摘 要

本文针对无人驾驶挖掘机的转向执行机构首先设计了一款电机丝杠机构作为直线运动的执行机构，并根据该直线运动机构的行程设计了连接到挖掘机操纵手臂上的曲柄滑块机构；接着针对电机丝杠机构的步进电机，根据机构的整体设计进行了步进电机的选型；最后利用Creo建模软件将电机丝杠机构、曲柄滑块机构的三维模型建立出来，并装配到一款挖掘机的驾驶室当中。

论文主要设计了一款无人驾驶挖掘机转向执行机构。利用Creo软件进行装配，结果表明，该机构可以完美的安装到挖掘机驾驶室内，而且无需改变挖掘机驾驶室的设施结构。这对于保障恶在劣工作环境中操作挖掘机的工作人员的人身安全具有重要意义。

关键词：履带式挖掘机、无人驾驶、直线执行机构、电机丝杠机构

Abstract

In this paper, the steering actuator of unmanned driving excavator is designed firstly as an actuator mechanism for linear motion, and according to the stroke of the linear motion mechanism, the crank slider mechanism connected to the excavator operating arm is designed. Then, according to the stepper motor of the motor screw mechanism, the selection of the stepping motor was carried out according to the overall design of the mechanism; finally, the three-dimensional model of the motor screw mechanism and the crank-slider mechanism was established and assembled using Creo modeling software. In the cab of an excavator.

The paper mainly designed an unmanned excavator steering actuator. Using Creo software for assembly, the results show that the mechanism can be perfectly installed in the excavator cab without changing the facility structure of the excavator cab. This is of great significance for ensuring the safety of workers who work in excavators in bad working conditions.

Key words: tracked excavator, driverless, linear actuator, motor screw mechanism

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.1.1 研 究背景和意义 1

1.1.2 国内外关于该论题的研究现状和发展趋势 1

1.2 设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施 2

1.2.1 基本内容与目标 2

1.2.2 拟采用的技术方案及措施 2

第2章 基本介绍 3

2.1 无人驾驶技术 3

2.2 步进电机 3

2.3 无人驾驶挖掘机 3

2.4执行机构 4

2.5 Creo软件 4

2.6 本章小结 4

第3章 整体设计 5

3.1 初始形式设计 5

3.2 曲柄滑块机构 5

3.2.1 平面四杆机构 5

3.2.2 曲柄滑块机构 6

3.2.3曲柄滑块机构的设计 7

3.3 步进电机的选型 11

3.3.1 步进电机选型原则 11

3.3.2 步进电机的计算与选型 12

3.4 本章小结 16

第4章 执行机构的建模 17

4.1 执行机构的建模 17

4.2 本章小结 21

第5 章 执行机构在挖掘机上的固定 22

5.1 固定支架的设计与安装 22

5.2 本章小结 25

第6 章 步进电机的控制 26

6.1 控制原理及无人驾驶的实现 26

6.2 本章小结 28

第7章 结论与展望 29

7.1 结论 29

7.2 展望 29

参考文献 30

致谢 31

第1章 绪 论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景和意义

在近几年工程机械的发展中，挖掘机的发展已经越来越快，挖掘机已经成为工程建设中最主要的工程机械之一，挖掘机的应用技术也在不断发展。我国企业生产的挖掘机装配了国际知名品牌的液压元件、配套件等，主机性能也与国外产品差距很小，但是可靠性和技术细节上仍有待进一步提高^[1]。挖掘机不仅广泛应用于各种工程建设，而且在某些特定的场合和环境更起着不可替代的作用，如：抗震救灾、有毒环境、危险隧道等。在这些极端工矿下，就要求挖掘机能够实现“科学抢险和安全抢险”的目的，因此急需开发出具有无人驾驶功能的智能型遥控挖掘机以满足极端和危险工况的需求，所以无人驾驶挖掘机便成为了挖掘机的一大发展趋势^[2][3]。无人驾驶是指给车辆装备智能软件和多种感应设备以实现车辆自主安全的行驶，汽车智能化技术正在逐步得到广泛的应用，这一趋势也使得无人驾驶汽车比新能源汽车更早的走入大众生活^[4][5]，而随之提出和发展的无人驾驶挖掘机，也必会为工程应用的安全和质量提供更好的保障。

