展館導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

展館導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計(jì),展館導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走系統(tǒng)設(shè)計(jì),展館,導(dǎo)游,機(jī)器人,輪式,行走,系統(tǒng),設(shè)計(jì) 第27頁(yè) 共27頁(yè) 1 引言 1.1 導(dǎo)游機(jī)器人的研究意義 第一臺(tái)的工業(yè)機(jī)器人是美國(guó)在1961年推出的，現(xiàn)在，隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)涉及到了很多的領(lǐng)域，譬如：傳感器技術(shù)、控制工程、精密機(jī)械、動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域。機(jī)器人也是自二十世紀(jì)以來發(fā)展的十分迅速的一個(gè)重要的高科技領(lǐng)域，它是各個(gè)學(xué)科的前沿技術(shù)的應(yīng)用。機(jī)器人的出現(xiàn)與發(fā)展使得傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的方式發(fā)生了翻天覆地的變化，讓我們的生產(chǎn)方式從手工作業(yè)發(fā)展到機(jī)械化、自動(dòng)化到現(xiàn)在的智能化。進(jìn)入本世紀(jì)之后，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)機(jī)器人已經(jīng)不知不覺的逐漸的開始深入到工業(yè)、服務(wù)、醫(yī)療、衛(wèi)生、娛樂等方面[1]。 導(dǎo)游機(jī)器人的研究不是一門專業(yè)的科學(xué)，它是由很多學(xué)科相互滲透，相互交叉的。對(duì)導(dǎo)游機(jī)器人的研究具有非常廣的應(yīng)用前景和巨大的理論價(jià)值?，F(xiàn)在，導(dǎo)游機(jī)器人己經(jīng)被我們當(dāng)作為一種服務(wù)的工具。如今，隨著我們生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人的用處已經(jīng)越來越廣泛，它可以承擔(dān)各種工作。機(jī)器人以前都是在工廠和車間里工作的，現(xiàn)在已經(jīng)開始走向室外、大海甚至是太空。具有人工智能的自主式機(jī)器人正在向制造業(yè)以外的方向擴(kuò)展，這些非制造業(yè)包括了航空、深海探測(cè)、軍事偵察和打擊、建筑、救護(hù)醫(yī)療、家庭服務(wù)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、自動(dòng)化辦公和自然災(zāi)害救援等，如飛行機(jī)器人、海難救援機(jī)器人、化肥和農(nóng)藥噴撒空中機(jī)器人、護(hù)理機(jī)器人等[2]。最近幾年來，對(duì)導(dǎo)游機(jī)器人的研究受到了很多學(xué)者的重視，各種仿生的、智能的導(dǎo)游機(jī)器人越來越多，在很多的展館內(nèi)，你都可以看到它們的身影，也許你已經(jīng)享受過它們帶給你的優(yōu)越的服務(wù)。導(dǎo)游機(jī)器人可以和人對(duì)話，向你講解展館內(nèi)展出物的知識(shí)。也可以像人類一樣行走，還可以有各種各樣的表情，這樣你就會(huì)不知不覺的忘記你的導(dǎo)游是個(gè)機(jī)器人。 1.2 國(guó)內(nèi)導(dǎo)游機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀 導(dǎo)游機(jī)器人的研究在國(guó)內(nèi)起步較晚，但經(jīng)過多年來的長(zhǎng)足的發(fā)展也取得了很大進(jìn)步，但大多數(shù)研究尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段。國(guó)內(nèi)的導(dǎo)游機(jī)器人研究主要經(jīng)歷了算法的研究和仿真、國(guó)外機(jī)器人平臺(tái)的引進(jìn)和自主開發(fā)三個(gè)階段[3]。下面是中國(guó)對(duì)導(dǎo)游機(jī)器人的一些研究成果。 清華V型智能車THMR-V是清華大學(xué)智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在中科院院士張錢教授主持下研制的新一代智能導(dǎo)游機(jī)器人[4]，它可以在普通的馬路上行進(jìn)，也可以在高速公路上行進(jìn)，它非常成功的獲得了專利成果。THMR-V的車體是用小型的廂車改裝的，它的避障檢測(cè)系統(tǒng)是由一臺(tái)可以識(shí)別色彩的攝像機(jī)和一臺(tái)激光測(cè)距儀所組成的，它的定位導(dǎo)航系統(tǒng)是由DGPS(通過在固定測(cè)站和流動(dòng)測(cè)站上進(jìn)行同步觀測(cè)，利用在固定測(cè)站上所測(cè)得衛(wèi)星定位誤差數(shù)據(jù)改正流動(dòng)測(cè)站上定位結(jié)果的衛(wèi)星定位)、磁羅經(jīng)（利用地磁場(chǎng)固有的指向性測(cè)量空間姿態(tài)角度的）、光電碼盤（光學(xué)玻璃制成，在上面刻有許多同心碼道，每個(gè)碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分）所組成的。運(yùn)動(dòng)的控制、信息的處理、集中、路徑的規(guī)劃、語音的交流、視覺的識(shí)別等功能是由兩個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有分工的控制的。距離信息的處理、GPS信息的處理、人機(jī)的交流管理、運(yùn)動(dòng)控制等功能是由四臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)分別完成的。