輪式移動機器人結構設計【說明書+CAD】

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大學 畢業(yè)設計說明書 題 目： 輪式移動機器人結構設計 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期： 2012年5月30日 大學 畢業(yè)論文（設計）任務書 論文（設計）題目： 輪式移動機器人結構設計 學號： 姓名： 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 系主任： 一、主要內容及基本要求 1：了解輪式移動機器人的原理及其設計： 2：CAD繪圖設計，要求A0圖紙一張，總共達到兩張A0。 3：說明書，要求6000字以上，要求內容完整，計算準確： 4：外文翻譯3000字以上，要求語句通順。 二、重點研究的問題 1：輪式移動機器人轉向機構的設計： 2：輪式移動機器人電機的選型 三、進度安排 序號 各階段完成的內容 ： 完成時間 1 查閱資料 第1-2周 2 開題報告、制訂設計方案 第3—4周 3 分析各方案優(yōu)劣，選出最佳方案 第5周 4 完成輪式機器人的相關參數(shù)設計 第6-7周 5 繪出機構結構的零件圖和裝備圖 第8—12周 6 修改圖紙 第13周 7 說明書的撰寫的編輯 第14周 8 答辯準備 第15周 四、應收集的資料及主要參考文獻 [1] 呂偉文.全方位輪移動機構的原理和應用[A].無錫職業(yè)技術學院學報,2005，615-17. [2] 趙東斌,易建強等.全方位移動機器人結構和運動分析[B].機器人,2003,9. [3] 李瑞峰,孫笛生,閆國榮等.移動式作業(yè)型智能服務機器人的研制[J].機器人技術與應用,2003,1:27-29. [4] 楊樹風.帶有機械臂的全方位移動機器人的研制. 哈爾濱工業(yè)大學碩士畢業(yè)論文，2006. [5] 田宇,吳鎮(zhèn)煒,柳長春.開放式三自由度全方位移動機器人實驗平臺[J].機器人,2002,24（2）:102-106. [6] 閆國榮，張海兵.一種新型輪式全方位移動機構[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2001,33（6）:854-857. [7] 呂偉文.全方位移動機構的機構設計[A].無錫職業(yè)技術學院學報，2006.12：03-12. [8] 高光敏,張廣新,王宇等.一種新型全方位輪式移動機器人的模型研究[A].長春工程學院學報,2006,12. [9] 吳玉香，胡躍明.輪式移動機械臂的建模與仿真研究[B].計算機仿真，2006,1（05）. [10] 付宜利,徐賀,王樹國.具有新型輪式走行部的移動機器人及其特性研究.高技術通信,2004,12. [11] 付宜利,李寒,徐賀等.輪式全方位移動機器人幾種轉向方式的研究.制造業(yè)自動化,2005,10:5-33. [12] 滕鵬,馬履中,董學哲.具有冗余自由度的新型護理機械臂研究.機械設計與研究,2004,1:3-32. [13] 孔繁群，朱方國，周驥平.一種機械手關節(jié)聯(lián)接結構的改進設計[B].機械制造與研究，2005,5:2-16. [14] 蔡自興編著.機器人原理及其應用. 中南工業(yè)大學出版社，1988. [15] 吳廣玉，姜復興編.機器人工程導論.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1988. 大學 畢業(yè)設計評閱表 學號 姓名 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計）題目： 輪式移動機器人結構設計 評價項目 評 價 內 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標，體現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的； 2.難度、份量是否適當； 3.是否與生產、科研、社會等實際相結合。 能力 1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機應用能力； 5.工科是否有經濟分析能力。 論文 （設計）質量 1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評 價 論文選題基本符合培養(yǎng)目標要求，能體現(xiàn)學科專業(yè)特點，達到了綜合訓練的目的。該生能在設計中運用所學知識，設計方案基本可行，工作量尚可，論文質量基本符合本科生畢業(yè)設計要求。 同意參加答辯。 評閱人： 2012年5月 日 大學 畢業(yè)論文（設計）鑒定意見 學號： 姓名： 陳 潮 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設計說明書） 33 頁 圖 表 8 張 論文（設計）題目： 輪式移動機器人結構設計 內容提要：1.本文首先對機器人的國內為發(fā)展現(xiàn)狀做了介紹，同時根據(jù)設計要求對機器人的整體方 案進行了分析，包括幾何尺寸、電機的選擇。