《移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（42頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

編號 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 題目 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號 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 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明 所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 移動機(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 不包含任何其他個人 集體 已發(fā)表或撰寫的成果作品 班 級 機(jī)械 93 學(xué) 號 0923122 作者姓名 2013 年 5 月 25 日 I 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 任 務(wù) 書 一 題目及專題 1 題目 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 專題 二 課題來源及選題依據(jù) 課題來源 導(dǎo)師提供 選題依據(jù) 近年來 人類的活動領(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 像海洋開發(fā) 宇宙探測 采掘 建筑 醫(yī)療 農(nóng)林業(yè) 服務(wù) 娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機(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 因而對機(jī)器人的要求更高 需要機(jī)器人具有行走功能 對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)的一個重 要發(fā)展方向 目前國際機(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 設(shè)計(jì)移動移動機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù) 建立移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型及機(jī)器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué) 模型 研究其穩(wěn)態(tài)特性 動態(tài)特性和自主控制的問題 驗(yàn)證所研究機(jī) 器人結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性 II 四 接受任務(wù)學(xué)生 機(jī)械 93 班 姓名 趙熙熙 五 開始及完成日期 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 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 學(xué)科組組長研究所 所長 簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 III 摘 要 移動機(jī)器人是一種由傳感器 自主控制的移動載體組成的機(jī)器人系統(tǒng) 移動機(jī)器人 具有移動功能 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 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)值的平臺參考和有用的思路 本文 對各種移動機(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) 對四輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了探討 建立了運(yùn)動學(xué)模型 在建立運(yùn)動學(xué)模型的基 礎(chǔ)上對機(jī)器人的基本運(yùn)動方式進(jìn)行了分析 并推到計(jì)算出其動力學(xué)模型 本文了解了基 于多傳感器的移動機(jī)器人的自主控制問題 分析了直流伺服電機(jī)的動態(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 輪式移動機(jī)器人 運(yùn)動學(xué)與動力學(xué) 自主控制問題 IV 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 V 目 錄 摘 要 III Abstract IV 目 錄 V 1 緒論 1 1 1 本課題的研究內(nèi)容和意義 1 1 2 國內(nèi)外的發(fā)展概況 1 1 2 1 國內(nèi)外發(fā)展概況 1 1 2 2 移動機(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)動方式的選擇 3 2 2 輪式機(jī)器人移動能力分析 5 2 3 輪式機(jī)器人驅(qū)動輪的組成 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)算傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(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 移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型 21 3 1 機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析 21 3 2 兩種運(yùn)動規(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)的動力學(xué)模型 25 4 1 輪子 25 4 2 平臺體 25 4 3 小結(jié) 26 5 自主運(yùn)動控制 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 VI 6 1 結(jié)論 28 6 2 不足之處及未來展望 29 致 謝 29 參考文獻(xiàn) 30 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 1 緒論 1 1 本課題的研究內(nèi)容和意義 機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛 幾乎滲透到所有領(lǐng)域 移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個 重要分支 早在六十年代就已經(jīng)開始了移動機(jī)器人的研究 關(guān)于移動機(jī)器人的研究涉及 到許多方面 首先要考慮到移動方式 輪式 履帶式 腿式的 其次考慮驅(qū)動器的控制 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 