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編號(hào):
無(wú)錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
學(xué) 號(hào)： 0923122
學(xué)生姓名： 趙熙熙
指導(dǎo)教師： 龔常洪（職稱：副教授）
（職稱： ）
2013年5月25日
III
無(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
誠(chéng) 信 承 諾 書(shū)
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級(jí)： 機(jī)械93
學(xué) 號(hào)： 0923122
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無(wú)錫太湖學(xué)院
信 機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書(shū)
一、題目及專題：
1、題目 移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2、專題
二、課題來(lái)源及選題依據(jù)
課題來(lái)源：導(dǎo)師提供
選題依據(jù)：近年來(lái)，人類的活動(dòng)領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開(kāi)發(fā)、宇宙探測(cè)、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂(lè)等行業(yè)都提出了自動(dòng)化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對(duì)機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能，對(duì)外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。
三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：
① 設(shè)計(jì)移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù)；
② 建立移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及機(jī)器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型；
③ 研究其穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和自主控制的問(wèn)題，驗(yàn)證所研究機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機(jī)械93 班 姓名 趙熙熙
五、開(kāi)始及完成日期：
自2012年11月12日 至2013年5月25日
六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月12日
摘 要
移動(dòng)機(jī)器人是一種由傳感器、自主控制的移動(dòng)載體組成的機(jī)器人系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)器人具有移動(dòng)功能，在代替人從事危險(xiǎn)、惡劣(如輻射、有毒等)環(huán)境下作業(yè)和人所不及的(如宇宙空間、水下)作業(yè)環(huán)境方面，比一般機(jī)器人有更大的機(jī)動(dòng)性，靈活性。隨著機(jī)器人技術(shù)在外星探索、野外考察、軍事、安全等全新的領(lǐng)域得到 日益廣泛的采用，機(jī)器人技術(shù)由室內(nèi)走向室外，由固定、人工的環(huán)境走向移動(dòng)、非人工的環(huán)境。本課題是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié)，能夠?yàn)楹罄m(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究 提供有價(jià)值的平臺(tái)參考和有用的思路。本文對(duì)各種移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了比較，從而確定了四輪式機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)與參數(shù)的研究設(shè)計(jì)。對(duì)四輪式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了探討，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行了分析，并推到計(jì)算出其動(dòng)力學(xué)模型。本文了解了基于多傳感器的移動(dòng)機(jī)器人的自主控制問(wèn)題。分析了直流伺服電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性，為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。
關(guān)鍵詞：輪式移動(dòng)機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)；自主控制問(wèn)題
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
目 錄
摘 要 III
Abstract IV
目 錄 V
1 緒論 1
1.1 本課題的研究?jī)?nèi)容和意義 1
1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況 1
1.2.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 1
1.2.2 移動(dòng)機(jī)器人的主要組成 2
1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求 2
2 移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù) 3
2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的選擇 3
2.2 輪式機(jī)器人移動(dòng)能力分析 5
2.3 輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的組成 6
2.4 輪式機(jī)器人轉(zhuǎn)向輪的組成 7
2.5 電機(jī)的選擇 8
