基于麦克纳姆轮的全方位机器人移动底盘的设计

图书分类号：密 级：毕 业 设 计 说 明 书基于麦克纳姆轮全方位机器人移动底盘的设计Based on Mecanum wheel omni -directional robot mobile chassis design学 生 姓 名学 号班 级指 导 教 师专 业 名 称学 院 名 称年 5 月 26 日毕业设计原创性声明本人郑重声明： 所呈交的毕业设计，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本设计说明书不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日毕业设计版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用毕业设计的规定，即：本校学生在学习期间所完成的毕业设计的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交设计说明书的纸本复印件和电子文档拷贝，允许说明书被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布说明书的全部或部分内容，可以将说明书的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本说明书。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日I摘要基于 Mecanum 轮的全方位移动底盘具有较好的移动性能, 并且可以在任何方向上进行移动，且无需底盘进行旋转运动。所以它的应用场合有很多，比如在狭小的空间环境和物流运输中运用。本次论文设计了一种可行的 Mecanum 轮设计方案,基于此，自主设计和开发了基于 Mecanum 轮的全方位移动底盘。本次论文共分为 5 章。包括概论、移动底盘的总体结构、螺纹连接、部分结构和轴，滚动轴承。概论主要分析了国内外机器人的发展状况，发展的趋势和本论文设计的内容与意义。移动底盘总体结构主要从零件设计要求，Mecanum 轮的设计和材料的选择以及辊子刚度校核来叙述。螺纹连接的内容包括螺纹连接的基本类型，螺栓的选取和螺栓连接强度的计算。结构设计内容包括满足系统驱动性能的结构条件，Mecanum 轮布局形式的选择和移动底盘电机的计算和选择。轴和滚动轴承包括轴的直径和长度的确定，轴的校核和滚动轴承使用寿命的校核。关键词：Mecanum 轮；全方位；移动底盘IIAbstractThe omni-directional mobile chassis based on the Mecanum wheel has good mobility and can be moved in any direction without requiring a chassis for rotational movement. Therefore, there are many applications for it, such as the use of small space environment and logistics transportation. This paper designed a feasible Mecanum wheel design. Based on this, we independently designed and developed an all-round mobile chassis based on Mecanum wheels. This paper is divided into 5 chapters. Including the overview, the overall structure of the mobile chassis, threaded connections, parts of the structure and shaft, rolling