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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題 目 零轉(zhuǎn)角輪式機(jī)器人底座機(jī)電傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)書
系 別
專業(yè)名稱
班級學(xué)號
學(xué)生姓名
指導(dǎo)教師
目錄
1.緒論
1.1課題研究背景 （3）
1.2課題研究意義 （3）
1.3國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 （4）
1.3.1國外全方位移動機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 （4）
1.3.2國內(nèi)全方位移動機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 （6）
2.傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求 （8）
2.2輪式機(jī)器人底座的研制 （8）
2.3輪式機(jī)器人底座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （7）
2.4輪式機(jī)器人底座轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （10）
2.5電機(jī)的選型與計(jì)算 （14）
2.6輪式機(jī)器人底座總體結(jié)構(gòu)分析 （16）
3.機(jī)械材料選擇和零件的校核
3.1機(jī)械材料的選用原則 （17）
3．2零件材料選擇和強(qiáng)度校核 （18）
4. 紅外遙控機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1系統(tǒng)總體方案 （23）
4.2系統(tǒng)方案論證 （23）
4.3系統(tǒng)最終方案 （25）
5. 驅(qū)動器設(shè)計(jì)
5.1微型伺服馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu) （26）
5.2微型伺服馬達(dá)的工作原理 （26）
5.3微型伺服馬達(dá)控制 （27）
5.4伺服馬達(dá)的電源引線 （28）
5.5伺服馬達(dá)的運(yùn)動速度 （28）
5.6使用伺服馬達(dá)的注意事項(xiàng) （28）
5.7選用的伺服馬達(dá) （28）
6. 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
6.1系統(tǒng)硬件電路介紹 （29）
6.2單片機(jī)最小系統(tǒng) （30）
6.3供電單元介紹 （31）
6.4電機(jī)驅(qū)動電路介紹 （32）
6.5紅外遙控電路介紹 （32）
7. 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
7.1系統(tǒng)軟件流程 （33）
7.2舵機(jī)控制軟件分析 （33）
7.3紅外控制軟件分析 （33）
8.致謝 （34）
9.參考文獻(xiàn) （34）
1 緒論
1.1課題研究背景
到目前為止，世界各國對“工業(yè)機(jī)器人”還沒有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說的“工業(yè)機(jī)器人”是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或操縱工具的自動化裝置。而它與“機(jī)械手”有一些區(qū)別：“工業(yè)機(jī)器人”多數(shù)指程序可變的獨(dú)立的抓取、搬運(yùn)工件、操縱工具的裝置；“機(jī)械手”多數(shù)是指附屬于主機(jī)、程序固定的自動抓取、操作裝置。如自動線、自動機(jī)的上、下料，加工中心的自動換刀的自動化裝置。
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)社備。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡單意義上的代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。
工業(yè)機(jī)器人是一種對生產(chǎn)條件和生產(chǎn)環(huán)境適應(yīng)性和靈活性很強(qiáng)的柔性自動化設(shè)備，它對穩(wěn)定提高產(chǎn)品品質(zhì)、提高生產(chǎn)效率和改善勞動條件起著十分重要的作用。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展必將對社會經(jīng)濟(jì)和生產(chǎn)力發(fā)展產(chǎn)生更加深遠(yuǎn)的影響。所以，國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展十分迅速。
1.2課題研究意義：
對實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用。因而具有強(qiáng)大的生命力受到人們的廣泛重視和歡迎。實(shí)踐證明，工業(yè)機(jī)器人可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強(qiáng)度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長期頻繁、單調(diào)的操作，采用機(jī)器人是有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
可選的輪式機(jī)器人底座上表面的驅(qū)動和檢測裝置的布局如圖1-2所示。假設(shè)地面由方形地磚鋪成或畫有方格的平面，底座下部安裝若干個(gè)紅外傳感器，可檢測到地面方格的邊緣及結(jié)點(diǎn)，依此確定底座的方向和位置。底座四邊安裝接近開關(guān)或距離檢測傳感器，實(shí)現(xiàn)防撞或避障功能；
通過畢業(yè)設(shè)計(jì)也可進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生收集資料和調(diào)查研究的能力,同時(shí)具備一定的方案比較、論證的能力,一定的理論分析與設(shè)計(jì)運(yùn)算能力,進(jìn)一步提高應(yīng)用計(jì)算機(jī)繪圖的能力。掌握相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的選擇和運(yùn)用，裝配圖、零件圖的繪制以及設(shè)計(jì)文本的撰寫全過程。另外進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的求實(shí)態(tài)度和獨(dú)立解決問題的能力,為畢業(yè)后能夠快速融入社會做好良好的鋪墊。
