說明書-兩輪機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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有CAD圖紙和說明書,領(lǐng)取加Q 197216396 或 11970985 圖書分類號：密 級：兩輪機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)TWO WHELLED ROBOT WALKING MECHANISM DESIGN2摘要隨著科技的發(fā)展和社會的進(jìn)步，人們的出行方式越來越多元化，雙輪平衡車這種靈巧類短途代步工具已越來越多地進(jìn)入人們的視野。本文旨在對雙輪平衡車的行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，并開發(fā)出站立或者坐式兩種工作狀態(tài)，為腿腳不便的殘疾人提供靈便的出行方案，可以說有很好的研究價(jià)值和前景。多功能雙輪平衡車由踏板、車把和兩個(gè)平行的輪子和一個(gè)可拆卸的座椅組成。內(nèi)置了無刷永磁電機(jī)，鋰電池安裝在電機(jī)下方，控制電路分布于底盤以上，踏板以下。雙輪車的平衡保持主要依靠姿態(tài)傳感器（陀螺儀、加速度計(jì)）來傳遞信息，傳給CPU后，處理器會算出適當(dāng)數(shù)據(jù)，并發(fā)出相應(yīng)的指令，驅(qū)動電動機(jī)接到指令后，會產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，再通過軸和聯(lián)軸器傳給減速器，減速器再傳給車輪，車輪通過正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)來保持平衡。車體的轉(zhuǎn)彎通過車把的左右傾斜角度來控制，不同的傾斜角度對應(yīng)電機(jī)不同的速度差。當(dāng)然在安上座椅后，平衡車會自動切換另一種較為安全的駕駛模式，以便殘疾人安全使用。該系統(tǒng)靈活性強(qiáng)且結(jié)構(gòu)簡單、操作容易，是老少皆宜的出行散步的代步工具。 另外，在行走機(jī)構(gòu)中，將采用磁力機(jī)械提高傳動效率，增加平衡車的安全性和可靠性。 關(guān)鍵詞 行走機(jī)構(gòu)；自平衡；加速度計(jì)；磁力機(jī)械 AbstractWith the progress of society and the development of science and technology, the way people travel more and more diversified, dexterous two wheeled balancing car this kind of short distance transport has increasingly entered peoples vision. This paper aims to travel mechanism of balancing two wheeled vehicles were designed and studied in this paper, and develop a standing or sitting two working state, provide a handy travel program for people with disabilities in a cripple, can be said to have very good research value and prospects.Multifunctional wheel balance car is composed of a pedal, handlebar and two parallel wheels and a detachable seat. The wheel of the wheel motor is arranged in parallel with both sides of the pedal, and the power supply and the drive control circuit are installed under the pedal. System with attitude sensors (gyroscopes and accelerometers) to monitoring of the body in which the state space and state change rate, through high-speed central processing unit to calculate the appropriate data and instructions, driving motor forward or backward acceleration to achieve the body front and rear balance effect. The body turns through the handlebar control from the angle of tilt, tilt angle corresponding to different different motor speed difference. Of course, after the placement of the seat and the balance of the car will automatically switch on a safer driving mode, in order to use the safety of persons with disabilities. This system is flexible and has the advantages of simple structure, easy operation, can be used as the mass transport in a variety of occasions.In addition, in the running mechanism, the use of magnetic machinery to improve transmission efficiency, increase the balance of the safety and reliability of the car.Keywords Walking mechanism Self balancing gyroscope Magnetic machinery4目 錄摘要3Abstract4目 錄51 緒論11.1 課題背景11.2 雙輪自平衡機(jī)器人分類21.3雙輪機(jī)器人研究概況31.3.1國外研究現(xiàn)狀31.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀41.4多功能雙輪車的研究目的及意義51.5本文主要研究內(nèi)容61.6 本章小結(jié)62.