2.6 直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及動(dòng)態(tài)參數(shù)的確定 9
2.7 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)） 12
2.7.1 電機(jī)參數(shù)的確定 12
2.7.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 13
2.7.3 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算 14
2.7.4 蝸輪軸的設(shè)計(jì) 16
2.7.5 初選滾動(dòng)軸承 16
2.7.6 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18
2.8 機(jī)器人的電源供應(yīng) 19
2.9 車輪及輪轂 19
3 移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 21
3.1 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 21
3.2 兩種運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法分析 23
3.3 仿真實(shí)驗(yàn) 23
3.4 結(jié)論 24
4 機(jī)器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型 25
4.1輪子 25
4.2 平臺(tái)體 25
4.3 小結(jié) 26
5 自主運(yùn)動(dòng)控制 26
5.1 控制系統(tǒng)的選用 26
5.2可行性分析 28
6 結(jié)論與展望 28
6.1 結(jié)論 28
6.2 不足之處及未來(lái)展望 29
致 謝 29
參考文獻(xiàn) 30
31
移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 本課題的研究?jī)?nèi)容和意義
機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域，移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支。早在六十年代就已經(jīng)開(kāi)始了移動(dòng)機(jī)器人的研究。關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及到許多方面。首先要考慮到移動(dòng)方式，輪式，履帶式，腿式的。其次考慮驅(qū)動(dòng)器的控制，以使機(jī)器人達(dá)到期望的行為。第三必須考慮到導(dǎo)航或者路徑規(guī)劃，路徑有更多的方面考慮，如傳感融合，特征提取，避碰及環(huán)境映射。因此移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知?jiǎng)討B(tài)決策與規(guī)劃，行為控制與執(zhí)行等多種功能與一體的綜合系統(tǒng)。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究提出了許多新的挑戰(zhàn)或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來(lái)越多的專家技術(shù)人的興趣，更由于他在軍事偵察排雷防止污染等危險(xiǎn)與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運(yùn)具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對(duì)它的研究在世界各地受到普遍關(guān)注。移動(dòng)機(jī)器人按照移動(dòng)方式可分為輪式，履帶式，腿式，其中輪式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單活動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)直接影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和控制器的復(fù)雜程度。目前廣泛使用的輪式按照移動(dòng)特性又可將移動(dòng)機(jī)器人分為非全方位和全方位兩種。在平面上移動(dòng)的物體可以實(shí)現(xiàn)前后，左右和自傳三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)稱為全方位移動(dòng)機(jī)器人，其不僅可以再任意方向上移動(dòng)，并且保持本姿態(tài)不變，實(shí)現(xiàn)全方位的移動(dòng)的功能也可以改變機(jī)體方位。這種特性使得輪式移動(dòng)的路徑規(guī)劃，軌跡跟蹤等問(wèn)題變得相對(duì)簡(jiǎn)單，并且它能夠在狹小的空間完成任務(wù)。
通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、理論力學(xué)、大學(xué)物理，機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)、傳感器應(yīng)用的能力；強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的實(shí)用性、結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單便捷性。同時(shí)也培養(yǎng)了我們獨(dú)立思考分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，為今后機(jī)械設(shè)計(jì)和適應(yīng)工作崗位打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況
1.2.1 國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況
移動(dòng)機(jī)器人的研究始于上世紀(jì)60年代末期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、保安巡邏等行業(yè)。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，也同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹?lái)越不斷探討自然過(guò)程中，在改造自然過(guò)程中，認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過(guò)程中的一個(gè)客觀需要。
