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寧XX大學
畢業(yè)設計(論文)
小型智能移動機器人車體結構設計
所在學院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學 號
指導老師
年 月 日
摘 要
近代的工業(yè)機器人是由目標機械本體、控制器系統(tǒng)、傳感裝置系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和伺服動力器系統(tǒng)組成，是一種模仿人的操作、自動化控制、可多次編程、能在立體空間完成各式各樣作業(yè)的Mechatronics設備。工業(yè)機器人對于提高和確保產(chǎn)品質量，提升生產(chǎn)的效率，改善工人的工作條件和快速更新產(chǎn)品起著非常重要的作用。工業(yè)機器人技術結合了多們學科的知識。包含機構學、計算機、控制論、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等。它是當代十分活躍，應用非常廣泛的領域。
機器人具有很多人類所不具有的能力，包括快速分析環(huán)境能力；抗干擾能力強，能長時間工作和工作精度高?？梢哉f機器人是工業(yè)進步的產(chǎn)物，它也發(fā)揮了在當今工業(yè)的至關重要的作用。如今，機器人工業(yè)已成為世界各國備受關注的產(chǎn)業(yè)。
隨著機器人技術的快速發(fā)展，工業(yè)機器人的應用范圍正在不斷擴大，提出了新要求，為提高機器人教學教育的水平，我們研制出一套以實驗教學為目的的機器人演示系統(tǒng)。
本文闡述了機器人的發(fā)展歷史，國內(nèi)外的應用狀況，及其巨大的優(yōu)越性，提出了具體的機器人設計要求和進行了總體方案設計和各自由度的具體結構設計、計算；
在分析國內(nèi)外智能移動機器人研究現(xiàn)狀的基礎上，本文設計了一種新型移動機器人結構——將輪式驅動系統(tǒng)和步行式運動機構相結合，在兩個電機的驅動下，通過一些簡單的傳動機構，使機器人可以實現(xiàn)單方向的步態(tài)行走。同時配合車輪運動，使機器人不僅具有一般輪式機器人移動速度快、控制簡單的特點，還具有較好的越障能力。本文對這種新型移動機器人進行了越障功能的分析，并對步行機構做了運動學分析。為了設計各部件的結構，確定各車輪所需的驅動力矩，在簡化車輪與地面接觸關系的基礎上，建立了機器人的準靜態(tài)模型，進行了準靜態(tài)分析，從而獲得機器人在步態(tài)運動時各部件的受力狀況。
關鍵詞：移動機器人，步態(tài)行走，機器人；工業(yè)；傳動；強度
V
Abstract
Industrial robot is composed of goal of modern mechanical body, control system, sensor system, control system and servo actuator system, is a kind of to imitate human operation, automatic control, but many programming, to every kind of operation Mechatronics device in three-dimensional space. Industrial robot to enhance and ensure the quality of products, improve production efficiency, plays a very important role in improving the working conditions of workers and the rapid updating of product. Industrial robot technology combines multiple subject knowledge. Contains the mechanism, computer, control theory, information and sensor technology, artificial intelligence, bionics. It is very active, very broad application of the field.
The robot has a lot of people do not have, including rapid analysis of environmental capacity; strong anti-interference ability, can work for a long time and high precision work. The robot can be said is a product of industrial progress, it also plays a vital role in today's industry. Today, the robotics industry has become the world the concern of the industry.
With the rapid development of robot technology, is constantly expanding the scope of application of industrial robots, puts forward new requirements, in order to improve the robot teaching education level, we developed a set of experimental teaching for the purpose of demonstration of the robot system.
This paper expounds the developing history of robots, the application status at home and abroad, and its great superiority, proposed the design requirements of concrete and the concrete structure calculation design, overall design and various degrees of freedom;
Based on the analysis of domestic and international research status of the intelligent mobile robot, this paper designed a new type of mobile robot structure -- the wheel drive system and the movement mechanism of combining in walking, driving the two motors, through some simple transmission mechanism, so that the robot can realize single direction gait. At the same time with the movement of the wheels, the robot not only has the characteristics of mobile speed fast, simple control of wheeled robot obstacle crossing ability, also has the good. This paper analyzes the obstacle function of this new mobile robot, and the walking mechanism kinematic analysis. In order to each component design structure, determine the driving torque of each wheel is required, based on simplifying the wheel and the ground contact relationship, establish the quasi static model of the robot, quasi static analysis is carried out, so as to obtain the stress state of the robot components in the gait motion at.