兩輪機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)72.1兩輪機(jī)器人的工作原理72.2電動機(jī)的選擇82.2.1直流無刷電動機(jī)的調(diào)速102.3減速器的選擇122.3.1減速比的確定122.3.2 減速器型號的確定122.4磁力機(jī)械在雙輪機(jī)器人中的應(yīng)用142.4.1磁力聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)142.5本章小結(jié)153行走的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算163.1懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)163.2輪胎的設(shè)計(jì)與選擇213.2.1車輪的選擇223.2.2輪胎的選擇233.3底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)233.3.1 底盤的外形設(shè)計(jì)243.3.2，底盤的材料選擇253.4本章小結(jié)264 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述274.1 控制系統(tǒng)的組成274.2 控制電路的設(shè)計(jì)28結(jié)論30致謝32參考文獻(xiàn)3361 緒論1.1 課題背景科技是第一生產(chǎn)力，機(jī)器人已經(jīng)成為一種新型的生產(chǎn)工具，應(yīng)用范圍已經(jīng)越來越廣，幾乎滲透到各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人在減輕人的勞動強(qiáng)度、提高勞動生產(chǎn)率、減少作業(yè)危險(xiǎn)性等方面都顯示出極大的優(yōu)勢。由于機(jī)器人要代替人力進(jìn)行作業(yè)，根據(jù)代替的部位可以把機(jī)器人主要分為兩大類：操作機(jī)器人(手)，即利用等同于手臂的機(jī)械手、相當(dāng)于手指的手抓來移動物體；移動機(jī)器人(腿)，即步行機(jī)器人或用車輪進(jìn)行移動的機(jī)器人0移動機(jī)器人由于它的廣闊應(yīng)用前景，已經(jīng)成為該研究領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。其移動方式主要有輪式、履帶式、腿式、推進(jìn)式等。其中輪式機(jī)器人由于具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、能量利用率高等特點(diǎn)，已經(jīng)成為機(jī)器人的一個(gè)重要研究方向。0 輪式機(jī)器人在工作中可能會遇到工作區(qū)域狹窄、路面不平、需要經(jīng)常轉(zhuǎn)向等復(fù)雜的工作環(huán)境，如何在這樣的環(huán)境里靈活快捷的完成任務(wù)，使機(jī)器人不但能夠適應(yīng)特定的環(huán)境，還能在動態(tài)變化的復(fù)雜未知環(huán)境中體現(xiàn)出高度的靈活適應(yīng)性，成為一個(gè)值得重點(diǎn)研究的課題。 在這樣的背景下兩輪自平衡機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。兩輪自平衡機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)由車輪，電機(jī)，懸掛，軸承等部分組成。其中兩個(gè)車輪位于同一軸線，分別由兩個(gè)直流伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動，通過運(yùn)動保持動態(tài)自平衡。其中，駕駛該平衡車的人與該系統(tǒng)組成一個(gè)整體，換言之，人也是這個(gè)機(jī)器人的一部分，通過人的動作和重心變化，才能實(shí)現(xiàn)車的智能化行走。與傳統(tǒng)的輪式移動機(jī)器人相比，兩輪自平衡機(jī)器人具有很多優(yōu)點(diǎn)： 1. 轉(zhuǎn)彎半徑為零：機(jī)器人繞本體中心旋轉(zhuǎn)，有利于在狹窄場所改變方向，可以在小空間范圍靈活運(yùn)動，移動軌跡更為靈活，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)多輪布局的缺陷；2. 無剎車系統(tǒng)：由 CPU 自動給出正反轉(zhuǎn)力矩，從而達(dá)到快速穩(wěn)定的剎車效果；控制方便，只需要身體向運(yùn)動相反方向傾斜，便可停止。前進(jìn)后退自如； 3. 驅(qū)動功率減小，為平衡車的長時(shí)間運(yùn)行提供支持； 4. 特殊的應(yīng)用場合：可應(yīng)用于步行街、廣場、游樂場和大型會場等汽車無法通行、步行又太累的場合，既減少污染又解決交通堵塞問題，并且還為環(huán)保輕型車提供了一種新的思路。 由于結(jié)構(gòu)特殊，兩輪自平衡機(jī)器人體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)動靈活、適應(yīng)地形變化能力強(qiáng)、方便地實(shí)現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)、適于在狹小和危險(xiǎn)的工作空間內(nèi)活動、能夠勝任一些復(fù)雜環(huán)境里的工作。此外，由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、電源技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，為兩輪自平衡機(jī)器人技術(shù)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)并極大的降低了研制成本，有力地推動了兩輪自平衡機(jī)器人由理論研究向工程實(shí)踐發(fā)展。0 1.2 雙輪自平衡機(jī)器人分類兩輪自平衡機(jī)器人種類繁多，它的典型應(yīng)用有代步工具、通勤車、空間探索、戰(zhàn)地偵查、危險(xiǎn)品運(yùn)輸、智能輪椅、多機(jī)器人合作、足球機(jī)器人等方面。但為了更進(jìn)一步地理解兩輪自平衡機(jī)器人的本質(zhì)，還需根據(jù)機(jī)器人的特點(diǎn)進(jìn)行分類。依照控制系統(tǒng)的傳感器的不同，可以分成單一傳感器與組合傳感器兩種。單傳感器一般采取陀螺儀方案，通過光電或紅外接近探測器利用處理傳感器測出仰角，該法簡單但精度低且易受干擾。所以，此類機(jī)器人工時(shí)短，功能少。而組合傳感器類的雙輪平衡車，由于采用了加速度計(jì)、傾角計(jì)等多種定位儀器配合使用，可以提高精度，降低成本。因?yàn)樗惴◤?fù)雜，故需要對濾波器進(jìn)行精確調(diào)校。根據(jù)雙輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)變化，質(zhì)心位置是否可變，可分為兩類：定質(zhì)心和變質(zhì)心。定質(zhì)心機(jī)器人是研究兩輪平衡車的基礎(chǔ)，因?yàn)樗馁|(zhì)心不變，控制起來相對簡單，自平衡更容易實(shí)現(xiàn)；但是質(zhì)心不變會導(dǎo)致其他結(jié)構(gòu)也不能改變，功能擴(kuò)展方面較困難，限制了該類機(jī)器人的發(fā)展。變質(zhì)心一類，由于質(zhì)心可變，輔助功能模塊就可以變化，可以方便搭載乘客、運(yùn)輸物品。今后兩輪自平衡機(jī)器人的研究趨勢是朝著變質(zhì)心的方向發(fā)展的。按照雙輪機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式，可分為倒立擺（集中）式和質(zhì)量均布（堆疊式）。倒擺式的機(jī)器人質(zhì)量主要分布在擺桿頂端和車軸上，如果擺桿廠的話，設(shè)計(jì)的時(shí)候可以參考倒立擺的研究成果，但對于功能的拓展，有一定的局限性。除此三種分類以外，根據(jù)濾波器又可以分為硬件濾波與軟件濾波；還可以根據(jù)傾角測量的不同方式，分為直接和間接測量兩類； 根據(jù)功能差異分為服務(wù)型、研究型和玩具型。