展館導(dǎo)游機器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計
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1 引言
1.1 導(dǎo)游機器人的研究意義
第一臺的工業(yè)機器人是美國在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、精密機械、動力學(xué)、計算機科學(xué)技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域。機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)展到機械化、自動化到現(xiàn)在的智能化。進入本世紀(jì)之后,人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)機器人已經(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,機器人的用處已經(jīng)越來越廣泛,它可以承擔(dān)各種工作。機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器人正在向制造業(yè)以外的方向擴展,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,如飛行機器人、海難救援機器人、化肥和農(nóng)藥噴撒空中機器人、護理機器人等[2]。最近幾年來,對導(dǎo)游機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)游是個機器人。
1.2 國內(nèi)導(dǎo)游機器人發(fā)展現(xiàn)狀
導(dǎo)游機器人的研究在國內(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)游機器人研究主要經(jīng)歷了算法的研究和仿真、國外機器人平臺的引進和自主開發(fā)三個階段[3]。下面是中國對導(dǎo)游機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)游機器人[4],它可以在普通的馬路上行進,也可以在高速公路上行進,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、人機的交流管理、運動控制等功能是由四臺工業(yè)控制計算機分別完成的。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?,F(xiàn)在THMR-V已經(jīng)可以在相對復(fù)雜的環(huán)境下,進行目標(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)游機器人是海爾一哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人技術(shù)公司最近推出的新一代智能導(dǎo)游機器人,該機器人由伺服驅(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),并進行識別。與THMR-V一樣DY- I也裝有能分辨色彩的攝像機作為它的眼睛。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- 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;如果行進過程中遇到的是障礙,它就會自主的控制轉(zhuǎn)向機構(gòu)來改變行進的方向。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)游機器人的研究熱點
綜合國內(nèi)外對于導(dǎo)游機器人的研究的實際情況,當(dāng)代導(dǎo)游機器人的研究主要集中在以下幾個方面。
(1)行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)實際的需要,行走機構(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)游機器人會被要求在各種各樣的場地上活動,因此它的行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有很多種。當(dāng)前,對腿足式行走機構(gòu)、履帶式行走機構(gòu)和特殊行走機構(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,并且輪式行走機構(gòu)的行進方式是滾動前進的,滾動摩擦所消耗的能源比其它的行進方式要少很多,所以輪式行走機構(gòu)正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展[7]。
(2)運動控制技術(shù)。成熟的運動控制技術(shù)是導(dǎo)游機器人整體性能的基礎(chǔ),由于導(dǎo)游機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)游機器人在行進的過程中,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)游機器人研制的重點,它是導(dǎo)游機器人運動控制的基礎(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]。
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構(gòu)應(yīng)用的廣泛性而進行的設(shè)計。輪式行走機構(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構(gòu)進行考慮。設(shè)計之初考慮的方案有三輪行走機構(gòu)和四輪行走機構(gòu)。
方案一:三輪行走機構(gòu)
優(yōu)點:① 成本低。
② 質(zhì)量輕。
缺點:穩(wěn)定性較差。
方案二:四輪行走機構(gòu)。
優(yōu)點:穩(wěn)定性好。
缺點: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,三輪機構(gòu)和四輪機構(gòu)的穩(wěn)定性區(qū)別不大,綜合考慮本設(shè)計決定采用三輪行走機構(gòu)。圖1.1是確定的三輪機構(gòu)的設(shè)計方案,后面將對此方案的規(guī)劃進行詳細(xì)的設(shè)計和計算。
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)游機器人前進。轉(zhuǎn)向部分是由轉(zhuǎn)向電機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)動電機為伺服電機,伺服電機的特點是結(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,轉(zhuǎn)速也可以很高。伺服電機矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟,這就使得采用伺服電機驅(qū)動的系統(tǒng)相比較而言具有一定的優(yōu)勢,伺服電機的轉(zhuǎn)速通常較快,又由于導(dǎo)游機器人的行進的速度較慢,所以在驅(qū)動電機和工作軸之間要有減速機構(gòu),圖中的減速器就是減速機構(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)向電機為步進電機,步進電機不同與伺服電機,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,步進電機的止動的位置、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,也就是說給電機加一個脈沖信號,電機就轉(zhuǎn)過一個步距角。加上步進電機只有周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)域用步進電機來控制變的非常的簡單。轉(zhuǎn)向電機和轉(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
驅(qū)動部分的設(shè)計首先要確定驅(qū)動的方案(在前面已經(jīng)確定過了),即選用什么樣的電機、是否設(shè)置減速機構(gòu)、輪子的直徑大小以及各部分的連接??紤]到是展館導(dǎo)游機器人,行進的速度并不快,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。由于伺服電機的轉(zhuǎn)速一般都較快,所以設(shè)計中考慮選用減速機構(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)計指標(biāo):導(dǎo)游機器人的總體尺寸≤500mm×500mm×1500mm(長x寬x髙);總重量:≤30kg;最大行進速度約0.6m/s。故要求:
