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國內外相關領域的研究現(xiàn)狀 （4） 1.3.1國外全方位移動機器人的研究現(xiàn)狀 （4） 1.3.2國內全方位移動機器人的研究現(xiàn)狀 （6） 2.傳動機構設計 2.1機械設計的基本要求 （8） 2.2輪式機器人底座的研制 （8） 2.3輪式機器人底座旋轉機構設計 （7） 2.4輪式機器人底座轉向機構設計 （10） 2.5電機的選型與計算 （14） 2.6輪式機器人底座總體結構分析 （16） 3.機械材料選擇和零件的校核 3.1機械材料的選用原則 （17） 3．2零件材料選擇和強度校核 （18） 4. 紅外遙控機器人系統(tǒng)設計 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)硬件設計 5.1系統(tǒng)硬件電路介紹 （29） 5.2單片機最小系統(tǒng) （30） 5.3供電單元介紹 （31） 5.4電機驅動電路介紹 （32） 5.5紅外遙控電路介紹 （32） 8.致謝 （34） 摘 要 McNam輪機器人中的Mcnam輪是典型的高科技產品，由人編寫特定的程序利用中控系統(tǒng)完成機器人橫向移動、越過障礙物和攀登斜坡，跨越洼地、360度全方位運動等不同功能的高科技智能化產品。它可以取代人類去完成在某些領域無法完成的具體任務，并可以在有害環(huán)境中安全可靠地工作，如偵查，排險等危險環(huán)境，因此在機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門應用比較廣。 本方案主要完成了麥克納姆輪機器人的移動機構設計和控制系統(tǒng)設計。麥克納姆輪機器人的結構包括直流電機、編碼器和短臂、長臂、輪子五個部分，它可以根據(jù)編寫好的程序進行移動，以實現(xiàn)遍歷，越障，攀登，穿越和轉彎等功能。我打算采用PLC控制系統(tǒng)來進行控制系統(tǒng)部分的設計，通過精心設計PLC控制流程圖，調節(jié)不同位置直流電機的轉動速度以移動麥克納姆輪機器人，從而實現(xiàn)爬坡，拐彎，越障等功能。 關鍵詞：麥克納姆輪機器人；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 33 1 緒論 1.1課題研究背景 到目前為止，世界各國對“工業(yè)機器人”還沒有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說的“工業(yè)機器人”是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照預定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具的自動化裝置。而它與“機械手”有一些區(qū)別：“工業(yè)機器人”多數(shù)指程序可變的獨立的抓取、搬運工件、操縱工具的裝置；“機械手”多數(shù)是指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置。如自動線、自動機的上、下料，加工中心的自動換刀的自動化裝置。 工業(yè)機器人由操作機(機械本體)、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產社備。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。工業(yè)機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，是當代研究十分活躍，應用日益廣泛的領域。機器人應用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。機器人并不是在簡單意義上的代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判斷能力，又有機器長時間持續(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器的進化過程產物，它是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產和服務性設備，也是先進制造技術領域不可缺少的自動化設備。 工業(yè)機器人是一種對生產條件和生產環(huán)境適應性和靈活性很強的柔性自動化設備，它對穩(wěn)定提高產品品質、提高生產效率和改善勞動條件起著十分重要的作用。工業(yè)機器人技術的發(fā)展必將對社會經(jīng)濟和生產力發(fā)展產生更加深遠的影響。所以，國內外工業(yè)機器人的發(fā)展十分迅速。 1.2課題研究意義： 對實現(xiàn)工業(yè)生產自動化，推動工業(yè)生產的進一步發(fā)展起著重要作用。