六足機器人系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn),機器人,系統(tǒng),設(shè)計,實現(xiàn) 摘要 在抗震救災(zāi)、石油管道檢測方面，由于人員無法到達，因此需要采用輕巧的機器人進入內(nèi)部進行執(zhí)勤。迫于實際需求，六足機器人被設(shè)計出來以應(yīng)對這些需求。隨著研究的不斷進展，六足機器人對地形的適應(yīng)能力越來越強，并且不再像之前一樣那么容易受到天氣的影響，另外，在實際使用方面，目前的六足機器人能夠搭載更多的傳感器，為信號的采集提供了更多的拓展。對于機器人的研究進程，我國雖然已經(jīng)取得一定的成果但是仍然沒有到達世界頂尖的水平，而對于機器人來說，機械結(jié)構(gòu)是其穩(wěn)定運行并且實現(xiàn)一定功能的前提保證，但是我國的制造業(yè)水平卻沒有達到比較發(fā)達的地步。 基于此種現(xiàn)狀，本文以六足機器人作為研究對象，從機器人的研究現(xiàn)狀到整體結(jié)構(gòu)，然后將機器人按照結(jié)構(gòu)進行劃分，從零件的選型入手，對其進行理論計算，然后按照機器人中的零件設(shè)計準則對零件進行具體尺寸的設(shè)計，最后，為了保證設(shè)計的合理性，再對上述設(shè)計過程中設(shè)計的零件進行驗證。本次設(shè)計由四個主要部件組成：支撐腿升降裝置、支撐腿擺動裝置、支撐輪轉(zhuǎn)動裝置、主體鋼結(jié)構(gòu)。在完成機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計后，還需要有相應(yīng)的硬件電路作為機器人控制的基礎(chǔ)，所以在本文中除了機械結(jié)構(gòu)外，還對機器人的硬件電路進行了設(shè)計，從原理圖的繪制到PCB的繪制，完成了一個六足機器人的整體設(shè)計。 關(guān)鍵詞：六足機器人；選型設(shè)計；主要部件；養(yǎng)護維修。 Abstract In terms of earthquake relief and oil pipeline inspection, because personnel can't reach, it is necessary to use light robots to enter the interior for duty. Due to the actual needs, hexapod robots are designed to meet these needs. With the development of research, hexapod robot is more and more adaptable to the terrain, and it is not as vulnerable to the weather as before. In addition, in practical use, the current hexapod robot can carry more sensors, which provides more expansion for signal acquisition. For the research process of robot, although our country has made some achievements, it still hasn't reached the top level in the world. For robot, mechanical structure is the premise guarantee for its stable operation and Realization of certain functions, but the level of manufacturing industry in our country has not reached a relatively developed level. Based on this situation, this paper takes the hexapod robot as the research object, from the research status of the robot to the overall structure, then divides the robot according to the structure, starts with the selection of parts, carries out theoretical calculation on it, and then designs the specific size of parts according to the design criteria of parts in the robot. Finally, in order to ensure the rationality of the design, the above-mentioned problems are discussed Verify the parts designed in the design process. This design consists of four main parts: lifting device of support leg, swing device of support leg, rotation device of support wheel and main steel structure. After the completion of the mechanical structure design, the corresponding hardware circuit is also needed as the basis of robot control, so in this paper, in addition to the mechanical structure, the hardware circuit of the robot is also designed, from the drawing of schematic diagram to the drawing of PCB, the overall design of a hexapod robot is completed.. Keyword: Six legged robot; type selection design ; main parts; maintenance and repair. 7 目錄 摘要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1 課題研究背景 1 1.2 課題研究目的及意義 2 1.3 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 1.4 本文的研究內(nèi)容 5 第二章 六足機器人設(shè)計概述 7 2.1.