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本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 45 頁(yè) 共 45 頁(yè)
目 次
1 引言……………………………………………………………………………3
1.1 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況 …………………………………………………3
1.2 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) …………………………………………3
1.3 輪腿式移動(dòng) 機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究 ……………………………………6
1.4 本次設(shè)計(jì)目的及意義………………………………………………………6
2 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) …………………………………………7
2.1 課題要求……………………………………………………………………7
2.2 輪腿式機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)………………………………………………7
2.2.1 輪腿配置方案的選擇……………………………………………………8
2.2.2 輪腿式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案………………………………………………8
2.2.3 六輪腿的分布方案………………………………………………………8
2.2.4 越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)…………………………………………………………9
2.2.5 車輪方案設(shè)計(jì)……………………………………………………………11
2.2.6 總體方案…………………………………………………………………12
3 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………14
3.1 車輪設(shè)計(jì)……………………………………………………………………14
3.1.1 車輪直徑設(shè)計(jì)……………………………………………………………14
3.1.2 輪寬的選擇………………………………………………………………14
3.2 腿臂的設(shè)計(jì) ………………………………………………………………14
3.3 車底盤(pán)設(shè)計(jì) ………………………………………………………………15
3.4 機(jī)構(gòu)受力分析與計(jì)算 ……………………………………………………16
3.4.1 機(jī)構(gòu)重力估計(jì)……………………………………………………………16
3.4.2 受力分析…………………………………………………………………16
3.4.3 前排輪翻越臺(tái)階時(shí)車身受力分析………………………………………17
3.4.4 車輪驅(qū)動(dòng)功率……………………………………………………………20
3.4.5 關(guān)節(jié)功率計(jì)算……………………………………………………………20
3.4.6 輪子驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算………………………………………………………20
3.4.7 在斜坡上所需的制動(dòng)力…………………………………………………20
3.5 驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)……………………………………………………………21
3.5.1 驅(qū)動(dòng)方式概述……………………………………………………………21
3.5.2 車輪電機(jī)和制動(dòng)器選擇設(shè)計(jì)……………………………………………22
3.5.3 腿臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器，離合器的選擇………………………………23
3.6 總體結(jié)構(gòu)圖 ………………………………………………………………24
4 零件設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………25
4.1 零件設(shè)計(jì)的主要方面 ……………………………………………………25
4.2 零件具體設(shè)計(jì) ……………………………………………………………25
4.2.1 車體的設(shè)計(jì) ……………………………………………………………25
4.2.2 長(zhǎng)臂的設(shè)計(jì) ……………………………………………………………26
4.2.3 短臂的設(shè)計(jì) ……………………………………………………………26
4.2.4 搖桿的設(shè)計(jì) ……………………………………………………………26
4.2.5 車輪的設(shè)計(jì) ……………………………………………………………27
4.2.6 腿臂驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) …………………………………………………………34
4.2.7 整體結(jié)構(gòu) ………………………………………………………………35
5 性能分析 ……………………………………………………………………36
5.1 動(dòng)態(tài)打滑的穩(wěn)定性分析 …………………………………………………36
5.2 爬坡步態(tài)分析 ……………………………………………………………37
5.2.1 坡面行使 ………………………………………………………………38
5.2.2 越障步態(tài) ………………………………………………………………39
結(jié)論………………………………………………………………………………40
致謝………………………………………………………………………………41
