新型多功能挖掘机说明书
多行走新型智能救援机械
学校：兰州理工大学
学院：能源与动力工程
学生姓名：杨雪王作学王刚
指导教师：宋明何天经
设计说明时间：二О一四年八月二十四日～九月二十四日共4 周
摘要
由于我国地震灾害频繁，每当灾难发生，工程机械产品都是第一时间出现在救灾现场，因此一个救援机械的功能强大与否决定了许多人的生命与安全。但是因为灾害后的路面不平或者是不稳，再加上救援机械体积大，机身重，致使救援机械无法快速到达现场，并且由于地形与地势的原因，救援机械不能发挥它正常的水平。为此，我们就设计本产品以解决此问题。
救援机械包含动力源、控制系统、执行机构等。本模型建立救援机械完整的模型，着重设计智能机械腿和行走智能换向。具有柔性关节的机械腿能适应不同的地形，与传统的救援机械相比具有较好的攀援能力。同时在底盘设置了四个轮胎，使其能在平地时快速前进，检测到前方是不平区域时，轮胎自动收起来，改为六足行走，且换向时占更少空间，因此换向快捷、方便。进一步运用数学建模分析机械腿作用时的动能和势能，运用solidworks自带的功能对机械腿进行受力检测，应用运用拉格朗日法和雅克比矩阵分析臂架对速度的影响相关知识研究了该系统的可靠性与安全性问题。
经理论分析和实际检验，智能机械腿和行走智能换向具有可靠性，可行性，适应多种地形，协助救援人员进行救援和其他任务，具有非常大的前景。
关键词柔性智能机械腿数学建模 solidworks 拉格朗日法雅克比矩阵
目录
一、引言 (4)
二、执行机构 (5)
2.1 六足机械腿 (5)
2.2 驾驶舱 (5)
2.3 驾驶室 (6)
2.4 机械挖斗 (7)
2.5 换向盘 (7)
2.6 完整模型 (8)
三、控制机构 (9)
3.1 液压系统 (9)
3.1减速器 (11)
四、机械腿及受力分析 (11)
五、密封结构1 (16)
六、创新点 (17)
七、总结 (18)
八、参考文献 (19)
九、致谢及声明 (20)
引言
地震救灾是所面对的是一系列世界性的科学技术难题，当前，我国经济快速发展，城市发展和城镇化进程加快，人口高度集中，财富快速积累，各种突发灾害可能造成的破坏效应更加广泛、财产损失更加巨大，其对经济社会发展和公共安全构成的威胁更加严重。如“5·12四川纹川大地震”给国家和人民群众带来了巨大的损失，针对可能发生或出现的突发事件，如何更好地适应经济社会发展的需求，我们在发生突发事件时及时主动地采取有效措施，将地震灾害造成的损失降至最低程度，是我们面临的重要而紧迫的课题。
在2008年冬季南方雪灾以及“5.12”四川汶川大地震等自然灾害的抢险救援中，许多大型救援机械设备发挥了很大的作用，为抢救更多的生命和财产赢得了宝贵的时间。同时，在救援实践中我们也发现许多大型设备存在着一些救援工作的盲区，主要表现在：
1）救援现场情况复杂，特别是破坏性地震的现场，大面积的建筑物倒塌，城市道路交通严重堵塞，作业现场空间受限，大型设备接近救援点或者救援面的能力较差，而且大型设备一般动力强、噪声大，操作比较困难、精度难以控制，在救援现场容易引起建构筑物的二次坝坍塌。
2）在地震灾害、消防灭火救援中，往往需要在极小空间内作业，大型设备功能体积比较大，现场移动或转换作业面比较困难，不足以应对现场多种作业需求。
目前采用比较多的解决方案是在大型设备（如大型挖掘机、装载机和吊车等）无法靠近或者是需要更多种类现场作业时，依靠人力携带一些专业的手持液压或者汽动工具甚至简易工具在现场进行救援。这种方式作业，一方面是救援效率较低，另一方面是救援人员风险较大。所以，能否寻找到一种体积小巧，同时动力强劲，而且具备多功能行走特点的机械设备作为大型设备和人力救援之间的有效补充，就显得尤为重要了。
