机械数控毕业设计（论文）-移动机器人结构设计【全套图纸】

编号编号: 无锡太湖学院 毕毕业业设设计计（论论文文） 题目：题目： 移动机器人结构设计移动机器人结构设计 信机 系系 机械工程及自动化 专专 业业 学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文）无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚诚 信信 承承 诺诺 书书 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 移动机器人 结构设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果， 其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致 谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体 已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 93 学 号： 0923122 作者姓名： II 2013 年 5 月 25 日 I 无无锡锡太太湖湖学学院院 信信 机机 系系 机机械械工工程程及及自自动动化化 专专业业 毕毕 业业 设设 计计论论 文文 任任 务务 书书 一、题目及专题：一、题目及专题： 1、题目 移动机器人结构设计 2、专题 二、课题来源及选题依据二、课题来源及选题依据 课题来源：导师提供 选题依据：近年来，人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造 领域向非制造领域发展。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、 农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。这些 行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的非结构化和不确定性， 因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能，对外感知能力 以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。目 前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究，并 朝着智能化和多样化方向发展。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 设计移动移动机器人行走机构的总体结构和参数； 建立移动机器人的运动学模型及机器人四轮转向系统的动力学 模型； 研究其稳态特性、动态特性和自主控制的问题，验证所研究机器 人结构参数的合理性。 II 四、接受任务学生：四、接受任务学生： 机械 93 班班 姓名姓名 五、开始及完成日期：五、开始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、设计（论文）指导（或顾问）：六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师指导教师 签名签名 签名签名 签名签名 教教研研室室主主任任 学科组组长研究所学科组组长研究所 所长所长 签名签名 系主任系主任 签名签名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 移动机器人是一种由传感器、自主控制的移动载体组成的机器人系统。移动机器人 具有移动功能，在代替人从事危险、恶劣(如辐射、有毒等)环境下作业和人所不及的(如 宇宙空间、水下)作业环境方面，比一般机器人有更大的机动性，灵活性。随着机器人技 术在外星探索、野外考察、军事、安全等全新的领域得到 日益广泛的采用，机器人技术 由室内走向室外，由固定、人工的环境走向移动、非人工的环境。本课题是机器人设计 的基本环节，能够为后续关于机器人的研究 提供有价值的平台参考和有用的思路。本文 对各种移动机器人进行了比较，从而确定了四轮式机器人总体结构与参数的研究设计。 对四轮式移动机器人的运动学进行了探讨，建立了运动学模型。在建立运动学模型的基 础上对机器人的基本运动方式进行了分析，并推到计算出其动力学模型。本文了解了基 于多传感器的移动机器人的自主控制问题。分析了直流伺服电机的动态特性，为后续的 研究提供可靠的参考和依据。 关键词：关键词：轮式移动机器人；运动学与动力学；自主控制问题 IV Abstract Mobile robot is a kind of controlled by sensors, autonomous robot system composed of mobile carrier .Mobile robot has the mobile function, instead of people engaged in dangerous and bad environment (such as radiation, toxic) homework and have less (such as space and underwater) in the working environment, have greater flexibility than ordinary robot, flexibility As robots technology