毕业论文-零转角轮式机器人底座机电传动结构设计-文档精品

原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题题 目目 零转角轮式机器人底座机电传动结构设计任务书 系系 别别 专业名称专业名称 班级学号班级学号 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 目录目录 1.绪论 1.1 课题研究背景 （3） 1.2 课题研究意义 （3） 1.3 国内外相关领域的研究现状 （4） 1.3.1 国外全方位移动机器人的研究现状 （4） 1.3.2 国内全方位移动机器人的研究现状 （6） 2.传动机构设计 2.1 机械设计的基本要求 （8） 2.2 轮式机器人底座的研制 （8） 2.3 轮式机器人底座旋转机构设计 （7） 2.4 轮式机器人底座转向机构设计 . （10） 2.5 电机的选型与计算 . （14） 2.6 轮式机器人底座总体结构分析 . （16） 3.机械材料选择和零件的校核 3.1 机械材料的选用原则 . （17） 32 零件材料选择和强度校核 （18） 4. 红外遥控机器人系统设计 4.1 系统总体方案 . （23） 4.2 系统方案论证 . （23） 4.3 系统最终方案 . （25） 5. 驱动器设计 5.1 微型伺服马达内部结构 . （26） 5.2 微型伺服马达的工作原理 . （26） 5.3 微型伺服马达控制 . （27） 5.4 伺服马达的电源引线 . （28） 5.5 伺服马达的运动速度 . （28） 5.6 使用伺服马达的注意事项 . （28） 5.7 选用的伺服马达 . （28） 6. 控制系统硬件设计 6.1 系统硬件电路介绍 . （29） 6.2 单片机最小系统 . （30） 6.3 供电单元介绍 . （31） 6.4 电机驱动电路介绍 . （32） 6.5 红外遥控电路介绍 . （32） 7. 控制系统软件设计 7.1 系统软件流程 . （33） 7.2 舵机控制软件分析 . （33） 7.3 红外控制软件分析 . （33） 8.致谢 . （34） 9.参考文献 . （34） 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题研究背景课题研究背景 到目前为止，世界各国对“工业机器人”还没有做出统一的明确定义。通常 所说的“工业机器人”是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照预定的程序、 轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。而它与“机械 手”有一些区别：“工业机器人”多数指程序可变的独立的抓取、搬运工件、操 纵工具的装置；“机械手”多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装 置。如自动线、自动机的上、下料，加工中心的自动换刀的自动化装置。 工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置 构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的 机电一体化自动化生产社备。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳 动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。 工业机器人技术是综合了计 算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的 高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一 个国家工业自动化水平的重要标志。 机器人并不是在简单意义上的代替人工的劳 动， 而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境 状态的快速反应和分析判断能力，又有机器长时间持续工作、精确度高、抗恶劣 环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业 界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 工业机器人是一种对生产条件和生产环境适应性和灵活性很强的柔性自动 化设备，它对稳定提高产品品质、提高生产效率和改善劳动条件起着十分重要的 作用。工业机器人技术的发展必将对社会经济和生产力发展产生更加深远的影 响。所以，国内外工业机器人的发展十分迅速。 1.21.2 课题研究意义：课题研究意义： 对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而 具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。实践证明，工业机器人可以代替 人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和 自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作， 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 采用机器人是有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有 毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。 