說明書-兩輪機器人的行走機構設計
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有CAD圖紙和說明書,領取加Q 197216396 或 11970985 圖書分類號： 密 級： 兩輪機器人的行走機構設計 TWO WHELLED ROBOT WALKING MECHANISM DESIGN 2 摘要 隨著科技的發(fā)展和社會的進步，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入人們的視野。本文旨在對雙輪平衡車的行走機構進行研究設計，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值和前景。 多功能雙輪平衡車由踏板、車把和兩個平行的輪子和一個可拆卸的座椅組成。內置了無刷永磁電機，鋰電池安裝在電機下方，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）來傳遞信息，傳給CPU后，處理器會算出適當數(shù)據(jù)，并發(fā)出相應的指令，驅動電動機接到指令后，會產生相應的轉速，再通過軸和聯(lián)軸器傳給減速器，減速器再傳給車輪，車輪通過正轉反轉來保持平衡。車體的轉彎通過車把的左右傾斜角度來控制，不同的傾斜角度對應電機不同的速度差。當然在安上座椅后，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)靈活性強且結構簡單、操作容易，是老少皆宜的出行散步的代步工具。 另外，在行走機構中，將采用磁力機械提高傳動效率，增加平衡車的安全性和可靠性。 關鍵詞 行走機構；自平衡；加速度計；磁力機械 Abstract With 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 machinery 4 目 錄 摘要 3 Abstract 4 目 錄 5 1 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.2 雙輪自平衡機器人分類 2 1.3雙輪機器人研究概況 3 1.3.1國外研究現(xiàn)狀 3 1.3.2國內研究現(xiàn)狀 4 1.4多功能雙輪車的研究目的及意義 5 1.5本文主要研究內容 6 1.6 本章小結 6 2.兩輪機器人的總體設計 7 2.1兩輪機器人的工作原理 7 2.2電動機的選擇 8 2.2.1直流無刷電動機的調速 10 2.3減速器的選擇 12 2.3.1減速比的確定 12 2.3.2 減速器型號的確定 12 2.4磁力機械在雙輪機器人中的應用 14 2.4.1磁力聯(lián)軸器的設計 14 2.5本章小結 15 3行走的機構設計與計算 16 3.1懸掛系統(tǒng)的設計 16 3.2輪胎的設計與選擇 21 3.2.1車輪的選擇 22 3.2.2輪胎的選擇 23 3.3底盤結構設計 23 3.3.1 底盤的外形設計 24 3.3.2，底盤的材料選擇 25 3.4本章小結 26 4 控制系統(tǒng)設計概述 27 4.1 控制系統(tǒng)的組成 27 4.2 控制電路的設計 28 結論 30 致謝 32 參考文獻 33 6 1 緒論 1.1 課題背景 科技是第一生產力，機器人已經(jīng)成為一種新型的生產工具，應用范圍已經(jīng)越來越廣，幾乎滲透到各個領域。機器人在減輕人的勞動強度、提高勞動生產率、減少作業(yè)危險性等方面都顯示出極大的優(yōu)勢。由于機器人要代替人力進行作業(yè)，根據(jù)代替的部位可以把機器人主要分為兩大類：操作機器人(手)，即利用等同于手臂的機械手、相當于手指的手抓來移動物體；移動機器人(腿)，即步行機器人或用車輪進行移動的機器人0 移動機器人由于它的廣闊應用前景，已經(jīng)成為該研究領域的一個重要分支。其移動方式主要有輪式、履帶式、腿式、推進式等。其中輪式機器人由于具有結構簡單、成本低、能量利用率高等特點，已經(jīng)成為機器人的一個重要研究方向。0 輪式機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)常轉向等復雜的工作環(huán)境，如何在這樣的環(huán)境里靈活快捷的完成任務，使機器人不但能夠適應特定的環(huán)境，還能在動態(tài)變化的復雜未知環(huán)境中體現(xiàn)出高度的靈活適應性，成為一個值得重點研究的課題。 在這樣的背景下兩輪自平衡機器人應運而生。兩輪自平衡機器人的行走機構由車輪，電機，懸掛，軸承等部分組成。其中兩個車輪位于同一軸線，分別由兩個直流伺服電機獨立驅動，通過運動保持動態(tài)自平衡。其中，駕駛該平衡車的人與該系統(tǒng)組成一個整體，換言之，人也是這個機器人的一部分，通過人的動作和重心變化，才能實現(xiàn)車的智能化行走。與傳統(tǒng)的輪式移動機器人相比，兩輪自平衡機器人具有很多優(yōu)點： 1. 