履帶式移動機(jī)器人平臺設(shè)計

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1、Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 作 系 者： 王佳 學(xué)號： 063268 機(jī)械工程 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 題 目: 多感官履帶式移動機(jī)器人平臺設(shè)計 指導(dǎo)者： 丁承君 教授 評閱者： （姓名） （專業(yè)技術(shù)職務(wù)） （姓名） （專業(yè)技術(shù)職務(wù)） 2010年6 月1日 Gen erated by Foxit PDF Creator

2、? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 畢業(yè)設(shè)計中文摘要 多感官履帶式移動機(jī)器人底盤設(shè)計 摘要： 多感官履帶機(jī)器人是國家高技術(shù)發(fā)展研究計劃（863）支持項目之一，包括 雙節(jié)履帶直流伺服驅(qū)動底盤和機(jī)器人多感官頭部以及傳感器系統(tǒng)和計算機(jī)控制 系統(tǒng)。本題目的設(shè)計目標(biāo)是完成底盤機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成底盤驅(qū)動系統(tǒng)的電機(jī)功 率扭矩等參數(shù)計算校核、選型。 本設(shè)計利用了機(jī)械設(shè)計、機(jī)械制造、機(jī)電傳動等專業(yè)知識，解決多感官履帶 式機(jī)器人移動平臺的驅(qū)動、移動平臺的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計以及多節(jié)履帶和附屬部件的 設(shè)計。本設(shè)計的

3、具有較強(qiáng)的實用性，可以作為各種移動機(jī)器人平臺以及其它移動 設(shè)備的載體。 關(guān)鍵詞： 機(jī)器人 平臺設(shè)計 履帶設(shè)計 Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 畢業(yè)設(shè)計(論文)外文摘要 Title The Chassis Design of Multi-sensory Crawler-type Mobile Robot Abstract The multi-sensory crawler robot , which includes

4、 the twin-crawler DCservo drive chassis and multi-se nsory robot head as well as the sen sor systems and computer control systems , is one of the items supported by The National High Tech no logy Research and Developme nt Program (863 Program).This subject is desig ned to complete the chassis mecha

5、 ni cal structure desig n, to complete the parameter calculation and proof-reading such as the torque of the electric-motor power of the chassis drive system and to complete the proper type-select ions. In this design specialized knowledge such as the mechanical design, the mach inery manu factur

6、i ng and the mecha ni cal & electrical tran smissi on is used to design the drive system,mechanical system,multi-section crawler system and ancillary components of the mobile chassis of the multi-sensory crawler robot. This desig n has strong practical applicati on s, it can be used as the chassis

7、 of many kinds of moving robots and also as the carrier of other moving equipme nts. Keywords Robot Chassis desig n Crawler desig n Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 目錄（Index） 1緒論 1.1研究現(xiàn)狀 1 1.2研究意義及目的 2 1.3應(yīng)用情況 3 1.4研究方向 4 1.

8、5虛擬設(shè)計技術(shù)在多感官機(jī)器人中的應(yīng)用 5 2課題內(nèi)容及其參數(shù)要求 2.1課題主要解決的問題 6 2.2遇到的主要問題 7 2.3解決問題的方法 7 2.4參數(shù)要求 7 3總體設(shè)計方案 3.1底盤設(shè)計 8 3.2傳動系統(tǒng)設(shè)計 10 3.3驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 11 3.4小結(jié) 12 4移動平臺底盤的機(jī)械設(shè)計 4.1底盤設(shè)計 14 4.2擺臂設(shè)計 15 4.3多感官傳感器 18 4.4承載輪 18 4.5履帶 19 4.6外殼及輔助裝置 20 5移動機(jī)器人動力系統(tǒng)設(shè)計 5.1基于平地最大速度的驅(qū)動電機(jī)功率計算 22 5.2基于爬坡最大坡度的驅(qū)動電機(jī)功率計算 23

9、 5.3直流伺服電機(jī)的選型 24 5.4電源選擇 26 5.5小結(jié) 26 6傳動系統(tǒng)設(shè)計 6.1后輪減速器系統(tǒng) 27 6.2擺臂傳動系統(tǒng) 29 7移動平臺關(guān)鍵零部件有限元分析和校核 7.1底盤的有限元分析 30 7.2行星輪外支架有限元分析 32 7.3擺臂支架有限元分析 32 7.4小結(jié) 34 8總結(jié)及展望 34 致謝 34 參考文獻(xiàn) 35 Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 1、 緒論 1.1

10、 移動機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 移動機(jī)器人的研究始于60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen 和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研造出了取名 Shakey的自主移 動機(jī)器人。目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、 規(guī)劃和控制。與此同時，最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功， 從而開始了機(jī)器 人步行機(jī)構(gòu)方面的研究，以解決機(jī)器人在不平整地域內(nèi)的運(yùn)動問題， 設(shè)計并研制 出了多足步行機(jī)器人。其中最著名是名為 General ElectricQ uadruped 的步行 機(jī)器人。70年代末，隨著計算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，移動機(jī)器人研究

11、又 出現(xiàn)了新的高潮。特別是在80年代中期，設(shè)計和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界， 一大批世界著名的公司開始研制移動機(jī)器人平臺，這些移動機(jī)器人主要作為大學(xué) 實驗室及研究機(jī)構(gòu)的移動機(jī)器人實驗平臺，從而促進(jìn)了移動機(jī)器人學(xué)多種研究方 向的出現(xiàn)。90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高 適應(yīng)性的移動機(jī)器人控制技術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動機(jī)器 人更高層次的研究。 智能移動機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個重要分支。智能移動機(jī)器人集人 工智能、智能控制、信息處理、圖像處理、檢測與轉(zhuǎn)換等專業(yè)技術(shù)為一體，跨計 算機(jī)、自動控制、機(jī)械、電子等多學(xué)科，代表機(jī)電一體化的最高成就，是當(dāng)前智

12、能機(jī)器人研究的熱點之一。 隨著在智能移動機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，機(jī)器人要完成的任務(wù)也越來越 復(fù)雜。盡管對智能移動機(jī)器人的研究已經(jīng)取得了令人鼓舞的可喜成果， 但隨著機(jī) 器人研究的不斷深入，智能移動機(jī)器人研究領(lǐng)域還存在許多的挑戰(zhàn)性課題有待我 們解決⑴。 1.2 研究意義及目的 科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力，各國之間綜合國力的競爭，很大程度上取決于高新 技術(shù)之間的競爭，作為機(jī)電一體化的最高成就，機(jī)器人技術(shù)普遍受到了各國政府 的重視，他們都將機(jī)器人作為一個戰(zhàn)略高新技術(shù)給予支持。 中國工程院院士宋健 曾指出：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是20世紀(jì)自動控制最有說服力的成就，是當(dāng)代 最高意義上的自動化?！敝悄軝C(jī)