然后從機器人性能要求的角度出發(fā)， 分別對機器人的運動方式、模型結構和車體成型方式做了比較，最終確定了四輪式移動 結構模型——后輪同軸驅動，前輪轉向的輪型機器人。 2.文章對移動機器人硬件結構做了詳細的可行性分析及設計，并且做了相應的計算、校 核，主要包括：驅動輪電機和轉向輪電機的選擇及其驅動電路的設計；齒輪的設計計算 和校核；轉向機構設計和車體的一些機械結構設計等。本設計中，采用增量式光電編碼 器測量移動機器人后輪的實時轉速，進而通過特定算法得到實時電機驅動模塊的PWM 控制量，實現(xiàn)運動機器人運動的閉環(huán)控制。 3.最后，本文對所作研究和主要工作進行了總結，并將設計的輪型機器人的結構進行聯(lián) 合調試。實驗結果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，可控制性高，安全性高，達到了本設 計的設計要求。 指導教師評語 同學在畢業(yè)設計期間不夠積極主動，在設計過程中缺少與指導老師的溝通，表現(xiàn)一般。采用AutoCAD軟件對設計的基本原理結構進行設計與繪圖。 同意答辯，推薦畢業(yè)設計成績?yōu)椤凹案瘛薄? 指導教師： 年 月 日 答辯簡要情況及評語 答辯小組組長： 年 月 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任： 年 月 日 目 錄 第一章 緒 論 1 1.1國內外相關領域的研究現(xiàn)狀 1 1.2移動機器人的關鍵技術 2 1.3課題研究意義 3 1.4.論文主要完成工作 4 第二章 全向移動機器人移動機構設計 5 2.1引言 5 2.2機械設計的基本要求 5 2.3全方位輪式移動機構的研制 6 2.3.1移動機器人車輪旋轉機構設計 6 2.3.2移動機器人轉向機構設計 9 2.3.3電機的選型與計算 11 2.4移動機器人車體結構設計 14 2.5本章小結 15 第三章 機械材料選擇和零件的校核 16 3.1機械材料選用原則 16 3.2零件材料選擇與強度校核 17 3.3本章小結 19 結 論 20 致 謝 21 參考文獻 22 附錄一 23 附錄二 28 IV 湘潭大學興湘學院畢業(yè)論文 第一章 緒論 1.1國內外可移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 移動機器人是機器人學中的一個重要分支。早在60年代，就己經開始有關于移動機器人的研究。關于移動機器人的研究涉及許多方面，首先，要考慮移動方式，可以是輪式的、履帶式、腿式的，對于水下機器人，則是推進器。其次，必須考慮驅動器的控制，以使機器人達到期望的行為。第三，必須考慮導航或路徑規(guī)劃，對于后者，有更多的方面要考慮，如傳感融合，特征提取，避碰及環(huán)境映射。因此，移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。由于對移動機器人的研究，提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術課題，引起越來越多的專家學者和工程技術人員的興趣，更由于它在軍事偵察、掃雷排險、核、化污染等危險與惡劣壞境以及民用中的物料搬運上具有廣闊的應用前景，使得對它的研究在世界各國受到普遍關注。 國外在移動機器人方面的研究起步較早，不管是在應用還是在研究方面，日本和美國都處于遙遙領先的地位。美國國家科學委員會曾預言:"20世紀的核心武器是坦克。21世紀的核心武器是無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，其中2000年以后遙控地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將連續(xù)裝備部隊，并走向戰(zhàn)場”。為此，從80年代開始，美國國防高級研究計劃局(DARPA)專門立項，制定了地面無人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃。從此，在全世界掀開了全面研究室外移動機器人的序幕。初期的研究，主要從學術角度研究室外機器人的體系結構和信息處理，并建立實驗系統(tǒng)進行驗證。 雖然由于80年代對機器人的智能行為期望過高，導致室外機器人的研究未達到預期的效果，但是卻帶動了相關技術的發(fā)展，為探討人類研制智能機器人的途徑積累了經驗，同時也推動了其它國家對移動機器人的研究與開發(fā)。進入90年代，隨著技術的進步，移動機器人開始在更現(xiàn)實的基礎上，開拓各個應用領域，向實用化進軍。如由美國NASA資助研制的“丹蒂II”八足行走機器人，是一個能提供對高移動性機器人運動的了解和遠程機器人探險的行走機器人，1994年在斯拍火山的火山口中進行了成功的演示。美國NASA研制的火星探測機器人索杰那于1997年登上火星。為了在火星上進行長距離探險，又開始了新一代樣機的研制，命名為Rocky，并在Lavic湖的巖溶流上和干枯的湖床上進行了成功的實驗。此外，在民用方面，可移動機器人在國外己被廣泛用于掃除、割草、室內傳送、導盲、導游、導購、室內外清洗和保安巡邏等各個方面。 另外，國外還在高完整性機器人，遙控移動機器人，環(huán)境與移動機器人系統(tǒng)，生態(tài)機器人學，多機器人系統(tǒng)等方面作了大量的研究。