轉彎半徑為零：機器人繞本體中心旋轉，有利于在狹窄場所改變方向，可以在小空間范圍靈活運動，移動軌跡更為靈活，彌補了傳統(tǒng)多輪布局的缺陷； 2. 無剎車系統(tǒng)：由 CPU 自動給出正反轉力矩，從而達到快速穩(wěn)定的剎車效果；控制方便，只需要身體向運動相反方向傾斜，便可停止。前進后退自如； 3. 驅動功率減小，為平衡車的長時間運行提供支持； 4. 特殊的應用場合：可應用于步行街、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。 由于結構特殊，兩輪自平衡機器人體積小、質量輕、運動靈活、適應地形變化能力強、方便地實現(xiàn)零半徑回轉、適于在狹小和危險的工作空間內活動、能夠勝任一些復雜環(huán)境里的工作。此外，由于微電子技術、計算機技術、控制技術、電源技術、驅動技術、傳感器技術的不斷進步，為兩輪自平衡機器人技術提供了堅實的理論基礎并極大的降低了研制成本，有力地推動了兩輪自平衡機器人由理論研究向工程實踐發(fā)展。0 1.2 雙輪自平衡機器人分類 兩輪自平衡機器人種類繁多，它的典型應用有代步工具、通勤車、空間探索、戰(zhàn)地偵查、危險品運輸、智能輪椅、多機器人合作、足球機器人等方面。但為了更進一步地理解兩輪自平衡機器人的本質，還需根據(jù)機器人的特點進行分類。 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，此類機器人工時短，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、傾角計等多種定位儀器配合使用，可以提高精度，降低成本。因為它算法復雜，故需要對濾波器進行精確調校。 根據(jù)雙輪機器人的結構變化，質心位置是否可變，可分為兩類：定質心和變質心。定質心機器人是研究兩輪平衡車的基礎，因為它的質心不變，控制起來相對簡單，自平衡更容易實現(xiàn)；但是質心不變會導致其他結構也不能改變，功能擴展方面較困難，限制了該類機器人的發(fā)展。變質心一類，由于質心可變，輔助功能模塊就可以變化，可以方便搭載乘客、運輸物品。今后兩輪自平衡機器人的研究趨勢是朝著變質心的方向發(fā)展的。 按照雙輪機器人的結構形式，可分為倒立擺（集中）式和質量均布（堆疊式）。倒擺式的機器人質量主要分布在擺桿頂端和車軸上，如果擺桿廠的話，設計的時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，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 質心位置 系統(tǒng)結構 感知系統(tǒng) 定質心 倒立擺式 單傳感器式 組合合傳感器式 質量均布式 單傳感器式 組合傳感器式 變質心 倒立擺式 組合傳感器式 質量均布式 1.3雙輪機器人研究概況 最早提出雙輪機器人構想的是日本科學家，1987年便申請了專利。后來，美國、瑞士和法國在系統(tǒng)設計與實現(xiàn)，自平衡，運動規(guī)劃等方面取得進展，并取得很多研究成果。國內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)設計，Q380615448】 【代做畢業(yè)設計，Q380615448】 2002年，segway公司創(chuàng)造首輛自平衡雙輪車，名噪一時，該車速度最快可以達到20km/h如圖1.1所示。Segway有五個陀螺儀，有兩個是備用的，主要說的三個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。該芯片運算效率是一般電腦的3倍。在最高中樞，“直覺軟件”會當場分析各類信息。從而調整電動機轉速。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)內的標桿，其平衡方式，控制系統(tǒng)，行走機構等方面成為各個研究機構爭相研究的材料。它采用傳感器，利用倒立擺的原理創(chuàng)造性的設計出了可以零半徑轉彎的兩輪交通工具。 圖1-1 自平衡雙輪腳踏車segway 2007年，三洋電機發(fā)明了可依靠上體倒立來保持平衡的雙輪機器人，叫“FLATHRU”，如圖1-2所示，平地時最大時速30cm／S，最大載重10kg，行走時間1小時。直流電動機的輸出功率為90w，頭部有兩個。為了感知上體的平衡狀態(tài)，采用用了1個3軸加速度傳感器和3個陀螺儀的傳感方案。 圖1-2 機器人FLATHRU 2014年，日本Tohoku大學和Fukushima大學的研究人員研制出生活機器人。該兩輪機器人多了操作手，因此可以進行輔助運動和搬運物體。通過關節(jié)連接處的上下擺桿改變機器人的形態(tài)。機器人的靈活運動是通過倒立擺保證的。它可以抓取物體，能夠坐下，當然也可以自主站起來，可以說是雙輪自平衡機器人邁向多功能化的一個巨大突破。 1.3.2國內研究現(xiàn)狀 2003 年，中國科技大學屠運武、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。