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，在高速公路上，THMR-V的行駛速度可以達(dá)到80千米每小時(shí)，在普通的道路上可以達(dá)到20千米每小時(shí)?，F(xiàn)在THMR-V已經(jīng)可以在相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境下，進(jìn)行目標(biāo)跟蹤和自主避障行駛。清華V型智能車THMR-V的研究涉及到了五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：1、基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)，2、基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)，3、路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)，4、傳感技術(shù)、5、信息融合技術(shù) [5]。 DY- I型導(dǎo)游機(jī)器人是海爾一哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)公司最近推出的新一代智能導(dǎo)游機(jī)器人，該機(jī)器人由伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、多傳感器信息、避障及路徑規(guī)劃系統(tǒng)、語言識(shí)別及語言合成系統(tǒng)組成。DY- I擁有良好的視覺識(shí)別功能、可以自主行駛、可以和人進(jìn)行語言和簡(jiǎn)單的肢體交流，并且它還有自己的面部表情，是智能型的導(dǎo)游機(jī)器人。DY- I的總高度約有170cm，重量在100kg左右，它有兩只很大的眼睛，擁有可以自如活動(dòng)的手臂，行走機(jī)構(gòu)是輪式的，從外表看它是金屬的，其實(shí)只是表面涂了金屬質(zhì)感的漆，它是用一種非常特殊的玻璃鋼做成的。12個(gè)超聲波傳感器被裝在DY- I的身體的各個(gè)部位，用來作為感覺器官，所以DY- I的感覺器官非常的敏銳，這樣就可以很好的分辨障礙物的性質(zhì)，并進(jìn)行識(shí)別。與THMR-V一樣DY- I也裝有能分辨色彩的攝像機(jī)作為它的眼睛。它的臉部是仿照人的臉部輪廓制造的，所以看起來很真實(shí)，它也會(huì)跟人一樣眨眼睛，說話的時(shí)候嘴唇也是跟人一樣一張一合的，這些功能的設(shè)計(jì)都使得DY- I更具有親和力，更容易被人認(rèn)可。DY- I可以靠下部的輪式行走機(jī)構(gòu)在展館內(nèi)自由的避障行走，它的感官很靈敏，如果在行進(jìn)的過程中遇到人，它就會(huì)停下來跟游客友好的打個(gè)招呼，并回答游客的各種提問；如果行進(jìn)過程中遇到的是障礙，它就會(huì)自主的控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)來改變行進(jìn)的方向。另外DY- I的前面還裝有一個(gè)可觸摸式的屏幕，這樣游客就可以通過操作這個(gè)系統(tǒng)來了解自己想知道的各種豐富多彩的知識(shí)了 [6]。 1.3 導(dǎo)游機(jī)器人的研究熱點(diǎn) 綜合國(guó)內(nèi)外對(duì)于導(dǎo)游機(jī)器人的研究的實(shí)際情況，當(dāng)代導(dǎo)游機(jī)器人的研究主要集中在以下幾個(gè)方面。 (1)行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際的需要，行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的形式并不是完全單一的。實(shí)際應(yīng)用中，導(dǎo)游機(jī)器人會(huì)被要求在各種各樣的場(chǎng)地上活動(dòng)，因此它的行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有很多種。當(dāng)前，對(duì)腿足式行走機(jī)構(gòu)、履帶式行走機(jī)構(gòu)和特殊行走機(jī)構(gòu)的研究比較的多，但很大一部分的研究還處在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證的階段。輪式行走機(jī)構(gòu)由于控制起來比較的簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性也好定，并且輪式行走機(jī)構(gòu)的行進(jìn)方式是滾動(dòng)前進(jìn)的，滾動(dòng)摩擦所消耗的能源比其它的行進(jìn)方式要少很多，所以輪式行走機(jī)構(gòu)正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展[7]。 (2)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。成熟的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是導(dǎo)游機(jī)器人整體性能的基礎(chǔ)，由于導(dǎo)游機(jī)器人的手臂部分是一個(gè)不完整約束的結(jié)構(gòu)，因此，控制系統(tǒng)不能通過連續(xù)可微的時(shí)不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過時(shí)變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，建立合理的反饋控制律，實(shí)現(xiàn)速度和轉(zhuǎn)向的自動(dòng)控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項(xiàng)技術(shù)的核心內(nèi)容[8]。 (3)路徑規(guī)劃技術(shù)。路徑的規(guī)劃技術(shù)主要包括基于地理信息的全局路徑規(guī)劃技術(shù)和基于傳感信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)[9]。