因而具有強大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實踐證明，工業(yè)機器人可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和自動化水平。工業(yè)生產中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻繁、單調的操作，采用機器人是有效的。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。 可選的輪式機器人底座上表面的驅動和檢測裝置的布局如圖1-2所示。假設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紅外傳感器，可檢測到地面方格的邊緣及結點，依此確定底座的方向和位置。底座四邊安裝接近開關或距離檢測傳感器，實現(xiàn)防撞或避障功能； 通過畢業(yè)設計也可進一步加強學生解決實際問題的能力，培養(yǎng)學生收集資料和調查研究的能力,同時具備一定的方案比較、論證的能力,一定的理論分析與設計運算能力,進一步提高應用計算機繪圖的能力。掌握相關標準的選擇和運用，裝配圖、零件圖的繪制以及設計文本的撰寫全過程。另外進一步培養(yǎng)學生嚴謹認真的求實態(tài)度和獨立解決問題的能力,為畢業(yè)后能夠快速融入社會做好良好的鋪墊。 1.3國內外相關領域的研究現(xiàn)狀 1.3.1 國外全方位移動機器人的研究現(xiàn)狀 國外很多研究機構開展了全方位移動機器人的研制工作，在車輪設計制造，機器人上輪子的配置方案，以及機器人的運動學分析等方面，進行了廣泛的研究，形成了許多具有不同特色的移動機器人產品。這方面日本、美國和德國處于領先地位。八十年代初期，美國在DARPA的支持下，卡內基· 梅隆大學（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機器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列機器人代表了室外移動機器人的發(fā)展方向。德國聯(lián)邦國防大學和奔馳公司于二十世紀九十年代研制成VaMoRs-P移動機器人。其車體采用奔馳500轎車。傳感器系統(tǒng)包括：4個小型彩色CCD攝像機，構成兩 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。SONY公司1999年推出的寵物機器狗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類人機器人代表雙足步行機器人的最高水平。它重130公斤、高1.60米、寬0.6米，工作時間為25分鐘，最大步行速度為2.0公里/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動，第二個是繞滾子軸心轉動，第三個是繞輪子和地面的接觸點轉動。輪子由電機驅動，其余兩個自由度自由運動。由三個或三個以上的 Mecanum 輪可以構成全方位移動機器人。 圖1.2 麥克納姆輪應用 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成，如圖 1.3 所示.每個球形輪子架有2個自由度，即繞輪子架的電機驅動轉動和繞輪子軸心的自由轉動。兩個輪子架的轉動軸方向相同，由一個電機驅動，兩個輪子的軸線方向相互垂直，因而稱為正交輪。中國科學院沈陽自動化研究所所研制的全方位移動機器人采用了這種結構，如圖1.4。 圖1.3 正交輪 圖1.4 正交輪的應用 球輪由一個滾動球體、一組支撐滾子和一組驅動滾子組成，其中支撐滾子固定在車底盤上，驅動滾子固定在一個可以繞球體中心轉動的支架上，如圖 1.6 所示。每個球輪上的驅動滾子由一個電機驅動，使球輪繞驅動滾子所構成平面的法線轉動，同時可以繞垂直的軸線自由轉動。 圖1.5 球 輪 圖1.6 球輪的應用 偏心萬向輪，如圖 1.7 所示，它采用輪盤上不連續(xù)滾子切換的運動方式，輪子在滾動和換向過程中同地面的接觸點不變，因而在運動過程中不會使機器人振動，同時明顯減少了機器人打滑現(xiàn)象的發(fā)生。 圖1.7偏心萬向輪 圖1.8 偏心萬向輪的應用 1.3.2 國內全方位移動機器人的研究現(xiàn)狀 我國在移動機器人方面的研究工作起步較晚，上世紀八十年代末，國家863計劃自動化領域自動機器人主題確立立項，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、清華大學等多所高校聯(lián)合研制軍用戶外移動機器人7B.8,并于1995年 12月通過驗收。7B.8的車體是由躍進客車改進而成,車上有二維彩色攝像機、三維激光雷達、超聲傳感器。