機械數(shù)控畢業(yè)設(shè)計（論文）-移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計【全套圖紙】

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1、 編號編號: 無錫太湖學院 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計計（論論文文） 題目：題目： 移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 信機 系系 機械工程及自動化 專專 業(yè)業(yè) 學 號： 學生姓名： 指導教師： （職稱：副教授） （職稱： ） 2013 年 5 月 25 日 無錫太湖學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）無錫太湖學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 誠誠 信信 承承 諾諾 書書 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 移動機器人 結(jié)構(gòu)設(shè)計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果， 其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標注引用，表示致 謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其

2、他個人、集體 已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 機械 93 學 號： 0923122 作者姓名： II 2013 年 5 月 25 日 I 無無錫錫太太湖湖學學院院 信信 機機 系系 機機械械工工程程及及自自動動化化 專專業(yè)業(yè) 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計計論論 文文 任任 務(wù)務(wù) 書書 一、題目及專題：一、題目及專題： 1、題目 移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù)二、課題來源及選題依據(jù) 課題來源：導師提供 選題依據(jù)：近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴大，機器人應(yīng)用也從制造 領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、 農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要

3、求。這些 行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性， 因而對機器人的要求更高，需要機器人具有行走功能，對外感知能力 以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。目 前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究，并 朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。 三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達到的要求：三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達到的要求： 設(shè)計移動移動機器人行走機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù)； 建立移動機器人的運動學模型及機器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學 模型； 研究其穩(wěn)態(tài)特性、動態(tài)特性和自主控制的問題，驗證所研究機器 人結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性。 II 四、接受任務(wù)學生：四、接受任務(wù)學生：

4、機械 93 班班 姓名姓名 五、開始及完成日期：五、開始及完成日期： 自自 2012 年年 11 月月 12 日日 至至 2013 年年 5 月月 25 日日 六、設(shè)計（論文）指導（或顧問）：六、設(shè)計（論文）指導（或顧問）： 指導教師指導教師 簽名簽名 簽名簽名 簽名簽名 教教研研室室主主任任 學科組組長研究所學科組組長研究所 所長所長 簽名簽名 系主任系主任 簽名簽名 2012 年年 11 月月 12 日日 III 摘摘 要要 移動機器人是一種由傳感器、自主控制的移動載體組成的機器人系統(tǒng)。移動機器人 具有移動功能，在代替人從事危險、惡劣(如輻射、有毒等)環(huán)境下作業(yè)和人所不及的(如 宇宙空間、

5、水下)作業(yè)環(huán)境方面，比一般機器人有更大的機動性，靈活性。隨著機器人技 術(shù)在外星探索、野外考察、軍事、安全等全新的領(lǐng)域得到 日益廣泛的采用，機器人技術(shù) 由室內(nèi)走向室外，由固定、人工的環(huán)境走向移動、非人工的環(huán)境。本課題是機器人設(shè)計 的基本環(huán)節(jié)，能夠為后續(xù)關(guān)于機器人的研究 提供有價值的平臺參考和有用的思路。本文 對各種移動機器人進行了比較，從而確定了四輪式機器人總體結(jié)構(gòu)與參數(shù)的研究設(shè)計。 對四輪式移動機器人的運動學進行了探討，建立了運動學模型。在建立運動學模型的基 礎(chǔ)上對機器人的基本運動方式進行了分析，并推到計算出其動力學模型。本文了解了基 于多傳感器的移動機器人的自主控制問題。分析了直流伺服電機的

6、動態(tài)特性，為后續(xù)的 研究提供可靠的參考和依據(jù)。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：輪式移動機器人；運動學與動力學；自主控制問題 IV Abstract Mobile robot is a kind of controlled by sensors, autonomous robot system composed of mobile carrier .Mobile robot has the mobile function, instead of people engaged in dangerous and bad environment (such as radiation, toxic) homework

7、 and have less (such as space and underwater) in the working environment, have greater flexibility than ordinary robot, flexibility As robots technology in alien exploration, field investigation, military, security and other new fields are widely used, the robot technology by indoor to outdoor, from

8、 fixed, artificial environment to move, not artificial environments. This topic is a basic link of robot design, be able to follow-up on the robot platform for the study provide a valuable reference and useful ideas. In this paper, all kinds of mobile robots were compared to determine the four wheel

9、 robot structure and parameters of the study design as a whole. Of four wheeled mobile robot kinematics are discussed in this paper, the kinematics model is established. In kinematics model is established on the basis of the basic movement of robot is analyzed, and its dynamic model to calculate. In

10、 this paper, the control problem for mobile robot based on multi-sensor. After the completion of the design analysis of the dynamic characteristics and the feasibility of omnidirectional mobile mechanism, provide reliable reference and basis for follow-up studies . Key words: wheeled mobile robots;

11、Kinematics and dynamics; Autonomous control V 目目 錄錄 摘 要.III Abstract .IV 目 錄 V 1 緒論.1 1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義1 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況1 1.2.1 國內(nèi)外發(fā)展概況.1 1.2.2 移動機器人的主要組成.2 1.3 本課題應(yīng)達到的要求2 2 移動機器人行走機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù).3 2.1 機器人運動方式的選擇3 2.2 輪式機器人移動能力分析5 2.3 輪式機器人驅(qū)動輪的組成6 2.4 輪式機器人轉(zhuǎn)向輪的組成7 2.5 電機的選擇8 2.6 直流伺服電機的數(shù)學模型及動態(tài)參數(shù)的確定9 2.7 減速機構(gòu)

12、的設(shè)計（蝸輪蝸桿減速機構(gòu)）12 2.7.1 電機參數(shù)的確定.12 2.7.2 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù).13 2.7.3 蝸輪蝸桿設(shè)計計算.14 2.7.4 蝸輪軸的設(shè)計.16 2.7.5 初選滾動軸承.16 2.7.6 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計.18 2.8 機器人的電源供應(yīng)19 2.9 車輪及輪轂19 3 移動機器人的運動學模型.21 3.1 機器人的運動學分析21 3.2 兩種運動規(guī)劃方法分析23 3.3 仿真實驗23 3.4 結(jié)論24 4 機器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學模型.25 4.1 輪子.25 4.2 平臺體25 4.3 小結(jié)26 5 自主運動控制.26 5.1 控制系統(tǒng)的選用26 5.

