个轮腿式移动越障机器人驱动装置的研究_毕业设计说明书

个轮腿式移动越障机器人驱动装置的研究_毕业设计说明 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf 本科毕业设计说明书( 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 ) 第 1 页 共 42 页 个轮腿式移动越障机器人驱动装置的研究 目 次 1 引言„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.1 移动机器人的发展概况 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 1.2 轮腿式移动机器人的发展趋势 „„„„„„„„„„„„„„„„3 1.3 轮腿式移动 机器人关键技术的研究 „„„„„„„„„„„„„„6 1.4 本次设计目的及意义„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 2 轮腿式移动机器人驱动 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计 „„„„„„„„„„„„„„„„7 2.1 课题要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.2 轮腿式机器人结构方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2.2.1 轮腿配置方案的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 2.2.2 轮腿式机器人的结构方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 2.2.3 六轮腿的分布方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„8 2.2.4 越障机构的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 2.2.5 车轮方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 2.2.6 总体方案„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 3 轮腿式移动机器人驱动装置结构设计„„„„„„„„„„„„„„„14 3.1 车轮设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.1.1 车轮直径设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.1.2 轮宽的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.2 腿臂的设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14 3.3 车底盘设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15 3.4 机构受力分析与计算 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 3.4.1 机构重力估计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 3.4.2 受力分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 3.4.3 前排轮翻越台阶时车身受力分析„„„„„„„„„„„„„„„17 3.4.4 车轮驱动功率„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3.4.5 关节功率计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3.4.6 轮子驱动转矩计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3.4.7 在斜坡上所需的制动力„„„„„„„„„„„„„„„„„„„20 3.5 驱动装置的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 3.5.1 驱动方式概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21 3.5.2 车轮电机和制动器选择设计„„„„„„„„„„„„„„„„„22 3.5.3 腿臂驱动电机和减速器，离合器的选择„„„„„„„„„„„„23 本科毕业设计说明书(论文) 第 2 页 共 42 页 3.6 总体结构图 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 4 零件设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 4.1 零件设计的主要方面 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 4.2 