輪腿式移動(dòng)越障機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置的研究設(shè)計(jì)【說明書+CAD+PROE圖紙】【全套含有CAD圖紙三維建模】

本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 1 頁 共 45 頁目 次1 引言……………………………………………………………………………31.1 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況 …………………………………………………31.2 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) …………………………………………31.3 輪腿式移動(dòng) 機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究 ……………………………………61.4 本次設(shè)計(jì)目的及意義………………………………………………………62 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) …………………………………………72.1 課題要求……………………………………………………………………72.2 輪腿式機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)………………………………………………72.2.1 輪腿配置方案的選擇……………………………………………………82.2.2 輪腿式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)方案………………………………………………82.2.3 六輪腿的分布方案………………………………………………………82.2.4 越障機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)…………………………………………………………92.2.5 車輪方案設(shè)計(jì)……………………………………………………………112.2.6 總體方案…………………………………………………………………123 輪腿式移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)………………………………………143.1 車輪設(shè)計(jì)……………………………………………………………………143.1.1 車輪直徑設(shè)計(jì)……………………………………………………………143.1.2 輪寬的選擇………………………………………………………………143.2 腿臂的設(shè)計(jì) ………………………………………………………………143.3 車底盤設(shè)計(jì) ………………………………………………………………153.4 機(jī)構(gòu)受力分析與計(jì)算 ……………………………………………………163.4.1 機(jī)構(gòu)重力估計(jì)……………………………………………………………163.4.2 受力分析…………………………………………………………………163.4.3 前排輪翻越臺(tái)階時(shí)車身受力分析………………………………………173.4.4 車輪驅(qū)動(dòng)功率……………………………………………………………203.4.5 關(guān)節(jié)功率計(jì)算……………………………………………………………203.4.6 輪子驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算………………………………………………………203.4.7 在斜坡上所需的制動(dòng)力…………………………………………………203.5 驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)……………………………………………………………213.5.1 驅(qū)動(dòng)方式概述……………………………………………………………213.5.2 車輪電機(jī)和制動(dòng)器選擇設(shè)計(jì)……………………………………………22 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 2 頁 共 45 頁3.5.3 腿臂驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器，離合器的選擇………………………………233.6 總體結(jié)構(gòu)圖 ………………………………………………………………244 零件設(shè)計(jì) ……………………………………………………………………254.1 零件設(shè)計(jì)的主要方面 ……………………………………………………254.2 零件具體設(shè)計(jì) ……………………………………………………………254.2.1 車體的設(shè)計(jì) ……………………………………………………………254.2.2 長臂的設(shè)計(jì) ……………………………………………………………264.2.3 短臂的設(shè)計(jì) ……………………………………………………………264.2.4 搖桿的設(shè)計(jì) ……………………………………………………………264.2.5 車輪的設(shè)計(jì) ……………………………………………………………274.2.6 腿臂驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) …………………………………………………………344.2.7 整體結(jié)構(gòu) ………………………………………………………………355 性能分析 ……………………………………………………………………365.1 動(dòng)態(tài)打滑的穩(wěn)定性分析 …………………………………………………36 5.2 爬坡步態(tài)分析 ……………………………………………………………375.2.1 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 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 3 頁 共 45 頁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，人類的視野越來越開闊，對(duì)未知世界進(jìn)行探索的愿望越來越強(qiáng)烈。迄今為止，人們已經(jīng)開始了對(duì)月亮、火星等宇宙星體的探索，也開始對(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)爭的復(fù)雜程度越來越高，反恐斗爭的難度也越來越大，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，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，人們常常束手無策 [1,2]?？蛇b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)器人不是避開障礙或復(fù)雜地形,而是要越過并適應(yīng)它。所以,研究開發(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，越來越來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。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 4 頁 共 45 頁圖 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)國外媒體報(bào)道，近日美國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)簡單而且十分易于實(shí)際操作，即使沒有相關(guān)的原理知識(shí)，也能夠在說明書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。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 5 頁 共 45 頁僅僅在安裝上相應(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，如果顧客覺得仍然不過癮，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)娛樂行業(yè)，也都開始使用機(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、無法復(fù)位、元件損壞乃至系統(tǒng)報(bào)廢等一系列問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) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 6 頁 共 45 頁就是沒有人的干預(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,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。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 7 頁 共 45 頁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 ，外形尺寸長度不超過 800mm，寬度不超過 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^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) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 8 頁 共 45 頁機(jī)構(gòu);(2) 通過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) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 9 頁 共 45 頁圖 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。前排輪后排輪中排輪 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 10 頁 共 45 頁圖 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 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),將每一條腿分為長臂和短臂臂兩個(gè)相互連接的部分,長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，用搖桿將長臂和短臂連接，搖桿與驅(qū)動(dòng)部分相連，且搖桿的作用長度與長臂相同，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,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,輪腿向短接觸地面時(shí),短臂關(guān)節(jié)處受到較長的力,而此時(shí)鎖緊短臂需要的力矩會(huì)很長,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) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 11 頁 共 45 頁構(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.長臂與關(guān)節(jié)連接件 3.長臂 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,然后再連接長減速器,再連長制動(dòng)器,外套橡皮. 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 12 頁 共 45 頁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，然后通過離合器與長臂相連，方案如圖 2-6： 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)長臂不動(dòng)的時(shí)候，離合器脫開，制動(dòng)器鎖住長臂，而短臂可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)長臂需要運(yùn)動(dòng)時(shí)，接合離合器，制動(dòng)器脫開，短臂和長臂以相同的角速度運(yùn)動(dòng)，即保持長短臂之間的夾角不變，也就是說，長臂動(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).電機(jī)二級(jí)渦輪減速搖桿 短臂離合器 長臂 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 13 頁 共 45 頁1.電機(jī) 2.長臂 3.短臂 4.車輪 5.搖桿圖 2-72.2.7 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).離合器開離合器關(guān) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 14 頁 共 45 頁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) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 15 頁 共 45 頁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,這樣,就要求車輪不能太長,但車輪內(nèi)零件也學(xué)要一定的空間來安裝.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= (3-1)Ua*100060其中,D 為車輪直徑,U m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，0.118m0.259,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)邊腿的長度，使得車身盡量保持水平。如圖 5-3 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 40 頁 共 45 頁圖 5-2 迎著坡面行使 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 41 頁 共 45 頁圖 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)前輪越過障礙后,中排輪開始越障,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)使得中排輪越過障礙.前中排輪越過后,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)后排輪即可越過障礙. 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 42 頁 共 45 頁結(jié) 論此次通過對(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), 畫出零件圖,裝配圖和三維圖,完成論文一篇. 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 43 頁 共 45 頁致 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,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. 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 （ 論 文 ） 第 44 頁 共 45 頁參 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, 談長龍．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， 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