两轮机器人的行走机构设计 【原创论文+全套CAD图纸】
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更多设计， 两轮机器人的 行走机构设计 载请咨询， 配套三维图 图 书 分类号： 密 级： 更多设计， 摘要 随着科技的发展和社会的进步，人们的出行方式越来越多元化，双轮平衡车这种灵巧类短途代步工具已越来越多地进入人们的视野。本文旨在对双轮平衡车的行走机构进行研究设计，并开发出站立或者坐式两种工作状态，为腿脚不便的残疾人提供灵便的出行方案，可以说有很好的研究价值和前景。 多功能双轮平衡车由踏板、 车把和两个平行的轮子和一个可拆卸的座椅组成。内置了无刷永磁电机，锂电池安装在电机下方，控制电路分布于底盘以上，踏板以下。双轮车的平衡保持主要依靠姿态传感器（陀螺仪、加速度计）来传递信息，传给 理器会算出适当数据，并发出相应的指令，驱动电动机接到指令后，会产生相应的转速，再通过轴和联轴器传给减速器，减速器再传给车轮，车轮通过正转反转来保持平衡。车体的转弯通过车把的左右倾斜角度来控制，不同的倾斜角度对应电机不同的速度差。当然在安上座椅后，平衡车会自动切换另一种较为安全的驾驶模式，以便残疾人安全使用。该 系统灵活性强且结构简单、操作容易，是老少皆宜的出行散步的代步工具。 另外 ，在行走机构中，将采用磁力机械提高传动效率，增加平衡车的安全性和可靠性。 关键词 行走机构；自平衡；加速度计；磁力机械 更多设计， of of of s to of in a or a in a be to is of a a of is in of to of in to or to of to Of of of on a in to of is of be as in a of In in of to of of 4 目 录 摘要 . 2 . 3 目 录 . 4 1 绪论 . 1 题背景 . 1 轮自平衡机器人分类 . 2 轮机器人研究概况 . 3 外研究现状 . 3 内研究现状 . 4 功能双轮车的研究目的及意义 . 5 文主要研究内容 . 6 章小结 . 6 . 7 轮机器人的工作原理 . 7 动机的选择 . 8 流无刷电动机的调速 . 10 速器的选择 . 12 速比的确定 . 12 速器型号的确定 . 12 力机械在双轮机器人中的应用 . 14 力联轴器的设计 . 14 章小结 . 15 3 行走的机构设计与计算 . 16 挂系统的设计 . 16 胎的设计与选择 . 21 轮的选择 . 22 胎的选择 . 23 盘结构设计 . 23 盘的外形设计 . 24 盘的材料选择 . 25 章小结 . 26 4 控制系统设计概述 . 27 制系统的组成 . 27 5 制电路的设计 . 28 结论 . 30 致谢 . 32 参考文献 . 32 1 1 绪论 题背景 科技是第一生产力，机器人已经成为一种新型的生产工具，应用范围已 经越来越广，几乎渗透到各个领域。机器人在减轻人的劳动强度、提高劳动生产率、减少作业危险性等方面都显示出极大的优势。由于机器人要代替人力进行作业，根据代替的部位可以把机器人主要分为两大类：操作机器人 (手 )，即利用等同于手臂的机械手、相当于手指的手抓来移动物体；移动机器人 (腿 )，即步行机器人或用车轮进行移动的机器人 0 移动机器人由于它的广阔应用前景，已经成为该研究领域的一个重要分支。其移动方式主要有轮式、履带式、腿式、推 进式等。