Keywords: mobile robot, gait, the robot industry; transmission; strength
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 IV
第1章 緒論 1
1.1 機器人概念 1
1.2 課題研究的背景和意義 1
1.3 國內(nèi)機器人的研究 2
1.4國外研究現(xiàn)狀 4
1.5機器人的發(fā)展及技術 5
1.5.1 機器人的發(fā)展 5
1.5.2 機器人技術 5
1.6 本文主要研究內(nèi)容 6
第2章 小型智能移動機器人車體結構方案設計 7
2.1機器人工程概述 7
2.2 工業(yè)機器人車體機構方案論述 8
2.3 小型智能移動機器人車體結構機械傳動原理 8
第3章 后輪驅動裝置傳動裝置設計 11
3.1 后輪驅動機構上部的四連桿機構設計 11
3.2 后輪驅動機構四連桿機構設計 18
3.2.1確定設計變量 18
3.2.2建立目標函數(shù) 18
3.2.3確定約束條件 19
3.2.4寫出優(yōu)化數(shù)學模型 21
3.3 步行機構受力分析 21
3.4 軸的設計計算 24
3.4.1按扭轉強度計算 24
3.4.2按彎扭合成強度計算 25
3.4.3軸的剛度計算概念 26
3.4.4軸的設計步驟 26
3.5各軸的計算 26
3.5.1高速軸計算 26
3.5.2中間軸設計 29
3.5.3低速軸設計 32
3.6軸的設計與校核 35
3.6.1高速軸設計 35
3.6.2中間軸設計 35
3.6.3 低速軸設計 36
3.6.4高速軸的校核 36
3.7 軸承的設計及校核 37
3.7.1軸承種類的選擇 37
3.7.2深溝球軸承結構 37
3.7.3軸承計算 39
第4章 整體車體結構設計 41
4.1 小車行走結構設計 41
4.1.1車體結構方案的比較與選擇 41
4.1.2小車驅動電機功率的確定 42
4.2 蝸桿副的設計計算 45
4.2.1 蝸桿的選型 45
4.2.2 蝸桿副的材料 45
4.2.3 按齒面接觸疲勞強度進行設計 45
4.2.4 蝸桿和蝸輪的主要計算參數(shù)和幾何尺寸 48
4.2.5 校核蝸輪齒根彎曲疲勞強度 49
4.3 車輪部位電機選擇 50
4.4 本章小結 50
總結與展望 52
參 考 文 獻 53
致 謝 54
第1章 緒論
第1章 緒論
1.1 機器人概念
機器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它是高級整合控制論、機械電子、計算機、材料和仿生學的產(chǎn)物。在工業(yè)、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)甚至軍事等領域中均有重要用途。
機器人是近50年才迅速發(fā)展起來的一種有代表性的、機械和電子控制系統(tǒng)組成的、自動化程度高的生產(chǎn)工具。在生產(chǎn)制造業(yè)中，工業(yè)機器人技術得到廣泛的應用。它自動化程度高，對改善勞動條件，確保產(chǎn)品質量和提升工作效率，起到非常重要的作用?？梢哉f他是現(xiàn)代工業(yè)的一種技術革命。
機器人是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，仿人型機器人是機器人研究領域的熱點。研究仿人型機器人需要結合機械、電子、信息論、人工智能、生物學以及計算機等諸多學科知識，同時其自身的發(fā)展也促進了這些學科的發(fā)展。機器人是仿人型機器人的一種。
1959年，世界上誕生了第一臺工業(yè)機器人，開創(chuàng)了機器人發(fā)展的新紀元。隨著科學技術的發(fā)展，仿人型機器人的研究與應用迅猛發(fā)展。世界著名機器人專家、日本早稻田大學的加藤一郎教授說過：“機器人應當具有的最大特征之一是功能”。其中雙足是方式中自動化程度最高、最為復雜的動態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛迪生也曾說過這樣一句話：“上帝創(chuàng)造人類，兩條腿是最美妙的杰作”。系統(tǒng)具有非常豐富的動力學特性，對的環(huán)境要求很低，既能在平地上，也能在非結構性的復雜地面上，對環(huán)境有很好的適應性。功能的具備為擴大機器人的應用領域開辟了無限廣闊的前景。
研究機器人的原因和目的，主要有以下幾個方面：希望研制出機構，使它們能在許多結構和非結構環(huán)境中，以代替人進行作業(yè)或延伸和擴大人類的活動領域；希望更多得了解和掌握人類得特性，并利用這些特性為人類服務，例如：人造假肢。系統(tǒng)具有豐富的動力學特性，在這方面的研究可以拓寬力學及機器人的研究方向；機器人可以作為一種智能機器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用。
1.2 課題研究的背景和意義
由于現(xiàn)代科技的發(fā)展，無論是在工業(yè)生產(chǎn)中還是人類日常生活，機器人技術都得到廣泛的應用。研究智能類人機器人是近年科學家一致致力于的方向。類人機器人是以人類模型的，它能仿照人類各種動作和具有人類的外部特征。未來機器人管家將不是夢。
按機器人結構的不同，機器人又可以分很多種。輪式移動機器人、履帶機器人、機器手、步行機器人等等。值得一提的是步行機器人，他是近年來類人機器研究的重要成果。它的移動方式跟大多數(shù)動物一樣甚至可以跟人類一下。這是一種很復雜的自動化程度很高的運動。相對于傳統(tǒng)的輪式和履帶機器人，他對環(huán)境的適應性更強。能在很小的空間作業(yè)，在不平的道路上如履平地，上下樓梯等等。 將來不久，這項技術會得到非常廣泛應用。
在機器人研究、制作中，運用電腦對設計出來的機器人進行仿真是一項非常重要的過程。機器人仿真包含零件建模，零件裝配，最后進行運動仿真。通過仿真，設計員可以很直觀的觀察到各個機構的運動狀況，知道有沒有出現(xiàn)干涉；可以清楚知道各個部件的受力情況，得出各種模擬數(shù)據(jù)。這種方法大大節(jié)約了研制時間和成本。
1.3 國內(nèi)機器人的研究
