毕业设计（论文）-轮足结合式柔性机械腿设计

摘要本次了一种能适应不同野外环境的移动机器人,其驱动系统为轮足结合机械式.利用轮足结合机械结合的方式实现越障,具有很强的越障能力.机器人采用四轮足结合机械结构.为了确保四轮足结合机械式移动越障机器人的稳定性，本文对其驱动装置的整体结构进行了深入的研究.，包括对车轮、腿臂、车身等部件的设计，以及对电机、制动器、减速器等部件的选择，并且对机器人的性能和步态进行了详细的分析，最后，在SW设计环境下，对机器人进行装配，以消除干扰，并且验证其结构的准确性.并且在CAD内画出了机构的装配图.关键词机器人越障机构四轮足结合机械式驱动装置Abstractsignarobotworkindifferentenvironment,it’movessubsystemisdesignasaleg-wheeltype.Itcancrossveryhighobstacle,haveverystonghinderingability.Therobotadoptsfourlegsmechanism.Ithassafeguardedtherobotstability.Inthispaper,fourleggedmobilerobotobstaclemadetheoverallstructureofthedesigndrive,designonwheels,legs,arms,body,etc.Selectingonthemotor,brake,reducerselection,etc.Examiningtherobot'sperformanceandgaitinaSWdesignenvironment,theentireassemblyisexaminedtoensureaccuracyandeliminateanyinterference.AnddrawthebodywithintheCADassemblydrawing.KeywordsrobotObstaclesectorfourleg-wheelsystemdriveequipment目录\o"#_Toc131784177"1引言 4\o"#_Toc131784178"1．1移动机器人的发展概况 4\o"#_Toc131784179"1.2轮足结合机械式移动机器人的发展趋势 4\o"#_Toc131784180"1.3轮足结合机械式移动机器人关键技术的研究 6\o"#_Toc131784181"1.4本次设计目的及意义 7\o"#_Toc131784182"2轮足结合机械式移动机器人驱动方案设计 8\o"#_Toc131784183"2.1课题要求 8\o"#_Toc131784184"2.2轮足结合机械式机器人结构方案设计 8\o"#_Toc131784185"2.2.1轮足结合机械配置方案的选择 8\o"#_Toc131784186"2.2.2轮足结合机械式机器人的结构方案 8\o"#_Toc131784187"2.2.3四轮足结合机械的分布方案 10\o"#_Toc131784188"2.2.4越障机构的设计 11\o"#_Toc131784189"2.2.5车轮方案设计 12\o"#_Toc131784190"2.2.6腿臂传动方案设计 13\o"#_Toc131784191"2.2.7总体方案 14\o"#_Toc131784192"3轮足结合机械式移动机器人驱动装置结构设计 15\o"#_Toc131784193"3.1车轮设计 15\o"#_Toc131784194"3.1.1车轮直径设计 15\o"#_Toc131784195"3.2腿臂的设计 15\o"#_Toc131784196"3.3车底盘设计 16\o"#_Toc131784197"3.4机构受力分析与计算 16\o"#_Toc131784198"3.4.1机构重力估计 16\o"#_Toc131784199"3.4.2受力分析 16\o"#_Toc131784200"3.4.3前排轮翻越台阶时车身受力分析 17\o"#_Toc131784201"3.4.4车轮驱动功率 19\o"#_Toc131784202"3.4.5关节功率计算 19\o"#_Toc131784203"3.4.6轮子驱动转矩计算 19\o"#_Toc131784204"3.5驱动装置的设计 21\o"#_Toc131784205"3.5.1驱动方式概述 21\o"#_Toc131784206"3.5.2车轮电机和制动器选择设计 