六足機器人的工作原理 7 2.2六足機器人的步態(tài)分析 7 第三章 六足機器人機械選型與設(shè)計 9 3.1 已知原始數(shù)據(jù)及工作條件 9 3.2 設(shè)計步驟 9 3.3 外形結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 3.4 走行輪選型設(shè)計 10 3.4.1 走行輪的作用及類型 10 3.4.2走行輪驅(qū)動力計算 13 3.4.3 主要阻力計算 13 3.4.4 傾斜阻力計算 14 3.4.5 走行輪功率（）計算 15 3.4.6 輪的計算與校核 15 3.5 軸的選型設(shè)計 20 3.5.1軸的作用及類型 20 3.5.2軸的材料使用 20 3.5.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 3.5.4軸與輪的配合結(jié)構(gòu) 21 3.5.5 軸的計算及校核 21 3.6 電機的選用 26 3.7減速器的選用 26 3.8制動裝置 27 3.9 轉(zhuǎn)向裝置 27 第四章 系統(tǒng)控制電路設(shè)計 28 4.1 系統(tǒng)控制電路總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 28 4.2 STM32電路設(shè)計 28 4.2.1復位電路 29 4.2.2時鐘電路設(shè)計 30 4.3 傾角檢測電路設(shè)計 30 4.4 電機控制電路設(shè)計 31 4.5 無線通信電路設(shè)計 31 4.6 語音識別電路設(shè)計 31 4.7 PCB電路設(shè)計 32 第五章 工程定額概算 33 5.1 設(shè)計成本預算 33 5.2 設(shè)備對環(huán)境影響及其可持續(xù)性 34 5.3 制作過程管理 34 結(jié)論 36 參考文獻 37 致謝 39 第一章 緒論 1.1 課題研究背景 隨著時代的發(fā)展，科技的進步，人們的生活空間也得到了全面的拓展，相應(yīng)的專家和學者也將科研重心放在機器人的研究之上，而隨著當前自動化技術(shù)和電子通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人領(lǐng)域也逐漸成為了一個綜合性學科相互結(jié)合的領(lǐng)域，并對人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活產(chǎn)生了較為深遠的影響【1】。目前來看，機器人領(lǐng)域的研究重點仍然是自主移動式機器人，這種機器人目前是我國863重點課題之一，其比工業(yè)機器人的優(yōu)勢更為突出，工作質(zhì)量和工作效率更高，應(yīng)用方式也更具靈活性，能夠投入到工業(yè)生產(chǎn)之中【2】。而目前來看，這種機器人也被應(yīng)用到軍事領(lǐng)域、核電生產(chǎn)領(lǐng)域、石油管道修建領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、?？仗剿黝I(lǐng)域之中，能夠為人們特殊任務(wù)的完成起到有力的推動作用。 自主移動式機器人可以根據(jù)其動作形式分為輪式、履帶式、足式以及混合移動式機器人，在這之中，輪式機器人的結(jié)構(gòu)最為簡單，操控起來也更加容易和方便，其移動過程不會產(chǎn)生較大的摩擦力，移動的速度和效率能夠滿足具體要求【3】。但這種機器人往往難以應(yīng)用在地面平坦度不足的路面之中，這也導致其應(yīng)用的范圍得到了縮減。而履帶式機器人與地面有著較大的接觸面積，其穩(wěn)定性更強，然而這也會導致其與地面接觸摩擦力的不斷提升，導致其無法獲取更高的工作效率，其能量的消耗也會不斷提升。而對于足式機器人而言，其結(jié)構(gòu)體系更加復雜，結(jié)構(gòu)上采用的是冗余設(shè)計，使機器人具備了一定的容錯性，如果一足損壞，不會對其正常運行產(chǎn)生過多的影響，機器人仍然可以在其他足的配合之下繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)，而在這種多足的設(shè)計之下，機器人也能夠獲取更加良好的穩(wěn)定性。足式機器人有著更加良好的穩(wěn)定性，同時其與地面的接觸面積也較小，不會耗費大量的能源，有著良好的地形適應(yīng)能力，同時也不會對地面造成過多的損壞【4】。 所謂的仿生機器人，也就是一種模仿其他生物的外觀、動作體系和行為習慣而生成的一種集成體系，能夠開展具備了相應(yīng)生物特點的機器人【5】。仿生機器人的設(shè)計囊括了計算機技術(shù)、數(shù)字化控制技術(shù)、機械設(shè)備技術(shù)和生物學技術(shù)，在這種設(shè)計模式之下，機器人將具備仿生對象的生物學特征，有著人類賦予的智能，能夠高效優(yōu)質(zhì)的完成相應(yīng)的任務(wù)。如果機器人面臨的環(huán)境出現(xiàn)了一定的改變，在當前條件之下的仿生機器人則會出現(xiàn)一定的問題【6】。而這也就要求了相應(yīng)的專家和從業(yè)人員能夠從自然界之中探尋生物發(fā)展的奧妙，深入調(diào)研和分析相應(yīng)的自然界之中存在的對應(yīng)案例，不斷的學習生物學知識，提升仿生學研究開展的質(zhì)量與效率，對自然界之中的生物進行有效模仿，使其行為習慣和發(fā)展規(guī)律得到揭示，進而提取出解決仿生機器人問題的有效對策，確保仿生機器人的技術(shù)水平和功能能夠達到預期。 1.2 課題研究目的及意義 在本次研究之中，我們的研究對象為六足仿生自主移動機器人，其主要仿生的對象為擁有六只足的昆蟲，這種昆蟲與哺乳類生物相比，其大腦機制不夠完善，然而其適應(yīng)能力卻比哺乳類動物要高出很多。這種昆蟲往往包含了較為特殊的身體構(gòu)造，導致其不需要通過大腦就可以更高的調(diào)節(jié)自己的身體，提升自身的安全性與穩(wěn)定性，而這也就使六足機器人有著更加廣泛的應(yīng)用。在2011年，日本就開始使用對應(yīng)的仿生機器人參與到地震搜救活動之中，并獲取了較為顯著的成果【7】。而在2014年，韓國科學研究院也將六足機器人應(yīng)用到沉船事故的定位、搜救以及打撈之中。在2015年，我國在上海國際機器人博覽會上，展出了由上海交通大學自主研發(fā)的帶腰型號的六足機器人，這種機器人能夠自主攜帶檢測設(shè)備到達相應(yīng)的事故發(fā)生點，并進行位置確定，環(huán)境模擬，傷員定位以及救災(zāi)物資運輸?shù)然顒?，目前已?jīng)進入到應(yīng)用階段【8】。 六足昆蟲自身擁有較為強大的自我調(diào)節(jié)功能，能夠在較為復雜的環(huán)境之下進行生存，然而對于機器人而言，想要在其中加入適應(yīng)復雜地形的機制卻有著一定的難度。六足機器人往往被應(yīng)用到復雜地形任務(wù)的執(zhí)行之中，這也就使其需要面對更加復雜的地形，更加多元化的道路途徑以及更加不確定性的障礙物，需要機器人能夠結(jié)合實際情況進行地形的穿越，對多種障礙物進行規(guī)避，從而探尋到最佳的路徑。