其中轮式机器人由于具有结构简单、成本低、能量利用率高等特点，已经成为机器人的一个重要研究方向。 0 轮式机器人在工作中可能会遇到工作区域狭窄、路面不平、需要经常转向等复杂的工作环境，如何在这样的环境里灵活快捷的完成任务，使机器人不但能够适应特定的环境，还能在动态变化的复杂未知环境中体现出高度的灵活适应性，成为一个值得重点研究的课题。 在这样的背景下两轮自平衡机器人应运而生。两轮自平衡机器人的行走机构由车轮，电机，悬挂，轴承等部分组成。其中两个车轮位于同一轴线，分别由两个直流伺服电机独立驱动，通过运动保持动态自平衡。其中，驾驶该平衡车的人与该系统组成一个整体，换言之，人也是这个机器人的一部分，通过人的动作和重心变化，才能实现车的智能化行走。与传统的轮式移动机器人相比，两轮自平衡机器人具有很多优点： 1. 转弯半径为零：机器人绕本体中心旋转，有利于在狭窄场所改变方向，可以在小空间范围灵活运动，移动轨迹更为灵活，弥补了传统多轮布局的缺陷； 2. 无刹车系统：由 动给出正反转力矩，从而达到快速稳定的刹 车效果；控制方便，只需要身体向运动相反方向倾斜，便可停止。前进后退自如； 3. 驱动功率减小，为平衡车的长时间运行提供支持； 4. 特殊的应用场合：可应用于步行街、广场、游乐场和大型会场等汽车无法通行、步行又太累的场合，既减少污染又解决交通堵塞问题，并且还为环保轻型车提供了一种新的思路。 由于结构特殊，两轮自平衡机器人体积小、质量轻、运动灵活、适应地形变化能力强、 2 方便地实现零半径回转、适于在狭小和危险的工作空间内活动、能够胜任一些复杂环境里的工作。此外，由于微电子技术、计算机技术、控制技术、电源技 术、驱动技术、传感器技术的不断进步，为两轮自平衡机器人技术提供了坚实的理论基础并极大的降低了研制成本，有力地推动了两轮自平衡机器人由理论研究向工程实践发展。 0 轮自平衡机器人分类 两轮自平衡机器人种类繁多，它的典型应用有代步工具、通勤车、空间探索、战地侦查、危险品运输、智能轮椅、多机器人合作、足球机器人等方面。但为了更进一步地理解两轮自平衡机器人的本质，还需根据机器人的特点进行分类。 依照控制系统的传感器 的不同 ， 可以分成单一传感器与组合传感器两种 。 单传感器一般采取陀螺仪方案 ， 通过光电或红外接近探测器利用处理传感器测出仰角 ， 该法简单但精度低且易受干扰 。 所以 ， 此类机器人工时短 ， 功能少 。而组合传感器类的双轮平衡车，由于采用了加速度计、倾角计等多种定位仪器配合使用，可以提高精度，降低成本。因为它算法复杂，故需要对滤波器进行精确调校。 根据双轮机器人的结构变化 ， 质心位置是否可变 ， 可分为两类 ： 定质心 和变质心。定质心机器人是研究两轮平衡车的基础，因为它的质心不变，控制起来相对简单，自平衡更容易实现；但是质心不变会导致其他 结构也不能改变，功能扩展方面较困难，限制了该类机器人的发展。变质心一类，由于质心可变，辅助功能模块就可以变化，可以方便搭载乘客、运输物品。今后两轮自平衡机器人的研究趋势是朝着变质心的方向发展的。 按照双轮机器人的结构形式 ， 可分为倒立摆 （ 集中 ） 式和质量均布 （ 堆叠式 ）。倒摆式的机器人质量主要分布在摆杆顶端和车轴上，如果摆杆厂的话，设计的时候可以参考倒立摆的研究成果，但对于功能的拓展，有一定的局限性。 除此三种分类以外 ， 根据滤波器又可以分为硬件滤波与软件滤波 ； 还可以根据倾角测量的不同方式 ， 分为直接和间接测量两类 ； 根据功能差异分为服务型、研究型和玩具型。