基于轮毂电机的全方位移动平台.doc

上海大学硕士学位论文基于轮毂电机的全方位移动平台姓名：陆琦申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：沈林勇20090301 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文摘要方位 移动 机 器 人， 并 能 够在狭 窄 有限 的空 间中工 作 。 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文 艿 穆畚脑 诮饷芎笥 袷卮斯娑 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文 课题 来 源全 方 位 移动机 器 人 由 于 具 有平面运 动的 全 部 三个 自 由 度， 前 后 、左 右 和自 转 ， 理 论 上 可 以 在任 何 角 度以 任 何 速 度在机 器 人 所 处移动机 器 人 ， 并能够在狭 窄 有限 的 空间 中工 作【 。 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文将 在许多 以 老弱 、病残、独 子 为 主 的 家 庭中占 据 一席 之地 。 图 全 方位 助 强 轮 椅仿 真 图 图 个 全 方位 轮 构 成 的 全 方位 移 动机构 仿 真 罔哈 尔 滨 工 业 大 学 机器人 研 究 所研 制 的 种基 滦 腿 位 轮 的 全 方位 移 动个 全 方位 轮 均山 个 电机通过 齿 轮 减 速 器驱 动。 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文图 全方 位 越 障 移 动 机构 车 轮 组 机构 图全方 位 轮 是 全方 位 移 动 机构 的 关键 部 件，基 本 原 理 是 驱 动 轮 可 以通过 轮 子边 缘 上 的 一些 辊 子 在 轮 子 的 轴 线 方 向 虺梢欢嵌 上 做自 由 滚 动 ，将 三 个或 三 个 以上 的 全方 位 轮 组 合成 一个 系统 ，在这个 系统 上 单 个 轮 子 在 其 径 向 上 可以提 供 驱 动 力，但 在 另 一个 方 向 上 侵嵯 叻较 能够 自 由 滚 动 ，滚 动 的驱 动 力由 其 他 的 轮 子 提 供 ，组 合起来 的 整个 系统 具有 全方 位 运 动 的 功 能。 它 可以实现 平面 内的 任意 角 度 的 直线 运 动 ，而 此前 不 需 要 做转弯 运 动 ，还可 以实现一边 作 直线 运 动 一边 做旋 转运 动 。 海 大 学 宦 踷的 平动 及绕辊 子与地 面 接触点的 转 动 。 这样，驰动 轮在 一 个方向 上具 宵 主 动 驱 动 向 ， 正 确 控制 各轮 的转向 和转速 ， 即可 宴现 全 方位 移 动 功 能 。国固 圉 固 国固 国回臣 三曼 三习 俅 箍 赱 截 轮 并 且 辊 子 的轮 廓 曲线 比较 简单， 承载 能 力也 较 好； 小辊 了采 用 变 错 分靠的双层一 搜 鉒 学位 论 文 唷 ！ 一飞蔺典 型的种 结 构是类似于 如 图 所示 的全 轮 偏 转 全 方 向车 轮 ，这 种 车 轮 学 碰 十学 位论 空 全 轮 偏 转仝方向 车 轮 麦克纳 姆 轮 全 方位移 动 小 车全 方位移 动 方式 是轮 式 机 器 人 的 种运 动 ， 剑 梢允 够 魅 嗽凇 丽内抉得 任 意的 运 动 轨 迹 ， 可 以 完 全 控 制 平 面 运 动 的 三 个 自由 度 。 作 为全 方位运 动机 构的 关 键 部件 ， 全 方位轮在国外 已 有 一 段 时间 的 研 究 ， 但是由 于加 工 制 造用难 、难 于控 制 、对 路 面 的 要求 较 高等因素 使 得 全 方位轮 存工 业中 应 用 并 不 广泛 ，但是随 着技术 的 发 展 和 研 究 的 深入 ， 它的 应 用 壕敖 分 光 明 。 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文本 课题 设 计 的 全 方 位 移动 平 台 主 要 针对 于 室内服 务 机 器人 的 移动 机 构 ， 根据具体环 境 ， 提 出 如下 指 标 ： 平 台 应 具有 全 方 位 移动 能 力 毙 校 毙 校 匦 ； 针对 家 庭 服 务 机 器人 的 应 用 背 景 ， 机 器人 主 要 工作在 室内环 境 中， 应 能 够 通 ；机 效 率大 于 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文 三 轮及 四轮 平 台 的布置方 式研究 及 优 缺点 比较： 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文全 方位 轮 的 种 类和轮 系 布 置方式 是 十 分重要 的 ， 它们的 组 合影 响移 动 平 台的 机动 性 、 控 制灵活 性 和稳定性 。不 同 的 轮 系 布 置方式 有 各 自的 运 动 特 性 ， 应该 根据 应 用场合来 选择最 合理 的 轮 系 布 置方式 ， 因 此 在 设计 平 台时讨论 轮 系 布置方式 及其 运 动 性 能是 很有 必 要 的 。