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宁大学毕业设计(论文)小型智能移动机器人车体结构设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日摘 要近代的工业机器人是由目标机械本体、控制器系统、传感装置系统、控制系统和伺服动力器系统组成，是一种模仿人的操作、自动化控制、可多次编程、能在立体空间完成各式各样作业的Mechatronics设备。工业机器人对于提高和确保产品质量，提升生产的效率，改善工人的工作条件和快速更新产品起着非常重要的作用。工业机器人技术结合了多们学科的知识。包含机构学、计算机、控制论、信息和传感技术、人工智能、仿生学等。它是当代十分活跃，应用非常广泛的领域。机器人具有很多人类所不具有的能力，包括快速分析环境能力；抗干扰能力强，能长时间工作和工作精度高。可以说机器人是工业进步的产物，它也发挥了在当今工业的至关重要的作用。如今，机器人工业已成为世界各国备受关注的产业。随着机器人技术的快速发展，工业机器人的应用范围正在不断扩大，提出了新要求，为提高机器人教学教育的水平，我们研制出一套以实验教学为目的的机器人演示系统。本文阐述了机器人的发展历史，国内外的应用状况，及其巨大的优越性，提出了具体的机器人设计要求和进行了总体方案设计和各自由度的具体结构设计、计算；在分析国内外智能移动机器人研究现状的基础上，本文设计了一种新型移动机器人结构将轮式驱动系统和步行式运动机构相结合，在两个电机的驱动下，通过一些简单的传动机构，使机器人可以实现单方向的步态行走。同时配合车轮运动，使机器人不仅具有一般轮式机器人移动速度快、控制简单的特点，还具有较好的越障能力。本文对这种新型移动机器人进行了越障功能的分析，并对步行机构做了运动学分析。为了设计各部件的结构，确定各车轮所需的驱动力矩，在简化车轮与地面接触关系的基础上，建立了机器人的准静态模型，进行了准静态分析，从而获得机器人在步态运动时各部件的受力状况。关键词：移动机器人，步态行走，机器人；工业；传动；强度VAbstractIndustrial robot is composed of goal of modern mechanical body, control system, sensor system, control system and servo actuator system, is a kind of to imitate human operation, automatic control, but many programming, to every kind of operation Mechatronics device in three-dimensional space. Industrial robot to enhance and ensure the quality of products, improve production efficiency, plays a very important role in improving the working conditions of workers and the rapid updating of product. Industrial robot technology combines multiple subject knowledge. Contains the mechanism, computer, control theory, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics. It is very active, very broad application of the field.The robot has a lot of people do not have, including rapid analysis of environmental capacity; strong anti-interference ability, can work for a long time and high precision work. The robot can be said is a product of industrial progress, it also plays a vital role in todays industry. Today, the robotics industry has become the world the concern of the industry.With the rapid development of robot technology, is constantly expanding the scope of application of industrial robots, puts forward new requirements, in order to improve the robot teaching education level, we developed a set of experimental teaching for the purpose of demonstration of the robot system.This paper expounds the developing history of robots, the application status at home and abroad, and its great superiority, proposed the design requirements of concrete and the concrete structure calculation design, overall design and various degrees of freedom;Based on the analysis of domestic and international research status of the intelligent mobile robot, this paper designed a new type of mobile robot structure - the wheel drive system and the movement mechanism of combining in walking, driving the two motors, through some simple transmission mechanism, so that the