因此移動機(jī)器人是一個集環(huán)境感知動態(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) 對移動機(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 使得對它的研究在世界各地受到普遍關(guān)注 移動機(jī)器人按照移動方式可分為 輪式 履帶式 腿式 其中輪式具有結(jié)構(gòu)簡單活動靈活等優(yōu)點(diǎn) 移動機(jī)器人的機(jī)構(gòu)直接 影響機(jī)器人運(yùn)動的穩(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特性又可 將移動機(jī)器人分為非全方位和全方位兩種 在平面上移動的物體可以實(shí)現(xiàn)前后 左右和 自傳三個自由度的運(yùn)動稱為全方位移動機(jī)器人 其不僅可以再任意方向上移動 并且保 持本姿態(tài)不變 實(shí)現(xiàn)全方位的移動的功能也可以改變機(jī)體方位 這種特性使得輪式移動 的路徑規(guī)劃 軌跡跟蹤等問題變得相對簡單 并且它能夠在狹小的空間完成任務(wù) 通過本次畢業(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)的簡單便捷性 同時(shí) 也培養(yǎng)了我們獨(dú)立思考分析問題解決問題的能力 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 國內(nèi)外的發(fā)展概況 1 2 1 國內(nèi)外發(fā)展概況 移動機(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)該說是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果 也同時(shí) 為 社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個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 各國加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入 就加強(qiáng)了本國的經(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 發(fā)展的情況 人們越來越不斷探討自然過程中 在改造自然過程中 認(rèn)識自然過程中 實(shí)現(xiàn)人們對不可達(dá)世界的認(rèn)識和改造 這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要 國外對于移動機(jī)器人的研究起步較早 日本是開發(fā)機(jī)器人較早的國家 并成為世界 上機(jī)器人占有量最多的國家 其次是美國和德國 進(jìn)入 90 年代 隨著技術(shù)的進(jìn)步 移動 機(jī)器人開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上 開拓各個應(yīng)用領(lǐng)域 向?qū)嵱没M(jìn)軍 前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動 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發(fā)空間機(jī)器人中獲得的經(jīng)驗(yàn) 應(yīng)用于開發(fā)地面機(jī)器人系統(tǒng) 如極坐標(biāo)平面移動車 爬行移動機(jī)器人 球形機(jī)器人 工 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 作伙伴平臺以及 ROSA 2 移動車等 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 號與 機(jī)遇 號 雖然國內(nèi)有關(guān)移動機(jī)器人研究的起步較晚 但也取得了不少成 績 2003 年國防科技大學(xué)賀漢根教授主持研制的無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 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)國家相比 我國仍存在較大的差 距 未來研究熱點(diǎn)是將各種智能控制方法應(yīng)用到移動機(jī)器人的控制 1 2 2 移動機(jī)器人的主要組成 一個理想的移動機(jī)器人系統(tǒng)通常由三個部分組成 移動機(jī)構(gòu) 感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng) 移動機(jī)構(gòu)是移動機(jī)器人的核心 決定了機(jī)器人的核心 決定了機(jī)器人移動空間 感知系 統(tǒng)一般采用攝像機(jī) 激光測距儀 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 作來進(jìn)行 尤其對適應(yīng)環(huán)境能力要求較高的移動機(jī)器人來講 構(gòu)型不僅滿足應(yīng)用場合 積極開飯新的結(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 對移動機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的研究還涉及機(jī)器人的運(yùn)動學(xué) 動力學(xué)問題 控制系統(tǒng)的輸入 量需從對機(jī)器人的運(yùn)動學(xué) 動力學(xué)建模分析得到的數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出 移動機(jī)器人是一 個交叉的研究領(lǐng)域 涉及機(jī)械 控制 傳感器技術(shù) 信息信號處理 模式識別 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)移動移動機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù) 2 建立移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型及機(jī)器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)模型 3 研究移動機(jī)器人運(yùn)動的動態(tài)特性和機(jī)器人自主控制的問題 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 2 移動機(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)動方式的選擇 到目前為止 地面移動機(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 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 4 3 輪式 圖 2 6 單輪滾動機(jī)器人 圖 2 7 兩輪移動機(jī)器人 圖 2 8 三輪移動機(jī)器人 圖 2 9 四輪移動機(jī)器人 圖 2 10 六輪移動機(jī)器人 圖 2 11 八輪移動機(jī)器人 圖 2 13 輪腿式機(jī)器人 綜上各移動機(jī)器人特點(diǎn)如下表 2 1 所示 