bearings. The introduction mainly analyzes the development status of robots at home and abroad, the development trend and the content and significance of the design of this thesis. The overall structure of the mobile chassis is mainly described in terms of part design requirements, the design of the Mecanum wheel, the selection of materials, and the checking of the roll stiffness. The thread connection consists of the basic type of threaded connection, the selection of bolts and the calculation of the strength of the bolt connection. Structural design content includes structural conditions that satisfy the systems drive performance, selection of Mecanum wheel layouts, and calculation and selection of mobile chassis motors. Axis and rolling bearings include the determination of the diameter and length of the shaft, the check of the shaft and the checking of the service life of the rolling bearing.Keywords：mecanum wheel omni-direction mobile chassisIII目录摘要 IAbstract.II1 概论 11.1 国内外移动机器人的发展状况 11.2 Mecanum 轮的现状 .21.3 全方位移动机器人的发展趋势 21.4 课题设计的内容与意义 32 全方位移动底盘的原理及其总体设计 42.1 零件设计的主要要求 .42.2 全方位轮式移动机构的设计 .52.2.1 设计移动机器人主体时应遵循以下设计原则： .52.3 轮式移动底盘的总体结构图 62.4 Mecanum 轮的关键技术 .72.4.1 Mecanum 轮的介绍 72.4.2 Mecanum 轮的设计研究 72.4.3 Mecanum 轮的材料要求 92.4.4 辊子校核 93 螺纹连接 .123.1 螺纹连接的基本类型 123.1.1 螺栓连接 .123.1.2 双头螺柱连接 .133.2 螺栓的选取 133.3 螺栓连接强度计算 134 结构设计 .154.1 满足系统驱动性能的结构条件 154.2 麦克纳姆轮布局结构形式选择 154.3 Mecanum 移动底盘的电机的计算与选择 .17第五章 轴和滚动轴承 195.1 轴直径和长度的确定 19IV5.2 轴的校核 195.3 当量弯矩 205.4 轴强度校核 205.5 滚动轴承概述 225.6 滚动轴承的选择 225.7 轴承的校核 225.8 校核轴承的使用寿命 23结论 .24致谢 .25参考文献 .2611 概论 1.1 国内外移动机器人的发展状况移动机器人是机器人科学研究中的小小的一个分类。早在五六或十年甚至以前，一些国家就已经进行着手于移动机器人的研究了。移动机器人所需要研究的内容真是太多了，它包含了许许多多的复杂性内容。第一，在设计全方位移动底盘之前你要认真的去想到底要选择何种方式作为移动方式，在现实市场中主要有轮形式的、腿形式的、履带形式的这几种，在水下进行工作的机器人基本上都采用推进器。