robot can realize single direction gait. At the same time with the movement of the wheels, the robot not only has the characteristics of mobile speed fast, simple control of wheeled robot obstacle crossing ability, also has the good. This paper analyzes the obstacle function of this new mobile robot, and the walking mechanism kinematic analysis. In order to each component design structure, determine the driving torque of each wheel is required, based on simplifying the wheel and the ground contact relationship, establish the quasi static model of the robot, quasi static analysis is carried out, so as to obtain the stress state of the robot components in the gait motion at.Keywords: mobile robot, gait, the robot industry; transmission; strength目 录摘 要IAbstractII目 录IV第1章 绪论11.1 机器人概念11.2 课题研究的背景和意义11.3 国内机器人的研究21.4国外研究现状41.5机器人的发展及技术51.5.1 机器人的发展51.5.2 机器人技术51.6 本文主要研究内容6第2章 小型智能移动机器人车体结构方案设计72.1机器人工程概述72.2 工业机器人车体机构方案论述82.3 小型智能移动机器人车体结构机械传动原理8第3章 后轮驱动装置传动装置设计113.1 后轮驱动机构上部的四连杆机构设计113.2 后轮驱动机构四连杆机构设计183.2.1确定设计变量183.2.2建立目标函数183.2.3确定约束条件193.2.4写出优化数学模型213.3 步行机构受力分析213.4 轴的设计计算243.4.1按扭转强度计算243.4.2按弯扭合成强度计算253.4.3轴的刚度计算概念263.4.4轴的设计步骤263.5各轴的计算263.5.1高速轴计算263.5.2中间轴设计293.5.3低速轴设计323.6轴的设计与校核353.6.1高速轴设计353.6.2中间轴设计353.6.3 低速轴设计363.6.4高速轴的校核363.7 轴承的设计及校核373.7.1轴承种类的选择373.7.2深沟球轴承结构373.7.3轴承计算39第4章 整体车体结构设计414.1 小车行走结构设计414.1.1车体结构方案的比较与选择414.1.2小车驱动电机功率的确定424.2 蜗杆副的设计计算454.2.1 蜗杆的选型454.2.2 蜗杆副的材料454.2.3 按齿面接触疲劳强度进行设计454.2.4 蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸484.2.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度494.3 车轮部位电机选择504.4 本章小结50总结与展望52参 考 文 献53致 谢54 第1章 绪论第1章 绪论1.1 机器人概念机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 机器人是近50年才迅速发展起来的一种有代表性的、机械和电子控制系统组成的、自动化程度高的生产工具。在生产制造业中，工业机器人技术得到广泛的应用。它自动化程度高，对改善劳动条件，确保产品质量和提升工作效率，起到非常重要的作用。可以说他是现代工业的一种技术革命。机器人是一种典型的机电一体化产品，仿人型机器人是机器人研究领域的热点。研究仿人型机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。机器人是仿人型机器人的一种。1959年，世界上诞生了第一台工业机器人，开创了机器人发展的新纪元。随着科学技术的发展，仿人型机器人的研究与应用迅猛发展。世界著名机器人专家、日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是功能”。其中双足是方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。伟大的发明家爱迪生也曾说过这样一句话：“上帝创造人类，两条腿是最美妙的杰作”。系统具有非常丰富的动力学特性，对的环境要求很低，既能在平地上，也能在非结构性的复杂地面上，对环境有很好的适应性。功能的具备为扩大机器人的应用领域开辟了无限广阔的前景。研究机器人的原因和目的，主要有以下几个方面：希望研制出机构，使它们能在许多结构和非结构环境中，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；希望更多得了解和掌握人类得特性，并利用这些特性为人类服务，例如：人造假肢。系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及机器人的研究方向；机器人可以作为一种智能机器人在人工智能中发挥重要的作用。1.2 课题研究的背景和意义由于现代科技的发展，无论是在工业生产中还是人类日常生活，机器人技术都得到广泛的应用。研究智能类人机器人是近年科学家一致致力于的方向。类人机器人是以人类模型的，它能仿照人类各种动作和具有人类的外部特征。未来机器人管家将不是梦。按机器人结构的不同，机器人又可以分很多种。轮式移动机器人、履带机器人、机器手、步行机器人等等。值得一提的是步行机器人，他是近年来类人机器研究的重要成果。它的移动方式跟大多数动物一样甚至可以跟人类一下。这是一种很复杂的自动化程度很高的运动。相对于传统的轮式和履带机器人，他对环境的适应性更强。能在很小的空间作业，在不平的道路上如履平地，上下楼梯等等。 将来不久，这项技术会得到非常广泛应用。 在机器人研究、制作中，运用电脑对设计出来的机器人进行仿真是一项非常重要的过程。机器人仿真包含零件建模，零件装配，最后进行运动仿真。