而從實際情況來看，要求六足機器人控制體系能夠在多種傳感器的配合之下進行足端控制，確保機器人能夠完成預期的動作，因此，在這些動作開展之中，應(yīng)該對機器人的多個關(guān)節(jié)進行精準且迅速的控制，這也是確保六足機器人能夠達到預期使用要求的核心所在。在本文之中，我們將對六足機器人的控制體系進行深入的研究和分析，對六足機器人的結(jié)構(gòu)體系進行設(shè)計，并基于結(jié)構(gòu)體系設(shè)計相應(yīng)的控制體系和控制方案，選擇與控制體系相符的軟硬件環(huán)境，進而明確機器人關(guān)節(jié)控制算法的優(yōu)劣性。 1.3 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，各個學科也得到了深入的融合，仿生學、數(shù)字化控制以及計算機信息控制技術(shù)的不斷發(fā)展與融合也成為了機器人領(lǐng)域之中人們關(guān)注的核心所在，國內(nèi)外的專家學者以及相應(yīng)的科研機構(gòu)也針對于六足機器人開展了相應(yīng)的研究活動，并獲取了較為顯著的研究成果。在1983年，ODETIC科技有限公司成功研制了世界上第一款圓周分布的仿生六足機器人，并將其命名為ODEX-I，這款機器人的關(guān)節(jié)是通過直流電提供動力體系的，采用的是分級控制機制，其控制機制包含了高層控制、中層控制以及底層控制三種機制，在機器人的下層控制體系之下，能夠?qū)α氵M行分別的控制，每一個足都對應(yīng)了相應(yīng)的采集系統(tǒng)，包含了信號收集機制和信號反饋機制，能夠?qū)C器人足部的觸覺信號進行獲取和處理【9】。機器人的中層控制系統(tǒng)是由相應(yīng)的核心體系對六個下層控制體系反饋的信息進行收集，然后傳遞相應(yīng)的命令和決策；上層控制系統(tǒng)則包含了機器人控制體系，傳感器接口，能夠?qū)C器人所處環(huán)境進行模擬，從而為機器人提供有效的決策。到了90年代后期，相關(guān)公司推出了ODEX-II號與ODEX-III號的機器人，并成功對I型號機器人進行了迭代，融入了遠程控制體系，確保機器人能夠在核輻射等危險的環(huán)境之下進行作業(yè)，進而達到解放人力資源的目的【10】。麻省理工學院的遙控機械設(shè)備控制實驗室在1989年研制出了相應(yīng)的仿生機器人，并將其命名為Genghis，研究人員將這款機器人應(yīng)用到了外星表面的探測任務(wù)之中，機器人的機身長度參數(shù)為35厘米，寬度參數(shù)為25厘米，總體質(zhì)量為1千克【11】。機器人每一個足都具備了兩個轉(zhuǎn)動裝置，確保每一個機器人都具備了需求的自由度，能夠進行位置反饋以及驅(qū)動，同時其安排了兩個角度的羅盤以及兩個觸覺感應(yīng)裝置和六個視覺感應(yīng)裝置，能夠滿足機器人在復雜路況的行走需求。 Attila 和Hannibal 機器人是麻省理工學院研究活動之中最先應(yīng)用到外星探測的機器人，這二者都是上述機器人的迭代型號，其外表上存在著一定的顏色差異。在這之中，前者的長度為35厘米，寬度在30厘米左右【12】。在機器人之中，采取了模塊化的設(shè)計理念，將其每一個部分都作為了單獨的模塊進行管理，為了確保機器人運行的安全性和可靠性得到保障，在設(shè)計之中以冗余的方式開展了設(shè)計。機器人往往具備了150個感應(yīng)裝置，23個驅(qū)動裝置以及11個處理體系，能夠使機器人迅速地形，確保機器人的容錯性符合要求，哪怕在機器人內(nèi)部存在著傳感器故障的問題，其他傳感器仍然能夠確保機器人符合人物開展的具體要求。這兩種機器人的控制方式為分層式，底層控制的核心為生物學上的應(yīng)激反應(yīng)，在上層控制系統(tǒng)之中，會將機器人整體的反射機制看做是生物學體系，從而對機器人的控制體系加以干預和影響，在參數(shù)改變的前提之下，不會產(chǎn)生較為復雜的數(shù)學計算，能夠確保機器人肢體動作的有效性。而在層次化控制體系之下，能夠確保封閉控制體系的有效運作，從而使不同層次之間的控制體系更加符合獨立穩(wěn)定且可靠的要求。 美國賓夕法尼亞大學在2011年研發(fā)成功了型號為RHex的六足機器人，能夠以腿部動作的有效協(xié)調(diào)完成機器人的行走，能夠做出跳躍和空中騰轉(zhuǎn)和攀爬等多種動作，相應(yīng)的技術(shù)人員人員在隨后對這種型號的機器人進行了全面的優(yōu)化與升級，研發(fā)出了XRL型號的機器人，這種機器人在腿部安裝了觸覺反饋設(shè)施，通過激光掃描儀作為視覺感應(yīng)系統(tǒng)，同時配備了專業(yè)化的導航體系和觸覺感應(yīng)體系，這也是這種機器人能夠適應(yīng)復雜地形的關(guān)鍵所在，能夠確保機器人順利的完成預期任務(wù)【13】。 美國宇航局研發(fā)了一款名為Athlete的六足機器人，并在2013年正式發(fā)布于游戲者開發(fā)大會之上【14】。這種機器人的動力體系是由NASA實驗室研制的能夠進行遠程操控的動力機制，可以在遠程控制之下進行高精密度的行走作業(yè)。運動員機器人能夠承載航天設(shè)備設(shè)施，而其研發(fā)的六足機器人也能夠處理所有地形的探測問題。運動員機器人的足部不僅具備行走功能，還裝載了多種工具，能夠完成切割功能和采樣功能。其主要參數(shù)為高度3.96米，重量2268公斤，負載為1.45萬公斤，而其質(zhì)量往往是常用探索車輛的25%。相應(yīng)的機器人能夠進行多種貨物的裝載和卸載，同時其能夠攀爬坡度為36°的斜面，在設(shè)計過程中，設(shè)計人員以全向負重輪協(xié)調(diào)的方式確保了機器人運行的穩(wěn)定性【15】。 在2014年，韓國發(fā)生了一起大型客輪沉船事故，韓國海洋技術(shù)學院的專家派出了相應(yīng)的六足機器人，對海底地形進行了全面的探測，并順利的定位了需要搜救的對象，使搜救任務(wù)得到了順利的完成【16】。我國國內(nèi)六足機器人的研究起步時間較晚，與西方發(fā)達國家還存在著一定的差距，然而在多名專家學者不斷的努力之下，也獲得了一定的回報。舉例而言，北京理工大學就以氣動的方式研究出了氣動驅(qū)動為主要動力機制的機器人，同時也研制出了每條腿都包含了三個自由度的弓背蟻機器人。 我國HITCRI-I是哈工大研究的六足機器人，每一個足部都含有了三個自由度，是以舵機作為驅(qū)動，其足部的機械結(jié)構(gòu)為連桿機構(gòu)，其質(zhì)量較小，有著較為良好的力學性能【17】。上海交大也研發(fā)出了用于搜救的機器人，這種機器人的高度為1米，在完全施展之后能夠達到4平方米，而其具備了18個遠程操控驅(qū)動體系，能確保其在所有的方位上進行穩(wěn)定的行走，其最大的行走速度為1.2km/h，最大的負載可以高達200公斤【18】。這種機器人能夠成為一個較為穩(wěn)定的工作平臺，開展搬運工作、打孔工作、閥門動作工作以及事故定位和清理工作。