導(dǎo)游機(jī)器人在行進(jìn)的過程中，可能會(huì)遇到各種各樣的障礙，如果不能很好的避開這些障礙，導(dǎo)游機(jī)器人的移動(dòng)就會(huì)存在著很多的未知風(fēng)險(xiǎn)，所以路徑的規(guī)劃技術(shù)，對(duì)于導(dǎo)游機(jī)器人來說，是十分重要的。 (4)實(shí)時(shí)視覺技術(shù)。實(shí)時(shí)的視覺技術(shù)主要包括視覺信息的實(shí)時(shí)采集、信息的處理、主要信息的提取跟識(shí)別。視覺信息的處理能力、處理速度、處理的可靠性和準(zhǔn)確性是決定導(dǎo)游機(jī)器人智能系統(tǒng)性能的決定性因素[10]。 (5)定位和導(dǎo)航技術(shù)。定位和導(dǎo)航技術(shù)是當(dāng)前導(dǎo)游機(jī)器人研制的重點(diǎn)，它是導(dǎo)游機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)，只有準(zhǔn)確的定位，才能準(zhǔn)確的控制導(dǎo)游機(jī)器人的移動(dòng)。位移的測(cè)量方法有兩種，分別是相對(duì)測(cè)量法和絕對(duì)測(cè)量法，位置的測(cè)量方法有里程計(jì)、慣性導(dǎo)航、主動(dòng)燈塔、磁羅經(jīng)、GPS系統(tǒng)、地圖模型匹配和自然路標(biāo)導(dǎo)航等[11]。 1.4 本課題的來源和研究?jī)?nèi)容 本課題是來源于某科技館的實(shí)際項(xiàng)目，并結(jié)合了實(shí)際生活中輪式行走機(jī)構(gòu)應(yīng)用的廣泛性而進(jìn)行的設(shè)計(jì)。輪式行走機(jī)構(gòu)相對(duì)于履帶式、腿足式和特殊行式等[12,13]，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能源利用率高、設(shè)計(jì)方便、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是它的使用環(huán)境比較單一，只能在較為平整穩(wěn)的環(huán)境中行走。輪式行走機(jī)構(gòu)也分單輪、兩輪、三輪、和四輪等[14,15]。由于單輪和兩輪行走機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，很多問題的解決超出本課題所要求的范圍，所以本設(shè)計(jì)就沒有對(duì)此兩種行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)之初考慮的方案有三輪行走機(jī)構(gòu)和四輪行走機(jī)構(gòu)。 方案一：三輪行走機(jī)構(gòu) 優(yōu)點(diǎn)：① 成本低。 ② 質(zhì)量輕。 缺點(diǎn)：穩(wěn)定性較差。 方案二：四輪行走機(jī)構(gòu)。 優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好。 缺點(diǎn)：① 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。 ② 質(zhì)量重。 由于展館的地面比較平整，三輪機(jī)構(gòu)和四輪機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性區(qū)別不大，綜合考慮本設(shè)計(jì)決定采用三輪行走機(jī)構(gòu)。圖1.1是確定的三輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，后面將對(duì)此方案的規(guī)劃進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。 圖1.1 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)圖 如圖1.1所示，驅(qū)動(dòng)部分是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)減速器的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過減速器的減速，使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速下降，再由減速器將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給一對(duì)相互嚙合的齒輪，再通過齒輪將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，使導(dǎo)游機(jī)器人前進(jìn)。轉(zhuǎn)向部分是由轉(zhuǎn)向電機(jī)帶動(dòng)一對(duì)相互嚙合的齒輪，再通過齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向的。 圖中驅(qū)動(dòng)電機(jī)為伺服電機(jī)，伺服電機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、比較的堅(jiān)固能用很長(zhǎng)時(shí)間、可靠性也較高，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)低，噪聲小，不需要位置傳感器，轉(zhuǎn)速也可以很高。伺服電機(jī)矢量控制調(diào)速技術(shù)比較成熟，這就使得采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)相比較而言具有一定的優(yōu)勢(shì)，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速通常較快，又由于導(dǎo)游機(jī)器人的行進(jìn)的速度較慢，所以在驅(qū)動(dòng)電機(jī)和工作軸之間要有減速機(jī)構(gòu)，圖中的減速器就是減速機(jī)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)輪和驅(qū)動(dòng)副輪是單獨(dú)安裝，目的是為了轉(zhuǎn)向的方便，如果將兩個(gè)輪子裝在同一軸上，轉(zhuǎn)向時(shí)由于是同一軸來驅(qū)動(dòng)的，無法做到差速轉(zhuǎn)向，會(huì)給轉(zhuǎn)向帶來一定的麻煩。 