展館導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

展館導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計(jì),展館導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計(jì),展館,導(dǎo)游,機(jī)器人,輪式,行走,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì) 作 者: 學(xué) 號： 學(xué)院(系): 專 業(yè): 題 目: 展館導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計(jì) 副教授 指導(dǎo)者： 評閱者： 2011 年 6月 中文摘要 本文簡要介紹了導(dǎo)游機(jī)器人的研究概況以及發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢，并簡述了導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程，即驅(qū)動機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)及計(jì)算，行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)包含了驅(qū)動電機(jī)的選擇，減速器的設(shè)計(jì)以及驅(qū)動輪的選用和安裝。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要包括轉(zhuǎn)向電機(jī)的選擇、支架的設(shè)計(jì)，以及轉(zhuǎn)向輪的選用和安裝。根據(jù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算，確定了底板的具體結(jié)構(gòu)。最后根據(jù)設(shè)計(jì)和計(jì)算的具體尺寸與形狀畫出了總裝CAD圖以及部分零件的CAD圖。 關(guān)鍵詞 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 導(dǎo)游機(jī)器人 外文摘要 Title The Design of The Wheeled Waking Mechanism of The Gallery Tour Guide Robot Abstract This paper briefly introduces the researching overview and developing Current Situation and developing trends of the tour guide robot, it also briefly introduces the design process of the wheeled walking mechanism of the tour guide robot. That is overall design and calculation of the drive mechanism and the steering mechanism. The design of drive mechanism includes the picking of the drive motor and the design of the decelerator and the picking and installation of the drive wheels. The design of steering mechanism includes the picking of the steering motor and the design of the support and the picking and installation of the steering wheels. It determines the specific structure of the bottom on the basis of the overall design and calculation of the drive mechanism and the steering mechanism. At last I drawn the CAD drawings of the total installed and some parts which is basis on the specific shape and size of the design and calculation. Keywords Drive mechanism Steering mechanism Guide robot 開題報(bào)告 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 設(shè)計(jì)(論文)題目： 展館導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計(jì) 指 導(dǎo) 教 師: 2011年3月18日 開題報(bào)告填寫要求 1．開題報(bào)告（含“文獻(xiàn)綜述”）作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報(bào)告應(yīng)在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下，由學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導(dǎo)教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； 2．開題報(bào)告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計(jì)的電子文檔標(biāo)準(zhǔn)格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應(yīng)及時交給指導(dǎo)教師簽署意見； 3．“文獻(xiàn)綜述”應(yīng)按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報(bào)告第一欄目內(nèi)，學(xué)生寫文獻(xiàn)綜述的參考文獻(xiàn)應(yīng)不少于15篇科技論文的信息量，一般一本參考書最多相當(dāng)于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊）； 4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應(yīng)當(dāng)按照國標(biāo)GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯?dāng)?shù)字書寫。如“2010年3月15日”或“2010-03-15”。 開 題 報(bào) 告 1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫 2000字左右的文獻(xiàn)綜述： 文 獻(xiàn) 綜 述 摘要 導(dǎo)游機(jī)器人是近年來發(fā)展的比較快的一種服務(wù)機(jī)器人。本文介紹了國內(nèi)如：哈工大、臺灣精密機(jī)械研究發(fā)展中心對導(dǎo)游機(jī)器人的一些研究成果，也介紹了國外:如英國、韓國、日本等國機(jī)器人的一些研究成果。并對它們的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行的一些淺顯的分析，總結(jié)了各種行走機(jī)構(gòu)的一些特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞 輪式行走機(jī)構(gòu) 腿式行走機(jī)構(gòu) 人機(jī)交流 1 研究本課題的意義 展館導(dǎo)游機(jī)器人是一種服務(wù)型的智能機(jī)器人。近幾年來，隨著旅游業(yè)的快速發(fā)展，導(dǎo)游機(jī)器人越來越受到人們的重視[1]。展館導(dǎo)游機(jī)器人也承擔(dān)著越來越多的任務(wù)，正在接近人類導(dǎo)游的水平，并且在某些方面已經(jīng)超越人類導(dǎo)游，比如：翻譯，有的機(jī)器人甚至?xí)畮追N語言。展館導(dǎo)游機(jī)器人不僅可以將人類從勞動中解放出來，而且還可以使跨國旅游變得更親切，更方便。