以下的 运 动 学 分析是 参考国 内 外研 究 人员在 机器 人运 动 学 研 究 成 果 的 基础 上 来 进行 的 。 三轮 移 动 平 台运 动 学 分析 龋 绰 肿 用嫦蛟 残亩猿 品植肌 钔 。 瑅 琕 直 鹗锹 諥， 轮 諧通 过 速 度分解， 可 以得出三个 全 方位 轮 的 速 度分别 为 的 转 速 情 况 。轮 諦 ， 轮 俣 劝煜 蛞 酝 ￥ 坝 奈 宦踷 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文 咝 文 诘牟糠 ， 如图 。在 淇 梢 猿 鱿 次。 卜 琕眦】 ， 卜 裕 琕眦】 ， 【 一 觯琕觚 】全 方位 移 动 机器 人只做 转 动 ， 假 设由静止 开 始 ， 不 难 得出 ， 故 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文因 为系 统 存 在 转 动 ， 故三个 驱动 轮 的 转 动 速 度分量 相等 ： 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文当 平 动和转 动同 时 存 在 的 情 况 下 ： 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文卜妒 例 泣 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文设车体 在 绝 对坐 标系 中的 整 体 期望 速 度 为 雪就 畆 分 解 得 到 各 轮速 度 ： 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文 【机 器 人能 够 达 到 的 速 度 和加 速 度 是 两个非常 重 要 的 性能 指 标 。分 别对这 两种运 动进行 分 析洲。 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文。 嵋 力 一当 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文到 的 最大 加 速 能 力 会 随 着 机 器 人的 状 态 发生变化 。 当 驱动轮提 供 的 地面 驱动力区域 。 因 此 当 运 动状 态 的 改 变时 ，机 器 人平 动的 加 速 度 空间 也 产 生了 相对应 的 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文，琷 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文图 锌 梢钥 闯 鯿型 布 置每个轮的 驱动力分 解为 一 个有效 力，一 个损耗 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文第 三章强度 达 到要求。 基于 轮毂电 机 的全 方 位 结 构设计受 到 全 方 位 轮的 启 发 ， 基于 轮毂电 机 的全 方 位 轮考 虑 到 要与轮毂电机 装 配 ， 全 方 位 轮内圈 需 要较 大 的空 间 ， 因 此 使得 轮缘 的小 辊 子数 量增 加， 但也增 加了 加工复杂 性；如 图 所示， 它由两 层 构成 ， 每 一 层 的轮缘 上 均匀 分 布 鲂 踝 樱 踝 拥哪 赶 哂肼 衷 迪 咭 恢拢 讲阒 浯 砜 。 布置 ， 使内外两 层 小 辊 子的 母 线 相 互衔 接形成 一 个 完 整 的圆 周 。 这样当轮子转 动时 ， 各 层 上的辊 子可 以 交替 接触地面， 保 证滚动的 连 续 性， 滚动性能 很 大 提 高 。 当轮子横移 时 ， 小 辊 子绕自 身 轴 线 转 动实现 全 方 位 移 动。 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文滚动；另 外， 由于 小 辊 子轴 线 与轮子轴 线 垂 直 ， 小 辊 子滚动起来 时 滚动摩擦可以 忽略 不 计 ， 辊 子所受 摩擦力 的方 向基本 与轮子前 进 方 向一 致 ， 受 力 情 况 较 麦克 纳 姆轮有所改善， 轮子正 常 转 动时 各 个 小 辊 子也不 存 在 滑 动现 象 ， 可 近 似 认为 是纯 滚动， 小 辊 子转 动灵 活， 不 易 损 坏， 并 且 辊 子的 轮廓 曲 线 比 较 简单 ， 承载能 力 也较 好 ；再 有， 与同尺 寸 麦 克 纳 姆轮相 比 ， 该 轮小 辊 子的 直 径 要大 得 多 ，有足够 的空 间 来 安装 合适的 轴 承 。轴 承 选 用 角接触球轴 承 海 搿 妒 宦 跘 网 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文高 ， 整 车 重心 降 低 ， 车 辆行驶稳 定 性 提 高 。作 用， 解决 了四点 接触 不 共 面 的 问 题 ；在支 架的 端 面 用螺 钉来 安装 一 个 挡 块 ， 来限 制 支 架的 行程， 防 止滑出直线 轴 承 。 