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編號:
無錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）
題目： 移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
信機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
學(xué) 號： 0923122
學(xué)生姓名： 趙熙熙
指導(dǎo)教師： 龔常洪（職稱：副教授）
（職稱： ）
2013年5月25日
III
無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
誠 信 承 諾 書
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(dǎo)師的指導(dǎo)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(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級： 機械93
學(xué) 號： 0923122
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無錫太湖學(xué)院
信 機 系 機械工程及自動化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計論 文 任 務(wù) 書
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)
課題來源：導(dǎo)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：
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(xué)模型及機器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)模型；
③ 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。
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機械93 班 姓名 趙熙熙
五、開始及完成日期：
自2012年11月12日 至2013年5月25日
六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長研究所所長〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月12日
摘 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、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(xué)進行了探討，建立了運動學(xué)模型。在建立運動學(xué)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(xué)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：輪式移動機器人；運動學(xué)與動力學(xué)；自主控制問題
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 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 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 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 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; Kinematics and dynamics; Autonomous control
目 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(xué)模型及動態(tài)參數(shù)的確定 9
2.7 減速機構(gòu)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(xué)模型 21
3.1 機器人的運動學(xué)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(xué)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
5.2可行性分析 28
6 結(jié)論與展望 28
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
31
移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
1 緒論
1.1 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(xué)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(dǎo)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(fù)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(xué)生綜合應(yīng)用機械設(shè)計、機械原理、理論力學(xué)、大學(xué)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
1.2.1 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(xué)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(xué)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(dāng)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(biāo)平面移動車、爬行移動機器人、球形機器人、工作伙伴平臺以及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步較晚，但也取得了不少成績。2003年國防科技大學(xué)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(xué)習(xí)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(biāo)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
一個理想的移動機器人系統(tǒng)通常由三個部分組成：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(dāng)?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(xué)的研究還涉及機器人的運動學(xué)，動力學(xué)問題?？刂葡到y(tǒng)的輸入量需從對機器人的運動學(xué)，動力學(xué)建模分析得到的數(shù)學(xué)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(xué)。
1.3 本課題應(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(xué)模型及機器人四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的動力學(xué)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
2 移動機器人行走機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)和參數(shù)
2.1 機器人運動方式的選擇
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
(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：
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(fù)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)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)致轉(zhuǎn)向不穩(wěn)定。
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(fù)雜的地形，承載能力強，但是軌跡規(guī)劃及控制相對復(fù)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
(1)后輪驅(qū)動裝置機械結(jié)構(gòu)模型圖如圖2.16
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，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
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：
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
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
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)。
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(fù)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)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(xué)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，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、額定電流進行選擇。
直流伺服電機的基本方程式為：
(2.1)
(2.2)
(2.3)
其中，己為電樞電流，為電樞電勢，為電磁轉(zhuǎn)矩，為電樞電阻，為電勢系數(shù)，為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。
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
(2.4)
如果轉(zhuǎn)速的初始條件，則上式拉氏變換后得到
(2.5)
得到的傳遞函數(shù)為
G(S)= (2.6)
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)則傳遞函數(shù)可以寫成：
G(S)= (2.7)
直流伺服電機的除了銅耗之外，還有風(fēng)損、機械損耗、鐵耗，其中風(fēng)損和機械損耗與轉(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(fēng)耗和機械損耗一樣包含在等效電阻中。
分析直流伺服電動機動態(tài)特性的等效電路如圖4—17所示。轉(zhuǎn)子動能(J為轉(zhuǎn)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，空載損耗(包括風(fēng)損、機械損耗、鐵耗等)在電路中用等效電阻上的損耗來代替。
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)
如果施加的電壓時一個階越函數(shù)，,則：
(2.9)
由拉氏變換后令,可得到：
(2.10)
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)()。
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，即可獲得啟動電流曲線。當(dāng)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：
(2.11)
(2.12)
2.7 減速機構(gòu)的設(shè)計（蝸輪蝸桿減速機構(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(dāng)重要的作用。
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5~80，常用15~50；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
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(dǎo)，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。
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為：
； ；
；
工作機的總效率為：
2）電機的所需要的功率：
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：
理論總傳動比：
4）電機機的轉(zhuǎn)速：
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
Y160M1-8
4kw
720r/min
2.3
38 kg
24mm
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，不需分配傳動比。
2.7.2 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)功率
電機軸輸出功率 Pd=2.54kw
蝸桿的輸入功率 2.54×0.99=2.5146
蝸桿的輸出功率 2.5146×0.99=2.49
蝸輪的輸入功率 2.49×0.75=1.86
蝸輪的輸出功率 1.86×0.99=1.85
車輪的輸入功率 1.85×0.99=1.83
車輪的輸出功率 1.83×0.96=1.76
(3)轉(zhuǎn)矩
所以：
Td=33.69 N·M T1=33.35N·M
T2=703.74 N·M T3=668.83 N·M
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
720
720
33.44
33.44
輸入功率
2.51
1.86
1.83
輸出功率
2.54
2.49
1.85
1.76
輸出轉(zhuǎn)矩
33.69
33.35
703.74
668．83
傳動比
21.53
效率
0.99
0.75
0.96
2.7.3 蝸輪蝸桿設(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=703.74N·M
2）已知條件：載荷較穩(wěn)定，故取齒向載荷分布系數(shù)Kβ=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=KAKβKV=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。可查的Zp=3.1
5）確定許用接觸應(yīng)力
根據(jù)蝸輪材料為ZcuSn10Pb1，可查表得蝸桿的許用應(yīng)力=268Mpa，應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60×2×720×16×8×300/21.53=1.54×108
壽命系數(shù) KHN=(107/1.54×108)1/8=0.71 則[σ]H=KHN·[σ]=0.71×268=190.28Mpa
6）計算中心距
mm
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Zp′
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