全向移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
《全向移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)》由會(huì)員分享,可在線閱讀,更多相關(guān)《全向移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)(17頁(yè)珍藏版)》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。
1 緒 論 1 1 緒 論 言 移動(dòng)機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。在軍事、危險(xiǎn)操作和服務(wù)業(yè)等許多場(chǎng)合得到應(yīng)用,需要機(jī)器人以無(wú)線方式實(shí)時(shí)接受控制命令,以期望的速度、方向和軌跡靈活自如地移動(dòng)。 移動(dòng)機(jī)器人按照移動(dòng)方式可分為輪式、履帶式、腿足式等,其中輪式機(jī)器人由于具有機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、活動(dòng)靈活等特點(diǎn)尤為受到青睞。按照移動(dòng)特性又可將移動(dòng)機(jī)器人分為非全方位和全方位兩種。而輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的類型也很多,對(duì)于一般的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu),都不能進(jìn)行任意的定位和定向,而全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)則可以利用車(chē)輪所具有的定位和定向功能,實(shí)現(xiàn)可在二維 平面上從當(dāng)前位置向任意方向運(yùn)動(dòng)而不需要車(chē)體改變姿態(tài),在某些場(chǎng)合有明顯的優(yōu)越性;如在較狹窄或擁擠的場(chǎng)所工作時(shí),全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)因其回轉(zhuǎn)半徑為零而可以靈活自由地穿行。另外,在許多需要精確定位和高精度軌跡跟蹤的時(shí)候,全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)可以對(duì)自己的位置進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。由于全方位輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有一般輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)法取代的獨(dú)特特性,對(duì)于研究移動(dòng)機(jī)器人的自由行走具有重要意義,成為機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。 基于以上所述,本文從普遍應(yīng)用出發(fā),設(shè)計(jì)一種全方位運(yùn)動(dòng)機(jī)器人平臺(tái),該平臺(tái)能夠沿任何方向運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)靈活。本文是機(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(tái)參考和有用的思路。 內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 外全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 國(guó)外很多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了全方位移動(dòng)機(jī)器人的研制工作,在車(chē)輪設(shè)計(jì)制造,機(jī)器人上輪子的配置方案,以及機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等方面,進(jìn)行了廣泛的研究,形成了許多具有不同特色的移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品。這方面日本、美國(guó)和德國(guó)處于領(lǐng)先地位。八十年代初期,美國(guó)在 支持下,卡內(nèi)基 梅隆大學(xué)( 、斯坦福( 和麻 省理工( 等院校開(kāi)展了自主移動(dòng)車(chē)輛的研究, 開(kāi)展了這方面的研究。 國(guó)聯(lián)邦國(guó)防大學(xué)和奔馳公司于二十世紀(jì)九十年代研制成 動(dòng)機(jī)器人。其車(chē)體采用奔馳 500 轎車(chē)。傳感器系統(tǒng)包括: 4個(gè)小型彩色 成兩 組主動(dòng)式雙目視覺(jué)系統(tǒng); 3個(gè)慣性線性加速 度計(jì)和角度變化傳感器。 2 1999年推出的寵物機(jī)器狗 、哀、厭、驚和奇 6種情感狀態(tài)。它能爬行、坐立、伸展和打滾,而且摔倒后可以立即爬起來(lái)。本田公司 1997 年研制的 3 類人機(jī)器人代表雙足步行機(jī)器人的最高水平。它重 130 公斤、 作時(shí)間為 25分鐘,最大步行速度為 小時(shí)。 國(guó)外研究的一些典型的全方位輪有麥克納姆輪、正交輪、球輪、偏心方向輪等。下面就這些輪進(jìn)行介紹。 麥克納姆輪,如圖 示,它由輪輻和固定在外周的許多小滾子構(gòu)成, 輪子和 滾子之間的夾角為 Y,通常夾角 Y 為 45,每個(gè)輪子具有三個(gè)自由度,第一個(gè)是繞輪子軸心轉(zhuǎn)動(dòng),第二個(gè)是繞滾子軸心轉(zhuǎn)動(dòng),第三個(gè)是繞輪子和地面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。輪子由電機(jī)驅(qū)動(dòng),其余兩個(gè)自由度自由運(yùn)動(dòng)。由三個(gè)或三個(gè)以上的 可以構(gòu)成全方位移動(dòng)機(jī)器人。 