國(guó)外對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的研究起步較早，日本是開(kāi)發(fā)機(jī)器人較早的國(guó)家，并成為世界上機(jī)器人占有量最多的國(guó)家，其次是美國(guó)和德國(guó)。進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，開(kāi)拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位，俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼承者，在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域依然具有相當(dāng)雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER科技有限公司把在開(kāi)發(fā)空間機(jī)器人中獲得的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于開(kāi)發(fā)地面機(jī)器人系統(tǒng)，如極坐標(biāo)平面移動(dòng)車、爬行移動(dòng)機(jī)器人、球形機(jī)器人、工作伙伴平臺(tái)以及ROSA-2移動(dòng)車等，最近的突出成果是2003年發(fā)射的火星漫游機(jī)器人一一“勇氣”號(hào)與“機(jī)遇”號(hào)。雖然國(guó)內(nèi)有關(guān)移動(dòng)機(jī)器人研究的起步較晚，但也取得了不少成績(jī)。2003年國(guó)防科技大學(xué)賀漢根教授主持研制的無(wú)人駕駛車采用了四層遞階控制體系結(jié)構(gòu)以及機(jī)器學(xué)習(xí)等智能控制算法，在高速公路上達(dá)到了130Km/h的穩(wěn)定時(shí)速，最高時(shí)速170Km/h，而且具備了自主超車功能，這些技術(shù)指[1]標(biāo)均處于世界領(lǐng)先的地位。但是我國(guó)在機(jī)器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計(jì)和制造能力、高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應(yīng)用等方面，同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)仍存在較大的差距。未來(lái)研究熱點(diǎn)是將各種智能控制方法應(yīng)用到移動(dòng)機(jī)器人的控制。
1.2.2 移動(dòng)機(jī)器人的主要組成
一個(gè)理想的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)通常由三個(gè)部分組成：移動(dòng)機(jī)構(gòu)，感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。移動(dòng)機(jī)構(gòu)是移動(dòng)機(jī)器人的核心，決定了機(jī)器人的核心，決定了機(jī)器人移動(dòng)空間。感知系統(tǒng)一般采用攝像機(jī)，激光測(cè)距儀，超聲波傳感器，紅外傳感器，陀螺儀等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)人工智能技術(shù)和傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的研究具備了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。移動(dòng)機(jī)器人的控制與工作環(huán)境信息密切相關(guān)而且包容著各種不確定因素，因此在已知或未知的環(huán)境中作業(yè)時(shí)，以適當(dāng)?shù)慕７椒ū磉_(dá)環(huán)境，用必要的傳給器探測(cè)環(huán)境具有重要意義。機(jī)器人的構(gòu)型選型和設(shè)計(jì)需要根據(jù)機(jī)器人實(shí)際執(zhí)行的工作來(lái)進(jìn)行，尤其對(duì)適應(yīng)環(huán)境能力要求較高的移動(dòng)機(jī)器人來(lái)講，構(gòu)型不僅滿足應(yīng)用場(chǎng)合，積極開(kāi)飯新的結(jié)構(gòu)更要使機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定且可靠。從而減少誤差及不穩(wěn)定影響。
對(duì)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的研究還涉及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。控制系統(tǒng)的輸入量需從對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)建模分析得到的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出。移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)交叉的研究領(lǐng)域，涉及機(jī)械，控制，傳感器技術(shù)，信息信號(hào)處理，模式識(shí)別，人工智能和計(jì)算機(jī)技術(shù)等技術(shù)科學(xué)。
1.3 本課題應(yīng)達(dá)到的要求
(1)設(shè)計(jì)移動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù)；
(2)建立移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型及機(jī)器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型；
(3)研究移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性和機(jī)器人自主控制的問(wèn)題。
移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2 移動(dòng)機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù)
2.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的選擇
到目前為止，地面移動(dòng)機(jī)器人的行駛機(jī)構(gòu)主要分為履帶式、腿式和輪式三種。這三種行駛機(jī)構(gòu)各有其特點(diǎn)。
(1)履帶式
圖2.1 四段履帶機(jī)器人
圖2.2 六段履帶機(jī)器人
(2)腿式
圖2.3 三腿機(jī)器人 圖2.4 四腿機(jī)器人
(3)輪式
圖2.6 單輪滾動(dòng)機(jī)器人 圖2.7 兩輪移動(dòng)機(jī)器人