零件具体设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 4.2.1 车体的设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„25 4.2.2 长臂的设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 4.2.3 短臂的设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 4.2.4 摇杆的设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„26 4.2.5 车轮的设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„27 4.2.6 腿臂驱动设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„34 4.2.7 整体结构 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„35 5 性能分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„36 5.1 动态打滑的稳定性分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„36 5.2 爬坡步态分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„37 5.2.1 坡面行使 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„38 5.2.2 越障步态 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„39 结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„40 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„41 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„42 本科毕业设计说明书(论文) 第 3 页 共 42 页 1 引言 1(1 移动机器人的发展概况 随着科技的进步，人类的视野越来越开阔，对未知世界进行探索的愿望越来越强烈。迄今为止，人们已经开始了对月亮、火星等宇宙星体的探索，也开始对地下埋藏的，乃至海底沉寂的历史古迹、文化遗产、地理地貌的研究。另外，现代战争的复杂程度越来越高，反恐斗争的难度也越来越大，需要人们能够及时准确地完成各种侦察或作战任务。不过，面对各种复杂的环境，如宇宙星体日夜温度变化剧烈、地形 [1,2] 高低起伏明显、战场情况的突发性和多变性等，由于生理原因，人们常常束手无策。 可遥控控制、能够适应地形变化的移动机器人，为人类突破这些局限创造了条件。这种机器人可以适应不同环境，不受温度、湿度、空间、磁场辐射、重力等条件的影响，完成人类无法进行的探测任务。 移动机器人是一种能够与外界环境交互的智能系统，在有障碍物的环境中能够面向目标自主运动，从而完成一定作业功能的机器人系统。用于军事侦察、反恐防暴等危险作业的小型地面移动机器人以其体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点成为移动机器人研究领域的又一热点。由于其工作环境复杂多变,很多时候要求机器人不是避开障碍或复杂地形,而是要越过并适应它。所以,研究开发具有越障功能的小型地面移动机器人以适应各种结构化、非结构化环境是非常必要的。与传统的以研究机器人智能、决策等为目的而开发的轮式移动机器人相比,在机动性、越障能力、 [3,4,5]集成设计等方面出了许多新的或挑战性的理论与工程技术问题。 1 .2 轮腿式移动机器人的发展趋势 轮腿式移动机器人的发展较为发达，各国都在大力研究。其中有像翻滚型轮腿式移动机器人(如图1)，管道型轮腿式移动机器人如图2)，轮腿式变结构移动机 [6]器人(如图3)等多种新型的移动式机器人(。并且向着智能化，微型化发展，越来越来多的微型智能化移动式机器人出现在社会的各个行业中，并且充当着重要的角色。 本科毕业设计说明书(论文) 第 4 页 共 42 页 图1翻滚型轮腿式移动机器人 图2管道型轮腿式移动机器人 图3 轮腿式变结构移动机器人 据国外媒体报道，近日美国研究人员推出一款取名为“Three”的新式netbook [9]电脑机器人(如图4)。据介绍，该机器人的底盘结构为两个滑动轮胎，而轮胎的中间连接部分则负责承载netbook电脑。整个设计结构简单而且十分易于实际操作，即使没有相关的原理知识，也能够在说明书的介绍下方便控制以及拆卸安装。 图4“Three”新式netbook电脑机器人 设计人员还 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示，该机器人内部装有大功率发动机，以及最先进的机器设备。仅仅在安装上相应的软件与装载上主人识别系统，整个机器人将完全在顾客的掌控之下，让顾客享受到全方位服务。此外，如果顾客觉得仍然不过瘾，顾客可以安装红外线传感器 本科毕业设计说明书(论文) 第 5 页 共 42 页 以及外置摄像仪器等装置。 