其體系結構以水平式機構為主,采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法,其直線跟蹤速度達到20km/h。避障速度達到5-10km/h。 上海大學研制了一種全方位越障爬壁機器人,針對清洗壁面作業(yè)對機器人提出的特殊要求，研制了可越障輪式全方位移動機構—車輪組機構,該機構保證機器人可在保持姿態(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,同時能跨越存在于機器人運行中的障礙,不需要復雜的輔助機構來實現(xiàn)平面上運動和越障運動之間轉換。 哈爾濱工業(yè)大學的李瑞峰，孫笛生，劉廣利等人研制的移動式作業(yè)型智能服務機器人，并對課題當中的一些關鍵技術，如新型全方位移動機構、七自由度機器人作業(yè)手臂和多傳感器信息融合等技術，最后給出了移動機器人的系統(tǒng)控制方案。 哈爾濱工業(yè)大學的閆國榮，張海兵研究一種新型全方位輪式移動機構，這種全方位移動機構當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立的；輪子正常轉動時，輪緣上的小滾子也將是純滾動，如圖1.9。 圖1.9 全方位移動機構仿真圖 2 傳動機構設計 2.1機械設計的基本要求 機械結構設計的要求，包括對機器整機的設計要求和對組成零件的設計要求兩個方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。 a.對機器整機設計的基本要求 對機器使用功能方面的要求：實現(xiàn)預定的使用功能是機械設計的最基本的要求，好的使用性能指標是設計的主要目標。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械設計時所要求的。 對機器經(jīng)濟性的要求：機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設計、制造和使用的全過程中，在設計機器時要全面綜合的進行考慮。設計的經(jīng)濟性體現(xiàn)為合理的功能定位、實現(xiàn)使用要求的最簡單的技術途徑和最簡單合理的結構。 b.對零件設計的基本要求 機械零件是組成機器的基本單元，對機器的設計要求最終都是通過零件的設計來實現(xiàn)，所以設計零件時應滿足的要求是從設計機器的要求中引申出來的，即也應從保證滿足機器的使用功能要求和經(jīng)濟性要求兩方面考慮。 要求在預定的工作期限內正?？煽康墓ぷ鳎瑥亩ＷC機器的各種功能的正常實現(xiàn)。這就要求零件在預定的壽命內不會產生各種可能的失效，即要求零件在強度、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則。 要盡量降低零件的生產成本，這要求從零件的設計和制造等多方面加以考慮。設計時合理的選擇材料和毛坯的形式、設計簡單合理的零件結構、合理規(guī)定零件加工的公差等級以及認真考慮零件的加工工藝性和裝配工藝性等。另外要盡量采用標準化、系列化和通用化的零部件。 任何一種機器都有動力機、傳動裝置和工作機組成。動力機是機器工作的能量來源，可以直接利用自然資源（也稱為一次能源）或二次能源轉換為機械能，如內燃機、氣輪機、電動機、電動馬達、水輪機等。工作機是機器的執(zhí)行機構，用來實現(xiàn)機器的動力和運動能力，如機器人的末端執(zhí)行器就是工作機。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。 2.2輪式機器人底座的研制 在機器人本體時應遵循以下設計原則： （1）總體結構應容易拆卸，便于平時的實驗、調試和修理。 （2）應給機器人暫時未安裝的傳感器、功能元件等預留安裝位置，以備將 來功能改進與擴展。 對比緒論中各轉向機構的優(yōu)缺點，本文選用全方位輪式機構來設計。全方位輪式機器人的運動包括縱向和360度旋轉的運動。車輪形移動機構的特征與其他移動機構相比車輪形移動機構有下列一些優(yōu)點：能高速穩(wěn)定的移動，能量利用率高，機構的控制簡單，而且它可以能夠借鑒日益完善的汽車技術和經(jīng)驗等。它的缺點是移動只限于平面。目前，需要機器人工作的場所，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 車輪形移動機構的利用價值可以說是非常高的。圖 2.1 是全方位輪式移動機構的示意圖。 輪式移動機構預期設計要求實現(xiàn)零半徑回轉，便于控制。車輪的旋轉和轉向是獨立控制的，全方位移動機器人采用前后輪成對驅動來控制轉向，以及控制每輪旋轉來實現(xiàn)全方位移動。 圖2.1 全方位輪式移動機構示意圖 2.3輪式機器人底座旋轉機構設計 在車輪旋轉機構設計過程中，主要考慮了以下模型，如2.2圖所示。由圖可以看出，模型 a 結構簡單，但是車輪與地面接觸面積小，可能產生打滑現(xiàn)象，且對電機軸形成一個彎矩，容易對電機軸造成破壞。