通过仿真，设计员可以很直观的观察到各个机构的运动状况，知道有没有出现干涉；可以清楚知道各个部件的受力情况，得出各种模拟数据。这种方法大大节约了研制时间和成本。 1.3 国内机器人的研究工业机器人在日本应用的历史非常悠久。在七十年代时工业机器人首先得到应用，然后经过十年的发展，在八十年代的时候工业机器人已经得到普及。相应的他们工业年产值也得到了快速提高。1980年达到一千亿日元，到1990年提高到六千亿日元。在2004年时已达到了一万八千五百亿日元。可见工业机器人在提高生产效益方面的重要性。在国际方面，各个国家已经意识到工业机器人的重要性。所以工业机器人的订单急速上升。在2003年的订单量相对于2002年增长了百分之10。此后工业机器人的需求量仍然不断上升。从2001年到2006年全球订单增长多达90000多台。平均年增长为7%。国际工业机器人的发展方向:机器人涉及到非常多学科的知识和领域。包括：计算机、电子、控制、人工智能、传感器、通讯与网络、控制、机械等等。机器人的发展离不开上述学科的发展。正是由于各个学科的相互影响和综合集成，才能制造出自动化程度高的及其人。随着科学技术的进步，机器人在应用得范围越来越广泛；技术也越来越得到调高，功能更加强大。现在很对机器人的研究都往小型化发展。机器人将会更多的进入到人们的日常生活中去。总体的发展趋势是模块化、标准化、更加智能化。工业机器人的广泛应用，对提升产品的质量与产能、保障人员安全，改善劳动环境，降低劳动的强度，提高生产效率，节约原材料消耗以及降低生产成本，起着一个十分重要的作用。工业机器人的广泛应用体现以人为本的原则，它的出现让人们的生活更加便利和美好。国内机器人的研制工作起步较晚，我国是从20世纪80年代开始机器人领域的研究和应用的。1986年，我国开展了“七五”机器人攻关计划，1987年，我国的“863”高技术计划将机器人方面的研究开发列入其中。目前我国从事机器人研究与应用开发的单位主要是高校和有关科研院所等。最初我国进行机器人技术研究的主要目的是跟踪国际先进的机器人技术，随后取得了一定的成就。哈尔滨工业大学自1986年开始研究机器人，先研制成功静态双足机器人HIT-I，高 110cm，重70kg，有10个自由度，实现平地上的前进、左右侧行以及上下楼梯的运动，步幅45cm，步速为10秒/步，后来又相继研制成功了HIT-II和HIT-III，重42kg，高 103cm，有12个自由度，实现了步长24cm，步速2.3步每秒的。目前正在研制的HI下IV机器人，全身可有52个自由度，其在运动速度和平衡性方面都优于前三型机器人37。国防科技大学在1988年春成功地研制了一台平面型6自由度的双足机器人KDW-1，它能前进、后退和上下楼梯，最大步幅为40cm，步速为4步每秒，1989年又研制出空间型 KDW-II，有10个自由度，高69cm，重13kg实现进退、上下台阶的静态稳定以及左右的准动态。1990年在KDW-II的平台上增加两个垂直关节，发展成KDW-III，有12个自由度，具备了转弯功能，实现了实验室环境的全方位。1995年实现动态，步速0.8步每秒，步长为20cm22cm，最大斜坡角度达13度。2000年底在KDW-III的基础上研制成功我国首台仿人形机器人“先行者”，动态，可在小偏差、不确定的环境，周期达每秒两步，高1.4m，重20kg，有头、眼、脖、身躯、双臂、双足，且具备一定的语言功能813。此外，清华大学正在研制仿人形机器人THBIP-I，高1.7m，重130kg，32个自由度，在清华大学985计划的支持下，项目也在不断取得进展。南京航空航天大学曾研制了一台8自由度空间型机器人，实现静态功能13,14。本课题源于“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中机器人。目前，机器人大多以轮子的形式实现功能阶段。真正模仿人类用腿走路的机器人还不多，虽有一些六足、四足机器人涌现，但是机器人还是凤毛麟角。我们这个课题，探索设计仅靠巧妙的机械装置和简单的控制系统就能实现模拟人类的机器人。其分功能有：交替迈腿、摇头、摆大臂、摆小臂。1.4国外研究现状最早系统地研究人类和动物运动原理的是Muybridge，他发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在1877年成功地拍摄了许多四足动物和奔跑的连续照片。后来这种采用摄像机的方法又被Demeny用来研究人类的运动。从本世纪30年代到50年代，苏联的Bernstein从生物动力学的角度也对人类和动物的机理进行深入的研究，并就运动作了非常形象化的描述。真正全面、系统地开展机器人的研究是始于本世纪60年代迄今，不仅形成了机器人一整套较为完善的理论体系，而且在一些国家，如日本、美国和苏联等都已研制成功了能静态或动态的机器人样机。这一部分，我们主要介绍队60年代到1985年这一时期，在机器人领域所取得的最重要进展。在60年代和70年代，对机器人控制理论的研究产生了3种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这3种控制方法对各种类型的机器人都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出来的 ，模型参考控制是由美国的Farnsworth在1975年提出来的，而算法控制则是由南斯拉夫米哈依罗鲍宾研究所著名的机器人学专家Vukobratovic博士在1969年至1972年问提出来的。这3种控制方法之间有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况1。在步态研究方面，苏联的Bessonov和Umnov定义了“最优步态”，Kugushev和Jaro-shevskij定义了自由步态。这两种步态不仅适应于而且也适应于多足机器人。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么机器人在时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该象登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。在机器人的稳定性研究方面，美国的Hemami等人曾提出将系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子(倒摆)，从而可以将的前进运动解释为使振子直立的问题。此外，从减小控制的复杂性考虑，Hemami等人还曾就机器人的“降阶模型”问题进行了研究。前面我们曾指出Vukobratovic也对类人型系统进行了能量分析，但他仅限于导出各关节及整个系统的功率随时间的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题但在他的研究中，Vukobratovic得出了一个有用的结论，即姿态越平滑，类人型系统所消耗的功率就越少。