1、精選優質文檔-傾情為你奉上 編號:無錫太湖學院畢業設計（論文）題目： 移動機器人結構設計 信機 系 機械工程及自動化 專業學 號： 學生姓名： 趙熙熙 指導教師： 龔常洪（職稱：副教授） （職稱： ）2013年5月25日專心-專注-專業無錫太湖學院本科畢業設計（論文）誠 信 承 諾 書本人鄭重聲明：所呈交的畢業設計（論文） 移動機器人結構設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果，其內容除了在畢業設計（論文）中特別加以標注引用，表示致謝的內容外，本畢業設計（論文）不包含任何其他個人、集體已發表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械93 學 號： 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日無

2、錫太湖學院信 機系 機械工程及自動化 專業畢 業 設 計論 文 任 務 書一、題目及專題：1、題目移動機器人結構設計 2、專題 二、課題來源及選題依據課題來源：導師提供 選題依據：近年來，人類的活動領域不斷擴大，機器人應用也從制造領域向非制造領域發展。像海洋開發、宇宙探測、采掘、建筑、醫療、農林業、服務、娛樂等行業都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業與制造業相比，其主要特點是工作環境的非結構化和不確定性，因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規劃能力等，是機器人技術的一個重要發展方向。目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術的研究，并朝著智能

3、化和多樣化方向發展。 三、本設計（論文或其他）應達到的要求： 設計移動移動機器人行走機構的總體結構和參數； 建立移動機器人的運動學模型及機器人四輪轉向系統的動力學模型； 研究其穩態特性、動態特性和自主控制的問題，驗證所研究機器人結構參數的合理性。 四、接受任務學生： 機械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、設計（論文）指導（或顧問）：指導教師簽名 簽名 簽名教研室主任學科組組長研究所所長簽名 系主任 簽名2012年11月12日摘 要 移動機器人是一種由傳感器、自主控制的移動載體組成的機器人系統。移動機器人具有移動功能，在代替人從事危險

4、、惡劣(如輻射、有毒等)環境下作業和人所不及的(如宇宙空間、水下)作業環境方面，比一般機器人有更大的機動性，靈活性。隨著機器人技術在外星探索、野外考察、軍事、安全等全新的領域得到 日益廣泛的采用，機器人技術由室內走向室外，由固定、人工的環境走向移動、非人工的環境。本課題是機器人設計的基本環節，能夠為后續關于機器人的研究 提供有價值的平臺參考和有用的思路。本文對各種移動機器人進行了比較，從而確定了四輪式機器人總體結構與參數的研究設計。對四輪式移動機器人的運動學進行了探討，建立了運動學模型。在建立運動學模型的基礎上對機器人的基本運動方式進行了分析，并推到計算出其動力學模型。本文了解了基于多傳感器的

5、移動機器人的自主控制問題。分析了直流伺服電機的動態特性，為后續的研究提供可靠的參考和依據。關鍵詞：輪式移動機器人；運動學與動力學；自主控制問題AbstractMobile 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, tox

6、ic) 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 o

7、utdoor, 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 th

8、e 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 c

9、alculate. 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 mobi

10、le robots; Kinematics and dynamics; Autonomous control 目 錄1 緒論1.1 本課題的研究內容和意義 機器人的應用越來越廣泛，幾乎滲透到所有領域，移動機器人是機器人學中的一個重要分支。早在六十年代就已經開始了移動機器人的研究。關于移動機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。其次考慮驅動器的控制，以使機器人達到期望的行為。第三必須考慮到導航或者路徑規劃，路徑有更多的方面考慮，如傳感融合，特征提取，避碰及環境映射。因此移動機器人是一個集環境感知動態決策與規劃，行為控制與執行等多種功能與一體的綜合系統。對移動機器人

11、的研究提出了許多新的挑戰或挑戰性的理論與工程技術課題，引起越來越多的專家技術人的興趣，更由于他在軍事偵察排雷防止污染等危險與惡劣環境以及民用中的物料搬運具有廣闊的應用前景，使得對它的研究在世界各地受到普遍關注。移動機器人按照移動方式可分為輪式，履帶式，腿式，其中輪式具有結構簡單活動靈活等優點。移動機器人的機構直接影響機器人運動的穩定性和控制器的復雜程度。目前廣泛使用的輪式按照移動特性又可將移動機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現前后，左右和自傳三個自由度的運動稱為全方位移動機器人，其不僅可以再任意方向上移動，并且保持本姿態不變，實現全方位的移動的功能也可以改變機體方位。這

