说明书-两轮机器人的行走机构设计

有CAD图纸和说明书,领取加Q 197216396 或 11970985 图书分类号：密 级：两轮机器人的行走机构设计TWO WHELLED ROBOT WALKING MECHANISM DESIGN2摘要随着科技的发展和社会的进步，人们的出行方式越来越多元化，双轮平衡车这种灵巧类短途代步工具已越来越多地进入人们的视野。本文旨在对双轮平衡车的行走机构进行研究设计，并开发出站立或者坐式两种工作状态，为腿脚不便的残疾人提供灵便的出行方案，可以说有很好的研究价值和前景。多功能双轮平衡车由踏板、车把和两个平行的轮子和一个可拆卸的座椅组成。内置了无刷永磁电机，锂电池安装在电机下方，控制电路分布于底盘以上，踏板以下。双轮车的平衡保持主要依靠姿态传感器（陀螺仪、加速度计）来传递信息，传给CPU后，处理器会算出适当数据，并发出相应的指令，驱动电动机接到指令后，会产生相应的转速，再通过轴和联轴器传给减速器，减速器再传给车轮，车轮通过正转反转来保持平衡。车体的转弯通过车把的左右倾斜角度来控制，不同的倾斜角度对应电机不同的速度差。当然在安上座椅后，平衡车会自动切换另一种较为安全的驾驶模式，以便残疾人安全使用。该系统灵活性强且结构简单、操作容易，是老少皆宜的出行散步的代步工具。 另外，在行走机构中，将采用磁力机械提高传动效率，增加平衡车的安全性和可靠性。 关键词 行走机构；自平衡；加速度计；磁力机械 AbstractWith the progress of society and the development of science and technology, the way people travel more and more diversified, dexterous two wheeled balancing car this kind of short distance transport has increasingly entered peoples vision. This paper aims to travel mechanism of balancing two wheeled vehicles were designed and studied in this paper, and develop a standing or sitting two working state, provide a handy travel program for people with disabilities in a cripple, can be said to have very good research value and prospects.Multifunctional wheel balance car is composed of a pedal, handlebar and two parallel wheels and a detachable seat. The wheel of the wheel motor is arranged in parallel with both sides of the pedal, and the power supply and the drive control circuit are installed under the pedal. System with attitude sensors (gyroscopes and accelerometers) to monitoring of the body in which the state space and state change rate, through high-speed central processing unit to calculate the appropriate data and instructions, driving motor forward or backward acceleration to achieve the body front and rear balance effect. The body turns through the handlebar control from the angle of tilt, tilt angle corresponding to different different motor speed difference. Of course, after the placement of the seat and the balance of the car will automatically switch on a safer driving mode, in order to use the safety of persons with disabilities. This system is flexible and has the advantages of simple structure, easy operation, can be used as the mass transport in a variety of