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1 緒 論 1 1 緒 論 言 移動機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個重要分支。在軍事、危險操作和服務(wù)業(yè)等許多場合得到應(yīng)用，需要機(jī)器人以無線方式實時接受控制命令，以期望的速度、方向和軌跡靈活自如地移動。 移動機(jī)器人按照移動方式可分為輪式、履帶式、腿足式等，其中輪式機(jī)器人由于具有機(jī)構(gòu)簡單、活動靈活等特點(diǎn)尤為受到青睞。按照移動特性又可將移動機(jī)器人分為非全方位和全方位兩種。而輪式移動機(jī)構(gòu)的類型也很多，對于一般的輪式移動機(jī)構(gòu)，都不能進(jìn)行任意的定位和定向，而全方位移動機(jī)構(gòu)則可以利用車輪所具有的定位和定向功能，實現(xiàn)可在二維 平面上從當(dāng)前位置向任意方向運(yùn)動而不需要車體改變姿態(tài)，在某些場合有明顯的優(yōu)越性；如在較狹窄或擁擠的場所工作時，全方位移動機(jī)構(gòu)因其回轉(zhuǎn)半徑為零而可以靈活自由地穿行。另外，在許多需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的時候，全方位移動機(jī)構(gòu)可以對自己的位置進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。由于全方位輪移動機(jī)構(gòu)具有一般輪式移動機(jī)構(gòu)無法取代的獨(dú)特特性，對于研究移動機(jī)器人的自由行走具有重要意義，成為機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢。 基于以上所述，本文從普遍應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計一種全方位運(yùn)動機(jī)器人平臺，該平臺能夠沿任何方向運(yùn)動，運(yùn)動靈活。本文是機(jī)器人設(shè)計的基本環(huán) 節(jié)，能夠為后續(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路。 內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 外全方位移動機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 國外很多研究機(jī)構(gòu)開展了全方位移動機(jī)器人的研制工作，在車輪設(shè)計制造，機(jī)器人上輪子的配置方案，以及機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析等方面，進(jìn)行了廣泛的研究，形成了許多具有不同特色的移動機(jī)器人產(chǎn)品。這方面日本、美國和德國處于領(lǐng)先地位。八十年代初期，美國在 支持下，卡內(nèi)基· 梅隆大學(xué)（ 、斯坦福（ 和麻 省理工（ 等院校開展了自主移動車輛的研究， 開展了這方面的研究。 國聯(lián)邦國防大學(xué)和奔馳公司于二十世紀(jì)九十年代研制成 動機(jī)器人。其車體采用奔馳 500 轎車。傳感器系統(tǒng)包括： 4個小型彩色 成兩 組主動式雙目視覺系統(tǒng)； 3個慣性線性加速 度計和角度變化傳感器。 2 1999年推出的寵物機(jī)器狗 、哀、厭、驚和奇 6種情感狀態(tài)。它能爬行、坐立、伸展和打滾，而且摔倒后可以立即爬起來。本田公司 1997 年研制的 3 類人機(jī)器人代表雙足步行機(jī)器人的最高水平。它重 130 公斤、 作時間為 25分鐘，最大步行速度為 小時。 國外研究的一些典型的全方位輪有麥克納姆輪、正交輪、球輪、偏心方向輪等。下面就這些輪進(jìn)行介紹。 麥克納姆輪，如圖 示，它由輪輻和固定在外周的許多小滾子構(gòu)成， 輪子和 滾子之間的夾角為 Y，通常夾角 Y 為 45°，每個輪子具有三個自由度，第一個是繞輪子軸心轉(zhuǎn)動，第二個是繞滾子軸心轉(zhuǎn)動，第三個是繞輪子和地面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動。輪子由電機(jī)驅(qū)動，其余兩個自由度自由運(yùn)動。由三個或三個以上的 可以構(gòu)成全方位移動機(jī)器人。 圖 麥克納姆輪 198411 麥克納姆輪應(yīng)用 正交輪，由兩個形狀相同的球形輪子 (削去球冠的球 )架，固定在一個共同的殼體上構(gòu)成，如圖 示 個自由度，即繞輪子架的電 機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動和繞輪子軸心的自由轉(zhuǎn)動。兩個輪子架的轉(zhuǎn)動軸方向相同，由一個電機(jī)驅(qū)動，兩個輪子的軸線方向相互垂直，因而稱為正交輪。