為了更直觀更系統(tǒng)，也可以采用圖表表達(dá)，雙輪自平衡車分類如下表1-1所示表1-1雙輪自平衡車分類表質(zhì)心位置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)感知系統(tǒng)定質(zhì)心倒立擺式單傳感器式組合合傳感器式質(zhì)量均布式單傳感器式組合傳感器式變質(zhì)心倒立擺式組合傳感器式質(zhì)量均布式 1.3雙輪機(jī)器人研究概況最早提出雙輪機(jī)器人構(gòu)想的是日本科學(xué)家，1987年便申請了專利。后來，美國、瑞士和法國在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，自平衡，運(yùn)動規(guī)劃等方面取得進(jìn)展，并取得很多研究成果。國內(nèi)對雙輪車的研究起步較晚。2006年左右才開始興起，主要是中科大，北理工等高校參與研究，如今，方興未艾。1.3.1國外研究現(xiàn)狀【更多畢業(yè)設(shè)計(jì)，Q380615448】【代做畢業(yè)設(shè)計(jì)，Q380615448】2002年，segway公司創(chuàng)造首輛自平衡雙輪車，名噪一時(shí)，該車速度最快可以達(dá)到20km/h如圖1.1所示。Segway有五個(gè)陀螺儀，有兩個(gè)是備用的，主要說的三個(gè)用來檢測前后左右的傾斜。它們收集的信息傳輸給主控芯片。該芯片運(yùn)算效率是一般電腦的3倍。在最高中樞，“直覺軟件”會當(dāng)場分析各類信息。從而調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。它的出現(xiàn)可以說是出行方式的一場革命，seway迅速成為行業(yè)內(nèi)的標(biāo)桿，其平衡方式，控制系統(tǒng)，行走機(jī)構(gòu)等方面成為各個(gè)研究機(jī)構(gòu)爭相研究的材料。它采用傳感器，利用倒立擺的原理創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出了可以零半徑轉(zhuǎn)彎的兩輪交通工具。圖1-1 自平衡雙輪腳踏車segway2007年，三洋電機(jī)發(fā)明了可依靠上體倒立來保持平衡的雙輪機(jī)器人，叫“FLATHRU”，如圖1-2所示，平地時(shí)最大時(shí)速30cmS，最大載重10kg，行走時(shí)間1小時(shí)。直流電動機(jī)的輸出功率為90w，頭部有兩個(gè)。為了感知上體的平衡狀態(tài)，采用用了1個(gè)3軸加速度傳感器和3個(gè)陀螺儀的傳感方案。圖1-2 機(jī)器人FLATHRU2014年，日本Tohoku大學(xué)和Fukushima大學(xué)的研究人員研制出生活機(jī)器人。該兩輪機(jī)器人多了操作手，因此可以進(jìn)行輔助運(yùn)動和搬運(yùn)物體。通過關(guān)節(jié)連接處的上下擺桿改變機(jī)器人的形態(tài)。機(jī)器人的靈活運(yùn)動是通過倒立擺保證的。它可以抓取物體，能夠坐下，當(dāng)然也可以自主站起來，可以說是雙輪自平衡機(jī)器人邁向多功能化的一個(gè)巨大突破。1.3.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀2003 年，中國科技大學(xué)屠運(yùn)武、張培仁等成功研制了如圖 1-3 所示的自平衡兩輪電動車Free Mover。它的轉(zhuǎn)彎半徑為零，可以在狹小空間內(nèi)靈活運(yùn)動，無剎車系統(tǒng)，整車質(zhì)量約 為30 公斤。駕駛者利用身體的前傾與后傾實(shí)現(xiàn)雙輪車的變速。控制手柄的作用是原地轉(zhuǎn)彎任意角度。最高時(shí)速可達(dá) 10 公里，續(xù)航30 公里。作者運(yùn)用動力學(xué)的相關(guān)知識對系統(tǒng)進(jìn)行分析，車體大角度變化問題與非線性控制問題是通過采用模糊自適應(yīng)控制策略來解決。2015年，李勇，耿建平等人在雙飛輪陀螺效應(yīng)在雙輪平衡車中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。他們基于矢量動力學(xué)建立單飛輪自平衡動力學(xué)模型，基于PD控制理論推導(dǎo)出方程組，最后以該實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，研制出雙飛輪陀螺效應(yīng)的自平衡車，以STM32單片機(jī)為控制核心，以智能手機(jī)為控制平臺，以HC-06為車載藍(lán)牙模塊。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了雙飛輪陀螺效應(yīng)的雙輪車具有更好的平衡性和抗撞擊性。2015年，河北聯(lián)合大學(xué)的任紅格，向迎帆等人研究了兩輪機(jī)器人中內(nèi)在動機(jī)的強(qiáng)化算法。就是利用內(nèi)在動機(jī)信號作為內(nèi)部獎(jiǎng)勵(lì)，模擬人類的認(rèn)知方法并與外部信號一起作用于學(xué)習(xí)過程，同時(shí)采用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)助快速運(yùn)算。這種算法可以使機(jī)器人在未知復(fù)雜的環(huán)境中通過自主學(xué)習(xí)最終達(dá)到平衡，體現(xiàn)了該算法的魯棒性，在機(jī)器人智能化上邁出深遠(yuǎn)的一步。圖1-3機(jī)器人Free Mover1.4多功能雙輪車的研究目的及意義近年來，隨著科技水平的提高，人們的出行方式也越來越多元化，雙輪車，這個(gè)十年前在人們看來還是尖端技術(shù)的產(chǎn)品如今已進(jìn)入尋常百姓家。但是我們不難發(fā)現(xiàn)，接觸到雙輪平衡車的大多是年輕人，對于身體不夠靈活，協(xié)調(diào)性不夠好的老年人甚至殘疾人來說，雙輪車只不過是年輕人娛樂的一種玩具。而事實(shí)上雙輪車的存在就是為了那些出行不便的人提供便捷的行走方案的。為此，在普通的雙輪車上增加可拆卸式座椅，制動裝置，緊急求助系統(tǒng)等裝置是很有必要的。而且多功能的存在可以提高雙輪車的性價(jià)比。畢竟花大幾千元購置一個(gè)成年人的“玩具”，大多數(shù)家庭是不會選擇購買的。因此多年齡層可以共同使用的多功能雙輪車具有很好的研究前景。另外雙輪自動平衡機(jī)器人在學(xué)術(shù)上也有重要的研究價(jià)值，它是動力學(xué)研究和控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，在人及智能方面，對雙輪車自動識別障礙并保持平衡的研究對魯棒性的驗(yàn)證具有極其重要的意義?？偠灾?，雙輪自動平衡機(jī)器人是理論與實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物。既有理論研究的意義，又有實(shí)用價(jià)值。受到各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注。已經(jīng)成為近年來炙手可熱的研究項(xiàng)目之一。1.5本文主要研究內(nèi)容本文的主要研究對象是雙輪自平衡車，由于它本質(zhì)不穩(wěn)定，多變量，非線性，強(qiáng)耦合。再加上復(fù)雜多變的運(yùn)行環(huán)境?？刂迫蝿?wù)也有復(fù)雜性。 由于專業(yè)和自身水平限制，本文主要從行走機(jī)構(gòu)方面和控制系統(tǒng)方面進(jìn)行研究。