圖2.8 三輪移動(dòng)機(jī)器人 圖2.9四輪移動(dòng)機(jī)器人
圖2.10 六輪移動(dòng)機(jī)器人 圖2.11 八輪移動(dòng)機(jī)器人
圖2.13 輪腿式機(jī)器人
綜上各移動(dòng)機(jī)器人特點(diǎn)如下表2-1所示：
表2-1 各移動(dòng)機(jī)器人特點(diǎn)
行駛結(jié)構(gòu)
車輪式移動(dòng)機(jī)器人
步行式移動(dòng)機(jī)器人
履帶式移動(dòng)機(jī)器人
特點(diǎn)
一般適用于平底運(yùn)行，切操作簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)速度和方向容易控制。按照輪子個(gè)數(shù)又可以分兩輪式、三輪式、四輪式、六輪和八輪式。
具有跨越越障能力，對(duì)環(huán)境有良好的適應(yīng)能力等優(yōu)點(diǎn)，尤其是多足式對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)。但它也存在動(dòng)作不連貫，速度較慢，控制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難等不足。
履帶式機(jī)器人可以跨越障礙，攀爬低度不高的臺(tái)階，行動(dòng)速度快，承載能力強(qiáng)，適用于在凹凸不平的地面上行走，但不易轉(zhuǎn)向。
在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人時(shí)也應(yīng)遵循以下機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則:
1)總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時(shí)的試驗(yàn)、調(diào)試、和修理。
2)應(yīng)給機(jī)器人暫時(shí)未能裝配的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將來(lái)功能改進(jìn)與擴(kuò)展。
3)運(yùn)用三維軟件畫(huà)出零件圖，然后再裝配成裝配圖，可以清晰明了的看出哪里設(shè)計(jì)合理哪里裝配方便，哪里會(huì)產(chǎn)生干涉。通過(guò)對(duì)以上方式的比較，我們選用輪子方式做為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式，它符合我們的設(shè)計(jì)要求：適應(yīng)室內(nèi)活動(dòng)環(huán)境，需要?jiǎng)恿^小，能量消耗少，結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠。
2.2 輪式機(jī)器人移動(dòng)能力分析
輪式移動(dòng)機(jī)器人的分類方法主要有：按具有的自由度劃分，有三自由度類型，二自由度類型等。按驅(qū)動(dòng)方式劃分有鉸軸轉(zhuǎn)向式，差速轉(zhuǎn)向式等。本設(shè)計(jì)按照傳統(tǒng)的車輪配置方式劃分來(lái)討論。
本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題主要是為了掌握和了解輪式移動(dòng)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的能力，基本能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、360°范圍轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng),也可以為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和控制提供一個(gè)很好的研究平臺(tái)。
生活中我們見(jiàn)到最多的家用小車的車輪布局在輪式移動(dòng)機(jī)器人中最先得到了應(yīng)用，就像我們平時(shí)推小車一樣，當(dāng)我們給小車左邊的力大于右邊的力時(shí)小車右轉(zhuǎn)，同理右邊的力大時(shí)，小車左轉(zhuǎn)。所以我選擇了跟家用小車一樣的移動(dòng)方式即差速度輪式移動(dòng)機(jī)器人。四個(gè)車輪布置在我設(shè)計(jì)的機(jī)器人矩形機(jī)身四角，后兩輪差速驅(qū)動(dòng)，前兩輪是轉(zhuǎn)向輪。當(dāng)然通過(guò)查閱資料這種機(jī)構(gòu)有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是四輪構(gòu)型移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力受到限制，轉(zhuǎn)向之前必須有一定的前行行程。二是這種輪子布局需要有保持穩(wěn)定可靠驅(qū)動(dòng)的能力，可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定。
圖2.14 后輪差速驅(qū)動(dòng)，前輪是隨動(dòng)結(jié)構(gòu)
根據(jù)設(shè)計(jì)需要和實(shí)現(xiàn)的難易程度選擇了圖2.14中的驅(qū)動(dòng)方案機(jī)器人，稱之為后輪驅(qū)動(dòng)輪型機(jī)器人，它是一種典型的非完整約束的輪式移動(dòng)機(jī)器人模型。后輪為驅(qū)動(dòng)輪，方向不變，提供前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力，兩輪驅(qū)動(dòng)速度不相同；前輪為轉(zhuǎn)向輪，稱為隨動(dòng)輪，使機(jī)器人按照要求的方向移動(dòng)。
輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)又主要分三個(gè)輪、四個(gè)輪、三輪支撐理論上是穩(wěn)定的，然而這種裝置很容易在施加到單獨(dú)輪的左右兩側(cè)力F作用下翻倒，因此對(duì)負(fù)載有一定限制。為提高穩(wěn)定性和承載能力，決定選用四輪機(jī)構(gòu)，后輪為兩驅(qū)動(dòng)輪，兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪為前輪。這種結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、穩(wěn)定以及跟蹤等控制任務(wù)，可適應(yīng)復(fù)雜的地形，承載能力強(qiáng)，但是軌跡規(guī)劃及控制相對(duì)復(fù)雜。
圖2.15 輪式機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)solid Edge模型圖