工業(yè)機器人在日本應用的歷史非常悠久。在七十年代時工業(yè)機器人首先得到應用，然后經(jīng)過十年的發(fā)展，在八十年代的時候工業(yè)機器人已經(jīng)得到普及。相應的他們工業(yè)年產(chǎn)值也得到了快速提高。1980年達到一千億日元，到1990年提高到六千億日元。在2004年時已達到了一萬八千五百億日元?？梢姽I(yè)機器人在提高生產(chǎn)效益方面的重要性。
在國際方面，各個國家已經(jīng)意識到工業(yè)機器人的重要性。所以工業(yè)機器人的訂單急速上升。在2003年的訂單量相對于2002年增長了百分之10。此后工業(yè)機器人的需求量仍然不斷上升。從2001年到2006年全球訂單增長多達90000多臺。平均年增長為7%。
國際工業(yè)機器人的發(fā)展方向:
機器人涉及到非常多學科的知識和領域。包括：計算機、電子、控制、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)絡、控制、機械等等。機器人的發(fā)展離不開上述學科的發(fā)展。正是由于各個學科的相互影響和綜合集成，才能制造出自動化程度高的及其人。隨著科學技術的進步，機器人在應用得范圍越來越廣泛；技術也越來越得到調(diào)高，功能更加強大?，F(xiàn)在很對機器人的研究都往小型化發(fā)展。機器人將會更多的進入到人們的日常生活中去。總體的發(fā)展趨勢是模塊化、標準化、更加智能化。
工業(yè)機器人的廣泛應用，對提升產(chǎn)品的質量與產(chǎn)能、保障人員安全，改善勞動環(huán)境，降低勞動的強度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，起著一個十分重要的作用。工業(yè)機器人的廣泛應用體現(xiàn)以人為本的原則，它的出現(xiàn)讓人們的生活更加便利和美好。
國內(nèi)機器人的研制工作起步較晚，我國是從20世紀80年代開始機器人領域的研究和應用的。1986年，我國開展了“七五”機器人攻關計劃，1987年，我國的“863”高技術計劃將機器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國從事機器人研究與應用開發(fā)的單位主要是高校和有關科研院所等。最初我國進行機器人技術研究的主要目的是跟蹤國際先進的機器人技術，隨后取得了一定的成就。
哈爾濱工業(yè)大學自1986年開始研究機器人，先研制成功靜態(tài)雙足機器人HIT-I，高 110cm，重70kg，有10個自由度，實現(xiàn)平地上的前進、左右側行以及上下樓梯的運動，步幅45cm，步速為10秒/步，后來又相繼研制成功了HIT-II和HIT-III，重42kg，高 103cm，有12個自由度，實現(xiàn)了步長24cm，步速2.3步每秒的。目前正在研制的HI下IV機器人，全身可有52個自由度，其在運動速度和平衡性方面都優(yōu)于前三型機器人[3～7]。
國防科技大學在1988年春成功地研制了一臺平面型6自由度的雙足機器人KDW-1，它能前進、后退和上下樓梯，最大步幅為40cm，步速為4步每秒，1989年又研制出空間型 KDW-II，有10個自由度，高69cm，重13kg實現(xiàn)進退、上下臺階的靜態(tài)穩(wěn)定以及左右的準動態(tài)。1990年在KDW-II的平臺上增加兩個垂直關節(jié)，發(fā)展成KDW-III，有12個自由度，具備了轉彎功能，實現(xiàn)了實驗室環(huán)境的全方位。1995年實現(xiàn)動態(tài)，步速0.8步每秒，步長為20cm～22cm，最大斜坡角度達13度。2000年底在KDW-III的基礎上研制成功我國首臺仿人形機器人“先行者”，動態(tài)，可在小偏差、不確定的環(huán)境，周期達每秒兩步，高1.4m，重20kg，有頭、眼、脖、身軀、雙臂、雙足，且具備一定的語言功能[8～13]。
此外，清華大學正在研制仿人形機器人THBIP-I，高1.7m，重130kg，32個自由度，在清華大學985計劃的支持下，項目也在不斷取得進展。南京航空航天大學曾研制了一臺8自由度空間型機器人，實現(xiàn)靜態(tài)功能[13,14]。
本課題源于“第一屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽”中機器人。目前，機器人大多以輪子的形式實現(xiàn)功能階段。真正模仿人類用腿走路的機器人還不多，雖有一些六足、四足機器人涌現(xiàn)，但是機器人還是鳳毛麟角。我們這個課題，探索設計僅靠巧妙的機械裝置和簡單的控制系統(tǒng)就能實現(xiàn)模擬人類的機器人。其分功能有：交替邁腿、搖頭、擺大臂、擺小臂。
1.4國外研究現(xiàn)狀
最早系統(tǒng)地研究人類和動物運動原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨特攝像機，即一組電動式觸發(fā)照相機，并在1877年成功地拍攝了許多四足動物和奔跑的連續(xù)照片。后來這種采用攝像機的方法又被Demeny用來研究人類的運動。從本世紀30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動力學的角度也對人類和動物的機理進行深入的研究，并就運動作了非常形象化的描述。
真正全面、系統(tǒng)地開展機器人的研究是始于本世紀60年代．迄今，不僅形成了機器人一整套較為完善的理論體系，而且在一些國家，如日本、美國和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動態(tài)的機器人樣機。這一部分，我們主要介紹隊60年代到1985年這一時期，在機器人領域所取得的最重要進展。
