施是此次研究的主要内容。核机器人的机械结构设计是此次设计的基础，合理的机械结构设计可以满足设计要求，提高机器人的性能。通过对机器人进行三维建模可以直观的了解机器人的结构设计，进而进行优化设计。越障能力分析是分析和检验机器人是否满足具有较强的越障能力，是否具有较强的通过性以适应在较差的地形环境下工作而不会抛锚。另外，由于所设计的机器人需在核辐射环境下工作，如何使机器人在核辐射照射下具有足够的工作寿命，这是此次研究的关键部分。如果机器人不具有足够的核防护能力，那么当机器人进入核辐射区域之后，核辐射会影响机器人内部的电子元件以及控制系统等，从而使机器人失去工作能力。因此，研究选用合适的核防护措施是保证机器人能够正常工作的关键。研究意义通过研究种具有较强通过性以及越障能力的可防核辐射危害的机器人，并使其具有可操纵的执行机构，以实现在远距离操控的前提下控制机器人进入核辐射区域进行放射线数据检测维护设备事故处理以及人员救助或者处理辐射物质等工作，从而使作业人员远离核辐射区域以避免受到辐射危害，减少人员伤亡和经济损失。二核环境机器人功能要求和技术要求核环境机器人应用场景应用于核电厂的设备安装更换维护巡检故障抢修废堆处理等工作以及其它产生核辐射危害的灾害现场救援抢险等工作。核环境机器人功能确定由核环境下机器人的应用场景可知核环境机器人需要具备以下功能进行核电厂热室中设备操作核设施燃料后处理设备操作拆除和更换各种核设备的零部件高放射性样品处理和运输及核电站中部件检查和修理核设施的事故和退役处理，包括放射性去污器材拆除减容包装和搬运等提供在线实时检查监督和在线维修，降低工作人员事故放射线照射水平，减少工厂停工时间，节省昂贵的替代电力核环境机器人还需具有操作机构更换功能，能适应除核电厂以外其它核环境下的作业需求，如安装地震生命迹象检测仪器以实现在地震引起核辐射情况下进行搜救被困人员的功能由以上核工业机器人所需实现的功能可知，核工业机器人须具备相应的功能模块。如实现实时检测监督预防事故发生功能时，即观察型机器人，需要机器人具备套能够使机器人全面探测环境的传感器系统，包括温度压力放射线传感器等实现在线维修拆除和更换零部件功能时，即作业型机器人，应当具备操作准确可靠结构简单可远程操控的机械臂，另外根据需要添加焊接切除钻孔等附属功能模块。此外，核环境机器人还需具有控制模块通讯模块等。技术要求结构指标自重载荷结构尺寸机动指标正常速度最大速度最大爬坡角度楼梯通过能力能通过普通标准楼梯转向能力零半径防护能力防尘防核辐射，抗冲击续航能力小时以上三核环境机器人总体结构设计核环境机器人具有机电体化的特点，它在结构紧凑性灵巧性以及特殊性方面比般机械设计有更高的要求。结构设计是本次机器人系统设计的基础，整机机械结构驱动方式和传动机构等都会直接影响机器人的运动和动力性能。然而，核环境机器人机构设计除了需要满足系统的技术性能外，还需要满足经济性要求，即必须在满足机器人的预期技术指标的同时，考虑用材合理制造安装便捷价格低以及可靠性高等问题。机器人的机械设计可以从下四个方面考虑机器人的应用和可行性研究现有同类机器人的产品性能和特点，进行可行性调查，论证技术上是否先进，是否可行核算经济上的成本明确机器人应用的领域，实现什么样的功能。明确机器人的设计要求确定工艺过程动作要求和有关参数，并对机器人的工作环境进行分析。明确功能性能指标和技术参数了解国内外同类机器人的水平和研制的技术难点，结合现有的工作条件和功能要求，明确提出设计的机器人具有的功能性能指标和技术参数。这步至关重要，因为所有的设计都是围绕着这个中心来设计的。方案比较初步提出若干总体设计方案，通过对工艺生产技术和价值分析选择最佳方案。结构简述合理的机器人本体结构应当使其机械系统的工作负载与自重的比值尽可能大，结构的静动态刚度尽可能高，并尽量提高系统的固有频率和改善系统的动态性能。所设计的机器人主要由行走机构操作机构传动机构和箱体所组成。核环境机器人需要实现远程操控技术，代替工作人员进入到核辐射区域进行事故处理与救援，因此机器人需要具备操作机构。核机器人的操作机构般主要包括基座机械臂末端执行模块，可实现多自由度运动。以往所开发的应用于核电厂的机器人大都只是固定的可操作机械手或搬运车，灵活性差，因此此次研究的核机器人采用种灵活的行走机构，并具有很好的越障性能。通过传动机构，可以把动力传递到行走机构和操作机构等等。由于需要对核辐射进行屏蔽，因此将控制模块与传动机构放置在箱体内。行走机构设计从世纪年代到年代，迅速普及并实用化的工业机器人给人的印象只是自动机械手。广泛开展机器人移动功能的研究和开发是进入世纪年代以后的事。现在作为移动机器人而开发试制的移动机械种类已远远超过了机械手。如今开发的核环境下的机器人多为行走机器人，行走机构是行走机器人的重要执行部件，它个作用是作为机器人机身手臂的支撑，另个作用就是根据控制器的指令带动机器人在工作区域移动。它主要由驱动装置传动系统位置检测元件传感器电缆及管路等组成。可以说行走机构的好坏直接决定了机器人的性能。