圖 麥克納姆輪 198411 麥克納姆輪應(yīng)用 正交輪,由兩個(gè)形狀相同的球形輪子 (削去球冠的球 )架,固定在一個(gè)共同的殼體上構(gòu)成,如圖 示 個(gè)自由度,即繞輪子架的電 機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)和繞輪子軸心的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)輪子架的轉(zhuǎn)動(dòng)軸方向相同,由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng),兩個(gè)輪子的軸線方向相互垂直,因而稱為正交輪。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所所研制的全方位移動(dòng)機(jī)器人采用了這種結(jié)構(gòu),如圖 3 圖 交輪 圖 交輪的應(yīng)用 球輪由一個(gè)滾動(dòng)球體、一組支撐滾子和一組驅(qū)動(dòng)滾子組成,其中支撐滾子固定在車(chē)底盤(pán)上,驅(qū)動(dòng)滾子固定在一個(gè)可以繞球體中心轉(zhuǎn)動(dòng)的支架上,如圖 示。每個(gè)球輪上的驅(qū)動(dòng)滾子由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng),使球輪繞驅(qū)動(dòng)滾子 所構(gòu)成平面的法線轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)可以繞垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 球 輪 圖 輪的應(yīng)用 偏心萬(wàn)向輪,如圖 示,它采用輪盤(pán)上不連續(xù)滾子切換的運(yùn)動(dòng)方式,輪子在滾動(dòng)和換向過(guò)程中同地面的接觸點(diǎn)不變,因而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)使機(jī)器人振動(dòng),同時(shí)明顯減少了機(jī)器人打滑現(xiàn)象的發(fā)生 。 圖 圖 心萬(wàn)向輪的應(yīng)用 內(nèi) 全方位移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 我國(guó)在移動(dòng) 機(jī)器人方面的研究工作起步較晚,上世紀(jì)八十年代末,國(guó)家 863計(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域自動(dòng)機(jī)器人主題確立立項(xiàng),開(kāi)始了這方面的研究。在國(guó)防科工委和國(guó)家 863計(jì)劃的資助下,由國(guó)防科大、清華大學(xué)等多所高校聯(lián)合研制軍用戶外移動(dòng)機(jī)器人 于 1995年 12月通過(guò)驗(yàn)收。 車(chē)上有二維彩色攝像機(jī)、三維激光雷達(dá)、超聲傳感器。其體系結(jié)構(gòu)以水平式機(jī)構(gòu)為主 ,采用傳統(tǒng)的“感知 規(guī)劃 法 ,其直線跟蹤速度達(dá)到 20km/h。避障速度達(dá)到 5h。 上海大學(xué)研制了一種全方位越障爬壁機(jī)器人 ,針 對(duì)清洗壁面作業(yè)對(duì)機(jī)器人提出的特殊要求,研制了可越障輪式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu) 車(chē)輪組機(jī)構(gòu) ,該機(jī)構(gòu)保證機(jī)器人可在保持姿態(tài)不變的前提下 ,沿壁面任意方向直線移動(dòng) ,或在原地任意角度旋轉(zhuǎn) ,同時(shí)能跨越存在于機(jī)器人運(yùn)行中的障礙 ,不需要復(fù)雜的輔助機(jī)構(gòu) 4 來(lái)實(shí)現(xiàn)平面上運(yùn)動(dòng)和越障運(yùn)動(dòng)之間轉(zhuǎn)換。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李瑞峰,孫笛生,劉廣利等人研制的移動(dòng)式作業(yè)型智能服務(wù)機(jī)器人,并對(duì)課題當(dāng)中的一些關(guān)鍵技術(shù),如新型全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)、七自由度機(jī)器人作業(yè)手臂和多傳感器信息融合等技術(shù),最后給出了移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)控制方案。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的閆國(guó)榮,張海兵研究一 種新型全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu),這種全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)當(dāng)中的輪子與麥克納姆輪的區(qū)別在于:這種全方位輪使小滾子軸線與輪子軸線垂直,則輪子主動(dòng)的滾動(dòng)和從動(dòng)的橫向滑移之間將是真正相互獨(dú)立的;輪子正常轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),輪緣上的小滾子也將是純滾動(dòng),如圖 圖 全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真圖 要研究?jī)?nèi)容 本課題從普遍應(yīng)用出發(fā),設(shè)計(jì)一種全向運(yùn)動(dòng)機(jī)器人平臺(tái),該平臺(tái)能夠沿任何方向運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)靈活。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(tái)參考和有用的思路 。 本文研究?jī)?nèi)容主要有: 了 解和分析已有的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的工作原理和結(jié)構(gòu),對(duì)比它們的優(yōu)劣點(diǎn)。在這些基礎(chǔ)上提出可行性方案,并選擇最佳方案來(lái)設(shè)計(jì)。根據(jù)選定的方案對(duì)全方位移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行本體設(shè)計(jì),包括全方位車(chē)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、車(chē)輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。