13、器人是具有感知、思維和行動功能的機(jī)器人，是 機(jī)構(gòu)學(xué)、自動控制、計算機(jī)、人工智能、光電技術(shù)、傳感技術(shù)、通訊技術(shù)、仿真 技術(shù)等多種學(xué)科和技術(shù)的綜合成果。智能機(jī)器人作為新一代生產(chǎn)和服務(wù)工具，在 制造領(lǐng)域和非制造領(lǐng)域占有廣泛、 重要的位置，對人類開辟新的產(chǎn)業(yè)，提高生產(chǎn) 與生活水平具有十分現(xiàn)實的意義[2] 0 移動機(jī)器人是智能機(jī)器人中智能最高的機(jī)器人， 它可以在動態(tài)壞境中無須人 工干預(yù)便自主完成從起點到終點的行駛?cè)蝿?wù)。 近十年來，移動機(jī)器人的研究十分 活躍，其得到快速開發(fā)的原因主要有兩個方面：其一，移動機(jī)器人有廣泛的應(yīng)用 范圍，包括制造系統(tǒng)、服務(wù)行業(yè)、國防、航天及其它社會應(yīng)用方面。其最成功的 應(yīng)用是

14、作為自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中的物料搬運(yùn)裝置， 用以完成機(jī)床之間、機(jī)床與自動 倉庫之間的工件傳送，以及機(jī)床與工具庫間的工具傳送。由于移動機(jī)器人運(yùn)動靈 活，因而大大增加了生產(chǎn)系統(tǒng)的柔性和自動化程度。星際探索和海洋開發(fā)也是促 使移動機(jī)器人發(fā)展的重要因素。早在六十年代，美國MIT就開始研究火星探索用 移動機(jī)器人，以便在火星上軟著陸后進(jìn)行移動收集數(shù)據(jù)。 海洋開發(fā)方面，移動機(jī) 器人的作用是資源調(diào)查、石油礦藏開采、沉船打撈等?，F(xiàn)在，移動機(jī)器人的研究 開發(fā)除上述應(yīng)用外，還涉及許多其它應(yīng)用領(lǐng)域。如在采礦業(yè)中進(jìn)行隧道的掘進(jìn)和 礦藏的開采，在醫(yī)療中對病人進(jìn)行護(hù)理，在農(nóng)業(yè)中實施化肥和農(nóng)藥的噴灑， 在軍 事上用于探測偵察、爆炸

15、物處理，特別是在一些具有危險性的操作中，例如，核 電廠的廢料搬運(yùn)、有毒的化工場地作業(yè)。最近幾年，移動機(jī)器人技術(shù)也應(yīng)用到了 智能交通系統(tǒng)中。其二，與任何一門現(xiàn)代技術(shù)分支一樣，移動機(jī)器人研究的興起 一方面是社會生產(chǎn)發(fā)展的需要，另一方面也是相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域交叉發(fā)展的結(jié)果。 其 中一個最直接的因素是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。 計算機(jī)信息處理、存儲能力的大幅提 高，為移動機(jī)器人運(yùn)行更復(fù)雜的實時控制算法創(chuàng)造了條件。 另外計算機(jī)科學(xué)出現(xiàn) 了一系列諸如人工智能、專家系統(tǒng)等新興技術(shù)分支學(xué)科，這些學(xué)科為移動機(jī)器人 未知或動態(tài)環(huán)境的實時導(dǎo)航開辟了道路。移動機(jī)器人技術(shù)已成為眾多高新技術(shù)的 產(chǎn)物，同時也為其它技術(shù)的發(fā)展提供了豐

16、富的研究素材和應(yīng)用場所。 從阿波羅登 月計劃中的月球車到美國NASA亍星漫游計劃中的六輪采樣車，從西方各國正在 加緊研制的戰(zhàn)場巡邏機(jī)器人、偵察車到新近研制的管道清洗檢測機(jī)器人和智能服 務(wù)機(jī)器人，都有力地顯示出移動機(jī)器人正在成為智能機(jī)器人發(fā)展的方向。 不同于 傳統(tǒng)的機(jī)器人手臂，移動機(jī)器人具有其特殊的機(jī)構(gòu)模型和應(yīng)用性，是一個集多種 功能于一體的綜合系統(tǒng)。移動機(jī)器人的研究提出了許多新穎的、挑戰(zhàn)性的理論與 工程技術(shù)課題，引起了越來越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣。 智能移動機(jī) 器人的發(fā)展極大的擴(kuò)展了人類對周圍環(huán)境空間的認(rèn)識范圍， 也為機(jī)器人技術(shù)與人 工智能的發(fā)展提供了一個極好的研究平臺。 智能

17、移動機(jī)器人正在走進(jìn)我們的日常 工作和生活。 1.3 應(yīng)用情況 早在六十年代，國外就已經(jīng)開始了關(guān)于移動機(jī)器人的研究， 并且己經(jīng)研究出 能適應(yīng)地面、地下、水中、空中以及太空環(huán)境作業(yè)的多種機(jī)器人機(jī)構(gòu)。斯坦福研 究所(SRT)的NilsNilssen 和CharlesRosen等人，在1966年至2972年間研制的 名為shakey的自主移動機(jī)器人，成為世界上第一個運(yùn)用邏輯思維自行定位物體， 并在物體周圍移動的智能移動機(jī)器人，如圖 1.3.1所示。 圖1.3.1 Shakey機(jī)器人 由美國iRobot公司生產(chǎn)的Packbot系列機(jī)器人因其在伊拉克和阿富汗戰(zhàn)場 上表現(xiàn)優(yōu)秀，挽救了很多士兵

18、的生命而享譽(yù)盛名，見圖 1.3.1.4?！癙ackbot”意 指“背包機(jī)器人”，它體型小，易于攜帶，美國軍方已準(zhǔn)備將其納入美軍新型單 兵標(biāo)準(zhǔn)裝備“模塊化輕型攜行裝備(MOLLE)中。它的最大時速可達(dá) 14公里，每 次充電后行駛距離能超過13公里，同時涉水深度可達(dá)3米。“ Packbot”機(jī)器人 十分結(jié)實，即使從1.8米的高度摔在硬質(zhì)混凝土上，也毫發(fā)無傷?！癙ackbot”越 障能力極強(qiáng)，能爬60%勺坡度樓梯，有多種越障方式，能越過比自身高度大許多 的障礙，可以從任何顛覆狀態(tài)下恢復(fù)到正常行駛狀態(tài)。可用于偵察、反狙擊、戰(zhàn) 術(shù)實施，如反地道、近距離干擾等。現(xiàn)在，iRobot 公司正在研發(fā)一種名