occasions.In addition, in the running mechanism, the use of magnetic machinery to improve transmission efficiency, increase the balance of the safety and reliability of the car.Keywords Walking mechanism Self balancing gyroscope Magnetic machinery4目 录摘要3Abstract4目 录51 绪论11.1 课题背景11.2 双轮自平衡机器人分类21.3双轮机器人研究概况31.3.1国外研究现状31.3.2国内研究现状41.4多功能双轮车的研究目的及意义51.5本文主要研究内容61.6 本章小结62.两轮机器人的总体设计72.1两轮机器人的工作原理72.2电动机的选择82.2.1直流无刷电动机的调速102.3减速器的选择122.3.1减速比的确定122.3.2 减速器型号的确定122.4磁力机械在双轮机器人中的应用142.4.1磁力联轴器的设计142.5本章小结153行走的机构设计与计算163.1悬挂系统的设计163.2轮胎的设计与选择213.2.1车轮的选择223.2.2轮胎的选择233.3底盘结构设计233.3.1 底盘的外形设计243.3.2，底盘的材料选择253.4本章小结264 控制系统设计概述274.1 控制系统的组成274.2 控制电路的设计28结论30致谢32参考文献3361 绪论1.1 课题背景科技是第一生产力，机器人已经成为一种新型的生产工具，应用范围已经越来越广，几乎渗透到各个领域。机器人在减轻人的劳动强度、提高劳动生产率、减少作业危险性等方面都显示出极大的优势。由于机器人要代替人力进行作业，根据代替的部位可以把机器人主要分为两大类：操作机器人(手)，即利用等同于手臂的机械手、相当于手指的手抓来移动物体；移动机器人(腿)，即步行机器人或用车轮进行移动的机器人0移动机器人由于它的广阔应用前景，已经成为该研究领域的一个重要分支。其移动方式主要有轮式、履带式、腿式、推进式等。其中轮式机器人由于具有结构简单、成本低、能量利用率高等特点，已经成为机器人的一个重要研究方向。0 轮式机器人在工作中可能会遇到工作区域狭窄、路面不平、需要经常转向等复杂的工作环境，如何在这样的环境里灵活快捷的完成任务，使机器人不但能够适应特定的环境，还能在动态变化的复杂未知环境中体现出高度的灵活适应性，成为一个值得重点研究的课题。 在这样的背景下两轮自平衡机器人应运而生。两轮自平衡机器人的行走机构由车轮，电机，悬挂，轴承等部分组成。其中两个车轮位于同一轴线，分别由两个直流伺服电机独立驱动，通过运动保持动态自平衡。其中，驾驶该平衡车的人与该系统组成一个整体，换言之，人也是这个机器人的一部分，通过人的动作和重心变化，才能实现车的智能化行走。与传统的轮式移动机器人相比，两轮自平衡机器人具有很多优点： 1. 转弯半径为零：机器人绕本体中心旋转，有利于在狭窄场所改变方向，可以在小空间范围灵活运动，移动轨迹更为灵活，弥补了传统多轮布局的缺陷；2. 无刹车系统：由 CPU 自动给出正反转力矩，从而达到快速稳定的刹车效果；控制方便，只需要身体向运动相反方向倾斜，便可停止。前进后退自如； 3. 驱动功率减小，为平衡车的长时间运行提供支持； 4. 特殊的应用场合：可应用于步行街、广场、游乐场和大型会场等汽车无法通行、步行又太累的场合，既减少污染又解决交通堵塞问题，并且还为环保轻型车提供了一种新的思路。 由于结构特殊，两轮自平衡机器人体积小、质量轻、运动灵活、适应地形变化能力强、方便地实现零半径回转、适于在狭小和危险的工作空间内活动、能够胜任一些复杂环境里的工作。此外，由于微电子技术、计算机技术、控制技术、电源技术、驱动技术、传感器技术的不断进步，为两轮自平衡机器人技术提供了坚实的理论基础并极大的降低了研制成本，有力地推动了两轮自平衡机器人由理论研究向工程实践发展。0 1.2 双轮自平衡机器人分类两轮自平衡机器人种类繁多，它的典型应用有代步工具、通勤车、空间探索、战地侦查、危险品运输、智能轮椅、多机器人合作、足球机器人等方面。但为了更进一步地理解两轮自平衡机器人的本质，还需根据机器人的特点进行分类。依照控制系统的传感器的不同，可以分成单一传感器与组合传感器两种。单传感器一般采取陀螺仪方案，通过光电或红外接近探测器利用处理传感器测出仰角，该法简单但精度低且易受干扰。所以，此类机器人工时短，功能少。而组合传感器类的双轮平衡车，由于采用了加速度计、倾角计等多种定位仪器配合使用，可以提高精度，降低成本。因为它算法复杂，故需要对滤波器进行精确调校。根据双轮机器人的结构变化，质心位置是否可变，可分为两类：定质心和变质心。定质心机器人是研究两轮平衡车的基础，因为它的质心不变，控制起来相对简单，自平衡更容易实现；但是质心不变会导致其他结构也不能改变，功能扩展方面较困难，限制了该类机器人的发展。变质心一类，由于质心可变，辅助功能模块就可以变化，可以方便搭载乘客、运输物品。今后两轮自平衡机器人的研究趋势是朝着变质心的方向发展的。按照双轮机器人的结构形式，可分为倒立摆（集中）式和质量均布（堆叠式）。