圖中的轉(zhuǎn)向電機(jī)為步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)不同與伺服電機(jī)，它是開環(huán)的。它的角位移或線位移是通過脈沖信號(hào)控制的。在不超載的情況下，步進(jìn)電機(jī)的止動(dòng)的位置、轉(zhuǎn)速僅僅是由脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)決定的，而不受負(fù)載變化的影響，也就是說給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。轉(zhuǎn)向電機(jī)和轉(zhuǎn)向輪之間用兩個(gè)相同的齒輪來傳動(dòng)，齒輪傳動(dòng)平穩(wěn)可靠、傳動(dòng)比精度高、工作效率好、使用壽命長(zhǎng)。齒輪傳動(dòng)的使用功率、轉(zhuǎn)速和尺寸的范圍都很寬。 2 驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)概述 驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)首先要確定驅(qū)動(dòng)的方案（在前面已經(jīng)確定過了），即選用什么樣的電機(jī)、是否設(shè)置減速機(jī)構(gòu)、輪子的直徑大小以及各部分的連接。考慮到是展館導(dǎo)游機(jī)器人，行進(jìn)的速度并不快，并且要求的是用蓄電池供電，能比較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)工作，考慮到這些問題之后，初步確定選用的是小功率的伺服電機(jī)。由于伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速一般都較快，所以設(shè)計(jì)中考慮選用減速機(jī)構(gòu)。 初步選定的減速方案如圖2.1所示。 圖2.1 減速部分簡(jiǎn)圖 設(shè)計(jì)指標(biāo)：導(dǎo)游機(jī)器人的總體尺寸≤500mm×500mm×1500mm(長(zhǎng)x寬x髙)；總重量：≤30kg；最大行進(jìn)速度約0.6m/s。故要求： 機(jī)器人底盤輪式行走系統(tǒng)總體尺寸≤450mm×500mm×200mm；具有行走和轉(zhuǎn)向功能； 重量≤12kg； 最大行進(jìn)速度約0.6m/s； 車輪直徑：120～160mm。 2.2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 根據(jù)設(shè)計(jì)所要求的指標(biāo)，初步選擇車輪的直徑為150mm ； 機(jī)器人的總重量: 30 kg ； 普通的橡膠制輪胎與地面的摩擦系數(shù)：； 輪胎與地面的摩擦力:； 驅(qū)動(dòng)所需最小功率：(不考慮傳遞過程中功的損耗)； 損耗后所需的實(shí)際功率：； 式中 為電動(dòng)機(jī)至車輪的傳動(dòng)裝置的總效率。由上面的圖2.1可知： （2.1） 由表2.1，取聯(lián)軸器效率，滾動(dòng)軸承效率，閉式圓柱齒輪效率，開式圓柱齒輪效率。 表2.1 機(jī)械傳動(dòng)和軸承效率的概率值 類型 開式 閉式 圓柱齒輪傳動(dòng) 0.94-0.96 0.96-0.99 圓錐齒輪傳動(dòng) 0.92-0.95 0.94-0.98 蝸桿傳動(dòng) 自鎖蝸桿 0.30 0.40 單頭蝸桿 0.50-0.60 0.70-0.75 雙頭蝸桿 0.60-0.70 0.75-0.82 三頭或四頭蝸桿 - 0.82-0.92 圓弧面蝸桿 - 0.85-0.95 單級(jí)NGW行星齒輪傳動(dòng) 0.97-0.99 鏈傳動(dòng) 0.90-0.93 0.95-0.97 摩擦輪傳動(dòng) 0.70-0.88 皮帶傳動(dòng) 0.97-0.98 三角帶傳動(dòng) 0.94-0.97 滾動(dòng)軸承（每對(duì)） 0.98-0.995 續(xù)表 表2.1 機(jī)械傳動(dòng)和軸承效率的概率值 滑動(dòng)軸承（每對(duì)） 00.97-0.99 聯(lián)軸器 具有中間可動(dòng)元件 0.97-0.995 萬向聯(lián)軸器 0.97-0.98 齒輪聯(lián)軸器 0.99 彈性聯(lián)軸器 0.99-0.995 根據(jù)以上計(jì)算初選直流電機(jī)型號(hào)：Z2-21型，功率：0.7KW,轉(zhuǎn)速：=1400rad/s。 2.3 減速器的設(shè)計(jì) 2.3.1 計(jì)算總的減速比和各級(jí)的傳動(dòng)比 減速器的設(shè)計(jì)步驟是先用PRO/E軟件三維造型。然后根據(jù)三維造型，進(jìn)行各零部件的尺寸計(jì)算，校核。最后根據(jù)計(jì)算的結(jié)果用AUTO/CAD軟件進(jìn)行二維三視圖的表達(dá)。三維造型透視圖如圖2.2。 圖2.2 減速器的三維透視圖 機(jī)器人行進(jìn)速度：0.6m/s ； 車輪直徑：150mm ； 車輪角速度：； 車輪轉(zhuǎn)速：； 總減速比：； 展開式二級(jí)圓柱齒輪減速器，考慮潤(rùn)滑條件，應(yīng)使兩個(gè)大齒輪的直徑相近，高速級(jí)略小一些，按 ，所以取 ， 。 2.3.2 計(jì)算各個(gè)傳動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 各軸由高速級(jí)到低速級(jí)依次設(shè)為軸Ⅰ、軸Ⅱ、軸Ⅲ、軸Ⅳ（工作軸）。　 （1） 各軸轉(zhuǎn)速 ? 軸Ⅰ ＝＝1400/1.0＝1440r/min ? 軸Ⅱ ＝＝1400/5＝280r/min 軸Ⅲ ＝?/?＝280/3.7=76 r/min 軸Ⅳ ==76 r/min （2） 各軸輸入功率 軸Ⅰ ＝··＝42.35×0.99×0.99＝41.51W ? 軸Ⅱ ＝··＝41.51×0.97×0.99＝39.86W ?? 