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所所研制的全方位移動機(jī)器人采用了這種結(jié)構(gòu)，如圖 3 圖 交輪 圖 交輪的應(yīng)用 球輪由一個滾動球體、一組支撐滾子和一組驅(qū)動滾子組成，其中支撐滾子固定在車底盤上，驅(qū)動滾子固定在一個可以繞球體中心轉(zhuǎn)動的支架上，如圖 示。每個球輪上的驅(qū)動滾子由一個電機(jī)驅(qū)動，使球輪繞驅(qū)動滾子 所構(gòu)成平面的法線轉(zhuǎn)動，同時可以繞垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動。 圖 球 輪 圖 輪的應(yīng)用 偏心萬向輪，如圖 示，它采用輪盤上不連續(xù)滾子切換的運(yùn)動方式，輪子在滾動和換向過程中同地面的接觸點(diǎn)不變，因而在運(yùn)動過程中不會使機(jī)器人振動，同時明顯減少了機(jī)器人打滑現(xiàn)象的發(fā)生 。 圖 圖 心萬向輪的應(yīng)用 內(nèi) 全方位移動機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 我國在移動 機(jī)器人方面的研究工作起步較晚，上世紀(jì)八十年代末，國家 863計劃自動化領(lǐng)域自動機(jī)器人主題確立立項，開始了這方面的研究。在國防科工委和國家 863計劃的資助下，由國防科大、清華大學(xué)等多所高校聯(lián)合研制軍用戶外移動機(jī)器人 于 1995年 12月通過驗收。 車上有二維彩色攝像機(jī)、三維激光雷達(dá)、超聲傳感器。其體系結(jié)構(gòu)以水平式機(jī)構(gòu)為主 ,采用傳統(tǒng)的“感知 規(guī)劃 法 ,其直線跟蹤速度達(dá)到 20km/h。避障速度達(dá)到 5h。 上海大學(xué)研制了一種全方位越障爬壁機(jī)器人 ,針 對清洗壁面作業(yè)對機(jī)器人提出的特殊要求，研制了可越障輪式全方位移動機(jī)構(gòu) — 車輪組機(jī)構(gòu) ,該機(jī)構(gòu)保證機(jī)器人可在保持姿態(tài)不變的前提下 ,沿壁面任意方向直線移動 ,或在原地任意角度旋轉(zhuǎn) ,同時能跨越存在于機(jī)器人運(yùn)行中的障礙 ,不需要復(fù)雜的輔助機(jī)構(gòu) 4 來實現(xiàn)平面上運(yùn)動和越障運(yùn)動之間轉(zhuǎn)換。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李瑞峰，孫笛生，劉廣利等人研制的移動式作業(yè)型智能服務(wù)機(jī)器人，并對課題當(dāng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，如新型全方位移動機(jī)構(gòu)、七自由度機(jī)器人作業(yè)手臂和多傳感器信息融合等技術(shù)，最后給出了移動機(jī)器人的系統(tǒng)控制方案。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的閆國榮，張海兵研究一 種新型全方位輪式移動機(jī)構(gòu)，這種全方位移動機(jī)構(gòu)當(dāng)中的輪子與麥克納姆輪的區(qū)別在于：這種全方位輪使小滾子軸線與輪子軸線垂直，則輪子主動的滾動和從動的橫向滑移之間將是真正相互獨(dú)立的；輪子正常轉(zhuǎn)動時，輪緣上的小滾子也將是純滾動，如圖 圖 全方位移動機(jī)構(gòu)仿真圖 要研究內(nèi)容 本課題從普遍應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計一種全向運(yùn)動機(jī)器人平臺，該平臺能夠沿任何方向運(yùn)動，運(yùn)動靈活。本課題是機(jī)器人設(shè)計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路 。 本文研究內(nèi)容主要有： 了 解和分析已有的機(jī)器人移動平臺的工作原理和結(jié)構(gòu)，對比它們的優(yōu)劣點(diǎn)。在這些基礎(chǔ)上提出可行性方案，并選擇最佳方案來設(shè)計。根據(jù)選定的方案對全方位移動機(jī)器人進(jìn)行本體設(shè)計，包括全方位車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計、車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計。要求全方位移動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向、移動靈活，可以快速、有效的到達(dá)指定地點(diǎn)。設(shè)計完成后要分析全方位移動機(jī)構(gòu)的性能，為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。 5 2 全向移動機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)設(shè)計 言 機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計是機(jī)器人設(shè)計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路 。 