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5 表 2 1 各移動機(jī)器人特點(diǎn) 行駛結(jié)構(gòu) 車輪式移動機(jī)器人 步行式移動機(jī)器人 履帶式移動機(jī)器人 特點(diǎn) 一般適用于平底運(yùn)行 切操作簡單 運(yùn)動穩(wěn) 定 運(yùn)動速度和方向 容易控制 按照輪子 個數(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 對環(huán)境有良好的適應(yīng) 能力等優(yōu)點(diǎn) 尤其是 多足式對環(huán)境的適應(yīng) 能力更強(qiáng) 但它也存 在動作不連貫 速度 較慢 控制復(fù)雜 實(shí) 現(xiàn)相對困難等不足 履帶式機(jī)器人可以跨 越障礙 攀爬低度不 高的臺階 行動速度 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 以備將來功能改進(jìn) 與擴(kuò)展 3 運(yùn)用三維軟件畫出零件圖 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 哪里會產(chǎn)生干涉 通過對以上方式的比較 我們選用輪子方式做為機(jī) 器人運(yùn)動方式 它符合我們的設(shè)計(jì)要求 適應(yīng)室內(nèi)活動環(huán)境 需要動力較小 能量消耗 少 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡單可靠 2 2 輪式機(jī)器人移動能力分析 輪式移動機(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機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)和運(yùn)動控制系統(tǒng) 的能力 基本能實(shí)現(xiàn)前進(jìn) 后退 360 范圍轉(zhuǎn)動的運(yùn)動 也可以為機(jī)器人的運(yùn)動和控制提 供一個很好的研究平臺 生活中我們見到最多的家用小車的車輪布局在輪式移動機(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方式即差速度輪式移動機(jī)器 人 四個車輪布置在我設(shè)計(jì)的機(jī)器人矩形機(jī)身四角 后兩輪差速驅(qū)動 前兩輪是轉(zhuǎn)向輪 當(dāng)然通過查閱資料這種機(jī)構(gòu)有兩個缺點(diǎn) 一是四輪構(gòu)型移動機(jī)器人運(yùn)動能力受到限制 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)動的能力 可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 6 圖 2 14 后輪差速驅(qū)動 前輪是隨動結(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)動方案機(jī)器人 稱之為后輪驅(qū) 動輪型機(jī)器人 它是一種典型的非完整約束的輪式移動機(jī)器人模型 后輪為驅(qū)動輪 方 向不變 提供前進(jìn)驅(qū)動力 兩輪驅(qū)動速度不相同 前輪為轉(zhuǎn)向輪 稱為隨動輪 使機(jī)器 人按照要求的方向移動 輪式移動機(jī)構(gòu)又主要分三個輪 四個輪 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)動輪 兩個轉(zhuǎn)向輪為前輪 這種結(jié)構(gòu) 能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動規(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)動輪的組成 1 后輪驅(qū)動裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)模型圖如圖 2 16 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 圖 2 16 后輪驅(qū)動裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)模型 后輪驅(qū)動裝置機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)如圖 2 17 所示 圖 2 17 驅(qū)動輪機(jī)械傳動示意圖 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)動裝置由驅(qū)動電機(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)動力矩 在小車轉(zhuǎn)向時(shí)它可以以一定角度轉(zhuǎn)動 主要機(jī)械組成結(jié)構(gòu)如圖 2 18 所示 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 8 圖 2 18 轉(zhuǎn)向裝置模型圖 輪式機(jī)器人前輪驅(qū)動裝置由以下幾部分構(gòu)成 輪胎 輪轂 兩個轉(zhuǎn)向輪和深溝球軸 承幾個部分組成 2 5 電機(jī)的選擇 目前在機(jī)器人的運(yùn)動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 號控制 與計(jì) 算機(jī)接口簡單 沒有電刷 維 護(hù)方便 壽命 長 缺點(diǎn)是能 量轉(zhuǎn)換效率低 易失步 過載 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 混合式能產(chǎn) 生較大轉(zhuǎn)矩 連續(xù)轉(zhuǎn)動 永磁式是單向勵磁 精度 高 但易失步 反應(yīng)式 是雙向勵磁 輸出轉(zhuǎn)矩大 轉(zhuǎn)子過沖小 但效率低 混 合式是單 雙向勵磁 分 辨率高 運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 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 簡單 啟動轉(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 通過電刷和換 向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子 的轉(zhuǎn)動角度而變化 實(shí) 現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動 轉(zhuǎn)動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) 沒有電刷和換 向器 無需維 護(hù) 驅(qū)動電路 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 通過電刷和換向器使電 流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角 度而變化 實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn) 動 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 