這一方面可以節(jié)省人力成本；一方面可以讓游客主動參與；一方面可以詳盡地讓游客了解展館和展品，豐富展覽館的內(nèi)涵；一方面增加展覽館的吸引力，給游客留下深刻的印象；另外，機(jī)器人參加導(dǎo)游使得展覽館增加經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。研究展館導(dǎo)游機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，可以使導(dǎo)游機(jī)器人在展館中隨意行走，既使得導(dǎo)游機(jī)器人變的更人性化，又可以最大限度的發(fā)揮導(dǎo)游機(jī)器人的作用。 2 國內(nèi)外展館導(dǎo)游機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢 目前已經(jīng)應(yīng)用的導(dǎo)游機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)有輪式、履帶式、腿式等[2]，本課題旨在設(shè)計(jì)一種輪式的導(dǎo)游機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)。 第一臺導(dǎo)游機(jī)器人的出現(xiàn)是在1995年倫敦舉行的歐洲有線通訊博覽會上，在這場博覽會上這個機(jī)器人明星出盡了風(fēng)頭。它不停地走來走去，一邊向人們問候，一邊給參觀者分發(fā)禮物。這個機(jī)器人只有半米高，行走機(jī)構(gòu)采用的是四個輪子的輪式行走機(jī)構(gòu)。它圓圓的大腦袋上有兩個茶杯口大小的眼睛，閃閃地發(fā)著藍(lán)光。眼睛里裝的是小型雷達(dá)，用來探測周圍的行人和物體。它可以自動躲避障礙物，從一個展臺走向另一個展臺。 國內(nèi)導(dǎo)游機(jī)器人做的比較好的有哈工大等一些高校[3]。 1996年11月26日，由哈工大機(jī)器人研究所研制的我國首臺智能型DY-I導(dǎo)游服務(wù)機(jī)器人在哈工大邵館與觀眾見面。該機(jī)器人由伺服驅(qū)動系統(tǒng)，采用輪式行走機(jī)構(gòu)，多傳感器信息避障及路徑規(guī)劃系統(tǒng)，語音識別及語音合成系統(tǒng)組成。導(dǎo)游機(jī)器人由蓄電池供電，可連續(xù)運(yùn)行四小時，在一定的環(huán)境下可自主行走，并且能識別出障礙物是人還是路障，發(fā)出不同的反應(yīng)。該公司研制的第二代導(dǎo)游機(jī)器人增加了多媒體功能，具有自動查詢和場景解說等本領(lǐng)[4]。 2002年2月7日，哈工大研制的兩個可愛的智能機(jī)器人“探探”和“夢夢”。這兩個機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)同樣是采用的輪式。 2003年11月，哈工大又研制出“智能三代”導(dǎo)游機(jī)器人。這個集視覺、運(yùn)動、避障、會眨眼睛和張嘴說話等功能于一身的新一代智能服務(wù)型機(jī)器人，身高1.7米，體重100公斤，兩只眼睛很大，上肢活動自如，下肢為輪式設(shè)計(jì)，全身由一種比較特殊的玻璃鋼制成，外面涂上了一層金屬漆。它的最大特點(diǎn)，是渾身上下裝滿了12個作為感覺器官的超聲波傳感器，這使它的感官非常靈敏，還可以準(zhǔn)確地判斷出對面的障礙物是人還是物體。機(jī)器人的頭部首次增加了攝像頭作為它的視覺系統(tǒng)。臉部修飾也很特別，不僅有會動的眼皮，可以沖你眨眼睛，說起話來嘴巴還可以靈活關(guān)閉，更具人形的特征和親和力。這個機(jī)器人不僅可以與普通人進(jìn)行日常對話，還可以依靠其底座的輪式行走機(jī)構(gòu)在室內(nèi)自由行走。如果在行進(jìn)過程中前方遇到人，它可通過自己的攝像頭迅速做出決策，選擇與人打招呼、進(jìn)行語言交流；而一旦前面遇到了障礙物它也不會慌張，而是選擇調(diào)轉(zhuǎn)方向擇路走。此外，機(jī)器人的胸部由人際互動系統(tǒng)構(gòu)成的視窗則更具人性化，人們只需通過簡便操作的觸摸屏，便可以全面地了解想要知道的一些具體內(nèi)容[5-6]。 2010年9月22日英國康沃爾郡一家小公司與發(fā)明了一款先進(jìn)的人形機(jī)器人--- Rob Thespian，它會講15種語言，具有幽默感，甚至可以模擬你的動作。這款機(jī)器人采用壓縮空氣驅(qū)動，幾乎完全用鋁材料制造，更具陽剛之氣。Rob Thespian將呆在地球上活動。這款機(jī)器人有三個版本，分別為簡化版、標(biāo)準(zhǔn)版、豪華版。它還可以在各種活動上充當(dāng)“導(dǎo)游”。豪華版的Rob Thespian機(jī)器人擁有更為先進(jìn)的功能，如有動力裝置的兩腿，可定制項(xiàng)目。Rob Thespian機(jī)器人會說標(biāo)準(zhǔn)的問候語，而且還會模仿人的動作；這款機(jī)器人具有觸摸屏界面，能使用戶提前編制一系列動作。該機(jī)器人采用的是比較復(fù)雜的腿式行走機(jī)構(gòu)[7]。 臺灣精密機(jī)械研究發(fā)展中心目前已完成第二代導(dǎo)游機(jī)器人的研發(fā)試運(yùn)行。UPITOR「User-Interfaced Purpose-defined Interactive Tour Guide Operation Robot」，也就是「具有用戶接口之用途定義化互動導(dǎo)游機(jī)器人」，是一臺具有跟游客高度互動能力的多用途導(dǎo)游機(jī)器人，可在各大博物館、美術(shù)館、科學(xué)教育館擔(dān)任導(dǎo)游員的工作，也可在各大展覽幫廠商推銷產(chǎn)品。擁有靈活的雙手跟頭、精準(zhǔn)的定位、避障、導(dǎo)航能力，電容式觸控屏幕與生動的圖形化人機(jī)接口，也具有播放影片、投影片或動畫的能力！該款機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)也是采用的輪式行走機(jī)構(gòu)[8]。 韓國一家技術(shù)公司最近開發(fā)出一種能在博物館、畫廊等室內(nèi)場所為游客講解、導(dǎo)游的機(jī)器人。這種導(dǎo)游機(jī)器人高1.35米，重50公斤。其體形近似方柱體，頭部為一個觸摸式液晶顯示器。位于機(jī)器人下部的驅(qū)動裝置，可使機(jī)器人在平坦地面上移動。機(jī)器人體內(nèi)的語言識別系統(tǒng)和語音合成器，能使其理解人的語言并進(jìn)行簡要回答。游客還可通過機(jī)器人頭部的觸摸式液晶顯示器了解游覽方向和展品。如游客需要，機(jī)器人能夠?yàn)橛慰蛶?，為他們介紹沿途的重要展品，并在液晶屏幕上顯示出有關(guān)信息。該機(jī)器人也是采用的輪式行走機(jī)構(gòu)[9]。 日本豐田公司新研發(fā)了一個導(dǎo)游機(jī)器人，這個名為“羅比娜”的機(jī)器人1.2米高，裝有關(guān)節(jié)的手指具有簽名功能，從8月27日開始在位于日本中部愛知縣的豐田公司展示廳中執(zhí)行導(dǎo)游任務(wù)，該機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)采用的是輪式行走機(jī)構(gòu)[10]。 綜合上述實(shí)例，我們不難發(fā)現(xiàn)，輪式行走機(jī)構(gòu)在導(dǎo)游機(jī)器人的設(shè)計(jì)中是最常見的行走機(jī)構(gòu)，因?yàn)檩喪叫凶邫C(jī)構(gòu)的相比較其它行走機(jī)構(gòu)有著以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：1、輪式行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較簡單，且成本較低。2、輪式行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動非常平穩(wěn)，可靠性高[11~13]。 隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，導(dǎo)游機(jī)器人也在不斷的更新?lián)Q代，從一開始只會做些生硬、簡單動作，只會講一門語言到能做各種各樣復(fù)雜、柔性的動作，能講十幾門語言。未來導(dǎo)游機(jī)器人的發(fā)展將會朝著高人性化、高智能化、高專業(yè)化的方向發(fā)展。我期待著中國在未來的機(jī)器人發(fā)展中發(fā)揮更多的智慧和創(chuàng)造更多的成果[14,15]。 參 考 文 獻(xiàn) [1] 王炎，周大威. 移動式服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及我們的研究[J]. 電氣傳動，2000,(4):26~33. [2] 陳軍，陳振華，李素平. 迎賓機(jī)器人輪式移動工作臺的設(shè)計(jì)與控制方法研究[J]. 