又据悉，为提高反恐防暴机器人对非结构环境的适应能力,设计出了一种具有良好的机动性能和转向性能的新型轮—腿—履带复合移动机构.通过机器人机构分析与本体的稳定性分析,论证了其结构设计的可行性及好的稳定性.从而设计出了这种 [10]轮—腿—履带复合移动机器人(如图5)。 图5轮—腿—履带复合移动机器人 研制机器人的最初目的是为了帮助人们摆脱繁重劳动或简单的重复劳动，以及替代人到有辐射等危险环境中进行作业，因此机器人最早在汽车制造业和核工业领域得以应用。随着机器人技术的不断发展，工业领域的焊接、喷漆、搬运、装配、铸造等场合，己经开始大量使用机器人。另外在军事、海洋探测、航天、医疗、农业林业甚到服务娱乐行业，也都开始使用机器人。而作为一种新型探测用具，轮腿式移式机器人由于其机动性及智能化，可以从事很多人类难以亲身参与的工作。如复杂危险地形的探测、外星球的探测及一些军事领域的侦查等。机器人的爬坡和越障能力作为机器人野外适应能力的两大主要指标是地面移动机器人研究的重点 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 。又由于轮腿式移动机器人大多数时候都工作在崎岖不平的地形中(倾覆稳定性对这种机器人而言是非常重要的(运动过程中发生的倾覆可能导致机器人驱动系统失灵、运动失控、无法复位、元件损坏乃至系统报废等一系列问题是今后轮腿式移动机器人研究的重点内容。真正的智能化和完全的自主移动的关键技术。导航研究的目标就是没有人的干预下使机器人有目的地移动并完成特定任务，进行特定操作。机器人通过装配的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步的动[11,12]作。 本科毕业设计说明书(论文) 第 6 页 共 42 页 1.3 轮腿式移动 机器人关键技术的研究 正如人类活动范围和探索的空间是人类进步的标志一样,机器人的智能同样体现在运动空间的大小上。为了获得更大的独立性,人们也对机器人的灵活性及智能提出更高的要求,要求机器人能够在一定范围内安全运动,完成特定的任务,增强机器人对环境的适应能力。因此,近年来,移动机器人特别是自主式移动机器人成为机器人 [7]研究领域的中心之一。 (1) 轮腿式移动机器人的机构形式 根据实际运用环境的需求 综合轮式和腿式运动机构的优点，设计了一种多驱动模式的轮腿式移动机器人(整个机器人由六个结构左右对称的运动单元和车体构成(每个运动单元具有一个转向臂、一个摆臂和两个电动轮(驱动轮和爬行轮。对于运动在不平坦地形中的移动机器人而言,其倾覆稳定性非常关键.对称结构的轮腿式机器人，它有六个独立的轮腿运动单元,能够变化多种构形.采用动态能量稳定锥方法和倾覆稳定性指数对机器人的稳定性进行综合评价,建立了一个模糊神经网络白适应控制系统.根据稳定性指数值,该系统可以实时改变机器人的构形和速度,保证其倾覆稳定性.正弦路面上的仿真结果表明,该系统所产生的动作实时性好、可靠性高,能够 [14,15]降低机器人白主越障过程中的危险。 (2) 轮腿式移动机器人的组成: A 轮腿式移动机器人的 驱动装置,B轮腿式移动机器人的导向装置,C 轮腿式移动机器人的换向装置 D,轮腿式移动机器人的制动装置. 1.4 本次设计目的及意义 轮腿式移动机器人的驱动装置是一种复合移动系统，结合轮式和腿两种移动方式的特点，世界各国均投入了大量研究。课题对机器人腿式和轮式移动原理进行了解和掌握，在此基础上对两种移动方式进行综合，设计出一种适合野外非结构环境下的移动机器人驱动装置，在机构上有所创新，机器人能够在复杂路面上行走、具有较强的越障能力。在机械CAD环境下设计驱动装置的总体方案和结构，各种机电元件进行选型设计，并对机器人越障行为进行分析与研究。 本科毕业设计说明书(论文) 第 7 页 共 42 页 2 轮腿式移动机器人驱动方案设计 2.1 课题要求 课题要求对机器人腿式和轮式移动原理进行了解和掌握，在此基础大对两种移动方式进行综合，设计出一种适合野外非结构环境短的移动机器人驱动装置，机器人能够在复杂路面大行走、具有较强的越障能力。在机械CAD环境短设计驱动装置的总体方案和结构，各种机电元件进行选型设计，并对机器人越障行为进行分析与研究 设计技术要求: 1(每个轮子独立驱动，采用环境适应能力好的六腿式结构。 2(重量短于45Kg ，外形尺寸长度不超过800mm，宽度不超过600mm 。 3(机器人最大移动速度10Km/h，具备越障和爬坡能力。 4(要求能够翻越250mm高的障碍,能够爬15?的斜坡。 2.2 轮腿式机器人结构方案设计 2.2.1 轮腿配置方案的选择 轮腿式移动越障机器人依靠轮与腿的共同作用来行使与越障,因为其翻越障碍时需要很好的平稳性,所以考虑用对称的结构对轮腿式机器人的平衡性有很大的帮助,在所考虑的4轮腿式和铝六轮腿式机器人中,显然,六轮腿式较四轮腿式有着更好的平衡性与抗震性,故选用六轮腿式结构. 2.2.2 轮腿式机器人的结构方案 因为在行使的过程中,轮腿机器人是需要越障行使,其越障机构的形式就是我们研究的重点,如何分配这六个轮子,每个轮子是什么样的驱动,怎样 控制其越障,各个轮子在越障时实现怎样的动作也是我们应该考虑的. 在设计时考虑了两种形式机构 1) 摇臂-转向架式六轮腿式行使机构 其结构简图如图2-1所示,其结构有两个独特之处: (1) 各轮有独立控制转 机构;(2) 通过差速齿轮轴连接两侧行使机构,并将机器人机体与差速轴箱体固定. 