in alien exploration, field investigation, military, security and other new fields are widely used, the robot technology by indoor to outdoor, from fixed, artificial environment to move, not artificial environments. This topic is a basic link of robot design, be able to follow-up on the robot platform for the study provide a valuable reference and useful ideas. In this paper, all kinds of mobile robots were compared to determine the four wheel robot structure and parameters of the study design as a whole. Of four wheeled mobile robot kinematics are discussed in this paper, the kinematics model is established. In kinematics model is established on the basis of the basic movement of robot is analyzed, and its dynamic model to calculate. In this paper, the control problem for mobile robot based on multi-sensor. After the completion of the design analysis of the dynamic characteristics and the feasibility of omnidirectional mobile mechanism, provide reliable reference and basis for follow-up studies . Key words: wheeled mobile robots; Kinematics and dynamics; Autonomous control V 目目 录录 摘 要.III Abstract .IV 目 录 V 1 绪论.1 1.1 本课题的研究内容和意义1 1.2 国内外的发展概况1 1.2.1 国内外发展概况.1 1.2.2 移动机器人的主要组成.2 1.3 本课题应达到的要求2 2 移动机器人行走机构的总体结构和参数.3 2.1 机器人运动方式的选择3 2.2 轮式机器人移动能力分析5 2.3 轮式机器人驱动轮的组成6 2.4 轮式机器人转向轮的组成7 2.5 电机的选择8 2.6 直流伺服电机的数学模型及动态参数的确定9 2.7 减速机构的设计（蜗轮蜗杆减速机构）12 2.7.1 电机参数的确定.12 2.7.2 计算传动装置的运动和动力参数.13 2.7.3 蜗轮蜗杆设计计算.14 2.7.4 蜗轮轴的设计.16 2.7.5 初选滚动轴承.16 2.7.6 蜗杆轴的结构设计.18 2.8 机器人的电源供应19 2.9 车轮及轮毂19 3 移动机器人的运动学模型.21 3.1 机器人的运动学分析21 3.2 两种运动规划方法分析23 3.3 仿真实验23 3.4 结论24 4 机器人四轮转向系统的动力学模型.25 4.1 轮子.25 4.2 平台体25 4.3 小结26 5 自主运动控制.26 5.1 控制系统的选用26 5.2 可行性分析.28 6 结论与展望.28 VI 6.1 结论28 6.2 不足之处及未来展望29 致 谢.29 参考文献.30 移动机器人结构设计 1 1 绪论绪论 1.1 本课题的研究内容和意义本课题的研究内容和意义 机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域，移动机器人是机器人学中的一个 重要分支。早在六十年代就已经开始了移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及 到许多方面。首先要考虑到移动方式，轮式，履带式，腿式的。其次考虑驱动器的控制， 以使机器人达到期望的行为。第三必须考虑到导航或者路径规划，路径有更多的方面考 虑，如传感融合，特征提取，避碰及环境映射。因此移动机器人是一个集环境感知动态 决策与规划，行为控制与执行等多种功能与一体的综合系统。对移动机器人的研究提出 了许多新的挑战或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家技术人的兴趣， 更由于他在军事侦察排雷防止污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运具有广阔的 应用前景，使得对它的研究在世界各地受到普遍关注。移动机器人按照移动方式可分为 轮式，履带式，腿式，其中轮式具有结构简单活动灵活等优点。移动机器人的机构直接 影响机器人运动的稳定性和控制器的复杂程度。目前广泛使用的轮式按照移动特性又可 将移动机器人分为非全方位和全方位两种。在平面上移动的物体可以实现前后，左右和 自传三个自由度的运动称为全方位移动机器人，其不仅可以再任意方向上移动，并且保 持本姿态不变，实现全方位的移动的功能也可以改变机体方位。