這種機器人能夠在短時間之內(nèi)進行任意方向的行動，具備了機動性較強，抗干擾和抗風險能力較高的優(yōu)勢，能夠結(jié)合實際要求開展相應(yīng)的作業(yè)。 上海交大國家級重點實驗團隊研發(fā)出的帶腰仿生六足機器人是一種較為先進的機器人，融合了我國最為先進的技術(shù)，包含了柔性控制體系、仿生理論，能夠在外部牽引之下進行靈活的移動。如果事故現(xiàn)場之中存在著核輻射，這種機器人的作用將得到充分發(fā)揮，能夠?qū)Ξ數(shù)氐闹苓叚h(huán)境進行勘察，并運輸需求的物資，其驅(qū)動裝置在機器人的身體之上，在特殊的防護機制之下，機器人能夠在較為惡劣的環(huán)境之下完成預期的救災(zāi)任務(wù)，上海交大在研發(fā)機器人的進程之中，也在仿生學、環(huán)境學、數(shù)字化控制等多種領(lǐng)域取得了顯著的研究成果，除此之外，我國六足機器人也有來自沈陽科學院、清華大學所研發(fā)的產(chǎn)品【19】。 通過上述研究現(xiàn)狀分析我們可以看到，在全世界范圍之內(nèi)，機器人控制研究和分析一直都是炙手可熱的研究領(lǐng)域，而隨著國內(nèi)外專家學者研究的不斷深入，也產(chǎn)生了很多控制理論和相應(yīng)的研究成果，為六足機器人控制體系理論的補充和優(yōu)化提供了有效保障，而其主要研究成果包含了以下方面： 1.機械結(jié)構(gòu)研究：主要是以機器人運動結(jié)算的研究，希望能夠獲取更加有效的計算結(jié)果，從而對機器人的身體結(jié)構(gòu)進行完善，確保其能夠?qū)Χ喾N復雜地形更具適應(yīng)性； 2.步態(tài)規(guī)劃研究：主要是對行走機制的研究，能夠確保機器人在不同的環(huán)境之下對行走方式進行規(guī)劃，從而獲得更加有效的運動軌跡，確保機器人有著更加強大的適應(yīng)能力； 3.控制體系研究：主要是對機器人控制方式的研究，通過傳感機制組合優(yōu)化算法的研究，提升機器人自我調(diào)節(jié)能力，從而獲取更加符合要求的機器人運動形式。 綜上所述，將這些方面的研究成果進行不斷結(jié)合，能夠使其具備更強的自我調(diào)節(jié)能力，確保六足機器人能夠達到預期的應(yīng)用效果，為后續(xù)研發(fā)活動的順利開展奠定更加堅實的基礎(chǔ)。 1.4 本文的研究內(nèi)容 作為能夠代替人力的機器人，六足機器人在很多領(lǐng)域都發(fā)揮了很大的作用，例如一些體力消耗巨大的工作，如負重、搬運，六足機器人能夠很好的代替人力去工作；還有一些帶有一定風險的工作，例如探測、偵察等，通過六足機器人，可以保證工作正常進行的同時，避免給工作人員帶來的危險。 隨著科技水平的發(fā)展，需要進行的科研工作越來越多，而有些工作總是伴隨著一定風險的，所以也造成了救援工作的難度在不斷提高。而科技發(fā)展的最終表現(xiàn)形式就是通過科技的產(chǎn)物來代替人力進行工作，因此機器人誕生了。而機器人的種類有很多，例如結(jié)構(gòu)比較簡單的輪式機器人與履帶式機器人，雖然這些機器人的結(jié)構(gòu)比較簡單，但是帶來的問題就是在很多勘測工作中并不能很好的適應(yīng)各種地形。根據(jù)不同的工作環(huán)境，輪式機器人與履帶式機器人雖然也有其自身的優(yōu)勢，但是在一些特殊情況下，尤其是行駛環(huán)境比較惡劣的情況下，這兩種機器人無疑是不合適的，而相比之下，足式機器人的優(yōu)勢就顯現(xiàn)了出來，面對復雜的地形，可以輕松的實現(xiàn)通過。 這種足式機器人的運動軌跡與輪式或者履帶式機器人不同，前者的軌跡是一些點，而后者的軌跡是一些線。在很多勘測工作中，輪式或者履帶式機器人的車輪痕跡會對現(xiàn)場有一定的破壞作用，并且由于其行駛特性，在一些比較惡劣的路況下，并不能保證連續(xù)的一段路都能夠支持其正常行走，更多的時候一段路中只有個別點可以作為支撐，而其他地方多為不能支撐機器人的泥土、沙子。多足機器人之所以能夠在惡劣的行駛條件下靈活運行，得益于其腿部的自由度，自由度越多，則代表機器人能夠變化的姿態(tài)限度越大，能夠很好的調(diào)節(jié)機器人的重心，以便于能夠適應(yīng)各種路況。但是正因為自由度的存在，使得機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與控制算法較之于輪式機器人或者履帶式機器人都要復雜很多，并且其靈活性也很難真正的達到節(jié)肢動物那種程度。 本文的研究對象為六足機器人，相比于輪式機器人或者履帶式機器人，六足機器人的設(shè)計難度無疑是要更高的，而正因其設(shè)計難度比較高，所以更加能夠培養(yǎng)我們的工程能力，在本次設(shè)計中，將我所學到的知識加以利用，結(jié)合自己對機器人設(shè)計的一些個人理解，從圖紙繪制到電路設(shè)計，進行一次整體的設(shè)計。 在進行設(shè)計工作前，首先要對機器人的整體功能進行了解，對于機器人的主體部分，需要按照規(guī)則進行選型，并且需要考慮使用時可能會發(fā)生的問題，提前預判并且做好一定的應(yīng)對，最后結(jié)合自己的設(shè)計，實現(xiàn)機器人的整體設(shè)計。 文以六足機器人作為研究對象，從機器人的研究現(xiàn)狀到整體結(jié)構(gòu)，然后將機器人按照結(jié)構(gòu)進行劃分，從零件的選型入手，對其進行理論計算，然后按照機器人中的零件設(shè)計準則對零件進行具體尺寸的設(shè)計，最后，為了保證設(shè)計的合理性，再對上述設(shè)計過程中設(shè)計的零件進行驗證。本次設(shè)計由四個主要部件組成：支撐腿升降裝置、支撐腿擺動裝置、支撐輪轉(zhuǎn)動裝置、主體鋼結(jié)構(gòu)。在完成機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計后，還需要有相應(yīng)的硬件電路作為機器人控制的基礎(chǔ)，所以在本文中除了機械結(jié)構(gòu)外，還對機器人的硬件電路進行了設(shè)計，從原理圖的繪制到PCB的繪制，完成了一個六足機器人的整體設(shè)計。 47 第二章 六足機器人設(shè)計概述 2.1.六足機器人的工作原理 六足機器人其主要部件是支撐腿升降裝置、支撐腿擺動裝置、支撐輪轉(zhuǎn)動裝置、主體鋼結(jié)構(gòu)等。其外形布置及工作原理如圖2.1所示，1為支撐腿升降裝置，2為支撐腿擺動裝置，3為主體鋼結(jié)構(gòu)，4為支撐輪轉(zhuǎn)動裝置。 圖2.1 六足機器人簡圖 兩個伺服電動缸作為支撐腿升降裝置的動力源為支撐腿提供升降、步進的動力輸出。兩個伺服缸的后耳環(huán)分別與伺服電動全角度轉(zhuǎn)臺鉸接，在實現(xiàn)步進運動的同時為機器人提供轉(zhuǎn)向幫助。支撐輪轉(zhuǎn)動裝置是由伺服減速機通過鏈輪及鏈條帶動轉(zhuǎn)輪等組成，此裝置可以實現(xiàn)在平整路面時無需支撐腿做步進動作的情況下實現(xiàn)機器人的平面移動，提高機器人的運動能力，同時也讓機器人的整體結(jié)構(gòu)更加完整。