13、2 可行性分析.28 6 結(jié)論與展望.28 VI 6.1 結(jié)論28 6.2 不足之處及未來展望29 致 謝.29 參考文獻.30 移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 1 1 緒論緒論 1.1 本課題的研究內(nèi)容和意義本課題的研究內(nèi)容和意義 機器人的應(yīng)用越來越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域，移動機器人是機器人學中的一個 重要分支。早在六十年代就已經(jīng)開始了移動機器人的研究。關(guān)于移動機器人的研究涉及 到許多方面。首先要考慮到移動方式，輪式，履帶式，腿式的。其次考慮驅(qū)動器的控制， 以使機器人達到期望的行為。第三必須考慮到導航或者路徑規(guī)劃，路徑有更多的方面考 慮，如傳感融合，特征提取，避碰及環(huán)境映射。因此移動機器人是一個集環(huán)境

14、感知動態(tài) 決策與規(guī)劃，行為控制與執(zhí)行等多種功能與一體的綜合系統(tǒng)。對移動機器人的研究提出 了許多新的挑戰(zhàn)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技術(shù)人的興趣， 更由于他在軍事偵察排雷防止污染等危險與惡劣環(huán)境以及民用中的物料搬運具有廣闊的 應(yīng)用前景，使得對它的研究在世界各地受到普遍關(guān)注。移動機器人按照移動方式可分為 輪式，履帶式，腿式，其中輪式具有結(jié)構(gòu)簡單活動靈活等優(yōu)點。移動機器人的機構(gòu)直接 影響機器人運動的穩(wěn)定性和控制器的復雜程度。目前廣泛使用的輪式按照移動特性又可 將移動機器人分為非全方位和全方位兩種。在平面上移動的物體可以實現(xiàn)前后，左右和 自傳三個自由度的運動稱為全方位移動機器人，其

15、不僅可以再任意方向上移動，并且保 持本姿態(tài)不變，實現(xiàn)全方位的移動的功能也可以改變機體方位。這種特性使得輪式移動 的路徑規(guī)劃，軌跡跟蹤等問題變得相對簡單，并且它能夠在狹小的空間完成任務(wù)。 通過本次畢業(yè)設(shè)計，培養(yǎng)學生綜合應(yīng)用機械設(shè)計、機械原理、理論力學、大學物理， 機械制造裝備設(shè)計、傳感器應(yīng)用的能力；強調(diào)設(shè)計的實用性、結(jié)構(gòu)的簡單便捷性。同時 也培養(yǎng)了我們獨立思考分析問題解決問題的能力，為今后機械設(shè)計和適應(yīng)工作崗位打下 了堅實的基礎(chǔ)。 1.2 國內(nèi)外的發(fā)展概況國內(nèi)外的發(fā)展概況 1.2.1 國內(nèi)外發(fā)展概況國內(nèi)外發(fā)展概況 移動機器人的研究始于上世紀 60 年代末期，隨著計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)以及信息 處

16、理技術(shù)的發(fā)展，移動機器人已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、保安巡邏等行業(yè)。機 器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個科學技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，也同時，為 社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn) 中，各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本國的經(jīng)濟的發(fā)展。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展 的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會 發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認識自然過程中， 實現(xiàn)人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。 國外對于移動機器人的研究起步較早，日本是開發(fā)機器人較早的

17、國家，并成為世界 上機器人占有量最多的國家，其次是美國和德國。進入 90 年代，隨著技術(shù)的進步，移動 機器人開始在更現(xiàn)實的基礎(chǔ)上，開拓各個應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M軍。前蘇聯(lián)曾經(jīng)在移動 機器人技術(shù)方面居于世界領(lǐng)先的地位，俄羅斯作為前蘇聯(lián)的繼承者，在機器人技術(shù)領(lǐng)域 依然具有相當雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，ROVER 科技有限公司把在開發(fā)空間機器人中獲得的經(jīng)驗 應(yīng)用于開發(fā)地面機器人系統(tǒng)，如極坐標平面移動車、爬行移動機器人、球形機器人、工 無錫太湖學院學士學位論文 2 作伙伴平臺以及 ROSA-2 移動車等，最近的突出成果是 2003 年發(fā)射的火星漫游機器人一 一“勇氣”號與“機遇”號。雖然國內(nèi)有關(guān)移動機器人研究的起

18、步較晚，但也取得了不少成 績。2003 年國防科技大學賀漢根教授主持研制的無人駕駛車采用了四層遞階控制體系結(jié) 構(gòu)以及機器學習等智能控制算法，在高速公路上達到了 130Km/h 的穩(wěn)定時速，最高時速 170Km/h，而且具備了自主超車功能，這些技術(shù)指1標均處于世界領(lǐng)先的地位。但是我國 在機器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計和制造能力、 高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應(yīng)用等方面，同發(fā)達國家相比，我國仍存在較大的差 距。未來研究熱點是將各種智能控制方法應(yīng)用到移動機器人的控制。 1.2.2 移動機器人的主要組成移動機器人的主要組成 一個理想的移動機器人系統(tǒng)通常由三個部分組成

19、：移動機構(gòu)，感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。 移動機構(gòu)是移動機器人的核心，決定了機器人的核心，決定了機器人移動空間。感知系 統(tǒng)一般采用攝像機，激光測距儀，超聲波傳感器，紅外傳感器，陀螺儀等。隨著計算機 技術(shù)人工智能技術(shù)和傳感技術(shù)的迅速發(fā)展，移動機器人的控制系統(tǒng)的研究具備了堅實的 基礎(chǔ)和良好的發(fā)展前景。移動機器人的控制與工作環(huán)境信息密切相關(guān)而且包容著各種不 確定因素，因此在已知或未知的環(huán)境中作業(yè)時，以適當?shù)慕７椒ū磉_環(huán)境，用必要的 傳給器探測環(huán)境具有重要意義。機器人的構(gòu)型選型和設(shè)計需要根據(jù)機器人實際執(zhí)行的工 作來進行，尤其對適應(yīng)環(huán)境能力要求較高的移動機器人來講，構(gòu)型不僅滿足應(yīng)用場合， 積極開飯新的結(jié)構(gòu)更要

