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大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
題 目: 輪式移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專 業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào):
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(jì))任務(wù)書
論文(設(shè)計(jì))題目: 輪式移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué)號(hào): 姓名: 專業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)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(dòng)機(jī)器人的原理及其設(shè)計(jì):
2:CAD繪圖設(shè)計(jì),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(jì)算準(zhǔn)確:
4:外文翻譯3000字以上,要求語句通順。
二、重點(diǎn)研究的問題
1:輪式移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì):
2:輪式移動(dòng)機(jī)器人電機(jī)的選型
三、進(jìn)度安排
序號(hào)
各階段完成的內(nèi)容 :
完成時(shí)間
1
查閱資料
第1-2周
2
開題報(bào)告、制訂設(shè)計(jì)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(jī)器人的相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)
第6-7周
5
繪出機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)的原理和應(yīng)用[A].無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2005,615-17.
[2] 趙東斌,易建強(qiáng)等.全方位移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)分析[B].機(jī)器人,2003,9.
[3] 李瑞峰,孫笛生,閆國(guó)榮等.移動(dòng)式作業(yè)型智能服務(wù)機(jī)器人的研制[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2003,1:27-29.
[4] 楊樹風(fēng).帶有機(jī)械臂的全方位移動(dòng)機(jī)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(zhǎng)春.開放式三自由度全方位移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].機(jī)器人,2002,24(2):102-106.
[6] 閆國(guó)榮,張海兵.一種新型輪式全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,33(6):854-857.
[7] 呂偉文.全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[A].無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),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(dòng)機(jī)器人的模型研究[A].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào),2006,12.
[9] 吳玉香,胡躍明.輪式移動(dòng)機(jī)械臂的建模與仿真研究[B].計(jì)算機(jī)仿真,2006,1(05).
[10] 付宜利,徐賀,王樹國(guó).具有新型輪式走行部的移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人幾種轉(zhuǎn)向方式的研究.制造業(yè)自動(dòng)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(hù)理機(jī)械臂研究.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2004,1:3-32.
[13] 孔繁群,朱方國(guó),周驥平.一種機(jī)械手關(guān)節(jié)聯(lián)接結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)[B].機(jī)械制造與研究,2005,5:2-16.
[14] 蔡自興編著.機(jī)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(jī)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(jì)評(píng)閱表
學(xué)號(hào) 姓名 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目: 輪式移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
評(píng)價(jià)項(xiàng)目
評(píng) 價(jià) 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(diǎn)和教學(xué)計(jì)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(huì)等實(shí)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(yùn)用知識(shí)的能力;
3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力;
4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力;
5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文
(設(shè)計(jì))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(shí)驗(yàn)是否正確,設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué);技術(shù)用語是否準(zhǔn)確,符號(hào)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(diǎn)提煉,綜合概括能力如何;
3.有無理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值,有無創(chuàng)新之處。
綜
合
評(píng)
價(jià)
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(diǎn),達(dá)到了綜合訓(xùn)練的目的。該生能在設(shè)計(jì)中運(yùn)用所學(xué)知識(shí),設(shè)計(jì)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(jì)要求。
同意參加答辯。
評(píng)閱人:
2012年5月 日
大學(xué)
畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))鑒定意見
學(xué)號(hào): 姓名: 陳 潮 專業(yè): 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文(設(shè)計(jì)說明書) 33 頁 圖 表 8 張
論文(設(shè)計(jì))題目: 輪式移動(dòng)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
內(nèi)容提要:1.本文首先對(duì)機(jī)器人的國(guó)內(nèi)為發(fā)展現(xiàn)狀做了介紹,同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)機(jī)器人的整體方
案進(jìn)行了分析,包括幾何尺寸、電機(jī)的選擇。然后從機(jī)器人性能要求的角度出發(fā),
分別對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(dòng)
結(jié)構(gòu)模型——后輪同軸驅(qū)動(dòng),前輪轉(zhuǎn)向的輪型機(jī)器人。
2.文章對(duì)移動(dòng)機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的可行性分析及設(shè)計(jì),并且做了相應(yīng)的計(jì)算、校
核,主要包括:驅(qū)動(dòng)輪電機(jī)和轉(zhuǎn)向輪電機(jī)的選擇及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì);齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
和校核;轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和車體的一些機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。本設(shè)計(jì)中,采用增量式光電編碼
器測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人后輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速,進(jìn)而通過特定算法得到實(shí)時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的PWM
控制量,實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的閉環(huán)控制。
3.最后,本文對(duì)所作研究和主要工作進(jìn)行了總結(jié),并將設(shè)計(jì)的輪型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)
合調(diào)試。實(shí)驗(yàn)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(jì)的設(shè)計(jì)要求。
指導(dǎo)教師評(píng)語
同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間不夠積極主動(dòng),在設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)的基本原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與繪圖。
同意答辯,推薦畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)?yōu)椤凹案瘛薄?