主要研究內(nèi)容為以下5點(diǎn)：（1）通過分析近年來國內(nèi)外雙輪自平衡車的結(jié)構(gòu)組成，給出較合理的幾種行走機(jī)構(gòu)方案，并擇優(yōu)選擇。（2）對硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括車輪的設(shè)計(jì)，電動機(jī)的選擇，懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，電機(jī)支架的設(shè)計(jì)，制動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等。（3）對各個(gè)部分的硬件參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算，算出該車最大的可控角度。（4）多功能的體現(xiàn)，具體闡述該車與普通雙輪車的不同之處，創(chuàng)新結(jié)構(gòu)等。（5）對控制平衡的系統(tǒng)和電路進(jìn)行簡單設(shè)計(jì)。1.6 本章小結(jié)本章主要介紹了輪式機(jī)器人的發(fā)展歷程，繼而引出了兩輪機(jī)器人的課題研究背景，接著介紹了關(guān)于兩輪車的國內(nèi)國外研究現(xiàn)狀，對一般的雙輪車系統(tǒng)進(jìn)行分類，探尋出研究雙輪車的目的，最后引出本文的研究內(nèi)容。2.兩輪機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)可以說是雙輪自平衡機(jī)器人的基礎(chǔ)，多功能雙輪平衡車需要承載更多的附加功能，因此需要對其行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)。比如由于多了座椅而需要增加電機(jī)功率。因?yàn)槔先恕埣踩说氖褂枚枰黾拥闹苿酉到y(tǒng)和保護(hù)裝置。本章將具體介紹該車行走機(jī)構(gòu)中各部件的設(shè)計(jì)與選擇。2.1兩輪機(jī)器人的工作原理多功能雙輪平衡車與普通雙輪車的不同之處在于它可以坐著開。通過座椅的拆卸和車把手的高低調(diào)整來實(shí)現(xiàn)站和坐兩種駕駛體驗(yàn)。它的側(cè)面結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，靜止?fàn)顟B(tài)下車身與地面保持垂直。行駛狀態(tài)下，擺動的最大角度前后不超過30。 圖2-1 小車傾斜示意圖車未啟動時(shí)，車輪和車身相對獨(dú)立。也就是說，車身的前后擺動對車輪的狀態(tài)是沒有影響的。當(dāng)雙輪車啟動后，小車有三種運(yùn)動狀態(tài)，需要合理的控制方法?；驹砭褪钱?dāng)車體傾斜時(shí)，傾角傳感器測出角度，控制系統(tǒng)根據(jù)傾角得出一個(gè)人相應(yīng)的力矩，傳輸給電機(jī)，通過車輪轉(zhuǎn)速的變化來保持平衡。當(dāng)平衡車前傾時(shí)，車身重心在前邊，為保持平衡，車輪向前滾動，以此來保證小車的平衡。同理，當(dāng)后傾時(shí)，車輪向后滾動來保持平衡。當(dāng)車身的重心在電機(jī)軸心線的垂直平分線上時(shí)，車身靜止，無需控制。需要提到的是。當(dāng)駕駛者坐在平衡車上時(shí)，車還未啟動，車前傾，為保持平衡，腳踏板起到一個(gè)支撐桿的作用，當(dāng)車啟動時(shí)，腳踏板隨之抬起，正常運(yùn)行。多功能雙輪自平衡車外形如圖2-2所示：圖2.2多功能雙輪自平衡車外形示意圖與一般雙輪車不同的是，該設(shè)計(jì)增加了可拆卸式座椅，駕駛者可以體驗(yàn)站立或坐式兩種駕駛方式，把手高度可調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同高度的駕駛?cè)巳?。另外，因?yàn)橛袣埣踩说鸟{駛模式，本雙輪車增加了手剎的功能。在車停止時(shí)，通過手剎抱死車輪，車可以安全地停在原地，避免不必要的意外發(fā)生。2.2電動機(jī)的選擇雙輪車體積小，質(zhì)量輕，一般采用鋰電池供電，故選用直流電機(jī)?？梢赃x擇的電機(jī)種類有：直流有刷電機(jī)、永磁式直流無刷電機(jī)、電磁式直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等。直流有刷電機(jī)控制性好，轉(zhuǎn)動慣量的范圍可以控制的很小，反應(yīng)速度快，可以滿足雙輪平衡車對敏捷度苛刻的要求；另外，該類電動機(jī)調(diào)速快，范圍廣，滿足了雙輪平衡車的快速性要求；過載性好，機(jī)械性能過硬，可以達(dá)到輕松爬坡，通過障礙的目的；且其本身所具有的低速平穩(wěn)性恰巧迎合了雙輪平衡車對安全性的要求。但是，因?yàn)橛袚Q向器和電刷的存在，引起的了電機(jī)的可靠性不足，使用壽命縮短，這會嚴(yán)重影響雙輪平衡車的實(shí)際使用。步進(jìn)電機(jī)在數(shù)字控制方面性能較好，可以制動和反轉(zhuǎn)、快速啟動，抗干擾的能力也很強(qiáng)。但它也有自身的局限性，比如由于它的步距角被固定，靈活性大大降低，單步響應(yīng)的過程中有震蕩和過沖量，承載慣性負(fù)載能力弱，不利于雙輪車的平衡控制。另外，該類型電機(jī)控制線路復(fù)雜，而雙輪車結(jié)構(gòu)小巧，電機(jī)空間更小，無法滿足布線的要求。電磁式直流電機(jī)轉(zhuǎn)速變化率小，電流恒定，轉(zhuǎn)矩比普通電機(jī)大，滿足雙輪車的動力需求，可以提高雙輪車在復(fù)雜環(huán)境下的靈活性。但是這類電機(jī)的空載率較高，啟動電流大，對蓄電池的壽命有一定影響。同時(shí)抗干擾性差，不利于雙輪平衡車的平穩(wěn)運(yùn)行。直流無刷永磁式電機(jī)沒有換向器，無電刷，壽命長，有較高的可靠性，而且它無需勵(lì)磁，功率因數(shù)接近1，轉(zhuǎn)化效率高。它啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小?？梢哉f很好的滿足了雙輪自動平衡車的動力需求。現(xiàn)在，我們來通過計(jì)算對電機(jī)的具體型號進(jìn)行選擇：首先要對力矩與功率進(jìn)行換算： 式(2.1) 式（2.2） 式(2.3)式中 P 功率，W； 角速度，ra/s;N 轉(zhuǎn)速，r/min;M 力矩，N 雙輪平衡車能承受的最大載重為200kg，最大運(yùn)行速度為20km/h,根據(jù)所要求的加速度，可以估算出驅(qū)動力矩M的大小。根據(jù)要求的最大運(yùn)行速度，并且考慮安全情況以及傳動效率，可以計(jì)算出電動機(jī)的功率大致為： 式（2.4）式中 K安全系數(shù)；傳動效率；車輪半徑。所以，綜合以上因素，且考慮到系統(tǒng)應(yīng)用的需求，本車將采用額定功率400w、額定電壓48v，轉(zhuǎn)速2000-4000轉(zhuǎn)的永磁式直流無刷電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。它是由博世（BOSCH）公司生產(chǎn)的80BL89S40-445TFO電機(jī)。此類電機(jī)驅(qū)動力強(qiáng)勁，因此可以保證小車有足夠的力來保持平衡。電機(jī)外形如圖2-3所示。圖2-3 博世直流無刷永磁電機(jī)2.2.1直流無刷電動機(jī)的調(diào)速調(diào)速，顧名思義，是在負(fù)載的狀態(tài)下，使用一定的手段使電動機(jī)或電源參數(shù)發(fā)生改變，進(jìn)而改變電動機(jī)的機(jī)械特性曲線，以此來改變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。