12、種特性使得輪式移動的路徑規劃，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。 通過本次畢業設計，培養學生綜合應用機械設計、機械原理、理論力學、大學物理，機械制造裝備設計、傳感器應用的能力；強調設計的實用性、結構的簡單便捷性。同時也培養了我們獨立思考分析問題解決問題的能力，為今后機械設計和適應工作崗位打下了堅實的基礎。1.2 國內外的發展概況1.2.1 國內外發展概況 移動機器人的研究始于上世紀60年代末期，隨著計算機技術、傳感器技術以及信息處理技術的發展，移動機器人已被廣泛應用于工業、農業、醫療、保安巡邏等行業。機器人技術的發展，它應該說是一個科學技術發展共同的一個綜合性的結果，

13、也同時，為社會經濟發展產生了一個重大影響的一門科學技術，它的發展歸功于在第二次世界大戰中，各國加強了經濟的投入，就加強了本國的經濟的發展。另一方面它也是生產力發展的需求的必然結果，也是人類自身發展的必然結果，那么人類的發展隨著人們這種社會發展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認識自然過程中，實現人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發展過程中的一個客觀需要。 國外對于移動機器人的研究起步較早，日本是開發機器人較早的國家，并成為世界上機器人占有量最多的國家，其次是美國和德國。進入90年代，隨著技術的進步，移動機器人開始在更現實的基礎上，開拓各個應用領域，向實用化進軍

14、。前蘇聯曾經在移動機器人技術方面居于世界領先的地位，俄羅斯作為前蘇聯的繼承者，在機器人技術領域依然具有相當雄厚的技術基礎，ROVER科技有限公司把在開發空間機器人中獲得的經驗應用于開發地面機器人系統，如極坐標平面移動車、爬行移動機器人、球形機器人、工作伙伴平臺以及ROSA-2移動車等，最近的突出成果是2003年發射的火星漫游機器人一一“勇氣”號與“機遇”號。雖然國內有關移動機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構以及機器學習等智能控制算法，在高速公路上達到了130Km/h的穩定時速，最高時速170Km/h，而且具備

15、了自主超車功能，這些技術指1標均處于世界領先的地位。但是我國在機器人的核心及關鍵技術的原創性研究、高性能關鍵工藝裝備的自主設計和制造能力、高可靠性基礎功能部件的批量生產應用等方面，同發達國家相比，我國仍存在較大的差距。未來研究熱點是將各種智能控制方法應用到移動機器人的控制。1.2.2 移動機器人的主要組成一個理想的移動機器人系統通常由三個部分組成：移動機構，感知系統和控制系統。移動機構是移動機器人的核心，決定了機器人的核心，決定了機器人移動空間。感知系統一般采用攝像機，激光測距儀，超聲波傳感器，紅外傳感器，陀螺儀等。隨著計算機技術人工智能技術和傳感技術的迅速發展，移動機器人的控制系統的研究具備

16、了堅實的基礎和良好的發展前景。移動機器人的控制與工作環境信息密切相關而且包容著各種不確定因素，因此在已知或未知的環境中作業時，以適當的建模方法表達環境，用必要的傳給器探測環境具有重要意義。機器人的構型選型和設計需要根據機器人實際執行的工作來進行，尤其對適應環境能力要求較高的移動機器人來講，構型不僅滿足應用場合，積極開飯新的結構更要使機器人運行穩定且可靠。從而減少誤差及不穩定影響。對移動機器人機構學的研究還涉及機器人的運動學，動力學問題。控制系統的輸入量需從對機器人的運動學，動力學建模分析得到的數學模型計算得出。移動機器人是一個交叉的研究領域，涉及機械，控制，傳感器技術，信息信號處理，模式識別，

