移动机器人结构设计

编号 无锡太湖学院 毕 业 设 计 论 文 题目 移动机器人结构设计 信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业 学 号 0923122 学生姓名 赵熙熙 指导教师 龚常洪 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 诚 信 承 诺 书 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 2013 年 5 月 25 日 I 无 锡 太 湖 学 院 信 机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专 业 毕 业 设 计 论 文 任 务 书 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 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 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 机械 93 班 姓名 赵熙熙 五 开始及完成日期 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六 设计 论文 指导 或顾问 指导教师 签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学科组组长研究所 所长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 12 日 III 摘 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 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 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 1 1 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 1 2 1 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 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 2 1 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 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 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 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 aadiuRiLet 2 2 ek 2 3 mtaTi 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aiaemTaRek 势系数 为转矩系数 tk 忽略铁耗和摩擦损耗 负载转矩为零时 J 为转动惯量 则有edJt 2 4 2aaettRJLdukK 如果转速的初始条件 则上式拉氏变换后得到0 2 5 2 aaa et tJJUsSSKS 得到的传递函数为 G S 2 6 2 taaateSLJRSk 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amteRJK m 传递函数可以写成 G S 2 7 2 1emks 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aRt2 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 分析直流伺服电动机动态特性的等效电路如图 4 17 所示 转子动能 J 为转21 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 21CE2 KC 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 DR 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 1a DaaUsRLSIC 如果施加的电压时一个阶越函数 则 V 2 9 21 1DaaaDSVIsRLRS 由拉氏变换后令 可得到 a 2 10 1 1 m et tee mViatR 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 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 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 ajeeR 2 12 ammj 2 7 减速机构的设计 蜗轮蜗杆减速机构 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 5 80 常用 15 50 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 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 801 52PFVKW Aw 1 2 068 75PKW 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 9 联 轴 器 0 蜗 杆 移动机器人结构设计 13 0 9 轴 承 0 96 车 轮 工作机的总效率为 3 总 联 轴 器 蜗 轮 蜗 杆 轴 承 车 轮 2 电机的所需要的功率 kwPwr54 269 071 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 4 8蜗 杆i 理论总传动比 40 8 蜗 