1.3國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀
1.3.1 國外全方位移動機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
國外很多研究機(jī)構(gòu)開展了全方位移動機(jī)器人的研制工作，在車輪設(shè)計(jì)制造，機(jī)器人上輪子的配置方案，以及機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析等方面，進(jìn)行了廣泛的研究，形成了許多具有不同特色的移動機(jī)器人產(chǎn)品。這方面日本、美國和德國處于領(lǐng)先地位。八十年代初期，美國在DARPA的支持下，卡內(nèi)基· 梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校開展了自主移動車輛的研究，NASA下屬的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也開展了這方面的研究。CMU機(jī)器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列機(jī)器人代表了室外移動機(jī)器人的發(fā)展方向。德國聯(lián)邦國防大學(xué)和奔馳公司于二十世紀(jì)九十年代研制成VaMoRs-P移動機(jī)器人。其車體采用奔馳500轎車。傳感器系統(tǒng)包括：4個(gè)小型彩色CCD攝像機(jī)，構(gòu)成兩
組主動式雙目視覺系統(tǒng)；3個(gè)慣性線性加速度計(jì)和角度變化傳感器。SONY公司1999年推出的寵物機(jī)器狗Aibo具有喜、怒、哀、厭、驚和奇6種情感狀態(tài)。它能爬行、坐立、伸展和打滾，而且摔倒后可以立即爬起來。本田公司1997年研制的Honda P3類人機(jī)器人代表雙足步行機(jī)器人的最高水平。它重130公斤、高1.60米、寬0.6米，工作時(shí)間為25分鐘，最大步行速度為2.0公里/小時(shí)。
國外研究的一些典型的全方位輪有麥克納姆輪、正交輪、球輪、偏心方向輪等。下面就這些輪進(jìn)行介紹。
麥克納姆輪，如圖 1.1 所示，它由輪輻和固定在外周的許多小滾子構(gòu)成，
輪子和滾子之間的夾角為 Y，通常夾角 Y 為 45°，每個(gè)輪子具有三個(gè)自由度，第一個(gè)是繞輪子軸心轉(zhuǎn)動，第二個(gè)是繞滾子軸心轉(zhuǎn)動，第三個(gè)是繞輪子和地面的接觸點(diǎn)轉(zhuǎn)動。輪子由電機(jī)驅(qū)動，其余兩個(gè)自由度自由運(yùn)動。由三個(gè)或三個(gè)以上的 Mecanum 輪可以構(gòu)成全方位移動機(jī)器人。
圖1.2 麥克納姆輪應(yīng)用
正交輪，由兩個(gè)形狀相同的球形輪子(削去球冠的球)架，固定在一個(gè)共同的殼體上構(gòu)成，如圖 1.3 所示.每個(gè)球形輪子架有2個(gè)自由度，即繞輪子架的電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動和繞輪子軸心的自由轉(zhuǎn)動。兩個(gè)輪子架的轉(zhuǎn)動軸方向相同，由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動，兩個(gè)輪子的軸線方向相互垂直，因而稱為正交輪。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所所研制的全方位移動機(jī)器人采用了這種結(jié)構(gòu)，如圖1.4。
圖1.3 正交輪 圖1.4 正交輪的應(yīng)用
球輪由一個(gè)滾動球體、一組支撐滾子和一組驅(qū)動滾子組成，其中支撐滾子固定在車底盤上，驅(qū)動滾子固定在一個(gè)可以繞球體中心轉(zhuǎn)動的支架上，如圖 1.6 所示。每個(gè)球輪上的驅(qū)動滾子由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動，使球輪繞驅(qū)動滾子所構(gòu)成平面的法線轉(zhuǎn)動，同時(shí)可以繞垂直的軸線自由轉(zhuǎn)動。
圖1.5 球 輪 圖1.6 球輪的應(yīng)用
偏心萬向輪，如圖 1.7 所示，它采用輪盤上不連續(xù)滾子切換的運(yùn)動方式，輪子在滾動和換向過程中同地面的接觸點(diǎn)不變，因而在運(yùn)動過程中不會使機(jī)器人振動，同時(shí)明顯減少了機(jī)器人打滑現(xiàn)象的發(fā)生。
圖1.7偏心萬向輪 圖1.8 偏心萬向輪的應(yīng)用
1.3.2 國內(nèi)全方位移動機(jī)器人的研究現(xiàn)狀
我國在移動機(jī)器人方面的研究工作起步較晚，上世紀(jì)八十年代末，國家863計(jì)劃自動化領(lǐng)域自動機(jī)器人主題確立立項(xiàng)，開始了這方面的研究。在國防科工委和國家863計(jì)劃的資助下，由國防科大、清華大學(xué)等多所高校聯(lián)合研制軍用戶外移動機(jī)器人7B.8,并于1995年 12月通過驗(yàn)收。7B.8的車體是由躍進(jìn)客車改進(jìn)而成,車上有二維彩色攝像機(jī)、三維激光雷達(dá)、超聲傳感器。其體系結(jié)構(gòu)以水平式機(jī)構(gòu)為主,采用傳統(tǒng)的“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”算法,其直線跟蹤速度達(dá)到20km/h。避障速度達(dá)到5-10km/h。
上海大學(xué)研制了一種全方位越障爬壁機(jī)器人,針對清洗壁面作業(yè)對機(jī)器人提出的特殊要求，研制了可越障輪式全方位移動機(jī)構(gòu)—車輪組機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)保證機(jī)器人可在保持姿態(tài)不變的前提下,沿壁面任意方向直線移動,或在原地任意角度旋轉(zhuǎn),同時(shí)能跨越存在于機(jī)器人運(yùn)行中的障礙,不需要復(fù)雜的輔助機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)平面上運(yùn)動和越障運(yùn)動之間轉(zhuǎn)換。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李瑞峰，孫笛生，劉廣利等人研制的移動式作業(yè)型智能服務(wù)機(jī)器人，并對課題當(dāng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)，如新型全方位移動機(jī)構(gòu)、七自由度機(jī)器人作業(yè)手臂和多傳感器信息融合等技術(shù)，最后給出了移動機(jī)器人的系統(tǒng)控制方案。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的閆國榮，張海兵研究一種新型全方位輪式移動機(jī)構(gòu)，這種全方位移動機(jī)構(gòu)當(dāng)中的輪子與麥克納姆輪的區(qū)別在于：這種全方位輪使小滾子軸線與輪子軸線垂直，則輪子主動的滾動和從動的橫向滑移之間將是真正相互獨(dú)立的；輪子正常轉(zhuǎn)動時(shí)，輪緣上的小滾子也將是純滾動，如圖1.9。