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………42
1 引言
1．1 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況
隨著科技的進(jìn)步，人類的視野越來(lái)越開(kāi)闊，對(duì)未知世界進(jìn)行探索的愿望越來(lái)越強(qiáng)烈。迄今為止，人們已經(jīng)開(kāi)始了對(duì)月亮、火星等宇宙星體的探索，也開(kāi)始對(duì)地下埋藏的，乃至海底沉寂的歷史古跡、文化遺產(chǎn)、地理地貌的研究。另外，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，反恐斗爭(zhēng)的難度也越來(lái)越大，需要人們能夠及時(shí)準(zhǔn)確地完成各種偵察或作戰(zhàn)任務(wù)。不過(guò)，面對(duì)各種復(fù)雜的環(huán)境，如宇宙星體日夜溫度變化劇烈、地形高低起伏明顯、戰(zhàn)場(chǎng)情況的突發(fā)性和多變性等，由于生理原因，人們常常束手無(wú)策[1,2]。
可遙控控制、能夠適應(yīng)地形變化的移動(dòng)機(jī)器人，為人類突破這些局限創(chuàng)造了條件。這種機(jī)器人可以適應(yīng)不同環(huán)境，不受溫度、濕度、空間、磁場(chǎng)輻射、重力等條件的影響，完成人類無(wú)法進(jìn)行的探測(cè)任務(wù)。
移動(dòng)機(jī)器人是一種能夠與外界環(huán)境交互的智能系統(tǒng)，在有障礙物的環(huán)境中能夠面向目標(biāo)自主運(yùn)動(dòng)，從而完成一定作業(yè)功能的機(jī)器人系統(tǒng)。用于軍事偵察、反恐防暴等危險(xiǎn)作業(yè)的小型地面移動(dòng)機(jī)器人以其體積小、成本低、生存能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)靈活等特點(diǎn)成為移動(dòng)機(jī)器人研究領(lǐng)域的又一熱點(diǎn)。由于其工作環(huán)境復(fù)雜多變,很多時(shí)候要求機(jī)器人不是避開(kāi)障礙或復(fù)雜地形,而是要越過(guò)并適應(yīng)它。所以,研究開(kāi)發(fā)具有越障功能的小型地面移動(dòng)機(jī)器人以適應(yīng)各種結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境是非常必要的。與傳統(tǒng)的以研究機(jī)器人智能、決策等為目的而開(kāi)發(fā)的輪式移動(dòng)機(jī)器人相比,在機(jī)動(dòng)性、越障能力、集成設(shè)計(jì)等方面出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)問(wèn)題[3,4,5]。
1 .2 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)
輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展較為發(fā)達(dá)，各國(guó)都在大力研究。其中有像翻滾型輪腿式移動(dòng)機(jī)器人（如圖1），管道型輪腿式移動(dòng)機(jī)器人如圖2），輪腿式變結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人（如圖3）等多種新型的移動(dòng)式機(jī)器人[6]（。并且向著智能化，微型化發(fā)展，越來(lái)越來(lái)多的微型智能化移動(dòng)式機(jī)器人出現(xiàn)在社會(huì)的各個(gè)行業(yè)中，并且充當(dāng)著重要的角色。
圖1翻滾型輪腿式移動(dòng)機(jī)器人 圖2管道型輪腿式移動(dòng)機(jī)器人
圖3 輪腿式變結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人
據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，近日美國(guó)研究人員推出一款取名為“Three”的新式netbook電腦機(jī)器人[9]（如圖4）。據(jù)介紹，該機(jī)器人的底盤(pán)結(jié)構(gòu)為兩個(gè)滑動(dòng)輪胎，而輪胎的中間連接部分則負(fù)責(zé)承載netbook電腦。整個(gè)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且十分易于實(shí)際操作，即使沒(méi)有相關(guān)的原理知識(shí)，也能夠在說(shuō)明書(shū)的介紹下方便控制以及拆卸安裝。
圖4“Three”新式netbook電腦機(jī)器人
設(shè)計(jì)人員還表示，該機(jī)器人內(nèi)部裝有大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，以及最先進(jìn)的機(jī)器設(shè)備。僅僅在安裝上相應(yīng)的軟件與裝載上主人識(shí)別系統(tǒng)，整個(gè)機(jī)器人將完全在顧客的掌控之下，讓顧客享受到全方位服務(wù)。此外，如果顧客覺(jué)得仍然不過(guò)癮，顧客可以安裝紅外線傳感器
以及外置攝像儀器等裝置。
又據(jù)悉，為提高反恐防暴機(jī)器人對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境的適應(yīng)能力,設(shè)計(jì)出了一種具有良好的機(jī)動(dòng)性能和轉(zhuǎn)向性能的新型輪—腿—履帶復(fù)合移動(dòng)機(jī)構(gòu).通過(guò)機(jī)器人機(jī)構(gòu)分析與本體的穩(wěn)定性分析,論證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性及好的穩(wěn)定性.從而設(shè)計(jì)出了這種輪—腿—履帶復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人[10]（如圖5）。
