輪式移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD】

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大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 輪式移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 專 業(yè)： 機械設(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： 輪式移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 學(xué)號： 姓名： 專業(yè)： 機械設(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：輪式移動機器人轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計： 2：輪式移動機器人電機的選型 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 完成輪式機器人的相關(guān)參數(shù)設(shè)計 第6-7周 5 繪出機構(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,易建強等.全方位移動機器人結(jié)構(gòu)和運動分析[B].機器人,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)機器人的研制[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用,2003,1:27-29. [4] 楊樹風(fēng).帶有機械臂的全方位移動機器人的研制. 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器人實驗平臺[J].機器人,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.全方位移動機構(gòu)的機構(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.輪式移動機械臂的建模與仿真研究[B].計算機仿真，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理機械臂研究.機械設(shè)計與研究,2004,1:3-32. [13] 孔繁群，朱方國，周驥平.一種機械手關(guān)節(jié)聯(lián)接結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計[B].機械制造與研究，2005,5:2-16. [14] 蔡自興編著.機器人原理及其應(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用能力； 4.是否具備一定的外文與計算機應(yīng)用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟分析能力。 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： 輪式移動機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 內(nèi)容提要：1.本文首先對機器人的國內(nèi)為發(fā)展現(xiàn)狀做了介紹，同時根據(jù)設(shè)計要求對機器人的整體方 案進(jìn)行了分析，包括幾何尺寸、電機的選擇。然后從機器人性能要求的角度出發(fā)， 分別對機器人的運動方式、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)向的輪型機器人。 2.文章對移動機器人硬件結(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)動輪電機和轉(zhuǎn)向輪電機的選擇及其驅(qū)動電路的設(shè)計；齒輪的設(shè)計計算 和校核；轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計和車體的一些機械結(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驅(qū)動模塊的PWM 控制量，實現(xiàn)運動機器人運動的閉環(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 全向移動機器人移動機構(gòu)設(shè)計 5 2.1引言 5 2.2機械設(shè)計的基本要求 5 2.3全方位輪式移動機構(gòu)的研制 6 2.3.1移動機器人車輪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計 6 2.3.2移動機器人轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計 9 2.3.3電機的選型與計算 11 2.4移動機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計 14 2.5本章小結(jié) 15 第三章 機械材料選擇和零件的校核 16 3.1機械材料選用原則 16 3.2零件材料選擇與強度校核 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)外可移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 移動機器人是機器人學(xué)中的一個重要分支。早在60年代，就己經(jīng)開始有關(guān)于移動機器人的研究。關(guān)于移動機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，對于水下機器人，則是推進(jìn)器。其次，必須考慮驅(qū)動器的控制，以使機器人達(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器人的序幕。初期的研究，主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機器人的體系結(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年代對機器人的智能行為期望過高，導(dǎo)致室外機器人的研究未達(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”八足行走機器人，是一個能提供對高移動性機器人運動的了解和遠(yuǎn)程機器人探險的行走機器人，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器人，遙控移動機器人，環(huán)境與移動機器人系統(tǒng)，生態(tài)機器人學(xué)，多機器人系統(tǒng)等方面作了大量的研究。國內(nèi)在移動機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、室外移動機器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內(nèi)移動機器人局部路徑規(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));智能移動機器人的設(shè)計和實現(xiàn)(智能移動機器人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)游機器人等?？傊陙硪苿邮綑C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 移動機器人的關(guān)鍵技術(shù) 移動機器人要想走向?qū)嵱?，必需擁有能勝任的運動系統(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)，交互包括機器人與環(huán)境、機器人與人及機器人之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。因此，在移動機器人研究中，關(guān)鍵在于以下幾個方面： 1.機器人結(jié)構(gòu).機器人機械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計，是根據(jù)實際需要進(jìn)行的。在機器人機構(gòu)方面，結(jié)合機器人在各個領(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，對足式步行機器人、履帶式和特種機器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實驗階段，而輪式機器人由于其控制簡單、運動穩(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)場巡邏機器人、偵察車到新近研制的管道清洗檢測機器人，都有力地顯示出移動機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器人發(fā)展的方向之一。 