軸Ⅲ ＝··＝39.86×0.97×0.99＝38.28W 軸Ⅳ ＝··= 38.28×0.99×0.95＝35.64W （3） 各軸輸入轉(zhuǎn)矩 軸Ⅰ = 9550··= 9550×42.35/1440× = 0.28 軸Ⅱ =···= 0.28×0.97×0.99×5 = 1.34 軸Ⅲ =···=1.34×0.97×0.99×3.7 = 4.8 軸Ⅳ =··= 4.8×0.99×0.95 = 4.5 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)結(jié)果如下表2.2。 表2.2 各軸的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 軸號(hào) 功率P(W) 轉(zhuǎn)矩T() 轉(zhuǎn)速（r/min） 電動(dòng)機(jī)軸 42.35 1400 Ⅰ軸 41.51 0.28 1400 Ⅱ軸 39.86 1.34 280 Ⅲ軸 38.28 4.8 76 Ⅳ軸 35.64 4.5 76 2.3.3 減速器各級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 一、高速級(jí)減速齒輪的設(shè)計(jì) （1）齒輪類型、精度、材料以及齒數(shù)的確定。 （a）按照之前設(shè)計(jì)好的傳動(dòng)方案，選用的齒輪是直齒圓柱齒輪。 （b）行走機(jī)構(gòu)為一般機(jī)器，速度不高，故選用七級(jí)精度（GB10095-88）。 （c）減速器的傳動(dòng)軸以及齒輪按一般情況選用經(jīng)正火處理的45鋼，硬度200HBS。 （d）齒輪的齒數(shù)越多，傳動(dòng)就越加的平穩(wěn)，故取小齒輪齒數(shù)，則大齒輪的齒數(shù)。 （2）按齒面得接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行齒輪的參數(shù)的設(shè)計(jì) 由公式： （2.2） 來進(jìn)行初步的試算。 （a）先確定該公式內(nèi)各參數(shù)的數(shù)值。 ① 試選的載荷系數(shù) Kt = 1.3。 ② 小齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩。 ③ 式中齒寬系數(shù)可以查取圓柱齒輪的齒寬系數(shù)表，得到。 ④ 式中的彈性影響系數(shù)可以，查取彈性影響系數(shù)表，得到的。 ⑤ 由齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限圖可以得到： 小齒輪的接觸疲勞極限； 大齒輪的接觸疲勞極限。 ⑥ 由應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的公式可以得到： ； 。 ⑦ 按照材料的接觸疲勞壽命系數(shù)圖，取得：，。 ⑧ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力。 選取的失效概率為1%，安全系數(shù)S=1，則： ； 。 （b）齒輪參數(shù)的計(jì)算 ① 試算小齒輪分度圓直徑,代人中較小的值 。 ② 計(jì)算齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)是的圓周速度v 。 ③ 計(jì)算齒輪的齒寬b 。 ④ 計(jì)算齒輪的齒寬與齒高之比 b/h 齒輪的模數(shù)：； 輪齒的高度： ； 齒高與齒寬之比：。 ⑤ 計(jì)算齒輪的載荷系數(shù) 根據(jù)V=0.9m/s，7級(jí)精度。由動(dòng)載荷系數(shù)表，查得的動(dòng)載系數(shù)=1.05 。 由使用系數(shù)表，查得的使用系數(shù)K=1 。 因?yàn)槭侵饼X輪，所以 。 由齒向載荷分布系數(shù)表，用插值法查得7級(jí)精度，小齒輪（硬齒面）相對(duì)布置時(shí) ，故載荷系數(shù) 。 ⑥ 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正后，所算得的分度圓直徑 ⑦ 計(jì)算齒輪的模數(shù)m： 查取齒輪的模數(shù)表，取得m=0.6。 ,故取小齒輪齒數(shù)為22。 ，取。 （c）齒輪幾何尺寸計(jì)算 齒輪的分度圓直徑； 。 兩個(gè)配對(duì)齒輪的中心距 。 大齒輪的寬度 ， 圓整后取小齒輪齒寬 ，大齒輪齒寬。 二、低速級(jí)減速齒輪設(shè)計(jì) （1）選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)。 （a）按設(shè)計(jì)的傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 （b）行走機(jī)構(gòu)為一般機(jī)器，速度不高，故選用七級(jí)精度（GB10095-88）。 （c）材料選擇。 減速器傳動(dòng)軸及齒輪一般選用經(jīng)正火處理的45鋼，硬度200HBS。 （d）齒輪的齒數(shù)越多，傳動(dòng)越加的平穩(wěn)，故取小齒輪齒數(shù)，則大齒輪的齒數(shù) 取 。 （2）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度來設(shè)計(jì) 由公式（2.2）進(jìn)行試算。 （a）確定公式內(nèi)各參數(shù)的數(shù)值 ① 試選取的載荷系數(shù)為Kt=1.3。 ② 小齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩 。 ③ 式中齒寬系數(shù)可以查取圓柱齒輪的齒寬系數(shù)表，得到。 ④ 式中的彈性影響系數(shù)可以，查取彈性影響系數(shù)表，得到的。 ⑤ 查齒輪接觸疲勞強(qiáng)度極限圖得： 小齒輪接觸疲勞極限 大齒輪接觸疲勞極限 ⑥ 由應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的公式得 ⑦ 由接觸疲勞壽命系數(shù)圖，取， 。 ⑧ 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概念為1%，安全系數(shù)S=1,則： （b）齒輪參數(shù)的計(jì)算 ① 試算小齒輪分度圓直徑,代人中較小的值 ② 計(jì)算齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的圓周速度v 計(jì)算齒輪輪齒的齒寬b ③ 計(jì)算齒寬與齒高之比b/h 齒輪的模數(shù)： 輪齒的高度： 輪齒的寬度和高度之比： ④ 計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)V=0.29m/s，7級(jí)精度。