搜 摇 毖 宦踴 方位 移 动平台 受 力分析 图紫 ，叠盛西 豳 悔 硙学 位 镕 女 所 示 ，每 个轮 子 的 两 端 足 由两 根 支架 柬固定的 ，支架 在 直 线轴承 向 轴在导 向 轴支 座中 受 力后 以 滑 动 ， 弹簧 安装在方形 槽 与 导 向 轴支 鹰 之 间 ，撒 力后 由 丁 弹簧 压 力可 以 恢 复 原 位， 安装弹簧 应有一 定的 预 紧力。 护 扳 与 方形槽 之 间 采用螺 钉 连 接， 方形 槽 中 放置 导 向 轴， 两 者采用饺 链连 接， 可 以 在一 定角度内 自 由 转动 ， 也不 会 发 生 导 向 轴在支 座中 卡 北 的 情 况 。 这 样的 结 构 可 咀使得 护 板 适 应来 自 各 个方向 的 冲 击， 起 到 了 保 护 平 台 ， 减小 冲 击的 作 用。 直 径 为 轿 宦种本 段 糠钟伤 母 关 闭 轮 毂强度 校 核材 料 质 量 密度弹 性 模量屈服 强度 蝦 有限元 模型 采 用 实体 网格 ， 单元 个 数 诘 愀 鍪 。 材 料 轴 两 端向内 侧 哟 怪 毕 蛏 系牧 轴 承宽 度 ， 轴 两 端固 舜 顾 踛 痬 ，小 于 材 料屈服 强度 。 辊 子 实 体 网格 痬 痬 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文密度 最 大 变 形 刮 击 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文第 四章核 、 单 电源 供 电、 封装 的哂 蠮 抡 娴 魇 浴 编 程 等制 电路， 电机 控 制 器， 红 外 传 感器， 键盘 及 电源 模 块 组 成 ， 定 义移动 平 台 的四 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文 卜 一 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文 疃缪 笵 额 定功 率 控 制 器 引 脚如 下， 如 图 所 示：定义 轮 墓始痰 缙 骷 靶 藕 偶痰 缙 魑 狝 珹 宦 諦 的 功 率继电器 及 信号继电器 为 ， ： 轮 墓始痰 缙 骷 靶 藕 偶痰 缙 魑 狢 珻 諨的 功 率继电器 及 信 号继电器 为 ， 。差 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文 图 电机 转 向控 制 电路 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文电 机 控 制 器 上 带有电 压 调 速 接 口 ，可以 接 收 的电 压 ，根 据 电 压 大 输 出输 出输 也 皇平 台根 据 按 键 指示 来 移 动 ；当按 键 松开时 ，相 应 的 口 为高 电 平 ，平 台停 止 移 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文本 课题 选 用 了 亿学 通电子的 红外避障 传 感 器 【 】， 这是 一 种 集 发 射与接 收 于一 体 的 光 电传 感 器 。 主 要 用 于 障 碍物 的 检 测。 对障 碍物 的 感 应距 离 可 以 根 据 要求通过 后 部 的 旋 钮 进 行 调 节。 该 传 感 器 具 有探测距 离 远、 受 可 见光 干 扰 小、 价格 便 宜 、 易于 装 配 、 使 用 方便 等 特点 ， 可 以 广 泛应用 于 机 器 人 避障 、 流 水 线 计件等 众 多场合。 传 感 器 长 度 叱 甁信 渴 浒 撕 牛 琍 猄 信 号 输 入几 ； 传 感 器 红 线 接 ，绿 线 接 地 ， 上 海 大 学 硕士 学 位 论 文全方 位 移 动 的 基本运动全 方 位 移 动 电 机 及方 向 控制向 右 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文 实验 过 程 速 仪 测 得的 原 始 数据 为每分 钟 内经过 的 辊 子个 数。 实验 结 果 及 误 差分 析 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文由 表 可 以看出 ，轮 毂电 机 珻 ， 淖 K偬匦 曰 尽 拢 缁鶤 与其 他表 电 压 、 轮 子转 速 与平台速 度关 系表 直 线 移动 实验 数据 表 麟 蜗 上 海 大 学 硕 士 学 位 论 文 研究 工作取得 的 进 展该 全方 位 轮的 设 计经过了 大 量 实 验 和分析 ， 结 合应 用 背 景 和实验 室目 前 所具有 的 实 际 条件 ， 开发 了 一 种简 单 、 经济 、 实 用 的 全方 位 轮及其 驱动 轮系 。 该轮与轮毂电 机驱动 技 术 结 合起 来 ， 将 电 机置 于 轮毂内 直 接驱动 轮子 ， 省去 了 传动 部 分， 具有 驱动 能力 大 ， 摩擦 损 耗 小的 优点 。 经过室内 环 境 的 实 验 ， 该 轮可以实 现 良 好 的 全