杆总 i 4 电机机的转速 601 73 minvrD 车 轮 8 4 3 265 16i 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 8 4kw 720r min 2 3 38 kg 24mm 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ai 传动比 2 7 2 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 54 0 99 2 5146 蜗杆的输出功率 2 5146 0 99 2 49 蜗轮的输入功率 2 49 0 75 1 86 蜗轮的输出功率 1 86 0 99 1 85 车轮的输入功率 1 85 0 99 1 83 车轮的输出功率 1 83 0 96 1 76 3 转矩 2 549503 6970dpTNMn 无锡太湖学院学士学位论文 14 MNiTd 35 9 016 311联 Na 74 039 22联 i 5 33联 所以 Td 33 69 N M T1 33 35N M T2 703 74 N M T3 668 83 N M 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 720 720 33 44 33 44 输入功率 2 51 1 86 1 83 输出功率 2 54 2 49 1 85 1 76 输出转矩 33 69 33 35 703 74 668 83 传动比 21 53 效率 0 99 0 75 0 96 2 7 3 蜗轮蜗杆设计计算 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 74N M 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 KAK KV 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 60 2 720 16 8 300 21 53 1 54 108 寿命系数 KHN 107 1 54 108 1 8 0 71 则 H KHN 0 71 268 190 28Mpa 6 计算中心距 mm 1260 91 27347 538a 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 Zp Zp 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 14 6 3 19 782mm 模数 m 6 3 直径系数 1630 qm 齿顶圆 da1 d1 2h a1 63 2 6 3 75 6mm 齿根圆 df1 d1 2 ha m c 63 2 6 3 0 25 6 3 47 25mm 分度圆导程角 24805r 变位系数 126302 4 3 daXm 验算传动比 i 传动比误差 24 53 4 1 蜗轮分度圆直径 26802 dmz 蜗轮齿顶高 213 59ahX 蜗轮喉圆直径 2 408a m 蜗轮齿根高 26 21 f c 蜗轮齿根直径 230 76ffdh 蜗轮咽喉母圆直径 21189 58 gar 外圆直径 5 30WDmm 蜗轮齿宽 0 767B 8 校核齿根弯曲强度 2 13 1 32FFKTYad 2 14 2334860cos1 VZ 根据 X2 0 43 Z V2 60 Y Fa2 2 55 螺旋角系数 1 0 81814r 许用弯曲应力 2 15 FKN 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 6810 57 4KFN 无锡太湖学院学士学位论文 16 560 731 92FMPA 齿根弯曲疲劳应力 21 08KTYaKpadm 所以弯曲强度是满足的 9 验算效率 2 16 tan0 95 6V 2 17 13720 57 6cos1cos 8SdV ms 已知 fv fv 与相对滑动速度 vs 相关 从 机械设计课程设计 表 11 18 中用插值法查得 fv 0 03 代入式中得143V 大于估计值 因此不用重算 0 94 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 6 8 级 H7 r6 用机械减速器 从 GB T10089 1998 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 蜗轮轴的设计 轴的材料为 45 钢 调制处理 根据手册取 A0 112 所以 3301 86242 753pdAmN 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 33caTKA 31 859502 34PTN 3 6caAKM 查手册 P582 选用 HL4 型弹性柱销联轴器 公称转矩为 1250N mm 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 d 1 右端需割出一轴肩 定位轴肩高度在 0 07 0 1 d 范围内 故 21502 75hm 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 L 1 82mm 2 7 5 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md572 轴承 7212 其尺寸为 故 24160 TDb 36 5dmL 移动机器人结构设计 17 查表得轴肩高度 所以 5694 73 5dm 又轴环的高度为 b 取 12mm 即 b 512L 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 473 4 6 5dm 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 41 2 5 9 7 490I 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 mL53205 滚动轴承宽度 轴肩下部宽度为 