1.1.2 国内外关于该论题的研究现状和发展趋势

国内研究者在这一方面有很大的进展和研究成果。如长江武汉航道局刘勇等研究了无人驾驶挖掘机解决抛石安全问题，通过自动换挡对挖掘机档位和油门拉杆进行控制，实现挖掘机的前进后退^[6];2015年BICES北京国际工程机械展览会上，展出了两台无人挖掘机，通过手机app及模拟座舱实现对挖掘机的远程操控^[7]；兰州理工大学的蒋保珠课题组开展了挖掘机行走系统遥控控制的研究^[8]；太原理工大学的吴正明团队对履带式液压挖掘机行走系统进行了动力学仿真，对各种工况下的履带行走装置进行了仿真分析，为无人驾驶控制策略提供了设计参考^[9]；太原理工大学袁燕萍团队开展了挖掘机无人操作调试系统研究，设计了挖掘机无人操作系统^[10]；与本课题密切相关的还有，大连理工大学田洪杰课题组开展了履带式车辆转向分析与研究，借助动力学分析软件建立了履带式车辆的三维动力学模型^[11]；关于挖掘机的智能化及无人驾驶，国外也有很多研究成果，比如挖掘机的建模与远程控制等^[12]-[14]。对于国内，还有南京理工大学施昕昕团队研究的基于电磁直线执行器的运动控制技术，挖掘机的转向操纵就是通过直线运动执行机构操作操纵杆，所以直线执行机构也是关键的一部分。电磁直驱技术也是未来汽车驾驶机器人驱动的发展趋势^[15]。

1.2 设计的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

1.2.1 基本内容与目标

(1)学习了解挖掘机的转向系统结构及工作原理

(2)学习Creo三维建模、装配与二维出图方法，对转向机构进行建模设计和运动学仿真

(3)学习了解电机的工作原理、使用方法

(4)初步设计用于无人驾驶挖掘机的转向执行机构

1.2.2 拟采用的技术方案及措施

由于履带式挖掘机的履带是靠两个转向操纵杆操纵的，两操纵杆的推程不同，使两边履带形成速度差，从而实现转向。所以本次毕业设计的转向执行机构即操纵杆控制机构，为电机驱动的直线执行机构，分为驱动控制和传动系统；在设计出该执行机构的同时，还需要考虑该机构在挖掘机上的固定。所以该方案的执行措施如下：

(1)通过查阅相关的专业书籍，了解挖掘机的转向系统和工作原理

(2)熟悉Creo的操作界面，学习三维建模软件Creo建模以及装配操作，并通过书籍与视频熟悉操作

(3)拟采用伺服电机作为动力源，通过分析操纵杆推力与速度需求，确定电机型号。

(4)拟采用直线滑台实现将电机转动变为滑块直线运动以推动操纵杆。并设计连接机构将直线运动转化为操纵杆的运动。

(5)学习伺服电机操纵方法，初步实现操纵杆的受控移动。

第2章 基本介绍

2.1 无人驾驶技术

无人驾驶汽车是一种智能汽车，也叫做轮式移动机器人。传统的“人-车-路”闭环控制方法已经发生了根本性的变化，不可控驾驶员已经从闭环系统中移除，显着提高了交通系统的效率和安全性。无人驾驶汽车主要依靠基于计算机系统的智能驾驶员来实现无人驾驶。它也是衡量自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算等多种技术相结合的科研实力和产业化水平的重要标志，是计算机科学、模式识别和智能控制技术的先进开发产品。

20世纪70年代开始，陆陆续续有发达国家开始研究无人驾驶技术，也取得了巨大的进展。中国于20世纪80年代开始进行该方面的研究。1992年，国防科技大学成功开发出中国第一辆真正的自驾车。