調(diào)速有兩層意思。一個(gè)就是“恒速”；還有就是在某以范圍內(nèi)“變速”。一般地，永磁式直流無刷電機(jī)和有刷電機(jī)的機(jī)械特性方程基本一致，以此類比，它們的調(diào)速方法相同，共三種：1.改變主磁通。通過改變電機(jī)磁通可以進(jìn)行無極調(diào)速，但它有一定的局限性，即只能減弱，也就是說只能在額定轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上向上調(diào)速，是一種恒功率調(diào)速的方法。但無刷電機(jī)的定子磁場一般是永磁鐵產(chǎn)生的，故此種調(diào)速方法不適合無刷直流電機(jī)。2.改變中樞供電電壓U。通過額定電壓往下來調(diào)低中樞電壓，調(diào)速也是從額定轉(zhuǎn)速往下開始的，這種屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，可以實(shí)現(xiàn)在給定范圍內(nèi)無極平滑調(diào)速。不可謂是一種好方法。3.改變回路電阻R。就是在電樞回路外串聯(lián)電阻，通過改變阻值來改變電流，達(dá)到調(diào)速的目的。該法操作簡單，設(shè)備簡易，缺點(diǎn)是只能有級調(diào)速，不夠平滑，空載時(shí)更是無法調(diào)速，且串聯(lián)的電阻電能損耗大。所以，綜上可知，直流無刷永磁式電機(jī)選取電壓調(diào)速的方法。調(diào)節(jié)電壓時(shí)要有專用的可控直流電源，故采用脈寬調(diào)制變換器運(yùn)用到設(shè)計(jì)之中。此法又稱為PWM（Pulse Frequency Modulation）。調(diào)試原理如圖2-4所示。圖2-4脈寬調(diào)制調(diào)速原理圖圖中符號解釋如下：S開關(guān)是脈寬調(diào)制器，外加的電源電壓默認(rèn)為固定直流電壓。當(dāng)S閉合時(shí)，電流I通過S輸送到電動機(jī)M；S斷開時(shí)，電流中斷，M通過二極管續(xù)流，電樞電壓無線趨近于0。當(dāng)S按照固定的頻率開合，即S的開合有一定的周期性，那么，脈沖寬度也會隨之變化，從而改變平均電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。它的平均電壓為： 式（2.5）式中：T脈沖時(shí)鐘； t導(dǎo)通時(shí)間； DPWM電壓占空比（0D1）。2.3減速器的選擇在行走機(jī)構(gòu)中，特別是電機(jī)與車輪組成的運(yùn)動系統(tǒng)中，減速器扮演著重要的角色。減速器是電機(jī)和輪胎間一種動力傳遞和轉(zhuǎn)化的機(jī)構(gòu)，它可以增加輸出扭矩、減小傳出速度、匹配負(fù)載和電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量的作用。因?yàn)樵谥暗脑O(shè)計(jì)中，選用了轉(zhuǎn)速較快的電機(jī)，故需要選用合適的減速器來平衡掉減少的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子慣量。從而達(dá)到理想的運(yùn)動效果。2.3.1減速比的確定通過查閱手冊可知，聯(lián)軸器傳動效率，滾動軸承的傳動效率為，行星減速器的傳動效率，所以整個(gè)的減速部分的傳動效率為： 電機(jī)的輸出扭矩和減速后扭矩的關(guān)系式為： 式（2.6）式中：電機(jī)輸出扭矩； 減速后的輸出扭矩。經(jīng)過計(jì)算，得出最小的減速比為i=10.85，當(dāng)然，外界因素也會影響減速器，比如裝配誤差，加工誤差，涂裝誤差等，因此減速比要取大一點(diǎn)，為不可預(yù)料的情況留足余量，所以減速比i取20。把減速比和電機(jī)的相應(yīng)參數(shù)帶入式（2.6），算出減速后扭矩為2.87Nm，最大扭矩為8.70Nm。2.3.2 減速器型號的確定本雙輪車采用雙馬達(dá)獨(dú)立驅(qū)動，并且雙輪車的地盤尺寸有限，減速器的型號不同，它們的尺寸和安裝方式也不同，一般情況下有三種安裝方式：垂直布置、交錯(cuò)布置和直線布置。如圖2-5所示。圖2-5 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的排布方案由于雙輪車對底盤對稱性和穩(wěn)定性的要求較高，故選擇直線布置的方式。誠然，此類排布方式成本較高，但它具有的優(yōu)點(diǎn)無可替代：（a）相同情況下，行星減速器的體積小，采用直線布置可以很好的適應(yīng)雙輪車底盤并不寬裕的安裝空間。定軸減速器橫向所需的空間大，錯(cuò)開擺放后又會增加其他零件的使用，會增加傳動誤差，而且清理灰塵的難度大。（b）行星減速器可承受的徑向力大，可使結(jié)構(gòu)整體性更強(qiáng)，密封嚴(yán)實(shí)，而定軸減速器的徑向力作用在支撐點(diǎn)上，需要增加支撐結(jié)構(gòu)來承受，因此占用了大量空間。（c）蝸輪蝸桿減速器在電力不足時(shí)會產(chǎn)生自鎖，導(dǎo)致車輪無法正常旋轉(zhuǎn)，影響雙輪車的行駛，而行星減速器因?yàn)辇X輪平滑，不會產(chǎn)生以上問題。（d）行星減速器噪聲小，精度高，易于更換和修理。綜上，雖然行星減速器價(jià)格高，但是瑕不掩瑜，諸多優(yōu)點(diǎn)恰恰契合了雙輪車驅(qū)動板塊的設(shè)計(jì)，所以我們采用直線布置法。經(jīng)過仔細(xì)篩選，并參考上邊的計(jì)算結(jié)果與參數(shù)，我們選取了SEW公司生產(chǎn)的ps70行星減速器，其參數(shù)如表2-1所示。表2-1 PS70行星減速器性能參數(shù)表指標(biāo)參數(shù)減速比20額定輸出扭矩Nm44最大徑向力N340最大軸向力N450抗扭剛度Nm/arcmin1.8最大輸入速度/min6000額定輸入速度/min3000平均壽命h20000續(xù)表2-1 PS70行星減速器性能參數(shù)表回程間隙arcmin14滿載效率94%重量2.4kg2.4磁力機(jī)械在雙輪機(jī)器人中的應(yīng)用磁力機(jī)械是多學(xué)科混合研究的產(chǎn)物，除了具有各學(xué)科復(fù)雜的研究難度，同時(shí)也集成了各領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)。它節(jié)能環(huán)保，傳動效率高，噪音小，已經(jīng)越來也多的應(yīng)用于各行各業(yè)。2.4.1磁力聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)磁力機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般適用于大型尖端產(chǎn)品，本雙輪車主要應(yīng)用一些簡單的磁力機(jī)械部件，比如說聯(lián)軸器。聯(lián)軸器，顧名思義，是連接兩根軸的一種機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以傳遞動力和扭矩，但普通聯(lián)軸器用久了會受到溫度和載荷等外界影響，造成軸承變形，對中不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致傳動上出現(xiàn)偏差，運(yùn)動不平穩(wěn)等狀況。磁力聯(lián)軸器便可以解決上述問題。它由隔離套和內(nèi)外磁轉(zhuǎn)子組成，轉(zhuǎn)子上有內(nèi)外數(shù)量相同的永磁體，靠二者之間的耦合形成磁場。當(dāng)軸靜止時(shí)，依靠磁力內(nèi)外轉(zhuǎn)子對正。