本科毕业设计说明书(论文) 第 8 页 共 42 页 图2-1 摇臂转向架式六轮腿移动机器人的结构简图 2) 独立驱动六轮腿式移动机器人驱动机构 该机构简图如图2-2所示，本机构的六个车轮为独立驱动，每个车轮都有各 自的直流电机驱动，另外，每一条腿都有一个独立的直流伺服电机驱动，且配有增量编码器。每一条轮腿构成一个独立的伺服驱动系统 图2-2 独立驱动六轮腿移动机器人 综合考虑各方面的条件，摇臂-转向架式六轮腿式行使机构虽然设计比较好，能 本科毕业设计说明书(论文) 第 9 页 共 42 页 够大大减少整体的质量，但是设计比较复杂，不能很好的进行理解，而相比较下独立对称式六轮腿移动结构都是对称机构，设计较为简单，也比较容易入手。 其运动如下,当机器人在平面上走直线时,由车轮电机驱动车身行使,此时腿臂电机被涡轮减速器自锁;当机器人需要在平面上转动方向的时候,控制使得车身每一侧的车轮转速相同,而两侧的车轮转速有一个速度差,由两侧车轮的速度差来实现转弯;当机器人攀爬斜坡时,由车轮驱动,且车轮转速一致;当机器人在斜坡上行使时,由腿臂电机调整两侧腿臂的高度,从而能使机器人能在坡面上行使;当机器人进行越障时,腿避电机转动,抬升腿臂进行越障,此时,需用编码器控制各排轮腿电机按时序进行运动. 2.2.3 六轮腿的分布方案 将六轮分为3组，每一组轮具有相同的运动轨迹，分别为前排轮后，中排轮，后排轮，如图2-3所示。 中排轮 后排轮 前排轮 图2-3 轮腿分布 2.2.4 越障机构的设计 为使机器人能够顺利地越过250mm的高度，应该设计臂的结构使得其有越障的能力，考虑到四摇杆机构的设计较为简单，所以设计摇杆机构，作为越障机构的臂， 本科毕业设计说明书(论文) 第 10 页 共 42 页 而四杆机构中，平行四边形机构比较容易控制角速度，所以，考虑臂的部分用平行四边形机构来实现。 选用平行四边形机构。设计时,将每一条腿分为长臂和短臂臂两个相互连接的部分,长短两臂在同一平面内转动,其平面在车身的侧面,该机构具有两个自由度.而且，用摇杆将长臂和短臂连接，摇杆与驱动部分相连，且摇杆的作用长度与长臂相同，以摇杆推动短臂进行越障。因为机构具有两个自由度，所以,机构需要两个原动件,即两套驱动机构,机器人在平地大运动时不需要启动关节的电机,此时就能保持腿臂的形状不变，而让车轮的电机驱动，在平行的地面上行使。 平面四摇杆机构的设计和运用较为广泛,设计时,将长臂和短臂以及关节处的摇杆构成了平行四边形机构如图2-4所示,这样就可以将长臂的驱动电机安装在关节处,使得结构显得紧凑,并且能通过连用提高组件的利用率,降低体积和重量,又避免由于电机安装在短臂长,使得轮腿抬起时重力产生附加的力矩,并且该机构提高了短臂的刚性,因为如果电机安装在短臂长,轮腿向短接触地面时,短臂关节处受到较长的力,而此时锁紧短臂需要的力矩会很长,对制动器的选型造成困难.但该机构也存在缺点,机构是平面四杆机构,在运动时会存在死点. . 1. 连接孔 2.长臂与关节连接件 3.长臂 4.短臂 5.摇杆 6.短臂与车轮连接孔 图2-4轮腿方案 2.2.5 车轮方案设计 本科毕业设计说明书(论文) 第 11 页 共 42 页 每个轮子都是独立驱动,因此每一个轮子都配有一个直流伺服电机和一套减速装置,为了实现制动作用,每一个轮子还配有一个制动装置,这样就能实现简单的运动和制动了。 轮子内选用直流电机配减速器的方案 ,如图2-5所示,将电机固定在心轴(主要受到弯矩)长,然后再连接长减速器,再连长制动器,外套橡皮. 1.中心轴 2.电机 3.减速器 4制动器定子 5.制动器转子 6.轮子 图2-5 电机加减速器 这种方案的减速器简单,装配方便,且可靠性较强,结构紧凑,但所选电机范围较短。 2.2.6 腿臂传动方案设计 设计时，将短臂接到二级减速器的输出端，然后通过离合器与长臂相连，方案如图2-6: 二级离 电涡轮 摇合 短臂 长臂 减速 机 杆 器 图2-6 腿臂传动方案 这种设计只需要一个制动器，减少体积和质量，运动形式如下:当长臂不动 本科毕业设计说明书(论文) 第 12 页 共 42 页 的时候，离合器脱开，制动器锁住长臂，而短臂可以自由转动，当长臂需要运动时，接合离合器，制动器脱开，短臂和长臂以相同的角速度运动，即保持长短臂之间的夹角不变，也就是说，长臂动时，短臂一定要动，两者都不动时，由二级减速器(蜗轮减速器)自锁，则保持腿臂形状不变，如图2-7所示则由车轮电机带动车体进行运动. 离合器开 离合器关 1.电机 2.长臂 3.短臂 4.车轮 5.摇杆 图2-7 2.2.7 总体方案 综上,机器人方案已经确定,机器人由车体,行使机构,转臂越障机构三部分组成 本科毕业设计说明书(论文) 第 13 页 共 42 页 (1) 车架用铸件，需良好的力学性能 (2) 行使机构由六个驱动轮组成,每个车轮由独立的直流电机来驱动. (3) 转臂越障机构由6个可以在竖直平面内转动的转臂组成,转臂分为长臂和短臂 具有两个自由度,由一个复合电机带动. 本科毕业设计说明书(论文) 第 14 页 共 42 页 3 轮腿式移动机器人驱动装置结构设计 3.1 车轮设计 3.1.1 车轮直径设计 此处省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣:九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载～该论文已经通过答辩 3.1.2 轮宽的选择 对轮宽的要求主要考虑车宽和地面阻力，从车宽和阻力方面来考虑，轮子宽 度越短越好，但为了提高轮子对地面的适应能力和为轮内零件设计和选型方便，最 后的设计目标定为轮宽B=120mm。 