在60年代和70年代，對機器人控制理論的研究產(chǎn)生了3種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這3種控制方法對各種類型的機器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來的 ，模型參考控制是由美國的Farnsworth在1975年提出來的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅·鮑賓研究所著名的機器人學專家Vukobratovic博士在1969年至1972年問提出來的。這3種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實質上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況[1]。
在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的Bessonov和Umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)”，Kugushev和Jaro-
shevskij定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應于而且也適應于多足機器人。其中，自由步態(tài)是相對于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么機器人在時，下一步腳應放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來考慮，而是應該象登山運動員那樣走一步看一步，通過某一優(yōu)化準則來確定，這就是所謂的自由步態(tài)。
在機器人的穩(wěn)定性研究方面，美國的Hemami等人曾提出將系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡化模型看作是一個倒立振子(倒擺)，從而可以將的前進運動解釋為使振子直立的問題。此外，從減小控制的復雜性考慮，Hemami等人還曾就機器人的“降階模型”問題進行了研究。
前面我們曾指出Vukobratovic也對類人型系統(tǒng)進行了能量分析，但他僅限于導出各關節(jié)及整個系統(tǒng)的功率隨時間的變化關系，并沒有過多地涉及能耗最優(yōu)這個問題．但在他的研究中，Vukobratovic得出了一個有用的結論，即姿態(tài)越平滑，類人型系統(tǒng)所消耗的功率就越少。
1.5機器人的發(fā)展及技術
1.5.1 機器人的發(fā)展
20世紀40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術的出現(xiàn)，關于機器人技術的研究開始出現(xiàn)。60年代美國的ConsolidatedContr01公司研制出第一臺機器人樣機，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機器人。20世紀70年代以來，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機器人技術逐漸發(fā)展為專門學哈爾濱工程大學碩十學位論文。1970年，第一次國際機器人會議在美國舉行。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結構、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機器人已進入了實用化階段。目前，盡管關于機器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認為機器人的發(fā)展按照從低級到高級經(jīng)歷了三代。第一代機器人，主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機器人，其只能依靠人們給定的程序，重復進行各種操作。目前的各類工業(yè)機器人大都屬于第一代機器人。第二代機器人是具有一定傳感器反饋功能的機器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，機器人按照己編好的程序做出一定推理，對動作進行反饋控制，表現(xiàn)出低級的智能。當前，對第二代機器人的研究著重于實際應用與普及推廣上。第三代機器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機器人。它具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨立行動。第三代機器人又稱為智能機器人，并己成為機器人學科的研究重點，但目前還處于實驗室探索階段。機器人技術己成為當前科技研究和應用的焦點與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設等方面發(fā)揮巨大作用?？梢灶A見到，機器人將在21世紀人類社會生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。
1.5.2 機器人技術
機器人學是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學科，該學科涉及領域廣泛，集中了機械工程、電氣與電子工程、計算機工程、自動控制工程、生物科學以及人工智能等多種學科的最新科研成果，代表了機電一體化的最新成就。機器人充分體現(xiàn)了人和機器的各自特長，它比傳統(tǒng)機器具有更大的靈活性和更廣泛的應用范圍。機器人的出現(xiàn)和應用是人類生產(chǎn)和社會進步的需要，是科學技術發(fā)展和生產(chǎn)工具進化的必然。目前，機器人及其自動化成套裝備己成為國內(nèi)外備受重視的高新技術應用領域，與此同時它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務、娛樂等各個領域滲透。目前，雖然機器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學科的發(fā)展和社會需要的發(fā)展，機器人技術出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢，如網(wǎng)絡機器人技術、虛擬機器人技術、協(xié)作機器人技術、微型機器人技術和機器人技術等。
1.6 本文主要研究內(nèi)容
第1章 緒論 主要介紹機器人的相關知識和本課題研究的任務和要求.