1.5机器人的发展及技术1.5.1 机器人的发展20世纪40年代，伴随着遥控操纵器和数控制造技术的出现，关于机器人技术的研究开始出现。60年代美国的ConsolidatedContr01公司研制出第一台机器人样机，并成立了Unimation公司，定型生产了Unimate机器人。20世纪70年代以来，工业机器人产业蓬勃兴起，机器人技术逐渐发展为专门学哈尔滨工程大学硕十学位论文。1970年，第一次国际机器人会议在美国举行。经过几十年的发展，数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的机器人已进入了实用化阶段。目前，尽管关于机器人的定义还未统一，但一般认为机器人的发展按照从低级到高级经历了三代。第一代机器人，主要指只能以“示教-再现”方式工作的机器人，其只能依靠人们给定的程序，重复进行各种操作。目前的各类工业机器人大都属于第一代机器人。第二代机器人是具有一定传感器反馈功能的机器人，其能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人按照己编好的程序做出一定推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智能。当前，对第二代机器人的研究着重于实际应用与普及推广上。第三代机器人是指具有环境感知能力，并能做出自主决策的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维，判断决策，在作业环境中可独立行动。第三代机器人又称为智能机器人，并己成为机器人学科的研究重点，但目前还处于实验室探索阶段。机器人技术己成为当前科技研究和应用的焦点与重心，并逐渐在工农业生产和国防建设等方面发挥巨大作用。可以预见到，机器人将在21世纪人类社会生产和生活中扮演更加重要的角色。1.5.2 机器人技术机器人学是一门发展迅速的且具有高度综合性的前沿学科，该学科涉及领域广泛，集中了机械工程、电气与电子工程、计算机工程、自动控制工程、生物科学以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最新成就。机器人充分体现了人和机器的各自特长，它比传统机器具有更大的灵活性和更广泛的应用范围。机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。目前，机器人及其自动化成套装备己成为国内外备受重视的高新技术应用领域，与此同时它正以惊人的速度向海洋、航空、航天、军事、农业、服务、娱乐等各个领域渗透。目前，虽然机器人的能力还是非常有限的，但是它正在迅速发展。随着各学科的发展和社会需要的发展，机器人技术出现了许多新的发展方向和趋势，如网络机器人技术、虚拟机器人技术、协作机器人技术、微型机器人技术和机器人技术等。1.6 本文主要研究内容第1章 绪论 主要介绍机器人的相关知识和本课题研究的任务和要求.第2章 总体方案设计,介绍该机器人各部分的相关知识和总体设计.第3章 机器人各部分设计的介绍第4章 机器人结构设计55第2章 小型智能移动机器人车体结构方案设计2.1机器人工程概述从系统功能的观点来看，将一部复杂的机器看成是一个系统，它由若干个子系统按一定规律有机地联系在一起，是一个不可分的整体。如果将系统拆开、则将失去作为一个整体的特定功能。因此，在设计一部较复杂的机器时，从机器系统的概念出发，这个系统应具有如下特性：（1） 整体性 由若干个不同性能的子系统构成的一个总的机械系统应具有作为一个整体的特定功能。（2） 相关性 系统内各子系统之间有机联系、有机作用，具有某种相互关联的特性。（3） 目的性 每个系统都应有明确的目的和功能，系统的结构、系统内各子系统的组合方式决定于系统的目的和功能。（4） 环境适应性 任何一个系统都存在于一定的环境中，必须能适应外部环境的变化。因此，在进行机器人设计时，不仅要重视组成机器人系统的各个部件、零件的设计，更应该按照系统工程学的观点，根据机器人的功能要求，将组成机器人系统的各个子系统部件、零件合理地组合，设计出性能优良适于工作需要的机器人产品。在比较复杂的工业机器人系统中大致包括如下:操作机，它是完成机器人工作任务的主体，包括机座、手臂、手腕、末端执行器和机构等。驱动系统，它包括作为动力源的驱动器，驱动单元，伺服驱动系统由各种传动零、部件组成的传动系统。控制系统，它主要包括具有运算、存储功能的电子控制装置（计算机或其他可编程编辑控制装置），人机接口装置（键盘、示教盒等），各种传感器的信息放大、传输和处理装置，传感器、离线编程、设备的输入/输出通讯接口，内部和外部传感器以及其他通用或专用的外围设备14。工业机器人的特点在于它在功能上的通用性和重新调整的柔性，因而工业机器人能有效地应用于柔性制造系统中来完成传送零件或材料，进行装配或其他操作。在柔性制造系统中，基本工艺设备（如数控机床、锻压、焊接、装配等生产设备）、辅助生产设备、控制装置和工业机器人等一起形成了各种不同形式地工业机器人技术综合体地工业机器人系统。在其他非制造业地生产部门，如建筑、采矿、交通运输等生产领域引用机器人系统亦是如此。2.2 工业机器人车体机构方案论述负载大小的确定主要是考虑沿机器人各运动方向作用于机械接口处的力和扭矩。其中应包括机器人末端执行器的重量、抓取工件或作业对象的重量和规定速度和加速度条件下，产生的惯性力等。由本次设计给的设计参数可初估本次设计属于小负载。驱动方式由于伺服电机具有控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境没有影响，体积小，效率高，适用于运动控制要求严格的中、小型机器人等特点，故本次设计采用了伺服电机驱动（三）传动系统设计机器人传动装置中应尽可能做到结构紧凑、重量轻、转动惯量和体积小，在传动链中要考虑采用消除间隙措施，以提高机器人的运动和位置控制精度。在机器人中常采用的机械传动机构有齿轮传动、蜗杆传动、滚珠丝杠传动、同步齿形带传动、链传动、行星齿轮传动、谐波齿轮传动和钢带传动等，由于齿轮传动具有效率高，传动比准确，结构紧凑、工作可靠、使用寿命长等优点，且大学学习掌握的比较扎实，故本次设计选用齿轮传动。（四）工作范围工业机器人的工作范围是根据工业机器人作业过程中操作范围和运动轨迹来确定，用工作空间来表示的。工作空间的形状和尺寸则影响机器人的机械结构坐标形式、自由度数和操作机各手臂关节轴线的长度和各关节轴转角的大小及变动范围的选择（五） 运动速度机器人操作机手臂的各个动作的最大行程确定后，按照循环时间安排确定每个动作的时间，就能进一步确定各动作的运动速度，用m/s或（）/s表示，各动作的时间分配要考虑多方面的因素，例如总的循环时间的长短，各动作之间顺序是依序进行还是同时进行等。