可选的轮式机器人底座上表面的驱动和检测装置的布局如图 1-2 所示。 假设 地面由方形地砖铺成或画有方格的平面，底座下部安装若干个红外传感器，可检 测到地面方格的边缘及结点，依此确定底座的方向和位置。底座四边安装接近开 关或距离检测传感器，实现防撞或避障功能； 通过毕业设计也可进一步加强学生解决实际问题的能力， 培养学生收集资料 和调查研究的能力,同时具备一定的方案比较、 论证的能力,一定的理论分析与设 计运算能力,进一步提高应用计算机绘图的能力。掌握相关标准的选择和运用， 装配图、零件图的绘制以及设计文本的撰写全过程。另外进一步培养学生严谨认 真的求实态度和独立解决问题的能力,为毕业后能够快速融入社会做好良好的铺 垫。 1.1.3 3 国内外相关领域的研究现状国内外相关领域的研究现状 1.1.3 3.1 .1 国外全方位移动机器人的研究现状国外全方位移动机器人的研究现状 国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的研制工作， 在车轮设计制造， 机器人上轮子的配置方案， 以及机器人的运动学分析等方面， 进行了广泛的研究， 形成了许多具有不同特色的移动机器人产品。这方面日本、美国和德国处于领先 地位。八十年代初期，美国在 DARPA 的支持下，卡内基 梅隆大学（Carnegie Mellon university,CUM） 、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校开展了自主移动车辆的研究，NASA 下属 的 Jet Propulsion Laboratery(JPL)也开展了这方面的研究。CMU 机器人研究所 研制的 Navlab-1 和 Navlab-5 系列机器人代表了室外移动机器人的发展方向。 德 国联邦国防大学和奔驰公司于二十世纪九十年代研制成 VaMoRs-P 移动机器人。 其车体采用奔驰 500 轿车。传感器系统包括：4 个小型彩色 CCD 摄像机，构成两 组主动式双目视觉系统；3 个惯性线性加速度计和角度变化传感器。SONY 公司 1999 年推出的宠物机器狗 Aibo 具有喜、怒、哀、厌、惊和奇 6 种情感状态。它 能爬行、坐立、伸展和打滚，而且摔倒后可以立即爬起来。本田公司 1997 年研 制的 Honda P3 类人机器人代表双足步行机器人的最高水平。它重 130 公斤、高 1.60 米、宽 0.6 米，工作时间为 25 分钟，最大步行速度为 2.0 公里/小时。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 国外研究的一些典型的全方位轮有麦克纳姆轮、正交轮、球轮、偏心方向轮 等。下面就这些轮进行介绍。 麦克纳姆轮，如图 1.1 所示，它由轮辐和固定在外周的许多小滚子构成， 轮子和滚子之间的夹角为 Y，通常夹角 Y 为 45，每个轮子具有三个自由度， 第一个是绕轮子轴心转动，第二个是绕滚子轴心转动，第三个是绕轮子和地面的 接触点转动。轮子由电机驱动，其余两个自由度自由运动。由三个或三个以上的 Mecanum 轮可以构成全方位移动机器人。 图 1.2 麦克纳姆轮应用 正交轮，由两个形状相同的球形轮子(削去球冠的球)架，固定在一个共同 的壳体上构成，如图 1.3 所示.每个球形轮子架有 2 个自由度，即绕轮子架的 电机驱动转动和绕轮子轴心的自由转动。两个轮子架的转动轴方向相同，由一 个电机驱动，两个轮子的轴线方向相互垂直，因而称为正交轮。中国科学院沈 阳自动化研究所所研制的全方位移动机器人采用了这种结构，如图 1.4。 图 1.3 正交轮 图 1.4 正交轮的应用 球轮由一个滚动球体、一组支撑滚子和一组驱动滚子组成，其中支撑滚子固定在 车底盘上，驱动滚子固定在一个可以绕球体中心转动的支架上，如图 1.6 所示。 每个球轮上的驱动滚子由一个电机驱动， 使球轮绕驱动滚子所构成平面的法线转 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 动，同时可以绕垂直的轴线自由转动。 图 1.5 球 轮 图 1.6 球轮的应用 偏心万向轮，如图 1.7 所示，它采用轮盘上不连续滚子切换的运动方式， 轮子在滚动和换向过程中同地面的接触点不变， 因而在运动过程中不会使机器 人振动，同时明显减少了机器人打滑现象的发生。 图 1.7 偏心万向轮 图 1.8 偏心万向轮的应用 1.1.3 3.2 .2 国内国内全方位移动机器人的研究现状全方位移动机器人的研究现状 我国在移动机器人方面的研究工作起步较晚， 上世纪八十年代末， 国家 863 计划自动化领域自动机器人主题确立立项，开始了这方面的研究。在国防科工 委和国家 863 计划的资助下，由国防科大、清华大学等多所高校联合研制军用 户外移动机器人 7B.8,并于 1995 年 12 月通过验收。 7B.8 的车体是由跃进客车 改进而成,车上有二维彩色摄像机、三维激光雷达、超声传感器。其体系结构 以水平式机构为主,采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法,其直线跟踪速 度达到 20km/h。避障速度达到 5-10km/h。 