弹跳机器人设计(编辑修改稿)

弹跳机器人设计(编辑修改稿)内容摘要：

方案（一） 的原理确实很具创新性，但是由于驱动部分的设计和卡笋部分的设计还有些许欠佳。 所以，弹跳小 车的最终方案用方案（二）。 18 第 七 章 弹跳小车方案（二）分析与设计 弹跳小车的基本功能及其展开分析 灾难的来临无法预测，但是救援的快、及时、有效是我们的希望，让受灾之人及时脱离危险是我们的职责。 为救援研制的小车举不胜数，并且随着小车的飞速发展，小车的功能日新月异，但目前大部分小车都存在翻越障碍等问题，因此救援弹跳小车应运而生。 基于上述背景，我们小组共同设计制作这 地震搜救弹跳小车。 它主要利用车体上的弹簧压缩产生弹性势能，弹簧释放时，作用于地面的力反作用于小车，使小车向前 跳跃前进，更好的解决了越障问题，并且当小车在行驶或翻越障碍物时发生翻车现象的情况下，我们的小车照样能够行驶以及跳跃。 结构方案的设计 动物的弹跳机理（以袋鼠为例） 袋鼠的跳跃运动的奥秘就在于袋鼠后腿强大的跟腱里。 通过实时动态地调整重心、起跳受力点以及起跳力度三者之间的关系，使身体保持向前运动的状态。 该方案节约能量、跳跃方式灵活机动，但是，其结构复杂，控制过程复杂，在小型小车上很难实现理想的效果。 因此无法采用动物的弹跳机理。 大炮的发射原理 确定好着弹点之后，直接计算出射 击诸元如仰角、装药量等，然后发射炮弹，是一个静态过程。 其结构简单，控制过程简单，易于实现。 最终小车采用的原理 为了小车能够有更好的应用前景，以及为了有更好的创新性，综合考虑，弹跳小车的跳跃方式模仿大炮原理。 不过大炮由用压缩弹簧积聚的能量代替火药产生的能量，如 下图 所示。 19 图 25 弹跳小车方案 弹跳小车的主要技术性能及特点 主要技术参数： ▲弹跳高度 :≤ ▲调节角度 :177。 90186。 ▲自身重量 :5kg 主要性能、特点 ▲能够实现基本的小车行驶功能，并且小车翻车后小车亦能前进无阻 ▲弹簧压缩蓄能以致能够实现弹跳的能力 ▲能够实现支撑小车形成一定的角度，小车翻车后亦能支撑一定的角度 20 第 八 章 弹跳小车方案（二） 动力设计计算 电机功率的确定 车轮电机的选择 小车装有两个车轮电机，有控制电路控制，分别驱动四轮，完 成小车平地行走。 设小车的行走速度 v为 ，车轮与地面的摩擦系数 f取 ，小车自重 m为 5kg，电机功率  为 ，车轮半径 R为 50mm 小车所需功率 mgfvP =5***= 则单个电机所需功率 21 PP=3W 弹簧压缩电机的选择 电机的作用驱动丝杠螺母，压缩弹簧，积聚能量，准备弹射。 由上可知电机的推力 F等于弹簧压力加上解脱卡笋的推力，取丝杠与螺母之间的静摩擦系数 f为 ，丝杠中径 d为 15mm，摩擦面最大正压力 Fmax= 2+1304=1540N 则所需电机扭矩 2m a xm a x dfFT  = 根据公式 NPT 9550 电机的功率 P= 60w ，转速 N= 100rpm的电机。 舵机的选择 舵机的作用是在小车要弹跳时，带动摆杆支起小车到达一定角度。 舵机的型号为TowerPro MG995，共两件。 21 第 九 章 弹跳小车方案（二） 结构设计 机构及主要零件空间布置方案的确定 弹力产生机构 弹力产生机构 该部分主要由 1个电机，丝杆螺母以及弹簧组成，电机与丝杆通过固定件连接，当电机转动时带动丝杆旋转，同时装配在丝杆上的螺母会向前移动，弹簧被压缩，卡笋能量释放板与螺母通 过螺钉固定连接，卡笋能量释放板会随着螺母前进并压缩弹簧以积蓄能量。 实现其他运动方式不能越过的障碍。 总图如图 9所示 图 26 弹力产生机构总图 弹射套筒导向装置 ，起导向作用的大套筒里联接一个导向键，并且这个键是弹射装置的导向件如图 10所示。 图 27 弹射套筒导向装置 22 弹射套筒联接装置 ，电机通过联轴器与丝杆相联，卡笋能量释放板与螺母固定连接，并且螺母的前进导致弹簧压缩，起到蓄能的作用。 并且弹簧在套筒的导向孔里，如图11所示。 图 28 弹射套筒内部装置 驱动部分设计 驱动装置两个电机通过联轴器的联接，带动左右前轮的旋转以带动后轮旋转，达到前进的目的。 