要求全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向、移動(dòng)靈活,可以快速、有效的到達(dá)指定地點(diǎn)。設(shè)計(jì)完成后要分析全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能,為后續(xù)的研究提供可靠的參考和依據(jù)。 5 2 全向移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 言 機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì)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(tái)參考和有用的思路 。 全方位移 動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)在平面內(nèi)任意角度的移動(dòng),能夠以一定姿態(tài)到達(dá)預(yù)定位置。根據(jù)這一總體思想,進(jìn)行本機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的本體設(shè)計(jì)。 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求,包括對(duì)機(jī)器整機(jī)的設(shè)計(jì)要求和對(duì)組成零件的設(shè)計(jì)要求兩個(gè)方面,兩者相互聯(lián)系、相互影響。 對(duì)機(jī)器使用功能方面的要求:實(shí)現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機(jī)械設(shè)計(jì)的最基本的要求,好的使用性能指標(biāo)是設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。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(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)所要求的。 對(duì)機(jī)器經(jīng)濟(jì)性的要求:機(jī)器的 經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在設(shè)計(jì)、制造和使用的全過(guò)程中,在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)要全面綜合的進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)為合理的功能定位、實(shí)現(xiàn)使用要求的最簡(jiǎn)單的技術(shù)途徑和最簡(jiǎn)單合理的結(jié)構(gòu)。 機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本單元,對(duì)機(jī)器的設(shè)計(jì)要求最終都是通過(guò)零件的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn),所以設(shè)計(jì)零件時(shí)應(yīng)滿足的要求是從設(shè)計(jì)機(jī)器的要求中引申出來(lái)的,即也應(yīng)從保證滿足機(jī)器的使用功能要求和經(jīng)濟(jì)性要求兩方面考慮。 要求在預(yù)定的工作期限內(nèi)正??煽康墓ぷ?,從而保證機(jī)器的各種功能的正常實(shí)現(xiàn)。這就要求零件在預(yù)定的壽命內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生各種可能的失效,即要求零件 在強(qiáng)度、剛度、震動(dòng)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(zhǔn)則。 要盡量降低零件的生產(chǎn)成本,這要求從零件的設(shè)計(jì)和制造等多方面加以考慮。設(shè)計(jì)時(shí)合理的選擇材料和毛坯的形式、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理的零件結(jié)構(gòu)、合理規(guī)定零件加工的公差等級(jí)以及認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化的零部件。 任何一種機(jī)器都有動(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)裝置和工作機(jī)組成。動(dòng)力機(jī)是機(jī)器工作的能量來(lái)源,可以直接利用自然資源(也稱為一次能源)或二次能源轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,如內(nèi)燃機(jī)、氣輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)馬達(dá) 、水輪機(jī)等。工作機(jī)是機(jī)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu),用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)能力,如機(jī)器人的末端執(zhí)行器就是工作機(jī)。傳動(dòng)裝置則是一種實(shí)現(xiàn)能量傳遞和兼有其它作用的裝置。 6 方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的研制 在設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人本體時(shí)應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則: ( 1)總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸,便于平時(shí)的實(shí)驗(yàn)、調(diào)試和修理。 ( 2)應(yīng)給機(jī)器人暫時(shí)未安裝的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置,以備將來(lái)功能改進(jìn)與擴(kuò)展。 