为了更直观更系统，也可以采用图表表达，双轮自平衡车分类如下表 1 3 表 1质心位置 系统结构 感知系统 定质心 倒立摆式 单传感器式 组合合传感器式 质量均布式 单传感器式 组合传感器式 变质心 倒立摆式 组合传感器式 质量均布式 轮机器人研究概况 最早提出双轮机器人构想的是日本科学家 ， 1987年便申请了专利。后来，美国、瑞士和法国在系统设计与实现，自平衡，运动规划等方面取得进展，并取得很 多研究成果。国内对双轮车的研究起步较晚。 2006年左右才开始兴起，主要是中科大，北理工等高校参与研究，如今，方兴未艾。 外研究现状 【更多毕业设计， 【代做毕业设计， 2002年， 噪一时，该车速度最快可以达到 20km/五个陀螺仪，有两个是备用的，主要说的三个用来检测前后左右的倾斜。它们收集的信息传输给主控芯片。该芯片运算效率是一般电脑的 3倍。在最高中枢，“直觉软件”会当场分析各类信 息。从而调整电动机转速。它的出现可以说是出行方式的一场革命， 速成为行业内的标杆，其平衡方式，控制系统，行走机构等方面成为各个研究机构争相研究的材料。它采用传感器，利用倒立摆的原理创造性的设计出了可以零半径转弯的两轮交通工具。 4 图 1平衡双轮脚踏车 007年，三洋电机发明了可依靠上体倒立来保持平衡的双轮机器人， 叫 “ 如图 1地时最大时速 30S，最大载重 10走时间 1 小时。 直流电动机的输出功率为 90w，头部有两个。为了感知上体的平衡状态 ，采用用了 1 个 3 轴加速度传感器和 3个陀螺仪的传感方案。 图 1器人 014 年，日本 学和 学的研究人员研制出生活机器人。该两轮机器人多了操作手，因此可以进行辅助运动和搬运物体。通过关节连接处的上下摆杆改变机器人的形态。机器人的灵活运动是通过倒立摆保证的。它可以抓取物体，能够坐下，当然也可以自主站起来，可以说是双轮自平衡机器人迈向多功能化的一个巨大突破。 内研究现状 2003 年，中国科技大学屠运武、张培仁等成功研制了如图 1示的自平衡两 轮电动车 的转弯半径为零，可以在狭小空间内灵活运动，无刹车系统，整车质量约 为 30 公斤。驾驶者利用身体的前倾与后倾实现双轮车的变速。控制手柄的作用是原地转弯任意角度。最高时速可达 10 公里，续航 30 公里。作者运用动力学的相关知识对系统进行分析，车体大角度变化问题与非线性控制问题是通过采用模糊自适应控制策略来 5 解决。 2015年，李勇，耿建平等人在双飞轮陀螺效应在双轮平衡车中的应用进行了研究。他们基于矢量动力学建立单飞轮自平衡动力学模型，基于 制理论推导出方程组，最后以该实验为基 础，研制出双飞轮陀螺效应的自平衡车，以 智能手机为控制平台，以 验验证了双飞轮陀螺效应的双轮车具有更好的平衡性和抗撞击性。 2015年，河北联合大学的任红格，向迎帆等人研究了两轮机器人中内在动机的强化算法。就是利用内在动机信号作为内部奖励，模拟人类的认知方法并与外部信号一起作用于学习过程，同时采用自组织神经网络协助快速运算。这种算法可以使机器人在未知复杂的环境中通过自主学习最终达到平衡，体现了该算法的鲁棒性，在机器人智能化上迈出深远的一步。 图 1人 功能双轮车的研究目的及意义 近年来，随着科技水平的提高，人们的出行方式也越来越多元化，双轮车，这个十年前在人们看来还是尖端技术的产品如今已进入寻常百姓家。但是我们不难发现，接触到双轮平衡车的大多是年轻人，对于身体不够灵活，协调性不够好的老年人甚至残疾人来说，双轮车只不过是年轻人娱乐的一种玩具。 而事实上双轮车的存在就是为了那些出行不便的人提供便捷的行走方案的 。