面对新的机遇和挑战，本着“为救援部门输送高质量的救援装备，提高地震应急救援保障能力”的原则，提出了多功能救援机械这一研究课题。选用先进可靠的装备，在设计时充分考虑到机械的行走问题和换向空间，保证该车在较长的时期内都是机动性较强、设备先进、美观、舒适的乘坐平台，用发动机和液压能作为载体，真正实现了保障的机动性；装备先进的救援设施，综合应用了目前先进的救援技术等，从而保证我救援工作人员在地震救援过程中的工作需要，将地震灾害造成的损失降至最低程度。
由于这种滑移装载机采用了静液压四轮全时驱动，其抓地力，牵引力都比同传统的机械传动要大很多，具备45度爬坡能力以及极强的越野性能，如果安装专配的胎外履带，更能增强他的越野性。轮胎也可以选择实心胎，在废墟上行走时可避免被玻璃或其它锋利物体损坏轮胎。
第二章整体机构
2.1 六足机械腿
图2-1-1 图2-1-b2
六足机械腿的结构如图2-1-1所示,六条腿对称分布在救援机械两侧，每条腿由两端组成，以此保障足够的稳定性。各段之间用关节连接，各个关节的转轴结构如图2-1-2所示。当救援机械站立在水平面时，关节1的转轴垂直与地面，关节2的转轴平行与地面。
腿上的每个关节由一个带减速器的直流电机驱动，驱动关节1的电机安装在救援机械内部，关节2的驱动电机安装在腿上，驱动电机带有两通道增量式光电编码器，可以提供位置或速度的反馈信号，并可以判断电机的旋转方向。
2.2 驾驶舱
图2.2
驾驶舱采用透明材质，使具有360°的视野，带动机械臂可360°旋转，不会由于视野受阻
而误伤被救对象或者损坏其它不能损坏的设施。其外观设计为球形，使其在行走时减少空气阻尼，且减少了不必要的空间，节省材料。
2.3 驾驶室
2.3.1 控制台
图2-3-1
设置在圆盘底座上，能360°转向
2.3.2 控制器
图2-3-2
采用摇杆式控制操作杆，方便快捷
2.3.3 操作台
2.4 机械臂
图2-4-1 图2-4-2
根据其工作装置的不同，分为正铲、反铲、拉铲、抓铲4种。液压传动单斗挖掘机利用油泵、液压缸、液压马达等元件传递动力的挖掘机。油泵输出的压力油分别推动液压缸或马达工作，使机械各相应部分运转。常见的是反铲挖掘机。反铲作业时，动臂放下,作为支承，由斗杆液压缸或铲斗液压缸将铲斗放在停机面以下并使之作弧线运动，进行挖掘和装土,然后提起动臂,利用回转马达转向卸土点，翻转铲斗卸土。整机行走采用左右液压马达驱动，马达正逆转配合，可以进、退或转弯。轮胎行走也有由发动机经变速箱、主传动轴和差速器传动的，但机构复杂。
再添设一泵单独驱动回转机构的，可以节省功率。液压传动挖掘机的主要技术参数是铲斗容量，也有以机重或发动机功率为主要参数的。此种挖掘机结构紧凑、重量轻，常拥有品种较多的可换工作装置，以适应各种作业需要，操作轻便灵活，工作平稳可靠,故发展迅速,已成为挖掘机的主要品种。
2.5 换向盘
2.5.1圆形地盘
图2-5-1
设计圆形地盘是为了安置四个轮胎且可以360°旋转，转向占地空间少2.5.2轮胎
00
图2-5-2
2.6 完整模型
图2-6
我们设计的作品具有柔性关节的机械腿能适应不同的地形，与传统的救援机械相比具有较好的攀援能力，且体型轻盈，驾驶舱具有360°的视野，带动机械臂可360°旋转。在底盘设置了四个轮胎，是为了在平地能快速前进，行走在不平区域时，轮胎收起来，改为六足行走。因此，此救援机械突破了传统机械功能单一的缺点，能更大程度实施救援工作。
第三章控制系统
3.1 液压系统
液压系统的作用是通过改变压强增大作用力。一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。一个液压系统的好坏取决于系统设计的合理性、系统元件性能的优劣，系统的污染防护和处理，而最后一点尤为重要。