17、人工智能和計算機技術等技術科學。1.3 本課題應達到的要求 (1)設計移動移動機器人行走機構的總體結構和參數； (2)建立移動機器人的運動學模型及機器人四輪轉向系統的動力學模型； (3)研究移動機器人運動的動態特性和機器人自主控制的問題。2 移動機器人行走機構的總體結構和參數 2.1 機器人運動方式的選擇 到目前為止，地面移動機器人的行駛機構主要分為履帶式、腿式和輪式三種。這三種行駛機構各有其特點。 (1)履帶式 圖2.1 四段履帶機器人 圖2.2 六段履帶機器人 (2)腿式 圖2.3 三腿機器人 圖2.4 四腿機器人 (3)輪式 圖2.6 單輪滾動機器人 圖2.7 兩輪移動機器人 圖2.8

18、三輪移動機器人 圖2.9四輪移動機器人 圖2.10 六輪移動機器人 圖2.11 八輪移動機器人圖2.13 輪腿式機器人 綜上各移動機器人特點如下表2-1所示：表2-1 各移動機器人特點行駛結構車輪式移動機器人步行式移動機器人履帶式移動機器人特點一般適用于平底運行，切操作簡單，運動穩定，運動速度和方向容易控制。按照輪子個數又可以分兩輪式、三輪式、四輪式、六輪和八輪式。具有跨越越障能力，對環境有良好的適應能力等優點，尤其是多足式對環境的適應能力更強。但它也存在動作不連貫，速度較慢，控制復雜，實現相對困難等不足。履帶式機器人可以跨越障礙，攀爬低度不高的臺階，行動速度快，承載能力強，適用于在凹凸不平的

19、地面上行走，但不易轉向。 在設計移動機器人時也應遵循以下機構設計原則: 1)總體結構應容易拆卸，便于平時的試驗、調試、和修理。 2)應給機器人暫時未能裝配的傳感器、功能元件等預留安裝位置，以備將來功能改進與擴展。3)運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計合理哪里裝配方便，哪里會產生干涉。通過對以上方式的比較，我們選用輪子方式做為機器人運動方式，它符合我們的設計要求：適應室內活動環境，需要動力較小，能量消耗少，結構實現簡單可靠。2.2 輪式機器人移動能力分析 輪式移動機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。按驅動方式劃分有鉸軸轉

20、向式，差速轉向式等。本設計按照傳統的車輪配置方式劃分來討論。 本畢業設計課題主要是為了掌握和了解輪式移動機器人的基本結構和運動控制系統的能力，基本能實現前進、后退、360°范圍轉動的運動,也可以為機器人的運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器人中最先得到了應用，就像我們平時推小車一樣，當我們給小車左邊的力大于右邊的力時小車右轉，同理右邊的力大時，小車左轉。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器人。四個車輪布置在我設計的機器人矩形機身四角，后兩輪差速驅動，前兩輪是轉向輪。當然通過查閱資料這種機構有兩個缺點，一是四輪構型

21、移動機器人運動能力受到限制，轉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定可靠驅動的能力，可能導致轉向不穩定。圖2.14 后輪差速驅動，前輪是隨動結構 根據設計需要和實現的難易程度選擇了圖2.14中的驅動方案機器人，稱之為后輪驅動輪型機器人，它是一種典型的非完整約束的輪式移動機器人模型。后輪為驅動輪，方向不變，提供前進驅動力，兩輪驅動速度不相同；前輪為轉向輪，稱為隨動輪，使機器人按照要求的方向移動。輪式移動機構又主要分三個輪、四個輪、三輪支撐理論上是穩定的，然而這種裝置很容易在施加到單獨輪的左右兩側力F作用下翻倒，因此對負載有一定限制。為提高穩定性和承載能力，決定選用四輪機構，后

22、輪為兩驅動輪，兩個轉向輪為前輪。這種結構能實現運動規劃、穩定以及跟蹤等控制任務，可適應復雜的地形，承載能力強，但是軌跡規劃及控制相對復雜。圖2.15 輪式機器人整體結構solid Edge模型圖2.3 輪式機器人驅動輪的組成(1)后輪驅動裝置機械結構模型圖如圖2.16圖2.16 后輪驅動裝置機械結構模型后輪驅動裝置機械傳動結構如圖2.17所示：圖2.17 驅動輪機械傳動示意圖 1輪胎 2輪轂 3聯軸器 4蝸輪 5蝸桿 6直流電機 7減震墊 根據上面所確定的方案，輪式機器人前輪驅動裝置由驅動電機，減速裝置和車輪及輪轂組成。2.4 輪式機器人轉向輪的組成轉向輪起支撐和轉向作用，不產生驅動力矩，在小