倒摆式的机器人质量主要分布在摆杆顶端和车轴上，如果摆杆厂的话，设计的时候可以参考倒立摆的研究成果，但对于功能的拓展，有一定的局限性。除此三种分类以外，根据滤波器又可以分为硬件滤波与软件滤波；还可以根据倾角测量的不同方式，分为直接和间接测量两类； 根据功能差异分为服务型、研究型和玩具型。为了更直观更系统，也可以采用图表表达，双轮自平衡车分类如下表1-1所示表1-1双轮自平衡车分类表质心位置系统结构感知系统定质心倒立摆式单传感器式组合合传感器式质量均布式单传感器式组合传感器式变质心倒立摆式组合传感器式质量均布式 1.3双轮机器人研究概况最早提出双轮机器人构想的是日本科学家，1987年便申请了专利。后来，美国、瑞士和法国在系统设计与实现，自平衡，运动规划等方面取得进展，并取得很多研究成果。国内对双轮车的研究起步较晚。2006年左右才开始兴起，主要是中科大，北理工等高校参与研究，如今，方兴未艾。1.3.1国外研究现状【更多毕业设计，Q380615448】【代做毕业设计，Q380615448】2002年，segway公司创造首辆自平衡双轮车，名噪一时，该车速度最快可以达到20km/h如图1.1所示。Segway有五个陀螺仪，有两个是备用的，主要说的三个用来检测前后左右的倾斜。它们收集的信息传输给主控芯片。该芯片运算效率是一般电脑的3倍。在最高中枢，“直觉软件”会当场分析各类信息。从而调整电动机转速。它的出现可以说是出行方式的一场革命，seway迅速成为行业内的标杆，其平衡方式，控制系统，行走机构等方面成为各个研究机构争相研究的材料。它采用传感器，利用倒立摆的原理创造性的设计出了可以零半径转弯的两轮交通工具。图1-1 自平衡双轮脚踏车segway2007年，三洋电机发明了可依靠上体倒立来保持平衡的双轮机器人，叫“FLATHRU”，如图1-2所示，平地时最大时速30cmS，最大载重10kg，行走时间1小时。直流电动机的输出功率为90w，头部有两个。为了感知上体的平衡状态，采用用了1个3轴加速度传感器和3个陀螺仪的传感方案。图1-2 机器人FLATHRU2014年，日本Tohoku大学和Fukushima大学的研究人员研制出生活机器人。该两轮机器人多了操作手，因此可以进行辅助运动和搬运物体。通过关节连接处的上下摆杆改变机器人的形态。机器人的灵活运动是通过倒立摆保证的。它可以抓取物体，能够坐下，当然也可以自主站起来，可以说是双轮自平衡机器人迈向多功能化的一个巨大突破。1.3.2国内研究现状2003 年，中国科技大学屠运武、张培仁等成功研制了如图 1-3 所示的自平衡两轮电动车Free Mover。它的转弯半径为零，可以在狭小空间内灵活运动，无刹车系统，整车质量约 为30 公斤。驾驶者利用身体的前倾与后倾实现双轮车的变速。控制手柄的作用是原地转弯任意角度。最高时速可达 10 公里，续航30 公里。作者运用动力学的相关知识对系统进行分析，车体大角度变化问题与非线性控制问题是通过采用模糊自适应控制策略来解决。2015年，李勇，耿建平等人在双飞轮陀螺效应在双轮平衡车中的应用进行了研究。他们基于矢量动力学建立单飞轮自平衡动力学模型，基于PD控制理论推导出方程组，最后以该实验为基础，研制出双飞轮陀螺效应的自平衡车，以STM32单片机为控制核心，以智能手机为控制平台，以HC-06为车载蓝牙模块。实验验证了双飞轮陀螺效应的双轮车具有更好的平衡性和抗撞击性。2015年，河北联合大学的任红格，向迎帆等人研究了两轮机器人中内在动机的强化算法。就是利用内在动机信号作为内部奖励，模拟人类的认知方法并与外部信号一起作用于学习过程，同时采用自组织神经网络协助快速运算。这种算法可以使机器人在未知复杂的环境中通过自主学习最终达到平衡，体现了该算法的鲁棒性，在机器人智能化上迈出深远的一步。图1-3机器人Free Mover1.4多功能双轮车的研究目的及意义近年来，随着科技水平的提高，人们的出行方式也越来越多元化，双轮车，这个十年前在人们看来还是尖端技术的产品如今已进入寻常百姓家。但是我们不难发现，接触到双轮平衡车的大多是年轻人，对于身体不够灵活，协调性不够好的老年人甚至残疾人来说，双轮车只不过是年轻人娱乐的一种玩具。而事实上双轮车的存在就是为了那些出行不便的人提供便捷的行走方案的。为此，在普通的双轮车上增加可拆卸式座椅，制动装置，紧急求助系统等装置是很有必要的。而且多功能的存在可以提高双轮车的性价比。毕竟花大几千元购置一个成年人的“玩具”，大多数家庭是不会选择购买的。因此多年龄层可以共同使用的多功能双轮车具有很好的研究前景。另外双轮自动平衡机器人在学术上也有重要的研究价值，它是动力学研究和控制理论相结合的产物，在人及智能方面，对双轮车自动识别障碍并保持平衡的研究对鲁棒性的验证具有极其重要的意义。总而言之，双轮自动平衡机器人是理论与实践相结合的产物。既有理论研究的意义，又有实用价值。受到各国科学家的广泛关注。已经成为近年来炙手可热的研究项目之一。1.5本文主要研究内容本文的主要研究对象是双轮自平衡车，由于它本质不稳定，多变量，非线性，强耦合。再加上复杂多变的运行环境。控制任务也有复杂性。 由于专业和自身水平限制，本文主要从行走机构方面和控制系统方面进行研究。