应试做各动作时间的分配方案表，进行比较，分配动作时间除考虑工艺动作的要求外，还应考虑惯性和行程的大小，驱动和控制方式、定位方式和精度等要求。2.3 小型智能移动机器人车体结构机械传动原理三个车轮着地。由于始终有三个车轮着地，即使行走速度较慢，也可以保证整个车体的稳定性。另外，当机器人处于六个车轮同时着地时，可以通过各车轮上的驱动电机和舵机驱动各车轮，实现机器人的前进、后退和转向。采用驱动电机和车轮一体化结构，即电动轮结构。在部分车轮与连杆机构的连接处装有舵机，用于实现转向。在车体上设有中央控制单元，实现电机的运行控制。这样，六个车轮在结构上集驱动、减速、传动和位置监测于一身，减少了传动环节和车体重量，提高了系统的效率和可靠性。控制模式考虑采用自主导航和远距离控制相结合的模式。车上设有传感和视觉系统、导航系统、控制系统，机器人本身具有一定自主导航能力，可以实现自动避障。同时视觉系统可以把视觉内容通过无线设备传递给遥控系统，实现遥控功能。机器人自带蓄电池等能源设备，可以在一定时间段内实现能源的自动供给，保证机器人在失去外部电源的情况下能自动返回出发地。驱动元件在机器人中的作用相当于人体的肌肉。为了完成预定的动作，机器人必须具备前进驱动装置和转向驱动装置，这是结构设计中的一个关键。在所有的驱动元件中，电机是最常用的机器人驱动器。当前许多仿生机器人也有用液压元件、气动元件以及一些特殊材料来作驱动器。本文主要采用电机作为该新型智能移动机器人的驱动元件。对电机实现准确的控制，才能使机器人实现精确运动。目前，电机驱动装置主要有以下两种布置方式： (1)集中驱动方式。即把驱动电机布置在车体上，在通过传动装置，将动力输出到每个车轮上，使车轮运动。电动汽车便是典型的集中驱动方式。对于智能移动机器人，集中驱动方式并不合适，主要是由于其难以实现自由转向，对车体进行精确定位。(2)集中控制分布驱动方式。即在每个驱动车轮上都设置电机，驱动车轮运动或转向。电机由安装在车体上的中央控制元件控制其转动速度。这种结构简单，而且便于实现，有利于运动机构性能的发挥引。目前各国的空间探测车均采用这种驱动方式。本方案采用集中控制分散驱动方式。车轮和前进驱动电机做成一体式结构，即为电动轮。在车轮和支架连接处，装设转向电机，驱动车轮转向。车轮的直径对机器人的速度和越障能力都有很大的影响。使用同样的电机，车轮直径增加，机器人的速度会同时增加，二者之间是一种线性关系。另外，按照车辆理论的分析，车轮的直径增大可以明显提高机器人的越障能力。但是，车轮直径变大的同时，车轮表面所受的电机转矩却会下降。根据车辆地面力学理论，刚性车轮的宽度越宽，车轮的土壤沉陷量越小，土壤的压实阻力也就越。不过，车轮变宽后，机器人的转向阻力也会变大。另外，增加车轮的直径比增加车轮宽度对减小压实阻力更为有效。因此，必须根据实际情况设定车轮直径和宽度，不能盲目加大车轮直径和宽度。本智能机器人的步行机构为多连杆机构，拟采用一个电机驱动一个端点做圆周运动，通过连杆传动，实现落足点周期性的往复运动，从而实现机器人的前进、后退以及一定范围内的越障。步行机构如图31所示。为了简化示意图，现将连杆用直线表示，铰接点用圆圈表示。连杆机构简图如图32所示。现取各杆件的长度为L1=L8=224mm、L2=L5=L9=L4=200mm、L3=L7=100mm、L6=L10=330mm、L11=100mm、固定点A、B间的距离为240mm。第3章 后轮驱动装置传动装置设计3.1 后轮驱动机构上部的四连杆机构设计连杆机构是最常用的机构，因此连杆机构优化设计在机构设计中十分重要，研究工作开展得也最为广泛。有大量的文献介绍有关平面四杆机构、平面五杆机构、柔性连杆机构、曲柄连杆机构、槽轮连杆机构、凸轮连杆组合机构和齿轮连杆等机构的优化。鉴于四连杆机构的典型性，本节结合四连杆机构的函数再现优化设计问题，阐述连杆机构优化问题的一般方法及流程。四连杆机构的优化设计就是对四连杆机构的参量进行优化调整，使得机构给定的运动和机构所实现的运动之间误差最小。因此四连杆机构的优化设计的过程，就是寻找使得四连杆机构运动误差最小的一组机构设计参量。四连杆机构设计参量确定后，就可认为实现了机构的优化设计。四连杆机构的优化设计包括四连杆机构优化模型建立和优化模型求解二个主要过程。通过对四连杆机构的分析确定优化方案，确定设计变量，给出目标函数，并将机构设计制约条件，如杆长条件、传动角条件等，写成相应的约束条件，即可建立机构优化设计模型。下面介绍四连杆机构函数再现优化设计模型的建立。连杆机构函数再现设计主要通过选取输人构件和输出构件相对应若干位置、采用机构图解法或分析法确定机构各参数。图1是典型的平面铰链四杆机构，、和分别表示于四个构件的长度，杆AB是输入构件。假设图1所示的平面铰链四杆机构再现给定函数为，即，则机构位置取决于、铰链A的位置、AD与机架x轴夹角以及输人构件转角等七个变量。为简化问题，可令A的位置为，构件的长度为1(参考构件)，由此可将问题维数降为四维，并不影响构件输入、输出的函数关系。由此可以得到输出构件转角外与输入构件转角之间的函数关系式：（1）机构优化设计目标就是使得输出构件转角与给定值在，所有位置上的误差最小。因此机构优化设计的目标函数可用下式表示（2）当输入构件转角为时，输出构件转角外可由下式求得，（3）式中：所以（4）将上式代入式（3），并令代表设计变量、及，机构优化设计目标函数可写为：（5）机构优化设计的约束条件应根据机构设计的实际情况确定。例如曲柄摇杆式四连杆机构必须满足如下关系式：或（6）如果机构要求传动灵活可靠，则传动角应满足：或其中从上式可知，传动角随的变化而变化，当为最大值时，为最小，为最小值时，为最大。要满足上式条件，约束方程应为：曲柄摇杆机构有，因此，约束方程为（7）当所选定的设计变量为构件长度时，则构件长度必须是正数，即约束方程为式中是为了使构件长度不小于而设的。此外，由于具体结构尺寸的限制，往往对某些构件的长度限定在某一范围内选取，例如连杆BC的长度最短为的倍，最长为的倍，即则约束方程为（8）下面介绍再现函数为的曲柄摇杆机构的优化设计。先变换给定函数为，并设输人构件初始角为，输出构件初始角为，选取输入构件的转角为,输出构件的转角为。当输入构件从转到时，输出构件从转到，输入构件从转到时，输出构件则从回到。显然有及，即及。代入函数式得：设将输入构件的转角均分成20等分，则，取权因子，再令代表设计变量、及，则由式（5）得曲柄连杆机构优化目标函数为曲柄摇杆机构优化设计约束条件如下：由式（6）得：要求传动角满足，由式（7）得：根据机构结构尺寸，要求各构件长度相对机架的尺寸在给定的范围内，由式(8)得因此曲柄摇杆机构优化设计模型如下：Min. s.t.