20、使機器人運行穩(wěn)定且可靠。從而減少誤差及不穩(wěn)定影響。 對移動機器人機構(gòu)學的研究還涉及機器人的運動學，動力學問題。控制系統(tǒng)的輸入 量需從對機器人的運動學，動力學建模分析得到的數(shù)學模型計算得出。移動機器人是一 個交叉的研究領(lǐng)域，涉及機械，控制，傳感器技術(shù)，信息信號處理，模式識別，人工智 能和計算機技術(shù)等技術(shù)科學。 1.3 本課題本課題應(yīng)達到的要求應(yīng)達到的要求 (1)設(shè)計移動移動機器人行走機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù)； (2)建立移動機器人的運動學模型及機器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學模型； (3)研究移動機器人運動的動態(tài)特性和機器人自主控制的問題。 移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 2 移動機器人行走機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù)移

21、動機器人行走機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù) 2.1 機器人運動方式的選擇機器人運動方式的選擇 到目前為止，地面移動機器人的行駛機構(gòu)主要分為履帶式、腿式和輪式三種。這三 種行駛機構(gòu)各有其特點。 (1)履帶式 圖 2.1 四段履帶機器人 圖 2.2 六段履帶機器人 (2)腿式 圖 2.3 三腿機器人 圖 2.4 四腿機器人 無錫太湖學院學士學位論文 4 (3)輪式 圖 2.6 單輪滾動機器人 圖 2.7 兩輪移動機器人 圖 2.8 三輪移動機器人 圖 2.9 四輪移動機器人 圖 2.10 六輪移動機器人 圖 2.11 八輪移動機器人 圖 2.13 輪腿式機器人 綜上各移動機器人特點如下表 2-1 所示： 移

22、動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 5 表 2-1 各移動機器人特點 行駛結(jié)構(gòu)車輪式移動機器人步行式移動機器人履帶式移動機器人 特點 一般適用于平底運行， 切操作簡單，運動穩(wěn) 定，運動速度和方向 容易控制。按照輪子 個數(shù)又可以分兩輪式、 三輪式、四輪式、六 輪和八輪式。 具有跨越越障能力， 對環(huán)境有良好的適應(yīng) 能力等優(yōu)點，尤其是 多足式對環(huán)境的適應(yīng) 能力更強。但它也存 在動作不連貫，速度 較慢，控制復雜，實 現(xiàn)相對困難等不足。 履帶式機器人可以跨 越障礙，攀爬低度不 高的臺階，行動速度 快，承載能力強，適 用于在凹凸不平的地 面上行走，但不易轉(zhuǎn) 向。 在設(shè)計移動機器人時也應(yīng)遵循以下機構(gòu)設(shè)計原則: 1)總體結(jié)構(gòu)應(yīng)

23、容易拆卸，便于平時的試驗、調(diào)試、和修理。 2)應(yīng)給機器人暫時未能裝配的傳感器、功能元件等預(yù)留安裝位置，以備將來功能改進 與擴展。 3)運用三維軟件畫出零件圖，然后再裝配成裝配圖，可以清晰明了的看出哪里設(shè)計合 理哪里裝配方便，哪里會產(chǎn)生干涉。通過對以上方式的比較，我們選用輪子方式做為機 器人運動方式，它符合我們的設(shè)計要求：適應(yīng)室內(nèi)活動環(huán)境，需要動力較小，能量消耗 少，結(jié)構(gòu)實現(xiàn)簡單可靠。 2.2 輪式機器人移動能力分析輪式機器人移動能力分析 輪式移動機器人的分類方法主要有：按具有的自由度劃分，有三自由度類型，二自 由度類型等。按驅(qū)動方式劃分有鉸軸轉(zhuǎn)向式，差速轉(zhuǎn)向式等。本設(shè)計按照傳統(tǒng)的車輪配 置方式

24、劃分來討論。 本畢業(yè)設(shè)計課題主要是為了掌握和了解輪式移動機器人的基本結(jié)構(gòu)和運動控制系統(tǒng) 的能力，基本能實現(xiàn)前進、后退、360范圍轉(zhuǎn)動的運動,也可以為機器人的運動和控制提 供一個很好的研究平臺。 生活中我們見到最多的家用小車的車輪布局在輪式移動機器人中最先得到了應(yīng)用， 就像我們平時推小車一樣，當我們給小車左邊的力大于右邊的力時小車右轉(zhuǎn)，同理右邊 的力大時，小車左轉(zhuǎn)。所以我選擇了跟家用小車一樣的移動方式即差速度輪式移動機器 人。四個車輪布置在我設(shè)計的機器人矩形機身四角，后兩輪差速驅(qū)動，前兩輪是轉(zhuǎn)向輪。 當然通過查閱資料這種機構(gòu)有兩個缺點，一是四輪構(gòu)型移動機器人運動能力受到限制， 轉(zhuǎn)向之前必須有一定

25、的前行行程。二是這種輪子布局需要有保持穩(wěn)定可靠驅(qū)動的能力， 可能導致轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定。 無錫太湖學院學士學位論文 6 圖 2.14 后輪差速驅(qū)動，前輪是隨動結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計需要和實現(xiàn)的難易程度選擇了圖 2.14 中的驅(qū)動方案機器人，稱之為后輪驅(qū) 動輪型機器人，它是一種典型的非完整約束的輪式移動機器人模型。后輪為驅(qū)動輪，方 向不變，提供前進驅(qū)動力，兩輪驅(qū)動速度不相同；前輪為轉(zhuǎn)向輪，稱為隨動輪，使機器 人按照要求的方向移動。 輪式移動機構(gòu)又主要分三個輪、四個輪、三輪支撐理論上是穩(wěn)定的，然而這種裝置 很容易在施加到單獨輪的左右兩側(cè)力 F 作用下翻倒，因此對負載有一定限制。為提高穩(wěn) 定性和承載能力，決定選用四

26、輪機構(gòu)，后輪為兩驅(qū)動輪，兩個轉(zhuǎn)向輪為前輪。這種結(jié)構(gòu) 能實現(xiàn)運動規(guī)劃、穩(wěn)定以及跟蹤等控制任務(wù)，可適應(yīng)復雜的地形，承載能力強，但是軌 跡規(guī)劃及控制相對復雜。 圖 2.15 輪式機器人整體結(jié)構(gòu) solid Edge 模型圖 2.3 輪式機器人驅(qū)動輪的組成輪式機器人驅(qū)動輪的組成 (1)后輪驅(qū)動裝置機械結(jié)構(gòu)模型圖如圖 2.16 移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 7 圖 2.16 后輪驅(qū)動裝置機械結(jié)構(gòu)模型 后輪驅(qū)動裝置機械傳動結(jié)構(gòu)如圖 2.17 所示： 圖 2.17 驅(qū)動輪機械傳動示意圖 1 輪胎 2 輪轂 3 聯(lián)軸器 4 蝸輪 5 蝸桿 6 直流電機 7 減震墊 根據(jù)上面所確定的方案，輪式機器人前輪驅(qū)動裝置由驅(qū)動電機