主要研究内容为以下5点：（1）通过分析近年来国内外双轮自平衡车的结构组成，给出较合理的几种行走机构方案，并择优选择。（2）对硬件进行设计，包括车轮的设计，电动机的选择，悬挂系统的设计，电机支架的设计，制动系统的设计等。（3）对各个部分的硬件参数进行分析计算，算出该车最大的可控角度。（4）多功能的体现，具体阐述该车与普通双轮车的不同之处，创新结构等。（5）对控制平衡的系统和电路进行简单设计。1.6 本章小结本章主要介绍了轮式机器人的发展历程，继而引出了两轮机器人的课题研究背景，接着介绍了关于两轮车的国内国外研究现状，对一般的双轮车系统进行分类，探寻出研究双轮车的目的，最后引出本文的研究内容。2.两轮机器人的总体设计行走机构可以说是双轮自平衡机器人的基础，多功能双轮平衡车需要承载更多的附加功能，因此需要对其行走机构进行具体的设计。比如由于多了座椅而需要增加电机功率。因为老人、残疾人的使用而需要增加的制动系统和保护装置。本章将具体介绍该车行走机构中各部件的设计与选择。2.1两轮机器人的工作原理多功能双轮平衡车与普通双轮车的不同之处在于它可以坐着开。通过座椅的拆卸和车把手的高低调整来实现站和坐两种驾驶体验。它的侧面结构如图2-1所示，静止状态下车身与地面保持垂直。行驶状态下，摆动的最大角度前后不超过30。 图2-1 小车倾斜示意图车未启动时，车轮和车身相对独立。也就是说，车身的前后摆动对车轮的状态是没有影响的。当双轮车启动后，小车有三种运动状态，需要合理的控制方法。基本原理就是当车体倾斜时，倾角传感器测出角度，控制系统根据倾角得出一个人相应的力矩，传输给电机，通过车轮转速的变化来保持平衡。当平衡车前倾时，车身重心在前边，为保持平衡，车轮向前滚动，以此来保证小车的平衡。同理，当后倾时，车轮向后滚动来保持平衡。当车身的重心在电机轴心线的垂直平分线上时，车身静止，无需控制。需要提到的是。当驾驶者坐在平衡车上时，车还未启动，车前倾，为保持平衡，脚踏板起到一个支撑杆的作用，当车启动时，脚踏板随之抬起，正常运行。多功能双轮自平衡车外形如图2-2所示：图2.2多功能双轮自平衡车外形示意图与一般双轮车不同的是，该设计增加了可拆卸式座椅，驾驶者可以体验站立或坐式两种驾驶方式，把手高度可调节，适应不同高度的驾驶人群。另外，因为有残疾人的驾驶模式，本双轮车增加了手刹的功能。在车停止时，通过手刹抱死车轮，车可以安全地停在原地，避免不必要的意外发生。2.2电动机的选择双轮车体积小，质量轻，一般采用锂电池供电，故选用直流电机。可以选择的电机种类有：直流有刷电机、永磁式直流无刷电机、电磁式直流电机、步进电机等。直流有刷电机控制性好，转动惯量的范围可以控制的很小，反应速度快，可以满足双轮平衡车对敏捷度苛刻的要求；另外，该类电动机调速快，范围广，满足了双轮平衡车的快速性要求；过载性好，机械性能过硬，可以达到轻松爬坡，通过障碍的目的；且其本身所具有的低速平稳性恰巧迎合了双轮平衡车对安全性的要求。但是，因为有换向器和电刷的存在，引起的了电机的可靠性不足，使用寿命缩短，这会严重影响双轮平衡车的实际使用。步进电机在数字控制方面性能较好，可以制动和反转、快速启动，抗干扰的能力也很强。但它也有自身的局限性，比如由于它的步距角被固定，灵活性大大降低，单步响应的过程中有震荡和过冲量，承载惯性负载能力弱，不利于双轮车的平衡控制。另外，该类型电机控制线路复杂，而双轮车结构小巧，电机空间更小，无法满足布线的要求。电磁式直流电机转速变化率小，电流恒定，转矩比普通电机大，满足双轮车的动力需求，可以提高双轮车在复杂环境下的灵活性。但是这类电机的空载率较高，启动电流大，对蓄电池的寿命有一定影响。同时抗干扰性差，不利于双轮平衡车的平稳运行。直流无刷永磁式电机没有换向器，无电刷，寿命长，有较高的可靠性，而且它无需励磁，功率因数接近1，转化效率高。它启动转矩大，启动电流小。可以说很好的满足了双轮自动平衡车的动力需求。现在，我们来通过计算对电机的具体型号进行选择：首先要对力矩与功率进行换算： 式(2.1) 式（2.2） 式(2.3)式中 P 功率，W； 角速度，ra/s;N 转速，r/min;M 力矩，N 双轮平衡车能承受的最大载重为200kg，最大运行速度为20km/h,根据所要求的加速度，可以估算出驱动力矩M的大小。根据要求的最大运行速度，并且考虑安全情况以及传动效率，可以计算出电动机的功率大致为： 式（2.4）式中 K安全系数；传动效率；车轮半径。所以，综合以上因素，且考虑到系统应用的需求，本车将采用额定功率400w、额定电压48v，转速2000-4000转的永磁式直流无刷电机作为驱动电机。它是由博世（BOSCH）公司生产的80BL89S40-445TFO电机。此类电机驱动力强劲，因此可以保证小车有足够的力来保持平衡。电机外形如图2-3所示。图2-3 博世直流无刷永磁电机2.2.1直流无刷电动机的调速调速，顾名思义，是在负载的状态下，使用一定的手段使电动机或电源参数发生改变，进而改变电动机的机械特性曲线，以此来改变发动机转速。调速有两层意思。一个就是“恒速”；还有就是在某以范围内“变速”。一般地，永磁式直流无刷电机和有刷电机的机械特性方程基本一致，以此类比，它们的调速方法相同，共三种：1.改变主磁通。通过改变电机磁通可以进行无极调速，但它有一定的局限性，即只能减弱，也就是说只能在额定转速的基础上向上调速，是一种恒功率调速的方法。