第四章 機器人設計4.1 電機選擇4.1.1 電機扭矩機器人在滾動過程中的動力學模型可以表示成如下形式，如圖4.1所示。在該圖中將足和小腿合并，對動力學模型進行了簡化。機器人能夠以滾動體的形式持續(xù)翻滾，就在于各關節(jié)驅動電機相對運動使機器人的質心相對于支撐點曲率圓中心有一個向前的偏置，此中心的偏置就叫做重心偏置矢量。重心偏置矢量決定了機器人滾動運行時的速度及加速度。本課題中機器人速度要求較低，即機器人以較低的速度滾動。由模型可知，當小腿作為支撐時，小腿關節(jié)處電機所需要的扭矩最大。圖4.1 翻滾動力學模型本課題中機器人速度要求較低，即機器人以較低的速度滾動。由模型可知，當小腿作為支撐時，小腿關節(jié)處電機所需要的扭矩最大。機器人總共質量設為2.5Kg,可初步選取驅動電機的最大扭矩為24.7Kg.cm.4.1.2 確定電機型號選擇的舵機型號為hitec HS-5805MG，其中MG表示金屬齒輪（BB：滾珠軸承；TG：鈦合金齒輪；TH：鈦合金高電壓齒輪；HB：帶滾珠軸承，含碳尼龍齒輪），其基本參數(shù)如表2.1所示。表3.1 hitec HS-5805MG基本參數(shù)拉力(kg.cm) 轉速(sec/600)電機型號 重量(g)4.8V 6.0V 4.8V 6.0V尺寸(長*寬*高)操作溫度 軸承類型3極鐵氧體 152 19.8 24.7 0.19 0.14 66*30*58mm -200C--+600C雙球軸承http://item.taobao.com/item.htm?id=82509744214.1.3選擇聯(lián)軸器根據(jù)前面最小端直徑的確定可以選擇合適的聯(lián)軸器。聯(lián)軸器是一種常用的軸系部件，其功能是聯(lián)接兩軸，傳遞運動和轉矩，機器運轉時所聯(lián)接的兩軸不能分離，只有當機器停車并將聯(lián)軸器拆開后，兩軸才能分離。在選擇標準聯(lián)軸器時應根據(jù)使用要求和工作條件，如承載能力、轉速、兩軸相對位移、緩沖吸振以及裝拆、維修更換易損元件等綜合分析來確定。具體選擇時可考慮以下因素：i．原動機和工作機的機械特性 原動機的類型不同，其輸出功率和轉速，有的是平穩(wěn)恒定的，有的是波動不均勻的，而各種工作機的載荷性質差異更大，有的甚至是強烈沖擊或振動，這將直接影響聯(lián)軸器類型的選擇，是選型的主要依據(jù)之一。對于載荷為平穩(wěn)的，可選用剛性聯(lián)軸器，否則宜選用撓性聯(lián)軸器。ii．聯(lián)軸器連接的軸系及其運轉情況 對于連接軸系的質量大、轉動慣量大，而又經常啟動、變速或反轉的，應考慮選用能承受較大瞬時過載，并能緩沖吸振的聯(lián)軸器。iii．工作機的轉速高低 對于需高速運轉的兩軸連接，應考慮選擇聯(lián)軸器的結構具有高平衡精度特性，以削除離心力產生的振動和噪聲，避免相關元件因磨損和發(fā)熱而降低傳動質量和使用壽命。iv．聯(lián)軸器的對中和對保持程度 保持良好的對中是正常運轉的前提，可防止產生過大附加載荷及其他不良工況。選擇的聯(lián)軸器不但要補償安裝時難免存在的一定相對偏差，還應預計到能補償兩軸在運轉中出現(xiàn)的相對位移。v．聯(lián)軸器的結構及工作特性 聯(lián)軸器的外形尺寸，安裝、拆卸所需的空間大小和難易程度以及對維護的要求等都應與連接裝置的具體配置和要求相適應。vi．聯(lián)軸器的可靠性、使用壽命和工作環(huán)境 對于要求運轉可靠，不允許運轉工作臨時中斷的傳動，最好選用不需潤滑、無非金屬彈性元件的聯(lián)軸器。高溫和含有腐蝕性介質的場所應避免使用橡膠彈性元件的聯(lián)軸器。有灰塵、潮濕的環(huán)境應使用有罩殼的聯(lián)軸器。vii．聯(lián)軸器的制造、安裝和維護的成本。根據(jù)軸最小端裝的為連軸器，所以聯(lián)軸器的計算轉矩為 ，查表并TKAca?考慮到轉矩變化很小，故取 =1.3，則：AK=1.3×180=234N·mmTKAca?