27、，減速裝置和車輪及 輪轂組成。 2.4 輪式機器人轉(zhuǎn)向輪的組成輪式機器人轉(zhuǎn)向輪的組成 轉(zhuǎn)向輪起支撐和轉(zhuǎn)向作用，不產(chǎn)生驅(qū)動力矩，在小車轉(zhuǎn)向時它可以以一定角度轉(zhuǎn)動。 主要機械組成結(jié)構(gòu)如圖 2.18 所示： 無錫太湖學院學士學位論文 8 圖 2.18 轉(zhuǎn)向裝置模型圖 輪式機器人前輪驅(qū)動裝置由以下幾部分構(gòu)成：輪胎，輪轂，兩個轉(zhuǎn)向輪和深溝球軸 承幾個部分組成。 2.5 電機的選擇電機的選擇 目前在機器人的運動控制中較為常用的電機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進 電機，對它們的特性、工作原理與控制方式有分類介紹，下面總結(jié)如表 2-2 所示： 表 2-2 不同電機的特性、工作原理與控制方式 電機的類型特點

28、構(gòu)造與工作原理控制方式 步進電機 直接用數(shù)字信 號控制，與計 算機接口簡單， 沒有電刷，維 護方便，壽命 長。缺點是能 量轉(zhuǎn)換效率低， 易失步，過載 能力弱 按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可以 分為:永磁式，反 應(yīng)式 和混合式?；旌鲜侥墚a(chǎn) 生較大轉(zhuǎn)矩，連續(xù)轉(zhuǎn)動。 永磁式是單向勵磁，精度 高，但易失步，反應(yīng)式； 是雙向勵磁，輸出轉(zhuǎn)矩大， 轉(zhuǎn)子過沖小，但效率低； 混 合式是單-雙向勵磁,分 辨率高,運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。 移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 續(xù)表 2-2 電機的類型特點構(gòu)造與工作原理控制方式 直流伺服電機 接通直流電即 可工作，控制 簡單；啟動轉(zhuǎn) 矩大、體積小、 重量輕，轉(zhuǎn)速 和轉(zhuǎn)矩容易控 制、效率高； 需要定時維護

29、和更換電刷， 使用壽命短、 噪聲大。 由永磁體定子、線圈 轉(zhuǎn)子、電刷和換向器 構(gòu)成。通過電刷和換 向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子 的轉(zhuǎn)動角度而變化，實 現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。 轉(zhuǎn)動控制采用電壓控制方 式,兩者成正比。轉(zhuǎn)矩控制 采用電流控制方式, 兩者 也成正比。 交流伺服電機 沒有電刷和換 向器，無需維 護；驅(qū)動電路 復雜，價格高。 按結(jié)構(gòu)分為同步和異步 電電刷和換向器構(gòu)成。 通過電刷和換向器使電 流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角 度而變化，實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn) 動。 分為電壓控制和頻率控制 兩種方式。異 步電機常采 用電壓控制。 一般機器人用電機的基本性能要求: 1)啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進行，具有良好的響應(yīng)特性； 2)正轉(zhuǎn)

30、反轉(zhuǎn)時的特性相同,且運行特性穩(wěn)定； 3)良好的抗干擾能力，對輸出來說,體積小、重量輕； 4)維修容易，不用保養(yǎng)。 輪式機器人采用雙輪雙電機的驅(qū)動方式，對于小功率電機，直流伺服電機具有良好 的啟動和調(diào)速性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人、計算機外圍設(shè)備以及高精度伺服系統(tǒng)中。 設(shè)計的驅(qū)動輪為兩后輪，要求控制性好且精度高，能耗要低，輸出轉(zhuǎn)矩大，有一定過載 能力，而且穩(wěn)定性好。通過比較以上電機的特性、工作原理、控制方式以及移動機器人 的移動性能要求、自身重量、傳動機構(gòu)特點等因素，所以決定選用直流電機作為驅(qū)動電 機。 直流電動機以其良好的線性調(diào)速特性、簡單的控制性能、較高的效率、優(yōu)異的動態(tài) 特性，一直占據(jù)著調(diào)速

31、控制的統(tǒng)治地位。雖然近年不斷受到其他電動機(如交流變頻電動 機、步進電動機等)的挑戰(zhàn)，但直流電動機仍然是許多調(diào)速控制電動機的最優(yōu)選擇，在生 產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用。 通過以上的比較決定選用直流伺服電機直流電動機。 2.6 直流伺服電機的數(shù)學模型及動態(tài)參數(shù)的確定直流伺服電機的數(shù)學模型及動態(tài)參數(shù)的確定 直流伺服電動機是將電信號轉(zhuǎn)變成機械運動的關(guān)鍵元件，它應(yīng)該能提供足夠的功率， 無錫太湖學院學士學位論文 10 使負載按照所需的規(guī)律運動。因此，伺服電機輸出的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率，應(yīng)能滿足負載 的運動要求，控制特性應(yīng)保證所需的調(diào)速范圍和轉(zhuǎn)矩變化范圍。另外，從驅(qū)動的角度， 要對電機的驅(qū)動電壓、額定電流進行選

32、擇。 直流伺服電機的基本方程式為： (2.1) a a aaa di uaR iLe dt (2.2) ae ek (2.3) emt a Tk i 其中，己為電樞電流，為電樞電勢，為電磁轉(zhuǎn)矩，為電樞電阻，為電 a i a e em T a R e k 勢系數(shù)，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。 t k 忽略鐵耗和摩擦損耗，負載轉(zhuǎn)矩為零時， (J 為轉(zhuǎn)動慣量)，則有 em d TJ dt (2.4) 2 aa e tt R JL Jdd uak KdtKdt 如果轉(zhuǎn)速的初始條件，則上式拉氏變換后得到0 (2.5) 2 ( )( )( )( ) aa ae tt R JL J UsSSSSKS KK 得到的傳遞函數(shù)為