采用内点惩罚函数法和POWELL法求解曲柄摇杆机构优化设计模型。选择初始惩罚参数，递减函数e = 0.01，初始点，取惩罚函数法收敛精度，POWELL法目标函数值收敛精度，一维搜索精度。3.2 后轮驱动机构四连杆机构设计3.2.1确定设计变量根据设计要求，由机械原理知识可知，设计变量有L1、L2、L3、L4、。将曲柄的长度取为一个单位长度1，其余三杆长可表示为L1的倍数。由图1所示的几何关系可知为杆长的函数。另外，根据机构在机器中的许可空间，可以适当预选机架L4的长度，取L4=5，经以上分析，只剩下L2、L3两个独立变量，所以，该优化问题的设计变量为因此。本优化设计为一个二维优化问题。3.2.2建立目标函数按轨迹的优化设计，可以将连杆上M点与预期轨迹点坐标偏差最小为寻优目标，其偏差为和，如图2。为此，把摇杆运动区间2到5分成S等分，M点坐标有相应分点与之对应。将各分点标号记作，根据均方根差可建立其目标函数，即 ，S为运动区间的分段数于是由以上表达式便构成了一个目标函数的数学表达式，对应于每一个机构设计方案（即给定），即可计算出均方根差。图 23.2.3确定约束条件根据设计条件，该机构的约束条件有两个方面：一是传递运动过程中的最小传动角应大于50度；二是保证四杆机构满足曲柄存在的条件。以此为基础建立优化线束条件。保证传动角图 3按传动条件，根据图3可能发生传动角最小值的位置图，由余弦定理 （见图3（a）所以 （a） （见图3（b）所以 （b）式（a）、（b）为两个约束条件，将，代入式（a）、（b），得曲柄存在的条件按曲柄存在条件，由机械原理知识可知，把它们写成不等式约束条件（将，代入上式），得经过分析，上述七个约束条件式中，和为紧约束条件，为松约束条件，即满足和的，必满足不等式，所以本优化问题实际起作用的只有和两个不等式约束条件。3.2.4写出优化数学模型综上所述，可得本优化问题的数学模型为 即本优化问题具有两个不等式约束的二维约束优化问题。3.3 步行机构受力分析该步行机构的受力情况如图312所示。由于该机构中所有连杆均为二力杆，即只受轴向力作用。设图中所有连杆所受的拉力为正，压力为负。为地面对车轮的支撑力，月川为11个连杆的内力，矽】、汐2分别为连杆9和连杆5与水平线的夹角， y1、r2分别为连杆10和连杆6与水平线的夹角，妒为曲轴11与水平线的夹角。由力的平衡条件可得方程组：将以上5个方程组联立方程组31和3-6，可以解得当地面对车轮的支撑力为，曲轴11与水平线的夹角为时，该支腿步行机构中各连杆的内力大小。假设地面对车轮的支撑力不变，当曲轴11转动时，各连杆的内力也会随之变化。利用MATLAB软件来解这个大型次方程组，并且进行曲轴旋转一周的仿真。即可得到曲轴转动一周，该支腿机构各连杆的内力变化曲线。根据各连杆受力的情况便可以合理设计各连杆的截面积大小，从而对该机构进行优化。齿轮传动计算齿轮模数取2，齿轮为50. 传动比1：1解：1. 选择齿轮精度等级、材料、齿数1）属于一般机械，且转速不高，故选择8级精度。2）因载荷平稳，传递功率较小，可采用软齿面齿轮。参考表11-1，小齿轮选用45钢调质处理，齿面硬度217255HBS，HLim1=595MPa，FE1=460MPa；大齿轮选用45钢正火处理，齿面硬度162217HBS，HLim2=390MPa，FE2=320MPa。3）选小齿轮齿数z1=50，则z2=iz1=50，取z2=50。故实际传动比i=z2/z1=1，与要求的传动比0%。齿数比u=i=1。对于齿面硬度小于350 HBS的闭式软齿面齿轮传动，应按齿面接触强度设计，再按齿根弯曲强度校核。2. 按齿面接触强度设计设计公式11-31）查表11-3，原动机为电动机，工作机械是输送机，且工作平稳，取载荷系数K=1.2。2）小齿轮传递的转矩3）查表11-6，齿轮为软齿面，对称布置，取齿宽系数d=1。4）查表11-4，两齿轮材料都是锻钢，故取弹性系数ZE=189.8 MPa1/2。5）两齿轮为标准齿轮，且正确安装，故节点区域系数ZH=2.5。6）计算许用接触应力应力循环次数小齿轮N1=60n1jLh=603501(2830010)=10.08108大齿轮N2= N1/i=10.08108/3.58=2.82108据齿轮材料、热处理以及N1、N2，查接触疲劳寿命系数图表，不允许出现点蚀，得接触疲劳寿命系数ZN1=1，ZN2=1。查表11-5，取安全系数SH=1.1。计算许用接触应力取小值H2代入计算。7）计算 3. 验算轮齿弯曲强度按公式11-5校核 1）由z1=24，z2=86查图11-8，得齿型系数YFa1=2.77，YFa2=2.23。2）由z1=24，z2=86查图11-9，得应力集中系数YSa1=1.58，YSa2=1.773）计算许用弯曲应力据齿轮材料、热处理以及N1、N2，查弯曲疲劳寿命系数图表，得弯曲疲劳寿命系数YN1=1，YN2=1。查表11-5，取安全系数SF=1.25。计算许用弯曲应力4）校核计算弯曲强度足够。4. 验算齿轮的圆周速度对照表11-2可知，选用9级精度较为合宜。3.4 轴的设计计算3.4.1按扭转强度计算这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度。如果还受不大的弯矩时，则采用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。并且应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。在进行轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可作为最后计算结果。轴的扭转强度条件为：强度条件： Mpa 设计公式： （mm）轴上有键槽： 放大：35%一个键槽；710%二个键槽。并且取标准植式中：许用扭转剪应力（N/mm2），C为由轴的材料和承载情况确定的常数。3.4.2按弯扭合成强度计算通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸、轴上零件的位置以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷（弯矩和扭矩）已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。对于钢制的轴，按第三强度理论，强度条件为：设计公式：（mm）式中、：e为当量应力，Mpa。 d为轴的直径，mm; 为当量弯矩；M为危险截面的合成弯矩； MH为水平面上的弯矩；MV为垂直面上的弯矩；W为轴危险截面抗弯截面系数；为将扭矩折算为等效弯矩的折算系数弯矩引起的弯曲应力为对称循环的变应力，而扭矩所产生的扭转剪应力往往为非对称循环变应力与扭矩变化情况有关 扭矩对称循环变化 = 扭矩脉动循环变化 不变的扭矩，分别为对称循环、脉动循环及静应力状态下的许用弯曲应力。