全方位移 動機(jī)器人可以實現(xiàn)在平面內(nèi)任意角度的移動，能夠以一定姿態(tài)到達(dá)預(yù)定位置。根據(jù)這一總體思想，進(jìn)行本機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)的本體設(shè)計。 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，包括對機(jī)器整機(jī)的設(shè)計要求和對組成零件的設(shè)計要求兩個方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。 對機(jī)器使用功能方面的要求：實現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機(jī)械設(shè)計的最基本的要求，好的使用性能指標(biāo)是設(shè)計的主要目標(biāo)。另外操作使用方便、工作安全可靠、體積小、重量輕、效率高、外形美觀、噪聲低等往往也是機(jī)械設(shè)計時所要求的。 對機(jī)器經(jīng)濟(jì)性的要求：機(jī)器的 經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程中，在設(shè)計機(jī)器時要全面綜合的進(jìn)行考慮。設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)為合理的功能定位、實現(xiàn)使用要求的最簡單的技術(shù)途徑和最簡單合理的結(jié)構(gòu)。 機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本單元，對機(jī)器的設(shè)計要求最終都是通過零件的設(shè)計來實現(xiàn)，所以設(shè)計零件時應(yīng)滿足的要求是從設(shè)計機(jī)器的要求中引申出來的，即也應(yīng)從保證滿足機(jī)器的使用功能要求和經(jīng)濟(jì)性要求兩方面考慮。 要求在預(yù)定的工作期限內(nèi)正?？煽康墓ぷ?，從而保證機(jī)器的各種功能的正常實現(xiàn)。這就要求零件在預(yù)定的壽命內(nèi)不會產(chǎn)生各種可能的失效，即要求零件 在強(qiáng)度、剛度、震動穩(wěn)定性、耐磨性和溫升等方面必須滿足的條件，這些條件就是判定零件工作能力的準(zhǔn)則。 要盡量降低零件的生產(chǎn)成本，這要求從零件的設(shè)計和制造等多方面加以考慮。設(shè)計時合理的選擇材料和毛坯的形式、設(shè)計簡單合理的零件結(jié)構(gòu)、合理規(guī)定零件加工的公差等級以及認(rèn)真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性等。另外要盡量采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的零部件。 任何一種機(jī)器都有動力機(jī)、傳動裝置和工作機(jī)組成。動力機(jī)是機(jī)器工作的能量來源，可以直接利用自然資源（也稱為一次能源）或二次能源轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，如內(nèi)燃機(jī)、氣輪機(jī)、電動機(jī)、電動馬達(dá) 、水輪機(jī)等。工作機(jī)是機(jī)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來實現(xiàn)機(jī)器的動力和運(yùn)動能力，如機(jī)器人的末端執(zhí)行器就是工作機(jī)。傳動裝置則是一種實現(xiàn)能量傳遞和兼有其它作用的裝置。 6 方位輪式移動機(jī)構(gòu)的研制 在設(shè)計移動機(jī)器人本體時應(yīng)遵循以下設(shè)計原則： （ 1）總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時的實驗、調(diào)試和修理。 （ 2）應(yīng)給機(jī)器人暫時未安裝的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將來功能改進(jìn)與擴(kuò)展。 對比緒論中各轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，本文選用全方位輪式機(jī)構(gòu)來設(shè)計。全方位輪式機(jī)器人的運(yùn)動包括縱向、橫向和自轉(zhuǎn)三個自由度的運(yùn)動 [7] 。 車輪形移動機(jī)構(gòu)的特征與其他移動機(jī)構(gòu)相比車輪形移動機(jī)構(gòu)有下列一些優(yōu)點(diǎn)：能高速穩(wěn)定的移動，能量利用率高，機(jī)構(gòu)的控制簡單，而且它可以能夠借鑒日益完善的汽車技術(shù)和經(jīng)驗等。它的缺點(diǎn)是移動只限于平面。