为此，在普通的双轮车上增加可拆卸式座椅，制动装置，紧急求助系统等装置是很有必要的。而且多功能的存在可以提高双轮车的 性价比。毕竟花大几千元购置一个成年人的“玩具”，大多数家庭是不会选择购买的。因此多年龄层可以共同使用的多功能双轮车具有很好的研究前景。 6 另外双轮自动平衡机器人在学术上也有重要的研究价值 ， 它是动力学研究和控制理论相结合的产物 ， 在人及智能方面 ， 对双轮车自动识别障碍并保持平衡的研究对鲁棒性的验证具有极其重要的意义 。 总而言之 ， 双轮自动平衡机器人是理论与实践相结合的产物 。 既有理论研究的意义 ，又有实用价值 。受到各国科学家的广泛关注。已经成为近年来炙手可热的研究项目之一。 文主要研究内容 本文的主要研究对象是双 轮自平衡车 ， 由于它本质不稳定 ， 多变量 ， 非线性 ， 强耦合 。再加上复杂多变的运行环境 。 控制任务也有复杂性 。 由于专业和自身水平限制，本文主要从行走机构方面和控制系统方面进行研究。主要研究内容为以下 5点： （ 1）通过分析近年来国内外双轮自平衡车的结构组成，给出较合理的几种行走机构方案，并择优选择。 （ 2）对硬件进行设计，包括车轮的设计，电动机的选择，悬挂系统的设计，电机支架的设计，制动系统的设计等。 （ 3）对各个部分的硬件参数进行分析计算，算出该车最大的可控角度。 （ 4）多功能的体现，具体阐述该车与普通双轮车的 不同之处，创新结构等。 （ 5）对控制平衡的系统和电路进行简单设计。 章小结 本章主要介绍了 轮式机器人的发展历程，继而引出了两轮机器人的课题研究背景，接着介绍了关于两轮车的国内国外研究现状，对一般的双轮车系统进行分类，探寻出研究双轮车的目的，最后引出本文的研究内容。 7 行走机构可以说是双轮自平衡机器人的基础，多功能双轮平衡车需要承载更多的附加功能，因此需要对其行走机构进行具体的设计。比如由于多了座椅而需要增加电机功率。因为老人、残疾人的使用而需要增加的制动系统和保 护装置。本章将具体介绍该车行走机构中各部件的设计与选择。 轮机器人的工作原理 多功能双轮平衡车与普通双轮车的不同之处在于它可以坐着开 。 通过座椅的拆卸和车把手的高低调整来实现站和坐两种驾驶体验 。 它的侧面结构如图 2止状态下车身与地面保持垂直。行驶状态下，摆动的最大角度前后不超过 30。 图 2车倾斜示意图 车未启动时，车轮和车身相对独立。也就是说，车身的前后摆动对车轮的状态是没有影响的。当双轮车启动后，小车有三种运动状态，需要合理的控制方法。基本原理就是当车体倾斜时，倾角传感器 测出角度，控制系统根据倾角得出一个人相应的力矩，传输给电机，通过车轮转速的变化来保持平衡。 当平衡车前倾时 ， 车身重心在前边 ， 为保持平衡 ， 车轮向前滚动 ， 以此来保证小车的平衡 。 同理 ， 当后倾时 ， 车轮向后滚动来保持平衡 。 当车身的重心在电机轴心线的垂直平分线上时 ， 车身静止 ， 无需控制 。 需要提到的是 。 当驾驶者坐在平衡车上时 ， 车还未启动 ，车前倾， 为保持平衡 ， 脚踏板起到一个支撑杆的作用 ， 当车启动时 ， 脚踏板随之抬起 ， 正常运行 。 8 多功能双轮自平衡车外形如图 2 图 与一般双轮车不同的是 ，该设计增加了可拆卸式座椅，驾驶者可以体验站立或坐式两种驾驶方式，把手高度可调节，适应不同高度的驾驶人群。另外，因为有残疾人的驾驶模式，本双轮车增加了手刹的功能。在车停止时，通过手刹抱死车轮，车可以安全地停在原地，避免不必要的意外发生。 