圖1.9 全方位移動機(jī)構(gòu)仿真圖
2 傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求
機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，包括對機(jī)器整機(jī)的設(shè)計(jì)要求和對組成零件的設(shè)計(jì)要求兩個(gè)方面，兩者相互聯(lián)系、相互影響。
a.對機(jī)器整機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求
對機(jī)器使用功能方面的要求：實(shí)現(xiàn)預(yù)定的使用功能是機(jī)械設(shè)計(jì)的最基本的要求，好的使用性能指標(biāo)是設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)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(jì)、制造和使用的全過程中，在設(shè)計(jì)機(jī)器時(shí)要全面綜合的進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)為合理的功能定位、實(shí)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(jì)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(jì)要求最終都是通過零件的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，所以設(shè)計(jì)零件時(shí)應(yīng)滿足的要求是從設(shè)計(jì)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?？煽康墓ぷ鳎瑥亩ＷC機(jī)器的各種功能的正常實(shí)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(jì)和制造等多方面加以考慮。設(shè)計(jì)時(shí)合理的選擇材料和毛坯的形式、設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)能量傳遞和兼有其它作用的裝置。
2.2輪式機(jī)器人底座的研制
在機(jī)器人本體時(shí)應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：
（1）總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時(shí)的實(shí)驗(yàn)、調(diào)試和修理。
（2）應(yīng)給機(jī)器人暫時(shí)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(diǎn)，本文選用全方位輪式機(jī)構(gòu)來設(shè)計(jì)。全方位輪式機(jī)器人的運(yùn)動包括縱向和360度旋轉(zhuǎn)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(diǎn)：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(yàn)等。它的缺點(diǎn)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(gè)意義上 車輪形移動機(jī)構(gòu)的利用價(jià)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(jì)要求實(shí)現(xiàn)零半徑回轉(zhuǎn)，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(shí)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輪式機(jī)器人底座旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
在車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)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(gè)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(diǎn)，設(shè)計(jì)如圖2.3，圖2.4中所示結(jié)構(gòu)，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(gè)結(jié)構(gòu)的軸向距離。為了保持輪子受力平衡使整個(gè)機(jī)構(gòu)可以平穩(wěn)運(yùn)動，將輪子設(shè)計(jì)為兩個(gè)一組來實(shí)現(xiàn)。
圖2.2 旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)圖
采用了一個(gè)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(jì)了一個(gè)電機(jī)殼結(jié)構(gòu)，作電機(jī)和軸承的連接。
圖2.3 旋轉(zhuǎn)部分示意圖
圖2.4 旋轉(zhuǎn)部分機(jī)構(gòu)圖
車輪旋轉(zhuǎn)部分的具體結(jié)構(gòu)分為五個(gè)部分：
（1）兩個(gè)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(shí)也可以承載小的軸向載荷。選用它就可以達(dá)到設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)車輪分為兩部分組合而成。一個(gè)是帶有軸徑的車輪,另一個(gè)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(shí)現(xiàn)的。具體結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。
（5）整個(gè)旋轉(zhuǎn)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成,但它必須與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)連接起來才能實(shí)現(xiàn)全方位移動。后一小節(jié)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動,此處設(shè)計(jì)了類似于半圓的固定件。如圖2.5所示。使用是采用兩個(gè)配合來固定住旋轉(zhuǎn)部分,通過四個(gè)螺栓的連接來實(shí)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(shí)現(xiàn)全方位移動。
