展館導游機器人輪式行走系統(tǒng)設計,展館導游機器人輪式行走系統(tǒng)設計,展館,導游,機器人,輪式,行走,系統(tǒng),設計 第27頁 共27頁 1 引言 1.1 導游機器人的研究意義 第一臺的工業(yè)機器人是美國在1961年推出的，現(xiàn)在，隨著社會的不斷發(fā)展，機器人技術已經涉及到了很多的領域，譬如：傳感器技術、控制工程、精密機械、動力學、計算機科學技術、人工智能等領域。機器人也是自二十世紀以來發(fā)展的十分迅速的一個重要的高科技領域，它是各個學科的前沿技術的應用。機器人的出現(xiàn)與發(fā)展使得傳統(tǒng)工業(yè)生產的方式發(fā)生了翻天覆地的變化，讓我們的生產方式從手工作業(yè)發(fā)展到機械化、自動化到現(xiàn)在的智能化。進入本世紀之后，人類已經發(fā)現(xiàn)機器人已經不知不覺的逐漸的開始深入到工業(yè)、服務、醫(yī)療、衛(wèi)生、娛樂等方面[1]。 導游機器人的研究不是一門專業(yè)的科學，它是由很多學科相互滲透，相互交叉的。對導游機器人的研究具有非常廣的應用前景和巨大的理論價值?，F(xiàn)在，導游機器人己經被我們當作為一種服務的工具。如今，隨著我們生活水平的提高和科學技術的快速發(fā)展，機器人的用處已經越來越廣泛，它可以承擔各種工作。機器人以前都是在工廠和車間里工作的，現(xiàn)在已經開始走向室外、大海甚至是太空。具有人工智能的自主式機器人正在向制造業(yè)以外的方向擴展，這些非制造業(yè)包括了航空、深海探測、軍事偵察和打擊、建筑、救護醫(yī)療、家庭服務、農業(yè)生產、自動化辦公和自然災害救援等，如飛行機器人、海難救援機器人、化肥和農藥噴撒空中機器人、護理機器人等[2]。最近幾年來，對導游機器人的研究受到了很多學者的重視，各種仿生的、智能的導游機器人越來越多，在很多的展館內，你都可以看到它們的身影，也許你已經享受過它們帶給你的優(yōu)越的服務。導游機器人可以和人對話，向你講解展館內展出物的知識。也可以像人類一樣行走，還可以有各種各樣的表情，這樣你就會不知不覺的忘記你的導游是個機器人。 1.2 國內導游機器人發(fā)展現(xiàn)狀 導游機器人的研究在國內起步較晚，但經過多年來的長足的發(fā)展也取得了很大進步，但大多數研究尚處于某個單項研究階段。國內的導游機器人研究主要經歷了算法的研究和仿真、國外機器人平臺的引進和自主開發(fā)三個階段[3]。下面是中國對導游機器人的一些研究成果。 清華V型智能車THMR-V是清華大學智能技術與系統(tǒng)國家重點實驗室在中科院院士張錢教授主持下研制的新一代智能導游機器人[4]，它可以在普通的馬路上行進，也可以在高速公路上行進，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，它的避障檢測系統(tǒng)是由一臺可以識別色彩的攝像機和一臺激光測距儀所組成的，它的定位導航系統(tǒng)是由DGPS(通過在固定測站和流動測站上進行同步觀測，利用在固定測站上所測得衛(wèi)星定位誤差數據改正流動測站上定位結果的衛(wèi)星定位)、磁羅經（利用地磁場固有的指向性測量空間姿態(tài)角度的）、光電碼盤（光學玻璃制成，在上面刻有許多同心碼道，每個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。運動的控制、信息的處理、集中、路徑的規(guī)劃、語音的交流、視覺的識別等功能是由兩個計算機系統(tǒng)有分工的控制的。距離信息的處理、GPS信息的處理、人機的交流管理、運動控制等功能是由四臺工業(yè)控制計算機分別完成的。根據設計的要求，在高速公路上，THMR-V的行駛速度可以達到80千米每小時，在普通的道路上可以達到20千米每小時。現(xiàn)在THMR-V已經可以在相對復雜的環(huán)境下，進行目標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方面的關鍵技術：1、基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術，2、基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術，3、路徑規(guī)劃的仿真技術，4、傳感技術、5、信息融合技術 [5]。 