展館導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計本科畢業(yè)設(shè)計說明書1

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1、 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 I 頁 共 I 頁 展館導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計 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 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 6 2.1 設(shè)計概述 6 2.2 驅(qū)動電機(jī)的選擇 6 2.3 減速器的設(shè)計 8 2.4 驅(qū)動軸的設(shè)計 17 3 轉(zhuǎn)向部分設(shè)計 19 3.1 轉(zhuǎn)向電機(jī)的選擇 19 3.2 轉(zhuǎn)向支架的設(shè)計 21 4 輪和底板的設(shè)計 23 4.1 車輪的選用和設(shè)計 23 4.2 車輪的安裝 23 4.3 底板的設(shè)計 24 結(jié)束語 25 致謝 26 參考文

2、獻(xiàn) 27 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 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 II 頁 共 II 頁 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)

3、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。現(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

4、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

5、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)國家重點實驗室在中 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 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 III 頁 共 III 頁 站上定位結(jié)果的衛(wèi)星定位)、磁羅經(jīng)（利 用 地 磁 場 固

6、 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)控制計算機(jī)分別完成的。根據(jù)設(shè)計的要求，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

7、?，F(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

8、。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，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)計都使得 DY-

9、 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。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 IV 頁 共 IV 頁 1.3 導(dǎo)游機(jī)器人的研究熱點 綜合國內(nèi)外對于導(dǎo)游機(jī)器人的研究的實際情況，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)。

10、根據(jù)實際的需要，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驗室驗證的階段。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

11、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)實時視覺技術(shù)。實時的視覺技術(shù)主要包括視覺信息的實時采集、信息的處 理、主要信息的提取跟識別。視覺

12、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，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、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。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 V 頁 共 V 頁 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際項目，并結(jié)合了實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。輪式行走機(jī)構(gòu)相對于履

13、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)計方便、成本低等諸多優(yōu)點，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)計就沒有對此兩種行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行考慮。設(shè) 計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： 成本低。 質(zhì)量輕。 缺點：穩(wěn)定性較差。 方案二：四輪行走機(jī)構(gòu)。 優(yōu)點：穩(wěn)定性好。 缺點： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。 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

14、設(shè)計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)計方案，后面將 對此方案的規(guī)劃進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計和計算。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 VI 頁 共 VI 頁 圖 1.1 設(shè)計方案簡圖 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)的特點是結(jié)構(gòu)比較簡單、比較的堅固能 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

15、，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

16、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 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 VII 頁 共 VII 頁 期性的誤差而無累積誤差等特點。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 2.1 設(shè)計概述 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。如需要完整說明書和設(shè)計圖 紙等.請聯(lián)系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機(jī)械畢 業(yè)設(shè)計下載！該論文已經(jīng)通過答辯 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第

17、 VIII 頁 共 VIII 頁 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.

18、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 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 IX 頁 共 IX 頁 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)以上計算初選直流電機(jī)型號：Z2-21 型，功率：0.7KW,轉(zhuǎn)速： =1400rad/s。mn 2.3 減速器的設(shè)計 2.3.1 計算總的減速比和各級的傳動比 減速器的設(shè)計步驟是先用 PRO/E 軟件三維造型。然后根據(jù)三維造型，進(jìn)行各 零部件的尺寸計算，校核。最后根據(jù)計算

19、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： ；0.64/15vradsr 車輪轉(zhuǎn)速： ；2.7minn 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 X 頁 共 X 頁 總減速比： ；140=8.7ni總 2 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 ， 。12(.34)ii15i23.7i 2.3.2 計算各個傳動軸運(yùn)動和動力參數(shù) 各軸由高速級到低速級依次設(shè)為軸、軸、軸、軸（工作軸）。 （1） 各軸轉(zhuǎn)速

20、軸 1400/1.01440r/minn0/im 軸 1400/5280r/min1 軸 / 280/3.7=76 r/min2i 軸 = =76 r/minn （2） 各軸輸入功率 軸 42.350.990.99 41.51WPdp12 軸 41.510.970.99 39.86W3 軸 39.860.970.99 38.28W2 軸 = 38.280.990.9535.64WP4 （3） 各軸輸入轉(zhuǎn)矩 軸 = 9550 = 955042.35/1440 = 0.28Tmdn12 20.9Nm 軸 = = 0.280.970.995 = 1.3423i 軸 = =1.340.970.993.

