【《某轮式万向底盘结构方案设计案例》3100字】

某轮式万向底盘结构方案设计案例1.1轮式万向底盘设计任务阐述经过调查研究发现，在建筑工地上，路面环境条件较差，无法为机器人移动机构提供一个平整光滑的路面，同时还会有树叶，碎石之类的小型障碍物，使得绝大多数室内机器人无法适用于室外的工作和使用，以平台整体的稳定和全向移动作为主要目标进行设计工作，具体需要满足如下：（1）要求底盘可以承载800kg的负重，同时自重100—200kg；（2）要求整体结构长宽在650*650mm范围内，高度不超过400mm；（3）可以在路面上全向行走，能实现直行，原地转弯横移等运动。同时平台要加入减震结构，保证在跨越微小障碍物时候平台的整体稳定。表1.1底盘主要设计参数内容参数整车质量1000kg最大尺寸0.65m*.065m*0.4m平均速度0.5m/s最大爬坡角度20°最大越障能力30mm底盘悬架独立式悬架驱动方式四轮承载，两轮驱动1.2底盘方案设计1.1.1底盘设计方案选择目前，移动型机器人的底盘按照行走方式主要可以分为三大类型。一是轮式移动底盘，即底盘的选材为轮式；二是履带式移动底盘；三是轮-步复合式移动底盘等等。其中履带式移动机构具有良好的越障性，较长的使用寿命，但是考虑到建筑工地的环境、考虑到其耗能大、重量大，但是移动速度较慢，不够灵活以及我们对于底盘全向的诉求，所以不采用。轮式移动机构的稳定性、移动速度和承载能力等方面优势明显，此外，轮式机构较为简单，容易拆卸，便于维护和修理，所以我们选择轮式移动机构。1.1.2车轮的选择和设计目前，我们所常知的能满足本课题所需的全向移动的移动底盘机构的车轮有全向轮、舵轮和麦克纳姆轮。舵轮的集成化非常非常高，它是将驱动电机、转向电机、减速器等众多可以实现一体化和自动化的机械结构组合并装配到一起的一种驱动轮。跟传统AGV小车相比，它使用的不是那种差速控制方式，而且它的适配性强。在配合控制器和伺服驱动器的配合工作下，可以完成AGV和移动机器人的快速部署。舵轮的转向控制，是通过舵轮和平台之间的相对运动来完成的。在移动平台的底盘上配备有2个或者更多个舵轮的时候，平台整体可以向任意方向直行，可以向前平移也可以横移，所以在这种非常狭小的工作空间和工作环境中，舵轮平台的灵活性则完败差速方式的结构。图1.1舵轮麦克纳姆轮是瑞典的麦克纳姆公司设计并研发出来的，这种轮子也可以进行全方位移动。它的全方位移动的原理是，在棘轮的轮轴的周边，有许多个中心轮。正是这些成角度的周边轮轴的工作，成功的将一些机轮转向力转化到另一个机轮法向力上面。因为每个机轮都有自己的速度和自己的方向，这样这些力可以在任意方向上，都能产生一个合力的矢量。正是如此才保证了在不改变机轮自身的方向，平台在合力的方向上，可以进行自由的横移甚至旋转。在麦克纳姆轮的轮缘上分布的这些滚子，基本上是以45度斜向分布的。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮。有4个这种轮子进行组合，它能使平台的全方位移动变得简单而且灵活。图1.2麦克纳姆轮万向轮就是所谓的活动脚轮，它的结构允许水平360度旋转。脚轮是个统称，包括活动脚轮和固定脚轮。固定脚轮没有旋转结构，不能水平转动只能垂直转动，这两种脚轮一般都是搭配着使用的，比如手推车的结构是前面两个固定轮，后边靠近扶手的是两个活动万向轮。图1.3万向轮在我们的课题中，平台的工作环境条件较差，在建筑工地上会有很多小杂物，因为小杂物可能会钻进辊子中，将轮子卡死，这样的话维修就会费时费力，同时麦克纳姆轮的价格比较昂贵，所以不适合选用麦克纳姆轮。而且在工作过程中可能会有一些狭窄的空间，所以需要平台可以随时转变方向，操作灵活，所以在这里我们选择使用舵轮和万向轮结合。