33、 G(S)= (2.6) 2 ( ) ( ) t aaate KS USL JSR JSK k 令是直流伺服電機的機械時間常數(shù)，為電動機的電氣時間常數(shù)則 a m te R J K K a m a L R 傳遞函數(shù)可以寫成： G(S)= (2.7) 2 1 1 e mem k ss 直流伺服電機的除了銅耗之外，還有風損、機械損耗、鐵耗，其中風損和機械 a Rt 2 損耗與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即和反電勢 E 的平方成正比，這樣可以設(shè)置一等效的電阻 R。來代替這兩項損耗，鐵耗中的磁滯損耗和渦流損耗大致和磁通的二次方成正比，因而 可以像 風耗和機械損耗一樣包含在等效電阻中。 D R 分析直流伺服電動機動

34、態(tài)特性的等效電路如圖 417 所示。轉(zhuǎn)子動能(J 為轉(zhuǎn) 2 2 1 J 動慣量，為角速度)用等效電路中的靜電能來代替，則等效電容，空載 2 2 1 CE 2 K J C 損耗(包括風損、機械損耗、鐵耗等)在電路中用等效電阻上的損耗來代替。 D R 移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 11 圖 2.19 分析動態(tài)特性的等效電路 假設(shè)初始時候電容兩端的電壓為零，電感中的電流為零，則可以得到拉氏變換后的 運算電路圖如圖所示： 圖 2.20 拉氏變換后的運算電路 其傳遞函數(shù)為： (2.8) ( ) ( ) ( )1 aD aa aD UsR L SR IsR SC 如果施加的電壓時一個階越函數(shù)，,則：( ) V Ua

35、 S S (2.9) 2 11 ( ) 1 D a DaaaD D aDaD R CSV Is R L CLR R C RaRS SS RRRR 由拉氏變換后令,可得到： a D R R (2.10)( )(1(1)(1) 1 me tt me meme V ia tee RaRD 上式中，是直流伺服電機穩(wěn)態(tài)時候的電流，這個值比較容易測量；()是 aD V RR ,me 待定參數(shù)，利用計算機依據(jù)最小二乘法擬和曲線的辦法，可以確定參數(shù)()。,me 電流相應(yīng)曲線一般采用直流伺服電機的啟動電流曲線，可以在電機輸 A 回路中串一 個阻值很小的采樣電阻，用存儲示波器記錄電機啟動的瞬間采樣電阻兩端的電壓值

36、，即 可獲得啟動電流曲線。當電樞回路中串采樣電阻以后。對直流伺服電機的電氣時間常數(shù) 和機械時間常數(shù)是有影晌的，應(yīng)該消除采樣電阻的影響。假定 t，靠為計算的動態(tài)時間常 數(shù)，則實際的動態(tài)時間常數(shù)為： 無錫太湖學院學士學位論文 12 (2.11) ,aj ee a RR R (2.12) , a mm aj R RR 2.7 減速機構(gòu)的設(shè)計（減速機構(gòu)的設(shè)計（蝸蝸輪蝸桿減速機構(gòu)）輪蝸桿減速機構(gòu)） 直流電機輸出轉(zhuǎn)速較高，一般不能直接接到車輪軸上，需要減速機構(gòu)來降速，所以 設(shè)計了蝸輪蝸桿減速機構(gòu)，并對其參數(shù)進行了校核與驗證。減速裝置的形式多種多樣， 選擇一種合適的減速裝置對機器人的性能有著相當重要的作用。

37、 結(jié)合本設(shè)計中機器人的要求，輸出轉(zhuǎn)矩大傳動效率高的條件電機軸直接作為輸入軸 安裝用聯(lián)軸器，聯(lián)軸器有過載保護，提高了精度又減輕了重量。輪轂和齒輪安裝在同一 根軸上，他們轉(zhuǎn)速相同。齒輪類型為漸開線直齒齒輪，聯(lián)軸器相聯(lián)齒輪與車輪裝在同一 個軸上，它們的轉(zhuǎn)速相同。 移動機器人的驅(qū)動裝置電機與車輪軸需要傳動機構(gòu)。蝸桿傳動是用來傳遞空間交錯 軸之間的運動和動力的。最常用的是軸交角=90的減速傳動。蝸桿傳動能得到很大的單 級傳動比，在傳遞動力時，傳動比一般為 580，常用 1550；在分度機構(gòu)中傳動比可達 300，若只傳遞運動，傳動比可達 1000。蝸輪蝸桿傳動工作平穩(wěn)無噪音，蝸桿反行程能自 鎖，所以決定選

38、用普通圓柱蝸桿傳動。其實物圖跟結(jié)構(gòu)簡圖如下： 圖 2.21 實物圖 圖 2.22 結(jié)構(gòu)示意圖 2.7.1 電機參數(shù)的確定電機參數(shù)的確定 考慮到機器人運動的時候的穩(wěn)定，并且需要越障，克服各種地面的摩擦因素，還要 有爬坡等因素，通過查閱機械設(shè)計手冊指導，先假設(shè)輪式機器人平穩(wěn)運行時候的速度大 約為 0.7m/s，最大速度為 1.5m/s。需要的最大拉力 F 為 800N，地面與輪胎之間的損耗 ，則,則。0.68 地 800 1.51.2PF VKWA w= /1.2/0.681.75PPKW 地 1）工作機各傳動部件的傳動效率及總效率： 查機械設(shè)計課程設(shè)計手冊書中表 1- 7 得各傳動部件的效率分別

39、為： ； ；0.99 0.995 聯(lián)軸器 0.75 蝸桿 移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 13 ； 0.99 軸承 0.96 車輪 工作機的總效率為： 3 0.69 總聯(lián)軸器蝸輪蝸桿軸承車輪 2）電機的所需要的功率： kw P P w r 54 . 2 69 . 0 75 . 1 總 3）傳動裝置的傳動比的確定： 查機械設(shè)計課程設(shè)計手冊書中表 13 2 得各級齒輪傳動比如下： 408 蝸桿 i 理論總傳動比：408 蝸桿總 ii 4）電機機的轉(zhuǎn)速： 60 100060 1000 0.7 33.44 / min 400 v r D 車輪 .(8 40)33.44267.52 1337.6 / minir 總