DY- I型導游機器人是海爾一哈爾濱工業(yè)大學機器人技術公司最近推出的新一代智能導游機器人，該機器人由伺服驅動系統(tǒng)、多傳感器信息、避障及路徑規(guī)劃系統(tǒng)、語言識別及語言合成系統(tǒng)組成。DY- I擁有良好的視覺識別功能、可以自主行駛、可以和人進行語言和簡單的肢體交流，并且它還有自己的面部表情，是智能型的導游機器人。DY- I的總高度約有170cm，重量在100kg左右，它有兩只很大的眼睛，擁有可以自如活動的手臂，行走機構是輪式的，從外表看它是金屬的，其實只是表面涂了金屬質感的漆，它是用一種非常特殊的玻璃鋼做成的。12個超聲波傳感器被裝在DY- I的身體的各個部位，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，并進行識別。與THMR-V一樣DY- I也裝有能分辨色彩的攝像機作為它的眼睛。它的臉部是仿照人的臉部輪廓制造的，所以看起來很真實，它也會跟人一樣眨眼睛，說話的時候嘴唇也是跟人一樣一張一合的，這些功能的設計都使得DY- I更具有親和力，更容易被人認可。DY- I可以靠下部的輪式行走機構在展館內自由的避障行走，它的感官很靈敏，如果在行進的過程中遇到人，它就會停下來跟游客友好的打個招呼，并回答游客的各種提問；如果行進過程中遇到的是障礙，它就會自主的控制轉向機構來改變行進的方向。另外DY- I的前面還裝有一個可觸摸式的屏幕，這樣游客就可以通過操作這個系統(tǒng)來了解自己想知道的各種豐富多彩的知識了 [6]。 1.3 導游機器人的研究熱點 綜合國內外對于導游機器人的研究的實際情況，當代導游機器人的研究主要集中在以下幾個方面。 (1)行走機構的結構。根據實際的需要，行走機構的結構的形式并不是完全單一的。實際應用中，導游機器人會被要求在各種各樣的場地上活動，因此它的行走機構的結構形式有很多種。當前，對腿足式行走機構、履帶式行走機構和特殊行走機構的研究比較的多，但很大一部分的研究還處在實驗室驗證的階段。輪式行走機構由于控制起來比較的簡單，穩(wěn)定性也好定，并且輪式行走機構的行進方式是滾動前進的，滾動摩擦所消耗的能源比其它的行進方式要少很多，所以輪式行走機構正在向實用化迅速發(fā)展[7]。 (2)運動控制技術。成熟的運動控制技術是導游機器人整體性能的基礎，由于導游機器人的手臂部分是一個不完整約束的結構，因此，控制系統(tǒng)不能通過連續(xù)可微的時不變的狀態(tài)反饋加以鎮(zhèn)定。為此，通過時變、不連續(xù)控制以及混合策略，根據動力學模型和運動學模型，建立合理的反饋控制律，實現(xiàn)速度和轉向的自動控制，以及不同工作狀態(tài)之間的平穩(wěn)過渡，是該項技術的核心內容[8]。 (3)路徑規(guī)劃技術。路徑的規(guī)劃技術主要包括基于地理信息的全局路徑規(guī)劃技術和基于傳感信息的局部路徑規(guī)劃技術[9]。導游機器人在行進的過程中，可能會遇到各種各樣的障礙，如果不能很好的避開這些障礙，導游機器人的移動就會存在著很多的未知風險，所以路徑的規(guī)劃技術，對于導游機器人來說，是十分重要的。 (4)實時視覺技術。實時的視覺技術主要包括視覺信息的實時采集、信息的處理、主要信息的提取跟識別。視覺信息的處理能力、處理速度、處理的可靠性和準確性是決定導游機器人智能系統(tǒng)性能的決定性因素[10]。 (5)定位和導航技術。定位和導航技術是當前導游機器人研制的重點，它是導游機器人運動控制的基礎，只有準確的定位，才能準確的控制導游機器人的移動。位移的測量方法有兩種，分別是相對測量法和絕對測量法，位置的測量方法有里程計、慣性導航、主動燈塔、磁羅經、GPS系統(tǒng)、地圖模型匹配和自然路標導航等[11]。 1.4 本課題的來源和研究內容 本課題是來源于某科技館的實際項目，并結合了實際生活中輪式行走機構應用的廣泛性而進行的設計。輪式行走機構相對于履帶式、腿足式和特殊行式等[12,13]，具有結構簡單、能源利用率高、設計方便、成本低等諸多優(yōu)點，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。