2.體系結(jié)構(gòu).機器人的智能系統(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”中運行。德國為在自動化工廠中運行的自動導(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.移動機器人路徑規(guī)劃技術(shù).移動機器人的路徑規(guī)劃就是給定機器人及其工作環(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。運動規(guī)劃是移動機器人的一個重要問題，對于自由運動的機器人，即機器人的運動不受約束，運動規(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)。但是移動機器人運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，還要考慮運動中的避障問題，因此，移動機器人的運動規(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)也都開始使用機器人。 本課題選用輪式作為機器人平臺設(shè)計研究，兩輪式機器人在國內(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?，解決了輪式機器人的傳動機構(gòu)難題。 該輪式機器人運動響應(yīng)迅速，具有高機動的零半徑轉(zhuǎn)向能力，并且在運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器人，驅(qū)動電機選擇，驅(qū)動芯片的選擇及程序的編制，驅(qū)動電路設(shè)計。 1.機械結(jié)構(gòu)部分包括機器人構(gòu)成方案選擇、機器人本體機構(gòu)設(shè)計和驅(qū)動電機的選擇 2.針對設(shè)計要求結(jié)合所選用的電機，設(shè)計電機的驅(qū)動模塊，并討論系統(tǒng)設(shè)計的可靠性問題 第二章 輪型機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 2.1引言 機器人機械本體的設(shè)計是機器人設(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。帶有機械臂的全方位移動機器人可以實現(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)行本機器人移動機構(gòu)的本體設(shè)計。 2.2機械設(shè)計的基本要求 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求，包括對機器整機的設(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.對機器整機設(shè)計的基本要求 對機器使用功能方面的要求：實現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機械設(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械設(shè)計時所要求的。 對機器經(jīng)濟性的要求：機器的經(jīng)濟性體現(xiàn)在設(shè)計、制造和使用的全過程中，在設(shè)計機器時要全面綜合的進(jìn)行考慮。設(shè)計的經(jīng)濟性體現(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 機械零件是組成機器的基本單元，對機器的設(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)計機器的要求中引申出來的，即也應(yīng)從保證滿足機器的使用功能要求和經(jīng)濟性要求兩方面考慮。 要求在預(yù)定的工作期限內(nèi)正?？煽康墓ぷ鳎瑥亩ＷC機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。 任何一種機器都有動力機、傳動裝置和工作機組成。動力機是機器工作的能量來源，可以直接利用自然資源（也稱為一次能源）或二次能源轉(zhuǎn)換為機械能，如內(nèi)燃機、氣輪機、電動機、電動馬達(dá)、水輪機等。工作機是機器的執(zhí)行機構(gòu)，用來實現(xiàn)機器的動力和運動能力，如機器人的末端執(zhí)行器就是工作機。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 全方位輪式移動機構(gòu)的研制 在設(shè)計移動機器人本體時應(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)與擴展。 對比緒論中各轉(zhuǎn)向機構(gòu)的優(yōu)缺點，本文選用全方位輪式機構(gòu)來設(shè)計。全方位輪式機器人的運動包括縱向、橫向和自轉(zhuǎn)三個自由度的運動。車輪形移動機構(gòu)的特征與其他移動機構(gòu)相比車輪形移動機構(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構(gòu)的示意圖。 輪式移動機構(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)向是獨立控制的，全方位移動機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 全方位輪式移動機構(gòu)示意圖 2.3.1 移動機器人車輪旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計 在車輪旋轉(zhuǎn)機構(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，且對電機軸形成一個彎矩，容易對電機軸造成破壞。模型 b 采用電機內(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構(gòu)可以平穩(wěn)運動，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)圈并不能與電機直接配合，設(shè)計了一個電機殼結(jié)構(gòu)，作電機和軸承的連接。 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殼軸肩軸向定位；通過電機殼外表面徑向定位通過電機軸外表面徑向定位。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)濟性好,方便購買。而作為徑向支撐,它主要避免了車輪對電機產(chǎn)生彎矩。 （2）電機預(yù)裝在電機殼上，依靠電機殼凸緣軸向定位；但徑向定位不能利用電機定位止口定位，只能采用車輪調(diào)整電機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)軸器與電機軸聯(lián)接。這個過程也是調(diào)整電機軸同心，然后從車輪側(cè)面的預(yù)留安裝孔將電機緊固在電機殼上。 （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)向機構(gòu)和轉(zhuǎn)動機構(gòu)連為一體,最終實現(xiàn)全方位移動。 圖2.4 固定件 2.3.2 移動機器人轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計 轉(zhuǎn)向部分主要由轉(zhuǎn)向軸、軸承、基座、轉(zhuǎn)向電機以及轉(zhuǎn)向連接件組成。轉(zhuǎn)向機構(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，只需要用電機來驅(qū)動轉(zhuǎn)向軸即可實現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)向。將電機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座連接的，從而可以把它和機座以及轉(zhuǎn)向電機視為一體。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)向機構(gòu)，并提高整個全方位移動機構(gòu)的性能 圖2.6箱體示意圖 2.3.3 電機的選型與計算 a.電機性能的比較 在機器人的驅(qū)動器一般采用以下幾種電機：直流電機、步進(jìn)電機和舵機。幾種電機有關(guān)參數(shù)進(jìn)行如表 2.1 所示。 表2.1 幾種電機比較 電機類型 優(yōu) 點 缺 點 直流電機 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 精確的速度控制 型號多樣 適合室內(nèi)機器人的速度 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 內(nèi)部帶有齒輪減速器 型號多樣 適合室內(nèi)機器人的速度 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 1）什么是舵機： 在機器人機電控制系統(tǒng)中，舵機控制效果是性能的重要影響因素。