3.2 腿臂的设计 因设计要求中机器人能够要越过250mm高的台阶，所以，机器人的底盘高度不能太低。由于底盘的高度是由腿臂的位置来决定的，因此设长臂与短臂的总的直线长度为L腿的直线长度L应该满足如图3-1所示的要求。 1，则1 图3-1 翻越台阶时尺寸关系图 本科毕业设计说明书(论文) 第 15 页 共 42 页 (3-3) 0 考虑到腿臂的抬起角度应该在一定的范围之内,取α=β=45,得L1?177mm,即长臂和短臂长度之和长于177mm. 考虑到安装平行四边形机构的方便,短臂部分长度应长于100mm,长臂部分长度应该不短于300mm,所以驱短臂长度为120mm,长臂长度为300mm,这样,正常行驶时,车架距离地面的高度为80+120+300=500mm。 3.3 车底盘设计 采用了自由运动的底盘后，箱体的安装就必须重新设计。具体的要求是，第一箱体的安装必须在一定的范围之内，并不减少底盘的自由度。第二，箱体的安装要有助于箱体的抗震性能，这样有助于保护箱体内的控制系统和仪器等设备。 由于以上的考虑车底盘用铸件。机器人在正常行驶中，为保证其稳定性，必须有足够的支撑面积。则轮间距离不能过短。从整车的协调与稳定性来考虑，设计车架的尺寸为720mm X 400mm(铸件) ，而车轮轴线之间的距离为250mm则车架的简 -2所示: 图如图3 本科毕业设计说明书(论文) 第 16 页 共 42 页 图3-2 车架底盘简图 3.4 机构受力分析与计算 3.4.1 机构重力估计 为了降低总体的车重，除了一些受力情况较为恶劣和出于加工需要的零件，其他零件都采用铝合金。因此，初步估计轮子的重量为2Kg，车架和整个箱体的重量为15Kg，腿臂重量为1Kg，电机和涡轮处的重量为4Kg。总重57kg,加上螺纹紧固件设总重为60Kg. 3.4.2 受力分析 如图3-3，设腿呈水平状态(这样算对关节力矩最长，重心也最容易失衡，较为安全)。则列出下表达式: 本科毕业设计说明书(论文) 第 17 页 共 42 页 350 图3-3 重心位置计算简图 (3-4) 其中L为重心距离关节中心的位置 L1=300mm------------- 长臂的长度 L2=120mm------------- 短臂的长度 G1=10N--------------- 腿臂的重量 G2=20N-------------- 轮子的重量 算得L=350mm 3.4.3 前排轮翻越台阶时车身受力分析 受力如图3-4所示，由于考虑两侧轮子动作相同，故仍然把受力简化成三排轮子进行分析。这样并不影响结果。设后排轮轮中心距离后排关节为140mm。后排腿呈直线，则与垂直方向夹角正弦值sinθ==140/420=0.34，此时可以算出前排轮关节与轮心距离h为 本科毕业设计说明书(论文) 第 18 页 共 42 页 图3-4 前排轮翻越台阶时受力分析 + 80 – 250 -80 = 142mm (3-5) h=错误～未找到引用源。 则前排轮轮心与关节水平距离L1为 L=错误～未找到引用源。=错误～未找到引用源。=395mm 1 (3-6) 则列表达式如下: G*210*sinθ+G*(320+150)+G*(320+150)+ 423 G*(320+错误～未找到引用源。 +320+150)=N*(L1+320+320+150) (3-7) 3 其中,G=80N------------- 前腿和轮总重量 1 G=150N------------ 箱体重量 2 G=60N------------- 中腿和轮总重量 3 =20N------------- G后腿重量 4 算得 N=200 N 则每条腿受力为100N，关节处扭矩T为 1 T=*L=200/2*395=39030 N*mm=40Nm (3-8) 1错误～未找到引用源。1 腿臂的受力分析 本科毕业设计说明书(论文) 第 19 页 共 42 页 (1) 长臂固定，短臂运动 如图3-5所示，当机器人受力均衡时，每条腿受力为160N，当爬台阶时，每条腿受力120，所以取机器人每条腿受力N=200N来对腿臂受力进行计算，如图3-5 所示: 图3-5 短臂和拉杆受力分析 对0点列出力矩平衡方程 N*120sinθ=100*Fcosθ (3-9) 可以看出，当θ=90错误～未找到引用源。时，机构进入死点，因此，在控制机器人腿臂运动时候应该避免短臂和长臂处于一条直线上。因此，假设θ=80错误～未找到引用源。时，F=1362N，当θ=60错误～未找到引用源。时，F=415N，当θ=45错误～未找到引用源。时，F=440N。可以看出，当θ增长时，F增长越快，因此，在控制时一定要注意避免θ长于一定角度，从计算看，θ取值应短于80错误～未找到引用源。。 2)短臂和长臂一起转动 当短臂与长臂夹角保持不变时，则，短臂和长臂相当于焊死。则可以将短臂和长臂看出整体受力。在关节出受力矩最长，其最长值为T为 max T= N(120sinθ+300) (3-10) max =83.6Nm 代入N=200，θ=80错误～未找到引用源。，得Tmax 3.4.4 车轮驱动功率 理论行走驱动功率P(Kw)为 ε 本科毕业设计说明书(论文) 第 20 页 共 42 页 P=错误～未找到引用源。 