23、車轉向時它可以以一定角度轉動。主要機械組成結構如圖2.18所示：圖2.18 轉向裝置模型圖輪式機器人前輪驅動裝置由以下幾部分構成：輪胎，輪轂，兩個轉向輪和深溝球軸承幾個部分組成。2.5 電機的選擇目前在機器人的運動控制中較為常用的電機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機，對它們的特性、工作原理與控制方式有分類介紹，下面總結如表2-2所示：表2-2 不同電機的特性、工作原理與控制方式電機的類型特點構造與工作原理控制方式步進電機直接用數字信號控制，與計算機接口簡單，沒有電刷，維護方便，壽命長。缺點是能量轉換效率低，易失步，過載能力弱按產生轉矩的方式可以分為:永磁式，反 應式和混合式。混合式能產生

24、較大轉矩，連續轉動。永磁式是單向勵磁，精度高，但易失步，反應式；是雙向勵磁，輸出轉矩大，轉子過沖小，但效率低；混 合式是單-雙向勵磁,分辨率高,運轉平穩。 續表2-2電機的類型特點構造與工作原理控制方式直流伺服電機接通直流電即可工作，控制簡單；啟動轉矩大、體積小、重量輕，轉速和轉矩容易控制、效率高；需要定時維護和更換電刷，使用壽命短、噪聲大。由永磁體定子、線圈轉子、電刷和換向器構成。通過電刷和換向器使電流方向隨轉子的轉動角度而變化，實現連續轉動。轉動控制采用電壓控制方式,兩者成正比。轉矩控制采用電流控制方式, 兩者也成正比。交流伺服電機沒有電刷和換向器，無需維護；驅動電路復雜，價格高。按結構分

25、為同步和異步電電刷和換向器構成。通過電刷和換向器使電流方向隨轉子的轉動角度而變化，實現連續轉動。分為電壓控制和頻率控制兩種方式。異 步電機常采用電壓控制。 一般機器人用電機的基本性能要求: 1)啟動、停止和反向均能連續有效的進行，具有良好的響應特性； 2)正轉反轉時的特性相同,且運行特性穩定； 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。 輪式機器人采用雙輪雙電機的驅動方式，對于小功率電機，直流伺服電機具有良好的啟動和調速性能，廣泛應用于工業機器人、計算機外圍設備以及高精度伺服系統中。設計的驅動輪為兩后輪，要求控制性好且精度高，能耗要低，輸出轉矩大，有一定過載能

26、力，而且穩定性好。通過比較以上電機的特性、工作原理、控制方式以及移動機器人的移動性能要求、自身重量、傳動機構特點等因素，所以決定選用直流電機作為驅動電機。 直流電動機以其良好的線性調速特性、簡單的控制性能、較高的效率、優異的動態特性，一直占據著調速控制的統治地位。雖然近年不斷受到其他電動機(如交流變頻電動機、步進電動機等)的挑戰，但直流電動機仍然是許多調速控制電動機的最優選擇，在生產、生活中有著廣泛的應用。通過以上的比較決定選用直流伺服電機直流電動機。2.6 直流伺服電機的數學模型及動態參數的確定 直流伺服電動機是將電信號轉變成機械運動的關鍵元件，它應該能提供足夠的功率，使負載按照所需的規律運

27、動。因此，伺服電機輸出的轉矩、轉速和功率，應能滿足負載的運動要求，控制特性應保證所需的調速范圍和轉矩變化范圍。另外，從驅動的角度，要對電機的驅動電壓、額定電流進行選擇。 直流伺服電機的基本方程式為： (2.1) (2.2) (2.3) 其中，己為電樞電流，為電樞電勢，為電磁轉矩，為電樞電阻，為電勢系數，為轉矩系數。 忽略鐵耗和摩擦損耗，負載轉矩為零時， (J為轉動慣量)，則有 (2.4) 如果轉速的初始條件，則上式拉氏變換后得到 (2.5) 得到的傳遞函數為 G(S)= (2.6) 令是直流伺服電機的機械時間常數，為電動機的電氣時間常數則傳遞函數可以寫成： G(S)= (2.7)直流伺服電機的