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 對輸出來說 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)動方式 對于小功率電機(jī) 直流伺服電機(jī)具有良好 的啟動和調(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 有一定過載 能力 而且穩(wěn)定性好 通過比較以上電機(jī)的特性 工作原理 控制方式以及移動機(jī)器人 的移動性能要求 自身重量 傳動機(jī)構(gòu)特點(diǎn)等因素 所以決定選用直流電機(jī)作為驅(qū)動電 機(jī) 直流電動機(jī)以其良好的線性調(diào)速特性 簡單的控制性能 較高的效率 優(yōu)異的動態(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機(jī) 如交流變頻電動 機(jī) 步進(jìn)電動機(jī)等 的挑戰(zhàn) 但直流電動機(jī)仍然是許多調(diào)速控制電動機(jī)的最優(yōu)選擇 在生 產(chǎn) 生活中有著廣泛的應(yīng)用 通過以上的比較決定選用直流伺服電機(jī)直流電動機(jī) 2 6 直流伺服電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及動態(tài)參數(shù)的確定 直流伺服電動機(jī)是將電信號轉(zhuǎn)變成機(jī)械運(yùn)動的關(guān)鍵元件 它應(yīng)該能提供足夠的功率 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10 使負(fù)載按照所需的規(guī)律運(yùn)動 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)動的角度 要對電機(jī)的驅(qū)動電壓 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 aadiuRiLet 2 2 ek 2 3 mtaTi 其中 己為 電樞電流 為電樞電勢 為電磁轉(zhuǎn)矩 為電樞電阻 為電aiaemTaRek 勢系數(shù) 為轉(zhuǎn)矩系數(shù) tk 忽略鐵耗和摩擦損耗 負(fù)載轉(zhuǎn)矩為零時(shí) J 為轉(zhuǎn)動慣量 則有edJt 2 4 2aaettRJLdukK 如果轉(zhuǎn)速的初始條件 則上式拉氏變換后得到0 2 5 2 aaa et tJJUsSSKS 得到的傳遞函數(shù)為 G S 2 6 2 taaateSLJRSk 令 是直流伺服電機(jī)的機(jī)械時(shí)間常數(shù) 為電動機(jī)的電氣時(shí)間常數(shù)則amteRJK m 傳遞函數(shù)可以寫成 G S 2 7 2 1emks 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aRt2 損耗與轉(zhuǎn)速的平方成正比 即和反電勢 E 的平方成正比 這樣可以設(shè)置一等效的電阻 R 來代替這兩項(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 D 分析直流伺服電動機(jī)動態(tài)特性的等效電路如圖 4 17 所示 轉(zhuǎn)子動能 J 為轉(zhuǎn)21 J 動慣量 為角速度 用等效電路中的靜電能 來代替 則等效電容 空載 21CE2 KC 損耗 包括風(fēng)損 機(jī)械損耗 鐵耗等 在電路中用等效電阻 上的損耗來代替 DR 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 圖 2 19 分析動態(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 1a DaaUsRLSIC 如果施加的電壓時(shí)一個階越函數(shù) 則 V 2 9 21 1DaaaDSVIsRLRS 由拉氏變換后令 可得到 a 2 10 1 1 m et tee mViatR 上式中 是直流伺服電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)候的電流 這個值比較容易測量 是aD me 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)的啟動電流曲線 可以在電機(jī)輸 A 回路中串一 個阻值很小的采樣電阻 用存儲示波器記錄電機(jī)啟動的瞬間采樣電阻兩端的電壓值 即 可獲得啟動電流曲線 當(dāng)電樞回路中串采樣電阻以后 對直流伺服電機(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)算的動態(tài)時(shí)間常 數(shù) 則實(shí)際的動態(tài)時(shí)間常數(shù)為 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 12 2 11 ajeeR 2 12 ammj 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)來降速 所以 設(shè)計(jì)了蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu) 并對其參數(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 齒輪類型為漸開線直齒齒輪 聯(lián)軸器相聯(lián)齒輪與車輪裝在同一 個軸上 它們的轉(zhuǎn)速相同 移動機(jī)器人的驅(qū)動裝置電機(jī)與車輪軸需要傳動機(jī)構(gòu) 蝸桿傳動是用來傳遞空間交錯 軸之間的運(yùn)動和動力的 最常用的是軸交角 90 的減速傳動 蝸桿傳動能得到很大的單 級傳動比 在傳遞動力時(shí) 傳動比一般為 5 80 常用 15 50 在分度機(jī)構(gòu)中傳動比可達(dá) 300 若只傳遞運(yùn)動 傳動比可達(dá) 1000 蝸輪蝸桿傳動工作平穩(wěn)無噪音 蝸桿反行程能自 鎖 所以決定選用普通圓柱蝸桿傳動 其實(shí)物圖跟結(jié)構(gòu)簡圖如下 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 通過查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊指導(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 0 68 地 801 52PFVKW Aw 1 2 068 75PKW 地 1 工作機(jī)各傳動部件的傳動效率及總效率 查 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊 書中表 1 7 得各傳動部件的效率分別為 9 聯(lián) 軸 器 0 蝸 桿 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13 0 9 軸 承 0 96 車 輪 工作機(jī)的總效率為 3 總 聯(lián) 軸 器 蝸 輪 蝸 桿 軸 承 車 輪 2 電機(jī)的所需要的功率 kwPwr54 269 071 總 3 傳動裝置的傳動比的確定 查 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊 書中表 