圖5輪—腿—履帶復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人
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)域的焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配、鑄造等場(chǎng)合，己經(jīng)開(kāi)始大量使用機(jī)器人。另外在軍事、海洋探測(cè)、航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)林業(yè)甚到服務(wù)娛樂(lè)行業(yè)，也都開(kāi)始使用機(jī)器人。而作為一種新型探測(cè)用具，輪腿式移式機(jī)器人由于其機(jī)動(dòng)性及智能化，可以從事很多人類難以親身參與的工作。如復(fù)雜危險(xiǎn)地形的探測(cè)、外星球的探測(cè)及一些軍事領(lǐng)域的偵查等。機(jī)器人的爬坡和越障能力作為機(jī)器人野外適應(yīng)能力的兩大主要指標(biāo)是地面移動(dòng)機(jī)器人研究的重點(diǎn)內(nèi)容。又由于輪腿式移動(dòng)機(jī)器人大多數(shù)時(shí)候都工作在崎嶇不平的地形中．傾覆穩(wěn)定性對(duì)這種機(jī)器人而言是非常重要的．運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的傾覆可能導(dǎo)致機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)失靈、運(yùn)動(dòng)失控、無(wú)法復(fù)位、元件損壞乃至系統(tǒng)報(bào)廢等一系列問(wèn)題是今后輪腿式移動(dòng)機(jī)器人研究的重點(diǎn)內(nèi)容。真正的智能化和完全的自主移動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)。導(dǎo)航研究的目標(biāo)就是沒(méi)有人的干預(yù)下使機(jī)器人有目的地移動(dòng)并完成特定任務(wù)，進(jìn)行特定操作。機(jī)器人通過(guò)裝配的信息獲取手段，獲得外部環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)自我定位，判定自身狀態(tài)，規(guī)劃并執(zhí)行下一步的動(dòng)作[11,12]。
1.3 輪腿式移動(dòng) 機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究
正如人類活動(dòng)范圍和探索的空間是人類進(jìn)步的標(biāo)志一樣,機(jī)器人的智能同樣體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)空間的大小上。為了獲得更大的獨(dú)立性,人們也對(duì)機(jī)器人的靈活性及智能提出更高的要求,要求機(jī)器人能夠在一定范圍內(nèi)安全運(yùn)動(dòng),完成特定的任務(wù),增強(qiáng)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。因此,近年來(lái),移動(dòng)機(jī)器人特別是自主式移動(dòng)機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的中心之一[7]。
(1) 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)形式
根據(jù)實(shí)際運(yùn)用環(huán)境的需求 綜合輪式和腿式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種多驅(qū)動(dòng)模式的輪腿式移動(dòng)機(jī)器人．整個(gè)機(jī)器人由六個(gè)結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱的運(yùn)動(dòng)單元和車體構(gòu)成．每個(gè)運(yùn)動(dòng)單元具有一個(gè)轉(zhuǎn)向臂、一個(gè)擺臂和兩個(gè)電動(dòng)輪(驅(qū)動(dòng)輪和爬行輪。對(duì)于運(yùn)動(dòng)在不平坦地形中的移動(dòng)機(jī)器人而言,其傾覆穩(wěn)定性非常關(guān)鍵.對(duì)稱結(jié)構(gòu)的輪腿式機(jī)器人，它有六個(gè)獨(dú)立的輪腿運(yùn)動(dòng)單元,能夠變化多種構(gòu)形.采用動(dòng)態(tài)能量穩(wěn)定錐方法和傾覆穩(wěn)定性指數(shù)對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),建立了一個(gè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)白適應(yīng)控制系統(tǒng).根據(jù)穩(wěn)定性指數(shù)值,該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)改變機(jī)器人的構(gòu)形和速度,保證其傾覆穩(wěn)定性.正弦路面上的仿真結(jié)果表明,該系統(tǒng)所產(chǎn)生的動(dòng)作實(shí)時(shí)性好、可靠性高,能夠降低機(jī)器人白主越障過(guò)程中的危險(xiǎn)[14,15]。
(2) 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的組成: A 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的 驅(qū)動(dòng)裝置,B輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)向裝置,C 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的換向裝置 D,輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的制動(dòng)裝置.