21、7 = 4.8 軸 = = 4.80.990.95 = 4.5T24 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( )Nm轉(zhuǎn)速（r/min） 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XI 頁 共 XI 頁 電動機(jī)軸 42.35 1400 軸 41.51 0.28 1400 軸 39.86 1.34 280 軸 38.28 4.8 76 軸 35.64 4.5 76 2.3.3 減速器各級齒輪的設(shè)計與計算 一、高速級減速齒輪的設(shè)計 （1）齒輪類型、精度、材料以及齒數(shù)的確定。 （a）按照之前設(shè)計好的傳動方案，選用的齒輪是直齒圓柱齒輪。 （b）行走機(jī)

22、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1Z24 齒輪的齒數(shù) 。21Z45120i （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 由公式： 21312. EtKTudHZ （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。 試選的載荷系數(shù) Kt = 1.3。 小齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩 。141.59.59.0.28Nm1pT= n 式中齒寬系數(shù) 可以查取圓柱齒輪的齒寬系數(shù)表，得到 。d1d= 式中的彈性影響

23、系數(shù) 可以，查取彈性影響系數(shù)表，得到的EZ 。 12EZ8Mpa 由齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限圖可以得到： 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XII 頁 共 XII 頁 小齒輪的接觸疲勞極限 ；lim1380Mpa 大齒輪的接觸疲勞極限 。li2 由應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的公式可以得到： ；91N=60njLh140(83651)=.780 。 9213.78.75i 按照材料的接觸疲勞壽命系數(shù)圖，取得： ， 。 0.8HN1K20.93HN 計算接觸疲勞許用應(yīng)力。 選取的失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1，則： ；1lim0.834.MpaHNKS 。2li295 （b）齒輪參數(shù)的計算 試算小齒輪分度圓直徑

24、,代人 中較小的值t1dH 2312. EtKTuZ 。 3232.081(5)8=14.m 計算齒輪轉(zhuǎn)動時是的圓周速度 v 。1td.0v.9/6061ns 計算齒輪的齒寬 b 。d12tm 計算齒輪的齒寬與齒高之比 b/h 齒輪的模數(shù)： ；10.5Z24tt 輪齒的高度： ；h.tm 齒高與齒寬之比： 。b1067.25 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XIII 頁 共 XIII 頁 計算齒輪的載荷系數(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 。VK 由使用系數(shù)表，查得的使用系數(shù) K =1 。A 因為是直齒輪，所以 。1FH= 由齒向載荷分布系數(shù)表，

25、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) 。HK1.5AVH1.051.87 按實際的載荷系數(shù)校正后，所算得的分度圓直徑 331.87d122.mttk 計算齒輪的模數(shù) m： 1.50.34dZ 查取齒輪的模數(shù)表，取得 m=0.6。 ,故取小齒輪齒數(shù)為 22。12.81.7506Z ，取 。2520Z （c）齒輪幾何尺寸計算 齒輪的分度圓直徑 ；1d=m.6=413.m 。20Z 兩個配對齒輪的中心距 。12.a9.6d 大齒輪的寬度 ，d1b3. 圓整后取小齒輪齒寬 ，大齒輪齒寬 。2B4m1Bm 二、低速級減速齒輪設(shè)計 （1）選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)。

26、 （a）按設(shè)計的傳動方案，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。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XIV 頁 共 XIV 頁 （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1Z24 輪的齒數(shù) 取 。212Z43.78.i2Z89 （2）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度來設(shè)計 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 試選取的載荷系數(shù)為 Kt=1.3。 小齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩 。139.86.51.201pT= 9.5Nmn 式中

27、齒寬系數(shù) 可以查取圓柱齒輪的齒寬系數(shù)表，得到 。dd= 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EZ 。 12EZ8Mpa 查齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限圖得： 小齒輪接觸疲勞極限 lim1380Mpa 大齒輪接觸疲勞極限 li2 由應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的公式得 81N=60njLh801(365)=7.10827.32.i 由接觸疲勞壽命系數(shù)圖，取 ， 。0.91HNK20.96HN 計算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概念為 1%，安全系數(shù) S=1,則：1lim0.9385.4MpaHNS2li261K （ b）齒輪參數(shù)的計算 試算小齒輪分度圓直徑 ,代人 中較小的值t1dH 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文

28、） 第 XV 頁 共 XV頁 21312. EtKTudHZ3232.60(.71)8=9.5m54 計算齒輪轉(zhuǎn)動時的圓周速度 v 1td.9.0v./s6061n 計算齒輪輪齒的齒寬 b d1b.5.mt 計算齒寬與齒高之比 b/h 齒輪的模數(shù)： 19.m0.83Z24tt 輪齒的高度： h.5.7t 輪齒的寬度和高度之比： b1950.6.8 計算載荷系數(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。VK 由使用系數(shù)表，查得的使用系數(shù) K =1。A 因為是直齒輪，所以 。1FH= 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

29、置時 。故載荷系數(shù) 。HK1.5AVH1.0251.4 按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑 。331.4d9.2.1mtk 計算模數(shù) m ，查齒輪模數(shù)表，取 m=1。1.0.8dZ ,故取小齒輪齒數(shù)為 22。 ，取12.dZ 23.78.Z 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XVI 頁 共 XVI 頁 。289Z （c）齒輪幾何尺寸計算 齒輪的分度圓直徑 ；1d=Zm21= 。289 兩配對齒輪的中心距 ；12a5.m 計算大齒輪的寬度 ；d1b 圓整后取大齒輪的寬度： ，小齒輪的寬度： 。2B1B27 由以上計算所得的齒輪參數(shù)如表 2.3。 表 2.3 齒輪參數(shù) 參數(shù) d m z a b 大