22\o"#_Toc131784207"3.5.3腿臂驱动电机和减速器，离合器的选择 23\o"#_Toc131784208"3.6总体结构图 24\o"#_Toc131784209"4零件设计 25\o"#_Toc131784210"4.1零件设计的主要方面 25\o"#_Toc131784211"4.2零件具体设计 25\o"#_Toc131784212"4.2.1车体的设计 25\o"#_Toc131784213"4.2.2长臂的设计 26\o"#_Toc131784214"4.2.3短臂的设计 26\o"#_Toc131784215"4.2.4摇杆的设计 27\o"#_Toc131784216"4.2.5车轮的设计 27\o"#_Toc131784218"4.2.6整体结构 32\o"#_Toc131784219"5性能分析 35\o"#_Toc131784220"5.1动态打滑的稳定性分析 35\o"#_Toc131784221"5.2爬坡步态分析 36\o"#_Toc131784222"5.2.1坡面行使 36\o"#_Toc131784223"结论 38\o"#_Toc131784224"致谢 39\o"#_Toc131784225"参考文献 401引言1．1移动机器人的发展概况近年来，由于科学的飞速发展，人类的眼光变得更加广阔，他们渴求去发现更多的神秘[1,2]。从月球到火星，从深渊到大洋，他们都在不断深入的挖掘，去发现更多的秘密，比如深不可测的历史古迹、文化遗产、地形地貌。随着科技的进步，当今世界的军事竞赛更加激烈，而且反恐斗争的挑战更加严峻。为了有效应对这些挑战，我们必须具备足够的技术，以便在极端的气候条件下，快速、精细、有效的执行侦查、攻击、防御、救援等工作。然而，在这些极端的自然条件下，我们往往会感到力不从心。通过远程操作和对地貌的调整，我们的移动机器人已经超越了传统的技术，它们具有良好的灵活性，并且能够在各种恶劣的气候和环境中运作，从而实现我们难以想象的探索和发现。随着科技的发展，移动机器人已经不仅仅局限于实现简单的任务，它们还可以通过与周围的环境进行交流，并且可以根据不同的情况进行调整，使得它们更加适应复杂的任务。尤其是那些可以进行高难度任务的小型地面移动机器人，它们的尺寸更加紧凑，价格更加实惠，并且具备更高的生命安全性。随着科技的进步，许多新的技术和新的设备都可用来满足对机器人的需求，特别是在处理复杂的、难以跨越的障碍和地形的情况下。因此，研制出一款可跨越障碍的、可实现高效的、低成本的小型地面移动机器人显得尤为重要[3,4,5]。随着科学技术的进步，轮式移动机器人已经不再仅仅是用于探索智能和决策，它们拥有更强大的机动性、更高效的跨界功能，并且可以实现更加完善的集成化设计。1.2轮足结合机械式移动机器人的发展趋势 随着技术的不断进步，轮足结合机械式移动机器人已经取得了长足的进步，世界上的许多国家正积极投入资源，开发出多种不同类型的移动式机器人[6]，例如翻滚型、管道型和变结构型，它们的应用范围广泛，可以满足不同的需求。随着技术的不断进步，微小的、可携带的、可操控的移动式机器人正在变成生活的可有可无的部分，为我们的工作提供了强大的支持。在这些机器中，有一种是可以通过翻滚或者通过管道运输的，如图1和2所示。图3轮足结合机械式变结构移动机器人近日，美国科学家们发明了一款全新的netbook电脑机器人[9]（如图4）“Three”，它的底座由两个可移动的滚筒组成，滚筒的两端用于支撑netbook电脑，使其能够在任何环境下运行。这种新的设计非常容易掌握，甚至不需要任何基础的技术，只需要按照说明书的指示就可轻松地进行控制和组装。图4“Three”新式netbook电脑机器人设计师们表示，这款机器人配备了强劲的发动机和最先进的机械设备，并且配备了专业的软件和主人识别系统，使得它能够完全掌握顾客的操作，为他们提供全面的服务。除此之外，如果顾客仍然想要更多乐趣，他们可以选择安装红外线传感器来满足他们的需求。以及外置摄像仪器等装置。据报道，为了提升反恐防暴机器人的非结构环境适应能力，研发团队开发出一种全新的轮—腿—履带复合移动机构.该机构在结构设计和本体稳定性分析方面表现优异[10]（如图5），具备良好的机动性能和转向性能，因此被成功地用于反恐防暴任务。