1.4 本次設(shè)計(jì)目的及意義
輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置是一種復(fù)合移動(dòng)系統(tǒng)，結(jié)合輪式和腿兩種移動(dòng)方式的特點(diǎn)，世界各國(guó)均投入了大量研究。課題對(duì)機(jī)器人腿式和輪式移動(dòng)原理進(jìn)行了解和掌握，在此基礎(chǔ)上對(duì)兩種移動(dòng)方式進(jìn)行綜合，設(shè)計(jì)出一種適合野外非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，在機(jī)構(gòu)上有所創(chuàng)新，機(jī)器人能夠在復(fù)雜路面上行走、具有較強(qiáng)的越障能力。在機(jī)械CAD環(huán)境下設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)裝置的總體方案和結(jié)構(gòu)，各種機(jī)電元件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)器人越障行為進(jìn)行分析與研究。
2 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)
2.1 課題要求
課題要求對(duì)機(jī)器人腿式和輪式移動(dòng)原理進(jìn)行了解和掌握，在此基礎(chǔ)大對(duì)兩種移動(dòng)方式進(jìn)行綜合，設(shè)計(jì)出一種適合野外非結(jié)構(gòu)環(huán)境短的移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置，機(jī)器人能夠在復(fù)雜路面大行走、具有較強(qiáng)的越障能力。在機(jī)械CAD環(huán)境短設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)裝置的總體方案和結(jié)構(gòu)，各種機(jī)電元件進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)器人越障行為進(jìn)行分析與研究
設(shè)計(jì)技術(shù)要求：
1．每個(gè)輪子獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，采用環(huán)境適應(yīng)能力好的六腿式結(jié)構(gòu)。
2．重量短于45Kg ，外形尺寸長(zhǎng)度不超過(guò)800mm，寬度不超過(guò)600mm 。
3．機(jī)器人最大移動(dòng)速度10Km/h，具備越障和爬坡能力。
4．要求能夠翻越250mm高的障礙,能夠爬15°的斜坡。
2.2 輪腿式機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.2.1 輪腿配置方案的選擇
輪腿式移動(dòng)越障機(jī)器人依靠輪與腿的共同作用來(lái)行使與越障,因?yàn)槠浞秸系K時(shí)需要很好的平穩(wěn)性,所以考慮用對(duì)稱的結(jié)構(gòu)對(duì)輪腿式機(jī)器人的平衡性有很大的幫助,在所考慮的4輪腿式和鋁六輪腿式機(jī)器人中,顯然,六輪腿式較四輪腿式有著更好的平衡性與抗震性,故選用六輪腿式結(jié)構(gòu).
2.2.2 輪腿式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案
因?yàn)樵谛惺沟倪^(guò)程中,輪腿機(jī)器人是需要越障行使,其越障機(jī)構(gòu)的形式就是我們研究的重點(diǎn),如何分配這六個(gè)輪子,每個(gè)輪子是什么樣的驅(qū)動(dòng),怎樣 控制其越障,各個(gè)輪子在越障時(shí)實(shí)現(xiàn)怎樣的動(dòng)作也是我們應(yīng)該考慮的.
在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了兩種形式機(jī)構(gòu)
1) 搖臂-轉(zhuǎn)向架式六輪腿式行使機(jī)構(gòu)
其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1所示,其結(jié)構(gòu)有兩個(gè)獨(dú)特之處: (1) 各輪有獨(dú)立控制轉(zhuǎn)
機(jī)構(gòu);(2) 通過(guò)差速齒輪軸連接兩側(cè)行使機(jī)構(gòu),并將機(jī)器人機(jī)體與差速軸箱體固定.