輪式行走機構也分單輪、兩輪、三輪、和四輪等[14,15]。由于單輪和兩輪行走機構比較復雜，很多問題的解決超出本課題所要求的范圍，所以本設計就沒有對此兩種行走機構進行考慮。設計之初考慮的方案有三輪行走機構和四輪行走機構。 方案一：三輪行走機構 優(yōu)點：① 成本低。 ② 質量輕。 缺點：穩(wěn)定性較差。 方案二：四輪行走機構。 優(yōu)點：穩(wěn)定性好。 缺點：① 結構復雜，成本較高。 ② 質量重。 由于展館的地面比較平整，三輪機構和四輪機構的穩(wěn)定性區(qū)別不大，綜合考慮本設計決定采用三輪行走機構。圖1.1是確定的三輪機構的設計方案，后面將對此方案的規(guī)劃進行詳細的設計和計算。 圖1.1 設計方案簡圖 如圖1.1所示，驅動部分是由驅動電機帶動減速器的軸轉動，通過減速器的減速，使系統(tǒng)的轉速下降，再由減速器將轉動傳遞給一對相互嚙合的齒輪，再通過齒輪將轉動傳遞給驅動輪，使導游機器人前進。轉向部分是由轉向電機帶動一對相互嚙合的齒輪，再通過齒輪的轉動，帶動轉向輪轉向的。 圖中驅動電機為伺服電機，伺服電機的特點是結構比較簡單、比較的堅固能用很長時間、可靠性也較高，轉矩的脈動低，噪聲小，不需要位置傳感器，轉速也可以很高。伺服電機矢量控制調速技術比較成熟，這就使得采用伺服電機驅動的系統(tǒng)相比較而言具有一定的優(yōu)勢，伺服電機的轉速通常較快，又由于導游機器人的行進的速度較慢，所以在驅動電機和工作軸之間要有減速機構，圖中的減速器就是減速機構。驅動輪和驅動副輪是單獨安裝，目的是為了轉向的方便，如果將兩個輪子裝在同一軸上，轉向時由于是同一軸來驅動的，無法做到差速轉向，會給轉向帶來一定的麻煩。 圖中的轉向電機為步進電機，步進電機不同與伺服電機，它是開環(huán)的。它的角位移或線位移是通過脈沖信號控制的。在不超載的情況下，步進電機的止動的位置、轉速僅僅是由脈沖信號的頻率和脈沖數決定的，而不受負載變化的影響，也就是說給電機加一個脈沖信號，電機就轉過一個步距角。加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。轉向電機和轉向輪之間用兩個相同的齒輪來傳動，齒輪傳動平穩(wěn)可靠、傳動比精度高、工作效率好、使用壽命長。齒輪傳動的使用功率、轉速和尺寸的范圍都很寬。 2 驅動部分設計 2.1 設計概述 驅動部分的設計首先要確定驅動的方案（在前面已經確定過了），即選用什么樣的電機、是否設置減速機構、輪子的直徑大小以及各部分的連接。考慮到是展館導游機器人，行進的速度并不快，并且要求的是用蓄電池供電，能比較長時間的連續(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。由于伺服電機的轉速一般都較快，所以設計中考慮選用減速機構。 初步選定的減速方案如圖2.1所示。 圖2.1 減速部分簡圖 設計指標：導游機器人的總體尺寸≤500mm×500mm×1500mm(長x寬x髙)；總重量：≤30kg；最大行進速度約0.6m/s。故要求： 機器人底盤輪式行走系統(tǒng)總體尺寸≤450mm×500mm×200mm；具有行走和轉向功能； 重量≤12kg； 最大行進速度約0.6m/s； 車輪直徑：120～160mm。 2.2 驅動電機的選擇 根據設計所要求的指標，初步選擇車輪的直徑為150mm ； 機器人的總重量: 30 kg ； 普通的橡膠制輪胎與地面的摩擦系數：； 輪胎與地面的摩擦力:； 驅動所需最小功率：(不考慮傳遞過程中功的損耗)； 損耗后所需的實際功率：； 式中 為電動機至車輪的傳動裝置的總效率。由上面的圖2.1可知： （2.1） 由表2.1，取聯(lián)軸器效率，滾動軸承效率，閉式圓柱齒輪效率，開式圓柱齒輪效率。 