目錄
1.緒論
1.1課題研究背景 （3）
1.2課題研究意義 （3）
1.3國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 （4）
1.3.1國外全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 （4）
1.3.2國內(nèi)全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 （6）
2.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求 （8）
2.2輪式機(jī)器人底座的研制 （8）
2.3輪式機(jī)器人底座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （7）
2.4輪式機(jī)器人底座轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （10）
2.5電機(jī)的選型與計(jì)算 （14）
2.6輪式機(jī)器人底座總體結(jié)構(gòu)分析 （16）
3.機(jī)械材料選擇和零件的校核
3.1機(jī)械材料的選用原則 （17）
3．2零件材料選擇和強(qiáng)度校核 （18）
4. 紅外遙控機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1系統(tǒng)總體方案 （23）
4.2系統(tǒng)方案論證 （23）
4.3系統(tǒng)最終方案 （25）
5. 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
5.1系統(tǒng)硬件電路介紹 （29）
5.2單片機(jī)最小系統(tǒng) （30）
5.3供電單元介紹 （31）
5.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路介紹 （32）
5.5紅外遙控電路介紹 （32）
8.致謝 （34）
摘 要
McNam輪機(jī)器人中的Mcnam輪是典型的高科技產(chǎn)品，由人編寫特定的程序利用中控系統(tǒng)完成機(jī)器人橫向移動(dòng)、越過障礙物和攀登斜坡，跨越洼地、360度全方位運(yùn)動(dòng)等不同功能的高科技智能化產(chǎn)品。它可以取代人類去完成在某些領(lǐng)域無法完成的具體任務(wù)，并可以在有害環(huán)境中安全可靠地工作，如偵查，排險(xiǎn)等危險(xiǎn)環(huán)境，因此在機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門應(yīng)用比較廣。 本方案主要完成了麥克納姆輪機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。麥克納姆輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)包括直流電機(jī)、編碼器和短臂、長臂、輪子五個(gè)部分，它可以根據(jù)編寫好的程序進(jìn)行移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)遍歷，越障，攀登，穿越和轉(zhuǎn)彎等功能。我打算采用PLC控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)，通過精心設(shè)計(jì)PLC控制流程圖，調(diào)節(jié)不同位置直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以移動(dòng)麥克納姆輪機(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)爬坡，拐彎，越障等功能。
關(guān)鍵詞：麥克納姆輪機(jī)器人；智能化；越障
iii
ABSTRACT
The mcnam wheel in the mcnam wheel robot is a typical high-tech product. It is a high-tech intelligent product with different functions, such as horizontal movement, over obstacles and climbing slopes, over depressions, 360 degree all-round movement, etc., which is completed by a special program written by a person using the central control system. It can replace human beings to complete specific tasks that cannot be completed in some fields, and can work safely and reliably in hazardous environments, such as detection, risk elimination and other dangerous environments. Therefore, it is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry, atomic energy and other sectors. This project mainly completes the design of the mobile mechanism and control system of the mcnamm wheel robot. The structure of mcnamm wheel robot includes DC motor, encoder, short arm, long arm and wheel. It can move according to the written program to realize the functions of traversal, obstacle surmounting, climbing, crossing and turning. I plan to use PLC control system to design the control system. By elaborately designing PLC control flow chart, adjusting the rotation speed of DC motor at different positions to move the mcnaim wheel robot, so as to achieve climbing, turning, obstacle crossing and other functions..
Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop；Four degrees of freedom
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1 緒論
1.1課題研究背景
到目前為止，世界各國對“工業(yè)機(jī)器人”還沒有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說的“工業(yè)機(jī)器人”是一種能模擬人的手、臂的部分動(dòng)作，按照預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動(dòng)化裝置。而它與“機(jī)械手”有一些區(qū)別：“工業(yè)機(jī)器人”多數(shù)指程序可變的獨(dú)立的抓取、搬運(yùn)工件、操縱工具的裝置；“機(jī)械手”多數(shù)是指附屬于主機(jī)、程序固定的自動(dòng)抓取、操作裝置。如自動(dòng)線、自動(dòng)機(jī)的上、下料，加工中心的自動(dòng)換刀的自動(dòng)化裝置。
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)社備。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上的代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備。
工業(yè)機(jī)器人是一種對生產(chǎn)條件和生產(chǎn)環(huán)境適應(yīng)性和靈活性很強(qiáng)的柔性自動(dòng)化設(shè)備，它對穩(wěn)定提高產(chǎn)品品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率和改善勞動(dòng)條件起著十分重要的作用。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將對社會經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力發(fā)展產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。所以，國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展十分迅速。
1.2課題研究意義：
對實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用。因而具有強(qiáng)大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實(shí)踐證明，工業(yè)機(jī)器人可以代替人手的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長期頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)器人是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
可選的輪式機(jī)器人底座上表面的驅(qū)動(dòng)和檢測裝置的布局如圖1-2所示。假設(shè)地面由方形地磚鋪成或畫有方格的平面，底座下部安裝若干個(gè)紅外傳感器，可檢測到地面方格的邊緣及結(jié)點(diǎn)，依此確定底座的方向和位置。底座四邊安裝接近開關(guān)或距離檢測傳感器，實(shí)現(xiàn)防撞或避障功能；
通過畢業(yè)設(shè)計(jì)也可進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生收集資料和調(diào)查研究的能力,同時(shí)具備一定的方案比較、論證的能力,一定的理論分析與設(shè)計(jì)運(yùn)算能力,進(jìn)一步提高應(yīng)用計(jì)算機(jī)繪圖的能力。掌握相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的選擇和運(yùn)用，裝配圖、零件圖的繪制以及設(shè)計(jì)文本的撰寫全過程。另外進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的求實(shí)態(tài)度和獨(dú)立解決問題的能力,為畢業(yè)后能夠快速融入社會做好良好的鋪墊。
1.3國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀
1.3.1 國外全方位移動(dòng)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(dòng)機(jī)器人的研制工作，在車輪設(shè)計(jì)制造，機(jī)器人上輪子的配置方案，以及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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DARPA的支持下，卡內(nèi)基· 梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校開展了自主移動(dòng)車輛的研究，NASA下屬的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也開展了這方面的研究。CMU機(jī)器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列機(jī)器人代表了室外移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展方向。德國聯(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VaMoRs-P移動(dòng)機(jī)器人。其車體采用奔馳500轎車。傳感器系統(tǒng)包括：4個(gè)小型彩色CCD攝像機(jī)，構(gòu)成兩
組主動(dòng)式雙目視覺系統(tǒng)；3個(gè)慣性線性加速度計(jì)和角度變化傳感器。SONY公司1999年推出的寵物機(jī)器狗Aibo具有喜、怒、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Honda P3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、高1.60米、寬0.6米，工作時(shí)間為25分鐘，最大步行速度為2.0公里/小時(shí)。
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 1.1 所示，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(gè)輪子具有三個(gè)自由度，第一個(gè)是繞輪子軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，第二個(gè)是繞滾子軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，第三個(gè)是繞輪子和地面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。輪子由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其余兩個(gè)自由度自由運(yùn)動(dòng)。由三個(gè)或三個(gè)以上的 Mecanum 輪可以構(gòu)成全方位移動(dòng)機(jī)器人。
圖1.2 麥克納姆輪應(yīng)用