19、為“勇 士”的多功能模塊化機(jī)器人，它是繼“ Packbot”之后的新一代機(jī)器人，并能運(yùn) 送“ Packbot”機(jī)器人，可以執(zhí)行補(bǔ)給、安裝武器、醫(yī)療救護(hù)、機(jī)動、為士兵運(yùn) 送裝備等任務(wù)[3][4]。 圖 1.3.2 “ Packbot” 機(jī)器人 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)，經(jīng)過近二十年的不懈努力，取得了一 系列令世界矚目的科研成果。從大型的工業(yè)機(jī)器人到小型的納米機(jī)器人， 從代表 國家最高科技水平的登月機(jī)器人到提高學(xué)生綜合素質(zhì)的教育機(jī)器人， 機(jī)器人產(chǎn)業(yè) 在中國正進(jìn)入一個快速發(fā)展的時期，呈現(xiàn)出一種欣欣向榮的前景 ⑸。 1.4研究方向 1、拓展履帶機(jī)器人的使用范圍 目前

20、履帶機(jī)器人在民用領(lǐng)域主要用途是安全監(jiān)視、 反恐、排爆、消防、搜救; 在軍事領(lǐng)域主要用途是洞穴、建筑物勘測、掃雷、破障、生化戰(zhàn)劑探測等；但這 還遠(yuǎn)不能滿足目前日益增長的生產(chǎn)、 生活需求和軍事需求，正因為如此，世界各 國開始積極拓展小型履帶式機(jī)器人的使用范圍，包括將便攜式履帶機(jī)器人用于家 庭服務(wù)、科學(xué)考察、充當(dāng)旅行助手或者是在戰(zhàn)爭中用于目標(biāo)指示、火力發(fā)射、戰(zhàn) 術(shù)運(yùn)輸、通信中繼等⑹。 2、 實際應(yīng)用履帶機(jī)器人 目前，履帶機(jī)器人無論是軍用還是民用都未普及， 主要是該類機(jī)器人造價不 菲，如一臺Packbot價值32萬人民幣，雖然在阿富汗戰(zhàn)爭，伊拉克戰(zhàn)爭中使用 過，但由于價格太高，美軍也未能大面積

21、部署。進(jìn)一步降低機(jī)器人成本，推向?qū)?用化才能挖掘出機(jī)器人的潛力和存在價值⑹。 3、 增加履帶機(jī)器人與其它種類機(jī)器人之間的互操作能力 單一的地面小型履帶機(jī)器人所能完成的任務(wù)有限，為提高執(zhí)行任務(wù)能力，在 多種作業(yè)環(huán)境下如地面、水下和空中，各類機(jī)器人要求能密切集成與合作，這樣 需要機(jī)器人之間增強(qiáng)互操作能力，互操作能力所需的信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和接口涉及信 息傳輸、建模、處理與安全以及人機(jī)接口等方面技術(shù)。 4、 進(jìn)一步提高履帶機(jī)器人運(yùn)動靈活性和運(yùn)動可靠性 機(jī)器人可根據(jù)外界環(huán)境變化主動調(diào)節(jié)運(yùn)動關(guān)節(jié)輔助爬坡、 越障，從而增強(qiáng)機(jī) 器人運(yùn)動靈活性和地形通過能力;另外機(jī)器人應(yīng)具備良好的運(yùn)動可靠性，如機(jī)器 人有

22、抗沖擊能力，執(zhí)行任務(wù)時從高處掉落而不損壞⑺⑹。 1.5虛擬設(shè)計技術(shù)在多感官機(jī)器人中的應(yīng)用 虛擬設(shè)計是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一個新的研究領(lǐng)域，是計算機(jī)圖形學(xué)、 人工智能、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息處理、機(jī)械設(shè)計與制造等技術(shù)綜合發(fā)展的產(chǎn)物。它 以計算機(jī)仿真和產(chǎn)品生命周期建模為基礎(chǔ),集計算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、并行工 程、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為一體,在虛擬的條件下對產(chǎn)品進(jìn)行 構(gòu)思、設(shè)計、制造、測試和分析;從而提高產(chǎn)品在時間、質(zhì)量、成本、服務(wù)環(huán)境 等多目標(biāo)中的決策水平,達(dá)到全局優(yōu)化和一次性開發(fā)成功的目的。 通過虛擬設(shè)計可以完成多感官移動機(jī)器人的虛擬設(shè)計， 虛擬裝配，虛擬運(yùn)動 仿真等工作，

23、并且在虛擬設(shè)計中，設(shè)計人員可以使用各種裝配工具對設(shè)計的機(jī)構(gòu) 進(jìn)行裝配檢驗,確定零部件的安裝有無困難、零部件之間是否有干涉現(xiàn)象等。若 有則可以隨時進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，從而避免了由于設(shè)計上的疏忽而造成大批零件的報 廢。 2、課題內(nèi)容及其參數(shù)要求 2.1課題主要解決的問題 移動平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計是本課題主要解決的問題。 室外移動機(jī)器人是一個 組成結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它應(yīng)不僅具有加速、減速、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向以及越 障等常規(guī)的功能，而且還應(yīng)具有任務(wù)分析、路徑規(guī)劃、路徑跟蹤、信息感知、自 主決策等類似人類智能行為的人工智能。因此，按其功能劃分，室外移動機(jī)器人 可以看作是由機(jī)械裝置、行為控制器、知識庫及

24、傳感器系統(tǒng)組成的相互聯(lián)系、相 互作用的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)。 本文設(shè)計的多感官履帶式移動機(jī)器人主要應(yīng)用在消防、 反恐、公安等需要特 殊作業(yè)的部門，這就要求移動機(jī)器人在野外路面和城市路面能夠自如行駛， 可以 通過諸如樓梯、斜坡等一般障礙，在野外自然裸土山上行駛時具有防塵功能。為 了使機(jī)器人實現(xiàn)不同的功能，機(jī)器人應(yīng)可以搭載不同的子系統(tǒng)，如消防、輕武器、 偵察監(jiān)聽設(shè)備、夜視設(shè)備、機(jī)械手等，同時搭載平臺應(yīng)該具有兩個以上的自由度 以便靈活作業(yè)。此外在執(zhí)行任務(wù)的過程中機(jī)器人除了本身能存儲一定的聲音圖像 資料外，還應(yīng)實時傳遞信息，實現(xiàn)機(jī)器人與人之間的通訊。在突發(fā)狀況通訊中斷 時機(jī)器人應(yīng)具有一定的自主行動能力，