这种特性使得轮式移动 的路径规划，轨迹跟踪等问题变得相对简单，并且它能够在狭小的空间完成任务。 通过本次毕业设计，培养学生综合应用机械设计、机械原理、理论力学、大学物理， 机械制造装备设计、传感器应用的能力；强调设计的实用性、结构的简单便捷性。同时 也培养了我们独立思考分析问题解决问题的能力，为今后机械设计和适应工作岗位打下 了坚实的基础。 1.2 国内外的发展概况国内外的发展概况 1.2.1 国内外发展概况国内外发展概况 移动机器人的研究始于上世纪 60 年代末期，随着计算机技术、传感器技术以及信息 处理技术的发展，移动机器人已被广泛应用于工业、农业、医疗、保安巡逻等行业。机 器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为 社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战 中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。另一方面它也是生产力发展 的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会 发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中， 实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。 国外对于移动机器人的研究起步较早，日本是开发机器人较早的国家，并成为世界 上机器人占有量最多的国家，其次是美国和德国。进入 90 年代，随着技术的进步，移动 机器人开始在更现实的基础上，开拓各个应用领域，向实用化进军。前苏联曾经在移动 机器人技术方面居于世界领先的地位，俄罗斯作为前苏联的继承者，在机器人技术领域 依然具有相当雄厚的技术基础，ROVER 科技有限公司把在开发空间机器人中获得的经验 应用于开发地面机器人系统，如极坐标平面移动车、爬行移动机器人、球形机器人、工 无锡太湖学院学士学位论文 2 作伙伴平台以及 ROSA-2 移动车等，最近的突出成果是 2003 年发射的火星漫游机器人一 一“勇气”号与“机遇”号。虽然国内有关移动机器人研究的起步较晚，但也取得了不少成 绩。2003 年国防科技大学贺汉根教授主持研制的无人驾驶车采用了四层递阶控制体系结 构以及机器学习等智能控制算法，在高速公路上达到了 130Km/h 的稳定时速，最高时速 170Km/h，而且具备了自主超车功能，这些技术指1标均处于世界领先的地位。但是我国 在机器人的核心及关键技术的原创性研究、高性能关键工艺装备的自主设计和制造能力、 高可靠性基础功能部件的批量生产应用等方面，同发达国家相比，我国仍存在较大的差 距。未来研究热点是将各种智能控制方法应用到移动机器人的控制。 1.2.2 移动机器人的主要组成移动机器人的主要组成 一个理想的移动机器人系统通常由三个部分组成：移动机构，感知系统和控制系统。 移动机构是移动机器人的核心，决定了机器人的核心，决定了机器人移动空间。感知系 统一般采用摄像机，激光测距仪，超声波传感器，红外传感器，陀螺仪等。随着计算机 技术人工智能技术和传感技术的迅速发展，移动机器人的控制系统的研究具备了坚实的 基础和良好的发展前景。移动机器人的控制与工作环境信息密切相关而且包容着各种不 确定因素，因此在已知或未知的环境中作业时，以适当的建模方法表达环境，用必要的 传给器探测环境具有重要意义。机器人的构型选型和设计需要根据机器人实际执行的工 作来进行，尤其对适应环境能力要求较高的移动机器人来讲，构型不仅满足应用场合， 积极开饭新的结构更要使机器人运行稳定且可靠。从而减少误差及不稳定影响。 对移动机器人机构学的研究还涉及机器人的运动学，动力学问题。控制系统的输入 量需从对机器人的运动学，动力学建模分析得到的数学模型计算得出。移动机器人是一 个交叉的研究领域，涉及机械，控制，传感器技术，信息信号处理，模式识别，人工智 能和计算机技术等技术科学。 1.3 本课题本课题应达到的要求应达到的要求 (1)设计移动移动机器人行走机构的总体结构和参数； (2)建立移动机器人的运动学模型及机器人四轮转向系统的动力学模型； (3)研究移动机器人运动的动态特性和机器人自主控制的问题。 移动机器人结构设计 3 2 移动机器人行走机构的总体结构和参数移动机器人行走机构的总体结构和参数 2.1 机器人运动方式的选择机器人运动方式的选择 到目前为止，地面移动机器人的行驶机构主要分为履带式、腿式和轮式三种。这三 种行驶机构各有其特点。 (1)履带式 图 2.1 四段履带机器人 图 2.2 六段履带机器人 (2)腿式 图 2.3 三腿机器人 图 2.4 四腿机器人 无锡太湖学院学士学位论文 4 (3)轮式 图 2.6 单轮滚动机器人 图 2.7 两轮移动机器人 图 2.8 三轮移动机器人 图 2.9 四轮移动机器人 图 2.10 六轮移动机器人 图 2.11 八轮移动机器人 图 2.13 轮腿式机器人 综上各移动机器人特点如下表 2-1 所示： 移动机器人结构设计 5 表 2-1 各移动机器人特点 行驶结构车轮式移动机器人步行式移动机器人履带式移动机器人 特点 一般适用于平底运行， 切操作简单，运动稳 定，运动速度和方向 容易控制。按照轮子 个数又可以分两轮式、 三轮式、四轮式、六 轮和八轮式。 具有跨越越障能力， 对环境有良好的适应 能力等优点，尤其是 多足式对环境的适应 能力更强。但它也存 在动作不连贯，速度 较慢，控制复杂，实 现相对困难等不足。 履带式机器人可以跨 越障碍，攀爬低度不 高的台阶，行动速度 快，承载能力强，适 用于在凹凸不平的地 面上行走，但不易转 向。 