上海大学研制了一种全方位越障爬壁机器人,针对清洗壁面作业对机器人 提出的特殊要求，研制了可越障轮式全方位移动机构车轮组机构,该机构保 证机器人可在保持姿态不变的前提下,沿壁面任意方向直线移动,或在原地任 意角度旋转,同时能跨越存在于机器人运行中的障碍,不需要复杂的辅助机构 来实现平面上运动和越障运动之间转换。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 哈尔滨工业大学的李瑞峰，孙笛生，刘广利等人研制的移动式作业型智能 服务机器人，并对课题当中的一些关键技术，如新型全方位移动机构、七自由 度机器人作业手臂和多传感器信息融合等技术， 最后给出了移动机器人的系统 控制方案。 哈尔滨工业大学的闫国荣，张海兵研究一种新型全方位轮式移动机构，这 种全方位移动机构当中的轮子与麦克纳姆轮的区别在于： 这种全方位轮使小滚 子轴线与轮子轴线垂直， 则轮子主动的滚动和从动的横向滑移之间将是真正相 互独立的；轮子正常转动时，轮缘上的小滚子也将是纯滚动，如图 1.9。 图 1.9 全方位移动机构仿真图 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 2 2 传动传动机构设计机构设计 2.2.1 1 机械设计的基本要求机械设计的基本要求 机械结构设计的要求，包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要 求两个方面，两者相互联系、相互影响。 a.a.对机器整机设计的基本要求对机器整机设计的基本要求 对机器使用功能方面的要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本的 要求， 好的使用性能指标是设计的主要目标。 另外操作使用方便、 工作安全可靠、 体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。 对机器经济性的要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中， 在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实 现使用要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。 b.b.对零件设计的基本要求对零件设计的基本要求 机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的 设计来实现，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的， 即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑。 要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正 常实现。这就要求零件在预定的寿命内不会产生各种可能的失效，即要求零件在 强度、刚度、震动稳定性、耐磨性和温升等方面必须满足的条件，这些条件就是 判定零件工作能力的准则。 要尽量降低零件的生产成本，这要求从零件的设计和制造等多方面加以考 虑。设计时合理的选择材料和毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定 零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。 另外要尽 量采用标准化、系列化和通用化的零部件。 任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机组成。动力机是机器工作的能量来 源，可以直接利用自然资源（也称为一次能源）或二次能源转换为机械能，如内 燃机、气轮机、电动机、电动马达、水轮机等。工作机是机器的执行机构，用来 实现机器的动力和运动能力，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是 一种实现能量传递和兼有其它作用的装置。 2.2.2 2 轮式机器人底座的轮式机器人底座的研制研制 在机器人本体时应遵循以下设计原则： 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 （1）总体结构应容易拆卸，便于平时的实验、调试和修理。 （2）应给机器人暂时未安装的传感器、功能元件等预留安装位置，以备将 来功能改进与扩展。 对比绪论中各转向机构的优缺点，本文选用全方位轮式机构来设计。全方位 轮式机器人的运动包括纵向和 360 度旋转的运动。 车轮形移动机构的特征与其他 移动机构相比车轮形移动机构有下列一些优点：能高速稳定的移动，能量利用率 高，机构的控制简单，而且它可以能够借鉴日益完善的汽车技术和经验等。它的 缺点是移动只限于平面。目前，需要机器人工作的场所，如果不考虑特殊环境和 山地等自然环境，几乎都是人工建造的平地。所以在这个意义上 车轮形移动机 构的利用价值可以说是非常高的。图 2.1 是全方位轮式移动机构的示意图。 轮式移动机构预期设计要求实现零半径回转，便于控制。车轮的旋转和转向 是独立控制的， 全方位移动机器人采用前后轮成对驱动来控制转向，以及控制每 轮旋转来实现全方位移动。 图 2.1 全方位轮式移动机构示意图 2.32.3 轮式机器人底座旋转轮式机器人底座旋转机构设计机构设计 在车轮旋转机构设计过程中，主要考虑了以下模型，如 2.2 图所示。由图可 以看出，模型 a 结构简单，但是车轮与地面接触面积小，可能产生打滑现象， 且对电机轴形成一个弯矩，容易对电机轴造成破坏。