对于重要的轴，还要考虑影响疲劳强度的一些因素而作精确验算。内容参看有关书籍。3.4.3轴的刚度计算概念轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。轴的弯曲刚度是以挠度y或偏转角以及扭转角来度量，其校核公式为：yy; ; 。式中：y、 、 分别为轴的许用挠度、许用转角和许用扭转角。3.4.4轴的设计步骤设计轴的一般步骤为：（1）选择轴的材料 根据轴的工作要求，加工工艺性、经济性，选择合适的材料和热处理工艺。（2）初步确定轴的直径 按扭转强度计算公式，计算出轴的最细部分的直径。（3）轴的结构设计 要求：轴和轴上零件要有准确、牢固的工作位置；轴上零件装拆、调整方便；轴应具有良好的制造工艺性等。尽量避免应力集中；根据轴上零件的结构特点，首先要预定出主要零件的装配方向、顺序和相互关系，它是轴进行结构设计的基础，拟定装配方案，应先考虑几个方案，进行分析比较后再选优。原则：1）轴的结构越简单越合理；2）装配越简单越合理。3.5各轴的计算3.5.1高速轴计算（1）查得C=118（低速轴弯矩较大），由公式 取高速轴的直径d=45mm。（2）求作用在齿轮上的力齿轮分度圆直径为 齿轮所受的转矩为 齿轮作用力 圆周力 径向力 轴向力 （3）画轴的计算简图并计算支反力(图 a)水平支反力 垂直支反力 （4）画弯矩图a水平面内弯矩图M(b图)截面c b垂直面内弯矩图MC（c图）截面c C合成弯矩（d图）d 画扭矩图（e图） 又根据 查得 则 e 绘当量弯矩图（f图）3.5.2中间轴设计（1）查得C=118（低速轴弯矩较大），由公式 取高速轴的直径d=60mm。（2）求作用在齿轮上的力齿轮分度圆直径为 齿轮所受的转矩为 齿轮作用力 圆周力 径向力 轴向力 （3）画轴的计算简图并计算支反力(图 a)水平支反力 垂直支反力 （4）画弯矩图a水平面内弯矩图M(b图)截面c 截面D b垂直面内弯矩图MC（c图）截面c 截面D C合成弯矩（d图）D合成弯矩d 画扭矩图（e图） 又根据 查得 则 e 绘当量弯矩图（f图）3.5.3低速轴设计（1）查得C=118，由公式 取高速轴的直径d=75mm。（2）求作用在齿轮上的力齿轮分度圆直径为 齿轮所受的转矩为 齿轮作用力 圆周力 径向力 轴向力 （3）画轴的计算简图并计算支反力(图 a)水平支反力 垂直支反力 （4）画弯矩图a水平面内弯矩图M(b图) 截面c b垂直面内弯矩图MC（c图） 截面c C合成弯矩（d图）d 画扭矩图（e图） 又根据 查得 则 e 绘当量弯矩图（f图）3.6轴的设计与校核3.6.1高速轴设计初定最小直径，选用材料45钢，调质处理。取A0=112（不同）则Rmin=A0=16.56mm最小轴径处有键槽Rmin = 1.07dmin = 17.72mm最小直径为安装联轴器外半径，取KA=1.7，同上所述已选用TL4弹性套柱联轴器，轴孔半径R=20mm。 取高速轴的最小轴径为R=20mm。由于轴承同时受径向和轴向载荷，故选用6300滚子轴承按国标T297-94 D*d*T=17.25 轴承处轴径d =36mm高速轴简图如下：取L1=38+46=84mm,取挡圈直径D=43mm,取d2=d4=54mm,d3=67mm,d1=d5=67mm。联轴器用键：圆头普通平键。B*h=6*6,长L=91 mm齿轮用键：同上。B*h=6*6, 长L=10mm,倒角为2*45度3.6.2中间轴设计中间轴简图如下：初定最小直径dmin=20mm选用6303轴承，d*D*T=25*62*18.25 d1=d6=25mm,取 L1=26mm, L2=19，L4=120mm,d2=d4=35mm,L3=12mm D3=50mm,d5=30mm,L5=1.2*d5=69mm，L6=55mm齿轮用键：圆头普通键：b*h=12*8,长L=61mm3.6.3 低速轴设计初定最小直径：dmin=25mm 取小轴径处有键槽 dmin=1.07dmin=36.915mm取d1=75mm,d2=90mm,d3=97mm,d4 =75mmd5=65mm,d6=60mm,L1=35mm,L2=94mm,L3=15mm,L4=28mm,L5=38mm,L6=40mm,L7=107mm齿轮用键：圆头普通键：b*h=16*6,长L=85mm选用6300轴承：d*D*T=40*90*25.25mm,B=23mm,C=20mm3.6.4高速轴的校核 最容易出现损坏的轴为高速轴，故在进行轴的校验的时候，只需对高速轴进行校验。高速轴的校验计算如下所示：P=3.105Kw,n=960r/min,T=30.89N.M齿轮受力：Ft=1095N,Fr=370N,Fe=148N支持力：Fv1=365N,Fv2=1460N,FH1=-66N,FH2=431NMr=Fv1*90=-33N.mMH1=FH1*90=-5.94N.mMH2=M=5.01N.mT=30.89N.m M=33.38N.mca=24.4Mpa-1=60MPaca所以轴安全。3.7 轴承的设计及校核3.7.1轴承种类的选择查机械设计课程设计手册第二版 吴宗泽 罗圣国 主编 高等教育出版社出版P62 滚动轴承由于采用两端固定，采用深沟球轴承。型号为6303和6300。3.7.2深沟球轴承结构深沟球轴承一般由一对套圈，一组保持架，一组钢球组成。其结构简单，使用方便，是生产最普遍，应用最广泛的一类轴承。该类轴承主要用来承受径向负荷，但也可承受一定量的任一方向的轴向负荷。当在一定范围内，加大轴承的径向游隙，此种轴承具有角接触轴承的性质，还可以承受较大的轴向负荷。深沟球轴承装在轴上以后，可使轴或外壳的轴向位移限制在轴承的径向游隙范围内。同时，当外壳孔和轴（或外圈对内圈）相对有倾斜时，（不超过816根据游隙确定）仍然可以正常地工作，然而，既有倾斜存在，就必然要降低轴承的使用寿命。深沟球轴承与其它类型相同尺寸的轴承相比，摩擦损失最小，极限转速较高。在转速较高不宜采用推力球轴承的情况下，可用此类轴承承受纯轴向负荷。如若提高其制造精度，并采用胶木、青铜、硬铝等材质的实体保持架，其转速还可提高。