在设计移动机器人时也应遵循以下机构设计原则: 1)总体结构应容易拆卸，便于平时的试验、调试、和修理。 2)应给机器人暂时未能装配的传感器、功能元件等预留安装位置，以备将来功能改进 与扩展。 3)运用三维软件画出零件图，然后再装配成装配图，可以清晰明了的看出哪里设计合 理哪里装配方便，哪里会产生干涉。通过对以上方式的比较，我们选用轮子方式做为机 器人运动方式，它符合我们的设计要求：适应室内活动环境，需要动力较小，能量消耗 少，结构实现简单可靠。 2.2 轮式机器人移动能力分析轮式机器人移动能力分析 轮式移动机器人的分类方法主要有：按具有的自由度划分，有三自由度类型，二自 由度类型等。按驱动方式划分有铰轴转向式，差速转向式等。本设计按照传统的车轮配 置方式划分来讨论。 本毕业设计课题主要是为了掌握和了解轮式移动机器人的基本结构和运动控制系统 的能力，基本能实现前进、后退、360范围转动的运动,也可以为机器人的运动和控制提 供一个很好的研究平台。 生活中我们见到最多的家用小车的车轮布局在轮式移动机器人中最先得到了应用， 就像我们平时推小车一样，当我们给小车左边的力大于右边的力时小车右转，同理右边 的力大时，小车左转。所以我选择了跟家用小车一样的移动方式即差速度轮式移动机器 人。四个车轮布置在我设计的机器人矩形机身四角，后两轮差速驱动，前两轮是转向轮。 当然通过查阅资料这种机构有两个缺点，一是四轮构型移动机器人运动能力受到限制， 转向之前必须有一定的前行行程。二是这种轮子布局需要有保持稳定可靠驱动的能力， 可能导致转向不稳定。 无锡太湖学院学士学位论文 6 图 2.14 后轮差速驱动，前轮是随动结构 根据设计需要和实现的难易程度选择了图 2.14 中的驱动方案机器人，称之为后轮驱 动轮型机器人，它是一种典型的非完整约束的轮式移动机器人模型。后轮为驱动轮，方 向不变，提供前进驱动力，两轮驱动速度不相同；前轮为转向轮，称为随动轮，使机器 人按照要求的方向移动。 轮式移动机构又主要分三个轮、四个轮、三轮支撑理论上是稳定的，然而这种装置 很容易在施加到单独轮的左右两侧力 F 作用下翻倒，因此对负载有一定限制。为提高稳 定性和承载能力，决定选用四轮机构，后轮为两驱动轮，两个转向轮为前轮。这种结构 能实现运动规划、稳定以及跟踪等控制任务，可适应复杂的地形，承载能力强，但是轨 迹规划及控制相对复杂。 图 2.15 轮式机器人整体结构 solid Edge 模型图 2.3 轮式机器人驱动轮的组成轮式机器人驱动轮的组成 (1)后轮驱动装置机械结构模型图如图 2.16 移动机器人结构设计 7 图 2.16 后轮驱动装置机械结构模型 后轮驱动装置机械传动结构如图 2.17 所示： 图 2.17 驱动轮机械传动示意图 1 轮胎 2 轮毂 3 联轴器 4 蜗轮 5 蜗杆 6 直流电机 7 减震垫 根据上面所确定的方案，轮式机器人前轮驱动装置由驱动电机，减速装置和车轮及 轮毂组成。 2.4 轮式机器人转向轮的组成轮式机器人转向轮的组成 转向轮起支撑和转向作用，不产生驱动力矩，在小车转向时它可以以一定角度转动。 主要机械组成结构如图 2.18 所示： 无锡太湖学院学士学位论文 8 图 2.18 转向装置模型图 轮式机器人前轮驱动装置由以下几部分构成：轮胎，轮毂，两个转向轮和深沟球轴 承几个部分组成。 2.5 电机的选择电机的选择 目前在机器人的运动控制中较为常用的电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进 电机，对它们的特性、工作原理与控制方式有分类介绍，下面总结如表 2-2 所示： 表 2-2 不同电机的特性、工作原理与控制方式 电机的类型特点构造与工作原理控制方式 步进电机 直接用数字信 号控制，与计 算机接口简单， 没有电刷，维 护方便，寿命 长。缺点是能 量转换效率低， 易失步，过载 能力弱 按产生转矩的方式可以 分为:永磁式，反 应式 和混合式。混合式能产 生较大转矩，连续转动。 永磁式是单向励磁，精度 高，但易失步，反应式； 是双向励磁，输出转矩大， 转子过冲小，但效率低； 混 合式是单-双向励磁,分 辨率高,运转平稳。 移动机器人结构设计 9 续表 2-2 电机的类型特点构造与工作原理控制方式 直流伺服电机 接通直流电即 可工作，控制 简单；启动转 矩大、体积小、 重量轻，转速 和转矩容易控 制、效率高； 需要定时维护 和更换电刷， 使用寿命短、 噪声大。 由永磁体定子、线圈 转子、电刷和换向器 构成。通过电刷和换 向器使电流方向随转子 的转动角度而变化，实 现连续转动。 转动控制采用电压控制方 式,两者成正比。转矩控制 采用电流控制方式, 两者 也成正比。 交流伺服电机 没有电刷和换 向器，无需维 护；驱动电路 复杂，价格高。 按结构分为同步和异步 电电刷和换向器构成。 通过电刷和换向器使电 流方向随转子的转动角 度而变化，实现连续转 动。 分为电压控制和频率控制 两种方式。异 步电机常采 用电压控制。 一般机器人用电机的基本性能要求: 1)启动、停止和反向均能连续有效的进行，具有良好的响应特性； 2)正转反转时的特性相同,且运行特性稳定； 3)良好的抗干扰能力，对输出来说,体积小、重量轻； 4)维修容易，不用保养。 轮式机器人采用双轮双电机的驱动方式，对于小功率电机，直流伺服电机具有良好 的启动和调速性能，广泛应用于工业机器人、计算机外围设备以及高精度伺服系统中。 设计的驱动轮为两后轮，要求控制性好且精度高，能耗要低，输出转矩大，有一定过载 能力，而且稳定性好。通过比较以上电机的特性、工作原理、控制方式以及移动机器人 的移动性能要求、自身重量、传动机构特点等因素，所以决定选用直流电机作为驱动电 机。 