK和DATAINPUT被禁止，DATAOUT為高阻態(tài)。本電路采用兩片TLC2543，最多可以采集22路模擬量。89C51單片機(jī)通過(guò)選通TLC2543的片選端分時(shí)地與不同的TLC2543通信。為了便于與TLC2543接口，采用普通IO口軟件模擬SPI操作,為減少微處理器的時(shí)鐘頻率對(duì)數(shù)據(jù)傳送速的影響，盡可能選用較高時(shí)鐘頻率.圖4-1為基于TLC2543的A/D轉(zhuǎn)換電路。圖中ADC1到ADC6分別接六個(gè)紅外測(cè)距傳感器的信號(hào)線，紅外測(cè)距傳感器輸出信號(hào)為0～5V的模擬量，可以直接接TLC2543的模擬輸入端。ADC7到ADC12分別接六個(gè)紅外開(kāi)關(guān)的信號(hào)線,因?yàn)榧t外開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)為OC門式的開(kāi)關(guān)量，所以為其增加了4.7K的上拉電阻,將其轉(zhuǎn)變?yōu)?V或5V的開(kāi)關(guān)量,便可以接TLC2543的模擬輸入端。本系統(tǒng)所用鋰電池標(biāo)稱電壓為25。9V，充電后最高電壓為28。7V，經(jīng)過(guò)圖中R7與R8分壓后,ADC13點(diǎn)電壓為0V～4。78V，可以接TLC2543的模擬輸入端。ADC14接電流分流器的信號(hào)端，電流分流器輸出信號(hào)為0～75mV的電壓模擬量，經(jīng)過(guò)TLC2543的12位AD采集后，得到數(shù)據(jù)為0~61，可以滿足電機(jī)過(guò)流檢測(cè)的需要。

圖4-1基于TLC2543的A/D轉(zhuǎn)換電路

4.1。2高速光耦電路設(shè)計(jì)為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，AD轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)電路通過(guò)光耦隔離。其中,TLC2543的CS引腳與單片機(jī)通過(guò)普通光耦TLP521-1相連如圖4-1所示,而I/OCLOCK、DATAINPUT和DATAOUT三線為SPI總線接口，工作頻率高，所以通過(guò)高速光耦6N137與89C51相連。圖4-2為高速光耦電路。

圖4—2高速光耦電路4。1.3串行通信電路設(shè)計(jì)PC104與外設(shè)通信接口為RS—232接口.RS-232是為早期公共電話網(wǎng)數(shù)據(jù)通信制定的標(biāo)準(zhǔn)，以+5V～+15V表示邏輯0，-5V～—15V表示邏輯1，與現(xiàn)有單片機(jī)接口UART邏輯電平不一致，二者之間必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。此處選用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。MAX232芯片具有兩個(gè)接收發(fā)送通道，功耗低、集成度高、+5V電壓供電，僅需外接少量阻容元件,就能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)UART電平與RS-232電平的轉(zhuǎn)換。具體電路接法見(jiàn)圖4—3串行通信電路原理圖。其中，PC104發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)P1的2號(hào)針進(jìn)入MAX232芯片13腳，轉(zhuǎn)換后由12腳輸出至89C51的RXD。單片機(jī)89C51發(fā)送的數(shù)據(jù),通過(guò)TXD進(jìn)入MAX232芯片11腳，轉(zhuǎn)換后由14腳輸出到P1的1號(hào)針,發(fā)送至PC104.

圖4—3串行通信電路原理圖4。1。4單片機(jī)程序設(shè)計(jì)本章所有自行設(shè)計(jì)的電路中單片機(jī)均在ICCAVR編譯器下，采用C語(yǔ)言編程,生成HEX文件，然后通過(guò)在線編程接口ISP下載至單片機(jī).