动机的选择 双轮车体积小 ， 质量轻 ， 一般采用锂电池供电 ，故选用直流电机。 可以选择的电机种类有 ： 直流有刷电机 、永磁式直流无刷电机、电磁式直流电机、步进电机等。 直流有刷电机控制性好 ， 转动惯量的范围可以控制的很小 ， 反应速度快 ， 可以满足双轮平衡车对敏捷度苛刻的要求 ； 另外 ， 该类电动机调速快 ， 范围广 ， 满足了双轮平衡车的 9 快速性要求 ；过载性好，机械性能过硬，可以达到轻松爬坡，通过障碍的目的；且其本身所具有的低速平稳性恰巧迎合了双轮平衡车对安全性的要求。但是，因为有换向器和电刷的存在，引起的了电机的可靠性不足，使用寿命缩短，这会严重影响双轮平衡车的实际使用。 步进电机在数字控制方面性能较好 ， 可以制动和反转 、 快速启动 ， 抗干扰的能力也很强 。 但它也有自身的局限性 ，比如由于它的步距角被固定，灵活性大大降低，单步响应的过程中有震荡和过冲量 ，承载惯性负载能力弱，不利于双轮车的平衡控制。另外，该类型电机控制线路复杂，而双轮车结构小巧，电机空间更小，无法满足布线的要求。 电磁式直流电机转速变化率小，电流恒定，转矩比普通电机大，满足双轮车的动力需求，可以提高双轮车在复杂环境下的灵活性。但是这类电机的空载率较高，启动电流大，对蓄电池的寿命有一定影响。同时抗干扰性差，不利于双轮平衡车的平稳运行。 直流无刷永磁式电机没有换向器 ，无电刷，寿命长，有较高的可靠性，而且它无需励磁，功率因数接近 1，转化效率高。它启动转矩大，启动电流小。可以说很好的满足了双轮自动 平衡车的动力需求。 现在 ， 我们来通过计算对电机的具体型号进行选择 ： 首先要对力矩与功率进行换算 ： 式 (602 n 式 （ 602 式 (式中 P 功率 ， W； 角速度 ， ra/s; N 转速 ， r/M 力矩 ， N 0m 双轮平衡车能承受的最大载重为 200大运行速度为 20km/h,根据所要求的加速度，可以估算出驱动力矩 据要求的最大运行速度，并且考虑安全情况以及传动效率，可以计算出电动机的功率大致为： 10 式 （ 式中 K 安全系数 ； 传动效率 ； 车轮半径 。 所以 ， 综合以上因素 ， 且考虑到系统应用的需求 ， 本车将采用额定功率 400w、额定电压 48v，转速 2000的永磁式直流无刷电机作为驱动电机。它是由博世（ 司生产的 80机。此类电机驱动力强劲，因此可以保证小车有足够的力来保持平衡。电机外形如图 2 图 2世直流无刷永磁电机 流无刷电动机的调速 调速，顾名思义，是在负载的状态下，使用一定的手段使电动机或电源参数发生改变 ，进而改变电动机的机械特性曲线，以此来改变发动机转速。调速有两层意思。一个就是 “ 恒速 ” ；还有就是在某以范围内 “ 变速 ” 。一般地，永磁式直流无刷电机和有刷电机的机械特性方程基本一致，以此类比，它们的调速方法相同， 共三种： 11 过改变电机磁通可以进行无极调速 ，但它有一定的局限性，即只能减弱，也就是说只能在额定转速的基础上向上调速，是一种恒功率调速的方法。但无刷电机的定子磁场一般是永磁铁产生的，故此种调速方法不适合无刷直流电机。 。通过额定电压往下来调低中枢电压，调速也是从额定转 速往下开始的，这种属于恒转矩调速，可以实现在给定范围内无极平滑调速。不可谓是一种好方法。 。就是在电枢回路外串联电阻，通过改变阻值来改变电流，达到调速的目的。该法操作简单，设备简易，缺点是只能有级调速，不够平滑，空载时更是无法调速，且串联的电阻电能损耗大。 