13 2 得各級齒輪傳動比如下 4 8蝸 桿i 理論總傳動比 40 8 蝸 桿總 i 4 電機(jī)機(jī)的轉(zhuǎn)速 601 73 minvrD 車 輪 8 4 3 265 16i 總車 輪 根據(jù)上面所算得的原動機(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 書中 表 12 1 可選擇合適的電動機(jī) 本設(shè)計(jì)選擇的電動機(jī)的型號及參數(shù)如下表 2 3 表 2 3 電動機(jī)型號及參數(shù) 型號 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)算傳動比 720 33 44 21 53 單機(jī)蝸桿傳動 傳動比都集中在蝸桿上 不需分配ai 傳動比 2 7 2 計(jì)算傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù) 1 蝸桿蝸輪的轉(zhuǎn)速 蝸桿轉(zhuǎn)速和電動機(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 2 549503 6970dpTNMn 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 14 MNiTd 35 9 016 311聯(lián) Na 74 039 22聯(lián) i 5 33聯(lián) 所以 Td 33 69 N M T1 33 35N M T2 703 74 N M T3 668 83 N M 運(yùn)動動力參數(shù)表格如下表 2 4 所示 表 2 4 運(yùn)動力參數(shù) 參數(shù) 電動機(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 選舉蝸桿的傳動類型材料 采用漸開線蝸桿 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) K 1 使用系數(shù) KA 1 15 由于 轉(zhuǎn)速不高 沖擊不太大 可選取動載荷系數(shù) KV 1 05 則 K KAK KV 1 21 3 確定彈性影響系數(shù) ZE 因選用鑄錫磷青銅蝸桿個剛蝸桿相配 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 H KHN 0 71 268 190 28Mpa 6 計(jì)算中心距 mm 1260 91 27347 538a 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 對應(yīng) Zp 2 9 因?yàn)?Zp Zp 所以以上計(jì)算結(jié)果可用 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 7 蝸輪蝸桿的主要參數(shù)和幾何尺寸 蝸桿分度圓直徑 d1 63mm 橫向齒距 Pa m 3 14 6 3 19 782mm 模數(shù) m 6 3 直徑系數(shù) 1630 qm 齒頂圓 da1 d1 2h a1 63 2 6 3 75 6mm 齒根圓 df1 d1 2 ha m c 63 2 6 3 0 25 6 3 47 25mm 分度圓導(dǎo)程角 24805r 變位系數(shù) 126302 4 3 daXm 驗(yàn)算傳動比 i 傳動比誤差 24 53 4 1 蝸輪分度圓直徑 26802 dmz 蝸輪齒頂高 213 59ahX 蝸輪喉圓直徑 2 408a m 蝸輪齒根高 26 21 f c 蝸輪齒根直徑 230 76ffdh 蝸輪咽喉母圓直徑 21189 58 gar 外圓直徑 5 30WDmm 蝸輪齒寬 0 767B 8 校核齒根彎曲強(qiáng)度 2 13 1 32FFKTYad 2 14 2334860cos1 VZ 根據(jù) X2 0 43 Z V2 60 Y Fa2 2 55 螺旋角系數(shù) 1 0 81814r 許用彎曲應(yīng)力 2 15 FKN 從 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 中表 11 8 查得由 ZCuSn10Pb1 制造的基本許用彎曲應(yīng)力 為 56MPA F 壽命系數(shù) 6810 57 4KFN 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 16 560 731 92FMPA 齒根彎曲疲勞應(yīng)力 21 08KTYaKpadm 所以彎曲強(qiáng)度是滿足的 9 驗(yàn)算效率 2 16 tan0 95 6V 2 17 13720 57 6cos1cos 8SdV ms 已知 fv fv 與相對滑動速度 vs 相關(guān) 從 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì) 表 11 18 中用插值法查得 fv 0 03 代入式中得143V 大于估計(jì)值 因此不用重算 0 94 10 精度等級公差和表面粗糙度的確定 通用減速器的蝸桿傳動精度等級公差范圍 6 8 級 H7 r6 用機(jī)械減速器 從 GB T10089 1998 圓柱蝸桿蝸輪精度中選擇 38 級精度 側(cè)隙種類為 f 標(biāo)注 7dGB T10089 1988 蝸桿與軸做成一體即蝸桿軸 蝸輪采用輪箍式 與鑄造鐵心采用 H7 r6 配合 并加臺 肩和螺釘固定 2 7 4 蝸輪軸的設(shè)計(jì) 軸的材料為 45 鋼 調(diào)制處理 根據(jù)手冊取 A0 112 所以 3301 86242 753pdAmN 軸的最小直徑為 d1 與聯(lián)軸器孔徑相適應(yīng) 故需同時(shí)選取聯(lián)軸器的型號計(jì)算轉(zhuǎn)矩 查表選取 KA 1 33caTKA 31 859502 34PTN 3 6caAKM 查手冊 P582 選用 HL4 型彈性柱銷聯(lián)軸器 公稱轉(zhuǎn)矩為 1250N mm 孔徑 d1 50mm 軸孔長度 L 142mm 與軸配合轂孔長為 84mm 為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定 位要求 d 1 右端需割出一軸肩 定位軸肩高度在 0 07 0 1 d 范圍內(nèi) 故 21502 75hm 為了保證軸端擋圈壓在半聯(lián)軸器上 面不壓在軸的斷面上 L 聯(lián)孔的長度應(yīng)比 d1 段 的長度 L1 長點(diǎn) L 1 82mm 2 7 5 初選滾動軸承 根據(jù) 初步根據(jù)手冊 P554 選取 0 基本游隙組 標(biāo)準(zhǔn)精度級的單列角接觸md572 軸承 7212 其尺寸為 故 24160 TDb 36 5dmL 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 查表得軸肩高度 所以 5694 73 5dm 又軸環(huán)的高度為 b 取 12mm 即 b 512L 蝸輪的軸段直徑 蝸輪軸段直徑的右端為定位軸肩由機(jī)械手冊查得取 473 4 6 5dm 志傳動零件相配合的軸段 略小于傳動零件的輪轂寬 蝸輪輪轂的寬度為 取 41 2 5 9 7 490I 軸承端蓋的總寬度為 20mm 取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面的距離為 35mm 故 mL53205 滾動軸承寬度 軸肩下部寬度為 24 10 16 4 54mm T 1 繪制軸的受力簡圖 2 