模型 b 采用电机内嵌式结 构，增大了车轮与地面接触面积，减小了打滑现象，但电机固定比较困难。 综合两种模型的优缺点，设计如图 2.3，图 2.4 中所示结构，将电机内嵌在 车轮内部，既增大车轮与地面的接触面积，又缩短了整个结构的轴向距离。为了 保持轮子受力平衡使整个机构可以平稳运动，将轮子设计为两个一组来实现。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图 2.2 旋转部分结构图 采用了一个深沟球轴承作为径向支承，一方面避免了车轮对电机产生弯矩；另一 方面保证了车轮的刚度。轴承外圈与车轮内表面配合，由于内圈并不能与电机直 接配合，设计了一个电机壳结构，作电机和轴承的连接。 图 2.3 旋转部分示意图 图 2.4 旋转部分机构图 车轮旋转部分的具体结构分为五个部分： （1）两个轴承由弹性挡圈和电机壳轴肩轴向定位；通过电机壳外表面径向 定位通过电机轴外表面径向定位。 此外,此处选用深沟球轴承作为支撑.深沟球轴 承主要承载径向载荷,同时也可以承载小的轴向载荷。选用它就可以达到设计的 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 要求,而且深沟球轴承经济性好,方便购买。而作为径向支撑,它主要避免了车轮 对电机产生弯矩。 （2）电机预装在电机壳上，依靠电机壳凸缘轴向定位；但径向定位不能利 用电机定位止口定位，只能采用车轮调整电机轴的同心完成径向定位。 （3）车轮依靠轴承的外圈定位，然后再通过车轮自有联轴器与电机轴联接。 这个过程也是调整电机轴同心， 然后从车轮侧面的预留安装孔将电机紧固在电机 壳上。 （4）整个车轮分为两部分组合而成。一个是带有轴径的车轮,另一个是不带 轴径的轮子,两者相配合使用组成一组完整的车轮。而车轮轴径与车体支撑件以 滚动摩擦的形式配合使用,并且作为两车轮的轴向定位件。车轮最终的固定是通 过外侧的螺钉来顶紧挡板实现的。具体结构如图 2.4 所示。 （5） 整个旋转部分结构设计完成,但它必须与转向机构连接起来才能实现全 方位移动。后一小节转向机构的设计中设计有转向轴,为了使转动部分和转向部 分的转向轴连接以实现全方位运动,此处设计了类似于半圆的固定件。如图 2.5 所示。使用是采用两个配合来固定住旋转部分,通过四个螺栓的连接来实现和转 向轴的连接,从而使转向机构和转动机构连为一体,最终实现全方位移动。 图 2.5 固定件结构 至此，全方位移动机器人的车轮旋转机构设计完毕。 2.2.4 4 轮式轮式机器人机器人底座底座转向机构设计转向机构设计 转向部分主要由转向轴、轴承、基座、转向电机以及转向连接件组成转向机构设 计的基本路线是从上而下。如图 2.6，图 2.7 所示。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图 2.6 转向部分示意图 图 2.7 转向部分结构图 （1 1）转向轴）转向轴 转向轴分两部分，呈 T 型，一端采用阶梯轴的形式，便于与基座联接；另一 端与车轮部分联接，设计成圆柱形以保证足够的强度和良好的工艺性。同时两部 分轴互相配合，可以伸缩以便转向时车轮轴的位移变化。转向轴主要作用就是通 过与转向电机的连接起到转向的作用， 主要受的是径向力， 而受到的轴向力很小。 如图 2.7 所示， 转向轴受到向上的轴向力时， 轴向力通过轴肩传到下方轴承内圈， 再传到套筒，然后传到上方轴承的内圈，再通过滚珠传递到轴承外圈，而轴向力 进一步的传递到端盖和箱体，从而将轴向力转移到整个车体上，因为，箱体连接 在车体上。转向轴受到向下的轴向力时，首先是靠弹性挡圈传递轴向力，再通过 一系列传递最终将轴向力转移到车体上。所以说，转轴的工作是可靠的。 （2 2）转）转向轴与基座联接向轴与基座联接： 转向轴相对于基座来说只有一个自由度，形成的是转动副，转向轴在机器人 移动过程中承受径向力和比较大的轴向力， 适合这种要求的常用轴承有圆锥滚子 轴承。 轴承采用套筒隔开的两端支撑结构，这样设计可以保证转向轴在转向的过 程中不发生摇摆，保证转向的精度并且可以减小对转向相关零部件的磨损。一对 轴承用套筒隔开后，轴承内圈由轴肩和轴用弹性挡圈固定。两轴承外圈与基座座 孔和轴承端盖连接。 （3 3）转向电机轴和转向轴的联接）转向电机轴和转向轴的联接 两轴的连接一般选用联轴器。联轴器主要用来联接轴与轴(或联接轴与其它 回转件)以传递运动和转矩,有时也用作安全装置。 本文中没用选用标准的联轴器, 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 因为标准的联轴器整体尺寸过大,占用空间大,且不利于安装,不符合设计要求。 同时,由于所要连接的两轴径大小确定本文自行设计了一个联轴器。其结构如图 2.8 所示。 图 2.8 联轴器 由于轴仅受到转矩的作用,而轴向力很小， 所以两轴都采用平键来周向固定, 以达到固定和连接两轴的目的。 （4 4）转向驱动电机与基座的联接）转向驱动电机与基座的联接 当转向轴与基座构成转动副以后， 只需要用电机来驱动转向轴即可实现车轮 的转向。将电机固定在基座上需要一个连接件，连接件设计过程中考虑了两种模 型：整体式和剖分式,如图 2.9 和 2.10 所示。整体式装配时定心性好，但必须侧 面开口，这样容易导致车轮转向精度不够，且不利于防尘，剖分式定心性稍差一 点，可以组合成封闭结构，具有可靠的刚度，防尘，拆卸方便。因此，选用剖分 式结构。 图 2.9 整体式 图 2.10 剖分式 （5 5）箱体的设计与固定）箱体的设计与固定 如图 2.11 所示为箱体结构的示意图。