28、除了銅耗之外，還有風損、機械損耗、鐵耗，其中風損和機械損耗與轉速的平方成正比，即和反電勢E的平方成正比，這樣可以設置一等效的電阻R。來代替這兩項損耗，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，因而可以像風耗和機械損耗一樣包含在等效電阻中。 分析直流伺服電動機動態特性的等效電路如圖417所示。轉子動能(J為轉動慣量，為角速度)用等效電路中的靜電能來代替，則等效電容，空載損耗(包括風損、機械損耗、鐵耗等)在電路中用等效電阻上的損耗來代替。圖2.19 分析動態特性的等效電路假設初始時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算電路圖如圖所示：圖2.20 拉氏變換后的運

29、算電路其傳遞函數為： (2.8) 如果施加的電壓時一個階越函數，,則： (2.9)由拉氏變換后令,可得到： (2.10) 上式中，是直流伺服電機穩態時候的電流，這個值比較容易測量；()是待定參數，利用計算機依據最小二乘法擬和曲線的辦法，可以確定參數()。 電流相應曲線一般采用直流伺服電機的啟動電流曲線，可以在電機輸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。當電樞回路中串采樣電阻以后。對直流伺服電機的電氣時間常數和機械時間常數是有影晌的，應該消除采樣電阻的影響。假定t，靠為計算的動態時間常數，則實際的動態時間常數為： (2.11)

30、 (2.12)2.7 減速機構的設計（蝸輪蝸桿減速機構） 直流電機輸出轉速較高，一般不能直接接到車輪軸上，需要減速機構來降速，所以設計了蝸輪蝸桿減速機構，并對其參數進行了校核與驗證。減速裝置的形式多種多樣，選擇一種合適的減速裝置對機器人的性能有著相當重要的作用。 結合本設計中機器人的要求，輸出轉矩大傳動效率高的條件電機軸直接作為輸入軸安裝用聯軸器，聯軸器有過載保護，提高了精度又減輕了重量。輪轂和齒輪安裝在同一根軸上，他們轉速相同。齒輪類型為漸開線直齒齒輪，聯軸器相聯齒輪與車輪裝在同一個軸上，它們的轉速相同。移動機器人的驅動裝置電機與車輪軸需要傳動機構。蝸桿傳動是用來傳遞空間交錯軸之間的運動和動

31、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，傳動比一般為580，常用1550；在分度機構中傳動比可達300，若只傳遞運動，傳動比可達1000。蝸輪蝸桿傳動工作平穩無噪音，蝸桿反行程能自鎖，所以決定選用普通圓柱蝸桿傳動。其實物圖跟結構簡圖如下： 圖2.21 實物圖 圖2.22 結構示意圖2.7.1 電機參數的確定考慮到機器人運動的時候的穩定，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，通過查閱機械設計手冊指導，先假設輪式機器人平穩運行時候的速度大約為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

32、損耗，則,則。 1）工作機各傳動部件的傳動效率及總效率： 查機械設計課程設計手冊書中表1- 7得各傳動部件的效率分別為： ； ； ； 工作機的總效率為： 2）電機的所需要的功率： 3）傳動裝置的傳動比的確定： 查機械設計課程設計手冊書中表13 2得各級齒輪傳動比如下： 理論總傳動比： 4）電機機的轉速：根據上面所算得的原動機的功率與轉速范圍，可由機械設計課程設計手冊書中表12 1可選擇合適的電動機。本設計選擇的電動機的型號及參數如下表2-3：表2-3 電動機型號及參數型號額定功率滿載轉速最大轉矩 質量軸的直徑Y160M1-84kw720r/min2.338 kg24mm 計算傳動比=720/3

33、3.44=21.53，單機蝸桿傳動，傳動比都集中在蝸桿上，不需分配傳動比。2.7.2 計算傳動裝置的運動和動力參數 (1)蝸桿蝸輪的轉速 蝸桿轉速和電動機的額定轉速相同渦輪轉速n=33.44r/min,車輪的轉速和蝸輪的轉速相同。 (2)功率 電機軸輸出功率 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

34、5;0.96=1.76 (3)轉矩 所以： Td=33.69 N·M T1=33.35N·M T2=703.74 N·M T3=668.83 N·M運動動力參數表格如下表2-4所示：表2-4 運動力參數參數電動機蝸桿蝸輪車輪轉速72072033.4433.44輸入功率2.511.861.83輸出功率2.542.491.851.76輸出轉矩33.6933.35703.7466883傳動比21.53效率0.990.750.962.7.3 蝸輪蝸桿設計計算 (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