它的轉彎半徑為零，可以在狹小空間內靈活運動，無剎車系統(tǒng)，整車質量約 為30 公斤。駕駛者利用身體的前傾與后傾實現(xiàn)雙輪車的變速?？刂剖直淖饔檬窃剞D彎任意角度。最高時速可達 10 公里，續(xù)航30 公里。作者運用動力學的相關知識對系統(tǒng)進行分析，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控制策略來解決。 2015年，李勇，耿建平等人在雙飛輪陀螺效應在雙輪平衡車中的應用進行了研究。他們基于矢量動力學建立單飛輪自平衡動力學模型，基于PD控制理論推導出方程組，最后以該實驗為基礎，研制出雙飛輪陀螺效應的自平衡車，以STM32單片機為控制核心，以智能手機為控制平臺，以HC-06為車載藍牙模塊。實驗驗證了雙飛輪陀螺效應的雙輪車具有更好的平衡性和抗撞擊性。 2015年，河北聯(lián)合大學的任紅格，向迎帆等人研究了兩輪機器人中內在動機的強化算法。就是利用內在動機信號作為內部獎勵，模擬人類的認知方法并與外部信號一起作用于學習過程，同時采用自組織神經(jīng)網(wǎng)絡協(xié)助快速運算。這種算法可以使機器人在未知復雜的環(huán)境中通過自主學習最終達到平衡，體現(xiàn)了該算法的魯棒性，在機器人智能化上邁出深遠的一步。 圖1-3機器人Free Mover 1.4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，這個十年前在人們看來還是尖端技術的產品如今已進入尋常百姓家。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比。畢竟花大幾千元購置一個成年人的“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器人在學術上也有重要的研究價值，它是動力學研究和控制理論相結合的產物，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證具有極其重要的意義。 總而言之，雙輪自動平衡機器人是理論與實踐相結合的產物。既有理論研究的意義，又有實用價值。受到各國科學家的廣泛關注。已經(jīng)成為近年來炙手可熱的研究項目之一。 1.5本文主要研究內容 本文的主要研究對象是雙輪自平衡車，由于它本質不穩(wěn)定，多變量，非線性，強耦合。再加上復雜多變的運行環(huán)境?？刂迫蝿找灿袕碗s性。 由于專業(yè)和自身水平限制，本文主要從行走機構方面和控制系統(tǒng)方面進行研究。主要研究內容為以下5點： （1）通過分析近年來國內外雙輪自平衡車的結構組成，給出較合理的幾種行走機構方案，并擇優(yōu)選擇。 （2）對硬件進行設計，包括車輪的設計，電動機的選擇，懸掛系統(tǒng)的設計，電機支架的設計，制動系統(tǒng)的設計等。 （3）對各個部分的硬件參數(shù)進行分析計算，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)新結構等。 （5）對控制平衡的系統(tǒng)和電路進行簡單設計。 1.6 本章小結 本章主要介紹了輪式機器人的發(fā)展歷程，繼而引出了兩輪機器人的課題研究背景，接著介紹了關于兩輪車的國內國外研究現(xiàn)狀，對一般的雙輪車系統(tǒng)進行分類，探尋出研究雙輪車的目的，最后引出本文的研究內容。 2.兩輪機器人的總體設計 行走機構可以說是雙輪自平衡機器人的基礎，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構進行具體的設計。比如由于多了座椅而需要增加電機功率。因為老人、殘疾人的使用而需要增加的制動系統(tǒng)和保護裝置。本章將具體介紹該車行走機構中各部件的設計與選擇。 2.1兩輪機器人的工作原理 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整來實現(xiàn)站和坐兩種駕駛體驗。它的側面結構如圖2-1所示，靜止狀態(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，車輪和車身相對獨立。也就是說，車身的前后擺動對車輪的狀態(tài)是沒有影響的。當雙輪車啟動后，小車有三種運動狀態(tài)，需要合理的控制方法?；驹砭褪钱斳圀w傾斜時，傾角傳感器測出角度，控制系統(tǒng)根據(jù)傾角得出一個人相應的力矩，傳輸給電機，通過車輪轉速的變化來保持平衡。 當平衡車前傾時，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，當后傾時，車輪向后滾動來保持平衡。當車身的重心在電機軸心線的垂直平分線上時，車身靜止，無需控制。需要提到的是。當駕駛者坐在平衡車上時，車還未啟動，車前傾，為保持平衡，腳踏板起到一個支撐桿的作用，當車啟動時，腳踏板隨之抬起，正常運行。 