目前，需要機(jī)器人工作的場所，如果不考慮特殊環(huán)境和山地等自然環(huán)境，幾乎都是人工建造的平地。所以在這個意義上 車輪形移動機(jī)構(gòu)的利用價值可以說是非常高的。圖 全方位輪式移動機(jī)構(gòu)的示意圖。 輪式移動機(jī)構(gòu)預(yù)期設(shè)計要求實現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)，可調(diào)速，便于控制。 車輪的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向是獨(dú)立控制的， 全方 位移動機(jī)器人采用兩驅(qū)動輪、兩從動輪結(jié)構(gòu)，驅(qū)動輪、從動輪對角線布置。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制兩驅(qū)動輪同步轉(zhuǎn)向。 圖 方位輪式移動機(jī)構(gòu)示意圖 動機(jī)器人車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計 在車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計過程中，主要考慮了以下模型，如 圖可以看出，模型 a 結(jié)構(gòu)簡單，但是車輪與地面接觸面積小，可能產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，且對電機(jī)軸形成一個彎矩，容易對電機(jī)軸造成破壞。模型 b 采用電機(jī)內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu)，增大了車輪與地面接觸面積，減小了打滑現(xiàn)象，但電機(jī)固定比 較困難。 綜合兩種模型的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計如圖 所示結(jié)構(gòu) [9] ，將電機(jī)內(nèi)嵌在車輪內(nèi)部，既增大車輪與地面的接觸面積，又縮短了整個結(jié)構(gòu)的軸向距離。為了保持輪子受力平衡使整個機(jī)構(gòu)可以平穩(wěn)運(yùn)動，將輪子設(shè)計為兩個一組來實現(xiàn)。 7 圖 轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)圖 采用了深溝球軸承作為徑向支承，一方面避免了車輪對電機(jī)產(chǎn)生彎矩；另一方面保證了車輪的剛度。軸承外圈與車輪內(nèi)表面配合，由于內(nèi)圈并不能與電機(jī)直接配合 ，設(shè)計了一個電機(jī)殼結(jié)構(gòu)，作電機(jī)和軸承的連接。 圖 旋轉(zhuǎn)部分示意圖 圖 旋轉(zhuǎn)部分機(jī)構(gòu)圖 8 車輪旋轉(zhuǎn)部分的具體結(jié)構(gòu)分為五個部分： （ 1）兩個軸承由彈性擋圈和電機(jī)殼軸肩軸向定位；通過電機(jī)殼外表面徑向定位通過電機(jī)軸外表面徑向定位。此外 ,此處選用深溝球軸承作為支撐 同時也可以承載小的軸向載荷。選用它就可以達(dá)到設(shè)計的要求 ,而且深溝球軸承經(jīng)濟(jì)性好 ,方便購買。而作為徑向支撐 ,它主要避免了車輪對電機(jī)產(chǎn)生彎矩。 （ 2）電機(jī)預(yù)裝在電機(jī)殼上，依靠電機(jī)殼凸緣軸向定位；但徑向定位不能利用電機(jī)定位止口定位，只能采用車輪調(diào)整電機(jī)軸的同心完成徑向定位。 （ 3）車輪依靠軸承的外圈定位，然后再通過車輪與電機(jī)軸聯(lián)接。這個過程也是調(diào)整電機(jī)軸同心，然后從車輪側(cè)面的預(yù)留安裝孔將電機(jī)緊固在電機(jī)殼上。 （ 4）整個車輪分為兩部分組合而成。一個是帶有軸徑的車輪 ,另一個是不帶軸徑的輪子 ,兩者相配合使用組成一組完整的車輪。而車輪軸徑與車體支撐件以滾動摩擦的形式配合使用 ,并且作為兩車輪的軸向定位件。兩部分車輪最終的固定是通過外側(cè)的內(nèi)六角螺釘連接實現(xiàn)的。具體結(jié)構(gòu)如圖 （ 5）整個旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計完成 ,但它必須與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接起來才能實現(xiàn)全方位移動。后一小節(jié)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計中設(shè)計有轉(zhuǎn)向軸與此部分連接，最終實現(xiàn)全方位移動。 至此，全方位移動機(jī)器人的車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計完畢。 動機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計 轉(zhuǎn)向部分主要由轉(zhuǎn)向軸、軸承、壓盤、齒輪、轉(zhuǎn)向電機(jī)以及轉(zhuǎn)向電機(jī)固定架組成。