全地形輪式移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)【三維proe模型】

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The design of the all-terrain wheeled mobile robot for the completion of the pipeline acceptance, blockage detection, dredging and other fields; at least 300m crawling detection distance; to overcome a certain obstacle; to achieve forward, back, turn left, right action. After investigating the relevant materials, the whole structure of the drive was designed, the wheels of the car, the arms of the wheels, the body of the car, and so on. Determine the type of motor, the type of brake, and the type of reducer, the performance of the robot for the analysis, but also carried out the assembly, to avoid interference with the situation. In order to see this structure is not correct, and with three-dimensional software to draw the drawings out. After this design in the consolidation of university knowledge, but also to enhance the level of professional knowledge design, laid the foundation for the community. Keywords: Industrial robots， round legs， mobile car design - 16 - 目 錄 摘要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況 1 1.2 移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究 1 1.3 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 2 第2章 總體及各運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 5 2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及要求的確定 5 2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 5 2.1.2 設(shè)計(jì)要求的確定 5 2.2 總體方案的確定 5 2.3 結(jié)構(gòu)方案的確定 6 2.4 驅(qū)動(dòng)方案的確定 7 2.5 車(chē)輪方案的確定 7 第3章 驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算 9 3.1 車(chē)輪電機(jī)的確定 9 3.2 減速器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 10 3.2.1 減速器技術(shù)參數(shù)的計(jì)算 10 3.2.2 傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 12 3.2.3 計(jì)算蝸桿傳動(dòng)主要尺寸 13 3.3 車(chē)輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 15 3.5 車(chē)身的設(shè)計(jì)與計(jì)算 16 第4章 主要零件的設(shè)計(jì) 17 4.1 零件設(shè)計(jì)的基本要求 17 4.2 車(chē)身的設(shè)計(jì) 17 4.3 車(chē)輪的設(shè)計(jì) 17 4.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 18 結(jié)論 20 致謝 21 參考文獻(xiàn) 22 第1章 緒論 1.1 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展概況 現(xiàn)在的科技發(fā)展的這么快，人們看東西也跟原來(lái)不一樣，更加的廣闊了，很想對(duì)不知道的領(lǐng)域去進(jìn)行研究。到現(xiàn)在，人類對(duì)宇宙的研究一直沒(méi)有停止，現(xiàn)在都開(kāi)始對(duì)火星進(jìn)行研究了，對(duì)地球上，不管是地底下的，還是海底下的，都一直在進(jìn)行繼續(xù)研究。還有，現(xiàn)在的打戰(zhàn)跟原來(lái)比，也復(fù)雜的多了，要進(jìn)行反恐，也困難的多了，在進(jìn)行偵查還有作戰(zhàn)的時(shí)候，一定要及時(shí)并且還要準(zhǔn)確。但是，現(xiàn)在的環(huán)境這么的復(fù)雜，比方說(shuō)宇宙里面溫度的變化比較頻繁，地形的變化也大，還有打戰(zhàn)時(shí)候突發(fā)性很多等等，不過(guò)，因?yàn)樯淼脑?，很多時(shí)候人是沒(méi)有辦法。 移動(dòng)機(jī)器人，不僅可以進(jìn)行遙控控制，而且就算地形有變化，它也能夠很快的適應(yīng)，這樣有時(shí)候人做不到的事情，機(jī)器人可以去做。 移動(dòng)機(jī)器人的身上有一種智能系統(tǒng)，它可以讓機(jī)器人跟外界進(jìn)行信息的交換，有障礙的時(shí)候，可以繞開(kāi)障礙，走到自己需要的地方，這樣就可以將設(shè)定的任務(wù)就完成了。在軍事上使用的移動(dòng)機(jī)器人，它的體積是非常小的，并且成本還不高，生存能力非常強(qiáng)，在進(jìn)行移動(dòng)的時(shí)候非常靈活，現(xiàn)在這種機(jī)器人研究的人非常多。