機(jī)械制造，2009,47(543):24~26. [3] 謝森林，董曉慶. 智能導(dǎo)游相器人的研制[J]. 科技信息, 2009,(6):58~64. [4] 李開生,張慧慧,費(fèi)仁元. 制造業(yè)自動化[J]. 2008, 22(6):84~85. [5] 朱磊磊，陳軍. 輪式移動機(jī)器人研究綜述[J]. 機(jī)床與液壓, 2009, (8):242~246. [6] Gordon McComb,Myke Predko[M]. 龐明，王曉宇，任宗偉 [譯]. 機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 科學(xué)出版社,2005. [7] 張毅，羅元，鄭太雄. 移動機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 電子工業(yè)出版社,2003. [8] 宗光華. 機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M]. 北京：航天航空大學(xué)出版社,2004. [9] 蔡自興. 機(jī)器人原理及其應(yīng)用[M]. 長沙：中南工業(yè)大學(xué),2000. [10] 周佰英. 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1995. [11] 王曉鳴. 電機(jī)的單片機(jī)控制[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2002. [12] 張富學(xué). 傳感器應(yīng)用及其電路精選[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1992. [13] 熊有倫. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996. [14] 龔振邦. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995. [15] 吳瑞祥. 機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994. 開 題 報(bào) 告 ２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 本課題要研究和解決的問題有以下幾點(diǎn)： （1）機(jī)器人的行走部分設(shè)計(jì) ① 行走驅(qū)動部分設(shè)計(jì) 驅(qū)動部分的設(shè)計(jì)，也就是驅(qū)動電動機(jī)的選擇和放置的位置，本設(shè)計(jì)擬采用小功率的伺服電機(jī)作為驅(qū)動，電動機(jī)放置在平板上傳動軸的上面。 ② 行走部分減速器各級傳動比的分配 由于機(jī)器人的行走速度要求比較小，所以合適的減速器是必不可少的部件，具體到減速器的各級傳動比將會在后面的設(shè)計(jì)中被確定。 ③ 傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù) 傳動裝置使用是可靠的齒輪和軸之間的力的傳遞，本設(shè)計(jì)擬采用渦輪蝸桿的傳動方式。既可以簡化機(jī)構(gòu)，又能保證傳動的平穩(wěn)性。 ④ 行走減速器的選擇 由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速較大，故選用的減速器應(yīng)當(dāng)能夠有一個比較大的減速比，減速比較大會使齒輪的直徑落差過大，所以該減速器采用三級減速較為合適。 ⑤ 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度校核 傳動軸就是上面提到過的蝸桿，它的基本輪廓可以由齒輪和軸承等確定，尺寸可以用《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程中所學(xué)到的計(jì)算和校核公式進(jìn)行計(jì)算和校核。 ⑥ 軸承的選擇和校核 本設(shè)計(jì)中的軸承由于承受的主要是徑向力，即導(dǎo)游機(jī)器人的自身重力，故可以采用最常見的滾子軸承，尺寸的選用和強(qiáng)度的校核同樣是利用《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本中的公式進(jìn)行計(jì)算和校核。 （1）機(jī)器人轉(zhuǎn)向部分設(shè)計(jì) ① 電機(jī)選擇 轉(zhuǎn)向電機(jī)同樣是采用小功率的伺服電機(jī)。 ② 轉(zhuǎn)向定位機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)向定位機(jī)構(gòu)擬采用汽車上常用的艾克曼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，由后輪驅(qū)動，前輪負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)向。③ 轉(zhuǎn)向部分軸承的選擇和校核 由于采用的是三輪行走機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)向軸是豎直放置的，轉(zhuǎn)向時只承受切應(yīng)力，故軸的直徑可以選的比較小，但是該軸同樣還承受著機(jī)器人的重力，所以直徑也不能太小，防止彎曲。 （3）車輪的安裝與選擇 ① 車輪的選擇 車輪的選擇不僅，影響行走的穩(wěn)定性，也影響到機(jī)器人整個外觀的美觀，故車輪選用的直徑不亦過大。但機(jī)器人的整體重量很大，所以必須選用承載比較大的材料，鋼材是最好的選擇，但鋼材不美觀，可以再鋼材的外部套上一個相對美觀的塑料圈。 ② 車輪的安裝 車輪的安裝沒什么好說的，主要是保證車輪與地面垂直，車輪與傳動軸之間加一對軸承，以減小摩擦。 本次設(shè)計(jì)，打算先通過PRO\E軟件，對輪式行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行粗步的造型。先確定各主要部件的輪廓和放置部位。例如，輪子支架的外形選用，電動機(jī)的放置位置等。然后再通過一系列的計(jì)算、校核。確定各部件的尺寸與形狀，如與粗步的造型沖突，再對粗步選用的方案進(jìn)行修改，最終得出一個比較合理的設(shè)計(jì)。 開 題 報(bào) 告 指導(dǎo)教師意見： 1．對“文獻(xiàn)綜述”的評語： 該同學(xué)的“文獻(xiàn)綜述”是在較好的理解和分析設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，搜集并研究相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上寫成的。綜述對機(jī)器人國內(nèi)外的移動機(jī)器人的研究及進(jìn)展作了了解與分析，對自己將進(jìn)行的設(shè)計(jì)對象有了明確的了解，為課題的深入研究打下了良好的基礎(chǔ)。 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測： 本課題研究涉及到機(jī)器人行走和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、計(jì)算和計(jì)算機(jī)繪圖等多方面的鍛煉具有綜合訓(xùn)練作用。其中同時考慮結(jié)構(gòu)的輕量化、緊湊性和穩(wěn)定性，具有一定的難度及進(jìn)一步深入探討的空間。預(yù)計(jì)通過努力能完成機(jī)器人行走系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。 指導(dǎo)教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負(fù)責(zé)人： 年 月 日 第 I 頁 共 I 頁 目 錄 1 引言 1 1.1 導(dǎo)游機(jī)器人的研究意義 1 1.2 輪式行走機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 1 1.3 導(dǎo)游機(jī)器人的研究熱點(diǎn) 3 1.4 本課題的來源和研究內(nèi)容 3 2 驅(qū)動部分設(shè)計(jì) 6 2.1 設(shè)計(jì)概述 6 2.2 驅(qū)動電機(jī)的選擇 6 2.3 減速器的設(shè)計(jì) 8 2.4 驅(qū)動軸的設(shè)計(jì) 17 3 轉(zhuǎn)向部分設(shè)計(jì) 19 3.1 轉(zhuǎn)向電機(jī)的選擇 19 3.2 轉(zhuǎn)向支架的設(shè)計(jì) 21 4 輪和底板的設(shè)計(jì) 23 4.1 車輪的選用和設(shè)計(jì) 23 4.2 車輪的安裝 23 4.3 底板的設(shè)計(jì) 24 結(jié)束語 25 致謝 26 參考文獻(xiàn) 27 誠信保證書 本人保證：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)是我在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)所取得的成果，盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容和致謝部分外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)成果不包含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。