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大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 輪式移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 完成日期： 2012年5月30日 大學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 論文（設(shè)計）題目： 輪式移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué)號： 姓名： 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 1：了解輪式移動機(jī)器人的原理及其設(shè)計： 2：CAD繪圖設(shè)計，要求A0圖紙一張，總共達(dá)到兩張A0。 3：說明書，要求6000字以上，要求內(nèi)容完整，計算準(zhǔn)確： 4：外文翻譯3000字以上，要求語句通順。 二、重點研究的問題 1：輪式移動機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計： 2：輪式移動機(jī)器人電機(jī)的選型 三、進(jìn)度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 ： 完成時間 1 查閱資料 第1-2周 2 開題報告、制訂設(shè)計方案 第3—4周 3 分析各方案優(yōu)劣，選出最佳方案 第5周 4 完成輪式機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)設(shè)計 第6-7周 5 繪出機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的零件圖和裝備圖 第8—12周 6 修改圖紙 第13周 7 說明書的撰寫的編輯 第14周 8 答辯準(zhǔn)備 第15周 四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) [1] 呂偉文.全方位輪移動機(jī)構(gòu)的原理和應(yīng)用[A].無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2005，615-17. [2] 趙東斌,易建強(qiáng)等.全方位移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)和運(yùn)動分析[B].機(jī)器人,2003,9. [3] 李瑞峰,孫笛生,閆國榮等.移動式作業(yè)型智能服務(wù)機(jī)器人的研制[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2003,1:27-29. [4] 楊樹風(fēng).帶有機(jī)械臂的全方位移動機(jī)器人的研制. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士畢業(yè)論文，2006. [5] 田宇,吳鎮(zhèn)煒,柳長春.開放式三自由度全方位移動機(jī)器人實驗平臺[J].機(jī)器人,2002,24（2）:102-106. [6] 閆國榮，張海兵.一種新型輪式全方位移動機(jī)構(gòu)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001,33（6）:854-857. [7] 呂偉文.全方位移動機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計[A].無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006.12：03-12. [8] 高光敏,張廣新,王宇等.一種新型全方位輪式移動機(jī)器人的模型研究[A].長春工程學(xué)院學(xué)報,2006,12. [9] 吳玉香，胡躍明.輪式移動機(jī)械臂的建模與仿真研究[B].計算機(jī)仿真，2006,1（05）. [10] 付宜利,徐賀,王樹國.具有新型輪式走行部的移動機(jī)器人及其特性研究.高技術(shù)通信,2004,12. [11] 付宜利,李寒,徐賀等.輪式全方位移動機(jī)器人幾種轉(zhuǎn)向方式的研究.制造業(yè)自動化,2005,10:5-33. [12] 滕鵬,馬履中,董學(xué)哲.具有冗余自由度的新型護(hù)理機(jī)械臂研究.機(jī)械設(shè)計與研究,2004,1:3-32. [13] 孔繁群，朱方國，周驥平.一種機(jī)械手關(guān)節(jié)聯(lián)接結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計[B].機(jī)械制造與研究，2005,5:2-16. [14] 蔡自興編著.機(jī)器人原理及其應(yīng)用. 中南工業(yè)大學(xué)出版社，1988. [15] 吳廣玉，姜復(fù)興編.機(jī)器人工程導(dǎo)論.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1988. 大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計評閱表 學(xué)號 姓名 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目： 輪式移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 評價項目 評 價 內(nèi) 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的； 2.難度、份量是否適當(dāng)； 3.是否與生產(chǎn)、科研、社會等實際相結(jié)合。 能力 1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運(yùn)用知識的能力； 3.是否具備研究方案的設(shè)計能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機(jī)應(yīng)用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。 論文 （設(shè)計）質(zhì)量 1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實驗是否正確，設(shè)計、計算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價值或?qū)嶋H應(yīng)用價值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評 價 論文選題基本符合培養(yǎng)目標(biāo)要求，能體現(xiàn)學(xué)科專業(yè)特點，達(dá)到了綜合訓(xùn)練的目的。該生能在設(shè)計中運(yùn)用所學(xué)知識，設(shè)計方案基本可行，工作量尚可，論文質(zhì)量基本符合本科生畢業(yè)設(shè)計要求。 同意參加答辯。 評閱人： 2012年5月 日 大學(xué) 畢業(yè)論文（設(shè)計）鑒定意見 學(xué)號： 姓名： 陳 潮 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 畢業(yè)論文（設(shè)計說明書） 33 頁 圖 表 8 張 論文（設(shè)計）題目： 輪式移動機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 內(nèi)容提要：1.