1 緒 論 1 1 緒 論 言 移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。在軍事、危險(xiǎn)操作和服務(wù)業(yè)等許多場(chǎng)合得到應(yīng)用，需要機(jī)器人以無(wú)線方式實(shí)時(shí)接受控制命令，以期望的速度、方向和軌跡靈活自如地移動(dòng)。 移動(dòng)機(jī)器人按照移動(dòng)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(jiǎn)單、活動(dòng)靈活等特點(diǎn)尤為受到青睞。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。而輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的類型也很多，對(duì)于一般的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，都不能進(jìn)行任意的定位和定向，而全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)則可以利用車輪所具有的定位和定向功能，實(shí)現(xiàn)可在二維 平面上從當(dāng)前位置向任意方向運(yùn)動(dòng)而不需要車體改變姿態(tài)，在某些場(chǎng)合有明顯的優(yōu)越性；如在較狹窄或擁擠的場(chǎng)所工作時(shí)，全方位移動(dòng)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(shí)候，全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以對(duì)自己的位置進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。由于全方位輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一般輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法取代的獨(dú)特特性，對(duì)于研究移動(dòng)機(jī)器人的自由行走具有重要意義，成為機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。 基于以上所述，本文從普遍應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)一種全方位運(yùn)動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，該平臺(tái)能夠沿任何方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活。本文是機(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。 內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 外全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 國(guó)外很多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)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(guó)和德國(guó)處于領(lǐng)先地位。八十年代初期，美國(guó)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(kāi)展了自主移動(dòng)車輛的研究， 開(kāi)展了這方面的研究。 國(guó)聯(lián)邦國(guó)防大學(xué)和奔馳公司于二十世紀(jì)九十年代研制成 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 成兩 組主動(dòng)式雙目視覺(jué)系統(tǒng)； 3個(gè)慣性線性加速 度計(jì)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(lái)。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(shí)間為 25分鐘，最大步行速度為 小時(shí)。 國(guó)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(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 可以構(gòu)成全方位移動(dòng)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(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 示 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(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)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 3 圖 交輪 圖 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 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 球 輪 圖 輪的應(yīng)用 偏心萬(wàn)向輪，如圖 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(guò)程中同地面的接觸點(diǎn)不變，因而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)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 圖 心萬(wàn)向輪的應(yīng)用 內(nèi) 全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 我國(guó)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(guó)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(kāi)始了這方面的研究。在國(guó)防科工委和國(guó)家 863計(jì)劃的資助下，由國(guó)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 于 1995年 12月通過(guò)驗(yàn)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(duì)清洗壁面作業(yè)對(duì)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) 4 來(lái)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(duì)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(guó)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 圖 全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真圖 要研究?jī)?nèi)容 本課題從普遍應(yīng)用出發(fā)，設(shè)計(jì)一種全向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，該平臺(tái)能夠沿任何方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活。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 。 本文研究?jī)?nèi)容主要有： 了 解和分析已有的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的工作原理和結(jié)構(gòu)，對(duì)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(lái)設(shè)計(jì)。根據(jù)選定的方案對(duì)全方位移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行本體設(shè)計(jì)，包括全方位車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。要求全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向、移動(dòng)靈活，可以快速、有效的到達(dá)指定地點(diǎn)。設(shè)計(jì)完成后要分析全方位移動(dòng)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(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 言 機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì)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 。 全方位移 動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)在平面內(nèi)任意角度的移動(dòng)，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(dòng)機(jī)構(gòu)的本體設(shè)計(jì)。 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，包括對(duì)機(jī)器整機(jī)的設(shè)計(jì)要求和對(duì)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。 對(duì)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(duì)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(guò)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(jiǎn)單的技術(shù)途徑和最簡(jiǎn)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(duì)機(jī)器的設(shè)計(jì)要求最終都是通過(guò)零件的設(shè)計(jì)來(lái)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(lái)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(huì)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(jiǎn)單合理的零件結(jié)構(gòu)、合理規(guī)定零件加工的公差等級(jí)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(lái)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(lái)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。 6 方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的研制 在設(shè)計(jì)移動(dòng)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(lái)功能改進(jìn)與擴(kuò)展。 對(duì)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(lái)設(shè)計(jì)。全方位輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)包括縱向、橫向和自轉(zhuǎn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng) 7 。 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(jiǎn)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(chǎng)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(shuō)是非常高的。圖 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)，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(dòng)機(jī)器人采用兩驅(qū)動(dòng)輪、兩從動(dòng)輪結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪對(duì)角線布置。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制兩驅(qū)動(dòng)輪同步轉(zhuǎn)向。 圖 方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 動(dòng)機(jī)器人車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 在車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)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(jiǎn)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(duì)電機(jī)軸形成一個(gè)彎矩，容易對(duì)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 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(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(lái)實(shí)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(duì)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。 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(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(guò)電機(jī)殼外表面徑向定位通過(guò)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(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(gòu)買。而作為徑向支撐 ,它主要避免了車輪對(duì)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(guò)車輪與電機(jī)軸聯(lián)接。這個(gè)過(guò)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。兩部分車輪最終的固定是通過(guò)外側(cè)的內(nèi)六角螺釘連接實(shí)現(xiàn)的。