相比于普通碳鋼板，主體鋼有著很大的優(yōu)勢，首先就是其力學性能，主體鋼的強度比普通碳鋼板是要好上許多的，同時在進行焊接時，成本也要更低。雖然金屬會受到酸堿度以及環(huán)境的溫濕度等化學條件的影響，但是本次設(shè)計中對機器人的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，所以這些因素并不在考慮范圍內(nèi)。主體鋼的承重能力很強，高達200Kg的承重能力使其在很多應(yīng)用場景都游刃有余。對于輪子的材質(zhì)有很多的選擇，但是在本次設(shè)計中直接選用鋼制滾花，相比于橡膠輪來說，無論是從傳動角度還是性能方面都有很好的優(yōu)勢。為了提高本次設(shè)計中的整體機構(gòu)性能，需要做到以下幾點： 1.在進行零件的加工時保證精度，按照圖紙的尺寸進行加工，以防止因為絲毫的誤差造成整體性能的損失，并且對于一些裝配過程中，合理的對零件進行潤滑，以提高傳動效率； 2.在完成裝配工作后，需要進行反復的測試，一是為了保證其穩(wěn)定性，另外一點也可以對整體的穩(wěn)定性以及疲勞強度進行驗證； 3.在設(shè)備投入使用后，嚴格按照使用流程來進行使用，并且定期對其進行檢查與維護，同時注意設(shè)備的使用壽命 2.2六足機器人的步態(tài)分析 ?在進行足式機器人設(shè)計時，其行走策略是非常重要的，根據(jù)不同的行走策略，對機器人的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，尤其是關(guān)節(jié)處的設(shè)計，是直接取決于行走策略進行設(shè)計的。并且，行走策略也對機器人的整體性能有一定的影響，正確的行走策略與機器人的結(jié)構(gòu)是相輔相成的，否則，在機器人進行行走的過程中，容易發(fā)生機械結(jié)構(gòu)的破壞，還會導致傳動效率的損失，更有甚者，會因為干涉等原因，導致機器人成為一次失敗的設(shè)計。在六足機器人的工作過程中，機器人的行走機構(gòu)其實并沒有相互影響，對于每一個行走機構(gòu)來來說是并行工作的。很多機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計都是通過其他生物的生理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的靈感，對于六足機器人來說，其起源就是在生活中非常常見的爬行動物，雖然這些生物的神經(jīng)與思維系統(tǒng)不如人類一樣發(fā)達，但是仍然可以進行迅速的移動以及各種環(huán)境下的行走。通過對每一條腿進行單獨的控制，可以在不同環(huán)境下使用不同的行走方式，從而提高對環(huán)境地形的適應(yīng)能力，并且這種運動是有一定規(guī)律的，因此，借鑒于這種行走方式，六足機器人在設(shè)計過程中，也需要從這些方面來著手，在不同的環(huán)境下，與地面接觸的行走結(jié)構(gòu)是不同的，從而達到可以順利通過各種地形的目的。 第三章 六足機器人機械選型與設(shè)計 3.1 已知原始數(shù)據(jù)及工作條件 六足機器人的設(shè)計計算，應(yīng)滿足下列原始數(shù)據(jù)及工作條件資料 負載：50kg 額定功率：500w 最大移動速度：8m/min 外形尺寸：1460mm（長）x1460mm（寬）x940（高） 3.2 設(shè)計步驟 對于六足機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，一般分為外形結(jié)構(gòu)設(shè)計、走行輪設(shè)計、軸設(shè)計、電機選型設(shè)計、減速箱，制動裝置，轉(zhuǎn)向裝置設(shè)計等。其中，走行輪和軸的設(shè)計最為重要，一般設(shè)計時需要對設(shè)計值進行核驗。 常規(guī)的六足機器人設(shè)計步驟，如下流程圖3.1，通過對輪，軸，電機等的選型與計算最后得到結(jié)果。 圖3.1 設(shè)計流程 3.3 外形結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于基礎(chǔ)條件為：1460mm（長）x1460mm（寬）x940（高）； 確定主體鋼結(jié)構(gòu)外形尺寸為1000mm等分十二邊形。 3.4 走行輪選型設(shè)計 3.4.1 走行輪的作用及類型 要追溯走行輪的歷史也是一件很困難的事，不過在人們發(fā)明了輪子之后，搬運和移動物體變得容易了許多，但輪子只能在直線上運行，對于搬運重大物體時對方向的改變?nèi)匀环浅＠щy，后來人們就發(fā)明了帶有轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的輪子，也就是我們所稱的走行輪或萬向輪。走行輪出現(xiàn)給人們搬運特別是移動物體帶來了劃時代的革命，不僅可以輕松搬運，還可以隨任何方向移動，大大提高了效率。 到了近代隨著工業(yè)革命的興起，越來越多的設(shè)備需要移動，走行輪也就在全世界應(yīng)用越來越廣泛，各行各業(yè)幾乎離不開走行輪。 到了現(xiàn)代隨著科技的不斷發(fā)展，設(shè)備也越來越多功能和高利用率，走行輪就成了不可缺少的部件。走行輪的發(fā)展也就更為專業(yè)化而成為了一個特殊的行業(yè)。 走行輪大致分為定向走行輪與非定向走行輪。 定向走行輪沒有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，不能轉(zhuǎn)動；萬向走行輪的結(jié)構(gòu)允許360度旋轉(zhuǎn)。 走行輪細分 超重型走行輪、特重型走行輪、異型走行輪以及剎制走行輪、減震走行輪、可調(diào)節(jié)走行輪和輕型走行輪、中型走行輪、重型走行輪等。 應(yīng)用行業(yè) 工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)療器械以及機械、物流運輸、環(huán)保清潔用品、家具行業(yè)、美容器械、食品機械、五金生產(chǎn)等各行業(yè)。 走行輪材質(zhì) 主要分為超級人造膠走行輪、聚氨酯走行輪、塑料走行輪、尼龍走行輪、鋼鐵走行輪、耐高溫走行輪、等，這些不同材料的特性如表3.1，在這些材料中，耐高溫行走輪的性能比較好，所以一般選用它作為原材料。 表3.1 材料特性 性能特點 超級人造膠 聚氨酯 尼龍 鋼鐵 耐高溫輪 承載（KG） 27~502 31~1905 100~1400 181~2040 270~450 適用溫度（℃） -43~85 -43~85 -43~85 -43~126 -43~180 輪硬度 65(±5)A 55(±5)D —— —— —— 轉(zhuǎn)動靈活性 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 優(yōu) 轉(zhuǎn)動寧靜 優(yōu) 優(yōu) 一般 差 良 地板保護 優(yōu) 優(yōu) 一般 差 良 無輪印 無 無 無 無 無 耐沖擊 優(yōu) 優(yōu) 良 良 優(yōu) 耐磨損 優(yōu) 優(yōu) 良 優(yōu) 優(yōu) 防水性能 優(yōu) 優(yōu) 差 差 優(yōu) 防化學品性能 優(yōu) 優(yōu) 良 良 優(yōu) 安裝高度：指從地面到設(shè)備安裝位置之間的垂直距離，走行輪的安裝高度是指與走行輪底板與輪子邊遠最大的垂直距離。 