圖2.5 固定件結(jié)構(gòu)
至此，全方位移動機(jī)器人的車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)完畢。
2.4輪式機(jī)器人底座轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(jì)的基本路線是從上而下。如圖2.6，圖2.7所示。
圖2.6 轉(zhuǎn)向部分示意圖 圖2.7 轉(zhuǎn)向部分結(jié)構(gòu)圖
（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(jì)成圓柱形以保證足夠的強(qiáng)度和良好的工藝性。同時(shí)兩部分軸互相配合，可以伸縮以便轉(zhuǎn)向時(shí)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(shí)，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(gè)車體上，因?yàn)?，箱體連接在車體上。轉(zhuǎn)向軸受到向下的軸向力時(shí)，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(gè)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(jì)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(shí)也用作安全裝置。本文中沒用選用標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)軸器,因?yàn)闃?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(jì)要求。同時(shí),由于所要連接的兩軸徑大小確定本文自行設(shè)計(jì)了一個(gè)聯(lián)軸器。其結(jié)構(gòu)如圖2.8所示。
圖2.8 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(shí)現(xiàn)車輪的轉(zhuǎn)向。將電機(jī)固定在基座上需要一個(gè)連接件，連接件設(shè)計(jì)過程中考慮了兩種模型：整體式和剖分式,如圖2.9和2.10所示。整體式裝配時(shí)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(diǎn)，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)。
圖2.9 整體式 圖2.10剖分式
（5）箱體的設(shè)計(jì)與固定
如圖2.11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(gè)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(jì)了如圖中所示的雙臂。這種設(shè)計(jì)可以將轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的整體重量通過箱
圖2.11 箱體示意圖
體的兩臂傳到車體上，進(jìn)而施于整個(gè)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(jì)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(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，并提高整個(gè)全方位移動機(jī)構(gòu)的性能。
至此，整個(gè)全方位移動機(jī)構(gòu)機(jī)械本體設(shè)計(jì)完畢。
2．5電機(jī)的選型與計(jì)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(diǎn)
缺 點(diǎn)
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(jià)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(jià)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(jià)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(shí)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(gè)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(shí)，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(shí)易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)，停止時(shí)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(diǎn)位控制性能好，沒有積累誤差，易于實(shí)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的同步控制。
b.電機(jī)的選型與計(jì)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(shí)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。帶有機(jī)械臂的全方位移動機(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(gè)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(shí)公司的 57BYG250E-0152 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。
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(jì)要求。轉(zhuǎn)向電機(jī)主要是使車輪實(shí)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(jì)算電機(jī)靜力矩。
在這里我們假設(shè)每個(gè)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(gè)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(gè)車輪的寬度