25、 使其能夠安全返回。綜上所述，多功能特 殊移動機(jī)器人要完成既定任務(wù)應(yīng)具體有以下幾方面需求： 1） 移動靈活敏捷?？梢栽诔鞘新访嬉约安糠忠巴饴访嬉暂^高的速度行走，轉(zhuǎn)向 靈活； 2） 較強(qiáng)的越障、避障能力?？梢酝ㄟ^城市內(nèi)一般障礙，可以攀爬標(biāo)準(zhǔn)樓梯以及 城市內(nèi)所有坡道； 3） 適應(yīng)性能較強(qiáng)。可以在惡劣的環(huán)境中作業(yè)； 4） 結(jié)構(gòu)緊湊輕巧。降低了移動機(jī)器人的重心，保證了其行進(jìn)中的穩(wěn)定性：同時作 為戰(zhàn)場機(jī)器人使用時，也便于機(jī)器人的隱蔽、攜帶。 2.2遇到的主要問題 在前期設(shè)計中主要遇到的問題是：普通的移動機(jī)器人運(yùn)動平臺中的減速器和 電機(jī)占的空間過大，是地盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積過大，機(jī)構(gòu)不緊湊，無法滿

26、足要求， 如果可以減少減速器和電機(jī)占的空間， 就能在平臺中安裝更多的其它設(shè)備， 提高 機(jī)器人的總體性能。 2.3解決問題的方法 遇到此問題后查閱了《汽車構(gòu)造》一書，其中減速器一章介紹了輪邊減速器。 在重載貨車、越野車或大型客車上，當(dāng)要求有較大的主傳動比和較大的離地間隙 時，往往將雙機(jī)主減速器中的第二集減速齒輪機(jī)構(gòu)制成同樣的兩套， 分別安裝在 兩側(cè)驅(qū)動車輪的近旁。由此想到用行星輪減速器，將其裝在驅(qū)動輪中，這種結(jié)構(gòu) 可以增大減速比，提高驅(qū)動力，同時減小了減速器所占的空間，而且機(jī)構(gòu)緊湊。 經(jīng)過計算，兩級行星輪減速器可以達(dá)到 1/25的減速比。 2.4參數(shù)要求 表2.4.1多感官移動機(jī)器人移

27、動平臺設(shè)計要求 總體結(jié)構(gòu) 雙節(jié)履帶式結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)指標(biāo) 自重 <100Kg 載荷 >50Kg 搭載接口 二維隨動搭載平臺 結(jié)構(gòu)尺寸 1200*700*500 機(jī)動指標(biāo) 干地取大速度 >1m/s 正常速度 0.7m/s 最大通過坡度 >30° 樓梯通過能力 能通過普通標(biāo)準(zhǔn)樓梯 轉(zhuǎn)向能力 零半徑 續(xù)航能力 1小時以上 防護(hù)能力 防水防塵，抗沖擊。 3總體設(shè)計方案 本設(shè)計的多感官機(jī)器人移動平臺包括移動平臺的機(jī)械系統(tǒng)和動力系統(tǒng)。 機(jī)械 系統(tǒng)又包括底盤和傳動系統(tǒng)。總體布局如圖 3.1所示。 圖3.1多感官履帶式移動機(jī)器人平臺總體布局 3.

28、1底盤設(shè)計 移動平臺的底盤是移動機(jī)器人的基礎(chǔ)， 機(jī)器人的各種傳感器、控制器、驅(qū)動 器以及搭 載平臺都需要以移動平臺為載體，同時移動平臺還要實現(xiàn)移動機(jī)器人的基本功能 一一移動。 機(jī)器人的移動方式多種多樣，主要的移動機(jī)構(gòu)有:輪式、履帶式、腿式等。 履帶式移動機(jī)器人適合在未加工的天然路面上行走，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪 路的作用。履帶式移動機(jī)構(gòu)和輪式、腿式移動機(jī)構(gòu)相比，具有如下特點： 1） 支撐面積大，接地比壓小，適合于松軟或泥濘場地作業(yè)，下陷度小，滾動阻力 小，通過性能較好； 2） 越野機(jī)動性好，爬坡、越溝等性能均優(yōu)于輪式移動機(jī)構(gòu)； 3） 履帶支撐面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能

29、好，有利于發(fā)揮較大的牽引力； 4） 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，運(yùn)動慣性大，減震性能差，零件易損壞。 雙節(jié)履帶設(shè)計是目前出現(xiàn)的眾多復(fù)合履帶式結(jié)構(gòu)移動機(jī)器人中的一種。 雙節(jié) 履帶設(shè)計可以提高履帶車的爬坡和越野能力， 使履帶車更容易通過障礙物，增加 了機(jī)器人的靈活性，目前雙節(jié)履帶設(shè)計在移動機(jī)器人上已有較多應(yīng)用。 本設(shè)計采用雙節(jié)履帶設(shè)計，每個擺臂可以單獨有電動機(jī)驅(qū)動，擺臂履帶為從 動。布局如圖3.1.1所示。 圖3.1.1雙節(jié)履帶設(shè)計布局 移動機(jī)器人驅(qū)動輪的選擇關(guān)系到機(jī)器人的運(yùn)動性能指標(biāo)。履帶式移動機(jī)器人 的驅(qū)動輪分布主要有后輪驅(qū)動和前輪驅(qū)動兩種。履帶兩端的導(dǎo)向輪哪一個用來驅(qū) 動更為合適

30、與履帶機(jī)構(gòu)的形狀有關(guān)。 對于本題目中的雙節(jié)履帶，以驅(qū)動輪在后方 比較有利，這時履帶的上分支受力較小，導(dǎo)向輪受力也較小，主履帶承載分支處 于微張緊狀態(tài)，運(yùn)行阻力較小，如圖 3.1.2 (a)所示。反之，前輪為驅(qū)動輪時， 履帶的上分支及導(dǎo)向輪承載最大載荷，履帶承載分支部分長度處于壓縮彎折狀 態(tài)，運(yùn)行阻力較大，見3.1.2 (b)圖。 移動機(jī)器人使用兩臺電機(jī)分別對兩個后輪進(jìn)行驅(qū)動， 通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速實 現(xiàn)移動機(jī)器人的差速轉(zhuǎn)向。這樣可以實現(xiàn)機(jī)器人的快速轉(zhuǎn)向和原地零半徑回轉(zhuǎn)。 如圖3.1.3所示。 驅(qū)動電機(jī) 傳動系統(tǒng) // 圖3.1.3多感官履帶式移動機(jī)

31、器人平臺動力系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)布局 3.2傳動系統(tǒng)設(shè)計 為了節(jié)省空間，本題目中的傳動系統(tǒng)采用了行星減速器設(shè)計。 從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn) 了電機(jī)直接驅(qū)動后輪。行星減速器采用 2K-H型行星齒輪傳動。原理如圖3.2.1 所示。 圖3.2.1 2K-H型行星齒輪傳動機(jī)構(gòu) a、b :太陽輪；e：行星輪；H :轉(zhuǎn)臂 行星減速機(jī)其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)比較緊湊，回程間隙小、精度較高，使用壽命很長, 額定輸出扭矩可以做的很大。但價格略貴。 3.3驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 驅(qū)動系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)的動力來源，選擇最佳的驅(qū)動系統(tǒng)是設(shè)計多感官移動 機(jī)器人的關(guān)鍵。現(xiàn)代機(jī)器人的驅(qū)動方式主要有氣動驅(qū)動、液壓驅(qū)動和電動驅(qū)動三 種。 氣動驅(qū)