不過(guò)因?yàn)樗ぷ鞯牡胤?，環(huán)境是非常復(fù)雜的，有很多時(shí)候需要機(jī)器人自己遇到障礙的時(shí)候，自己進(jìn)行處理。那么在對(duì)地面移動(dòng)機(jī)器人的時(shí)越障礙功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)的時(shí)候，它要對(duì)復(fù)雜的環(huán)境進(jìn)行適應(yīng)。跟原來(lái)設(shè)計(jì)的哪些機(jī)器人進(jìn)行對(duì)比，論文里面設(shè)計(jì)的機(jī)器人不管是機(jī)動(dòng)性，越障礙能力，還是集成這些方面都是先進(jìn)了很多的。 1.2 移動(dòng)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的研究 人類對(duì)太空的探索就彰顯了人類的進(jìn)步，機(jī)器人智能的進(jìn)步就展現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)的空間上。要想獨(dú)立性更好，那么機(jī)器人的靈活性，還有智能型也要更好，機(jī)器人可以在一定的區(qū)域里面，進(jìn)行安全的運(yùn)動(dòng)，將指定的任務(wù)完成了，這樣機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力就變的更好了。所以，這些年，人們研究的主要都是自助式移動(dòng)機(jī)器人。 1、移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)形式 按照實(shí)際的使用環(huán)境，輪式跟腿式運(yùn)動(dòng)的好處，設(shè)計(jì)出來(lái)一種多種驅(qū)動(dòng)方式的移動(dòng)機(jī)器人。這個(gè)機(jī)器人的組成是六個(gè)部分，不管在哪一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元里面，都有一個(gè)轉(zhuǎn)向臂，一個(gè)擺臂，還有兩個(gè)電動(dòng)輪。在不是很平坦的地方，它的傾覆穩(wěn)定性是非常重要的。四輪式機(jī)器人是對(duì)稱結(jié)構(gòu)的，它的輪腿運(yùn)動(dòng)單元有六個(gè)，并且都是獨(dú)立的，可以組成很多種的結(jié)構(gòu)。用動(dòng)態(tài)能量穩(wěn)定錐的方式，還有傾覆穩(wěn)定性指數(shù)，就可以綜合評(píng)價(jià)這個(gè)機(jī)器人的穩(wěn)定性了，再建一個(gè)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)白適應(yīng)控制系統(tǒng)，按照這個(gè)穩(wěn)定性的字?jǐn)?shù)，那么對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)還有速度就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的改變了，這樣機(jī)器人在傾覆的時(shí)候，穩(wěn)定性就比較好了。在正弦路上面對(duì)機(jī)器人進(jìn)行仿真，這個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候?qū)崟r(shí)性是非常好的，并且可靠性也高，這樣機(jī)器人在遇到障礙的時(shí)候，遇到的危險(xiǎn)就沒(méi)有那么大了。 2、移動(dòng)機(jī)器人的組成： 移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置； 移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)向裝置； 移動(dòng)機(jī)器人的換向裝置； 移動(dòng)機(jī)器人的制動(dòng)裝置。 1.3 移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì) 移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展的非常快，不管哪個(gè)國(guó)家現(xiàn)在都主要研究它。它的類別是比較多的，下面的圖紙1.1，1.2,1.3里面展示了三種移動(dòng)機(jī)器人?，F(xiàn)在它的發(fā)展方向就是更加的只能，更小，在很多的行業(yè)里面，都用到了微型智能移動(dòng)機(jī)器人。 圖1.1 翻滾型移動(dòng)機(jī)器人 圖1.2 管道型移動(dòng)機(jī)器人 圖1.3 四輪式變結(jié)構(gòu)移動(dòng)機(jī)器人 國(guó)外的電視進(jìn)行了移動(dòng)機(jī)器人的報(bào)道，在美國(guó)，現(xiàn)在研究出來(lái)一種新的netbook電腦機(jī)器人，下面的圖紙1.4里面展示的就是，這個(gè)機(jī)器人的滑動(dòng)輪胎有兩個(gè)，輪胎的中間連接起來(lái)的地方，裝的就是netbook電腦。它的整個(gè)結(jié)構(gòu)是非常簡(jiǎn)單的，并且在實(shí)際使用的時(shí)候，操作也比較簡(jiǎn)單，就算是不了解專業(yè)知識(shí)，也可以在看了說(shuō)明書(shū)之后進(jìn)行使用，裝拆也沒(méi)有問(wèn)題。 圖4 “Three”新式netbook電腦機(jī)器人 設(shè)計(jì)者還說(shuō)，在這個(gè)機(jī)器人里面裝了一個(gè)功率非常大的發(fā)動(dòng)機(jī)，還有非常先進(jìn)的機(jī)器。只要在它上面裝一些軟件，再裝上主人識(shí)別系統(tǒng)，這樣使用者就可以對(duì)這個(gè)機(jī)器人進(jìn)行完整的控制了，那么使用者就可以享受它的服務(wù)了。還有，如果顧客還有更高的要求的話，還能再裝一個(gè)紅外傳感器，或者是攝像器等等。 還有報(bào)道說(shuō)，為了將反恐機(jī)器人對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力變得更高，現(xiàn)在設(shè)計(jì)出來(lái)一種輪-腿-履帶的移動(dòng)裝置，分析了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，分析了機(jī)器人的穩(wěn)定性，對(duì)它設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是不是可行進(jìn)行了論證，對(duì)機(jī)器人的穩(wěn)定性也進(jìn)行了論證。