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計的 基本路線是從上而下。如圖 圖 向部分示意圖 9 圖 向部分結(jié)構(gòu)圖 （ 1）轉(zhuǎn)向軸 轉(zhuǎn)向軸分兩部分，一部分為軸與齒輪鍵槽連接并通過軸承和壓蓋與平臺車體用卡簧連接。另一部分為軸承套與軸焊接，內(nèi)部裝圓柱滾子軸承，軸承與驅(qū)動輪裝配。與車輪兩端用擋環(huán)隔開。 （ 2）齒輪 與轉(zhuǎn)向電機(jī)連接的齒輪選用 m=5,z=16 直齒齒輪，與轉(zhuǎn)向軸連接的齒輪選用m=5,z=48直齒齒輪。具體的齒輪計算和轉(zhuǎn)向電機(jī)的選 型將在后一小結(jié)闡述。 （ 3）轉(zhuǎn)向電機(jī)固定架 如圖 轉(zhuǎn)向電機(jī)固定架，通過固定轉(zhuǎn)向電機(jī)底部與平臺車體永螺栓連接，在轉(zhuǎn)向電機(jī)工作中可以防止電機(jī)的自傳和徑向運(yùn)行的平穩(wěn)。這種設(shè)計可以將轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的整體重量通過箱體的兩臂傳到車體上，進(jìn)而施于整個重量施輪子。那么轉(zhuǎn)軸的受力將大大的減小。而且這樣設(shè)計拆卸方便，利于維修。采用對稱結(jié)構(gòu)固定于空間內(nèi)，有利于穩(wěn)定整個轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并提高整個全方位移動機(jī)構(gòu)的性能。 圖 向電機(jī)固定架結(jié)構(gòu)圖 至此，整個全方位移動機(jī)構(gòu)機(jī)械本體設(shè)計完畢。 10 機(jī)的選型與計算 在機(jī)器人的驅(qū)動器一般采用以下幾種電機(jī)：直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)。幾種電機(jī)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行如表 示。 表 種電機(jī)比較 電機(jī)類型 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 直流電機(jī) 容易購買 型號多 功率大 接口簡單 轉(zhuǎn)速太快，需減速器 電流較大 較難與車輪裝配 價格較貴 控制復(fù)雜（ 步進(jìn)電機(jī) 精確的速度控制 型號多樣 適合室內(nèi)機(jī)器人的速度 接口簡單 價格便宜 功率與自重比小 電流通常較大 外形體積大 較難與車輪裝配，負(fù)載能力低 功率小 舵 機(jī) 內(nèi) 部帶有齒輪減速器 型號多樣 適合室內(nèi)機(jī)器人的速度 接口簡單 功率中等 價格便宜 負(fù)載能力低 速度調(diào)節(jié)的范圍小 （ 1） 舵機(jī) 1）什么是舵機(jī)： 在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口。舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。目前在高檔遙控玩具，如航模，包括飛機(jī)模型，潛艇模型；遙控機(jī)器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵 機(jī)是一種俗稱，其實是一種伺服馬達(dá)。 2）舵機(jī)的工作原理： 控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20度為 基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī) 11 驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為 0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。當(dāng)然我們可以不用去了解它的具體工作原理，知道它的控制原理就夠了。就像我們使用晶體管一樣，知道可以拿它來做開關(guān)管或放大管就行了， 至于管內(nèi)的電子具體怎么流動是可以完全不用去考慮的。 （ 2）步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)作為一種新型的自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用，進(jìn)入了一些高、精、尖的控制領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)雖然有一些不足，如啟動頻率過高或負(fù)載過大時易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖，且一般無過載能力，往往需要選取有較大轉(zhuǎn)距的電機(jī)來克服慣性力矩。