【《某四足消防机器人零部件选型及计算分析案例》3800字（论文）】

某四足消防机器人零部件选型及计算分析案例目录某四足消防机器人零部件选型及计算分析案例 11.1.大腿及小腿电机选型 11.1.1.大腿电机的选型计算 11.1.2.小腿电机的选型计算 41.1.3.轴上电机选型及计算 61.2.同步带的选型及计算 81.3.其他零部件的选型 10大腿及小腿电机选型大腿电机的选型计算本设计的四足消防机器人所含参数为自重为60kg，最大负载为30kg，行进速度为1m/s，加速时间为3秒，加速度为0.33m/s2，大小腿腿长各位280mm。电机经减速后输出最大转速为150rpm。下面为其启动时的动力学计算。由于四条腿受力情况基本一致，故只用分析其中的一条腿即可。且四足消防机器人在陆地行走时，参考动物狗的运动模型可知狗在行走时为两条腿发力，另外两条腿悬在空中，等待着地，依次交替发力，从而实现四足机器人的行走。故选择其中一条腿进行受力分析，本设计的四足消防机器人在静止时，腿部大小腿的角度是调整为正三角形，首先进行整体的受力分析：图3-SEQ图3-\*ARABIC1单条腿的整体受力分析图按自重60kg，最大负载30kg算，该四足消防机器人所产生的自重力为90g，由于两条腿受力，则有下列关系，g取9.8m/s2。（3-1）由于两条腿，故M=45kg，,其中重力部分由Fcy来表达，初步对于小腿足端接触地面材料选择橡胶，与地面的摩擦因素为0.2。(3-2)又经过测试可以得出达到1m/s需要3s，故其平均加速度a=0.33m/s2，由牛顿第二定律F=ma，可得(3-3)(3-4)则A处的合力为(3-5)图3-SEQ图3-\*ARABIC2A点受力分解图其夹角θ可以用反三角函数求出得：（3-6）图3-SEQ图3-\*ARABIC3单条腿的受力分析图其中由开始设定的角度可知∠CBA=60°，∠CDB由前面的θ以及Fa与竖直向上的方向夹角为14°及∠GAC=14°，可以求得∠DCB=46°，由三角形内角和为180°可以得出∠CDB=74°。从而由正弦定理三角形内线条长度之比等于其所对应角度的正弦值之比。（3-7）由图所示，AE垂直与CE，故等效力臂LAE=LAC×sin16°=0.28×sin14°=0.068m。故等效力T=Fa×LAE=458×0.068=30.736NM（3-8）所需功率由公式(3-9)其中F为牵引力，V为行进速度，故由式（3-9）可以求得所需功率为125.1w。传动效率取0.8，故计算出所需功率为153.375W。以上是按初始角度为60°开始计算,α为30°，考虑多种情况，整体受力分析还是由上面计算的结果。下为对其大腿、小腿分别拆开计算，主要算出大腿、小腿所需的扭矩从而计算出电机2、电机3的输出扭矩与功率。小腿电机的选型计算对小腿AB拆开进行受力分析，作出下面的受力图。图3-SEQ图3-\*ARABIC4小腿的受力分析图由前面整体分析可知，由于行进速度为1m/s，则可待四足端都触底时两腿才开始运动，此时Fax=103N，Fay=220N，FA=242.92N，由角度分析可知（3-10）（3-11）由α与关系，可以确定小腿转矩T的最大值为Tmax，为65°，故从而扭矩可以用α的余弦函数表达，由式（3-11）可以算出其关系为取α范围在（30°-60°)，故Tmax为51.74NM。由于这为同步带传动装置所传输的动力，故再除以其传动比可以得出电机3所需要输出最大的扭矩。其所需最大功率为P=FV=243×1=243W传动效率取0.8，故计算出所需功率为303.75W。两者皆小于SEmotor的电机参数，达到要求。