對(duì)比緒論中各轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),本文選用全方位輪式機(jī)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)。全方位輪式機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)包括縱向、橫向和自轉(zhuǎn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng) 7 。 車(chē)輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征與其他移動(dòng)機(jī)構(gòu)相比車(chē)輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)有下列一些優(yōu)點(diǎn):能高速穩(wěn)定的移動(dòng),能量利用率高,機(jī)構(gòu)的控制簡(jiǎn)單,而且它可以能夠借鑒日益完善的汽車(chē)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)等。它的缺點(diǎn)是移動(dòng)只限于平面。目前,需要機(jī)器人工作的場(chǎng)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(gè)意義上 車(chē)輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)的利用價(jià)值可以說(shuō)是非常高的。圖 全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖。 輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)預(yù)期設(shè)計(jì)要求實(shí)現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn),可調(diào)速,便于控制。 車(chē)輪的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向是獨(dú)立控制的, 全方 位移動(dòng)機(jī)器人采用兩驅(qū)動(dòng)輪、兩從動(dòng)輪結(jié)構(gòu),驅(qū)動(dòng)輪、從動(dòng)輪對(duì)角線布置。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制兩驅(qū)動(dòng)輪同步轉(zhuǎn)向。 圖 方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 動(dòng)機(jī)器人車(chē)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 在車(chē)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中,主要考慮了以下模型,如 圖可以看出,模型 a 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是車(chē)輪與地面接觸面積小,可能產(chǎn)生打滑現(xiàn)象,且對(duì)電機(jī)軸形成一個(gè)彎矩,容易對(duì)電機(jī)軸造成破壞。模型 b 采用電機(jī)內(nèi)嵌式結(jié)構(gòu),增大了車(chē)輪與地面接觸面積,減小了打滑現(xiàn)象,但電機(jī)固定比 較困難。 綜合兩種模型的優(yōu)缺點(diǎn),設(shè)計(jì)如圖 所示結(jié)構(gòu) 9 ,將電機(jī)內(nèi)嵌在車(chē)輪內(nèi)部,既增大車(chē)輪與地面的接觸面積,又縮短了整個(gè)結(jié)構(gòu)的軸向距離。為了保持輪子受力平衡使整個(gè)機(jī)構(gòu)可以平穩(wěn)運(yùn)動(dòng),將輪子設(shè)計(jì)為兩個(gè)一組來(lái)實(shí)現(xiàn)。 7 圖 轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)圖 采用了深溝球軸承作為徑向支承,一方面避免了車(chē)輪對(duì)電機(jī)產(chǎn)生彎矩;另一方面保證了車(chē)輪的剛度。軸承外圈與車(chē)輪內(nèi)表面配合,由于內(nèi)圈并不能與電機(jī)直接配合 ,設(shè)計(jì)了一個(gè)電機(jī)殼結(jié)構(gòu),作電機(jī)和軸承的連接。 圖 旋轉(zhuǎn)部分示意圖 圖 旋轉(zhuǎn)部分機(jī)構(gòu)圖 8 車(chē)輪旋轉(zhuǎn)部分的具體結(jié)構(gòu)分為五個(gè)部分: ( 1)兩個(gè)軸承由彈性擋圈和電機(jī)殼軸肩軸向定位;通過(guò)電機(jī)殼外表面徑向定位通過(guò)電機(jī)軸外表面徑向定位。此外 ,此處選用深溝球軸承作為支撐 同時(shí)也可以承載小的軸向載荷。選用它就可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求 ,而且深溝球軸承經(jīng)濟(jì)性好 ,方便購(gòu)買(mǎi)。而作為徑向支撐 ,它主要避免了車(chē)輪對(duì)電機(jī)產(chǎn)生彎矩。 ( 2)電機(jī)預(yù)裝在電機(jī)殼上,依靠電機(jī)殼凸緣軸向定位;但徑向定位不能利用電機(jī)定位止口定位,只能采用車(chē)輪調(diào)整電機(jī)軸的同心完成徑向定位。 ( 3)車(chē)輪依靠軸承的外圈定位,然后再通過(guò)車(chē)輪與電機(jī)軸聯(lián)接。這個(gè)過(guò)程也是調(diào)整電機(jī)軸同心,然后從車(chē)輪側(cè)面的預(yù)留安裝孔將電機(jī)緊固在電機(jī)殼上。 ( 4)整個(gè)車(chē)輪分為兩部分組合而成。一個(gè)是帶有軸徑的車(chē)輪 ,另一個(gè)是不帶軸徑的輪子 ,兩者相配合使用組成一組完整的車(chē)輪。而車(chē)輪軸徑與車(chē)體支撐件以滾動(dòng)摩擦的形式配合使用 ,并且作為兩車(chē)輪的軸向定位件。兩部分車(chē)輪最終的固定是通過(guò)外側(cè)的內(nèi)六角螺釘連接實(shí)現(xiàn)的。