【一款能用于火灾救援的轮足式机器人驱动装置的设计分析案例2100字】

一款能用于火灾救援的轮足式机器人驱动装置的设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u15436一款能用于火灾救援的轮足式机器人驱动装置的设计分析案例 1280781.1电机的选型 1251741.2舵机选型 317381 348181.2.2舵机的选型 4298651.2.3扭矩计算 5轮足式机器人正常行走运动，必须要求动力源为其提供源源不断的动力输出。而该轮足式机器人拥有轮式运动和足式运动另种运动方式，其不同的运动方式需要的动力源也不同，其动力源可分为以下两类：提供轮式运动动力的电机和进行足式越障运动的舵机。1.1电机的选型目前电机种类较多，不同电机类型具有其自己运动特性，和适合应用的环境。在电机选型方面，需要注意以下几个性能指标：1)可靠性，电机需要长时间的工作，带动质量较大的轮足式机器人在各种路面行走移动，运动中的环境随时都可能发生变化，因此要求电机在各种环境都具有可靠的输出能力。2)可控性，控制系统可以控制电机的运动情况来控制机器人相应的姿态变化。3)高精度运动，电机的运动需要具有高精度，这样才能保证轮足式机器人的正常的运动。本论文设计的轮足机器人总重量预估在5kg，可以负载3kg的重量。轮子的驱动电机可以选用无刷直流电机。无刷电机温升小、效率高、寿命长，并且其体积较小其体积较小其体积较小。根据轮足式机器人设计要求，轮足机器人运动速度最大为3米每秒，加速度a为0.5m2/s。电机驱动力与其提供的转矩关系：当轮足机器人在进行轮式运动时，其轮子始终和地面相互接触一起，机器人需要驱动电机转矩T1克服地面对其的摩擦力。当驱动轮子转动运动时，受到电机对其的驱动力和地面对其的摩檫力组成的力矩刚好为驱动轮子获得的转矩大小T2，设每个轮子获得的驱动力为F，轮子半径为R=30mm，则可以得到：F=T2/R（1.1）假设地面为粗糙地面，滚动摩擦系数u=0.3，根据牛顿三大定律可以得到当轮足机器人在地面加速运动时候的受力平衡方程：4F=Mgu+Ma（1.2）由M=8kg，a=0.5m2/s，u=0.1，g为重力加速度，可以计算得到：F=（8*10*0.1+8*0.5）N/4=3N（1.3）根据上面公式可以得到驱动轮子获得的转矩：T2=0.09N·m（1.4）电机驱动功率P:P=F*vmax=9w（1.5）查阅相关电机性能参数表，如表1.1所示，可以选用一能机电42系列的42BLF-0330NBB直流无刷电机。其转速能达到3000/r，输出功率为30w，额定力矩为0.1N·m图1.1.一能机电直流无刷电机参数表1.2舵机选型对于足式运动的控制，选用舵机做为驱动力是一种常用的方式。舵机与一般的直流电机不同，除去电机和减速机构，它有一套控制电路，控制系统可以很好的控制和驱动其转动。通过控制电路的精确控制，可以实现对角度的控制，舵机可以锁定在某个角度或者以某个速度连续旋转。正因为这种特性，舵机才被广泛应用到机器人关节，转向机构等工作场景中。舵机简单来说就是集成了直流电机、电机控制器和减速器等部件，并封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。它能够利用简单的输入信号对给定的角度进行精准的控制。舵机安装了一个电位器用于检测输出轴的转动角度，控制电路能根据电位器的信息精准的控制和保持输出轴的角度。舵机的主体结构如下图1.2所示，主要有以下几个部分:外壳、减速齿轮组、电机、电位器、控制电路。其工作原理是利用控制电路接收信号源的控制信号，并驱动电机转动，齿轮组将电机的速度进行大倍数降低，并将电机的输出扭矩进行大倍数放大，然后输出;电位器和齿轮组的末级一起转动，测量舵机输出轴转动角度:电路板检测并根据电位器测量的舵机转动角度判断，然后精准控制舵机转动到目标角度。图1.2舵机的结构1.2.2舵机的选型如今使用的舵机主要有模拟舵机和数字舵机之分，不过数字舵机的使用相对较少。下面的技术规格同时适用于两种舵机。舵机的规格主要有以下几个方面:扭矩、尺寸、电压、转速、重量、材料等。我们在进行舵机的选型时主要对以上几个方面进行综合考虑。本设计的机器人对爬梯的速度不做要求，因此不做转速方面的考虑，主要考虑扭矩的大小、尺寸、材料等问题。1.2.3扭矩计算要计算该机器人的扭矩，需要考虑其自身各部位的质量，各部位大致质量如此下表1.1所示结构名称机身大腿小腿负重髋部重量（kg）10.250.530.25表1.1机身各部位质量假设机身质量为Ma,负重质量为Mb，大腿质量为Mc，小腿质量为Md，髋部质量为Me，大腿长度为L1=8cm,小腿长度为L2=16cm。考虑到该机人的越障能力主要由处于机器人膝部位置的舵机提供，因此只需要计算膝部位置舵机的扭矩M即可。当该机器抬腿时，其大腿与小腿之间的夹角为θ，如下图1.3所示，此时扭矩主要带动小腿运动，假设小腿质量分布均匀，由静力学平衡条件得（1.6）则此时可求得扭矩M:M=Mdg*sinθ*L2*sin(900-θ)/2（1.7）由公式可知，当θ=900时，扭矩M最大，取g=10N/kg,可求得最大扭矩为Mmax1=0.5kg*10N/kg*8cm=40N*cm=4kg·cm（1.8）图1.3抬腿示意图要保证该机器人越过阶梯，需要求其大腿带动机身越过阶梯，此时舵机需克服大腿的的自重以及大腿顶端收到髋部的重力以及约机身一半的重力，并且要考虑其负重，其越障示意图如图1.4所示，大腿与小腿之间的夹角为θ，且大腿质量分布均匀，由静力学平衡条件得（1.9）可求得此时扭矩M为：M=(Ma+Mb)g/2*sinθ*L1+Mcg/2*L1sinθ（1.10）由公式可知当θ=900时，扭矩M最大，取g=10N/kg,可求得最大扭矩为：Mmax2=(1kg+3kg)*10N/kg*0.5*8cm+0.25kg*10N/kg*0.5*4cm（1.11）Mmax2=165N·cm=16.5kg·cm（1.12）图1.4越障示意图由此可知