由于该控制电机自带减速器，减速比为16，该SEmotorSETZ120-1A型号电机输出参数中经过减速器后额定转速能达到90rpm，峰值转速达到180rpm，故能够满足四足机器人关节所需要的转速。膝关节转速由于采用同步带传动输出，经过传动比会放大，该SETZ120-1A电机经过减速器输出的转速能够满足要求。对大腿进行受力分析，并作出其受力分析图，图3-SEQ图3-\*ARABIC5大腿的受力分析图有几何关系可以得出LMN=LBC×sinβ，而β与α通过几何关系可以得出其大小为（65°-α），故电机2对大腿输出的扭矩可以由下式表示（3-12）电机2对于大腿的控制为直接控制由α的取值范围可以得出大腿转矩的最大值Tmax为α取30°，Tmax为39NM。所需功率共由公式（3-9）可以得出为243W。由于四足消防机器人在行进中，两腿悬空，其悬空两条腿所需要的扭矩由于不需要维持自身整体重量，只有各自腿部的转动，由扭矩计算公式可得（3-13）式中m为小腿的重量，取8kg；r为小腿重心到电机的距离；α为角加速度。对于控制大腿的电2，机由于该控制电机自带减速器，减速比为16，该SEmotorSETZ120-1A型号电机输出参数中经过减速器后额定转速能达到90rpm，峰值转速达到180rpm，故能够满足四足机器人关节所需要的转速。电机2对于大腿是直接控制驱动，其输出转速不会变化，该SETZ120-1A电机经过减速器输出的转速能够满足要求。以上为控制小腿的电机2与电机3的计算选型，最终计算的功率扭矩皆在其所选的电机型号SEmotorSETZ120-1A型号的电机。其参数为表3-1SETZ120-1A型号电机主要参数额定扭矩峰值扭矩额定功率峰值功率额定转速峰值转速减速比重量40NM200NM400W1000W90rpm180rpm162kg轴上电机选型及计算以上为分别控制大腿小腿及H、K轴电机的选型计算。对于A轴电机及电机1主要控制整个腿部加电机2和电机3的扭转，其受力方向用纵向图方向分析，并作出受力分析图。图3-SEQ图3-\*ARABIC6A轴上电机输出关系图A轴电机输出的动作为控制大腿左右转动，从而实现四足机器人在左右方向的平移，此时产生的力有摩擦力、支持力、以及合力提供加速度。由于在平移时是四脚着地，故其支持力Fay为总共重量的四分之一，其数值为220.5N，其摩擦力为（3-14）其水平方向的合力由牛顿第二定律，式（3-3）可得，Fa合为7.425N。故（3-15）足端A处合力Fa为Fax与Fay各自平方和的算术平方根，由式（3-5）可得Fa=229.2N。由三角关系通过反三角函数可得（3-16）故其扭矩为(3-17)所需功率(3-18)传动效率取0.8，故计算出所需功率为208.275W。其选择型号也为SEmotor-SETZ120-1A，皆满足参数。综上所述，本次设计的四足消防机器人，12个执行元件电机皆选自SEmotor电机公司的SETZ120-1A型号电机。该电机是专门用于足式机器人关节执行元件，故能够作为本设计的动力元件。表3-2为驱动电机及减速器的计算结果。已知参数计算结果选择标准件四足消防机器人总重：90kg电机1功率：208.3W电机1扭矩：17.68NM控制电机型号：SETZ120-1A额定功率:400W运动速度：1m/s电机2功率：303.8W电机2扭矩：39NM额定扭矩:40NM自带减速器，减速比：16加速度：0.33m/s2电机3功率：153.375W电机3扭矩：30.736NM额定转速90rpm峰值转速180rpm橡胶足端与地面摩擦系数：0.3重量2kg电机传动效率：0.8表3-2四足消防机器人计算结果及选型参数同步带的选型及计算同步带选型及计算同步带传动是四足机器人中用于控制小腿转动的传动装置，其输出靠电机3通过带轮传输动力。