但步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)位控制性能好，沒有積累誤差，易于實現(xiàn)控制，能夠在負(fù)載力矩適當(dāng)?shù)那闆r下，以較小的成本與復(fù)雜度實現(xiàn)電機(jī)的同步控制。 （ 3）直流電機(jī) 最大的優(yōu)點(diǎn)就是直流電機(jī)可以實現(xiàn) “平滑而經(jīng)濟(jì)的 調(diào)速 ”；直流電機(jī)的調(diào)速不需要其它設(shè)備的配合，可通過改變輸入的電壓 /電流，或者勵磁電壓 /電流來調(diào)速。 直流電機(jī)的最大弱點(diǎn) 就是有電流的換向問題，消耗有色金屬較多，成本高，運(yùn)行中的維護(hù)檢修也比較麻煩。因此，電機(jī)制造業(yè)中正在努力改善交流電動機(jī)的調(diào)速性能，并且大量代替直流電動機(jī)。不過，近年來在利用可控硅整流裝置代替直流發(fā)電機(jī)方面，已經(jīng)取得了很大進(jìn)展 綜上所述對于本課題來說選用直流電機(jī)。移動機(jī)器人的移動速度最高為 u= /秒，車輪直徑 d=120機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)最高 80 轉(zhuǎn) /分左右。如果用直流電機(jī) ，由于受轉(zhuǎn)速的影響，所以要配減速器。 下面對旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)型號進(jìn)行選擇，輪式移動機(jī)器人在移動的時候，需要克服兩種阻力：摩擦力和重力。對于平面內(nèi)移動的機(jī)器人來講則只需要克服摩擦力。全方位移動機(jī)器人整體重量加載重量在 40右，地面摩擦系數(shù)按金屬與混凝土之間的取為 機(jī)器人需要的總功率為： ( 4 0 9 . 8 0 . 5 ) 0 . 5 9 8P f v W? ? ? ? ? ? ?總 則平均每組車輪提供的功率為 50 瓦。 對于單個車輪而言： M r?? ? ? ? （ 2 車輪直徑為 120電機(jī)需要提供的轉(zhuǎn)矩為： 605 0 6 0 0 00 . 5 m N ? ? ? ? ? （ 2 因此，選擇了北京博創(chuàng)公司的 36:76) 型號電機(jī)和減速器。靜轉(zhuǎn)矩為 該電機(jī)在相近產(chǎn)品中具有在轉(zhuǎn)速變高一定范圍內(nèi)能夠保持平穩(wěn)的力矩。 12 下面選擇轉(zhuǎn)向電機(jī)，機(jī)器人對轉(zhuǎn)向速度要求較低，對位置精度比較嚴(yán)格。轉(zhuǎn)向電機(jī)主要是使車輪實現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)，克服地面摩擦力，要求的轉(zhuǎn)速不高，因此主要 計算電機(jī)靜力矩。 在這里我們假設(shè)每個車輪與地面的接觸按照理想狀態(tài)即相切線接觸，那么平均每個車輪的摩擦力為： 1 4 0 9 . 8 0 . 5 9 84? ? ? ? （ 2 由于車輪是零半徑回轉(zhuǎn)，所以克服的摩擦力矩為： 02 / 22l fM x d x f ? ? ?? （ 2 式中 l —— 單個車輪的寬度 設(shè)計車輪與地面接觸總寬度為 88 44l 所以克服的力矩為 。實際上車輪不是與地面呈線接觸，保證一定余量，并便于總體考慮選擇和驅(qū)動同型號電機(jī) 力矩為 m? 。 綜合驅(qū)動輪軸距，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)向時電機(jī)是否超出車體，轉(zhuǎn)向速度等因素。選用m=5,z=16直齒齒輪作為主動齒輪，選用 m=5,z=48 直齒齒輪作為從動齒輪。速度比為 1:3。轉(zhuǎn)向電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速大約 6200以 減速器選擇 :96)。車輪轉(zhuǎn)向的時候轉(zhuǎn)向速度大約為 20全滿足操控穩(wěn)定性的要求 下面是所選電機(jī)的外形尺寸和減速器的外形尺寸。 13 設(shè)計移動機(jī)器人車體是應(yīng)遵循以下幾個原則： （ 1）總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時的試驗、調(diào)試、和修理。 （ 2）在設(shè)計的移動平臺應(yīng)能夠給機(jī)器人暫時沒有安裝的傳感器、功能元件、電池等元件預(yù)留安裝位置，以備將來功能改進(jìn)和擴(kuò)展。 車體是實現(xiàn)全方位移動機(jī)構(gòu)連接的部分，也是安裝其他元件的主體。它同樣是保證機(jī)器人具 有良好的環(huán)境適應(yīng)能力的關(guān)鍵。本結(jié)構(gòu)的空間設(shè)計使得機(jī)器人機(jī)構(gòu)緊湊，易于維護(hù)，而且提高了機(jī)器人控制系統(tǒng)的抗干擾能力。 車體結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)器人是一種高度集成的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它不是機(jī)械裝置和電子裝置的簡單組合，而是機(jī)械、電子、計算機(jī)等技術(shù)的有機(jī)融合。