第二，要仔细的去思考如何去实现对驱动器的控制，让机器人达到理想的运动状态。第三，智能全方位移动底盘为了能更好的进行工作必然需要导航系统，所以在这方面要思考的内容就非常的多而且也复杂的多，不仅要考虑到传感融合，机器人工作时要进行特征提取还有障碍物避碰等影响。从以上所述的来看，移动机器人是一个拥有特别多功能的复杂性系统。从各个国家对移动机器人所深入研究的复杂内容来看，我们发现了太多新的具有高难度的理论知识和工程技术难题，它引来了许多专家和工程技术职员的关注，更因为它有着比较多的应用场合，如军事探察、探雷除危、核能、去污等危险和恶劣坏境，使得对它的研究成为国际上的焦点。国外在这方面的研究比国内要早很多，不论机器人是在实际工作中的应用还是在机器人复杂的核心技术研究这一层面，做的非常好的国家就是日本和美国了。曾在某篇期刊上看见美国的一个科学委员会就对于这一行业有着一个预言:“在二十世纪中各个国家军械库里的坦克就是他们战争会使用的一个核心武器。为了避免战争中自己人的伤亡和作战指令的迅捷化所以他们的核心武器都将采用无人作战系统，因而在 2000 年以后无人作战系统将会被每一个国家采用并实行”。所以从八十年间开始，美国国防专门为此制定了实地无人作战平台的战术计划。因此，在全世界每一个国家都极力的去发展和研究户外型移动机器人。一开始他们对户外机器人的研究项目主要是从两个方向进行，一个是在系统结构方面还有一个就是信息处理方面，由此他们也为了这个项目开发了一个验证机器人的实验性系统。虽然机器人的功能有很多，但依然满足不了人类对它的需求，这样就导致了室外机器人还远远没有达到人类理想的期想，但是使得关于机器人的技术研究得到快速的发展，从而进一步为人类研发制造智能机器人的道路积累了十分宝贵的经验，由于这方面经验的积累也使世界各个国家对机器人的研究发展起到了一个较大得推进作用。许多年以后，世界在发生变化人2类也在进步使得科学技术发生质一样的飞跃，移动机器人慢慢在现实的基础上开始崭露头角，在各个应用领域实现了快速的发展，向实用化、理想化迈进。地面移动机器人的种类繁多，可以解决用户对移动机器人需求的多样性。虽然移动机器人这个行业在现有的市场中没有形成较大的规模，但庞大的市场需求使得移动机器人行业发展前景一片光明，为使这个产业形成一定规模有一个非常重要的因素就是要实现标准化，为使移动机器人达到理想的预期目标本文提出了移动底盘系统结构和验证样机作为移动底盘标准化并加以实现。1.2Mecanum 轮的现状瑞典的 Mecanum 轮 AB 公司的工程师 BengtIlon 在一九七三年创造出了Mecanum 轮。之后， Mecanum 轮机器人的运动学模型是 Patrick Muir 用矩阵变换的方法设计创建出来的，并且该模型主要应用于导航、车轮打滑检测和反馈控制算法设计中。目前，Mecanum 全方位移动技术在国内的研究基本上还都停留在理论和实验这两个阶段，国内的一个企业中船重工 713 所研发出船用铲运车和转运车也是基于 Mecanum 轮的，但商业应用还没有大规模的进行。主要还是因为该技术对制造精密度要求比较高，加工难度也是比较大的。1.3 全方位移动机器人的发展趋势（1）与人类平时日常的生活和工作更为紧密的联系起来，主要以为给人类带来更多的辅助为主要的目的。也许过了多年后，每一个家庭都会拥有一种智能型机器人甚至会拥有的更多，这些机器人可以帮你完成很多的工作，比如灯光感应、家里的垃圾清理、洗碗、拖地等都可以由他们来替你完成，不仅可以大大的节约很多时间放在工作上，而且还能缓解在家中的劳累以减轻压力，让你更好的享受优质的生活。在我们的国家机器人的应用也有很多，大部分年轻人都有过从网上的购物经验，当我们每下一个订单，店家都会使用机器人来为我们从仓库中取出对应的物品。（2）模仿性的大趋势，最初的机器人都是模仿人的有手有脚有头等。其实机器人的形状还不仅仅是类似于人的，它也可以是一些小动物，比如做成狗形状、猫形状、马形状、鱼形状等。