它通过左右两侧对称的呈 L 型的矩形 臂用 8 个螺栓固定于车体前后两侧。由于箱体是通过螺钉和机座连接的，从而可 以把它和机座以及转向电机视为一体。再者，箱体内部是放置轴承，并固定轴承 的， 所以设计了如图中所示的双臂。这种设计可以将转向机构的整体重量通过箱 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 图 2.11 箱体示意图 体的两臂传到车体上， 进而施于整个重量施轮子。 那么转轴的受力将大大的减小。 而且这样设计拆卸方便，利于维修。采用对称结构固定于空间内，有利于稳定整 个转向机构，并提高整个全方位移动机构的性能。 至此，整个全方位移动机构机械本体设计完毕。 2 25 5 电机的选型与计算电机的选型与计算 a.a.电机性能的比较电机性能的比较 在机器人的驱动器一般采用以下几种电机：直流电机、步进电机和舵机。几 种电机有关参数进行如表 2.1 所示。 表 2.1 几种电机比较 电机类型电机类型 优优 点点 缺缺 点点 直流电机直流电机 容易购买 型号多 功率大 接口简单 转速太快，需减速器 电流较大 较难与车轮装配 价格较贵 控制复杂（PWM） 步进电机步进电机 精确的速度控制 型号多样 适合室内机器人的速度 接口简单 价格便宜 功率与自重比小 电流通常较大 外形体积大 较难与车轮装配，负载能力低 功率小 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 舵舵 机机 内部带有齿轮减速器 型号多样 适合室内机器人的速度 接口简单 功率中等 价格便宜 负载能力低 速度调节的范围小 （1 1） 舵机舵机 1）什么是舵机： 在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以 在微机系统和航模中作为基本的输出执行机构， 其简单的控制和输出使得单片机 系统非常容易与之接口。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需 要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前在高档遥控玩具，如航模，包括飞 机模型，潜艇模型；遥控机器人中已经使用得比较普遍。舵机是一种俗称，其实 是一种伺服马达。 2）舵机的工作原理： 控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有 一个基准电路，产生周期为 20ms，宽度为 1.5ms 的基准信号，将获得的直流偏 置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机 驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器 旋转，使得电压差为 0，电机停止转动。当然我们可以不用去了解它的具体工作 原理，知道它的控制原理就够了。就像我们使用晶体管一样，知道可以拿它来做 开关管或放大管就行了，至于管内的电子具体怎么流动是可以完全不用去考虑 的。 （2 2）步进电机）步进电机 步进电机作为一种新型的自动控制系统的执行机构， 得到了越来越广泛的应 用，进入了一些高、精、尖的控制领域。步进电机虽然有一些不足，如启动频率 过高或负载过大时易出现丢步或堵转，停止时转速过高易出现过冲，且一般无过 载能力，往往需要选取有较大转距的电机来克服惯性力矩。但步进电机点位控制 性能好，没有积累误差，易于实现控制，能够在负载力矩适当的情况下，以较小 的成本与复杂度实现电机的同步控制。 b.b.电机的选型与计算电机的选型与计算 对于本课题来说，移动机器人的移动速度最高为 0.5 米/秒，电机转数最高 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 接近 100 转/分。如果用直流电机，由于受转速和力矩的影响，要配减速器。而 如果用步进电机，控制位置精度比较高可以达到 1.8 度。而且不需要减速器避 免造成结构冗繁。因此选择步进电机作为驱动电机。 下面对旋转步进电机型号进行选择，轮式移动机器人在移动的时候，需要克 服两种阻力： 摩擦力和重力。 对于平面内移动的机器人来讲则只需要克服摩擦力。 带有机械臂的全方位移动机器人整体重量在 20Kg 左右，地面摩擦系数按金属与 混凝土之间的取为 0.5，则机器人需要的总功率为： (20 9.8 0.5) 0.549Pf vW 总 则平均每组车轮提供的功率为 25 瓦。 对于单个车轮而言： v PMM r （2-1） 车轮直径为 110mm，则电机需要提供的转矩为： 2555 1375 20.5 Pr MPmN m v （2-2） 因此，选择了北京和利时公司的 57BYG250E-0152 型号电机。静转矩为 1.5 NM 。该电机在相近产品中具有在转速变高一定范围内能够保持平稳的力矩。 下面选择转向电机，机器人对转向速度要求较低，对位置精度比较严格，选 用步进电机可以满足设计要求。转向电机主要是使车轮实现零半径回转，克服地 面摩擦力，要求的转速不高，因此主要计算电机静力矩。 在这里我们假设每个车轮与地面的接触按照理想状态即相切线接触， 那么平 均每个车轮的摩擦力为： 1 20 9.8 0.524.5 4 fN （2-3） 由于车轮是零半径回转，所以克服的摩擦力矩为： 0 2/2 2 l f Mxdxf l l （2-4） 式中l单个车轮的宽度 设计车轮与地面接触总宽度为 60mm，即30lmm所以克服的力矩为 0.368 N m。