本文首先對機(jī)器人的國內(nèi)為發(fā)展現(xiàn)狀做了介紹，同時根據(jù)設(shè)計要求對機(jī)器人的整體方 案進(jìn)行了分析，包括幾何尺寸、電機(jī)的選擇。然后從機(jī)器人性能要求的角度出發(fā)， 分別對機(jī)器人的運(yùn)動方式、模型結(jié)構(gòu)和車體成型方式做了比較，最終確定了四輪式移動 結(jié)構(gòu)模型——后輪同軸驅(qū)動，前輪轉(zhuǎn)向的輪型機(jī)器人。 2.文章對移動機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的可行性分析及設(shè)計，并且做了相應(yīng)的計算、校 核，主要包括：驅(qū)動輪電機(jī)和轉(zhuǎn)向輪電機(jī)的選擇及其驅(qū)動電路的設(shè)計；齒輪的設(shè)計計算 和校核；轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計和車體的一些機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計等。本設(shè)計中，采用增量式光電編碼 器測量移動機(jī)器人后輪的實時轉(zhuǎn)速，進(jìn)而通過特定算法得到實時電機(jī)驅(qū)動模塊的PWM 控制量，實現(xiàn)運(yùn)動機(jī)器人運(yùn)動的閉環(huán)控制。 3.最后，本文對所作研究和主要工作進(jìn)行了總結(jié)，并將設(shè)計的輪型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián) 合調(diào)試。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，可控制性高，安全性高，達(dá)到了本設(shè) 計的設(shè)計要求。 指導(dǎo)教師評語 同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計期間不夠積極主動，在設(shè)計過程中缺少與指導(dǎo)老師的溝通，表現(xiàn)一般。采用AutoCAD軟件對設(shè)計的基本原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計與繪圖。 同意答辯，推薦畢業(yè)設(shè)計成績?yōu)椤凹案瘛薄? 指導(dǎo)教師： 年 月 日 答辯簡要情況及評語 答辯小組組長： 年 月 日 答辯委員會意見 答辯委員會主任： 年 月 日 目 錄 第一章 緒 論 1 1.1國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 1 1.2移動機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 2 1.3課題研究意義 3 1.4.論文主要完成工作 4 第二章 全向移動機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)設(shè)計 5 2.1引言 5 2.2機(jī)械設(shè)計的基本要求 5 2.3全方位輪式移動機(jī)構(gòu)的研制 6 2.3.1移動機(jī)器人車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計 6 2.3.2移動機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計 9 2.3.3電機(jī)的選型與計算 11 2.4移動機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計 14 2.5本章小結(jié) 15 第三章 機(jī)械材料選擇和零件的校核 16 3.1機(jī)械材料選用原則 16 3.2零件材料選擇與強(qiáng)度校核 17 3.3本章小結(jié) 19 結(jié) 論 20 致 謝 21 參考文獻(xiàn) 22 附錄一 23 附錄二 28 IV 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院畢業(yè)論文 第一章 緒論 1.1國內(nèi)外可移動機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個重要分支。早在60年代，就己經(jīng)開始有關(guān)于移動機(jī)器人的研究。關(guān)于移動機(jī)器人的研究涉及許多方面，首先，要考慮移動方式，可以是輪式的、履帶式、腿式的，對于水下機(jī)器人，則是推進(jìn)器。其次，必須考慮驅(qū)動器的控制，以使機(jī)器人達(dá)到期望的行為。第三，必須考慮導(dǎo)航或路徑規(guī)劃，對于后者，有更多的方面要考慮，如傳感融合，特征提取，避碰及環(huán)境映射。因此，移動機(jī)器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。由于對移動機(jī)器人的研究，提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣，更由于它在軍事偵察、掃雷排險、核、化污染等危險與惡劣壞境以及民用中的物料搬運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對它的研究在世界各國受到普遍關(guān)注。 國外在移動機(jī)器人方面的研究起步較早，不管是在應(yīng)用還是在研究方面，日本和美國都處于遙遙領(lǐng)先的地位。美國國家科學(xué)委員會曾預(yù)言:"20世紀(jì)的核心武器是坦克。21世紀(jì)的核心武器是無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，其中2000年以后遙控地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將連續(xù)裝備部隊，并走向戰(zhàn)場”。為此，從80年代開始，美國國防高級研究計劃局(DARPA)專門立項，制定了地面無人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃。從此，在全世界掀開了全面研究室外移動機(jī)器人的序幕。初期的研究，主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立實驗系統(tǒng)進(jìn)行驗證。 雖然由于80年代對機(jī)器人的智能行為期望過高，導(dǎo)致室外機(jī)器人的研究未達(dá)到預(yù)期的效果，但是卻帶動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為探討人類研制智能機(jī)器人的途徑積累了經(jīng)驗，同時也推動了其它國家對移動機(jī)器人的研究與開發(fā)。進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動機(jī)器人開始在更現(xiàn)實的基礎(chǔ)上，開拓各個應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。如由美國NASA資助研制的“丹蒂II”八足行走機(jī)器人，是一個能提供對高移動性機(jī)器人運(yùn)動的了解和遠(yuǎn)程機(jī)器人探險的行走機(jī)器人，1994年在斯拍火山的火山口中進(jìn)行了成功的演示。