表2.1 機械傳動和軸承效率的概率值 類型 開式 閉式 圓柱齒輪傳動 0.94-0.96 0.96-0.99 圓錐齒輪傳動 0.92-0.95 0.94-0.98 蝸桿傳動 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NGW行星齒輪傳動 0.97-0.99 鏈傳動 0.90-0.93 0.95-0.97 摩擦輪傳動 0.70-0.88 皮帶傳動 0.97-0.98 三角帶傳動 0.94-0.97 滾動軸承（每對） 0.98-0.995 續(xù)表 表2.1 機械傳動和軸承效率的概率值 滑動軸承（每對） 00.97-0.99 聯(lián)軸器 具有中間可動元件 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 根據以上計算初選直流電機型號：Z2-21型，功率：0.7KW,轉速：=1400rad/s。 2.3 減速器的設計 2.3.1 計算總的減速比和各級的傳動比 減速器的設計步驟是先用PRO/E軟件三維造型。然后根據三維造型，進行各零部件的尺寸計算，校核。最后根據計算的結果用AUTO/CAD軟件進行二維三視圖的表達。三維造型透視圖如圖2.2。 圖2.2 減速器的三維透視圖 機器人行進速度：0.6m/s ； 車輪直徑：150mm ； 車輪角速度：； 車輪轉速：； 總減速比：； 展開式二級圓柱齒輪減速器，考慮潤滑條件，應使兩個大齒輪的直徑相近，高速級略小一些，按 ，所以取 ， 。 2.3.2 計算各個傳動軸運動和動力參數 各軸由高速級到低速級依次設為軸Ⅰ、軸Ⅱ、軸Ⅲ、軸Ⅳ（工作軸）?！? （1） 各軸轉速 ? 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 運動和動力參數結果如下表2.2。 表2.2 各軸的運動和動力參數 軸號 功率P(W) 轉矩T() 轉速（r/min） 電動機軸 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 減速器各級齒輪的設計與計算 一、高速級減速齒輪的設計 （1）齒輪類型、精度、材料以及齒數的確定。 （a）按照之前設計好的傳動方案，選用的齒輪是直齒圓柱齒輪。 （b）行走機構為一般機器，速度不高，故選用七級精度（GB10095-88）。 （c）減速器的傳動軸以及齒輪按一般情況選用經正火處理的45鋼，硬度200HBS。 （d）齒輪的齒數越多，傳動就越加的平穩(wěn)，故取小齒輪齒數，則大齒輪的齒數。 （2）按齒面得接觸疲勞強度進行齒輪的參數的設計 由公式： （2.2） 來進行初步的試算。 （a）先確定該公式內各參數的數值。 ① 試選的載荷系數 Kt = 1.3。 ② 小齒輪所傳遞的轉矩。 ③ 式中齒寬系數可以查取圓柱齒輪的齒寬系數表，得到。 ④ 式中的彈性影響系數可以，查取彈性影響系數表，得到的。 ⑤ 由齒輪接觸疲勞強度極限圖可以得到： 小齒輪的接觸疲勞極限； 大齒輪的接觸疲勞極限。 ⑥ 由應力循環(huán)次數的公式可以得到： ； 。 ⑦ 按照材料的接觸疲勞壽命系數圖，取得：，。 ⑧ 計算接觸疲勞許用應力。 選取的失效概率為1%，安全系數S=1，則： ； 。 （b）齒輪參數的計算 ① 試算小齒輪分度圓直徑,代人中較小的值 。 ② 計算齒輪轉動時是的圓周速度v 。 ③ 計算齒輪的齒寬b 。 ④ 計算齒輪的齒寬與齒高之比 b/h 齒輪的模數：； 輪齒的高度： ； 齒高與齒寬之比：。 ⑤ 計算齒輪的載荷系數 根據V=0.9m/s，7級精度。由動載荷系數表，查得的動載系數=1.05 。 由使用系數表，查得的使用系數K=1 。 因為是直齒輪，所以 。 由齒向載荷分布系數表，用插值法查得7級精度，小齒輪（硬齒面）相對布置時 ，故載荷系數 。 ⑥ 按實際的載荷系數校正后，所算得的分度圓直徑 ⑦ 計算齒輪的模數m： 查取齒輪的模數表，取得m=0.6。 ,故取小齒輪齒數為22。 ，取。 （c）齒輪幾何尺寸計算 齒輪的分度圓直徑； 。 兩個配對齒輪的中心距 。 大齒輪的寬度 ， 圓整后取小齒輪齒寬 ，大齒輪齒寬。 二、低速級減速齒輪設計 （1）選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數。 （a）按設計的傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。 （b）行走機構為一般機器，速度不高，故選用七級精度（GB10095-88）。 （c）材料選擇。 減速器傳動軸及齒輪一般選用經正火處理的45鋼，硬度200HBS。 （d）齒輪的齒數越多，傳動越加的平穩(wěn)，故取小齒輪齒數，則大齒輪的齒數 取 。 （2）按齒面接觸疲勞強度來設計 由公式（2.2）進行試算。 （a）確定公式內各參數的數值 ① 試選取的載荷系數為Kt=1.3。 ② 小齒輪所傳遞的轉矩 。 ③ 式中齒寬系數可以查取圓柱齒輪的齒寬系數表，得到。 ④ 式中的彈性影響系數可以，查取彈性影響系數表，得到的。 ⑤ 查齒輪接觸疲勞強度極限圖得： 小齒輪接觸疲勞極限 大齒輪接觸疲勞極限 ⑥ 由應力循環(huán)次數的公式得 ⑦ 由接觸疲勞壽命系數圖，取， 。 ⑧ 計算接觸疲勞許用應力 取失效概念為1%，安全系數S=1,則： （b）齒輪參數的計算 ① 試算小齒輪分度圓直徑,代人中較小的值 ② 計算齒輪轉動時的圓周速度v 計算齒輪輪齒的齒寬b ③ 計算齒寬與齒高之比b/h 齒輪的模數： 輪齒的高度： 輪齒的寬度和高度之比： ④ 計算載荷系數 根據V=0.29m/s，7級精度。由動載荷系數表，查得的動載系數=1.02。 由使用系數表，查得的使用系數K=1。 因為是直齒輪，所以。 由齒向載荷分布系數表，用插值法查得7級精度，小齒輪（硬齒面）相對布置時。故載荷系數。 ⑤ 按實際的載荷系數校正所得的分度圓直徑。 ⑥ 計算模數m ，查齒輪模數表，取m=1。 ,故取小齒輪齒數為22。，取。 （c）齒輪幾何尺寸計算 齒輪的分度圓直徑； 。 兩配對齒輪的中心距 ； 計算大齒輪的寬度 ； 圓整后取大齒輪的寬度： ，小齒輪的寬度：。 由以上計算所得的齒輪參數如表2.3。 表2.3 齒輪參數 參數 d m z a b 高速級 大 66 0.6 110 39.6 14 20° 小 13.2 22 19 低速級 大 89 1 89 55.5 22 小 22 22 27 2.3.4 減速器內各軸的設計 軸Ⅰ的設計。 （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，對其重量和尺寸也無特殊要求故選擇常用材料45鋼,調質處理. （2）計算軸的最小直徑 按扭矩來計算軸的最小直徑,取系數 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軸的強度的削弱，同時考慮啟動轉矩、安全、美觀等方面的原因，在導師的建議下，選用的軸的最小直徑比大很多，，故軸的直徑完全能滿足設計的需要，也就不用校核軸的強度了。 （3）聯(lián)軸器和軸承的選擇。 聯(lián)軸器為LZ1型（GB/T 3852-1997）,軸承為6000-628型（GB/T 276-1994） 根據軸承確定軸Ⅰ的最小直徑D1=6,L1=18。承的安裝部分的尺寸為D1=6。 （4）結構設計 各段軸尺寸的確定。 最小的直徑已經在前面確定了，后面的就可以按照軸上面安裝的各個零件的尺寸和位置，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，長度尺寸按端蓋厚度S=23、端蓋離聯(lián)軸器的距離為L=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，長度尺寸由與軸上齒輪配合的齒輪離箱體的內壁的距離（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,長度尺寸由軸Ⅱ上的大小齒輪間距△ 以及大小齒輪離箱體內壁的距離等確定，L5=46.5。 第6段得直徑由軸承來確定，D6=8，長度尺寸由軸承和擋油環(huán)確定，L6=16。由以上的計算可以得出軸Ⅰ的全部尺寸，如圖2.3所示。: 圖2.3 軸Ⅰ的尺寸圖 其他各軸的尺寸計算與軸Ⅰ的計算過程雷同，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 減速器其他部分結構尺寸由機械設計手冊查得，如表2.4所示。 表2.4 減速器機體主要尺寸表 名稱 尺寸 機座壁厚 8 機蓋壁厚 8 機座緣厚度 12 機蓋凸緣厚度 12 機底座凸緣厚度 19.5 地腳螺釘直徑 M12 地腳螺釘數目 4 蓋與座連接螺釘數目 4 軸承端蓋螺釘直徑 M6 窺視孔蓋螺釘直徑 M6 大齒輪頂圓與內機壁距離 10 齒輪端面與機壁距離 10 中間軸兩齒輪之間距離 8 2.4 驅動軸的設計 計算軸上最小直徑。 