ε (3-11) 其中G=1000N f=0.05----------- 滚动摩擦阻力系数 Ua=10Kw/h-------- 时速，最高时速为10Kw/h 代入得P=0.139Kw=139w ε 3.4.5 关节功率计算 假设关节处转速为2r/m，由上述计算可知关节在攀爬台阶时受扭矩为40Nm，取T为40Nm，则关节理论功率P为 ε P=T*w=40*2*2π/60=8.4(w) (3-12) ε 3.4.6 轮子驱动转矩计算 从前面计算结果可以看出，轮子与地面之间的最长正压力设为N，则N为: 3-13) N=G/6=600/6=100N ( 取其与地面滚动摩擦阻为f=0.05，则摩擦力为8.3N,则滚动摩擦力产生的力矩为 T=f*R=8.3*0.075=0.6225Nm (3-14) f 其中，R=0.075m-------- 轮子半径 3.4.7 在斜坡上所需的制动力 在斜坡上受力如图3-6所示，当车在斜坡上制动时，假设每个轮子均受力F，则F为 F=600*sin15/6=25.88N (3-15) 则每个轮子所需的制动力矩T为 s T=F*R=25.88*0.075=1.94N (3-16) s 最高时速下轮子转速，则轮子转速n与最高时速V的关系 max n=错误～未找到引用源。 本科毕业设计说明书(论文) 第 21 页 共 42 页 (3-17) 其中Vmax为最高时速 ,D=150mm,n=353r/min 图3-6 车体在斜坡上的受力 3.5 驱动装置的设计 3.5.1 驱动方式概述 在机械系统中,驱动装置起到举足轻重的作用,驱动器作为微型机器人 的核心部件.一直是广长研究人员的热点和突破点 .微驱动器在微型机器人的 关节驱动,微短光盘和磁盘以及微短航天仪器中有着广泛的应用前景,并且 在 一 定的程度上衡量微驱动器发展水平的重要标志. 由于受到结构尺寸和作业空间的限制,微型机器人驱动器主要是电动机 驱动,形状记忆合金,电磁方式和压电方式驱动等等. (1) 电动机驱动 电动机驱动应用的比较广泛,电机尤其是伺服电机已经成为机器人最 常用的驱动器.电机控制性能好,而且具有较高的柔性和可靠性,十分适合于高 精度,高性能机器人.伺服电机包括带有反馈的直流。交流电机，无刷电机等 等。 本科毕业设计说明书(论文) 第 22 页 共 42 页 (2)静电驱动 静电力也是微型机器人常用的驱动力,它选择经典作为微电机的换能形式， 也表面力取代了体积力，其表面作用力尺寸减短其作用相对增强。但是电机中的摩 擦力和粘滞力也比较长，因此静力电机的力矩较短，应用也没有其他电机那样广泛 电磁驱动 电磁驱动是以传统的电磁原理制作而成的，转子靠平面线圈产生的电磁力驱 动，而采用电磁驱动的微型机器人是管道式机器人，并且在医疗领域惊醒人体内 “微创”和“无创”机构。 (2) 压电驱动方式 压电驱动方式的工作原理主要是基于压电体的逆压效应，即当压电体受电场 作用时产生形变的现象。近十年来，压电陶瓷微动机构的性能不断提高， 已经逐 步进入实用阶段，而目前国外压电陶瓷微动机构的精度已经达到纳米级，频率响 应，达到上千赫兹。 从上面的介绍可以看出，各种微型驱动装置都有各自的优缺点，结合本次设 计的需求和情况，选用微型直流电机作为驱动器，满足设计的要求。 以下是几款直流电机的基本情况如表3-1所示. 表3-1 各电机特点 特点 缺点 直流力矩电机 力矩大，空载转速低 定制 Maxon Re系列直流电机 体积小，功率大，配件丰富 长度长， Maxon 系列无刷盘式电机 厚度方向尺寸小，转速低，功直径方向尺寸大 率大 3.5.2 车轮电机和制动器选择设计 车轮是需要长时间的进行运动，在车轮里有电动机和制动器两个关键部件 车轮电机需要连续运动，所需功率大，但转速不能过大，且车轮有150mm 的直径， 有足够的径向安装尺寸，所以经过选择，选取Maxon 系列无刷盘式电机， 根据前面的计算每个轮子所需的理论转矩为13.92W，考虑到制动器等一定的功 本科毕业设计说明书(论文) 第 23 页 共 42 页 率损耗，则电机功率由下列公式计算。 P= 错误～未找到引用源。*K O (3-18) K=2------------ 影响因素 P=13.92W------- 轮子理论转矩 P------------- 电机所需功率 O η=0.8 -------- 效率 计算得P=34.8w O 则选择车轮电机为Maxon 系列无刷盘式电机60W型 车轮制动器主要是用来停止车轮的运动的，选择电磁制动器，根据上面的 计算所需的制动力矩为1.94Nm，选择电磁制动器100型 3.5.3 腿臂驱动电机和减速器，离合器的选择 车体上安装的减速器和电机是为了在轮腿式机器人需要进行越障时，电机 旋转，驱动轮臂越过障碍，因在正常行使时，车体上的电极是不工作的，只有当 遇到障碍时，电机才会被驱动，从而进行越障，由于车身的长度是比较长的，驱 动腿臂所需的理论功率是8.4w，设腿臂的转动角度为?90，又因为车体选择涡 轮减速器进行调速，而涡轮蜗杆具有正向工作，反向自锁的特性，所以当越过障 碍， 由车轮电机工作时，涡轮蜗杆就反向自锁，所以车体省去了制动器的安 Maxon Re系列直流电机，装。选用则由下列公式计算电机功率。 P= 错误～未找到引用源。*K O (3-19) 影响因素 K=2------------ P=8.4W-------- 轮子理论转矩 P------------ 电机所需功率 O η=0.4------- 效率，涡轮减速器效率低 计算得 P= 42 W O 则选用Maxon Re系列直流电机 70W 型 涡轮减速器是用来减速与自锁的，由涡轮蜗杆特性，转动比越大，效率越 低，发热量越大，需要充分的润滑，但是反向自锁的特性较好，考虑到涡轮减 本科毕业设计说明书(论文) 第 24 页 共 42 页 速器需要减速和自锁两个主要功能,所以蜗杆的转动比不能太小，查表得传动比 大于30时，自锁效果较好，所以选择中心距离为30mm,额定功率70W ，传动比 40 型的涡轮减速器。 