本文雖只設(shè)計機(jī)械本體部分，但設(shè)計過程要完全考慮各部分的因素。而移動機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)，它是移動機(jī)器人系統(tǒng)能否完成指定任務(wù)的基礎(chǔ)。 本文在設(shè)計過程中圍繞平面內(nèi)任意角度移動這一思路展開設(shè)計。設(shè)計了可避免對電機(jī)軸形成彎矩的車輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化車輪的 直徑與電機(jī)的匹配，使其車輪能夠在 s 調(diào)速；設(shè)計了車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可使車輪實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向。 14 3. 機(jī)械材料選擇和零件的校核 機(jī)械零件材料的選擇是機(jī)械設(shè)計的一個重要問題，不同材料制造的零件不但機(jī)械性能不同，而且加工工藝和結(jié)構(gòu)形狀也有很大差別。機(jī)械零件常用的材料由黑色金屬、有色金屬、非金屬材料和各種復(fù)雜的復(fù)合材料等。 選擇材料主要應(yīng)考慮以下三方面的問題。 使用要求一般包括：零件的受載情況和工作狀況；對零件尺寸和質(zhì)量的限制；零件的重要程度等。 若零件尺寸取決于 強(qiáng)度，且尺寸和重量又受到某些限制，應(yīng)選用強(qiáng)度較高的材料。靜應(yīng)力下工作的零件，應(yīng)分布均勻的（拉伸、壓縮、剪切），應(yīng)選用組織均勻，屈服極限較高的材料；應(yīng)力分布不均勻的（灣區(qū)、扭轉(zhuǎn)）宜采用熱處理后在應(yīng)力較大部位具有較高強(qiáng)度的材料。在變應(yīng)力工作的零件，應(yīng)選用疲勞強(qiáng)度較高的材料。零件尺寸取決于接觸強(qiáng)度的，應(yīng)選用可以金星表面強(qiáng)化處理的材料，如：調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、氮化鋼。 零件尺寸取決于剛度的，則應(yīng)選用彈性模量較大的材料。碳素鋼與合金鋼的彈性模量相差很小，故選用優(yōu)質(zhì)合金鋼對提高零件的剛度沒有意義。截面積相同，改變零件的形狀 與結(jié)構(gòu)可使剛度有較大提高。 滑動摩擦下工作的零件應(yīng)選用摩擦性能好的材料；在高溫下工作的零件應(yīng)選用耐熱材料；在腐蝕介質(zhì)中工作的零件應(yīng)選用耐腐蝕材料等。 材料的工藝要求有三個方面內(nèi)容 （ 1） 毛坯制造 大型零件且批量生產(chǎn)時應(yīng)用鑄造毛坯。形狀復(fù)雜的零件只有用毛坯才易制造，但鑄造應(yīng)選用鑄造性能好的材料，如鑄鋼、灰鑄鐵或球鑄鐵等等。大型零件只少量生產(chǎn)，可用焊接件毛坯，但焊接件要考慮材料的可焊性和生產(chǎn)裂紋的傾向等，選用焊接性能好的材料。只有中小型零件采用鍛造毛坯，大規(guī)模生產(chǎn)的鍛件可用模鍛，少量生產(chǎn)時可用自 由鍛。鍛造毛坯主要考慮材料的延展性、熱膨脹性和變形能力等，應(yīng)選用鍛造性能好的材料。 （ 2）機(jī)械加工 大批批量生產(chǎn)的零件可用自動機(jī)床加工，以提高產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量，應(yīng)考慮零件材料的易切削性能、切削后能達(dá)到的表面粗糙度和表面性質(zhì)的變化等，應(yīng)選用切削性能好的材料，如易削斷、加工表面光潔、刀具磨損小的材料。 （ 1）經(jīng)濟(jì)性首先表現(xiàn)為材料的相對價格。當(dāng)用價格低廉的材料能滿足使用要求時，就不應(yīng)該選用價格高的材料。這對大批量制造的零件尤為重要。 15 （ 2）當(dāng)零件的質(zhì)量不大而加工量很大，加工費(fèi)用在零件總成本中要占很 大的比例，這時，選擇材料時所考慮的因素將不是相對價格而是其加工性能和加工費(fèi)用。 （ 3）要充分考慮材料的利用率。例如采用無切削或少切削毛坯，可以提高材料的利用率。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時也應(yīng)該設(shè)法提高利用率。 （ 4）采用局部品質(zhì)原則。在不同的部位上采用不同的材料或采用不同的熱處理工藝，使各局部的要求分別得到滿足。 （ 5）盡量用性能相近的廉價材料代替價格相對昂貴的稀有材料。 另外選擇材料時應(yīng)盡量考慮當(dāng)?shù)禺?dāng)時的材料供應(yīng)情況，應(yīng)盡能的減小同一部機(jī)器上使用的零件材料品種和規(guī)格不同。 從材料選用原則的使用要求、加工要求和經(jīng)濟(jì)要求出發(fā)，選擇機(jī)械本體個零部件的材料。 