美國NASA研制的火星探測機(jī)器人索杰那于1997年登上火星。為了在火星上進(jìn)行長距離探險，又開始了新一代樣機(jī)的研制，命名為Rocky，并在Lavic湖的巖溶流上和干枯的湖床上進(jìn)行了成功的實驗。此外，在民用方面，可移動機(jī)器人在國外己被廣泛用于掃除、割草、室內(nèi)傳送、導(dǎo)盲、導(dǎo)游、導(dǎo)購、室內(nèi)外清洗和保安巡邏等各個方面。 另外，國外還在高完整性機(jī)器人，遙控移動機(jī)器人，環(huán)境與移動機(jī)器人系統(tǒng)，生態(tài)機(jī)器人學(xué)，多機(jī)器人系統(tǒng)等方面作了大量的研究。國內(nèi)在移動機(jī)器人方面的研究起步較晚，大多數(shù)研究尚處于某個單項研究階段，主要的研究工作有: 清華大學(xué)智能移動機(jī)器人于1994年通過鑒定。涉及到五個方面的關(guān)鍵技術(shù):基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究(準(zhǔn)結(jié)構(gòu)道路網(wǎng)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、具有障礙物越野環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、自然地形環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃);基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究(基于多種傳感器信息的“感知一動作”行為、基于環(huán)境勢場法的“感知一動作”行為、基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃與導(dǎo)航控制);路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究(基于地圖的全局路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室外移動機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內(nèi)移動機(jī)器人局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬);傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究(差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、磁羅盤和光碼盤定位系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)、視覺處理技術(shù)、信息融合技術(shù));智能移動機(jī)器人的設(shè)計和實現(xiàn)(智能移動機(jī)器人THMR-IH的體系結(jié)構(gòu)、高效快速的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、自動駕駛系統(tǒng))。此外，還有香港城市大學(xué)智能設(shè)計、自動化及制造研究中心的自動導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的自動導(dǎo)引車AGV和防爆機(jī)器人、中國科學(xué)院自動化所自行設(shè)計、制造的全方位移動式機(jī)器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功的導(dǎo)游機(jī)器人等?？傊?，近年來移動式機(jī)器人的研究在國內(nèi)也得到很大的重視，并且在某些方面的研究取得豐碩的成果。 1.2 移動機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 移動機(jī)器人要想走向?qū)嵱?，必需擁有能勝任的運(yùn)動系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力，并具有既安全而又友好地與人一起工作的能力。移動機(jī)器人的智能指標(biāo)為自主性、適應(yīng)性和交互性。適應(yīng)性是指機(jī)器人具有適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境的能力(主要通過學(xué)習(xí))，不但能識別和測量周圍的物體，還有理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務(wù)的能力，并做出正確的判斷及操作和移動等能力;自主性是指機(jī)器人能根據(jù)工作任務(wù)和周圍環(huán)境情況，自己確定工作步驟和工作方式;交互是智能產(chǎn)生的基礎(chǔ)，交互包括機(jī)器人與環(huán)境、機(jī)器人與人及機(jī)器人之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。因此，在移動機(jī)器人研究中，關(guān)鍵在于以下幾個方面： 1.機(jī)器人結(jié)構(gòu).機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計，是根據(jù)實際需要進(jìn)行的。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)方面，結(jié)合機(jī)器人在各個領(lǐng)域及各種場合的應(yīng)用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。當(dāng)前，對足式步行機(jī)器人、履帶式和特種機(jī)器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實驗階段，而輪式機(jī)器人由于其控制簡單、運(yùn)動穩(wěn)定和能源利用率高等特點，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展從阿波羅登月計劃中的月球車到美國最近推出的碩士論文輪式機(jī)器人控制問題的研究NASA行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，都有力地顯示出移動機(jī)器人正在以其具有使用價值和廣闊的應(yīng)用前景而成為智能機(jī)器人發(fā)展的方向之一。 2.體系結(jié)構(gòu).機(jī)器人的智能系統(tǒng)具有以下特點:信息密集，多層次的信息與知識表示方式，與環(huán)境交互豐富多樣，信息與知識分布存儲等。所以，它是一個高智能、多系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)工程，不是單元技術(shù)的簡單連接，系統(tǒng)的總功能是各種分系統(tǒng)在多層次的協(xié)調(diào)和分工中集成，因此，機(jī)器人的總體集成技術(shù)是一個核心問題，其主要內(nèi)容是機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)研究。體系結(jié)構(gòu)的研究，主要針對有意識行為和反射行為而展開的，如何將兩者相統(tǒng)一，是目前的一個研究熱點。早期的移動機(jī)器人研究都是在室內(nèi)進(jìn)行的，其體系結(jié)構(gòu)，一般只能在“積木世界”中運(yùn)行。