型号内径d外径D宽度B倒角r额定负荷kN钢球极限转速rpm重 量kgmminchmminchmminchmminch动态静态数量大小油脂油6355.196919.78406.23620.3.0122.340.88592.38134000400000.008630010.3937351.378011.43310.6.0248.203.5076.35015000210000.053630112.4724371.456712.47241.0.0399.704.2067.93814000200000.060630215.5906421.653513.51181.0.03911.405.4577.93813000180000.082630317.6693471.850414.55121.0.03913.506.5578.73112000170000.115630420.7874522.047215.59061.1.04315.907.9079.52511000150000.144630525.9843622.440917.66931.1.04321.2010.90711.50010000130000.21936306301.1811722.834619.74801.10.4326.7015.00812.0008000100000.34986307351.3780803.149621.82681.5.05933.5019.10813.494680080000.45426308401.5748903.543323.90551.5.05940.5024.00815.081580072000.63946309451.77171003.937025.98431.5.05953.0032.00817.462500062000.83636310501.96851104.3307271.06302.0.07962.0038.50819.050440055001.0822深沟球轴承结构简单，使用方便，是生产批量最大、应用范围最广的一类轴承，主要用以承受径向负荷。当轴承的径向游隙加大时，具有角接触球轴承的性能，不承受加大的轴向负荷。此类轴承摩擦系数小，震动、噪声低,极限转速高。不耐冲击，不适宜承受较重负荷。 深沟球轴承一般采用钢板冲压浪形保持架，也可采用工程塑料、铜制实体保持架。密封轴承内部根据不同的使用环境可添加相应的轴承专用润滑脂。可大批量的生产外径小于260mm的普通级深沟球轴承。应用于各类汽车的变速箱、发动机、水泵等部位，并适合其它各种机械上采用。根据用户的要求，可制造高级精度（P6、P5、P4级），各种游隙组别，特殊振动，噪声要求（Z1、Z2或V1、V2）的深沟球轴承。 A.深沟球轴承60000型； B.外围有止动槽的深沟球轴承60000-N型； C.一面带防尘盖的深沟球轴承60000-Z型， 两面带防尘盖的60000-2Z型； D.一面带防尘圈（接触式）的深沟球轴承60000-RS型，两面接触密封60000-2RS型； E.一面带密封圈（非接触式）的深沟球轴承60000-RZ型，两面非接触式的深沟球轴承60000-2RS型； F.双列深沟球轴承40000型； G.有装球缺口的深沟球轴承200、300型或200V、300V型。3.7.3轴承计算高速轴轴承Ft1=1095NFa2=Fr1tansin1=370NFr2=Fa1=Ftansin1=148N FV1=Ft1=365N FV2=Ft1=1460NM=5010N.M FH2*90=Fv2*120-M FH1*90=Fv1*30+M FH1=-66N;FH2=431N Fr1=317NFr2=1522N Fd1=92.7N Fd2=380.54N 轴承压紧，放松。 Fa1=Fae+Fd2=148N+380N=528N Fa2=Fd2=380N1.430.3;x1=0.4y1=20. 252.46e. 各轴的运动动力参数 各轴转速I 轴 ( 蜗杆轴 )=1400(r/min)II 轴 ( 丝杠螺母、刀盘 )=1400/28=50(r/min) 各轴输入功率I 轴 （3-7）II 轴 w （3-8）输出功率I 轴 （3-9）II 轴 （3-10）根据闭式蜗杆传动的设计准则,先根据齿面接触疲劳强度进行设计 , 再校核齿根弯 曲强度应有 : (4 1） a.用在蜗轮上的转矩：按，取效率则 (4 2) b.确定载荷系数K：因工作载荷较稳定,所以取齿向载荷分布系数 由表 11-5( 机械设计第七版 ) 中选取使用系数 =1.15 由于转速不高,冲击不大,取动载荷系数 则 （4-3）c.确定弹性影响系数：由选用铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆相配合, 故 (4-4）d.确定接触系数:先假设蜗杆分度圆直径为和中心距 a 的比值从图 11-18( 机械设计第七版 ) 中可查得 =2.75e.确定许用接触应力：根据蜗杆材料为铸锡磷青铜ZCuSn10Pi金属模铸造,蜗杆硬度大于45HRC可以从 11-7( 机械设计第六版 ) 中查得涡轮的基本许用应力=268应力循环次数设计要求寿命为 12000h 则(涡轮每转一转,每个轮齿啮合的次数) (4-5)寿命系数： 则 (4-6)f.计算中心距 :19 (4-7)所以取中心距为20mm ；因i=50，故从表11-12中取模数m=1mm 4.2.4 蜗杆和蜗轮的主要计算参数和几何尺寸4.2.5 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 (4-8)当量齿数： (4-9)根据 从图11-19中( 机械设计第七版 ) 可查得齿形系数 螺旋角系数许用弯曲应力 从表 11-8( 机械设计第七版 ) 查得ZcuSn10Pi制造的蜗轮的基本许用弯曲应力 。寿命系数： (4-10) (4-11) (4-12)故弯曲强度不满足要求。改用铸铝铁青铜(ZcuAl10Fe3)砂模铸造，其许用应力： （4-13）则 （3-24）所以强度满足。4.3 车轮部位电机选择考虑到关节的实际情况，对电机的要求：质量轻，体积小，频繁的正反转，换向性能好，较好的运动控制精度，功率为二十多瓦。故这里选择直流伺服电机中的印刷绕组直流永磁式。该类型直流伺服电机又称盘式电机，有特点：快速响应性能好；可以频繁的起动、制动、正反转工作；转子无铁损，效率高；换向性能好；寿命长；负载变化时转速变化率小，输出力矩平稳。这里选择的型号是Maxon 组合体系：电机：Maxon DC Motor F2260 功率为40W;行星轮减速箱：GP 62（11501）传动比约为19：1；编码器：HEDS 55。4.4 本章小结本章主要进行了车体结构设计，主要包括方案选择；功率估计；电机选择；校核等内容。具体的设计方案及参数如下：传动顺序为：电机圆柱齿轮固定齿条（通过反推动）车体结构。主要利用齿轮、齿条将旋转运动转化为直线运动，结构相对简单，设计比较容易。选用的电机参数如下： （1）传动电机这里选用的是杭州日升生产的永磁感应子式步进电机型号：130BYG2501；步距角：0.9/1.8度；电压：120-310v；相数：2 ；电流：6 A；静转矩：270 ；空载运行频率；转动惯量：。 （2）摆动关节电机选择的型号是Maxon 组合体系：电机：Ma