但无刷电机的定子磁场一般是永磁铁产生的，故此种调速方法不适合无刷直流电机。2.改变中枢供电电压U。通过额定电压往下来调低中枢电压，调速也是从额定转速往下开始的，这种属于恒转矩调速，可以实现在给定范围内无极平滑调速。不可谓是一种好方法。3.改变回路电阻R。就是在电枢回路外串联电阻，通过改变阻值来改变电流，达到调速的目的。该法操作简单，设备简易，缺点是只能有级调速，不够平滑，空载时更是无法调速，且串联的电阻电能损耗大。所以，综上可知，直流无刷永磁式电机选取电压调速的方法。调节电压时要有专用的可控直流电源，故采用脉宽调制变换器运用到设计之中。此法又称为PWM（Pulse Frequency Modulation）。调试原理如图2-4所示。图2-4脉宽调制调速原理图图中符号解释如下：S开关是脉宽调制器，外加的电源电压默认为固定直流电压。当S闭合时，电流I通过S输送到电动机M；S断开时，电流中断，M通过二极管续流，电枢电压无线趋近于0。当S按照固定的频率开合，即S的开合有一定的周期性，那么，脉冲宽度也会随之变化，从而改变平均电压，实现调速。它的平均电压为： 式（2.5）式中：T脉冲时钟； t导通时间； DPWM电压占空比（0D1）。2.3减速器的选择在行走机构中，特别是电机与车轮组成的运动系统中，减速器扮演着重要的角色。减速器是电机和轮胎间一种动力传递和转化的机构，它可以增加输出扭矩、减小传出速度、匹配负载和电机的转动惯量的作用。因为在之前的设计中，选用了转速较快的电机，故需要选用合适的减速器来平衡掉减少的转矩和转子惯量。从而达到理想的运动效果。2.3.1减速比的确定通过查阅手册可知，联轴器传动效率，滚动轴承的传动效率为，行星减速器的传动效率，所以整个的减速部分的传动效率为： 电机的输出扭矩和减速后扭矩的关系式为： 式（2.6）式中：电机输出扭矩； 减速后的输出扭矩。经过计算，得出最小的减速比为i=10.85，当然，外界因素也会影响减速器，比如装配误差，加工误差，涂装误差等，因此减速比要取大一点，为不可预料的情况留足余量，所以减速比i取20。把减速比和电机的相应参数带入式（2.6），算出减速后扭矩为2.87Nm，最大扭矩为8.70Nm。2.3.2 减速器型号的确定本双轮车采用双马达独立驱动，并且双轮车的地盘尺寸有限，减速器的型号不同，它们的尺寸和安装方式也不同，一般情况下有三种安装方式：垂直布置、交错布置和直线布置。如图2-5所示。图2-5 驱动机构的排布方案由于双轮车对底盘对称性和稳定性的要求较高，故选择直线布置的方式。诚然，此类排布方式成本较高，但它具有的优点无可替代：（a）相同情况下，行星减速器的体积小，采用直线布置可以很好的适应双轮车底盘并不宽裕的安装空间。定轴减速器横向所需的空间大，错开摆放后又会增加其他零件的使用，会增加传动误差，而且清理灰尘的难度大。（b）行星减速器可承受的径向力大，可使结构整体性更强，密封严实，而定轴减速器的径向力作用在支撑点上，需要增加支撑结构来承受，因此占用了大量空间。（c）蜗轮蜗杆减速器在电力不足时会产生自锁，导致车轮无法正常旋转，影响双轮车的行驶，而行星减速器因为齿轮平滑，不会产生以上问题。（d）行星减速器噪声小，精度高，易于更换和修理。综上，虽然行星减速器价格高，但是瑕不掩瑜，诸多优点恰恰契合了双轮车驱动板块的设计，所以我们采用直线布置法。经过仔细筛选，并参考上边的计算结果与参数，我们选取了SEW公司生产的ps70行星减速器，其参数如表2-1所示。表2-1 PS70行星减速器性能参数表指标参数减速比20额定输出扭矩Nm44最大径向力N340最大轴向力N450抗扭刚度Nm/arcmin1.8最大输入速度/min6000额定输入速度/min3000平均寿命h20000续表2-1 PS70行星减速器性能参数表回程间隙arcmin14满载效率94%重量2.4kg2.4磁力机械在双轮机器人中的应用磁力机械是多学科混合研究的产物，除了具有各学科复杂的研究难度，同时也集成了各领域的优点。它节能环保，传动效率高，噪音小，已经越来也多的应用于各行各业。2.4.1磁力联轴器的设计磁力机械结构复杂，一般适用于大型尖端产品，本双轮车主要应用一些简单的磁力机械部件，比如说联轴器。联轴器，顾名思义，是连接两根轴的一种机械结构，可以传递动力和扭矩，但普通联轴器用久了会受到温度和载荷等外界影响，造成轴承变形，对中不准确，从而导致传动上出现偏差，运动不平稳等状况。磁力联轴器便可以解决上述问题。它由隔离套和内外磁转子组成，转子上有内外数量相同的永磁体，靠二者之间的耦合形成磁场。当轴静止时，依靠磁力内外转子对正。当电机转动时，内外转子产生磁偏角，内转子受磁力作用会随着外转子转动。由于没有刚性接触，故不存在挤压，热变形等形变等情况，且传动效率接近100%。轴与轴之间存在间隙，还有一定的缓冲作用，如图2-6所示。图2-6 磁力联轴器结构示意图由于我国稀土资源丰富，在内蒙古的白云鄂博等地非金属矿藏世界第一，磁力机械的应用具有很好的前景。本车所采用的磁力联轴器可以大大提高传动效率，延长双轮机器人的使用寿命。当然磁力机械也不是十全十美的，它也可能受到电磁干扰，剧烈的物理撞击也会破坏其稳定性。