德國為在自動化工廠中運(yùn)行的自動導(dǎo)引車AGV設(shè)計了一種分層體系結(jié)構(gòu)。德國還開發(fā)了一種具有很高水平的移動機(jī)器人系統(tǒng)KAMRO，其體系結(jié)構(gòu)基本上采用NASREM模型的思想。美國MIT的人工智能實驗室提出了包容體系結(jié)構(gòu)思想，并建立了一系列新型的移動機(jī)器人。包容體系結(jié)構(gòu)采用所一謂“感知一動作”·結(jié)構(gòu)，也稱基于行為的結(jié)構(gòu)。一些實驗表明，包容體系結(jié)構(gòu)在處理動態(tài)環(huán)境中不確定性和模仿動物的低級反射行為方面具有很多優(yōu)點。最近，又提出了基于行為控制思想的新型體系結(jié)構(gòu)。目前，這種基于行為控制的體系結(jié)構(gòu)還處于理論探討階段，很多工作有待深入。 3.移動機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù).移動機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是給定機(jī)器人及其工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，尋求有界輸入使系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)從起始點轉(zhuǎn)移到目標(biāo)點。機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究始于20世紀(jì)70年代，目前對這一問題的研究仍十分活躍，許多學(xué)者做了大量的工作。其主要研究內(nèi)容按機(jī)器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動態(tài)己知環(huán)境和動態(tài)不確定環(huán)境，按機(jī)器人獲取環(huán)境信息的方式不同可分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于 傳感器的路徑規(guī)劃。運(yùn)動規(guī)劃是移動機(jī)器人的一個重要問題，對于自由運(yùn)動的機(jī)器人，即機(jī)器人的運(yùn)動不受約束，運(yùn)動規(guī)劃問題可以通過在自由位形空間內(nèi)計算一條路徑加以解決，這樣的一條路徑與工作空間內(nèi)的一條可行的自由路徑相對應(yīng)。但是移動機(jī)器人運(yùn)動受到非完整性約束，并不是任意路徑都一定是可行的。在復(fù)雜動態(tài)的環(huán)境中，還要考慮運(yùn)動中的避障問題，因此，移動機(jī)器人的運(yùn)動規(guī)劃是一個比較復(fù)雜的問題。尚有許多的問題有待研究。 4.導(dǎo)航與定位.在移動機(jī)器人的應(yīng)用中，精確的位置知識是一個基本問題。有關(guān)位置的測量，可分為兩大類:相對和絕對位置測量。使用的方法可分為7種:里程計、慣性導(dǎo)航、磁羅盤、主動燈塔，全球定位系統(tǒng)，路標(biāo)導(dǎo)航和地圖模型匹配。 1.3 課題研究意義 研制機(jī)器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重勞動或簡單的重復(fù)勞動，以及替代人到有輻射等危險環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)，因此機(jī)器人最早在汽車制造業(yè)和核工業(yè)領(lǐng)域得以應(yīng)用。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域、軍事、海洋探測、航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、林業(yè)也都開始使用機(jī)器人。 本課題選用輪式作為機(jī)器人平臺設(shè)計研究，兩輪式機(jī)器人在國內(nèi)外還處于剛剛起步階段，其前景廣闊，適用性較廣，在教學(xué)、科研、野外作業(yè)、民用運(yùn)輸方面有著廣泛的應(yīng)用前景，在反恐及其它尖端領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價值。已經(jīng)初步做出了簡單的實驗?zāi)Ｐ停鉀Q了輪式機(jī)器人的傳動機(jī)構(gòu)難題。 該輪式機(jī)器人運(yùn)動響應(yīng)迅速，具有高機(jī)動的零半徑轉(zhuǎn)向能力，并且在運(yùn)動過程中不存在失穩(wěn)狀態(tài)。攝像頭的密封式結(jié)構(gòu)可以將內(nèi)部器件密封保護(hù)起來，免受外界環(huán)境的影響，非常適合在潮濕、多塵土、多輻射或有毒的環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)。它具有廣闊的應(yīng)用前景，例如，通過搭載視覺傳感器或氣體傳感器等設(shè)備，它可以在缺少人干預(yù)的環(huán)境中進(jìn)行戰(zhàn)場偵察、室內(nèi)或庫房的巡邏及行星探測等任務(wù)，也可以通過搭載聲光電等設(shè)備作為一種新穎的具有移動性和交互性的兒童玩具。 1.4 論文主要完成工作 課題主要完成輪型機(jī)器人，驅(qū)動電機(jī)選擇，驅(qū)動芯片的選擇及程序的編制，驅(qū)動電路設(shè)計。 1.機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括機(jī)器人構(gòu)成方案選擇、機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計和驅(qū)動電機(jī)的選擇 2.針對設(shè)計要求結(jié)合所選用的電機(jī)，設(shè)計電機(jī)的驅(qū)動模塊，并討論系統(tǒng)設(shè)計的可靠性問題 第二章 輪型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1引言 機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計是機(jī)器人設(shè)計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路。帶有機(jī)械臂的全方位移動機(jī)器人可以實現(xiàn)在平面內(nèi)任意角度的移動，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)器人移動機(jī)構(gòu)的本體設(shè)計。 2.2機(jī)械設(shè)計的基本要求 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，包括對機(jī)器整機(jī)的設(shè)計要求和對組成零件的設(shè)計要求兩個方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。 a.對機(jī)器整機(jī)設(shè)計的基本要求 對機(jī)器使用功能方面的要求：實現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機(jī)械設(shè)計的最基本的要求，好的使用性能指標(biāo)是設(shè)計的主要目標(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)計時所要求的。 