國內在移動機器人方面的研究起步較晚，大多數(shù)研究尚處于某個單項研究階段，主要的研究工作有: 清華大學智能移動機器人于1994年通過鑒定。涉及到五個方面的關鍵技術:基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術研究(準結構道路網(wǎng)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、具有障礙物越野環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、自然地形環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃);基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術研究(基于多種傳感器信息的“感知一動作”行為、基于環(huán)境勢場法的“感知一動作”行為、基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃與導航控制);路徑規(guī)劃的仿真技術研究(基于地圖的全局路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室外移動機器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內移動機器人局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬);傳感技術、信息融合技術研究(差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、磁羅盤和光碼盤定位系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)、視覺處理技術、信息融合技術);智能移動機器人的設計和實現(xiàn)(智能移動機器人THMR-IH的體系結構、高效快速的數(shù)據(jù)傳輸技術、自動駕駛系統(tǒng))。此外，還有香港城市大學智能設計、自動化及制造研究中心的自動導航車和服務機器人、中國科學院沈陽自動化研究所的自動導引車AGV和防爆機器人、中國科學院自動化所自行設計、制造的全方位移動式機器人視覺導航系統(tǒng)、哈爾濱工業(yè)大學研制成功的導游機器人等?？傊?，近年來移動式機器人的研究在國內也得到很大的重視，并且在某些方面的研究取得豐碩的成果。 1.2 移動機器人的關鍵技術 移動機器人要想走向實用，必需擁有能勝任的運動系統(tǒng)、可靠的導航系統(tǒng)、精確的感知能力，并具有既安全而又友好地與人一起工作的能力。移動機器人的智能指標為自主性、適應性和交互性。適應性是指機器人具有適應復雜工作環(huán)境的能力(主要通過學習)，不但能識別和測量周圍的物體，還有理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務的能力，并做出正確的判斷及操作和移動等能力;自主性是指機器人能根據(jù)工作任務和周圍環(huán)境情況，自己確定工作步驟和工作方式;交互是智能產生的基礎，交互包括機器人與環(huán)境、機器人與人及機器人之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。因此，在移動機器人研究中，關鍵在于以下幾個方面： 1.機器人結構.機器人機械結構形式的選型和設計，是根據(jù)實際需要進行的。在機器人機構方面，結合機器人在各個領域及各種場合的應用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。當前，對足式步行機器人、履帶式和特種機器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實驗階段，而輪式機器人由于其控制簡單、運動穩(wěn)定和能源利用率高等特點，正在向實用化迅速發(fā)展從阿波羅登月計劃中的月球車到美國最近推出的碩士論文輪式機器人控制問題的研究NASA行星漫游計劃中的六輪采樣車，從西方各國正在加緊研制的戰(zhàn)場巡邏機器人、偵察車到新近研制的管道清洗檢測機器人，都有力地顯示出移動機器人正在以其具有使用價值和廣闊的應用前景而成為智能機器人發(fā)展的方向之一。 2.體系結構.機器人的智能系統(tǒng)具有以下特點:信息密集，多層次的信息與知識表示方式，與環(huán)境交互豐富多樣，信息與知識分布存儲等。所以，它是一個高智能、多系統(tǒng)的復雜系統(tǒng)工程，不是單元技術的簡單連接，系統(tǒng)的總功能是各種分系統(tǒng)在多層次的協(xié)調和分工中集成，因此，機器人的總體集成技術是一個核心問題，其主要內容是機器人的體系結構研究。體系結構的研究，主要針對有意識行為和反射行為而展開的，如何將兩者相統(tǒng)一，是目前的一個研究熱點。早期的移動機器人研究都是在室內進行的，其體系結構，一般只能在“積木世界”中運行。德國為在自動化工廠中運行的自動導引車AGV設計了一種分層體系結構。德國還開發(fā)了一種具有很高水平的移動機器人系統(tǒng)KAMRO，其體系結構基本上采用NASREM模型的思想。美國MIT的人工智能實驗室提出了包容體系結構思想，并建立了一系列新型的移動機器人。