图5轮—腿—履带复合移动机器人自从机械学家们提出了让机械能够完成更加高效、精确、安全、可靠的任务，它就被广泛地应用于各种各样的生产过程，从而解放出许多生产者，如汽车、电子、宇航、建设随着科技的发展，机器人已经被应用于方方面面，包括军事、海洋探索、航空、医学、农牧渔业、旅游和休闲等。轮足结合机械式移式机器人因具有高度机动性和高度智能，它们不仅可以完成人们无法直接完成的任务，还具有重要的社会意义。轮足结合机械式移动机器人的技术已经取得了长足的进步，它们具备了良好的爬坡、越障、稳定性以及抗干扰性.因此，它们已经成为各类环境下的理想选择。它们的出现，将大大提高我们的安全性，并且有助于我们更好的完成各类任务，比如探索复杂的环境、开拓宇宙，以及进行一些军事行动。实现真正的人工智慧，并实现完全的独立运行的核心技术。研发出能够在无需人类介入的情况下，准确无误地运用技术来达到指定目标，从而达到指定任务和操作。这种技术利用设备提供的数据，可以帮助机器人准确识别周围环境，从而确保其能够准确无误地运用，从而达到指定的结果[11,12]。1.3研究轮足结合机械式移动机器人的核心技术由于科技的发展，机器人技术的智慧不仅仅表现在它的行走距离，而且还可以拓展它的视野，拓展它的潜力，拓展它的可操作性。因此，人们不仅希望它具有足够的自主性，还希望它具有足够的灵活性，以便它可以在不断变化的外部世界中自由移动，并且具备良好的环境适应能力。近年来，由于技术发展，移动机器人[7]，尤其是自主式移动机器人，已经迅速发展，并在机器人技术领域占有重要位置。(1)轮足结合机械式移动机器人的机构形式为满足不同应用场景的要求，我们研发出一种新型的双轮双腿移动机械手，它既能够满足传统的轮子行走的功能，又能够通过两个电动轮（一个驱动轮，一个爬行轮）的协同作战，使得它能够在复杂的路况下行驶。为了确保移动机器人的倾覆稳定性，我们开发出一种新型的模糊神经网络白适应控制系统.这种新型的轮足结合机械式机器人具备六个独立的轮足结合机械，并且具备多种构型的功能。我们使用动态能量稳定锥技术来衡量这种稳定性，并通过倾覆稳定性指数来确定最佳的操作策略。通过这种新型的技术，我们的机器人能够更好的适应复杂的环境[14,15]，并且具备良好的倾覆稳定性。此外，我们还通过正弦路面的仿真，发现这种新型的技术具备良好的稳定性。这个系统的运行速度快，稳定，并且在处理复杂情况下具有很强的安全保证。（2）轮足结合机械式移动机器人由动力源、导向系统、换向装置和制动装置构成，它们共同构建了一个完整的移动系统，可以实现自动化的操作，从而满足不同的应用场景和需求.1.4本次设计目的及意义通过深入的研究发现，轮足结合机械式移动机器人的驱动装置可以将腿式移动与轮式移动相融合，从而实现更加高效的移动。为了满足不同的实际需求，我们开发了一种全新的移动机器人驱动装置，它可以根据不同的地形条件，提供更加灵活的移动性，并且可以轻松穿过复杂的地形，还可以实现更高的跨越障碍的功能。通过使用CAD技术，我们可以精心规划出一个完整的驱动系统，包括精心挑选的机电部件，以及深入探索机器人的跨界操作特性。2轮足结合机械式移动机器人驱动方案设计2.1课题要求 1、机械结构设计：轮足结合式机械腿柔性驱动结构需要具备优秀的机械结构设计，包括机身结构设计、关节设计、轮足设计、柔性杆杆件设计等。这些结构设计需要满足机器人的运动性能、力学性能和强度等要求；2、柔性驱动设计：柔性驱动是轮足结合式机械腿柔性驱动结构的核心，需要选择合适的柔性杆材料和传动机构，设计出高效、稳定的柔性驱动系统，实现机器人的自由移动和操作；3、材料选用与加工：轮足结合式机械腿柔性驱动结构需要选用先进的材料和加工工艺，以实现机器人的高性能和高可靠性。在选择结构部件时，应该特别注意其具有的特殊功能，如高强度、高韧性和抗腐蚀性，以确保结构的可靠和稳定。4、实验验证与优化：轮足结合式机械腿柔性驱动结构的设计需要通过实验验证和优化，评估机器人的运动性能、控制性能和稳定性等指标，并进行优化设计，以实现机器人的高效、稳定和可靠运行。2.2轮足结合机械式机器人结构方案设计2.2.1轮足结合机械配置方案的选择通过采用对称的设计，轮足结合机械式移动越障机器人可以实现轮子、腿部的协调配合，从而实现越障的效果。相比于4轮足结合机械式机器人，4轮式机器人的设计更加精致，可以提供较高的越障效率，从而满足越障的安全性、可操控性、耐久性等多方面的要求。.2.2.2轮足结合机械式机器人的结构方案由于轮足结合机器人的运用涉及到跨越障碍物，所以它的机械结构成了本次研究的焦点。