机器人的行走方式主要有轮式履带式脚足式等，此次设计的核环境下机器人的行走方式从这三种中选择。方案采用轮式移动机构。轮式行走机构的位置不能改变，这样才能起到支撑越障作用，因此摆臂摆动的传动系统必须具有自锁功能，同时机器人系统还需要能检测到摆臂的位置，以便控制各种姿态。由于对减速箱有自锁要求，因此在这里选用蜗轮蜗杆减速器。蜗轮蜗杆减速机是种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机马达的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能，同时可以有较大的减速比，因此用在驱动摆臂上就可以省去了抱闸机构。主履带运动的传动顺序为编码器驱动电机减速箱对锥齿轮啮合主履带后轮带动履带传动。摆臂履带摆动的传动顺序为编码器驱动电机蜗轮蜗杆减速器摆臂轴。四机构的选择与计算由前几章的分析和有关数据，本章对其中几个主要结构进行选择和详细计算。材料的选择选择机器人本体材料应从机器人的性能要求出发，满足机器人的设计和制作要求。机器人本体用来支承连接固定机器人的各部分，当然也包括机器人的运动部分，这点与般机械结构特性相同。机器人本体所用的材料也是结构材料，但另方面，机器人本体又不单是固定构件，比如机器人转臂是运动的，机器人整体也是运动的。所以，机器人运动部分材料质量应轻。精密机器人对于机器人的刚度有定的要求，即对材料的刚度要求。刚度设计时要考虑静刚度和动刚度，既要考虑振动问题。从材料角度来看，控制振动涉及减轻重量和抑制振动两方面，其本质就是材料内部的能量损耗和刚度问题，它与材料的抗振性紧紧相关。另外人们对于现代机器人的外观更加要求美感，所以机器人材料又应具备柔软和外表美观的特点。总之，正确选用结构件材料不仅可以降低机器人的成本价格，更重要的是可以适应机器人的高速化高载荷化及高精度化，满足其静力学及动力学特性要求。随着材料工业的发展，新材料的出现给机器人的发展提供了宽广的空间。与般机械设备相比，机器人结构的运动学特性十分重要，这是材料选择的出发点。材料选择的基本要求是强度高机器人转臂是直接受力的构件，高强度材料不仅能满足机器人转臂的强度条件，而且可望减少转臂界面尺寸，减轻重量弹性模量大由材料力学的知识可知，构件刚度或变形量与材料的弹性模量有关。弹性模量越大，变形量越小，刚度越大。不同材料的弹性模量差别很大。重量轻机器人转动变形中所需要的驱动力矩直接和转臂重量相关，所以它影响着电机的选择。因此我们应该选择高弹性模量低密度的材料。阻尼大选择机器人的材料不仅要求刚度大，重量轻，而且希望材料的阻尼尽可能大。机器人转臂经过运动后，要求能平稳的停下来。可是在终止运动瞬间构件会产生惯性力和惯性力矩，构建自身又具有弹性，因而会产生残余振动。从提高定位精度和传动平衡性考虑，希望采用大阻尼材料或采取增加构件阻尼的措施来吸收能量。材料经济性材料价格是机器人成本价格的重要组成部分。此次设计的核环境下机器人所选用的是铝合金材料。铝是非磁性金属，可防止复杂环境中的很多电磁干扰，尤其适用于核辐射区域。铝合金材料重量轻，价格适中，虽然弹性模量不太大，但是材料密度小，铝的密度约为。故之比可与钢材相比。总的来说铝合金材料有下优点铝比重小，重量轻，可以用来代替钢铁。它不仅能使设备重量减轻很多，而且强度高，不怕腐蚀，因而用途广泛。铝的强度不算低，当加入少量铜锰硅镁等元素形成合金后，其强度又显著提高，经过定的处理，甚至超过了些钢的强度，但重量却比钢轻很多。铝的导电性能也很好，虽比铜要差却好于铁，但它的质量只有铜的倍，并且铝导线散热快，能通过较大电流而不会被烧坏。再加上价格便宜。铝的导热性能好，几乎是铁的倍，散热性能好。铝容易加工成型，可压成薄板或拉成细丝。铝容易与氧发生反应而在表面生成层坚韧的氧化膜。这层膜性质稳定，有较强的抗腐蚀能力，因而防腐能力强。履带的选择针对此次关于核机器人机动性可控性和稳定性的要求，设计了类似于同步带的行走履带，履带内齿面为同步带标准齿形，外齿面着地面采用矩形截面齿形，以提高其攀越障碍的能力。工作时，带齿与带轮的齿槽相啮合，是种啮合运动，因而具有带传动的优点，如耐屈挠性能伸长率小强力高等。主履带图采用环型无接头履带，内部有加强钢丝，无接头，整体抗拉强度高。同时节距稳定性强，误差少。工作过程中节距不发生变形或位移，确保了运行过程中全时与驱动轮正确啮合，机械传动功率损失少，延长了机器与橡胶履带的寿命。而且伸长率极低。环型无接头橡胶履带的伸长率仅仅是钢丝帘线的伸长量，数值非常小。此伸长量的存在对履带的正常使用不构成任何影响，只要钢丝不断，橡胶履带在首次使用的跑合期张紧后，今后无需再张紧。因此此次设计中未加入张紧装置。摆臂摆动电机和减速机的选择与计算摆臂电机的作用是带动摆臂转动，因此电机必须有足够的功率和额定转矩。根据摆臂的工作状态，易知当摆臂处于水平工作状态时，电机带动摆臂转动所需的转矩和功率最大，因此以摆臂水平工作状态来选择电机。图为摆臂水平工作状态时的受力分析图。根据理论力学合力矩定理得摆臂