但总体来说是利大于弊的，故本设计将采用磁力联轴器作为传动机构的关键部件。2.5本章小结本章主要介绍了两轮机器人的总体设计，工作原理，和在本设计所采用的新想法，新思路，接着对载荷进行估算，选择电动机，接着对减速器部分进行计算，选择减速器。本章主要完成的是对核心结构的设计和计算。3行走的机构设计与计算3.1悬挂系统的设计悬挂系统是连接车身和车轮的机构。它传递了车轮与车身之间的力，同时对地面的震动起到一个缓冲的作用，起到支撑和减震的作用，以此来保证车辆行驶的平稳性。一般地，悬挂分为独立悬挂和非独立悬挂。由于双轮机器人的特殊性，左右两个车轮之间没有轴直接连接，其悬挂部件都是各自单独与车体连接的，有更好的舒适性和操控性。所以本车拟采用独立悬挂。一般独立悬挂的结构图如图3-1所示：图3-1 独立悬挂的构造图常见的悬挂系统有：（1） 麦弗逊式悬挂 由减震机构和A型叉臂组成。减震机构上部连车身，下部连叉臂，承担减震和平衡纵向力的作用。A形叉臂连接车轮，用来分担车轮带来的横向力。结构简单，占用空间小。但抗侧倾的能力差，安全度不够高。（2）双叉臂式悬挂 在麦弗逊式的基础上多加了一个叉臂，因此，车轮震动带来的横纵向力又多加的叉臂分担，减震机构只负责减震，抗冲击力强于前者。（3）多连杆悬挂 采用多根连杆与车身相连，使得悬挂在压缩时可以主动调节车轮的定位，始终保持车轮的贴地性。但此类悬挂结构复杂，占用空间大，价格昂贵，不适用于普通轮式机械。（4）空气悬挂 用空气减震器取代弹簧减震器，通过空气泵调整减震器中的空气量，继而改变压力，可根据路面的不同调节减震器的软硬程度，达到匹配的舒适性。缺点是价格昂贵，一旦坏掉不易修理，行驶过程中坏掉更是危险性极大。双轮车由于时速不宜过快，一般比走路快，比电动车慢。所以选用一般的麦弗逊式悬挂系统就可以了，现在我们来计算几种典型路况下的受力情况，为弹簧的选择与计算提供数据。悬挂系统示意图如图3-2所示。图3-2 悬挂系统示意图（a）水平地面上运动受力分析 当双轮车在水平地面行驶时，在只受重力的情况下，受力分析如图3-3所示。M是机器人重量加驾驶者的重量，假设受力作用在该车的中心线上；双轮分别受地面的支持力，在数值上等于弹簧的弹力，由力平衡可知如下公式： 式（3.1） 式中：M车身和驾驶者的重量之和； 、左轮和右轮分别收到的支持力；弹簧的弹性系数；弹簧的初始形变量。图3-3 水平状态下受重力作用时的受力状态当机器人行驶倾斜时，双轮车收到偏置载荷的作用，受力分析如图3-4所示，其中X是作用点到双轮车中心的水平距离；W是偏置载荷的大小；各支持力与上边相同，此时弹簧会产生新的形变量。图3-4 双轮车在受偏振载荷时的受力分析由力平衡的关系可知： 式（3.2）式中：W偏振载荷的大小； 弹簧的变量。由式（3.1）和（3.2）连列可得： 式 （3.3）由等式可以看出，在增加偏振载荷的情况下，双轮车受力总和不变。在电机驱动允许的状态下，偏振不会对双轮车的行走造成大的影响。我们只需把可能产生的偏振力调节到可控范围内就能保证双轮车的安全行驶。（b）双轮车在崎岖路面上行驶时的受力分析当双轮车在不平路面上行驶时，左右两轮有高度差为，该状态下的受力分析如图3-4所示，需要强调的是，该高度差在双轮车能承受的范围之内。图3-4 在崎岖路面时的受力分析由受力平衡可知如下关系： 式(3.4)由（2.8）和（2.9）连列可知 式(3.5)由公式可知，双轮车行驶到坑洼路面时，将会改变双轮与地面的受力关系，会影响到该车的平稳行驶。假设双轮车和人的重量之和为m，车轮和地面间的摩擦为滚动摩擦，其摩擦系数为，由滑动摩擦力而产生的摩擦系数为，双轮车的最大加速度为。在行走过程中，由电机使双轮产生的驱动力和，同时也会受到相应的摩擦阻力。当双轮车水平行驶，以加速度向前运动，根据牛顿第二定律，会有以下方程： 式（3.6）又因为 式（3.7）所以，在以最大的加速度行驶时，为使车轮不打滑，需要有足够的抓地力来维持，为此，我们列出以下公式求出临街的摩擦力： 式（3.8）联立可得 式（3.9）定义参数和分别为 式（3.10） 式（3.11）由（3.10）和（3.11）两个公式可知，两项参数需满足双轮车的设计需求，其中是两个车轮可以正常行驶时所受到的最小支持力的和。则表达式（3.9）可简化为： 式（3.12）考虑到车轮装配时可能出现的误差，设在水平面运动时，两车轮所受到的支撑力之和为： 式（3.13）其中 所以，轮子所受到地面的支撑力为： 式(3.14)当行驶到坑洼处时，为保证其正常行驶，双轮受到的地面支持力应符合如下条件： 式（3.15） 合并（3.14），（3.15）可得： 式（3.16）即 式（3.17） 式(3.18)其中式（3.18）是弹簧刚度满足的一个要求。双轮车在行驶过程中，势必会遇到路面不平整的状况，悬挂装置的作用就是提供一个压缩和放松的行程，然而，这个行程的确定与多种因素相关。比如行驶路面的平整程度；驱动轮装配时以及在后续过程中的积累误差；轴与轮之间的装配误差等。考虑到各种想到的想不到的因素，我们把悬挂系统的缓冲行程定为，相对于平衡点（图3.1），压缩为+，放松为-。为了使双轮车有承受偏置力的能力，驱动轮则必须满足支撑要求，假设弹簧压缩至最大行程时，两个车轮可以承担车身和驾驶者带来的总重量M,那么，悬挂系统的弹簧刚度应满足下列公式： 式（3.19）.