六个轮子的位置、驱动力以及它们之间的相互影响，都将成为本次研究的关键部分，而且，当它们跨越障碍物的同时，它们的运动机理和性能将会得到更好的评估.在设计时考虑了两种形式机构1）四轮足结合机械式行使机构采用了摇臂-转向架设计。根据图2-1，该结构具有两个显著的特点：（1）每个轮子都具有独立的控制机制，以实现自动调整和运行。（2）通过精密的差速齿轮轴，将机器人的机身和差速轴箱紧密结合，以实现双向操作.图2-1展示了一种四轮足结合机械移动机器人的结构，它采用了摇臂转向架式设计。2）四轮足结合机械式移动机器人采用独特的驱动机构，实现了高效的运动控制。根据图2-2，这个结构由四个单独的电机驱动，它们分别由不同的直流电机控制。此外，它们还拥有单独的直流伺服电机，并装备了增益控制装置。这样，它们就形成了一个完整的电机驱动系统。图2-2独立驱动四轮足结合机械移动机器人在多种因素的影响下，尽管摇臂-转向架式四轮足结合机械式行使机构的设计优秀，可以显著降低总重，但其实施过程却非常繁琐，难以轻松掌握。与此同时，与其他类似的独立对称式四轮足结合机械移动结构相比，它的实施过程更加简便，更加容易掌握。这个机器人的运动可以分为几个部分：首先，它会沿着水平的路径前进，这时，它的电机会通过电机内的液压缸和气缸的压力缸，将液压缸的压力传递给电机内的液压缸。然后，它会沿着水平的路径前进，这时，它的电机会通过液压缸内的液压缸和气缸内的液压缸，将液压缸的压力传递给电机内的液压缸。最后，它会沿着水平的路径前进，这时，它的电机会通过液压缸内的液压缸和气缸的压力传递给电机内的液压缸。通过调整步长和速度，我们可以让机器人更好地适应斜坡地形.2.2.3四轮足结合机械的分布方案将四个轮子分成2组，每组轮子都沿着相同的轨道运行，即前轮在后面，中间轮在前面，后面在后面，如图2-3所示。图2-3轮足结合机械分布2.2.4越障机构的设计为了让机器人更加轻松地穿梭于不同的环境，我们需要重新构建机械臂的构造，让它具备跨越障碍的功能。由于摇杆机构的构造相对简单，因此我们选择了它，它可以帮助机器人穿梭于不同的环境，同时，由于平行四边形机构更加便于调节机械臂的角速，因此我们也采取了它。采用平行四边形结构，可以把每个支撑点划分成两个独立的支撑点，它们的支撑点位于汽车的正反两个方向.此外，还可以通过使用支撑点的摆幅来实现支撑，摆幅的大小可以根据需要调整，使得支撑点的摆幅能够更好地支撑汽车的运输。由于机械设备拥有两个独立的操纵部分，它们必须依靠两个传动部分，也就是两套传动系统。当它们进行高速移动时，它们可以避免开启传统的传动部分，从而维护其腿部的稳定性，并通过汽油发动机的传动来实现与其他物体的同步移动。四摇杆机构是一种非常常见的机构，它的设计方式非常简单。它的原理是，它的两个部分是摇杆，一个是支撑部分，另一个是支撑部分。它们被构建成一个四面八方的机构，如图2-4所示。这种机构的优点是，它的支撑部分非常紧凑，而且它的支撑部分非常灵活，方便移动。此外，它还具有一些优点，比如减小的尺寸，方便维护。由于采用了四杆式的平衡机构，当轮足结合机械与地面的距离变得更近时，短臂的关节就能承担更大的拉伸力，从而使得锁定短臂所需的扭矩变得更大，这样就使得制动器的设计变得更加复杂..将长臂与关节连接件安装在一起，并将其与短臂相连，摇杆安装在短臂上，最后将短臂与车轮相连，以实现连接孔的功能。图2-4轮足结合机械方案2.2.5车轮方案设计每个轮子都拥有自己的直流伺服电机和减速装置，以确保它们的稳定性，并且可以通过制动装置来实现轻松的操控。这样，它们就可以在不同的路况下安全地行驶。采用直流电机与减速器相结合的方案，可以根据图2-5的要求，将电机固定在心轴上，并通过长减速器和长制动器以及外套橡皮的连接，来实现对轮子的有效控制.1.2.由中央轴驱动的电机、3.由减速器驱动的定子、5.由制动器驱动的转子、以及由轮子驱动的车辆。图2-5电机加减速器该减速器设计精巧，安装容易，具有良好的稳定性和轻量化，而且尺寸小巧，只需要使用有限的电动机。2.2.6腿臂传动方案设计在二级减速器的输入端，我们可以把一个小型的机械手放在上面，并使用一个离合器来把它和另一个机械手联系起来。请参考图2-6:离合器摇杆二级涡轮减速离合器摇杆二级涡轮减速电机长臂短臂长臂短臂图2-6腿臂传动方案这种设计只需要一个制动器，减少体积和质量，运动形式如下：当长臂不动的时候，离合器脱开，制动器锁住长臂，而短臂可以自由转动，当长臂需要运动时，接合离合器，制动器脱开，短臂和长臂以相同的角速度运动，即保持长短臂之间的夹角不变，也就是说，长臂动时，短臂一定要动，两者都不动时，由二级减速器（蜗轮减速器）自锁，则保持腿臂形状不变，如图2-7所示则由车轮电机带动车体进行运动.