下面的圖紙1.5里面展示的就是這種機(jī)器人。 圖1.5 輪—腿—履帶復(fù)合移動(dòng)機(jī)器人 研究機(jī)器人一開(kāi)始就是為了幫人去干活，讓人的勞動(dòng)強(qiáng)度變低一些，還有一些危險(xiǎn)的地方，幫人去工作，所以說(shuō)，一開(kāi)始的時(shí)候，在加工汽車(chē)行業(yè)，還有核電行業(yè)里面用的比較多。后來(lái)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展的越來(lái)越快，在很多別的行業(yè)也開(kāi)始用機(jī)器人了，比方說(shuō)航空，海洋，農(nóng)業(yè)，服務(wù)等等。四輪式的移動(dòng)式機(jī)器人是一種新的機(jī)器人，它可以完成很多人類沒(méi)有辦法完成的事情，比方說(shuō)探測(cè)危險(xiǎn)的地方，去太空進(jìn)行星球的探測(cè)，在戰(zhàn)場(chǎng)上進(jìn)行偵查等等。機(jī)器人在進(jìn)行爬坡的時(shí)候，還有跨越障礙的時(shí)候，都是現(xiàn)實(shí)機(jī)器人能力的最好體現(xiàn)。在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，一旦出現(xiàn)傾覆了，就會(huì)讓機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置出現(xiàn)失控，沒(méi)有辦法復(fù)位的狀況，所以這些就是移動(dòng)機(jī)器人研究的重點(diǎn)。機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)就是完全自主的移動(dòng)，研究導(dǎo)航的目標(biāo)，就是沒(méi)有干擾的時(shí)候，機(jī)器人可以有目的的進(jìn)行移動(dòng)，并且將制定的任務(wù)完成了。機(jī)器人經(jīng)過(guò)裝配，對(duì)外部的信息進(jìn)行獲取，之后就能進(jìn)行自我定位，對(duì)自身的狀態(tài)進(jìn)行判斷，然后對(duì)下一步干嘛進(jìn)行規(guī)劃。 第2章 總體及各運(yùn)動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)及要求的確定 2.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 1、用于管道的竣工驗(yàn)收、堵塞檢測(cè)、清淤等領(lǐng)域； 2、通常為排水溝管道，60*60cm矩形排水溝，檢查井距離250米（但是被埋），沉沙井距離50米。沉沙井2.5m深，直徑1m。隧道口外有兩個(gè)邊溝呈弧形從中央排水溝引出，尺寸不變，可供使用。 3、管道阻塞物：主要是炭酸鈣晶體，碎石小顆粒。 2.1.2 設(shè)計(jì)要求的確定 1、爬行車(chē)輛部分： （1）至少達(dá)到300m的爬行探測(cè)距離； （2）能翻越一定障礙； （3）能前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。 2、可調(diào)速電機(jī)系統(tǒng)： （1）現(xiàn)成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)； （2）鑄鋁材料車(chē)身； （3）高強(qiáng)度抗拉電纜； （4）高性能傳動(dòng)系統(tǒng)，四輪驅(qū)動(dòng)，電池供電； （5）實(shí)時(shí)顯示爬行距離； （6）可搭配不同尺寸車(chē)輪； （7）通過(guò)電纜控制爬行機(jī)器人和傳輸視頻信號(hào)； （8）通過(guò)手持遙控設(shè)備控制車(chē)輛動(dòng)作； （9）車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能； （10）故障報(bào)警，具備輔助電源；高性能密封車(chē)身，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP68；體積小，重量輕，可涉水；續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)。 2.2 總體方案的確定 在查閱設(shè)計(jì)資料、研究現(xiàn)狀及任務(wù)書(shū)的基礎(chǔ)上，本次設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人由車(chē)身，控制機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)三部分組成?，F(xiàn)將總體方案做以下3點(diǎn)說(shuō)明： 1、車(chē)身用鋁合金鑄件，需良好的力學(xué)性能 要考慮兩個(gè)問(wèn)題 （1）車(chē)身的尺寸選擇合適，既要確保車(chē)身上安裝電動(dòng)機(jī)、減速器的位置。還要確保車(chē)身在管道內(nèi)能夠轉(zhuǎn)彎； （2增加機(jī)體的穩(wěn)定性。因?yàn)闄C(jī)器人的身體上面安裝了很多的零部件還有機(jī)器，所以機(jī)器人的身體的高度要夠，要能夠安裝這些東西。 2、這款機(jī)器人采用的是4個(gè)輪子，每個(gè)輪子的動(dòng)力來(lái)源都是獨(dú)立的。 移動(dòng)機(jī)器人采用整體車(chē)身結(jié)構(gòu)。車(chē)身通過(guò)軸與前后四個(gè)車(chē)輪連接，使車(chē)身及承載物的重量能被四個(gè)車(chē)輪平均承受，再平均分配給每個(gè)車(chē)輪，從而使各車(chē)輪的受力均衡，提高整個(gè)車(chē)輛的承載能力。在車(chē)體上設(shè)有中央控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行控制。 2.3 結(jié)構(gòu)方案的確定 依據(jù)上面的設(shè)計(jì)要求，將確定該機(jī)構(gòu)如圖2.1和圖2.2所示。