二自由度蛇形机器人单元设计_毕业论文(编辑修改稿)

二自由度蛇形机器人单元设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

对转速不能过快，结合国内外以研发的蛇形机器人实例经验，将本设计的单元体之间的相对转速确定为 10 度 /秒。 电机的选择 沈阳航空学院学士学位论文 16 电机将选择 FutabaSS3305。 特点 :高扭矩、金属伺服装置 、体积小。 广泛用于小形机器人领域。 （图 FutabaSS3305 的尺寸参数） （图 FutabaSS3305 的参数） 由于 FutabaSS3305 电机的旋转角度为 90 90，故必须对电机进行改造，使其能够无限旋转。 改造方法：将电机打开，取出电机中的机械限位即可。 传动比的确定 沈阳航空学院学士学位论文 17 对于蛇形机器人而言，它的输出是由模块提供的，然而它的负载也正是其模块本身。 模块（见图 21）是蛇形机器人的最小结构单元，每一模块由两FutabaSS3305 电机驱动驱动一个回转自由度。 该模块具有结构简单，运动灵活，易于控制等特点。 根据确定的机构初步估算单元体 主要需要由以下部分组成：电机底架、支撑板、齿轮、伞齿轮、轴、蛇身、摩擦轮等，大部分材料为铝合金。 估算单元体的重量约为 400g，单元体的长度 100mm。 蛇形机器人能够抬 起越多的单元，就证明其具有越强的三维运动能力。 本设计方案中要求蛇形机器人能够抬起的最多单元体为 3。 由于机器人以较低的速度运动，忽略惯量和动学效果。 为分析方便将每个单元的重心近似取在其中间位置，那么蛇形机器人抬起时关节力矩的计算如下： M F L () 其中 4 0 0 4 9 .8 /F g N k g   100 4 2L m m   M 既为力矩也是电机轴的扭 矩 = ： 9550nP  （ ） 以得出电机的实际转速为 度 /秒 ,由于设计方案确定单元体的目标转速为： 10 度 /秒，故传动比初步定为 2： 1。 具体传动件参数的确定 由于 设计内容的特殊性，既要求蛇形机器人的结构能够尽可能的紧凑，单元体能够尽可能的轻。 这就要求组成单元体的各零件在满足强度要求的前提下材料选择越轻越好 ，体积越小越好。 传动中正齿轮本设计选择 SSY 正齿轮系列，此系列齿轮的规格如表 沈阳航空学院学士学位论文 18 表 SSY 系列正齿轮规格： 从电机轴到大轴要实现的传动比为 2： 1，而这过程要经过 3 个正齿轮来实现。 为简便起见，使前两组齿轮的齿数相同，这样以来只要使第一组齿轮（与电机相连的）与第三组齿轮的齿数之比为 2： 1 即可。 正齿轮的具体参数 综合考虑需要承受的扭矩等因素，三组正齿轮的具体参数如下表 表 三组正齿轮的具体参数： 沈阳航空学院学士学位论文 19 但由于装配关系都需要再加工，具体的参数参见零件图纸。 （图 具体 传动方案实体示意图） 伞齿轮的具体参数 如图 所示，由于特殊的传动方案及装配关系的要求，三个伞齿轮必须是完等径伞形齿轮。 为简便起见，本设计将选择完全相同的三个等径伞形齿轮，其具体规格以及具体参数如下表 和表。 表 伞齿轮规格 : 沈阳航空学院学士学位论文 20 表 伞齿轮的具体参数： 轴的设计及校核 在蛇形机器人的 所有传动件中，与其他各零件之间起中心作用的是与其他零件装配关系（见图 ）最多的大轴（见图 ）。 其中很多主要的装配关系都要靠大轴来调整实现，例如：三个伞齿轮的组装距离的实现； 大轴上的正齿轮与伞齿轮的距离等。 沈阳航空学院学士学位论文 21 但由于轴的尺寸设计具体涉及到很多内容以及很多零件之间的配合关系，轴的具体尺寸请详见本设计的零件图。 本说明书将主要对大轴进行强度 校核。 （图 大轴与其它零件的装配关系） 表 大轴的主要参数：（单位： mm） 由于在本设计方案中大轴为固定心轴，所以只校核计算轴的刚度即可 公式 {暂时无 } 经校核满足强度要求。 沈阳航空学院学士学位论文 22 主要装配关系说明 由于 本方案是蛇形机器人的单元设计（并非传统设计）所以在有很多地方需要补充说明一下： 电机与齿轮 1 的 配合部分（如图 ） （图 齿轮 1 视图和电机局部 电机轴视图） 在装配图中可以看到电机与与它相连的齿轮 1 之间的配合关系：二者之间只是通过电机轴上的花键与齿轮的花键槽限制了齿轮在电机轴上的径向自由度，而轴向的自由度似乎没有限制，但事实上齿轮沿电机轴向的自由度是通过强力胶将二者固定的。 值得注意的是：在使用强力胶的 时候一定不要将电机轴与机身粘一起 ，更不要使齿轮与电机机身粘到一起，影响电机的正常转动，甚至烧坏电机。 第二组齿轮与其轴的安装方法（如图 ） 在一般传统的设计中轴承的定位是通过轴 肩、套桶和轴承盖等手段实现定位的。 