模型 b 采用電機內嵌式結構，增大了車輪與地面接觸面積，減小了打滑現(xiàn)象，但電機固定比較困難。 綜合兩種模型的優(yōu)缺點，設計如圖2.3，圖2.4中所示結構，將電機內嵌在車輪內部，既增大車輪與地面的接觸面積，又縮短了整個結構的軸向距離。為了保持輪子受力平衡使整個機構可以平穩(wěn)運動，將輪子設計為兩個一組來實現(xiàn)。 采用了一個深溝球軸承作為徑向支承，一方面避免了車輪對電機產生彎矩；另一方面保證了車輪的剛度。軸承外圈與車輪內表面配合，由于內圈并不能與電機直接配合，設計了一個電機殼結構，作電機和軸承的連接。 車輪旋轉部分的具體結構分為五個部分： （1）兩個軸承由彈性擋圈和電機殼軸肩軸向定位；通過電機殼外表面徑向定位通過電機軸外表面徑向定位。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,同時也可以承載小的軸向載荷。選用它就可以達到設計的要求,而且深溝球軸承經(jīng)濟性好,方便購買。而作為徑向支撐,它主要避免了車輪對電機產生彎矩。 （2）電機預裝在電機殼上，依靠電機殼凸緣軸向定位；但徑向定位不能利用電機定位止口定位，只能采用車輪調整電機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)軸器與電機軸聯(lián)接。這個過程也是調整電機軸同心，然后從車輪側面的預留安裝孔將電機緊固在電機殼上。 （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。車輪最終的固定是通過外側的螺釘來頂緊擋板實現(xiàn)的。具體結構如圖2.4所示。 （5）整個旋轉部分結構設計完成,但它必須與轉向機構連接起來才能實現(xiàn)全方位移動。后一小節(jié)轉向機構的設計中設計有轉向軸,為了使轉動部分和轉向部分的轉向軸連接以實現(xiàn)全方位運動,此處設計了類似于半圓的固定件。如圖2.5所示。使用是采用兩個配合來固定住旋轉部分,通過四個螺栓的連接來實現(xiàn)和轉向軸的連接,從而使轉向機構和轉動機構連為一體,最終實現(xiàn)全方位移動。 2.4輪式機器人底座轉向機構設計 轉向部分主要由轉向軸、軸承、基座、轉向電機以及轉向連接件組成轉向機構設計的基本路線是從上而下。 （1）轉向軸 轉向軸分兩部分，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，設計成圓柱形以保證足夠的強度和良好的工藝性。同時兩部分軸互相配合，可以伸縮以便轉向時車輪軸的位移變化。轉向軸主要作用就是通過與轉向電機的連接起到轉向的作用，主要受的是徑向力，而受到的軸向力很小。如圖2.7所示，轉向軸受到向上的軸向力時，軸向力通過軸肩傳到下方軸承內圈，再傳到套筒，然后傳到上方軸承的內圈，再通過滾珠傳遞到軸承外圈，而軸向力進一步的傳遞到端蓋和箱體，從而將軸向力轉移到整個車體上，因為，箱體連接在車體上。轉向軸受到向下的軸向力時，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移到車體上。所以說，轉軸的工作是可靠的。 （2）轉向軸與基座聯(lián)接： 轉向軸相對于基座來說只有一個自由度，形成的是轉動副，轉向軸在機器人移動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構，這樣設計可以保證轉向軸在轉向的過程中不發(fā)生搖擺，保證轉向的精度并且可以減小對轉向相關零部件的磨損。一對軸承用套筒隔開后，軸承內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）轉向電機軸和轉向軸的聯(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)接軸與其它回轉件)以傳遞運動和轉矩,有時也用作安全裝置。本文中沒用選用標準的聯(lián)軸器,因為標準的聯(lián)軸器整體尺寸過大,占用空間大,且不利于安裝,不符合設計要求。同時,由于所要連接的兩軸徑大小確定本文自行設計了一個聯(lián)軸器。 （4）轉向驅動電機與基座的聯(lián)接 當轉向軸與基座構成轉動副以后，只需要用電機來驅動轉向軸即可實現(xiàn)車輪的轉向。將電機固定在基座上需要一個連接件，連接件設計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。整體式裝配時定心性好，但必須側面開口，這樣容易導致車輪轉向精度不夠，且不利于防塵，剖分式定心性稍差一點，可以組合成封閉結構，具有可靠的剛度，防塵，拆卸方便。因此，選用剖分式結構。 （5）箱體的設計與固定 如圖2.11所示為箱體結構的示意圖。它通過左右兩側對稱的呈L型的矩形臂用8個螺栓固定于車體前后兩側。由于箱體是通過螺釘和機座連接的，從而可以把它和機座以及轉向電機視為一體。