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，該設計增加了可拆卸式座椅，駕駛者可以體驗站立或坐式兩種駕駛方式，把手高度可調節(jié)，適應不同高度的駕駛人群。另外，因為有殘疾人的駕駛模式，本雙輪車增加了手剎的功能。在車停止時，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電動機的選擇 雙輪車體積小，質量輕，一般采用鋰電池供電，故選用直流電機?？梢赃x擇的電機種類有：直流有刷電機、永磁式直流無刷電機、電磁式直流電機、步進電機等。 直流有刷電機控制性好，轉動慣量的范圍可以控制的很小，反應速度快，可以滿足雙輪平衡車對敏捷度苛刻的要求；另外，該類電動機調速快，范圍廣，滿足了雙輪平衡車的快速性要求；過載性好，機械性能過硬，可以達到輕松爬坡，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，因為有換向器和電刷的存在，引起的了電機的可靠性不足，使用壽命縮短，這會嚴重影響雙輪平衡車的實際使用。 步進電機在數(shù)字控制方面性能較好，可以制動和反轉、快速啟動，抗干擾的能力也很強。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，單步響應的過程中有震蕩和過沖量，承載慣性負載能力弱，不利于雙輪車的平衡控制。另外，該類型電機控制線路復雜，而雙輪車結構小巧，電機空間更小，無法滿足布線的要求。 電磁式直流電機轉速變化率小，電流恒定，轉矩比普通電機大，滿足雙輪車的動力需求，可以提高雙輪車在復雜環(huán)境下的靈活性。但是這類電機的空載率較高，啟動電流大，對蓄電池的壽命有一定影響。同時抗干擾性差，不利于雙輪平衡車的平穩(wěn)運行。 直流無刷永磁式電機沒有換向器，無電刷，壽命長，有較高的可靠性，而且它無需勵磁，功率因數(shù)接近1，轉化效率高。它啟動轉矩大，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，我們來通過計算對電機的具體型號進行選擇： 首先要對力矩與功率進行換算： 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，最大運行速度為20km/h,根據(jù)所要求的加速度，可以估算出驅動力矩M的大小。根據(jù)要求的最大運行速度，并且考慮安全情況以及傳動效率，可以計算出電動機的功率大致為： 式（2.4） 式中 K——安全系數(shù)； η——傳動效率； ——車輪半徑。 所以，綜合以上因素，且考慮到系統(tǒng)應用的需求，本車將采用額定功率400w、額定電壓48v，轉速2000-4000轉的永磁式直流無刷電機作為驅動電機。它是由博世（BOSCH）公司生產的80BL89S40-445TFO電機。此類電機驅動力強勁，因此可以保證小車有足夠的力來保持平衡。電機外形如圖2-3所示。 圖2-3 博世直流無刷永磁電機 2.2.1直流無刷電動機的調速 調速，顧名思義，是在負載的狀態(tài)下，使用一定的手段使電動機或電源參數(shù)發(fā)生改變，進而改變電動機的機械特性曲線，以此來改變發(fā)動機轉速。調速有兩層意思。一個就是“恒速”；還有就是在某以范圍內“變速”。一般地，永磁式直流無刷電機和有刷電機的機械特性方程基本一致，以此類比，它們的調速方法相同，共三種： 1.改變主磁通。通過改變電機磁通可以進行無極調速，但它有一定的局限性，即只能減弱，也就是說只能在額定轉速的基礎上向上調速，是一種恒功率調速的方法。但無刷電機的定子磁場一般是永磁鐵產生的，故此種調速方法不適合無刷直流電機。 2.改變中樞供電電壓U。通過額定電壓往下來調低中樞電壓，調速也是從額定轉速往下開始的，這種屬于恒轉矩調速，可以實現(xiàn)在給定范圍內無極平滑調速。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，達到調速的目的。該法操作簡單，設備簡易，缺點是只能有級調速，不夠平滑，空載時更是無法調速，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選取電壓調速的方法。調節(jié)電壓時要有專用的可控直流電源，故采用脈寬調制變換器運用到設計之中。此法又稱為PWM（Pulse Frequency Modulation）。調試原理如圖2-4所示。 圖2-4脈寬調制調速原理圖 圖中符號解釋如下：S開關是脈寬調制器，外加的電源電壓默認為固定直流電壓。當S閉合時，電流I通過S輸送到電動機M；S斷開時，電流中斷，M通過二極管續(xù)流，電樞電壓無線趨近于0。當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，實現(xiàn)調速。它的平均電壓為： 式（2.5） 式中：T—脈沖時鐘； t—導通時間； D—PWM電壓占空比（0
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