盡管導(dǎo)師指導(dǎo)多名同學(xué)，因每人一個設(shè)計(jì)題目，相互間雖有切磋、交流，但不存在抄襲、剽竊。如有不實(shí)，愿承擔(dān)一切后果。 作者簽名： 日 期： 年 月 日 第27頁 共27頁 1 引言 1.1 導(dǎo)游機(jī)器人的研究意義 第一臺的工業(yè)機(jī)器人是美國在1961年推出的，現(xiàn)在，隨著社會的不斷發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)涉及到了很多的領(lǐng)域，譬如：傳感器技術(shù)、控制工程、精密機(jī)械、動力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域。機(jī)器人也是自二十世紀(jì)以來發(fā)展的十分迅速的一個重要的高科技領(lǐng)域，它是各個學(xué)科的前沿技術(shù)的應(yīng)用。機(jī)器人的出現(xiàn)與發(fā)展使得傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的方式發(fā)生了翻天覆地的變化，讓我們的生產(chǎn)方式從手工作業(yè)發(fā)展到機(jī)械化、自動化到現(xiàn)在的智能化。進(jìn)入本世紀(jì)之后，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)機(jī)器人已經(jīng)不知不覺的逐漸的開始深入到工業(yè)、服務(wù)、醫(yī)療、衛(wèi)生、娛樂等方面[1]。 導(dǎo)游機(jī)器人的研究不是一門專業(yè)的科學(xué)，它是由很多學(xué)科相互滲透，相互交叉的。對導(dǎo)游機(jī)器人的研究具有非常廣的應(yīng)用前景和巨大的理論價值?，F(xiàn)在，導(dǎo)游機(jī)器人己經(jīng)被我們當(dāng)作為一種服務(wù)的工具。如今，隨著我們生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人的用處已經(jīng)越來越廣泛，它可以承擔(dān)各種工作。機(jī)器人以前都是在工廠和車間里工作的，現(xiàn)在已經(jīng)開始走向室外、大海甚至是太空。具有人工智能的自主式機(jī)器人正在向制造業(yè)以外的方向擴(kuò)展，這些非制造業(yè)包括了航空、深海探測、軍事偵察和打擊、建筑、救護(hù)醫(yī)療、家庭服務(wù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、自動化辦公和自然災(zāi)害救援等，如飛行機(jī)器人、海難救援機(jī)器人、化肥和農(nóng)藥噴撒空中機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人等[2]。最近幾年來，對導(dǎo)游機(jī)器人的研究受到了很多學(xué)者的重視，各種仿生的、智能的導(dǎo)游機(jī)器人越來越多，在很多的展館內(nèi)，你都可以看到它們的身影，也許你已經(jīng)享受過它們帶給你的優(yōu)越的服務(wù)。導(dǎo)游機(jī)器人可以和人對話，向你講解展館內(nèi)展出物的知識。也可以像人類一樣行走，還可以有各種各樣的表情，這樣你就會不知不覺的忘記你的導(dǎo)游是個機(jī)器人。 1.2 國內(nèi)導(dǎo)游機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 導(dǎo)游機(jī)器人的研究在國內(nèi)起步較晚，但經(jīng)過多年來的長足的發(fā)展也取得了很大進(jìn)步，但大多數(shù)研究尚處于某個單項(xiàng)研究階段。國內(nèi)的導(dǎo)游機(jī)器人研究主要經(jīng)歷了算法的研究和仿真、國外機(jī)器人平臺的引進(jìn)和自主開發(fā)三個階段[3]。下面是中國對導(dǎo)游機(jī)器人的一些研究成果。 清華V型智能車THMR-V是清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中科院院士張錢教授主持下研制的新一代智能導(dǎo)游機(jī)器人[4]，它可以在普通的馬路上行進(jìn)，也可以在高速公路上行進(jìn)，它非常成功的獲得了專利成果。THMR-V的車體是用小型的廂車改裝的，它的避障檢測系統(tǒng)是由一臺可以識別色彩的攝像機(jī)和一臺激光測距儀所組成的，它的定位導(dǎo)航系統(tǒng)是由DGPS(通過在固定測站和流動測站上進(jìn)行同步觀測，利用在固定測站上所測得衛(wèi)星定位誤差數(shù)據(jù)改正流動測站上定位結(jié)果的衛(wèi)星定位)、磁羅經(jīng)（利用地磁場固有的指向性測量空間姿態(tài)角度的）、光電碼盤（光學(xué)玻璃制成，在上面刻有許多同心碼道，每個碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分）所組成的。運(yùn)動的控制、信息的處理、集中、路徑的規(guī)劃、語音的交流、視覺的識別等功能是由兩個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有分工的控制的。距離信息的處理、GPS信息的處理、人機(jī)的交流管理、運(yùn)動控制等功能是由四臺工業(yè)控制計(jì)算機(jī)分別完成的。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，在高速公路上，THMR-V的行駛速度可以達(dá)到80千米每小時，在普通的道路上可以達(dá)到20千米每小時。現(xiàn)在THMR-V已經(jīng)可以在相對復(fù)雜的環(huán)境下，進(jìn)行目標(biāo)跟蹤和自主避障行駛。清華V型智能車THMR-V的研究涉及到了五個方面的關(guān)鍵技術(shù)：1、基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)，2、基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)，3、路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)，4、傳感技術(shù)、5、信息融合技術(shù) [5]。 DY- I型導(dǎo)游機(jī)器人是海爾一哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)公司最近推出的新一代智能導(dǎo)游機(jī)器人，該機(jī)器人由伺服驅(qū)動系統(tǒng)、多傳感器信息、避障及路徑規(guī)劃系統(tǒng)、語言識別及語言合成系統(tǒng)組成。DY- I擁有良好的視覺識別功能、可以自主行駛、可以和人進(jìn)行語言和簡單的肢體交流，并且它還有自己的面部表情，是智能型的導(dǎo)游機(jī)器人。DY- I的總高度約有170cm，重量在100kg左右，它有兩只很大的眼睛，擁有可以自如活動的手臂，行走機(jī)構(gòu)是輪式的，從外表看它是金屬的，其實(shí)只是表面涂了金屬質(zhì)感的漆，它是用一種非常特殊的玻璃鋼做成的。12個超聲波傳感器被裝在DY- I的身體的各個部位，用來作為感覺器官，所以DY- I的感覺器官非常的敏銳，這樣就可以很好的分辨障礙物的性質(zhì)，并進(jìn)行識別。與THMR-V一樣DY- I也裝有能分辨色彩的攝像機(jī)作為它的眼睛。它的臉部是仿照人的臉部輪廓制造的，所以看起來很真實(shí)，它也會跟人一樣眨眼睛，說話的時候嘴唇也是跟人一樣一張一合的，這些功能的設(shè)計(jì)都使得DY- I更具有親和力，更容易被人認(rèn)可。