包容體系結構采用所一謂“感知一動作”·結構，也稱基于行為的結構。一些實驗表明，包容體系結構在處理動態(tài)環(huán)境中不確定性和模仿動物的低級反射行為方面具有很多優(yōu)點。最近，又提出了基于行為控制思想的新型體系結構。目前，這種基于行為控制的體系結構還處于理論探討階段，很多工作有待深入。 3.移動機器人路徑規(guī)劃技術.移動機器人的路徑規(guī)劃就是給定機器人及其工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標，尋求有界輸入使系統(tǒng)在規(guī)定的時間內從起始點轉移到目標點。機器人路徑規(guī)劃的研究始于20世紀70年代，目前對這一問題的研究仍十分活躍，許多學者做了大量的工作。其主要研究內容按機器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結構化環(huán)境、動態(tài)己知環(huán)境和動態(tài)不確定環(huán)境，按機器人獲取環(huán)境信息的方式不同可分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于 傳感器的路徑規(guī)劃。運動規(guī)劃是移動機器人的一個重要問題，對于自由運動的機器人，即機器人的運動不受約束，運動規(guī)劃問題可以通過在自由位形空間內計算一條路徑加以解決，這樣的一條路徑與工作空間內的一條可行的自由路徑相對應。但是移動機器人運動受到非完整性約束，并不是任意路徑都一定是可行的。在復雜動態(tài)的環(huán)境中，還要考慮運動中的避障問題，因此，移動機器人的運動規(guī)劃是一個比較復雜的問題。尚有許多的問題有待研究。 4.導航與定位.在移動機器人的應用中，精確的位置知識是一個基本問題。有關位置的測量，可分為兩大類:相對和絕對位置測量。使用的方法可分為7種:里程計、慣性導航、磁羅盤、主動燈塔，全球定位系統(tǒng)，路標導航和地圖模型匹配。 1.3 課題研究意義 研制機器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重勞動或簡單的重復勞動，以及替代人到有輻射等危險環(huán)境中進行作業(yè)，因此機器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領域得以應用。隨著機器人技術的不斷發(fā)展，工業(yè)領域、軍事、海洋探測、航天、醫(yī)療、農業(yè)、林業(yè)也都開始使用機器人。 本課題選用輪式作為機器人平臺設計研究，兩輪式機器人在國內外還處于剛剛起步階段，其前景廣闊，適用性較廣，在教學、科研、野外作業(yè)、民用運輸方面有著廣泛的應用前景，在反恐及其它尖端領域具有重大的應用價值。已經初步做出了簡單的實驗模型，解決了輪式機器人的傳動機構難題。 該輪式機器人運動響應迅速，具有高機動的零半徑轉向能力，并且在運動過程中不存在失穩(wěn)狀態(tài)。攝像頭的密封式結構可以將內部器件密封保護起來，免受外界環(huán)境的影響，非常適合在潮濕、多塵土、多輻射或有毒的環(huán)境中執(zhí)行任務。它具有廣闊的應用前景，例如，通過搭載視覺傳感器或氣體傳感器等設備，它可以在缺少人干預的環(huán)境中進行戰(zhàn)場偵察、室內或庫房的巡邏及行星探測等任務，也可以通過搭載聲光電等設備作為一種新穎的具有移動性和交互性的兒童玩具。 1.4 論文主要完成工作 課題主要完成輪型機器人，驅動電機選擇，驅動芯片的選擇及程序的編制，驅動電路設計。 1.機械結構部分包括機器人構成方案選擇、機器人本體機構設計和驅動電機的選擇 2.針對設計要求結合所選用的電機，設計電機的驅動模塊，并討論系統(tǒng)設計的可靠性問題 第二章 輪型機器人結構設計 2.1引言 機器人機械本體的設計是機器人設計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關于機器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路。帶有機械臂的全方位移動機器人可以實現(xiàn)在平面內任意角度的移動，能夠以一定姿態(tài)到達預定位置。根據(jù)這一總體思想，進行本機器人移動機構的本體設計。 2.2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。 對機器經濟性的要求：機器的經濟性體現(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濟性要求兩方面考慮。 要求在預定的工作期限內正常可靠的工作，從而保證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。 33 2.3 全方位輪式移動機構的研制 在設計移動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、橫向和自轉三個自由度的運動。