如 下 图所示 图 29 驱动装置 卡笋机构 由卡笋套筒、弹簧、卡笋轴组成，弹簧在卡笋套筒的孔内，并且顶住卡笋轴，而卡笋轴的的一端与弹射套筒联接，使弹射套筒能够积蓄能量。 并且被弹簧顶住的卡笋轴有向小车中心运动的趋势，这使小车能够实现多次弹跳。 如 下图 所示。 23 图 30 卡 笋机构 倾斜机构 ：利用舵机与支撑杆连接，通过控制舵机的旋转角度来实现小车的倾斜角度。 结构工艺性的考虑（铸、锻、切削、热处理、检测及装配的工艺性等） 底板是用来支撑、固定和承载以上机构，考虑到公益性，此处采用 4mm 的铝板，并且将其窝边以增强强度。 大套筒是用来作为弹射套筒的导向装置，其由铝制作而成。 如图 14 所示。 将铝件车成Φ 82的圆筒 将圆筒铣成尺寸为 55mm*60mm*87mm 钻孔 24 图 31 大套筒 电机套筒 是 用来作为 固定电机以及安放轴承与联轴器的装置，其由铝制作而成。 如下图 所示。 图 32 电机套筒 支撑杆是用来支撑小车的功能因此支撑杆需进行热处理。 将支撑杆加工到预定尺寸。 进行正火处理。 轴承的布局 前置电机的传动轴的轴承是通过轴承座固定，轴承座的一边挡住轴承，另一边通过 25 螺钉将其固定； 中央伺服电机是通过电机套通固定，电机套通一边挡住轴承，并且利用螺钉将轴承另一边挡住，以致固定轴承。 润滑与密封方式的选择 需要润滑的地方是轮轴与滚动轴承配合处以及丝杠与滚动轴 承配合处，应选用定期油润滑；考虑结构尺寸与散热的因素，无需密封。 26 第 十 章 弹跳小车方案（二） 主要零配件的设计与计算 传动轴直径的估算及验算（包括弯曲刚度、扭转刚度、花键键侧挤压力及危险断面的强度等） 前后轴的计算 小车行走时： 轴的材料选用 45钢，许用切应力 [ ]=40Mpa ,许用应力 [ ]=130Mpa ,由 此 可知电机要输出的扭矩 (轴的扭矩 ) wPT =VRP = 预设轴的外伸量 L=30mm，小车的整体重量 m=5kg，则每个轴受到的弯矩 4mgLM = 由第三强度理论：  W MT 22 抗弯截面系数 323dW  带入数据，解之得最小轴径 d=4mm。 弹起后，落地： 设计小车最高跳 H=100mm ,落地瞬间到停止的时间 T= ， 由 公式 gHVV t 2022  ，最后速度 Vt=0 V0=由 mvFt △ 小车着地后的平均冲击力 F=5*此时轮轴受到的只有弯矩，每根轴的弯矩 M=70*由公式   332dM 最小直径 d=。 因为在设计过程中要考虑轴与其它标准件间的配合，四轴的尺寸有所变化；前轴为两驱动轴，后轴不同 ，前后轴的结构也有所不同，两轴的结构尺寸如下图所示。 27 图 33 前轮轴（左）与后轮轴（右） 滚动 丝杠、螺母副的验算 丝杠螺母传递的最大力 F为 1540N，最大扭矩 T为 ，丝杠小径 d为 12mm，材料为45钢，表面硬化处理，许用抗拉强度  =160Mpa，则 丝杠的拉应力 AF = 丝杠的扭转切应力 316dT= 由于丝杠不受弯矩 主应力 1 = = 则丝杠的最大应力  1m ax   设计要求计算 设小车 m为 5kg，弹跳高度 h为 100mm，弹射角度为 60176。 ，竖着方向的速度 vt 由 gh20vt2  有 Vt=则沿着弹射方向的速度  30cos1 tVV =小车所需动量 mvP =弹簧在释放过程中，弹射筒与地面接触，所以动量不守恒。 小车所需动能 2E 2k mv = 设弹射时的能量利用率  75%，弹簧压缩量 L=40mm ，弹簧刚度系数为 k， 28 则小车实际所需总能量 KEE= 由 22kxE 有 弹簧刚度系数为 k=弹簧的最大压缩力 kxF =1304N 弹簧的选择与校核 弹簧为储能元件，动作过程中通过电机带动丝杠螺母压缩弹簧，储存能量，最后释放使带动撞击块冲击地面，以此给小车一个冲量，实现跳高。 材料直径 d=3mm， 弹簧中径 D=14mm ， 许用应力 p =685Mpa ，一圈弹簧刚度 dk =291Nmm1 ，有 kn p = 有效圈数 N=9 实际弹性系数。