直流电动机以其良好的线性调速特性、简单的控制性能、较高的效率、优异的动态 特性，一直占据着调速控制的统治地位。虽然近年不断受到其他电动机(如交流变频电动 机、步进电动机等)的挑战，但直流电动机仍然是许多调速控制电动机的最优选择，在生 产、生活中有着广泛的应用。 通过以上的比较决定选用直流伺服电机直流电动机。 2.6 直流伺服电机的数学模型及动态参数的确定直流伺服电机的数学模型及动态参数的确定 直流伺服电动机是将电信号转变成机械运动的关键元件，它应该能提供足够的功率， 无锡太湖学院学士学位论文 10 使负载按照所需的规律运动。因此，伺服电机输出的转矩、转速和功率，应能满足负载 的运动要求，控制特性应保证所需的调速范围和转矩变化范围。另外，从驱动的角度， 要对电机的驱动电压、额定电流进行选择。 直流伺服电机的基本方程式为： (2.1) a a aaa di uaR iLe dt (2.2) ae ek (2.3) emt a Tk i 其中，己为电枢电流，为电枢电势，为电磁转矩，为电枢电阻，为电 a i a e em T a R e k 势系数，为转矩系数。 t k 忽略铁耗和摩擦损耗，负载转矩为零时， (J 为转动惯量)，则有 em d TJ dt (2.4) 2 aa e tt R JL Jdd uak KdtKdt 如果转速的初始条件，则上式拉氏变换后得到0 (2.5) 2 ( )( )( )( ) aa ae tt R JL J UsSSSSKS KK 得到的传递函数为 G(S)= (2.6) 2 ( ) ( ) t aaate KS USL JSR JSK k 令是直流伺服电机的机械时间常数，为电动机的电气时间常数则 a m te R J K K a m a L R 传递函数可以写成： G(S)= (2.7) 2 1 1 e mem k ss 直流伺服电机的除了铜耗之外，还有风损、机械损耗、铁耗，其中风损和机械 a Rt 2 损耗与转速的平方成正比，即和反电势 E 的平方成正比，这样可以设置一等效的电阻 R。来代替这两项损耗，铁耗中的磁滞损耗和涡流损耗大致和磁通的二次方成正比，因而 可以像 风耗和机械损耗一样包含在等效电阻中。 D R 分析直流伺服电动机动态特性的等效电路如图 417 所示。转子动能(J 为转 2 2 1 J 动惯量，为角速度)用等效电路中的静电能来代替，则等效电容，空载 2 2 1 CE 2 K J C 损耗(包括风损、机械损耗、铁耗等)在电路中用等效电阻上的损耗来代替。 D R 移动机器人结构设计 11 图 2.19 分析动态特性的等效电路 假设初始时候电容两端的电压为零，电感中的电流为零，则可以得到拉氏变换后的 运算电路图如图所示： 图 2.20 拉氏变换后的运算电路 其传递函数为： (2.8) ( ) ( ) ( )1 aD aa aD UsR L SR IsR SC 如果施加的电压时一个阶越函数，,则：( ) V Ua S S (2.9) 2 11 ( ) 1 D a DaaaD D aDaD R CSV Is R L CLR R C RaRS SS RRRR 由拉氏变换后令,可得到： a D R R (2.10)( )(1(1)(1) 1 me tt me meme V ia tee RaRD 上式中，是直流伺服电机稳态时候的电流，这个值比较容易测量；()是 aD V RR ,me 待定参数，利用计算机依据最小二乘法拟和曲线的办法，可以确定参数()。,me 电流相应曲线一般采用直流伺服电机的启动电流曲线，可以在电机输 A 回路中串一 个阻值很小的采样电阻，用存储示波器记录电机启动的瞬间采样电阻两端的电压值，即 可获得启动电流曲线。当电枢回路中串采样电阻以后。对直流伺服电机的电气时间常数 和机械时间常数是有影晌的，应该消除采样电阻的影响。假定 t，靠为计算的动态时间常 数，则实际的动态时间常数为： 无锡太湖学院学士学位论文 12 (2.11) ,aj ee a RR R (2.12) , a mm aj R RR 2.7 减速机构的设计（减速机构的设计（蜗蜗轮蜗杆减速机构）轮蜗杆减速机构） 直流电机输出转速较高，一般不能直接接到车轮轴上，需要减速机构来降速，所以 设计了蜗轮蜗杆减速机构，并对其参数进行了校核与验证。减速装置的形式多种多样， 选择一种合适的减速装置对机器人的性能有着相当重要的作用。 结合本设计中机器人的要求，输出转矩大传动效率高的条件电机轴直接作为输入轴 安装用联轴器，联轴器有过载保护，提高了精度又减轻了重量。轮毂和齿轮安装在同一 根轴上，他们转速相同。齿轮类型为渐开线直齿齿轮，联轴器相联齿轮与车轮装在同一 个轴上，它们的转速相同。 移动机器人的驱动装置电机与车轮轴需要传动机构。蜗杆传动是用来传递空间交错 轴之间的运动和动力的。最常用的是轴交角=90的减速传动。蜗杆传动能得到很大的单 级传动比，在传递动力时，传动比一般为 580，常用 1550；在分度机构中传动比可达 300，若只传递运动，传动比可达 1000。蜗轮蜗杆传动工作平稳无噪音，蜗杆反行程能自 锁，所以决定选用普通圆柱蜗杆传动。其实物图跟结构简图如下： 图 2.21 实物图 图 2.22 结构示意图 2.7.1 电机参数的确定电机参数的确定 考虑到机器人运动的时候的稳定，并且需要越障，克服各种地面的摩擦因素，还要 有爬坡等因素，通过查阅机械设计手册指导，先假设轮式机器人平稳运行时候的速度大 约为 0.7m/s，最大速度为 1.5m/s。需要的最大拉力 F 为 800N，地面与轮胎之间的损耗 ，则,则。