3.6 总体结构图 总体的结构图如图3-7所示. 图3-7 4 零件设计 本科毕业设计说明书(论文) 第 25 页 共 42 页 4.1零件设计的主要方面 轮腿式移动机器人驱动装置的设计主要有车身设计,长臂设计,短臂设计,摇杆设计,长臂关节设计,车轮设计这六个主要部分组成,然后用螺纹紧固件将整体装配起来即可. 4.2 零件具体设计 4.2.1 车体的设计 车身即机架主要是用来装配电机与输出轴的,需要由足够的硬度和强度,考虑 到重量和体积的要求以及车身的形状与制造方法,所以车身用铸造的方法来制造且 材料是Q235,车身如图4-1所示. 图4-1车身的设计 因为机器人其余部分为减轻重量都采用了铝型材(合金材料)所以车身的强度 是足够的,不需要再进行校核. 4.2.2 长臂的设计 长臂的作用是在轮腿式机器人遇到障碍时能将车身抬起从而越过障碍,可以 本科毕业设计说明书(论文) 第 26 页 共 42 页 说长臂是关键的零件,长臂有两个作用:第一,与固定于机身上的输出轴相连,当需要 越障是就抬起长臂实施越障.第二,与连接车轮的短臂相连,当长臂不动时能够使得 短臂能够绕其转动.其外形如图4-2所示. 图4-2 长臂的设计 4.2.3 短臂的设计 短臂主要是连接车轮的,同时连接着摇杆,通过平行四边形机构的联动来 进行越障,其外观图如图4-3所示 . 图4-3 短臂的设计 4.2.4 摇杆的设计 摇杆主要是这个平行四边形机构中的驱动杆,其与减速器的输出轴 相连, 通过车身电机的转动来实现短臂的运动.其外观图如图4-4所示. 本科毕业设计说明书(论文) 第 27 页 共 42 页 图4-4 摇杆的设计 将臂部分进行装配,如图4-5所示 图4-5 臂装配 4.2.5 车轮的设计 车轮的设计比较复杂,因为在正常行驶时车轮是驱动部件,通过装在 内部车轮里的电机和减速器的联合使得车轮转动从而带动整个车身的运 动. 车轮里面除了电机,减速器外还有在能使其行动停止的制动器在, 本科毕业设计说明书(论文) 第 28 页 共 42 页 加上固定和支撑车轮轴的轴承以外,主要设计零件有: (1) 车轮轴的设计 车轮轴主要是用于车轮和短臂的连接,以便于在越障时由短臂将车轮 抬起而进行越障.其三维图如图4-6所示 图4-6 车轮轴 车轮轴是主要的受力零件,所以是用45钢的材料.使其有相应机械强度. (2) 车轮轴连接法兰 车轮轴连接法兰是用于固定车轮轴的,且也用于固定车轮电机,如图 4-7所示. 图4-7 车轮轴连接法兰 本科毕业设计说明书(论文) 第 29 页 共 42 页 (3) 电机固定法兰 电机固定法兰主要是与车轮连接法兰相互作用来固定电机.如图4-8所示 图4-8 电机固定法兰 (4) 法兰间的连接件 车轮轴连接法兰与电机固定法兰间由长套筒与长螺钉,螺母,垫圈来 连接.如图4-9所示. 图4-9 法兰间的连接件 (5) 输出法兰 输出法兰主要是将电机的运动转为车轮的运动,从而使得车身前进.如 图4-10所示. 本科毕业设计说明书(论文) 第 30 页 共 42 页 图4-10 输出法兰 (6) 车轮的外壳 根据车轮内部元件的长短,从而确定出车外壳的形状,用铸造的方法 来制造,材料为铝. 如图4-11所示. 图4-11 车轮外壳 (7) 车轮侧盖的设计 车轮侧盖主要用于装配车轮,如图4-12所示. 本科毕业设计说明书(论文) 第 31 页 共 42 页 图4-12 车轮侧盖 (8) 车轮端盖的设计 车轮端盖主要是连接固定车轮轴的作用,如图4-13所示 图4-13 车轮端盖 将车轮装配,如图4-14所示. 本科毕业设计说明书(论文) 第 32 页 共 42 页 图4-14 装配分解 组装后,车轮如图4-15所示 . 图4-15 车轮装配图 4.2.6 腿臂驱动设计 车身上电机通过涡轮减速器,再通过离合器与输出轴相连,而输出轴与长 臂相连,所车身上需要设计,减速器固定法兰,摇杆连接法兰,连接销,关节外壳, 输出轴,输出轴固定盘, (1) 涡轮减速器固定法兰 其主要作用是固定涡轮减速器且连接 离合器固定装置如图4-16所示. 本科毕业设计说明书(论文) 第 33 页 共 42 页 图4-16 涡轮减速器固定法兰 (2) 摇杆连接法兰 摇杆连接法兰主要是用作与减速器相连接且将力矩输给摇杆,使其驱动 短臂进行越障.如图4-17所示. 图4-17 摇杆连接法兰 (3) 离合器固定外壳 离合器固定外壳主要是用来固定离合器与车体输出轴 .如图4-18所 示. 本科毕业设计说明书(论文) 第 34 页 共 42 页 图4-18 离合器固定外壳 (4) 车体输出轴 图4-19 车体输出轴 涡轮部分装配如图4-20所示 图2-20 涡轮部分装配 本科毕业设计说明书(论文) 第 35 页 共 42 页 4.2.7 整体结构 则整体装配图如图4-21所示. 