个轮腿式移动越障机器人驱动装置的研究_毕业设计说明书(编辑修改稿)

个轮腿式移动越障机器人驱动装置的研究_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

方面来考虑，轮子宽 度越短越好，但为了提高轮子对地面的适应能力和为轮内零件设计和选型方便，最 后的设计 目标定为轮宽 B=120mm。 腿臂的设计 因设计要求中机器人能够要越过 250mm 高的台阶，所以，机器人的底盘高度不能太低。 由于底盘的高度是由腿臂的位置来决定的，因此设长臂与短臂的总的直线长度为 L1，则 腿的直线长度 L1 应该满足如图 31所示的要求。 图 31 翻越台阶时尺寸关系图 本科毕业设计说明书（论文） 第 15 页 共 42 页 (33) 考虑到腿臂的抬起角度应该在一定的范围之内 ,取α =β =450,得 L1≥ 177mm,即长臂和短臂长度之和长于 177mm. 考虑到安装 平行四边形机构的方便 ,短臂部分长度应长于 100mm,长臂部分长度应该不短于 300mm,所以驱短臂长度为 120mm,长臂长度为 300mm,这样 ,正常行驶时 ,车架距离地面的高度为 80+120+300=500mm。 车底盘设计 采用了自由运动的底盘后，箱体的安装就必须重新设计。 具体的要求是，第一箱体的安装必须在一定的范围之内，并不减少底盘的自由度。 第二，箱体的安装要有助于箱体的抗震性能，这样有助于保护箱体内的控制系统和仪器等设备。 由于以上的考虑车底盘用铸件。 机器人在正常行驶中， 为保证其稳定性，必须有足够的支撑面积。 则轮间距离不能过短。 从整车的协调与稳定性来考虑，设计车架的尺寸为 720mm X 400mm（铸件） ，而车轮轴线之间的距离为 250mm 则车架的简图如图 32 所示： 本科毕业设计说明书（论文） 第 16 页 共 42 页 图 32 车架底盘简图 机构受力分析与计算 机构重力估计 为了降低总体的车重，除了一些受力情况较为恶劣和出于加工需要的零件，其他零件都采用铝合金。 因此，初步估计轮子的重量为 2Kg，车架和整个箱体的重 量为15Kg，腿臂重量为 1Kg，电机和涡轮处的重量为 4Kg。 总重 57kg,加上螺纹紧固件设总重为 60Kg. 受力分析 如图 33，设腿呈水平状态（这样算对关节力矩最长，重心也最容易失衡，较为安全）。 则列出下表达式： 本科毕业设计说明书（论文） 第 17 页 共 42 页 图 33 重心位置计算简图 (34) 其中 L 为重心距离关节中心的位置 L1=300mm 长臂的长度 L2=120mm 短臂 的长度 G1=10N 腿臂的重量 G2=20N 轮子的重量 算得 L=350mm 前排轮翻越台阶时车身受力分析 受力如图 34 所示，由于考虑两侧轮子动作相同，故仍然把受力简化成三排轮子进行分析。 这样并不影响结果。 设后排轮轮中心距离后排关节为 140mm。 后排腿呈直线，则与垂直方向夹角正弦值 sinθ ==140/420=，此时可以算出前排轮关节与轮心距离 h 为 350 本科毕业设计说明书（论文） 第 18 页 共 42 页 图 34 前排轮翻越台阶时受力分析 h=错误 !未找到引用源。 + 80 – 250 80 = 142mm （ 35） 则前排轮轮心与关节水平距离 L1 为 L1=错误 !未找到引用源。 =错误 !未找到引用源。 =395mm (36) 则列表达式如下 : G4*210*sinθ +G2*(320+150)+G3*(320+150)+ G3*(320+错误 !未找到引用源。 +320+150)=N*(L1+320+320+150) (37) 其中 ,G1=80N 前腿和轮总重量 G2=150N 箱体重量 G3=60N 中腿和轮总重量 G4=20N 后腿重量 算得 N=200 N 则每条腿受力为 100N，关节处扭矩 T1为 T1=错误 !