正交輪，由兩個(gè)形狀相同的球形輪子(削去球冠的球)架，固定在一個(gè)共同的殼體上構(gòu)成，如圖 1.3 所示.每個(gè)球形輪子架有2個(gè)自由度，即繞輪子架的電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)和繞輪子軸心的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)輪子架的轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向相同，由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)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(dòng)化研究所所研制的全方位移動(dòng)機(jī)器人采用了這種結(jié)構(gòu)，如圖1.4。
圖1.3 正交輪 圖1.4 正交輪的應(yīng)用
球輪由一個(gè)滾動(dòng)球體、一組支撐滾子和一組驅(qū)動(dòng)滾子組成，其中支撐滾子固定在車底盤上，驅(qū)動(dòng)滾子固定在一個(gè)可以繞球體中心轉(zhuǎn)動(dòng)的支架上，如圖 1.6 所示。每個(gè)球輪上的驅(qū)動(dòng)滾子由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使球輪繞驅(qū)動(dòng)滾子所構(gòu)成平面的法線轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)可以繞垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖1.5 球 輪 圖1.6 球輪的應(yīng)用
偏心萬向輪，如圖 1.7 所示，它采用輪盤上不連續(xù)滾子切換的運(yùn)動(dòng)方式，輪子在滾動(dòng)和換向過程中同地面的接觸點(diǎn)不變，因而在運(yùn)動(dòng)過程中不會使機(jī)器人振動(dòng)，同時(shí)明顯減少了機(jī)器人打滑現(xiàn)象的發(fā)生。
圖1.7偏心萬向輪 圖1.8 偏心萬向輪的應(yīng)用
1.3.2 國內(nèi)全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
我國在移動(dòng)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(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域自動(dòng)機(jī)器人主題確立立項(xiàng)，開始了這方面的研究。在國防科工委和國家863計(jì)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(dòng)機(jī)器人7B.8,并于1995年 12月通過驗(yàn)收。7B.8的車體是由躍進(jìn)客車改進(jìn)而成,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-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法,其直線跟蹤速度達(dá)到20km/h。避障速度達(dá)到5-10km/h。
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(dòng)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(dòng),或在原地任意角度旋轉(zhuǎn),同時(shí)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)來實(shí)現(xiàn)平面上運(yùn)動(dòng)和越障運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)，這種全方位移動(dòng)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(dòng)的滾動(dòng)和從動(dòng)的橫向滑移之間將是真正相互獨(dú)立的；輪子正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輪緣上的小滾子也將是純滾動(dòng)，如圖1.9。
圖1.9 全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真圖
2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，包括對機(jī)器整機(jī)的設(shè)計(jì)要求和對組成零件的設(shè)計(jì)要求兩個(gè)方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。
a.對機(jī)器整機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求
對機(jī)器使用功能方面的要求：實(shí)現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機(jī)械設(shè)計(jì)的最基本的要求，好的使用性能指標(biāo)是設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)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(jì)、制造和使用的全過程中，在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)要全面綜合的進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)為合理的功能定位、實(shí)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)。
b.對零件設(shè)計(jì)的基本要求
機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本單元，對機(jī)器的設(shè)計(jì)要求最終都是通過零件的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，所以設(shè)計(jì)零件時(shí)應(yīng)滿足的要求是從設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)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(jì)和制造等多方面加以考慮。設(shè)計(jì)時(shí)合理的選擇材料和毛坯的形式、設(shè)計(jì)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(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)裝置和工作機(jī)組成。動(dòng)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(dòng)機(jī)、電動(dòng)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(shí)現(xiàn)機(jī)器的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)能力，如機(jī)器人的末端執(zhí)行器就是工作機(jī)。傳動(dòng)裝置則是一種實(shí)現(xiàn)能量傳遞和兼有其它作用的裝置。
2.2輪式機(jī)器人底座的研制