DY- I可以靠下部的輪式行走機(jī)構(gòu)在展館內(nèi)自由的避障行走，它的感官很靈敏，如果在行進(jìn)的過程中遇到人，它就會停下來跟游客友好的打個招呼，并回答游客的各種提問；如果行進(jìn)過程中遇到的是障礙，它就會自主的控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來改變行進(jìn)的方向。另外DY- I的前面還裝有一個可觸摸式的屏幕，這樣游客就可以通過操作這個系統(tǒng)來了解自己想知道的各種豐富多彩的知識了 [6]。 1.3 導(dǎo)游機(jī)器人的研究熱點(diǎn) 綜合國內(nèi)外對于導(dǎo)游機(jī)器人的研究的實(shí)際情況，當(dāng)代導(dǎo)游機(jī)器人的研究主要集中在以下幾個方面。 (1)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際的需要，行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的形式并不是完全單一的。實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)游機(jī)器人會被要求在各種各樣的場地上活動，因此它的行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有很多種。當(dāng)前，對腿足式行走機(jī)構(gòu)、履帶式行走機(jī)構(gòu)和特殊行走機(jī)構(gòu)的研究比較的多，但很大一部分的研究還處在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證的階段。輪式行走機(jī)構(gòu)由于控制起來比較的簡單，穩(wěn)定性也好定，并且輪式行走機(jī)構(gòu)的行進(jìn)方式是滾動前進(jìn)的，滾動摩擦所消耗的能源比其它的行進(jìn)方式要少很多，所以輪式行走機(jī)構(gòu)正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展[7]。 (2)運(yùn)動控制技術(shù)。成熟的運(yùn)動控制技術(shù)是導(dǎo)游機(jī)器人整體性能的基礎(chǔ)，由于導(dǎo)游機(jī)器人的手臂部分是一個不完整約束的結(jié)構(gòu)，因此，控制系統(tǒng)不能通過連續(xù)可微的時不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過時變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動力學(xué)模型和運(yùn)動學(xué)模型，建立合理的反饋控制律，實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)向的自動控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容[8]。 (3)路徑規(guī)劃技術(shù)。路徑的規(guī)劃技術(shù)主要包括基于地理信息的全局路徑規(guī)劃技術(shù)和基于傳感信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)[9]。導(dǎo)游機(jī)器人在行進(jìn)的過程中，可能會遇到各種各樣的障礙，如果不能很好的避開這些障礙，導(dǎo)游機(jī)器人的移動就會存在著很多的未知風(fēng)險，所以路徑的規(guī)劃技術(shù)，對于導(dǎo)游機(jī)器人來說，是十分重要的。 (4)實(shí)時視覺技術(shù)。實(shí)時的視覺技術(shù)主要包括視覺信息的實(shí)時采集、信息的處理、主要信息的提取跟識別。視覺信息的處理能力、處理速度、處理的可靠性和準(zhǔn)確性是決定導(dǎo)游機(jī)器人智能系統(tǒng)性能的決定性因素[10]。 (5)定位和導(dǎo)航技術(shù)。定位和導(dǎo)航技術(shù)是當(dāng)前導(dǎo)游機(jī)器人研制的重點(diǎn)，它是導(dǎo)游機(jī)器人運(yùn)動控制的基礎(chǔ)，只有準(zhǔn)確的定位，才能準(zhǔn)確的控制導(dǎo)游機(jī)器人的移動。位移的測量方法有兩種，分別是相對測量法和絕對測量法，位置的測量方法有里程計(jì)、慣性導(dǎo)航、主動燈塔、磁羅經(jīng)、GPS系統(tǒng)、地圖模型匹配和自然路標(biāo)導(dǎo)航等[11]。 1.4 本課題的來源和研究內(nèi)容 本課題是來源于某科技館的實(shí)際項(xiàng)目，并結(jié)合了實(shí)際生活中輪式行走機(jī)構(gòu)應(yīng)用的廣泛性而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。輪式行走機(jī)構(gòu)相對于履帶式、腿足式和特殊行式等[12,13]，具有結(jié)構(gòu)簡單、能源利用率高、設(shè)計(jì)方便、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是它的使用環(huán)境比較單一，只能在較為平整穩(wěn)的環(huán)境中行走。輪式行走機(jī)構(gòu)也分單輪、兩輪、三輪、和四輪等[14,15]。由于單輪和兩輪行走機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，很多問題的解決超出本課題所要求的范圍，所以本設(shè)計(jì)就沒有對此兩種行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)之初考慮的方案有三輪行走機(jī)構(gòu)和四輪行走機(jī)構(gòu)。 方案一：三輪行走機(jī)構(gòu) 優(yōu)點(diǎn)：① 成本低。 ② 質(zhì)量輕。 缺點(diǎn)：穩(wěn)定性較差。 方案二：四輪行走機(jī)構(gòu)。 優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好。 缺點(diǎn)：① 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。 ② 質(zhì)量重。 由于展館的地面比較平整，三輪機(jī)構(gòu)和四輪機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性區(qū)別不大，綜合考慮本設(shè)計(jì)決定采用三輪行走機(jī)構(gòu)。圖1.1是確定的三輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，后面將對此方案的規(guī)劃進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。 圖1.1 設(shè)計(jì)方案簡圖 如圖1.1所示，驅(qū)動部分是由驅(qū)動電機(jī)帶動減速器的軸轉(zhuǎn)動，通過減速器的減速，使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速下降，再由減速器將轉(zhuǎn)動傳遞給一對相互嚙合的齒輪，再通過齒輪將轉(zhuǎn)動傳遞給驅(qū)動輪，使導(dǎo)游機(jī)器人前進(jìn)。轉(zhuǎn)向部分是由轉(zhuǎn)向電機(jī)帶動一對相互嚙合的齒輪，再通過齒輪的轉(zhuǎn)動，帶動轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向的。 圖中驅(qū)動電機(jī)為伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單、比較的堅(jiān)固能用很長時間、可靠性也較高，轉(zhuǎn)矩的脈動低，噪聲小，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速也可以很高。伺服電機(jī)矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟，這就使得采用伺服電機(jī)驅(qū)動的系統(tǒng)相比較而言具有一定的優(yōu)勢，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常較快，又由于導(dǎo)游機(jī)器人的行進(jìn)的速度較慢，所以在驅(qū)動電機(jī)和工作軸之間要有減速機(jī)構(gòu)，圖中的減速器就是減速機(jī)構(gòu)。驅(qū)動輪和驅(qū)動副輪是單獨(dú)安裝，目的是為了轉(zhuǎn)向的方便，如果將兩個輪子裝在同一軸上，轉(zhuǎn)向時由于是同一軸來驅(qū)動的，無法做到差速轉(zhuǎn)向，會給轉(zhuǎn)向帶來一定的麻煩。 