根据（3.18）和（3.19）便可确定悬挂系统中弹簧的弹性系数，若两式中有不满足条件的情况，只需调整+大小即可。考虑到本双轮车最大的载重量m=150kg，滚动摩擦系数=0.02，滑动摩擦系数，驱动轮半径为177.8mm，正常运行速度1.5m/s,最大运行速度为5.5m/s，允许地面最大高度差为15mm，,，把以上数据带入到公式（3.18），（3.19），经过复杂的计算，最后确定的弹簧弹性系数为K=15N/mm。3.2轮胎的设计与选择轮胎是双轮自平衡小车的重要部件之一，它直接和路面接触，和车身共同缓和双轮平衡车行驶过程中所受到的冲击，保证双轮车的舒适性和行驶的平顺性，使车轮与路面有良好的附着力。同时轮胎的好坏也会影响汽车的制动性。牵引性和通过性。轮胎在整个行走机构中，扮演着越来越重要的角色。3.2.1车轮的选择车轮是在车轴和轮胎之间的承受负荷的旋转组件。它一般由两个主部件组成，即轮辋和轮辐。轮辋是安装在车轮上并且支撑轮胎的部件；轮辐则是介于轮辋与车轴间的支撑部件。车轮类型大体上可分为6种。形形色色的轮胎种类如图3-5所示。(1)辐板式车轮 板式轮辐和轮辋不分离的车轮。(2)对开式车轮 轮辋由两个对开零件组成，对开宽度相同，当然也可以不同。固定起来便形成了有两个固定轮缘的车轮。比如suv使用的便是这种可调压式对开式车轮。(3)辐条式车轮 轮辋由许多辐条连接到轮毂上的车轮。(4)组装轮辋式车轮 一个或两个可拆卸的轮辋被固定在轮辐上，轮辐可当轮毂用，并安装制动盘的车轮。(5)可反装式车轮 轮辐的两面都可做安装面，因此可以成为外偏距（宽轮距）或内偏距（窄轮距）的车轮。(6)可调式车轮 采取人力或动力的方式改变轴向位置（相对于轮辐）的车轮。图3-5形形色色的轮胎由于多功能双轮平衡车的特殊性，车轮不宜太大。故采用规格为5.00S的轮辋以及与其配套的轮辐。3.2.2轮胎的选择由于双轮车的无半径转弯会对轮胎产生很大的非对称性负荷接触，对轮胎的性能要求很高。因此我们会采用最先进的子午胎，此类轮胎无内胎，轮胎断面扁平，质量轻且载重力强。目前市场上主流的有以下几类：（1）固特异生产的Aguatread轮胎，该品牌轮胎安全性高，操作性好，刹车距离短，磨损小。但是在雨天性能不佳，易打滑，且该类轮胎质量偏重，不适合双轮平衡车的使用。（2）米其林公司生产的Catanam轮胎，这种轮胎适合雨天行驶，省油，噪音低，超轻量。缺点是高速行驶时不太稳定且易于磨损。（3）普利司通公司生产的FT70C轮胎。这种轮胎噪声低，超轻量，安全性高，具有跑气保用的功能，但雨天行驶体验不佳。考虑到以上因素，综合比较。因为双轮车是驾驶者露天使用，并不适用于恶劣天气环境，故选用普利司通FT70C系列轮胎。具体型号为100/70R 14 77H的轮胎。3.3底盘结构设计要想对底盘进行设计，首先要对底盘所安装的部件要了熟于心，双轮车虽然结构简单，但麻雀虽小，五脏俱全，双轮车同样拥有普通汽车车轮的基本部件，双轮车驱动轮部件如图3-6所示。图3-6 驱动轮部件的剖面图上一板块我们对悬挂系统进行了设计，此部分主要是对放置电机的底盘进行设计，底盘中包含许多零部件，包括：电动机、减速器、陀螺仪、加速度计、蓄电池等。3.3.1 底盘的外形设计双轮车设计需要小巧轻便，所以，底盘以及电机支架的设计应尽量紧凑。一般地，底盘分为框架式和平板式。框架式的底盘结构布局宽敞，各部件可以相对较分散的分布，互相之间的电磁干扰小，而且框架式结构安全性高，较为稳定，但它的缺点也较为明显，占据空间大，不够紧凑，空余空间较多，灰尘易于堆积且难以清理。而平板式的底盘结构简单，布局紧凑，满足了双轮车设计的刚性需求。虽然结构不太稳定，但是可以采用一定措施加固，本设计拟采用平板式底盘，并用固定带加螺栓的方式来加固电机，如图3-7所示。图3-7双轮车底盘结构图这样，所有的原件都可以对称地放置于车身之内，当然，锂电池由于体积较大，需要放置于底盘之上，单一的部件放在底盘下部，倾角传感器则放在重心的垂直平分线上，以便于更准确的测量。各原件的布局以及和底盘组成整体结构示意图如图3-8所示。图3-8 双轮车结构框图3.3.2，底盘的材料选择由于诸多原件都集中在底盘上，各元件之间不仅有可能出现相互干扰，而且所有的重量基本由底盘承担，然后再传递给双轮，长时间压迫会导致底盘变形，电机运转所产生的高温也会造成底盘的形变，影响双轮车的使用寿命，所以底盘由什么材质制成对双轮车的安全稳定性至关重要。常用的底盘材料有以下几类。（1）铝合金材料 该类型材料强度大，质量轻，抗腐蚀性能良好，一般汽车都采用此类材料作为制作底盘的材料。(2)pvc塑料 该类型材料轻便，价格便宜，玩具车，电动车等半娱乐式交通工具普遍采用此种材料，随着科技越来越进步，新型的塑料具有良好的强度，韧性也良好，当然缺点也很显著，比如抗热性能差，且风吹日晒日久天长后，材料容易变脆，且会褪色，降低了安全性，影响了美观。（3）复合材料 复合材料类的底盘是上述两类的集大成者，可谓是继承了合金材料和塑料材质各自的优点，随着纳米技术的发展，越来越多的不可能成为可能，且复合材料的绝缘性能良好，不必担心各元件之间存在干扰。比如“三角箭”赛车，运用了复合型材料制作底盘和车身，可以轻松穿越火场。缺点是该类材料造价昂贵，降低双轮车的性价比。