3.1.1动力元件-柱塞泵
动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。由于柱塞泵有以下六个优点：
1. 参数高：额定压力高，转速高，泵的驱动功率大
2. 效率高，容积效率为95％左右，总效率为90％左右
3. 寿命长
4. 变量方便，形式多
5. 单位功率的重量轻
6. 柱塞泵主要零件均受压应力，材料强度性能可得以充分利用。因此选择柱塞泵。
柱塞泵（piston pump，plunger pump）属于容积式泵，往复泵。柱塞泵通过柱塞在柱塞缸体中作往复运动造成柱塞缸体中密封容积的变化而产生的压力差而使流体介质进行工作。改变柱塞的工作行
程就可以控制柱塞泵流量的大小。柱塞泵是液压和气动传动中重要工作部件。
图3.1.1
3.1.2执行元件
执行元件(如液压缸和液压马达)的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。
3.1.3控制元件
1）换向阀
换向阀是具有两种以上流动形式和两个以上油口的方向控制阀。是实现液压油流的沟通、切断和换向，以及压力卸载和顺序动作控制的阀门。
图3.1.3-1
2）溢流阀
溢流阀，一种液压压力控制阀。在液压设备中主要起定压溢流作用和安全保护作用。
图3.1.3-2
3.2 减速器
减速器是原动机和工作机之间的独立的闭式传动装置，用来降低转速和增大转矩，以满足工作需要，在某些场合也用来增速，称为增速器。减速器主要由传动零件(齿轮或蜗杆)、轴、轴承、箱体及其附件所组成
图3-2
第四章机械手臂及受力分析
4.1 机械腿模型
图4.1
4.2 数学建模分析
如图4.1所示为本文研究的智能机械腿，这种智能机械腿通过3个电机驱动，实现大腿和和小腿的运动，类似于人体大腿和小腿的结构特点。其驱动装置安放在固定件的位置上，减少了可动构建的质量，多个电机同时承载重力等，发挥了并联机构的优点，弥补了当前智能机械腿的不足之处，具有结构紧凑、承载能力强、运动惯性小等优点，避免了传动系统复杂、动态特性差等缺点。
二连杆机械腿在运动过程中,会因为杆件柔性而产生剪切变形、轴向变形和扭曲变形,考虑到机械腿连杆长度比截面尺寸大得多,其工作过程中产生的剪切变形和轴向变形相对于扭曲变形来说非常小,于是在动力学建模的过程中忽略二者的影响,将连杆简化为Euler-BemoulU梁进行建模分析。基于Lagrange方程的动力学建模大致步骤为:
1)首先设定参考坐标系,以臂架与X轴正方向夹角为变量,确定质心坐标表达式;
2)计算各臂架质心处的角速度和平均速度;
3)根据关节变量分别建立两节臂的动能和势能表达式,以及系统总动能和总势能的矩阵表达式;
4)由已建立的矩阵关系式,对Lagrange方程进行必要的推导和整理,得到系统的动力学方程。
1机械腿的动能计算
图4.2-1 二连杆液压机械腿简图臂架0D由于AF之间的变幅液压虹驱动,绕0点转动;臂架DE由于CH
之间的变幅液压虹驱动,绕C点转动。设平面运动杆0D,DE的质心坐标为()()
,
,
OD OD DE DE
x y x y
,
1212x ,,,,,OD OE OD OE OD OE z od O θθωω与轴的正方向的夹角为；绕轴转动角速度分别为。设臂架OD,OE 的质量为m ,m 质心处平行与z 轴的转动惯量分别为I ,I 同时定义臂架质心离点的距离为l 臂架DE 质心D 点的距离为l 有质心坐标
()()1112cos ,cos cos ,cos ,OD OD DE DE OD OD DE DE x l x l coa l y l y l coa l ααβαπααβαπθαθβαπ==++-????