圖中的轉(zhuǎn)向電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)不同與伺服電機(jī)，它是開環(huán)的。它的角位移或線位移是通過脈沖信號控制的。在不超載的情況下，步進(jìn)電機(jī)的止動的位置、轉(zhuǎn)速僅僅是由脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)決定的，而不受負(fù)載變化的影響，也就是說給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個步距角。加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。轉(zhuǎn)向電機(jī)和轉(zhuǎn)向輪之間用兩個相同的齒輪來傳動，齒輪傳動平穩(wěn)可靠、傳動比精度高、工作效率好、使用壽命長。齒輪傳動的使用功率、轉(zhuǎn)速和尺寸的范圍都很寬。 2 驅(qū)動部分設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)概述 驅(qū)動部分的設(shè)計(jì)首先要確定驅(qū)動的方案（在前面已經(jīng)確定過了），即選用什么樣的電機(jī)、是否設(shè)置減速機(jī)構(gòu)、輪子的直徑大小以及各部分的連接。考慮到是展館導(dǎo)游機(jī)器人，行進(jìn)的速度并不快，并且要求的是用蓄電池供電，能比較長時間的連續(xù)工作，考慮到這些問題之后，初步確定選用的是小功率的伺服電機(jī)。由于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都較快，所以設(shè)計(jì)中考慮選用減速機(jī)構(gòu)。 初步選定的減速方案如圖2.1所示。 圖2.1 減速部分簡圖 設(shè)計(jì)指標(biāo)：導(dǎo)游機(jī)器人的總體尺寸≤500mm×500mm×1500mm(長x寬x髙)；總重量：≤30kg；最大行進(jìn)速度約0.6m/s。故要求： 機(jī)器人底盤輪式行走系統(tǒng)總體尺寸≤450mm×500mm×200mm；具有行走和轉(zhuǎn)向功能； 重量≤12kg； 最大行進(jìn)速度約0.6m/s； 車輪直徑：120～160mm。 2.2 驅(qū)動電機(jī)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)所要求的指標(biāo)，初步選擇車輪的直徑為150mm ； 機(jī)器人的總重量: 30 kg ； 普通的橡膠制輪胎與地面的摩擦系數(shù)：； 輪胎與地面的摩擦力:； 驅(qū)動所需最小功率：(不考慮傳遞過程中功的損耗)； 損耗后所需的實(shí)際功率：； 式中 為電動機(jī)至車輪的傳動裝置的總效率。由上面的圖2.1可知： （2.1） 由表2.1，取聯(lián)軸器效率，滾動軸承效率，閉式圓柱齒輪效率，開式圓柱齒輪效率。 表2.1 機(jī)械傳動和軸承效率的概率值 類型 開式 閉式 圓柱齒輪傳動 0.94-0.96 0.96-0.99 圓錐齒輪傳動 0.92-0.95 0.94-0.98 蝸桿傳動 自鎖蝸桿 0.30 0.40 單頭蝸桿 0.50-0.60 0.70-0.75 雙頭蝸桿 0.60-0.70 0.75-0.82 三頭或四頭蝸桿 - 0.82-0.92 圓弧面蝸桿 - 0.85-0.95 單級NGW行星齒輪傳動 0.97-0.99 鏈傳動 0.90-0.93 0.95-0.97 摩擦輪傳動 0.70-0.88 皮帶傳動 0.97-0.98 三角帶傳動 0.94-0.97 滾動軸承（每對） 0.98-0.995 續(xù)表 表2.1 機(jī)械傳動和軸承效率的概率值 滑動軸承（每對） 00.97-0.99 聯(lián)軸器 具有中間可動元件 0.97-0.995 萬向聯(lián)軸器 0.97-0.98 齒輪聯(lián)軸器 0.99 彈性聯(lián)軸器 0.99-0.995 根據(jù)以上計(jì)算初選直流電機(jī)型號：Z2-21型，功率：0.7KW,轉(zhuǎn)速：=1400rad/s。 2.3 減速器的設(shè)計(jì) 2.3.1 計(jì)算總的減速比和各級的傳動比 減速器的設(shè)計(jì)步驟是先用PRO/E軟件三維造型。然后根據(jù)三維造型，進(jìn)行各零部件的尺寸計(jì)算，校核。最后根據(jù)計(jì)算的結(jié)果用AUTO/CAD軟件進(jìn)行二維三視圖的表達(dá)。三維造型透視圖如圖2.2。 圖2.2 減速器的三維透視圖 機(jī)器人行進(jìn)速度：0.6m/s ； 車輪直徑：150mm ； 車輪角速度：； 車輪轉(zhuǎn)速：； 總減速比：； 展開式二級圓柱齒輪減速器，考慮潤滑條件，應(yīng)使兩個大齒輪的直徑相近，高速級略小一些，按 ，所以取 ， 。 2.3.2 計(jì)算各個傳動軸運(yùn)動和動力參數(shù) 各軸由高速級到低速級依次設(shè)為軸Ⅰ、軸Ⅱ、軸Ⅲ、軸Ⅳ（工作軸）。　 （1） 各軸轉(zhuǎn)速 ? 軸Ⅰ ＝＝1400/1.0＝1440r/min ? 軸Ⅱ ＝＝1400/5＝280r/min 軸Ⅲ ＝?/?＝280/3.7=76 r/min 軸Ⅳ ==76 r/min （2） 各軸輸入功率 軸Ⅰ ＝··＝42.35×0.99×0.99＝41.51W ? 軸Ⅱ ＝··＝41.51×0.97×0.99＝39.86W ?? 軸Ⅲ ＝··＝39.86×0.97×0.99＝38.28W 軸Ⅳ ＝··= 38.28×0.99×0.95＝35.64W （3） 各軸輸入轉(zhuǎn)矩 軸Ⅰ = 9550··= 9550×42.35/1440× = 0.28 軸Ⅱ =···= 0.28×0.97×0.99×5 = 1.34 軸Ⅲ =···=1.34×0.97×0.99×3.7 = 4.8 軸Ⅳ =··= 4.8×0.99×0.95 = 4.5 運(yùn)動和動力參數(shù)結(jié)果如下表2.2。 表2.2 各軸的運(yùn)動和動力參數(shù) 軸號 功率P(W) 轉(zhuǎn)矩T() 轉(zhuǎn)速（r/min） 電動機(jī)軸 42.35 1400 Ⅰ軸 41.51 0.28 1400 Ⅱ軸 39.86 1.34 280 Ⅲ軸 38.28 4.8 76 Ⅳ軸 35.64 4.5 76 2.3.3 減速器各級齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 一、高速級減速齒輪的設(shè)計(jì) （1）齒輪類型、精度、材料以及齒數(shù)的確定。 （a）按照之前設(shè)計(jì)好的傳動方案，選用的齒輪是直齒圓柱齒輪。 （b）行走機(jī)構(gòu)為一般機(jī)器，速度不高，故選用七級精度（GB10095-88）。 （c）減速器的傳動軸以及齒輪按一般情況選用經(jīng)正火處理的45鋼，硬度200HBS。 （d）齒輪的齒數(shù)越多，傳動就越加的平穩(wěn)，故取小齒輪齒數(shù)，則大齒輪的齒數(shù)。 （2）按齒面得接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行齒輪的參數(shù)的設(shè)計(jì) 由公式： （2.2） 來進(jìn)行初步的試算。 （a）先確定該公式內(nèi)各參數(shù)的數(shù)值。 ① 試選的載荷系數(shù) Kt = 1.3。 ② 小齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩。 ③ 式中齒寬系數(shù)可以查取圓柱齒輪的齒寬系數(shù)表，得到。 ④ 式中的彈性影響系數(shù)可以，查取彈性影響系數(shù)表，得到的。 ⑤ 由齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限圖可以得到： 小齒輪的接觸疲勞極限； 大齒輪的接觸疲勞極限。 ⑥ 由應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的公式可以得到： ； 。 ⑦ 按照材料的接觸疲勞壽命系數(shù)圖，取得：，。 ⑧ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 選取的失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，則： ； 。 （b）齒輪參數(shù)的計(jì)算 ① 試算小齒輪分度圓直徑,代人中較小的值 。 ② 計(jì)算齒輪轉(zhuǎn)動時是的圓周速度v 。 ③ 計(jì)算齒輪的齒寬b 。 ④ 計(jì)算齒輪的齒寬與齒高之比 b/h 齒輪的模數(shù)：； 輪齒的高度： ； 齒高與齒寬之比：。 ⑤ 計(jì)算齒輪的載荷系數(shù) 根據(jù)V=0.9m/s，7級精度。