具體結(jié)構(gòu)如圖 （ 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(lái)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)向軸與此部分連接，最終實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。 至此，全方位移動(dòng)機(jī)器人的車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢。 動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向部分主要由轉(zhuǎn)向軸、軸承、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(jì)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(guò)軸承和壓蓋與平臺(tái)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(dòng)輪裝配。與車輪兩端用擋環(huán)隔開(kāi)。 （ 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(jì)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(guò)固定轉(zhuǎn)向電機(jī)底部與平臺(tái)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(jì)可以將轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的整體重量通過(guò)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(duì)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。 圖 向電機(jī)固定架結(jié)構(gòu)圖 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。 10 機(jī)的選型與計(jì)算 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)。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(gòu)買 型號(hào)多 功率大 接口簡(jiǎn)單 轉(zhuǎn)速太快，需減速器 電流較大 較難與車輪裝配 價(jià)格較貴 控制復(fù)雜（ 步進(jìn)電機(jī) 精確的速度控制 型號(hào)多樣 適合室內(nèi)機(jī)器人的速度 接口簡(jiǎn)單 價(jià)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(hào)多樣 適合室內(nèi)機(jī)器人的速度 接口簡(jiǎn)單 功率中等 價(jià)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(jiǎn)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(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)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 20度為 基準(zhǔn)信號(hào)，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(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(guò)級(jí)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(lái)做開(kāi)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(lái)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(guò)高或負(fù)載過(guò)大時(shí)易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖，且一般無(wú)過(guò)載能力，往往需要選取有較大轉(zhuǎn)距的電機(jī)來(lái)克服慣性力矩。但步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)位控制性能好，沒(méi)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。 （ 3）直流電機(jī) 最大的優(yōu)點(diǎn)就是直流電機(jī)可以實(shí)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(guò)改變輸入的電壓 /電流，或者勵(lì)磁電壓 /電流來(lái)調(diào)速。 直流電機(jī)的最大弱點(diǎn) 就是有電流的換向問(wèn)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(dòng)機(jī)的調(diào)速性能，并且大量代替直流電動(dòng)機(jī)。不過(guò)，近年來(lái)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(duì)于本課題來(lái)說(shuō)選用直流電機(jī)。移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)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(duì)旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)型號(hào)進(jìn)行選擇，輪式移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)的時(shí)候，需要克服兩種阻力：摩擦力和重力。對(duì)于平面內(nèi)移動(dòng)的機(jī)器人來(lái)講則只需要克服摩擦力。全方位移動(dòng)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(duì)于單個(gè)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(hào)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(duì)轉(zhuǎn)向速度要求較低，對(duì)位置精度比較嚴(yán)格。轉(zhuǎn)向電機(jī)主要是使車輪實(shí)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(jì)算電機(jī)靜力矩。 在這里我們假設(shè)每個(gè)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(gè)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(gè)車輪的寬度 設(shè)計(jì)車輪與地面接觸總寬度為 88 44l 所以克服的力矩為 。實(shí)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(dòng)同型號(hào)電機(jī) 力矩為 m 。 綜合驅(qū)動(dòng)輪軸距，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)向時(shí)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(dòng)齒輪，選用 m=5,z=48 直齒齒輪作為從動(dòng)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(shí)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(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(tái)應(yīng)能夠給機(jī)器人暫時(shí)沒(méi)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(lái)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)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(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。 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(jiǎn)單組合，而是機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的有機(jī)融合。本文雖只設(shè)計(jì)機(jī)械本體部分，但設(shè)計(jì)過(guò)程要完全考慮各部分的因素。而移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是移動(dòng)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(jì)過(guò)程中圍繞平面內(nèi)任意角度移動(dòng)這一思路展開(kāi)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了可避免對(duì)電機(jī)軸形成彎矩的車輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(jì)了車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可使車輪實(shí)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(jì)的一個(gè)重要問(wèn)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(wèn)題。 使用要求一般包括：零件的受載情況和工作狀況；對(duì)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(duì)提高零件的剛度沒(méi)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。 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。 （ 1）經(jīng)濟(jì)性首先表現(xiàn)為材料的相對(duì)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(duì)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(shí)，選擇材料時(shí)所考慮的因素將不是相對(duì)價(jià)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(wú)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(jì)時(shí)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(jià)材料代替價(jià)格相對(duì)昂貴的稀有材料。 另外選擇材料時(shí)應(yīng)盡量考慮當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)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(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。 （ 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(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低，還可通過(guò)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(hào)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，螺紋軸采用 45號(hào)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 10那段 ,所以只對(duì)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(duì)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(hào)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(hào)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(jì)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(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(hào)鋼來(lái)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 40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 10到的重力僅為 98N。輪子的直徑為 120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。 全方位移動(dòng)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(lái)制造加工。所以本章就依據(jù)機(jī)器人在工作過(guò)程中各零部件不同受力情況，以及機(jī)械設(shè)計(jì)的要求選用了不同的材料來(lái)制造零件，并對(duì)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(dòng)平臺(tái)，分析結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)比它們的優(yōu)劣點(diǎn)。在這些基礎(chǔ)上提出了全方位移動(dòng)結(jié)構(gòu)的可行性方案，并選擇最佳方案來(lái)設(shè)計(jì)。 全方位移動(dòng)機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制和理論研究的基礎(chǔ)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中圍繞平面內(nèi)任意角度移動(dòng)這一思路展開(kāi)設(shè)計(jì)?？v觀本文，全方位移動(dòng)機(jī)器人可分 為兩個(gè)大部分即旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、。總結(jié)如下： 1本文采用車輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。從而設(shè)計(jì)了可避免對(duì)電機(jī)軸形成彎矩的車輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(jì)了車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可使車輪實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向； 全方位移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì)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 。