==++-????
==+-??
图4.2-1
将上式对时间求导,可得出各臂架质心处角速度和平均速度的表达式如下:
112211,sin ,cos sin ()sin()sin ()cos()OD OD OD OD OE DE DE DE x l y l x l l y l l ωθαωθβα
ααααααβαβαπααβαβαπ====+=-==--++-=+++-
在计算液压机械腿臂架的动能的过程中,只需考虑各臂架质心处转动动能和平动动能,即可得到液压机械腿臂端部的动能为
11
22K KOD KDE
T T
Ki i i i i i i T T T T m I ννωω=+=+
()()2
22
22222
112
111=22
11=2cos 22cos KOD KOD OD OD OD KDE KOD DE DE DE DE DE DE DE DE DE DE DE T OD T m l I T T m l l l l I m I I m l l l I ααβαββαβ
+????+-+++?
?????+-+??为臂架的动能，其表达式为：为臂架DE 的动能，其表达式为：
在上述机械腿动能的计算中,其动能表达式可以表示为与广义坐标相关的矩阵形式,也可以釆用有限元法建立多连杆柔性机械腿的动力学模型,彼此之间的联系通过关节处的变形协调条件来建立,但需要假设构建质量分布均匀,从挖掘机,拆除机器人这些实际臂架结构来看,该方法可能导致计算结果与实际值有较大出入,故不可取。从二连杆液压机械腿动能的分析过程中,不难发现表达式中忽略了液压虹的动能,这主要是因为:如果考虑液压紅虹体和活塞杆的动能,会导致机械腿系统动能表达式极其繁琐,无法直观清晰地表达机械腿臂架系统的动能力学模型;另一方面,变幅液压虹的质量相对臂架的质量和张量可以忽略其空间影响,不单独计算其动能,而是转化为臂架0D,DE 的一部分进行折算。
2机械臂的势能计算
臂架系统势能主要为系统所具有的重力势能,假设机械腿回转机座保持不动,即AO 所在的平面为零势能面,同样与动能的分析计算一样,将液压虹的重力势能视为臂架的一部分重量折算分析,则液压机械腿臂的重力势能为:
()1sin sin sin OD OD DE DE T m gl m g l l αααβπ=+++-????
由以上二连杆液压机械腿动能和势能的推导结果,有整个臂架系统的机械能L 为：
K P L K T =-
3机械腿速度的分析计算 3.1臂架长度对速度的影响
当机械臂末端执行器运动到平面某一位置时,端点E 的运动速度直接体现了对臂架灵活性和机械臂的整体性能的影响,因此如何在臂架作业尺寸一定的情况下实现各臂架长度的优化分配是非常重要的。设E 点坐标为,由图4.2-1有坐标表达式:
()()()()1212121212
cos cos sin sin ,cos ,cos sin ,sin d d d d d d x l l y l l l l x x
l l y y
l l ααβπααβπααβπααβπ=++-??????=++-??????==+-????==+-??对分别求偏导可得：
由上式可见,液压机械腿的垂直极限作业范围对第一节臂架长度最敏感,进而对机械腿末端执行器的垂直作业运动速度影响最大;而液压机械腿的水平极限作业范围对第二节臂架长度最敏感,进而对机械腿末端执行器的水平作业运动速度影响最大。这样可根据实际作业范围情况按一定比例设计液压机械腿的臂架尺寸,为适应工况臂架结构的合理设计提供了依据。
3.2机械臂的速度矩阵
上式描述E 点坐标与机械腿臂架夹角之间的关系,为了表达简明,该表达式并没有用齐次坐标变化等方法来转化。可对上式两侧求偏导,计算出反映E 点速度与角速度之间的关系,则由偏导函数所构成的速度方程,用雅克比矩阵形式来描述为:
d
d d d d d x x x y y y ααββα
β????