按扭矩來計算軸的最小直徑,取系數 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軸的強度的削弱，同時考慮啟動轉矩、安全、美觀等方面的原因，在導師的建議下，選用的軸的最小直徑比大很多，，故軸的直徑完全能滿足設計的需要，也就不用校核軸的強度了。 軸上各段具體尺寸的計算。 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，長度尺寸由與軸上輪配合的齒輪離箱體的內壁的距離（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，長度尺寸由結構決定L5=53。 第6段的直徑由軸承來確定，D6=15，長度尺寸由軸承和擋油環(huán)確定，L6=13。 由以上的計算可以得出驅動軸的全部尺寸，如圖2.6所示。 圖2.6 工作軸的尺寸 3 轉向部分設計 轉向部分的設計依然是遵循先三維造型后計算的原則，轉向支架與電機之間由于安裝尺寸的關系，不能很好的放在一起，所以本設計是采用兩個基本相同的齒輪來將電機的轉動傳遞到轉向支架上的，由于兩個齒輪的模數和齒數是相同的，所以，傳動的過程中并沒有速度差，傳動的效率也比較的高。 轉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，因為齒輪的表達會影響到電機軸和支架上的軸的表達。底板與支架之間承接采用的是推力球軸承，這樣轉向過程中支架所受到的摩擦力就很小了，轉向輪的選用和安裝與前面設計的驅動輪副輪完全相似，只是轉向輪的直徑要比驅動副輪的直徑小一些，D=140mm,故不在此贅述。 圖3.1 驅動部分的三維造型圖 3.1 轉向電機的選擇 轉向電機選用的是步進電機。 步進電機在選擇的時候，必須要保證步進電機的額定輸出功率大于負載所需要的功率。為此，首先要計算出轉向機構的負載轉矩，得出計算結果后，再根據步進電機的最大靜轉矩來選取所要的電機，但是一定要確保電機的額定轉矩要大于轉向機構的負載轉矩，并且要有一定的余量，這樣才安全。最大靜力矩大的電機，負載力矩一般都是比較大的，所以選用的電機的依據可以是最大靜力矩。 轉向機構的轉矩計算： 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 轉矩 T=30×10=300N·m=0.3N·m 考慮到啟動轉矩比靜轉矩要大一些，還有傳動過程中的損耗，取T=0.3×1.5=0.45N·m 。 根據計算的結果，查步進電機的選用表3.1。 表3.1 步進電機選用略表 型號 相數 步距角 電壓 (V) 電流 (A) 最大靜轉矩 (N·m) 轉動慣量 (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 根據表3.1選用35BYG001 型電動機，它的外形安裝尺寸如圖3.3所示。 圖3.3 35BYG001型電動機參考尺寸 3.2 轉向支架的設計 支架的單獨三維造型如圖3.4所示。 圖3.4 支架的三維造型圖 前輪支架的設計主要考慮的因素有輪的直徑和傳動部分軸的直徑等。 計算支架組件中軸的最小直徑 通過扭矩來計算軸的最小的直徑, 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，根據選用的推力球軸承取D1=12mm,L1=14mm。軸承的型號為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，橫向寬度L=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 支架組件的簡圖 4 輪和底板的設計 4.1 車輪的選用 輪的直徑在前面已經選定，為150mm。輪的材料選擇主要從成本和運動的平穩(wěn)性兩個方面著想，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凸臺式支撐架，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 底板的設計 底板的尺寸完全由安裝時各零件的尺寸所決定，在三維造型時，考慮的問題比較的全面，故在此不做具體的尺寸的設計，具體的尺寸可以在CAD總裝圖上都有表達。