具體結(jié)構(gòu)如圖 ( 5)整個(gè)旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成 ,但它必須與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接起來(lái)才能實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。后一小節(jié)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)向軸與此部分連接,最終實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。 至此,全方位移動(dòng)機(jī)器人的車(chē)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢。 動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向部分主要由轉(zhuǎn)向軸、軸承、壓盤(pán)、齒輪、轉(zhuǎn)向電機(jī)以及轉(zhuǎn)向電機(jī)固定架組成。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的 基本路線是從上而下。如圖 圖 向部分示意圖 9 圖 向部分結(jié)構(gòu)圖 ( 1)轉(zhuǎn)向軸 轉(zhuǎn)向軸分兩部分,一部分為軸與齒輪鍵槽連接并通過(guò)軸承和壓蓋與平臺(tái)車(chē)體用卡簧連接。另一部分為軸承套與軸焊接,內(nèi)部裝圓柱滾子軸承,軸承與驅(qū)動(dòng)輪裝配。與車(chē)輪兩端用擋環(huán)隔開(kāi)。 ( 2)齒輪 與轉(zhuǎn)向電機(jī)連接的齒輪選用 m=5,z=16 直齒齒輪,與轉(zhuǎn)向軸連接的齒輪選用m=5,z=48直齒齒輪。具體的齒輪計(jì)算和轉(zhuǎn)向電機(jī)的選 型將在后一小結(jié)闡述。 ( 3)轉(zhuǎn)向電機(jī)固定架 如圖 轉(zhuǎn)向電機(jī)固定架,通過(guò)固定轉(zhuǎn)向電機(jī)底部與平臺(tái)車(chē)體永螺栓連接,在轉(zhuǎn)向電機(jī)工作中可以防止電機(jī)的自傳和徑向運(yùn)行的平穩(wěn)。這種設(shè)計(jì)可以將轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的整體重量通過(guò)箱體的兩臂傳到車(chē)體上,進(jìn)而施于整個(gè)重量施輪子。那么轉(zhuǎn)軸的受力將大大的減小。而且這樣設(shè)計(jì)拆卸方便,利于維修。采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)固定于空間內(nèi),有利于穩(wěn)定整個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),并提高整個(gè)全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的性能。 圖 向電機(jī)固定架結(jié)構(gòu)圖 至此,整個(gè)全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械本體設(shè)計(jì)完畢。 10 機(jī)的選型與計(jì)算 在機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器一般采用以下幾種電機(jī):直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)。幾種電機(jī)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行如表 示。 表 種電機(jī)比較 電機(jī)類型 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn) 直流電機(jī) 容易購(gòu)買(mǎi) 型號(hào)多 功率大 接口簡(jiǎn)單 轉(zhuǎn)速太快,需減速器 電流較大 較難與車(chē)輪裝配 價(jià)格較貴 控制復(fù)雜( 步進(jìn)電機(jī) 精確的速度控制 型號(hào)多樣 適合室內(nèi)機(jī)器人的速度 接口簡(jiǎn)單 價(jià)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(chē)輪裝配,負(fù)載能力低 功率小 舵 機(jī) 內(nèi) 部帶有齒輪減速器 型號(hào)多樣 適合室內(nèi)機(jī)器人的速度 接口簡(jiǎn)單 功率中等 價(jià)格便宜 負(fù)載能力低 速度調(diào)節(jié)的范圍小 ( 1) 舵機(jī) 1)什么是舵機(jī): 在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中,舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。舵機(jī)可以在微機(jī)系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu),其簡(jiǎn)單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與之接口。舵機(jī)是一種位置(角度)伺服的驅(qū)動(dòng)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(jī)模型,潛艇模型;遙控機(jī)器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵 機(jī)是一種俗稱,其實(shí)是一種伺服馬達(dá)。 2)舵機(jī)的工作原理: 控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片,獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路,產(chǎn)生周期為 20度為 基準(zhǔn)信號(hào),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(fù)輸出到電機(jī) 11 驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí),通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn),使得電壓差為 0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)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(lái)做開(kāi)關(guān)管或放大管就行了, 至于管內(nèi)的電子具體怎么流動(dòng)是可以完全不用去考慮的。 ( 2)步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)作為一種新型的自動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu),得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,進(jìn)入了一些高、精、尖的控制領(lǐng)域。步進(jìn)電機(jī)雖然有一些不足,如啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大時(shí)易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn),停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖,且一般無(wú)過(guò)載能力,往往需要選取有較大轉(zhuǎn)距的電機(jī)來(lái)克服慣性力矩。但步進(jìn)電機(jī)點(diǎn)位控制性能好,沒(méi)有積累誤差,易于實(shí)現(xiàn)控制,能夠在負(fù)載力矩適當(dāng)?shù)那闆r下,以較小的成本與復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)電機(jī)的同步控制。 ( 3)直流電機(jī) 最大的優(yōu)點(diǎn)就是直流電機(jī)可以實(shí)現(xiàn) “平滑而經(jīng)濟(jì)的 調(diào)速 ”;直流電機(jī)的調(diào)速不需要其它設(shè)備的配合,可通過(guò)改變輸入的電壓 /電流,或者勵(lì)磁電壓 /電流來(lái)調(diào)速。 直流電機(jī)的最大弱點(diǎn) 就是有電流的換向問(wèn)題,消耗有色金屬較多,成本高,運(yùn)行中的維護(hù)檢修也比較麻煩。因此,電機(jī)制造業(yè)中正在努力改善交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能,并且大量代替直流電動(dòng)機(jī)。不過(guò),近年來(lái)在利用可控硅整流裝置代替直流發(fā)電機(jī)方面,已經(jīng)取得了很大進(jìn)展 綜上所述對(duì)于本課題來(lái)說(shuō)選用直流電機(jī)。移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)速度最高為 u= /秒,車(chē)輪直徑 d=120機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)最高 80 轉(zhuǎn) /分左右。如果用直流電機(jī) ,由于受轉(zhuǎn)速的影響,所以要配減速器。 下面對(duì)旋轉(zhuǎn)直流電機(jī)型號(hào)進(jìn)行選擇,輪式移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)的時(shí)候,需要克服兩種阻力:摩擦力和重力。對(duì)于平面內(nèi)移動(dòng)的機(jī)器人來(lái)講則只需要克服摩擦力。全方位移動(dòng)機(jī)器人整體重量加載重量在 40右,地面摩擦系數(shù)按金屬與混凝土之間的取為 機(jī)器人需要的總功率為: ( 4 0 9 . 8 0 . 5 ) 0 . 5 9 8P f v W 總 則平均每組車(chē)輪提供的功率為 50 瓦。 對(duì)于單個(gè)車(chē)輪而言: M r ( 2 車(chē)輪直徑為 120電機(jī)需要提供的轉(zhuǎn)矩為: 605 0 6 0 0 00 . 5 m N ( 2 因此,選擇了北京博創(chuàng)公司的 36:76) 型號(hào)電機(jī)和減速器。靜轉(zhuǎn)矩為 該電機(jī)在相近產(chǎn)品中具有在轉(zhuǎn)速變高一定范圍內(nèi)能夠保持平穩(wěn)的力矩。 12 下面選擇轉(zhuǎn)向電機(jī),機(jī)器人對(duì)轉(zhuǎn)向速度要求較低,對(duì)位置精度比較嚴(yán)格。轉(zhuǎn)向電機(jī)主要是使車(chē)輪實(shí)現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn),克服地面摩擦力,要求的轉(zhuǎn)速不高,因此主要 計(jì)算電機(jī)靜力矩。 在這里我們假設(shè)每個(gè)車(chē)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(gè)車(chē)輪的摩擦力為: 1 4 0 9 . 8 0 . 5 9 84 ( 2 由于車(chē)輪是零半徑回轉(zhuǎn),所以克服的摩擦力矩為: 02 / 22l fM x d x f ( 2 式中 l 單個(gè)車(chē)輪的寬度 設(shè)計(jì)車(chē)輪與地面接觸總寬度為 88 44l 所以克服的力矩為 。實(shí)際上車(chē)輪不是與地面呈線接觸,保證一定余量,并便于總體考慮選擇和驅(qū)動(dòng)同型號(hào)電機(jī) 力矩為 m 。 綜合驅(qū)動(dòng)輪軸距,驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)向時(shí)電機(jī)是否超出車(chē)體,轉(zhuǎn)向速度等因素。選用m=5,z=16直齒齒輪作為主動(dòng)齒輪,選用 m=5,z=48 直齒齒輪作為從動(dòng)齒輪。速度比為 1:3。轉(zhuǎn)向電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速大約 6200以 減速器選擇 :96)。車(chē)輪轉(zhuǎn)向的時(shí)候轉(zhuǎn)向速度大約為 20全滿足操控穩(wěn)定性的要求 下面是所選電機(jī)的外形尺寸和減速器的外形尺寸。 13 設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人車(chē)體是應(yīng)遵循以下幾個(gè)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)在設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)應(yīng)能夠給機(jī)器人暫時(shí)沒(méi)有安裝的傳感器、功能元件、電池等元件預(yù)留安裝位置,以備將來(lái)功能改進(jìn)和擴(kuò)展。 