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，內(nèi)外轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁偏角，內(nèi)轉(zhuǎn)子受磁力作用會隨著外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。由于沒有剛性接觸，故不存在擠壓，熱變形等形變等情況，且傳動效率接近100%。軸與軸之間存在間隙，還有一定的緩沖作用，如圖2-6所示。圖2-6 磁力聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)示意圖由于我國稀土資源豐富，在內(nèi)蒙古的白云鄂博等地非金屬礦藏世界第一，磁力機(jī)械的應(yīng)用具有很好的前景。本車所采用的磁力聯(lián)軸器可以大大提高傳動效率，延長雙輪機(jī)器人的使用壽命。當(dāng)然磁力機(jī)械也不是十全十美的，它也可能受到電磁干擾，劇烈的物理撞擊也會破壞其穩(wěn)定性。但總體來說是利大于弊的，故本設(shè)計(jì)將采用磁力聯(lián)軸器作為傳動機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件。2.5本章小結(jié)本章主要介紹了兩輪機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)，工作原理，和在本設(shè)計(jì)所采用的新想法，新思路，接著對載荷進(jìn)行估算，選擇電動機(jī)，接著對減速器部分進(jìn)行計(jì)算，選擇減速器。本章主要完成的是對核心結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。3行走的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)懸掛系統(tǒng)是連接車身和車輪的機(jī)構(gòu)。它傳遞了車輪與車身之間的力，同時(shí)對地面的震動起到一個(gè)緩沖的作用，起到支撐和減震的作用，以此來保證車輛行駛的平穩(wěn)性。一般地，懸掛分為獨(dú)立懸掛和非獨(dú)立懸掛。由于雙輪機(jī)器人的特殊性，左右兩個(gè)車輪之間沒有軸直接連接，其懸掛部件都是各自單獨(dú)與車體連接的，有更好的舒適性和操控性。所以本車擬采用獨(dú)立懸掛。一般獨(dú)立懸掛的結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示：圖3-1 獨(dú)立懸掛的構(gòu)造圖常見的懸掛系統(tǒng)有：（1） 麥弗遜式懸掛 由減震機(jī)構(gòu)和A型叉臂組成。減震機(jī)構(gòu)上部連車身，下部連叉臂，承擔(dān)減震和平衡縱向力的作用。A形叉臂連接車輪，用來分擔(dān)車輪帶來的橫向力。結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小。但抗側(cè)傾的能力差，安全度不夠高。（2）雙叉臂式懸掛 在麥弗遜式的基礎(chǔ)上多加了一個(gè)叉臂，因此，車輪震動帶來的橫縱向力又多加的叉臂分擔(dān)，減震機(jī)構(gòu)只負(fù)責(zé)減震，抗沖擊力強(qiáng)于前者。（3）多連桿懸掛 采用多根連桿與車身相連，使得懸掛在壓縮時(shí)可以主動調(diào)節(jié)車輪的定位，始終保持車輪的貼地性。但此類懸掛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間大，價(jià)格昂貴，不適用于普通輪式機(jī)械。（4）空氣懸掛 用空氣減震器取代彈簧減震器，通過空氣泵調(diào)整減震器中的空氣量，繼而改變壓力，可根據(jù)路面的不同調(diào)節(jié)減震器的軟硬程度，達(dá)到匹配的舒適性。缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，一旦壞掉不易修理，行駛過程中壞掉更是危險(xiǎn)性極大。雙輪車由于時(shí)速不宜過快，一般比走路快，比電動車慢。所以選用一般的麥弗遜式懸掛系統(tǒng)就可以了，現(xiàn)在我們來計(jì)算幾種典型路況下的受力情況，為彈簧的選擇與計(jì)算提供數(shù)據(jù)。懸掛系統(tǒng)示意圖如圖3-2所示。圖3-2 懸掛系統(tǒng)示意圖（a）水平地面上運(yùn)動受力分析 當(dāng)雙輪車在水平地面行駛時(shí)，在只受重力的情況下，受力分析如圖3-3所示。M是機(jī)器人重量加駕駛者的重量，假設(shè)受力作用在該車的中心線上；雙輪分別受地面的支持力，在數(shù)值上等于彈簧的彈力，由力平衡可知如下公式： 式（3.1） 式中：M車身和駕駛者的重量之和； 、左輪和右輪分別收到的支持力；彈簧的彈性系數(shù)；彈簧的初始形變量。圖3-3 水平狀態(tài)下受重力作用時(shí)的受力狀態(tài)當(dāng)機(jī)器人行駛傾斜時(shí)，雙輪車收到偏置載荷的作用，受力分析如圖3-4所示，其中X是作用點(diǎn)到雙輪車中心的水平距離；W是偏置載荷的大?。桓髦С至εc上邊相同，此時(shí)彈簧會產(chǎn)生新的形變量。圖3-4 雙輪車在受偏振載荷時(shí)的受力分析由力平衡的關(guān)系可知： 式（3.2）式中：W偏振載荷的大??； 彈簧的變量。由式（3.1）和（3.2）連列可得： 式 （3.3）由等式可以看出，在增加偏振載荷的情況下，雙輪車受力總和不變。在電機(jī)驅(qū)動允許的狀態(tài)下，偏振不會對雙輪車的行走造成大的影響。我們只需把可能產(chǎn)生的偏振力調(diào)節(jié)到可控范圍內(nèi)就能保證雙輪車的安全行駛。（b）雙輪車在崎嶇路面上行駛時(shí)的受力分析當(dāng)雙輪車在不平路面上行駛時(shí)，左右兩輪有高度差為，該狀態(tài)下的受力分析如圖3-4所示，需要強(qiáng)調(diào)的是，該高度差在雙輪車能承受的范圍之內(nèi)。圖3-4 在崎嶇路面時(shí)的受力分析由受力平衡可知如下關(guān)系： 式(3.4)由（2.8）和（2.9）連列可知 式(3.5)由公式可知，雙輪車行駛到坑洼路面時(shí)，將會改變雙輪與地面的受力關(guān)系，會影響到該車的平穩(wěn)行駛。假設(shè)雙輪車和人的重量之和為m，車輪和地面間的摩擦為滾動摩擦，其摩擦系數(shù)為，由滑動摩擦力而產(chǎn)生的摩擦系數(shù)為，雙輪車的最大加速度為。在行走過程中，由電機(jī)使雙輪產(chǎn)生的驅(qū)動力和，同時(shí)也會受到相應(yīng)的摩擦阻力。當(dāng)雙輪車水平行駛，以加速度向前運(yùn)動，根據(jù)牛頓第二定律，會有以下方程： 式（3.6）又因?yàn)?式（3.7）所以，在以最大的加速度行駛時(shí)，為使車輪不打滑，需要有足夠的抓地力來維持，為此，我們列出以下公式求出臨街的摩擦力： 式（3.8）聯(lián)立可得 式（3.9）定義參數(shù)和分別為 式（3.10） 式（3.11）由（3.10）和（3.11）兩個(gè)公式可知，兩項(xiàng)參數(shù)需滿足雙輪車的設(shè)計(jì)需求，其中是兩個(gè)車輪可以正常行駛時(shí)所受到的最小支持力的和。則表達(dá)式（3.9）可簡化為： 式（3.12）考慮到車輪裝配時(shí)可能出現(xiàn)的誤差，設(shè)在水平面運(yùn)動時(shí)，兩車輪所受到的支撐力之和為： 式（3.13）其中 所以，輪子所受到地面的支撐力為： 式(3.14)當(dāng)行駛到坑洼處時(shí)，為保證其正常行駛，雙輪受到的地面支持力應(yīng)符合如下條件： 式（3.15） 合并（3.14），（3.15）可得： 式（3.16）即 式（3.17） 式(3.18)其中式（3.18）是彈簧剛度滿足的一個(gè)要求。