圖2-1 搖臂轉(zhuǎn)向架式六輪腿移動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2） 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)六輪腿式移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
該機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-2所示，本機(jī)構(gòu)的六個(gè)車輪為獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，每個(gè)車輪都有各 自的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，另外，每一條腿都有一個(gè)獨(dú)立的直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，且配有增量編碼器。每一條輪腿構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
圖2-2 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)六輪腿移動(dòng)機(jī)器人
綜合考慮各方面的條件，搖臂-轉(zhuǎn)向架式六輪腿式行使機(jī)構(gòu)雖然設(shè)計(jì)比較好，能夠大大減少整體的質(zhì)量，但是設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，不能很好的進(jìn)行理解，而相比較下獨(dú)立對(duì)稱式六輪腿移動(dòng)結(jié)構(gòu)都是對(duì)稱機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，也比較容易入手。
其運(yùn)動(dòng)如下,當(dāng)機(jī)器人在平面上走直線時(shí),由車輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)車身行使,此時(shí)腿臂電機(jī)被渦輪減速器自鎖;當(dāng)機(jī)器人需要在平面上轉(zhuǎn)動(dòng)方向的時(shí)候,控制使得車身每一側(cè)的車輪轉(zhuǎn)速相同,而兩側(cè)的車輪轉(zhuǎn)速有一個(gè)速度差,由兩側(cè)車輪的速度差來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎;當(dāng)機(jī)器人攀爬斜坡時(shí),由車輪驅(qū)動(dòng),且車輪轉(zhuǎn)速一致;當(dāng)機(jī)器人在斜坡上行使時(shí),由腿臂電機(jī)調(diào)整兩側(cè)腿臂的高度,從而能使機(jī)器人能在坡面上行使;當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行越障時(shí),腿避電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),抬升腿臂進(jìn)行越障,此時(shí),需用編碼器控制各排輪腿電機(jī)按時(shí)序進(jìn)行運(yùn)動(dòng).
2.2.3 六輪腿的分布方案
將六輪分為3組，每一組輪具有相同的運(yùn)動(dòng)軌跡，分別為前排輪后，中排輪，后排輪，如圖2-3所示。
中排輪
前排輪
后排輪
圖2-3 輪腿分布
2.2.4 越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
為使機(jī)器人能夠順利地越過(guò)250mm的高度，應(yīng)該設(shè)計(jì)臂的結(jié)構(gòu)使得其有越障的能力，考慮到四搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，所以設(shè)計(jì)搖桿機(jī)構(gòu)，作為越障機(jī)構(gòu)的臂，而四桿機(jī)構(gòu)中，平行四邊形機(jī)構(gòu)比較容易控制角速度，所以，考慮臂的部分用平行四邊形機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
選用平行四邊形機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí),將每一條腿分為長(zhǎng)臂和短臂臂兩個(gè)相互連接的部分,長(zhǎng)短兩臂在同一平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),其平面在車身的側(cè)面,該機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)自由度.而且，用搖桿將長(zhǎng)臂和短臂連接，搖桿與驅(qū)動(dòng)部分相連，且搖桿的作用長(zhǎng)度與長(zhǎng)臂相同，以搖桿推動(dòng)短臂進(jìn)行越障。因?yàn)闄C(jī)構(gòu)具有兩個(gè)自由度，所以,機(jī)構(gòu)需要兩個(gè)原動(dòng)件,即兩套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),機(jī)器人在平地大運(yùn)動(dòng)時(shí)不需要啟動(dòng)關(guān)節(jié)的電機(jī),此時(shí)就能保持腿臂的形狀不變，而讓車輪的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在平行的地面上行使。
平面四搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)用較為廣泛,設(shè)計(jì)時(shí),將長(zhǎng)臂和短臂以及關(guān)節(jié)處的搖桿構(gòu)成了平行四邊形機(jī)構(gòu)如圖2-4所示,這樣就可以將長(zhǎng)臂的驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在關(guān)節(jié)處,使得結(jié)構(gòu)顯得緊湊,并且能通過(guò)連用提高組件的利用率,降低體積和重量,又避免由于電機(jī)安裝在短臂長(zhǎng),使得輪腿抬起時(shí)重力產(chǎn)生附加的力矩,并且該機(jī)構(gòu)提高了短臂的剛性,因?yàn)槿绻姍C(jī)安裝在短臂長(zhǎng),輪腿向短接觸地面時(shí),短臂關(guān)節(jié)處受到較長(zhǎng)的力,而此時(shí)鎖緊短臂需要的力矩會(huì)很長(zhǎng),對(duì)制動(dòng)器的選型造成困難.但該機(jī)構(gòu)也存在缺點(diǎn),機(jī)構(gòu)是平面四桿機(jī)構(gòu),在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)存在死點(diǎn).