第2章 總體方案設計,介紹該機器人各部分的相關知識和總體設計.
第3章 機器人各部分設計的介紹
第4章 機器人結構設計
55
第2章 小型智能移動機器人車體結構方案設計
2.1機器人工程概述
從系統(tǒng)功能的觀點來看，將一部復雜的機器看成是一個系統(tǒng)，它由若干個子系統(tǒng)按一定規(guī)律有機地聯(lián)系在一起，是一個不可分的整體。如果將系統(tǒng)拆開、則將失去作為一個整體的特定功能。因此，在設計一部較復雜的機器時，從機器系統(tǒng)的概念出發(fā)，這個系統(tǒng)應具有如下特性：
（1） 整體性 由若干個不同性能的子系統(tǒng)構成的一個總的機械系統(tǒng)應具有作為一個整體的特定功能。
（2） 相關性 系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)之間有機聯(lián)系、有機作用，具有某種相互關聯(lián)的特性。
（3） 目的性 每個系統(tǒng)都應有明確的目的和功能，系統(tǒng)的結構、系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)的組合方式?jīng)Q定于系統(tǒng)的目的和功能。
（4） 環(huán)境適應性 任何一個系統(tǒng)都存在于一定的環(huán)境中，必須能適應外部環(huán)境的變化。
因此，在進行機器人設計時，不僅要重視組成機器人系統(tǒng)的各個部件、零件的設計，更應該按照系統(tǒng)工程學的觀點，根據(jù)機器人的功能要求，將組成機器人系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)部件、零件合理地組合，設計出性能優(yōu)良適于工作需要的機器人產(chǎn)品。在比較復雜的工業(yè)機器人系統(tǒng)中大致包括如下:操作機，它是完成機器人工作任務的主體，包括機座、手臂、手腕、末端執(zhí)行器和機構等。驅動系統(tǒng)，它包括作為動力源的驅動器，驅動單元，伺服驅動系統(tǒng)由各種傳動零、部件組成的傳動系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)，它主要包括具有運算、存儲功能的電子控制裝置（計算機或其他可編程編輯控制裝置），人——機接口裝置（鍵盤、示教盒等），各種傳感器的信息放大、傳輸和處理裝置，傳感器、離線編程、設備的輸入/輸出通訊接口，內(nèi)部和外部傳感器以及其他通用或專用的外圍設備［14］。
工業(yè)機器人的特點在于它在功能上的通用性和重新調(diào)整的柔性，因而工業(yè)機器人能有效地應用于柔性制造系統(tǒng)中來完成傳送零件或材料，進行裝配或其他操作。在柔性制造系統(tǒng)中，基本工藝設備（如數(shù)控機床、鍛壓、焊接、裝配等生產(chǎn)設備）、輔助生產(chǎn)設備、控制裝置和工業(yè)機器人等一起形成了各種不同形式地工業(yè)機器人技術綜合體地工業(yè)機器人系統(tǒng)。在其他非制造業(yè)地生產(chǎn)部門，如建筑、采礦、交通運輸?shù)壬a(chǎn)領域引用機器人系統(tǒng)亦是如此。
2.2 工業(yè)機器人車體機構方案論述
負載大小的確定主要是考慮沿機器人各運動方向作用于機械接口處的力和扭矩。其中應包括機器人末端執(zhí)行器的重量、抓取工件或作業(yè)對象的重量和規(guī)定速度和加速度條件下，產(chǎn)生的慣性力等。由本次設計給的設計參數(shù)可初估本次設計屬于小負載。
驅動方式
由于伺服電機具有控制性能好，控制靈活性強，可實現(xiàn)速度、位置的精確控制，對環(huán)境沒有影響，體積小，效率高，適用于運動控制要求嚴格的中、小型機器人等特點，故本次設計采用了伺服電機驅動
（三）傳動系統(tǒng)設計
機器人傳動裝置中應盡可能做到結構緊湊、重量輕、轉動慣量和體積小，在傳動鏈中要考慮采用消除間隙措施，以提高機器人的運動和位置控制精度。在機器人中常采用的機械傳動機構有齒輪傳動、蝸桿傳動、滾珠絲杠傳動、同步齒形帶傳動、鏈傳動、行星齒輪傳動、諧波齒輪傳動和鋼帶傳動等，由于齒輪傳動具有效率高，傳動比準確，結構緊湊、工作可靠、使用壽命長等優(yōu)點，且大學學習掌握的比較扎實，故本次設計選用齒輪傳動。
（四）工作范圍
工業(yè)機器人的工作范圍是根據(jù)工業(yè)機器人作業(yè)過程中操作范圍和運動軌跡來確定，用工作空間來表示的。工作空間的形狀和尺寸則影響機器人的機械結構坐標形式、自由度數(shù)和操作機各手臂關節(jié)軸線的長度和各關節(jié)軸轉角的大小及變動范圍的選擇
（五） 運動速度
機器人操作機手臂的各個動作的最大行程確定后，按照循環(huán)時間安排確定每個動作的時間，就能進一步確定各動作的運動速度，用m/s或（°）/s表示，各動作的時間分配要考慮多方面的因素，例如總的循環(huán)時間的長短，各動作之間順序是依序進行還是同時進行等。應試做各動作時間的分配方案表，進行比較，分配動作時間除考慮工藝動作的要求外，還應考慮慣性和行程的大小，驅動和控制方式、定位方式和精度等要求。
2.3 小型智能移動機器人車體結構機械傳動原理
三個車輪著地。由于始終有三個車輪著地，即使行走速度較慢，也可以保證整個車體的穩(wěn)定性。另外，當機器人處于六個車輪同時著地時，可以通過各車輪上的驅動電機和舵機驅動各車輪，實現(xiàn)機器人的前進、后退和轉向。
采用驅動電機和車輪一體化結構，即電動輪結構。在部分車輪與連桿機構的連接處裝有舵機，用于實現(xiàn)轉向。在車體上設有中央控制單元，實現(xiàn)電機的運行控制。這樣，六個車輪在結構上集驅動、減速、傳動和位置監(jiān)測于一身，減少了傳動環(huán)節(jié)和車體重量，提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。
控制模式考慮采用自主導航和遠距離控制相結合的模式。車上設有傳感和視覺系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，機器人本身具有一定自主導航能力，可以實現(xiàn)自動避障。同時視覺系統(tǒng)可以把視覺內(nèi)容通過無線設備傳遞給遙控系統(tǒng)，實現(xiàn)遙控功能。