雙輪車在行駛過程中，勢必會遇到路面不平整的狀況，懸掛裝置的作用就是提供一個(gè)壓縮和放松的行程，然而，這個(gè)行程的確定與多種因素相關(guān)。比如行駛路面的平整程度；驅(qū)動輪裝配時(shí)以及在后續(xù)過程中的積累誤差；軸與輪之間的裝配誤差等?？紤]到各種想到的想不到的因素，我們把懸掛系統(tǒng)的緩沖行程定為，相對于平衡點(diǎn)（圖3.1），壓縮為+，放松為-。為了使雙輪車有承受偏置力的能力，驅(qū)動輪則必須滿足支撐要求，假設(shè)彈簧壓縮至最大行程時(shí)，兩個(gè)車輪可以承擔(dān)車身和駕駛者帶來的總重量M,那么，懸掛系統(tǒng)的彈簧剛度應(yīng)滿足下列公式： 式（3.19）.根據(jù)（3.18）和（3.19）便可確定懸掛系統(tǒng)中彈簧的彈性系數(shù)，若兩式中有不滿足條件的情況，只需調(diào)整+大小即可。考慮到本雙輪車最大的載重量m=150kg，滾動摩擦系數(shù)=0.02，滑動摩擦系數(shù)，驅(qū)動輪半徑為177.8mm，正常運(yùn)行速度1.5m/s,最大運(yùn)行速度為5.5m/s，允許地面最大高度差為15mm，,，把以上數(shù)據(jù)帶入到公式（3.18），（3.19），經(jīng)過復(fù)雜的計(jì)算，最后確定的彈簧彈性系數(shù)為K=15N/mm。3.2輪胎的設(shè)計(jì)與選擇輪胎是雙輪自平衡小車的重要部件之一，它直接和路面接觸，和車身共同緩和雙輪平衡車行駛過程中所受到的沖擊，保證雙輪車的舒適性和行駛的平順性，使車輪與路面有良好的附著力。同時(shí)輪胎的好壞也會影響汽車的制動性。牽引性和通過性。輪胎在整個(gè)行走機(jī)構(gòu)中，扮演著越來越重要的角色。3.2.1車輪的選擇車輪是在車軸和輪胎之間的承受負(fù)荷的旋轉(zhuǎn)組件。它一般由兩個(gè)主部件組成，即輪輞和輪輻。輪輞是安裝在車輪上并且支撐輪胎的部件；輪輻則是介于輪輞與車軸間的支撐部件。車輪類型大體上可分為6種。形形色色的輪胎種類如圖3-5所示。(1)輻板式車輪 板式輪輻和輪輞不分離的車輪。(2)對開式車輪 輪輞由兩個(gè)對開零件組成，對開寬度相同，當(dāng)然也可以不同。固定起來便形成了有兩個(gè)固定輪緣的車輪。比如suv使用的便是這種可調(diào)壓式對開式車輪。(3)輻條式車輪 輪輞由許多輻條連接到輪轂上的車輪。(4)組裝輪輞式車輪 一個(gè)或兩個(gè)可拆卸的輪輞被固定在輪輻上，輪輻可當(dāng)輪轂用，并安裝制動盤的車輪。(5)可反裝式車輪 輪輻的兩面都可做安裝面，因此可以成為外偏距（寬輪距）或內(nèi)偏距（窄輪距）的車輪。(6)可調(diào)式車輪 采取人力或動力的方式改變軸向位置（相對于輪輻）的車輪。圖3-5形形色色的輪胎由于多功能雙輪平衡車的特殊性，車輪不宜太大。故采用規(guī)格為5.00S的輪輞以及與其配套的輪輻。3.2.2輪胎的選擇由于雙輪車的無半徑轉(zhuǎn)彎會對輪胎產(chǎn)生很大的非對稱性負(fù)荷接觸，對輪胎的性能要求很高。因此我們會采用最先進(jìn)的子午胎，此類輪胎無內(nèi)胎，輪胎斷面扁平，質(zhì)量輕且載重力強(qiáng)。目前市場上主流的有以下幾類：（1）固特異生產(chǎn)的Aguatread輪胎，該品牌輪胎安全性高，操作性好，剎車距離短，磨損小。但是在雨天性能不佳，易打滑，且該類輪胎質(zhì)量偏重，不適合雙輪平衡車的使用。（2）米其林公司生產(chǎn)的Catanam輪胎，這種輪胎適合雨天行駛，省油，噪音低，超輕量。缺點(diǎn)是高速行駛時(shí)不太穩(wěn)定且易于磨損。（3）普利司通公司生產(chǎn)的FT70C輪胎。這種輪胎噪聲低，超輕量，安全性高，具有跑氣保用的功能，但雨天行駛體驗(yàn)不佳。考慮到以上因素，綜合比較。因?yàn)殡p輪車是駕駛者露天使用，并不適用于惡劣天氣環(huán)境，故選用普利司通FT70C系列輪胎。具體型號為100/70R 14 77H的輪胎。3.3底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要想對底盤進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先要對底盤所安裝的部件要了熟于心，雙輪車雖然結(jié)構(gòu)簡單，但麻雀雖小，五臟俱全，雙輪車同樣擁有普通汽車車輪的基本部件，雙輪車驅(qū)動輪部件如圖3-6所示。圖3-6 驅(qū)動輪部件的剖面圖上一板塊我們對懸掛系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，此部分主要是對放置電機(jī)的底盤進(jìn)行設(shè)計(jì)，底盤中包含許多零部件，包括：電動機(jī)、減速器、陀螺儀、加速度計(jì)、蓄電池等。3.3.1 底盤的外形設(shè)計(jì)雙輪車設(shè)計(jì)需要小巧輕便，所以，底盤以及電機(jī)支架的設(shè)計(jì)應(yīng)盡量緊湊。一般地，底盤分為框架式和平板式?？蚣苁降牡妆P結(jié)構(gòu)布局寬敞，各部件可以相對較分散的分布，互相之間的電磁干擾小，而且框架式結(jié)構(gòu)安全性高，較為穩(wěn)定，但它的缺點(diǎn)也較為明顯，占據(jù)空間大，不夠緊湊，空余空間較多，灰塵易于堆積且難以清理。而平板式的底盤結(jié)構(gòu)簡單，布局緊湊，滿足了雙輪車設(shè)計(jì)的剛性需求。雖然結(jié)構(gòu)不太穩(wěn)定，但是可以采用一定措施加固，本設(shè)計(jì)擬采用平板式底盤，并用固定帶加螺栓的方式來加固電機(jī)，如圖3-7所示。圖3-7雙輪車底盤結(jié)構(gòu)圖這樣，所有的原件都可以對稱地放置于車身之內(nèi)，當(dāng)然，鋰電池由于體積較大，需要放置于底盤之上，單一的部件放在底盤下部，傾角傳感器則放在重心的垂直平分線上，以便于更準(zhǔn)確的測量。各原件的布局以及和底盤組成整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖3-8所示。圖3-8 雙輪車結(jié)構(gòu)框圖3.3.2，底盤的材料選擇由于諸多原件都集中在底盤上，各元件之間不僅有可能出現(xiàn)相互干擾，而且所有的重量基本由底盤承擔(dān)，然后再傳遞給雙輪，長時(shí)間壓迫會導(dǎo)致底盤變形，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的高溫也會造成底盤的形變，影響雙輪車的使用壽命，所以底盤由什么材質(zhì)制成對雙輪車的安全穩(wěn)定性至關(guān)重要。常用的底盤材料有以下幾類。（1）鋁合金材料 該類型材料強(qiáng)度大，質(zhì)量輕，抗腐蝕性能良好，一般汽車都采用此類材料作為制作底盤的材料。(2)pvc塑料 該類型材料輕便，價(jià)格便宜，玩具車，電動車等半娛樂式交通工具普遍采用此種材料，隨著科技越來越進(jìn)步，新型的塑料具有良好的強(qiáng)度，韌性也良好，當(dāng)然缺點(diǎn)也很顯著，比如抗熱性能差，且風(fēng)吹日曬日久天長后，材料容易變脆，且會褪色，降低了安全性，影響了美觀。（3）復(fù)合材料 復(fù)合材料類的底盤是上述兩類的集大成者，可謂是繼承了合金材料和塑料材質(zhì)各自的優(yōu)點(diǎn)，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，越來越多的不可能成為可能，且復(fù)合材料的絕緣性能良好，不必?fù)?dān)心各元件之間存在干擾。比如“三角箭”賽車，運(yùn)用了復(fù)合型材料制作底盤和車身，可以輕松穿越火場。