由動載荷系數(shù)表，查得的動載系數(shù)=1.05 。 由使用系數(shù)表，查得的使用系數(shù)K=1 。 因?yàn)槭侵饼X輪，所以 。 由齒向載荷分布系數(shù)表，用插值法查得7級精度，小齒輪（硬齒面）相對布置時 ，故載荷系數(shù) 。 ⑥ 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正后，所算得的分度圓直徑 ⑦ 計(jì)算齒輪的模數(shù)m： 查取齒輪的模數(shù)表，取得m=0.6。 ,故取小齒輪齒數(shù)為22。 ，取。 （c）齒輪幾何尺寸計(jì)算 齒輪的分度圓直徑； 。 兩個配對齒輪的中心距 。 大齒輪的寬度 ， 圓整后取小齒輪齒寬 ，大齒輪齒寬。 二、低速級減速齒輪設(shè)計(jì) （1）選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)。 （a）按設(shè)計(jì)的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。 （b）行走機(jī)構(gòu)為一般機(jī)器，速度不高，故選用七級精度（GB10095-88）。 （c）材料選擇。 減速器傳動軸及齒輪一般選用經(jīng)正火處理的45鋼，硬度200HBS。 （d）齒輪的齒數(shù)越多，傳動越加的平穩(wěn)，故取小齒輪齒數(shù)，則大齒輪的齒數(shù) 取 。 （2）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度來設(shè)計(jì) 由公式（2.2）進(jìn)行試算。 （a）確定公式內(nèi)各參數(shù)的數(shù)值 ① 試選取的載荷系數(shù)為Kt=1.3。 ② 小齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩 。 ③ 式中齒寬系數(shù)可以查取圓柱齒輪的齒寬系數(shù)表，得到。 ④ 式中的彈性影響系數(shù)可以，查取彈性影響系數(shù)表，得到的。 ⑤ 查齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限圖得： 小齒輪接觸疲勞極限 大齒輪接觸疲勞極限 ⑥ 由應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的公式得 ⑦ 由接觸疲勞壽命系數(shù)圖，取， 。 ⑧ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概念為1%，安全系數(shù)S=1,則： （b）齒輪參數(shù)的計(jì)算 ① 試算小齒輪分度圓直徑,代人中較小的值 ② 計(jì)算齒輪轉(zhuǎn)動時的圓周速度v 計(jì)算齒輪輪齒的齒寬b ③ 計(jì)算齒寬與齒高之比b/h 齒輪的模數(shù)： 輪齒的高度： 輪齒的寬度和高度之比： ④ 計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)V=0.29m/s，7級精度。由動載荷系數(shù)表，查得的動載系數(shù)=1.02。 由使用系數(shù)表，查得的使用系數(shù)K=1。 因?yàn)槭侵饼X輪，所以。 由齒向載荷分布系數(shù)表，用插值法查得7級精度，小齒輪（硬齒面）相對布置時。故載荷系數(shù)。 ⑤ 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑。 ⑥ 計(jì)算模數(shù)m ，查齒輪模數(shù)表，取m=1。 ,故取小齒輪齒數(shù)為22。，取。 （c）齒輪幾何尺寸計(jì)算 齒輪的分度圓直徑； 。 兩配對齒輪的中心距 ； 計(jì)算大齒輪的寬度 ； 圓整后取大齒輪的寬度： ，小齒輪的寬度：。 由以上計(jì)算所得的齒輪參數(shù)如表2.3。 表2.3 齒輪參數(shù) 參數(shù) d m z a b 高速級 大 66 0.6 110 39.6 14 20° 小 13.2 22 19 低速級 大 89 1 89 55.5 22 小 22 22 27 2.3.4 減速器內(nèi)各軸的設(shè)計(jì) 軸Ⅰ的設(shè)計(jì)。 （1）軸的材料的選擇和表面處理 由于減速器傳遞的功率不大，對其重量和尺寸也無特殊要求故選擇常用材料45鋼,調(diào)質(zhì)處理. （2）計(jì)算軸的最小直徑 按扭矩來計(jì)算軸的最小直徑,取系數(shù) A0=106至130,考慮到安裝了聯(lián)軸器的軸段僅僅受到扭矩，故取A0=110則: 考慮到螺紋，鍵槽在一定程度上對軸的強(qiáng)度的削弱，同時考慮啟動轉(zhuǎn)矩、安全、美觀等方面的原因，在導(dǎo)師的建議下，選用的軸的最小直徑比大很多，，故軸的直徑完全能滿足設(shè)計(jì)的需要，也就不用校核軸的強(qiáng)度了。 （3）聯(lián)軸器和軸承的選擇。 聯(lián)軸器為LZ1型（GB/T 3852-1997）,軸承為6000-628型（GB/T 276-1994） 根據(jù)軸承確定軸Ⅰ的最小直徑D1=6,L1=18。承的安裝部分的尺寸為D1=6。 （4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 各段軸尺寸的確定。 最小的直徑已經(jīng)在前面確定了，后面的就可以按照軸上面安裝的各個零件的尺寸和位置，來一步一步的確定軸的尺寸了， 第1段按聯(lián)軸器確定過，D=6,L1=18。 第2段由軸承確定直徑D2=8，長度尺寸按端蓋厚度S=23、端蓋離聯(lián)軸器的距離為L=18（方便端蓋的安裝）、軸承的寬度B=8、擋油環(huán)的厚度B=8得出L2=57。 第3段的直徑由軸承的安裝尺寸來確定D3=10，長度尺寸由與軸上齒輪配合的齒輪離箱體的內(nèi)壁的距離（取10）以及大小齒輪的寬度差△=5，得出L3=11.5。 第4段也就是齒輪段的尺寸由齒輪確定。 第5段得直徑與第三段相同，D5=D3=10,長度尺寸由軸Ⅱ上的大小齒輪間距△ 以及大小齒輪離箱體內(nèi)壁的距離等確定，L5=46.5。 第6段得直徑由軸承來確定，D6=8，長度尺寸由軸承和擋油環(huán)確定，L6=16。由以上的計(jì)算可以得出軸Ⅰ的全部尺寸，如圖2.3所示。: 圖2.3 軸Ⅰ的尺寸圖 其他各軸的尺寸計(jì)算與軸Ⅰ的計(jì)算過程雷同，在此不一一寫出，只列出其他軸的尺寸圖。 軸Ⅱ的尺寸圖如圖2.4所示。 圖2.4 軸Ⅱ的尺寸圖 軸Ⅲ的尺寸圖如圖2.5所示。 圖2.5 軸Ⅲ的尺寸圖 減速器其他部分結(jié)構(gòu)尺寸由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查得，如表2.4所示。 表2.4 減速器機(jī)體主要尺寸表 名稱 尺寸 機(jī)座壁厚 8 機(jī)蓋壁厚 8 機(jī)座緣厚度 12 機(jī)蓋凸緣厚度 12 機(jī)底座凸緣厚度 19.5 地腳螺釘直徑 M12 地腳螺釘數(shù)目 4 蓋與座連接螺釘數(shù)目 4 軸承端蓋螺釘直徑 M6 窺視孔蓋螺釘直徑 M6 大齒輪頂圓與內(nèi)機(jī)壁距離 10 齒輪端面與機(jī)壁距離 10 中間軸兩齒輪之間距離 8 2.4 驅(qū)動軸的設(shè)計(jì) 計(jì)算軸上最小直徑。 按扭矩來計(jì)算軸的最小直徑,取系數(shù) A0=106至125,考慮到安裝了聯(lián)軸器的軸段僅僅受到扭矩，故取A0=110則: 考慮到螺紋，鍵槽在一定程度上對軸的強(qiáng)度的削弱，同時考慮啟動轉(zhuǎn)矩、安全、美觀等方面的原因，在導(dǎo)師的建議下，選用的軸的最小直徑比大很多，，故軸的直徑完全能滿足設(shè)計(jì)的需要，也就不用校核軸的強(qiáng)度了。 軸上各段具體尺寸的計(jì)算。 選取了最小直徑后，就可以按照軸上各零件的安裝順序和尺寸，從左端開始確定軸的尺寸了， 第1段按齒輪確定，D=10,L1=25。 第2段由軸承確定直徑D2=15，長度尺寸按端蓋厚度S=33、端蓋離聯(lián)軸器的距L=18（方便拆卸）、軸承的寬度B=8、擋油環(huán)的厚度B=8得出L2=33。 第3段的直徑由軸承的安裝尺寸來確定D3=21，長度尺寸由與軸上輪配合的齒輪離箱體的內(nèi)壁的距離（取10）以及大小齒輪的寬度差△=5，得出L3=33。 第4段也就是輪的支撐段的尺寸由輪確定。D4=24，L4=5。 第5段直徑與第三段相同D5=21，長度尺寸由結(jié)構(gòu)決定L5=53。 第6段的直徑由軸承來確定，D6=15，長度尺寸由軸承和擋油環(huán)確定，L6=13。 由以上的計(jì)算可以得出驅(qū)動軸的全部尺寸，如圖2.6所示。 