0.68 地 800 1.51.2PF VKWA w= /1.2/0.681.75PPKW 地 1）工作机各传动部件的传动效率及总效率： 查机械设计课程设计手册书中表 1- 7 得各传动部件的效率分别为： ； ；0.99 0.995 联轴器 0.75 蜗杆 移动机器人结构设计 13 ； 0.99 轴承 0.96 车轮 工作机的总效率为： 3 0.69 总联轴器蜗轮蜗杆轴承车轮 2）电机的所需要的功率： kw P P w r 54 . 2 69 . 0 75 . 1 总 3）传动装置的传动比的确定： 查机械设计课程设计手册书中表 13 2 得各级齿轮传动比如下： 408 蜗杆 i 理论总传动比：408 蜗杆总 ii 4）电机机的转速： 60 100060 1000 0.7 33.44 / min 400 v r D 车轮 .(8 40)33.44267.52 1337.6 / minir 总车轮 根据上面所算得的原动机的功率与转速范围，可由机械设计课程设计手册书中 表 12 1 可选择合适的电动机。本设计选择的电动机的型号及参数如下表 2-3： 表 2-3 电动机型号及参数 型号额定功率满载转速最大转矩 质量轴的直径 Y160M1-84kw720r/min2.338 kg24mm 计算传动比=720/33.44=21.53，单机蜗杆传动，传动比都集中在蜗杆上，不需分配 a i 传动比。 2.7.2 计算传动装置的运动和动力参数计算传动装置的运动和动力参数 (1)蜗杆蜗轮的转速 蜗杆转速和电动机的额定转速相同涡轮转速 n=33.44r/min,车轮的转速和蜗轮的转速 相同。 (2)功率 电机轴输出功率 Pd=2.54kw 蜗杆的输入功率 2.540.99=2.5146 蜗杆的输出功率 2.51460.99=2.49 蜗轮的输入功率 2.490.75=1.86 蜗轮的输出功率 1.860.99=1.85 车轮的输入功率 1.850.99=1.83 车轮的输出功率 1.830.96=1.76 (3)转矩 2.54 9550955033.69 720 d p TN M n 无锡太湖学院学士学位论文 14 MNiTT d 35.3399. 0169.33 11联 MNiTT a 74.70399. 099 . 0 53.2135.33 12联联 MNiTT74.70399. 099 . 0 53.2135.33 323联 所以： Td=33.69 NM T1=33.35NM T2=703.74 NM T3=668.83 NM 运动动力参数表格如下表 2-4 所示： 表 2-4 运动力参数 参数电动机蜗杆蜗轮车轮 转速 72072033.4433.44 输入功率 2.511.861.83 输出功率 2.542.491.851.76 输出转矩 33.6933.35703.74 66883 传动比 21.53 效率 0.990.750.96 2.7.3 蜗蜗轮蜗杆设计计算轮蜗杆设计计算 (1)选举蜗杆的传动类型材料：采用渐开线蜗杆（ZI 蜗杆） 蜗杆：45 钢 表面淬火至 45-55HRC 蜗轮边缘选择： ZCuSn10Pb1 金属模铸 造轮芯：HT200 (2)按齿面接触强度设计 传动中心距计算公式如下： 1）作用在蜗杆上的转矩 T2=703.74NM 2）已知条件：载荷较稳定，故取齿向载荷分布系数 K=1，使用系数 KA=1.15，由于 转速不高，冲击不太大，可选取动载荷系数 KV=1.05，则 K=KAKKV=1.21 3）确定弹性影响系数 ZE 因选用铸锡磷青铜蜗杆个刚蜗杆相配，故 ZE=160Mpa1/2 4）确定接触系数 Zp 先假设蜗杆分度圆 d1和传动中心距 a 的比值为 d1/a=0.3。可查的 Zp=3.1 5）确定许用接触应力 根据蜗轮材料为 ZcuSn10Pb1，可查表得蜗杆的许用应力=268Mpa，应力循环次数 N=602720168300/21.53=1.54108 寿命系数 KHN=(107/1.54108)1/8=0.71 则H=KHN=0.71268=190.28Mpa 6）计算中心距 mm 1 2 2 160 2.9 1.21 703740171.753 190.28 a 取中心距 a=180mm 因 i=21 取 m=6.3，蜗杆分度圆直径 d1=63mm，这时 d1/a=63/180=0.35，对应 Zp=2.9，因为 ZpZp,所以以上计算结果可用。 移动机器人结构设计 15 7）蜗轮蜗杆的主要参数和几何尺寸 蜗杆分度圆直径 d1=63mm 横向齿距 Pa=m=3.146.3=19.782mm 模数 m=6.3 直径系数 1 63 10 6.3 d q m 齿顶圆 da1=d12ha1=6326.3=75.6mm 齿根圆 df1=d1-2(hamc)=63-2(6.30.256.3)=47.25mm 分度圆导程角 21 48 05r 变位系数 12 2 18063302.4 0.43 26.32 6.3 dda Xmm mm 验算传动比 48/ 412i 传动比误差 2421.53 1.14% 21.53 蜗轮分度圆直径 22 6.3 48302.4dmz 蜗轮齿顶高 22 6.31 0.433.59 aa hmhX 蜗轮喉圆直径 222 2302.42 3.59309.58 aa ddhmm 蜗轮齿根高 22 6.31 0.430.210.21 fa hmhXc 蜗轮齿根直径 222 2302.42 10.27281.86 ff ddh 蜗轮咽喉母圆直径 22 11 180309.5825.21 22 ga radmm 外圆直径 2 1.5309.58 1.5 6.339.03 Wa DDmmm 蜗轮齿宽 0.75 75.656.7Bmm 8) 校核齿根弯曲强度 (2.13) 1.532 2 1 2 FF KT YFa Y d d m (2.14) 2 33 248 60 coscos 21.8 V Z Z Y 根据 X2=-0.43，ZV2=60，YFa2=2.55，螺旋角系数=1-=0.818 140 r 许用弯曲应力： (2.15) FF KFN 从机械设计课程设计中表 11-8 查得由 ZCuSn10Pb1 制造的基本许用弯曲应力 为 56MPA。 