缺點(diǎn)是該類材料造價(jià)昂貴，降低雙輪車的性價(jià)比。所以綜上所述，雙輪車的底盤擬采用復(fù)合材料制作底盤，以便增加穩(wěn)定性，提高安全性。3.4本章小結(jié)本章主要對懸掛系統(tǒng)進(jìn)行介紹，并對懸掛系統(tǒng)中彈簧進(jìn)行了具體的計(jì)算與選擇，接著對雙輪車的車輪進(jìn)行選擇，最后對承載電機(jī)和其他原件的底盤進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及對其材料進(jìn)行選擇。至此，雙輪車的機(jī)械方面的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基本完成。4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述由于本人所學(xué)知識有限，對控制系統(tǒng)方面的研究不夠深入，只能對雙輪車的控制方面更進(jìn)行簡單設(shè)計(jì)和概述。4.1 控制系統(tǒng)的組成控制系統(tǒng)分為上下兩部，上部叫作上位機(jī)，負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為顯示部分，而下位機(jī)的作用是控制電機(jī)和處理數(shù)據(jù)，上下位機(jī)之間的信息交流通過串口和總線進(jìn)行傳遞。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。圖4-1 兩輪自平衡機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)圖現(xiàn)在對控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵元件進(jìn)行介紹。為了實(shí)現(xiàn)兩輪機(jī)器人的自平衡，需要各種傳感器來為之提供信息支持。雙輪車上的傳感器主要分為位置傳感器和姿態(tài)傳感器兩大類。姿態(tài)傳感器是用來檢測機(jī)器人運(yùn)動時(shí)的姿態(tài)的，主要的姿態(tài)傳感器有以下幾類：（a）傾角計(jì) 優(yōu)點(diǎn)是定位方式較為隨意，可視情況而定，速度不快時(shí)測量準(zhǔn)確，無累計(jì)偏差。當(dāng)然也有不少不足，比如高速時(shí)誤差大，更新頻率慢繼而導(dǎo)致反應(yīng)慢。（b）加速度計(jì) 測量各種加速度，經(jīng)過積分計(jì)算，從而得到線速度，同樣也可以得到位移。相比較傾角計(jì)而言，更新頻率較快，但在測量雙輪車運(yùn)動姿態(tài)時(shí)，會存在累積漂移誤差，頻帶窄，相應(yīng)慢，同樣不適用于高速運(yùn)動。（c） 陀螺儀 因?yàn)楦鶕?jù)名字無法判斷具體測量什么，所以在此告知該原件是測量角速度的傳感器。放置位置視情況而定，頻帶較寬，動態(tài)性能好，并且更新頻率快。缺點(diǎn)是存在累積偏移誤差，長時(shí)間工作會影響準(zhǔn)確性，要經(jīng)常進(jìn)行調(diào)校。（d）羅盤 是通過地磁場測量車相對于大地的傾斜角，受外界干擾的因素較大，室內(nèi)測量會失去準(zhǔn)確性。（e）超聲波傳感器 用于測量距離，快速且精確，缺點(diǎn)是測量距離有限，距離太遠(yuǎn)會失去精確性。同樣的，位置傳感器也是雙輪機(jī)器人上不可或缺的重要組成部分，下面對幾種常用的位置傳感器進(jìn)行分析比較：（a）相對式碼盤 測量相對角位置和相對角速度，精度高，成本低。但對雙輪車的非正常運(yùn)動狀態(tài)無法做出準(zhǔn)確的判斷，比如打滑，傾斜，顛簸。造成的誤差會累積（b）GPS導(dǎo)航 目前最常用的定位方式，定位精度高，但對外界依賴性強(qiáng)，在動態(tài)環(huán)境中，如果某些因素造成信號不好，則會出現(xiàn)無法定位對的情況。（c）光電接近探測器 通過光反射所需的時(shí)間來測量距離，動態(tài)性好，測量精確且快。但對反射材料要求嚴(yán)苛，否則影響精度。（d）加速度計(jì)和超聲波傳感器同樣適應(yīng)于位置傳感器，加速度計(jì)只需二次積分便可測出距離，超神波也只是換種工作方式，原理是一樣的?？紤]到成本和實(shí)用性等需求，本設(shè)計(jì)采用陀螺儀搭配加速度計(jì)這兩類傳感器來測量角度和位置關(guān)系。具體型號為IDG300和ADXL335。4.2 控制電路的設(shè)計(jì)主控采用AVR的ATMEGA-32，電機(jī)驅(qū)動采用H橋的驅(qū)動方式，元件選用IR2184和IR1405。用PID控制車輪轉(zhuǎn)速，剛開始參數(shù)不能調(diào)的太大，否則會出現(xiàn)車輪抖動的狀況。電路圖如圖4-2所示圖4-2 工作電路圖該模塊的使用說明為:(1) 模塊集成了各類芯片需要的電阻電容，只需外接電源就能通過IC接口和串口讀取數(shù)據(jù)。(2)模塊的VCC引腳和5V引腳二選一供電，不需要都接。（3）R1用于連接MPU-60X0芯片的VDD和VLOGIC腳，若VLOGIC要單獨(dú)供電，R1無需焊接。（3）R2、R3只能焊一個(gè)，用于選擇地址ICC的最低位，一般是焊R2不焊R3.(4)R4用于將芯片接地，也就是說焊好的R4 不適用FSYNC腳。（5）R5 用于clkin腳接地，使用方法同上。至此，雙輪車的控制電路基本完成。結(jié)論本次研究的課題是兩輪機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，歷時(shí)兩個(gè)多月，期間熬通宵，累案牘，初則喜資料之尋得，后則憂進(jìn)度之停滯，誠惶誠恐，不可謂不專注，設(shè)計(jì)中，掣肘于各情形，未曾怠慢。終于解決了一些問題，并得到了一些研究成果：1創(chuàng)造性的提出了多功能雙輪車的構(gòu)想，普通雙輪車都是人站在上邊進(jìn)行駕駛的，本設(shè)計(jì)中，駕駛者可以坐在椅子上進(jìn)行操作，可以說是輪椅和雙輪車的結(jié)合產(chǎn)品。另外此雙輪車的座椅是可拆卸的，可以站著駕駛，也可以坐著，自由切換。接觸部分采用卡扣設(shè)計(jì)，拆裝方便。另外方向把手高度也可調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同高度的駕駛?cè)巳骸? 供電方式采用當(dāng)下比較流行的鋰電池供電，減輕了車身重量，增強(qiáng)了續(xù)航能力，成為了類似電動車，但比電動車更方便的交通工具。而且鋰電池使用壽命長，提高了雙輪自平衡車的性價(jià)比。3 為雙輪車增加了安全制動裝置，普通雙輪車是沒有制動裝置的，僅通過電機(jī)的反轉(zhuǎn)達(dá)到剎車的效果。但本車的適用人群包括殘疾人，他們可能沒有普通四肢健全的人的靈活性，因此，增加一個(gè)制動裝置是很有必要的，但由于雙輪車保持平穩(wěn)是通過倒立擺的原理實(shí)現(xiàn)的，故突然施加一個(gè)力使其挺會會破壞其平衡性，雙輪車是各輪獨(dú)立驅(qū)動，所以剎車要左右共同控制，很難保證力的一致性。所以本車采用的是靜止時(shí)抱死車輪，類似手剎的作用，這樣在殘疾人上下車時(shí)可以保證該雙輪車不動，增加其安全性。4傳動軸本來想采用磁力機(jī)械的技術(shù)來進(jìn)行力的傳動的，依靠電生磁的方法，無需直接接觸就可以帶動軸的旋轉(zhuǎn)，減少了磨損，提高了傳動效率，但此技術(shù)還不成熟，實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度較大，應(yīng)用領(lǐng)域大多是尖端科技，用在雙輪車上有點(diǎn)殺雞用牛刀的意思，具體使用有待商榷。5 在