35、邊緣選擇： ZCuSn10Pb1 金屬模鑄造輪芯：HT200 (2)按齒面接觸強度設計 傳動中心距計算公式如下： 1）作用在蝸桿上的轉矩T2=703.74N·M 2）已知條件：載荷較穩定，故取齒向載荷分布系數K=1，使用系數KA=1.15，由于轉速不高，沖擊不太大，可選取動載荷系數KV=1.05，則K=KAKKV=1.21 3）確定彈性影響系數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Zp 先假設蝸桿分度圓d1和傳動中心距a的比值為d1/a=0.3。可查的Zp=3.1 5）確定許用接觸應力 根據蝸輪材料為ZcuSn10Pb1，可查表得蝸桿的許

36、用應力=268Mpa，應力循環次數N=60×2×720×16×8×300/21.53=1.54×108 壽命系數 KHN=(107/1.54×108)1/8=0.71 則H=KHN·=0.71×268=190.28Mpa 6）計算中心距 mm 取中心距a=180mm因i=21取m=6.3，蝸桿分度圓直徑d1=63mm，這時d1/a=63/180=0.35，對應Zp=2.9，因為Zp<Zp,所以以上計算結果可用。 7）蝸輪蝸桿的主要參數和幾何尺寸 蝸桿分度圓直徑 d1=63mm 橫向齒距 Pa=m=3

37、.14×6.3=19.782mm 模數 m=6.3 直徑系數 齒頂圓 da1=d12ha1=632×6.3=75.6mm 齒根圓 df1=d1-2(hamc)=63-2(6.30.25×6.3)=47.25mm 分度圓導程角 變位系數 驗算傳動比 傳動比誤差 蝸輪分度圓直徑 蝸輪齒頂高 蝸輪喉圓直徑 蝸輪齒根高 蝸輪齒根直徑 蝸輪咽喉母圓直徑 外圓直徑 蝸輪齒寬 8) 校核齒根彎曲強度 (2.13) (2.14) 根據 X2=-0.43，ZV2=60，YFa2=2.55，螺旋角系數=1-=0.818許用彎曲應力： (2.15)從機械設計課程設計中表11-8查得由Z

38、CuSn10Pb1制造的基本許用彎曲應力為56MPA。壽命系數 齒根彎曲疲勞應力 所以彎曲強度是滿足的。9） 驗算效率 (2.16) (2.17)已知fv;fv與相對滑動速度vs相關從機械設計課程設計表1118中用插值法查得 fv=0.03,，代入式中得，大于估計值，因此不用重算。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68級H7/r6用機械減速器，從GB/T100891998圓柱蝸桿蝸輪精度中選擇38級精度，側隙種類為f,標注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

39、 蝸輪軸的設計 軸的材料為45鋼，調制處理，根據手冊取A0112，所以： 軸的最小直徑為d1，與聯軸器孔徑相適應，故需同時選取聯軸器的型號計算轉矩,查表選取KA=1.3 查手冊P582選用HL4型彈性柱銷聯軸器，公稱轉矩為1250N·mm，孔徑d1=50mm，軸孔長度L=142mm，與軸配合轂孔長為84mm，為了滿足半聯軸器的軸向定位要求，d1右端需割出一軸肩，定位軸肩高度在(0.070.1)d范圍內，故：為了保證軸端擋圈壓在半聯軸器上，面不壓在軸的斷面上，L聯孔的長度應比d1段的長度L1長點：L182mm。2.7.5 初選滾動軸承根據。初步根據手冊P554選取0基本游隙組，標準精度

40、級的單列角接觸軸承7212，其尺寸為，故 查表得軸肩高度，所以 又軸環的高度為，b取12mm，即： 蝸輪的軸段直徑：蝸輪軸段直徑的右端為定位軸肩由機械手冊查得取： 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 軸承端蓋的總寬度為20mm,取端蓋的外端面與半聯軸器右端面的距離為35mm故： 。 滾動軸承寬度，軸肩下部寬度為24+10+16+454mm。(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=/