設(shè)計(jì)車輪與地面接觸總寬度為60mm，即所以克服的力矩為 0.368 。實(shí)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 57BYG250B-SASRM-0152，靜力矩為 1.4 。
下面是所選電機(jī)的外形尺寸。
2.6輪式機(jī)器人底座總體結(jié)構(gòu)分析
設(shè)計(jì)移動機(jī)器人車體是應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：
（1）總體結(jié)構(gòu)應(yīng)容易拆卸，便于平時(shí)的試驗(yàn)、調(diào)試、和修理。
（2）在設(shè)計(jì)的移動平臺應(yīng)能夠給機(jī)器人暫時(shí)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(shí)現(xiàn)全方位移動機(jī)構(gòu)和機(jī)械手臂連接的部分，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(jì)的車體采用的是合金鋁框架式結(jié)構(gòu)，如圖2.13所示共分三層：第一層安裝攝像頭，控制按鈕等；第二層是車體內(nèi)腔，空間較大可以安裝電池、集線器、裝配電路板等，同時(shí)可以在以后的具體設(shè)計(jì)中改變內(nèi)部格局，以達(dá)到最佳的使用效果；第三層安裝車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。本結(jié)構(gòu)的空間分層設(shè)計(jì)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
3. 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(jì)的一個(gè)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(gè)方面內(nèi)容
（1）毛坯制造 大型零件且批量生產(chǎn)時(shí)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(shí)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(jià)格。當(dāng)用價(jià)格低廉的材料能滿足使用要求時(shí)，就不應(yīng)該選用價(jià)格高的材料。這對大批量制造的零件尤為重要。
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(gè)零部件的材料。
在機(jī)械手臂中各傳動件是關(guān)鍵性零件，如傳動軸和齒輪系，它們的強(qiáng)度、剛度等機(jī)械性能直接影響機(jī)械手的工作質(zhì)量。
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(jià)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；機(jī)械手傳動機(jī)構(gòu)，螺紋軸采用45號鋼，就完全能夠滿足設(shè)計(jì)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 57BYG250B-SASRM-0152，其靜力矩為 1.4 。即 T=1400 。
由于此段軸中有鍵，其截面如圖4.1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(jì)算得：
則：
由此可知，設(shè)計(jì)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(gè)機(jī)械部分的支撐，也是整個(gè)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(shí)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(gè)車輪部分承載的重量為12Kg。由于整個(gè)移動機(jī)構(gòu)有四個(gè)車輪，這樣每個(gè)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(gè)移動部分的強(qiáng)度是非常大的，完全滿足設(shè)計(jì)的要求。
b.齒輪系材料的選擇與強(qiáng)度校核
（1）齒輪材料的選擇
齒輪的主要失效形式有輪齒折斷、齒面疲勞點(diǎn)蝕、齒面磨損、齒面膠合和塑性變形。因此設(shè)計(jì)齒輪時(shí)要使齒面具有較高的抗點(diǎn)蝕、抗磨損、抗膠合和抗塑性變形的能力，齒根則要有較高的抗折斷能力。為此，對齒輪材料性能的基本要求為齒面要硬，齒心要韌。鋼材韌性好，耐沖擊，容易通過熱處理來改善其機(jī)械性能和提高硬度，是制造齒輪最常用的材料。
對于強(qiáng)度、速度和精度要求不高的齒輪傳動，可以采用軟齒面齒輪。軟齒面齒輪的齒面硬度低于350HBS，熱處理方法為調(diào)制或正火，常用材料有45號鋼和40Cr等。加工方法一般為熱處理后切齒，切制后即為成品，精度一般為8級。本文設(shè)計(jì)的齒輪副速度要求不高，所以設(shè)計(jì)選用40Cr為材料，軟齒面即可滿足傳動要求。
（2）齒輪副的強(qiáng)度校核
輪齒在受載荷時(shí)，齒根所受的彎矩最大，因此齒根出的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。對于制造精度較低的傳動齒輪，由于制造誤差大，實(shí)際上多由在齒頂處咬合的輪齒分擔(dān)較多的載荷，為便于計(jì)算，通常按全部載荷作用于齒頂來計(jì)算齒根的彎曲強(qiáng)度。
本文設(shè)計(jì)的是直齒圓柱齒輪，齒數(shù)Z=30，模數(shù)=2mm，齒寬b=4mm,節(jié)圓直徑，齒形角度，齒輪副的傳動比u=1:1。電機(jī)傳動的轉(zhuǎn)矩T=90。那么齒輪所受的圓周力
（3-3）
對于齒輪的校核將從兩方面來計(jì)算：
1) 齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核
齒面接觸疲勞強(qiáng)度的校核公式為；
（3-4）
式中： 為區(qū)域系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)直齒輪=2.5；
K為載荷系數(shù)，此處取K=1.8；
為彈性影響系數(shù)，查得=188；
為接觸疲勞許用應(yīng)力
（3-5）
其中： 為接觸疲勞壽命系數(shù)，取=0.95；
齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限，查得=550；
S為安全系數(shù)，取S=1。
從而求得： =522.5
將所有已知量帶入4-4式，求得：