支架轉(zhuǎn)向中心距：指中心垂直線到輪芯中心的水平距離。 轉(zhuǎn)動半徑：指中心垂直線到輪胎外邊緣的水平距離，適當?shù)拈g距令走行輪能作360度轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)動半徑的合理與否直接影響到走行輪的使用壽命。 行駛負荷：走行輪在移動時承重能力也稱動負荷，走行輪的動負荷因工廠的試驗方式不同而有所差別，也因輪子的材料不同而不同，關(guān)鍵在于支架的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量是否能夠抗沖擊和震蕩。 沖擊負荷：當設(shè)備受到承載物沖擊或震動時走行輪的瞬間承重能力。 靜態(tài)負荷靜態(tài)負荷靜態(tài)負荷靜態(tài)負荷：走行輪在靜止狀態(tài)下能承受的重量。靜態(tài)負荷一般情況應(yīng)為行使負荷（動承載）的5～6倍，靜態(tài)負荷至少應(yīng)是沖擊負荷的2倍。 轉(zhuǎn)向：硬質(zhì)、窄小的輪子比軟質(zhì)、寬的輪子較易轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)動半徑是輪子轉(zhuǎn)動的一個重要參數(shù)，轉(zhuǎn)動半徑過短會增加轉(zhuǎn)向難度，過大則會導致輪子晃動及壽命縮短。 行駛靈活性：影響走行輪行駛靈活性的因素有支架的結(jié)構(gòu)和支架鋼材的選用、輪子的大小、輪子類型、軸承等，輪子越大行駛靈活性越好，在平穩(wěn)地面上硬質(zhì)、窄小的輪比平邊軟質(zhì)的輪子省力，但在不平的地面上軟質(zhì)的輪子省力，但在不平的地面上軟質(zhì)的輪子能更好地保護設(shè)備并避震！ 最簡單的發(fā)明往往最重要，走行輪正具備這種特性。同時一個城市的發(fā)達程度高低往往與走行輪使用多少成正相關(guān)，像上海、北京、天津、重慶、無錫、成都、西安、武漢、廣州、佛山、東莞、深圳等城市的走行輪使用率就非常高。 走行輪的構(gòu)造由單輪裝在支架上而成，用于安裝在設(shè)備下面令其自由移動。走行輪主要分為兩大類： （1）固定走行輪 固定支架配上單輪，只能沿直線移動。 （2）活動走行輪 360度轉(zhuǎn)向的支架配上單輪，能隨意向任何方向行駛。 走行輪的單輪種類繁多，在大小、型號、輪胎面等各不相同。選擇合適的輪子取于以下幾個條件： （1）使用場地環(huán)境。 （2）產(chǎn)品的載重量 （3）工作環(huán)境中含有化學品、血、油脂、機油、鹽等物質(zhì)。 （4）各種特殊氣候，如濕度、高溫或嚴寒　 （5）抗沖擊、碰撞和行駛寧靜的要求。 車輪選擇 （1）選擇車輪材質(zhì)：首先考慮使用路面的大小，障礙物、使用場地上殘留物質(zhì)（如鐵屑、油脂），所處環(huán)境狀況（如高溫、常溫或低溫）及車輪所能承載的重量等不同條件來決定選擇適合的車輪材質(zhì)。例如：橡膠輪不能耐酸、油脂和化學品，超級聚氨脂輪、高強度聚氨脂輪、尼龍輪、鋼鐵輪和耐高溫輪則能適用于不同的特殊環(huán)境。 （2）計算承載重量：為了能夠計算出各種走行輪需要的載重能力，必須知道運輸設(shè)備自重、最大荷重和所用單輪和走行輪的數(shù)量。一個單輪或走行輪所需的載重能力計算如下： T=(E+Z)/M×N： ---T=單輪或走行輪所需承載重量； ---E=運輸設(shè)備的自重； ---Z=最大荷重； ---M=所用單輪和走行輪的數(shù)量； ---N=安全系數(shù)（約1.3—1.5）。 （3）決定輪徑大?。和ǔ＼囕喼睆接笥菀淄苿?，荷重能力也愈大同時也較能保護地面不受損壞，輪徑大小的選擇首先應(yīng)考慮承載的重量和荷重下搬運車的起動推力來決定。 （4）車輪材質(zhì)軟硬的選擇：通常車輪有尼龍輪、超級聚氨脂輪、高強度聚氨脂輪、高強度人造膠輪、鐵輪、打氣輪。超級聚氨脂輪、高強度聚氨脂輪不論在室內(nèi)室外的地面行駛，都能滿足你的搬運要求；高強度人造膠輪則能適用于酒店、醫(yī)療器械、樓層、木地板、瓷磚地面等要求行走時噪音小寧靜的地面上行駛；尼龍輪、鐵輪適用于地面不平或地面上有鐵屑等物質(zhì)的場地；而打氣輪則適用于輕荷重及路面軟不平坦的場合。 （5）轉(zhuǎn)動靈活性：單輪越大轉(zhuǎn)動就越省力，滾柱軸承能載較重的負載，轉(zhuǎn)動時阻力較大：單輪安裝上優(yōu)質(zhì)的（軸承鋼）滾珠軸承，能承載較重的負荷，轉(zhuǎn)動更輕便，靈活寧靜。 （6）溫度狀況：嚴寒和高溫的場合對走行輪的影響很大，聚氨脂輪在零下45℃下的低溫，轉(zhuǎn)動靈活自如，耐高溫輪在高溫275℃下轉(zhuǎn)動輕便。 特別注意：因為3點確定一個平面，當所用走行輪數(shù)量為多個時，載重量應(yīng)按3個計算。 3.4.2走行輪驅(qū)動力計算 走行輪上所需圓周驅(qū)動力為機器人所有阻力之和，可用式（3-1）計算： （3-1） 式中——主要阻力，N； ——附加阻力，N； ——特種主要阻力，N； ——特種附加阻力，N； ——傾斜阻力，N。 五種阻力中，、是所有機器人都有的，其他三類阻力，根據(jù)機器人工作類型及工況而定，由設(shè)計者選擇。 對于普通工況而言，附加阻力明顯的小于主要阻力，可用簡便的方式進行計算，不會出現(xiàn)嚴重錯誤。，則公式變?yōu)橄旅娴男问剑? （3-2） 3.4.3 主要阻力計算 機器人的主要阻力是運行時與地面的摩擦和承載分支及回程所產(chǎn)生阻力的總和?？捎檬剑?-3）計算： （3-3） 式中——模擬摩擦系數(shù)，根據(jù)工作條件及制造安裝水平?jīng)Q定，一般可按表查取。 ——重力加速度； ——走行輪每米長度旋轉(zhuǎn)部分重量，kg/m，用式（3-4）計算 （3-4） 其中——承載分支每組走行輪旋轉(zhuǎn)部分重量，kg； ——走行輪寬度，m； 計算：==20.25 kg/m ——回程分支托輥間距，m； kg 計算：==5.267 kg/m ——每米長度負載質(zhì)量 =kg/m ——每米長度機身質(zhì)量，kg/m，=9.2kg/m =0.045×300×9.8×[20.25+5.267+（2×9.2+60.734）×cos35°]=1379N 運行阻力系數(shù)f值應(yīng)根據(jù)表3.2選取。取=0.045。 