三維造型見圖4.4。 圖4.4 底板的三維造型圖 該底板的結構分兩部分，后半部分是驅動機構的安裝部分，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，同時為了減輕重量，將中間部分掏空。四個圓孔是用來安裝輪的，兩邊會用端蓋來固定軸承的位置。前半部分是用來暗轉轉向機構的，為了方便電機的安裝，中間也凹下去一小塊，孔是支撐架的安裝孔，整個前半部分是架在支架上的推力球軸承上的，方便轉向。 結束語 經過了幾個月的緊張忙碌的學習和工作，我終于完成了導游機器人輪式行走機構的設計。從開始接到設計的題目到方案的確定，再到設計的完成，我花費了大量的時間來查閱資料和設計，并對以前學過的知識進行了一次系統(tǒng)性的總結。這是我第一次在有導師的指導下，獨立的完成一個課題的設計，通過這次設計我開始獨立的學習和探索，查看相關的書籍，讓自己頭腦從模糊大概到逐漸清晰。這次做設計的經歷必將使我終生受益，并了解了自己在學習過程中的缺陷和不足。一定能夠在以后的工作和學習中激勵我繼續(xù)進步。 由于這是我第一次完成一個比較完整的設計程序，加上我我的水平有限，設計中難免有不盡如人意的地方處，還請各位老師給予批評、指正。 致謝 在畢業(yè)設計期間，無論是外文翻譯、開題報告以及設計方案的確定、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。周教授學識淵博、治學嚴謹、平易近人，是我學習和生活的榜樣。在此我特向周教授表示最崇高的敬意和由衷的感謝。同時在本次設計過程中，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 [1] 王炎，周大威. 移動式服務機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及我們的研究[J]. 電氣傳動，2000， (4)：26~33. [2] 李開生,張慧慧,費仁元,宗光華. 制造業(yè)自動化[J]. 2008,22 (6)：58~64. [3] 謝森林，董曉慶. 智能導游機器人的研制[J]. 科技信息，2009,(6): 84~85. [4] 陳軍，陳振華，李素平，徐智武. 迎賓機器人輪式移動工作臺的設計與控制方法研究[J]. 機械制造，2009,47 (543): 24~26. [5] 朱磊磊，陳軍. 輪式移動機器人研究綜述[J]. 機床與液壓,2009,37,(8): 242~246. [6] Gordon McComb,Myke Predko[M]. 龐明，王曉宇，任宗偉，李牧，蘇相國[譯]. 機器人設計與實現(xiàn). 北京：科學出版社, 2003. [7] 張毅，羅元，鄭太雄等. 移動機器人技術及應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005. [8] 宗光華等. 機器人的創(chuàng)意設計與實踐[M]. 北京：航天航空大學出版社，2004. [9] 蔡自興. 機器人原理及其應用[M]. 長沙：中南工業(yè)大學 ，2000. [10] 周佰英. 工業(yè)機器人設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1995. [11] 王曉鳴. 電機的單片機控制[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2002. [12] 張富學. 傳感器應用及其電路精選[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1992. [13] 熊有倫. 機器人技術基礎[M]. 武漢：華中理工大學出版社，1996. [14] 龔振邦. 機器人機械設計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，1995. [15] 吳瑞祥. 機器人技術及應用[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，1994.