40、車輪 根據(jù)上面所算得的原動機的功率與轉(zhuǎn)速范圍，可由機械設(shè)計課程設(shè)計手冊書中 表 12 1 可選擇合適的電動機。本設(shè)計選擇的電動機的型號及參數(shù)如下表 2-3： 表 2-3 電動機型號及參數(shù) 型號額定功率滿載轉(zhuǎn)速最大轉(zhuǎn)矩 質(zhì)量軸的直徑 Y160M1-84kw720r/min2.338 kg24mm 計算傳動比=720/33.44=21.53，單機蝸桿傳動，傳動比都集中在蝸桿上，不需分配 a i 傳動比。 2.7.2 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) (1)蝸桿蝸輪的轉(zhuǎn)速 蝸桿轉(zhuǎn)速和電動機的額定轉(zhuǎn)速相同渦輪轉(zhuǎn)速 n=33.44r/min,車輪的轉(zhuǎn)速和蝸輪的轉(zhuǎn)速 相同。 (2)

41、功率 電機軸輸出功率 Pd=2.54kw 蝸桿的輸入功率 2.540.99=2.5146 蝸桿的輸出功率 2.51460.99=2.49 蝸輪的輸入功率 2.490.75=1.86 蝸輪的輸出功率 1.860.99=1.85 車輪的輸入功率 1.850.99=1.83 車輪的輸出功率 1.830.96=1.76 (3)轉(zhuǎn)矩 2.54 9550955033.69 720 d p TN M n 無錫太湖學院學士學位論文 14 MNiTT d 35.3399. 0169.33 11聯(lián) MNiTT a 74.70399. 099 . 0 53.2135.33 12聯(lián)聯(lián) MNiTT74.70399. 0

42、99 . 0 53.2135.33 323聯(lián) 所以： Td=33.69 NM T1=33.35NM T2=703.74 NM T3=668.83 NM 運動動力參數(shù)表格如下表 2-4 所示： 表 2-4 運動力參數(shù) 參數(shù)電動機蝸桿蝸輪車輪 轉(zhuǎn)速 72072033.4433.44 輸入功率 2.511.861.83 輸出功率 2.542.491.851.76 輸出轉(zhuǎn)矩 33.6933.35703.74 66883 傳動比 21.53 效率 0.990.750.96 2.7.3 蝸蝸輪蝸桿設(shè)計計算輪蝸桿設(shè)計計算 (1)選舉蝸桿的傳動類型材料：采用漸開線蝸桿（ZI 蝸桿） 蝸桿：45 鋼 表面淬火至

43、 45-55HRC 蝸輪邊緣選擇： ZCuSn10Pb1 金屬模鑄 造輪芯：HT200 (2)按齒面接觸強度設(shè)計 傳動中心距計算公式如下： 1）作用在蝸桿上的轉(zhuǎn)矩 T2=703.74NM 2）已知條件：載荷較穩(wěn)定，故取齒向載荷分布系數(shù) K=1，使用系數(shù) KA=1.15，由于 轉(zhuǎn)速不高，沖擊不太大，可選取動載荷系數(shù) KV=1.05，則 K=KAKKV=1.21 3）確定彈性影響系數(shù) ZE 因選用鑄錫磷青銅蝸桿個剛蝸桿相配，故 ZE=160Mpa1/2 4）確定接觸系數(shù) Zp 先假設(shè)蝸桿分度圓 d1和傳動中心距 a 的比值為 d1/a=0.3?？刹榈?Zp=3.1 5）確定許用接觸應(yīng)力 根據(jù)蝸輪材

44、料為 ZcuSn10Pb1，可查表得蝸桿的許用應(yīng)力=268Mpa，應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N=602720168300/21.53=1.54108 壽命系數(shù) KHN=(107/1.54108)1/8=0.71 則H=KHN=0.71268=190.28Mpa 6）計算中心距 mm 1 2 2 160 2.9 1.21 703740171.753 190.28 a 取中心距 a=180mm 因 i=21 取 m=6.3，蝸桿分度圓直徑 d1=63mm，這時 d1/a=63/180=0.35，對應(yīng) Zp=2.9，因為 ZpZp,所以以上計算結(jié)果可用。 移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 7）蝸輪蝸桿的主要參數(shù)和幾何尺

45、寸 蝸桿分度圓直徑 d1=63mm 橫向齒距 Pa=m=3.146.3=19.782mm 模數(shù) m=6.3 直徑系數(shù) 1 63 10 6.3 d q m 齒頂圓 da1=d12ha1=6326.3=75.6mm 齒根圓 df1=d1-2(hamc)=63-2(6.30.256.3)=47.25mm 分度圓導程角 21 48 05r 變位系數(shù) 12 2 18063302.4 0.43 26.32 6.3 dda Xmm mm 驗算傳動比 48/ 412i 傳動比誤差 2421.53 1.14% 21.53 蝸輪分度圓直徑 22 6.3 48302.4dmz 蝸輪齒頂高 22 6.31 0.433

46、.59 aa hmhX 蝸輪喉圓直徑 222 2302.42 3.59309.58 aa ddhmm 蝸輪齒根高 22 6.31 0.430.210.21 fa hmhXc 蝸輪齒根直徑 222 2302.42 10.27281.86 ff ddh 蝸輪咽喉母圓直徑 22 11 180309.5825.21 22 ga radmm 外圓直徑 2 1.5309.58 1.5 6.339.03 Wa DDmmm 蝸輪齒寬 0.75 75.656.7Bmm 8) 校核齒根彎曲強度 (2.13) 1.532 2 1 2 FF KT YFa Y d d m (2.14) 2 33 248 60 cosc

47、os 21.8 V Z Z Y 根據(jù) X2=-0.43，ZV2=60，YFa2=2.55，螺旋角系數(shù)=1-=0.818 140 r 許用彎曲應(yīng)力： (2.15) FF KFN 從機械設(shè)計課程設(shè)計中表 11-8 查得由 ZCuSn10Pb1 制造的基本許用彎曲應(yīng)力 為 56MPA。 F 壽命系數(shù) 6 8 10 0.57 1.54 10 KFN 無錫太湖學院學士學位論文 16 560.5731.92 F MPA 齒根彎曲疲勞應(yīng)力 2 12 1.53 229.08 F KT YFa YKpa d d m 所以彎曲強度是滿足的。 9）驗算效率 (2.16) tan 0.95 0.96 tanV (2.