离合器开离合器开离合器关离合器关1.电机2.长臂3.短臂4.车轮5.摇杆图2-72.2.7总体方案总而言之，我们已经决定了一个用于制造机器人的计划，它包括一个车身、一个执行机构和一个跨越障碍的装置。车架用铸件，需良好的力学性能（2）六个独立的直流电机驱动着六个行使机构，它们共同推动着整个车辆前进.（3）由6个转臂组成的转臂越障机构，具有可在垂直平面上移动的能力，其中包括长臂和短臂，可实现跨越障碍的功能。这个设备拥有两个独立的运行部件，由一个复合电机驱动.3采用轮足结合机械式驱动的机器人，其驱动装置的结构设计如下：3.1车轮设计3.1.1车轮直径设计在设计车轮的过程中，除了需要注意它的重量外，还需要注意它的尺寸.由于在腿臂展开的情况下，车轮的重心会使它的关节受到更大的压缩，所以它的尺寸必须适中，同时，它的形状还需要满足特殊的需求。另外，由于它的形状会影响到它的使用寿命，所以它的大小还需要根据实际情况进行调整。总之，在选择车轮的直径时，需要综合考虑多方面的因素，包括它的质地、结构、性能、使用寿命、操作方便性等。πDn=(3-1)在这里，D表示车轮的直径，Um表示最高时速（10Km/h），计算后得到的结果是这样的Dn=53(3-2)为了确保电机和减速器的性能，我们期望车轮的转速在300-450rpm之间，因此，我们将0.118m设置为0.118m<0.177m，并将D设置为150mm。3.1.2轮宽的选择轮宽的选择应该综合考虑车辆的宽度、地面的阻力以及其他因素，以确保轮子的安全性和可靠性。短轮子可以更好地适应地面环境，并且更容易设计和选择轮内部件，因此，最佳的选择是尽可能短的轮子。后的设计目标定为轮宽B=120mm。3.2腿臂的设计根据设计需求，机器人必须具备足够的力量跨越250mm的台阶，这就需要其底座的高度必须足够。而这种高度的确立，取决于其腿部的摆动，因此，将其长臂和短臂的总体摆动距离确定为L1，从而使其腿部的摆动距离也达到L1。(3-3)鉴于腿臂的抬起角度应当保持在一个合理的范围，因此，将α=β=450，可以得出L1≥177mm，也就是说，长臂和短臂的总长度应当大于177mm.鉴于安装平行四边形机构的便捷性，短臂的长度应当超过100mm，而长臂的长度则不得低于300mm，因此，驱动器的短臂长度应当设置为120mm，而长臂的长度则设置为300mm，这样，在正常行驶时，车架与地面的距离就可以达到80+120+300=500mm。3.3车底盘设计随着使用可移动的底座，箱体的安装需要进行相应的调整。第一，应确保第一个箱子的位置处于合理的范围，以确保其可移动的特点。第二，应确保第一个箱子的位置与其他位置相匹配，以确保其可以承受足够的冲击力，从而确保其中的控制系统、仪表及其他设施的稳固。鉴于汽车底部采用了高强度的铸铁材料，因此，要确保机器人的安全运动，就需要拥有充分的支持空间。因此，汽车的车架的大小应该是720mmX400mm，同时，汽车的各个轮子的轴向间隔也应该是250mm。3.4机构受力分析与计算3.4.1机构重力估计为了减轻汽车的负担，我们选择使用更轻的部分，例如一些易损坏的部分，以及一些特殊的部分。我们将所有的部分均使用铝制材料。根据我们的测算，汽车的轮子的质量约为2Kg，汽车的框架和整辆汽车的质量约为15Kg，汽车的腿部质量约为1Kg，而电动机和涡轮的质量约为4Kg。由于57kg的整体质量和60Kg.的螺旋连接部分，因此整体质量60Kg.3.4.2受力分析根据图3-3，假定腿处于水平状态，这样可以最大限度地减少关节力矩，同时也可以避免重心失衡，从而更加安全。因此，可以得出以下表达式：350350图3-3重心位置计算简图(3-4)其中L为重心距离关节中心的位置L1=300mm长臂的长度L2=120mm短臂的长度G1=10N腿臂的重量G2=20N轮子的重量算得L=350mm3.4.3当前排车辆翻越台阶时，车身受力情况的分析。由于考虑两侧轮子动作相同，故仍然把受力简化成两排排轮子进行分析。这样并不影响结果。设后排轮轮中心距离后排关节为140mm。