=199.5=522.5
從齒面接觸疲勞強(qiáng)度上來說，齒輪是合格的。
2）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度的校核） 22222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222
本文設(shè)計(jì)中的齒輪為一懸臂梁。其齒根應(yīng)力圖如3.2所示。
圖3.2 齒根應(yīng)力圖
齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件式為
式中：為齒根危險(xiǎn)截面處的理論彎曲應(yīng)力；
為載荷作用于齒頂時(shí)的應(yīng)力校正系數(shù)，取=1.625；
為載荷作用于齒頂時(shí)的齒形系數(shù)，取=2.52；
為彎曲疲勞許用應(yīng)力
（3-7）
其中： 為彎曲疲勞壽命系數(shù)，查得=0.88；
為彎曲疲勞強(qiáng)度極限，取=380；
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4。
從而求得： =238.86
將所有已知量帶入4-6式，求得：
=5.53=238.86
由以上計(jì)算可知，設(shè)計(jì)的齒輪副是合格的。
c.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(jià)格低廉且符合設(shè)計(jì)要求的材料。如車體以及機(jī)械手臂的殼體可以全部選用硬鋁合金分段鑄造加工而成。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(jì)要求。
機(jī)械手指不是殼體機(jī)構(gòu)，它是實(shí)體的。本文設(shè)計(jì)的手指材料也選用同樣的鋁合金。這有利于材料的購買，同樣這種材料是滿足設(shè)計(jì)要求的。
本文設(shè)計(jì)的手指是有角度的，既可以抓去規(guī)則形狀的物體，也可以抓去不規(guī)則物體。抓取規(guī)則物體時(shí)，手指和物體的接觸大都是面接觸，而抓取不規(guī)則物體時(shí)大都是線接觸。對手指的校核就以線接觸為準(zhǔn)。
材料ZAlSi9Mg的彎曲應(yīng)力240，手指抓去的最大質(zhì)量為300g，重力為2.94N。對比兩者的力學(xué)性能和受力情況，很顯然此材料來制造手指遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足設(shè)計(jì)中的要求。，不會出現(xiàn)手指彎曲變形的情況。
d.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(shí)要求強(qiáng)度大,質(zhì)量輕,價(jià)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(jì)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(gè)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(gè)零件的強(qiáng)度和剛度是非常大的。從每個(gè)件的受力來看，材料聚甲醛的各個(gè)力學(xué)性能完全滿足本文的設(shè)計(jì)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。
4 紅外遙控機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 系統(tǒng)總體方案
一種可選的輪式機(jī)器人底座上表面的驅(qū)動和檢測裝置的布局。假設(shè)地面由方形地磚鋪成或畫有方格的平面，底座下部安裝若干個(gè)紅外傳感器，可檢測到地面方格的邊緣及結(jié)點(diǎn)，依此確定底座的方向和位置。底座四邊安裝接近開關(guān)或距離檢測傳感器，實(shí)現(xiàn)防撞或避障功能；
圖4-1系統(tǒng)總體框圖
4.2 系統(tǒng)方案論證
4.2.1機(jī)器人行走方案論證
方案一：現(xiàn)在常見的機(jī)器人行走有幾個(gè)舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)多自由度的運(yùn)動，行走穩(wěn)定，且可實(shí)現(xiàn)許多種方式的行走。但花費(fèi)的、較大。
方案二：經(jīng)大量的查閱資料，我找到了用紅外線控制實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)角輪式機(jī)器人底座的原地旋轉(zhuǎn)方向、前進(jìn)或后退、停車駐殺、位置和邊緣檢測等功能缺點(diǎn)是不能適應(yīng)各種地形，行走起來姿態(tài)不是很好。
鑒于自己能力有限等方面的原因，本人選擇第二種方案。
4.2.2機(jī)體方案論證
方案一：自己制作車體。
經(jīng)過反復(fù)考慮論證，決定使用紅外傳感器、電機(jī)，制作車體的底座使用有機(jī)玻璃為材料，比較輕，可以減少驅(qū)動設(shè)備的負(fù)擔(dān)，比較經(jīng)濟(jì)。
方案二： 購買現(xiàn)成機(jī)體。
比較昂貴且本設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)簡單，無需購買。
4.2.3 控制器方案論證
按照題目要求，控制器主要用于控制電機(jī)，紅外遙控器將信號傳輸給控制器，控制器做出相應(yīng)處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的前進(jìn)和后退，轉(zhuǎn)向。
方案一：可以采用ARM為系統(tǒng)的控制器，優(yōu)點(diǎn)是該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，片上外設(shè)集成度搞密度高，提高了穩(wěn)定性，系統(tǒng)的處理速度也很高，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。
方案二：采用AT89S51作為系統(tǒng)控制的方案。AT89S51單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，功耗低、體積小、技術(shù)成熟，成本也比ARM低。考慮到性價(jià)比問題，本設(shè)計(jì)選擇 用AT89S51單片機(jī)做控制器。
綜合以上的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)決定采用第二種方案。
4.2.4 驅(qū)動器方案論證