對機(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、制造和使用的全過程中，在設(shè)計機(jī)器時要全面綜合的進(jìn)行考慮。設(shè)計的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)為合理的功能定位、實現(xiàn)使用要求的最簡單的技術(shù)途徑和最簡單合理的結(jié)構(gòu)。 b.對零件設(shè)計的基本要求 機(jī)械零件是組成機(jī)器的基本單元，對機(jī)器的設(shè)計要求最終都是通過零件的設(shè)計來實現(xiàn)，所以設(shè)計零件時應(yīng)滿足的要求是從設(shè)計機(jī)器的要求中引申出來的，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現(xiàn)。這就要求零件在預(yù)定的壽命內(nèi)不會產(chǎn)生各種可能的失效，即要求零件在強(qiáng)度、剛度、震動穩(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)計和制造等多方面加以考慮。設(shè)計時合理的選擇材料和毛坯的形式、設(shè)計簡單合理的零件結(jié)構(gòu)、合理規(guī)定零件加工的公差等級以及認(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)器都有動力機(jī)、傳動裝置和工作機(jī)組成。動力機(jī)是機(jī)器工作的能量來源，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)、電動機(jī)、電動馬達(dá)、水輪機(jī)等。工作機(jī)是機(jī)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來實現(xiàn)機(jī)器的動力和運(yùn)動能力，如機(jī)器人的末端執(zhí)行器就是工作機(jī)。傳動裝置則是一種實現(xiàn)能量傳遞和兼有其它作用的裝置。 33 2.3 全方位輪式移動機(jī)構(gòu)的研制 在設(shè)計移動機(jī)器人本體時應(yīng)遵循以下設(shè)計原則： （1）總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時的實驗、調(diào)試和修理。 （2）應(yīng)給機(jī)器人暫時未安裝的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將來功能改進(jìn)與擴(kuò)展。 對比緒論中各轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點，本文選用全方位輪式機(jī)構(gòu)來設(shè)計。全方位輪式機(jī)器人的運(yùn)動包括縱向、橫向和自轉(zhuǎn)三個自由度的運(yùn)動。車輪形移動機(jī)構(gòu)的特征與其他移動機(jī)構(gòu)相比車輪形移動機(jī)構(gòu)有下列一些優(yōu)點：能高速穩(wěn)定的移動，能量利用率高，機(jī)構(gòu)的控制簡單，而且它可以能夠借鑒日益完善的汽車技術(shù)和經(jīng)驗等。它的缺點是移動只限于平面。目前，需要機(jī)器人工作的場所，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。所以在這個意義上 車輪形移動機(jī)構(gòu)的利用價值可以說是非常高的。圖 2.1 是全方位輪式移動機(jī)構(gòu)的示意圖。 輪式移動機(jī)構(gòu)預(yù)期設(shè)計要求實現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)，可調(diào)速，便于控制。車輪的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向是獨(dú)立控制的，全方位移動機(jī)器人采用前后輪成對驅(qū)動來控制轉(zhuǎn)向，以及控制每輪旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)全方位移動。 ] 圖2.1 全方位輪式移動機(jī)構(gòu)示意圖 2.3.1 移動機(jī)器人車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計 在車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計過程中，主要考慮了以下模型，如2.2圖所示。由圖可以看出，模型 a 結(jié)構(gòu)簡單，但是車輪與地面接觸面積小，可能產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，且對電機(jī)軸形成一個彎矩，容易對電機(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，設(shè)計如下圖中所示結(jié)構(gòu)， 圖2.2旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)圖 將電機(jī)內(nèi)嵌在車輪內(nèi)部，既增大車輪與地面的接觸面積，又縮短了整個結(jié)構(gòu)的軸向距離。為了保持輪子受力平衡使整個機(jī)構(gòu)可以平穩(wěn)運(yùn)動，將輪子設(shè)計為兩個一組來實現(xiàn)。 采用了一個深溝球軸承作為徑向支承，一方面避免了車輪對電機(jī)產(chǎn)生彎矩；另一方面保證了車輪的剛度。軸承外圈與車輪內(nèi)表面配合，由于內(nèi)圈并不能與電機(jī)直接配合，設(shè)計了一個電機(jī)殼結(jié)構(gòu)，作電機(jī)和軸承的連接。 圖2.3 旋轉(zhuǎn)部分 車輪旋轉(zhuǎn)部分的具體結(jié)構(gòu)分為五個部分： （1）兩個軸承由彈性擋圈和電機(jī)殼軸肩軸向定位；通過電機(jī)殼外表面徑向定位通過電機(jī)軸外表面徑向定位。此外,此處選用深溝球軸承作為支撐.深溝球軸承主要承載徑向載荷,同時也可以承載小的軸向載荷。選用它就可以達(dá)到設(shè)計的要求,而且深溝球軸承經(jīng)濟(jì)性好,方便購買。而作為徑向支撐,它主要避免了車輪對電機(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，只能采用車輪調(diào)整電機(jī)軸的同心完成徑向定位。 （3）車輪依靠軸承的外圈定位，然后再通過車輪自有聯(lián)軸器與電機(jī)軸聯(lián)接。這個過程也是調(diào)整電機(jī)軸同心，然后從車輪側(cè)面的預(yù)留安裝孔將電機(jī)緊固在電機(jī)殼上。 （4）整個車輪分為兩部分組合而成。一個是帶有軸徑的車輪,另一個是不帶軸徑的輪子,兩者相配合使用組成一組完整的車輪。而車輪軸徑與車體支撐件以滾動摩擦的形式配合使用,并且作為兩車輪的軸向定位件。車輪最終的固定是通過外側(cè)的螺釘來頂緊擋板實現(xiàn)的。具體結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。 （5）整個旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計完成,但它必須與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接起來才能實現(xiàn)全方位移動。