1.1.3车轮数量选择在市面上，在移动机器人车轮的布局当中，大多数的移动式机器人有三轮式、四轮式和六轮式等结构。相比于四轮和六轮来说，三轮式移动机器人的越障能力较差，结构稳定性也不强；六轮机器人虽然可靠性和稳定性较强，但是它的结构复杂，没有普遍性，同时成本较高，系统控制也比较复杂。大多数情况下，舵轮的AGV小车结构有单舵轮驱动、双舵轮驱动等结构。四舵轮五舵轮六舵轮也有但是很少，因为舵轮结构复杂，造价也不低，数量太多不符合经济理念。单舵轮，双舵轮和三舵轮结构再加上辅助的万向轮相互搭配辅助舵轮运动。它们起到承载作用和从动作用。在整体结构中，舵轮起到了驱动和牵引作用，类似于汽车结构中的驱动轮。 图1.4单舵轮驱动模型结构简图单舵轮驱动的结构，大部分就为上图所示的三轮结构，将舵轮放置在整体平台的前排中线上，由其转动为平台整体提供前进的动力，前轮驱动时，整体会驱动，并且通过舵机的姿态调整从而改变整体的运动方向。ab图1.5双舵轮驱动模型结构简图双舵轮型基本是四轮结构，两个舵轮上不仅装有驱动电机来控制舵轮的驱动，同时还有转向电机来帮助舵轮进行方位的调整。舵轮和车体的中间有连接结构，是回转支撑，还有几个从动轮结构，来为平台整体承重。在图1.5中，图a类似于汽车结构，后轮驱动，前轮转向，这种结构可以便于车体控制，但是转弯半径会变大，控制难度比较大。而且将舵轮左右对称放置的话，和一般的差速驱动轮就基本没有什么差别，对于舵轮来说，起到的作用就非常有限了。图b就是将其进行优化后的结构，将舵轮布置在平台的对角上，这样的结构会使平台的灵活性变强，而且平台可以进行原地旋转，在狭窄的空间里，也可以很容易的移动工作。当然，四轮平台如果都使用舵轮的话也可以满足这种工作，但是成本就会高好多。表1.2车轮数量比较三轮式四轮式六轮式技术成熟度较高高较高越障性弱强强机构复杂性简单较复杂复杂质量小较大大经过表1.2的对比后，我们选择技术最为成熟且最适合本课题条件要求的双舵轮驱动的四轮万向移动底盘。1.1.4悬架方案选择在工地路面上，路面一般都是不平整的，如果路面不平整的话，出现小障碍物的时候，不可避免的就会出现车轮的打滑或者其中某个轮子悬空，这种情况下车子会发生倾斜，甚至失去动力直径被顶起。这个时候拥有一个减震缓冲装置就显得尤为重要。减震缓冲装置分为两种，一种是独立悬架装置；另一种则是非独立悬架装置。（a）非独立悬架：非独立悬架的车轮一般装在一根整体车轴的两端，当一侧车轮发生跳动的时候，不止是一面有问题，另一面也会出现问题。两面同时跳动，车身整体会发生振动或者是倾斜；非独立悬架系统的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架系统悬挂在车架或车身的下面。非独立悬架系统具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点。但由于其舒适性及操作稳定性都相对较差，在现代汽车中只有成本控制比较严格的车型才会使用，更多是用在货车和大客车上。(b)独立悬挂：独立悬挂的车轴分为两段，每个车轮和车体直接都是通过旋转弹簧独立连接的。所以如果一侧车轮在运行中，发生跳动时，另一侧，由于没有连接在一起，所以不会有任何的影响。两边车轮窦娥可以进行独立的运动，这让移动平台整体的舒适性和稳定性可以得到保证。独立悬架中的减震缓冲装置的弹簧结构会使轮子始终与地面紧紧贴住，当经过凸起路面时，由于驱动单元浮动性和弹簧的可压缩性，便可以避免驱动单元的带动导致小车整体被顶起。弹簧的反作用力可以保证轮子始终和地面贴紧，贴紧的同时，地面也可以时时刻刻给舵轮提供牵引所需要的摩擦力和附着力，确保运动平台不会因为路面不平，有障碍物而失去动力。综上所述，通过独立减震悬架的结构就可以实现多个轮子