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，可調速，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 2.3.1 移動機器人車輪旋轉機構設計 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，設計如下圖中所示結構， 圖2.2旋轉部分結構圖 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。 圖2.3 旋轉部分 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。如圖下圖所示。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。 圖2.4 固定件 2.3.2 移動機器人轉向機構設計 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。如圖2.5 圖2.5 轉向部分 （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。 圖2.6 聯(lián)軸器 由于軸僅受到轉矩的作用,而軸向力很小，所以兩軸都采用平鍵來周向固定,以達到固定和連接兩軸的目的。 （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。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。 整體式 剖分式 5）箱體的設計與固定 如圖2.6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 圖2.6箱體示意圖 2.3.3 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。幾種電機有關參數(shù)進行如表 2.1 所示。 表2.1 幾種電機比較 電機類型 優(yōu) 點 缺 點 直流電機 容易購買 型號多 功率大 接口簡單 轉速太快，需減速器 電流較大 較難與車輪裝配 價格較貴 控制復雜（PWM） 步進電機 精確的速度控制 型號多樣 適合室內機器人的速度 接口簡單 價格便宜 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，負載能力低 功率小 舵 機 內部帶有齒輪減速器 型號多樣 適合室內機器人的速度 接口簡單 功率中等 價格便宜 負載能力低 速度調節(jié)的范圍小 （1） 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 對于本課題來說，移動機器人的移動速度最高為 0.5 米/秒，電機轉數(shù)最高接近 100 轉/分。如果用直流電機，由于受轉速和力矩的影響，要配減速器。而如果用步進電機，控制位置精度比較高可以達到 1.8 度。而且不需要減速器避免造成結構冗繁。因此選擇步進電機作為驅動電機。 下面對旋轉步進電機型號進行選擇，輪式移動機器人在移動的時候，需要克服兩種阻力：摩擦力和重力。對于平面內移動的機器人來講則只需要克服摩擦力。移動機器人整體重量在 20Kg左右，地面摩擦系數(shù)按金屬與混凝土之間的取為 0.5，則機器人需要的總功率為： 則平均每組車輪提供的功率為25 瓦。 對于單個車輪而言： （2-1） 車輪直徑為 110mm，則電機需要提供的轉矩為： （2-2） 因此，選擇了北京和利時公司的56BYG250D-0241 型號電機。靜轉矩為 1.5 NM 。該電機在相近產品中具有在轉速變高一定范圍內能夠保持平穩(wěn)的力矩。 圖為電機轉矩圖 下面選擇轉向電機，機器人對轉向速度要求較低，對位置精度比較嚴格，選用步進電機可以滿足設計要求。轉向電機主要是使車輪實現(xiàn)零半徑回轉，克服地面摩擦力，要求的轉速不高，因此主要計算電機靜力矩。 在這里我們假設每個車輪與地面的接觸按照理想狀態(tài)即相切線接觸，那么平均每個車輪的摩擦力為： （2-3） 由于車輪是零半徑回轉，所以克服的摩擦力矩為： （2-4） 式中——單個車輪的寬度 設計車輪與地面接觸總寬度為60mm，即所以克服的力矩為 0.368 。實際上車輪不是與地面呈線接觸，保證一定余量，選擇電機型號為 56BYG250B-0241，靜力矩為0.72 。 下面是所選電機的外形尺寸。（圖片來自http://www.syn-tron.com/hunheshibujindianjijingtai.aspx?myid=1&action=1&dictid=1） 2.4移動機器人車體結構設計 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所示共分二層：第一層是車體內腔，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；第二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。 圖2.13 車體結構示意圖 2.5本章小結 機器人是一種高度集成的機電一體化產品。它不是機械裝置和電子裝置的簡單組合，而是機械、電子、計算機等技術的有機融合。本文雖只設計機械本體部分，但設計過程要完全考慮各部分的因素。而移動機器人的移動機構，它是移動機器人系統(tǒng)能否完成指定任務的基礎。 本文設計了可避免對電機軸形成彎矩的車輪旋轉結構，通過優(yōu)化車輪的直徑與電機的匹配，使其車輪能夠在 0-0.5m/s 調速；設計了車輪旋轉機構，可使車輪實現(xiàn)零半徑轉向。 