機(jī)器人的四個(gè)輪子都是相互獨(dú)立的，每個(gè)輪子都有獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)。具體的看下面的圖畫(huà)的。 圖2.1 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)四輪移動(dòng)機(jī)器人三維實(shí)體 1、車(chē)輪；2、車(chē)輪軸；3、減速器；4、電動(dòng)機(jī)；5、聯(lián)軸器；6、聯(lián)軸器 圖2.2 獨(dú)立驅(qū)動(dòng)四輪移動(dòng)機(jī)器人 這個(gè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，設(shè)計(jì)的比較簡(jiǎn)單，而且也比較容易使用。它的動(dòng)作是這樣的，電動(dòng)機(jī)4提供動(dòng)力源，通過(guò)聯(lián)軸器5將動(dòng)力傳送至減速器3，減速器3又通過(guò)聯(lián)軸器將動(dòng)力傳送至車(chē)輪軸，車(chē)輪軸帶動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小車(chē)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)的動(dòng)作。小車(chē)的前進(jìn)、后退，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行控制。 2.4 驅(qū)動(dòng)方案的確定 依據(jù)上面對(duì)結(jié)構(gòu)方案的確定，本次設(shè)計(jì)的移動(dòng)機(jī)器人為四輪式。將機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分成4組，每個(gè)組輪子的運(yùn)動(dòng)痕跡都是一樣的，具體的看上面的圖2.1和圖2.2所示。 驅(qū)動(dòng)元件在機(jī)器人中的作用相當(dāng)于人體的肌肉。為了完成預(yù)定的動(dòng)作，機(jī)器人必須具備前進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置和轉(zhuǎn)向驅(qū)動(dòng)裝置，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵。在所有的驅(qū)動(dòng)元件中，電機(jī)是最常用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)前許多仿生機(jī)器人也有用液壓元件、氣動(dòng)元件以及一些特殊材料來(lái)作驅(qū)動(dòng)器。本文主要采用電機(jī)作為該新型智能移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件。對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制，才能使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)。 目前，電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置主要有以下兩種布置方式： (1)集中驅(qū)動(dòng)方式 即把驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在車(chē)體上，在通過(guò)傳動(dòng)裝置，將動(dòng)力輸出到每個(gè)車(chē)輪上，使車(chē)輪運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)汽車(chē)便是典型的集中驅(qū)動(dòng)方式。對(duì)于智能移動(dòng)機(jī)器人，集中驅(qū)動(dòng)方式并不合適，主要是由于其難以實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向，對(duì)車(chē)體進(jìn)行精確定位。 (2)集中控制—分布驅(qū)動(dòng)方式 即在每個(gè)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪上都設(shè)置電機(jī)，驅(qū)動(dòng)車(chē)輪運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)向。電機(jī)由安裝在車(chē)體上的中央控制元件控制其轉(zhuǎn)動(dòng)速度。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且便于實(shí)現(xiàn)，有利于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)性能的發(fā)揮。目前各國(guó)的空間探測(cè)車(chē)均采用這種驅(qū)動(dòng)方式。 本方案采用集中控制—分布驅(qū)動(dòng)方式。 假設(shè)機(jī)器人設(shè)有障礙的跨過(guò)15mm的高度，要讓它能夠跨越障礙，那么機(jī)器人車(chē)身的底盤(pán)到車(chē)輪下端與管道接觸的高度就要保證在15mm。 2.5 車(chē)輪方案的確定 機(jī)器人上的每個(gè)輪子都裝了獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)器，所以每個(gè)輪子都有一套減速的裝置，還有一個(gè)直流伺服電機(jī)，為了要讓每一個(gè)輪子能夠停下來(lái)，每一個(gè)輪子還都要裝一個(gè)制動(dòng)裝置，這樣就能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)和制動(dòng)了。 機(jī)器人輪子的方案用直流電機(jī)配合減速器，就像下面的圖2.3展示的，把電機(jī)固定安裝在車(chē)身的上面，然后再把減速器連接起來(lái)。 車(chē)輪的直徑對(duì)機(jī)器人的速度有很大的影響。使用同樣的電機(jī)，車(chē)輪直徑增加，機(jī)器人的速度會(huì)同時(shí)增加，二者之間是一種線性關(guān)系。另外，按照車(chē)輛理論的分析，車(chē)輪的直徑增大可以明顯提高機(jī)器人的越障能力。但是，車(chē)輪直徑變大的同時(shí)，車(chē)輪表面所受的電機(jī)轉(zhuǎn)矩卻會(huì)下降。