后排腿呈直线，则与垂直方向夹角正弦值sinθ==140/420=0.34，此时可以算出前排轮关节与轮心距离h为h=+80–250-80=142mm（3-5）因此，前轮的心脏与关节之间的水平距离L1被确定为L1===395mm(3-6)则列表达式如下:G4*210*sinθ+G2*(320+150)+G3*(320+150)+G3*(320++320+150)=N*(L1+320+320+150)(3-7)其中,G1=80N前腿和轮总重量G2=150N箱体重量G3=60N中腿和轮总重量G4=20N后腿重量算得N=200N则每条腿受力为100N，关节处扭矩T1为T1=*L1=200/2*395=39030N*mm=40Nm(3-8)腿臂的受力分析长臂固定，短臂运动根据图3-5，在平衡状态下，机器人的每只脚的承载能量是160N，而在上下楼梯的过程中，每只脚的承载能量是120，因此，我们可以将机器人的每只脚的承载能量设定为N=200N，从而确定它的腿部承载能量。所示：图3-5短臂和拉杆受力分析对0点列出力矩平衡方程N*120sinθ=100*Fcosθ（3-9）当θ=90时，机构会进入死点，这就要求在控制机器人腿臂运动时，必须避免短臂和长臂处于一条直线上。为了解决这个问题，我们可以将θ值调整为80，F值调整为1362N，θ值调整为60，F值调整为415N，θ值调整为45，F值调整为440N。随着θ的增加，F的增长也会加快，因此，在控制过程中，必须特别注意避免θ超过特定的角度，从而使θ的取值不超过80。2）短臂和长臂一起转动如果两个支撑杆的夹角没有改变，那么它们就像是被固定住了。这样，我们就能够清楚地观察到它们的总承载能量。通过观察，我们发现，支撑杆的承载能量的Tmax是最大的。Tmax=N（120sinθ+300）（3-10）代入N=200，θ=80，得Tmax=83.6Nm3.4.4车轮驱动功率理论行走驱动功率Pε（Kw）为Pε=（3-11）其中G=1000Nf=0.05滚动摩擦阻力系数Ua=10Kw/h时速，最高时速为10Kw/h代入得Pε=0.139Kw=139w3.4.5关节功率计算如果将关节处的转速设定为2r/m，根据计算结果，当关节攀爬台阶时，所受的扭矩为40Nm，因此，将T设定为40Nm，那么关节的理论功率Pε就会得到确定。Pε=T*w=40*2*2π/60=8.4(w)（3-12）3.4.6轮子驱动转矩计算根据先前的计算，当将轮子和地表之间的最大正压力定义为N时，N的值将会如下表示：N=G/6=600/6=100N（3-13）当滚动摩擦阻的值被设定在f=0.05时，摩擦力就会达到8.3N，从而导致相应的力矩也随之增大Tf=f*R=8.3*0.075=0.6225Nm（3-14）其中，R=0.075m轮子半径3.4.7在斜坡上所需的制动力当车辆在斜坡上行驶时，根据图3-6，假定每个轮子都承受力F，那么F就是斜坡上的重力。F=600*sin15/6=25.88N（3-15）则每个轮子所需的制动力矩Ts为Ts=F*R=25.88*0.075=1.94N(3-16）当轮子处于最高时速时，其转速n与最高时速Vmax之间存在着密切的联系。n=（3-17）其中Vmax为最高时速,D=150mm,n=353r/min图3-6车体在斜坡上的受力3.5驱动装置的设计3.5.1驱动方式概述驱动装置是机械系统的核心部分，它们对于制造和使用小型机器人至关重要。微驱动器作为微型机器人的核心部件.一直是学术界的关注焦点，也是研究者们不断探索的重要突破口.通过关节驱动技术，微型CD、磁盘和航天仪器等产品可以得到广泛的应用，其未来发展前景可期。一定的程度上衡量微驱动器发展水平的重要标志.因为尺寸和工作空间的局限，微型机器人的驱动器通常采用电动机来实现。通过使用形状记忆合金、电磁或压电技术，可以实现各种驱动方式.电动机驱动随着技术的进步，电动机在各行各业中得到了越来越多的使用，特别是伺服电机，它们正在逐渐被淘汰。.电机控制性能优异，具有极高的灵活性和可靠性，是一种广泛应用于各种领域的高效驱动器。机器人的准确率和性能都很重要.其中的电机可以是具备反馈功能的直流电机，也可以是无刷电机。等。（2）静电驱动静电力是一种被广泛应用于微型机器人的驱动力，它以传统的微电机技术为基础，提供了可靠的动力来源。随着表面力的出现，它的作用范围缩小，而且相对于体积力的影响更加显著。然而，在电机中，摩擦力仍然存在静力电机的力矩通常相对较小，因为它们的摩擦力和粘滞力都相对更大。因此，它们的使用范围并不像其它电机那么普遍。电磁驱动通过利用先进的电磁技术，电磁驱动系统可以通过利用平行的磁场来驱动转动部件，从而实现动态变化。通过使用电磁驱动的微型机械臂，可以实现管状运输，这种技术被广泛应用于医学和护理，可以唤起患者的意识。