后一小節(jié)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計中設(shè)計有轉(zhuǎn)向軸,為了使轉(zhuǎn)動部分和轉(zhuǎn)向部分的轉(zhuǎn)向軸連接以實現(xiàn)全方位運(yùn)動,此處設(shè)計了類似于半圓的固定件。如圖下圖所示。使用是采用兩個配合來固定住旋轉(zhuǎn)部分,通過四個螺栓的連接來實現(xiàn)和轉(zhuǎn)向軸的連接,從而使轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)連為一體,最終實現(xiàn)全方位移動。 圖2.4 固定件 2.3.2 移動機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計 轉(zhuǎn)向部分主要由轉(zhuǎn)向軸、軸承、基座、轉(zhuǎn)向電機(jī)以及轉(zhuǎn)向連接件組成。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計的基本路線是從上而下。如圖2.5 圖2.5 轉(zhuǎn)向部分 （1）轉(zhuǎn)向軸 轉(zhuǎn)向軸分兩部分，呈T型，一端采用階梯軸的形式，便于與基座聯(lián)接；另一端與車輪部分聯(lián)接，設(shè)計成圓柱形以保證足夠的強(qiáng)度和良好的工藝性。同時兩部分軸互相配合，可以伸縮以便轉(zhuǎn)向時車輪軸的位移變化。轉(zhuǎn)向軸主要作用就是通過與轉(zhuǎn)向電機(jī)的連接起到轉(zhuǎn)向的作用，主要受的是徑向力，而受到的軸向力很小。如圖2.7所示，轉(zhuǎn)向軸受到向上的軸向力時，軸向力通過軸肩傳到下方軸承內(nèi)圈，再傳到套筒，然后傳到上方軸承的內(nèi)圈，再通過滾珠傳遞到軸承外圈，而軸向力進(jìn)一步的傳遞到端蓋和箱體，從而將軸向力轉(zhuǎn)移到整個車體上，因為，箱體連接在車體上。轉(zhuǎn)向軸受到向下的軸向力時，首先是靠彈性擋圈傳遞軸向力，再通過一系列傳遞最終將軸向力轉(zhuǎn)移到車體上。所以說，轉(zhuǎn)軸的工作是可靠的。 （2）轉(zhuǎn)向軸與基座聯(lián)接： 轉(zhuǎn)向軸相對于基座來說只有一個自由度，形成的是轉(zhuǎn)動副，轉(zhuǎn)向軸在機(jī)器人移動過程中承受徑向力和比較大的軸向力，適合這種要求的常用軸承有圓錐滾子軸承。軸承采用套筒隔開的兩端支撐結(jié)構(gòu)，這樣設(shè)計可以保證轉(zhuǎn)向軸在轉(zhuǎn)向的過程中不發(fā)生搖擺，保證轉(zhuǎn)向的精度并且可以減小對轉(zhuǎn)向相關(guān)零部件的磨損。一對軸承用套筒隔開后，軸承內(nèi)圈由軸肩和軸用彈性擋圈固定。兩軸承外圈與基座座孔和軸承端蓋連接。 （3）轉(zhuǎn)向電機(jī)軸和轉(zhuǎn)向軸的聯(lián)接 兩軸的連接一般選用聯(lián)軸器。聯(lián)軸器主要用來聯(lián)接軸與軸(或聯(lián)接軸與其它回轉(zhuǎn)件)以傳遞運(yùn)動和轉(zhuǎn)矩,有時也用作安全裝置。本文中沒用選用標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)軸器,因為標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)軸器整體尺寸過大,占用空間大,且不利于安裝,不符合設(shè)計要求。同時,由于所要連接的兩軸徑大小確定本文自行設(shè)計了一個聯(lián)軸器。 圖2.6 聯(lián)軸器 由于軸僅受到轉(zhuǎn)矩的作用,而軸向力很小，所以兩軸都采用平鍵來周向固定,以達(dá)到固定和連接兩軸的目的。 （4）轉(zhuǎn)向驅(qū)動電機(jī)與基座的聯(lián)接 當(dāng)轉(zhuǎn)向軸與基座構(gòu)成轉(zhuǎn)動副以后，只需要用電機(jī)來驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸即可實現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)向。將電機(jī)固定在基座上需要一個連接件，連接件設(shè)計過程中考慮了兩種模型：整體式和剖分式。整體式裝配時定心性好，但必須側(cè)面開口，這樣容易導(dǎo)致車輪轉(zhuǎn)向精度不夠，且不利于防塵，剖分式定心性稍差一點，可以組合成封閉結(jié)構(gòu)，具有可靠的剛度，防塵，拆卸方便。因此，選用剖分式結(jié)構(gòu)。 整體式 剖分式 5）箱體的設(shè)計與固定 如圖2.6所示為箱體結(jié)構(gòu)的示意圖。它通過左右兩側(cè)對稱的呈L型的矩形臂用8個螺栓固定于車體前后兩側(cè)。由于箱體是通過螺釘和機(jī)座連接的，從而可以把它和機(jī)座以及轉(zhuǎn)向電機(jī)視為一體。再者，箱體內(nèi)部是放置軸承，并固定軸承的，所以設(shè)計了如圖中所示的雙臂。這種設(shè)計可以將轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的整體重量通過箱體的兩臂傳到車體上，進(jìn)而施于整個重量施輪子。那么轉(zhuǎn)軸的受力將大大的減小。 而且這樣設(shè)計拆卸方便，利于維修。采用對稱結(jié)構(gòu)固定于空間內(nèi)，有利于穩(wěn)定整個轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并提高整個全方位移動機(jī)構(gòu)的性能 圖2.6箱體示意圖 2.3.3 電機(jī)的選型與計算 a.電機(jī)性能的比較 在機(jī)器人的驅(qū)動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 2.1 所示。 表2.1 幾種電機(jī)比較 電機(jī)類型 優(yōu) 點 缺 點 直流電機(jī) 容易購買 型號多 功率大 接口簡單 轉(zhuǎn)速太快，需減速器 電流較大 較難與車輪裝配 價格較貴 控制復(fù)雜（PWM） 步進(jìn)電機(jī) 精確的速度控制 型號多樣 適合室內(nèi)機(jī)器人的速度 接口簡單 價格便宜 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 型號多樣 適合室內(nèi)機(jī)器人的速度 接口簡單 功率中等 價格便宜 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，其實是一種伺服馬達(dá)。 2）舵機(jī)的工作原理： 控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，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)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。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，知道可以拿它來做開關(guān)管或放大管就行了，至于管內(nèi)的電子具體怎么流動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控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，得到了越來越廣泛的應(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，如啟動頻率過高或負(fù)載過大時易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖，且一般無過載能力，往往需要選取有較大轉(zhuǎn)距的電機(jī)來克服慣性力矩。