24 10 16 4 54mm T 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 685N1t 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 6N m 截面 C 在水平面上弯矩为 MC2 FAZL 2 685 182 5 125N m310 MC MC12 MC22 1 2 19 62 1252 1 2 126 5N m 转矩 T T I 54 8N m 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 Wcca 无锡太湖学院学士学位论文 18 循环应力 取 0 6 22231650 0 58cca aW 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 601 故安全 ca 1 该轴强度足够 2 7 6 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md201 2d 范围内 故 07 mhd8 07 1212 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423 接触球轴承 型号为 7206 手册 P554 即 d3 起定位作用 取 h 3mm 取蜗杆齿顶圆直径 4d604 d6 75 m306 图 2 24 弯矩图 求支反力 FAY F BY F AZ F BZ FAY FBY Fr 2 107 35N FAX FBX 2 295N2t 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 35 75 8N m310 截面 C 在水平面弯矩为 MC2 FAXL 2 295 75 22 125N m 计算合成弯矩 MC M C12 MC22 1 2 8 2 22 1252 1 2 23 54N m 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 Wcca 称循环变应力 取 0 6 2222 3 540 697 018cca a 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 61 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 400 600 次 300 500 次 800 1000 次 500 600 次 500 600 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 30 50 差 30 45 差 60 80 一般 90 110 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 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 14 0 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 机 则机器人的线速度为 V s w1 1 256 33 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 afWF 2 19 sinmg 2 20 cof 则有 420NsinsaFgg 80N 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 3 1 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RXY 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X 人的位姿可表示为 左 右轮的坐标分别为 设L 为轮式移 T TLY TR 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W 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 22 LLRXY 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 XY 根据式 3 1 和式 3 2 得 3 3 sin RLa 3 4 co 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 A B 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 LRCAWrtt 即 3 6 LR 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 RWC LW 得 3 7 Lrt 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 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 3 8 cos 0in R RLXrWYLr 如果轮式移动机器人按照确定的轨迹运动 即 和 W 已知时 则驱 xt y t 动轮的运动规律就可根据下式求出 3 9 22 Wrxtyt 同时 轮式移动机器人左 右驱动轮间的运动关系由式 3 6 决定 因此只要控制 就可以得到轮式移动机器人的位姿 又设 为轮式移动机器人轮距 TRLUW TXY 中点的坐标 v W 分别为轮式移动机器人的平移速度和旋转角速度 则传统的以轮式移 移动机器人结构设计 23 动机器人两驱动轮轮距中点建立的运动学模型为 3 10 cos0in1XvYw 3 11 2 RLRLVWrWr 由式 3 10 和 3 11 得 3 12 cos 2inRLxry 3 2 两种运动规划方法分析 对于传统的以轮距中点为基点的轨迹跟踪问题 轮式移动机器人 根据该点的速度分 配给左右两个驱轮 从而控制两个驱动轮行进 对式 3 10 积分而得到实际位姿 通过与 期望位姿进行比较而得到位姿偏差 同时 轮式移动机器人在实际的行走过程中 必然 