在機(jī)器人本體時(shí)應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：
（1）總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時(shí)的實(shí)驗(yàn)、調(diào)試和修理。
（2）應(yīng)給機(jī)器人暫時(shí)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(jì)。全方位輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)包括縱向和360度旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。車輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征與其他移動(dòng)機(jī)構(gòu)相比車輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)有下列一些優(yōu)點(diǎn)：能高速穩(wěn)定的移動(dòng)，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(yàn)等。它的缺點(diǎn)是移動(dòng)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(gè)意義上 車輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)的利用價(jià)值可以說是非常高的。圖 2.1 是全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖。
輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)預(yù)期設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)，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(dòng)機(jī)器人采用前后輪成對驅(qū)動(dòng)來控制轉(zhuǎn)向，以及控制每輪旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。
圖2.1 全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖
2.3輪式機(jī)器人底座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
在車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，主要考慮了以下模型，如2.2圖所示。由圖可以看出，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(gè)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(jì)如圖2.3，圖2.4中所示結(jié)構(gòu)，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(gè)結(jié)構(gòu)的軸向距離。為了保持輪子受力平衡使整個(gè)機(jī)構(gòu)可以平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，將輪子設(shè)計(jì)為兩個(gè)一組來實(shí)現(xiàn)。
采用了一個(gè)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(jì)了一個(gè)電機(jī)殼結(jié)構(gòu)，作電機(jī)和軸承的連接。
車輪旋轉(zhuǎn)部分的具體結(jié)構(gòu)分為五個(gè)部分：
（1）兩個(gè)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.深溝球軸承主要承載徑向載荷,同時(shí)也可以承載小的軸向載荷。選用它就可以達(dá)到設(shè)計(jì)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，然后再通過車輪自有聯(lián)軸器與電機(jī)軸聯(lián)接。這個(gè)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(gè)車輪分為兩部分組合而成。一個(gè)是帶有軸徑的車輪,另一個(gè)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(dòng)摩擦的形式配合使用,并且作為兩車輪的軸向定位件。車輪最終的固定是通過外側(cè)的螺釘來頂緊擋板實(shí)現(xiàn)的。具體結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。
（5）整個(gè)旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成,但它必須與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接起來才能實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。后一小節(jié)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)向軸,為了使轉(zhuǎn)動(dòng)部分和轉(zhuǎn)向部分的轉(zhuǎn)向軸連接以實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng),此處設(shè)計(jì)了類似于半圓的固定件。如圖2.5所示。使用是采用兩個(gè)配合來固定住旋轉(zhuǎn)部分,通過四個(gè)螺栓的連接來實(shí)現(xiàn)和轉(zhuǎn)向軸的連接,從而使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連為一體,最終實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。
2.4輪式機(jī)器人底座轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)向部分主要由轉(zhuǎn)向軸、軸承、基座、轉(zhuǎn)向電機(jī)以及轉(zhuǎn)向連接件組成轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本路線是從上而下。
（1）轉(zhuǎn)向軸
轉(zhuǎn)向軸分兩部分，呈T型，一端采用階梯軸的形式，便于與基座聯(lián)接；另一端與車輪部分聯(lián)接，設(shè)計(jì)成圓柱形以保證足夠的強(qiáng)度和良好的工藝性。同時(shí)兩部分軸互相配合，可以伸縮以便轉(zhuǎn)向時(shí)車輪軸的位移變化。轉(zhuǎn)向軸主要作用就是通過與轉(zhuǎn)向電機(jī)的連接起到轉(zhuǎn)向的作用，主要受的是徑向力，而受到的軸向力很小。如圖2.7所示，轉(zhuǎn)向軸受到向上的軸向力時(shí)，軸向力通過軸肩傳到下方軸承內(nèi)圈，再傳到套筒，然后傳到上方軸承的內(nèi)圈，再通過滾珠傳遞到軸承外圈，而軸向力進(jìn)一步的傳遞到端蓋和箱體，從而將軸向力轉(zhuǎn)移到整個(gè)車體上，因?yàn)?，箱體連接在車體上。轉(zhuǎn)向軸受到向下的軸向力時(shí)，首先是靠彈性擋圈傳遞軸向力，再通過一系列傳遞最終將軸向力轉(zhuǎn)移到車體上。所以說，轉(zhuǎn)軸的工作是可靠的。