.
1. 連接孔 2.長(zhǎng)臂與關(guān)節(jié)連接件 3.長(zhǎng)臂 4.短臂 5.搖桿 6.短臂與車輪連接孔
圖2-4輪腿方案
2.2.5 車輪方案設(shè)計(jì)
每個(gè)輪子都是獨(dú)立驅(qū)動(dòng),因此每一個(gè)輪子都配有一個(gè)直流伺服電機(jī)和一套減速裝置,為了實(shí)現(xiàn)制動(dòng)作用,每一個(gè)輪子還配有一個(gè)制動(dòng)裝置,這樣就能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)和制動(dòng)了。
輪子內(nèi)選用直流電機(jī)配減速器的方案 ,如圖2-5所示,將電機(jī)固定在心軸(主要受到彎矩)長(zhǎng),然后再連接長(zhǎng)減速器,再連長(zhǎng)制動(dòng)器,外套橡皮.
1.中心軸 2.電機(jī) 3.減速器 4制動(dòng)器定子 5.制動(dòng)器轉(zhuǎn)子 6.輪子
圖2-5 電機(jī)加減速器
這種方案的減速器簡(jiǎn)單,裝配方便,且可靠性較強(qiáng),結(jié)構(gòu)緊湊,但所選電機(jī)范圍較短。
2.2.6 腿臂傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)時(shí)，將短臂接到二級(jí)減速器的輸出端，然后通過(guò)離合器與長(zhǎng)臂相連，方案如圖2-6：
離合器
搖桿
二級(jí)渦輪
減速
電機(jī)
長(zhǎng)臂
短臂
圖2-6 腿臂傳動(dòng)方案
這種設(shè)計(jì)只需要一個(gè)制動(dòng)器，減少體積和質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)形式如下：當(dāng)長(zhǎng)臂不動(dòng)的時(shí)候，離合器脫開(kāi)，制動(dòng)器鎖住長(zhǎng)臂，而短臂可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)長(zhǎng)臂需要運(yùn)動(dòng)時(shí)，接合離合器，制動(dòng)器脫開(kāi)，短臂和長(zhǎng)臂以相同的角速度運(yùn)動(dòng)，即保持長(zhǎng)短臂之間的夾角不變，也就是說(shuō)，長(zhǎng)臂動(dòng)時(shí)，短臂一定要?jiǎng)?，兩者都不?dòng)時(shí)，由二級(jí)減速器（蝸輪減速器）自鎖，則保持腿臂形狀不變，如圖2-7所示則由車輪電機(jī)帶動(dòng)車體進(jìn)行運(yùn)動(dòng).
離合器開(kāi)
離合器關(guān)
1.電機(jī) 2.長(zhǎng)臂 3.短臂 4.車輪 5.搖桿
圖2-7
2.2.7 總體方案
綜上,機(jī)器人方案已經(jīng)確定,機(jī)器人由車體,行使機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)臂越障機(jī)構(gòu)三部分組成
(1) 車架用鑄件，需良好的力學(xué)性能
(2) 行使機(jī)構(gòu)由六個(gè)驅(qū)動(dòng)輪組成,每個(gè)車輪由獨(dú)立的直流電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng).