方案一：直流電機(jī)：這是最最普通的電機(jī)。直流電機(jī)最大的問題是無沒法精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，也就是位置控制，必須加上一個(gè)編碼盤，來進(jìn)行反饋，來獲得實(shí)際轉(zhuǎn)的圈數(shù)。但是直流電機(jī)的速度控制相對就比較簡單，用一種叫PWM（脈寬調(diào)速）的調(diào)速方法可以很輕松的調(diào)節(jié)電機(jī)速度?，F(xiàn)在也有很多控制芯片帶調(diào)速功能的。選購時(shí)要考慮的參數(shù)是電機(jī)的輸出力矩，電機(jī)的功率，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。
方案二：步進(jìn)電機(jī)：它可以一個(gè)角度一個(gè)角度旋轉(zhuǎn)，不象直流電機(jī)，你可以很輕松的調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置，如果你發(fā)一個(gè)轉(zhuǎn)10圈的指令，步進(jìn)電機(jī)就不會轉(zhuǎn)11圈，但是如果是直流電機(jī)，由于慣性作用，它可能轉(zhuǎn)11圈半。步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速是通過控制電機(jī)的頻率來獲得的。一般控制信號頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)的越快，頻率越低，轉(zhuǎn)的越慢。選購時(shí)要考慮的參數(shù)是電機(jī)的輸出力矩，電機(jī)的功率，每個(gè)脈沖電機(jī)的最小轉(zhuǎn)角。
方案三：微型伺服馬達(dá)，也叫舵機(jī)。它的特點(diǎn)是：大扭力，控制簡單，裝配靈活，相對經(jīng)濟(jì)，但它亦有其不足：首先，它是一個(gè)精細(xì)的機(jī)械部件，超出其承受能力之外的力會導(dǎo)致其損壞，其次它內(nèi)藏電子控制電路，不正確的電子連接也會導(dǎo)致其損壞，因此，有必要在使用前了解其工作原理，以免造成不必要的損失。
綜上所述，根據(jù)自己的需求，選擇了微型伺服馬達(dá)為驅(qū)動器。
4.2.5 供電單元論證
整個(gè)系統(tǒng)需要電源的有：紅外接收與發(fā)射設(shè)備，單片機(jī)，舵機(jī)。舵機(jī)需要電壓為5V，需要通過LM7805將12V電壓轉(zhuǎn)換成5V供電。在舵機(jī)和直流電機(jī)工作時(shí)，電路中的電流會產(chǎn)生較大的波動。
方案一：采用單電源供電。
通過單電源、對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，此方案的優(yōu)點(diǎn)是：減少機(jī)身的重量，操作簡單。但系統(tǒng)中各個(gè)部分所需電壓不一，通過LM7805轉(zhuǎn)換，當(dāng)同時(shí)工作時(shí)，可能產(chǎn)生過電流太大，從而燒壞電壓轉(zhuǎn)換芯片LM7805，甚至燒壞單片機(jī)。同時(shí)，較大的電流波動影響單片機(jī)的穩(wěn)定性。
方案二：采用雙電源供電。
通過兩個(gè)獨(dú)立的電源分別對循跡小車模塊和清障模塊進(jìn)行供電。此方案的優(yōu)點(diǎn)是，減少波動，單片機(jī)穩(wěn)定性比較好，可以讓小車更好的運(yùn)作起來，唯一的缺點(diǎn)就是會增加小車的重量。
綜合以上的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)決定采用第二種方案。
4.2.6 紅外遙控設(shè)備論證
本設(shè)計(jì)需要機(jī)器人完成前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)向運(yùn)動，運(yùn)動形式比較少，所以選用簡單的四個(gè)按鍵的遙控器即可。
4.3 系統(tǒng)最終方案
經(jīng)過各方面的論證，最終的方案如下:
1. 機(jī)體用有機(jī)玻璃自行設(shè)計(jì)尺寸來制造。
2. 行走的腿部運(yùn)用舵機(jī)驅(qū)動，且每個(gè)足都具有相應(yīng)的自由度。
3. 采用AT89S51單片機(jī)主控制器。
4. 采用雙電源供電，12V電壓經(jīng)LM7805轉(zhuǎn)化為5V后供單片機(jī)使用，5V干電池供舵機(jī)使用。
5. 使用紅外遙控器控制機(jī)器人的行走，遇到障礙時(shí)能夠及時(shí)避障。
5 驅(qū)動器設(shè)計(jì)
5.1微型伺服馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)
一個(gè)微型伺服馬達(dá)內(nèi)部包括了一個(gè)小型直流馬達(dá)；一組變速齒輪組；一個(gè)反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動的直流馬達(dá)提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達(dá)的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動的速度也愈低。
圖5-1 舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)
5.2 微型伺服馬達(dá)的工作原理
一個(gè)微型伺服馬達(dá)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由下圖表示：
圖5-2 舵機(jī)原理圖
圖5-3機(jī)器人專用伺服馬達(dá)工作原理
減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動，其終端（輸出端）帶動一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為0，從而達(dá)到使伺服馬達(dá)精確定位的目的。
5.3 微型伺服馬達(dá)控制
標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服馬達(dá)有三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流馬達(dá)及控制線路所需的能源，電壓通常介于4V—6V之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因?yàn)樗欧R達(dá)會產(chǎn)生噪音）。甚至小伺服馬達(dá)在重負(fù)載時(shí)也會拉低放大器的電壓，所以整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。
輸入一個(gè)周期性的正向脈沖信號，這個(gè)周期性脈沖信號的高電平時(shí)間通常在1ms—2ms之間，而低電平時(shí)間應(yīng)在5ms到20ms之間，并不很嚴(yán)格，下表表示出一個(gè)典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達(dá)的輸出臂位置的關(guān)系：
5.4 伺服馬達(dá)的電源引線