32、動系統(tǒng)以壓縮空氣為動力源， 具有氣源方便，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動快 速靈活，不污染環(huán)境，以及維修方便，價格便宜，適合在惡劣工況條件下工作等 特點。但是由于氣體具有可壓縮性，氣動驅(qū)動系統(tǒng)的平穩(wěn)性差，高速時要設(shè)緩沖 或制動裝置，低速時不易控制，速度、位置控制難于達(dá)到精確值，一般不能用于 伺服系統(tǒng)。 液壓驅(qū)動系統(tǒng)是較早被采用的驅(qū)動方式， 它具有重量輕、慣量小、傳動平穩(wěn)、 控制環(huán)節(jié)簡單等特點。但是液壓驅(qū)動系統(tǒng)的液壓油容易泄漏， 影響工作性能和污 染環(huán)境，它需要單獨的油源，所占空間較大，主要適用于中、大型機(jī)器人。 電動驅(qū)動系統(tǒng)具有傳動平穩(wěn)、靈活、速度快、控制簡單精確、無污染、效率 高、結(jié)構(gòu)簡單、無管路系

33、統(tǒng)、維護(hù)方便等特點。適用于中、小型機(jī)器人。 采用電動驅(qū)動系統(tǒng)是現(xiàn)代機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展趨勢之一，負(fù)荷 1000N以內(nèi)的 中、小型機(jī)器人，現(xiàn)已絕大部分采用了電動驅(qū)動系統(tǒng)。 因此多感官移動機(jī)器人平 臺采用電動方式驅(qū)動，并將蓄電池作為電動機(jī)和控制系統(tǒng)的動力能源。 在確定了驅(qū)動方式后，需要選擇合適的電動機(jī)。電動機(jī)的性能直接決定著驅(qū) 動系統(tǒng)的性能，它的選擇成為設(shè)計多功能特殊移動機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 電動 機(jī)按照工作電源分類可分為交流電機(jī)(AC)和直流電機(jī)(DC)兩種。 交流電機(jī)(AC)具有結(jié)構(gòu)簡單、造價便宜、維護(hù)方便等優(yōu)點，一些工業(yè)機(jī)器人 就使用交流供電，但是交流電機(jī)控制特性較差，要實現(xiàn)無級調(diào)速

34、必須做到頻率無 級調(diào)節(jié)，雖然在現(xiàn)代控制理論發(fā)展到今天和產(chǎn)生了矢量控制技術(shù)以及脈寬調(diào)(PWM) 技術(shù)的條件下交流電機(jī)變頻調(diào)速己成為現(xiàn)實，但是交流電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)還是比較 復(fù)雜。 直流電機(jī)(DC)的激勵電流和電樞電流二者的大小及方向可以獨立地分別控 制，從而使轉(zhuǎn)速在很寬的范圍內(nèi)可以得到精確的調(diào)節(jié)，具有良好的控制性能和調(diào) 速性能。但是傳統(tǒng)的有刷直流電機(jī)體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、散熱性能差，它必須有 炭刷和換向器，炭刷易產(chǎn)生電火花會引起電磁干擾， 它和換向器易損壞，降低了 電機(jī)的穩(wěn)定性和壽命。無刷直流電機(jī)由電子換向器取代了普通有刷直流電機(jī)炭刷 和換向器的機(jī)械換向，消除了機(jī)械換向帶來的諸多限制，它既保持著有刷

35、直流電 機(jī)的優(yōu)秀控制性和調(diào)速性，又具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、壽命長、體積小、噪聲 低、損耗低、無干擾性、過載能力大等優(yōu)點，是交流電機(jī)與直流電機(jī)優(yōu)點的結(jié)合， 廣泛用于機(jī)械、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。 綜上所述，多功能特殊移動機(jī)器人移動平臺選用無刷直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動， 具 體由電動機(jī)、減速箱、數(shù)字伺服驅(qū)動器和光電編碼器組成。 兩臺電動機(jī)分別驅(qū)動 兩個驅(qū)動輪為機(jī)器人運(yùn)行提供動力，數(shù)字伺服驅(qū)動器對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向進(jìn)行 控制，并通過光電編碼器對電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的反饋進(jìn)行不斷調(diào)整， 它們共同組成 一個閉環(huán)系統(tǒng)，控制機(jī)器人完成前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向等動作。如圖3.3.1為驅(qū)動閉 壞系統(tǒng)的示意圖。 圖3.3.1驅(qū)動閉

36、環(huán)系統(tǒng) 3.4小結(jié) 綜上所述，多感官移動機(jī)器人平臺包括了平臺底盤，傳動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)。 由于每個系統(tǒng)之間相互聯(lián)系又相互制約，總體設(shè)計的目的就是為了是每個子系統(tǒng) 合理布局，是整個平臺盡量結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行靈活。 移動平臺的最終三維示意圖如圖 3.4.1所示。 圖3.4.1多感官履帶式移動機(jī)器人平臺渲染效果圖 -13 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 4、移動平臺底盤的機(jī)械設(shè)計 要設(shè)計在室外工作的移動機(jī)器人

37、， 首先要考慮移動平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)。移動平 臺是車上儀器設(shè)備的搭載平臺，是移動機(jī)器人的基礎(chǔ)，其功能和適應(yīng)性的好壞直 接關(guān)系到機(jī)器人的使用壽命和完成任務(wù)的情況。因此，移動平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計是 移動機(jī)器人開發(fā)過程中的一個非常重要的環(huán)節(jié)。 4.1底盤設(shè)計 多感官移動機(jī)器人底盤是各種機(jī)械結(jié)構(gòu)韻載體， 它承載著其它機(jī)械結(jié)構(gòu)和搭 載元件的部分重量，同時也是其它部件的定位基準(zhǔn)。這就要求機(jī)器人底盤具有一 定的強(qiáng)度、剛度和較高的可靠性。在加工精度方面，底盤各軸孔、定位面應(yīng)該具 有較高的精度，以保證其它元件的準(zhǔn)確定位。另外，根據(jù)機(jī)器人指標(biāo)要求，移動 機(jī)器人應(yīng)該具有較高的通過障礙能力.，在進(jìn)行底盤設(shè)計時，應(yīng)該充分