舵機可以在微機系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機系統(tǒng)非常容易與之接口。舵機是一種位置（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，包括飛機模型，潛艇模型；遙控機器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機是一種俗稱，其實是一種伺服馬達(dá)。 2）舵機的工作原理： 控制信號由接收機的通道進(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)輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機轉(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 步進(jìn)電機作為一種新型的自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(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)距的電機來克服慣性力矩。但步進(jìn)電機點位控制性能好，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)電機的同步控制。 b.電機的選型與計算 對于本課題來說，移動機器人的移動速度最高為 0.5 米/秒，電機轉(zhuǎn)數(shù)最高接近 100 轉(zhuǎn)/分。如果用直流電機，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，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)電機作為驅(qū)動電機。 下面對旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機型號進(jìn)行選擇，輪式移動機器人在移動的時候，需要克服兩種阻力：摩擦力和重力。對于平面內(nèi)移動的機器人來講則只需要克服摩擦力。移動機器人整體重量在 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。靜轉(zhuǎn)矩為 1.5 NM 。該電機在相近產(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。 圖為電機轉(zhuǎn)矩圖 下面選擇轉(zhuǎn)向電機，機器人對轉(zhuǎn)向速度要求較低，對位置精度比較嚴(yán)格，選用步進(jìn)電機可以滿足設(shè)計要求。轉(zhuǎn)向電機主要是使車輪實現(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，選擇電機型號為 56BYG250B-0241，靜力矩為0.72 。 下面是所選電機的外形尺寸。（圖片來自http://www.syn-tron.com/hunheshibujindianjijingtai.aspx?myid=1&action=1&dictid=1） 2.4移動機器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計 設(shè)計移動機器人車體是應(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)和擴展。 車體是實現(xiàn)全方位移動機構(gòu)的部分，也是安裝其他元件的主體。它同樣是保證機器人具有良好的環(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)機構(gòu)。本結(jié)構(gòu)的空間分層設(shè)計使得 機器人機構(gòu)緊湊，易于維護，而且提高了機器人控制系統(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) 機器人是一種高度集成的機電一體化產(chǎn)品。它不是機械裝置和電子裝置的簡單組合，而是機械、電子、計算機等技術(shù)的有機融合。本文雖只設(shè)計機械本體部分，但設(shè)計過程要完全考慮各部分的因素。而移動機器人的移動機構(gòu)，它是移動機器人系統(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)機構(gòu)，可使車輪實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向。 第三章 機械材料選擇和零件的校核 3.1機械材料選用原則 機械零件材料的選擇是機械設(shè)計的一個重要問題，不同材料制造的零件不但機械性能不同，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度，且尺寸和重量又受到某些限制，應(yīng)選用強度較高的材料。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度的材料。在變應(yīng)力工作的零件，應(yīng)選用疲勞強度較高的材料。零件尺寸取決于接觸強度的，應(yīng)選用可以金星表面強化處理的材料，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）機械加工 大批批量生產(chǎn)的零件可用自動機床加工，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)濟性要求 （1）經(jīng)濟性首先表現(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度校核 從材料選用原則的使用要求、加工要求和經(jīng)濟要求出發(fā)，選擇機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)向機構(gòu)的轉(zhuǎn)向軸強度校核 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。軸的運動主要受到扭轉(zhuǎn)力,所以只對其扭轉(zhuǎn)強度進(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)向機構(gòu)選擇的電機型號為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)軸強度滿足要求，可以使用。 （3）車輪的校核 車輪是整個機械部分的支撐，也是整個結(jié)構(gòu)受力最大的部分。這里從材料經(jīng)濟性和強度等方面選擇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。它有著高強度、高彈性模量等優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。其強度和金屬近似,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器人主要機械機構(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。 聚甲醛的抗壓強度為125，抗彎強度為980，整個零件的強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) 全方位移動機器人各零部件所要求的強度、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)機器人在工作過程中各零部件不同受力情況，以及機械設(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，全方位移動機器人可分為兩個大部分即旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計、轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計?？偨Y(jié)如下： 1．本文采用車輪機構(gòu)來實現(xiàn)全方位移動。從而設(shè)計了可避免對電機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)向機構(gòu)，可使車輪實現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向； 全方位移動機器人機械本體的設(shè)計是機器人設(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。 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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