所以，综上可知，直流无刷永磁式电机选取电压调速的方法。调节电压时要有专用的可控直流电源，故采用脉宽调制变换器运用到设计之中。此法又称为 调试原理如图 2 图 2图中符号解释如下： S 开关是脉宽调制器，外加的电源电压默认为固定直流电压。当流 输送到电动机 M； S 断开时，电流中断， M 通过二极管续流，电枢电压无线趋近于 0。当 S 按照固定的频率开合，即 S 的开合有一定的周期性，那么，脉冲宽度也会随之变化，从而改变平均电压，实现调速。它的平均电压为： sd t 式 （ 式中： T 脉冲时钟； t 导通时间； D 0D1） 。 12 速器的选择 在行走机构中 ， 特别是电机与车轮组成的运动系统中 ， 减速器扮演着重要的角色 。 减速器是电机和轮胎间一种动力传递和转化的机构 ， 它可以增加输出扭矩 、 减小传出速度 、匹配负载和电机的转动惯量的作用。 因为在之前的设计中 ， 选用了转速较快的电机 ，故需要选用合适的减速器来 平衡掉减少的转矩和转子惯量 。 从而达到理想的运动效果 。 速比的确定 通过查阅手册可知 ，联轴器传动效率 ， 滚动轴承的传动效率为 ，行星减速器的传动效率 ， 所以整个的减速部分的传动效率为 ： 321 电机的输出扭矩和减速后扭矩的关系式为 ： *m i TT f 式 （ 式中 ： 电机输出扭矩 ； 减速后的输出扭矩 。 经过计算 ， 得出最小的减速比为 i=当然 ， 外界因素也会影响减速器 ， 比如装配误差 ， 加工误差 ， 涂装误差等 ， 因此减速比要取大一点 ， 为不可预料的情况留足余量 ，所以减速比 0。 把减速比和电机的相应参数带入式 （ 算出减速后扭矩为 m，m。 速器型号的确定 本双轮车采用双马达独立驱动 ， 并且双轮车的地盘尺寸有限 ， 减速器的型号不同 ， 它们的 尺寸和安装方式也不同 ， 一般情况下有三种安装方式 ： 垂直布置 、 交错布置和直线布置 。 如图 2 13 图 2动机构的排布方案 由于双轮车对底盘对称性和稳定性的要求较高，故选择直线布置的方式。诚然，此类排布方式成本较高，但它具有的优点无可替代： （ a） 相同情况下 ， 行星减速器的体积小 ， 采用直线布置可以很好的适应双轮车底盘并不宽裕的安装空间 。定轴减速器横向所需的空间大，错开摆放后又会增加其他零件的使用，会增加传动误差，而且清理灰尘的难度大。 （ b）行星减速器可承受的径向力大，可使结构整体性更强，密封严实，而定 轴减速器的径向力作用在支撑点上，需要增加支撑结构来承受，因此占用了大量空间。 （ c） 蜗轮蜗杆减速器在电力不足时会产生自锁 ， 导致车轮无法正常旋转 ， 影响双轮车的行驶 ， 而行星减速器因为齿轮平滑 ， 不会产生以上问题 。 （ d） 行星减速器噪声小 ， 精度高 ， 易于更换和修理 。 综上 ， 虽然行星减速器价格高 ， 但是瑕不掩瑜 ， 诸多优点恰恰契合了双轮车驱动板块的设计 ， 所以我们采用直线布置法 。 经过仔细筛选 ， 并参考上边的计算结果与参数 ， 我们选取了 司生产的 星减速器 ， 其参数如表 2 表 2数表 指标 参数 减速比 20 额定输出扭矩 Nm 44 最大径向力 N 340 14 最大轴向力 N 450 抗扭刚度 Nm/大输入速度 /000 额定输入速度 /000 平均寿命 h 20000 续表 2星减速器性能参数表 回程间隙 14 满载效率 94% 重量 力机械在双轮机器人中的应用 磁力机械是多学科混合研究的产物 ， 除了具有各学科复杂的研究难度 ， 同时也集成了各领域的优点 。 