??????????????=????
???????????
?????
其中
()()()()
122122sin sin sin cos cos cos d
d d d x l l x l y l l y l ααβπααβπβααβπααβπβ
?=--+-??=-+-??=--+-??=+-?
该矩阵描述了液压机械腿末端执行器与机械腿变幅值之间对应的函数关系,为根据实际工况要求设计二连杆液压机械腿的臂架结构尺寸提供必要参考依据。同理,按照上述计算步骤,可将对应分析推广至多连杆液压机械腿系统。
4小结
本章介绍了两连杆液压机械腿的动力学方程建模过程。由于拉格朗日方法相比其它建模方法有求解简单、便于理解的优点,故采用该建模方法,分别通过推导两节臂的动能和势能来构建雅克比矩阵,在平面坐标内对机械腿末端执行器速度的影响参数进行了数学推导和分析,为液压臂架系统的分析与结构设计提供了理论依据。
第五章密封结构
为提高高压液压系统中柱塞泵及控制阀密封的工作可靠性，对高压密封的设计结构进行了系统的研究。根据高压密封可靠工作的条件，提出了新结构密封应采用自紧式设计结构的指导思想，并设计了多种新的密封结构。通过对比试验筛选，研制了新的密封设计结构。试验证明：新结构密封工作可靠，性能良好。
第六章创新点
1、轮胎和六足可以相互交换以适应不同的地面，从而拓宽了救援机械行走范围；
2、驾驶舱采用球星形状，具有360°的视野，可以多角度发现受灾的人们；
3、四个轮胎相互配合，可实现360°转弯，从而减少了因转变方向而浪费大量的时间以及所需的场
地。
第七章总结
本次说明书先从救援机械的结构上一一介绍了各个部分的作用，并用图片形象的描绘出形状，其中在驾驶舱里有我们的一些创新点，比如舱体几何形状采用了更加流畅的曲面以减少空气阻力，舱内设置控制台和操作台，更加充分利用了救援机械的空间以及给驾驶员创造更加舒适的工作空间，接着动力系统上我们也查询了资料，发现液压系统不仅耗能少且无污染，最主要的是在速度上得到了显著的提升。
我们的重点是在多关节智能机械腿和智能换向盘这一方面，由于救援机械机械腿以及它的的控制系统能够查到的资料很少，我们就借鉴了机器人和机械工程手以及六足模型的造型及运动原理，来设计我们本次作品的多关节机械腿和换向盘，采用了数学模型进行理论计算，运用solidworks自带序进行了受力分析，然后运用了拉格朗日和雅克比矩阵相关知识对机械腿的可靠行进行检验，从理论和实际上检验了我们设计的多关节智能机械腿的可靠性和使用性，设计的机械腿在其他设备的配合下，能更有效的实施救援以及完成其他任务。我们进一步设想在多关节机械腿上安装一张芯片，不仅能够识别写成的文件，而且能识别特殊编码。这些特殊编码可以驱使机械腿控制行进的速度和方向，在任务期间适应不同地形及环境、进行自我修复，确定如何能更好地执行任务。
接着在密封方向我们进行了浅薄的探讨，选用了自紧式密封新机构。
总之,伴随对救援机械的高度机械化,自动化的要求越来越热切,人工智能技术将是解决这些问题的关键,因此迅速研究人工智能并使其广泛应用于救援机械已是刻不容缓。
第八章参考文献
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第九章致谢及声明
致谢
本论文的研究工作是在宋明老师和何天经来时的悉心指导下完成的，在我们的论文写作期间，两位老师始终给予了我悉心的指导和帮助，两位老师严谨的治学作风、渊博的知识和平易近人的待人态度对我们的学习技能的提高、视野的拓宽都有很大的启示和帮助，他们的教诲将使我们终身受益。在此对他们表示衷心的感谢。
声明
我声明，本论文及其工作是由本组在指导老师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。