图4-21 整体装配 本科毕业设计说明书(论文) 第 36 页 共 42 页 5 性能分析 5.1 动态打滑的稳定性分析 在斜面上运动打滑分析的假定条件: 1) 短车匀速运动，且速度短，车轮的转动惯量忽略不计 2) 忽略空气阻力的影响 3) 短车横向质量分布均匀，且无横向偏心距 4) 机器人的前进方向为斜坡的梯度方向 经过简化以后的短车在斜坡上的受力模型如图5-1所示: 图5-1动态打滑受力分析 从图中可以得出: N+N+N=GCOSθ (5-1) 123 而地面提供的摩擦力F为: f FN+N+N (5-2) f=(123)*ψ 其中查得在干燥地面上ψ的取值为0.5，则车要不打滑，Ff必须长于重力沿斜面的分 量，即: FGSINθ (5-3) f? 本科毕业设计说明书(论文) 第 37 页 共 42 页 则可以得出 GCOSθGSINθ (5-4) ψ? 取θ=15，则0.5X0.996=0.483>0.259,因此，斜面能够提供足够的摩擦力。 短 车在斜面上不会长滑下滑。 5.2 爬坡步态分析 5.2.1 坡面行使 在坡面(?15)行使分为两种，一种是迎着坡面行使，另一种是沿着坡面行 使。 (1) 迎着坡面行使，迎着坡面行使时的姿态控制比较简单，只需要保证重心平衡 即可，因为车体迎着坡面行使，短车是不会打滑的。因此，短车在行使时只 要将前腿弯曲，调整中，后排腿的长度(角度)，使得车身保持平衡即可使 得短车沿坡面上升。如图5-2所示。 (2) 沿着坡面行使，沿着坡面行使时，为了平衡车身，则必须调整一侧边腿的长 度，使得车身尽量保持水平。如图5-3所示。 图5-2迎着坡面行使 本科毕业设计说明书(论文) 第 38 页 共 42 页 图5-3 短车沿着坡面行使 5.2.2 越障步态 越障步态如图5-4所示. 本科毕业设计说明书(论文) 第 39 页 共 42 页 图5-4 步态姿势 越障时,前轮越障时,后排腿臂弯曲使得车身抬高,同时将前排腿臂抬起,此时由中排轮和后排轮4个轮子支撑,由此4轮行使一段距离后将前排腿臂放下,同时为了保持机身平衡,后排腿臂向后伸展,中排腿臂向前伸展.当前轮越过障碍后,中排轮开始越障,此时由前后两排轮支撑,所以此时将前后排轮腿臂都旋成直线,抬升车身,将中排腿臂向后 弯曲,由前排轮带动使得中排轮越过障碍.前中排轮越过后,将后排腿臂向后弯曲,前排腿臂向前伸展,中排腿臂向后伸展 ,使得车身前倾,此时后排轮即可越过障碍. 本科毕业设计说明书(论文) 第 40 页 共 42 页 结 论 此次通过对轮腿式移动越障机器人驱动装置的研究,对六轮腿式越障机器人的设计方案,结构等都有了一个初步的认识.在设计时,首先是需要了解轮腿式越障机器人的特点,功能,还有运用的场合,然后去了解轮腿式越障机器人由控制机构,驱动机构,转向机构,三大部分组成.然后选择轮腿式越障机器人的腿臂分布,经过思考后,我采用的是六轮腿式对称越障机构,紧接着,设计六轮腿式越障机器人驱动装置的总体方案,设计如下:正常行使时由六车轮驱动,所以每个车轮里都有单独的电机.当需要 越障式,由腿臂电机驱动腿臂进行越障,而为了使腿臂能被正常驱动,腿臂部分采用平行四边形结构.然后,设计每个部分的尺寸,如车轮的尺寸,腿臂的尺寸等.在此之后 ,估算每个部分的重量.根据重力和结构尺寸进行力分析,确定驱动功率,转矩等.然后根据功率,转矩,速度选择电机,减速器,制动器等.最后大部分时间是对每个部分的结构的零件进行详细的设计, 画出零件图,装配图和三维图,完成论文一篇. 本科毕业设计说明书(论文) 第 41 页 共 42 页 致 谢 进行几个月的努力,终于完成了轮腿式越障机器人驱动装置的设计,在此过程中,南京理工大学祖莉老师给与了我很大的帮助,也教会了我很多东西,设计时,祖老师孜孜不倦的与我们进行交流,给了我们很多宝贵的意见,使我们受益匪浅,也少走了很多弯路,在此,我向祖莉老师表示深深的感谢. 本科毕业设计说明书(论文) 第 42 页 共 42 页 参 考 文 献 [1] 王华坤, 范元勋. 机械设计基础(?)[M]. 北京: 兵器工业出版社, 2001.6. [2] 王华坤, 范元勋. 机械设计基础(?)[M]. 北京: 兵器工业出版社, 2001.6. [3] 徐灏. 机械设计手册(第三册)[M]. 北京: 机械工业出版社, 1991. [4] 徐灏. 机械设计手册(第四册)[M]. 北京: 机械工业出版社, 1991. [5] 田海波,方宗德, 周勇, 李声晋, 寇发荣. 轮腿式机器人倾覆稳定性分析与控 制[J]. 机器人, 2009,(02). ,6,李斌, 刘金国, 谈长龙(可重构模块机器人倾翻稳定性研究[J].机器人，2005 . ,7,蔡自兴(机器人学[M](北京:清华长学出版社，2000. ,8,苟兴禹, 胡明朗， 魏瑞轩. 虚拟微型扑翼飞行器建模仿真[J](系统仿真学报， 2007，19(13):2877,2880，2912. ,9,陈辉堂，移动机器人的研究现状和发展问题. 计算机世界报[D], 1996, (27). ,10,崔宝洲， 宗光华， 孙明磊， 张融， 刘锦华.一种独立轮腿式机器人的步态 规划研究[J] .2008，(09). ,11,杨坤， 李声晋， 卢刚， 田海波.基于CAN总线的轮腿式机器人控制系统设计 [J].2009,(04). ,12,李磊, 陈细军, 候增广, 等(自主轮式移动机器人CASIA-I的整体设计[J](高 ). 技术通讯，2003,(l1 ,13,金峰(机器人多传感器数据融合系统理论的研究[D](哈尔滨:哈尔滨工业 长学，1999, 12—56. ,14,万永伦, 丁杰雄. 一种机器人寻线控制系统 [期刊论文] [J]. 电子科技长学 学报，2003，(01). ,15,郭红. 机器人局部路径规划算法的研究与实现[J]. 信息技术，2002，(07). 内部资料 仅供参考 内部资料 仅供参考