圖2.6 工作軸的尺寸 3 轉(zhuǎn)向部分設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向部分的設(shè)計(jì)依然是遵循先三維造型后計(jì)算的原則，轉(zhuǎn)向支架與電機(jī)之間由于安裝尺寸的關(guān)系，不能很好的放在一起，所以本設(shè)計(jì)是采用兩個基本相同的齒輪來將電機(jī)的轉(zhuǎn)動傳遞到轉(zhuǎn)向支架上的，由于兩個齒輪的模數(shù)和齒數(shù)是相同的，所以，傳動的過程中并沒有速度差，傳動的效率也比較的高。 轉(zhuǎn)向部分的三維的造型圖如圖3.1所示，齒輪在該圖中沒有表達(dá)，因?yàn)辇X輪的表達(dá)會影響到電機(jī)軸和支架上的軸的表達(dá)。底板與支架之間承接采用的是推力球軸承，這樣轉(zhuǎn)向過程中支架所受到的摩擦力就很小了，轉(zhuǎn)向輪的選用和安裝與前面設(shè)計(jì)的驅(qū)動輪副輪完全相似，只是轉(zhuǎn)向輪的直徑要比驅(qū)動副輪的直徑小一些，D=140mm,故不在此贅述。 圖3.1 驅(qū)動部分的三維造型圖 3.1 轉(zhuǎn)向電機(jī)的選擇 轉(zhuǎn)向電機(jī)選用的是步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)在選擇的時候，必須要保證步進(jìn)電機(jī)的額定輸出功率大于負(fù)載所需要的功率。為此，首先要計(jì)算出轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，得出計(jì)算結(jié)果后，再根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩來選取所要的電機(jī)，但是一定要確保電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩要大于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并且要有一定的余量，這樣才安全。最大靜力矩大的電機(jī)，負(fù)載力矩一般都是比較大的，所以選用的電機(jī)的依據(jù)可以是最大靜力矩。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算： 輪胎與地面的摩擦力：； 輪胎的寬度為 20mm 。 輪胎底面的受力圖如圖3.2所示。 圖3.2 輪胎的受力圖 轉(zhuǎn)矩 T=30×10=300N·m=0.3N·m 考慮到啟動轉(zhuǎn)矩比靜轉(zhuǎn)矩要大一些，還有傳動過程中的損耗，取T=0.3×1.5=0.45N·m 。 根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，查步進(jìn)電機(jī)的選用表3.1。 表3.1 步進(jìn)電機(jī)選用略表 型號 相數(shù) 步距角 電壓 (V) 電流 (A) 最大靜轉(zhuǎn)矩 (N·m) 轉(zhuǎn)動慣量 (N·m) 35BYG001 4 1.8° 8.6 0.38 0.6 15 35BYG005 4 1.8° 9 0.40 1.3 18 42BYG005 4 1.8° 9.6 0.48 2.3 22 42BYG008 2 1.8° 32 0.38 0.76 19 42BYG016 2 1.8° 12 0.16 0.9 20 42BYGH025 2 1.8° 2.5 0.95 1700 38 42BYG032 2 1.8° 24 0.33 2 20 42BYGH103 2 1.8° 12 0.4 3800 56 57BYGH001 4 1.8° 7.2 0.6 4 135 57BYG007 4 1.8° 12 0.38 3 60 57BYG009 2 1.8° 2.4 2.4 6 145 57BYG060 4 1.8° 2.6 1.5 6.3 118 57BYG070 2 1.8° 5.4 0.6 9 230 57BYGH101 2 1.8° 7.2 0.38 7 220 57BYGH103 4 1.8° 12.2 1.4 6 460 根據(jù)表3.1選用35BYG001 型電動機(jī)，它的外形安裝尺寸如圖3.3所示。 圖3.3 35BYG001型電動機(jī)參考尺寸 3.2 轉(zhuǎn)向支架的設(shè)計(jì) 支架的單獨(dú)三維造型如圖3.4所示。 圖3.4 支架的三維造型圖 前輪支架的設(shè)計(jì)主要考慮的因素有輪的直徑和傳動部分軸的直徑等。 計(jì)算支架組件中軸的最小直徑 通過扭矩來計(jì)算軸的最小的直徑, 考慮到安裝了聯(lián)軸器的軸段僅僅受到扭矩。則: 同樣是考慮到外形的美觀和安裝的方便，選用的軸最小徑比大很多，根據(jù)選用的推力球軸承取D1=12mm,L1=14mm。軸承的型號為51000型（GB/T 301-1995）。軸承的支撐段直徑由軸承的安裝尺寸確定D2=15mm，L2=21mm。支架的彎曲部分尺寸由輪的安裝軸的安裝尺寸確定，軸的安裝尺寸前面已給出。彎曲半徑R=10mm，橫向?qū)挾萀=89mm。支架橫梁下平面到軸孔的距離為車輪半徑加一定的間隙，L=80mm。軸孔外徑D3=72，內(nèi)徑D4=42。安裝螺釘為M6。具體尺寸見圖3.5。 圖3.5 支架組件的簡圖 4 輪和底板的設(shè)計(jì) 4.1 車輪的選用 輪的直徑在前面已經(jīng)選定，為150mm。輪的材料選擇主要從成本和運(yùn)動的平穩(wěn)性兩個方面著想，綜合考慮后決定輪的外圈采用傳統(tǒng)的樹脂橡膠，內(nèi)圈采用45鋼。見圖4.1。 圖4.1 車輪的三維造型圖 4.2 車輪的安裝 車輪與軸之間加一個凸臺式支撐架，以方便輪的安裝，支撐架與軸之間采用鍵連接，見圖4.2和圖4.3。 圖4.2 輪的連接平面剖視圖 圖4.3 輪的連接三維造型 4.3 底板的設(shè)計(jì) 底板的尺寸完全由安裝時各零件的尺寸所決定，在三維造型時，考慮的問題比較的全面，故在此不做具體的尺寸的設(shè)計(jì)，具體的尺寸可以在CAD總裝圖上都有表達(dá)。三維造型見圖4.4。 圖4.4 底板的三維造型圖 該底板的結(jié)構(gòu)分兩部分，后半部分是驅(qū)動機(jī)構(gòu)的安裝部分，中間凹下去的是減速器的安裝位置，由于有高度的限制，減速器就只好向下凹一點(diǎn)，同時為了減輕重量，將中間部分掏空。四個圓孔是用來安裝輪的，兩邊會用端蓋來固定軸承的位置。前半部分是用來暗轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的，為了方便電機(jī)的安裝，中間也凹下去一小塊，孔是支撐架的安裝孔，整個前半部分是架在支架上的推力球軸承上的，方便轉(zhuǎn)向。 結(jié)束語 經(jīng)過了幾個月的緊張忙碌的學(xué)習(xí)和工作，我終于完成了導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。從開始接到設(shè)計(jì)的題目到方案的確定，再到設(shè)計(jì)的完成，我花費(fèi)了大量的時間來查閱資料和設(shè)計(jì)，并對以前學(xué)過的知識進(jìn)行了一次系統(tǒng)性的總結(jié)。這是我第一次在有導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立的完成一個課題的設(shè)計(jì)，通過這次設(shè)計(jì)我開始獨(dú)立的學(xué)習(xí)和探索，查看相關(guān)的書籍，讓自己頭腦從模糊大概到逐漸清晰。這次做設(shè)計(jì)的經(jīng)歷必將使我終生受益，并了解了自己在學(xué)習(xí)過程中的缺陷和不足。一定能夠在以后的工作和學(xué)習(xí)中激勵我繼續(xù)進(jìn)步。 由于這是我第一次完成一個比較完整的設(shè)計(jì)程序，加上我我的水平有限，設(shè)計(jì)中難免有不盡如人意的地方處，還請各位老師給予批評、指正。 致謝 在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，無論是外文翻譯、開題報(bào)告以及設(shè)計(jì)方案的確定、資料的收集、論文的撰寫，都得到了周建平教授的全力幫助和耐心指導(dǎo)。周教授學(xué)識淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、平易近人，是我學(xué)習(xí)和生活的榜樣。在此我特向周教授表示最崇高的敬意和由衷的感謝。同時在本次設(shè)計(jì)過程中，也得到了同組的徐博倫、丁彪、陳羅庚、左莊舉的幫助，在此也一并相他們表示衷心的感謝。 參考文獻(xiàn) [1] 王炎，周大威. 移動式服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及我們的研究[J]. 電氣傳動，2000， (4)：26~33. 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