不同形状的机器人用途也是各有千秋的，马形状的就可以用于电影的拍摄，如某些场景不合适用真正的马去拍摄，和演员替身是一样的道理，这个机器人马也相当于一个替身，这时候它的作用就体现出来了。31.4 课题设计的内容与意义本论文从实用的角度去设计一种全方向的机器人移动底盘，设计一种可用于家用或物流搬运的移动型机器人移动底盘，在查读一定的材料和文献进行基本认识后，把设计的底盘技术难点、采用何种结构、材料的选用为研究重点。机构以轮式结构进行运动，可以在比较平整的路面进行正常的工作并能实现全向运动。设计的内容有：熟悉市场中出现的机器人移动底盘的结构，它是如何进行工作的原理是怎样的，把它们的优缺点找出来。最终在这些的基础上设计出一个可以完成的方案。42 全方位移动底盘的原理及其总体设计 2.1 零件设计的主要要求 进行移动底盘设计时在机械结构方面主要有两个方面的设计要求，一个是要对机器整机进行一个实用的设计，另一个是对组成这个移动底盘所需要的零件的设计，虽然它们的作用不一样但它们的存在会相互联系和相互产生影响。 我们设计机器时对它的使用功能也有一定的要求，首先所设计出来的东西肯定是要实现我们所需要的功能。除了上面所说的功能要求之外还要求产品操作简单快捷、 工作效率要高、重量轻以便于携带、从外观看要具有一定的美观等。其次在设计产品时要严格控制好设计和制造的成本。在对零件进行研究制造时要按照它的主要要求来设计。在机械制造学科中，我们都知道构成机器最基本的部件就是机械零件，所以零件设计时采用的准则也是机器的设计的要求，对一个产品设计不仅仅是从功能要求出发和成本达到理想要求这两方面考虑同时也要满足机器的正常使用。 设计出来的产品必须要满足在一定的年限内可以进行正常的工作不允许存在重大的问题，这样就可以使机器的功能满足人类的需求按照所接收到的指令正常工作。为了达到上述的要求所设计的零件也要达到相关的标准，所以零件要满足一系列的高标准，如零件的强度非常高、零件的刚度也非常高、零件的震动稳定性也要更好等都要达到这种高标准，这些很优秀的标准可以判断一个零件是否工作性能好。在零件设计和制造时既要满足良好的工作性能要求同时也要尽量减少零件的生产成本。这就要求我们在设计时要合理，正确的选择材料和毛坯构造式样、组件的结构要合理、零件加工的公差等级也要合理的选择以及仔细认真的去考虑零件采用的加工技术和装配工艺等，另外机器的零部件设计时也要采用部件的标准化、部件的系列化和部件的一般化。机器工作时动力就是由动力机提供，像内燃机、气轮机、电动机、电动马达、水轮机等就可以直接用原生态资源（也称为主要能源）或二次能源转换成机械能。机器的执行机构一般来说都是工作机，基本上都是用来实现机器的动力和运动能力，比如工作机就是机器人的终端执行器。一种可以实现能量传递转换和附带其它效果的传输设备。52.2全方位轮式移动机构的设计2.2.1 设计移动机器人主体时应遵循以下设计原则： （1）机器人本体的总体结构应比较容易拆卸下来，不仅方便于平时的实验，而且调试和修理都可以很容易的去完成。（2）在设计机器人的过程中，应给没有安放的传感器和功能部件等预留一定的空间位置，以备后续功能的改善和扩展做准备。全向轮式机器人三个自由度的运动分别是垂直、水平和旋转。（3）相比其他移动型机构相同条件下车轮式的移动型机构的特征十分显著的有下列所述的优点：可以进行高速并且稳定可靠的移动，高能量转换和利用机构整体的控制结构比较简单，现如今汽车制造行业的技术和经验已经十分的发达和完善了，而且它可以从中获取一定的技术和经验等。但是车轮式移动型机构最显著的缺点就是移动只能在平面上进行。因此，大部分机器人工作的地方，除了一些非常特殊的地面和高低不平的山脉等自然环境外，基本上都是人们自行建造出来的单位。所以从这个层面上来说，车轮式移动机构其实可以说是有着非常高的使用意义。图 2-1 显示就是全向轮式移动机构的示意图。在预期设计轮式移动机构时要求零半径可以回转、速度可以调控且还要便于控制。所设计机构上车轱辘的转动和转向都必须是单独操纵的，全方位移动机器人的前后轮都采用成对驱动来控制转向，要实现全方位运动及控制每个轮的转动来实现。