繪制垂直面彎矩圖 3 繪制水平面彎矩圖 4 繪制合力彎矩圖 5 繪制扭矩圖 分別如下圖所示 圖 2 23 彎矩圖 軸承支反力 FAY FBY Fr1 2 107 35N FAZ FBZ 2 685N1t 由兩邊對稱 知截面 C 的彎矩也對稱 截面 C 在垂直面彎矩為 MC1 FAyL 2 19 6N m 截面 C 在水平面上彎矩為 MC2 FAZL 2 685 182 5 125N m310 MC MC12 MC22 1 2 19 62 1252 1 2 126 5N m 轉(zhuǎn)矩 T T I 54 8N m 校核危險(xiǎn)截面 c 的強(qiáng)度 由教材 P373 式 15 5 經(jīng)判斷軸所受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動 1 22 Wcca 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 18 循環(huán)應(yīng)力 取 0 6 22231650 0 58cca aW 前已選定軸的材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 由教材 P362 表 15 1 查得 因此 601 故安全 ca 1 該軸強(qiáng)度足夠 2 7 6 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 從軸段 開始逐漸選取軸段直徑 起固定作用 定位軸肩高度可在md201 2d 范圍內(nèi) 故 07 mhd8 07 1212 該直徑處安裝密封氈圈 標(biāo)準(zhǔn)直徑 應(yīng)取 與軸承內(nèi)徑相配合采用角423 接觸球軸承 型號為 7206 手冊 P554 即 d3 起定位作用 取 h 3mm 取蝸桿齒頂圓直徑 4d604 d6 75 m306 圖 2 24 彎矩圖 求支反力 FAY F BY F AZ F BZ FAY FBY Fr 2 107 35N FAX FBX 2 295N2t 由兩邊對稱 截面 C 的彎矩也對稱 截面 C 在垂直面彎矩為 MC1 FAYL 2 107 35 75 8N m310 截面 C 在水平面彎矩為 MC2 FAXL 2 295 75 22 125N m 計(jì)算合成彎矩 MC M C12 MC22 1 2 8 2 22 1252 1 2 23 54N m 校核危險(xiǎn)截面 C 的強(qiáng)度由教材 P373 式 15 5 可知 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 因此由教材 P373 式 15 5 經(jīng)判斷軸所受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對 1 22 Wcca 稱循環(huán)變應(yīng)力 取 0 6 2222 3 540 697 018cca a 前已選定軸的材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì)處理 由教材 P362 表 15 1 查得 因此 61 故安全 所以此軸強(qiáng)度足夠 ca 1 2 8 機(jī)器人的電源供應(yīng) 機(jī)器人由于體積 尺寸 重量的限制 而且需要移動 所以不可能采取電線通電的 方式 必須采取內(nèi)燃機(jī)或者電池供電 相對于汽車等應(yīng)用 要求電池體積小 重量輕 能量密度大 并且要求在各種震動沖擊等條件下電池要安全可靠 我設(shè)計(jì)的輪式機(jī)器人長寬高尺寸在一米左右 重量在 40kg 的移動機(jī)器人總功耗為 4kw 所以綜合下我選用了鉛酸蓄電池 對機(jī)器人的運(yùn)動靈活性 連續(xù)運(yùn)行時(shí)間都非常有利 針對移動機(jī)器人所需的電源特性 總結(jié)了各種電池的優(yōu)缺點(diǎn)如下表 2 5 所示 表 2 5 各種電池優(yōu)缺點(diǎn) 內(nèi)容 鉛酸蓄電池 鎳鎘電池 鎳氫電池 鋰離子電池 鋰聚合物電池 大流放電能力 非常好 非常好 較好 較好 較好 可維護(hù)性 非常好 較好 好 一般 較好 循環(huán)壽命 400 600 次 300 500 次 800 1000 次 500 600 次 500 600 次 價(jià)格 低 低 較低 高 高 安全性 非常好 較好 好 一般 較好 能量密度 wh Kg 30 50 差 30 45 差 60 80 一般 90 110 較好 130 非常好 為簡化制造工序 提高車體的緊湊程度和牢固程度 將電池盒設(shè)計(jì)到前車體后部 并且盡量降低電池盒與地面間距 以降低機(jī)器人的重心高度 2 9 車輪及輪轂 選擇車輪需要考慮多種因素 有機(jī)器人的尺寸 重量 地形狀況 電機(jī)功率等 車 重加負(fù)載重量為 40kg 左右 所以用質(zhì)地堅(jiān)硬且易于加工的聚苯乙烯作輪轂 采用不充氣的 中空橡膠輪胎 其優(yōu)點(diǎn)在于不僅重量小而且橡膠與地面的附著系數(shù)大 保證了足夠的驅(qū) 動能力 之前假設(shè)其輪胎直徑 d 400mm 則車輪轉(zhuǎn)一圈移動的為 S d 3 14 0 5 1 256m 車輪最大轉(zhuǎn)速為 i 720 21 53 33 44r min 電機(jī)轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)動比 w車 機(jī) 則機(jī)器人的線速度為 V s w1 1 256 33 44 42m min 0 7m s 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 20 所以前面假設(shè)輪胎直徑 400mm 機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)動的速度 0 7m s 符合要求 查找資料得到橡膠輪胎與地面的摩擦因數(shù)大約為 u 0 71 機(jī)器人所需的牽引力 2 18 afWF 2 19 sinmg 2 20 cof 則有 420NsinsaFgg 80N 所以選用的輪胎大小合理 前輪輪胎采用和后輪相同的結(jié)構(gòu)和材料 輪轂的軸孔與軸相對滑動 另外在機(jī)器人移動的過程中會產(chǎn)生震動 影響其行走 所以可以在其車身加減震墊 或者是彈簧之類的裝置來減少震動對移動的影響 綜上所述 得到輪式機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)如表 2 6 所示 表 2 6 輪式機(jī)器人的技術(shù)參數(shù) 自由度個數(shù) 2 運(yùn)動方式 輪式運(yùn)動 驅(qū)動方式 后兩輪差速度驅(qū)動 前兩輪隨動輪 連接機(jī)構(gòu) 聯(lián)軸器 減速機(jī)構(gòu) 蝸輪蝸桿 所選用電機(jī) 兩個直流伺服電機(jī) 控制方式 單片機(jī)控制器 電源 蓄電池 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21 3 移動機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型 3 1 機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析 輪式移動機(jī)器人由車體 兩個驅(qū)動輪和兩個隨動輪組成 隨動輪僅在運(yùn)動過程中起 支撐作用 其在運(yùn)動學(xué)模型中的影響忽略不記 為簡單起見 假設(shè)輪式移動機(jī)器人在水 