2.3 輪式機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪的組成
(1)后輪驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)模型圖如圖2.16
圖2.16 后輪驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)模型
后輪驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2.17所示：
圖2.17 驅(qū)動(dòng)輪機(jī)械傳動(dòng)示意圖
1輪胎 2輪轂 3聯(lián)軸器
4蝸輪 5蝸桿 6直流電機(jī) 7減震墊
根據(jù)上面所確定的方案，輪式機(jī)器人前輪驅(qū)動(dòng)裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)，減速裝置和車輪及輪轂組成。
2.4 輪式機(jī)器人轉(zhuǎn)向輪的組成
轉(zhuǎn)向輪起支撐和轉(zhuǎn)向作用，不產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，在小車轉(zhuǎn)向時(shí)它可以以一定角度轉(zhuǎn)動(dòng)。主要機(jī)械組成結(jié)構(gòu)如圖2.18所示：
圖2.18 轉(zhuǎn)向裝置模型圖
輪式機(jī)器人前輪驅(qū)動(dòng)裝置由以下幾部分構(gòu)成：輪胎，輪轂，兩個(gè)轉(zhuǎn)向輪和深溝球軸承幾個(gè)部分組成。
2.5 電機(jī)的選擇
目前在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中較為常用的電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，對(duì)它們的特性、工作原理與控制方式有分類介紹，下面總結(jié)如表2-2所示：
表2-2 不同電機(jī)的特性、工作原理與控制方式
電機(jī)的類型
特點(diǎn)
構(gòu)造與工作原理
控制方式
步進(jìn)電機(jī)
直接用數(shù)字信號(hào)控制，與計(jì)算機(jī)接口簡(jiǎn)單，沒(méi)有電刷，維護(hù)方便，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步，過(guò)載能力弱
按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可以分為:永磁式，反 應(yīng)式和混合式?；旌鲜侥墚a(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
永磁式是單向勵(lì)磁，精度高，但易失步，反應(yīng)式；是雙向勵(lì)磁，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過(guò)沖小，但效率低；混 合式是單-雙向勵(lì)磁,分辨率高,運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
續(xù)表2-2
電機(jī)的類型
特點(diǎn)
構(gòu)造與工作原理
控制方式
直流伺服電機(jī)
接通直流電即可工作，控制簡(jiǎn)單；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、體積小、重量輕，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制、效率高；需要定時(shí)維護(hù)和更換電刷，使用壽命短、噪聲大。
由永磁體定子、線圈
轉(zhuǎn)子、電刷和換向器
構(gòu)成。通過(guò)電刷和換
向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
轉(zhuǎn)動(dòng)控制采用電壓控制方式,兩者成正比。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式, 兩者也成正比。
交流伺服電機(jī)
沒(méi)有電刷和換向器，無(wú)需維護(hù)；驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，價(jià)格高。
按結(jié)構(gòu)分為同步和異步電電刷和換向器構(gòu)成。通過(guò)電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
分為電壓控制和頻率控制兩種方式。異 步電機(jī)常采用電壓控制。
一般機(jī)器人用電機(jī)的基本性能要求:
1)啟動(dòng)、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行，具有良好的響應(yīng)特性；
2)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時(shí)的特性相同,且運(yùn)行特性穩(wěn)定；
3)良好的抗干擾能力，對(duì)輸出來(lái)說(shuō),體積小、重量輕；
4)維修容易，不用保養(yǎng)。
輪式機(jī)器人采用雙輪雙電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，對(duì)于小功率電機(jī)，直流伺服電機(jī)具有良好的啟動(dòng)和調(diào)速性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人、計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備以及高精度伺服系統(tǒng)中。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)輪為兩后輪，要求控制性好且精度高，能耗要低，輸出轉(zhuǎn)矩大，有一定過(guò)載能力，而且穩(wěn)定性好。通過(guò)比較以上電機(jī)的特性、工作原理、控制方式以及移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)性能要求、自身重量、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)等因素，所以決定選用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
直流電動(dòng)機(jī)以其良好的線性調(diào)速特性、簡(jiǎn)單的控制性能、較高的效率、優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性，一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。雖然近年不斷受到其他電動(dòng)機(jī)(如交流變頻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等)的挑戰(zhàn)，但直流電動(dòng)機(jī)仍然是許多調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)選擇，在生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用。