但步進(jìn)電機(jī)點位控制性能好，沒有積累誤差，易于實現(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)雜度實現(xiàn)電機(jī)的同步控制。 b.電機(jī)的選型與計算 對于本課題來說，移動機(jī)器人的移動速度最高為 0.5 米/秒，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)最高接近 100 轉(zhuǎn)/分。如果用直流電機(jī)，由于受轉(zhuǎn)速和力矩的影響，要配減速器。而如果用步進(jìn)電機(jī)，控制位置精度比較高可以達(dá)到 1.8 度。而且不需要減速器避免造成結(jié)構(gòu)冗繁。因此選擇步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。 下面對旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)型號進(jìn)行選擇，輪式移動機(jī)器人在移動的時候，需要克服兩種阻力：摩擦力和重力。對于平面內(nèi)移動的機(jī)器人來講則只需要克服摩擦力。移動機(jī)器人整體重量在 20Kg左右，地面摩擦系數(shù)按金屬與混凝土之間的取為 0.5，則機(jī)器人需要的總功率為： 則平均每組車輪提供的功率為25 瓦。 對于單個車輪而言： （2-1） 車輪直徑為 110mm，則電機(jī)需要提供的轉(zhuǎn)矩為： （2-2） 因此，選擇了北京和利時公司的56BYG250D-0241 型號電機(jī)。靜轉(zhuǎn)矩為 1.5 NM 。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。 圖為電機(jī)轉(zhuǎn)矩圖 下面選擇轉(zhuǎn)向電機(jī)，機(jī)器人對轉(zhuǎn)向速度要求較低，對位置精度比較嚴(yán)格，選用步進(jìn)電機(jī)可以滿足設(shè)計要求。轉(zhuǎn)向電機(jī)主要是使車輪實現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)，克服地面摩擦力，要求的轉(zhuǎn)速不高，因此主要計算電機(jī)靜力矩。 在這里我們假設(shè)每個車輪與地面的接觸按照理想狀態(tài)即相切線接觸，那么平均每個車輪的摩擦力為： （2-3） 由于車輪是零半徑回轉(zhuǎn)，所以克服的摩擦力矩為： （2-4） 式中——單個車輪的寬度 設(shè)計車輪與地面接觸總寬度為60mm，即所以克服的力矩為 0.368 。實際上車輪不是與地面呈線接觸，保證一定余量，選擇電機(jī)型號為 56BYG250B-0241，靜力矩為0.72 。 下面是所選電機(jī)的外形尺寸。（圖片來自http://www.syn-tron.com/hunheshibujindianjijingtai.aspx?myid=1&action=1&dictid=1） 2.4移動機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計移動機(jī)器人車體是應(yīng)遵循以下幾個原則： （1）總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時的試驗、調(diào)試、和修理。 （2）在設(shè)計的移動平臺應(yīng)能夠給機(jī)器人暫時沒有安裝的傳感器、功能元件、電池等元件預(yù)留安裝位置，以備將來功能改進(jìn)和擴(kuò)展。 車體是實現(xiàn)全方位移動機(jī)構(gòu)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。 本文設(shè)計的車體采用的是合金鋁框架式結(jié)構(gòu)，如圖2.13所示共分二層：第一層是車體內(nèi)腔，空間較大可以安裝電池、集線器、裝配電路板等，同時可以在以后的具體設(shè)計中改變內(nèi)部格局，以達(dá)到最佳的使用效果；第二層安裝車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。本結(jié)構(gòu)的空間分層設(shè)計使得 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。 圖2.13 車體結(jié)構(gòu)示意圖 2.5本章小結(jié) 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單組合，而是機(jī)械、電子、計算機(jī)等技術(shù)的有機(jī)融合。本文雖只設(shè)計機(jī)械本體部分，但設(shè)計過程要完全考慮各部分的因素。而移動機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)，它是移動機(jī)器人系統(tǒng)能否完成指定任務(wù)的基礎(chǔ)。 本文設(shè)計了可避免對電機(jī)軸形成彎矩的車輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化車輪的直徑與電機(jī)的匹配，使其車輪能夠在 0-0.5m/s 調(diào)速；設(shè)計了車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可使車輪實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向。 第三章 機(jī)械材料選擇和零件的校核 3.1機(jī)械材料選用原則 機(jī)械零件材料的選擇是機(jī)械設(shè)計的一個重要問題，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題。 a.使用要求 使用要求一般包括：零件的受載情況和工作狀況；對零件尺寸和質(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)合金鋼對提高零件的剛度沒有意義。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。 b.工藝要求 材料的工藝要求有三個方面內(nèi)容 （1）毛坯制造 大型零件且批量生產(chǎn)時應(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。 C.經(jīng)濟(jì)性要求 （1）經(jīng)濟(jì)性首先表現(xiàn)為材料的相對價格。當(dāng)用價格低廉的材料能滿足使用要求時，就不應(yīng)該選用價格高的材料。這對大批量制造的零件尤為重要。 （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，選擇材料時所考慮的因素將不是相對價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)計時也應(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材料代替價格相對昂貴的稀有材料。 另外選擇材料時應(yīng)盡量考慮當(dāng)?shù)禺?dāng)時的材料供應(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。 3.2零件材料選擇與強(qiáng)度校核 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)械本體個零部件的材料。 