“微创”和“无创”机构。（2）压电驱动方式压电驱动技术的核心思想在于利用压电材料的逆压效应，通过施加一定的压力来实现机械运转。在过去的十年里，压电陶瓷微动机构的性能得到了显著改善，它们在受到外力作用时会出现形变现象。随着技术的不断发展，目前国际上使用的压电陶瓷微动机构的精确性可以达到纳米尺寸，并且具有良好的振荡特性。应，达到上千赫兹。根据上述介绍，各种微型驱动装置均具有其独特的优势和不足，因此，在本次实验中，我们将充分利用这些优势和不足。根据计划的需求和实际情况，我们选择了微型直流电机作为驱动器，以满足我们的设计要求。根据表3-1，我们可以清楚地看到几款直流电机的基本特性.表3-1各电机特点电机特点缺点直流力矩电机力矩大，空载转速低定制MaxonRe系列直流电机体积小，功率大，配件丰富长度长，Maxon系列无刷盘式电机厚度方向尺寸小，转速低，功率大直径方向尺寸大3.5.2车轮电机和制动器选择设计车轮需要持续不断的运动，而这种运动的动力源源不断，其中包括电动机和制动器两个重要组成部分。车轮电机需要持续运行，因此需要较高的功率，但是转速必须保持在一个合理的范围内，而且车轮的直径必须在150mm以内。由于具备充分的径向安装空间，因此我们最终决定采用Maxon系列无刷盘式电机，从而满足要求。经过精确的测量，我们发现每辆车的理论扭矩约13.92W，但是在加上刹车系统的作用后，这数值可能会有所增加。根据率损耗，可以通过以下公式来估算电机的功率。PO=*K（3-18）K=2影响因素P=13.92W轮子理论转矩PO电机所需功率η=0.8效率计算得PO=34.8wMaxon系列60W型的无刷盘式电机是最佳的汽车轮胎驱动器，可以满足各种应用需求。电磁制动器是一种常见的汽车制动系统，它能够有效地阻止汽车的行驶，从而保证汽车的安全行驶。根据测量结果，所需的刹车力矩达到1.94Nm，因此我们采用了100型的电磁刹车系统。3.5.3腿臂驱动电机和减速器，离合器的选择为了让轮足结合机械式机器人能够更轻松地穿越障碍物，车身上安装的减速器和电机被设计用来驱动它们通过旋转，驱动轮臂穿越障碍，但是在正常行驶时，车身上的电极并不会发挥作用，只有在特殊情况下才会发挥作用。当遇到障碍时，电机会被激活，使车辆能够穿越障碍，因为车身的长度使得它能够更有效地完成这一过程。理论上，动腿臂的功率需求为8.4w，而且，由于车辆采用涡轮增压技术，腿臂的转动角度可以达到±90通过使用减速器来实现调速，并利用涡轮蜗杆的正向运动和反向自锁的能力，我们可以在遇到阻碍时保持高速通过。当汽车的电机发生故障，电机内的汽油会被电机的活塞吸收，从而使电机内的汽油不再需要使用刹车系统。采用MaxonRe系列直流电机，可以通过以下公式来估算其功率。PO=*K（3-19）K=2影响因素P=8.4W轮子理论转矩PO电机所需功率η=0.4效率，涡轮减速器效率低计算得PO=42W则选用MaxonRe系列直流电机70W型通过使用涡轮减速器，可以实现减速和自我保持。这种装置的工作原理依赖于涡轮蜗杆的特点，随着转速的增加，其效率也会提高。当温度降低时，发热量会增加，因此需要充分的润滑。然而，由于涡轮减速器具有良好的反向自锁特性，因此可以忽略这一点。速器的主要作用是减速和自锁，因此蜗杆的转动比必须保持在一定范围内，可以通过查阅相关数据来确定传动比。当中心距离超过30mm，且额定功率达到70W，且传动比达到最佳状态，这样可获得最佳的自锁性能40型的涡轮减速器。3.6总体结构图总体的结构图如图3-7所示.图3-74零件设计4.1零件设计的主要方面轮足结合机械式移动机器人驱动装置的设计主要有车身设计,长臂设计,短臂设计,摇杆设计,长臂关节设计,车轮设计这六个主要部分组成,然后用螺纹紧固件将整体装配起来即可.4.2零件具体设计4.2.1车体的设计车身作为机架的核心部分，负责将电机与输出轴紧密结合，因此必须具备足够的硬度和强度，以确保其稳定性和可靠性因为重量、体积、车身形状和制造工艺的限制，车身必须采用铸造技术进行制作，以满足特定的要求材料是Q235,车身如图4-1所示.图4-1车身的设计由于大多数铝型材（合金材料）被应用于机器人的结构中，使得它们的整体结构更加坚固，更加耐久。是足够的,不需要再进行校核.4.2.2长臂的设计轮足结合机械式机器人的长臂具有重要的功效，它们不仅能够帮助机器人穿梭于崎岖的路面，还能够提升机器人的性能，实现高效的操控长臂被认为是一个至关重要的部件，它具有两个功能：第一，它可以与机身上的输出轴相连，以满足特殊的需求。