图 2-1 全向轮式移动底盘机构示意图62.3 轮式移动底盘的总体结构图图 22 Mecanum 轮移动底盘2.4Mecanum 轮的关键技术2.4.1Mecanum 轮的介绍图 2-3 Mecanum 轮的具体结构7从上图中可以很直观的看出有若干个辊子以一定角度呈斜向分布在它的轮边上，所以轮子才可以进行横向移动，图片中的辊子的母线形状都比较怪异。当安装在定主轴附近的车轮转动时，图中各个小轮子的包络呈现出一个圆柱型表面,所以 Mecanum 轮可以连续不停地向前面进行滚动。移动性好和安全性高是 Mecanum 轮的优点，因此它是一种很棒的全向轮。将四个这种轮子加以排列组合，这样就可以实现机构全方位进行移动。2.4.2Mecanum 轮的设计研究图 2-4 实体图从上图 2-4 中所示的 Mecanum 轮可以看见，它是由一个轮毂和一个非动力滚轮组成的并且安装在轮毂外缘上与轮毂轴线也是呈一定角度的，无动力滚轮既可以围绕轮毂轴进行公转运动，也可以完全依靠地面的摩擦力绕各自的支撑芯轴进行自转运动。有轮毂轴的组合速度和公转和旋转的方向有一定程度的夹角，而这个根本原因也发生在全向运动的运动学上。因为由若干个辊子组成的 Mecanum 轮的轮圈，所以为了让 Mecanum 轮工作时的运动更加的稳定，轮圈上的各个辊子的包络面最终呈现出一个圆形的面。辊子曲面最终所设计成这样的目的也是为了这个。8根据理论设计圆柱从而生成了 Mecanum 轮辊子的曲面，由下面的图片 2-4-3 所示可以看出:点 A 以等速率在轴 z 的上面进行移动，同时也以等角速度绕着轴 z 进行旋转运动，当运动到点 B 之后; 点 A 在圆柱面上的曲线形成的运动路线线段 AB， 夹角是 AB 直线与轴 z 之间所形成的一个角度，Mecanum 轮的辊子曲面是由 AB 曲线段绕 AB 直线段进行旋转一周形成的。当三个参数W、 确定时，唯一确定的就是辊子曲面。图 2-5 辊子的理论设计圆柱在设计时给定并选取了三个参数 即 w、r 和 ，辊子旋转曲线轮廓是根据辊子曲面设计理论通过大量的计算出来的，如图 2-5 所示，然后选取最小截面直径，是根据辊子在 Mecanum 轮所安装的方式来确定的。根据移动底盘的承载重量 30KG，按市场中一般选择直径为 280mm 的轮盘。选定的参数，生成圆柱厚度 W=85 mm，生成圆柱半径=60mm，辊子偏置角 =45 ，最小截面圆0直径 D =20mm，最大截面圆直径 D =100mm，辊子长度 L=180mm。min max9图 2-6 辊子曲线和立体图图 2-6 左边是圆柱厚度为 85，半径为 65 的辊子曲线，右图是辊子 Mecanum轮的立体图形。不管什么时刻只有 1 个滚轮与地面接触时，即 =1 的，在某一个时间，如果有 2 个滚轮与地面同时接触时， 的值是介于 1 和 2 之间的。2.4.3Mecanum 轮的材料要求为了将 Mecanum 轮设计成在滚轮表面的高摩擦系数并且改善 Mecanum 轮运动的平滑性，必须在滚轮的的外表面上加一层弹性材料。这种弹性材料要具有机械强度高、硬度度高、耐磨性能好等优点。(1) 硬度: SHORE A20 至 SHORE A90 这一区间为橡胶的硬度范围，SHORE A95 至 SHORE D100 这一区间为塑性材料的范围。(2)机械强度：聚氨酯弹性体在有高硬度的同时也保持了良好的橡胶回弹性，所以它的承载能力也是十分高的。(3)耐磨性能：该材料的耐磨性能大概是天然橡胶的四五倍。(4)耐热和耐氧化性能: 聚氨酯弹性体长时间连续不断使用在空气中的温度极限是 到 90 之间，短时间内使用的温度可达到 120 。80C C102.4.4 辊子校核挠度： (2-7)32348LdEIPLf确定公式各参数：mm4 （2-8)744 105.36206DIa式中：I a表示为辊子截面的惯性矩。查表得：kgf52.9710aPkgf/m6.ED=20mmL=180mm得： （2-32348LdEIPLfa9） 081. 18024-810976.30623497 35 （2-8Lfa10）因为 ，所以辊子刚度满足要求。