車(chē)體是實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)連接的部分,也是安裝其他元件的主體。它同樣是保證機(jī)器人具 有良好的環(huán)境適應(yīng)能力的關(guān)鍵。本結(jié)構(gòu)的空間設(shè)計(jì)使得機(jī)器人機(jī)構(gòu)緊湊,易于維護(hù),而且提高了機(jī)器人控制系統(tǒng)的抗干擾能力。 車(chē)體結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)器人是一種高度集成的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它不是機(jī)械裝置和電子裝置的簡(jiǎn)單組合,而是機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的有機(jī)融合。本文雖只設(shè)計(jì)機(jī)械本體部分,但設(shè)計(jì)過(guò)程要完全考慮各部分的因素。而移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu),它是移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)能否完成指定任務(wù)的基礎(chǔ)。 本文在設(shè)計(jì)過(guò)程中圍繞平面內(nèi)任意角度移動(dòng)這一思路展開(kāi)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了可避免對(duì)電機(jī)軸形成彎矩的車(chē)輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),通過(guò)優(yōu)化車(chē)輪的 直徑與電機(jī)的匹配,使其車(chē)輪能夠在 s 調(diào)速;設(shè)計(jì)了車(chē)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),可使車(chē)輪實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向。 14 3. 機(jī)械材料選擇和零件的校核 機(jī)械零件材料的選擇是機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題,不同材料制造的零件不但機(jī)械性能不同,而且加工工藝和結(jié)構(gòu)形狀也有很大差別。機(jī)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(fù)雜的復(fù)合材料等。 選擇材料主要應(yīng)考慮以下三方面的問(wèn)題。 使用要求一般包括:零件的受載情況和工作狀況;對(duì)零件尺寸和質(zhì)量的限制;零件的重要程度等。 若零件尺寸取決于 強(qiáng)度,且尺寸和重量又受到某些限制,應(yīng)選用強(qiáng)度較高的材料。靜應(yīng)力下工作的零件,應(yīng)分布均勻的(拉伸、壓縮、剪切),應(yīng)選用組織均勻,屈服極限較高的材料;應(yīng)力分布不均勻的(灣區(qū)、扭轉(zhuǎn))宜采用熱處理后在應(yīng)力較大部位具有較高強(qiáng)度的材料。在變應(yīng)力工作的零件,應(yīng)選用疲勞強(qiáng)度較高的材料。零件尺寸取決于接觸強(qiáng)度的,應(yīng)選用可以金星表面強(qiáng)化處理的材料,如:調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、氮化鋼。 零件尺寸取決于剛度的,則應(yīng)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(zhì)合金鋼對(duì)提高零件的剛度沒(méi)有意義。截面積相同,改變零件的形狀 與結(jié)構(gòu)可使剛度有較大提高。 滑動(dòng)摩擦下工作的零件應(yīng)選用摩擦性能好的材料;在高溫下工作的零件應(yīng)選用耐熱材料;在腐蝕介質(zhì)中工作的零件應(yīng)選用耐腐蝕材料等。 材料的工藝要求有三個(gè)方面內(nèi)容 ( 1) 毛坯制造 大型零件且批量生產(chǎn)時(shí)應(yīng)用鑄造毛坯。形狀復(fù)雜的零件只有用毛坯才易制造,但鑄造應(yīng)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(chǎn),可用焊接件毛坯,但焊接件要考慮材料的可焊性和生產(chǎn)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(chǎn)的鍛件可用模鍛,少量生產(chǎn)時(shí)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(yīng)選用鍛造性能好的材料。 ( 2)機(jī)械加工 大批批量生產(chǎn)的零件可用自動(dòng)機(jī)床加工,以提高產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量,應(yīng)考慮零件材料的易切削性能、切削后能達(dá)到的表面粗糙度和表面性質(zhì)的變化等,應(yīng)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。 ( 1)經(jīng)濟(jì)性首先表現(xiàn)為材料的相對(duì)價(jià)格。當(dāng)用價(jià)格低廉的材料能滿足使用要求時(shí),就不應(yīng)該選用價(jià)格高的材料。這對(duì)大批量制造的零件尤為重要。 15 ( 2)當(dāng)零件的質(zhì)量不大而加工量很大,加工費(fèi)用在零件總成本中要占很 大的比例,這時(shí),選擇材料時(shí)所考慮的因素將不是相對(duì)價(jià)格而是其加工性能和加工費(fèi)用。 ( 3)要充分考慮材料的利用率。例如采用無(wú)切削或少切削毛坯,可以提高材料的利用率。此外,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)該設(shè)法提高利用率。 ( 4)采用局部品質(zhì)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(jià)材料代替價(jià)格相對(duì)昂貴的稀有材料。 