实际上车轮不是与地面呈线接触，保证一定余量，选择电机型号为 57BYG250B-SASRM-0152，静力矩为 1.4 N m。 下面是所选电机的外形尺寸。 2.2.6 6 轮式轮式机器人底座机器人底座总体总体结构结构分析分析 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 设计移动机器人车体是应遵循以下几个原则： （1）总体结构应容易拆卸，便于平时的试验、调试、和修理。 （2）在设计的移动平台应能够给机器人暂时没有安装的传感器、功能元件、 电池等元件预留安装位置，以备将来功能改进和扩展。 车体是实现全方位移动机构和机械手臂连接的部分， 也是安装其他元件的主 体。它同样是保证机器人具有良好的环境适应能力的关键。 本文设计的车体采用的是合金铝框架式结构，如图 2.13 所示共分三层：第 一层安装摄像头，控制按钮等；第二层是车体内腔，空间较大可以安装电池、集 线器、装配电路板等，同时可以在以后的具体设计中改变内部格局，以达到最佳 的使用效果；第三层安装车轮旋转机构。本结构的空间分层设计使得 机器人机构紧凑，易于维护，而且提高了机器人控制系统的抗干扰能力。 图 2.13 车体结构示意图 3 3. . 机械材料选择和零件的校核机械材料选择和零件的校核 3 3.1.1 机械材料选用原则机械材料选用原则 机械零件材料的选择是机械设计的一个重要问题， 不同材料制造的零件不但 机械性能不同，而且加工工艺和结构形状也有很大差别。机械零件常用的材料由 黑色金属、有色金属、非金属材料和各种复杂的复合材料等。 选择材料主要应考虑以下三方面的问题。 a.a.使用要求使用要求 使用要求一般包括： 零件的受载情况和工作状况； 对零件尺寸和质量的限制； 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 零件的重要程度等。 若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到某些限制，应选用强度较高的 材料。静应力下工作的零件，应分布均匀的（拉伸、压缩、剪切） ，应选用组织 均匀，屈服极限较高的材料；应力分布不均匀的（湾区、扭转）宜采用热处理后 在应力较大部位具有较高强度的材料。在变应力工作的零件，应选用疲劳强度较 高的材料。零件尺寸取决于接触强度的，应选用可以金星表面强化处理的材料， 如：调质钢、渗碳钢、氮化钢。 零件尺寸取决于刚度的，则应选用弹性模量较大的材料。碳素钢与合金钢的 弹性模量相差很小， 故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。 截面积相同， 改变零件的形状与结构可使刚度有较大提高。 滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料； 在高温下工作的零件应选 用耐热材料；在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。 b.b.工艺要求工艺要求 材料的工艺要求有三个方面内容 （1）毛坯制造 大型零件且批量生产时应用铸造毛坯。形状复杂的零件只 有用毛坯才易制造，但铸造应选用铸造性能好的材料，如铸钢、灰铸铁或球铸铁 等等。大型零件只少量生产，可用焊接件毛坯，但焊接件要考虑材料的可焊性和 生产裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。只有中小型零件采用锻造毛坯，大 规模生产的锻件可用模锻，少量生产时可用自由锻。锻造毛坯主要考虑材料的延 展性、热膨胀性和变形能力等，应选用锻造性能好的材料。 （2）机械加工 大批批量生产的零件可用自动机床加工，以提高产量和产品 质量， 应考虑零件材料的易切削性能、切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的 变化等，应选用切削性能好的材料，如易削断、加工表面光洁、刀具磨损小的材 料。 C C. .经济性要求经济性要求 （1）经济性首先表现为材料的相对价格。当用价格低廉的材料能满足使用 要求时，就不应该选用价格高的材料。这对大批量制造的零件尤为重要。 3 3.2.2 零件材料选择与强度校核零件材料选择与强度校核 从材料选用原则的使用要求、加工要求和经济要求出发，选择机械本体个 零部件的材料。 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 在机械手臂中各传动件是关键性零件，如传动轴和齿轮系，它们的强度、 刚度等机械性能直接影响机械手的工作质量。 a.a.轴类零件材料的选择与校核轴类零件材料的选择与校核 （1）轴材料的选择 传动轴的常用材料有碳素钢和合金钢。碳素钢对应力集中的敏感性较低，还 可通过热处理改变其综合性能，价格也比合金钢低廉，因此应用较为广泛，常用 45 号钢。合金钢则具有更高的机械性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动 力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工 作的轴， 常采用合金钢。 在一般工作温度下碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同。 因此，用合金钢代替碳素钢并不能提高周的刚度。鉴于此，全方位移动结构中的 车轮，转轴；机械手传动机构，螺纹轴采用 45 号钢，就完全能够满足设计要求 的需要。 （2）转向机构的转向轴强度校核 由于此轴最小轴径是直径为 10mm 的那段,所以只对这一段进行校核就可以 了。轴的运动主要受到扭转力,所以只对其扭转强度进行校核。 轴的扭转校核公式为: TT T T W （3-1） 式中： T 扭转切应力，单位为 a MP T W 轴的抗扭截面系数，单位为 3 mm 轴的材料为 45 号钢,其允许扭转切应力为 35 Ta MP 由第二章可知，转向机构选择的电机型号为 57BYG250B-SASRM-0152，其静 力矩为 1.4 N m。即 T=1400 N mm。 由于此段轴中有键，其截面如图 4.1 所示： 抗扭截面系数： 2 3 T W 162 bt dtd d （3-2） 图中t=1mm, b=2mm, d=10mm 图 3.1 轴截面 将数值带入公式计算得： 3 T W188.25mm 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 则： 1400 7.4435 188.25 TaTa T T MPMP W 由此可知，设计的转轴强度满足要求，可以使用。 （3）车轮的校核 车轮是整个机械部分的支撑， 也是整个结构受力最大的部分。 这里从材料经 济性和强度等方面选择 45 号钢来制造。 加工时为了增大车轮与接触面的摩擦力， 车轮表面要滚花处理，这样更有利于机器人的移动。 整个车轮部分承载的重量为 12Kg。由于整个移动机构有四个车轮，这样每 个轮子受到的重量只有 3Kg。受到的重力仅为 29.4N。轮子的直径为 110mm，整 个移动部分的强度是非常大的，完全满足设计的要求。 b.b.齿轮系材料的选择与强度校核齿轮系材料的选择与强度校核 （1）齿轮材料的选择 齿轮的主要失效形式有轮齿折断、齿面疲劳点蚀、齿面磨损、齿面胶合和塑 性变形。因此设计齿轮时要使齿面具有较高的抗点蚀、抗磨损、抗胶合和抗塑性 变形的能力，齿根则要有较高的抗折断能力。为此，对齿轮材料性能的基本要求 为齿面要硬，齿心要韧。钢材韧性好，耐冲击，容易通过热处理来改善其机械性 能和提高硬度，是制造齿轮最常用的材料。 对于强度、速度和精度要求不高的齿轮传动，可以采用软齿面齿轮。软齿面 齿轮的齿面硬度低于 350HBS，热处理方法为调制或正火，常用材料有 45 号钢和 40Cr 等。加工方法一般为热处理后切齿，切制后即为成品，精度一般为 8 级。 本文设计的齿轮副速度要求不高，所以设计选用 40Cr 为材料，软齿面即可满足 传动要求。 （2）齿轮副的强度校核 轮齿在受载荷时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根出的弯曲疲劳强度最弱。 对于制造精度较低的传动齿轮，由于制造误差大，实际上多由在齿顶处咬合的轮 齿分担较多的载荷，为便于计算，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲 强度。 本文设计的是直齿圆柱齿轮，齿数 Z=30，模数m=2mm，齿宽 b=4mm,节圆直 径30dmm，齿形角度20 ，齿轮副的传动比 u=1:1。电机传动的转矩 T=90N mm。那么齿轮所受的圆周力 2290 6 3 t T FN d （3-3） 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 对于齿轮的校核将从两方面来计算： 1) 齿面接触疲劳强度的校核 齿面接触疲劳强度的校核公式为； 1 1 t HHEH KF u ZZ bd （3-4） 式中： H Z为区域系数，标准直齿轮 H Z=2.5； K 为载荷系数，此处取 K=1.8； E Z为弹性影响系数，查得 E Z=188 a MP； H 为接触疲劳许用应力 lim HNH H K S （3-5） 其中： HN K为接触疲劳寿命系数，取 HN K=0.95； limH 齿轮接触疲劳强度极限，查得 limH =550 a MP； S 为安全系数，取 S=1。 从而求得： H =522.5 a MP 将所有已知量带入 4-4 式，求得： H =199.5 a MP H =522.5 a MP 从齿面接触疲劳强度上来说，齿轮是合格的。 2）齿根弯曲疲劳强度的校核 本文设计中的齿轮为一悬臂梁。其齿根应力图如 3.2 所示。 图 3.2 齿根应力图 齿根危险截面的弯曲强度条件式 4为 0 tFaSa FFF KFY Y bm 式中： 0F 为齿根危险截面处的理论弯曲应力； Sa Y为载荷作用于齿顶时的应力校正系数，取 Sa Y=1.625； Fa Y为载荷作用于齿顶时的齿形系数，取 Fa Y=2.52； F 为弯曲疲劳许用应力 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 FNFE F K S （3-7） 其中： FN K为弯曲疲劳寿命系数，查得 FN K=0.88； FE 为弯曲疲劳强度极限，取 FE =380 a MP； 取弯曲疲劳安全系数 S=1.4。 从而求得： F =238.86 a MP 将所有已知量带入 4-6 式，求得： F =5.53 a MP F =238.86 a MP 由以上计算可知，设计的齿轮副是合格的。 c c. .壳体件材料的选择壳体件材料的选择 壳体类零件它们的性能要求很低,所以尽量选择质量轻,价格低廉且符合设 计要求的材料。 如车体以及机械手臂的壳体可以全部选用硬铝合金分段铸造加工 而成。本文选用的是 ZAlSi9Mg，这是一种硬铝材料，强度大、质量轻，完全符 合本文的设计要求。 