圖5-5 舵機(jī)馬達(dá)電源引線
電源引線有三條，如圖中所示。伺服馬達(dá)三條線中紅色的線是控制線，接到控制芯片上。中間的是SERVO工作電源線，一般工作電源是5V。 第三條是地線。
5.5伺服馬達(dá)的運(yùn)動速度
伺服馬達(dá)的瞬時(shí)運(yùn)動速度是由其內(nèi)部的直流馬達(dá)和變速齒輪組的配合決定的，在恒定的電壓驅(qū)動下，其數(shù)值唯一。但其平均運(yùn)動速度可通過分段停頓的控制方式來改變，例如，我們可把動作幅度為90o的轉(zhuǎn)動細(xì)分為128個(gè)停頓點(diǎn)，通過控制每個(gè)停頓點(diǎn)的時(shí)間長短來實(shí)現(xiàn)0o—90o變化的平均速度。對于多數(shù)伺服馬達(dá)來說，速度的單位由“度數(shù)/秒”來決定。
5.6 使用伺服馬達(dá)的注意事項(xiàng)
l 除非你使用的是數(shù)碼式的伺服馬達(dá)，否則以上的伺服馬達(dá)輸出臂位置只是一個(gè)不準(zhǔn)確的大約數(shù)。
l 普通的模擬微型伺服馬達(dá)不是一個(gè)精確的定位器件，即使是使用同一品牌型號的微型伺服馬達(dá)產(chǎn)品，他們之間的差別也是非常大的，在同一脈沖驅(qū)動時(shí)，不同的伺服馬達(dá)存在±10o的偏差也是正常的。
l 正因上述的原因，不推薦使用小于1ms及大于2ms的脈沖作為驅(qū)動信號，實(shí)際上，伺服馬達(dá)的最初設(shè)計(jì)表也只是在±45o的范圍。而且，超出此范圍時(shí)，脈沖寬度轉(zhuǎn)動角度之間的線性關(guān)系也會變差。
l 要特別注意，絕不可加載讓伺服馬達(dá)輸出位置超過±90o的脈沖信號，否則會損壞伺服馬達(dá)的輸出限位機(jī)構(gòu)或齒輪組等機(jī)械部件
l 由于伺服馬達(dá)的輸出位置角度與控制信號脈沖寬度沒有明顯統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而且其行程的總量對于不同的廠家來說也有很大差別，所以控制軟件必須具備有依據(jù)不同伺服馬達(dá)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置的功能。
5.7選用的伺服馬達(dá)
由于機(jī)體材料比較輕，整個(gè)機(jī)器人重量小，我選用的伺服馬達(dá)型號為DG-S8213。其主要技術(shù)參數(shù)如下
l 轉(zhuǎn)速：0.23秒／60度。
l 力矩：3.2kg·cm。
l 尺寸：40.4mm×19.8mm×36mm。
l 重量：37.2g。
l 5V電源供電。
控制周期脈沖寬度為20ms。送出不同的正脈沖寬度就可以得到不同的控制效果。控制正脈沖寬度如下：
l 正脈沖寬度為0.3ms時(shí)，伺服馬達(dá)反轉(zhuǎn)。
l 正脈沖寬度為2.5ms時(shí)，伺服馬達(dá)正轉(zhuǎn)。
l 正脈沖寬度為1.4ms時(shí)，伺服馬達(dá)回到中點(diǎn)。
6 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
6.1系統(tǒng)硬件電路介紹
系統(tǒng)采用51單片機(jī)為控制核心，通過紅外遙控發(fā)出信號控制各個(gè)舵機(jī)有時(shí)序的左右轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種運(yùn)動狀態(tài)。
系統(tǒng)控制原理圖如下：
圖6-1系統(tǒng)控制原理圖
整個(gè)系統(tǒng)由供電電路，電機(jī)驅(qū)動電路，紅外遙控電路組成。
6.2單片機(jī)最小系統(tǒng)
單片機(jī)最小系統(tǒng)由復(fù)位電路、時(shí)鐘振蕩電路、數(shù)據(jù)采集接口和電機(jī)控制接口組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)圖如圖5-2所示。
圖6-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)
6.2.1 AT89S51單片機(jī)簡介
AT89S51 為 ATMEL 所生產(chǎn)的可電氣燒錄清洗的 8051 相容單芯片，其內(nèi)部程序代碼容量為4KB
AT89S51主要功能列舉如下：
1．為一般控制應(yīng)用的 8 位單芯片
2．晶片內(nèi)部具時(shí)鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz）
3．內(nèi)部程式存儲器（ROM）為 4KB
4．內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）為 128B
5．外部程序存儲器可擴(kuò)充至 64KB
6．外部數(shù)據(jù)存儲器可擴(kuò)充至 64KB
7．32 條雙向輸入輸出線，且每條均可以單獨(dú)做 I/O 的控制
8．5 個(gè)中斷向量源
9．2 組獨(dú)立的 16 位定時(shí)器
10．1 個(gè)全多工串行通信端口
11．8751 及 8752 單芯片具有數(shù)據(jù)保密的功能
12．單芯片提供位邏輯運(yùn)算指令
6.2.2 時(shí)鐘電路與復(fù)位電路介紹
一．時(shí)鐘電路
?AT89S51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端，如果在引腳XTAL1和XTAL2兩端跨接上晶體振蕩器(晶振)或陶瓷振蕩器就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩電路，該振蕩器電路的輸出可直接送入內(nèi)部時(shí)序電路。AT89S51單片機(jī)的時(shí)鐘可由兩種方式產(chǎn)生，即內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。
（ 1 ）內(nèi)部時(shí)鐘方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式即是由單片機(jī)內(nèi)部的高增益反相放大器和外部跨接的晶振、微調(diào)電容構(gòu)成時(shí)鐘電路產(chǎn)生時(shí)鐘的方法，其工作原理如圖
圖6-3時(shí)鐘電路
外接晶振（陶瓷振蕩器）時(shí)，C1、C2的值通常選擇為30pF（40pF）左右；C1、C2對頻率有微調(diào)作用，晶振或陶瓷諧振器的頻率范圍可在1.2MHz ～ 12MHz之間選擇。為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)引腳XTALl 和XTAL2靠近。由于內(nèi)部時(shí)鐘方式外部電路接線簡單，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中大多采用這種方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式產(chǎn)生的時(shí)鐘信號