機器人自帶蓄電池等能源設備，可以在一定時間段內(nèi)實現(xiàn)能源的自動供給，保證機器人在失去外部電源的情況下能自動返回出發(fā)地。驅動元件在機器人中的作用相當于人體的肌肉。為了完成預定的動作，機器人必須具備前進驅動裝置和轉向驅動裝置，這是結構設計中的一個關鍵。在所有的驅動元件中，電機是最常用的機器人驅動器。當前許多仿生機器人也有用液壓元件、氣動元件以及一些特殊材料來作驅動器。本文主要采用電機作為該新型智能移動機器人的驅動元件。對電機實現(xiàn)準確的控制，才能使機器人實現(xiàn)精確運動。
目前，電機驅動裝置主要有以下兩種布置方式： ’
(1)集中驅動方式。即把驅動電機布置在車體上，在通過傳動裝置，將動力輸出到每個車輪上，使車輪運動。電動汽車便是典型的集中驅動方式。對于智能移動機器人，集中驅動方式并不合適，主要是由于其難以實現(xiàn)自由轉向，對車體進行精確定位。
(2)集中控制——分布驅動方式。即在每個驅動車輪上都設置電機，驅動車輪運動或轉向。電機由安裝在車體上的中央控制元件控制其轉動速度。這種結構簡單，而且便于實現(xiàn)，有利于運動機構性能的發(fā)揮引。目前各國的空間探測車均采用這種驅動方式。
本方案采用集中控制——分散驅動方式。車輪和前進驅動電機做成一體式結構，即為電動輪。在車輪和支架連接處，裝設轉向電機，驅動車輪轉向。車輪的直徑對機器人的速度和越障能力都有很大的影響。使用同樣的電機，車輪直徑增加，機器人的速度會同時增加，二者之間是一種線性關系。另外，按照車輛理論的分析，車輪的直徑增大可以明顯提高機器人的越障能力。但是，車輪直徑變大的同時，車輪表面所受的電機轉矩卻會下降。根據(jù)車輛地面力學理論，剛性車輪的寬度越寬，車輪的土壤沉陷量越小，土壤的壓實阻力也就越。不過，車輪變寬后，機器人的轉向阻力也會變大。另外，增加車輪的直徑比增加車輪寬度對減小壓實阻力更為有效。因此，必須根據(jù)實際情況設定車輪直徑和寬度，不能盲目加大車輪直徑和寬度。
本智能機器人的步行機構為多連桿機構，擬采用一個電機驅動一個端點做圓周運動，通過連桿傳動，實現(xiàn)落足點周期性的往復運動，從而實現(xiàn)機器人的前進、后退以及一定范圍內(nèi)的越障。步行機構如圖3．1所示。為了簡化示意圖，現(xiàn)將連桿用直線表示，鉸接點用圓圈表示。連桿機構簡圖如圖3．2所示。
現(xiàn)取各桿件的長度為L1=L8=224mm、L2=L5=L9=L4=200mm、L3=L7=100mm、L6=L10=330mm、L11=100mm、固定點A、B間的距離為240mm。
第3章 后輪驅動裝置傳動裝置設計
3.1 后輪驅動機構上部的四連桿機構設計
連桿機構是最常用的機構，因此連桿機構優(yōu)化設計在機構設計中十分重要，研究工作開展得也最為廣泛。有大量的文獻介紹有關平面四桿機構、平面五桿機構、柔性連桿機構、曲柄連桿機構、槽輪連桿機構、凸輪連桿組合機構和齒輪連桿等機構的優(yōu)化。鑒于四連桿機構的典型性，本節(jié)結合四連桿機構的函數(shù)再現(xiàn)優(yōu)化設計問題，闡述連桿機構優(yōu)化問題的一般方法及流程。
四連桿機構的優(yōu)化設計就是對四連桿機構的參量進行優(yōu)化調(diào)整，使得機構給定的運動和機構所實現(xiàn)的運動之間誤差最小。因此四連桿機構的優(yōu)化設計的過程，就是尋找使得四連桿機構運動誤差最小的一組機構設計參量。四連桿機構設計參量確定后，就可認為實現(xiàn)了機構的優(yōu)化設計。
四連桿機構的優(yōu)化設計包括四連桿機構優(yōu)化模型建立和優(yōu)化模型求解二個主要過程。通過對四連桿機構的分析確定優(yōu)化方案，確定設計變量，給出目標函數(shù)，并將機構設計制約條件，如桿長條件、傳動角條件等，寫成相應的約束條件，即可建立機構優(yōu)化設計模型。
下面介紹四連桿機構函數(shù)再現(xiàn)優(yōu)化設計模型的建立。連桿機構函數(shù)再現(xiàn)設計主要通過選取輸人構件和輸出構件相對應若干位置、采用機構圖解法或分析法確定機構各參數(shù)。圖1是典型的平面鉸鏈四桿機構，、、和分別表示于四個構件的長度，桿AB是輸入構件。假設圖1所示的平面鉸鏈四桿機構再現(xiàn)給定函數(shù)為，即，則機構位置取決于、、、鉸鏈A的位置、AD與機架x軸夾角以及輸人構件轉角等七個變量。
為簡化問題，可令A的位置為，，構件的長度為1(參考構件)，由此可將問題維數(shù)降為四維，并不影響構件輸入、輸出的函數(shù)關系。由此可以得到輸出構件轉角外與輸入構件轉角之間的函數(shù)關系式：
（1）
機構優(yōu)化設計目標就是使得輸出構件轉角與給定值在，所有位置上的誤差最小。因此機構優(yōu)化設計的目標函數(shù)可用下式表示
（2）
當輸入構件轉角為時，輸出構件轉角外可由下式求得，
（3）
式中：
所以
（4）
將上式代入式（3），并令代表設計變量、、及，機構優(yōu)化設計目標函數(shù)可寫為：
（5）
????機構優(yōu)化設計的約束條件應根據(jù)機構設計的實際情況確定。例如曲柄搖桿式四連桿機構必須滿足如下關系式：
或
（6）
????如果機構要求傳動靈活可靠，則傳動角應滿足：
或
其中
從上式可知，傳動角隨的變化而變化，當為最大值時，為最小，為最小值時，為最大。要滿足上式條件，約束方程應為：
曲柄搖桿機構有，因此，約束方程為
（7）
????當所選定的設計變量為構件長度時，則構件長度必須是正數(shù)，即約束方程為
式中是為了使構件長度不小于而設的。
????此外，由于具體結構尺寸的限制，往往對某些構件的長度限定在某一范圍內(nèi)選取，例如連桿BC的長度最短為的倍，最長為的倍，即
則約束方程為
（8）
????下面介紹再現(xiàn)函數(shù)為的曲柄搖桿機構的優(yōu)化設計。
????先變換給定函數(shù)為，并設輸人構件初始角為，輸出構件初始角為，選取輸入構件的轉角為,輸出構件的轉角為。當輸入構件從轉到時，輸出構件從轉到，輸入構件從轉到時，輸出構件則從回到。顯然有及，即及。代入函數(shù)式得：