af2.4.5 辊子强度校核危险截面直径 D=20mm，是辊子最小截面直径，因此只需校核此处。11kgfmm （2-7235.4910aIPM11）kgf/mm2 （2-7max32IDW12） mm3 533 107.20DW（2-13 ）式中 W表示 为抗弯截面系数。kgf/mm2 049（ 2-max3.71sIn14）所以安全，强度校核达到条件。123 螺纹连接3.1 螺纹连接的基本类型3.1.1 螺栓连接一般常见的螺栓连接如图 3-1 所示。在被链接件上都设计了通孔，插入螺栓后在螺栓的另一端把螺母旋上。这种链接结构的特点是被链接件上的通孔和螺栓杆之间会存在一定距离的间隙，通孔在设计加工时的加工精度要求相对比较低，并且它的整体结构也是比较简单的，因此不管是安装还是拆卸都是比较方便的。在使用时被连接件的材料可以是任意的，并不受到材料的局限性，所以它应用得地方是比较多的。图 3-1b 是铰制孔用螺栓连接的。孔和螺栓杆基本上多采用基孔制过渡配合 。67、 nHm这种连接可以能准确固定被连接件的相对位置，并能承受横向载荷，但孔的加工精度要求较高。13图 3-1 螺栓连接3.1.2 双头螺柱连接如图 3-1a 所示，这种连接适用于结构上不能采用螺栓连接的场合，列如被连接件之一太厚不宜制成通孔，材料比较软，而且需要经常拆装时，往往采用双头螺柱连接。3.2 螺栓的选取根据麦克纳姆轮的承载力，底盘摩擦系数 0.15，承载重量 30 KG，移动速度 1.5m/s。选择螺栓材料为 Q235、性能等级为 2.6 的螺栓，查机械设计一书表得该材料的屈服极限 =240M ，安全系数为 1.5，所以螺栓材料的许应力：saP（3-3）aaMPS1605.24根据下式可以得出螺栓危险截面直径是：14mm （3-4 ）6.12014.379.1421 Fd按标准（GB/T196-2003），选用螺纹公称直径 d=16mm3.3 螺栓连接强度计算螺栓组一般所承受的载荷有轴向载荷、横向载荷、弯矩和转矩等。对于每一个使用的具体螺栓来说，它们的受载形式基本上只有两种，一种是受轴向力，还有一种就是受横向力。在轴向力同时也包含预紧力的作用下，螺栓杆和螺纹部分有可能会产生塑性变形或者断裂；螺栓连接很少会因为静载荷的存在而产生损坏的，只有在严重超重的情形下才会发生损坏，往往螺栓损坏的原因就是因为疲劳破坏。因为疲劳破坏而产生的断裂往往是螺纹的根部，有的时候也会发生在螺栓头与光杆的交界处。紧螺栓进行连接装配时，螺母应当旋紧，在旋紧力的作用下，螺栓除了受到预紧力 的拉伸而产生拉伸应力外，还受到螺纹摩擦力矩的扭转而产生扭转0F切应力，使螺栓处于拉伸和扭转的复合应力状态下。所以当紧螺栓只承受预紧力时，计算强度要考虑这两种力的作用。螺栓危险截面的拉伸应力是：（3-aMPdF6.120471205）式中： F工作拉力；螺栓危险断面直径；1d螺栓材料的拉应力。对于 M10M64 普通螺纹的钢制螺栓，取1.08、 （3-04.1、70tan2dv，05.tan6）由此可得：（3-5.07）因为螺栓具有塑性的特性，所以依据第四强度理论，可以算出螺栓在预紧状态下的应力是：15（3-83.12ca）当普通螺栓连接承受横向载荷时，因为在预紧力的存在下，将在接触面产生一种摩擦力来抵抗工作载荷。这时，螺栓应该只是承担预紧力，而且预紧力是不会受到工作载荷存在而变化的，预紧力 F 的值是可以根据接触面但不产生移动的条件确定。螺栓危险截面的拉伸强度条件为：MPa (3-9)16043.12dca这种紧固栓依靠摩擦力来承受工作载荷的连接，它要有比较大的预紧力，否则螺栓的整体结构尺寸会因为这个原因而增加。除了这个之外，螺栓在震动、冲击或者受到的工作载荷变化的情形下，由于摩擦系数 f 的值会存在一定的变化，这样会使螺栓连接的可靠性会减少，从而导致零件的掉落。4 结构设计4.1 满足系统驱动性能的结构条件对于四轮系统要应用到机器人市场中来说，机构不但要满足运动学这个条件，而且机构还要具有良好的驱动性能和控制性。