表3.2阻力系數(shù)f 機器人工況 工作條件和設(shè)備質(zhì)量良好，轉(zhuǎn)速低，摩擦較小 0.02～0.023 工作條件和設(shè)備質(zhì)量一般，轉(zhuǎn)速較高，摩擦較大 0.025～0.030 工作條件惡劣、設(shè)備質(zhì)量較差，摩擦較高，傾斜角大于35° 0.035～0.045 3.4.4 傾斜阻力計算 傾斜阻力按下式計算： （3-5） 式中：因為本機器人為水平運輸，所有H=0 =0 由式 =1.12×1379+0+680=4425N 3.4.5 走行輪功率（）計算 走行輪功率（）按式（3-6）計算： （3-6） 3.4.5 輪的計算與校核 （1）軸的材料選取 選取45鋼，調(diào)制處理，參數(shù)如下: 硬度為HBS＝220 抗拉強度極限σB＝650MPa 屈服強度極限σs＝360MPa 彎曲疲勞極限σ－1＝270MPa 剪切疲勞極限τ－1＝155MPa 許用彎應(yīng)力[σ－1]=60MPa （2）初步估計軸的最小直徑 軸上的轉(zhuǎn)速 功率由以上機械裝置的運動和動力參數(shù)計算部分可知 =47.7；=6.25 取=115 58.4 輸出軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處的直徑.為了使所選的軸的直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應(yīng)，故需要同時選取聯(lián)軸器型號。 聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩，查表14-1，考慮到轉(zhuǎn)矩變化小，故取.則 ＝=1906800按照計算轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件。查機械設(shè)計手冊（軟件版）R2.0，選HL5型彈性套柱銷連軸器，半聯(lián)軸器孔的直徑，長度L＝142mm，半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度。故?。?0mm （3）擬定軸的裝配方案 （4）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度。 1）選取d=60mm, 。因I-II軸右端需要制出一個 定位軸肩，故取 2）初選滾動軸承。因軸承只受徑向力的作用，，故選用深溝球軸承，參照工作要求， 由軸知其工作要求并根據(jù)dⅡ–Ⅲ＝70mm，選取單列圓錐滾子軸承 33015型,由機械設(shè)計手冊(軟件版)R2.0查得軸承參數(shù)： 軸承直徑：d＝75mm ； 軸承寬度：B＝31mm，D=115mm 所以， 3）右端滾動軸承采用軸肩進行軸向定位。取33215型軸承 的定位軸肩高度h=2mm,因此，取 4）取做成齒輪處的軸段Ⅳ-Ⅴ的直徑＝85mm； 齒輪的右端與右軸承之間采用套筒定位，齒輪的寬度為64 mm,取 5）軸承端蓋的總寬度為20mm。根據(jù)軸承端蓋的裝拆及便于 對軸承添加潤滑脂的要求，取端蓋的外端面與帶輪右端 面間的距離l ＝30mm， 故取 6）因為低速軸要和高速軸相配合，其兩個齒輪應(yīng)該相重合，所以取=42mm.=32 mm.. 7）軸上零件的周向定位。 齒輪、帶輪與軸的周向定位均采用平鍵聯(lián)接（詳細選擇過程見后面的鍵選擇）。 8）確定軸上的圓角和倒角尺寸 取軸端倒角為1×45°，各軸肩處的圓角半徑為R＝1.2mm 取軸端倒角為1×45°，各軸肩處的圓角半徑為R＝1.2mm （5）計算過程 1）根據(jù)軸上的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖。確定軸承的支點位置大致在軸承寬度中間。 故 因此作為簡支梁的支點跨距 計算支反力 作用在低速軸上的==6220N =2263.8N 水平面方向 ΣMB＝0, 故 =0, 垂直面方向 ΣMB＝0， 故 ΣF＝0, 2)計算彎距 水平面彎距 = =185295 垂直面彎矩 67457 67430 合成彎矩 ==197190 ==197190 表3.3受力分析 載荷 水平面H 垂直面V 支反力 彎距M 總彎距 扭距T T＝1307.2 N·m 根據(jù)軸的計算簡圖做出軸的彎距圖和扭距圖。可看出c截面為最危險截面，現(xiàn)將計算出的截面C處的及M的值。 （6）按彎扭合成應(yīng)力校核軸的硬度 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎距和扭距的截面（即危險截面C）的強度。根據(jù)課本式15－5及上表中的值，并扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取α＝0.6，軸的計算應(yīng)力 ＝ MPa＝13.166 MPa 已由前面查得許用彎應(yīng)力[σ－1]=60MPa，因<[σ－1]，故安全。 （7）精確校核軸的疲勞強度 1)判斷危險截面 截面A，Ⅱ，Ⅲ，B只受扭矩作用，雖然鍵槽、軸肩及過渡配合所引起應(yīng)力集中均將削弱軸的疲勞強度，但由于軸的最小直徑是按扭轉(zhuǎn)強度較為寬裕地確定的，所以截面A，Ⅱ，Ⅲ，B均無需校核。 經(jīng)過以上分析，截面之間的應(yīng)力并不是完全正常的，其中IV和V兩個截面的應(yīng)力集中是比較嚴重的，因為其采用過盈的方式進行配合，所以相互擠壓下，產(chǎn)生了非常大的應(yīng)力。雖然這兩個截面的應(yīng)力比較集中，但是對于界面V來說，是沒有扭矩對其進行潛在破壞的，因此即使應(yīng)力比較大，最終的結(jié)果只能是截面受到擠壓，并不會有更多的破壞，因此不再對其進行校核驗證。而截面C是應(yīng)力最大的截面，但是因為過盈配合的裝配方式導致應(yīng)力主要集中在其兩端，而且在較大的軸徑下，截面C是不存在潛在風險的，因此不再對其進行校核驗證。對于IV截面來說，其左側(cè)的軸徑比較大，即使受到應(yīng)力的影響也不會發(fā)生破壞，因此下文只對IV的右側(cè)進行校核驗證。 2)截面IV右側(cè) 抗彎截面系數(shù)：W＝0.1d3＝0.1×853＝61412.5mm3 抗扭截面系數(shù)：WT＝0.2d3＝0.2×853＝122825mm3 彎矩M及彎曲應(yīng)力為: M＝197190×＝100112 N·mm ＝ ＝ ＝1.63MPa 截面上的扭矩 截面上的扭轉(zhuǎn)切力: ＝＝＝10.6Mpa 過盈配合處的的值，由課本附表3-8用插入法求出，并取 ，＝2.20 則0.8×2.20＝1.76 軸按磨削加工，表面質(zhì)量系數(shù)＝0.92 故得綜合系數(shù)值為： ＝ ＝＝2.29 ＝ ＝＝1.85 又由課本§3－1及§3－2得炭鋼得特性系數(shù) ＝0.1～0.2 ，取 ＝0.1 ＝0.05～0.1 ，取 ＝0.05 所以軸在截面Ⅵ的右側(cè)的安全系數(shù)為 =103.30 ＝26.32 25.505>S＝1.6 （因計算精度較低，材料不夠均勻，故選取s＝1.6） 故該軸在截面Ⅳ右側(cè)的強度也是足夠的。因無大的瞬時過載及嚴重的應(yīng)力循環(huán)不對稱性，故可略去靜強度校核。 3.5 軸的選型設(shè)計 3.5.1軸的作用及類型 軸是穿在軸承中間或車輪中間或齒輪中間的圓柱形物件，但也有少部分是方型的。