38、考慮到底 盤通過能力。 本設(shè)計中的底盤采用鋼板彎曲焊接而成，制造成本低，結(jié)構(gòu)簡單，重量輕， 剛度大，而且便于其它設(shè)備連接。材料采用 45鋼，易于折彎焊接。另外底盤還 附屬有其它加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)如圖 4.1.1圖4.1.2所示。 圖4.1.1底盤板料 圖4.1.2底盤折彎焊接后成型 4.2擺臂設(shè)計 本題目中的擺臂設(shè)計為各自可 360°自由旋轉(zhuǎn)，可以通過各種障礙物，增加 了靈活度，擺臂與渦輪蝸桿減速器相連，可以實現(xiàn)反向自鎖。同時擺臂與前輪從 動輪直接相連，無需單獨驅(qū)動，即簡化了結(jié)構(gòu)，又不影響爬坡能力。結(jié)構(gòu)如圖 4.2.1所示。 圖4.2.1能360。旋轉(zhuǎn)的擺臂 為

39、了能使擺臂易于安裝，擺臂設(shè)計為外伸結(jié)構(gòu)，中間用空心支撐桶來支撐固 定前輪，中間軸來帶動擺臂運(yùn)動。中軸與內(nèi)部的絕對碼盤和蝸輪蝸桿減速器相連 接。空心支撐同結(jié)構(gòu)如圖4.2.2所示。 圖4.2.2前輪及擺臂示意圖 由于在使用擺臂過障礙時，車身重量的一半會落在擺臂的履帶上， 如果擺臂 上的履帶沒有承載輪的話，將會使履帶拉伸過于嚴(yán)重。如圖 4.2.3 -15 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 -17 -

40、 Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 圖4.2.3過障礙時擺臂履帶會過載 為此，在擺臂上加裝了承載輪，是平臺在過障礙時更加容易，同時也保護(hù)了 擺臂所用的履帶，延長了使用壽命。改進(jìn)如圖 4.2.4所示 圖4.2.4擺臂加裝的承載輪

41、 -# - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 4.3多感官傳感器 本題目為多感官移動式履帶機(jī)器人，因此在移動平臺上加裝了視覺傳感器、 測距、聲音傳感器動多種傳感器。視覺傳感器采用攝像頭，在攝像頭旁邊裝有 LED燈，可以在夜晚使用，在攝像頭的下方裝有紅外線燈，以備特殊情況使用。 同時傳感器的本身可以90°旋轉(zhuǎn)，增加了靈活性和視角。如圖 431所示 圖4.3.1多感官傳感器

42、4.4承載輪 移動平臺雖然有了前輪和后輪的支撐和動力可以行走， 但是如果機(jī)器人平臺 需要過障礙物，障礙物在前后輪之間的時候，會對履帶產(chǎn)生非常大的壓力，甚至 于損壞履帶。因此必須有承載輪來分擔(dān)履帶的受力。承載輪如果使用剛性固定的， 會使機(jī)器人平臺產(chǎn)生較大的震動，不易于過障礙和平地行走，因此承載輪上安裝 了減震彈簧，使其變?yōu)閺椥暂喯?。其結(jié)構(gòu)如圖 4.4.1所示。 圖441承載輪結(jié)構(gòu) 4.5履帶 履帶機(jī)器人的行走部件是本題目所設(shè)計的移動平臺， 該平臺采用搖擺帶動一 節(jié)可旋轉(zhuǎn)履帶，即雙節(jié)履帶設(shè)計。結(jié)構(gòu)如圖二所示。主履帶采用環(huán)型無接頭履帶， 內(nèi)部有加強(qiáng)鋼絲，無接頭，整體抗拉強(qiáng)度高。同時

43、節(jié)距穩(wěn)定性強(qiáng)，誤差少。工作 過程中節(jié)距不發(fā)生變形或位移，確保了運(yùn)行過程中全時與驅(qū)動輪正確嚙合， 機(jī)械 傳動功率損失少，延長了機(jī)器與橡膠履帶的壽命。而且伸長率極低。環(huán)型無接頭 橡膠履帶的伸長率僅僅是鋼絲簾線的伸長量，數(shù)值非常小。此伸長量的存在對履 帶的正常使用不構(gòu)成任何影響，只要鋼絲不斷，橡膠履帶在首次使用的跑合期張 緊后，今后無需再張緊。因此本設(shè)計題目中未加入張緊裝置。 圖4.5.1環(huán)型無接頭履帶 4.6外殼及輔助裝置 為了防止碰撞給履帶和后輪帶來的損壞， 在移動平臺上設(shè)計了具有保護(hù)性的 外殼。外殼設(shè)計有可以打開的蓋子，蓋子下面裝有控制器，可以方便的打開蓋子 對移動平臺進(jìn)行操作。

44、 在總裝配體中，擺臂不用時可以與主履帶平行放置，既節(jié)省空間又防止擺臂 履帶碰撞損壞，當(dāng)需要時可以在旋轉(zhuǎn)伸出擺臂。如圖 4.6.1所示 -21 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 -23 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 圖4.6

45、.1裝配圖效果圖中的外殼 外殼的后部有可視窗口，可以將其打開，里面裝有控制器，方便操作調(diào)試。 如圖4.6.2所示 圖462打開后蓋以便操作控制器 -# - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 5、移動機(jī)器人動力系

46、統(tǒng)設(shè)計 5.1基于平地最大速度的驅(qū)動電機(jī)功率計算 圖5.1.1移動機(jī)器人平地直線運(yùn)動受力圖 根據(jù)理論力學(xué)平面交匯力系平衡條件和合力矩定理： F 0 n 5.1.1 Mo Fi 0 i 1 則，移動機(jī)器人平地直線運(yùn)動的平衡方程為： X 0, Ml/ R f 0 Y 0, N1 N2 mg 0 5.1.2 Mo F 0 Mlr Ml fR N2L1 mgL3 0 其中， m:為移動機(jī)器人的質(zhì)量(kg)，m=50K； R：為移動機(jī)器人驅(qū)動輪半徑(m)，R=0.15m L1:為移動機(jī)器人支撐輪軸心到驅(qū)動輪軸心的水平距離(m)，

47、Ll=0.7llm ； L3:為移動機(jī)器人重心到驅(qū)動輪軸心 0的水平距離(m)， L3=0.34m ； ML為驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動力矩(Nm); N1、N2:為地面對移動機(jī)器人的支撐力； MLR為滾動摩阻力矩(Nm), MLR電(N1+N2,取5 =0.007m f:為地面對移動機(jī)器人的摩擦阻力； 卩：為地面與履帶摩擦系數(shù)，取產(chǎn)=0.17 圖5.2.1移動機(jī)器人爬坡受力圖 -25 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書

48、 Ml M LR-fR+N 2i-mgL3 fR 0.17 100 9.8 0.15 24.99Nm 可以得出，移動機(jī)器人兩側(cè)電機(jī)經(jīng)減速器減速后在最大行駛速度下需要提供 的極限扭矩為12.5Nm 在lm/s的最大行駛速度下，驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過減速箱減速后需要提供的極限轉(zhuǎn) 速為： 1 n max vmax/ D 1.06r/s 63.7 r/min 3.14 0.3 5.2基于爬坡最大坡度的驅(qū)動電機(jī)功率計算 相對于平地行駛過程，爬坡能力對于移動機(jī)器人的驅(qū)動能力是一個重要的衡 量指標(biāo)，所以在進(jìn)行驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計時，爬坡指標(biāo)的計算也應(yīng)作為選擇電機(jī)的必須 依據(jù)。 假設(shè)移動機(jī)器人在最大