（2）轉(zhuǎn)向軸與基座聯(lián)接：
轉(zhuǎn)向軸相對于基座來說只有一個(gè)自由度，形成的是轉(zhuǎn)動(dòng)副，轉(zhuǎn)向軸在機(jī)器人移動(dòng)過程中承受徑向力和比較大的軸向力，適合這種要求的常用軸承有圓錐滾子軸承。軸承采用套筒隔開的兩端支撐結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計(jì)可以保證轉(zhuǎn)向軸在轉(zhuǎn)向的過程中不發(fā)生搖擺，保證轉(zhuǎn)向的精度并且可以減小對轉(zhuǎn)向相關(guān)零部件的磨損。一對軸承用套筒隔開后，軸承內(nèi)圈由軸肩和軸用彈性擋圈固定。兩軸承外圈與基座座孔和軸承端蓋連接。
（3）轉(zhuǎn)向電機(jī)軸和轉(zhuǎn)向軸的聯(lián)接
兩軸的連接一般選用聯(lián)軸器。聯(lián)軸器主要用來聯(lián)接軸與軸(或聯(lián)接軸與其它回轉(zhuǎn)件)以傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩,有時(shí)也用作安全裝置。本文中沒用選用標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)軸器,因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的聯(lián)軸器整體尺寸過大,占用空間大,且不利于安裝,不符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí),由于所要連接的兩軸徑大小確定本文自行設(shè)計(jì)了一個(gè)聯(lián)軸器。
（4）轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)電機(jī)與基座的聯(lián)接
當(dāng)轉(zhuǎn)向軸與基座構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副以后，只需要用電機(jī)來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向軸即可實(shí)現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)向。將電機(jī)固定在基座上需要一個(gè)連接件，連接件設(shè)計(jì)過程中考慮了兩種模型：整體式和剖分式,如圖2.9和2.10所示。整體式裝配時(shí)定心性好，但必須側(cè)面開口，這樣容易導(dǎo)致車輪轉(zhuǎn)向精度不夠，且不利于防塵，剖分式定心性稍差一點(diǎn)，可以組合成封閉結(jié)構(gòu)，具有可靠的剛度，防塵，拆卸方便。因此，選用剖分式結(jié)構(gòu)。
（5）箱體的設(shè)計(jì)與固定
如圖2.11所示為箱體結(jié)構(gòu)的示意圖。它通過左右兩側(cè)對稱的呈L型的矩形臂用8個(gè)螺栓固定于車體前后兩側(cè)。由于箱體是通過螺釘和機(jī)座連接的，從而可以把它和機(jī)座以及轉(zhuǎn)向電機(jī)視為一體。再者，箱體內(nèi)部是放置軸承，并固定軸承的，所以設(shè)計(jì)了如圖中所示的雙臂。這種設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)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(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并提高整個(gè)全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能。
至此，整個(gè)全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械本體設(shè)計(jì)完畢。
2．5電機(jī)的選型與計(jì)算
a.電機(jī)性能的比較
在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)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)。
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(dòng)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(shí)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(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(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)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)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(dòng)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(dòng)頻率過高或負(fù)載過大時(shí)易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)，停止時(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的同步控制。
b.電機(jī)的選型與計(jì)算
已知整個(gè)麥克納姆輪機(jī)器人的總重量150KG,其他重量50KG，我們?nèi)】傊亓繛?00Kg，移動(dòng)速度為1~2r/min。即：
具體的電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算如下:
1、確定運(yùn)行時(shí)間
本次設(shè)計(jì)加速時(shí)間
負(fù)載速度（m/min）
有速度可知每秒上升50mm，
電機(jī)轉(zhuǎn)速
3.負(fù)載轉(zhuǎn)矩
式中：
4.電機(jī)轉(zhuǎn)矩
啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩
必須轉(zhuǎn)矩
S為安全系數(shù)，這里取1.0。
根據(jù)以上得出數(shù)據(jù)，我們選用電機(jī)型號為160BL-A，此無電機(jī)廠家為機(jī)電產(chǎn)品
2.6輪式機(jī)器人底座總體結(jié)構(gòu)分析
設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人車體是應(yīng)遵循以下幾個(gè)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）在設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺應(yīng)能夠給機(jī)器人暫時(shí)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(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械手臂連接的部分，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。