平地面上運(yùn)動 車輪只旋轉(zhuǎn)不打滑 將輪式移動機(jī)器人簡化成如圖3 1 所示 以輪式移動機(jī)器人的右驅(qū)動輪為研究對象 O XY 為輪式移動機(jī)器人工作場地的固定 參考坐標(biāo)系 為與輪式移動機(jī)器人固連的坐標(biāo)系 R為固連坐標(biāo)系的原點(diǎn) 與右RXY 輪輪心重合 與兩驅(qū)動輪軸線重合 指向左輪 X 和 間的夾角為 即輪式移動機(jī)器X 人的位姿可表示為 左 右輪的坐標(biāo)分別為 設(shè)L 為輪式移 T TLY TR 動機(jī)器人兩驅(qū)動輪的輪距 r 為輪式移動機(jī)器人驅(qū)動輪的半徑 分別為輪式移W 動機(jī)器人左 右驅(qū)動輪的角速度 圖3 1 移動機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡圖 兩驅(qū)動輪間的約束方程 顯然 無論輪式移動機(jī)器人運(yùn)動到何處 其左 右驅(qū)動輪間輪距L 是不會改變的 因此左右輪的坐標(biāo)與輪間距L 的關(guān)系為 3 1 22 LLRXY 令 為輪式移動機(jī)器人的初始姿態(tài) 定義其逆時(shí)針為正 并且 180 180 則由圖3 1可得輪式移動機(jī)器人的姿態(tài)角與兩驅(qū)動輪輪距中點(diǎn)的關(guān)系為 3 2 tan RL XY 根據(jù)式 3 1 和式 3 2 得 3 3 sin RLa 3 4 co 假設(shè)輪式移動機(jī)器人在任意一初始位置AB 經(jīng)時(shí)間t 轉(zhuǎn)過 角后到達(dá)另一位置 A B 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 如圖3 2 所示 則左驅(qū)動輪比右驅(qū)動輪多轉(zhuǎn)過的曲線位移為 3 5 LRCAWrtt 即 3 6 LR 圖 3 2 運(yùn)動位姿變化圖 由于輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動方式只有直線運(yùn)動和圓弧運(yùn)動兩種 若作為基點(diǎn)的驅(qū)動 輪 文中為右驅(qū)動輪 的角速度 已知 則左驅(qū)動輪的角速度 根據(jù)式 3 6 RWC LW 得 3 7 Lrt 若 0 即對于直線運(yùn)動而言 顯然 兩驅(qū)動輪同速 即直線運(yùn)動LR 是曲線運(yùn)動的特例 運(yùn)動學(xué)方程當(dāng)輪式移動機(jī)器人驅(qū)動輪的角速度已知 由式 3 3 3 4 和 3 6 并根據(jù)圖 3 2 可得到輪式移動機(jī)器人 的運(yùn)動學(xué)模型 3 8 cos 0in R RLXrWYLr 如果輪式移動機(jī)器人按照確定的軌跡運(yùn)動 即 和 W 已知時(shí) 則驅(qū) xt y t 動輪的運(yùn)動規(guī)律就可根據(jù)下式求出 3 9 22 Wrxtyt 同時(shí) 輪式移動機(jī)器人左 右驅(qū)動輪間的運(yùn)動關(guān)系由式 3 6 決定 因此只要控制 就可以得到輪式移動機(jī)器人的位姿 又設(shè) 為輪式移動機(jī)器人輪距 TRLUW TXY 中點(diǎn)的坐標(biāo) v W 分別為輪式移動機(jī)器人的平移速度和旋轉(zhuǎn)角速度 則傳統(tǒng)的以輪式移 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23 動機(jī)器人兩驅(qū)動輪輪距中點(diǎn)建立的運(yùn)動學(xué)模型為 3 10 cos0in1XvYw 3 11 2 RLRLVWrWr 由式 3 10 和 3 11 得 3 12 cos 2inRLxry 3 2 兩種運(yùn)動規(guī)劃方法分析 對于傳統(tǒng)的以輪距中點(diǎn)為基點(diǎn)的軌跡跟蹤問題 輪式移動機(jī)器人 根據(jù)該點(diǎn)的速度分 配給左右兩個驅(qū)輪 從而控制兩個驅(qū)動輪行進(jìn) 對式 3 10 積分而得到實(shí)際位姿 通過與 期望位姿進(jìn)行比較而得到位姿偏差 同時(shí) 輪式移動機(jī)器人在實(shí)際的行走過程中 必然 存在累積誤差 如果累積誤差過大 就會嚴(yán)重影響輪式移動機(jī)器人的準(zhǔn)確定位以及任務(wù) 的完成 這就必然要求對其進(jìn)行位置矯正 在進(jìn)行位置矯正時(shí) 首先要根據(jù)驅(qū)動輪經(jīng)過 的路程 通過積分得到輪軸中心點(diǎn)的位姿并與規(guī)劃器中所設(shè)定的位姿對比 得出需校正 的位姿偏差 然后通過矩陣求逆運(yùn)算而得到兩驅(qū)動輪的角速度 在同時(shí)分配給兩驅(qū)動輪 而輪式移動機(jī)器人以輪心為基點(diǎn)進(jìn)行的軌跡跟蹤 僅對式 3 11 進(jìn)行積分就可求出輪式移 動機(jī)器人 的實(shí)際位姿 經(jīng)過簡單運(yùn)算就可以得到用于校正位姿偏差的角速度 在位姿校 正過程中 作為參考對象的驅(qū)動輪的角速度不變 只需調(diào)整另一驅(qū)動輪的角速度 因此 非常有利于實(shí)現(xiàn)兩輪的協(xié)調(diào)控制 3 3 仿真實(shí)驗(yàn) 針對這兩種運(yùn)動規(guī)劃方法 進(jìn)行了輪式移動機(jī)器人的軌跡跟蹤仿真實(shí)驗(yàn) 它的軌跡 方程為 3 13 13rryx 0 3rx 3 14 24 3 rr 5r 3 15 2 56 r ryx 6 rx 3 16 3r x 9r 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖 3 3 3 4 圖中用兩個方框點(diǎn)分別代表輪式移動機(jī)器人的兩個驅(qū)動 輪 在相同的環(huán)境下輪式移動機(jī)器人分別利用這兩種運(yùn)動規(guī)劃方法對于上式軌跡進(jìn)行跟 蹤 并用 CAD 畫出見簡圖 此結(jié)果表明輪式移動機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對于確定軌跡的準(zhǔn)確跟 蹤 利用以輪心為基點(diǎn)的規(guī)劃方法僅花費(fèi)時(shí)間 2 55 秒 而利用傳統(tǒng)方法用時(shí) 5 01 秒 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 這表明以輪心為基點(diǎn)的規(guī)劃方法節(jié)省了大量時(shí)間 效率提高 2 倍左右 圖 3 3 規(guī)劃方法一 圖 3 4 規(guī)劃方法二 3 4 結(jié)論 采用以輪心為基點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)劃方法 僅控制一輪 另一輪作隨動 避免了傳統(tǒng)的以 輪距中點(diǎn)為基點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)所進(jìn)行的復(fù)雜計(jì)算 控制簡單 軌跡跟蹤效果良好 有效提 高了運(yùn)動控制的實(shí)時(shí)性 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25 4 機(jī)器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)模型 將移動機(jī)器人分解為輪子和移動平臺 