設將輸入構件的轉角均分成20等分，則，取權因子，再令代表設計變量、、及，則由式（5）得曲柄連桿機構優(yōu)化目標函數(shù)為
????曲柄搖桿機構優(yōu)化設計約束條件如下：
????由式（6）得：
要求傳動角滿足，由式（7）得：
根據(jù)機構結構尺寸，要求各構件長度相對機架的尺寸在給定的范圍內(nèi)，由式(8)得
因此曲柄搖桿機構優(yōu)化設計模型如下：
Min.
s.t.
????采用內(nèi)點懲罰函數(shù)法和POWELL法求解曲柄搖桿機構優(yōu)化設計模型。選擇初始懲罰參數(shù)，遞減函數(shù)e = 0.01，初始點，取懲罰函數(shù)法收斂精度，POWELL法目標函數(shù)值收斂精度，一維搜索精度。
3.2 后輪驅動機構四連桿機構設計
3.2.1確定設計變量
根據(jù)設計要求，由機械原理知識可知，設計變量有L1、L2、L3、L4、。將曲柄的長度取為一個單位長度1，其余三桿長可表示為L1的倍數(shù)。由圖1所示的幾何關系可知
為桿長的函數(shù)。另外，根據(jù)機構在機器中的許可空間，可以適當預選機架L4的長度，取L4=5，經(jīng)以上分析，只剩下L2、L3兩個獨立變量，所以，該優(yōu)化問題的設計變量為
因此。本優(yōu)化設計為一個二維優(yōu)化問題。
3.2.2建立目標函數(shù)
按軌跡的優(yōu)化設計，可以將連桿上M點與預期軌跡點坐標偏差最小為尋優(yōu)目標，其偏差為和，如圖2。為此，把搖桿運動區(qū)間2到5分成S等分，M點坐標有相應分點與之對應。將各分點標號記作，根據(jù)均方根差可建立其目標函數(shù)，即
，S為運動區(qū)間的分段數(shù)
于是由以上表達式便構成了一個目標函數(shù)的數(shù)學表達式，對應于每一個機構設計方案（即給定），即可計算出均方根差。
圖 2
3.2.3確定約束條件
根據(jù)設計條件，該機構的約束條件有兩個方面：一是傳遞運動過程中的最小傳動角應大于50度；二是保證四桿機構滿足曲柄存在的條件。以此為基礎建立優(yōu)化線束條件。
①保證傳動角
圖 3
按傳動條件，根據(jù)圖3可能發(fā)生傳動角最小值的位置圖，由余弦定理
（見圖3（a））
所以
（a）
（見圖3（b））
所以
（b）
式（a）、（b）為兩個約束條件，將，，，代入式（a）、（b），得
②曲柄存在的條件
按曲柄存在條件，由機械原理知識可知
，，
，
把它們寫成不等式約束條件（將，，，代入上式），得
經(jīng)過分析，上述七個約束條件式中，和為緊約束條件，為松約束條件，即滿足和的，必滿足不等式，所以本優(yōu)化問題實際起作用的只有和兩個不等式約束條件。
3.2.4寫出優(yōu)化數(shù)學模型
綜上所述，可得本優(yōu)化問題的數(shù)學模型為
即本優(yōu)化問題具有兩個不等式約束的二維約束優(yōu)化問題。
3.3 步行機構受力分析
該步行機構的受力情況如圖3．12所示。由于該機構中所有連桿均為二力桿，
即只受軸向力作用。設圖中所有連桿所受的拉力為正，壓力為負。Ⅳ為地面對
車輪的支撐力，月川為11個連桿的內(nèi)力，矽】、汐2分別為連桿9和連桿5與水
平線的夾角， y1、r2分別為連桿10和連桿6與水平線的夾角，妒為曲軸11
與水平線的夾角。由力的平衡條件可得方程組：
將以上5個方程組聯(lián)立方程組3．1和3-6，可以解得當?shù)孛鎸囕喌闹瘟棰簦S11與水平線的夾角為≯時，該支腿步行機構中各連桿的內(nèi)力大小。假設地面對車輪的支撐力不變，當曲軸11轉動時，各連桿的內(nèi)力也會隨之變化。利用MATLAB軟件來解這個大型～次方程組，并且進行曲軸旋轉一周的仿真。即可得到曲軸轉動一周，該支腿機構各連桿的內(nèi)力變化曲線。根據(jù)各連桿受力的情況便可以合理設計各連桿的截面積大小，從而對該機構進行優(yōu)化。
齒輪傳動計算
齒輪模數(shù)取2，齒輪為50. 傳動比1：1
解：1. 選擇齒輪精度等級、材料、齒數(shù)
1）屬于一般機械，且轉速不高，故選擇8級精度。
2）因載荷平穩(wěn)，傳遞功率較小，可采用軟齒面齒輪。參考表11-1，小齒輪選用45鋼調(diào)質處理，齒面硬度217~255HBS，σHLim1=595MPa，σFE1=460MPa；大齒輪選用45鋼正火處理，齒面硬度162~217HBS，σHLim2=390MPa，σFE2=320MPa。
3）選小齒輪齒數(shù)z1=50，則z2=iz1=50，取z2=50。故實際傳動比i=z2/z1=1，與要求的傳動比0%。齒數(shù)比u=i=1。
對于齒面硬度小于350 HBS的閉式軟齒面齒輪傳動，應按齒面接觸強度設計，再按齒根彎曲強度校核。
2. 按齒面接觸強度設計
設計公式11-3
1）查表11-3，原動機為電動機，工作機械是輸送機，且工作平穩(wěn)，取載荷系數(shù)K=1.2。
2）小齒輪傳遞的轉矩
3）查表11-6，齒輪為軟齒面，對稱布置，取齒寬系數(shù)φd=1。
4）查表11-4，兩齒輪材料都是鍛鋼，故取彈性系數(shù)ZE=189.8 MPa1/2。
5）兩齒輪為標準齒輪，且正確安裝，故節(jié)點區(qū)域系數(shù)ZH=2.5。
6）計算許用接觸應力
①應力循環(huán)次數(shù)
小齒輪N1=60n1jLh=60×350×1×(2×8×300×10)=10.08×108
大齒輪N2= N1/i=10.08×108/3.58=2.82×108
②據(jù)齒輪材料、熱處理以及N1、N2，查接觸疲勞壽命系數(shù)圖表，不允許出現(xiàn)點蝕，得接觸疲勞壽命系數(shù)ZN1=1，ZN2=1。
③查表11-5，取安全系數(shù)SH=1.1。
④計算許用接觸應力
取小值[σH2]代入計算。
7）計算
3. 驗算輪齒彎曲強度
按公式11-5校核
1）由z1=24，z2=86查圖11-8，得齒型系數(shù)YFa1=2.77，YFa2=2.23。
2）由z1=24，z2=86查圖11-9，得應力集中系數(shù)YSa1=1.58，YSa2=1.77
3）計算許用彎曲應力
①據(jù)齒輪材料、熱處理以及N1、N2，查彎曲疲勞壽命系數(shù)圖表，得彎曲疲勞壽命系數(shù)YN1=1，YN2=1。
②查表11-5，取安全系數(shù)SF=1.25。