圖4-4單片機(jī)主函數(shù)流程圖

采用軟件模擬SPI接口的方式，對(duì)TLC2543進(jìn)行讀寫操作，并按照TLC2543的工作時(shí)序編寫相應(yīng)的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)AD采集。利用89C51的內(nèi)部資源UART完成串口通信任務(wù)，串行通信的數(shù)據(jù)格式采用(9600,N，8,1）,即9600波特率,無(wú)奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，數(shù)據(jù)內(nèi)容選用定長(zhǎng)幀結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)。所有程序都在主函數(shù)中運(yùn)行，無(wú)中斷服務(wù)函數(shù)。為提高系統(tǒng)抗干擾能力,啟用了看門狗，看門狗定時(shí)器設(shè)置為2。1s.單片機(jī)主函數(shù)的流程圖如圖4-4所示.從圖中可以看出，單片機(jī)開(kāi)機(jī)之后，首先初始化端口、UART和看門狗，然后進(jìn)入一個(gè)循環(huán)體中。在循環(huán)體中循環(huán)執(zhí)行以下幾個(gè)任務(wù)：喂狗、AD采集、數(shù)字濾波和發(fā)送數(shù)據(jù)。

4。2運(yùn)動(dòng)控制單元電路運(yùn)動(dòng)控制單元的作用是通過(guò)四個(gè)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制兩個(gè)主動(dòng)輪電機(jī)和一個(gè)擺臂電機(jī)，完成對(duì)三個(gè)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)和速度控制，從而控制兩主動(dòng)輪的直線運(yùn)動(dòng)和兩擺臂的擺動(dòng)。此外，還要完成對(duì)擺臂的閉環(huán)位置控制。通過(guò)RS232接口與PC104相連，以接收PC104的控制命令。

4。2.1后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)主動(dòng)輪電機(jī)采用開(kāi)環(huán)控制，所以只用一片89C51單片機(jī)便可以控制。主動(dòng)輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4-5。

圖4—5后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供兩個(gè)開(kāi)關(guān)量接口，分別是允許控制端（控制電機(jī)啟停）、電機(jī)轉(zhuǎn)向控制端,提供一個(gè)模擬量接口，用于電機(jī)速度控制。對(duì)于驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)量接口，直接采用單片機(jī)端口控制，圖中IN1、IN2分別連接兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)量接口.P2。0、P2.1分別與驅(qū)動(dòng)器的SPEED的接口相接通過(guò)軟件編程產(chǎn)生PWM信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。4。2。2擺臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路因擺臂需要閉環(huán)位置控制，所以每個(gè)擺臂電機(jī)由一片89C51單片機(jī)控制。擺臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4—6所示。擺臂電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)和速度控制與主電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路相同。圖中擺臂軸角編碼器，其中三條信號(hào)線a、b和i為脈沖信號(hào)A、B、I相，A、B是兩路正交的方波，I為軸角編碼器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生一個(gè)脈沖所形成的脈沖信號(hào)。在與單片機(jī)連接時(shí)，A相連接外中斷INT0，B相連接普通IO口，I相連接外中斷INT1。因?yàn)锳相連接外中斷INT0，所以擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)引起的每一個(gè)電壓脈沖都會(huì)觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷。通過(guò)編制INT0中斷子函數(shù)(此處采用INT0的上升沿中斷),就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軸角編碼器輸出脈沖個(gè)數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算，經(jīng)換算后即得轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)過(guò)的精確角位移。軸角編碼器與機(jī)器人的擺臂同軸安裝，因此，通過(guò)對(duì)軸角編碼器所輸出的相位差90度的兩路電壓脈沖信號(hào)A和B進(jìn)行鑒相,就能夠判別擺臂正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時(shí)，A信號(hào)的相位超前B信號(hào)90度，A信號(hào)上升沿時(shí)，B信號(hào)為低電平。反轉(zhuǎn)時(shí)，A信號(hào)的相位延后B信號(hào)90度,A信號(hào)上升沿時(shí),B信號(hào)為高電平。因此，通過(guò)中INT0中斷子函數(shù)中讀取B信號(hào)的電壓高低，就可以判別軸角編碼器的轉(zhuǎn)向，亦即擺臂的轉(zhuǎn)向，正轉(zhuǎn)時(shí)脈沖計(jì)數(shù)加1，反轉(zhuǎn)時(shí)脈沖計(jì)數(shù)減1。I相連接外中斷INT1，所以擺臂轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過(guò)零點(diǎn)時(shí)，會(huì)觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷INT1。通過(guò)編制INT1中斷子函數(shù)(此處采用INT1