通過(guò)以上的比較決定選用直流伺服電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)。
2.6 直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及動(dòng)態(tài)參數(shù)的確定
直流伺服電動(dòng)機(jī)是將電信號(hào)轉(zhuǎn)變成機(jī)械運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵元件，它應(yīng)該能提供足夠的功率，使負(fù)載按照所需的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。因此，伺服電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率，應(yīng)能滿足負(fù)載的運(yùn)動(dòng)要求，控制特性應(yīng)保證所需的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩變化范圍。另外，從驅(qū)動(dòng)的角度，要對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓、額定電流進(jìn)行選擇。
直流伺服電機(jī)的基本方程式為：
(2.1)
(2.2)
(2.3)
其中，己為電樞電流，為電樞電勢(shì)，為電磁轉(zhuǎn)矩，為電樞電阻，為電勢(shì)系數(shù)，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。
忽略鐵耗和摩擦損耗，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時(shí)， (J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)，則有
(2.4)
如果轉(zhuǎn)速的初始條件，則上式拉氏變換后得到
(2.5)
得到的傳遞函數(shù)為
G(S)= (2.6)
令是直流伺服電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù)，為電動(dòng)機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)則傳遞函數(shù)可以寫成：
G(S)= (2.7)
直流伺服電機(jī)的除了銅耗之外，還有風(fēng)損、機(jī)械損耗、鐵耗，其中風(fēng)損和機(jī)械損耗與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即和反電勢(shì)E的平方成正比，這樣可以設(shè)置一等效的電阻R。來(lái)代替這兩項(xiàng)損耗，鐵耗中的磁滯損耗和渦流損耗大致和磁通的二次方成正比，因而可以像
風(fēng)耗和機(jī)械損耗一樣包含在等效電阻中。
分析直流伺服電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性的等效電路如圖4—17所示。轉(zhuǎn)子動(dòng)能(J為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為角速度)用等效電路中的靜電能來(lái)代替，則等效電容，空載損耗(包括風(fēng)損、機(jī)械損耗、鐵耗等)在電路中用等效電阻上的損耗來(lái)代替。
圖2.19 分析動(dòng)態(tài)特性的等效電路
假設(shè)初始時(shí)候電容兩端的電壓為零，電感中的電流為零，則可以得到拉氏變換后的運(yùn)算電路圖如圖所示：
圖2.20 拉氏變換后的運(yùn)算電路
其傳遞函數(shù)為：
(2.8)
如果施加的電壓時(shí)一個(gè)階越函數(shù)，,則：
(2.9)
由拉氏變換后令,可得到：
(2.10)
上式中，是直流伺服電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)候的電流，這個(gè)值比較容易測(cè)量；()是待定參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)依據(jù)最小二乘法擬和曲線的辦法，可以確定參數(shù)()。
電流相應(yīng)曲線一般采用直流伺服電機(jī)的啟動(dòng)電流曲線，可以在電機(jī)輸A回路中串一個(gè)阻值很小的采樣電阻，用存儲(chǔ)示波器記錄電機(jī)啟動(dòng)的瞬間采樣電阻兩端的電壓值，即可獲得啟動(dòng)電流曲線。當(dāng)電樞回路中串采樣電阻以后。對(duì)直流伺服電機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)和機(jī)械時(shí)間常數(shù)是有影晌的，應(yīng)該消除采樣電阻的影響。假定t，靠為計(jì)算的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)，則實(shí)際的動(dòng)態(tài)時(shí)間常數(shù)為：
(2.11)
(2.12)
2.7 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)（蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)）
直流電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較高，一般不能直接接到車輪軸上，需要減速機(jī)構(gòu)來(lái)降速，所以設(shè)計(jì)了蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行了校核與驗(yàn)證。減速裝置的形式多種多樣，選擇一種合適的減速裝置對(duì)機(jī)器人的性能有著相當(dāng)重要的作用。
結(jié)合本設(shè)計(jì)中機(jī)器人的要求，輸出轉(zhuǎn)矩大傳動(dòng)效率高的條件電機(jī)軸直接作為輸入軸安裝用聯(lián)軸器，聯(lián)軸器有過(guò)載保護(hù)，提高了精度又減輕了重量。輪轂和齒輪安裝在同一根軸上，他們轉(zhuǎn)速相同。齒輪類型為漸開(kāi)線直齒齒輪，聯(lián)軸器相聯(lián)齒輪與車輪裝在同一個(gè)軸上，它們的轉(zhuǎn)速相同。