41、2=685N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·m MC=(MC12+MC22)1/2=(19.62+1252)1/2=126.5N·m轉矩：T= TI=54.8N·m校核危險截面c的強度由教材P373式（15-5）經判斷軸所受扭轉切應力為脈動循環應力,取=0.6, 前已選定軸的材料為45鋼,調質處理,由教材P362表15-1查得,因此<,故安全。該軸強度足夠。2.7.6 蝸桿軸的結構設計 從軸段

42、。開始逐漸選取軸段直徑，起固定作用，定位軸肩高度可在范圍內，故。 該直徑處安裝密封氈圈。標準直徑，應取，與軸承內徑相配合采用角接觸球軸承，型號為7206（手冊P554）（即） 起定位作用，取h=3mm，取蝸桿齒頂圓直徑，。圖2.24 彎矩圖求支反力FAY、FBY、FAZ、FBZFAY=FBY=Fr/2=107.35N FAX=FBX=/2=295N 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·m 截面C在水平面彎矩為MC2=FAXL/2=295×75×=22.125N·m 計算

43、合成彎矩MC=（MC12+MC22）1/2=（82+22.1252）1/2=23.54N·m校核危險截面C的強度由教材P373式（15-5）可知。 因此由教材P373式（15-5）經判斷軸所受扭轉切應力為對稱循環變應力，取=0.6，前已選定軸的材料為45鋼,調質處理,由教材P362表15-1查得,因此<，故安全，所以此軸強度足夠。2.8 機器人的電源供應 機器人由于體積，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，必須采取內燃機或者電池供電，相對于汽車等應用，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。我設計的輪式機器人長

44、寬高尺寸在一米左右，重量在40kg的移動機器人總功耗為4kw。所以綜合下我選用了鉛酸蓄電池，對機器人的運動靈活性，連續運行時間都非常有利。針對移動機器人所需的電源特性，總結了各種電池的優缺點如下表2-5所示：表2-5 各種電池優缺點內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性非常好較好好一般較好循環壽命400600次300500次8001000次500600次500600次價格 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）3050差3045差6080一般90110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，

45、將電池盒設計到前車體后部，并且盡量降低電池盒與地面間距，以降低機器人的重心高度。2.9 車輪及輪轂 選擇車輪需要考慮多種因素：有機器人的尺寸、重量、地形狀況、電機功率等。車重加負載重量為40kg左右,所以用質地堅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，其優點在于不僅重量小而且橡膠與地面的附著系數大，保證了足夠的驅動能力。 之前假設其輪胎直徑d=400mm,則車輪轉一圈移動的為： S=·d=3.14×0.5=1.256m車輪最大轉速為： = /i=720/21.53=33.44r/min(電機轉速/轉動比)則機器人的線速度為： V=s·w1=1.25

46、6×33.44=42m/min=0.7m/s所以前面假設輪胎直徑400mm，機器人平穩運動的速度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大約為u=0.71，機器人所需的牽引力： (2.18) (2.19) (2.20) 則有： =420N 所以選用的輪胎大小合理。 前輪輪胎采用和后輪相同的結構和材料，輪轂的軸孔與軸相對滑動。 另外在機器人移動的過程中會產生震動，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，得到輪式機器人的技術參數如表2-6所示：表2-6 輪式機器人的技術參數自由度個數2運動方式輪式運動驅動方式后兩輪差速

47、度驅動，前兩輪隨動輪連接機構聯軸器減速機構蝸輪蝸桿所選用電機兩個直流伺服電機控制方式單片機控制器電源蓄電池3 移動機器人的運動學模型3.1 機器人的運動學分析輪式移動機器人由車體、兩個驅動輪和兩個隨動輪組成，隨動輪僅在運動過程中起支撐作用，其在運動學模型中的影響忽略不記。為簡單起見，假設輪式移動機器人在水平地面上運動，車輪只旋轉不打滑，將輪式移動機器人簡化成如圖3.1 所示。 以輪式移動機器人的右驅動輪為研究對象，O-XY為輪式移動機器人工作場地的固定參考坐標系， 為與輪式移動機器人固連的坐標系，R為固連坐標系的原點，與右輪輪心重合；與兩驅動輪軸線重合，指向左輪；X和間的夾角為，即輪式移動機器人的位姿可表示為；左、右輪的坐標分別為、設L為輪式移動機器人兩驅動輪的輪距；r 為輪式移動機器人驅動輪的半徑；