由動(dòng)載荷系數(shù)表，查得的動(dòng)載系數(shù)=1.02。 由使用系數(shù)表，查得的使用系數(shù)K=1。 因?yàn)槭侵饼X輪，所以。 由齒向載荷分布系數(shù)表，用插值法查得7級(jí)精度，小齒輪（硬齒面）相對(duì)布置時(shí)。故載荷系數(shù)。 ⑤ 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑。 ⑥ 計(jì)算模數(shù)m ，查齒輪模數(shù)表，取m=1。 ,故取小齒輪齒數(shù)為22。，取。 （c）齒輪幾何尺寸計(jì)算 齒輪的分度圓直徑； 。 兩配對(duì)齒輪的中心距 ； 計(jì)算大齒輪的寬度 ； 圓整后取大齒輪的寬度： ，小齒輪的寬度：。 由以上計(jì)算所得的齒輪參數(shù)如表2.3。 表2.3 齒輪參數(shù) 參數(shù) d m z a b 高速級(jí) 大 66 0.6 110 39.6 14 20° 小 13.2 22 19 低速級(jí) 大 89 1 89 55.5 22 小 22 22 27 2.3.4 減速器內(nèi)各軸的設(shè)計(jì) 軸Ⅰ的設(shè)計(jì)。 （1）軸的材料的選擇和表面處理 由于減速器傳遞的功率不大，對(duì)其重量和尺寸也無特殊要求故選擇常用材料45鋼,調(diào)質(zhì)處理. （2）計(jì)算軸的最小直徑 按扭矩來計(jì)算軸的最小直徑,取系數(shù) A0=106至130,考慮到安裝了聯(lián)軸器的軸段僅僅受到扭矩，故取A0=110則: 考慮到螺紋，鍵槽在一定程度上對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱，同時(shí)考慮啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、安全、美觀等方面的原因，在導(dǎo)師的建議下，選用的軸的最小直徑比大很多，，故軸的直徑完全能滿足設(shè)計(jì)的需要，也就不用校核軸的強(qiáng)度了。 （3）聯(lián)軸器和軸承的選擇。 聯(lián)軸器為L(zhǎng)Z1型（GB/T 3852-1997）,軸承為6000-628型（GB/T 276-1994） 根據(jù)軸承確定軸Ⅰ的最小直徑D1=6,L1=18。承的安裝部分的尺寸為D1=6。 （4）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 各段軸尺寸的確定。 最小的直徑已經(jīng)在前面確定了，后面的就可以按照軸上面安裝的各個(gè)零件的尺寸和位置，來一步一步的確定軸的尺寸了， 第1段按聯(lián)軸器確定過，D=6,L1=18。 第2段由軸承確定直徑D2=8，長(zhǎng)度尺寸按端蓋厚度S=23、端蓋離聯(lián)軸器的距離為L(zhǎng)=18（方便端蓋的安裝）、軸承的寬度B=8、擋油環(huán)的厚度B=8得出L2=57。 第3段的直徑由軸承的安裝尺寸來確定D3=10，長(zhǎng)度尺寸由與軸上齒輪配合的齒輪離箱體的內(nèi)壁的距離（取10）以及大小齒輪的寬度差△=5，得出L3=11.5。 第4段也就是齒輪段的尺寸由齒輪確定。 第5段得直徑與第三段相同，D5=D3=10,長(zhǎng)度尺寸由軸Ⅱ上的大小齒輪間距△ 以及大小齒輪離箱體內(nèi)壁的距離等確定，L5=46.5。 第6段得直徑由軸承來確定，D6=8，長(zhǎng)度尺寸由軸承和擋油環(huán)確定，L6=16。由以上的計(jì)算可以得出軸Ⅰ的全部尺寸，如圖2.3所示。: 圖2.3 軸Ⅰ的尺寸圖 其他各軸的尺寸計(jì)算與軸Ⅰ的計(jì)算過程雷同，在此不一一寫出，只列出其他軸的尺寸圖。 軸Ⅱ的尺寸圖如圖2.4所示。 圖2.4 軸Ⅱ的尺寸圖 軸Ⅲ的尺寸圖如圖2.5所示。 圖2.5 軸Ⅲ的尺寸圖 減速器其他部分結(jié)構(gòu)尺寸由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得，如表2.4所示。 表2.4 減速器機(jī)體主要尺寸表 名稱 尺寸 機(jī)座壁厚 8 機(jī)蓋壁厚 8 機(jī)座緣厚度 12 機(jī)蓋凸緣厚度 12 機(jī)底座凸緣厚度 19.5 地腳螺釘直徑 M12 地腳螺釘數(shù)目 4 蓋與座連接螺釘數(shù)目 4 軸承端蓋螺釘直徑 M6 窺視孔蓋螺釘直徑 M6 大齒輪頂圓與內(nèi)機(jī)壁距離 10 齒輪端面與機(jī)壁距離 10 中間軸兩齒輪之間距離 8 2.4 驅(qū)動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 計(jì)算軸上最小直徑。 按扭矩來計(jì)算軸的最小直徑,取系數(shù) A0=106至125,考慮到安裝了聯(lián)軸器的軸段僅僅受到扭矩，故取A0=110則: 考慮到螺紋，鍵槽在一定程度上對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱，同時(shí)考慮啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、安全、美觀等方面的原因，在導(dǎo)師的建議下，選用的軸的最小直徑比大很多，，故軸的直徑完全能滿足設(shè)計(jì)的需要，也就不用校核軸的強(qiáng)度了。 軸上各段具體尺寸的計(jì)算。 選取了最小直徑后，就可以按照軸上各零件的安裝順序和尺寸，從左端開始確定軸的尺寸了， 第1段按齒輪確定，D=10,L1=25。 第2段由軸承確定直徑D2=15，長(zhǎng)度尺寸按端蓋厚度S=33、端蓋離聯(lián)軸器的距L=18（方便拆卸）、軸承的寬度B=8、擋油環(huán)的厚度B=8得出L2=33。 第3段的直徑由軸承的安裝尺寸來確定D3=21，長(zhǎng)度尺寸由與軸上輪配合的齒輪離箱體的內(nèi)壁的距離（取10）以及大小齒輪的寬度差△=5，得出L3=33。 第4段也就是輪的支撐段的尺寸由輪確定。D4=24，L4=5。 第5段直徑與第三段相同D5=21，長(zhǎng)度尺寸由結(jié)構(gòu)決定L5=53。 