再者，箱體內部是放置軸承，并固定軸承的，所以設計了如圖中所示的雙臂。這種設計可以將轉向機構的整體重量通過箱 體的兩臂傳到車體上，進而施于整個重量施輪子。那么轉軸的受力將大大的減小。而且這樣設計拆卸方便，利于維修。采用對稱結構固定于空間內，有利于穩(wěn)定整個轉向機構，并提高整個全方位移動機構的性能。 至此，整個全方位移動機構機械本體設計完畢。 2．5電機的選型與計算 a.電機性能的比較 在機器人的驅動器一般采用以下幾種電機：直流電機、步進電機和舵機。 1）什么是舵機： 在機器人機電控制系統(tǒng)中，舵機控制效果是性能的重要影響因素。舵機可以在微機系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機構，其簡單的控制和輸出使得單片機系統(tǒng)非常容易與之接口。舵機是一種位置（角度）伺服的驅動器，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，包括飛機模型，潛艇模型；遙控機器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機是一種俗稱，其實是一種伺服馬達。 2）舵機的工作原理： 控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，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，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。當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管或放大管就行了，至于管內的電子具體怎么流動是可以完全不用去考慮的。 （2）步進電機 步進電機作為一種新型的自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構，得到了越來越廣泛的應用，進入了一些高、精、尖的控制領域。步進電機雖然有一些不足，如啟動頻率過高或負載過大時易出現(xiàn)丟步或堵轉，停止時轉速過高易出現(xiàn)過沖，且一般無過載能力，往往需要選取有較大轉距的電機來克服慣性力矩。但步進電機點位控制性能好，沒有積累誤差，易于實現(xiàn)控制，能夠在負載力矩適當?shù)那闆r下，以較小的成本與復雜度實現(xiàn)電機的同步控制。 b.電機的選型與計算 已知整個麥克納姆輪機器人的總重量150KG,其他重量50KG，我們取總重量為200Kg，移動速度為1~2r/min。即： 具體的電機設計計算如下: 1、確定運行時間 本次設計加速時間 負載速度（m/min） 有速度可知每秒上升50mm， 電機轉速 3.負載轉矩 式中： 4.電機轉矩 啟動轉矩 必須轉矩 S為安全系數(shù)，這里取1.0。 根據(jù)以上得出數(shù)據(jù)，我們選用電機型號為160BL-A，此無電機廠家為機電產品 2.6輪式機器人底座總體結構分析 設計移動機器人車體是應遵循以下幾個原則： （1）總體結構應容易拆卸，便于平時的試驗、調試、和修理。 （2）在設計的移動平臺應能夠給機器人暫時沒有安裝的傳感器、功能元件、電池等元件預留安裝位置，以備將來功能改進和擴展。 車體是實現(xiàn)全方位移動機構和機械手臂連接的部分，也是安裝其他元件的主體。它同樣是保證機器人具有良好的環(huán)境適應能力的關鍵。 本文設計的車體采用的是合金鋁框架式結構，如圖2.13所示共分三層：第一層安裝攝像頭，控制按鈕等；第二層是車體內腔，空間較大可以安裝電池、集線器、裝配電路板等，同時可以在以后的具體設計中改變內部格局，以達到最佳的使用效果；第三層安裝車輪旋轉機構。本結構的空間分層設計使得 機器人機構緊湊，易于維護，而且提高了機器人控制系統(tǒng)的抗干擾能力。 3. 機械材料選擇和零件的校核 3.1機械材料選用原則 機械零件材料的選擇是機械設計的一個重要問題，不同材料制造的零件不但機械性能不同，而且加工工藝和結構形狀也有很大差別。機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雜的復合材料等。 選擇材料主要應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；對零件尺寸和質量的限制；零件的重要程度等。 若零件尺寸取決于強度，且尺寸和重量又受到某些限制，應選用強度較高的材料。靜應力下工作的零件，應分布均勻的（拉伸、壓縮、剪切），應選用組織均勻，屈服極限較高的材料；應力分布不均勻的（灣區(qū)、扭轉）宜采用熱處理后在應力較大部位具有較高強度的材料。在變應力工作的零件，應選用疲勞強度較高的材料。零件尺寸取決于接觸強度的，應選用可以金星表面強化處理的材料，如：調質鋼、滲碳鋼、氮化鋼。 