考虑到蛇形机器人单元体中第二组齿轮的实际所受力中没有沿其轴的径向力，所以可以忽略强度的设计，而且由于第二组齿轮是中间的齿轮所以受的径向力也不大。 只要可以限位即可。 具体的定位方案如图 所示：轴承与轴之间通过公差实现过度配合并与轴肩一同实现轴承的定位。 而齿轮与轴承之间的定位则如图 所示通过阶梯和固定环实现定位。 沈阳航空学院学士学位论文 23 虽然用这种定位在强度方面会有些降低，但比起其它方法却可以减轻单元体的整体重量。 而如何尽可能的减轻机器人整体重量仍是机器人领域的重点研究项目。 这点对机器人而减轻整体的重量后，对单元体的强度要求也可以相对降低。 衡量利弊，采用如图 设计。 （图 第二组齿轮与其轴的安装方法） 摩擦轮的设计（如图 ） （图 摩擦轮示意图） 如图所示摩擦轮的形状设计及其装配位置，就单独单元装配而言，只依靠摩擦轮与地面的微少部分 理论上是点的接触是不可能保证单元体的其他部分不与地面接触， 甚至单元体有可能翻滚。 但是，由于单元体只是蛇形机器人整体的一部分。 由于蛇形机器人的整体运动是由很多这样的单元体组成的，而蛇形机器人的整体则是由很多点与地面接触沈阳航空学院学士学位论文 24 的，而由于蛇的运动曲线的特殊性（如图 ），这些接触点几乎不可能在同一的直线上的，而是相互组成多边形（如图 ），这样以来整个蛇形机器人就会很稳定。 （图 蛇的运动曲线） （图 单元体接触点之间组成的多边形示意图） 单元体整体 描述 考虑到连杆系统建模困难 ， 柔索系统存在刚性问题 ， 而齿轮机构具有结构紧密 ， 活动空间大 ， 建模 容易的特点 ， 我们选择齿轮机构作为耦合驱动机构。 在此基础上 ， 我们设计了耦合驱动的模块化万向单元 ， 此单元具有圆柱形铝合金外壳 ， 具有 两 个自由度见图 分别是回转 ， 由位于中间位置的直流伺服电机直接驱动 ，俯仰和摆动。 由左右两个直流伺服电机通过差动轮系耦合驱动。 图 其中差动轮系由三个伞齿轮组成 ， 通过与左右两个电机相连的两对伞齿轮驱动 ， 可以得出沈阳航空学院学士学位论文 25 �当两个电机同向同速转动时 ， 共同驱动单元做摆动运动 ； 当同速反向转动时 ， 共同驱动单元做俯仰运动 ； 当两个电机以不同速度转动时 ， 实现的是既有摆动又有俯仰的复合运动。 （ 图 212 蛇形机器人的单元整体图） 表 单元体的参数 沈阳航空学院学士学位论文 26 第 3 章 运动学分析 蛇形机器人运动曲线 自然界中蛇的运动形式可大致分为四种：①蜿蜒运动：是最常见也是运动效率最高的运动形式。 蜿蜒运动时，蛇依靠与地面的切向摩擦力和法向摩擦力的差推动自身运动，需要身体的肌肉产生较大力矩和保持收缩与伸展的连续性。 ②直线运动：类似于蚯蚓的收缩运动方式，是蛇在捕食过程中采用的运动方式。 ③收缩运动：是蛇在比较光滑平面或狭小空间下采用的一种运动方式。 ④侧向运动：更确切的说应该叫做斜侧运动，是沙漠中响尾蛇的一种 运动方式，在向前运动的同时产生侧向运动。 就蜿蜒运动而言，日本的 HIROSE 教授最早提出了蛇形曲线(如图 所示 )，该曲线是在对生物蛇进行大量的运动观测后提出的。 通过在蛇形机器人上的试验，证明采用蛇形曲线的机器人运动效率高、波形连续。 马书根教授从肌肉的力学分析角度证明了此种曲线，并从动力学角度分析了采用蛇形曲线的蛇形机器人的运动。 蜿蜒运动的分析 （图 蛇形曲线） 蛇形曲线 (如图 所示 )的曲率方程为： sin( )b bs （ 31） 沈阳航空学院学士学位论文 27 式中  —— 幅值角 (rad)； b —— 比例常数 (rad/m)； s —— 蛇形曲线长度 (m) 公式 (31)对 s 积分得沿曲线角度的表达式 ( ) co s( )s b s （ 32） 根据（ 320 公式，蛇形机器人关节相对转角 为 ( ) ( ) 2 s i n ( ) s i n ( )s l s l b l b s         (33) 式中 2l —— 蛇形机器人的单元长度 将上式改写成各个关节角关于时间的函数得   ( ) s int A t i l     (34) 式中 A = −2α sin(bl) ； ω t = bs ； β = 2bl ； i = 1,L, n 表示第 i 个关节； t—— 时间； n—— 为机器人运动关节的数量 为获得更多有利的环境信息和保证自己的前进方向，在运动过程中，蛇头是始终指 向运动波形前进方向 (如图 所示 )。 根据每个关节的周期变化，可 以推导出蛇头关节运动的函数为 ： ϕh=−θ (s) = −α cos(bs) (35) 写成时间的函数为 ： 沈阳航空学院学士学位论文 28 (。