第6段的直徑由軸承來確定，D6=15，長(zhǎng)度尺寸由軸承和擋油環(huán)確定，L6=13。 由以上的計(jì)算可以得出驅(qū)動(dòng)軸的全部尺寸，如圖2.6所示。 圖2.6 工作軸的尺寸 3 轉(zhuǎn)向部分設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向部分的設(shè)計(jì)依然是遵循先三維造型后計(jì)算的原則，轉(zhuǎn)向支架與電機(jī)之間由于安裝尺寸的關(guān)系，不能很好的放在一起，所以本設(shè)計(jì)是采用兩個(gè)基本相同的齒輪來將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)向支架上的，由于兩個(gè)齒輪的模數(shù)和齒數(shù)是相同的，所以，傳動(dòng)的過程中并沒有速度差，傳動(dòng)的效率也比較的高。 轉(zhuǎn)向部分的三維的造型圖如圖3.1所示，齒輪在該圖中沒有表達(dá)，因?yàn)辇X輪的表達(dá)會(huì)影響到電機(jī)軸和支架上的軸的表達(dá)。底板與支架之間承接采用的是推力球軸承，這樣轉(zhuǎn)向過程中支架所受到的摩擦力就很小了，轉(zhuǎn)向輪的選用和安裝與前面設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)輪副輪完全相似，只是轉(zhuǎn)向輪的直徑要比驅(qū)動(dòng)副輪的直徑小一些，D=140mm,故不在此贅述。 圖3.1 驅(qū)動(dòng)部分的三維造型圖 3.1 轉(zhuǎn)向電機(jī)的選擇 轉(zhuǎn)向電機(jī)選用的是步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)在選擇的時(shí)候，必須要保證步進(jìn)電機(jī)的額定輸出功率大于負(fù)載所需要的功率。為此，首先要計(jì)算出轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，得出計(jì)算結(jié)果后，再根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩來選取所要的電機(jī)，但是一定要確保電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩要大于轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，并且要有一定的余量，這樣才安全。最大靜力矩大的電機(jī)，負(fù)載力矩一般都是比較大的，所以選用的電機(jī)的依據(jù)可以是最大靜力矩。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩計(jì)算： 輪胎與地面的摩擦力：； 輪胎的寬度為 20mm 。 輪胎底面的受力圖如圖3.2所示。 圖3.2 輪胎的受力圖 轉(zhuǎn)矩 T=30×10=300N·m=0.3N·m 考慮到啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比靜轉(zhuǎn)矩要大一些，還有傳動(dòng)過程中的損耗，取T=0.3×1.5=0.45N·m 。 根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，查步進(jìn)電機(jī)的選用表3.1。 表3.1 步進(jìn)電機(jī)選用略表 型號(hào) 相數(shù) 步距角 電壓 (V) 電流 (A) 最大靜轉(zhuǎn)矩 (N·m) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (N·m) 35BYG001 4 1.8° 8.6 0.38 0.6 15 35BYG005 4 1.8° 9 0.40 1.3 18 42BYG005 4 1.8° 9.6 0.48 2.3 22 42BYG008 2 1.8° 32 0.38 0.76 19 42BYG016 2 1.8° 12 0.16 0.9 20 42BYGH025 2 1.8° 2.5 0.95 1700 38 42BYG032 2 1.8° 24 0.33 2 20 42BYGH103 2 1.8° 12 0.4 3800 56 57BYGH001 4 1.8° 7.2 0.6 4 135 57BYG007 4 1.8° 12 0.38 3 60 57BYG009 2 1.8° 2.4 2.4 6 145 57BYG060 4 1.8° 2.6 1.5 6.3 118 57BYG070 2 1.8° 5.4 0.6 9 230 57BYGH101 2 1.8° 7.2 0.38 7 220 57BYGH103 4 1.8° 12.2 1.4 6 460 根據(jù)表3.1選用35BYG001 型電動(dòng)機(jī)，它的外形安裝尺寸如圖3.3所示。 圖3.3 35BYG001型電動(dòng)機(jī)參考尺寸 3.2 轉(zhuǎn)向支架的設(shè)計(jì) 支架的單獨(dú)三維造型如圖3.4所示。 圖3.4 支架的三維造型圖 前輪支架的設(shè)計(jì)主要考慮的因素有輪的直徑和傳動(dòng)部分軸的直徑等。 計(jì)算支架組件中軸的最小直徑 通過扭矩來計(jì)算軸的最小的直徑, 考慮到安裝了聯(lián)軸器的軸段僅僅受到扭矩。則: 同樣是考慮到外形的美觀和安裝的方便，選用的軸最小徑比大很多，根據(jù)選用的推力球軸承取D1=12mm,L1=14mm。軸承的型號(hào)為51000型（GB/T 301-1995）。軸承的支撐段直徑由軸承的安裝尺寸確定D2=15mm，L2=21mm。支架的彎曲部分尺寸由輪的安裝軸的安裝尺寸確定，軸的安裝尺寸前面已給出。彎曲半徑R=10mm，橫向?qū)挾萀=89mm。支架橫梁下平面到軸孔的距離為車輪半徑加一定的間隙，L=80mm。軸孔外徑D3=72，內(nèi)徑D4=42。安裝螺釘為M6。具體尺寸見圖3.5。 圖3.5 支架組件的簡(jiǎn)圖 4 輪和底板的設(shè)計(jì) 4.1 車輪的選用 輪的直徑在前面已經(jīng)選定，為150mm。輪的材料選擇主要從成本和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性兩個(gè)方面著想，綜合考慮后決定輪的外圈采用傳統(tǒng)的樹脂橡膠，內(nèi)圈采用45鋼。