根據(jù)車(chē)輛地面力學(xué)理論，剛性車(chē)輪的寬度越寬，車(chē)輪的土壤沉陷量越小，土壤的壓實(shí)阻力也就越小。不過(guò)，車(chē)輪變寬后，機(jī)器人的轉(zhuǎn)向阻力也會(huì)變大。另外，增加車(chē)輪的直徑比增加車(chē)輪寬度對(duì)減小壓實(shí)阻力更為有效。因此，必須根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定車(chē)輪直徑和寬度，不能盲目加大車(chē)輪直徑和寬度。具體設(shè)計(jì)見(jiàn)第三章。 圖2.3 電機(jī)加減速器 這種制作方法的減速器相對(duì)來(lái)說(shuō)不復(fù)雜，而且裝起來(lái)很方便，使用起來(lái)也很可靠，而且能選用的電機(jī)型號(hào)沒(méi)有多少。 第3章 驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 車(chē)輪電機(jī)的確定 一般用在機(jī)器人上的電動(dòng)機(jī)有三種：直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)和舵機(jī)。幾種電機(jī)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行如表 3.1 所示。 表3.1 幾種電機(jī)比較 電機(jī)類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 直流電機(jī) 容易購(gòu)買(mǎi) 型號(hào)多 功率大 接口簡(jiǎn)單 轉(zhuǎn)速太快，需減速器 電流較大 較難與車(chē)輪裝配 價(jià)格較貴 控制復(fù)雜（PWM） 步進(jìn)電機(jī) 精確的速度控制 型號(hào)多樣 適合室內(nèi)機(jī)器人的速度 接口簡(jiǎn)單 價(jià)格便宜 功率與自重比小 電流通常較大 外形體積大 較難與車(chē)輪裝配，負(fù)載能力低 功率小 舵機(jī) 內(nèi)部帶有齒輪減速器 型號(hào)多樣 適合室內(nèi)機(jī)器人的速度 接口簡(jiǎn)單 功率中等 價(jià)格便宜 負(fù)載能力低 速度調(diào)節(jié)的范圍小 通過(guò)上面對(duì)三種驅(qū)動(dòng)裝置的選擇，決定選擇直流電動(dòng)機(jī)。 1、確定車(chē)輪半徑R=77mm 機(jī)器人車(chē)輪周長(zhǎng)C=2πR=483.56mm 2、機(jī)器人車(chē)速V=0.08—0.6m/s 車(chē)輪轉(zhuǎn)速為0.08m/s≦≦0.6m/s 8.5r/min≦nw≦63r/min。 查數(shù)據(jù)可得輪與地面摩擦因素μ=3 工作機(jī)扭矩T=FμR=mgμR=1Kg×10m/s2×3×0.077m=2.31N·m 工作機(jī)功率P==1.002N·m×nw/9550 ηw=1 96W≦P≦712W 現(xiàn)有濟(jì)南科亞電子科技有限公司ZTY型直流電機(jī)技術(shù)參數(shù)如下表3.2： 表3.2 ZTY型直流電機(jī)技術(shù)參數(shù) 型號(hào) 轉(zhuǎn)矩 （mN·m） 轉(zhuǎn)速 （r/min） 功率 （W） 電壓 （V） 電流（A） 不大于 110ZYT05 637 3000 200 24 13 110ZYT55 980 3000 308 24 16.5 110ZYT105 1274 3000 400 24 22.5 110ZYT155 2230 3000 700 24 22.5 130ZYT05 3185 1500 500 24 28 綜合考慮，選定型號(hào)130ZYT05 3.2 減速器的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.2.1 減速器技術(shù)參數(shù)的計(jì)算 1、減速器傳動(dòng)比的計(jì)算 電機(jī)所需功率Pd= 電動(dòng)機(jī)至工作機(jī)的傳動(dòng)總效率ηa=η1η22η3 取單頭蝸桿效率η1=0.725 取滾動(dòng)軸承效率η2=0.988 取彈性聯(lián)軸器效率η3=0.994，ηa=0.703 Pw=Pd×ηa=500×0.703=351W 根據(jù)上面的式nw=31.4 i==1500/31.4=47 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選定減速器類型為蝸桿減速器。 圖18蝸桿減速器 表3.3 蝸桿、蝸輪參數(shù)的匹配 中心距a /mm 傳動(dòng) 比i 模數(shù)m /mm 蝸桿分度 圓直徑 d1/mm 蝸桿 頭數(shù)z1 蝸桿 齒數(shù)z2 蝸輪變位系數(shù)x2 40 4.83 2 22.4 6 29 -0.100 7.25 2 22.4 4 29 -0.100 9.5 1.6 20 4 38 -0.250 - - - - - - 14.5 2 22.4 2 29 -0.100 19 1.6 20 2 38 -0.250 29 2 22.4 1 29 -0.100 38 1.6 20 1 38 -0.250 49 1.25 20 1 49 -0.500 62 1 18 1 62 0.000 選擇傳動(dòng)比i=49 2、傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) （1）各軸由高速至低速依次為Ⅰ軸、Ⅱ軸（工作軸） Ⅰ軸nⅠ= Ⅱ軸nⅡ=r/min （2）各軸輸入功率 Ⅰ軸PⅠ=Pdη3=500×0.994=497W Ⅱ軸PⅡ=PⅠη3η1=497×0.725×0.988=356W （3）各軸輸入轉(zhuǎn)矩 Ⅰ軸TⅠ=Tdη3=9550×η3=9550××0.994=1.4N·m Ⅱ軸TⅡ=TⅠη2i1=1.4×0.988×49=67.7 將上述計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)列表如下： 表3.4 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 軸號(hào) 功率P（kW） 扭矩T（N·m） 轉(zhuǎn)速n（r/min） 電機(jī)軸 500 3185 3000 Ⅰ軸 497 1.4 3000 Ⅱ軸 356 67.7 61.2 3.2.2 傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 1、選擇齒輪的類型、材料、精度和齒數(shù) （1）按已知條件，選用一級(jí)蝸桿傳動(dòng)。 （2）蝸桿、蝸輪材料采用45鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度差為40HBS可以提高大齒輪齒面的疲勞。 （3）精度選擇7級(jí)精度。 （4）根據(jù)表1，選擇蝸輪齒數(shù)z=49 2、按齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算 根據(jù)以下設(shè)計(jì)公式進(jìn)行計(jì)算： （1）確定上式中的各參數(shù) ①試選使用因素；KA=1 ②蝸桿傳遞的扭矩為： T2=9550=95.5×105×=1582N·m ③查設(shè)計(jì)手冊(cè)，選動(dòng)載因素KV=1.1； ④查設(shè)計(jì)手冊(cè)，選載荷分布因素Kβ=1； ⑤查設(shè)計(jì)手冊(cè)，查得接觸疲勞強(qiáng)度極限為 σHP=140MPa σH=155×=22.9MPa<140MPa 3、校核蝸輪齒根彎曲強(qiáng)度 ①查設(shè)計(jì)手冊(cè)，蝸輪綜合齒形系數(shù)=4； ②查設(shè)計(jì)手冊(cè)，導(dǎo)程角系數(shù)=0.906 ③查設(shè)計(jì)手冊(cè)，查得齒根彎曲強(qiáng)度 =7.56MPa<33MPa 3.2.3 計(jì)算蝸桿傳動(dòng)主要尺寸 下表為普通圓柱蝸桿傳動(dòng)基本幾何關(guān)系式： 表3.5 普通圓柱蝸桿傳動(dòng)基本幾何關(guān)系式 序號(hào) 名稱 代號(hào) 關(guān)系式 結(jié)果 1 中心距 a a=(d1+d2+2x2m)/2 40mm 2 蝸桿頭數(shù) z1 - 1 3 蝸桿齒數(shù) z2 z2=iz1 49 4 齒形角 a ax=20°或an=20° 20° 5 模數(shù) m m=mx=mn/cosγ 1.25 6 傳動(dòng)比 i i=n1/n2 49 7 齒數(shù)比 u u=z2/z1 49 8 蝸輪變位系數(shù) x2 x2=a/m-(d1+d2)/2m -0.500 9 蝸桿直徑系數(shù) q q=d1/m 16 10 蝸桿軸向齒距 px Px=πm 3.925 11 蝸桿導(dǎo)程 pz pz=πmz1 3.925 12 蝸桿分度圓直徑 d1 d1=mq 20 13 蝸桿齒頂圓直徑 da1 da1=d1+2ha1=d1+2ha×m 22.5 14 蝸桿齒根圓直徑 df1 df1=d1-2hf1=d1-(2ha×m+c) 17 15 頂隙 c c=c×m 0.25 16 漸開(kāi)線蝸桿基圓直徑 db1 db1=d1tanγ/1tanγb=mz1/1tanγb 17 蝸桿齒頂高 ha1 ha1=ha×m=(da1-d1)/2 1.25 18 蝸桿齒根高 hf1 hf1=（ha×+c×）m=(d1-df1)/2 1.5 19 蝸桿齒高 h1 h1=ha1+hf1=(da1-df1)/2 2.75 20 蝸桿導(dǎo)程角 γ tanγ=mz1/d1=z1/q 3.576° 21 漸開(kāi)線蝸桿基圓導(dǎo)程角 γb cosγb=cosγcosαn 22 蝸桿齒寬 b1 z1=1.2時(shí)b1≥(12+0.1z2)m z1=3.4時(shí)b1≥(13+0.1z2)m 17 23 蝸輪分度圓直徑 d2 d2=mz2=2a-d1-2x2m 61.25 24 蝸輪喉圓直徑 da2 da2=d2+2hf2 62.25 25 蝸輪齒根圓直徑 df2 df2=d2-2hf2 56.75 26 蝸輪齒頂高 ha2 ha2=（da2-d2)/2=m(h×a+x2) 0.625 27 蝸輪齒根高 hf2 hf2=（d2-df2)/2=m(h×a-x2+c×) 2.125 28 蝸輪齒高 h2 h2=ha2+hf2=(da2-df2)/2 2.75 29 蝸輪咽喉母圓半徑 rg2 rg2=a-da2/2 8.75 30 蝸輪齒寬 b2 b2≥0.65da1 15 31 蝸輪齒寬角 θ θ=2arcsin（b2/d1） 97.18 32 蝸輪軸向齒厚 sx sx=πm/2 1.96 33 蝸桿法向齒厚 sn sn=sxcosγ 1.96 34 蝸輪齒厚 st 按蝸桿節(jié)圓處軸向齒槽寬e'x確定 35 蝸桿節(jié)圓直徑 d'1 d'1=d1+2x2m=m(q+2x2) 18.75 36 蝸輪節(jié)圓直徑 d'2 d'2=d2 61.25 下表為減速器機(jī)體主要結(jié)構(gòu)尺寸： 表3.6 減速器機(jī)體主要結(jié)構(gòu)尺寸 名稱 符號(hào) 尺寸關(guān)系式 結(jié)果 機(jī)座壁厚 δ - 3 機(jī)蓋壁厚 δ1 - 3 機(jī)座凸緣壁厚 b 1.5δ 4.5 機(jī)蓋凸緣壁厚 b1 1.5δ1 4.5 機(jī)座底凸緣壁厚 b2 2.5δ 7.5 地角螺釘直徑 d5 6 地角螺釘數(shù)目 n n≥4 4 軸承旁聯(lián)接螺栓直徑 d1 0.75d5 4.5 蓋與座聯(lián)接螺栓直徑 d2 (0.5～0.6)d5 3 聯(lián)接螺栓d2的間距 l 軸承端蓋螺釘直徑 d3 (0.4～0.5)d5 3 窺視孔蓋螺釘直徑 d4 (0.3～0.4)d5 3 定位銷(xiāo)直徑 d (0.7～0.8)d2 3 d5、d1、d2至外機(jī)壁距離 c1 - 3 d5、d2至凸緣邊緣距離 c2 - 2 軸承旁凸臺(tái)半徑 R1 c2 凸臺(tái)高度 h 外機(jī)壁至軸承座端面距離 l1 c1+c2+(3～8) 蝸輪外圓與內(nèi)機(jī)壁距離 Δ1 ＞1.2δ 蝸輪輪轂端面與內(nèi)機(jī)壁距離 Δ2 ＞δ 中間軸兩傳動(dòng)件的軸向距離 Δ3 8～15 機(jī)蓋、機(jī)座筋厚 m1、m m1＞0.85δ1m＞0.85δ 軸承端蓋外徑 D2 39 軸承旁聯(lián)接螺栓距離 s 下表顯示了如何確定各段軸的長(zhǎng)度 表3.7 軸各段直徑的確定 符號(hào) 確定方法及說(shuō)明 d 按許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的計(jì)算方法估算，盡可能圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑（查手冊(cè)），如有外接零件（如聯(lián)軸器），d應(yīng)與外接零件的孔徑一致，并滿足鍵的強(qiáng)度要求。 d1 d1=d+2aa為軸肩高度。