(3) 轉(zhuǎn)臂越障機(jī)構(gòu)由6個(gè)可以在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臂組成,轉(zhuǎn)臂分為長(zhǎng)臂和短臂
具有兩個(gè)自由度,由一個(gè)復(fù)合電機(jī)帶動(dòng).
3 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 車輪設(shè)計(jì)
3.1.1 車輪直徑設(shè)計(jì)
車輪直徑的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮重量,因?yàn)楫?dāng)腿臂伸出時(shí),車輪處于末端,其重力對(duì)關(guān)節(jié)處產(chǎn)生的阻力矩最長(zhǎng),這樣,就要求車輪不能太長(zhǎng),但車輪內(nèi)零件也學(xué)要一定的空間來(lái)安裝.因此,車輪尺寸也取決于輪內(nèi)零件的尺寸.最后,車輪的直徑與車速和驅(qū)動(dòng)力矩也都有關(guān)聯(lián).因此也就和電機(jī)和減速器的懸著有關(guān),因此,各種因素都應(yīng)該考慮.
πDn=Ua*100060 (3-1)
其中,D為車輪直徑,Um為最高時(shí)速(10Km/h),代入后得
Dn=53 (3-2)
出于對(duì)電機(jī)和減速器的考慮，希望車輪轉(zhuǎn)速能在300-450rpm之間的水平，因此，0.118m
0.259,因此，斜面能夠提供足夠的摩擦力。 短車在斜面上不會(huì)長(zhǎng)滑下滑。
5.2 爬坡步態(tài)分析
5.2.1 坡面行使
在坡面（≤15°）行使分為兩種，一種是迎著坡面行使，另一種是沿著坡面行
使。
（1） 迎著坡面行使，迎著坡面行使時(shí)的姿態(tài)控制比較簡(jiǎn)單，只需要保證重心平衡即可，因?yàn)檐圀w迎著坡面行使，短車是不會(huì)打滑的。因此，短車在行使時(shí)只要將前腿彎曲，調(diào)整中，后排腿的長(zhǎng)度（角度），使得車身保持平衡即可使得短車沿坡面上升。如圖5-2所示。
（2） 沿著坡面行使，沿著坡面行使時(shí)，為了平衡車身，則必須調(diào)整一側(cè)邊腿的長(zhǎng)度，使得車身盡量保持水平。如圖5-3所示。
圖5-2迎著坡面行使
圖5-3 短車沿著坡面行使
5.2.2 越障步態(tài)
越障步態(tài)如圖5-4所示.
圖5-4 步態(tài)姿勢(shì)
越障時(shí),前輪越障時(shí),后排腿臂彎曲使得車身抬高,同時(shí)將前排腿臂抬起,此時(shí)由中排輪和后排輪4個(gè)輪子支撐,由此4輪行使一段距離后將前排腿臂放下,同時(shí)為了保持機(jī)身平衡,后排腿臂向后伸展,中排腿臂向前伸展.當(dāng)前輪越過(guò)障礙后,中排輪開(kāi)始越障,此時(shí)由前后兩排輪支撐,所以此時(shí)將前后排輪腿臂都旋成直線,抬升車身,將中排腿臂向后 彎曲,由前排輪帶動(dòng)使得中排輪越過(guò)障礙.前中排輪越過(guò)后,將后排腿臂向后彎曲,前排腿臂向前伸展,中排腿臂向后伸展 ,使得車身前傾,此時(shí)后排輪即可越過(guò)障礙.