見圖4.1。 圖4.1 車輪的三維造型圖 4.2 車輪的安裝 車輪與軸之間加一個(gè)凸臺(tái)式支撐架，以方便輪的安裝，支撐架與軸之間采用鍵連接，見圖4.2和圖4.3。 圖4.2 輪的連接平面剖視圖 圖4.3 輪的連接三維造型 4.3 底板的設(shè)計(jì) 底板的尺寸完全由安裝時(shí)各零件的尺寸所決定，在三維造型時(shí)，考慮的問題比較的全面，故在此不做具體的尺寸的設(shè)計(jì)，具體的尺寸可以在CAD總裝圖上都有表達(dá)。三維造型見圖4.4。 圖4.4 底板的三維造型圖 該底板的結(jié)構(gòu)分兩部分，后半部分是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的安裝部分，中間凹下去的是減速器的安裝位置，由于有高度的限制，減速器就只好向下凹一點(diǎn)，同時(shí)為了減輕重量，將中間部分掏空。四個(gè)圓孔是用來安裝輪的，兩邊會(huì)用端蓋來固定軸承的位置。前半部分是用來暗轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的，為了方便電機(jī)的安裝，中間也凹下去一小塊，孔是支撐架的安裝孔，整個(gè)前半部分是架在支架上的推力球軸承上的，方便轉(zhuǎn)向。 結(jié)束語 經(jīng)過了幾個(gè)月的緊張忙碌的學(xué)習(xí)和工作，我終于完成了導(dǎo)游機(jī)器人輪式行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。從開始接到設(shè)計(jì)的題目到方案的確定，再到設(shè)計(jì)的完成，我花費(fèi)了大量的時(shí)間來查閱資料和設(shè)計(jì)，并對(duì)以前學(xué)過的知識(shí)進(jìn)行了一次系統(tǒng)性的總結(jié)。這是我第一次在有導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立的完成一個(gè)課題的設(shè)計(jì)，通過這次設(shè)計(jì)我開始獨(dú)立的學(xué)習(xí)和探索，查看相關(guān)的書籍，讓自己頭腦從模糊大概到逐漸清晰。這次做設(shè)計(jì)的經(jīng)歷必將使我終生受益，并了解了自己在學(xué)習(xí)過程中的缺陷和不足。一定能夠在以后的工作和學(xué)習(xí)中激勵(lì)我繼續(xù)進(jìn)步。 由于這是我第一次完成一個(gè)比較完整的設(shè)計(jì)程序，加上我我的水平有限，設(shè)計(jì)中難免有不盡如人意的地方處，還請(qǐng)各位老師給予批評(píng)、指正。 致謝 在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，無論是外文翻譯、開題報(bào)告以及設(shè)計(jì)方案的確定、資料的收集、論文的撰寫，都得到了周建平教授的全力幫助和耐心指導(dǎo)。周教授學(xué)識(shí)淵博、治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、平易近人，是我學(xué)習(xí)和生活的榜樣。在此我特向周教授表示最崇高的敬意和由衷的感謝。同時(shí)在本次設(shè)計(jì)過程中，也得到了同組的徐博倫、丁彪、陳羅庚、左莊舉的幫助，在此也一并相他們表示衷心的感謝。 參考文獻(xiàn) [1] 王炎，周大威. 移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及我們的研究[J]. 電氣傳動(dòng)，2000， (4)：26~33. [2] 李開生,張慧慧,費(fèi)仁元,宗光華. 制造業(yè)自動(dòng)化[J]. 2008,22 (6)：58~64. [3] 謝森林，董曉慶. 智能導(dǎo)游機(jī)器人的研制[J]. 科技信息，2009,(6): 84~85. [4] 陳軍，陳振華，李素平，徐智武. 迎賓機(jī)器人輪式移動(dòng)工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與控制方法研究[J]. 機(jī)械制造，2009,47 (543): 24~26. [5] 朱磊磊，陳軍. 輪式移動(dòng)機(jī)器人研究綜述[J]. 機(jī)床與液壓,2009,37,(8): 242~246. [6] Gordon McComb,Myke Predko[M]. 龐明，王曉宇，任宗偉，李牧，蘇相國(guó)[譯]. 機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 北京：科學(xué)出版社, 2003. [7] 張毅，羅元，鄭太雄等. 移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005. [8] 宗光華等. 機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M]. 北京：航天航空大學(xué)出版社，2004. [9] 蔡自興. 機(jī)器人原理及其應(yīng)用[M]. 長(zhǎng)沙：中南工業(yè)大學(xué) ，2000. [10] 周佰英. 工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995. [11] 王曉鳴. 電機(jī)的單片機(jī)控制[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002. [12] 張富學(xué). 傳感器應(yīng)用及其電路精選[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1992. [13] 熊有倫. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 武漢：華中理工大學(xué)出版社，1996. [14] 龔振邦. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995. [15] 吳瑞祥. 機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994.