按照計算轉矩 應小于聯(lián)軸器公稱轉矩的條件，查標準 GB/T5014-1985，ca選用 HL1 型彈性柱銷聯(lián)軸器，其公稱轉矩為 300N·mm。半聯(lián)軸器的 d=19mm；半聯(lián)軸器長度 L=32mm,半聯(lián)軸器與軸配合的轂孔長度 =30mm。1L該聯(lián)軸器標記為： 19325048JAHLGB??4.2 機械結構設計4.2.1 材料選擇可變形仿生翻滾四足機器人要求質量小，結構緊湊。使用舵機直接驅動，故而要求質量輕。將機器人的結構用板材來替代，可以大大降低機器人的質量。要求機器人的結構剛性好，便于加工，切能夠盡量減少機器人制作的成本。在本課題中選擇厚度為5mm的鋁合金板材制作四足機器人。鋁合金較之其它金屬材料相比，具有以下一些優(yōu)點：1、密度小。鋁及鋁合金的密度接近2.7g/,約為鐵或銅的1/3。2、強度高。鋁及鋁合金的強度高。經過一定程度的冷加工可強化基體強度,部分牌號的鋁合金還可以通過熱處理進行強化處理。3、導電導熱性好。鋁的導電導熱性能僅次于銀、銅和金。4、耐蝕性好。鋁的表面易自然生產一層致密牢固的AL2O3保護膜，能很好的保護基體不受腐蝕。通過人工陽極氧化和著色，可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好的變形鋁合金。5、易加工。添加一定的合金元素后，可獲得良好鑄造性能的鑄造鋁合金或加工塑性好的變形鋁合金。 4.2.2 機體設計可變形四足機器人要求機器人的外部輪廓曲線為圓弧形，故而作為機器人重要組成部分的本體也必須設計成圓弧外部輪廓。驅動電機安裝圓弧直徑為300mm,電機在水平方向的安裝距離為280mm，機體最外沿的輪廓直徑為360mm。機體的具體尺寸圖詳見圖紙。由舵機外部安裝特點，將舵機用螺栓固定在機體上。機體由圖4.2所示的兩塊鋁合金板所組成，中間用支撐架聯(lián)接，支撐架的長度即機體的寬度為180mm。支撐架和電機聯(lián)接螺栓的尺寸都取為直徑6mm。圖 4.2 機體示意圖電機聯(lián)接螺栓的作用是固定電機，使電機與固定件間無相對運動。在連接裝配時，螺母需要擰緊，在擰緊力矩作用下，螺栓除了受到預緊力的作用還受螺紋摩擦力矩，使螺栓處于拉伸與扭轉的復合應力下。因此在進行強度設計時，應綜合考慮拉伸應力和扭轉應力的作用。螺栓危險截面的拉伸應力為： 00214FAd???式中，d1為螺栓危險截面的直徑。預緊螺栓時由螺紋力矩T產生的扭轉剪切應力為： ??023 2111/6/4vFdtgd???????近似為 0.5?由于螺栓材料為塑性材料，根據(jù)第四強度理論，求出螺栓在預緊狀態(tài)下的計算應力為 22223(0.5) 1.ca????故而螺栓危險截面直徑尺寸的計算公式為 014.[]Fd????取鋁合金的許用拉伸應力 為 420MPa. 螺栓組（4 個螺栓組成）承受的力為舵[]?機的重量，約為 200g. 故而0 614.30.2981.[].9.Fm??????由上述計算可以看出電機聯(lián)接螺栓的強度合格。同理，顯然機體聯(lián)接螺栓也合格。在以下部件的螺栓聯(lián)接校核部分省略，因為取的是同樣的直徑，故而同樣合格。4.2.3 大腿機構設計機器人大腿也同樣采用外輪廓為圓弧形。其最大外輪廓直徑為 360mm，電機安裝圓弧直徑為 300mm。圖 4.3 大腿機構示意圖4.2.4 小腿機構設計小腿機構的設計與大腿略有不同，因為在機器人運動規(guī)劃中有一個環(huán)節(jié)需要小腿內側觸地，支撐整個機器人完成翻滾動作。小腿機構示意圖如圖 4.4.圖 4.4 大腿機構示意圖4.2.5 足部設計如前所述，在小腿觸地使機器人翻滾過程中，為了使小腿與地面的摩擦足夠大，應使小腿內側與地面完全接觸，而非契形接觸。這樣有利于增加受力面積，改善其動力學性能。為了使小腿內側邊與地面完全接觸，設計使足關節(jié)的高度與小腿電機安裝中心點到內側平面的距離相當。足部的示意圖如圖 4.5 所示。圖 4.5 足部結構圖