机械手指不是壳体机构，它是实体的。本文设计的手指材料也选用同样的铝 合金。这有利于材料的购买，同样这种材料是满足设计要求的。 本文设计的手指是有角度的，既可以抓去规则形状的物体，也可以抓去不规 则物体。抓取规则物体时，手指和物体的接触大都是面接触，而抓取不规则物体 时大都是线接触。对手指的校核就以线接触为准。 材料 ZAlSi9Mg 的弯曲应力 240 a MP，手指抓去的最大质量为 300g，重力为 2.94N。对比两者的力学性能和受力情况，很显然此材料来制造手指远远满足设 计中的要求。 ，不会出现手指弯曲变形的情况。 d.d.车体支撑件材料的选择和校核车体支撑件材料的选择和校核 （1 1）材料的选择）材料的选择 车体支撑件由于与车轮轴之间为滚动摩擦,需要选取一种耐摩擦,同时要求 强度大,质量轻,价格便宜的材料来制造。 工程塑料拥有良好的综合性能,其强度、刚度、冲击韧性、抗疲劳等不较高, 特别是拥有很高的耐磨性。它可以在无润滑油的情况下有效的进行工作。由于它 相对密度小,因此其强度高。 聚甲醛(POM)是一种比较常用的工程塑料。它是以线性结晶高聚甲醛树脂为 基础的。 它有着高强度、 高弹性模量等优良的综合力学性能。 其强度和金属近似, 摩擦因数小并有自润滑性,因而耐磨性好。聚甲醛材料是一种相当便宜的材料。 由于本设计中的负荷低,移动机构的速度不快,从而此处选择有聚甲醛这种 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 工程塑料来制造车体支撑件。 （2 2）支撑件的校核）支撑件的校核 支撑件是用来支撑机器人主要机械机构的，本文中共用四个支撑件，都和车 轮配套使用，受力几乎一样为 29.4N。 聚甲醛的抗压强度为 125 a MP，抗弯强度为 980 a MP，整个零件的强度和刚 度是非常大的。从每个件的受力来看，材料聚甲醛的各个力学性能完全满足本文 的设计要求。 支撑件和车轮轴是滚动摩擦配合， 属于间隙配合。 由于聚甲醛的耐摩擦性好， 而机器人移动速度慢，从摩擦的角度来说，聚甲醛也是理想的支撑件材料。 4 红外遥控机器人系统设计 4.1 系统总体方案 一种可选的轮式机器人底座上表面的驱动和检测装置的布局。 假设地面由方 形地砖铺成或画有方格的平面，底座下部安装若干个红外传感器，可检测到地面 方格的边缘及结点，依此确定底座的方向和位置。底座四边安装接近开关或距离 检测传感器，实现防撞或避障功能； 图 4-1 系统总体框图 4.2 系统方案论证 4.2.1 机器人行走方案论证 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 方案一：现在常见的机器人行走有几个舵机来实现多自由度的运动，行走稳 定，且可实现许多种方式的行走。但花费的、较大。 方案二：经大量的查阅资料，我找到了用红外线控制实现零转角轮式机器人 底座的原地旋转方向、前进或后退、停车驻杀、位置和边缘检测等功能缺点是不 能适应各种地形，行走起来姿态不是很好。 鉴于自己能力有限等方面的原因，本人选择第二种方案。 4.2.2 机体方案论证 方案一：自己制作车体。 经过反复考虑论证，决定使用红外传感器、电机，制作车体的底座使用有机 玻璃为材料，比较轻，可以减少驱动设备的负担，比较经济。 方案二： 购买现成机体。 比较昂贵且本设计方案结构简单，无需购买。 4.2.3 控制器方案论证 按照题目要求， 控制器主要用于控制电机， 红外遥控器将信号传输给控制器， 控制器做出相应处理，实现电机的前进和后退，转向。 方案一：可以采用 ARM 为系统的控制器，优点是该系统功能强大，片上外设 集成度搞密度高，提高了稳定性，系统的处理速度也很高，适合作为大规模实时 系统的控制核心。 方案二：采用 AT89S51 作为系统控制的方案。AT89S51 单片机算术运算功能 强，软件编程灵活、自由度大，功耗低、体积小、技术成熟，成本也比 ARM 低。 考虑到性价比问题，本设计选择 用 AT89S51 单片机做控制器。 综合以上的优缺点，本设计决定采用第二种方案。 4.2.4 驱动器方案论证 方案一：直流电机：这是最最普通的电机。直流电机最大的问题是无没法精 确控制电机转的圈数，也就是位置控制，必须加上一个编码盘，来进行反馈，来 获得实际转的圈数。 但是直流电机的速度控制相对就比较简单， 用一种叫 PWM （脉 宽调速）的调速方法可以很轻松的调节电机速度。现在也有很多控制芯片带调速 功能的。 选购时要考虑的参数是电机的输出力矩， 电机的功率， 电机的最高转速。 方案二：步进电机：它可以一个角度一个角度旋转，不象直流电机，你可 以很轻松的调节步进电机的转角位置，如果你发一个转 10 圈的指令，步进电机 原版文档，无删减，可编辑，欢迎下载 详细图纸可扣扣咨询 414951605 或 1304139763 就不会转 11 圈，但是如果是直流电机，由于惯性作用，它可能转 11 圈半。步进 电机的调速是通过控制电机的频率来获得的。一般控制信号频率越高，电机转的 越快，频率越低，转的越慢。选购时要考虑的参数是电机的输出力矩，电机的功 率，每个脉冲电机的最小转角。 方案三：微型伺服马达，也叫舵机。它的特点是：大扭力，控制简单，装配 灵活，相对经济，但它亦有其不足：首先，它是一个精细的机械部件，超出其承 受能力之外的力会导致其损坏，其次它内藏电子控制电路，不正确的电子连接也 会导致其损坏， 因此， 有必要在使用前了解其工作原理， 以免造成不必要的损失。 综上所述，根据自己的需求，选择了微型伺服马达为驱动器。 4.2.5 供电单元论证 整个系统需要电源的有：红外接收