第三章 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.經濟性要求 （1）經濟性首先表現(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。 （2）當零件的質量不大而加工量很大，加工費用在零件總成本中要占很大的比例，這時，選擇材料時所考慮的因素將不是相對價格而是其加工性能和加工費用。 （3）要充分考慮材料的利用率。例如采用無切削或少切削毛坯，可以提高材料的利用率。此外，在結構設計時也應該設法提高利用率。 （4）采用局部品質原則。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材料代替價格相對昂貴的稀有材料。 另外選擇材料時應盡量考慮當?shù)禺敃r的材料供應情況，應盡能的減小同一部機器上使用的零件材料品種和規(guī)格不同。 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、加工要求和經濟要求出發(fā)，選擇機械本體個零部件的材料。 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；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56BYG250B-0241，其靜力矩為 0.72。即 T=720。 由于此段軸中有鍵，其截面如圖3.1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.殼體件材料的選擇 殼體類零件它們的性能要求很低,所以盡量選擇質量輕,價格低廉且符合設計要求的材料。本文選用的是ZAlSi9Mg，這是一種硬鋁材料，強度大、質量輕，完全符合本文的設計要求。 并且這種鋁合金有利于材料的購買，同樣這種材料是滿足設計要求的。其中材料ZAlSi9Mg的彎曲應力240， C.車體支撐件材料的選擇和校核 （1）材料的選擇 車體支撐件由于與車輪軸之間為滾動摩擦,需要選取一種耐摩擦,同時要求強度大,質量輕,價格便宜的材料來制造。 工程塑料擁有良好的綜合性能,其強度、剛度、沖擊韌性、抗疲勞等不較高,特別是擁有很高的耐磨性。它可以在無潤滑油的情況下有效的進行工作。由于它相對密度小,因此其強度高。 聚甲醛(POM)是一種比較常用的工程塑料。它是以線性結晶高聚甲醛樹脂為基礎的。它有著高強度、高彈性模量等優(yōu)良的綜合力學性能。其強度和金屬近似,摩擦因數(shù)小并有自潤滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一種相當便宜的材料。 由于本設計中的負荷低,移動機構的速度不快,從而此處選擇有聚甲醛這種工程塑料來制造車體支撐件。 （2）支撐件的校核 支撐件是用來支撐機器人主要機械機構的，本文中共用四個支撐件，都和車輪配套使用，受力幾乎一樣為29.4N。 聚甲醛的抗壓強度為125，抗彎強度為980，整個零件的強度和剛度是非常大的。從每個件的受力來看，材料聚甲醛的各個力學性能完全滿足本文的設計要求。 支撐件和車輪軸是滾動摩擦配合，屬于間隙配合。由于聚甲醛的耐摩擦性好，而機器人移動速度慢，從摩擦的角度來說，聚甲醛也是理想的支撐件材料。 3.3本章小結 全方位移動機器人各零部件所要求的強度、剛度等都不同，應該選用不同的材料來制造加工。所以本章就依據(jù)機器人在工作過程中各零部件不同受力情況，以及機械設計的要求選用了不同的材料來制造零件，并對零件進行了強度校核，使其達到工作要求。 結 論 本文在了解和分析已有的機器人移動平臺的工作原理和結構，對比它們的優(yōu)劣點。在這些基礎上提出了全方位移動結構的可行性方案，并選擇最佳方案來設計。 縱觀本文，全方位移動機器人可分為兩個大部分即旋轉機構設計、轉向機構設計?？偨Y如下： 1．本文采用車輪機構來實現(xiàn)全方位移動。從而設計了可避免對電機軸形成彎矩的車輪旋轉結構，通過優(yōu)化車輪的直徑與電機的匹配，使其車輪能夠在 0-0.5m/s 調速； 2．設計了車輪轉向機構，可使車輪實現(xiàn)零半徑轉向； 全方位移動機器人機械本體的設計是機器人設計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關于機器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路。 致 謝 行文結束之際，我衷心地感謝指導老師老師在我做畢業(yè)設計期間給予的關心和指導，在學校良好的硬件和軟件環(huán)境下，我能夠充分地發(fā)揮自身的能力，順利地完成了課題的研究設計工作。而李老師在工作中優(yōu)秀的學術風范和極高的敬業(yè)精神時刻督促作者在今后的學習工作中努力拼搏、精益求精。在此謹向恩師致以最誠摯的感謝！ 作者衷心感謝劉型志等諸位同窗在作者的設計研究過程中給予的無私幫助與支持。 感謝所有關心和幫助過我的親人、老師、同學和朋友們！ ·參考文獻 [1] 呂偉文.全方位輪移動機構的原理和應用[A].無錫職業(yè)技術學院學報,2005，615-17. 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