指導(dǎo)教師:
年 月 日
答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語
答辯小組組長(zhǎng):
年 月 日
答辯委員會(huì)意見
答辯委員會(huì)主任:
年 月 日
目 錄
第一章 緒 論 1
1.1國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 1
1.2移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.1引言 5
2.2機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求 5
2.3全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的研制 6
2.3.1移動(dòng)機(jī)器人車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
2.3.2移動(dòng)機(jī)器人轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
2.3.3電機(jī)的選型與計(jì)算 11
2.4移動(dòng)機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14
2.5本章小結(jié) 15
第三章 機(jī)械材料選擇和零件的校核 16
3.1機(jī)械材料選用原則 16
3.2零件材料選擇與強(qiáng)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(guó)內(nèi)外可移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀
移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支。早在60年代,就己經(jīng)開始有關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究。關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及許多方面,首先,要考慮移動(dòng)方式,可以是輪式的、履帶式、腿式的,對(duì)于水下機(jī)器人,則是推進(jìn)器。其次,必須考慮驅(qū)動(dòng)器的控制,以使機(jī)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(duì)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(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)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(duì)移動(dòng)機(jī)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(xiǎn)、核、化污染等危險(xiǎn)與惡劣壞境以及民用中的物料搬運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景,使得對(duì)它的研究在世界各國(guó)受到普遍關(guān)注。
國(guó)外在移動(dòng)機(jī)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(guó)都處于遙遙領(lǐng)先的地位。美國(guó)國(guó)家科學(xué)委員會(huì)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(duì),并走向戰(zhàn)場(chǎng)”。為此,從80年代開始,美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)專門立項(xiàng),制定了地面無人作戰(zhàn)平臺(tái)的戰(zhàn)略計(jì)劃。從此,在全世界掀開了全面研究室外移動(dòng)機(jī)器人的序幕。初期的研究,主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理,并建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。
雖然由于80年代對(duì)機(jī)器人的智能行為期望過高,導(dǎo)致室外機(jī)器人的研究未達(dá)到預(yù)期的效果,但是卻帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,為探討人類研制智能機(jī)器人的途徑積累了經(jīng)驗(yàn),同時(shí)也推動(dòng)了其它國(guó)家對(duì)移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上,開拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域,向?qū)嵱没M(jìn)軍。如由美國(guó)NASA資助研制的“丹蒂II”八足行走機(jī)器人,是一個(gè)能提供對(duì)高移動(dòng)性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的了解和遠(yuǎn)程機(jī)器人探險(xiǎn)的行走機(jī)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(guó)NASA研制的火星探測(cè)機(jī)器人索杰那于1997年登上火星。為了在火星上進(jìn)行長(zhǎng)距離探險(xiǎn),又開始了新一代樣機(jī)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(shí)驗(yàn)。此外,在民用方面,可移動(dòng)機(jī)器人在國(guó)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(gè)方面。
另外,國(guó)外還在高完整性機(jī)器人,遙控移動(dòng)機(jī)器人,環(huán)境與移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng),生態(tài)機(jī)器人學(xué),多機(jī)器人系統(tǒng)等方面作了大量的研究。國(guó)內(nèi)在移動(dòng)機(jī)器人方面的研究起步較晚,大多數(shù)研究尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段,主要的研究工作有: 清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于1994年通過鑒定。涉及到五個(gè)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(dòng)作”行為、基于環(huán)境勢(shì)場(chǎng)法的“感知一動(dòng)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(dòng)機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內(nèi)移動(dòng)機(jī)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(cè)距系統(tǒng)、視覺處理技術(shù)、信息融合技術(shù));智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)(智能移動(dòng)機(jī)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(dòng)駕駛系統(tǒng))。此外,還有香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人、中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所的自動(dòng)導(dǎo)引車AGV和防爆機(jī)器人、中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動(dòng)式機(jī)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(jī)器人等。總之,近年來移動(dòng)式機(jī)器人的研究在國(guó)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(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)
移動(dòng)機(jī)器人要想走向?qū)嵱茫匦钃碛心軇偃蔚倪\(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)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(jī)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(shí)別和測(cè)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(dòng)等能力;自主性是指機(jī)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(jī)器人與環(huán)境、機(jī)器人與人及機(jī)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(dòng)機(jī)器人研究中,關(guān)鍵在于以下幾個(gè)方面:
1.機(jī)器人結(jié)構(gòu).機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計(jì),是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行的。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)方面,結(jié)合機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域及各種場(chǎng)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(duì)足式步行機(jī)器人、履帶式和特種機(jī)器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段,而輪式機(jī)器人由于其控制簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn),正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展從阿波羅登月計(jì)劃中的月球車到美國(guó)最近推出的碩士論文輪式機(jī)器人控制問題的研究NASA行星漫游計(jì)劃中的六輪采樣車,從西方各國(guó)正在加緊研制的戰(zhàn)場(chǎng)巡邏機(jī)器人、偵察車到新近研制的管道清洗檢測(cè)機(jī)器人,都有力地顯示出移動(dòng)機(jī)器人正在以其具有使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景而成為智能機(jī)器人發(fā)展的方向之一。
2.體系結(jié)構(gòu).機(jī)器人的智能系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):信息密集,多層次的信息與知識(shí)表示方式,與環(huán)境交互豐富多樣,信息與知識(shí)分布存儲(chǔ)等。所以,它是一個(gè)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(jiǎn)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(jī)器人的總體集成技術(shù)是一個(gè)核心問題,其主要內(nèi)容是機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)研究。體系結(jié)構(gòu)的研究,主要針對(duì)有意識(shí)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(gè)研究熱點(diǎn)。早期的移動(dòng)機(jī)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(yùn)行。德國(guó)為在自動(dòng)化工廠中運(yùn)行的自動(dòng)導(dǎo)引車AGV設(shè)計(jì)了一種分層體系結(jié)構(gòu)。德國(guó)還開發(fā)了一種具有很高水平的移動(dòng)機(jī)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(guó)MIT的人工智能實(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)器人。包容體系結(jié)構(gòu)采用所一謂“感知一動(dòng)作”·結(jié)構(gòu),也稱基于行為的結(jié)構(gòu)。一些實(shí)驗(yàn)表明,包容體系結(jié)構(gòu)在處理動(dòng)態(tài)環(huán)境中不確定性和模仿動(dòng)物的低級(jí)反射行為方面具有很多優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù).移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是給定機(jī)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(shí)間內(nèi)從起始點(diǎn)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)點(diǎn)。機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究始于20世紀(jì)70年代,目前對(duì)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?jī)?nèi)容按機(jī)器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動(dòng)態(tài)己知環(huán)境和動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境,按機(jī)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要問題,對(duì)于自由運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人,即機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)不受約束,運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題可以通過在自由位形空間內(nèi)計(jì)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(duì)應(yīng)。但是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)的環(huán)境中,還要考慮運(yùn)動(dòng)中的避障問題,因此,移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是一個(gè)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(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用中,精確的位置知識(shí)是一個(gè)基本問題。有關(guān)位置的測(cè)量,可分為兩大類:相對(duì)和絕對(duì)位置測(cè)量。使用的方法可分為7種:里程計(jì)、慣性導(dǎo)航、磁羅盤、主動(dòng)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(jī)器人的最初目的是為了幫助人們擺脫繁重勞動(dòng)或簡(jiǎn)單的重復(fù)勞動(dòng),以及替代人到有輻射等危險(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行作業(yè),因此機(jī)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(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展,工業(yè)領(lǐng)域、軍事、海洋探測(cè)、航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、林業(yè)也都開始使用機(jī)器人。
本課題選用輪式作為機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)研究,兩輪式機(jī)器人在國(guó)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(yùn)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(jià)值。已經(jīng)初步做出了簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)?zāi)P?,解決了輪式機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)難題。
該輪式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)響應(yīng)迅速,具有高機(jī)動(dòng)的零半徑轉(zhuǎn)向能力,并且在運(yùn)動(dòng)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(hù)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(chǎng)偵察、室內(nèi)或庫房的巡邏及行星探測(cè)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(dòng)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(jī)器人,驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇,驅(qū)動(dòng)芯片的選擇及程序的編制,驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。
1.機(jī)械結(jié)構(gòu)部分包括機(jī)器人構(gòu)成方案選擇、機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
2.針對(duì)設(shè)計(jì)要求結(jié)合所選用的電機(jī),設(shè)計(jì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊,并討論系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性問題
第二章 輪型機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1引言
機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié),能夠?yàn)楹罄m(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價(jià)值的平臺(tái)參考和有用的思路。帶有機(jī)械臂的全方位移動(dòng)機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)在平面內(nèi)任意角度的移動(dòng),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(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的本體設(shè)計(jì)。