48、17) 1 163 720 2.557/ 60 1000cos60 1000cos2.18 S d n Vm s 已知fv;fv 與相對滑動速度 vs 相關(guān) 從機械設(shè)計課程設(shè)計表 1118 中用插值法查得 fv=0.03, ，代入式中得 1 43 V ，大于估計值，因此不用重算。0.904 10）精度等級公差和表面粗糙度的確定 通用減速器的蝸桿傳動精度等級公差范圍 68 級 H7/r6 用機械減速器，從 GB/T100891998 圓柱蝸桿蝸輪精度中選擇 38 級精度，側(cè)隙種類為 f,標注 7dGB/T10089- 1988。 蝸桿與軸做成一體即蝸桿軸，蝸輪采用輪箍式，與鑄造鐵心采用 H7/r

49、6 配合，并加臺 肩和螺釘固定。 2.7.4 蝸蝸輪軸的設(shè)計輪軸的設(shè)計 軸的材料為 45 鋼，調(diào)制處理，根據(jù)手冊取 A0112，所以： 33 0 31.86 11242.753 333.44 p dAmm N 軸的最小直徑為 d1，與聯(lián)軸器孔徑相適應(yīng)，故需同時選取聯(lián)軸器的型號計算轉(zhuǎn)矩 ,查表選取 KA=1.33 ca TKA TA 3 1.85 95509550528.334 33.44 P TN mm N 3 1.3 528.334686.835 caA TK TN M 查手冊 P582 選用 HL4 型彈性柱銷聯(lián)軸器，公稱轉(zhuǎn)矩為 1250Nmm，孔徑 d1=50mm，軸孔長度 L=142m

50、m，與軸配合轂孔長為 84mm，為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定 位要求，d1右端需割出一軸肩，定位軸肩高度在(0.070.1)d 范圍內(nèi)，故： 2125012 0.0757ddhmm 為了保證軸端擋圈壓在半聯(lián)軸器上，面不壓在軸的斷面上，L 聯(lián)孔的長度應(yīng)比 d1段 的長度 L1長點：L182mm。 2.7.5 初選滾動軸承初選滾動軸承 根據(jù)。初步根據(jù)手冊 P554 選取 0 基本游隙組，標準精度級的單列角接觸mmd57 2 軸承 7212，其尺寸為，故 2411060TDb 36 60,25dmm Lmm 移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 查表得軸肩高度，所以 5 694.573.5dmm 又軸環(huán)的高度為，b

51、 取 12mm，即：694.573.5bmm 5 12Lmm 蝸輪的軸段直徑： 蝸輪軸段直徑的右端為定位軸肩由機械手冊查得?。?4 73.524.564.5dmm 志傳動零件相配合的軸段，略小于傳動零件的輪轂寬。 蝸輪輪轂的寬度為：，取 4 1.2 1.5(77.4 96.75)dmm 4 90Imm 軸承端蓋的總寬度為 20mm,取端蓋的外端面與半聯(lián)軸器右端面的距離為 35mm 故： 。mmL553520 5 滾動軸承寬度，軸肩下部寬度為 24+10+16+454mm。mmT24 (1)繪制軸的受力簡圖 (2)繪制垂直面彎矩圖 (3)繪制水平面彎矩圖 (4)繪制合力彎矩圖 (5) 繪制扭矩圖

52、，分別如下圖所示： 圖 2.23 彎矩圖 軸承支反力： FAY=FBY=Fr1/2=107.35N FAZ=FBZ=/2=685N 1 t F 由兩邊對稱，知截面 C 的彎矩也對稱。截面 C 在垂直面彎矩為： MC1=FAyL/2=19.6Nm 截面 C 在水平面上彎矩為： MC2=FAZL/2=685182.5=125Nm 3 10 MC=(MC12+MC22)1/2=(19.62+1252)1/2=126.5Nm 轉(zhuǎn)矩：T= TI=54.8Nm 校核危險截面 c 的強度 由教材 P373 式（15-5）經(jīng)判斷軸所受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動 1 22 W c ca 無錫太湖學院學士學位論文 18 循

53、環(huán)應(yīng)力,取 =0.6, 222 2 3 126 5000.6 20000 30.5 0.1 80 c ca a W 前已選定軸的材料為 45 鋼,調(diào)質(zhì)處理,由教材 P362 表 15-1 查得,因此a 60 1 ,故安全。 ca 1 該軸強度足夠。 2.7.6 蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計蝸桿軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 從軸段。開始逐漸選取軸段直徑，起固定作用，定位軸肩高度可在mmd20 1 2 d 范圍內(nèi)，故。d1 . 007 . 0 mmhdd 8 . 22207 . 0 2012 12 該直徑處安裝密封氈圈。標準直徑，應(yīng)取，與軸承內(nèi)徑相配合采用角mmd24 2 3 d 接觸球軸承，型號為 7206（手冊 P554

54、） （即）mmd30 3 起定位作用，取 h=3mm，取蝸桿齒頂圓直徑， 4 dmmd36630 4 mmd6 .75 5 。mmd30 6 圖 2.24 彎矩圖 求支反力 FAY、FBY、FAZ、FBZ FAY=FBY=Fr/2=107.35N FAX=FBX=/2=295N 2t F 由兩邊對稱，截面 C 的彎矩也對稱，截面 C 在垂直面彎矩為 MC1=FAYL/2=107.3575=8Nm 3 10 截面 C 在水平面彎矩為 MC2=FAXL/2=29575=22.125Nm 3 10 計算合成彎矩 MC=（MC12+MC22）1/2=（82+22.1252）1/2=23.54Nm 校核

55、危險截面 C 的強度由教材 P373 式（15-5）可知。 移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 19 因此由教材 P373 式（15-5）經(jīng)判斷軸所受扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對 1 22 W c ca 稱循環(huán)變應(yīng)力，取 =0.6， 222 2 3 23.540.6 91700 1.07 0.1 80 c ca a W 前已選定軸的材料為 45 鋼,調(diào)質(zhì)處理,由教材 P362 表 15-1 查得,因此a 60 1 ，故安全，所以此軸強度足夠。 ca 1 2.8 機器人的電源供應(yīng)機器人的電源供應(yīng) 機器人由于體積，尺寸，重量的限制，而且需要移動，所以不可能采取電線通電的 方式，必須采取內(nèi)燃機或者電池供電，相對于汽車等應(yīng)用，要求