在機(jī)械手臂中各傳動件是關(guān)鍵性零件，如傳動軸和齒輪系，它們的強(qiáng)度、剛度等機(jī)械性能直接影響機(jī)械手的工作質(zhì)量。 （ 1）軸材料的選擇 傳動軸的常用材料有碳素鋼和合金鋼。碳素鋼對應(yīng)力集中的敏感性較低，還可通過熱處理改變其綜合性能，價格也比合金鋼低廉，因此應(yīng)用較為廣泛，常用45 號鋼。合金鋼則具有更高的機(jī)械性能和更好的淬火性能。因此，在傳遞大動力，并要求減小尺寸與質(zhì)量，提高軸頸的耐磨性，以及處于高溫或 低溫條件下工作的軸，常采用合金鋼。在一般工作溫度下碳素鋼與合金鋼的彈性模量基本相同。因此，用合金鋼代替碳素鋼并不能提高周的剛度。鑒于此，全方位移動結(jié)構(gòu)中的車輪，轉(zhuǎn)軸，螺紋軸采用 45號鋼，就完全能夠滿足設(shè)計要求 的需要。 （ 2）轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向軸強(qiáng)度校核 由于此軸最小軸徑是直徑為 10那段 ,所以只對這一段進(jìn)行校核就可以了。軸的運(yùn)動主要受到扭轉(zhuǎn)力 ,所以只對其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核。 軸的扭轉(zhuǎn)校核公式為 : []??（ 4 式中：T?—— 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為 軸的抗扭截面系數(shù)，單位為 3軸的材料為 45 號鋼 ,其允許扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為 [ ] 35?由第二章可知，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)選擇的電機(jī)型號為 靜力矩 為 m? 。即 T=9200 N 。 其截面如圖 示： 16 抗扭截面系數(shù)： 3T W 16d?? 將數(shù)值帶入公式計算得： 3T W 1 8 8 . 2 5 則： 1400 7 . 4 4 [ ] 3 51 8 8 . 2 5T a T P M ? ? ? ? ?圖 截面 由此可知，設(shè)計的轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度滿足要求，可以 使用。 （ 3）車輪的校核 車輪是整個機(jī)械部分的支撐，也是整個結(jié)構(gòu)受力最大的部分。這里從材料經(jīng)濟(jì)性和強(qiáng)度等方面選擇 45號鋼來制造。加工時為了增大車輪與接觸面的摩擦力，車輪表面要滾花處理，這樣更有利于機(jī)器人的移動。 整個車輪部分承載的重量為 40于整個移動機(jī)構(gòu)有四個車輪，這樣每個輪子受到的重量只有 10到的重力僅為 98N。輪子的直徑為 120個移動部分的強(qiáng)度是非常大的，完全滿足設(shè)計的要求。 全方位移動機(jī)器人各零部件所要求的強(qiáng)度、剛度等都不同，應(yīng)該選用不同的材 料來制造加工。所以本章就依據(jù)機(jī)器人在工作過程中各零部件不同受力情況，以及機(jī)械設(shè)計的要求選用了不同的材料來制造零件，并對零件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，使其達(dá)到工作要求。 結(jié) 論 17 結(jié) 論 本文在了解已有的機(jī)器人移動平臺，分析結(jié)構(gòu)和工作原理，對比它們的優(yōu)劣點(diǎn)。在這些基礎(chǔ)上提出了全方位移動結(jié)構(gòu)的可行性方案，并選擇最佳方案來設(shè)計。 全方位移動機(jī)器人的本體設(shè)計是實現(xiàn)機(jī)器人控制和理論研究的基礎(chǔ)，在設(shè)計過程中圍繞平面內(nèi)任意角度移動這一思路展開設(shè)計?？v觀本文，全方位移動機(jī)器人可分 為兩個大部分即旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計、?？偨Y(jié)如下： 1．本文采用車輪機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)全方位移動。從而設(shè)計了可避免對電機(jī)軸形成彎矩的車輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化車輪的直徑與電機(jī)的匹配，使其車輪能夠在 s 調(diào)速； 2．設(shè)計了車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可使車輪實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向； 全方位移動機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計是機(jī)器人設(shè)計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路 。