F 寿命系数 6 8 10 0.57 1.54 10 KFN 无锡太湖学院学士学位论文 16 560.5731.92 F MPA 齿根弯曲疲劳应力 2 12 1.53 229.08 F KT YFa YKpa d d m 所以弯曲强度是满足的。 9）验算效率 (2.16) tan 0.95 0.96 tanV (2.17) 1 163 720 2.557/ 60 1000cos60 1000cos2.18 S d n Vm s 已知fv;fv 与相对滑动速度 vs 相关 从机械设计课程设计表 1118 中用插值法查得 fv=0.03, ，代入式中得 1 43 V ，大于估计值，因此不用重算。0.904 10）精度等级公差和表面粗糙度的确定 通用减速器的蜗杆传动精度等级公差范围 68 级 H7/r6 用机械减速器，从 GB/T100891998 圆柱蜗杆蜗轮精度中选择 38 级精度，侧隙种类为 f,标注 7dGB/T10089- 1988。 蜗杆与轴做成一体即蜗杆轴，蜗轮采用轮箍式，与铸造铁心采用 H7/r6 配合，并加台 肩和螺钉固定。 2.7.4 蜗蜗轮轴的设计轮轴的设计 轴的材料为 45 钢，调制处理，根据手册取 A0112，所以： 33 0 31.86 11242.753 333.44 p dAmm N 轴的最小直径为 d1，与联轴器孔径相适应，故需同时选取联轴器的型号计算转矩 ,查表选取 KA=1.33 ca TKA TA 3 1.85 95509550528.334 33.44 P TN mm N 3 1.3 528.334686.835 caA TK TN M 查手册 P582 选用 HL4 型弹性柱销联轴器，公称转矩为 1250Nmm，孔径 d1=50mm，轴孔长度 L=142mm，与轴配合毂孔长为 84mm，为了满足半联轴器的轴向定 位要求，d1右端需割出一轴肩，定位轴肩高度在(0.070.1)d 范围内，故： 2125012 0.0757ddhmm 为了保证轴端挡圈压在半联轴器上，面不压在轴的断面上，L 联孔的长度应比 d1段 的长度 L1长点：L182mm。 2.7.5 初选滚动轴承初选滚动轴承 根据。初步根据手册 P554 选取 0 基本游隙组，标准精度级的单列角接触mmd57 2 轴承 7212，其尺寸为，故 2411060TDb 36 60,25dmm Lmm 移动机器人结构设计 17 查表得轴肩高度，所以 5 694.573.5dmm 又轴环的高度为，b 取 12mm，即：694.573.5bmm 5 12Lmm 蜗轮的轴段直径： 蜗轮轴段直径的右端为定位轴肩由机械手册查得取： 4 73.524.564.5dmm 志传动零件相配合的轴段，略小于传动零件的轮毂宽。 蜗轮轮毂的宽度为：，取 4 1.2 1.5(77.4 96.75)dmm 4 90Imm 轴承端盖的总宽度为 20mm,取端盖的外端面与半联轴器右端面的距离为 35mm 故： 。mmL553520 5 滚动轴承宽度，轴肩下部宽度为 24+10+16+454mm。mmT24 (1)绘制轴的受力简图 (2)绘制垂直面弯矩图 (3)绘制水平面弯矩图 (4)绘制合力弯矩图 (5) 绘制扭矩图，分别如下图所示： 图 2.23 弯矩图 轴承支反力： FAY=FBY=Fr1/2=107.35N FAZ=FBZ=/2=685N 1 t F 由两边对称，知截面 C 的弯矩也对称。截面 C 在垂直面弯矩为： MC1=FAyL/2=19.6Nm 截面 C 在水平面上弯矩为： MC2=FAZL/2=685182.5=125Nm 3 10 MC=(MC12+MC22)1/2=(19.62+1252)1/2=126.5Nm 转矩：T= TI=54.8Nm 校核危险截面 c 的强度 由教材 P373 式（15-5）经判断轴所受扭转切应力为脉动 1 22 W c ca 无锡太湖学院学士学位论文 18 循环应力,取 =0.6, 222 2 3 126 5000.6 20000 30.5 0.1 80 c ca a W 前已选定轴的材料为 45 钢,调质处理,由教材 P362 表 15-1 查得,因此a 60 1 ,故安全。 ca 1 该轴强度足够。 2.7.6 蜗杆轴的结构设计蜗杆轴的结构设计 从轴段。开始逐渐选取轴段直径，起固定作用，定位轴肩高度可在mmd20 1 2 d 范围内，故。d1 . 007 . 0 mmhdd 8 . 22207 . 0 2012 12 该直径处安装密封毡圈。标准直径，应取，与轴承内径相配合采用角mmd24 2 3 d 接触球轴承，型号为 7206（手册 P554） （即）mmd30 3 起定位作用，取 h=3mm，取蜗杆齿顶圆直径， 4 dmmd36630 4 mmd6 .75 5 。mmd30 6 图 2.24 弯矩图 求支反力 FAY、FBY、FAZ、FBZ FAY=FBY=Fr/2=107.35N FAX=FBX=/2=295N 2t F 由两边对称，截面 C 的弯矩也对称，截面 C 在垂直面弯矩为 MC1=FAYL/2=107.3575=8Nm 3 10 截面 C 在水平面弯矩为 MC2=FAXL/2=29575=22.125Nm 3 10 计算合成弯矩 MC=（MC12+MC22）1/2=（82+22.1252）1/2=23.54Nm 校核危险截面 C 的强度由教材 P373 式（15-5）可知。 