存在累积误差 如果累积误差过大 就会严重影响轮式移动机器人的准确定位以及任务 的完成 这就必然要求对其进行位置矫正 在进行位置矫正时 首先要根据驱动轮经过 的路程 通过积分得到轮轴中心点的位姿并与规划器中所设定的位姿对比 得出需校正 的位姿偏差 然后通过矩阵求逆运算而得到两驱动轮的角速度 在同时分配给两驱动轮 而轮式移动机器人以轮心为基点进行的轨迹跟踪 仅对式 3 11 进行积分就可求出轮式移 动机器人 的实际位姿 经过简单运算就可以得到用于校正位姿偏差的角速度 在位姿校 正过程中 作为参考对象的驱动轮的角速度不变 只需调整另一驱动轮的角速度 因此 非常有利于实现两轮的协调控制 3 3 仿真实验 针对这两种运动规划方法 进行了轮式移动机器人的轨迹跟踪仿真实验 它的轨迹 方程为 3 13 13rryx 0 3rx 3 14 24 3 rr 5r 3 15 2 56 r ryx 6 rx 3 16 3r x 9r 仿真实验结果见图 3 3 3 4 图中用两个方框点分别代表轮式移动机器人的两个驱动 轮 在相同的环境下轮式移动机器人分别利用这两种运动规划方法对于上式轨迹进行跟 踪 并用 CAD 画出见简图 此结果表明轮式移动机器人能够实现对于确定轨迹的准确跟 踪 利用以轮心为基点的规划方法仅花费时间 2 55 秒 而利用传统方法用时 5 01 秒 无锡太湖学院学士学位论文 24 这表明以轮心为基点的规划方法节省了大量时间 效率提高 2 倍左右 图 3 3 规划方法一 图 3 4 规划方法二 3 4 结论 采用以轮心为基点的运动规划方法 仅控制一轮 另一轮作随动 避免了传统的以 轮距中点为基点进行规划时所进行的复杂计算 控制简单 轨迹跟踪效果良好 有效提 高了运动控制的实时性 移动机器人结构设计 25 4 机器人四轮转向系统的动力学模型 将移动机器人分解为轮子和移动平台 分别建立其动力学方程 4 1 轮子 以轮子的中心为坐标原点 建立坐标系 轮子所受的力包括沿轮子轴线方向的驱动力 矩 重力 g 地面作 1 用在轮子上的力 以及平台体给轮子的力 如图 4 1 所示 1 1m1f 1pf 图 4 1 轮子的受力图 建立左边轮子的牛顿欧拉方程 4 1 11zzfpmg 4 2 xf a 4 3 1yfp 4 4 1xfyrJ 式中 为轮子绕 y 轴转动的转动惯量 两轮的动力学方程一样 同样右轮的动力yJ 学方程 2122zzfpxfyfpxfymgarJ 4 2 平台体 以两驱动轮轴的中点为坐标原点 建立坐标系 各坐标轴的方向与轮子相应的坐标 轴方向保持一致 平台体所受的力包括两个驱动轮施加的反作用力 以及重力12f 如图 4 2 所示pmg 无锡太湖学院学士学位论文 26 图 4 2 平台体的受力图 建立平台体的牛顿 欧拉方程 4 5 12xpfmv 4 6 0y 4 7 12zzpfg 4 8 2xxZPJ 式中 Jzp 为轮子绕 z 轴转动的转动惯量 平台体与轮子间的力属于作用力与反作用 力 所以 4 9 112pf 4 3 小结 从上面的动力学方程可以得到移动机器人系统有如下性质 1 没个驱动轮的加速度 不仅与该电机施加的力矩有关 还与另一电机所施加的力矩有关 而且与两轮速度的二 次方有关 并且它们之间是线性组合关系 而从公式中得到它的系数与机器人模型的参 数有关 包括 这些常数有关 而速度 加速度无关 1 ZyfpJmr 移动机器人结构设计 27 5 自主运动控制 5 1 控制系统的选用 一个典型的机器人控制系统通常由四个部分组成 控制器 驱动系统 传感器和被 控对象 即机械结构本身 从前面的机器人总体结构设计得到 前面两个轮是转向轮 后面两个轮是驱动轮 由两台独立的直流电机驱动 分别控制两个驱动轮的转速 可使机器人按照不同方向和 速度移动 运动灵活 可控性好 机器人的主要运动状态有直线运动 前进 后退 左 右转弯 原地零半径转弯 360 转向 双轮驱动的机器人实现原地转弯比较容易 只要两 个驱动轮以相同的转速朝相反的方向转动 就可以实现机器人的原地转弯 轮式机器人的两个主动轮分别由两台直流伺服电动机驱动 每台电机与各自驱动的 主动轮构成速度闭环 在额定工作载荷的范围内 调节两电机的速度控制电压即可调节 轮式移动机器人的运动控制两主动轮驱动电机的转速 从而实现移动机器人的运动方向 和运动速度的控制 根据上一小节有关轮式机器人运动学原理的分析 画了如图所示的运动控制框图 图中的轨迹规划模块根据各种传感器信息产生机器人小车将要运行的一系列状态 作为 控制指令发送给运动控制器 运动控制器通过比较机器人小车当前的实际状态和小车将 要实现的状态进行比较 利用一定的控制算法产生送给伺服控制器的速度指令信号 伺 服控制器 直流伺服电机 光电编码器 速度检测环节组成一个闭环的控制系统 即闭 环速度控制 光电编码器与直流伺服电机同轴安装 产生的信号分为两路 一路送至速 度检测模块 作为电机速度控制的反馈信号 另一路送至相对位置估计模块 通过对编 码器脉冲信号的计数获得左右两轮的相对位置信息 作为运动控制器的反馈信息 图 5 1 运动控制大体图框 伺服驱动器 servo drives 又称为 伺服控制器 伺服放大器 是用来控制伺服电 无锡太湖学院学士学位论文 28 机的一种控制器 其作用类似于变频器作用于普通交流马达 属于伺服系统的一部分 主要应用于高精度的定位系统 一般是通过位置 速度和力矩三种方式对伺服马达进行 控制 实现高精度的传动系统定位 目前是传动技术的高端产品 光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量 的传感器 是目前应用最多的传感器 一般的光电编码器主要由光栅盘和光电探测装置 组成 在伺服系统中 由于光电码盘与电动机同轴 电动机旋转时 光栅盘与电动机同 速旋转 经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号 通过计算每 秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速 此外 为判断旋转方向 码 盘还可提供相位相差 90 的 2 个通道的光码输出 根据双通道光码的状态变化确定电机的 转向 根据检测原理 编码器可分为光学式 磁式 感应式和电容式 根据其刻度方法 及信号输出形式 可分为增量式 绝对