未找到引用源。 *L1=200/2*395=39030 N*mm=40Nm (38) 腿臂的受 力分析 本科毕业设计说明书（论文） 第 19 页 共 42 页 （ 1） 长臂固定，短臂运动 如图 35所示，当机器人受力均衡时，每条腿受力为 160N，当爬台阶时，每条腿受力 120，所以取机器人每条腿受力 N=200N 来对腿臂受力进行计算，如图 35 所示： 图 35 短臂和拉杆受力分析 对 0 点列出力矩平衡方程 N*120sinθ =100*Fcosθ （ 39） 可以看出，当 θ =90 错误 !未找到引用源。 时，机构进入死点，因此，在控制机器人腿臂运动时候应该避免短臂和长臂处于一条直线上。 因此，假设 θ =80 错误 !未找到引用源。 时， F=1362N，当 θ =60错误 !未找到引用源。 时， F=415N，当 θ =45 错误 !未找到引用源。 时， F=440N。 可以看出，当 θ 增长时， F 增长越快，因此，在控制时一定要注意避免 θ 长于一定角度，从计算看， θ 取值应短于 80错误 !未找到引用源。 2）短臂和长臂一起转动 当短臂与长臂夹角保持不变时，则，短臂和长臂相当于焊死。 则可以将短臂和长臂看出整体受力。 在关节出受力 矩最长，其最长值为 Tmax为 Tmax= N（ 120sinθ+300） （ 310） 代入 N=200， θ=80 错误 !未找到引用源。 ，得 Tmax = 车轮驱动功率 理论行走驱动功率 Pε （ Kw）为 本科毕业设计说明书（论文） 第 20 页 共 42 页 P ε = 错误 ! 未 找 到 引 用 源。 （ 311） 其中 G=1000N f= 滚动摩擦阻力系数 Ua=10Kw/h 时速，最高时速为 10Kw/h 代入得 Pε ==139w 关节功率计算 假设关节处转速为 2r/m，由上述计算可知关节在攀爬台阶时受扭矩为 40Nm，取 T 为 40Nm，则关节理论功率 Pε 为 Pε =T*w=40*2*2π /60=(w) （ 312） 轮子驱动转矩计算 从前面计算结果可以看出，轮子与地面之间的最长正压力设为 N，则 N 为： N=G/6=600/6=100N （ 313） 取其与地面滚动摩擦阻为 f=，则摩擦力为 ,则滚动摩擦力产生的力矩为 Tf=f*R=*= （ 314） 其中， R= 轮子半径 在斜坡上所需的制动力 在斜坡上受力如图 36 所示，当车在斜坡上制动时，假设每个轮子均受力 F，则 F 为 F=600*sin15 /6= （ 315） 则每个轮子所需的制动力矩 Ts 为 Ts=F*R=*= (316） 最高时速下轮子转速，则轮子转速 n与最高时速 Vmax 的关系 n= 错误 ! 未 找 到 引 用 源。 本科毕业设计说明书（论文） 第 21 页 共 42 页 （ 317） 其中 Vmax 为最高时速 ,D=150mm,n=353r/min 图 36 车体在斜坡上的受力 驱动装置的设计 驱动方式概述 在机械系统中 ,驱动装置起到举足轻重的作用 ,驱动器作为微型机器人 的核心部件 .一直是广长研究人员的热点和突破点 .微驱动器在微型机器人的 关节驱动 ,微短光盘和磁盘以及微短航天仪器中有着广泛的应用前景 ,并且 在 一 定的程度上衡量微驱动器发展水平的重要标志 . 由于受到结构尺寸和作业空间的限制 ,微型机器人驱动器主要是电动机 驱动 ,形状记忆合金 ,电磁方式和压电方式驱动等等 . (1) 电动机驱动 电动机驱动应用的比较广泛 ,电机尤其是伺服电机已经成为机器人最 常用的驱动器 .电机控制性能好 ,而且具有较高的柔性和可靠性 ,十分适合于高 精度 ,高性能机器人 .伺服电机包括带有反馈的直流。 交流电机，无刷电机等 等。 本科毕业设计说明书（论文） 第 22 页 共 42 页 （ 2）静电驱动 静电力也是微型机器人常 用的。