機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;
最大行進速度約0.6m/s;
車輪直徑:120~160mm。
2.2 驅(qū)動電機的選擇
根據(jù)設(shè)計所要求的指標(biāo),初步選擇車輪的直徑為150mm ;
機器人的總重量: 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);
損耗后所需的實際功率:;
式中 為電動機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)以上計算初選直流電機型號:Z2-21型,功率:0.7KW,轉(zhuǎn)速:=1400rad/s。
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,進行各零部件的尺寸計算,校核。最后根據(jù)計算的結(jié)果用AUTO/CAD軟件進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
機器人行進速度: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 計算各個傳動軸運動和動力參數(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
運動和動力參數(shù)結(jié)果如下表2.2。
表2.2 各軸的運動和動力參數(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)行走機構(gòu)為一般機器,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度進行齒輪的參數(shù)的設(shè)計
由公式:
(2.2)
來進行初步的試算。
(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)的計算
① 試算小齒輪分度圓直徑,代人中較小的值
。
② 計算齒輪轉(zhuǎn)動時是的圓周速度v
。
③ 計算齒輪的齒寬b
。
④ 計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 。
因為是直齒輪,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 按實際的載荷系數(shù)校正后,所算得的分度圓直徑
⑦ 計算齒輪的模數(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
(1)選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù)。
(a)按設(shè)計的傳動方案,選用直齒圓柱齒輪傳動。
(b)行走機構(gòu)為一般機器,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)按齒面接觸疲勞強度來設(shè)計
由公式(2.2)進行試算。
(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)的計算
① 試算小齒輪分度圓直徑,代人中較小的值
② 計算齒輪轉(zhuǎn)動時的圓周速度v
計算齒輪輪齒的齒寬b
③ 計算齒寬與齒高之比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。
因為是直齒輪,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 按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑。
⑥ 計算模數(shù)m ,查齒輪模數(shù)表,取m=1。
,故取小齒輪齒數(shù)為22。,取。
(c)齒輪幾何尺寸計算
齒輪的分度圓直徑;
。
兩配對齒輪的中心距 ;
計算大齒輪的寬度 ;
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
軸Ⅰ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:
考慮到螺紋,鍵槽在一定程度上對軸的強度的削弱,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)計的需要,也就不用校核軸的強度了。
(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
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
其他各軸的尺寸計算與軸Ⅰ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)尺寸由機械設(shè)計手冊查得,如表2.4所示。
表2.4 減速器機體主要尺寸表
名稱
尺寸
機座壁厚
8
機蓋壁厚
8
機座緣厚度
12
機蓋凸緣厚度
12
機底座凸緣厚度
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)機壁距離
10
齒輪端面與機壁距離
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:
考慮到螺紋,鍵槽在一定程度上對軸的強度的削弱,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)計的需要,也就不用校核軸的強度了。
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),因為齒輪的表達(dá)會影響到電機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。
圖3.1 驅(qū)動部分的三維造型圖
3.1 轉(zhuǎn)向電機的選擇
轉(zhuǎn)向電機選用的是步進電機。
步進電機在選擇的時候,必須要保證步進電機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)向機構(gòu)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩,得出計算結(jié)果后,再根據(jù)步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩來選取所要的電機,但是一定要確保電機的額定轉(zhuǎn)矩要大于轉(zhuǎn)向機構(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,負(fù)載力矩一般都是比較大的,所以選用的電機的依據(jù)可以是最大靜力矩。
轉(zhuǎn)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩計算:
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)計算的結(jié)果,查步進電機的選用表3.1。
表3.1 步進電機選用略表
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,它的外形安裝尺寸如圖3.3所示。
圖3.3 35BYG001型電動機參考尺寸
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:
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
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
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,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)向機構(gòu)的,為了方便電機的安裝,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)游機器人輪式行走機構(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。
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)。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。
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