本文設(shè)計(jì)的車體采用的是合金鋁框架式結(jié)構(gòu)，如圖2.13所示共分三層：第一層安裝攝像頭，控制按鈕等；第二層是車體內(nèi)腔，空間較大可以安裝電池、集線器、裝配電路板等，同時(shí)可以在以后的具體設(shè)計(jì)中改變內(nèi)部格局，以達(dá)到最佳的使用效果；第三層安裝車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。本結(jié)構(gòu)的空間分層設(shè)計(jì)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。
3. 機(jī)械材料選擇和零件的校核
3.1機(jī)械材料選用原則
機(jī)械零件材料的選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)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。
a.使用要求
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(dòng)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。
b.工藝要求
材料的工藝要求有三個(gè)方面內(nèi)容
（1）毛坯制造 大型零件且批量生產(chǎn)時(shí)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(shí)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(dòng)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。
C.經(jīng)濟(jì)性要求
（1）經(jīng)濟(jì)性首先表現(xiàn)為材料的相對價(jià)格。當(dāng)用價(jià)格低廉的材料能滿足使用要求時(shí)，就不應(yīng)該選用價(jià)格高的材料。這對大批量制造的零件尤為重要。
3.2零件材料選擇與強(qiáng)度校核
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(gè)零部件的材料。
在機(jī)械手臂中各傳動(dòng)件是關(guān)鍵性零件，如傳動(dòng)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。
a.軸類零件材料的選擇與校核
（1）軸材料的選擇
傳動(dòng)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(jià)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(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)中的車輪，轉(zhuǎn)軸；機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，螺紋軸采用45號鋼，就完全能夠滿足設(shè)計(jì)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10mm的那段,所以只對這一段進(jìn)行校核就可以了。軸的運(yùn)動(dòng)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:
（3-1）
式中： ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為
——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為
軸的材料為45號鋼,其允許扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為
由第二章可知，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)選擇的電機(jī)型號為 57BYG250B-SASRM-0152，其靜力矩為 1.4 。即 T=1400 。
由于此段軸中有鍵，其截面如圖4.1所示：
抗扭截面系數(shù)：
（3-2）
圖中
圖3.1 軸截面
將數(shù)值帶入公式計(jì)算得：
則：
由此可知，設(shè)計(jì)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(gè)機(jī)械部分的支撐，也是整個(gè)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(shí)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(dòng)。
整個(gè)車輪部分承載的重量為12Kg。由于整個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)有四個(gè)車輪，這樣每個(gè)輪子受到的重量只有3Kg。受到的重力僅為29.4N。輪子的直徑為110mm，整個(gè)移動(dòng)部分的強(qiáng)度是非常大的，完全滿足設(shè)計(jì)的要求。
b.齒輪系材料的選擇與強(qiáng)度校核
（1）齒輪材料的選擇
齒輪的主要失效形式有輪齒折斷、齒面疲勞點(diǎn)蝕、齒面磨損、齒面膠合和塑性變形。因此設(shè)計(jì)齒輪時(shí)要使齒面具有較高的抗點(diǎn)蝕、抗磨損、抗膠合和抗塑性變形的能力，齒根則要有較高的抗折斷能力。為此，對齒輪材料性能的基本要求為齒面要硬，齒心要韌。鋼材韌性好，耐沖擊，容易通過熱處理來改善其機(jī)械性能和提高硬度，是制造齒輪最常用的材料。
對于強(qiáng)度、速度和精度要求不高的齒輪傳動(dòng)，可以采用軟齒面齒輪。軟齒面齒輪的齒面硬度低于350HBS，熱處理方法為調(diào)制或正火，常用材料有45號鋼和40Cr等。加工方法一般為熱處理后切齒，切制后即為成品，精度一般為8級。本文設(shè)計(jì)的齒輪副速度要求不高，所以設(shè)計(jì)選用40Cr為材料，軟齒面即可滿足傳動(dòng)要求。
（2）齒輪副的強(qiáng)度校核
輪齒在受載荷時(shí)，齒根所受的彎矩最大，因此齒根出的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。對于制造精度較低的傳動(dòng)齒輪，由于制造誤差大，實(shí)際上多由在齒頂處咬合的輪齒分擔(dān)較多的載荷，為便于計(jì)算，通常按全部載荷作用于齒頂來計(jì)算齒根的彎曲強(qiáng)度。
本文設(shè)計(jì)的是直齒圓柱齒輪，齒數(shù)Z=30，模數(shù)=2mm，齒寬b=4mm,節(jié)圓直徑，齒形角度，齒輪副的傳動(dòng)比u=1:1。電機(jī)傳動(dòng)的轉(zhuǎn)矩T=90。那么齒輪所受的圓周力
（3-3）
對于齒輪的校核將從兩方面來計(jì)算：
1) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核
齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式為；
（3-4）
式中： 為區(qū)域系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)直齒輪=2.5；
K為載荷系數(shù)，此處取K=1.8；
為彈性影響系數(shù)，查得=188；
為接觸疲勞許用應(yīng)力
（3-5）
其中： 為接觸疲勞壽命系數(shù)，取=0.95；
齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限，查得=550；
S為安全系數(shù)，取S=1。
從而求得： =522.5
將所有已知量帶入4-4式，求得：
=199.5=522.5
從齒面接觸疲勞強(qiáng)度上來說，齒輪是合格的。
2）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核）