a.軸類零件材料的選擇與校核 （1）軸材料的選擇 傳動軸的常用材料有碳素鋼和合金鋼。碳素鋼對應(yīng)力集中的敏感性較低，還可通過熱處理改變其綜合性能，價格也比合金鋼低廉，因此應(yīng)用較為廣泛，常用45號鋼。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，全方位移動結(jié)構(gòu)中的車輪，轉(zhuǎn)軸；螺紋軸采用45號鋼，就完全能夠滿足設(shè)計要求 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10mm的那段,所以只對這一段進(jìn)行校核就可以了。軸的運(yùn)動主要受到扭轉(zhuǎn)力,所以只對其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核。 軸的扭轉(zhuǎn)校核公式為: （3-1） 式中： ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為 ——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為 軸的材料為45號鋼,其允許扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為 由第二章可知，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)選擇的電機(jī)型號為56BYG250B-0241，其靜力矩為 0.72。即 T=720。 由于此段軸中有鍵，其截面如圖3.1所示： 抗扭截面系數(shù)： （3-2） 圖中 圖3.1 軸截面 將數(shù)值帶入公式計算得： 則： 由此可知，設(shè)計的轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度滿足要求，可以使用。 （3）車輪的校核 車輪是整個機(jī)械部分的支撐，也是整個結(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號鋼來制造。加工時為了增大車輪與接觸面的摩擦力，車輪表面要滾花處理，這樣更有利于機(jī)器人的移動。 整個車輪部分承載的重量為12Kg。由于整個移動機(jī)構(gòu)有四個車輪，這樣每個輪子受到的重量只有3Kg。受到的重力僅為29.4N。輪子的直徑為110mm，整個移動部分的強(qiáng)度是非常大的，完全滿足設(shè)計的要求。 B.殼體件材料的選擇 殼體類零件它們的性能要求很低,所以盡量選擇質(zhì)量輕,價格低廉且符合設(shè)計要求的材料。本文選用的是ZAlSi9Mg，這是一種硬鋁材料，強(qiáng)度大、質(zhì)量輕，完全符合本文的設(shè)計要求。 并且這種鋁合金有利于材料的購買，同樣這種材料是滿足設(shè)計要求的。其中材料ZAlSi9Mg的彎曲應(yīng)力240， C.車體支撐件材料的選擇和校核 （1）材料的選擇 車體支撐件由于與車輪軸之間為滾動摩擦,需要選取一種耐摩擦,同時要求強(qiáng)度大,質(zhì)量輕,價格便宜的材料來制造。 工程塑料擁有良好的綜合性能,其強(qiáng)度、剛度、沖擊韌性、抗疲勞等不較高,特別是擁有很高的耐磨性。它可以在無潤滑油的情況下有效的進(jìn)行工作。由于它相對密度小,因此其強(qiáng)度高。 聚甲醛(POM)是一種比較常用的工程塑料。它是以線性結(jié)晶高聚甲醛樹脂為基礎(chǔ)的。它有著高強(qiáng)度、高彈性模量等優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。其強(qiáng)度和金屬近似,摩擦因數(shù)小并有自潤滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一種相當(dāng)便宜的材料。 由于本設(shè)計中的負(fù)荷低,移動機(jī)構(gòu)的速度不快,從而此處選擇有聚甲醛這種工程塑料來制造車體支撐件。 （2）支撐件的校核 支撐件是用來支撐機(jī)器人主要機(jī)械機(jī)構(gòu)的，本文中共用四個支撐件，都和車輪配套使用，受力幾乎一樣為29.4N。 聚甲醛的抗壓強(qiáng)度為125，抗彎強(qiáng)度為980，整個零件的強(qiáng)度和剛度是非常大的。從每個件的受力來看，材料聚甲醛的各個力學(xué)性能完全滿足本文的設(shè)計要求。 支撐件和車輪軸是滾動摩擦配合，屬于間隙配合。由于聚甲醛的耐摩擦性好，而機(jī)器人移動速度慢，從摩擦的角度來說，聚甲醛也是理想的支撐件材料。 3.3本章小結(jié) 全方位移動機(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制造加工。所以本章就依據(jù)機(jī)器人在工作過程中各零部件不同受力情況，以及機(jī)械設(shè)計的要求選用了不同的材料來制造零件，并對零件進(jìn)行了強(qiáng)度校核，使其達(dá)到工作要求。 結(jié) 論 本文在了解和分析已有的機(jī)器人移動平臺的工作原理和結(jié)構(gòu)，對比它們的優(yōu)劣點。在這些基礎(chǔ)上提出了全方位移動結(jié)構(gòu)的可行性方案，并選擇最佳方案來設(shè)計。 縱觀本文，全方位移動機(jī)器人可分為兩個大部分即旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計?？偨Y(jié)如下： 1．本文采用車輪機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)全方位移動。從而設(shè)計了可避免對電機(jī)軸形成彎矩的車輪旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化車輪的直徑與電機(jī)的匹配，使其車輪能夠在 0-0.5m/s 調(diào)速； 2．設(shè)計了車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，可使車輪實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向； 全方位移動機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計是機(jī)器人設(shè)計的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價值的平臺參考和有用的思路。 致 謝 行文結(jié)束之際，我衷心地感謝指導(dǎo)老師老師在我做畢業(yè)設(shè)計期間給予的關(guān)心和指導(dǎo)，在學(xué)校良好的硬件和軟件環(huán)境下，我能夠充分地發(fā)揮自身的能力，順利地完成了課題的研究設(shè)計工作。而李老師在工作中優(yōu)秀的學(xué)術(shù)風(fēng)范和極高的敬業(yè)精神時刻督促作者在今后的學(xué)習(xí)工作中努力拼搏、精益求精。在此謹(jǐn)向恩師致以最誠摯的感謝！ 作者衷心感謝劉型志等諸位同窗在作者的設(shè)計研究過程中給予的無私幫助與支持。 感謝所有關(guān)心和幫助過我的親人、老師、同學(xué)和朋友們！ ·參考文獻(xiàn) [1] 呂偉文.全方位輪移動機(jī)構(gòu)的原理和應(yīng)用[A].無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2005，615-17. 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