56、電池體積小，重量輕， 能量密度大；并且要求在各種震動沖擊等條件下電池要安全可靠。 我設(shè)計的輪式機器人長寬高尺寸在一米左右，重量在 40kg 的移動機器人總功耗為 4kw。 所以綜合下我選用了鉛酸蓄電池，對機器人的運動靈活性，連續(xù)運行時間都非常有利。 針對移動機器人所需的電源特性，總結(jié)了各種電池的優(yōu)缺點如下表 2-5 所示： 表 2-5 各種電池優(yōu)缺點 內(nèi)容鉛酸蓄電池鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池鋰聚合物電池 大流放電能力非常好非常好較好較好較好 可維護性非常好較好好一般較好 循環(huán)壽命400600 次300500 次8001000 次500600 次500600 次 價格 低低較低高高 安全性非常好

57、較好好一般較好 能量密度 (wh/Kg） 3050 差 3045 差 6080 一般 90110 較好 130 非常好 為簡化制造工序，提高車體的緊湊程度和牢固程度，將電池盒設(shè)計到前車體后部， 并且盡量降低電池盒與地面間距，以降低機器人的重心高度。 2.9 車輪及輪轂車輪及輪轂 選擇車輪需要考慮多種因素：有機器人的尺寸、重量、地形狀況、電機功率等。車 重加負載重量為 40kg 左右,所以用質(zhì)地堅硬且易于加工的聚苯乙烯作輪轂，采用不充氣的 中空橡膠輪胎，其優(yōu)點在于不僅重量小而且橡膠與地面的附著系數(shù)大，保證了足夠的驅(qū) 動能力。 之前假設(shè)其輪胎直徑 d=400mm,則車輪轉(zhuǎn)一圈移動的為： S=d=3

58、.140.5=1.256m 車輪最大轉(zhuǎn)速為： = /i=720/21.53=33.44r/min(電機轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)動比) w車w機 則機器人的線速度為： V=sw1=1.25633.44=42m/min=0.7m/s 無錫太湖學院學士學位論文 20 所以前面假設(shè)輪胎直徑 400mm，機器人平穩(wěn)運動的速度 0.7m/s 符合要求。 查找資料得到橡膠輪胎與地面的摩擦因數(shù)大約為 u=0.71，機器人所需的牽引力： (2.18) afW FFF (2.19)sin W Fmg (2.20) cos f Fmg 則有： =420Nsincos a Fmgmg800N 所以選用的輪胎大小合理。 前輪輪胎采用和

59、后輪相同的結(jié)構(gòu)和材料，輪轂的軸孔與軸相對滑動。 另外在機器人移動的過程中會產(chǎn)生震動，影響其行走，所以可以在其車身加減震墊 或者是彈簧之類的裝置來減少震動對移動的影響。 綜上所述，得到輪式機器人的技術(shù)參數(shù)如表 2-6 所示： 表 2-6 輪式機器人的技術(shù)參數(shù) 自由度個數(shù)2 運動方式輪式運動 驅(qū)動方式后兩輪差速度驅(qū)動，前兩輪隨動輪 連接機構(gòu)聯(lián)軸器 減速機構(gòu)蝸輪蝸桿 所選用電機兩個直流伺服電機 控制方式單片機控制器 電源蓄電池 移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 21 3 移動機器人的運動學模型移動機器人的運動學模型 3.1 機器人的運動學分析機器人的運動學分析 輪式移動機器人由車體、兩個驅(qū)動輪和兩個隨動輪組成，隨

60、動輪僅在運動過程中起 支撐作用，其在運動學模型中的影響忽略不記。為簡單起見，假設(shè)輪式移動機器人在水 平地面上運動，車輪只旋轉(zhuǎn)不打滑，將輪式移動機器人簡化成如圖3.1 所示。 以輪式移動機器人的右驅(qū)動輪為研究對象，O-XY為輪式移動機器人工作場地的固定 參考坐標系， 為與輪式移動機器人固連的坐標系，R為固連坐標系的原點，與右RRRX Y 輪輪心重合；與兩驅(qū)動輪軸線重合，指向左輪；X和間的夾角為，即輪式移動機器RYRX 人的位姿可表示為；左、右輪的坐標分別為、設(shè)L為輪式移(, , )TX Y(,)T LL XY(,)T RR XY、 動機器人兩驅(qū)動輪的輪距；r 為輪式移動機器人驅(qū)動輪的半徑； 分別

61、為輪式移 LR WW、 動機器人左、右驅(qū)動輪的角速度。 圖3.1 移動機器人的結(jié)構(gòu)簡圖 兩驅(qū)動輪間的約束方程 顯然，無論輪式移動機器人運動到何處，其左、右驅(qū)動輪間輪距L 是不會改變的， 因此左右輪的坐標與輪間距L 的關(guān)系為 (3.1) 222 )() LLLR XRYYL（ 令 為輪式移動機器人的初始姿態(tài)，定義其逆時針為正，并且 -180,180， 則由圖3-1可得輪式移動機器人的姿態(tài)角與兩驅(qū)動輪輪距中點的關(guān)系為 (3.2) tan() RL LR XX YY 根據(jù)式(3.1)和式(3.2)，得 (3.3)sin () RL XXLa (3.4)cos() LR YYL 假設(shè)輪式移動機器人在任

62、意一初始位置AB，經(jīng)時間t 轉(zhuǎn)過角后到達另一位置 AB， 無錫太湖學院學士學位論文 22 如圖3.2 所示，則左驅(qū)動輪比右驅(qū)動輪多轉(zhuǎn)過的曲線位移為： (3.5) LR CALW rtW rt 即： (3.6)/( ) LR WWLrt 圖 3.2 運動位姿變化圖 由于輪式移動機器人的運動方式只有直線運動和圓弧運動兩種，若作為基點的驅(qū)動 輪（文中為右驅(qū)動輪）的角速度已知，則左驅(qū)動輪的角速度根據(jù)式(3.6) R WWC L W 得： (3.7)/( ) L WWLrt 若 = 0 ，即對于直線運動而言，顯然，兩驅(qū)動輪同速，即直線運動 LR WWW 是曲線運動的特例。 運動學方程當輪式移動機器人驅(qū)動輪的角速度已知，由式(3.3)、(3.4)和(3.6)并根據(jù)圖 3.2，可得到輪式移動機器人 的運動學模型 (