用于軸上零件的定位和固定，通常取0.07d<=a<=0.1d;d1應(yīng)符合密封元件的孔徑要求（查手冊(cè)），軸肩過(guò)渡圓角的要求查手冊(cè)。 d2 d2=d1+（1～3）mm d1和d2的變化僅為方便及區(qū)分加工表面，所以其差值可小些，d2與滾動(dòng)軸承相配，應(yīng)與軸承孔徑一致，軸徑過(guò)渡為自由表面，其圓角半徑（查手冊(cè)）。 d3 圖b）中,d3=d2+(1～3)mm 直徑變化為區(qū)分加工表面及裝配方便，圓角半徑查手冊(cè)。 d4 圖a）中，d4=d2+(1～3)mm，圖b）中，d4=d3+(1～3)mm 直徑變化為區(qū)分加工表面及裝配方便，圓角半徑查手冊(cè)，d4與齒輪相配，應(yīng)圓整為 標(biāo)準(zhǔn)直徑（查手冊(cè)）。 d5 d5=d4+2a 軸環(huán)供齒輪軸向定位和固定用，0.07d4≤a≤0.1d4。軸肩a及過(guò)渡圓角r要求查手冊(cè) D6 一般d6=d2 3.3 車(chē)輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 1、車(chē)輪的設(shè)計(jì)要求 因?yàn)閭鲃?dòng)是用車(chē)輪，這樣的方式是用的最多的。它的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)的時(shí)候工作的效率是很高的，而且工作起來(lái)比較可靠，它的結(jié)構(gòu)是比較緊湊的而且使用的領(lǐng)域很多。 在對(duì)車(chē)輪進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，只要設(shè)計(jì)的比較合理的，制作車(chē)輪的材料還有在進(jìn)行熱處理的時(shí)候的選擇正確，加工出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)關(guān)，而且精度也很高，這樣就能達(dá)到了預(yù)期的效果了。 2、車(chē)輪材料的確定 車(chē)輪用的材質(zhì)是灰鑄鐵，它的速度要是比每秒二十五秒還要小的時(shí)候，就不能用灰鑄鐵，用HT150；帶速v=25-30m/s時(shí)，采用HT200。如果帶子的速度更快的時(shí)候，使用的結(jié)構(gòu)是鑄鋼或者是鋼板來(lái)進(jìn)行焊接的，功率不大的時(shí)候用的材質(zhì)是鋁合金，也可以是塑料等等。 這篇文章里面，車(chē)輪用的材質(zhì)是鋁合金。 3、車(chē)輪的結(jié)構(gòu) 按照輪輻的構(gòu)造來(lái)進(jìn)行分類，有實(shí)心式的，輪輻式的，還有輻板式的，車(chē)輪一般用的原材料都是灰鑄鐵，還有鋼，鋁合金等等，其中以灰鑄鐵應(yīng)用最廣。車(chē)輪外面的那一圈圓的就是輪緣，它也是一個(gè)工作零部件。 車(chē)輪的構(gòu)造在進(jìn)行確定的時(shí)候依靠的它的直徑，因?yàn)樗闹睆皆贒<(2.5-3)d，那么這個(gè)小車(chē)輪就用實(shí)心的；對(duì)于比較大的車(chē)輪來(lái)說(shuō)，因?yàn)橹睆降拇笮∈荄<300mm，所以大車(chē)輪用的就是腹板式。 本次設(shè)計(jì)的車(chē)輪為減輕其重量，其材料確定為鋁合金。 4、車(chē)輪直徑設(shè)計(jì) 機(jī)器人的輪子的大小在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要考慮到輪子的重量，因?yàn)槿绻?dāng)?shù)臋C(jī)器人的腿或者輪臂往外面伸的時(shí)候，車(chē)輪子相對(duì)這個(gè)就是最最末一端了，這樣的話，就不能夠去要求輪子太長(zhǎng)，因?yàn)檩喿永锩嬉惨幸欢ǖ目臻g來(lái)安裝零件。所以，輪子的大小，也要看輪子里面安裝的零件的大小。最后呢，輪子的直徑也和機(jī)器人行駛起來(lái)的速度還有驅(qū)動(dòng)力矩有很大的關(guān)系。因此，各種因素都應(yīng)考慮。 在這個(gè)式子里面，D代表的是車(chē)輪的直徑，Um代表的是輪子最高的速度(10Km/h)。代入后得 要考慮一下電機(jī)還有減速器，要是能夠?qū)C(jī)器人的輪子的速度控制在300-450rpm之間，所以，要選擇D=154mm。 3、輪寬的選擇 對(duì)輪寬的要求主要考慮車(chē)寬和地面阻力，從車(chē)寬和阻力方面來(lái)考慮，輪子寬度越短越好，但為了提高輪子對(duì)地面的適應(yīng)能力和為輪內(nèi)零件設(shè)計(jì)和選型方便，最后的設(shè)計(jì)目標(biāo)定為輪寬B=55mm。 3.5 車(chē)身的設(shè)計(jì)與計(jì)算 機(jī)器人的底盤(pán)是可以自由移動(dòng)的，所以機(jī)器人的底部就需要重新來(lái)設(shè)計(jì)了。他有以下幾點(diǎn)的要求，第一點(diǎn)就是箱體安裝了以后底盤(pán)的自由度不能夠降低。第二點(diǎn)就是箱體裝起來(lái)以后要有一定的抗震的功能，這樣的話，箱體里面這些機(jī)器設(shè)備能夠很好的被保護(hù)。 機(jī)器人在正常的移動(dòng)的過(guò)程中，要保證他移動(dòng)平穩(wěn)，而且要有相當(dāng)大的支撐的面積。所以輪子和輪子之間的距離要長(zhǎng)一點(diǎn)。從整車(chē)的協(xié)調(diào)與穩(wěn)定性來(lái)考慮，設(shè)計(jì)車(chē)架的尺寸為685mmX400mmX375mm。 第4章 主要零件的設(shè)計(jì) 4.1 零件設(shè)計(jì)的基本要求 機(jī)器人移動(dòng)是通過(guò)車(chē)輪來(lái)移動(dòng)的，這個(gè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)關(guān)系到好多部件的設(shè)計(jì)，要設(shè)計(jì)車(chē)身，減速器、車(chē)輪軸，車(chē)輪也要設(shè)計(jì)，最后還要用螺絲將整個(gè)裝配起來(lái)。 4.2 車(chē)身的設(shè)計(jì) 機(jī)器人的車(chē)身的支架主要是用來(lái)將電機(jī)和輸出裝置裝在里面的，所以這個(gè)材料一定要夠硬夠強(qiáng)，在制造這個(gè)機(jī)器人的時(shí)候，要根據(jù)它的形狀和它的制造方法，所以要選擇的材料是鋁合金，機(jī)器人的身體的結(jié)構(gòu)就像下面的圖4.1所展示的。 