本次设计的四足消防机器人同步带传动处主要用于将电机的输出传递到膝关节处主要是由一定距离传输，故不需要太大的传动比，通过对比分析研究，最终决定其传动比为1.15。由于从上面的扭矩功率计算可以知道需要最大功率P=253W，最大扭矩T=54.82NM，同步带设计中先计算其设计功率Pd,由公式Pd=P×KA(3-19)KA工况系数根据工作情况其为输送设备大扭矩每日普通使用，查表得工况系数1.6，最终计算出其设计功率Pd为404.8W。梯形同步带易产生噪声与振动，且仅在转速不太高、功率较低的情况下使用，而圆弧型同步带克服了梯形同步带的缺点，均化了应力同时改善了啮合。传动准确，工作时无滑动，传动效率高达98%，传动平稳且吸收振动的能力高，噪声下且不需要张紧，结构紧凑同时维护方便、不需要润滑，能够适应恶劣环境如高温下这与设计要求的消防功能相适应。通过对比分析最终考虑采用圆弧型同步带。根据Pd=404.8W，转速为100r/min，查表选择5M型号的圆弧型同步带，其带节距Pb为5mm。根据带速和安装尺寸允许，齿数z尽量选择较大值，由上面选择的5M圆弧型同步带，齿数z1=40，z2=46,节圆计算公式为d=z式中z为同步带轮齿数，pb为选定带节距。故通过式（3-20）带入数据可以得到，两个带轮的节圆直径分别为d1=63.66mm，d2=73.21mm。带速。初定安装中心距由式（3-21）0.7（d由式（3-21）可得其安装中心距为225mm<a<642mm，初定中心距a0=260mm，在计算范围内。由机械设计手册可查带长计算公式如下：（3-22）带入数据计算可得L0=735.08mm，通过机械设计手册查表，圆弧型同步带5M型号取Lp=740mm，齿数为148，啮合齿数zm=20，啮合齿系数kz为1，小带轮包角α1为177.92°故由带长确定同步带带齿数，其计算公式如下：Z=L式中Lp为1080mm，节距Pb为9mm，带入计算可得齿数为120。实际间距a=[M+M式中M计算公式为M=4LP-2Π（d2+d1）(3-25)带入最终计算可得实际安装中心距为262mm。其带宽由5M型号圆弧型同步带，以及上面参数最终确定为20mm的带宽。作用在轴上的力为2592.6N。其他零部件的选型电源、控制器、驱动器的选型首先是电源箱的选型，它是由多个单体电池、箱体、电池管理系统及相关安装结构(设备)等组成的一组电池。具有标准的电池箱结构、电池箱监测设备、电池箱连接器、电池箱环境控制设备等。其主要功能为通风、散热、隔热、防水、防撞。控制器指主电路或控制电路按预定顺序改变接线，改变电路中的电阻值，以控制电机的启动、速度、制动和反转的主指令装置。它由一个程序计数器、一个指令寄存器、一个指令解码器、一个定时发生器和一个操作控制器组成。它是发布命令的“决策机构”，即完成对整个计算机系统操作的协调和指挥。被设计的四足消防机器人所选择的是倍福控制器，选取的是德国倍福嵌入式控制器CX9020，CX9020是自动化新技术总线端子模块之一，是配电系统必备，其总重量为509g，TwinCAT自动化软件将cx9020系统改造成功能强大的PLC和运动控制系统，实现可视化和非可视化操作。图3-SEQ图3-\*ARABIC7倍福嵌入式控制器CX9020驱动器是一种将电脉冲转换为角位移的执行器。当步进驱动器接收到脉冲信号时，驱动步进电机以固定的沿设定的方向旋转。它以固定的角度一步一步地旋转。可以通过控制脉冲的个数来控制角位移的大小，从而能够达到精确定位的目的。同时，可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速定位的目的。在主控制箱的中间，驱动器