③計算許用彎曲應力
4）校核計算
彎曲強度足夠。
4. 驗算齒輪的圓周速度
對照表11-2可知，選用9級精度較為合宜。
3.4 軸的設計計算
3.4.1按扭轉強度計算
這種方法是只按軸所受的扭矩來計算軸的強度。如果還受不大的彎矩時，則采用降低許用扭轉切應力的辦法予以考慮。并且應根據(jù)軸的具體受載及應力情況，采取相應的計算方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力。
在進行軸的結構設計時，通常用這種方法初步估算軸徑。對于不大重要的軸，也可作為最后計算結果。軸的扭轉強度條件為：
強度條件： Mpa
設計公式： （mm）
軸上有鍵槽： 放大：3~5%一個鍵槽；7~10%二個鍵槽。并且取標準植
式中：[τ]——許用扭轉剪應力（N/mm2），
C為由軸的材料和承載情況確定的常數(shù)。
3.4.2按彎扭合成強度計算
通過軸的結構設計，軸的主要結構尺寸、軸上零件的位置以及外載荷和支反力的作用位置均已確定，軸上的載荷（彎矩和扭矩）已可以求得，因而可按彎扭合成強度條件對軸進行強度校核計算。
對于鋼制的軸，按第三強度理論，強度條件為：
設計公式：（mm）
式中、：бe為當量應力，Mpa。 d為軸的直徑，mm; 為當量彎矩；M為危險截面的合成彎矩；； MH為水平面上的彎矩；MV為垂直面上的彎矩；W為軸危險截面抗彎截面系數(shù)；——為將扭矩折算為等效彎矩的折算系數(shù)
∵彎矩引起的彎曲應力為對稱循環(huán)的變應力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉剪應力往往為非對稱循環(huán)變應力
∴與扭矩變化情況有關
——扭矩對稱循環(huán)變化
= ——扭矩脈動循環(huán)變化
——不變的扭矩
，，分別為對稱循環(huán)、脈動循環(huán)及靜應力狀態(tài)下的許用彎曲應力。
對于重要的軸，還要考慮影響疲勞強度的一些因素而作精確驗算。內(nèi)容參看有關書籍。
3.4.3軸的剛度計算概念
軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至會喪失機器應有的工作性能。軸的彎曲剛度是以撓度y或偏轉角θ以及扭轉角ф來度量，其校核公式為：
y≤[y]; θ≤[θ]; ф≤[ф]。
式中：[y]、 [θ]、 [ф]分別為軸的許用撓度、許用轉角和許用扭轉角。
3.4.4軸的設計步驟
設計軸的一般步驟為：
（1）選擇軸的材料 根據(jù)軸的工作要求，加工工藝性、經(jīng)濟性，選擇合適的材料和熱處理工藝。
（2）初步確定軸的直徑 按扭轉強度計算公式，計算出軸的最細部分的直徑。
（3）軸的結構設計 要求：①軸和軸上零件要有準確、牢固的工作位置；②軸上零件裝拆、調(diào)整方便；③軸應具有良好的制造工藝性等。④盡量避免應力集中；根據(jù)軸上零件的結構特點，首先要預定出主要零件的裝配方向、順序和相互關系，它是軸進行結構設計的基礎，擬定裝配方案，應先考慮幾個方案，進行分析比較后再選優(yōu)。
原則：1）軸的結構越簡單越合理；2）裝配越簡單越合理。
3.5各軸的計算
3.5.1高速軸計算
（1）查得C=118（低速軸彎矩較大），由公式
取高速軸的直徑d=45mm。
（2）求作用在齒輪上的力
齒輪分度圓直徑為
齒輪所受的轉矩為
齒輪作用力 圓周力
徑向力
軸向力
（3）畫軸的計算簡圖并計算支反力(圖 a)
水平支反力 垂直支反力
（4）畫彎矩圖
a水平面內(nèi)彎矩圖M(b圖)
截面c
b垂直面內(nèi)彎矩圖MC（c圖）
截面c
C合成彎矩（d圖）
d 畫扭矩圖（e圖）
又根據(jù)
查得
則
e 繪當量彎矩圖（f圖）
3.5.2中間軸設計
（1）查得C=118（低速軸彎矩較大），由公式
取高速軸的直徑d=60mm。
（2）求作用在齒輪上的力
齒輪分度圓直徑為
齒輪所受的轉矩為
齒輪作用力 圓周力
徑向力
軸向力
（3）畫軸的計算簡圖并計算支反力(圖 a)
水平支反力
垂直支反力
（4）畫彎矩圖
a水平面內(nèi)彎矩圖M(b圖)
截面c
截面D
b垂直面內(nèi)彎矩圖MC（c圖）
截面c
截面D
C合成彎矩（d圖）
D合成彎矩
d 畫扭矩圖（e圖）
又根據(jù)
查得
則
e 繪當量彎矩圖（f圖）
3.5.3低速軸設計
（1）查得C=118，由公式
取高速軸的直徑d=75mm。
（2）求作用在齒輪上的力
齒輪分度圓直徑為
齒輪所受的轉矩為
齒輪作用力 圓周力
徑向力
軸向力
（3）畫軸的計算簡圖并計算支反力(圖 a)
水平支反力
垂直支反力
（4）畫彎矩圖
a水平面內(nèi)彎矩圖M(b圖)
截面c
b垂直面內(nèi)彎矩圖MC（c圖）
截面c
C合成彎矩（d圖）
d 畫扭矩圖（e圖）
又根據(jù)
查得
則
e 繪當量彎矩圖（f圖）
3.6軸的設計與校核
3.6.1高速軸設計
初定最小直徑，選用材料45δ鋼，調(diào)質處理。取A0=112（不同）
則Rmin=A0=16.56mm
最小軸徑處有鍵槽
Rmin’ = 1.07dmin = 17.72mm
最小直徑為安裝聯(lián)軸器外半徑，取KA=1.7，同上所述已選用TL4彈性套柱聯(lián)軸器，軸孔半徑R=20mm。
取高速軸的最小軸徑為R=20mm。
由于軸承同時受徑向和軸向載荷，故選用6300滾子軸承按國標T297-94 D*d*T=17.25
軸承處軸徑d =36mm
高速軸簡圖如下：
取L1=38+46=84mm,取擋圈直徑D=43mm,取d2=d4=54mm,d3=67mm,d1=d5=67mm。
聯(lián)軸器用鍵：圓頭普通平鍵。
B*h=6*6,長L=91 mm
齒輪用鍵：同上。B*h=6*6, 長L=10mm,倒角為2*45度
3.6.2中間軸設計
中間軸簡圖如下：
初定最小直徑dmin=20mm
選用6303軸承，
d*D*T=25*62*18.25
d1=d6=25mm,取 L1==26mm,
L2=19，L4=120mm,d2=d4=35mm,L3=12mm
D3=50mm,d5=30mm,L5=1.2*d5=69mm，L6=55mm
齒輪用鍵：圓頭普通鍵：b*h=12*8,長L=61mm
3.6.3 低速軸設計
初定最小直徑：
dmin=25mm
取小軸徑處有鍵槽
dm