第二，将长臂伸展到最高点，以便将其与连接的车轮紧密结合，这样，即便在长臂保持静止的情况下，也可以有效地完成越障.短臂可以自由旋转.它的外观可以参考图4-2.图4-2长臂的设计4.2.3短臂的设计短臂与车轮之间的连接是由摇杆和平行四边形机构的协调控制实现的，从而实现了车辆的稳定操作。进行越障,其外观图如图4-3所示.图4-3短臂的设计4.2.4摇杆的设计摇杆是一种用于驱动平行四边形机构的装置，它通过与减速器的输出轴相连来实现运动。通过电机的驱动，短臂可以实现有效的运动，而它的外形可以参照图4-4来展示.图4-4摇杆的设计将臂部分进行装配,如图4-5所示图4-5臂装配4.2.5车轮的设计车轮的设计十分复杂，因为它们是汽车行驶的重要驱动部件，需要精心安装，以确保安全性和可靠性。通过将电机与减速器结合在一起，汽车的内部车轮就能够旋转，并驱动汽车的全局移动。车轮内部不仅包含电机和减速器，还配备了一种可以让车辆停止运动的制动装置，以确保安全行驶，除了用于固定和支撑车轮轴的轴承，我们还重点设计了以下几个部件：车轮轴的设计车轮轴是一种重要的结构部件，它可以将车轮与短臂相连，使得短臂能够有效地抬起车轮，从而实现越障的功能.它的三维图可以参考图4-6。图4-6车轮轴车轮轴是承受重量的关键部件，因此采用45钢作为材料.以确保具备足够的机械强度.车轮轴连接法兰法兰连接件不仅可以固定车轮轴，还可以将车轮电机牢牢地固定在一起，如图4-7所示.图4-7车轮轴连接法兰(3)电机固定法兰通过将电机固定在车轮上，法兰可以与车轮相互连接，从而稳固电机.如图4-8所示。图4-8电机固定法兰(4)法兰间的连接件通过使用长套筒、长螺钉、螺母和垫圈，车轮轴与电机之间的连接得以实现.如图4-9所示.图4-9法兰间的连接件(5)输出法兰通过调节电机的转速，将其转换成车轮的运动，从而实现车辆的前进.如图4-10所示.图4-10输出法兰(6)车轮的外壳通过测量车轮内部元件的长度，我们可以确定车辆外壳的形状，并使用铸造技术将其制作成铝制品.如图4-11所示.图4-11车轮外壳(7)车轮侧盖的设计车轮侧盖是用来安装车轮的重要部件，如图4-12所示.图4-12车轮侧盖(8)车轮端盖的设计车轮端盖起到了重要的连接作用，它能够将车轮轴牢牢地固定在一起，如图4-13所示。图4-13车轮端盖将车轮装配,组装后,车轮如图4-14所示.图4-14车轮装配图4.2.6整体结构则整体装配图如图4-15所示.图4-15整体装配5性能分析5.1动态打滑的稳定性分析假设在斜面上运动时会出现滑动，我们进行了分析。在这种情况下，小型汽车以均衡的速度行驶，并且其车轮的旋转惯性可以被忽视。忽略空气阻力的影响短车的质量分布非常均匀，没有出现任何横向偏心的情况。机器人沿着斜坡的梯度运动，朝着一个特定的方向前进。通过简化，我们可以看到，在斜坡上，短车的受力情况如图5-1所示。图5-1动态打滑受力分析从图中可以得出：N1+N2=GCOSθ（5-1）而地面提供的摩擦力Ff为：Ff=（N1+N2）*ψ（5-2）根据ψ的取值，如果车辆在干燥的地面上行驶，那么它就会打滑。因此，为了避免这种情况，Ff必须比重力沿斜面的分量长。Ff≥GSINθ（5-3）则可以得出GψCOSθ≥GSINθ（5-4）当θ=15时，斜面的摩擦力比0.5X0.996=0.483>0.259大得多，达到了0.5X0.996=0.483>0.259，这表明斜面可以提供足够的摩擦力，从而使短车在斜面上不会出现长滑的情况。5.2爬坡步态分析5.2.1坡面行使行使时，有两种方式：一种是沿着坡面前进，另一种是沿着坡面后退，直至达到（≤15）的高度。当驾驶者面对斜坡时，控制其姿态相对容易，只需确保重心平衡即可。由于斜坡不利于短车的滑行，因此，短车在行驶时应该将前腿弯曲，调整后腿的长度和角度，以确保车身保持平衡，从而使其顺利地爬升。如图5-2所示。在行驶过程中，为了维持车身的平衡，需要调整一侧的腿的长度，以便让车身尽可能地保持水平，如图5-3所示。图5-2迎着坡面行驶结论本文旨在探讨轮足结合机械式移动越障机器人的控制设备，并对其设计和构造进行深入的探讨.在开始设计之前，作者将会对轮足结合机械式越障人工智能的性质、作战任务以及应用环境进行全面的调查，并对其构造进行详细的描述。最终，作者选择四轮足结合机械式对称越障机构作为轮足结合机械式越障机器人的腿臂分配，以满足不同的应用环境，并且可以更好地实现自己的越障目标。随后，我们提出了一种四轮足结合