为了降低整个系统的设计制造成本，最初设计的所有 Mecanum 轮辊子偏置角采取的数值也是一样的，而且必须对称设计轮子的结构，安放时的方法是采用一个正放另一个反放，这样我们就可以得到两种辊子的偏置角大小相等而方向相反。除此之外，通常采取的轮结构布局形式是四个轮子关于车体几何中心对称，这样就可以实现各轮的载荷分布均匀和系统支撑结构稳定的优点。即便这样去设置，但四个轮子体制的设计结构形式还不止这些。不一样的结构形式16的布局，很明显它们也有着不一样的的驱动性能。在某个运动方向上 Mecanum轮有一个比较大的缺点就是存在欠驱动现象，所以设计系统驱动性能时有它的基本要求即：（1）在三个自由度的方向上，系统的所有四个轮都是驱动轮，则该系统工作良好。（2）就算系统有欠驱动，欠驱动的方向也应该设计在不太重要的运动方向上。4.2 麦克纳姆轮布局结构形式选择（1）下面就介绍六种比较常用且具有象征性的四轮系统构造形式，如图 4-1 所示，图中阿拉伯数字 1、 2、 3、4 的方框就是代表四个轮子，每一个轮子触碰到地上时辊子偏置角方向则是方框中的斜线。在表 1 中计算与六个布局和系统的结构参数相对应的逆运动学雅可比矩阵的秩等级 R 值。（2）能否满足全向运动是运动学特性选择系统结构形式的必有条件。从下面表格 1 可知：以下 6 个图中只有图(a)，图(b) 、图(d) 三个逆运动学雅可比矩阵秩排名（R）= 3 满秩，即广义逆阵。雅可比矩阵在其于三种构造样式中都不是满秩的，所以系统中一定存在奇异现象，从而使得移动底盘在一定方向上不能实现全向运动。从 3 种矩阵不满秩的情况中，可以看到它们的共同特点是：这些滚轮都是安放在 Mecanum 轮上的同一个方向上的，所以该系统就不能实现全向动作。（3）结合系统传动性能选择，选择满足系统运动学要求的三种结构类型的动态性能描述如下：在如图 4-1(a)设计结构形式中，当四个轮子的布局方式为正方形，当辊子偏置角都为 45 度时，这样会使系统失去了 。原因在于采用了固 定 轴 旋 转 能 力，因为四个轮子的 v1, v2, v3,v4 速度方向 在一正 方 形 布 局 构 造 样 式 和 运 动 中 心条直线上，不管各个轮子的速度值进行怎样的变化，它们都没有办法绕着 O 点进行转动。所以该系统就没有办法完成全向运动。尽管布局结构系统逆运动学雅克比矩阵的秩曲线等于 3R 且排列满，但他依然是有限的。所以它不是最优的结构。如图 4-2(b)所示的结构，系统不但可以进行全向动作，而且系统的驾驶性能很好，所以这种设计结构样式是最优的。因此选图 b 作为基本结构。17图 4-1 几种常用四轮结构布局形式图 4-2 构造形式的全向运动图全方位运动系统的轮组有很多种设计构造样式，而不是每一种设计构造样式都可以进行全向动作，系统逆运动学雅克比矩阵是否列满秩是判断一个系统可以执行全向动作性能好坏的必要条件。即使满足一定条件后，最佳结构设计的样式也必须根据系统的驱动性能来选择。4.3Mecanum 移动底盘的电机的计算与选择因为直流电动机拥有着良好的调速平滑、易于进行快速启动、比较容易控制和优异的动态特性等的优点，所以它一直是调速控制市场的佼佼者。虽然市18场中电动机的种类越来越多，但是在令人眼花缭乱的调速控制电动机市场中直流电动机依然是这个产品中的领跑者，直流电动机的应用前景也是十分庞多的。底盘摩擦系数 0.15，承载重量 30KG，移动速度 1.5m/s。选择电动机的功率计算：移动底盘的受力图如图 4-2 所示：移动底盘所需的牵引力：（4-WfaF3） sinmgFW（4-4）（4-cosmgf5）式中 底盘移动需要的牵引力；aF因自身重力而产生的阻力；W底盘移动所受摩擦力。F图 4-6 全方位移动底盘的受力简图则有：（4-cossinmgFa7）：摩擦系数 ：最大爬坡的角度（据课题要求 可以按 0 计算）则机器人在水平面上运动的功率为：（4-WVFPa 15.68.93015.198）传动装置的总效率： （4-2BG9）传动效率：（4-7.0G10）滚动轴承效率：（4-97.0B11）代入得到：（4-8.212）所需直流电机的最小的功率：（4-WpPw 2.68970/15.6/13）启动时的力：（4-Nmguf 05.22893015.20 14）启动摩擦力矩：（4-MNdfT 4.62580.21015）通过以上的比较和计算，决定选用 VTV YN70-15C 型可调速电动机（4-mDC8.1504.316）（4-in/815rsVN17）式中：C 底盘大轮的周长；D底盘大轮的直径；20N可调电动机的转数；V底盘的移动速度。