分別建立其動力學(xué)方程 4 1 輪子 以輪子的中心為坐標(biāo)原點(diǎn) 建立坐標(biāo)系 輪子所受的力包括沿輪子軸線方向的驅(qū)動力 矩 重力 g 地面作 1 用在輪子上的力 以及平臺體給輪子的力 如圖 4 1 所示 1 1m1f 1pf 圖 4 1 輪子的受力圖 建立左邊輪子的牛頓歐拉方程 4 1 11zzfpmg 4 2 xf a 4 3 1yfp 4 4 1xfyrJ 式中 為輪子繞 y 軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量 兩輪的動力學(xué)方程一樣 同樣右輪的動力yJ 學(xué)方程 2122zzfpxfyfpxfymgarJ 4 2 平臺體 以兩驅(qū)動輪軸的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn) 建立坐標(biāo)系 各坐標(biāo)軸的方向與輪子相應(yīng)的坐標(biāo) 軸方向保持一致 平臺體所受的力包括兩個驅(qū)動輪施加的反作用力 以及重力12f 如圖 4 2 所示pmg 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 圖 4 2 平臺體的受力圖 建立平臺體的牛頓 歐拉方程 4 5 12xpfmv 4 6 0y 4 7 12zzpfg 4 8 2xxZPJ 式中 Jzp 為輪子繞 z 軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)動慣量 平臺體與輪子間的力屬于作用力與反作用 力 所以 4 9 112pf 4 3 小結(jié) 從上面的動力學(xué)方程可以得到移動機(jī)器人系統(tǒng)有如下性質(zhì) 1 沒個驅(qū)動輪的加速度 不僅與該電機(jī)施加的力矩有關(guān) 還與另一電機(jī)所施加的力矩有關(guān) 而且與兩輪速度的二 次方有關(guān) 并且它們之間是線性組合關(guān)系 而從公式中得到它的系數(shù)與機(jī)器人模型的參 數(shù)有關(guān) 包括 這些常數(shù)有關(guān) 而速度 加速度無關(guān) 1 ZyfpJmr 移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27 5 自主運(yùn)動控制 5 1 控制系統(tǒng)的選用 一個典型的機(jī)器人控制系統(tǒng)通常由四個部分組成 控制器 驅(qū)動系統(tǒng) 傳感器和被 控對象 即機(jī)械結(jié)構(gòu)本身 從前面的機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到 前面兩個輪是轉(zhuǎn)向輪 后面兩個輪是驅(qū)動輪 由兩臺獨(dú)立的直流電機(jī)驅(qū)動 分別控制兩個驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速 可使機(jī)器人按照不同方向和 速度移動 運(yùn)動靈活 可控性好 機(jī)器人的主要運(yùn)動狀態(tài)有直線運(yùn)動 前進(jìn) 后退 左 右轉(zhuǎn)彎 原地零半徑轉(zhuǎn)彎 360 轉(zhuǎn)向 雙輪驅(qū)動的機(jī)器人實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎比較容易 只要兩 個驅(qū)動輪以相同的轉(zhuǎn)速朝相反的方向轉(zhuǎn)動 就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的原地轉(zhuǎn)彎 輪式機(jī)器人的兩個主動輪分別由兩臺直流伺服電動機(jī)驅(qū)動 每臺電機(jī)與各自驅(qū)動的 主動輪構(gòu)成速度閉環(huán) 在額定工作載荷的范圍內(nèi) 調(diào)節(jié)兩電機(jī)的速度控制電壓即可調(diào)節(jié) 輪式移動機(jī)器人的運(yùn)動控制兩主動輪驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速 從而實(shí)現(xiàn)移動機(jī)器人的運(yùn)動方向 和運(yùn)動速度的控制 根據(jù)上一小節(jié)有關(guān)輪式機(jī)器人運(yùn)動學(xué)原理的分析 畫了如圖所示的運(yùn)動控制框圖 圖中的軌跡規(guī)劃模塊根據(jù)各種傳感器信息產(chǎn)生機(jī)器人小車將要運(yùn)行的一系列狀態(tài) 作為 控制指令發(fā)送給運(yùn)動控制器 運(yùn)動控制器通過比較機(jī)器人小車當(dāng)前的實(shí)際狀態(tài)和小車將 要實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)進(jìn)行比較 利用一定的控制算法產(chǎn)生送給伺服控制器的速度指令信號 伺 服控制器 直流伺服電機(jī) 光電編碼器 速度檢測環(huán)節(jié)組成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng) 即閉 環(huán)速度控制 光電編碼器與直流伺服電機(jī)同軸安裝 產(chǎn)生的信號分為兩路 一路送至速 度檢測模塊 作為電機(jī)速度控制的反饋信號 另一路送至相對位置估計(jì)模塊 通過對編 碼器脈沖信號的計(jì)數(shù)獲得左右兩輪的相對位置信息 作為運(yùn)動控制器的反饋信息 圖 5 1 運(yùn)動控制大體圖框 伺服驅(qū)動器 servo drives 又稱為 伺服控制器 伺服放大器 是用來控制伺服電 無錫太湖學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 機(jī)的一種控制器 其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達(dá) 屬于伺服系統(tǒng)的一部分 主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng) 一般是通過位置 速度和力矩三種方式對伺服馬達(dá)進(jìn)行 控制 實(shí)現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位 目前是傳動技術(shù)的高端產(chǎn)品 光電編碼器是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量 的傳感器 是目前應(yīng)用最多的傳感器 一般的光電編碼器主要由光柵盤和光電探測裝置 組成 在伺服系統(tǒng)中 由于光電碼盤與電動機(jī)同軸 電動機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí) 光柵盤與電動機(jī)同 速旋轉(zhuǎn) 經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號 通過計(jì)算每 秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機(jī)的轉(zhuǎn)速 此外 為判斷旋轉(zhuǎn)方向 碼 盤還可提供相位相差 90 的 2 個通道的光碼輸出 根據(jù)雙通道光碼的狀態(tài)變化確定電機(jī)的 轉(zhuǎn)向 根據(jù)檢測原理 編碼器可分為光學(xué)式 磁式 感應(yīng)式和電容式 根據(jù)其刻度方法 及信號輸出形式 可分為增量式 絕對