移动机器人结构设计 19 因此由教材 P373 式（15-5）经判断轴所受扭转切应力为对 1 22 W c ca 称循环变应力，取 =0.6， 222 2 3 23.540.6 91700 1.07 0.1 80 c ca a W 前已选定轴的材料为 45 钢,调质处理,由教材 P362 表 15-1 查得,因此a 60 1 ，故安全，所以此轴强度足够。 ca 1 2.8 机器人的电源供应机器人的电源供应 机器人由于体积，尺寸，重量的限制，而且需要移动，所以不可能采取电线通电的 方式，必须采取内燃机或者电池供电，相对于汽车等应用，要求电池体积小，重量轻， 能量密度大；并且要求在各种震动冲击等条件下电池要安全可靠。 我设计的轮式机器人长宽高尺寸在一米左右，重量在 40kg 的移动机器人总功耗为 4kw。 所以综合下我选用了铅酸蓄电池，对机器人的运动灵活性，连续运行时间都非常有利。 针对移动机器人所需的电源特性，总结了各种电池的优缺点如下表 2-5 所示： 表 2-5 各种电池优缺点 内容铅酸蓄电池镍镉电池镍氢电池锂离子电池锂聚合物电池 大流放电能力非常好非常好较好较好较好 可维护性非常好较好好一般较好 循环寿命400600 次300500 次8001000 次500600 次500600 次 价格 低低较低高高 安全性非常好较好好一般较好 能量密度 (wh/Kg） 3050 差 3045 差 6080 一般 90110 较好 130 非常好 为简化制造工序，提高车体的紧凑程度和牢固程度，将电池盒设计到前车体后部， 并且尽量降低电池盒与地面间距，以降低机器人的重心高度。 2.9 车轮及轮毂车轮及轮毂 选择车轮需要考虑多种因素：有机器人的尺寸、重量、地形状况、电机功率等。车 重加负载重量为 40kg 左右,所以用质地坚硬且易于加工的聚苯乙烯作轮毂，采用不充气的 中空橡胶轮胎，其优点在于不仅重量小而且橡胶与地面的附着系数大，保证了足够的驱 动能力。 之前假设其轮胎直径 d=400mm,则车轮转一圈移动的为： S=d=3.140.5=1.256m 车轮最大转速为： = /i=720/21.53=33.44r/min(电机转速/转动比) w车w机 则机器人的线速度为： V=sw1=1.25633.44=42m/min=0.7m/s 无锡太湖学院学士学位论文 20 所以前面假设轮胎直径 400mm，机器人平稳运动的速度 0.7m/s 符合要求。 查找资料得到橡胶轮胎与地面的摩擦因数大约为 u=0.71，机器人所需的牵引力： (2.18) afW FFF (2.19)sin W Fmg (2.20) cos f Fmg 则有： =420Nsincos a Fmgmg800N 所以选用的轮胎大小合理。 前轮轮胎采用和后轮相同的结构和材料，轮毂的轴孔与轴相对滑动。 另外在机器人移动的过程中会产生震动，影响其行走，所以可以在其车身加减震垫 或者是弹簧之类的装置来减少震动对移动的影响。 综上所述，得到轮式机器人的技术参数如表 2-6 所示： 表 2-6 轮式机器人的技术参数 自由度个数2 运动方式轮式运动 驱动方式后两轮差速度驱动，前两轮随动轮 连接机构联轴器 减速机构蜗轮蜗杆 所选用电机两个直流伺服电机 控制方式单片机控制器 电源蓄电池 移动机器人结构设计 21 3 移动机器人的运动学模型移动机器人的运动学模型 3.1 机器人的运动学分析机器人的运动学分析 轮式移动机器人由车体、两个驱动轮和两个随动轮组成，随动轮仅在运动过程中起 支撑作用，其在运动学模型中的影响忽略不记。为简单起见，假设轮式移动机器人在水 平地面上运动，车轮只旋转不打滑，将轮式移动机器人简化成如图3.1 所示。 以轮式移动机器人的右驱动轮为研究对象，O-XY为轮式移动机器人工作场地的固定 参考坐标系， 为与轮式移动机器人固连的坐标系，R为固连坐标系的原点，与右RRRX Y 轮轮心重合；与两驱动轮轴线重合，指向左轮；X和间的夹角为，即轮式移动机器RYRX 人的位姿可表示为；左、右轮的坐标分别为、设L为轮式移(, , )TX Y(,)T LL XY(,)T RR XY、 动机器人两驱动轮的轮距；r 为轮式移动机器人驱动轮的半径； 分别为轮式移 LR WW、 动机器人左、右驱动轮的角速度。 图3.1 移动机器人的结构简图 两驱动轮间的约束方程 显然，无论轮式移动机器人运动到何处，其左、右驱动轮间轮距L 是不会改变的， 因此左右轮的坐标与轮间距L 的关系为 (3.1) 222 )() LLLR XRYYL（ 令 为轮式移动机器人的初始姿态，定义其逆时针为正，并且 -180,180， 则由图3-1可得轮式移动机器人的姿态角与两驱动轮轮距中点的关系为 (3.2) tan() RL LR XX YY 根据式(3.1)和式(3.2)，得 (3.3)sin () RL XXLa (3.4)cos() LR YYL 假设轮式移动机器人在任意一初始位置AB，经时间t 转过角后到达另一位置 AB， 无锡太湖学院学士学位论文 22 如图3.2 所示，则左驱动轮比右驱动轮多转过的曲线位移为： (3.5) LR CALW rtW rt 即： (3.6)/( ) LR WWLrt 图 3.2 运动位姿变化图 由于轮式移动机器人的运动方式只有直线运动和圆弧运动两种，若作为基点的驱动 轮（文中为右驱动轮）的角速度已知，则左驱动轮的角速度根据式(3.6) R WWC L W 得： (3.7)/( ) L WWLrt 若 = 0 ，即对于直线运动而言，显然，两驱动轮同速，即直线运动 LR WWW 是曲线运动的特例。 运动学方程当轮式移动机器人驱动轮的角速度已知，由式(3.3)、(3.4)和(3.6)并根据图 3.2，可得到轮式移动机器人 的运动学模型 (