30、 66 110 14 高速級 小 13.2 0.6 22 39.6 19 大 89 89 22 低速級 小 22 1 22 55.5 27 20 2.3.4 減速器內(nèi)各軸的設(shè)計 軸的設(shè)計。 （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）計算軸的最小直徑 按扭矩來計算軸的最小直徑,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: -3331min041.50.7mpdA 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XVII 頁 共 XVII 頁 考慮到螺紋，鍵槽在一定程度上對軸

31、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，1mind ，故軸的直徑完全能滿足設(shè)計的需要，也就不用校核軸的強(qiáng)度了。16d （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 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。

32、 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

33、。 由以上的計算可以得出軸的全部尺寸，如圖 2.3 所示。: 圖 2.3 軸的尺寸圖 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XVIII 頁 共 XVIII 頁 其他各軸的尺寸計算與軸的計算過程雷同，在此不一一寫出，只列出其他 軸的尺寸圖。 軸的尺寸圖如圖 2.4 所示。 圖 2.4 軸的尺寸圖 軸的尺寸圖如圖 2.5 所示。 圖 2.5 軸的尺寸圖 減速器其他部分結(jié)構(gòu)尺寸由機(jī)械設(shè)計手冊查得，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 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第

34、 XIX 頁 共 XIX 頁 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 計算軸上最小直徑。 按扭矩來計算軸的最小直徑,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: -3331min05.641018.5m7pdA 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，1mind ，故軸的直徑完全能滿足設(shè)計的需要

35、，也就不用校核軸的強(qiáng)度了。10d 軸上各段具體尺寸的計算。 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

36、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， 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XX 頁 共 XX頁 L6=13。 由以上的計算可以得出驅(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 轉(zhuǎn)向部分的設(shè)計依然是遵循先三維造型后計算的原則，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

37、如圖 3.1 所示，齒輪在該圖中沒有表達(dá)，因為齒輪 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。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XXI 頁 共 XXI 頁 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，首先要計算出轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，得出計算結(jié)果后，再根據(jù) 步進(jìn)電機(jī)的最

38、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)矩計算： 輪胎與地面的摩擦力： ；0.236Nfmg 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=3010=300Nm=0.3Nm 考慮到啟動轉(zhuǎn)矩比靜轉(zhuǎn)矩要大一些，還有傳 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XXII 頁 共 XXII 頁 動過程中的損耗，取 T=0.31.5=0.45Nm 。 根據(jù)計算的結(jié)果，查步進(jìn)電機(jī)的選用表

39、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 (Nm) 轉(zhuǎn)動慣量 (Nm) 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

40、 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 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）

41、第 XXIII 頁 共 XXIII 頁 3.2 轉(zhuǎn)向支架的設(shè)計 支架的單獨三維造型如圖 3.4 所示。 圖 3.4 支架的三維造型圖 前輪支架的設(shè)計主要考慮的因素有輪的直徑和傳動部分軸的直徑等。 計算支架組件中軸的最小直徑 通過扭矩來計算軸的最小的直徑, 考慮到安裝了聯(lián)軸器的軸段僅僅受到扭矩。 則: 33min 0.4517.2.1m2pTdt 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ind 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=2

42、1mm。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?L=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。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XXIV 頁 共 XXIV 頁 圖 3.5 支架組件的簡圖 4 輪和底板的設(shè)計 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。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論

43、文） 第 XXV 頁 共 XXV 頁 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。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XXVI 頁 共 XXVI 頁 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 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，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

44、，中間凹下去的是 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XXVII 頁 共 XXVII 頁 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，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。從開始接到設(shè)計的題目到方案的確定，再到設(shè)計的完成，我花費了 大量的時間來查閱資料和設(shè)計，并對以前學(xué)過的知識進(jìn)行了一次系統(tǒng)性的總

45、結(jié)。 這是我第一次在有導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立的完成一個課題的設(shè)計，通過這次設(shè)計我 開始獨立的學(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)計程序，加上我我的水平有限，設(shè) 計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。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XXVIII 頁 共 XXVIII 頁 致謝 在畢業(yè)設(shè)計期間，無論是外文翻譯、開題報告以及設(shè)計方案的確定、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)

46、。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。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 XXIX 頁 共 XXIX 頁 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)：2633 . 2 李開生,張慧慧,費仁元,宗光華. 制造業(yè)自動化J. 2008,22 (6)：5864. 3 謝森林，董曉慶. 智能導(dǎo)游機(jī)器人的研制J. 科技信息，2009,(6): 8485. 4 陳軍，陳振華

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