所以综上所述，双轮车的底盘拟采用复合材料制作底盘，以便增加稳定性，提高安全性。3.4本章小结本章主要对悬挂系统进行介绍，并对悬挂系统中弹簧进行了具体的计算与选择，接着对双轮车的车轮进行选择，最后对承载电机和其他原件的底盘进行了结构设计以及对其材料进行选择。至此，双轮车的机械方面的机构设计基本完成。4 控制系统设计概述由于本人所学知识有限，对控制系统方面的研究不够深入，只能对双轮车的控制方面更进行简单设计和概述。4.1 控制系统的组成控制系统分为上下两部，上部叫作上位机，负责把数据转换为显示部分，而下位机的作用是控制电机和处理数据，上下位机之间的信息交流通过串口和总线进行传递。该系统的硬件结构如图4-1所示。图4-1 两轮自平衡机器人硬件结构图现在对控制系统中的关键元件进行介绍。为了实现两轮机器人的自平衡，需要各种传感器来为之提供信息支持。双轮车上的传感器主要分为位置传感器和姿态传感器两大类。姿态传感器是用来检测机器人运动时的姿态的，主要的姿态传感器有以下几类：（a）倾角计 优点是定位方式较为随意，可视情况而定，速度不快时测量准确，无累计偏差。当然也有不少不足，比如高速时误差大，更新频率慢继而导致反应慢。（b）加速度计 测量各种加速度，经过积分计算，从而得到线速度，同样也可以得到位移。相比较倾角计而言，更新频率较快，但在测量双轮车运动姿态时，会存在累积漂移误差，频带窄，相应慢，同样不适用于高速运动。（c） 陀螺仪 因为根据名字无法判断具体测量什么，所以在此告知该原件是测量角速度的传感器。放置位置视情况而定，频带较宽，动态性能好，并且更新频率快。缺点是存在累积偏移误差，长时间工作会影响准确性，要经常进行调校。（d）罗盘 是通过地磁场测量车相对于大地的倾斜角，受外界干扰的因素较大，室内测量会失去准确性。（e）超声波传感器 用于测量距离，快速且精确，缺点是测量距离有限，距离太远会失去精确性。同样的，位置传感器也是双轮机器人上不可或缺的重要组成部分，下面对几种常用的位置传感器进行分析比较：（a）相对式码盘 测量相对角位置和相对角速度，精度高，成本低。但对双轮车的非正常运动状态无法做出准确的判断，比如打滑，倾斜，颠簸。造成的误差会累积（b）GPS导航 目前最常用的定位方式，定位精度高，但对外界依赖性强，在动态环境中，如果某些因素造成信号不好，则会出现无法定位对的情况。（c）光电接近探测器 通过光反射所需的时间来测量距离，动态性好，测量精确且快。但对反射材料要求严苛，否则影响精度。（d）加速度计和超声波传感器同样适应于位置传感器，加速度计只需二次积分便可测出距离，超神波也只是换种工作方式，原理是一样的。考虑到成本和实用性等需求，本设计采用陀螺仪搭配加速度计这两类传感器来测量角度和位置关系。具体型号为IDG300和ADXL335。4.2 控制电路的设计主控采用AVR的ATMEGA-32，电机驱动采用H桥的驱动方式，元件选用IR2184和IR1405。用PID控制车轮转速，刚开始参数不能调的太大，否则会出现车轮抖动的状况。电路图如图4-2所示图4-2 工作电路图该模块的使用说明为:(1) 模块集成了各类芯片需要的电阻电容，只需外接电源就能通过IC接口和串口读取数据。(2)模块的VCC引脚和5V引脚二选一供电，不需要都接。（3）R1用于连接MPU-60X0芯片的VDD和VLOGIC脚，若VLOGIC要单独供电，R1无需焊接。（3）R2、R3只能焊一个，用于选择地址ICC的最低位，一般是焊R2不焊R3.(4)R4用于将芯片接地，也就是说焊好的R4 不适用FSYNC脚。（5）R5 用于clkin脚接地，使用方法同上。至此，双轮车的控制电路基本完成。结论本次研究的课题是两轮机器人的行走机构设计，历时两个多月，期间熬通宵，累案牍，初则喜资料之寻得，后则忧进度之停滞，诚惶诚恐，不可谓不专注，设计中，掣肘于各情形，未曾怠慢。终于解决了一些问题，并得到了一些研究成果：1创造性的提出了多功能双轮车的构想，普通双轮车都是人站在上边进行驾驶的，本设计中，驾驶者可以坐在椅子上进行操作，可以说是轮椅和双轮车的结合产品。另外此双轮车的座椅是可拆卸的，可以站着驾驶，也可以坐着，自由切换。接触部分采用卡扣设计，拆装方便。另外方向把手高度也可调节，适应不同高度的驾驶人群。2 供电方式采用当下比较流行的锂电池供电，减轻了车身重量，增强了续航能力，成为了类似电动车，但比电动车更方便的交通工具。而且锂电池使用寿命长，提高了双轮自平衡车的性价比。3 为双轮车增加了安全制动装置，普通双轮车是没有制动装置的，仅通过电机的反转达到刹车的效果。但本车的适用人群包括残疾人，他们可能没有普通四肢健全的人的灵活性，因此，增加一个制动装置是很有必要的，但由于双轮车保持平稳是通过倒立摆的原理实现的，故突然施加一个力使其挺会会破坏其平衡性，双轮车是各轮独立驱动，所以刹车要左右共同控制，很难保证力的一致性。所以本车采用的是静止时抱死车轮，类似手刹的作用，这样在残疾人上下车时可以保证该双轮车不动，增加其安全性。4传动轴本来想采用磁力机械的技术来进行力的传动的，依靠电生磁的方法，无需直接接触就可以带动轴的旋转，减少了磨损，提高了传动效率，但此技术还不成熟，实现技术难度较大，应用领域大多是尖端科技，用在双轮车上有点杀鸡用牛刀的意思，具体使用有待商榷。5 在