圖4.1車(chē)身的設(shè)計(jì) 因?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人其余部分為減輕重量都采用了鋁型材所以車(chē)身的強(qiáng)度是足夠的，不需要再進(jìn)行校核。 4.3 車(chē)輪的設(shè)計(jì) 機(jī)器人的車(chē)輪子里面不僅裝了電機(jī)，還有減速器，而且還裝了聯(lián)軸器，還有能夠固定還有支撐輪子的軸，下面是主要的零部件的設(shè)計(jì)： 1、車(chē)輪軸的設(shè)計(jì) 車(chē)輪軸主要是用于車(chē)輪和減速器的連接。其零件如圖4.5所示 圖4.5 車(chē)輪軸 機(jī)器人的輪子的軸是主要的承受力的零部件，所以要用45號(hào)鋼來(lái)生產(chǎn)，這樣強(qiáng)度才能達(dá)到要求。 2、車(chē)輪的設(shè)計(jì) 前面已經(jīng)對(duì)車(chē)輪進(jìn)行設(shè)計(jì)?？聪旅娴膱D4.2所展示的。 圖4.2 車(chē)輪 4.4 聯(lián)軸器的設(shè)計(jì) 聯(lián)軸器的作用是連接減速器和軸，其采用確定為Q235，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)下面的圖4.3。 圖4.3 聯(lián)軸器圖 - 22 - 結(jié)論 經(jīng)過(guò)這一次做畢業(yè)論文，我的專業(yè)知識(shí)和專業(yè)技術(shù)都有了很好的實(shí)踐，同時(shí)也將我學(xué)習(xí)的專業(yè)知識(shí)又溫習(xí)了一次。這一次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中，有大量的繪圖的工作，將我在電腦上機(jī)械畫(huà)圖的能力又有了一次很好的提升。 這篇論文設(shè)計(jì)的是四輪式的移動(dòng)機(jī)器人，對(duì)它的設(shè)計(jì)方案，還有構(gòu)造都有了一個(gè)基礎(chǔ)的認(rèn)知。在對(duì)機(jī)器進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，先對(duì)這個(gè)四輪式機(jī)器人的特征進(jìn)行了解，另外還要了解一下它的功能，還有它都在哪些地方使用，然后在調(diào)查一下這種機(jī)器人是由哪些部分來(lái)組成的。最后再來(lái)考慮一下這種機(jī)器人怎么分布，經(jīng)過(guò)我的多重的考慮以后，設(shè)計(jì)的這種四輪式的機(jī)器人是對(duì)稱結(jié)構(gòu)的四輪的結(jié)構(gòu)，然后，再對(duì)這款機(jī)器人的整體驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)如下： 在平穩(wěn)的地面上行走的時(shí)候，每個(gè)車(chē)輪里面都有獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)。在這個(gè)機(jī)器人的工作原理為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力源，電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器將動(dòng)力傳送至蝸輪蝸桿減速器，在蝸輪蝸桿減速器的輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器將動(dòng)力傳送至車(chē)輪軸，車(chē)輪軸通過(guò)鍵連接將動(dòng)力傳送至闖東關(guān)末端車(chē)輪，車(chē)輪實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)。機(jī)器人的前進(jìn)或者后退，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。 在這些都結(jié)束以后，還要來(lái)算一下每個(gè)部分的重量。因?yàn)橹挥兄懒酥亓亢痛笮∫院?，才能夠?qū)φw機(jī)器進(jìn)行力的分析，從而來(lái)確定機(jī)器的驅(qū)動(dòng)的功率還有轉(zhuǎn)矩等等。之后按照功率大小，轉(zhuǎn)矩大小，速度快慢，將電動(dòng)機(jī)的型號(hào)確定下來(lái)，減速器的型號(hào)確定下來(lái)等等。這些都完成了以后，主要就是對(duì)每個(gè)零部件的零件再進(jìn)行詳細(xì)的考量還有設(shè)計(jì)，出圖紙。 致謝 論文這么快就寫(xiě)好了，和老師還有同組同學(xué)的幫助分不開(kāi)。大學(xué)四年，很快就過(guò)去了，回看自己的大學(xué)時(shí)代，不僅自己要好好努力學(xué)習(xí)，在遇到迷茫還有對(duì)專業(yè)知識(shí)理解不透徹的時(shí)候，還是需要老師和同學(xué)的關(guān)心，支持的。 在這個(gè)完成論文的時(shí)候，老師給了我很多的幫助，有錯(cuò)誤的地方給我及時(shí)指出來(lái)，不僅不責(zé)怪我的錯(cuò)誤，反而對(duì)我耐心的指導(dǎo)，對(duì)于我完成畢業(yè)設(shè)計(jì)這段時(shí)間，給老師造成的麻煩，我深表歉意，同時(shí)我也要表示深深的感謝。對(duì)于和我同組的同學(xué)，在對(duì)相關(guān)問(wèn)題討論的過(guò)程中，不乏有意見(jiàn)不同的時(shí)候，不過(guò)出發(fā)點(diǎn)都是好的，都是為了將畢業(yè)論文寫(xiě)好，所以有任何不好的地方，也希望大家能夠相互理解。馬上要畢業(yè)了，大學(xué)四年的情誼還是讓人戀戀不舍的。在面對(duì)大學(xué)生活的結(jié)束，新生活的開(kāi)始，希望大家能有個(gè)美好的將來(lái)。再次感謝各位的幫助。謝謝。 參考文獻(xiàn) [1]（美）MENG KING，李幼涵.機(jī)器設(shè)計(jì)中伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的選型[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012. 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