2.2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(duì)機(jī)器整機(jī)的設(shè)計(jì)要求和對(duì)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(duì)機(jī)器整機(jī)設(shè)計(jì)的基本要求
對(duì)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(duì)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(jiǎn)單的技術(shù)途徑和最簡(jiǎn)單合理的結(jié)構(gòu)。
b.對(duì)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(duì)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?,從而保證機(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(huì)產(chǎn)生各種可能的失效,即要求零件在強(qiáng)度、剛度、震動(dòng)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(jiǎn)單合理的零件結(jié)構(gòu)、合理規(guī)定零件加工的公差等級(jí)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(dòng)力機(jī)、傳動(dòng)裝置和工作機(jī)組成。動(dòng)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(dòng)機(jī)、電動(dòng)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(dòng)力和運(yùn)動(dòng)能力,如機(jī)器人的末端執(zhí)行器就是工作機(jī)。傳動(dòng)裝置則是一種實(shí)現(xiàn)能量傳遞和兼有其它作用的裝置。
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2.3 全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的研制
在設(shè)計(jì)移動(dòng)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(duì)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(dòng)包括縱向、橫向和自轉(zhuǎn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。車輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征與其他移動(dòng)機(jī)構(gòu)相比車輪形移動(dòng)機(jī)構(gòu)有下列一些優(yōu)點(diǎn):能高速穩(wěn)定的移動(dòng),能量利用率高,機(jī)構(gòu)的控制簡(jiǎn)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(dòng)只限于平面。目前,需要機(jī)器人工作的場(chǎng)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(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖。
輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)預(yù)期設(shè)計(jì)要求實(shí)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(dú)立控制的,全方位移動(dòng)機(jī)器人采用前后輪成對(duì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)。
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圖2.1 全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖
2.3.1 移動(dòng)機(jī)器人車輪旋轉(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(jiǎn)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(duì)電機(jī)軸形成一個(gè)彎矩,容易對(duì)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(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(dòng),將輪子設(shè)計(jì)為兩個(gè)一組來實(shí)現(xiàn)。
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(duì)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
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(duì)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(dòng)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(dòng)。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(dòng)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(dòng),此處設(shè)計(jì)了類似于半圓的固定件。如圖下圖所示。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(dòng)機(jī)構(gòu)連為一體,最終實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。
圖2.4 固定件
2.3.2 移動(dòng)機(jī)器人轉(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2.5
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(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(duì)于基座來說只有一個(gè)自由度,形成的是轉(zhuǎn)動(dòng)副,轉(zhuǎn)向軸在機(jī)器人移動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)向相關(guān)零部件的磨損。一對(duì)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(dòng)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。
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(dòng)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(dòng)副以后,只需要用電機(jī)來驅(qū)動(dòng)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。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)。
整體式 剖分式
5)箱體的設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)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(dòng)機(jī)構(gòu)的性能
圖2.6箱體示意圖
2.3.3 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(dòng)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(hào)多
功率大
接口簡(jiǎn)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(hào)多樣
適合室內(nèi)機(jī)器人的速度
接口簡(jiǎn)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(hào)多樣
適合室內(nèi)機(jī)器人的速度
接口簡(jiǎn)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(jiǎn)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(dòng)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(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)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(hào),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(dòng)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(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn),使得電壓差為0,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(duì)于本課題來說,移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)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(dòng)電機(jī)。