49、指標(biāo) 30°的斜坡上勻速行駛，行駛速度為 0.3m/s。 在行駛過程中機(jī)器人輪子作瞬時純滾動，不考慮空氣阻力的影響。移動機(jī)器人爬 坡受力情況如圖5.2.1所示。 移動機(jī)器人爬坡平衡方程為: X 0, Ml/R f mgsi n30 0 Y 0, N1 N2 mgcos30 0 5.2.1 圖5.2.1移動機(jī)器人爬坡受力圖 -27 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 Mo F 0 Mlr Ml fR

50、N 2L1 mgL3cos30 解方程的: M l Mlr fR N2L1 mgL3 cos30 f mg sin30 R 0.17 100 9.8 100 9.8 sin30 0.15 98.5Nm 可以得出，移動機(jī)器人兩側(cè)電機(jī)經(jīng)減速器減速后在最大坡度下爬坡需要提供的極 限扭矩為49.25Nm 0.3m/s 的速度爬坡時，驅(qū)動電機(jī)經(jīng)過減速器后所需提供的轉(zhuǎn)速為： n v/ D 03 19.1r/min 3.14 0.3 由以上分析可知，移動機(jī)器人平地直線運(yùn)動時要求的驅(qū)動電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速較 大，而爬坡時要求的驅(qū)動電機(jī)輸出扭矩較大。 因此在電機(jī)選型時，應(yīng)根據(jù)平地直 線運(yùn)動要求

51、轉(zhuǎn)速和爬坡要求扭矩進(jìn)行選擇。 5.3直流伺服電機(jī)的選型 電動機(jī)選擇上海從化S3系列，如表5.2.1 圖5.2.1移動機(jī)器人爬坡受力圖 -# - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 S 3-753 S3-754 S3-755 S3-756 ■■ 蔽龍功軍-P [WJ 100 9D 200 1B0 3Q0 2SD 300 220 最衣轉(zhuǎn)S [tpm| 6000

52、4S0C? 5000 3SIM 4000 3300 3000 JOOO 04 0.35 1 15 1 * 1 5 -Tu|Nm] 2.16 2 35 2 65 3.65 3 3 4..05 4 45 占1 tn速度 + ° M Irad/sec^J 27250 30500 204 0D 28100 17150 213D0 25500 返憔扭距下的頓毎電H |A] 3,5 2,7 4,2 5.4 4.B A A ittta按霜下的額定（&盍[A| 18 15.3 18 18 1? 保大烘陽

53、一晅圧* V, [V| 9D 巫矩晉良鳴）|N常叢| 0.122 0.156 0.149 0<.204 0.186 0.227 0 249 0.342 甩壓宸戒-Kn(*M0%) |V/kRPM| 12.75 1B 3 15.6 21 3 19-5 23.a 26 1 35.8 25七的直藍(lán)阻抗? RJ*M2.5%）[Q1 3.3 5.5 1.6 3.0 12 2.0 1.9 3.5 感應(yīng)系敖-LtftmH] 3.0 4.7 1.7 S.1 1.4 2.4 1.5 2.fl 問需註? rjmej 17

54、17 9.4 3-4 6.6 6 6 7.3 7.2 25-001電汽時閽需豔? q [m&] 0 91 0.B5 1.1 1.03 1.2 1.2 0.9 o.a 表5.3.1上海從化S3系列直流伺服電機(jī) 根據(jù)功率，選擇 S3-756系列直流伺服電機(jī)，最高轉(zhuǎn)速為 2000rpm從而確 定減速器減速比為25: 1。S3-756直流伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)居轉(zhuǎn)速特性圖如圖 5.3.1 所示。峰值扭矩為Tp=6.1Nm連續(xù)扭矩 Tc=1.5Nm最高轉(zhuǎn)速為 nmax=2000rpm 額定功率P=220W S3? 756-01C-XXX ￡壬衆(zhòng)ffl 圖5.3.

55、1 S3-756C直流伺服電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速圖 -# - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 轉(zhuǎn)速（r pm） 圖5.3.1 S3-756C直流伺服電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)速圖 -29 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 圖5.3.2 S3-756C直流伺服

56、電機(jī)（上海從化） 5.4電源選擇 移動平臺的電源選用了上海華伍波爾的 HW36V10A鋰電池，規(guī)格為36V20AH 電池組品質(zhì)為3.8Kg。最大連續(xù)放電電流不超過 20A最大脈沖電流不超過30A 最大輸出功率為720W可以滿足兩臺電動機(jī)需求。電池組還具有防過充，防過 放，防短路，防高溫，過電流保護(hù)等功能。 5.5小結(jié) 本章對多感官移動機(jī)器人的動力系統(tǒng)做了計算校核及選型。 動力系統(tǒng)的好壞 直接影響到機(jī)器人的使用情況，因此十分重要。在查閱了移動機(jī)器人使用的各種 場合，對比發(fā)現(xiàn)本設(shè)計題目中的機(jī)器人主要以平地運(yùn)動為主， 因此電動機(jī)以平地 運(yùn)動為主要計算參數(shù)。由于直流伺服電機(jī)可以周期性過載運(yùn)

57、行，因此本移動平臺 不能長時間爬坡運(yùn)行。這樣可以減小電動機(jī)功率和電源功率， 使移動平臺更加靈 活和便攜，同時也能使用與絕大多數(shù)場合使用。 6、傳動系統(tǒng)設(shè)計 由電動機(jī)輸出的動力，需要通過傳動系統(tǒng)傳遞到機(jī)器人移動平臺的后輪上， 以便驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動?？梢妭鲃酉到y(tǒng)是整個移動平臺實現(xiàn)是運(yùn)動功能的紐帶和關(guān) 鍵。 6.1后輪減速器系統(tǒng) 移動平臺另一個關(guān)鍵部分是傳動系統(tǒng)， 而傳動系統(tǒng)的核心是減速器。體積小， 功率大，結(jié)構(gòu)合理的減速器是傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵。 行星減速機(jī)是一種用途廣泛的工業(yè)產(chǎn)品，其性能可與其它軍品級減速機(jī)產(chǎn)品 相媲美，卻有著工業(yè)級產(chǎn)品的價格，主要用于塔式起重機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)， 又可作為 配套部件

58、用于起重、挖掘、運(yùn)輸、建筑等行業(yè)。 行星減速器內(nèi)部齒輪采用 20CvMnT滲碳淬火和磨齒具有體積小、重量輕，承 載能力高，使用壽命長、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪聲低、輸出扭矩大，速比在、效率高、性 能安全的特點。兼具功率分流、多齒嚙合獨用的特性。是一種具有廣泛通用性的 新性減速機(jī)。最大輸入功率可達(dá)104kW適用于起重運(yùn)輸、工程機(jī)械、冶金、礦 山、石油化工、建筑機(jī)械、輕工紡織、醫(yī)療器械、儀器儀表、汽車、船舶、兵器 和航空航天等工業(yè)部門行星系列新品種 WG定軸傳動減速器、WN子母齒輪傳動 減速器、彈性均載少齒差減速器。 本題目中選用了兩級行星減速器，減速比為 25: 1,每一級減速比為5： 1, 如圖6.