軸是支承轉(zhuǎn)動零件并與之一起回轉(zhuǎn)以傳遞運動、扭矩或彎矩的機械零件。一般為金屬圓桿狀，各段可以有不同的直徑。機器中作回轉(zhuǎn)運動的零件就裝在軸上。 3.5.2軸的材料使用 （1）碳素鋼 35、45、50等優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼因具有較高的綜合力學性能，應(yīng)用較多，其中以45鋼用得最為廣泛。 為了改善其力學性能，應(yīng)進行正火或調(diào)質(zhì)處理。不重要或受力較小的軸，則可采用Q235、Q275等碳素結(jié)構(gòu)鋼。 （2）合金鋼 合金鋼具有較高的力學性能，但價格較貴，多用于有特殊要求的軸。 例如采用滑動軸承的高速軸，常用20Cr、20CrMnTi等低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)滲碳淬火后可提高軸頸耐磨性； 汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸在高溫、高速和重載條件下工作，必須具有良好的高溫力學性能，常采用40CrNi、38CrMoAlA等合金結(jié)構(gòu)鋼。 軸的毛坯以鍛件優(yōu)先、其次是圓鋼； 尺寸較大或結(jié)構(gòu)復雜者可考慮鑄鋼或球墨鑄鐵。 例如，用球墨鑄鐵制造曲軸、凸輪軸，具有成本低廉、吸振性較好，對應(yīng)力集中的敏感性較低、強度較好等優(yōu)點。 軸的力學模型是梁、多數(shù)要轉(zhuǎn)動，因此其應(yīng)力通常是對稱循環(huán)。 其可能的失效形式有：疲勞斷裂、過載斷裂、彈性變形過大等。 軸上通常要安裝一些帶輪轂的零件，因此大多數(shù)軸應(yīng)作成階梯軸，切削加工量大。 3.5.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計 在對軸進行設(shè)計時，最重要的就是軸的外形以及尺寸，因為對于軸來說，主要的功能就是承載傳動，而外形與尺寸會關(guān)系到軸的配合方式以及是否能夠正常進行裝配。除了以上因素外，毛坯的選擇也是非常重要的，其實就是軸的材質(zhì)，不同的材質(zhì)表面粗糙度以及力學性能都是不同的，而在不同的使用條件下也有不同的需求，所以在對軸進行設(shè)計時，毛坯的選型通常會經(jīng)過對比試驗來決定最終選型。 3.5.4軸與輪的配合結(jié)構(gòu) 其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3.2走行輪所示，通過軸把行走輪的各部分連接起來，以及由鏈輪進行調(diào)節(jié)，使得行走輪可以平衡地在地面上轉(zhuǎn)動以及實現(xiàn)轉(zhuǎn)動： 1. 走行輪支撐座 2.帶立式座外球面軸承 3.軸 4.螺栓 5.平墊 6.彈簧墊 7.鏈輪 圖3.2 走行輪 3.5.5 軸的計算及校核 軸的強度計算的步驟為： （1）軸的強度計算 按扭轉(zhuǎn)強度條件初步估算軸的直徑 機器的運動簡圖確定后，各軸傳遞的P和n為已知，在軸的結(jié)構(gòu)具體化之前，只能計算出軸所傳遞的扭矩，而所受的彎矩是未知的。這時只能按扭矩初步估算軸的直徑，作為軸受轉(zhuǎn)矩作用段最細處的直徑dmin，一般是軸端直徑。??????? 根據(jù)扭轉(zhuǎn)強度條件確定的最小直徑為： （mm） 式中：P為軸所傳遞的功率（KW） n為軸的轉(zhuǎn)速（r/min） ?Ao為計算系數(shù)??? 若計算的軸段有鍵槽，則會削弱軸的強度，此時應(yīng)將計算所得的直徑適當增大，若有一個鍵槽，將dmin增大5％，若同一剖面有兩個鍵槽，則增大10％。 以dmin為基礎(chǔ)，考慮軸上零件的裝拆、定位、軸的加工、整體布局、作出軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 當應(yīng)力大于許用值的時候，增大軸的直徑能夠?qū)ζ溥M行一定的緩和，但是軸的直徑并不是隨意更改的，最主要的因素還是整體的配合需求，因此通常情況下只針對應(yīng)力危險的斷面進行增大；而如果應(yīng)力在許用范圍內(nèi)則不需要對其進行更改。 以上是針對不承力的轉(zhuǎn)軸驗證方法，但是如果轉(zhuǎn)軸是承力的，既然承力，就涉及到強度這一性能，必須要對其進行強度的驗證，否則一旦發(fā)生軸的斷裂，對于整個機構(gòu)來說是非常致命的，并且在很多情況下，軸是無法進行更換或者很難進行更換的，所以在設(shè)計階段，一定要經(jīng)過全面的考慮以及驗證。 （2）按疲勞強度精確校核 ??? 安全系數(shù)條件為： 1.3~1.5用于材料均勻，載荷與應(yīng)力計算精確時； 1.5~1.8用于材料不夠均勻，載荷與應(yīng)力計算精確度較低時； 1.8~2.5用于材料均勻性及載荷與應(yīng)力計算精確度很低時或軸徑＞200mm時。 （3）按靜強度條件進行校核 　　靜強度校核時的強度條件是： 　　式中：——危險截面靜強度的計算安全系數(shù)； 　　　　　 ——按屈服強度的設(shè)計安全系數(shù)； 　　　　　　　　?。?.2~1.4，用于高塑性材料（≤0.6）制成的鋼軸； 　　　　　　　　?。?.4~1.8，用于中等塑性材料（＝0.6~0.8）制成的鋼軸； 　　　　　　　　　＝1.8~2，用于低塑性材料制成的鋼軸； 　　　　　　　　　＝2~3，用于鑄造軸； 　　　　　——只考慮安全彎曲時的安全系數(shù)； 　　　　　——只考慮安全扭轉(zhuǎn)時的安全系數(shù)； 　　式中：、——材料的抗彎和抗扭屈服極限，MPa；其中＝(0.55~0.62)； 　　　　　Mmax、Tmax——軸的危險截面上所受的最大彎矩和最大扭矩，N.mm； 　　　　　Famax——軸的危險截面上所受的最大軸向力，N； 　　　　　　　A——軸的危險截面的面積，m； 　　　　　W、WT——分別為危險截面的抗彎和抗扭截面系數(shù)，m?！　? （4）軸的設(shè)計用表 軸不同材料的系數(shù)如表3.3，表3.4，表3.5所示，其中40Cr號的軸可用于載荷較大，而無很大沖擊的重要軸，可以選用 表3.3 軸的材料系數(shù) 材料牌號 毛坯直徑 （mm） 硬度 (HBS) 抗拉強度極限σb 屈服強度極限σs 許用彎曲應(yīng)力[σ-1] 備注 Q235A ≤100 400~420 225 40 用于不重要及受載荷不大的軸 >100~250 375~390 215 　 45 ≤10 170~217 590 295 55 　 應(yīng)用最廣泛 >100~300 162~217 570 285 ≤200 217~255 640 355 60 　 　 40Cr ≤100 >100~300 241~286 735 685 540 490 70 用于載荷較大，而無很大沖擊的重要軸 　 　 40CrNi ≤100 >100~300 270~300 240~270 900 785 735 570 75 用于很重要的軸 38SiMnMo ≤100 >100~300 229~286 21