所以为了满足底盘的移动要求，可调速电动机的转数决定控制在 50r/min。5 轴和滚动轴承5.1 轴直径和长度的确定当零件在轴上的位置明确之后，轴具体的表面形状也基本上随之确定。轴直径的数值是根据工作时传动所承受的负载数值大小有关。在设计轴的结构之前最主要的是计算出传动时所受到的扭矩，所以可以根据扭矩的数值大小来进一步算出轴的直径数值。首先计算出轴作为承受扭矩轴段的最小直径 ，最mind后再根据零件在轴上安放的具体位置按标准选取轴的直径。根据扭矩强度计算：（5-TTdnPW32.0951）式中： 扭转应力；TT 轴的扭矩；轴抗扭系数；WN 转动速度；P 传递功率；D 轴的直径；可用扭转应力。T根据上式可就算出：(5-2)19.26m=502.06892.09533 nPdT所以根计算结果轴的直径取 20mm。根据轴上零件的安装，即辊子长度和辊子支架的厚度然后按标准选取轴的长度为 280mm。5.2 轴的校核已知轴的直径为 D 为 20mm。21（1）转矩： N.m10265T（2）求圆周力：（5-2603dFt3）（3）求径向力：（5-4586N=2016TanTanFtr 4）（4）定跨距测跨：=65； =78； =431L23L（5-N478786032 FRbh5）N （5-121BHtDHF6）（5）垂直反力：N （5-3.29564785632LFRrDV7）N （5-71DVrBVRF8）5.3 当量弯矩（1）水平弯矩：N m （5-3.49784LRMBH 9）（2）垂直面弯矩：N m （5-121BVV 10）N m （5-.632LRMDVV11）22（3）总弯矩：N m （5-3221094.HVMM12）（4）扭矩：取 =0.6 得=0.6 1.26 10 =7.56 10 N m （5-13）T54（5）计算当量弯矩：N m （5-32210.8TMca14）5.4 轴强度校核（1）抗弯截面系数：mm （5-7852033dW315）（2）抗扭截面系数：mm （5-15702WT316）（3）弯曲应力：MPa （5-02.5WMb17）（4）剪切应力：0.8MPa （5-TW18）轴的材料为 40Cr，查文献得：MPa， ， MPa 应力集中系数 ，685BMPa3513513.1（5）材料敏感系数： ， 8.0q84.0q（5-9k19）（5-3.11q2320）（6）尺寸系数： ，6.08（7）轴表面质量系数： 92.0（8）材料特征系数： ，.3 取 0.120.1 取（5-1597.6092.mSk21）（5-11852.908.32940.40.6mSk22）则： （5-2229.708.791.5.caSS23）所以安全。5.5 滚动轴承概述 在现代机器中，滚动轴承是最常用且应用场合比较多的一个部件，它的工作原理是依靠主要元件之间的滚动接触来进行支撑转动零件的，如今市场中很大一部分的滚动轴承已经实现了标准化，比较常用的滚动轴承是由一些专业性强规模大的工厂进行加工制造的并供应给市场。滚动轴承的优点是比较多的，如在进行旋转运动时它的旋转精度比较高，启动时所需要的的力矩是比较小的，种类多选择性比较高。滚动轴承的主要结构 3 和保持架 4 等部分组、 滚 动 体它 是 由 内 圈 1、 外 圈 2成。用来和轴颈部分接触安置的部位是轴承的内圈，和轴承座上的孔接触安置的部位是外圈。一般情况下轴承在工作时主要是内圈和轴颈是一起进行旋转运动的，外圈通常是不进行转动的，但有时候在特殊的情况下可以是外圈进行旋转运动，内圈不进行旋转运动，二者也可以同时进行旋转运动。当内外圈保持相对运动时，它们之间的滚动体是沿着滚道进行滚动的。