另外選擇材料時(shí)應(yīng)盡量考慮當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的材料供應(yīng)情況,應(yīng)盡能的減小同一部機(jī)器上使用的零件材料品種和規(guī)格不同。 從材料選用原則的使用要求、加工要求和經(jīng)濟(jì)要求出發(fā),選擇機(jī)械本體個(gè)零部件的材料。 在機(jī)械手臂中各傳動(dòng)件是關(guān)鍵性零件,如傳動(dòng)軸和齒輪系,它們的強(qiáng)度、剛度等機(jī)械性能直接影響機(jī)械手的工作質(zhì)量。 ( 1)軸材料的選擇 傳動(dòng)軸的常用材料有碳素鋼和合金鋼。碳素鋼對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較低,還可通過(guò)熱處理改變其綜合性能,價(jià)格也比合金鋼低廉,因此應(yīng)用較為廣泛,常用45 號(hào)鋼。合金鋼則具有更高的機(jī)械性能和更好的淬火性能。因此,在傳遞大動(dòng)力,并要求減小尺寸與質(zhì)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(dòng)結(jié)構(gòu)中的車(chē)輪,轉(zhuǎn)軸,螺紋軸采用 45號(hào)鋼,就完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求 的需要。 ( 2)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向軸強(qiáng)度校核 由于此軸最小軸徑是直徑為 10那段 ,所以只對(duì)這一段進(jìn)行校核就可以了。軸的運(yùn)動(dòng)主要受到扭轉(zhuǎn)力 ,所以只對(duì)其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核。 軸的扭轉(zhuǎn)校核公式為 : ( 4 式中:T 扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力,單位為 軸的抗扭截面系數(shù),單位為 3軸的材料為 45 號(hào)鋼 ,其允許扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為 35由第二章可知,轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)選擇的電機(jī)型號(hào)為 靜力矩 為 m 。即 T=9200 N 。 其截面如圖 示: 16 抗扭截面系數(shù): 3T W 16d 將數(shù)值帶入公式計(jì)算得: 3T W 1 8 8 . 2 5 則: 1400 7 . 4 4 3 51 8 8 . 2 5T a T P M 圖 截面 由此可知,設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度滿足要求,可以 使用。 ( 3)車(chē)輪的校核 車(chē)輪是整個(gè)機(jī)械部分的支撐,也是整個(gè)結(jié)構(gòu)受力最大的部分。這里從材料經(jīng)濟(jì)性和強(qiáng)度等方面選擇 45號(hào)鋼來(lái)制造。加工時(shí)為了增大車(chē)輪與接觸面的摩擦力,車(chē)輪表面要滾花處理,這樣更有利于機(jī)器人的移動(dòng)。 整個(gè)車(chē)輪部分承載的重量為 40于整個(gè)移動(dòng)機(jī)構(gòu)有四個(gè)車(chē)輪,這樣每個(gè)輪子受到的重量只有 10到的重力僅為 98N。輪子的直徑為 120個(gè)移動(dòng)部分的強(qiáng)度是非常大的,完全滿足設(shè)計(jì)的要求。 全方位移動(dòng)機(jī)器人各零部件所要求的強(qiáng)度、剛度等都不同,應(yīng)該選用不同的材 料來(lái)制造加工。所以本章就依據(jù)機(jī)器人在工作過(guò)程中各零部件不同受力情況,以及機(jī)械設(shè)計(jì)的要求選用了不同的材料來(lái)制造零件,并對(duì)零件進(jìn)行了強(qiáng)度校核,使其達(dá)到工作要求。 結(jié) 論 17 結(jié) 論 本文在了解已有的機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái),分析結(jié)構(gòu)和工作原理,對(duì)比它們的優(yōu)劣點(diǎn)。在這些基礎(chǔ)上提出了全方位移動(dòng)結(jié)構(gòu)的可行性方案,并選擇最佳方案來(lái)設(shè)計(jì)。 全方位移動(dòng)機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制和理論研究的基礎(chǔ),在設(shè)計(jì)過(guò)程中圍繞平面內(nèi)任意角度移動(dòng)這一思路展開(kāi)設(shè)計(jì)。縱觀本文,全方位移動(dòng)機(jī)器人可分 為兩個(gè)大部分即旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、。總結(jié)如下: 1本文采用車(chē)輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。從而設(shè)計(jì)了可避免對(duì)電機(jī)軸形成彎矩的車(chē)輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu),通過(guò)優(yōu)化車(chē)輪的直徑與電機(jī)的匹配,使其車(chē)輪能夠在 s 調(diào)速; 2設(shè)計(jì)了車(chē)輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),可使車(chē)輪實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向; 全方位移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì)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(tái)參考和有用的思路 。- 1.請(qǐng)仔細(xì)閱讀文檔,確保文檔完整性,對(duì)于不預(yù)覽、不比對(duì)內(nèi)容而直接下載帶來(lái)的問(wèn)題本站不予受理。
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