59、1.1所示為減速器結(jié)構(gòu)圖，采用行星減速器可以有效的節(jié)約移動平臺內(nèi)部 空間，從而可以搭載更多的傳感器和其它設(shè)備。 /////////////////^ 圖6.1.2后輪傳動系統(tǒng)三維示意圖 6.2擺臂傳動系統(tǒng) 擺臂設(shè)計是使用在移動平臺過障礙的過程中，提高通過能力的裝置。為了能 是擺臂轉(zhuǎn)動，需要有電動機(jī)來帶動其轉(zhuǎn)動，但當(dāng)擺臂使用是必須固定不動，才能 起到支撐作用。因此擺臂的傳動系統(tǒng)必須有鎖定更能， 同時機(jī)器人系統(tǒng)還需要能 檢測到擺臂的位置，以便控制各種姿態(tài)。 蝸輪蝸桿減速機(jī)是一種動力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電機(jī)（馬 達(dá)）的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)

60、數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)。在目前用于傳遞動 力與運(yùn)動的機(jī)構(gòu)中，減速機(jī)的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛。幾乎在各式機(jī)械的傳動系統(tǒng)中 都可以見到它的蹤跡，從交通工具的船舶、汽車、機(jī)車，建筑用的重型機(jī)具，機(jī) 械工業(yè)所用的加工機(jī)具及自動化生產(chǎn)設(shè)備， 到日常生活中常見的家電，鐘表等等. 其應(yīng)用從大動力的傳輸工作，到小負(fù)荷，精確的角度傳輸都可以見到減速機(jī)的應(yīng) 用，且在工業(yè)應(yīng)用上，減速機(jī)具有減速及增加轉(zhuǎn)矩功能。因此廣泛應(yīng)用在速度與 圖6.1.1后輪傳動系統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)示意圖 -31 - Gen erated by Foxit PDF Creator ? Foxit Software For evaluati

61、on only. 河北工業(yè)大學(xué)城市學(xué)院 2010屆本科畢業(yè)說明書 扭矩的轉(zhuǎn)換設(shè)備。 擺臂驅(qū)動裝置采用蝸輪蝸桿減速器，減速比為 66: 1，采用力矩電機(jī)驅(qū)動。 結(jié)構(gòu)如圖6.2.1所示。蝸輪蝸桿減速機(jī)的主要特點是具有反向自鎖功能，同時可 以有較大的減速比。因此用在驅(qū)動擺臂上就可以省去了抱閘機(jī)構(gòu)。 圖6.2.1蝸輪蝸桿減速器三維示意圖 7、移動平臺關(guān)鍵零部件有限元分析和校核 多感官移動機(jī)器人平臺的關(guān)鍵零部件有底盤、行星輪外支架和擺臂。 底盤是移動平臺的基礎(chǔ)，底盤的強(qiáng)度和剛度直接影響整個平臺是否能夠使 用，因此必須進(jìn)行校核。 行星輪外支架直接為后輪提供動力，是否符合強(qiáng)度要

62、求是平臺運(yùn)動能力的關(guān) 鍵，因此需要對其進(jìn)行校核。 擺臂是移動平臺過障礙時使用的，過障礙時二分之一的重量都分擔(dān)在擺臂 上，如果擺臂剛度不夠，會影響移動平臺過障礙的能力，因此也需要校核。 本設(shè)計使用了 solidworks 自帶的COSMOSXpres進(jìn)行有限元分析。Cosmos 軟件是美國SRAC公司的產(chǎn)品，它具有計算速度快、解題時占用磁盤空間少、使 用方便、分析功能全面、與其他 CAD/CA軟件集成性好等優(yōu)點。 7.1底盤的有限元分析 底盤的材料為45號鋼，建模時材料選擇普通碳鋼，劃分單元格最小0.62mm 單元公差0.03mm最大受力1000N全部加載在橫梁上。計算求解后，得到底盤

63、的應(yīng)力分布云圖和位移分布云圖分別如圖 7.1.1和7.1.2所示。 6 從計算結(jié)果來看，最大應(yīng)力 9.44 10 Nm，材料許應(yīng)力為 8 m 6.2 10 Nm，安全系數(shù)s=0.015，因此符合要求。 9. 444?+006 8.637e+006 7 STOe+OOG 7.0S3e+006 6. 296e+006 5. 50S?+00G 4.722e+006 3.勺勢電"06 3. 149e+006 2.3&le*006 1. 5T4e+006 7 07Oe+OO5 1.191e+001 ——A ?屈康力：&? 204e+0Q8 圖7.1.1應(yīng)力分布云圖

64、 圖7.1.2位移分布云圖 2.675*^002 2.432arOD2 2. 2. 006e-002 1. 733e-002 1. 5S0e-002 i” 337t-002 1. U5e-002 3. ?1“一0曲 &.&3?e-003 4.456S-003 2, 229t-Q03 1. 000?-030 7.2行星輪外支架有限元分析 行星輪外支架的材料為45號鋼，建模時材料選擇普通碳鋼，劃分單元格最 小0.62mm單元公差0.03mm最大受力750N全部加載在橫梁上。計算求解后， 得到底盤的應(yīng)力分布云圖如圖7.2.1所示。 從計算結(jié)果來看，最大應(yīng)力 3.89 107Nm，材料許應(yīng)力為 m 22 105 Nm，安全系數(shù)s=0.177，因此符合要求。 圖7.2.1行星輪外支架應(yīng)力分布云圖 7.3擺臂支架有限元分析 擺臂支架的材料為 45號鋼，建模時材料選擇普通碳鋼，劃分單元格最小 0.62mm單元公差0.03mm最大受力500N全部加載在橫梁上。計算求解后， 得到底盤的應(yīng)力分布云圖如圖7.3.1所示。 從計算結(jié)果來看，最大應(yīng)力 2?56 107Nm，材料許應(yīng)力為 8 m 2.2 10 Nm，安全系數(shù)s=0.116，因此符合要求。 圖7.3.1前輪擺臂支架應(yīng)力分布云圖 7.4小結(jié) 通過對各個主要部件的有限元分析，