結(jié) 論
此次通過(guò)對(duì)輪腿式移動(dòng)越障機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的研究,對(duì)六輪腿式越障機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案,結(jié)構(gòu)等都有了一個(gè)初步的認(rèn)識(shí).在設(shè)計(jì)時(shí),首先是需要了解輪腿式越障機(jī)器人的特點(diǎn),功能,還有運(yùn)用的場(chǎng)合,然后去了解輪腿式越障機(jī)器人由控制機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu),三大部分組成.然后選擇輪腿式越障機(jī)器人的腿臂分布,經(jīng)過(guò)思考后,我采用的是六輪腿式對(duì)稱越障機(jī)構(gòu),緊接著,設(shè)計(jì)六輪腿式越障機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的總體方案,設(shè)計(jì)如下:正常行使時(shí)由六車輪驅(qū)動(dòng),所以每個(gè)車輪里都有單獨(dú)的電機(jī).當(dāng)需要
越障式,由腿臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)腿臂進(jìn)行越障,而為了使腿臂能被正常驅(qū)動(dòng),腿臂部分采用平行四邊形結(jié)構(gòu).然后,設(shè)計(jì)每個(gè)部分的尺寸,如車輪的尺寸,腿臂的尺寸等.在此之后 ,估算每個(gè)部分的重量.根據(jù)重力和結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行力分析,確定驅(qū)動(dòng)功率,轉(zhuǎn)矩等.然后根據(jù)功率,轉(zhuǎn)矩,速度選擇電機(jī),減速器,制動(dòng)器等.最后大部分時(shí)間是對(duì)每個(gè)部分的結(jié)構(gòu)的零件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì), 畫(huà)出零件圖,裝配圖和三維圖,完成論文一篇.
致 謝
進(jìn)行幾個(gè)月的努力,終于完成了輪腿式越障機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì),在此過(guò)程中,南京理工大學(xué)祖莉老師給與了我很大的幫助,也教會(huì)了我很多東西,設(shè)計(jì)時(shí),祖老師孜孜不倦的與我們進(jìn)行交流,給了我們很多寶貴的意見(jiàn),使我們受益匪淺,也少走了很多彎路,在此,我向祖莉老師表示深深的感謝.
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 王華坤, 范元?jiǎng)? 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（Ⅰ）[M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 2001.6.
[2] 王華坤, 范元?jiǎng)? 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（Ⅱ）[M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 2001.6.
[3] 徐灝. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第三冊(cè)）[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991.
[4] 徐灝. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四冊(cè)）[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1991.
[5] 田海波,方宗德, 周勇, 李聲晉, 寇發(fā)榮. 輪腿式機(jī)器人傾覆穩(wěn)定性分析與控制[J]. 機(jī)器人, 2009,(02).
［6］李斌, 劉金國(guó), 談長(zhǎng)龍．可重構(gòu)模塊機(jī)器人傾翻穩(wěn)定性研究[J].機(jī)器人，2005 .
［7］蔡自興．機(jī)器人學(xué)[M]．北京：清華長(zhǎng)學(xué)出版社，2000.
［8］茍興禹, 胡明朗， 魏瑞軒. 虛擬微型撲翼飛行器建模仿真[J]．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，
2007，19(13)：2877～2880，2912.
［9］陳輝堂，移動(dòng)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展問(wèn)題. 計(jì)算機(jī)世界報(bào)[D], 1996, (27).
［10］崔寶洲， 宗光華， 孫明磊， 張融， 劉錦華.一種獨(dú)立輪腿式機(jī)器人的步態(tài)
規(guī)劃研究[J] .2008，（09）.
［11］楊坤， 李聲晉， 盧剛， 田海波.基于CAN總線的輪腿式機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
[J].2009,（04）.
［12］李磊, 陳細(xì)軍, 候增廣, 等．自主輪式移動(dòng)機(jī)器人CASIA-I的整體設(shè)計(jì)[J]．高
技術(shù)通訊，2003,（l1）.
［13］金峰．機(jī)器人多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)理論的研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)
長(zhǎng)學(xué)，1999, 12—56.
［14］萬(wàn)永倫, 丁杰雄. 一種機(jī)器人尋線控制系統(tǒng) [期刊論文] [J]. 電子科技長(zhǎng)學(xué)
學(xué)報(bào)，2003，(01).
［15］郭紅. 機(jī)器人局部路徑規(guī)劃算法的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 信息技術(shù)，