移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)與車輪軸需要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。蝸桿傳動(dòng)是用來(lái)傳遞空間交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。最常用的是軸交角∑=90°的減速傳動(dòng)。蝸桿傳動(dòng)能得到很大的單級(jí)傳動(dòng)比，在傳遞動(dòng)力時(shí)，傳動(dòng)比一般為5~80，常用15~50；在分度機(jī)構(gòu)中傳動(dòng)比可達(dá)300，若只傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比可達(dá)1000。蝸輪蝸桿傳動(dòng)工作平穩(wěn)無(wú)噪音，蝸桿反行程能自鎖，所以決定選用普通圓柱蝸桿傳動(dòng)。其實(shí)物圖跟結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下：
圖2.21 實(shí)物圖 圖2.22 結(jié)構(gòu)示意圖
2.7.1 電機(jī)參數(shù)的確定
考慮到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的時(shí)候的穩(wěn)定，并且需要越障，克服各種地面的摩擦因素，還要有爬坡等因素，通過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)指導(dǎo)，先假設(shè)輪式機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)候的速度大約為0.7m/s，最大速度為1.5m/s。需要的最大拉力F為800N，地面與輪胎之間的損耗，則,則。
1）工作機(jī)各傳動(dòng)部件的傳動(dòng)效率及總效率：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》書(shū)中表1- 7得各傳動(dòng)部件的效率分別為：
； ；
；
工作機(jī)的總效率為：
2）電機(jī)的所需要的功率：
3）傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比的確定：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》書(shū)中表13 – 2得各級(jí)齒輪傳動(dòng)比如下：
理論總傳動(dòng)比：
4）電機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)速：
根據(jù)上面所算得的原動(dòng)機(jī)的功率與轉(zhuǎn)速范圍，可由《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》書(shū)中表12 – 1可選擇合適的電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)選擇的電動(dòng)機(jī)的型號(hào)及參數(shù)如下表2-3：
表2-3 電動(dòng)機(jī)型號(hào)及參數(shù)
型號(hào)
額定功率
滿載轉(zhuǎn)速
最大轉(zhuǎn)矩
質(zhì)量
軸的直徑
Y160M1-8
4kw
720r/min
2.3
38 kg
24mm
計(jì)算傳動(dòng)比=720/33.44=21.53，單機(jī)蝸桿傳動(dòng)，傳動(dòng)比都集中在蝸桿上，不需分配傳動(dòng)比。
2.7.2 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
(1)蝸桿蝸輪的轉(zhuǎn)速
蝸桿轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速相同渦輪轉(zhuǎn)速n=33.44r/min,車輪的轉(zhuǎn)速和蝸輪的轉(zhuǎn)速相同。
(2)功率
電機(jī)軸輸出功率 Pd=2.54kw
蝸桿的輸入功率 2.54×0.99=2.5146
蝸桿的輸出功率 2.5146×0.99=2.49
蝸輪的輸入功率 2.49×0.75=1.86
蝸輪的輸出功率 1.86×0.99=1.85
車輪的輸入功率 1.85×0.99=1.83
車輪的輸出功率 1.83×0.96=1.76
(3)轉(zhuǎn)矩
所以：
Td=33.69 N·M T1=33.35N·M
T2=703.74 N·M T3=668.83 N·M
運(yùn)動(dòng)動(dòng)力參數(shù)表格如下表2-4所示：
表2-4 運(yùn)動(dòng)力參數(shù)
參數(shù)
電動(dòng)機(jī)
蝸桿
蝸輪
車輪
轉(zhuǎn)速
720
720
33.44
33.44
輸入功率
2.51
1.86
1.83
輸出功率
2.54
2.49
1.85
1.76
輸出轉(zhuǎn)矩
33.69
33.35
703.74
668．83
傳動(dòng)比
21.53
效率
0.99
0.75
0.96
2.7.3 蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算
(1)選舉蝸桿的傳動(dòng)類型材料：采用漸開(kāi)線蝸桿（ZI蝸桿）
蝸桿：45鋼 表面淬火至45-55HRC 蝸輪邊緣選擇： ZCuSn10Pb1 金屬模鑄造輪芯：HT200
(2)按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
傳動(dòng)中心距計(jì)算公式如下：
1）作用在蝸桿上的轉(zhuǎn)矩T2=703.74N·M
2）已知條件：載荷較穩(wěn)定，故取齒向載荷分布系數(shù)Kβ=1，使用系數(shù)KA=1.15，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不太大，可選取動(dòng)載荷系數(shù)KV=1.05，則K=KAKβKV=1.21
3）確定彈性影響系數(shù)ZE
因選用鑄錫磷青銅蝸桿個(gè)剛蝸桿相配，故ZE=160Mpa1/2
4）確定接觸系數(shù)Zp
先假設(shè)蝸桿分度圓d1和傳動(dòng)中心距a的比值為d1/a=0.3。可查的Zp=3.1
5）確定許用接觸應(yīng)力
根據(jù)蝸輪材料為ZcuSn10Pb1，可查表得蝸桿的許用應(yīng)力=268Mpa，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60×2×720×16×8×300/21.53=1.54×108
壽命系數(shù) KHN=(107/1.54×108)1/8=0.71 則[σ]H=KHN·[σ]=0.71×268=190.28Mpa
6）計(jì)算中心距
mm
取中心距a=180mm因i=21取m=6.3，蝸桿分度圓直徑d1=63mm，這時(shí)d1/a=63/180=0.35，對(duì)應(yīng)Zp′=2.9，因?yàn)閆p′
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