零件尺寸取決于剛度的，則應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構可使剛度有較大提高。 滑動摩擦下工作的零件應選用摩擦性能好的材料；在高溫下工作的零件應選用耐熱材料；在腐蝕介質中工作的零件應選用耐腐蝕材料等。 b.工藝要求 材料的工藝要求有三個方面內容 （1）毛坯制造 大型零件且批量生產時應用鑄造毛坯。形狀復雜的零件只有用毛坯才易制造，但鑄造應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，可用焊接件毛坯，但焊接件要考慮材料的可焊性和生產裂紋的傾向等，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)模生產的鍛件可用模鍛，少量生產時可用自由鍛。鍛造毛坯主要考慮材料的延展性、熱膨脹性和變形能力等，應選用鍛造性能好的材料。 （2）機械加工 大批批量生產的零件可用自動機床加工，以提高產量和產品質量，應考慮零件材料的易切削性能、切削后能達到的表面粗糙度和表面性質的變化等，應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)濟性要求 （1）經(jīng)濟性首先表現(xiàn)為材料的相對價格。當用價格低廉的材料能滿足使用要求時，就不應該選用價格高的材料。這對大批量制造的零件尤為重要。 3.2零件材料選擇與強度校核 從材料選用原則的使用要求、加工要求和經(jīng)濟要求出發(fā)，選擇機械本體個零部件的材料。 在機械手臂中各傳動件是關鍵性零件，如傳動軸和齒輪系，它們的強度、剛度等機械性能直接影響機械手的工作質量。 a.軸類零件材料的選擇與校核 （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，因此應用較為廣泛，常用45號鋼。合金鋼則具有更高的機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，全方位移動結構中的車輪，轉軸；機械手傳動機構，螺紋軸采用45號鋼，就完全能夠滿足設計要求 的需要。 （2）轉向機構的轉向軸強度校核 由于此軸最小軸徑是直徑為10mm的那段,所以只對這一段進行校核就可以了。軸的運動主要受到扭轉力,所以只對其扭轉強度進行校核。 軸的扭轉校核公式為: （3-1） 式中： ——扭轉切應力，單位為 ——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為 軸的材料為45號鋼,其允許扭轉切應力為 由第二章可知，轉向機構選擇的電機型號為 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)值帶入公式計算得： 則： 由此可知，設計的轉軸強度滿足要求，可以使用。 （3）車輪的校核 車輪是整個機械部分的支撐，也是整個結構受力最大的部分。這里從材料經(jīng)濟性和強度等方面選擇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，這樣更有利于機器人的移動。 整個車輪部分承載的重量為12Kg。由于整個移動機構有四個車輪，這樣每個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，整個移動部分的強度是非常大的，完全滿足設計的要求。 b.齒輪系材料的選擇與強度校核 （1）齒輪材料的選擇 齒輪的主要失效形式有輪齒折斷、齒面疲勞點蝕、齒面磨損、齒面膠合和塑性變形。因此設計齒輪時要使齒面具有較高的抗點蝕、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械性能和提高硬度，是制造齒輪最常用的材料。 對于強度、速度和精度要求不高的齒輪傳動，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。本文設計的齒輪副速度要求不高，所以設計選用40Cr為材料，軟齒面即可滿足傳動要求。 （2）齒輪副的強度校核 輪齒在受載荷時，齒根所受的彎矩最大，因此齒根出的彎曲疲勞強度最弱。對于制造精度較低的傳動齒輪，由于制造誤差大，實際上多由在齒頂處咬合的輪齒分擔較多的載荷，為便于計算，通常按全部載荷作用于齒頂來計算齒根的彎曲強度。 本文設計的是直齒圓柱齒輪，齒數(shù)Z=30，模數(shù)=2mm，齒寬b=4mm,節(jié)圓直徑，齒形角度，齒輪副的傳動比u=1:1。電機傳動的轉矩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算： 1) 齒面接觸疲勞強度的校核 齒面接觸疲勞強度的校核公式為； （3-4） 式中： 為區(qū)域系數(shù)，標準直齒輪=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 從齒面接觸疲勞強度上來說，齒輪是合格的。 2）齒根彎曲疲勞強度的校核）