它节能环保 ， 传动效 率高 ， 噪音小 ， 已经越来也多的应用于各行各业 。 力联轴器的设计 磁力机械结构复杂 ， 一般适用于大型尖端产品 ， 本双轮车主要应用一些简单的磁力机械部件 ，比如说联轴器。联轴器，顾名思义，是连接两根轴的一种机械结构，可以传递动力和扭矩，但普通联轴器用久了会受到温度和载荷等外界影响，造成轴承变形，对中不准确，从而导致传动上出现偏差，运动不平稳等状况。 磁力联轴器便可以解决上述问题 。 它由隔离套和内外磁转子组成 ， 转子上有内外数量相同的永磁体 ， 靠二者之间的耦合形成磁场 。 当轴静止时 ， 依靠磁力内外转子对正 。 当电机转动时 ， 内外转子产生磁偏角 ， 内转子受磁力作用会随着外转子转动 。 由于没有刚性接触 ， 故不存在挤压 ， 热变形等形变等情况 ， 且传动效率接近 100%。轴与轴之间存在间隙，还有一定的缓冲作用，如图 2 15 图 2力联轴器结构示意图 由于我国稀土资源丰富，在内蒙古的白云鄂博等地非金属矿藏世界第一，磁力机械的应用具有很好的前景。本车所采用的磁力联轴器可以大大提高传动效率，延长双轮机器人的使用寿命。当然磁力机械也不是十全十美的，它也可能受到电磁干扰，剧烈的物理撞击也会破坏其稳定性。但总体来说是利大于弊的，故本设计将采 用磁力联轴器作为传动机构的关键部件。 章小结 本章主要介绍了两轮机器人的总体设计 ， 工作原理 ， 和在本设计所采用的新想法 ， 新思路 ，接着对载荷进行估算，选择电动机，接着对减速器部分进行计算，选择减速器。本章主要完成的是对核心结构的设计和计算。 16 3 行走的机构设计与计算 挂系统的设计 悬挂系统是连接车身和车轮的机构。它传递了车轮与车身之间的力，同时对地面的震动起到一个缓冲的作用，起到支撑和减震的作用，以此来保证车辆行驶的平稳性。一般地，悬挂分为独立悬挂和非独立悬挂。由于双轮机 器人的特殊性，左右两个车轮之间没有轴直接连接，其悬挂部件都是各自单独与车体连接的，有更好的舒适性和操控性。所以本车拟采用独立悬挂。一般独立悬挂的结构图如图 3 图 3立悬挂的构造图 常见的悬挂系统有 ： （ 1） 麦弗逊式悬挂 由减震机构和 A 型叉臂组成。减震机构上部连车身，下部连叉臂，承担减震和平衡纵向力的作用。 A 形叉臂连接车轮，用来分担车轮带来的横向力。结构简单，占用空间小。但抗侧倾的能力差，安全度不够高。 （ 2）双叉臂式悬挂 在麦弗逊式的基础上多加了一个叉臂，因此，车轮震动带来的横纵向力 又多加的叉臂分担，减震机构只负责减震，抗冲击力强于前者。 （ 3）多连杆悬挂 采用多根连杆与车身相连，使得悬挂在压缩时可以主动调节车轮的定位，始终保持车轮的贴地性。但此类悬挂结构复杂，占用空间大，价格昂贵，不适用于普通轮式机械。 （ 4）空气悬挂 用空气减震器取代弹簧减震器，通过空气泵调整减震器中的空气量， 17 继而改变压力，可根据路面的不同调节减震器的软硬程度，达到匹配的舒适性。缺点是价格昂贵，一旦坏掉不易修理，行驶过程中坏掉更是危险性极大。 双轮车由于时速不宜过快 ， 一般比走路快 ， 比电动车慢 。 所以选用一般的麦弗逊 式悬挂系统就可以了 ， 现在我们来计算几种典型路况下的受力情况 ， 为弹簧的选择与计算提供数据 。悬挂 系统示意图如图 3 图 3挂系统示意图 （ a）水平地面上运动受力分析 当双轮车在水平地面行驶时，在只受重
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