下面對(duì)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)型號(hào)進(jìn)行選擇,輪式移動(dòng)機(jī)器人在移動(dòng)的時(shí)候,需要克服兩種阻力:摩擦力和重力。對(duì)于平面內(nèi)移動(dòng)的機(jī)器人來講則只需要克服摩擦力。移動(dòng)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(duì)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56BYG250D-0241 型號(hào)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。
圖為電機(jī)轉(zhuǎn)矩圖
下面選擇轉(zhuǎn)向電機(jī),機(jī)器人對(duì)轉(zhuǎn)向速度要求較低,對(duì)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(hào)為 56BYG250B-0241,靜力矩為0.72 。
下面是所選電機(jī)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(dòng)機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)移動(dòng)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(dòng)平臺(tái)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(dòng)機(jī)構(gòu)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(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;第二層安裝車輪旋轉(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
2.5本章小結(jié)
機(jī)器人是一種高度集成的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它不是機(jī)械裝置和電子裝置的簡(jiǎn)單組合,而是機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的有機(jī)融合。本文雖只設(shè)計(jì)機(jī)械本體部分,但設(shè)計(jì)過程要完全考慮各部分的因素。而移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu),它是移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)能否完成指定任務(wù)的基礎(chǔ)。
本文設(shè)計(jì)了可避免對(duì)電機(jī)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(jī)的匹配,使其車輪能夠在 0-0.5m/s 調(diào)速;設(shè)計(jì)了車輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),可使車輪實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向。
第三章 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(duì)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)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(fèi)用在零件總成本中要占很大的比例,這時(shí),選擇材料時(shí)所考慮的因素將不是相對(duì)價(jià)格而是其加工性能和加工費(fèi)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(jì)時(shí)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(jià)材料代替價(jià)格相對(duì)昂貴的稀有材料。
另外選擇材料時(shí)應(yīng)盡量考慮當(dāng)?shù)禺?dāng)時(shí)的材料供應(yīng)情況,應(yīng)盡能的減小同一部機(jī)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(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。
a.軸類零件材料的選擇與校核
(1)軸材料的選擇
傳動(dòng)軸的常用材料有碳素鋼和合金鋼。碳素鋼對(duì)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(hào)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(dòng)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(dòng)結(jié)構(gòu)中的車輪,轉(zhuǎn)軸;螺紋軸采用45號(hào)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(duì)這一段進(jìn)行校核就可以了。軸的運(yùn)動(dòng)主要受到扭轉(zhuǎn)力,所以只對(duì)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(hào)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(hào)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(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(hào)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(dòng)。
整個(gè)車輪部分承載的重量為12Kg。由于整個(gè)移動(dòng)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(dòng)部分的強(qiáng)度是非常大的,完全滿足設(shè)計(jì)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(jià)格低廉且符合設(shè)計(jì)要求的材料。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。
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(jì)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(dòng)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(rùn)滑油的情況下有效的進(jìn)行工作。由于它相對(duì)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(rùn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)器人各零部件所要求的強(qiáng)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(jī)器人在工作過程中各零部件不同受力情況,以及機(jī)械設(shè)計(jì)的要求選用了不同的材料來制造零件,并對(duì)零件進(jìn)行了強(qiáng)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(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的工作原理和結(jié)構(gòu),對(duì)比它們的優(yōu)劣點(diǎn)。在這些基礎(chǔ)上提出了全方位移動(dòng)結(jié)構(gòu)的可行性方案,并選擇最佳方案來設(shè)計(jì)。
縱觀本文,全方位移動(dòng)機(jī)器人可分為兩個(gè)大部分即旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)??偨Y(jié)如下:
1.本文采用車輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)全方位移動(dòng)。從而設(shè)計(jì)了可避免對(duì)電機(jī)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(jī)的匹配,使其車輪能夠在 0-0.5m/s 調(diào)速;
2.設(shè)計(jì)了車輪轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),可使車輪實(shí)現(xiàn)零半徑轉(zhuǎn)向;
全方位移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械本體的設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本環(huán)節(jié),能夠?yàn)楹罄m(xù)關(guān)于機(jī)器人的研究提供有價(jià)值的平臺(tái)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(jì)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(jì)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(shí)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(chéng)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(jì)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!
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